第四章多组分平衡级分离过程计算

第一页，共五十五页，2022年，8月28日ASPENPLUS的单元操作模型（1）p182

类型模型说明混合器/分流器MixerFsplitSsplit物流混合物流分流子物流分流分离器Flash2Flash3DecanterSepSep2双出口闪蒸三出口闪蒸液-液倾析器多出口组分分离器双出口组分分离器换热器(Chap5)HeaterHeatXMHeatXHetranAerotran加热器/冷却器双物流换热器多物流换热器与BJAC管壳式换热器的接口程序与BJAC空气冷却换热器的接口程序塔(Chap4)DSTWUDistlRadFracExtractMultiFracSCFracPetroFracRate-FracBatchFrac简捷蒸馏设计简捷蒸馏核算严格蒸馏严格液-液萃取器复杂塔的严格蒸馏石油的简捷蒸馏石油的严格蒸馏非平衡级连续蒸馏严格的间歇蒸馏第二页，共五十五页，2022年，8月28日ASPENPLUS的单元操作模型（2）类型模型说明反应器(Chap6)REquilRStoicRYieldRgibbsRCSTRRPlugRBatch平衡反应器化学计量反应器收率反应器平衡反应器连续搅拌罐式反应器活塞流反应器间歇反应器压力变送器PumpComprMcomprPipelinePipeValve泵/液压透平压缩机/透平多级压缩机/透平多段管线压降单段管线压降严格阀压降手动操作器MultDuplClChong物流倍增器物流复制器物流类变送器第三页，共五十五页，2022年，8月28日ASPENPLUS的单元操作模型（3）类型模型说明固体CrystallizerCrusherScreenFabFlCycloneVscrubESPHyCycCFugeFilterSWashCCD除去混合产品的结晶器固体粉碎器固体分离器滤布过滤器旋风分离器文丘里洗涤器电解质沉降器水力旋风分离器离心式过滤器旋转真空过滤器单级固体洗涤器逆流倾析器用户模型UserUser2用户提供的单元操作模型用户提供的单元操作模型第四页，共五十五页，2022年，8月28日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？）第五页，共五十五页，2022年，8月28日4.1多组分单级分离过程-闪蒸闪蒸——连续单级蒸馏过程，使进料混合物部分汽化或冷凝得到含易挥发组分较多的蒸汽和含难挥发组分较多的液体。第六页，共五十五页，2022年，8月28日闪蒸过程的数学模型组分物料衡算式（ComponentMassBalance）相平衡关系式（Equilibrium）摩尔分数加和式（Summations）热量衡算式（Heatbalance）

其他关联式：相平衡常数（Ki）气相摩尔焓（HV）液相摩尔焓（HL）第七页，共五十五页，2022年，8月28日常见的闪蒸计算类型规定变量闪蒸形式输出变量p、T等温Q、V、yi、L、xip、Q=0绝热T、V、yi、L、xip、Q≠0非绝热T、V、yi、L、xip、L部分冷凝Q、T、V、yi、xiP（或T）、L部分汽化Q、T（或p）、yi、L、xiASPENPLUS的闪蒸计算模型Flash2Flash3第八页，共五十五页，2022年，8月28日ASPENPLUS的闪蒸模型闪蒸模型可以用来模拟闪蒸罐、蒸发器、分液罐和其它的单级分离器。通常要固定入口物流的热力学状态必须规定：温度、压力、热负荷和气相摩尔分率中的任意两项。需要注意的是，在闪蒸模型中不允许同时规定热负荷和气相摩尔分率。例4-2（P127）：摩尔组成分别为50/50的正戊烷和正己烷混合物在55℃和510kPa条件下进入闪蒸罐，闪蒸压力为95kPa，计算在50℃温度下达到平衡的气相和液相产品组成。热力学模型采用理想模型（IDEAL）。第九页，共五十五页，2022年，8月28日露点或泡点计算露点或泡点计算计算混合物的露点可以设置气相摩尔分率为1；计算混合物的泡点可以设置气相摩尔分率为0；据此可以确定具有一个或多个入口物流的混合物的热状态和相态。例4-1（P125）：乙醇水溶液的摩尔组成为20%乙醇和80%水，试确定该混合物在1.0、1.5、2.0和2.5atm下的泡点温度和露点温度。热力学模型采用UNIQUAC模型。第十页，共五十五页，2022年，8月28日4.2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。第十一页，共五十五页，2022年，8月28日多组分精馏的FUG简捷计算法多组分精馏的FUG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。

