AspenPlus精馏分离的仿真设计

会计学1AspenPlus精馏分离的仿真设计塔设备单元模型—

分类DSTWUDistlRadFracExtract塔设备(Columns)单元共有9种模块：MultiFracSCFracPetroFracRateFracBatchFrac第1页/共159页第2页/共159页DSTWU简捷精馏（设计）DSTWU模块用Winn-Underwood-Gilliland简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。第3页/共159页第4页/共159页连接DSTWU模型的连接图如下：第5页/共159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/最小回流比模型参数DSTWU模型有四组模型设定参数：第6页/共159页2、关键组分回收率

(Keycomponentrecoveries)（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模型有四组模型设定参数：第7页/共159页第8页/共159页3、压力(Pressure)（1）冷凝器

(Condenser)（2）再沸器

(Reboiler)DSTWU模型有四组模型设定参数：第9页/共159页1bar=0.986923267标准大气压

第10页/共159页4、冷凝器设定(Condenserspecifications)（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模型有四组模型设定参数：第11页/共159页第12页/共159页1、生成回流比——理论板数关系表

(Generatetableofrefluxratiovs.numberoftheoreticalstages)2、计算等板高度

(CalculateHETP)计算选项DSTWU模型有两个计算选项：第13页/共159页第14页/共159页“生成回流比——理论板数关系表”对选取合理的理论板数很有参考价值。在实际回流比对理论板数栏目中输入我们想分析的理论板数的最小值(Initialnumberofstages)、最大值(Finalnumberofstages)和增量值(Incrementsizefornumberofstages)。计算完成后的结果中会包括回流比剖形(Refluxratioprofile),据此可以绘制回流比——理论板数曲线。第15页/共159页接近最小理论板数接近最小回流比第16页/共159页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17页/共159页应用示例(1)

含苯、甲苯、二甲苯和部分碳九的混合物（F=8155kg/hr、P=2MPa、T=50C），组成如作图所示。用精馏塔（塔顶0.15MPa，塔底0.2MPa）分离，要求99.9%的苯从塔顶排出，99.98%的甲苯从塔底排出，采用全凝器。求：

Rmin，NTmin，R=1.2Rmin时的R、NT和NF。第18页/共159页应用示例(2)

含乙苯30%w、苯乙烯70%w的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30C）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=1.5Rmin时的R、NT和NF。第19页/共159页第20页/共159页Distl

简捷精馏（操作）

Distl模块用Edmister方法计算给定精馏塔的操作结果。第21页/共159页Distl模块的连接图如下：第22页/共159页

含水30%w、甲醇70%w的混合物(F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=20C)用精馏塔(塔压0.12MPa)分离，采用全凝器，22块理论塔板，加料板在第15块，摩尔回流比0.56775，馏出物/加料摩尔比0.641。核算分离效果，再沸器功率。应用示例(3)第23页/共159页模型参数在Specification表单中设定以下参数：

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

冷凝器压强

Condenserpressure

再沸器压强

Reboilerpressure第24页/共159页第25页/共159页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26页/共159页１过冷液体q>1；２饱和液体q=1

；３气液混合物q<1

；４饱和蒸气=0；５过热蒸气<0。

第27页/共159页RadFrac

严格精馏模块

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。第28页/共159页第29页/共159页连接

RadFrac

模块的连接图如下：第30页/共159页模型设定RadFrac

模型具有以下设定表单：

1、配置（Configuration）

2、流股（Streams）

3、压强（Pressure）

4、冷凝器（Condenser）

5、再沸器（Reboiler）

6、三相（3-Phase）第31页/共159页配置配置表单包含以下项目：

1、塔板数（NumberofStages）

2、冷凝器（Condenser）

3、再沸器（Reboiler）

4、有效相态（ValidPhase）

5、收敛方法

（Convergence)6、操作设定

（OperationSpecifications)第32页/共159页第33页/共159页(1)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-汽相和液相馏出物

（Partial-Vapor-Liquid）

4、无冷凝器

(None)第34页/共159页第35页/共159页(2)再沸器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)第36页/共159页热虹吸式再沸器（Thermosyphon）第37页/共159页第38页/共159页(3)有效相态有效相态从四个选项中选择一种：

