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1、Simulation Design ofSimulation Design of Separation Processes Separation Processes分离单元的仿真设计分离单元的仿真设计 (三三三三)CAPD基础 第九讲第九讲塔设备单元模型 分类1.DSTWU2.Distl3.RadFrac4.Extract塔设备塔设备塔设备塔设备(Columns)(Columns)单元共有单元共有单元共有单元共有9 9种模块种模块种模块种模块：5.MultiFrac6.SCFrac7.PetroFrac8.RateFrac9.BatchFracRadFrac 塔板设计 塔塔板板设设计计(Tra
2、y sizing)计计算算给给定定板板间间距距下下的的塔塔径径。可可将将塔塔分分成成多多个个塔塔段段分分别别设设计计合合适适的的塔塔板板。在在Specification表表单单中中输输入入该该塔塔段段(Trayed section)的的起起始始塔塔板板(Starting stage)和和结结束束塔塔板板(Ending stage)序序号号，塔塔板板类类型型(Tray type)，塔塔板板流流型型程程数数(Number of passes)，以以及及板板间间距距(Tray spacing)等几何结构等几何结构(Geometry)参数。参数。RadFrac 塔板设计（2 2）RadFrac 塔板设
3、计（2 2）塔板类型提供了五种塔板供选用：塔板类型提供了五种塔板供选用：1、泡罩塔板、泡罩塔板（Bubble Cap）2、筛板、筛板（Sieve）3、浮阀塔板、浮阀塔板（Glistch Ballast）4、弹性浮阀塔板、弹性浮阀塔板（Koch Flexitray）5、条形浮阀塔板、条形浮阀塔板（Nutter Float Valve)RadFrac 塔板设计（3 3）RadFrac 塔板设计（4 4）结结果果(Results)表表单单中中给给出出计计算算得得到到的的塔塔内内径径(Column diameter)、对对应应最最大大塔塔内内径径的的塔塔板板序序号号(Stage with maximu
4、m diameter)、降降液液管管截截面面积积/塔塔截截面面积积(Downcomer area/Column area)、侧侧 降降 液液 管管 流流 速速 (Side downcomer velocity)、侧侧堰堰长长(Side weir length)。RadFrac 塔板设计（5 5）RadFrac 塔板设计（6 6）剖剖形形(Profiles)表表单单中中给给出出每每一一块块塔塔板板对对应应的的塔塔内内径径(Diameter)、塔塔板板总总面面积积(Total area)、塔塔板板有有效效区区面面积积(Active area)、侧侧降降液液管管截截面面积积(Side downcom
5、er area)。RadFrac 塔板设计（7 7）RadFrac 塔板核算 塔塔板板核核算算（Tray rating）计计算算给给定定结结构构参参数数的的塔塔板板的的负负荷荷情情况况，可可供供选选用用的的塔塔板板类类型型与与“塔塔板板设设计计”中中相相同。同。“塔塔板板设设计计”与与“塔塔板板核核算算”配配合合使使用用，可可以以完完成成塔塔板板选选型型和和工工艺艺参参数设计。数设计。RadFrac 塔板核算（2 2）“塔塔板板核核算算”的的输输入入参参数数除除了了从从“塔塔板板设设计计”带带来来的的之之外外，还还应应补补充充塔塔盘盘厚厚度度(Deck thickness)和和溢溢流流堰堰高高
6、度度(Weir heights)，多多流流型型塔塔板板应应对对每一种塔盘都输入堰高。每一种塔盘都输入堰高。RadFrac 塔板核算（3 3）RadFrac 塔板核算（4 4）在塔板布置在塔板布置(Layout)表单中输入：表单中输入：浮浮阀阀的的类类型型(Valve type)、材材质质(Material)、厚厚度度(Thickness)、有有效效区区浮浮阀阀数数目目(Number of valves to active area)；筛筛孔孔直直径径(Hole diameter)和和开开孔孔率率(Sieve hole area to active area fraction)。RadFrac
7、塔板核算（5 5）RadFrac 塔板核算（6 6）RadFrac 塔板核算（7 7）在降液管在降液管(Downcomer)表单中输入：表单中输入：降液管底隙降液管底隙(Clearance)；顶部宽度顶部宽度(Width at top)；底部宽度底部宽度(Width at bottom)；直段高度直段高度(Straight height)。RadFrac 塔板核算（8 8）RadFrac 塔板核算（9 9）塔塔板板核核算算结结果果在在结结果果(Results)表表单中列出，有三个参数应重点关注：单中列出，有三个参数应重点关注：1、最大液泛因子、最大液泛因子(Maximum flooding f
