第3章-UniSim模拟分离过程

第3章UniSim模拟分离过程分离单元的类型I.闪蒸II.精馏III.吸收IV.萃取UniSim模拟的分离过程•分离器：2相分离器、3相分离器、固体分离器、旋风分离器、真空过滤器、结晶器•塔：吸收解吸、有再沸器的吸收塔、有回流的吸收塔，液-液萃取塔、常减压塔、精馏塔、组分分离器、三相精馏塔（所有塔都能在板上加反应单元进行反应精馏）I.闪蒸(Flashdrum)•执行给定热力学条件下的汽液平衡或汽液平衡计算，输出一股汽相和一股（或两股）液相产物。•用于模拟闪蒸器、蒸发器、气液分离器等。•闪蒸单元自由度：2闪蒸分离操作类型分离器（Separator）多进料口，一个气相出料口和一个液相出料口在稳态模式下，分离器把容器中的物质分为气相成分和液相成分三相分离器（3-PhaseSeparator）多进料口，一个气相出料口和两个液相出料口三个分离器把容器中的物质分为气相、轻液和重液罐（Tank）多进料口，一个气相出料口和一个液相出料口平衡闪蒸泡点BubbleP.露点DewP.闪蒸计算的任务a)气－液平衡计算包含一股气相和一股液相，如果体系中存在水，则水作为单独的一相出料b)气－液－液平衡计算包含一股气相和两股液相Flash－模型参数•第一规定：–压力、温度•第二规定：–闪蒸类型(绝热、等温、等熵等)或产物规定•可选参数：–产物相态–热力学模型–夹带选项（carryoveropitions，模拟真实工况）闪蒸类型•绝热闪蒸：绝热或指定热负荷下的汽液平衡状态•等温闪蒸：指定温度下的汽液平衡状态•露点闪蒸：指定压力下的露点温度•泡点闪蒸：指定压力下的泡点温度•等熵闪蒸：等熵变化后的温度、压力和所需要的热负荷理想分离器和实际分离器的区别•理想分离器–认为气液相是完全分离的。•实际分离器–分离并不完全，液体能夹杂在气体中或者液体中液包含气体–近年来多使用增加容器内部构件（例如，金属网垫，叶片包，堰）的方法来减少夹杂的液体量和气体量。•UnisimDesign中默认的分离器是理想分离器•实际分离器有许多优点：–夹带选项（carryoveropitions）可以使模型与过程质量平衡或分离器设计参数相匹配–可以预测进料相位分别的影响、进料工况、容器形状、进出口夹带•对出口物流进行P-H闪蒸来测定出口的工况和相位–闪蒸的压力是最小进口压力减去容器中的压降–焓值是进口的焓加上负荷（加热时，负荷是正值；冷却时负荷是负值）。气液出口压力=进口压力-DP气出口压力=进口压力-DP-DP2220kPa220-14kPa220-14-4kPa220-14kPa分离器的三个选项Flash—应用示例（1）•流量为1000kg/hr压力为0.11MPa含乙醇70%、水30%的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽液比（摩尔）=1/3。•求离开冷凝器的汽、液两相的温度和组成。•如何确定汽液两相摩尔比？Flash—应用示例（1）•液相：–活度系数方程NRTL,Wilson,等•气相：–状态方程SRK,P-R等Flash—应用示例（2）•流量为1000kg/hr压力为0.5MPa温度为120℃、含乙醇70%、水30%的物料绝热闪蒸到0.15MPa。•求离开闪蒸器的汽、液两相的温度、流量和组成。II精馏•当体系中的化学组分沸点相差较小，或不具有其它易于分离的性质时，须采用精馏的方法。•其它的分离方法包括：吸收、萃取、吸附•模拟传质设备的两个关键点：(1)热力学(2)收敛问题精馏原理•精馏是分离液体混合物的单元操作，是利用混合物中各组分挥发度的差异,并借助回流的工程手段，实现组分的分离•典型的连续精馏流程如图.预热到一定温度的原料液送入精馏塔的进料板,在每层塔板上,回流液体与上升蒸气互相接触,进行热和质的传递.塔顶冷凝器的作用:获得塔顶产品及保证有适宜的液相回流.再沸器的作用:提供一定量的上升蒸气流.图6-9连续精馏流程精馏计算模型•精馏模拟方法：–平衡级模型•主流模型–非平衡级模型•ASPENRateFrac模型精馏塔的一段UniSim的精馏计算A.