1、汽-液（Vapor-Liquid）

2、汽-液-液（Vapor-Liquid-Liquid

）

3、汽-液-冷凝器游离水

（Vapor-Liquid-FreeWaterCondensor）

4、汽-液-任意塔板游离水

（Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage）第39页/共159页第40页/共159页(4)收敛方法体系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（StronglyNon-idealLiquid）

4、共沸体系（Azeotropic）

5、深度冷冻体系（Cryogenic）

6、用户定义（Custom）第41页/共159页第42页/共159页(5)操作设定1、回流比（RefluxRatio）2、回流速率（RefluxRate）3、馏出物速率（DistillateRate)4、塔底物速率（BottomsRate)5、上升蒸汽速率（BoilupRate)操作设定从十个选项中选择：第43页/共159页6、上升蒸汽比（BoilupRatio)7、上升蒸汽/进料比（BoiluptoFeedRatio)8、馏出物/进料比（DistillatetoFeedRatio)9、冷凝器热负荷（CondenserDuty)10、再沸器热负荷（ReboilerDuty)操作设定从十个选项中选择：第44页/共159页第45页/共159页(6)

流股1、进料流股（FeedStreams）指定每一股进料的加料板位置。2、产品流股（ProductStreams）指定每一股侧线产品的出料板位置及产量。在流股表单中设置以下参数：第46页/共159页第47页/共159页(7)压强从三种方式（View）中选择一种

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（PressureProfile）

指定每一块塔板压力。

3、塔段压降（SectionPressureDrop）

指定每一塔段的压降。在压强表单中设置以下参数：第48页/共159页第49页/共159页(8)冷凝器冷凝器设定有两组参数：1、冷凝器指标（CondenserSpecification）

仅仅应用于部分冷凝器。只需指定冷凝温度（Temperature）和蒸汽分率（VaporFraction）两个参数之一。第50页/共159页第51页/共159页2、过冷态（Subcooling）1）过冷选项（Subcoolingoption）回流物和馏出物都过冷(Bothrefluxandliquiddistillatearesubcooled)/仅仅回流物过冷(Onlyrefluxissubcooled)2）过冷指标（Subcoolingspecification）过冷物温度(Subcooledtemperature)/过冷度(Degreesofsubcooled)冷凝器设定有两组参数：第52页/共159页第53页/共159页(9)再沸器如选用了热虹吸再沸器，则需要进行设置：1、指定再沸器流量

（Specifyreboilerflowrate）2、指定再沸器出口条件

（Specifyreboileroutletcondition）3、同时指定流量和出口条件

（Specifybothflowandoutletcondition）第54页/共159页第55页/共159页RadFrac的计算结果从三部分查看：

1、结果简汇（Resultssummary）

2、分布剖形（Profiles）

3、流股结果（Streamresults）(10)结果查看第56页/共159页结果简汇给出塔顶（冷凝器）和塔底（再沸器）的温度、热负荷、流量、回流比和上升蒸汽比等参数，以及每一组份在各出塔物流中的分配比率。第57页/共159页第58页/共159页

分布剖形给出塔内各塔板上的温度、压力、热负荷、相平衡参数，以及每一相态的流量、组成和物性。据此可确定最佳加料板和侧线出料板位置。（11）分布剖形Profile第59页/共159页第60页/共159页第61页/共159页

根据DSTWU示例（2）的结果，选取R=25、NT=69、NF=40

，用RadFrac模块进行精确计算。再根据浓度分布剖形结果选取最佳进料板位置，重新进行校核计算。

应用示例(4)第62页/共159页第63页/共159页第64页/共159页RadFrac

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设计规定RadFrac

模型带有内部的设计规定功能，通过设计规定(DesignSpecs)和变化(Vary)两组对象进行设定。主要目标：产品纯度下最优能耗。可以设置多个设计规定对象和多个变化对象，但要注意两者间的依赖关系和自由度必须吻合，否则不能收敛。第65页/共159页新建Designspecs和Vary注意次序一一对应。第66页/共159页

设计规定对象通过以下三张表单设置规定指标

1、规定(Specification)2、组分(Components)3、进料/产物流股

(Feed/ProductStreams)

第67页/共159页在规定表单中输入以下指标

1、类型(Type)

有36种变量类型共选用

2、目标(Target)

设定规定变量的目标值

3、流股类型(Streamtype)

产物(Product)/内部(Internal)/倾析器(Decanter)第68页/共159页

在组分表单中输入定义目标值的组分(Components)（分子）和基准组分(BaseComponents)（分母）。从左侧可用组分(Availablecomponents)框中选择需用组分到右侧的选用组分(SelectedComponents)框中.第69页/共159页设计规定对象Designspec.

