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1、Aspen 设备工艺计算南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏化工流程设计、物料衡算、热量衡算完成之后，化工工艺化工流程设计、物料衡算、热量衡算完成之后，化工工艺设计的另一重要工作是进行设备的工艺计算、选型与核算，设计的另一重要工作是进行设备的工艺计算、选型与核算，为车间布置设计、施工图设计及非工艺设计项目提供依据。为车间布置设计、施工图设计及非工艺设计项目提供依据。设备的工艺计算、选型与核算知识与方法在多门化工专业设备的工艺计算、选型与核算知识与方法在多门化工专业基础课程中都有介绍，这些基础知识将有助于人们更好地使基础课程中都有介绍，这些基础知识将有助于人们更好地使用用ASPEN PLUS
2、软件进行化工设备的工艺计算。软件进行化工设备的工艺计算。2南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏5 种典型的散堆填料是：种典型的散堆填料是：拉西环（拉西环（RASCHIG）；）；鲍尔环（鲍尔环（PALL）；）；阶梯环（阶梯环（CMR）；）；矩鞍环（矩鞍环（INTX）；）；超级环（超级环（SUPER RING）。）。4.1 塔设备塔设备ASPEN PLUS 软件中的填料设计软件中的填料设计（Pack sizing）功能，计功能，计算选用某种填料时的塔径，共有算选用某种填料时的塔径，共
3、有40种填料供选用，包括种填料供选用，包括 5 种种典型的散堆填料和典型的散堆填料和 5 种典型的规整填料。种典型的规整填料。6南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.1 塔设备塔设备5 种典型的规整填料是：种典型的规整填料是：带孔板波填料（带孔板波填料（MELLAPAK）；）；带孔网波填料（带孔网波填料（CY）；）；带缝板波填料（带缝板波填料（RALU-PAK）；）；陶瓷板波填料（陶瓷板波填料（KERAPAK）；）；格栅规整填料（格栅规整填料（FLEXIGRID）。）。7南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.1 塔设备塔设备ASPEN PLUS 软件中的填料核算软件中的填料核算（Pac
4、k rating）功能，功能，计算给定结构参数的填料的负荷情况，可供选用的填料类型与计算给定结构参数的填料的负荷情况，可供选用的填料类型与“填料设计填料设计”中相同。中相同。“填料设计填料设计”与与“填料核算填料核算”配合使用，可以完成填料选型和配合使用，可以完成填料选型和工艺参数设计。工艺参数设计。8南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.1 塔设备塔设备例例4-1。分离一股芳烃混合物，其中含苯分离一股芳烃混合物，其中含苯1272 kg/h，甲苯，甲苯3179 kg/h，邻二甲苯，邻二甲苯3383 kg/h，正丙苯，正丙苯321 kg/h，温度，温度50，压力压力3 bar。精馏塔塔顶压力
5、。精馏塔塔顶压力1.5 bar，塔底压力，塔底压力2 bar。要求苯。要求苯中甲苯质量分数不超过中甲苯质量分数不超过0.0005，塔底产物苯质量分数不超过，塔底产物苯质量分数不超过0.005。求：。求：苯塔的理论塔板数、进料位置、回流比、再沸器能耗；苯塔的理论塔板数、进料位置、回流比、再沸器能耗；如果精馏段的墨弗里效率（如果精馏段的墨弗里效率（Murphree Efficiencies）为）为0.65，提馏段的墨弗里效率为，提馏段的墨弗里效率为0.75，试求满足分离要求所需的，试求满足分离要求所需的塔板数、加料板位置、回流比、再沸器能耗、水力学参数塔板数、加料板位置、回流比、再沸器能耗、水力学
6、参数（Hydraulic parameters）；）；填料塔设计。使用填料塔设计。使用SULZER公司的公司的MELLAPAK-250X型型波纹板规整填料，设等板高度波纹板规整填料，设等板高度0.3 m，求两段塔径、压降和塔板，求两段塔径、压降和塔板上的水力学数据；上的水力学数据；筛板塔设计。进行筛板塔设计计算，设筛孔直径筛板塔设计。进行筛板塔设计计算，设筛孔直径8 mm，板间距板间距600 mm，堰高，堰高50 mm，降液管底隙，降液管底隙50 mm，求两段塔径、，求两段塔径、压降和塔板上的水力学数据。压降和塔板上的水力学数据。9南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.2 换热器换热器 化
