第四章 ASPEN PLUS多组分平衡级分离过程计算
合集下载
南京工业大学ASPEN学习第四章多组分平衡级分离过程计算分析
用户提供的单元操作模型 用户提供的单元操作模型
第4页
主要内容
4.1 多组分单级分离过程 4.2 多组分多级分离塔的简捷计算 4.3 多组分多级分离塔的严格计算
核算型（精馏塔参数——〉分离性能？） 设计型（分离性能——〉精馏塔结构尺寸？）
第5页
4.1 多组分单级分离过程-闪蒸
闪蒸——连续单级蒸馏过程，使进料混合物 部分汽化或冷凝得到含易挥发组分较多的蒸 汽和含难挥发组分较多的液体。
③用吉利兰（Gilliland）图或相应的关系式估算实 际回流比下的理论板数。
第 12 页
关键组分
所谓关键组分，是进料中按分离要求选取的 两个组分（不少情况是挥发度相邻的两个组 分)，它们对于物系的分离起着控制作用，且 它们在塔顶或塔釜产品中的浓度或回收率通 常是给定的（即是应该指定的两个浓度变量 ），因而在设计中起着重要作用。
简捷蒸馏设计 简捷蒸馏核算 严格蒸馏 严格液-液萃取器 复杂塔的严格蒸馏 石油的简捷蒸馏 石油的严格蒸馏 非平衡级连续蒸馏 严格的间歇蒸馏
p182
第2页
ASPEN PLUS的单元操作模型（2）
类型
反应器(Chap 6)
压力变送器
手动操作器
模型
REquil RStoic RYield Rgibbs RCSTR RPlug RBatch
Pump Compr Mcompr Pipeline Pipe Valve
Mult Dupl ClChong
说明
平衡反应器 化学计量反应器 收率反应器 平衡反应器 连续搅拌罐式反应器 活塞流反应器 间歇反应器
泵/液压透平 压缩机/透平 多级压缩机/透平 多段管线压降 单段管线压降 严格阀压降
第4页
主要内容
4.1 多组分单级分离过程 4.2 多组分多级分离塔的简捷计算 4.3 多组分多级分离塔的严格计算
核算型（精馏塔参数——〉分离性能？） 设计型（分离性能——〉精馏塔结构尺寸？）
第5页
4.1 多组分单级分离过程-闪蒸
闪蒸——连续单级蒸馏过程，使进料混合物 部分汽化或冷凝得到含易挥发组分较多的蒸 汽和含难挥发组分较多的液体。
③用吉利兰（Gilliland）图或相应的关系式估算实 际回流比下的理论板数。
第 12 页
关键组分
所谓关键组分，是进料中按分离要求选取的 两个组分（不少情况是挥发度相邻的两个组 分)，它们对于物系的分离起着控制作用，且 它们在塔顶或塔釜产品中的浓度或回收率通 常是给定的（即是应该指定的两个浓度变量 ），因而在设计中起着重要作用。
简捷蒸馏设计 简捷蒸馏核算 严格蒸馏 严格液-液萃取器 复杂塔的严格蒸馏 石油的简捷蒸馏 石油的严格蒸馏 非平衡级连续蒸馏 严格的间歇蒸馏
p182
第2页
ASPEN PLUS的单元操作模型（2）
类型
反应器(Chap 6)
压力变送器
手动操作器
模型
REquil RStoic RYield Rgibbs RCSTR RPlug RBatch
Pump Compr Mcompr Pipeline Pipe Valve
Mult Dupl ClChong
说明
平衡反应器 化学计量反应器 收率反应器 平衡反应器 连续搅拌罐式反应器 活塞流反应器 间歇反应器
泵/液压透平 压缩机/透平 多级压缩机/透平 多段管线压降 单段管线压降 严格阀压降
Aspen-Plus史上最全最好的教程
工艺合成和分析
经济评价/投资估算/进 度管理
Concept ( DISTIL/HX-Net)/Aspen Split/Pinch/Water/Utilities
Aspen ICARUS
Pinch/Water/Utilities
工艺知识和数据管理
Axsys/Aspen Zyqad
热交换器设计
HTFS/Aspen Hetran/Aerotran/Teams
适合中国人的Aspen Plus教程
主要内容
讲义1 Aspen Plus简介 讲义2 Aspen Plus 界面介绍 讲义3 快速入门 讲义4 Aspen Plus精通 讲义5 模型分析工具 讲义6 其他高级功能简介 综合练习
