第四講 分離單元的仿真設(shè)計(jì)(一)

1、化工CAD基礎(chǔ) 第四講,Simulation Design of Separation Processes 分離單元的仿真設(shè)計(jì) (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(jiǎn)單分離單元模型 Separators塔設(shè)備單元模型 Columns,簡(jiǎn)單分離單元模型,簡(jiǎn)單分離單元模型包含五個(gè)模塊：,兩相閃蒸器 Flash2三相閃蒸器 Fl

2、ash3傾析器 Decanter,組份分離器 Sep兩出口組份分離器 Sep2,簡(jiǎn)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(xué)條件下的汽-液平衡或汽-液-液平衡計(jì)算，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),Flas

3、h2 模塊的模型參數(shù)有 3 組：,1、閃蒸設(shè)定 ( Flash Specifications)（1） 溫度（Temperature)（2） 壓力 （Pressure)（3） 蒸氣分率（Vapor Fraction)（4） 熱負(fù)荷（Heat Duty) 從以上 4 個(gè)參數(shù)中選定 2 個(gè)。,Flash2 — 模型參數(shù) （2）,2、有效相態(tài) ( Valid Phase)（1） 汽-液相（Vapor-

4、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(gè)參數(shù)中選定 1 個(gè)。,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 ( Liqu

5、id Entrainment in Vapor Stream) 液相被帶入汽相中的分率。,Flash2 — 模型參數(shù) （6）,Flash2 — 應(yīng)用示例（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(yīng)用示例（2）,流量為 1000 kg/hr、壓力為

6、 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(yīng)用示例（3）,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(jìn)行部分蒸發(fā)回收丙酮，求丙酮回收率為90%時(shí)的蒸發(fā)器溫度和熱負(fù)荷以及汽、液兩相的流量和組成。,靈敏度分析—Sensitivity,在進(jìn)行過程設(shè)計(jì)和分

7、析時(shí)，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，ASPTEN Plus為此提供了一個(gè)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(duì)象。,靈敏度分析—Sensitivity (2),靈敏度分析—Sensitivity (3),創(chuàng)建靈敏度對(duì)象時(shí)，按以下步驟操作： 1、從數(shù)據(jù)瀏覽器右側(cè)的對(duì)象管理器(Object Manager)中點(diǎn)擊新建(New)按鈕；

8、 2、在彈出對(duì)話框中為新對(duì)象指定一個(gè)辨識(shí)號(hào)(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(diǎn)擊新建(New) 按鈕，創(chuàng)建靈敏度對(duì)象所需的變量；4、在彈出對(duì)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(

9、Variable Definition)對(duì)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(hào)，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(gè)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(Man

10、upulated 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(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(jìn)行靈敏度分析的列表變量(Tabulated variable)或組合變量的表達(dá)式(Expression) ，以及列表時(shí)的列序

11、號(hào)(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(duì)象下的結(jié)果(Results)項(xiàng)目，右側(cè)的匯總(Summary)表單中按照指定的列序號(hào)列表給出調(diào)節(jié)變量和列表變量的對(duì)應(yīng)值。,靈敏度分析—Sensitivity (15),步驟8：,變量關(guān)系圖——Plot,在查看和分析靈敏度分析的列表數(shù)據(jù)時(shí)，

12、用圖形描述的函數(shù)關(guān)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(shì)，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X~Y曲線圖。,變量關(guān)系圖——Plot （2）,步驟1：選擇橫坐標(biāo)變量 在列表數(shù)據(jù)中選中一列，從窗口菜單Plot項(xiàng)的下拉框里選擇X軸變量(X-Axis Variable)；,變量關(guān)系圖——Plot （3）,變量關(guān)系圖——Plot （4）,步驟2：選擇縱坐標(biāo)變量

13、 再選中列表數(shù)據(jù)的另一列，從窗口菜單Plot項(xiàng)的下拉框里選擇Y軸變量(Y-Axis Variable)；,變量關(guān)系圖——Plot （5）,變量關(guān)系圖——Plot （6）,步驟3：繪制曲線 然后點(diǎn)擊窗口菜單Plot項(xiàng)的下拉框里的顯示繪圖(Display Plot), 即可得到曲線圖。,變量關(guān)系圖——Plot （7）,變量關(guān)系圖——Plot （8）,Flash2 — 應(yīng)用示例（4）,流量為 1000 kg/hr、壓

14、力為 0.2 MPa 溫度為 20℃、含丙酮 30%w、水 70 %w的物料進(jìn)行部分蒸發(fā)回收丙酮，蒸發(fā)器熱負(fù)荷為 250 kW。分析液沫夾帶對(duì)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(xué)條件下的汽-液-液平衡計(jì)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

15、圖如下：,Flash3 — 模型參數(shù),Flash3 的模型參數(shù)有 3 組：,1、閃蒸設(shè)定 ( Flash Specifications)（1） 溫度（Temperature)（2） 壓力 （Pressure)（3） 蒸汽分率（Vapor Fraction)（4） 熱負(fù)荷（Heat Duty) 從以上 4 個(gè)參數(shù)中選定 2 個(gè)。,Flash3 — 模型參數(shù)（2）,Flash3 — 模型參數(shù)（3）,

16、Flash3 的模型參數(shù)有 3 組：,2、關(guān)鍵組份 ( Key Component) 指定關(guān)鍵組份后，含關(guān)鍵組份摩爾分率大的液相作為第二液相。 如未指定關(guān)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(shè)定兩個(gè)液相被夾帶入汽相中的分率。,Flash3 —

