aspen单元模块

1、aspen plus中各类主要单元模块介绍,主要模块类型,pressure changers（流体输送设备） heat exchangers（换热器） columns（塔） reactors（反应器） mixers/splitters（汇合/分支节点） separators（分离器） solids（固体分离设备,一、流体输送模型(pressure changers,pump 模型参数,指定模型参数 计算结果参数,排出压力所需（产）功率 压力增量所需（产）功率 压力比率所需（产）功率 所需（产）功率排出压力 特性曲线所需（产）功率,最简单的用法是指定出口压力(discharge pressure

2、)，并给定泵的水力学效率(pump efficiency)和驱动机效率(driver efficiency)，计算得到出口流体状态和所需的轴功率和驱动机电功率,pump 特性曲线,标准的设计方法是使用泵特性曲线(performance curve)。特性曲线有三种输入方式,列表数据 tabular data 多项式 polynomials 用户子程序 user subroutines,列表数据是最常用的输入方式,pump 特性曲线,在curve data表单中输入具体数据： 1、特性曲线变量的单位 units of curve variables 2、每根曲线特性数据表 如 head vs.

3、flow tables 3、每根曲线的对应转速 curve speeds,pump 特性曲线,在efficiencies表单输入效率数据,pump 特性曲线,当泵的操作转速与特性曲线的转速不同时，还要输入操作转速数据,pump 特性曲线,用多项式表示特性曲线,pump qnpshr 表,设计泵的安装位置时，应核算“必需汽蚀余量” net positive suction head required,其中：hs 为允许吸上真空度,pump qnpshr 表,在npshr表单中输入npshr数据,pump npsha,根据安装和流动情况可以算出泵进口处的“有效汽蚀余量” net positive

4、suction head available 在实际使用条件下，选择的泵应该满足,从数据浏览器的pump对象下选择results查看结果,pump 示例 1,一水泵将流量为 100 m3/hr ，压强为 1.5 bar，温度为 25 c的水加强到 6 bar。若泵效率为0.68, 驱动电机的效率为0.95. 求： 泵提供给流体的功率，泵所需要的轴功率，电机消耗的电功率各是多少,pump 示例 2,一离心泵输送流量为 100 m3/hr 的水，水的压强为 1.5 bar，温度为 25 c。泵的特性曲线如下： 流量（m3/hr） 70.0 90.0 109.0 120.0 扬程（m） 59.0 5

5、4.2 47.8 43.0 效率（%） 64.5 69.0 69.0 66.0 求： 泵的出口压力、提供给流体的功率、泵所需要的轴 功率各是多少,compr 压缩机模型,多变离心压缩机（polytropic centrifugal compressor) 多变正排量压缩机（polytropic positive displacement compressor) 等熵压缩机（isentropic compressor) 等熵汽轮机（isentropic turbine,compr 模型用于模拟四种单元设备,compr计算模型,american society of mechanical engi

6、neers) gas processors suppliers association,美国机械师协会(复杂，准确） 气体处理工艺商协会(简单，不准确,标准等熵模型（热力学简化) asme修正的等熵模型 gpsa修正的等熵模型 asme修正的多变模型 gpsa修正的多变模型 分片积分多变模型 正排量模型 正排量模型用分片积分计算,compr 模型参数,compr 模型有五种工作方式： 指定模型参数 计算结果参数,排出压力所需（产）功率 压力增量所需（产）功率 压力比率所需（产）功率 所需功率排出压力 特性曲线所需（产）功率,compr模型参数,多变,多变,1、等熵效率isentropic ef

7、ficiency 压缩机 汽轮机,compr 效率,compr 模型有三种效率,2、多变效率polytropic efficiency,3、机械效率mechanical efficiency 压缩机 汽轮机,compr 效率,compr 结果查看,从数据浏览器的compr对象下选择results查看结果,一压缩机将压强为 1.1 bar 的空气（air)加压到 3.3 bar，空气的温度为 25 c，流量为 1000 m3/h。压缩机的多变效率为 0.71，驱动机构的机械效率为 0.97。求：压缩机所需要的轴功率、驱动机的功率以及空气的出口温度和体积流量各是多少,valve 阀门模型,阀门模型

