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1、Aspen Plus 应用基础Models forModels for Separation Processes Separation Processes分离过程模型分离过程模型 (II)(II)分离过程模型的分类Aspen Plus 中的分离中的分离过程模型包含两大类别：过程模型包含两大类别：简单分离单元模型塔设备单元模型塔设备单元模型 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种模种模种模种模块，其中块，其中块，其中块，其中 RateFrac RateFrac Rat
2、eFrac 和和和和 BatchFrac BatchFrac BatchFrac 需要单需要单需要单需要单独的许可证，其余独的许可证，其余独的许可证，其余独的许可证，其余7 7种可直接使用种可直接使用种可直接使用种可直接使用：5.MutiFrac6.SCFrac7.PetroFracDSTWU 简捷精馏（设计）DSTWU 模块用模块用Winn-Underwood-Gilliland捷算法进行精馏塔的设计，根捷算法进行精馏塔的设计，根据给定的加料条件和分离要求计算最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。比下的理
3、论板数和加料板位置。DSTWU 连接DSTWU 模型的连接图如下：1、塔设定塔设定(Column specifications)（1）塔板数塔板数(Number of stages)（2）回流比(Reflux ratio)DSTWU 模型参数DSTWU模型模型有四组有四组模型设定模型设定参数参数：2、关键组分回收率关键组分回收率 (Key component recoveries)(Key component recoveries)（1 1）轻关键组分在馏出物中的回收率轻关键组分在馏出物中的回收率馏出物中的轻关键组分馏出物中的轻关键组分馏出物中的轻关键组分馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关键组
4、分进料中的轻关键组分进料中的轻关键组分进料中的轻关键组分（2 2）重关键组分在馏出物中的回收率）重关键组分在馏出物中的回收率馏出物中的重关键组分馏出物中的重关键组分馏出物中的重关键组分馏出物中的重关键组分/进料中的重关键组分进料中的重关键组分进料中的重关键组分进料中的重关键组分DSTWU 模型参数DSTWU模型模型有四组有四组模型设定模型设定参数参数：3、压力压力(Pressure)（1）冷凝器冷凝器(Condenser)（2）再沸器 (Reboiler)DSTWU 模型参数DSTWU模型模型有四组有四组模型设定模型设定参数参数：4、冷凝器设定冷凝器设定 (Condenser specific
5、ations)（1）全凝器全凝器(Total condenser)（2）带汽相馏出物的部分冷凝器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带汽、液相馏出物的部分冷凝器 (Partial condenser with vapor and liquid distillate)DSTWU 模型参数DSTWU模型模型有四组有四组模型设定模型设定参数参数：1、生成回流比生成回流比理论板数关系表理论板数关系表 (Reflux ratio vs.Number of theoretical stages)2、计
6、算等板高度计算等板高度 (Calculate HETP)DSTWU 计算选项DSTWU模型模型有两个计算选项：有两个计算选项：含乙苯含乙苯30%w、苯乙烯苯乙烯70%w的混合物的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30 C）用用精馏塔（塔压精馏塔（塔压0.02MPa）分离，要求分离，要求99.8%的乙苯从塔顶排出，的乙苯从塔顶排出，99.9%的苯乙烯从塔底的苯乙烯从塔底排出，采用全凝器。求：排出，采用全凝器。求：Rmin，NTmin，R=1.5 Rmin 时的时的R、NT和和NF。DSTWU 应用示例(1)绘制示例（绘制示例（1）的）的NTR关系图，根关系图，根据该图选取合
7、理的据该图选取合理的R值，求取相应值，求取相应的的 NT、NF、冷凝器和再沸器的温冷凝器和再沸器的温度和热负荷。度和热负荷。DSTWU 应用示例(2)Distl 简捷精馏（操作）Distl 模块用 Edmister 方法计算给定精馏塔的操作结果。设定：设定：理论板数，加料板位置，回流比，D/F，冷凝器类型。计算：计算：D和W组成，再沸器和冷凝器热负荷，塔顶、塔底和加料板温度。Distl 连接Distl 模块的连接图如下：根据根据DSTWU示例（示例（2）的结果，）的结果，选取选取R=25、NT=61、NF=36 用用Distl 进行核算。再选取进行核算。再选取NF=20进进行核算。行核算。Di