7、工生产中传热过程十分普遍，传热设备在化工流程中有重化工生产中传热过程十分普遍，传热设备在化工流程中有重要的地位。物料的加热、冷却、蒸发、冷凝、蒸馏等都需要通要的地位。物料的加热、冷却、蒸发、冷凝、蒸馏等都需要通过换热器进行热交换，换热器是应用最广泛设备之一。过换热器进行热交换，换热器是应用最广泛设备之一。ASPEN PLUS软件中有软件中有4种换热器模型：种换热器模型：Heater，HeatX，MHeatX，HXFlux。换热器模型广泛应用于工艺流程模拟之中。换热器模型广泛应用于工艺流程模拟之中。多股物流的换热器多股物流的换热器热传递模型计算热传递模型计算10南南京京工工业业大大学学 包包宗宗
8、宏宏4.2 换热器换热器ASPEN ONE工程套件中的工程套件中的“Exchanger Design and Rating”软软件中还有件中还有7种换热器模型：种换热器模型：Aspen Air Cooled Exchanger(formerly Aspen ACOL+)；Aspen Fired Heater(formerly Aspen FiredHeater)；Aspen Plate Fin Exchanger；Aspen Shell and Tube Exchanger(formerly Aspen TASC+)；Aspen Shell and Tube Mechanical(former
9、ly Aspen Teams)；Aspen Plate Exchanger(formerly Aspen Plate+)；Aspen HTFS Research Network。用用EDR软件设计换热器需要提供的条件比软件设计换热器需要提供的条件比ASPEN PLUS多，多，但得到的计算结果也更多，能够给出换热器设备数据表和装配但得到的计算结果也更多，能够给出换热器设备数据表和装配图，可以为工艺设计提供更多信息。图，可以为工艺设计提供更多信息。11南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.2 换热器换热器 由于换热设备应用广泛，大部分换热器已经标准化系列化。由于换热设备应用广泛，大部分换热器已
10、经标准化系列化。已经形成标准系列的换热器有：已经形成标准系列的换热器有：列管式固定管板换热器；列管式固定管板换热器；立式热虹吸式再沸器；立式热虹吸式再沸器；浮头式换热器和冷凝器系列；浮头式换热器和冷凝器系列；U型管式换热器系列；型管式换热器系列；薄管板列管式换热器系列；薄管板列管式换热器系列；不可拆式螺旋板换热器系列；不可拆式螺旋板换热器系列；BR0.1型波纹板式换热器；型波纹板式换热器；FP-G型复波伞板换热器；型复波伞板换热器；石墨换热器系列等。石墨换热器系列等。在换热器设计计算时，应该优先选用标准系列的换热器，然在换热器设计计算时，应该优先选用标准系列的换热器，然后利用软件的强大计算功能
11、与软件数据库的强大信息容量对选后利用软件的强大计算功能与软件数据库的强大信息容量对选择的换热器进行反复核算。对换热器的选型一般不能一蹴而就，择的换热器进行反复核算。对换热器的选型一般不能一蹴而就，往往需要多次选择、多次核算才能完成。往往需要多次选择、多次核算才能完成。12南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.2 换热器换热器 ASPEN PLUS软件及软件及EDR软件中采用的换热器标准为美国的软件中采用的换热器标准为美国的ETMA标准，国内设计换热器时根据标准，国内设计换热器时根据“钢制管壳式换热器钢制管壳式换热器”(GB151-1999)进行。因此，在用软件进行换热器选型核算时，进行。因
12、此，在用软件进行换热器选型核算时，应该随时查阅国家标准。另外，对于换热器的两侧污垢热阻的应该随时查阅国家标准。另外，对于换热器的两侧污垢热阻的设置也需要根据具体情况查阅相关的设计手册。设置也需要根据具体情况查阅相关的设计手册。4.2.1 冷凝器冷凝器 冷凝器是用于蒸馏塔顶物流的冷凝或者反应器的冷凝循环回冷凝器是用于蒸馏塔顶物流的冷凝或者反应器的冷凝循环回流的设备，包括分凝器和全凝器。流的设备，包括分凝器和全凝器。分凝器用于多组份的冷凝，当最终冷凝温度高于混合组份的分凝器用于多组份的冷凝，当最终冷凝温度高于混合组份的泡点，仍有一部分组分未冷凝，以达到再一次分离的目的。另泡点，仍有一部分组分未冷凝