8、actor)，应该小于，应该小于0.8；2、塔段压降、塔段压降(Section pressure drop)；3、最大降液管液位、最大降液管液位/板间距板间距(Maximum backup/Tray spacing)，应该在，应该在 0.25 0.5之间。之间。RadFrac 塔板核算（1010）RadFrac 应用示例(5)在在示示例例（4）的的基基础础上上进进行行塔塔板板设设计计和和塔塔板板核核算算，分分别别选选用用浮浮阀阀塔塔板板和和弹弹性性浮浮阀阀塔塔板板计计算算后后对对比结果。比结果。RadFrac 填料设计 填填料料设设计计(Pack sizing)计计算算选选用用某某种种填填料料
9、时时的的塔塔内内径径。在在Specification表表单单中中输输入入填填料料类类型型(Type)、生生产产厂厂商商(Vendor)、材材料料(Material)、板板材材厚厚度度(Sheet thickness)、尺尺寸寸(Size)、等等板板高高度度(Height equivalent to a theoritical plate)等参数。等参数。RadFrac 填料设计（2 2）RadFrac 填料设计（3 3）填料类型共有填料类型共有 53 种填料供选用，种填料供选用，以下是以下是 5 种典型的散堆填料：种典型的散堆填料：1、拉西环拉西环（RASCHIG）2、鲍尔环鲍尔环（PALL）
10、3、阶梯环阶梯环（CMR）4、矩鞍环矩鞍环（INTX）5、超级环超级环（SUPER RING）RadFrac 填料设计（4 4）填料类型共有填料类型共有 53 种填料供选用，种填料供选用，以下是以下是 5 种典型的规整填料：种典型的规整填料：1、带孔、带孔板波填料板波填料（MELLAPAK）2、带孔、带孔网波填料网波填料（CY）3、带缝、带缝板波填料板波填料（RALU-PAK）4、陶瓷、陶瓷板波填料板波填料（KERAPAK）5、格栅规整填料格栅规整填料（FLEXIGRID）RadFrac 填料设计（5 5）RadFrac 填料设计（6 6）结结果果(Results)表表单单中中给给出出计计算算
11、塔塔内内径径(Column diameter)、最最大大负负荷荷分分率率(Maximum fractional capacity)、最最大大 负负 荷荷 因因 子子 (Maximum capacity fractor)、塔塔段段压压降降(Section pressure drop)、比比表表面面积积(Surface area)等等参参数。数。RadFrac 填料核算 填填料料核核算算（Pack rating）计计算算给给定定结结构构参参数数的的填填料料的的负负荷荷情情况况，可可供供选选用的填料类型与用的填料类型与“填料设计填料设计”中相同。中相同。“填填料料设设计计”与与“填填料料核核算算”配
12、配合合使使用用，可可以以完完成成填填料料选选型型和和工工艺艺参参数设计。数设计。RadFrac 填料核算（2 2）RadFrac 应用示例(6)在在示示例例（2）的的基基础础上上进进行行填填料料设设计计和和填填料料核核算算，分分别别选选用用MELLPAK和和RALU-PAK计计 算算 后后对比结果。对比结果。RadFrac 吸收计算RadFrac 模块用于吸收计算时，模块用于吸收计算时，1）在在Configuration表单中将表单中将冷凝器冷凝器和再沸器类型选为和再沸器类型选为“None”；2）在在Streams表表单单中中将将塔塔底底气气体体进进料料板板位位置置设设为为塔塔板板总总数数加加
13、 1，并并将将加加 料料 规规 则则 (Convention)设设 为为 “Above-Stage”；RadFrac 吸收计算(2)(2)RadFrac 吸收计算(3)(3)RadFrac 吸收计算(4)(4)在收敛在收敛（Convergence）项目中将项目中将1、基本、基本(Basic)表单里的算法表单里的算法(algorithm)设置为设置为“Standard”，并将最大迭代，并将最大迭代次数次数(maximum iterations)设置为设置为200;2、将将高高级级(Advance)表表单单里里的的第第一一栏栏吸吸收器收器(Absorber)设置为设置为“yes”。RadFrac
14、吸收计算(5)(5)RadFrac 吸收计算(6)(6)摩摩尔尔组组成成为为CO2(12%)、N2(23%)和和H2(65%)的的混混合合气气体体（F=1000kg/hr、P=2.9 MPa、T=20 C）用用甲甲醇醇（F=60 t/hr、P=2.9MPa、T=-40 C）吸吸收收脱脱除除CO2。吸吸收收塔塔有有30块块理理论论板板，在在2.8 MPa 下操作。求出塔气体中的下操作。求出塔气体中的CO2浓度。浓度。RadFrac 吸收示例(1)在在吸吸收收示示例例（1）的的基基础础上上求求使使出出塔塔气气体体中中的的CO2浓浓度度达达到到0.5%所需的吸收剂所需的吸收剂（甲醇甲醇）用量。用量。
