第四章 多组分平衡级分离过程计算(二)

Extract
严格液-液萃取
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理论板数的简捷算法
全回流及最少理论板层数
全回流时，D=0， F=0，W=0 ；达到给定分离程度所需 的理论板层数最少为Nmin。 1）Nmin的求法 a）图解法
xW
xD
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b）解析法——芬斯克(Fenske)方程式
N min
x D 1 x w log 1 x x D w 1 log m
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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、丙烯、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? 分析： 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。
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ASPEN PLUS的严格蒸馏模型
模型 描述 目的 用于
RadFrac
单个塔的两相或 三相 严格计算模块
执行各塔严格核算和设计计 算 对一些复杂的多塔执行严格 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 原油单元常减压蒸馏塔、吸收/汽提 塔组合等。 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
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DSTWU — 模型参数（2）
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DSTWU — 模型参数（3）
3、压力 ( Pressure)
（1） 冷凝器 ( Condenser)
（2） 再沸器 ( Reboiler)
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DSTWU — 模型参数（3）
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DSTWU — 模型参数（4）
4、冷凝器设定 ( Condenser specifications) 三种类型： （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)
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DSTWU — 计算选项
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DSTWU — 计算选项
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DSTWU — 计算选项
率合 绝理 对的 值理 较论 小板 的数 区应 域在 内曲 选线 择斜 。
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ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计——示例 例1：书（P79）
由精馏塔分离某泡点混合物，其进料组成、塔顶产 品要求见表，全塔压力P=4.4atm。采用全凝器，回 流比为1.8，热力学计算采用物性方法PENG-ROB。 试用DSTWU模块设计满足上述分离要求的精馏塔。
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ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计——示例
例2：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。 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17.8 atm，塔釜有再沸器，操作 压力为18.2 atm。回流比为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。
0.002743 / X
R Rmin X R 1
N N min Y N 2
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4.2.2

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。
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注意基准的选择
假定饱和液体进料， Vapor fraction设为0
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回收率均指塔顶馏出物
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生成回流比关于理论 板数的关系表
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回流比关于理论板数的剖面图
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ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计——练习 练习题1：
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。
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多组分精馏的简捷计算法
多组分精馏的简捷计算法（Fenske–UnderwoodGilliland）
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；
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。
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DSTWU使用 Winn Underwood Gilliland
去估算 最小级数 最小回流比 规定级数所必需的回流比或 规定回流比所必需级数
规定
轻重关键组分的回收率
估计/结果
最小回流比和最小理论级数
设计一个丙烷精馏塔，操作平均压力为22 atm，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。 wenku.baidu.com定进料100kmol/h, 塔共有16块,物性选PENG-ROB。


Rate-Frac: 非平衡级连续蒸馏
BatchFrac: 严格的间歇蒸馏
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塔设备单元模型—分类
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ASPEN PLUS中的简捷法精馏塔设计模型
模型 描述 目的 用于
DSTWU
使用Winn– 确定最小级数、最小 Underwood- Gilliland 回流比或者实际回流 方法设计简捷法精馏 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 行简捷法精馏核算
确定以回流比、级数、 一个进料物流和 馏出与进料比为基准 两个产品物流的 的分离程度,计算产品 塔 组成。 确定产品组成和流率 每段的级数、使用分 馏指数的热负荷 原油单元常减压 蒸馏塔
SCFrac
简捷法多塔精馏模块
——芬斯克方程
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最小回流比的求法
1）作图法 a）对于正常的平衡曲线
xD yq Rmin Rmin 1 xD xq
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Rmin
xD yq y q xq
q
——恩德伍特方程 yq xq,yq——q线与平衡 线的交点坐标
xq
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1、吉利兰图 Y 0.545827 0.591422 X
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ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计—示例
DSTWU中回收率的设定均指塔顶馏出物中轻、 重关键组分的回收率。 本例中轻关键组分乙烯的回收率是0.95； 本例中重关键组分乙烷的回收率
100 0.75746 0.95 / 0.99 100 0.75746 0.95 0.03 100 0.24003
理论级数
必需回流比
回流比
必需理论级数
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DSTWU —连接 DSTWU 模型的连接图如下：
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DSTWU — 模型参数（1） DSTWU模型有四组模型设定参数：
1、塔设定 ( Column specifications) （1）塔板数 ( Number of stages)
（2）回流比 ( Reflux ratio)
MultiFrac 严格法多塔精馏
PetroFrac
石油精馏模块
对石油炼制应用中的复杂塔 执行严格核算和设计计算
RateFrac
非平衡级速率模 块
对各塔和多塔执行严格核算 蒸馏塔、吸收塔、汽提塔、反应系 与设计。基于非平衡级计算， 统、热整合单元、石油应用例如原 不需要效率和HETPs。 油和减压单元、吸收/汽提塔组合 使用一个溶剂模拟一个液体 物流的逆流抽提 液-液抽提塔，萃取塔
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。
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DSTWU--简捷法精馏设计
DSTWU算法特点：
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。 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。
>0, 实际回流比；
<-1, 绝对值=实际回流比/最小回流比
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DSTWU — 模型参数（1）
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DSTWU — 模型参数（2） 2、关键组分回收率 ( Key component recoveries )
（1）轻关键组分在塔顶产品中的回收率
塔顶的轻关键组分流率/进料中的轻关键组分流率
（2）重关键组分在塔顶产品中的回收率
塔顶的重关键组分流率/进料中的重关键组分流率
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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); 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。 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。
ASPEN PLUS在化工过程设计中的应用
第四章 多组分平衡级分离过程计算 （二）
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？）
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4.2.1多组分分离过程模型的分类
Aspen Plus中的分离过程模型：
简单分离单元模型：Separators
塔设备单元模型：Columns
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塔设备单元模型包含九个模块：
DSTWU: 简捷蒸馏设计 Distl: 简捷蒸馏核算 RadFrac: 严格蒸馏 Extract: 严格液-液萃取器 MultiFrac: 复杂塔的严格蒸馏 SCFrac: 复杂塔的简捷蒸馏 PetroFrac: 石油的严格蒸馏
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Distl — 连接 Distl 模块的连接图如下：
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Distl —模型参数
在Specification表单中设定以下两组参数： （1）塔设定 理论板数 Number of stages 加料板位置 Feed stage 回流比 Reflux ratio 馏出物/进料摩尔比 Distillate to feed mole 冷凝器类型 Condenser type （2）压力设定 冷凝器压强 Condenser pressure 再沸器压强 Reboiler pressure
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DSTWU — 模型参数（4）
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DSTWU — 计算选项 DSTWU模型有两个计算选项：
1.生成 回流比—理论板数 关系表 ( Generate table of reflux ratio vs. number of theoretical stages )
2.计算等板高度 ( Calculate HETP )
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Distl 简捷校核模块
Distil可对带有一股进料和两股产品 的简单精馏塔进行简捷校核计算，此模块 用Edmister方法计算精馏塔的产品组成。
Distil模块有两个假设：即恒摩尔流 假设和恒定的相对挥发度假设。
根据回流比、级数、馏出与进料比 , 计算产品组成。
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Distl 简捷校核模块