13第四章 多组分平衡级分离过程计算

ASPENPLUS应用化工计算机应用第四章ASPENPLUS的多组分分离过程模型李玉刚计算机与化工研究所第2页ASPENPLUS的分离单元操作模型类型模型说明混合器/分流器MixerFsplitSsplit物流混合物流分流子物流分流分离器Flash2Flash3DecanterSepSep2双出口闪蒸三出口闪蒸液-液倾析器多出口组分分离器双出口组分分离器换热器(Chap5)HeaterHeatXMHeatXHetranAerotran加热器/冷却器双物流换热器多物流换热器与BJAC管壳式换热器的接口程序与BJAC空气冷却换热器的接口程序塔(Chap4)DSTWUDistlRadFracExtractMultiFracSCFracPetroFracRate-FracBatchFrac简捷蒸馏设计简捷蒸馏核算严格蒸馏严格液-液萃取器复杂塔的严格蒸馏石油的简捷蒸馏石油的严格蒸馏非平衡级连续蒸馏严格的间歇蒸馏第3页4.1多组分单级分离过程-闪蒸闪蒸——连续单级蒸馏过程，使进料混合物部分汽化或冷凝得到含易挥发组分较多的蒸汽和含难挥发组分较多的液体。第4页闪蒸过程的数学模型组分物料衡算式（ComponentMassBalance）相平衡关系式（Equilibrium）摩尔分数加和式（Summations）热量衡算式（Heatbalance）ciyVxLFziii,,2,1cixKyiii,,2,1011ciiciixyVLFVHLHQFH其他关联式：相平衡常数（Ki）气相摩尔焓（HV）液相摩尔焓（HL）Y=1x=1第5页常见的闪蒸计算类型规定变量闪蒸形式输出变量p、T等温Q、V、yi、L、xip、Q=0绝热T、V、yi、L、xip、Q≠0非绝热T、V、yi、L、xip、L部分冷凝Q、T、V、yi、xiP（或T）、L部分汽化Q、T（或p）、yi、L、xiASPENPLUS的闪蒸计算模型Flash2Flash3第6页ASPENPLUS的闪蒸模型需要知道两个条件露点或泡点计算露点气相摩尔分率为1；泡点气相摩尔分率为0；第7页4.2多组分多级分离塔的简捷计算多组分精馏的FUG简捷计算法（Fenske–Underwood-Gilliland）①用芬斯克（Fenske）公式估算最少理论板数和组分分配；②用恩特伍德（Underwood）公式估算最小回流比；③用吉利兰（Gilliland）图或相应的关系式估算实际回流比下的理论板数。第8页关键组分所谓关键组分，是进料中按分离要求选取的两个组分（不少情况是挥发度相邻的两个组分)，它们对于物系的分离起着控制作用，且它们在塔顶或塔釜产品中的浓度或回收率通常是给定的。这两组分中挥发度大的称为轻关键组分，挥发度小的称为重关键组分，它们各自在塔顶或塔底的含量必须加以控制，以保证分离后产品的质量。第9页ASPENPLUS中的简捷法精馏塔设计模型模型描述目的用于DSTWU使用Winn–Underwood-Gilliland方法设计简捷法蒸馏确定最小回流比、最小级数或者实际回流比、实际级数一个进料物流和两个产品物流的塔Distl使用Edmister方法进行简捷法蒸馏核算确定以回流比、级数、馏出与进料比为基准的分离程度一个进料物流和两个产品物流的塔SCFrac复杂的多个石油分馏单元的简捷精馏确定产品组成和流率、每段的级数、使用分馏指数的热负荷复杂塔例如原油单元和减压塔第10页DSTWU--简捷法精馏设计规定估计/结果轻重关键组分的回收率最小回流比和最小理论级数理论级数必需回流比回流比必需理论级数DSTWU使用去估算Winn最小级数Underwood最小回流比Gilliland规定级数所必需的回流比或规定回流比所必需级数第11页4.3多组分多级分离塔的严格计算第12页理论模型-简单回顾MESH方程（P143）组分物料衡算（M，N×c个方程）相平衡关系（E，N×c个方程）各相的摩尔分数加和式（S，2N个方程）热量衡算（H，N个方程）典型求解方法方程解离法（典型代表为泡点法（BP法）和流率加和法（SR法））同时校正法（Naphtali-Sandholm同时校正法（NS-SC)和Goldstein-Stanfield同时校正法（GS-SC））内外法（Boston和Sullivan提出）第13页ASPENPLUS的严格蒸馏模型模型描述目的用于RadFrac严格分馏执行各塔严格核算和设计计算普通蒸馏、吸收塔、汽提塔、萃取和共沸蒸馏、三相蒸馏、反应蒸馏MultiFrac严格法多塔精馏对一些复杂的多塔执行严格核算和设计计算热整合塔、空气分离塔、吸收/汽提塔组合、乙烯装置初馏塔和急冷塔组合、石油炼制应用PetroFrac石油炼制分馏对石油炼制应用中的复杂塔执行严格核算和设计计算预闪蒸塔、常压原油单元、减压单元、催化裂化主分馏器、延迟焦化主分馏器、减压润滑油分馏器、乙烯装置初馏塔和急冷塔组合RateFrac基于流率的蒸馏对各塔和多塔执行严格核算与设计。