Aspen精馏过程模拟.ppt

4 精馏过程模拟,例题-环己烷生产,目的:创建一个流程来模拟环己烷生产过程环己烷可以用苯加氢反应得到，反应如下:C6H6+3 H2=C6H12苯 氢气环己烷在进入固定床反应器前，苯和氢气进料与循环氢气和环己烷混合。假设苯转化率为 99.8%。反应器出料被冷却，轻气体从产品物流中分离出去。部分轻气体作为循环氢气返回反应器。从分离器出来的液体产品物流进入蒸馏塔进一步脱除溶解的轻气体，使最终产品稳定。部分环己烷产品循环进入反应器，辅助控制温度。,例题-环己烷生产模拟流程图,C6H6+3 H2=C6H12,苯 氢气 环己烷,用 RK-SOAVE 物性方法,完成后另存为：文件名:CYCLOHEX.BKP,Bottoms rate=99 kmol/hr,P=25 bar,T=50 C,Total flow=330 kmol/hr,T=40 C,P=1 bar,Benzene flow=100 kmol/hr,T=150C,P=23 bar,T=200 C,Pdrop=1 bar,Benzene conv=,0.998,T=50 C,Pdrop=0.5 bar,去流股 H2RCY的流量为92%,去物流 CHRCY的流量为30%,Stages=12,Reflux ratio=1.2,只有气体馏出物的部分冷凝器,P=15 bar,Feed stage=8,4.1 单元操作模型-塔-简捷塔,4.1 单元操作模型-塔-严格塔,*Requires separate license,4.2 RadFrac-严格多级分离模块,教学目标讨论RadFrac模型的最小输入条件学习RadFrac内嵌的变量规定,4.2 RadFrac-严格多级分离模块,可对下述过程做两相或三相模拟:普通蒸馏吸收,再沸吸收汽提,再沸汽提恒沸蒸馏反应蒸馏,4.2 RadFrac-严格多级分离模块,结构选项:任何数量的进料任何数量的侧线采出总液体采出和循环回流任何数量的换热器任何数量的倾析器,4.2 RadFrac-拓扑结构,4.3 RadFrac-结构设置,规定:理论板数冷却器和再沸器结构两塔操作规定有效相态收敛,4.4 RadFrac-流股设置,规定:进料板位置进料物流规则(见帮助)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,4.5 RadFrac-压力设置,规定下列项之一:塔压力分布塔顶/塔底压力塔段压降,【例4.1】采用Radfrac模块，对于丙烷、异丁烷的分离过程进行模拟。进料中丙烷的摩尔含量为40%。分离要求塔顶流出物中异丁烷的含量为2%，塔底产品中丙烷的含量为1%。流程图如下图所示。进料温度为322K,精馏塔操作压力为14atm，塔板数32，第16块板处进料。回流比为2。冷凝器为全凝器。泵的压力提升为5atm,阀的压力降为3atm。热力学方法为chao-sea.,例4.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟,流程图,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,例4.1建立稳态模拟流程,1 启动新的模拟过程,2 指定化学组分及物性模型,3 输入流股信息,4 输入设备参数,5 运行模拟计算,6 使用”DESIGN SPEC-VARY”功能,7 最佳进料位置及最小条件的确定,8 精馏塔尺寸的估算,9 小结,例4.1 启动新的模拟过程,1）新建模拟文件,2）建立模拟流程图（分别选择RADFRAC、Valve、Pump模块）重命名各流股和单元操作,泵和控制阀的命名以易于与精馏塔C1关联为宗旨,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,3）设定全局特性,工程概述、工程单位、报告输出形式等,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,4）指定化学组分并重命名,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,5）选择物性计算模型,注意：不同单元操作可选择 不同的物性计算模型,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,6）输入流股信息,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,7）输入设备参数-C1-Configuration,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,7）输入设备参数-C1-Streams,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,7）输入设备参数-C1-Pressure,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,7）输入设备参数-P11&P12,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,7）输入设备参数-V1,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,8）运行模拟计算,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,9）查看计算结果,分离要求：xD,IC42 mol%xB,C31 mol%,可通过增加回流比或增加塔的理论板数提高分离效果,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,10）增大回流比为3,分离要求：xD,IC42 mol%xB,C31 mol%,例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,分离要求：xD,IC42 mol%xB,C31 mol%,例题4.2在例题4.1的基础上，寻找合适的塔顶馏出物流量和回流比，使得塔顶馏出物中异丁烷含量为2 mol%而塔釜馏出物中丙烷含量为1mol%,为了保证模拟计算能够得到合理、正确的技术结果，在运用“DESIGN SPEC-VARY”功能时，较好的做法是使程序一次只对一个变量收敛，而不是同时求解数个变量。