8、用来调节流体流经管路时的压降,阀门模型有三种应用方式（计算类型） 绝热闪蒸到指定出口压力 adiabatic flash for specified outlet pressure 2. 对指定出口压力计算阀门流量系数 calculate valve flow coefficient for specified outlet pressure 3. 对指定阀门计算出口压力(核算方式) calculate outlet pressure for specified valve,valve 阀门参数,阀门类型 (valve type)： 截止阀 (global)、球阀 (ball)、蝶阀(butt

9、erfly) 厂家(manufacturer)：neles-jamesbury 系列/规格 (series/style): 线性流量 (linear flow)、等百分比流量 (equal percent flow) 尺寸 (size)：公称直径,运用核算方式时，需输入以下参数,valve阀门参数,valve阀门参数,以及阀门开度(opening,valve 结果查看,从数据浏览器的valve对象下选择results查看结果,水的温度为30度，压强为6 bar，流量为 150m3/hr,流经一公称通径为8英寸的截止阀。阀门的规格为v500系列的线性流量阀，阀门的开度为20%. 求：阀门出口的水

10、压强是多少,pipe 管段模型,管段模型计算等直径、等坡度的一段管道的压降和传热量,pipe 管段模型,pipe 管段参数,管道参数表,长度,直径,提升,粗糙度,用户子程序计算,pipe 热参数设定,等温 线性温度剖型 绝热(零热负荷) 热量衡算,内部温度 环境温度 传热系数,pipe 管件参数,法兰连接/焊接,螺纹连接,闸阀 蝶阀 90度肘管,直行三通 旁路三通,其余当量长度,其余k因子,pipe 结果查看,从数据浏览器的pipe对象下选择results查看结果,pipe 结果查看,计算结果还包括流体状态沿管长的分布剖形(profiles,pipe 示例 1,流量为 5000 kg/h，压强

11、为 7 bar的饱和水蒸汽流经 1084 的管道。管道长 20 m，出口比进口高 5 m，粗糙度为 0.05 mm。管道采用法兰连接，安装有闸阀 1 个，90 肘管 2 个。环境温度为 20 c，传热系数为 20 w/m2k。求：出口处蒸汽的压强、温度和含水率，以及管道的热损失各是多少,pipeline 管线模型,管线模型计算由多段管道串联组成的一条管线的压降,pipeline管线模型,pipeline管线参数,pipeline管线参数,内端点,外端点,管段编号,pipeline管线参数,完成后的表如下,pipeline 结果查看,从数据浏览器的pipeline对象下选择results查看结果

12、,pipeline 结果查看,pipeline的profiles给出了每个节点处的结果,例： 流量为100m3/h，温度为50度，压强为5bar的水流经108*4的管线。管线首先向东延伸5m,再向北5m，再向东10m，再向南5m，然后升高10m，再向东5m。管内壁粗糙度为0.05mm。 求：管线出口处的压强是多少,二、aspen plus的主要换热器模型,1、闪蒸规定 ( flash specifications) （1）温度 temperature （2） 压力 pressure （3）温度改变 temperature change （4）蒸汽分率 vapor fraction （5）过热度

13、 degrees of superheating （6）过冷度 degrees of subcooling （7）热负荷 heat duty,heater 模型参数,heater模型有两组模型设定参数,从中任选两项,51,52,2、有效相态 ( valid phase ) （1）蒸汽（2）液体 （3） 固体（4）汽液 （5） 汽液液（6）液游离水 （7） 汽液游离水,heater模型有两组模型设定参数,53,heater 模型参数（4,54,流量为1000 kg/hr （0.4 mpa ）的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热到过热度 100 （0.39 mpa），求过热蒸汽温度和所需供热量,heate

