1、ASPEN PLUS在化工过程设计中的应用在化工过程设计中的应用第四章第四章多组分平衡级分离过程计算多组分平衡级分离过程计算（三）（三）第四章第四章 多组分平衡级分离过程计算多组分平衡级分离过程计算C4.1 多组分单级分离过程 C4.2 多组分多级分离塔的简捷计算 C4.3 多组分多级分离塔的严格计算A 核算型（精馏塔参数分离性能？）A 设计型（分离性能精馏塔结构尺寸？）ASPEN PLUS设计精馏塔的步骤设计精馏塔的步骤C1、确定分离过程的关键组分；C2、采用DSTWU模型确定精馏塔的理论板数、回流比和进料位置等基本参数；C3、采用RADFRAC模型进行严格核算；C4、进行设计规定的计算；C
2、5、进行填料塔或板式塔的设计计算，确定塔径和塔高等参数；C6、进行填料塔或板式塔的核算，确定塔的操作性能。4.3 多组分多级分离塔的严格计算多组分多级分离塔的严格计算C 4.3.1 平衡级的理论模型平衡级的理论模型理论模型理论模型-简单回顾简单回顾 CMESH方程A 组分物料衡算（M，Nc个方程）A 相平衡关系（E，Nc个方程）A 各相的摩尔分数加和式（S，2N个方程）A 热量衡算（H，N个方程）CC组分N级的变量数A（3c+9）N+1C规定变量数A（c+6）N+1ASPEN PLUS的严格蒸馏模型的严格蒸馏模型模型模型描述描述目的目的用于用于RadFrac严格分馏严格分馏执行各塔严格核算和设
3、计计执行各塔严格核算和设计计算算普通蒸馏、吸收塔、汽提塔、萃取普通蒸馏、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
4、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4.3.2 严格法精馏塔计算模型严格法精馏塔计算模型RadFracC一般精馏（Ordinary distillation）C吸收（Absorption）C再沸吸收（Reboiled absorption）C汽提（Stripping）C再沸汽提（Reboiled stripping）C萃取蒸馏（Extractive distillation）C共沸蒸馏（Azeotropic distillation）C反应蒸馏（Reactive di
5、stillation）RadFrac 适用的体系适用的体系C 两相蒸馏体系（Two-phase systems）C 三相蒸馏体系（Three-phase systems）C 窄沸程和宽沸程体系（Narrow and wide-boiling systems）C 液相具有非理想性强的体系（Systems exhibiting strong liquid phase nonideality）C 游离水相或其它第二液相（Free-water phase or other second liquid phase)RadFrac连接连接（Connectivity）RadFrac 模块的连接图如下：Rad
6、Frac 严格计算严格计算模块模块RadFrac模型设定模型设定(核算模式核算模式)RadFrac 模型具有以下设定参数：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）RadFrac 配置配置（Configuration）配置表单包含以下项目：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 Sp
7、ecifications)默认:Distillate rate and reflux ratio RadFrac 配置配置（Configuration）RadFrac 配置（冷凝器）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-汽相和液相馏出物 （Partial-Vapor-Liquid）4、无冷凝器(None)RadFrac配置（冷凝器）配置（冷凝器）RadFrac 配置配置（再沸器）（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）
8、3、无再沸器 (None)C选用原则：塔底液相产品与返塔的气相成相平衡，选Kettle，反之Thermosyphon；如果塔底产品与进入再沸器的液体条件完全一致，选Thermosyphon。RadFrac配置配置(再沸器再沸器)RadFrac 再沸器（热虹吸再沸器）再沸器（热虹吸再沸器）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 （Specify reboiler flow rate）2、指定再沸器出口条件 （Specify reboiler outlet condition）3、同时指定流量和出口条件 （Specify both flow and outlet conditio
9、n）RadFrac 再沸器（热虹吸再沸器）再沸器（热虹吸再沸器）RadFrac 配置（有效相态）配置（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）RadFrac配置配置 (有效相态有效相态)RadFrac配置（收敛方法）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（Petro
10、leum/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）收敛收敛（Convergence）C RadFrac提供了一系列收敛技术，均包括收敛算法（convergence algorithm）和初始化方法（initialization method）MethodAlgorithmInitializationStandard(default)：标准StandardStandardPetroleum/Wide-boiling：石油Sum-RatesS