组分分离器B.简捷精馏C.严格精馏D.侧线精馏E.塔板计算：塔板设计和塔板核算F.填料塔计算：填料设计和填料核算严格塔的类型塔的基本类型（BasicColumnTypes）图标（Icon）描述（Description）吸收塔（Absorbor）仅有塔板液液萃取塔(Liquid-LiquidExtractor)仅有塔板再沸吸收塔（ReboiledAbsorber）塔板和塔底部再沸器回流吸收塔(RefluxedAbsorber)塔板和塔顶冷凝器精馏塔(Distillation)塔板并有再沸器和冷凝器三相精馏塔(ThreePhaseDistillation)塔板，三相冷凝器，再沸器。冷凝器可以设定是化合物或烃类预设复杂塔的类型复杂塔的基本类型（ComplexColumn）描述（Description）3侧线原油塔(3SidestripperColumn)塔板部分，再沸器，冷凝器，3个侧气提塔，以及3个附属的循环泵系统4侧线原油塔(4SidestrippeColumn)塔板部分，再沸器，冷凝器，1个塔顶的再沸气提塔，3个侧气提塔，以及3个附属的循环泵系统FCCU主分离器(FCCUMainFractionator)塔板部分，冷凝器，1个塔上部的回流和产品采出系统的泵，一个位于塔中部的有两股产品物料的侧气提塔，1个塔的底部回流和产品采出系统的泵减压塔(VacuumResideTower)塔板系统，2个侧线产品采出以及回流的泵系统，闪蒸区下面的一个清洗油冷物料部分预设塔的模板A.组分分离器（ComponentSplitter）•进料物流按照所设定的参数和分离器分数被分成了两个组分物流，必须要设定从组分分离器中出来进入到顶部的产品物流的每个进料组分的分数–使用组分分离器可以完成更接近专业和非标准的分离过程，而这些过程在UnisimDesign中其他地方是无法处理的。•理论（Theory）–组分分离器可以满足每个组分的物料平衡：fi=ai+bi其中：–fi=进料的ith组分的摩尔流量–ai=顶部ith组分的摩尔流量–bi=底部ith组分的摩尔流量B.简捷精馏(shortcut)•用全回流塔进行Fenske-Underwood精馏计算•可以计算塔板的最小Fenske塔板数以及最小的Underwood回流比。•使用设定的回流比计算富集和抽提工段中汽体和液体的流动速率，冷凝器负载和再沸器负载，理想的板的数量，以及最佳进料位置。•全回流塔只是塔性能的估计并受到简单的回流塔的限制。对于更多的实际的结果要使用严格的塔选项，这些操作仅可以为大多数的简单的塔提供初始估计值Shortcut—连接•Shortcut模型的连接图如下：Shortcut—应用示例•含乙苯(C8H10)30%、苯乙烯(C8H8)70%的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30）用精馏塔（塔压0.02MPa分离，要求99.8%的乙苯从塔顶排出，99.9%的苯乙烯从塔底排出，采用全凝器。求：(1)Rmin，NTmin;(2)R=1.5Rmin时的R、NT和NFC严格精馏(Distillation)•Distillation模块同时联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果。•Distillation模块可用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）、萃取塔的分离能力和设备参数。