15、RadFrac 吸收示例(2)在在吸吸收收示示例例（2）的的基基础础上上求求使使出出塔塔气气体体中中的的CO2浓浓度度达达到到0.5%所所需需的的吸吸收收剂剂（甲甲醇醇）用用量量与理论板数的关系。与理论板数的关系。RadFrac 吸收示例(3)选用选用10块理论板，求使出塔气块理论板，求使出塔气体中的体中的CO2浓度达到浓度达到0.5%所需的吸所需的吸收剂收剂（甲醇甲醇）用量以及采用典型塔用量以及采用典型塔板和填料时的塔径。板和填料时的塔径。RadFrac 吸收示例(4)RadFrac 脱吸计算脱吸是吸收的逆过程，脱吸计算与吸收计算的模型参数设置相同，只是物料初始组成不同。将吸收示例（将吸收示
16、例（4）所得到的吸收富）所得到的吸收富液减压到液减压到0.15 MPa进行闪蒸，低压液体再进行闪蒸，低压液体再进入脱吸塔在进入脱吸塔在0.12 MPa下用氮气进行气提下用氮气进行气提脱吸，要求出塔贫液中的脱吸，要求出塔贫液中的CO2浓度达到浓度达到0.1%。求合理的理论板数、所需氮气。求合理的理论板数、所需氮气流量、采用不同塔板和填料时的脱吸流量、采用不同塔板和填料时的脱吸塔尺寸、压降和负荷情况。塔尺寸、压降和负荷情况。RadFrac 脱吸示例（1）Extract 连续萃取塔 Extract 模块用逐级计算法精确计算连续逆流萃取过程的操作结果。Extract连续萃取塔（2）Extract 连接
17、 Extract模块的连接图如下：模块的连接图如下：1、塔设定塔设定 (Specs)表单表单 1)塔板数塔板数 (Number of stages)2)热状态选项热状态选项(Thermal options)(1)绝热绝热 (Adiabatic)(2)指定温度剖形指定温度剖形 (Specify temperature)(3)指定热负荷剖形指定热负荷剖形(Specify heat duty)Extract 模型参数Extract 模块有四组基本模型参数模块有四组基本模型参数：Extract 模型参数（2）2、关键组分关键组分 (Key components)表单表单 (1)第一液相第一液相(1st
18、 liquid phase)即比重较大的液相，从塔底出料。即比重较大的液相，从塔底出料。(2)第二液相第二液相(2nd liquid phase)即比重较小的液相，从塔顶出料。即比重较小的液相，从塔顶出料。Extract 模型参数（3 3）Extract 模型参数（4 4）Extract 模型参数（5 5）3、物流物流 (Streams)表单表单 塔塔顶顶和和塔塔底底必必须须各各有有一一股股进进料料和和出出料料物物流流。如如果果还还有有侧侧线线物物流流，则则在在此此表表单单中中设设置置侧侧线线进进料料物物流流的的加加料料板板位位置置和和侧线出料物流的出料板位置和流量。侧线出料物流的出料板位置和
19、流量。Extract 模型参数（6 6）Extract 模型参数（7 7）4、压强压强 (Pressure)表单表单 设设置置塔塔内内的的压压强强剖剖形形。至至少少指指定定一一块块板板的的压压强强。未未指指定定板板的的压压强强通通过过内内插或外推决定。插或外推决定。Extract 模型参数（8 8）Extract 级效率1、选项、选项(Options)表单表单 选选择择使使用用通通用用级级效效率率(Specify stage efficiencies)还还是是为为每每一一个个组组分分分分别别指指定定 级级 效效 率率(Specify efficiencies for individual co
20、mponents)。Extract模块采用级效率来处理两液模块采用级效率来处理两液相组成未达到平衡的真实过程，缺省的级相组成未达到平衡的真实过程，缺省的级效率为效率为 1（平衡级平衡级）。Extract 级效率（2 2）Extract 级效率（3 3）2、级、级(Stages)表单表单 输入每一块板上的通用板效率。输入每一块板上的通用板效率。3、组分组分(Components)表单表单 输输入入每每一一个个组组分分在在每每一一块块板板上上的的组组分分板效率。板效率。Extract 级效率（4 4）Extract 物性方法1、选项、选项(Options)表单表单 首先选择下列三类方法之一：首先选
21、择下列三类方法之一：1）用给定的物性方法（活度系数法或）用给定的物性方法（活度系数法或 状态方程法）；状态方程法）；2）KLL温度关联式；温度关联式；3）用户子程序。用户子程序。Extract模块模块提供三类方法求取液提供三类方法求取液液平衡分配系数。液平衡分配系数。Extract 物性方法（2 2）Extract 物性方法（3 3）2、KLL关联式关联式(KLL correlation)表单表单 如果选择KLL温度关联式方法，则在温度关联式方法，则在此输入各关联式中的系数。此输入各关联式中的系数。Extract 物性方法（4 4）用用甲甲基基异异丁丁基基甲甲酮酮(CH3COC4H9)从从含含丙丙酮酮45%w 的的水水溶溶液液中中萃萃取取回回收收丙丙酮酮，处处理理量量 500 kg/hr。采采用用逆逆流流连连续续萃萃取取塔塔，在在 0.12 MPa下下操操作作。求求萃萃取取塔塔理理论论板板数数和和萃萃取取剂剂用用量量对对萃萃余余相中丙酮浓度的影响。相中丙酮浓度的影响。Extract 萃取示例(1)