13、，以达到再一次分离的目的。另一种为含有惰性气体的多组分的冷凝，排出的气体含有惰性气一种为含有惰性气体的多组分的冷凝，排出的气体含有惰性气体和未冷凝组份。体和未冷凝组份。全凝器的最终冷凝温度等于或低于混合组份的泡点，所有组全凝器的最终冷凝温度等于或低于混合组份的泡点，所有组份全部冷凝。份全部冷凝。一般地，冷凝器水平布置，汽相通过冷凝器的壳程，冷却介一般地，冷凝器水平布置，汽相通过冷凝器的壳程，冷却介质质(最常见是循环冷却水最常见是循环冷却水)通过冷凝器的管程。通过冷凝器的管程。13南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.2 换热器换热器例例4-2.冷凝器计算。冷凝器计算。对例对例4-1中苯塔的
14、冷凝器进行设计选型，设循环冷却水进出中苯塔的冷凝器进行设计选型，设循环冷却水进出口温度为口温度为3343，塔板效率为，塔板效率为100%。解：解：14南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.2 换热器换热器15南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.2.2 再沸器再沸器 再沸器用于使精馏塔底物料部分汽化、从而实现精馏塔内汽再沸器用于使精馏塔底物料部分汽化、从而实现精馏塔内汽液两相间的热量及质量传递、为精馏塔正常操作提供动力的设液两相间的热量及质量传递、为精馏塔正常操作提供动力的设备。备。再沸器再沸器立式热虹吸式立式热虹吸式卧式热虹吸式卧式热虹吸式强制循环式强制循环式釜式釜式内置式内置式16
15、南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.2.2 再沸器再沸器例例4-3.采用采用8 bar饱和水蒸气作为加热蒸汽饱和水蒸气作为加热蒸汽,对例对例4-1中苯塔进行中苯塔进行虹吸式再沸器的设计选型。虹吸式再沸器的设计选型。解：解：17南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.2.2 再沸器再沸器18南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.3 反应器反应器 对于存在化学反应的化工过程，反应器是整个化工工艺流程对于存在化学反应的化工过程，反应器是整个化工工艺流程的核心，是化工装置的关键设备，反应物在反应器内通过化学的核心，是化工装置的关键设备，反应物在反应器内通过化学反应转化为目标产物。由于化学反
16、应种类繁多、机理各异，反反应转化为目标产物。由于化学反应种类繁多、机理各异，反应器的类型和结构也差异很大。反应器操作性能的优良与否，应器的类型和结构也差异很大。反应器操作性能的优良与否，与设计过程息息相关。与设计过程息息相关。反应工程课程对反应器的基础理论、设计方程等均进行了详反应工程课程对反应器的基础理论、设计方程等均进行了详细地介绍。这些基础理论不仅是手工设计反应器的依据，也是细地介绍。这些基础理论不仅是手工设计反应器的依据，也是编制各种模拟软件的依据。由于涉及反应器的各种设计方程异编制各种模拟软件的依据。由于涉及反应器的各种设计方程异常繁复，手工计算往往令人望而却步，或是采用简化方法进行
17、。常繁复，手工计算往往令人望而却步，或是采用简化方法进行。现在各种模拟软件的普及，为反应器的严格设计计算提供了条现在各种模拟软件的普及，为反应器的严格设计计算提供了条件。件。19南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.3 反应器反应器反应器模块反应器模块生产能力类反应器生产能力类反应器(化学计量反应器化学计量反应器Rstoic，产率反应器，产率反应器RYield)平衡类反应器平衡类反应器(平衡反应器平衡反应器Requil，吉布斯反应器，吉布斯反应器Rgibbs)动力学类反应器动力学类反应器(全混流反应器全混流反应器RCSTR，平推流反应器，平推流反应器Rplug，间歇式反应器间歇式反应器Rb