第十二页，共五十五页，2022年，8月28日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)，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。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。第十三页，共五十五页，2022年，8月28日关键组分-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、内烯、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?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。第十四页，共五十五页，2022年，8月28日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方法设计简捷法蒸馏确定最小回流比、最小级数或者实际回流比、实际级数一个进料物流和两个产品物流的塔Distl使用Edmister方法进行简捷法蒸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一个进料物流和两个产品物流的塔SCFrac复杂的多个石油分馏单元的简捷精馏确定产品组成和流率、每段的级数、使用分馏指数的热负荷复杂塔例如原油单元和减压塔第十五页，共五十五页，2022年，8月28日DSTWU--简捷法精馏设计

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。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。第十六页，共五十五页，2022年，8月28日DSTWU--简捷法精馏设计规定估计/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十七页，共五十五页，2022年，8月28日ASPENPLUS的简捷法精馏塔设计——示例例4-3（P135）：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，回流比为取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。第十八页，共五十五页，2022年，8月28日ASPENPLUS的简捷法精馏塔设计——练习练习题4-2（P141）：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。第十九页，共五十五页，2022年，8月28日4.3多组分多级分离塔的严格计算第二十页，共五十五页，2022年，8月28日理论模型-简单回顾MESH方程（P143）组分物料衡算（M，N×c个方程）相平衡关系（E，N×c个方程）各相的摩尔分数加和式（S，2N个方程）热量衡算（H，N个方程）典型求解方法方程解离法（典型代表为泡点法（BP法）和流率加和法（SR法））同时校正法（Naphtali-Sandholm同时校正法（NS-SC)和Goldstein-Stanfield同时校正法（GS-SC））内外法（Boston和Sullivan提出）第二十一页，共五十五页，2022年，8月28日ASPENPLUS的严格蒸馏模型模型描述目的用于RadFrac严格分馏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热整合塔、空气分离塔、吸收/汽提塔组合、乙烯装置初馏塔和急冷塔组合、石油炼制应用PetroFrac石油炼制分馏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基于流率的蒸馏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-液抽提塔第二十二页，共五十五页，2022年，8月28日RadFrac模拟的多级气-液精馏操作

一般精馏（Ordinarydistillation）吸收（Absorption）再沸吸收（Reboiledabsorption）汽提（Stripping）再沸汽提（Reboiledstripping）萃取蒸馏（Extractivedistillation）共沸蒸馏（Azeotropicdistillation）反应蒸馏（Reactivedistillation）第二十三页，共五十五页，2022年，8月28日RadFrac适用的体系两相蒸馏体系（Two-phasesystems）三相蒸馏体系（Three-phasesystems）窄沸程和宽沸程体系（Narrowandwide-boilingsystems）液相具有非理想性强的体系（Systemsexhibitingstrongliquidphasenonideality）游离水相或其它第二液相（Free-waterphaseorothersecondliquidphase)第二十四页，共五十五页，2022年，8月28日RadFrac模拟发生化学反应的塔固定转化率（Fixedconversion）平衡反应（Equilibrium）速率控制反应（Rate-controlled）电解质反应（Electrolytic