8、stl 应用示例(1)RadFrac 精密分离模块 RadFrac 模块同时联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果。RadFrac 模块用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分离能力和设备参数。RadFrac 连接 RadFrac模型的连接图如下：RadFrac模型设定 RadFrac 模型具有以下设定表：1、配置（Configuration）2、流股（Streams）3、压力（Pressure）4、冷凝器（Condenser）5、再沸器（Reboiler）6、三相（3-Phase）RadFrac 配置1、塔板数（Number of Stages）2
9、、冷凝器（Condenser）3、再沸器（Reboiler）4、有效相态（Valid Phase）5、收敛方法（Convergence)6、操作设定操作设定 （Operation Specifications)RadFrac 配置（冷凝器）冷凝器配置从四个选项中选择一种：1、全凝器全凝器（Total）2、部分冷凝部分冷凝-汽相馏出物汽相馏出物 （Partial-Vapor）3、部分冷凝部分冷凝-汽相和液相馏出物汽相和液相馏出物 （Partial-Vapor-Liquid）4、无冷凝器无冷凝器(None)RadFrac 配置（再沸器）再沸器配置从三个选项中选择一种：1、釜式再沸器釜式再沸器（Ke
10、ttle）2、热虹吸式再沸器热虹吸式再沸器（Thermosyphon）3、无再沸器无再沸器(None)RadFrac 配置（有效相态）有效相态从四个选项中选择一种有效相态从四个选项中选择一种：1、汽汽-液液（Vapor-Liquid）2、汽汽-液液-液液（Vapor-Liquid-Liquid）3、汽汽-液液-冷凝器游离水冷凝器游离水 （Vapor-Liquid-FreeWaterCondensor）4、汽汽-液液-任意塔板游离水任意塔板游离水 （Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage）RadFrac 配置（收敛方法）收敛方法从六个选项中选择一种：收敛方法从六个选项中选择
11、一种：1、标准方法标准方法（Standard）2、石油石油/宽沸程宽沸程（Petroleum/Wide-Boiling）3、强非理想液相强非理想液相（Strongly Non-ideal LiquidStrongly Non-ideal Liquid）4、共沸体系共沸体系（Azeotropic）5、深度冷冻体系深度冷冻体系（Cryogenic）6、用户定义用户定义（Custom）RadFrac 配置（操作设定）1、回流比回流比（Reflux Ratio）2、回流速率回流速率（Reflux Rate）3、馏出物速率馏出物速率（Distillate Rate)4、塔底物速率塔底物速率（Bottom
12、s Rate)5、上升蒸汽速率上升蒸汽速率（Boilup Rate)操作设定从十个选项中选择：操作设定从十个选项中选择：6、上升蒸汽比上升蒸汽比（Boilup Ratio)7、上升蒸汽上升蒸汽/进料比进料比（Boilup to Feed Ratio)8、馏出物馏出物/进料比进料比（Distillate to Feed Ratio)9、冷凝器热负荷冷凝器热负荷（Condenser Duty)10、再沸器热负荷再沸器热负荷（Reboiler Duty)RadFrac 配置（操作设定）操作设定从十个选项中选择：操作设定从十个选项中选择：RadFrac 流股1、进料流股进料流股（Feed Stream
13、s）指定每一股进料的加料板位置。2、产品流股产品流股（Product Streams）指定每一股侧线产品的出料板位置及产量。RadFrac 压力塔内压力设定有三种方式塔内压力设定有三种方式（View）1、塔顶塔顶/塔底塔底（Top/Bottom）指定塔顶压力、冷凝器压降和塔压降。指定塔顶压力、冷凝器压降和塔压降。2、压力剖型压力剖型（Pressure Profile）指定每一块塔板压力。指定每一块塔板压力。3、塔段压降塔段压降（Section Pressure Drop）指定每一塔段的压降。指定每一塔段的压降。RadFrac 冷凝器冷凝器设定有两组参数冷凝器设定有两组参数：1、冷凝器指标冷凝器
14、指标（Condenser Specification）仅仅应用于部分冷凝器。只需指定冷凝温仅仅应用于部分冷凝器。只需指定冷凝温度度（Temperature）和蒸汽分率和蒸汽分率（Vapor Fraction）两个参数之一。两个参数之一。2、过冷态过冷态（Subcooling）1）过冷选项过冷选项（Subcooling option）二选一：回流物和馏出物都过冷二选一：回流物和馏出物都过冷/仅仅回仅仅回流物过冷。流物过冷。2）过冷指标）过冷指标（Subcooling specification）二选一：过冷物温度二选一：过冷物温度/过冷度过冷度RadFrac 冷凝器冷凝器设定有两组参数冷凝器设定
15、有两组参数：RadFrac 再沸器热虹吸再沸器需要进行设定热虹吸再沸器需要进行设定：1、指定再沸器流量再沸器流量 （Specify reboiler flow rate）2、指定再沸器出口条件再沸器出口条件 （Specify reboiler outlet condition）3、同时指定流量和出口条件流量和出口条件（Specify both flow and outlet condition）计算结果从三部分查看：计算结果从三部分查看：1 1、结果简汇结果简汇（Results summary）2 2、分布剖形分布剖形（Profiles）3 3、流股结果流股结果（Stream results）