18、atch)每种模块采用一种计算方法，适应一种反应器设计需求。每种模块采用一种计算方法，适应一种反应器设计需求。ASPEN PLUS的操作手册中对这些模块的使用有详细的说明，的操作手册中对这些模块的使用有详细的说明，下面对两种动力学反应器的设计过程作一介绍。下面对两种动力学反应器的设计过程作一介绍。20南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.3.1 釜式反应器釜式反应器 釜式反应器内物料假定为理想混合，假定整个反应器体积釜式反应器内物料假定为理想混合，假定整个反应器体积的组成和温度是均匀的，并等于反应器出口物流的组成和温的组成和温度是均匀的，并等于反应器出口物流的组成和温度。度。釜式反应器通用
19、性好，造价低用途广，可以连续操作也可釜式反应器通用性好，造价低用途广，可以连续操作也可以间歇操作。间歇操作时，只要设计好搅拌，可以使釜温均以间歇操作。间歇操作时，只要设计好搅拌，可以使釜温均一，浓度均匀，反应时间可长可短，可以常压、加压、减压一，浓度均匀，反应时间可长可短，可以常压、加压、减压操作，范围较大。反应结束后出料容易，清洗方便。操作，范围较大。反应结束后出料容易，清洗方便。连续操作时，可以多釜串联反应，物料一端进料，另一端连续操作时，可以多釜串联反应，物料一端进料，另一端出料，形成连续流动，停留时间可有效控制。多釜串联时，出料，形成连续流动，停留时间可有效控制。多釜串联时，可以认为形
20、成活塞流，反应物浓度和反应速度恒定，反应釜可以认为形成活塞流，反应物浓度和反应速度恒定，反应釜还可以分段控制。还可以分段控制。21南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.3.1 釜式反应器釜式反应器例例4-4用釜式反应器合成乙酸乙酯。用釜式反应器合成乙酸乙酯。正反应方程式正反应方程式:CH3CH2OH+CH3COOH CH3CH2COOCH3+H2O 逆反应方程式逆反应方程式:CH3CH2COOCH3+H2O CH3CH2OH+CH3COOH 原料流率原料流率400 kmol/h，其中水的含量为，其中水的含量为0.026摩尔分数，乙醇与乙酸均摩尔分数，乙醇与乙酸均为为0.4875摩尔分数。反
21、应温度摩尔分数。反应温度70，常压，反应釜体积，常压，反应釜体积140 L。求：。求：乙醇的转化率？乙醇的转化率？若要求乙醇转化率达到若要求乙醇转化率达到0.65，反应釜体积需要多大？，反应釜体积需要多大？若反应釜体积若反应釜体积140 L不变，反应温度在不变，反应温度在6575范围内变化，乙醇转化范围内变化，乙醇转化率如何变化？率如何变化？22南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.3.1 釜式反应器釜式反应器解：解：23南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.3.2 管式反应器管式反应器 管式反应器的特点是传热面积大，传热系数较高，反应可以管式反应器的特点是传热面积大，传热系数较高，反
22、应可以连续化，流体流动快，物料停留时间短，可以控制一定的温度连续化，流体流动快，物料停留时间短，可以控制一定的温度梯度和浓度梯度。根据不同的化学反应，可以有直径和长度千梯度和浓度梯度。根据不同的化学反应，可以有直径和长度千差万别的型式。此外，由于管式反应器直径较小差万别的型式。此外，由于管式反应器直径较小(相对于反应釜相对于反应釜)因而能耐高温、高压。由于管式反应器结构简单，产品稳定，因而能耐高温、高压。由于管式反应器结构简单，产品稳定，它的应用范围越来越广。它的应用范围越来越广。管式反应器可以用于连续生产，也可以用于间歇操作，反应管式反应器可以用于连续生产，也可以用于间歇操作，反应物不返混，
23、管长和管径是反应器的主要指标，反应时间是管长物不返混，管长和管径是反应器的主要指标，反应时间是管长的函数，管径决定于物料的流量，反应物浓度在管长轴线上，的函数，管径决定于物料的流量，反应物浓度在管长轴线上，浓度梯度分布，不随时间变化。浓度梯度分布，不随时间变化。24南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.3.2 管式反应器管式反应器 例例4-5环戊二烯二聚管式反应器工艺计算。环戊二烯二聚管式反应器工艺计算。用管式反应器将液态轻苯馏分中的环戊二烯经绝热热二聚反用管式反应器将液态轻苯馏分中的环戊二烯经绝热热二聚反应生成双环戊二烯，要求环戊二烯的质量转化率不低于应生成双环戊二烯，要求环戊二烯的质量