Aspen Plus培训
ASPEN PLUS软件的发展史
Aspen Plus是工程套件的核心,可广泛地应用于新工艺开发、装置设计优 化，以及脱瓶颈分析与改造。此稳态模拟工具具有丰富的物性数据库， 可以处理非理想、极性高的复杂物系；并独具联立方程法和序贯模块法 相结合的解算方法，以及一系列拓展的单元模型库。此外还具有灵敏度 分析、自动排序、多种收敛方法，以及报告等功能。
一套完整的基于状态方程和活度系数方法的物性模型 (共105种) Aspen Plus数据库包括5000多种纯组分的物性数据及下列数据库 Aspen Plus是唯一获准与DECHEMA数据库接口的软件。该数据库收集
了世界上最完备的气液平衡和液液平衡数据，共计二十五万多套数据。 用户也可以把自己的物性数据与Aspen Plus系统连接。 高度灵活的数据回归系统（DRS）此系统可使用实验数据求取物性参数 ，可以回归实际应用中任何类型的数据，计算任何模型参数，包括用户 自编的模型。可以使用面积式或点测试方法自动检查汽液平衡数据的热 力学一致性。
第四章 多组分平衡级分离过程计算(2)
38 13 Total Kettle 1.57 MPa 0.02 MPa
80.06 kmol/h 1.19
第 18 页
4.4.1 最佳进料位置的确定
严格计算流股结果（1）进料位置13
FEED2(进料)
Temperature
C
56.1
Pressure
MPa
1.65
Mole Flow kmol/hr
trace 0.02 11.92
8
trace 1000 PPM 0.598 0.4第0124 页
4.4.1 最佳进料位置的确定
不同进料位置的热负荷等结果对比
Name Condenser Temperature Condenser Heat duty Distillate rate Reflux rate Reflux ratio
100
Mole Flow kmol/hr
ETHANE
1
PROPANE
79
BUTANE
12
PENTANE
8
Mole Frac
ETHANE
0.01
PROPANE
0.79
BUTANE
0.12
PENTANE
0.08
D2D(塔顶) 44.3 1.57 80.06
1 78.998 0.062 trace
0.012 0.987 776 PPM trace
0.99 1.19 17.41 37.06 12.97 11.97 671.90 kW 645.06 kW 44.28 C 115.83 C 0.80
第 14 页
4.4.1 最佳进料位置的确定
简捷计算结果（1）精馏塔配置参数
Minimum reflux ratio: Actual reflux ratio: Minimum number of stages: Number of actual stages: Feed stage: Number of actual stages above feed: Reboiler heating required: Condenser cooling required: Distillate temperature: Bottom temperature: Distillate to feed fraction:
Aspen功能简介 (物性数据库)
Aspen Plus介绍 (物性数据库)•Aspen Plus---生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统•Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。
该项目称为“过程工程的先进系统”(AdvancedSystem for Process Engineering，简称ASPEN）,并于1981年底完成。
1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为Aspen Plus。
该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。