）第二十五页，共五十五页，2022年，8月28日RadFrac流程的连接（Connectivity）进料流股(Feeds)侧线流股(Side-draws)换热器(Heaters)倾析器(Decanters)泵循环(Pumparounds)Radfrac可以灵活配置包含任意下列项的塔：第二十六页，共五十五页，2022年，8月28日RadFrac的两种计算模式核算模式计算：温度流率摩尔分率分布设计模式计算：满足塔的操作参数（例如纯度或回收率）或塔中任意物流的物性所需要满足的规定有广泛的设计和核算塔板及填料的能力第二十七页，共五十五页，2022年，8月28日RadFrac模型的基本设置（1）第二十八页，共五十五页，2022年，8月28日RadFrac模型的基本设置（2）配置设定(ConfigurationSpecification):塔板数(Numberofstages)冷凝器和再沸器(Condenserandreboiler)操作设定参数(Operatingspecifications)默认:Distillaterateandrefluxratio有效相态(Validphases)收敛方法(Convergence)第二十九页，共五十五页，2022年，8月28日收敛（Convergence）RadFrac提供了一系列收敛技术，均包括收敛算法（convergencealgorithm）和初始化方法（initializationmethod）MethodAlgorithmInitializationStandard(default)StandardStandardPetroleum/Wide-boilingSum-RatesStandardStronglynon-idealliquidNonidealStandardAzeotropicNewtonAzeotropicCryogenicStandardCryogenicCustomSelectAnySelectAny第三十页，共五十五页，2022年，8月28日RadFrac模型的基本设置（3）流股规定:进料板位置进料物流规则

ABOVE-STAGEON-STAGE塔顶和塔釜产品流股侧线流股(Sideproducts)ABOVE-STAGE:从进料物流来的气体进入进料板上一层塔板液体进入进料板位置ON-STAGE:来自进料的气体和液体都进入进料板位置第三十一页，共五十五页，2022年，8月28日RadFrac模型的基本设置（4）压力分布规定下列项之一:塔顶/塔底压力(Top/Bottompressure)塔压力分布(Pressureprofile)塔段压降(Sectionpressuredrop)第三十二页，共五十五页，2022年，8月28日RadFrac模型的设置（5）其它选项若设置一个不带冷凝器或再沸器的吸收塔,则在RadFracSetupConfiguration

页面上设置冷凝器和再沸器为none在RadFracEfficiencies

表页上能够规定按一个理论级基准或组分基准的汽化效率或Murphree效率能够进行板式塔或填料塔的设计和核算如果用户选择汽-液-液作为有效相，也可以模拟第二液相能够生成再沸器和冷凝器的热曲线第三十三页，共五十五页，2022年，8月28日绘图向导（PlotWizard）用绘图向导(在Plot菜单上PlotWizard)能立即生成模拟结果的曲线图，你能用绘图向导显示如下操作的结果:所有分离模型RadFrac、MultiFrac、PetroFrac和RateFrac的数据分布物性分析数据回归分析点击数据窗口中的对象生成该对象的曲线图向导引导你执行生成图表的基本操作在Next>按钮上点击继续点击Finish

