分離單元的仿真設計

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1、CAPD基礎 第七講 Simulation Design of Separation Processes 分離單元的仿真設計 (一 ) 分離過程模型的分類 Aspen Plus 中的分離過程 模型包含兩大類別 ： 簡單分離單元模型 Separators 塔設備單元模型 Columns 簡單分離單元模型 簡單分離單元模型包含五個模塊： 兩相閃蒸器 Flash2 三相閃蒸器 Flash3 傾析器 Decanter 組份分離器 Sep 兩出口組份 分離器 Sep2 簡單分離單元模型 （ 2） Flash2 兩相閃蒸器 Flash2 模塊執(zhí)行給定熱 力學條件下的汽 -液平衡或汽 - 液 -液平衡計算，

2、輸出一股汽 相和一股液相產(chǎn)物。用于模 擬閃蒸器、蒸發(fā)器、氣液分 離器等 。 Flash2 兩相閃蒸器 （ 2） Flash2 連接 Flash2 模塊的連接圖如下： Flash2 模型參數(shù) Flash2 模塊的模型參數(shù)有 3 組： 1、 閃蒸設定 ( Flash Specifications) （ 1） 溫度 （ Temperature) （ 2） 壓力 （ Pressure) （ 3） 蒸氣分率 （ Vapor Fraction) （ 4） 熱負荷 （ Heat Duty) 從以上 4 個參數(shù)中選定 2 個。 Flash2 模型參數(shù) （ 2） 2、 有效相態(tài) ( Valid Phase) （

3、 1） 汽 -液相 （ Vapor-Liquid) （ 2）汽 -液 -液相 （ Vapor-Liquid-Liquid) （ 3）汽 -液 -游離水相 （ Vapor-Liquid-Free Water) 從以上 3個參數(shù)中選定 1 個。 Flash2 模型參數(shù) （ 3） Flash2 模塊的模型參數(shù)有 3 組： Flash2 模型參數(shù) （ 4） Flash2 模型參數(shù) （ 5） Flash2 模塊的模型參數(shù)有 3 組： 3、 液沫夾帶 ( Liquid Entrainment in Vapor Stream) 液相被帶入汽相中的分率 。 Flash2 模型參數(shù) （ 6） Flash2 應用

4、示例（ 1） 流量為 1000 kg/hr、 壓力為 0.11 MPa、 含乙醇 70 %w、 水 30 %w的 飽和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝 ， 冷凝物流的汽 /液比 （ 摩爾 ） =1/3。 求 離開冷凝器的汽 、 液兩相的溫度和組 成 。 Flash2 應用示例（ 2） 流量為 1000 kg/hr、 壓力為 0.5 MPa 溫度為 120 、 含乙醇 70 %w、 水 30 %w的物料絕熱閃蒸到 0.15 MPa。 求離開閃蒸器的汽 、 液兩相的 溫度 、 流量和組成 。 Flash2 應用示例（ 3） 流量為 1000 kg/hr、 壓力為 0.2 MPa 溫度為 20 、 含丙酮

5、 30%w、 水 70%w的物料進行部分蒸發(fā)回收丙 酮 ， 求丙酮回收率為 90%時的蒸發(fā)器 溫度和熱負荷以及汽 、 液兩相的流量 和組成 。 靈敏度分析 Sensitivity 在進行過程設計和分析時 ， 常常 需要了解某些過程變量受其它過程變 量影響的敏感程度 ， Aspen PLUS為 此提供了一個非常有用的分析工具： 模型分析工具 (Model Analysis Tools) 下的靈敏度 (Sensitivity)對象 。 靈敏度分析 Sensitivity (2) 靈敏度分析 Sensitivity (3) 創(chuàng)建靈敏度對象時 ， 按以下步驟操作： 1、 從數(shù)據(jù)瀏覽器右側(cè)的對象管理器

6、(Object Manager)中點擊新建 (New) 按鈕； 2、 在彈出對話框中為新對象指定一個 辨識號 (ID)； 靈敏度分析 Sensitivity (4) 步驟 1和步驟 2： 靈敏度分析 Sensitivity (5) 3、 在定義 (Define)表單中點擊新建 (New) 按鈕 ， 創(chuàng)建靈敏度對象所需的變量； 4、 在彈出對話框中輸入新變量的變量 名 (Variable name)； 靈敏度分析 Sensitivity (6) 步驟 3和步驟 4： 靈敏度分析 Sensitivity (7) 5、 在變量定義 (Variable Definition)對話 框中的下拉式選擇框中