全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是Aspen Plus的用户。
它以严格的机理模型和先进的技术赢得广大用户的信赖，它具有以下特性：1.ASPEN PLUS有一个公认的跟踪记录，在一个工艺过程的制造的整个生命周期中提供巨大的经济效益，制造生命周期包括从研究与开发经过工程到生产。
2.ASPEN PLUS使用最新的软件工程技术通过它的Microsoft Windows 图形界面和交互式客户-服务器模拟结构使得工程生产力最大。
3.ASPEN PLUS拥有精确模拟范围广泛的实际应用所需的工程能力，这些实际应用包括从炼油到非理想化学系统到含电解质和固体的工艺过程。
4.ASPEN PLUS是AspenTech的集成聪明制造系统技术的一个核心部分，该技术能在你公司的整个过程工程基本设施范围内捕获过程专业知识并充分利用。
5.在实际应用中，ASPEN PLUS可以帮助工程师解决快速闪蒸计算、设计一个新的工艺过程、查找一个原油加工装置的故障或者优化一个乙烯全装置的操作等工程和操作的关键问。
Aspen Plus功能Aspen Plus AspenTech工程套装软件(AES)的一个成员，它是一套非常完整产品，特别对整个工厂、企业工程流程工程实践和优化和自动化有着非常重要的促进作用。
AspenPlus史上最全最好的教程
可按流程模拟需要使用在线FORTRAN语句和子 程序。
1. 可以使用Aspen Plus的插入模块（Insert） 功能，重复使用流程模型的某一部分，例如一个 酸性气体净化模型，一组物性输入数据。也可以
Aspen Plus具有最先进的计算方 法 Aspen Plus具有最先进的流程收敛方法
Aspen Plus具有最先进的数值计算方法，能使循环物流和设计规定迅 速而准确地收敛。这些方法包括直接迭代法(Wegstein)、正割法(Secant) 、拟牛顿法、Broyden法等。这些方法均经AspenTech进行了修正。例如 ，修正后Secant法可以处理非单调的设计规定。Aspen Plus可以同时收敛 多股撕裂（Tear）物流、多个设计规定，甚至收敛有设计规定的撕裂物 流。这些特点对解决高度交互影响的问题时特别重要。
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
Aspen Plus可以进行过程优化计算
应用Aspen Plus的优化功能，可寻求工厂操作条件的最优值，以达 到任何目标函数的最大值。对约束条件和可变参数的数目没有限制，可 以将任意工程或技术经济变量作为目标函数，如利润和生产率。用户在 选取操作参数限制范围时，具有很大的灵活性。 Aspen Plus的一大特点 是能将流程模拟和优化同时收敛，这样使得收敛更加迅速而可靠。
Hetran/Aerotran
在线应用
RTO Option/Aspen OnLine
1. 可以使用Aspen Plus的插入模块（Insert） 功能，重复使用流程模型的某一部分，例如一个 酸性气体净化模型，一组物性输入数据。也可以
Aspen Plus具有最先进的计算方 法 Aspen Plus具有最先进的流程收敛方法
Aspen Plus具有最先进的数值计算方法，能使循环物流和设计规定迅 速而准确地收敛。这些方法包括直接迭代法(Wegstein)、正割法(Secant) 、拟牛顿法、Broyden法等。这些方法均经AspenTech进行了修正。例如 ，修正后Secant法可以处理非单调的设计规定。Aspen Plus可以同时收敛 多股撕裂（Tear）物流、多个设计规定，甚至收敛有设计规定的撕裂物 流。这些特点对解决高度交互影响的问题时特别重要。
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
培训讲义2: Aspen Plus界面介 绍
Aspen Plus可以进行过程优化计算
