AspenPlus吸收单元设计过程例题

AspenPlus吸收单元设计过程例题
AspenPlus 软件的吸收单元设计过程
这个⼿册描述了使⽤AspenPlus 软件设计⼀个吸收器必需的所有步骤。

这个⼿册同时包括设计过程中的使⽤技巧、劝告（建议）和注释说明。

例⼦如下：
例1
问题描述：填料塔的丙酮吸收
在293K 和101.32kPa （1atm ）下，⽤⽔吸收丙酮，填料塔直径0.4866m ，进料空⽓含有2.6mol%丙酮，⽓体出⼝含丙酮0.5mol%。

总的⽓体进料流速为14.0148kmol/h ，纯⽔进料流速为45.36kmol/h 。

简图如下：
过程
登录到AspenPlus 系统并开启⼀个空⽩模拟⽂件，那么就会出现⼀个流程图区域。

（如需要帮助可参考“使⽤AspenPlus 进⾏流程模拟”）
上⾯显⽰的是Columns 的⼦⽬录，单击“RateFrac ”块就选择了这个块，如果单击“RateFrac ”
⽓体出⼝⽓体出⼝ Xair=0.974
块旁边的向下箭头就会跳出⼀系列的图标。

这些图标都表⽰相同的计算程序，仅仅是概略简图不同⽽已，从中可以选择最能描述你设计的过程的块。

对于这个例⼦选择“RA TEFRAC”左上⾓的矩形块。

RateFrac是模拟诸如吸收、⽓提和精馏等所有类型的多级汽液分离过程的速率型⾮平衡级模型。

RateFrac模拟实际板式塔和填料塔，⽽不是理想化的平衡级。

⼀个塔有很多段组成（见右边的填料塔⽰意图），这些段指的是填料塔
的⼀部分填料或者板式塔的⼀块或⼏块塔板。

RateFrac执⾏⼀个把所有
的段看作平衡级模型的初始化计算，⽤这个初始化计算的接过去计算速
率型⾮平衡级模型。

需要学习有关RateFrac的更多知识和应⽤请参考
“RateFrac”的帮助。

⾸先，使⽤“RateFrac”块创建如上所⽰的⽰意图，如果需要帮助请参考“使⽤AspenPlus 进⾏流程模拟”。

将液相进料流股和⽓相进料流股和进料⼝（feed port）相连，⽓相出料⼝和⽓相馏出物⼝（vapor distillte port）相连，液相出⼝和底部⼝（bottom port）相连。

⼀旦
流程图完成，单击“Next”按钮（）就会出现标题窗⼝（见下图），在这个窗⼝输⼊模拟⽂件的标题，并将单位制由英制（English）变为公制（Metric）。

单击“Next”按钮。

出现组分设置窗⼝（Components Specifications）
在组分设置窗⼝（Components Specifications ），输⼊在例⼦中（见上图）使⽤的组分。