,“DESIGN SPEC-VARY”功能：指定某些“控制”变量（DESIGN SPEC），同时指定“调整变量”（VARY）。程序会通过操控调整变量从而使控制变量达到指定值。,本例中：1）调整塔顶馏出物流量使得塔顶产品合格；2）调整回流比使得塔底产品合格（馏出物指标仍然起作用）,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,1）指定第一控制变量-Specifications第一控制变量为塔顶中c4的浓度值为0.02,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,1）指定第一控制变量-Components,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,1）指定第一控制变量-Feed/Product Sreams,2）指定第一调整变量-Specifications调整distillate rate 在之间变化,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,3)运行模拟-Control Pannel,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,4)查看结果,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,5）指定第二控制变量-Specifications第二控制变量为塔底中c3的浓度值为0.01,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,5）指定第二控制变量-Components,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,5）指定第二控制变量-Feed/Product Sreams,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,6）指定第二调整变量-SpecificationsReflux Ratio在 1-5之间调整,7）再次运行模拟-Control Pannel,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,8）查看结果,查看结果-操作回流比,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,为了可以使用冷却水作为塔顶冷凝器冷源(塔顶操作温度约52)，增加塔顶压力至16.8atm，再次运行模拟。,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,增加塔顶压力16.8atm，再次运行模拟-查看结果,例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能,1）塔温度剖面的绘制2）塔板液相组成剖面的绘制,例4.3 使用“plot wizard”功能绘图,例4.3 使用“plot wizard”功能绘图,1）塔温度剖面的绘制,1）塔温度剖面的绘制,例4.3 使用“plot wizard”功能绘图,2）塔板液相组成剖面的绘制,例4.3 使用“plot wizard”功能绘图,通过前面的例题，明确了达到预期产品指标所需的操作条件（操作温度、压力、操作回流比，采出量等）。本节将寻找最佳进料位置，最小回流比和最小理论板数，为精馏过程经济优化奠定基础。,例4.4 最佳进料位置及最小条件的确定,课堂练习：利用4.1中工程文件，保持其它条件不变，改变进料板位置（1216），记录进料板位置变化对再沸器热负荷的影响。,*最优值,1）最佳进料位置的确定,例4.4 最佳进料位置及最小条件的确定,课堂练习：利用4.1中工程文件，保持其它条件不变，增加理论板数（32，48，64，96），并保证进料位置与总理论板数维持固定比例值，分析操作回流比的变化。,2）最小回流比的确定,例4.4 最佳进料位置及最小条件的确定,课堂练习：利用4.1中工程文件，保持其它条件不变，减小理论板数（32，22，20，18，17，16，15），并保证进料位置与总理论板数维持固定比例值，分析操作回流比的变化。,3）最小理论板数的确定,例4.4 最佳进料位置及最小条件的确定,若已知精馏塔的级数则计算其塔高非常容易。塔盘之间的间距一般取2 英尺(0.61m)。若塔的级数为NT，则塔盘的数目为NT-2(一级是塔顶回流罐，另一级是塔釜再沸器)。除塔盘外，塔顶要为回流管进塔和塔进料部分的进料分布器留出空间。更重要的是，在塔底部还要留出足够的空间，以满足下列的两个要求：(1)提供缓冲所用的持液量；(2)塔底液位高度必须比塔底泵高出足够的高度，以提供泵所需的汽蚀余量。因此，在设计的过程中塔的高度一般会按塔盘间距所要求的高度再给出20%的裕量。所以塔器的高度可以按下式估算：L=1.2(0.61)(NT-2),1）塔高,例4.5 精馏塔尺寸的估算,精馏塔的塔径由气相最大流速决定。若该流速值超高，则塔的液相和气相水力条件就会失效，塔也会发生液泛。可以通过可靠的关联式来确定气相的最大流速。对于非恒摩尔流体系，各层塔盘的气相流量均不相同，气相流量最大的塔盘将会确定塔的直径。假如已知气相的质量流量及气相密度，则可以计算出气相的体积流量。