Aspen第五讲

Aspen第五讲
————分离过程模拟设计（Separation Process）Aspen plus分离过程分为两大类：
一、简单分离单元模型（Separators）
二、塔设备单元模型(Columns)
首先介绍简单分离单元模型：
简单分离单元模型包含有5个模块
两相闪蒸器
Flash2模块执行给定热力学条件下的汽-液平衡或汽-液-液平衡计算，输出一股汽相和一股液相产物。

用于模拟闪蒸器、蒸发器、气液分离器等。

其物流连接图如下（只需连接红色物流箭头）：
Flash2模块（Block）的模型参数有3组：
1、闪蒸设定(Flash Specifications)
(1)温度（Temperature）
(2)压力（Pressure）
(3)蒸汽分率（Vapor Fraction）
(4)热负荷（Heat Duty）
从以上4个参数中选定2个。

2、有效相态（Valid Phase）
(1)汽-液相（Vapor-Liquid）
(2)汽-液-液相（Vapor-Liquid-Liquid）
(3)汽-液-游离水相（Vapor-Liquid-Free Water）
从以上3个参数中选定1个。

3、液沫夹带（Liquid Entrainment in Vapor Stream）液相在汽相中的夹带分率，介于0-1之间。

举例：
第一步：建立模型：
第二步：参数设置：
第三步: 开始运算。

Heater Exam ple 4
Stream ID FE ED LIQU ID VA POR Tem p eratu re C 87.3 82.4 82.4 Pressure bar 1.100 1.100 1.100 Vapo r Frac 1.000 0.000 1.000 Mo le Flow kmol/hr 31.847 23.885 7.962 Mass Flow kg/hr 1000.000716.066283.934 Vo lum e Flow cum/h r867.583 0.920213.961 En thalp y MMk cal/h r -1.790 -1.577 -0.445 Mass Flow kg/hr
ETH ANO L700.000469.274230.726 WATE R300.000246.792 53.208 Mass Frac
ETH ANO L 0.700 0.655 0.813 WATE R 0.300 0.345 0.187 Mo le Flow kmol/hr
ETH ANO L 15.195 10.186 5.008 WATE R 16.653 13.699 2.954 Mo le Frac
ETH ANO L 0.477 0.426 0.629 WATE R 0.523 0.574 0.371
解：其他步骤同例1，仅需在Block中做如下改动：
计算结果如下：
He a t e r Exa mple 4
St re am ID FEED LIQ UID VA PO R
Te mpe ra ture C 120.0 90.3 90.3
Pre ssure bar 5.000 1.500 1.500
Va por F ra c 0.000 0.000 1.000
Mole Fl ow kmol/hr 31.847 28.895 2.952
Ma ss Fl ow kg/hr 1000.000 894.016 105.984
Volum e Fl ow c um/hr 1.390 1.174 59.482
Entha lpy MMk c al/hr -2.064 -1.899 -0.165
Ma ss Fl ow kg/hr
ETHAN OL 700.000 613.302 86.698
WATER 300.000 280.714 19.286
Ma ss Fra c
ETHAN OL 0.700 0.686 0.818
WATER 0.300 0.314 0.182
Mole Fl ow kmol/hr
ETHAN OL 15.195 13.313 1.882
WATER 16.653 15.582 1.071
Mole Fra c
ETHAN OL 0.477 0.461 0.637
WATER 0.523 0.539 0.363
解：在Block中做如下改动：
液沫夹带
Liquid entrainment的值介于0-1之间，即液沫占气体总量的百分数。