在进料/产物流股表单中选择定义设计规定目标值的流股名称.

在变化对象的Specification表单中输入调节变量及其调节范围的上、下限值。第70页/共159页（1）目标spec（2）选定组成（3）选定物流Designspecs的输入方法第71页/共159页Vary的输入方法注意Vary有时需和一一输入变量对应第72页/共159页Sepc-vary

应用示例试模拟BTX分离的苯塔和甲苯塔分离模型，并对采用spec-vary进行优化。第73页/共159页BTX分离流程图目标（1）苯中甲苯含量不超过0.0005wt；（2）苯塔釜底产物苯含量不超过0.005wt；（3）甲苯中二甲苯含量不超过0.0005wt；（4）甲苯收率不低于98wt%；第74页/共159页ComponentsandfeedProperty:chao-sea第75页/共159页苯塔输入参数第76页/共159页甲苯塔输入参数第77页/共159页目标值目标组分目标物流DesignSpecs的输入方法设计规范流股类型三部曲第78页/共159页调整的变量搜索区间最大迭代步长Vary的输入方法第79页/共159页塔板效率RadFrac模块可以设定实际塔板的板效率(Efficiencies)。用户可选用蒸发效率(VaporizationEfficiencies)或墨弗里效率(MurphreeEfficiencies)，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。第80页/共159页蒸发效率VaporizationEfficiencies定义如下下标i代表组分，j代表塔板编号。第81页/共159页墨弗里效率MurphreeEfficiencies定义如下下标i代表组分，j代表塔板编号。第82页/共159页第83页/共159页第84页/共159页如果示例BTX中的精馏段的墨弗里效率为0.65，提馏段的墨弗里效率为0.75，试求满足分离要求所需的塔板数、加料板位置和回流比。

第85页/共159页报告选项

报告（Report）中有一项对塔板设计非常重要，即性质选项（Propertyoptions）里的包括水力学参数（Includehydraulicparameters）选项。另外剖形选项（Profileoptions）里包括哪些塔板（Stagestobeincludedinreport）也很有用。第86页/共159页第87页/共159页第88页/共159页选择了包括水力学参数（Includehydraulicparameters）选项后，剖形结果中将给出指定塔板上的汽、液两相的体积流量、密度、粘度和表面张力等塔板设计所需的参数。第89页/共159页查看示例BTX的水力学计算结果。第90页/共159页模型分析工具灵敏度分析Sensitivity优化Optimization数据拟合DataFit事件分析CaseStudy费用估计CostEstimation第91页/共159页灵敏度分析对苯塔的进料板位置进行灵敏度分析。目标：最小能耗，reboilerdutry变量：进料板位置，Feedstage第92页/共159页灵敏度分析首先建立一个S-1第93页/共159页灵敏度分析输入变量名，并定义目标变量第94页/共159页灵敏度分析输入变量名，并定义目标变量第95页/共159页点击Edit弹出目标变量选择窗口第96页/共159页项目目标变量类型模块变量描述单位第97页/共159页目标变量选择变量解释第98页/共159页优化变量的输入目标变量类型模块变量描述单位变化区间步长点数第99页/共159页报表选项表列数表列变量内容第100页/共159页可选内容设置完成后按按钮执行。第101页/共159页点击计算结果最优值运行状态第102页/共159页优化采用Designspec.和vary方法计算的结果第103页/共159页目标产品纯度已达到，单塔已获得优化结果是否已得到最优能耗？第104页/共159页优化目标限定条件第105页/共159页输入优化目标和限定条件（1）定义变量变量类型变量类型变量归属变量描述第106页/共159页（2）限定条件定义需要约束的变量变量名约束范围最小误差(按要求设定)设定其他限定条件后，进行优化设置。第107页/共159页目标表达式选择的约束（3）输入表达式和约束条件需要提前建立第108页/共159页（4）自变量的选择低限低限自变量选择迭代步长选项报告选项第109页/共159页（5）运行并查看结果第110页/共159页复杂精馏过程第111页/共159页塔板设计