14、r 示例 3,55,两股物流的换热器heatx,功能：在两个物流之间换热 用途：当知道几何尺寸时，核算管壳式换热器,56,1、简捷计算(shortcut) 简捷计算只能与设计或模拟选项配合。简捷计算不考虑换热器的几何结构对传热和压降的影响，人为给定传热系数和压降的数值。 使用设计(design)选项时，需设定热(冷)物流的出口状态或换热负荷，模块计算达到指定换热要求所需的换热面积。 使用模拟(simulation)选项时，需设定换热面积，模块计算两股物流的出口状态,heatx计算类型,57,2、详细计算(detailed) 详细计算只能与核算或模拟选项配合。详细计算可根据给定的换热器几何结构和

15、流动情况计算实际的换热面积、传热系数、对数平均温度校正因子和压降。 使用核算(rating)选项时，模块根据设定的换热要求计算需要的换热面积。 使用模拟(simulation)选项时，模块根据实际的换热面积计算两股物流的出口状态,heatx计算类型,58,heatx详细计算,59,管子的几何尺寸,计算管侧膜系数和压降需要管束的几何尺寸，heatx模型也用这个信息从膜系数来计算传热系数，在geometry tubes（管子的几何尺寸）页上输入管子的几何尺寸。 对裸管换热器或低翅片管换热器 管子总数 total number 管子长度 length 管子直径 diameter 管子的排列 patt

16、ern 管子的材质 material,60,heatx管程参数,61,heatx管程参数,管程参数还有管尺寸(tube size)，可用两种方式输入,实际尺寸 actual 内径 inner diameter 外径 outer diameter 厚度 tube thickness 三选二,公称尺寸 nominal 直径 diameter bwg规格 birmingham wire gauge,62,heatx管程参数,63,heatx管翅结构,对于翅片管，还需从管翅(tube fins)表单中输入以下参数： 翅片高度 fin height 翅片高度 / 翅片根部平均直径 fin height

17、/fin root mean diameter 翅片间距 fin spacing: 每单位长度的翅片数 / 翅片厚度 number of fins per unit length /fin thickness,64,heatx管翅结构 (2,65,heatx管翅结构 (3,66,heatx圆缺挡板,67,heatx管嘴,管嘴即换热器的物料进出接口，需从nozzle表单中输入以下参数： 输入壳程管嘴直径 enter shell side nozzle diameters 进口管嘴直径 inet nozzle diameter 出口管嘴直径 outlet nozzle diameter 输入管程管

18、嘴直径 enter tube side nozzle diameters 进口管嘴直径 inlet nozzle diameter 出口管嘴直径 outlet nozzle diameter,68,heatx管嘴,69,heatx结果查看,heatx最重要的是热参数结果(thermal results)，其下包括五张表单： 概况 summary 衡算 balance 换热器详情 exchanger details 压降/速度 pre drop/velocities 分区 zones,70,heatx 概况,71,heatx换热器详情,换热器详情表单给出了需要的换热器面积(required ex

19、changer area) 、实际的换热器面积(actual exchanger area) 、清洁(clean)和结垢(dirty)条件下的平均传热系数(avg. heat transfer coefficient)、校正后的对数平均温差(lmtd corrected) 、热效率(thermal effectiveness)和传热单元数(number of transfer units)等有用的信息,72,heatx换热器详情,73,用1200 kg/hr饱和水蒸汽 (0.3 mpa)加热2000 kg/hr 甲醇 (20 、0.3 mpa)。离开换热器的蒸汽冷凝水压力为0.28 mpa、过

20、冷度为2 。换热器传热系数根据相态选择。求甲醇出口温度、相态、需要的换热面积,heatx 示例 4,74,三、塔设备单元模型,dstwu distl radfrac extract,塔设备(columns)单元共有9种模块，其中 ratefrac 和 batchfrac 需要单独的许可证，其余7种可直接使用,mutifrac scfrac petrofrac,75,dstwu 简捷精馏（设计,dstwu 模块用winn-underwood-gilliland捷算法进行精馏塔的设计，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,76,dstwu 连