平衡级•平衡级模型基于两个基本假设：•每块塔板上的液体和塔板间的气体是完全混合的，具有均匀的温度和组成；•离开每块塔板的液体和气体都处于相平衡平衡级•任何一平衡级（或理论板）为基础的严格精馏算法包含以下基本方程组：1)物料平衡方程组(M)2)相平衡方程组(E)3)摩尔分数加和式(S)4)热平衡方程组(H)•－－－MESH方程组输入专家系统1输入专家系统2输入专家系统3输入专家系统4Design界面设计规定更改主流程图和子流程图的概念严格精馏模块－模型设定1)压力分布(Pressureprofile)2)进出流股(Feedsandproducts)3)收敛判据(Convergencedata)4)热力学模型(Thermodynamicsystems)5)冷凝器(Condenser)6)侧线加热器/冷却器(Side-heatersandCoolers)7)泵循环(Pumparounds)8)塔板效率(Trayefficiency)9）求解算法(Algorithm)1)压力分布(Pressureprofile)2)进出流股(FeedsandProducts)加料板位置3)收敛判据(Convergencedata)•收敛计算阻尼因子默认值：1稳定性较差的流程或单元，可取0～1之间•收敛允许误差默认值：物料平衡：1×10－5能量平衡：5×10－44)热力学模型(Thermodynamicsystems)•整塔使用同一个热力学模型•不同的塔板指定不同的热力学模型5)冷凝器(Condenser)冷凝器配置从四个选项中选择一种：1、分凝器（Partial）露点2、泡点温度（Bubblepoint）泡点3、过冷冷凝（Subcooled，Fixedtemperature）（Subcooled，Fixedtemperaturedrop）6)侧线加热器/冷却器(Side-heatersandCoolers)•可为每块塔板指定侧线加热或冷却的热负荷每块塔板的热损失每块塔板的Flashzone7)泵循环(Pumparounds)•作用：从塔板移走热量，可调节塔内汽液两相的流量，是塔内部汽液两相流量的主要控制点。可规定的参数：流量和热负荷流量和绝热流量和回流条件热负荷和回流条件8)塔板效率(Trayefficiency)MurphreemodelVaporizationmodelyi=ciKixiEquilibriummodelyi=[(Ki−1)Eeq+1]xiyiyyiyKi=•对大多数带冷凝器和再沸器的精馏塔，通常的塔板效率为65~75%•在低回流比下，分离效果对模型中的塔板数不敏感•冷凝器模拟为1块塔板、再沸器视情况而定（1块或2块）Pumparounds通常模拟为2块塔板9）求解算法(Algorithm)六种求解算法：a)LegacyInside-Out法b)ModifiedInside-Out法c)Newton-RaphsonI/O法d)SparseContinuationSolvere)SimultaneousCorrectionf)OLESolverMethod（方法）Explanation（解释）LegacyInside-Out通用方法，对大多数问题是有用的ModifiedInside-Out通用方法，允许更改塔子流程图中混合器，三通管，和热交换器NewtonRaphsonInside-Out通用方法，允许塔子流程图中液相运动学的反作用力SparseContinuationSolver一个基于求解器的方程，它支持塔板上两个液相，主要用于求解高度非理想化的化学系统和反应精馏SimultaneousCorrection同步校正使用折线方法，适合化学系统，这个方法同样支持反应精馏OLIEqulibrium只用于在电解质系统中计算塔操作单元OLIRate-basedSolver只用于在电解质系统中计算塔操作单元a)内外层迭代法(I/OMethod)•平衡级模拟计算中最复杂和最费时的是平衡常数和物流热焓的计算，内外层法的基本思想是先将这些复杂而费时的计算内容简化，将这些简化模型用于主体（即内层循环）计算，而再外循环中则采用严格的热力学模型对简化模型的模型参数进行更新，这样即构成两重迭代循环。也称为双层法或局部模型法。•适用于汽液平衡常数与组分基本无关的情况a)内外层迭代法(I/OMethod)优点：􀂃计算速度快􀂃对初始猜测值相对不敏感􀂃附塔与主塔同时求解􀂃可使用热虹吸式再沸器•缺点：􀂃􀂃只能包含一个液相（水可在冷凝器除去）􀂃􀂃对高度非理想性体系求解较