塔板设计(Traysizing)计算给定板间距下的塔径。可将塔分成多个塔段分别设计合适的塔板。在Specification表单中输入该塔段(Trayedsection)的起始塔板(Startingstage)和结束塔板(Endingstage)序号，塔板类型(Traytype)，塔板流型程数(Numberofpasses)，以及板间距(Trayspacing)等几何结构(Geometry)参数。第112页/共159页第113页/共159页设置好后运行计算。第114页/共159页单通道塔板第115页/共159页双通道塔板第116页/共159页塔板类型提供了五种塔板供选用：

1、泡罩塔板（BubbleCap）

2、筛板（Sieve）

3、浮阀塔板（GlistchBallast）

4、弹性浮阀塔板（KochFlexitray）

5、条形浮阀塔板（NutterFloatValve)第117页/共159页

结果(Results)表单中给出计算得到的塔内径(Columndiameter)、对应最大塔内径的塔板序号(Stagewithmaximumdiameter)、降液管截面积/塔截面积(Downcomerarea/Columnarea)、侧降液管流速(Sidedowncomervelocity)、侧堰长(Sideweirlength)。第118页/共159页降液密封区降液区鼓泡区第119页/共159页

剖形(Profiles)表单中给出每一块塔板对应的塔内径(Diameter)、塔板总面积(Totalarea)、塔板有效区面积(Activearea)、侧降液管截面积(Sidedowncomerarea)

。第120页/共159页第121页/共159页塔板核算

塔板核算（Trayrating）计算给定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。第122页/共159页“塔板核算”的输入参数除了从“塔板设计”带来的之外，还应补充塔盘厚度(Deckthickness)和溢流堰高度(Weirheights)，多流型塔板应对每一种塔盘都输入堰高。第123页/共159页塔板核算（3）注意单位！厚度10-15Gauge堰高50-75mm300-450mm第124页/共159页第125页/共159页塔板核算（4）在塔板布置(Layout)表单中输入：浮阀的类型(Valvetype)、材质(Material)、厚度(Thickness)、有效区浮阀数目(Numberofvalvestoactivearea)

；筛孔直径(Holediameter)和开孔率(Sieveholeareatoactiveareafraction)。第126页/共159页塔板核算（5）12mm左右最好第127页/共159页塔板核算（7）在降液管(Downcomer)表单中输入：降液管底隙(Clearance)；顶部宽度(Widthattop)；底部宽度(Widthatbottom)；直段高度(Straightheight)

。第128页/共159页

塔板核算结果在结果(Results)表单中列出，有三个参数应重点关注：1、最大液泛因子(Maximumfloodingfactor)

，应该小于0.8；2、塔段压降(Sectionpressuredrop)；3、最大降液管液位/板间距(Maximumbackup/Trayspacing)，应该在

0.25~0.5之间。第129页/共159页第130页/共159页应用示例(5)在示例（4）的基础上进行塔板设计和塔板核算，分别选用浮阀塔板和弹性浮阀塔板计算后对比结果。第131页/共159页塔径塔板号降液管面积Ad/AT,%板间距HT,mm开孔率，%堰高hw底隙hB降液型式塔板型式φ28001顶-8#8.060018.05050单液流浮阀2-25#8.060018.05050单液流浮阀一个计算实例第132页/共159页第133页/共159页第134页/共159页第135页/共159页填料设计

填料设计(Packsizing)计算选用某种填料时的塔内径。在Specification表单中输入填料类型(Type)、生产厂商(Vendor)、材料(Material)、板材厚度(Sheetthickness)、尺寸(Size)、等板高度(Heightequivalenttoatheoriticalplate)等参数。第136页/共159页填料设计（2）填料厚度第137页/共159页填料设计（3）

填料类型共有40种填料供选用，以下是5种典型的散堆填料：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）第138页/共159页第139页/共159页填料设计（4）

填料类型共有40种填料供选用，以下是5种典型的规整填料：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）第140页/共159页规整填料的特点：（1）规整填料压降小，筛板塔的1/4；（2）持液量小，塔容积的1-6%；（3）分离效率较高；（4）空隙率大，通量大，综合处理能力强。（5）工业放大效应不明显。第141页/共159页填料设计（5）规整填料250为比表面积m2/m3X为波纹与垂直方向的倾角金属板厚度0.1-0.6mm第142页/共159页填料设计（6）

结果(Results)表单中给出计算塔内径(Columndiameter)、最大负荷分率(Maximumfractionalcapacity)、最大负荷因子(Maximumcapacityfractor)、塔段压降(Sectionpressuredrop)、比表面积(Surfacearea)