如果50%的液沫夹带现象出现，会导致什么后果？
He a t e r Exa mple 4
St re am ID FEED LIQ UID VA PO R
Te mpe ra ture C 20.0 108.8 108.8 Pre ssure bar 2.000 2.000 2.000 Va por F ra c 0.000 0.000 0.491 Mole Fl ow kmol/hr 44.021 14.852 29.170 Ma ss Fl ow kg/hr 1000.000 277.868 722.132 Volum e Fl ow c um/hr 1.081 0.311 227.642 Entha lpy MMk c al/hr -2.971 -0.988 -1.772 Ma ss Fl ow kg/hr
ACETO NE 300.000 14.950 285.050 WATER 700.000 262.918 437.082 Ma ss Fra c
ACETO NE 0.300 0.054 0.395 WATER 0.700 0.946 0.605 Mole Fl ow kmol/hr
ACETO NE 5.165 0.257 4.908 WATER 38.856 14.594 24.262 Mole Fra c
ACETO NE 0.117 0.017 0.168 WATER 0.883 0.983 0.832
Heater Exampl e 4
Stream ID FEED LIQUID VAPOR Temperature C 20.0 108.8 108.8 Pressure bar 2.000 2.000 2.000 Vapor Frac 0.000 0.000 1.000 Mole Fl ow kmol/hr 44.021 29.703 14.318 Mass Fl ow kg/hr 1000.000 555.736 444.264 Volume Flow cum/hr 1.081 0.623 227.331 Enthal py MMkcal/hr -2.971 -1.977 -0.784 Mass Fl ow kg/hr
ACETONE 300.000 29.901 270.099 WATER 700.000 525.835 174.165 Mass Frac
ACETONE 0.300 0.054 0.608 WATER 0.700 0.946 0.392 Mole Fl ow kmol/hr
ACETONE 5.165 0.515 4.650 WATER 38.856 29.188 9.668 Mole Frac
ACETONE 0.117 0.017 0.325 WATER 0.883 0.983 0.675
有50%的液沫夹带有0%的液沫夹带
三相闪蒸器
Flash3模块执行给定热力学条件下的汽-液-液平衡计算，输出一股汽相和两股液相产物。

用于模拟闪蒸器、蒸发器、液-液分离器、汽-液-液分离器等。

Flash3的模块连接图如下：
Flash3模块的模型参数有3组：
1、闪蒸设定(Flash Specifications)
（1）温度（Temperature）
（2）压力（Pressure）
（3）蒸汽分率（Vapor Fraction）
（4）热负荷（Heat Duty）
从以上4个参数中选定2个。

2、关键组分（Key Componet）
指定关键组分后，含关键组分摩尔分率大的液相做第二液相。

如未指定关键组分，则密度大的液相作为第二液相。

（因此，不指定亦可！）
3、液沫夹带（Liquid Entrainment in Vapor Stream）
分别设定两个液相在汽相中的夹带分率。

例题4：
解：
第一步：建立模型如图所示：
第二步：输入参数
在“set up”、“component”、“Properties”、“Stream”中输入例题中的各种条件。

注意“block”中的设置如下：
第三步：开始运算，结果如下：
Heater Exampl e 4
Stream ID FEED LIQUID-1LIQUID-2VAPOR Temperature C 92.8 7.8 7.8 7.8 Pressure bar 1.100 0.110 0.110 0.110 Vapor Frac 1.000 0.000 0.000 1.000 Mol e Flow kmol/hr 32.197 0.888 28.089 3.220 Mass Flow kg/hr 1000.000 75.698 679.088 245.242 Volume Flow cum/hr 890.478 0.110 0.743 683.639 Enthal py MMkcal/hr -1.758 -0.043 -1.916 -0.140 Mass Flow kg/hr
ETHANOL 300.000 0.904 282.656 16.438 WATER 400.000 0.006 395.255 4.733 N-HEXANE 300.000 74.789 1.177 224.072 Mass Frac
ETHANOL 0.300 0.012 0.416 0.067 WATER 0.400 73 PPM 0.582 0.019 N-HEXANE 0.300 0.988 0.002 0.914 Mol e Flow kmol/hr
ETHANOL 6.512 0.020 6.135 0.357 WATER 22.203 < 0.001 21.940 0.263 N-HEXANE 3.481 0.868 0.014 2.600 Mol e Frac
ETHANOL 0.202 0.022 0.218 0.111 WATER 0.690 346 PPM 0.781 0.082 N-HEXANE 0.108 0.978 486 PPM 0.808
倾析器（Decanter）
Decanter模块执行给定热力学条件下的液-液平衡或液-游离水平衡计算，输出两股液相产物。

用于模拟液液分离器、水倾析器、萃取操作等。

其连接图如下：
Decanter模块（block）中的模型参数有3部分：
1、倾析设定（Decanter Specifications）
(1)压力（Pressure）
(2)温度/热负荷（Temperature/Heat Duty）
2、关键组分（Key Component）
指定关键组分后，含关键组分摩尔分率大的液相作为第二液相。