应用Aspen Plus的优化功能，可寻求工厂操作条件的最优值，以达 到任何目标函数的最大值。对约束条件和可变参数的数目没有限制，可 以将任意工程或技术经济变量作为目标函数，如利润和生产率。用户在 选取操作参数限制范围时，具有很大的灵活性。 Aspen Plus的一大特点 是能将流程模拟和优化同时收敛，这样使得收敛更加迅速而可靠。
Hetran/Aerotran
在线应用
RTO Option/Aspen OnLine
工学AspenPlus计算精馏过程
Aspen Plus计算精馏过程
郭宁 guoning@
一、精馏塔的设计计算
平衡级数的计算
确定轻重关键组分 确定分离任务 确定计算方法并计算
精馏塔类型的选择和设计
二、平衡级数的计算
简捷法计算
DSTWU 模块用Winn-UnderwoodGilliland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。
使用简捷法计算进料组成见下表，温度为75，压力138psig条件下精 馏塔的理论板数和回流比。（要求丙烷完全从塔顶脱出(0.99)）
Chemical
Boiling ห้องสมุดไป่ตู้oint/℃ at 1atm
Propane ISOBUTANE n-Butane i-Pentane(2-METHYL-BUTANE) n-Pentane
Fj+Vj+1+Lj－1=(Vj+Gj)+(Lj+Uj) Fjzji+Vj+1yj+1,i+Lj－1xj－1,i=(Vj+Gj)yji+(Lj+Uj)xji
（2）相平衡方程——E方程：
yji=Kjixji
（3）加和方程 S方程：
yji 1 xji 1
（4）热量衡算方程—— H方程
Fjhf+Vj+1Hj+1+Lj－1h1=(Vj+Gj)Hj+(Lj+Uj)hj+Qj
-42.1 -11.9 20.5 27.9 36.1
Feed/(lb mol/h)
100 300 500 400 500
五、严格逐板法
郭宁 guoning@
一、精馏塔的设计计算
平衡级数的计算
确定轻重关键组分 确定分离任务 确定计算方法并计算
精馏塔类型的选择和设计
二、平衡级数的计算
简捷法计算
DSTWU 模块用Winn-UnderwoodGilliland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。
使用简捷法计算进料组成见下表，温度为75，压力138psig条件下精 馏塔的理论板数和回流比。（要求丙烷完全从塔顶脱出(0.99)）
Chemical
Boiling ห้องสมุดไป่ตู้oint/℃ at 1atm
Propane ISOBUTANE n-Butane i-Pentane(2-METHYL-BUTANE) n-Pentane
Fj+Vj+1+Lj－1=(Vj+Gj)+(Lj+Uj) Fjzji+Vj+1yj+1,i+Lj－1xj－1,i=(Vj+Gj)yji+(Lj+Uj)xji
（2）相平衡方程——E方程：
yji=Kjixji
（3）加和方程 S方程：
yji 1 xji 1
（4）热量衡算方程—— H方程
Fjhf+Vj+1Hj+1+Lj－1h1=(Vj+Gj)Hj+(Lj+Uj)hj+Qj
-42.1 -11.9 20.5 27.9 36.1
Feed/(lb mol/h)
100 300 500 400 500
五、严格逐板法
aspenplus总结
aspenplus总结在这里选择输入数据和输出结果的单位集，在setup-units sets中可以自己定义一个单位集选择运行类型、输入模式、物流级别、流率基准、环境压力及有效相态在这里可以选择是否采用自由水计算在description中可以输入一些说明性的文字，这些文字会出现在结果报告的开头选择该项时，会在每个模块运行和结束时进行质量平衡检验，不选该项时可减少模拟中产生的错误和警告信息选择该项时，进行能量平衡计算，不选该项时，不进行能量平衡计算，不计算焓、熵和自由能，可以减少计算时间，但是热流和功流不能出现在仅对模型进行质量平衡的模拟中。