7、選擇變量的類 別 (Category) 、 類型 (Type) 、 流股 (Stream)或模塊 (Block)代號 ， 并指定 具體變量 (Variable)。 靈敏度分析 Sensitivity (8) 步驟 5： 靈敏度分析 Sensitivity (9) 可以定義多個分析所需的變量 ， 如下圖所示： 靈敏度分析 Sensitivity (10) 步驟 6：在變化 (Vary)表單中輸入調(diào)節(jié)變 量 (Manupulated variable)的類 型 、 名稱和具體變量 (variable), 并 指 定 體 調(diào) 節(jié) 上 、 下限 (Upper/Lower limits) 和 增 量 (

8、Incr)。 靈敏度分析 Sensitivity (11) 步驟 6： 靈敏度分析 Sensitivity (12) 步驟 7：在列表 (Tabulate)表單中輸入需 要進行靈敏度分析的列表變量 (Tabulated variable)或組合變 量的表達式 (Expression) ， 以 及 列 表 時 的 列 序 號 (Column No.)。 靈敏度分析 Sensitivity (13) 步驟 7： 靈敏度分析 Sensitivity (14) 步驟 8：結(jié)果查看 從左側(cè)索引欄中選擇靈敏度對象下的 結(jié)果 (Results) 項目 ， 右 側(cè) 的 匯 總 (Summary)表單中按照指定

9、的列序號列表 給出調(diào)節(jié)變量和列表變量的對應值 。 靈敏度分析 Sensitivity (15) 步驟 8： 變量關系圖 Plot 在查看和分析靈敏度分析的列表 數(shù)據(jù)時 ， 用圖形描述的函數(shù)關系曲線 常常能讓我們更直觀和全面地了解過 程變量間的依賴趨勢 ， ASPTEN Plus 為此提供了繪圖 (Plot)功能 ， 可以將 列表數(shù)據(jù)中的任意兩列繪制成 XY曲 線圖 。 變量關系圖 Plot （ 2） 步驟 1：選擇橫坐標變量 在列表數(shù)據(jù)中選中一列 ， 從窗 口菜單 Plot項的下拉框里選擇 X軸變 量 (X-Axis Variable)； 變量關系圖 Plot （ 3） 變量關系圖 Plot

10、（ 4） 步驟 2：選擇縱坐標變量 再選中列表數(shù)據(jù)的另一列 ， 從 窗口菜單 Plot項的下拉框里選擇 Y軸 變量 (Y-Axis Variable)； 變量關系圖 Plot （ 5） 變量關系圖 Plot （ 6） 步驟 3：繪制曲線 然后點擊窗口菜單 Plot項的下 拉框里的顯示繪圖 (Display Plot), 即可得到曲線圖 。 變量關系圖 Plot （ 7） 變量關系圖 Plot （ 8） Flash2 應用示例（ 4） 流量為 1000 kg/hr、 壓力為 0.2 MPa 溫度為 20 、 含丙酮 30%w、 水 70 %w的物料進行部分蒸發(fā)回收丙酮 ， 蒸發(fā)器熱負荷為 250

11、 kW。 分析液沫 夾帶對汽相丙酮分率和丙酮回收率的 影響 。 Flash3 三相閃蒸器 Flash3 模塊執(zhí)行給定熱 力學條件下的汽 -液 -液平衡計 算 ， 輸出一股汽相和兩股液相 產(chǎn)物 。 用于模擬閃蒸器 、 蒸發(fā) 器 、 液 -液分離器 、 汽 -液 -液分 離器等 。 Flash3 三相閃蒸器 （ 2） Flash3 連接 Flash3 的連接圖如下： Flash3 模型參數(shù) Flash3 的模型參數(shù)有 3 組： 1、 閃蒸設定 ( Flash Specifications) （ 1） 溫度 （ Temperature) （ 2） 壓力 （ Pressure) （ 3） 蒸汽分率 （

12、 Vapor Fraction) （ 4） 熱負荷 （ Heat Duty) 從以上 4 個參數(shù)中選定 2 個。 Flash3 模型參數(shù) （ 2） Flash3 模型參數(shù) （ 3） Flash3 的模型參數(shù)有 3 組： 2、 關鍵組份 ( Key Component) 指定關鍵組份后，含關鍵組份 摩爾分率大的液相作為第二液相。 如未指定關鍵組份，則密度大 的液相作為第二液相。 Flash3 模型參數(shù) （ 4） 3、 液沫夾帶 ( Liquid Entrainment in Vapor Stream) 分別設定兩個液相被夾帶入汽 相中的分率。 Flash3 模型參數(shù) （ 5） Flash3 的模