21、接,dstwu 模型的连接图如下,77,dstwu 模型参数,dstwu模型有四组模型设定参数,1、塔设定 ( column specifications) （1） 塔板数（number of stages) （2） 回流比（reflux ratio,78,2、关键组分回收率 ( key component recoveries ) （1）轻关键组分在馏出物中的回收率 馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关键组分 （2）重关键组分在馏出物中的回收率 馏出物中的重关键组分/进料中的重关键组分,dstwu 模型参数,dstwu模型有四组模型设定参数,79,dstwu 模型参数,dstwu模型有四组模型

22、设定参数,3、压力 ( pressure) （1） 冷凝器（condenser) （2） 再沸器（reboiler,80,dstwu 模型参数,dstwu模型有四组模型设定参数,4、冷凝器设定 ( condenser specifications) （1） 全凝器（total condenser) （2） 带汽相馏出物的部分冷凝器 （partial condenser with vapor distillate) （3） 带汽、液相馏出物的部分冷凝器 （partial condenser with vapor and liquid distillate,81,1、生成回流比理论板数关系表 (

23、reflux ratio vs. number of theoretical stages ) 2、计算等板高度 ( calculate hetp,dstwu 计算选项,dstwu模型有两个计算选项,82,含乙苯30%w、苯乙烯70%w的混合物（f=1000kg/hr、p=0.12mpa、t=30 c）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： rmin，ntmin，r=1.5 rmin 时的r、nt和nf,dstwu 示例 5,83,distl 简捷精馏（操作,distl 模块用 edmister 方法计算给定精馏塔的

24、操作结果。 设定：理论板数，加料板位置，回流比，d/f，冷凝器类型。 计算：d和w组成，再沸器和冷凝器热负荷，塔顶、塔底和加料板温度,84,distl 连接,distl 模块的连接图如下,85,radfrac 精密分离模块,radfrac 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。 radfrac 模块用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分离能力和设备参数,86,radfrac 连接,radfrac模型的连接图如下,87,radfrac模型设定,radfrac 模型具有以下设定表： 1、配置（configuration） 2、流股（strea

25、ms） 3、压力（pressure） 4、冷凝器（condenser） 5、再沸器（reboiler） 6、三相（3-phase,88,radfrac 配置,1、塔板数（number of stages） 2、冷凝器（condenser） 3、再沸器（reboiler） 4、有效相态（valid phase） 5、收敛方法 （convergence) 6、操作设定 （operation specifications,89,radfrac 配置（冷凝器,冷凝器配置从四个选项中选择一种： 1、全凝器（total） 2、部分冷凝-汽相馏出物 （partial-vapor） 3、部分冷凝-汽相和液相馏

26、出物 （partial-vapor-liquid） 4、无冷凝器 (none,90,radfrac 配置（再沸器,再沸器配置从三个选项中选择一种： 1、釜式再沸器（kettle） 2、热虹吸式再沸器（thermosyphon） 3、无再沸器 (none,91,radfrac 配置（收敛方法,收敛方法从六个选项中选择一种： 1、标准方法（standard） 2、石油/宽沸程（petroleum/wide-boiling） 3、强非理想液相（strongly non-ideal liquid） 4、共沸体系（azeotropic） 5、深度冷冻体系（cryogenic） 6、用户定义（custom

27、,92,radfrac 配置（操作设定,1、回流比（reflux ratio） 2、回流速率（reflux rate） 3、馏出物速率（distillate rate) 4、塔底物速率（bottoms rate) 5、上升蒸汽速率（boilup rate,操作设定从十个选项中选择,93,radfrac 配置（操作设定,操作设定从十个选项中选择,6、上升蒸汽比（boilup ratio) 7、上升蒸汽/进料比（boilup to feed ratio) 8、馏出物/进料比（distillate to feed ratio) 9、冷凝器热负荷（condenser duty) 10、再沸器热负荷（r