24、转化率不低于0.94。已知原料流率为已知原料流率为1000 kg/h，温度，温度80，压力，压力600 kPa，组成和，组成和基本物性见附表。基本物性见附表。反应方程式为：反应方程式为：式中，活化能式中，活化能E的因次为的因次为 kJ/kmol,浓度的因次为浓度的因次为 kmol/m3。25南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.3.2 管式反应器管式反应器 热二聚反应时为液态绝热反应，为降低副反应速率，热二聚热二聚反应时为液态绝热反应，为降低副反应速率，热二聚反应温度应控制反应温度应控制110。初步选择两个固定管板换热器串联作为管式反应器，物料走初步选择两个固定管板换热器串联作为管式反应器
25、，物料走管程。选择的换热器筒体直径管程。选择的换热器筒体直径1600 mm，管长，管长9000 mm，单，单管程，管子数管程，管子数3339根，管程截面积根，管程截面积0.5901 m2。求：求：当环戊二烯质量转化率为当环戊二烯质量转化率为0.94时反应器的管长？时反应器的管长？当环戊二烯质量转化率转化率由当环戊二烯质量转化率转化率由0.84增加到增加到0.94时时,反应器体反应器体积、物料停留时间如何变化？积、物料停留时间如何变化？若用若用90的冷却水并流换热，要求冷却水出口温度不超过的冷却水并流换热，要求冷却水出口温度不超过100，求冷却水流率。，求冷却水流率。26南南京京工工业业大大学学
26、 包包宗宗宏宏4.3.2 管式反应器管式反应器解：解：27南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.4 流体输送设备流体输送设备 化工设计过程中常见的流体输送设备是泵和压缩机。泵是化化工设计过程中常见的流体输送设备是泵和压缩机。泵是化工厂最常用的液体输送设备，具有构造简单、便于维修、易于工厂最常用的液体输送设备，具有构造简单、便于维修、易于排除故障、造价低、系列化生产等优点。压缩机用于气体压缩、排除故障、造价低、系列化生产等优点。压缩机用于气体压缩、输送，主要用于工艺气体，气动仪表气体、压料过滤及吹扫管输送，主要用于工艺气体，气动仪表气体、压料过滤及吹扫管道等方面。压缩机可分为离心式、螺杆式和
27、往复式压缩机。道等方面。压缩机可分为离心式、螺杆式和往复式压缩机。4.4.1 离心泵离心泵在在ASPEN PLUS软件模拟泵过程中，常用来指定出口压力软件模拟泵过程中，常用来指定出口压力(Discharge pressure)，并给定泵的水力学效率，并给定泵的水力学效率(Pump Efficiency)和驱动机效率和驱动机效率(Driver Efficiency)，计算得到出口流，计算得到出口流体状态和所需的轴功率和驱动机电功率。体状态和所需的轴功率和驱动机电功率。28南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.4.1 离心泵离心泵例例4-6.离心泵输送液态苯。离心泵输送液态苯。用一离心泵输送一
28、股常压、用一离心泵输送一股常压、40、100 kmol/h的液态苯。已知的液态苯。已知泵的特性曲线如附表，泵的效率为泵的特性曲线如附表，泵的效率为0.6左右，电机效率为左右，电机效率为0.9。求：泵的出口压力、泵提供给流体的功率、泵所需要的轴功率、求：泵的出口压力、泵提供给流体的功率、泵所需要的轴功率、以及电机消耗的电功率各是多少？以及电机消耗的电功率各是多少？29南南京京工工业业大大学学 包包宗宗宏宏4.4.2 气体压缩机气体压缩机 在在ASPEN PLUS软件模拟压缩机过程中，常用来指定排出压软件模拟压缩机过程中，常用来指定排出压力、压力增量、压力比率等参数，求压缩机需要功率。力、压力增量、压力比率等参数，求压缩机需要功率。例例4-7循环气压缩机循环气压缩机用一压缩机将用一压缩机将21.5 bar 的循环气加压到的循环气加压到25.5 bar返回反应器进口。返回反应器进口。循环气的温度为循环气的温度为50 C，组成见附表。设压缩机的多变效率为，组成见附表。设压缩机的多变效率为0.7，驱动机构的机械效率为，驱动机构的机械效率为0.96。求：压缩机所需要的轴功率、驱动机的功率以及循环气的出口求：压缩机所需要的轴功率、驱动机的功率以及循环气的出口温度和体积流量各是多少？温度和体积流量各是多少？30