11、tandardStrongly non-ideal liquidNonidealStandardAzeotropic：共沸NewtonAzeotropicCryogenic：深度冷冻StandardCryogenicCustom：用户自定义Select AnySelect AnyRadFrac配置配置(收敛方法收敛方法)RadFrac 配置（操作设定）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
12、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（Reboiler Duty)RadFrac配置配置(操作设定操作设定)操作设定从十个选项中选择：RadFrac配置配置(操作设定操作设定)RadFrac 流股流股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。在流股表单中设置以下参数：A进料物流位
13、置和规则：B 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；B ON-STAGE:来自进料的气体和液体都进入进料板位置。RadFrac 流股流股RadFrac流股流股RadFrac 压强压强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。在压强表单中设置以下参数：RadFrac压强压强RadFrac 压强压强RadFrac 冷凝器冷凝器冷凝器设定有两组参数：1、冷凝器指标（Condense
14、r Specification）仅仅应用于部分冷凝器（有气相-液相溜出物）。只需指定冷凝温度（Temperature）和蒸汽分率（Vapor Fraction）两个参数之一。RadFrac 冷凝器（冷凝器（2）2、过冷态（Subcooling）1）过冷选项（Subcooling option）回流物和馏出物都过冷(Both reflux and liquid distillate are subcooled)/仅仅回流物过冷(Only reflux is subcooled)2）过冷指标（Subcooling specification）过冷液温度(Subcooled temperature)
15、/过冷度(Degrees of subcooled)RadFrac 冷凝器冷凝器RadFrac 冷凝器冷凝器RadFrac 的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 结果查看结果查看结果简汇给出塔顶（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。RadFrac 结果简汇结果简汇RadFrac 结果简汇结果简汇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
16、料板和侧线出料板位置。RadFrac 分布剖形分布剖形RadFrac 分布剖形分布剖形RadFrac 分布剖形分布剖形绘图向导（绘图向导（Plot Wizard）C 用绘图向导(在 Plot 菜单上Plot Wizard)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:A 所有分离模型RadFrac、MultiFrac、PetroFrac和 RateFrac的数据分布A 物性分析A 数据回归分析C 点击数据窗口中的对象生成该对象的曲线图向导（plot Wizard）引导你执行生成图表的基本操作C 在 Next按钮上点击继续C 点击 Finish 按钮按缺省设置生成图段间加热器和冷
17、却器段间加热器和冷却器中段循环中段循环倾析器倾析器C例1：书（P93）C 用书P79，例4简捷算法DSTWU模型计算得到的塔板数、回流比等采用RadFrac模型进行校核和确定C（1）简捷算法DSTWU模型计算得到的塔板数、回流比等是否能达到分离要求，如果不能达到，如何解决C（2）绘制曲线 绘制轻关键组分和重关键组分沿塔板液相组成变化趋势图；绘制每块踏板的气体流率和液体流率变化趋势图。ASPEN PLUS的的简捷法精馏塔设计简捷法精馏塔设计示例示例 ASPEN PLUS设计精馏塔的步骤设计精馏塔的步骤C1、确定分离过程的关键组分；C2、采用DSTWU模型确定精馏塔的理论板数、回流比和进料位置等基
18、本参数；C3、采用RADFRAC模型进行严格核算；C4、进行设计规定的计算；C5、进行填料塔或板式塔的设计计算，确定塔径和塔高等参数；C6、进行填料塔或板式塔的核算，确定塔的操作性能。RadFrac 设计规定设计规定RadFrac 模型带有内部的设计规定功能，通过设计规定(Design Specs)和变量(Vary)两组对象进行设定。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。RadFrac 设计规定设计规定 RadFrac 设计规定设计规定(Design Specs)设计规定对象通过以下三张表单设置规定指标：1、规定 (Specificat
19、ion)2、组分 (Components)3、进料/产物流股 (Feed/Product Streams)RadFrac设计规定设计规定(Specification)RadFrac设计设计规定规定-规定规定 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 (Stream type)产物(Product)/内部(Internal)/倾析器(Decanter)RadFrac设计规定设计规定-规定规定 RadFrac设计规定设计规定组分组分 在组分表单中输入定义目标值的组分(Components)（分子）和基准组分