而后，假如已知最大许用速度，则可以计算出塔的截面面积，从而确定塔径,2）塔径,例4.5 精馏塔尺寸的估算,例4.5 精馏塔尺寸的估算,2）塔径,例4.5 精馏塔尺寸的估算,2）塔径改变流程数为2，重新计算,3）塔的水力学参数,例4.5 精馏塔尺寸的估算,4 RadFrac例题小结,若设置一个不带冷凝器或再沸器的吸收塔,则在 RadFrac Setup Configuration 页面上设置冷凝器和再沸器为none在 RadFrac Efficiencies 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,4 RadFrac例题小结,用 绘图向导(在 Plot 菜单上)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:物性分析数据回归分析所有分离模型RadFrac、MultiFrac、PetroFrac 和 RateFrac的数据分布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.,4 RadFrac例题小结,用DesignSpecs 和 Vary 表页可以在RadFrac 模型内部规定并执行设计规定。可以调整一个或多个RadFrac 输入，来满足对一个或多个 RadFrac 性能参数的规定要求。一般情况下，“规定”的个数应与“变化”的个数相等.RadFrac 中的“设计规定”和“改变”是在“中间回路”中求解的，如果你得到一个中间回路没收敛的错误信息，检查你输入的“设计规定”和“改变”,4 RadFrac例题小结,如果 RadFrac 没收敛,做以下工作会有帮助:1）检查正确地规定了有关物性方面的问题(物性方法的选择、参数可用性)。2）确保塔操作条件是可行的。3)如果塔的 err/tol 是一直减少的,在RadFrac Convergence Basic 页上增加最大迭代次数。,4 RadFrac例题小结,如果 RadFrac 没收敛,做以下工作会有帮助:4）在RadFrac Estimates Temperature 页上提供塔中一些塔板的温度估值(对吸收塔来说是有用的).5）在RadFrac Estimates Liquid Composition and Vapor Composition 页上提供塔中一些塔板的组成估值(对于高度非理想系统是有用的).6）在RadFrac Setup Configuration 页上尝试不同的收敛方法。当一个塔不收敛时,做了改变后重新初始化通常是有好处的。,4 RadFrac例题小结,例4.6 甲醇水分离,釜式再沸器,T=65 C,P=1 bar,水:100 lbmol/hr,甲醇:100 lbmol/hr,9 个理论级,回流比=1,蒸馏物对进料的比=0.5,塔压力=1 bar,进料级=6,RadFrac 规定,文件名:RAD-EX.BKP,用 NRTL-RK 物性方法,全凝器,部分 A:用如下数据完成甲醇塔核算:塔进料:63.2 wt%水 36.8 wt%甲醇总流量 120,000 lb/hr压力 20 psia,饱和液体塔规定:38 块塔板(40 块理论级)进料板=23(第24理论级)全凝器顶部压力=16.1 psia(绝对压力）每理论级压力降=0.1 psiDistillate flowrate 蒸馏流率=1245 lbmol/hr摩尔回流比=1.3用 NRTL-RK 物性方法,例4.6-A 甲醇水分离,部分 B:建立塔内的设计规定达到如下两个目标:塔顶馏出物中甲醇含量99.95 wt%塔底水含量99.90 wt%要达到这些规定,你可以改变塔顶馏出物流率(800-1700 lbmol/hr)和回流比(0.8-2).在运行该题之前确保物流组成是按质量分率报告。记录冷凝器和再沸器的负荷:冷凝器负荷:_再沸器负荷:_,例4.6-B 甲醇水分离,部分 C:规定每块板效率为65%Murphree效率后 执行同一个设计计算。假设冷凝器和再沸器的板效率为90%。这些效率是如何影响塔的冷凝器和再沸器负荷的?,例4.6-C 甲醇水分离,部分 D:完成整个塔的设计计算，假定使用泡罩塔盘塔,例4.6-D 甲醇水分离,例4.7 环己烷生产过程模拟,例4.7 创建一个流程来模拟环己烷生产过程环己烷可以用苯加氢反应得到，反应如下:C6H6+3 H2=C6H12苯 氢气环己烷在进入固定床反应器前，苯和氢气进料与循环氢气和环己烷混合。假设苯转化率为 99.8%。反应器出料被冷却，轻气体从产品物流中分离出去。部分轻气体作为循环氢气返回反应器。从分离器出来的液体产品物流进入蒸馏塔进一步脱除溶解的轻气体，使最终产品稳定。部分环己烷产品循环进入反应器，辅助控制温度。,例4.7-环己烷生产模拟流程图,C6H6+3 H2=C6H12,苯 氢气 环己烷,用 RK-SOAVE 物性方法,完成后另存为：文件名:CYCLOHEX.BKP,Bottoms rate=99 kmol/hr,P=25 bar,T=50 C,Total flow=330 kmol/hr,T=40 C,P=1 bar,Benzene flow=100 kmol/hr,T=150C,P=23 bar,T=200 C,Pdrop=1 bar,Benzene conv=,0.998,T=50 C,Pdrop=0.5 bar,去流股 H2RCY的流量为92%,去物流 CHRCY的流量为30%,Stages=12,Reflux ratio=1.2,只有气体馏出物的部分冷凝器,P=15 bar,Feed stage=8,例题4.7环己烷生产计算结果-heater,例4.7-环己烷生产计算结果-flash2,例4.7-环己烷生产计算结果-RadFrac,例4.7-环己烷生产计算结果-RStoic,例4.7-环己烷生产计算结果-FSplit,例4.7-环己烷生产计算结果-Streams,