28、eboiler duty,94,radfrac 流股,1、进料流股（feed streams） 指定每一股进料的加料板位置。 2、产品流股（product streams） 指定每一股侧线产品的出料板位置及产量,95,radfrac 压力,塔内压力设定有三种方式（view） 1、塔顶/塔底（top/bottom） 指定塔顶压力、冷凝器压降和塔压降。 2、压力剖型（pressure profile） 指定每一块塔板压力。 3、塔段压降（section pressure drop） 指定每一塔段的压降,96,radfrac 塔板效率,radfrac模型可以设定实际塔板的板效率(efficienci

29、es)。用户可选用蒸发效率(vaporization efficiencies) 或墨弗里效率(murphree efficiencies)，并选择指定单块板的效率，单个组分的效率，或者塔段的效率,97,radfrac 塔板设计,塔板设计（tray sizing）计算给定板间距下的塔径，共有五种塔板供选用： 1、泡罩塔板（bubble cap） 2、筛板（sieve） 3、浮阀塔板（glistch ballast） 4、弹性浮阀塔板（koch flexitray） 5、条形浮阀塔板（nutter float valve,98,radfrac 塔板核算,塔板核算（tray rating）计算给定

30、结构参数的塔板的负荷情况，可供选用的塔板类型与“塔板设计”中相同。 “塔板设计”与“塔板核算”配合使用，可以完成塔板选型和工艺参数设计,99,计算结果从三部分查看： 1、结果简汇（results summary） 2、分布剖形（profiles） 3、流股结果（stream results,radfrac 结果查看,100,根据dstwu示例5的结果，选取r=25、nt=61、nf =36 ，用radfrac 进行核算,radfrac 示例 6,101,extract 连续萃取塔,extract 模块用逐级计算法精确计算给定连续萃取过程的操作结果。可以采用三种方法求取液液平衡分配系数： 1、用

31、给定的物性方法（活度系数法或状 态方程法）； 2、kll温度关联式； 3、用户子程序,102,extract 连接,extract模块的连接图如下,103,四、反应器（reactors,生成能力类反应器 化学计量反应器 (rstoic) 产率反应器 (ryield) 平衡类反应器 平衡反应器 (requil) 吉布斯反应器 (rgibbs) 动力学类反应器 全混流反应器 (rcstr) 平推流反应器 (rplug) 间歇式反应器 (rbatch,104,一）生产能力类反应器rstoic 化学计量反应器,性质：按照化学反应方程式中的计量关系进行反应，有并行反应和串联反应两种方式，分别指定每一反应

32、的转化率或产量,用途：已知化学反应方程式和每一反应的转化率，不知化学动力学关系,105,rstoic 化学计量反应器 模型参数,1、模型设定(specification) 2、化学反应 (reactions) 3、燃烧 （combustion） 4、反应热 (heat of reaction) 5、选择性 （selectivity) 6、粒度分布 (psd) 7、组分属性 （components attri.) 8、热力学模型 (thermodynamics,106,rstoic计算示例7,丁烯异构化反应模型的建立，混合丁烯包含1-丁烯、正丁烷、顺-2-丁烯、反-2-丁烯和异丁烯，发生的反应如

33、下所示,107,进料流股的温度为16，压力为1.9 atm，进料组成如下表所示,热力学模型选择rk-soave。 反应器操作条件：温度为400，压力为1.9 atm。 请采用rstoic模型确定反应物料的组成、由1-丁烯转化为异丁烯的反应选择性以及各个反应的反应热,108,一）生产能力类反应器ryield产率反应器,性质：根据每一种产与输入物流间的产率关系进行反应，只考虑总质量平衡，不考虑元素平衡,用途：只知化学反应式和各产物间的相对产率，不知化学计量关系,产率指的是某种生成物的实际产量与理论产量的比值,109,ryield 模块有五组模型参数,1、模型设定 (specifications)