13、型參數(shù)有 3 組： Flash3 模型參數(shù) （ 6） Flash3 應用示例（ 1） 流量為 1000 kg/hr、壓力為 0.11 MPa、 含乙醇 30 %w、正己烷 30%w、水 40 %w 的飽和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝 物流的汽 /液比（摩爾） =1/9。求離開冷凝 器的汽、液、液三相的溫度、質(zhì)量流量和組 成。 Flash3 應用示例（ 2） F= 500 kg/hr、 P= 0.8 MPa、 T=100 含乙醇 70 %w、 水 30 %w的物流與 F= 500 kg/hr、 P= 0.8 MPa、 T=70 含正己烷 60%w、 乙醇 40 %w的物流在閃蒸器中混 合并絕

14、熱閃蒸到 P= 0.11 MPa， 求離開閃蒸 器的汽 、 液 、 液三相的溫度 、 質(zhì)量流量和 組成 。 Flash3 應用示例（ 3） 在示例 （ 2） 中分別設置 乙醇和己烷為關鍵組份，觀察 輸出結(jié)果有什么變化。 Decanter 傾析器 Decanter 模塊執(zhí)行給定 熱力學條件下的液 -液平衡或 液 -游離水平衡計算 ， 輸出兩 股液相產(chǎn)物 。 用于模擬液 -液 分離器 、 水傾析器等 。 Decanter 傾析器 （ 2） Decanter 連接 Decanter 模塊的連接圖如下： Decanter 模型參數(shù) Decanter 模塊的模型參數(shù)有 3 組： 1、 傾析設定 ( De

15、canter Specifications) （ 1） 壓力 （ Pressure) （ 2） 溫度 /熱負荷 （ Temperature/Heat Duty ) Decanter 模型參數(shù) （ 2） 2、 關鍵組份 ( Key Component) 指定關鍵組份后 ， 含關鍵組份摩爾 分率大的液相作為第二液相 。 如未指定關鍵組份 ， 則密度大的液 相作為第二液相 。 Decanter 模型參數(shù) （ 3） Decanter 模塊的模型參數(shù)有 3 組： Decanter 模型參數(shù) （ 4） Decanter 模型參數(shù) （ 5） Decanter 模塊的模型參數(shù)有 3 組： 3、 組份分離效率

16、( Separation Efficiencies) 分別設定每個組份在兩相中的分 離效率（代表了相組成偏離平衡組 成的程度）。 Decanter 應用示例 (1) 用水 （ P= 0.2 MPa、 T=20 ） 從含乙 醇 40 %w、 正己烷 60%w的混合液 （ F= 500 kg/hr、 P= 0.2 MPa、 T=20 ） 中萃 取乙醇 ， 要求乙醇的萃取率達到 97%， 求 需要的水流量和萃取相和萃余相的組成 。 Decanter 應用示例 (2) 同示例 （ 1） ，求乙醇分離 效率為 0.9時需要的水流量和萃 取相組成。 Sep 組份分離器 Sep 模塊可以接受多股輸 入物流，

17、輸出多股物流，并把 輸入混合物中的各個組份分別 按照指定的比例分配到每一股 輸出物流中去。 Sep 組份分離器 （ 2） Sep 連接 Sep 模塊的連接圖如下： Sep 模型參數(shù) Sep 模塊的模型參數(shù)有 3 組： 1、 規(guī)定 (Specifications) 輸出物流條件設定，指定每 個組份在各股輸出物流中的分率 或流量。 Sep 模型參數(shù) （ 2） Sep 模型參數(shù) （ 3） Sep 模塊的模型參數(shù)有 3 組 ： 2、 進料閃蒸 ( Feed Flash) 指定輸入物流混合后的閃蒸壓力 和有效相態(tài)。 Sep 模型參數(shù) （ 4） 3、 出口閃蒸 ( Outlet Flash) 指定每一股輸

18、出物流的閃蒸壓 力、溫度、氣相分率和有效相態(tài)。 Sep 模型參數(shù) （ 5） Sep 模塊的模型參數(shù)有 3 組 ： Sep 模型參數(shù) （ 6） Sep 應用示例（ 1） 把 F=500 kg/hr、 P= 0.15 MPa、 T=20 含乙醇 30 %w 、 正丙醇 20%w、 正丁醇 10%w、 水 40 %w的物流分成四 股輸出物流 ， 各組份在輸出物流中的分配比例為： 乙醇 0.96 : 0.02 : 0.01 : 0.01 正丙醇 0.01 : 0.95 : 0.02 : 0.02 正丁醇 0.01 : 0.05 : 0.92 : 0.02 水 0.01 : 0.02 : 0.03 :