按钮按缺省设置生成图第三十四页，共五十五页，2022年，8月28日ColumnPerformanceSpecificationsRatingvs.DesignSimulatingacolumnwithfixedoperatingconditionsiscalled“Rating”Manipulatingoperatingconditionstoachievesomeoverallresultiscalled“Design”InternalorExternaldesignspecificationsDesignSpecificationwithinRadFraccanbeusedtomanipulateoperatingconditionstoachievespecificationsonpurity,recovery,etc.Flowsheet-levelDesignSpecificationsmustbeusedtovarythenumberofstagesorfeedlocations第三十五页，共五十五页，2022年，8月28日RadFracDesignSpecificationsRadFracinternaldesignspecificationscanbeusedtoaltercolumnoperatingconditionsandfeedflowstomeetdesignspecificationsTheDesignSpecsformsareusedtoenterthedesiredperformancespecificationsTheVaryformsareusedtospecifytheadjustedvariablesRadFracinternaldesignspecificationareconvergedwiththecolumn;therefore,theygenerallyconvergemuchfasterthanflowsheet-leveldesignspecifications第三十六页，共五十五页，2022年，8月28日AllowedDesignSpecifications(1)PurityofanystreamOnamole,mass,orstandardvolumebasisForanycomponent(orgroupofcomponents)RecoveryOfanycomponent(orgroupofcomponents)Inanyproductstream(orsetofproductstreams)Relativetothesamecomponentsinanyfeedstream(orstreams)TemperatureofanystageCondenserorReboilerduty第三十七页，共五十五页，2022年，8月28日AllowedDesignSpecifications(2)FlowOfanycomponentorgroupofcomponentsInanyproductorinternalstreamFlowratioOfanycomponentorgroupofcomponentsInanyproductorinternalstreamToanyproductorinternalstreamPropertyvalueforanyinternalorproductstream(density,viscosity,etc.)DifferenceorratioofpairofpropertyvaluesForanypairofinternalorproductstreams第三十八页，共五十五页，2022年，8月28日AllowedManipulatedVariables(1)Tomanipulateavariable,itmusthavebeenenteredasaninitialcolumnspecificationColumnoperatingconditionsDistillateorBottomsrateDistillatetofeedorBottomstofeedratioRefluxorBoiluprateRefluxorBoilupratioCondenserorReboilerdutyDistillatevaporfraction第三十九页，共五十五页，2022年，8月28日AllowedManipulatedVariables(2)OptionalColumnSpecificationsSidedrawflowratesDutyonastagePumparoundspecificationsThermosyphonReboilerspecificationsDecanterreturnfractionsMurphreeefficiencesFlowofaFeedStreamMaterialHeat第四十页，共五十五页，2022年，8月28日NotesonRadFracDesignSpecificationsTomanipulateavariable,itmusthavebeenspecifiedinthebasecaseAllofthevariablesaremanipulatedsimultaneouslytoconvergealloftheDesignSpecsSetboundsformanipulatedvariablesInitialvaluemustbetweenboundsColumnconvergesatbothupperandlowerboundsSolutionshouldliebetweenboundsYoucanspecifystepsizeformanipulatedvariablebutthisisnotusuallyneededwithgoodbounds第四十一页，共五十五页，2022年，8月28日RadFracDesignSpecs第四十二页，共五十五页，2022年，8月28日ASPENPLUS的严格法精馏塔计算——示例例4-4（P157）：根据上节例4-3所描述的问题，采用DSTWU简介设计模型确定的脱乙烷精馏塔理论板数、进料位置和回流比等参数，对该精馏塔采用RADFRAC严格模型进行核算。例4-5（P166）：根据例4-4，在其他条件不变的情况下，采用RADFRAC模型计算满足塔顶馏出物中乙烯摩尔分数达到0.99所需要的回流比。第四十三页，共五十五页，2022年，8月28日ASPENPLUS的严格法精馏塔计算——练习练习题4-3（P169）：设计一个甲醇精馏塔，进料中包含50kmol/hr的甲醇和50kmol/hr的水。采用回流比为1.5时，要求塔顶和塔底产物的纯度都达到99.5%。试确定精馏塔的理论板数、进料位置，以及精馏塔内的温度、汽液相流率和组成分布。并确定采用BX型填料的塔径。第四十四页，共五十五页，2022年，8月28日精馏塔内件（塔板和填料）的设计与核算板式塔和填料塔进行设计、核算以及执行压降计算的扩展功能：TraySizing（塔板设计）TrayRating（塔板核算）PackSizing（填料设计）PackRating（填料核算）三个塔模型中是可用的：RadFracMultiFracPetroFrac第四十五页，共五十五页，2022年，8月28日板式塔类型五种通用塔板类型中进行选择：Bubblecaps（泡罩）Sieve（筛板）GlitschBallast（Glitsc