第3章 Hysys模拟分离过程

1、第第3章章 hysys模拟分离过程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 hysys模拟的分离过程模拟的分离过程 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(Flash drum) 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 闪蒸单元的模型 P

2、V=PL TV=TL yi=kixi (i=1,，c) FFzi=FVyi+FLxi (i=1，c-1) FF=FV+FL hFFF+Q=hVFV+hLFL ki=K(TV,PV,X,Y) (i=1,c) hF=H(TF,PF,Z) hV=H(TV,PV,Y) hL=H(TL,PL,X)TL, PL,FL,x1,xcTV, PV,FV,y1,ycTF, PF,FF,z1,zcQciciciiiizyx111111方程数：3c+9变量数：4c+13自由度：(c+2)+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多进料口，一个气相出料口和一个液相出料口在稳

3、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-Phase Separator）多进料口，一个气相出料口和两个液相出料口多进料口，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Bubble P.露点Dew P.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

4、可选参数： 产物相态 热力学模型 夹带选项（carry over opitions，模拟真实工，模拟真实工况况）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。 hysys Design 中默认的分离器是理想分离器 实际

5、分离器有许多优点： 夹带选项（carry over opitions）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-DP2220 kPa220-14 kPa220-14-4 kPa220-14 kPa分离器的三个选项Flash 应用示例（1） 流量为 1000 kg/hr 压力为 0.11 MPa 含乙醇 70%、水30%w

6、的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽液比（w）=1/3。 求离开冷凝器的汽、液两相的温度和组成。 （增加一个cooler, 一个Separtor，一个ADJ调节cooler的出口温度，使Seperator的气相与液相的质量比为1:3）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 1000 kg/hr 压力为 0.5 MPa 温度为 120、含乙醇70%w、水30%的物料绝热闪蒸到 0.15 MPa。 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

7、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，实现组分的分离常规精馏塔自由度独立变量数目总塔板数 (N)1进料位置 (NF)1进料条件(F,TF,PF,xi)c+2操作压力(P)1再沸器负荷(QB)1冷凝器负荷(QC)1可调变量总数(c+2)+2+3QCRD,xDi1B,xBiF,TF,PF,ziQBN自由度：5必给，必给，3：理论板数、进料位置、压力：理论板数、进料位置、压力默认（可更换）默认（

8、可更换）, 2：回流比、塔顶馏出率：回流比、塔顶馏出率 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 ASPEN RateFrac模型hysys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（Basic Column Types）图标（Icon）描述（Description）吸收塔（Absorbor）仅有塔板液液萃取塔(Liquid-Liquid Extractor)仅有塔板再沸吸收塔（ReboiledAbsorber）塔板和塔底部再沸器回流吸收塔(R

9、efluxed Absorber)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(Three Phase Distillation)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（Complex Column）描述（Description）3 侧线原油塔(3 Sidestripper Column)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(4Sidestrippe Column)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

10、 主分离器(FCCU Main Fractionator)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(Vacuum Reside Tower)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（Component Splitter） 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hysys中其他地方

11、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A. 组分分离器（Component Splitter）A. 组分分离器（Component Splitter）A. 组分分离器（Component Splitter）B. 简捷精馏(shortcut)设计要求：含乙苯(C8H10)30%m(L)、苯乙烯(C8H8)70%m(H) 的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30）用精馏塔分离，要求 99.8% 的乙苯从塔

12、顶排出， 99.9%m 的苯乙烯从塔底排出参数?： 操作压力 理论板数 进料位置 回流比 组分回收率 产品纯度 塔径 能耗 简捷精馏(shortcut) 用全回流塔进行用全回流塔进行 Fenske-Underwood 精馏计算精馏计算 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 Short

13、cut模型的连接图如下： Shortcut 应用示例 含乙苯(C8H10)30%m(L)、苯乙烯(C8H8)70%m(H) 的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30）用精馏塔（塔压 0.02 MPa(a) 分离，要求塔顶乙苯的浓度大于99.8%m， 塔底苯乙烯浓度大于99.9%m。塔顶采用全凝器。求： (1) Rmin，NTmin ; (2) R=1.5Rmin时的R、NT和NF C 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