在只做质量平衡计算时，不能使用下列模块：BatchFrac、PetroFrac、Compr、Pipeline、Crystallizer、Pump、Extract、RadFrac、Heatx、RateFrac、Mcompr、Requll、Mheatx、Rgibbs、MultiFrac、SCFrac 选择该项，通过分子式和原子量来计算模拟中所有组分的分子量，如果不选择该项，就采用aspenplus数据库中的分子量。
但数据库中的分子量对于一些原子平衡非常重要的应用来说，还不够准确，如反应器模型选择该项，将使用以前计算过程的结果作为初值。
若不选择该项，必须在每个新的计算过程中，进行初始化或使用初始估值。
闪蒸失败时绕过Prop-Set计算，选择该项，如果出现闪蒸失败，将不计算Prop-Set。
如果在出现闪蒸错误的情况下计算Prop-Set，那么物性集的计算是不可靠的，而且可能产生进一步的错误。
检查化学反应计量系数。
如果规定了化学反应计量系数，aspenplus在化学计量系数和组分分子量的基础上检查化学计量的质量平衡。
在质量平衡容差框中可以规定质量平衡的化学计量检查的绝对容差，缺省值是1kg/kgmole。
在这两个单选按钮中，可以选择如果发生质量不平衡，在输入解释期间是给出一个错误还是警告。
ASPEN_PLUS入门教程__马后炮化工技术论坛
Aspentech系列软件
生命周期
按功能分类
计划 /研发 概念设计 工艺设计 详细设计 施工 /开车 操作 / 资产管理
稳态、动态模拟和优化 物性数据和模型
Hysys/Aspen Plus/Optimizer/Dynamics/Custom Modeler/Aspen WebModels
COMThermo/Aspen Properties/Aspen OLI/DETHERM
ASPEN PLUS的优势
可以模拟固体系统
Aspen Plus在煤的气化和液化、流化床燃烧、高温冶金 和湿法
冶金，以及固体废物、聚合物、生物和食品加工业中都得到了 应用。
Aspen Plus中固体性质数据有两个来源：一是Solid数据库， 它广泛收集了约3314种纯无机和有机物质的热化学数据； 二是和CSIRO数据库的接口。还具有一套通用的处理固体 的单元操作模型，包括破碎机、旋风分离器、筛分、文杜 里洗涤器、静电沉淀器、过滤洗涤机和倾析器。此外， Aspen Plus中所有的单元操作都适合于处理固体，例如闪 蒸和加热器模型能计算固体的能量平衡，而反应器模型 RGIBBS可用最小GIBBS自由能来判断在平衡状态下是否 有固相存在。
Aspen Plus可以进行过程优化计算
应用Aspen Plus的优化功能，可寻求工厂操作条件的最优值，以达 到任何目标函数的最大值。对约束条件和可变参数的数目没有限制，可 以将任意工程或技术经济变量作为目标函数，如利润和生产率。用户在 选取操作参数限制范围时，具有很大的灵活性。 Aspen Plus的一大特点 是能将流程模拟和优化同时收敛，这样使得收敛更加迅速而可靠。
ASPEN PLUS的优势
具有最先进的计算方法
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
设计一个丙烷精馏塔，操作平均压力为22 atm，进料 为汽、液混合物，其中气相占60%，进料组成为甲 烷0.26、乙烷0.09、丙烷0.25、正丁烷0.17、正戊烷 0.11和正己烷0.12（摩尔分数）； 塔顶设一全凝器，塔釜有再沸器，要求丙烷在塔釜 的收率不大于0.04，丁烷在塔顶的收率不超过0.0175； 确定该精馏塔的理论板数、回流比、塔顶和塔釜的 采出量及换热器的热负荷。 假定进料100kmol/h, 塔共有16块,物性选PENG-ROB。
DSTWU--简捷法精馏设计
DSTWU算法特点：
DSTWU可对一个带有分凝器或全凝器、一股进料和两种产 品的蒸馏塔进行简捷法设计计算。 DSTWU假设恒定的摩尔流量和恒定的相对挥发度。 根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、给定回流比下的理论板数和加料板位置。
ASPEN PLUS在化工过程设计中的应用
第四章 多组分平衡级分离过程计算 （二）
