第四章 ASPEN PLUS多组分平衡级分离过程计算

ASPENPLUS在化工过程设计中的应用第四章多组分平衡级分离过程计算（二）第2页第四章多组分平衡级分离过程计算4.1多组分单级分离过程4.2多组分多级分离塔的简捷计算4.3多组分多级分离塔的严格计算核算型（精馏塔参数——〉分离性能？）设计型（分离性能——〉精馏塔结构尺寸？）第3页AspenPlus中的分离过程模型：简单分离单元模型：Separators塔设备单元模型：Columns4.2.1多组分分离过程模型的分类第4页塔设备单元模型包含九个模块：DSTWU:简捷蒸馏设计Distl:简捷蒸馏核算RadFrac:严格蒸馏Extract:严格液-液萃取器MultiFrac:复杂塔的严格蒸馏SCFrac:复杂塔的简捷蒸馏PetroFrac:石油的严格蒸馏Rate-Frac:非平衡级连续蒸馏BatchFrac:严格的间歇蒸馏第5页塔设备单元模型—分类第6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方法设计简捷法精馏确定最小级数、最小回流比或者实际回流比、实际级数一个进料物流和两个产品物流的塔Distl使用Edmister方法进行简捷法精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,计算产品组成。一个进料物流和两个产品物流的塔SCFrac简捷法多塔精馏模块确定产品组成和流率每段的级数、使用分馏指数的热负荷原油单元常减压蒸馏塔第7页ASPENPLUS的严格蒸馏模型模型描述目的用于RadFrac单个塔的两相或三相严格计算模块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原油单元常减压蒸馏塔、吸收/汽提塔组合等。PetroFrac石油精馏模块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非平衡级速率模块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，萃取塔第8页4.2.2多组分多级分离塔的简捷计算多组分精馏过程的近似设计算法常用于：初步设计。对多种操作参数进行评比以寻求适宜的操作条件。过程合成中寻找合理的分离顺序。近似算法还可用于控制系统的计算以及为严格计算提供合适的设计变量数值和迭代变量初值。当相平衡数据不够充分和可靠时，采用近似算法不比严格算法逊色。近似算法虽然适于手算，但为了快速、准确，采用计算机进行数值求解也已广泛应用。第9页多组分精馏的简捷计算法多组分精馏的简捷计算法（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10页全回流及最少理论板层数全回流时，D=0，F=0，W=0；达到给定分离程度所需的理论板层数最少为Nmin。1）Nmin的求法a）图解法xWxD理论板数的简捷算法第11页mwwDDxxxxNlog11log1min——芬斯克方程b）解析法——芬斯克(Fenske)方程式第12页最小回流比的求法1）作图法a）对于正常的平衡曲线qDqDxxyxRR1minmin第13页qqqDxyyxRminxq,yq——q线与平衡线的交点坐标qyqxq——恩德伍特方程第14页1、吉利兰图XY591422.0545827.0X/002743.01minRRRX2minNNNY第15页DSTWU--简捷法精馏设计DSTWU算法特点：DSTWU可对一个带有分凝器或全凝器、一股进料和两种产品的蒸馏塔进行简捷法设计计算。DSTWU假设恒定的摩尔流量和恒定的相对挥发度。根据给定的加料条件和分离要求计算最小回流比、最小理论板数、给定回流比下的理论板数和加料板位置。DSTWU也估算适宜的进料位置、冷凝器和再沸器的热负荷，并产生一个可选的“回流比～级数”的曲线图或表格。第16页规定估计/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17页DSTWU—连接DSTWU模型的连接图如下：第18页1、塔设定(Columnspecifications)（1）塔板数(Numberofstages)（2）回流比(Refluxratio)0,实际回流比；-1,绝对值=实际回流比/最小回流比DSTWU—模型参数（1）DSTWU模型有四组模型设定参数：第19页DSTWU—模型参数（1）第20页2、关键组分回收率(Keycomponentrecoveries)（1）轻关键组分在塔顶产品中的回收率塔顶的轻关键组分流率/进料中的轻关键组分流率（2）重关键组分在塔顶产品中的回收率塔顶的重关键组分流率/进料中的重关键组分流率DSTWU—模型参数（2）第21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);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。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（即是应该指定的两个浓度变量），因而在设计中起着重要作用。