17、模型參數(shù)（5）,Flash3 的模型參數(shù)有 3 組：,Flash3 — 模型參數(shù)（6）,Flash3 — 應(yīng)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(yīng)用示例（2）,F= 500 kg/hr、P= 0.8 MPa、T=

18、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(yīng)用示例（3）,在示例（2）中分別設(shè)置乙醇和己烷為關(guān)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(xué)條件下的

19、液-液平衡或液-游離水平衡計(jì)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(shè)定 ( Decanter Specifications)（1） 壓力 （Pressure)（2） 溫度/熱負(fù)荷 （Temperature

20、/Heat Duty ),Decanter — 模型參數(shù)（2）,2、關(guān)鍵組份 ( Key Component) 指定關(guān)鍵組份后，含關(guān)鍵組份摩爾分率大的液相作為第二液相。 如未指定關(guān)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

21、數(shù)有 3 組：,3、組份分離效率 ( Separation Efficiencies) 分別設(shè)定每個(gè)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(yīng)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(dá)到97%，求需要的水流量和萃取相和萃

22、余相的組成。,Decanter — 應(yīng)用示例(2),同示例（1），求乙醇分離效率為0.9時(shí)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，輸出多股物流，并把輸入混合物中的各個(gè)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 (Specificatio

23、ns) 輸出物流條件設(shè)定，指定每個(gè)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(jìn)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) 指定每一股輸出物流的閃蒸壓力、溫度、氣相分率和有效相態(tài)。,S

24、ep — 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(yīng)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

25、 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 : 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(gè)組份分別按照指

26、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(shè)定分配給各輸出物流的流量(Flow)/流量分率(Split fraction)、各個(gè)組份的流量/流量分率、以及摩爾分率/質(zhì)量分率?？勺杂稍O(shè)定的參數(shù)個(gè)數(shù)由物料平衡自由度決定。,Sep2—兩出口組份分離器（4）,Sep2 — 應(yīng)用示例（1）,從F= 500 kg/hr、P= 0.15 MPa、T= 20 ℃、含乙醇

27、60 %w、正丙醇 25%w、正丁醇 15 %w 的物流中回收乙醇，要求：乙醇濃度達(dá)到 98%w、正丁醇含量不大于 1%w;乙醇回收率達(dá)到 95%。求輸出物流的組成和流量。,Sep2 — 應(yīng)用示例（2）,同示例（1），如果分離過程是在精餾塔中實(shí)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(jì)算器 —— Calculator,在進(jìn)行過程設(shè)計(jì)和分析時(shí)，有時(shí)無法預(yù)

28、先確定某些過程變量的設(shè)定值，而是需要根據(jù)過程運(yùn)行的中間結(jié)果按一定的函數(shù)關(guān)系式計(jì)算。ASPTEN Plus為此提供了一個(gè)在線計(jì)算工具： 流程選項(xiàng)(Flowsheeting Options)下的計(jì)算器(Calculator)對(duì)象。,計(jì)算器 ——Calculator（2）,創(chuàng)建計(jì)算器對(duì)象時(shí)，按以下步驟操作：1、從數(shù)據(jù)瀏覽器右側(cè)的對(duì)象管理器(Object Manager)中點(diǎn)擊新建(New)按鈕；2、在彈出對(duì)話框中為新對(duì)象指定一個(gè)辨識(shí)號(hào)(I

29、D)；,計(jì)算器 ——Calculator（3）,步驟 1 和步驟 2 ：,計(jì)算器 ——Calculator（4）,3、在定義(Define)表單中點(diǎn)擊新建(New) 按鈕，創(chuàng)建計(jì)算器對(duì)象所需的變量；4、在彈出對(duì)話框中輸入新變量的變量名(Variable name)；,計(jì)算器 ——Calculator（5）,步驟 3 和步驟 4 ：,計(jì)算器 ——Calculator（6）,5、在變量定義(Variable Definition)對(duì)話框中

30、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(hào)，并指定具體變量(Variable)。,計(jì)算器 ——Calculator（7）,步驟 5 ：,計(jì)算器 ——Calculator（8）,可以定義多個(gè)計(jì)算所需的變量，如下圖所示：,計(jì)算器 ——Calculator（9）,步驟6： 在計(jì)算(Calculate)表單中的計(jì)算方法(Calculation method)

31、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(jì)算的Fortran程序。 Aspen Plus 提供了內(nèi)嵌(In-Line) Fortran的實(shí)時(shí)編譯、連接和運(yùn)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(jì)算器 —Calculator（10）,計(jì)算器 —

32、Calculator（11）,步驟7： 在序列(Sequence)表單中的計(jì)算器模塊執(zhí)行序列(Calculator block execution sequence)欄中選擇以下三項(xiàng)內(nèi)容，從而設(shè)定在模擬計(jì)算過程中執(zhí)行計(jì)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(U

33、nit operation)/ 收斂(Convergence)/ ……3、模塊名字(Block name)：……,計(jì)算器 —Calculator（12）,Sep2 — 應(yīng)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(jī)加壓到 4.5 bar后進(jìn)入膜分離組件，出口壓強(qiáng) 1.1 bar。已知膜分離組件的性能與進(jìn)、出口壓差及進(jìn)口流量的關(guān)系由