34、2、产率 (yield) 3、闪蒸选项 (flash options) 4、粒度分布 (psd) 5、组分属性 (component attr.,110,ryield 产率,指定相对于每一单位质量非惰性进料而言，ryield出口物流中各种组分间的相对产率。并设定进料中的惰性组分,111,二）热力学平衡类反应器,1、平衡反应器（equilibrium reactor） 平衡常数法求解产物组成 2、吉布斯反应器（gibbs reactor） 最小自由焓法求解产物组成,根据热力学平衡条件计算反应结果，不考虑动力学可行性,112,requil 平衡反应器,性质：根据化学反应方程式进行反应，按照化学平衡

35、关系式达到化学平衡，并同时达到相平衡,用途：已知反应历程和平衡反应的反应方程式，不考虑动力学可行性，计算同时达到化学平衡和相平衡的结果,113,rgibbs吉布斯反应器,性质：根据系统的gibbs自由能趋于最小值的原则，计算同时达到化学平衡和相平衡时的系统组成和相分布,用途：已知（或未知）化学反应式，不知道反应历程和动力学可行性，估算可能达到的化学平衡和相平衡结果,114,三）化学动力学类反应器,转化率和平衡反应器模型在过程设计的初期进行物料和能量衡算研究时是有用的。但是，最终反应器系统必须确定结构和大小，在实验室研究获得化学动力学的相关数据的基础上即可进行反应器结构和大小的设计,115,1、

36、全混釜反应器 continuous stirred tank reactor 2、平推流反应器 plug flow reactor 3、间歇釜反应器 batch reactor,根据化学动力学计算反应结果,116,cstr 全混釜反应器,最简单的动力学反应器模型是cstr（连续搅拌釜式反应器），在该模型中反应器内物料假定为理想混合。于是，假定整个反应器体积的组成和温度是均匀的，并等于反应器出口物流的组成和温度,117,cstreactor全混釜反应器,性质：釜内达到理想混合。可模拟单相、两相的体系。可同时处理动力学控制和平衡控制两类反应,用途：已知化学反应式、动力学方程和平衡关系，计算所需的反

37、应器体积和反应时间，以及反应器热负荷,cstr 全混釜反应器,118,rcstr模块有两组模型参数： 1、操作条件 (operation conditions) 1) 压力 (pressure) 2) 温度/热负荷(temperature/heat duty) 2、持料状态 (holdup) 1) 有效相态 (valid phases) 2) 设定方式 (specification type,119,cstr 示例8,甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品,反应速率方程式如右,式中,120,rcstr 示例8(续,反应器容积为 5 m3，装填系数为 0.6，输入氮气作为保护气体。为了保证釜内的惰

38、性环境，输入氮气量应该使出釜物料的气相分率保持在 0.001 左右。加料氨水的浓度为 4.1 kmol/m3，流量为 32.5 m3/hr。加料甲醛水溶液的浓度为 6.3 kmol/m3，流量为32.5 m3/hr。求 35 c 下乌洛托品的产量和输入氮气流量,121,rplug 平推流反应器,在pfr反应器中如活塞流动的流体的组成沿反应器长度逐渐变化，但不存在径向组成或浓度梯度。而且，径向的质量和热量传递可忽略 pfr内的流体完全不混合，所有流体微元在反应器中具有相同的停留时间,122,rplug 平推流反应器,性质：反应器内完全没有返混。可模拟换热夹套,用途：已知化学反应式和动力学方程，计算所能达到的转化率，或所需的反应器体积，以及反应器热负荷,123,rplug 模块有四组模型参数,1、模型设定 (specifications) 2、反应器构型 (configuration) 3、化学反应 (reactions) 4、压力 (pressure,124,rplug 模型设定,1、指定温度的反应器 (reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度： 1) 进料温度下的恒温 (constant at