如未指定关键组分，则密度大的液相作为第二液相。

3、组分分离效率（Separation efficiencies）
分别设定每个组分在两相中的分离效率（代表了相组成偏离平衡组成的程度），不输入亦可。

例题：
用125kg/h的水（P=0.2MPa, T=20℃）从含乙醇40%w、正己烷60%w 的混合液（F=500kg/h、P=0.2MPa、T=20℃）中萃取乙醇，求萃取相和萃余相的组成如何？萃取率为多少？
解：
第一步：建立模型如下：
水
乙醇+正己烷
第二步：输入参数：
在“set up”、“component”、“Properties”、“Stream”中输入例题中的各种条件。

如下面各图所示。

注意“block”中的设置如下：
下面这页不输入亦可，按照默认就行。

塔设备单元模型(Columns)
塔设备（Columns）单元共有9种模块，如下：
1、DSTWU(简捷精馏，设计)
2、Distl
3、RadFrac
4、Extract
5、MutiFrac
6、SCFrac
7、PetroFrac
1、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、给定回流比的理论板数和加料板位置。

DSTWU的连接图如下：
DSTWU模型（Block）有四组模型设定参数：
1、塔设定（Column specification）
(1)塔板数（Number of stages）
(2)回流比（Reflux ratio）
已知其一即可。

2、关键组分回收率（Key component recoveries）
(1)轻关键组分在馏
回收率
需指定
(2)重关键组分在馏出物（塔顶）中的回收率
需指定馏出物中的重关键组分/进料中的重关键组分
需要以上两项全部指定。

3、压力（Pressure）
(1)冷凝器（Condenser）
(2)再沸器（Reboiler）
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）
以上指定其一即可。

例题：
解：
第一步：建立模型：
第二步：输入参数
这里主要显示Block中的信息设置，其他同以前的步骤。

塔顶馏出物中的轻关键组
分/进料中轻关键组分
塔顶馏出物中的重关键组
分/进料中重关键组分
aspen中回流比，正值表示实际回流比，负值表示实际回流比是最小回流比的倍数。

第三步：输出结果
DSTWU Example 1
Stream ID D FEED W Temperature C 81.9 20.0 92.9 Pressure bar 0.180 1.200 0.200 Vapor Frac 0.000 0.000 0.000 Mole Flow kmol/hr 2.827 9.547 6.720 Mass Flow kg/hr 300.100 1000.000 699.900 Volume Flow cum/hr 0.368 1.140 0.856 Enthalpy MMkcal/hr -0.001 0.155 0.186 Mass Flow kg/hr
E-BEN 299.400 300.000 0.600 STYRENE 0.700 700.000 699.300 Mass Frac
E-BEN 0.998 0.300 857 PPM STYRENE 0.002 0.700 0.999 Mole Flow kmol/hr
E-BEN 2.820 2.826 0.006 STYRENE 0.007 6.721 6.714 Mole Frac
E-BEN 0.998 0.296 841 PPM STYRENE 0.002 0.704 0.999
最小回流比
实际回流比
最小理论塔板数
实际理论塔板数
进料塔板位置
一般按经验筛板塔的板间距取400~500，浮阀塔也不低于400。

然后按约10min的持液量考虑塔釜高度，塔顶考虑分布器及分布器到顶部的高度（一般为1500mm左右）
一般若直径大于1000mm的塔每6~7`层考虑一个人孔或者检修孔，人孔处的板间距一般取700mm
这样就基本上可以估算一个塔高了，但不精确。

即塔高=板间距（估算）×所计算的理论板数（减去带有人孔的板数）+分布器到塔顶的高度+人孔处的板间距
但精确的塔高最好等内件厂家返回条件后再核算确定
当确定自己所设置的回流比是否合适时，利用DSTWU所产生的可选的回流比-级数的图表。

使用Input→Calculation Options进行设置。

理论塔板数初始值
理论塔板数最终值
会出现如下图：
作业：
1、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。

热力学模型可采用理想模型（IDEAL）
2、1、常压连续筛板精馏塔设计。

进料组分：水63.2%，甲醇36.8%（质量分率）
处理量：水甲醇混合液55t/h；
进料热状态：饱和液相进料；
进料压力：125kPa；
操作压力：110kPa；
塔顶馏出液：甲醇量大于99.5%（质量分率）
塔底釜液：水量大于99.5%（质量分率）
回流比：R回流比=1.6R最小回流比
求在已知条件下最小回流比和最小理论塔板数是多少？实际理论塔板数是多少？进料板是第几块板？。