14、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Distillation 应用示例 (1)对下列精馏问题规定，计算产物组成、级温、级间汽相液相流量和组成、再沸器热负荷和冷凝器热负荷。进料（250psia下的泡点液体）：组分 lbmol/h乙烷 3.0丙烷

15、 20.0正丁烷 37.0正戊烷35.0正己烷5.0塔压：250psia, 全凝器和部分再沸器馏出液流量：23.0lbmol/h,回流量：150lbmol/h平衡级数（不包括冷凝器和再沸器）= 15,进料在中间级进塔250psia下的该系统，K值和焓可用Soave-Redlich-Kwong方程计算输入专家系统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(Pressure profile)2) 进出流股(Feeds and products)3) 收敛判据 (Convergence data)4) 热力学模

16、型 (Thermodynamic systems)5) 冷凝器 (Condenser)6) 侧线加热器/冷却器 (Side-heaters and Coolers)7) 泵循环 (Pumparounds)8) 塔板效率 (Tray efficiency)9）求解算法 (Algorithm)1) 压力分布(Pressure profile)2)进出流股(Feeds and Products)l加料板位置3)收敛判据 (Convergence data)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01之间收敛允许误差 默认值： 物料平衡：1105 能量平衡：51044)热力学模型 (Th

17、ermodynamic systems) 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（Bubble point）泡点3、过冷冷凝（Subcooled，Fixed temperature）（Subcooled，Fixed temperature drop）6)侧线加热器/冷却器(Side-heaters and Coolers) 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Flash zone7)泵循环 (Pump Arounds) 作用：从塔板移走热量

18、，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 (Tray efficiency)Murphree modelVaporization modelyi = ci Ki xiEquilibrium modelyi = (Ki 1)Eeq + 1xi 全塔效率：全塔效率：Eeq=NT/Nyi - yi+1yi * - yi+1Ki 对大多数带冷凝器和再沸器的精馏塔，通常的塔效率为6575% 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）Pumparou

19、nds 通常模拟为2块塔板9）求解算法 (Algorithm)六种求解算法：a) Legacy Inside-Out 法法b) Modified Inside-Out 法法c) Newton-Raphson I/O法法d) Sparse Continuation Solvere) Simultaneous Correctionf) OLE SolverMethod（方法）（方法）Explanation（解释）（解释）Legacy Inside-Out通用方法，对大多数问题是有用的Modified Inside-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Newton Raph

20、son Inside-Out通用方法，允许塔子流程图中液相运动学的反作用力Sparse Continuation Solver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Simultaneous Correction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OLI Equlibrium只用于在电解质系统中计算塔操作单元OLI Rate-based Solver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/O Method) 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

21、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/O Method)优点：计算速度度对初始始测值相对不敏感附塔与主塔同时求解可使用热热吸式再沸器 缺点：只能包含一个液相（水可在冷凝器凝去）对高度非理想性体系求解较解较不允许完全泵循环(Total Pumparounds)b) Enhanced I/O法 支持完全液相或气相侧线出料 支持完全泵循环 支持再任何塔板上存在自由水相或水倾析求解方法一般特征当某种方法用默认的

22、迭代次数不能收敛时1)可以规定更多的迭代次数2)可以利用阻尼因子(damping factor)限制该法在两次迭代间对未知变量始测值所作的改变，以避免过大的振荡3)可以改变各未知量的初始始测值精馏模型功能： 确定所需的平衡级数与回流比 选择适宜的气液接触方法（塔板、填料） 确定对应于一定的加料和出料位置所需的实际塔板数或填料高度 确定塔的直径 确定可能会影响塔操作的其它因素Distillation 应用示例 (2) 如果上述精馏塔操作改为从由塔底算起的第四级抽出流量为37.0lbmol/h的汽相侧线物流，则操作结果如何？III 吸收 根据混合物各组分再某种溶剂中溶解度的不同而达到分离的目的。自由度？0吸收模型设定选用Distillation模块，不设置冷凝器和再沸器；原料气体从塔底进入，吸收液从塔顶进入吸收应用示例(1) 摩尔组成 CO2 (12%m)、N2 (23%m)和H2 (65%m) 的混合气体的混合气体（F=1000kg/hr、P=2.9 MPa、T=20）用 甲 醇（ F= 60 t/hr、P=2.9MPa、T=-40） 吸收脱凝 CO2。 吸收塔有 30