使⽤屏幕下⽅的“Find ”按钮可以通过分⼦式、名称、CAS 登录号、分⼦量和正常沸点等在数据库中快速搜索各个组分。

“Elec Wizard ”可以⽤来从输⼊的组分中⽣成应⽤于电解质体系的电解质组分和反应。

使⽤“User Defined ”按钮可以创⽴在数据库中没有的的⽤户⾃定义组
分。

“Record”按钮可以对在选择区域中已经定义的组分重新排序。

当所有的组分都输⼊之后，单击“Next”按钮。

在这个窗⼝，在右边的下拉式列表框中选择选择⼀种热⼒学⽅法（Property Method），如需要帮助可参考“使⽤AspenPlus进⾏流程模拟”。

在本例中选择“NRTL”模型，单击“Next”按钮。

直⾄出现⽓体进料流股的输⼊窗⼝。

上图显⽰的是空⽓/丙酮进料⽓体的输⼊窗⼝，输⼊问题描述中提供的温度、压⼒、流速和组成等所有的数据。

请确认单位和输⼊的数值相对应。

如果值不知道，就让相应的输⼊框为空，输⼊结束后单击“Next”按钮，则会出现液相进料流股的输⼊窗⼝，重复上步，输⼊问题描述中给定的数值。

单击“Next”按钮。

吸收模块的输⼊窗⼝就会出现，组成⼀个塔的所有段都会被⽤来评价相互接触的两相的传质速率和传热速率。

⼀个段指的是填料塔的⼀段填料或者板式塔的⼀系列塔板。

输⼊段的值。

按照拇指规则（thumb rule），每⼀个塔的底部就应该算⼀个段的⾼度，然⽽⽐较多的段数可以增加准确性。

段的⾼度不应该⼩于使⽤的填料的平均⾼度。

在这个例⼦中使⽤10，并且在这个窗⼝中可以选择冷凝器和再沸器的类型，因为我们模拟的是吸收塔，所以没有冷凝器和再沸器。

单击“Next”按钮。

出现压⼒规定窗⼝。

在上⾯的压⼒规定窗⼝，允许选择我们想输⼊的压⼒规定类型，这⾥，选择“Top/Bottom”类型，根据问题描述在“segment 1”中输⼊1atm。

Segment 1指的是塔的顶部。

单击“Next”按钮。

向导会⾃动带领我们进⼊塔板设定（Tray Specs）窗⼝，因为我们的塔是填料塔⽽不是板式塔，所以从左边的数据浏览（data browse）窗⼝选择填料设定栏（Pack Specs），选择“New”按钮创建塔的填料设定。

“pack segment number”从1（表⽰填料塔的顶部填料段）开始，下⾯的将显⽰输⼊填料规范的窗⼝，输⼊结束段（ending segment）的值，对于我们的例⼦，输⼊10，因为这是我们的塔的最后⼀段填料。

在这个例⼦中，问题描述中没有定义填料类型，我们任意的选择1.5inch散堆（random）陶瓷拉西环填料（ceramic raschig rings），另外我们还要根据我们要获得的最终的⽓体和液体浓度猜测填料⾼度。

由于我已经处理过这个问题，我知道达到分离要求所需要的填料⾼度为1.94m。

单击“Next”按钮继续。

下⼀个窗⼝要求我们输⼊塔的直径，因为塔的直径已经在问题描述中给出，所以输⼊0.4866m，单击“Next”按钮继续。

下⼀个窗⼝要求我们输⼊进料和出料的位置，注意⽓体的进料位置输⼊值是11，因为按照惯例进料位置是“above segment”。

输⼊所有信息后单击
“Next”按钮。

现在所有的输⼊已经完成，可以开始进⾏模拟了。

下⾯给出结果显⽰窗⼝。

单击“Result”上的双箭头（）可以浏览结果。

注意在给定的填料⾼度和填料规范下，离开塔的液相中丙酮摩尔分率为0.00499，离开塔的⽓相中丙酮摩尔分率为0.00338。

AspenPlus中RateFrac模块的其他特性：
RateFrac的其他特性可以通过观察数据浏览窗⼝（data browse）来探测和利⽤。

数据浏览窗⼝指的是AspenPlus左边的窗⼝。

它给出了模拟过程中的可能的输⼊、结果和需要定义的对象的⼤纲视图。

下⾯给出的是通常要⽤的RateFrac⽽外特性，但不是全部特性。

这些特性可以通过数据浏览窗⼝来利⽤。

Report Options：Report Options可以在数据浏览窗⼝的“Setup”菜单下找到。

这个特性允许
我们定义报告选项来包括或禁⽌标准的AspenPlus报告中的某些数据，这
个报告⽂件既包含了模拟的结果，也包含了AspenPlus运⾏所需要的所有
输⼊数据和默认使⽤的数据。

这个特性允许你控制显⽰通⽤信息、流程
图、块和流股信息。

Column Parameters：这⾥有很多模拟所有不同类型的塔的可供选项。

下⾯是这些可供选项及
其功能的罗列：
Setup——输⼊段的数⽬，确定冷凝器、再沸器和塔的操作条件。

Tray Specs和Pack Specs——定义塔板或者填料段、塔板或者填料类型以
及其他参数。

Reactions——输⼊起始段和终⽌段的反应，就如反应（reaction）、电解质
反应（chemistry）和⽤户定义反应（user reactions）的编号（Ids）。