第22页关键组分-Example例如，石油裂解气分离中的C2-C3塔，其进料组成中有甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和丁烷；分离要求规定塔釜中乙烷浓度不超过0.1％，塔顶产品中丙烯浓度也不超过0.1％，试问其轻重关键组分分别是哪两个?分析：甲烷、乙烯沸点低于乙烷，若能将乙烷和丙烯分开，乙烷和比乙烷轻的组分必定从塔顶排出，同样，比丙烯重的组分则必定从塔釜徘出。因此，根据规定的分离要求，则能确定乙烷是轻关键组分，而丙烯则是重关键组分。第23页例1：书（P79）由精馏塔分离某泡点混合物，其进料组成、塔顶产品要求见表，全塔压力P=4.4atm。采用全凝器，回流比为1.8，热力学计算采用物性方法PENG-ROB。试用DSTWU模块设计满足上述分离要求的精馏塔。ASPENPLUS的简捷法精馏塔设计——示例第24页DSTWU—模型参数（2）第25页3、压力(Pressure)（1）冷凝器(Condenser)（2）再沸器(Reboiler)DSTWU—模型参数（3）第26页DSTWU—模型参数（3）第27页4、冷凝器设定(Condenserspecifications)三种类型：（1）全凝器(Totalcondenser)（2）带汽相馏出物的部分冷凝器(Partialcondenserwithvapordistillate)（3）带汽、液相馏出物的部分冷凝器(Partialcondenserwithvaporandliquiddistillate)DSTWU—模型参数（4）第28页DSTWU—模型参数（4）第29页1.生成回流比—理论板数关系表(Generatetableofrefluxratiovs.numberoftheoreticalstages)2.计算等板高度(CalculateHETP)DSTWU—计算选项DSTWU模型有两个计算选项：第30页DSTWU—计算选项第31页DSTWU—计算选项第32页DSTWU—计算选项合理的理论板数应在曲线斜率绝对值较小的区域内选择。第33页例1：书（P79）由精馏塔分离某泡点混合物，其进料组成、塔顶产品要求见表，全塔压力P=4.4atm。采用全凝器，回流比为1.8，热力学计算采用物性方法PENG-ROB。试用DSTWU模块设计满足上述分离要求的精馏塔。ASPENPLUS的简捷法精馏塔设计——示例第34页ASPENPLUS的简捷法精馏塔设计——示例例2：设计一个脱乙烷精馏塔，进料流量为100kmol/hr，进料组成为：氢气0.00014、甲烷0.00162、乙烯0.75746、乙烷0.24003、丙烯0.00075（摩尔分数），进料流股压力为18atm。要求乙烯在塔顶的收率达到95%，并且塔顶馏出物中乙烯纯度达到99%（摩尔分数）。塔顶设一全凝器，操作压力为17.8atm，塔釜有再沸器，操作压力为18.2atm。回流比为3。试确定精馏塔的理论板数、进料位置以及产品流股的组成。热力学模型选择Peng-Robinson方程。第35页ASPENPLUS的简捷法精馏塔设计—示例DSTWU中回收率的设定均指塔顶馏出物中轻、重关键组分的回收率。本例中轻关键组分乙烯的回收率是0.95；本例中重关键组分乙烷的回收率03.024003.010095.075746.010099.0/95.075746.0100第36页第37页第38页第39页第40页假定饱和液体进料，Vaporfraction设为0注意基准的选择第41页回收率均指塔顶馏出物第42页第43页第44页生成回流比关于理论板数的关系表第45页回流比关于理论板数的剖面图第46页ASPENPLUS的简捷法精馏塔设计——练习练习题1：设计一个丙烷精馏塔，操作平均压力为22atm，进料为汽、液混合物，其中气相占60%，进料组成为甲烷0.26、乙烷0.09、丙烷0.25、正丁烷0.17、正戊烷0.11和正己烷0.12（摩尔分数）；塔顶设一全凝器，塔釜有再沸器，要求丙烷在塔釜的收率不大于0.04，丁烷在塔顶的收率不超过0.0175；确定该精馏塔的理论板数、回流比、塔顶和塔釜的采出量及换热器的热负荷。假定进料100kmol/h,塔共有16块,物性选PENG-ROB。第47页Distl简捷校核模块Distil可对带有一股进料和两股产品的简单精馏塔进行简捷校核计算，此模块用Edmister方法计算精馏塔的产品组成。Distil模块有两个假设：即恒摩尔流假设和恒定的相对挥发度假设。根据回流比、级数、馏出与进料比,计算产品组成。第48页Distl简捷校核模块第49页Distl—连接Distl模块的连接图如下：第50页Distl—模型参数在Specification表单中设定以下两组参数：（1）塔设定理论板数Numberofstages加料板位置Feedstage回流比Refluxratio馏出物/进料摩尔比Distillatetofeedmole冷凝器类型Condensertype（2）压力设定冷凝器压强Condenserpressure再沸器压强Reboilerpressure第51页Distl—模型参数第52页Distl—计算结果计算给出以下模块信息：冷凝器热负荷Condenserduty再沸器热负荷Reboilerduty进料板温度Feedstagetemperature塔顶温度Topstagetemperature塔底温度Bottomstagetemperature进料q值Feedquality第53页Distl—计算结果-塔参数第54页Distl—计算结果-汽液相组成