16、RadFrac 结果查看1 1、结果简汇结果简汇给出塔顶（冷凝器）和给出塔顶（冷凝器）和塔底（再沸器）的温度、热负荷、塔底（再沸器）的温度、热负荷、流量、回流比和上升蒸汽比等参流量、回流比和上升蒸汽比等参数，以及每一组份在各出塔物流数，以及每一组份在各出塔物流中的分配比率。中的分配比率。RadFrac 结果查看2、分布剖形、分布剖形给出塔内各塔板上的温度、给出塔内各塔板上的温度、压力、热负荷、相平衡参数，以及压力、热负荷、相平衡参数，以及每一相态的流量、组成和物性。据每一相态的流量、组成和物性。据此可确定最佳加料板和侧线出料板此可确定最佳加料板和侧线出料板位置。位置。RadFrac 结果查看R
17、adFrac 结果查看3、流股、流股结果结果给出进出的所有流股的给出进出的所有流股的工艺和物性参数。工艺和物性参数。根据根据DSTWU示例（示例（2）的结果，）的结果，选取选取R=25、NT=61、NF=36，用用RadFrac 进行核算。再选取最佳进进行核算。再选取最佳进料板位置进行核算。料板位置进行核算。RadFrac 应用示例(1)RadFrac 设计指标RadFrac 模型带有内部的设计指模型带有内部的设计指标功能，通过标功能，通过Design Specs和和Vary两两组参数进行设定。组参数进行设定。可以设定多个指标参数和多个变可以设定多个指标参数和多个变化参数，但要注意两者间的依赖
18、关系化参数，但要注意两者间的依赖关系和自由度必须吻合，否则不能收敛。和自由度必须吻合，否则不能收敛。RadFrac 应用示例(2)如将示例（如将示例（1）的塔压调到）的塔压调到0.01 MPa，全塔压降全塔压降0.005 MPa，试求满试求满足分离要求所需的回流比和馏出物足分离要求所需的回流比和馏出物流量。流量。RadFrac 塔板效率RadFrac 模模型型可可以以设设定定实实际际塔塔板板的的板板效效率率(Efficiencies)。用用户户可可选选用用蒸蒸发发效效率率(Vaporization Efficiencies)或或墨墨弗弗里里效效率率(Murphree Efficiencies)
19、，并并选选择择指指定定单单块块板板的的效效率率，单单个个组组分分的的效效率率，或或者者塔塔段段的的效效率。率。RadFrac 蒸发效率Vaporization Efficiencies 定义如下定义如下下标下标 i 代表组分，代表组分，j 代表塔板编号。代表塔板编号。RadFrac 墨弗里效率Murphree Efficiencies定义如下定义如下下标下标 i 代表组分，代表组分，j 代表塔板编号。代表塔板编号。RadFrac 应用示例(3)如果示例（如果示例（2）中的精馏段的墨）中的精馏段的墨弗里效率为弗里效率为0.45，提馏段的墨弗里，提馏段的墨弗里效率为效率为0.55，试求满足分离要求
20、所试求满足分离要求所需的塔板数和加料板位置。需的塔板数和加料板位置。RadFrac 报告选项报报告告（Report）中中有有一一项项对对塔塔板板设设计计非非常常重重要要，即即性性质质选选项项（Property options）里里的的包包括括水水力力学学参参数数（Include hydraulic parameters）选选项项。另另外外剖剖形形选选项项（Profile options）里里包包括括哪哪些些塔塔板板（Stages to be included in report）也也很很有有用。用。RadFrac 应用示例(4)在示例（在示例（3）的基础上选定）的基础上选定性质选项中的包括水力
21、学参数性质选项中的包括水力学参数，计算后查看结果。计算后查看结果。RadFrac 塔板设计 塔板设计塔板设计（Tray sizing）计算给定板计算给定板间距下的塔径，共有五种塔板供选用间距下的塔径，共有五种塔板供选用：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 塔板核算 塔板核算塔板核算（Tray rating）计算给定计算给定结构参数的塔板的负荷情况，可供选结构参数的
22、塔板的负荷情况，可供选用的塔板类型与用的塔板类型与“塔板设计塔板设计”中相同。中相同。“塔板设计塔板设计”与与“塔板核算塔板核算”配配合使用，可以完成塔板选型和工艺参合使用，可以完成塔板选型和工艺参数设计。数设计。RadFrac 应用示例(5)在示例（在示例（4）的基础上进行）的基础上进行塔板设计和塔板核算塔板设计和塔板核算，分别选用分别选用浮阀塔板和弹性浮阀塔板计算后浮阀塔板和弹性浮阀塔板计算后对比结果。对比结果。RadFrac 填料设计 填料设计填料设计（Pack sizing）计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，共有40种填料供选用，在此仅介绍种填料供选用，在此仅介绍
23、 5 种典型的散堆填料和种典型的散堆填料和 5 种典型的种典型的规整填料规整填料：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）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Ra