Estimates——提供塔内各段的液相温度和⽓相温度估计值。

如果不输⼊这些值，RateFrac基
于选择的初始化选项⽣成初始配置。

Equilibrium Segments ——给定平衡级段的可选组。

Heaters Coolers ——输⼊侧线加热器段的数⽬和负荷。

Desing Specs ——如果我们需要达到⼀个最终给定的值，就可以创建⼀个设计规定（Design
Specifications ）。

输⼊我们希望获得的规定类型和⽬标值，在这个过程中，
需要确定流股类型、组分、段以及其他的设计信息。

AspenPlus 将会使
⽤这些信息去符合你的设计。

设计规定的数⽬必须和处理的变量数相
等。

使⽤RateFrac 的“Vary ”窗体给定设计模式的处理变量。

Convergence ：RateFrac 通常执⾏初始计算仅仅达到相对宽松的误差，在⼀定条件下，你希
望得到⼀个要求较⾼的初始计算误差为速率型⾮平衡级计算⽣成⼀个好
的初始点。

当塔有很多的段的时候，我们必需要求⼀个较宽松的误差。

通常，塔的直径在问题描述中不给出，下⾯的例⼦就是再上⼀个例⼦上的修改，这⾥给出液泛因⼦⽽不是塔径。

下⾯的例⼦将会使⽤“Design Specs ”设计⼀个这种条件下的吸收塔。

例2
问题描述：填料塔的丙酮吸收
在293K 和101.32kPa （1atm ）下，⽤⽔吸收丙酮，填料塔液泛因⼦为0.8，进料空⽓含有2.6mol%丙酮，⽓体出⼝含丙酮0.5mol%。

总的⽓体进料流速为14.0148kmol/h ，纯⽔进料流速为45.36kmol/h 。

简图如下：
过程
登录到AspenPlus 系统，创建⼀个如例1⼀样的模拟⽂件，并输⼊和例1⼀样的数据，直到到达输⼊填料规定为⽌。

这时，我们不知道填料⾼度，于是我们需要进⾏估计，对这个例⼦我们估计填料⾼度为1m 。

单击“Next ”按钮继续。

⽓体出⼝⽓体进⼝
Xair=0.974
下⼀步显⽰直径输⼊窗⼝，在这个例⼦中，直径的值不知道，AspenPlus可以根据塔的液泛因⼦计算直径。

选择“Use calculated diameter”并输⼊如下图所⽰的值。

直径的估计值是需
要提供的，在这个例⼦中使⽤1m。

现在，你必须输⼊设计规定信息，我们将要改变塔的填料⾼度来满⾜离开塔的⽓相中丙酮的
摩尔分率要求。

滚动数据浏览窗⼝（data browse）选择“Flowsheeting Options”，再选择“Design Specs”。

单击窗⼝上
的“New”按钮，在出现“DS-1”设计规定的窗⼝上选择“OK”接受。

显⽰Fortran变量的窗⼝出现了，选择“New”按钮，输⼊变量名“CONC”，在接着显⽰的窗⼝中，定义变量为离开塔的⽓体的丙酮摩尔分率。

选择完成后按“Close”按钮关闭窗⼝。

在“Spec”页，输⼊我们刚才定义的变量名，在下⼀⾏输⼊⽬标值，最后设定误差。

单击“Next”按钮继续。

在这个窗⼝中要确定处理地变量，对于处理的变量类型选择“Block-Var”（这个变量类型表⽰我们要处理的是块变量）。

填上块的名称和变量名称，变量选择“HTPACK”。

在ID1标签处填1，表⽰塔的数⽬，在ID2标签处填1，表⽰起始的段的数字。

选择要处理变量限制的低值和⾼值范围，对我们的例⼦，我们的填料⾼度范围在1⾄10m。

单击“Next”按钮继续。

注意当选择变量时，若不知道变量的意义，可以在下⾯的提⽰栏中获得提⽰信息。

所有必须输⼊的信息都已经完成，可以进⾏模拟了，结果窗⼝显⽰如下。

从结果中可以看出，⽓相出⼝和液相出⼝流股的丙酮
含量均接近问题描述中希望达到的值。

满⾜设计要求的填料⾼度是1.426m。