19、0.94 求輸出物流組成。 Sep2 兩出口 組份分離器 Sep2 模塊可以接受多股 輸入物流 ， 輸出兩股物流 ， 并 把輸入混合物中的各個組份分 別按照指定的比例或濃度分配 到輸出物流中去 。 Sep2 兩出口 組份分離器 （ 2） Sep2 兩出口 組份分離器 （ 3） Sep2 模塊可以設定分配給 各輸出物流的流量 (Flow)/流量分 率 (Split fraction)、 各個組份的流 量 /流量分率 、 以及摩爾分率 /質(zhì) 量分率 。 可自由設定的參數(shù)個數(shù) 由物料平衡自由度決定 。 Sep2 兩出口 組份分離器 （ 4） Sep2 應用示例（ 1） 從 F= 500 kg/hr、

20、 P= 0.15 MPa、 T= 20 、 含乙醇 60 %w、 正丙醇 25%w、 正丁 醇 15 %w 的物流中回收乙醇 ， 要求： 1. 乙醇濃度達到 98%w、 正丁醇含量不大 于 1%w; 2. 乙醇回收率達到 95%。 求輸出物流的組成和流量 。 Sep2 應用示例（ 2） 同示例（ 1），如果分離過程是在精 餾塔中實現(xiàn)，塔頂出料是 0.11 MPa 的飽 和蒸汽，塔底出料是 0.13 MPa 的飽和液 體，求輸出物流的溫度和體積流量。 計算器 Calculator 在進行過程設計和分析時 ， 有時無 法預先確定某些過程變量的設定值 ， 而 是需要根據(jù)過程運行的中間結(jié)果按一定 的函

21、數(shù)關系式計算 。 ASPTEN Plus為此 提供了一個在線計算工具： 流程選項 (Flowsheeting Options) 下的計算器 (Calculator)對象 。 計算器 Calculator（ 2） 創(chuàng)建計算器對象時 ， 按以下步驟操作： 1、 從數(shù)據(jù)瀏覽器右側(cè)的對象管理器 (Object Manager) 中 點 擊 新 建 (New)按鈕； 2、 在彈出對話框中為新對象指定一 個辨識號 (ID)； 計算器 Calculator（ 3） 步驟 1 和步驟 2 ： 計算器 Calculator（ 4） 3、 在定義 (Define)表單中點擊新建 (New) 按鈕 ， 創(chuàng)建計算器對

22、象所 需的變量； 4、 在彈出對話框中輸入新變量的變量 名 (Variable name)； 計算器 Calculator（ 5） 步驟 3 和步驟 4 ： 計算器 Calculator（ 6） 5、 在變量定義 (Variable Definition) 對話框中的下拉式選擇框中選擇 變 量 的 類 別 (Category) 、 類型 (Type) 、 流股 (Stream) 或模塊 (Block) 代號 ， 并指定具體變量 (Variable)。 計算器 Calculator（ 7） 步驟 5 ： 計算器 Calculator（ 8） 可以定義多個計算所需的變量 ， 如下圖所示： 計算器

23、Calculator（ 9） 步驟 6： 在計算 (Calculate) 表 單 中 的 計 算 方 法 (Calculation method)欄選擇 Fortran（ 推薦使用 ） 或 Excel； 在 輸 入可執(zhí)行 Fortran 語句 (Enter executable Fortran statements) 框 中 輸 入 用 于 執(zhí) 行 計 算 的 Fortran程序 。 Aspen Plus 提供了內(nèi)嵌 (In-Line) Fortran的實時 編譯 、 連接和運行 。 In-Line Fortran的編程語法 、 規(guī)則 、 內(nèi)部函數(shù)可參見在線幫助 。 計算器 Calculato

24、r（ 10） 計算器 Calculator（ 11） 步驟 7： 在序列 (Sequence)表單中的計算器模塊執(zhí)行序列 (Calculator block execution sequence)欄中選擇以下 三項內(nèi)容 ， 從而設定在模擬計算過程中執(zhí)行計算器 程序的序列位置： 1、 執(zhí)行 (Execute)：首先 (First)/最后 (Last)/之前 (Before)/之后 (After)/ 2、 模塊類型 (Block type): 單元操作 (Unit operation)/ 收斂 (Convergence)/ 3、 模塊名字 (Block name)： 計算器 Calculator（ 12） Sep2 應用示例（ 3） 采用膜分離裝置制取富氧空氣 。 原料空氣 T = 30 、 P = 1.013 bar、 F = 500 kmol/hr， 經(jīng)壓縮機加壓到 4.5 bar后進 入膜分離組件 ， 出口壓強 1.1 bar。 已知膜分離組件的性能 與進 、 出口壓差及進口流量的關系由下式描述： 求 富氧空氣 的氧濃度和體積流量，及其與進口壓強的關系。 22 22 0 . 5 0 . 3 5 0 .1 1 () 1 .1 ( ) () r ic h fe ed NO r ic h r ic h fe ed N p o o rO F F P yy FF yy