基于非平衡级计算，不需要效率和HETPs。蒸馏塔、吸收塔、汽提塔、反应系统、热整合单元、石油应用例如原油和减压单元、吸收/汽提塔组合Extract严格液-液萃取使用一个溶剂模拟一个液体物流的逆流抽提液-液抽提塔第14页RadFrac流程的连接（Connectivity）FeedsSide-drawsHeaters(orheatstreams)DecantersPumparoundsRadfracconfigurationsareveryflexibleandcancontainanynumberof第15页RadFrac模型的基本设置（1）第16页RadFrac模型的基本设置（2）ConfigurationSpecificationNumberofstagesCondenserandreboilerconfigurationTwocolumnoperatingspecificationsDefaults:DistillaterateandrefluxratioValidphasesConvergence第17页RadFrac模型的基本设置（3）StreamSpecificationFeedstagelocationFeedstreamconvention:Above-stageOn-stageBottomandoverheadproductstreamsSideproducts第18页RadFrac模型的基本设置（4）PressureSpecificationTop/BottompressurePressureprofileSectionpressuredrop第19页设计规定第20页精馏塔模拟不收敛的原因（常见）1)采出量不合适，轻重组份分配不合理2)冷凝器设置不合理：温度不合理、气液比不合理，如有惰气情况3)回流比太小，出现干板4)收敛方法不合适，如宽沸程物系5)热力学方法不合适理论板数估算（已有装置）1)板式塔实际板数×60~90%（与塔径有关）2)填料塔散装填料：1m/块规整：0.5~0.6m/块常用的250Y，0.5m/块每种填料都有自己的等板高度，可以查到第21页结果查看第22页理论板数给定（一般）估计理论板数，和进料位置试算－－获得收敛的一个工况给极限的理论板数、回流量将极限值慢慢调回正常值可以看中间结果，发现不收敛的原因得到较为合理的工况不断地降低回流比、板数，同时保证分离要求在回流比、板数一定条件下，根据出料组成变化调整进料位置，找一个比较好的值再调整板数或回流量第23页理论板数给定（严谨）估计理论板数，和进料位置试算－－获得收敛的一个工况将极限值慢慢调回正常值添加设计规定（spec）y＝分离要求，x＝参数（回流量、采出量）。注意：x只能选给定的量。计算，得到满足分离任务的回流量L1增加一块理论板，得L2同理得到：L3,L4…Ln（其中包括减少板数）以板数为X轴，以回流量为Y轴，做曲线020004000600080001000012000468101214161820第24页塔径计算板式塔和填料塔TraySizing（塔板设计）TrayRating（塔板核算）PackSizing（填料设计）PackRating（填料核算）各种各样的不规则填料1、拉西环（RASCHIG）2、鲍尔环（PALL）3、阶梯环（CMR）4、矩鞍环（INTX）5、超级环（SUPERRING）2、规整填料：1、带孔板波填料（MELLAPAK）2、带孔网波填料（CY）3、带缝板波填料（RALU-PAK）4、陶瓷板波填料（KERAPAK）5、格栅规整填料（FLEXIGRID）五种通用塔板类型中进行选择：Bubblecaps（泡罩）Sieve（筛板）GlitschBallast（Glitsch重盘式塔板）KochFlexitray（Koch轻便型浮阀塔板）NutterFloatValve（Nutter浮阀塔板）第25页精馏塔的设计（填料塔）第26页填料塔的F因子GGUFGF:气体动能因子，（m/s）(kg/m3)0.5UG:气体空塔速度，m/s:气体密度，kg/m3F因子＝用Aspen的F因子/塔面积