20、(Base Components)（分母）。从左侧可用组分(Available components)框中选择需用组分到右侧的选用组分(Selected Components)框中.RadFrac设计规定设计规定 组分组分RadFrac设计规定对象设计规定对象 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.RadFrac设计规定对象设计规定对象 RadFrac 变化对象变化对象在变化对象的Specification表单中输入调节变量及其调节范围的上、下限值。RadFrac 变化对象变化对象C例1：书（P93）C 用书P79，例4简捷算法DSTWU模型计算得到的塔板数、回流比等采用Ra
21、dFrac模型进行校核和确定C（1）简捷算法DSTWU模型计算得到的塔板数、回流比等是否能达到分离要求，如果不能达到，如何解决C（2）绘制曲线 绘制轻关键组分和重关键组分沿塔板液相组成变化趋势图；绘制每块踏板的气体流率和液体流率变化趋势图。ASPEN PLUS的的简捷法精馏塔设计简捷法精馏塔设计示例示例 RadFrac 塔板效率塔板效率C可以在配置表单中输入实际级数，然后设定实际塔板的板效率(Efficiencies)；C规定两种效率中的一个：蒸发效率(Vaporization Efficiencies)或墨弗里效率(Murphree Efficiencies)；C选择指定单块板的效率，单个组
22、分的效率，或者塔段的效率。RadFrac 配置配置（Configuration）RadFrac 蒸发效率蒸发效率Vaporization Efficiencies 定义如下,*,i ji jvi ji ji ji jyyEffyKx下标 i 代表组分，j 代表塔板编号RadFrac 墨弗里效率墨弗里效率Murphree Efficiencies定义如下,1,1,*,1,1i ji ji ji jMi ji ji ji ji ji jyyyyEffyyKxy下标 i 代表组分，j 代表塔板编号。RadFrac 塔板效率塔板效率RadFrac 塔板效率塔板效率RadFrac 报告选项报告选项报告（
23、Report）中有一项对塔板设计非常重要，即性质选项（Property o p t i o n s）里 的 包 括 水 力 学 参 数（Include hydraulic parameters）选项。另外剖形选项（Profile options）里包括哪些塔板（Stages to be included in report）也很有用。RadFrac 报告选项报告选项RadFrac 报告选项报告选项RadFrac 报告选项报告选项选择了包括水力学参数（Include hydraulic parameters）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
24、所需的参数。RadFrac 报告选项报告选项ASPEN PLUS的的简捷法精馏塔设计简捷法精馏塔设计C 作业1：设计一个脱乙烷精馏塔，进料流量为100 kmol/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18 atm。C 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）。C 塔顶设一全凝器，操作压力为17.8 atm，塔釜有再沸器，操作压力为18.2 atm。回流比为3。C 试用DSTWU模型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
25、-Robinson方程。C 假设饱和液体进料C作业作业2 2：根据作业1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。求出冷凝器和再沸器的热负荷，塔顶乙烯纯度，并画出轻重关键组分沿塔板液相组成变化趋势图。C在其他条件不变的情况下，采用RADFRAC模型的设计规定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。RadFrac 吸收计算吸收计算RadFrac 模块用于吸收计算时，1）在Configuration表单中将冷凝器和再沸器类型选为“None”；2）在Streams表单中将塔底气体进料板
26、位置设为 塔 板 总 数 加 1 ，并 将 加 料 规 则(Convention)设为“Above-Stage”；RadFrac 吸收计算吸收计算(2)RadFrac 吸收计算吸收计算(3)RadFrac 吸收计算吸收计算(4)在收敛（Convergence）项目中将1、基本(Basic)表单里的算法(algorithm)设置为“Standard”，并将最大迭代次数(maximum iterations)设置为200;2、将高级(Advance)表单里的第一栏吸收器(Absorber)设置为“yes”。RadFrac 吸收计算吸收计算(5)RadFrac 吸收计算吸收计算(6)摩尔组成为CO2(12%)、N2(23%)和H2(65%)的混合气体（F=1000kg/hr、P=2.9 MPa、T=20 C）用甲醇（F=60 t/hr、P=2.9MPa、T=-40 C）吸收脱除CO2。吸收塔有30块理论板，在2.8 MPa 下操作。求出塔气体中的CO2浓度。RadFrac 吸收示例吸收示例(1)在吸收示例（1）的基础上求使出塔气体中的CO2浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量。RadFrac 吸收示例吸收示例(2)在吸收示例（2）的基础上求使出塔气体中的CO2浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量与理论板数的关系。RadFrac 吸收示例吸收示例(3)