24、dFrac 填料核算 填料核算填料核算（Pack rating）计算给计算给定结构参数的填料的负荷情况，可供定结构参数的填料的负荷情况，可供选用的填料类型与选用的填料类型与“填料设计填料设计”中相中相同。同。“填料设计填料设计”与与“填料核算填料核算”配配合使用，可以完成填料选型和工艺参合使用，可以完成填料选型和工艺参数设计。数设计。RadFrac 应用示例(6)在示例在示例（2）的基础上进行的基础上进行填料设计和填料核算填料设计和填料核算，分别选用分别选用MELLPAK和和RALU-PAK计算后计算后对比结果。对比结果。RadFrac 吸收计算 吸收计算的设备参数设置：吸收计算的设备参数设置
25、：1）冷凝器和再沸器类型选）冷凝器和再沸器类型选“None”；2）气体进料板设置为气体进料板设置为“N+1”及及“Above-Stage”；3）在收敛（在收敛（Convergence）项目中将项目中将“Basic”表里的表里的“algorithm”设置为设置为“Standard”以以及及“maximum iterations”设置为设置为200，将将“Advance”表里的第一栏表里的第一栏“Absorber”设置为设置为“yes”。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
26、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 下下操操作作。求出塔气体中的求出塔气体中的CO2浓度。浓度。RadFrac 吸收示例(1)在吸收示例（在吸收示例（1）的基础上求）的基础上求使出塔气体中的使出塔气体中的CO2浓度达到浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量所需的吸收剂（甲醇）用量。RadFrac 吸收示例(2)在吸收示例（在吸收示例（2）的基础上）的基础上求使出塔气体中的求使出塔气体中的CO2浓度达到浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用所需的吸收剂（甲醇）用量与理论板数的关系量与理
27、论板数的关系。RadFrac 吸收示例(3)选用选用10块理论板，求使出塔块理论板，求使出塔气体中的气体中的CO2浓度达到浓度达到0.5%所需所需的吸收剂（甲醇）用量以及采用的吸收剂（甲醇）用量以及采用典型塔板和填料时的塔径典型塔板和填料时的塔径。RadFrac 吸收示例(4)RadFrac 脱吸计算脱吸是吸收的逆过程，脱脱吸是吸收的逆过程，脱吸计算与吸收计算的设备参数吸计算与吸收计算的设备参数设置相同，只是物料初始组成设置相同，只是物料初始组成不同。不同。将吸收示例（将吸收示例（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，低压液体进行闪蒸，低压液体再进入脱吸塔
28、在再进入脱吸塔在0.12 MPa下用氮气进行下用氮气进行气提脱吸，要求出塔贫液中的气提脱吸，要求出塔贫液中的CO2浓度浓度达到达到0.1%。求合理的理论板数、所需。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氮气流量、采用不同塔板和填料时的脱吸塔尺寸、压降和负荷情况。脱吸塔尺寸、压降和负荷情况。RadFrac 脱吸示例Extract 连续萃取塔 Extract 模块用逐级计算法精确计算给定连续萃取过程的操作结果。可以采用三种方法求取液液平衡分配系数：1、用给定的物性方法（活度系数法或状 态方程法）；2、KLL温度关联式；3、用户子程序。Extract 连接 Extract模块的连接图
29、如下：模块的连接图如下：1、塔设定塔设定 (Specs)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 模块模块有四组基本模型有四组基本模型参数参数：2、关键组分关键组分 (Key components)(1)第一液相第一液相(1st liquid phase)即比重较大的液相，从塔底出料。即比重较大的液相，从
30、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Extract 模块模块有四组基本模型有四组基本模型参数参数：Extract 模型参数Extract 模块模块有四组基本模型有四组基本模型参数参数：3、物流物流 (Streams)设置各股侧线物流的加料板和出料板设置各股侧线物流的加料板和出料板位置。位置。4、压力压力 (Pressure)设置塔内的压力剖形。至少指定一设置塔内的压力剖形。至少指定一块板。未指定板的压力通过内插或外块板。未指定板的压力通过内插或外推决定。推决定。Extract 模型参数Extract 模块模块有四组基本模型有四组基本模型参数参数：用甲基异丁基甲酮用甲基异丁基甲酮(CH3COC4H9)从含丙酮从含丙酮45%w 的水溶液中萃取回收的水溶液中萃取回收丙酮，丙酮，处理量处理量 500 kg/hr。采用逆流连采用逆流连续萃取塔，在续萃取塔，在 0.12 MPa下操作。求萃下操作。求萃取塔理论板数和萃取剂用量对萃余相取塔理论板数和萃取剂用量对萃余相中丙酮浓度的影响。中丙酮浓度的影响。Extract 萃取示例(1)