第四章
多组分平衡级分离过程计算
4.1 多组分单级分离过程
4.2 多组分多级分离塔的简捷计算 4.3 多组分多级分离塔的严格计算
核算型（精馏塔参数——〉分离性能？） 设计型（分离性能——〉精馏塔结塔
Distl
使用Edmister方法进 行简捷法精馏核算
确定以回流比、级数、 一个进料物流和 馏出与进料比为基准 两个产品物流的 的分离程度,计算产品 塔 组成。 确定产品组成和流率 每段的级数、使用分 馏指数的热负荷 原油单元常减压 蒸馏塔
SCFrac
简捷法多塔精馏模块
③用吉利兰（Gilliland）图或相应的关系式估算实际回流比 下的理论板数。
第 9 页
理论板数的简捷算法
全回流及最少理论板层数
全回流时，D=0， F=0，W=0 ；达到给定分离程度所需 的理论板层数最少为Nmin。 1）Nmin的求法 a）图解法
xW
xD
第 10 页
b）解析法——芬斯克(Fenske)方程式
（2）重关键组分在塔顶产品中的回收率
塔顶的重关键组分流率/进料中的重关键组分流率
第 20 页
关键组分
所谓关键组分，是进料中按分离要求选取的两个组 分（不少情况是挥发度相邻的两个组分); 这两组分中挥发度大的称为轻关键组分，挥发度小 的称为重关键组分，它们各自在塔顶或塔底的含量 必须加以控制，以保证分离后产品的质量。 它们对于物系的分离起着控制作用，且它们在塔顶 或塔釜产品中的浓度或回收率通常是给定的（即是 应该指定的两个浓度变量），因而在设计中起着重 要作用。
第 34 页
ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计—示例
DSTWU中回收率的设定均指塔顶馏出物中轻、 重关键组分的回收率。 本例中轻关键组分乙烯的回收率是0.95； 本例中重关键组分乙烷的回收率
100 0.75746 0.95 / 0.99 100 0.75746 0.95 0.03 100 0.24003
N min
x D 1 x w log 1 x x D w 1 log m
——芬斯克方程
第 11 页
最小回流比的求法
1）作图法 a）对于正常的平衡曲线
xD yq Rmin Rmin 1 xD xq
第 22 页
ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计——示例 例1：书（P79）
由精馏塔分离某泡点混合物，其进料组成、塔顶产 品要求见表，全塔压力P=4.4atm。采用全凝器，回 流比为1.8，热力学计算采用物性方法PENG-ROB。 试用DSTWU模块设计满足上述分离要求的精馏塔。
第 23 页
第 46 页
Distl 简捷校核模块
Distil可对带有一股进料和两股产品 的简单精馏塔进行简捷校核计算，此模块 用Edmister方法计算精馏塔的产品组成。
Distil模块有两个假设：即恒摩尔流 假设和恒定的相对挥发度假设。
根据回流比、级数、馏出与进料比 , 计算产品组成。
第 47 页
Distl 简捷校核模块
第 29 页
DSTWU — 计算选项
第 30 页
DSTWU — 计算选项
第 31 页
DSTWU — 计算选项
率合 绝理 对的 值理 较论 小板 的数 区应 域在 内曲 选线 择斜 。
第 32 页
ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计——示例 例1：书（P79）
由精馏塔分离某泡点混合物，其进料组成、塔顶产 品要求见表，全塔压力P=4.4atm。采用全凝器，回 流比为1.8，热力学计算采用物性方法PENG-ROB。 试用DSTWU模块设计满足上述分离要求的精馏塔。
Rate-Frac: 非平衡级连续蒸馏
BatchFrac: 严格的间歇蒸馏
第 4 页
塔设备单元模型—分类
第 5 页
ASPEN PLUS中的简捷法精馏塔设计模型
模型 描述 目的 用于
DSTWU
使用Winn– 确定最小级数、最小 Underwood- Gilliland 回流比或者实际回流 方法设计简捷法精馏 比、实际级数
MultiFrac 严格法多塔精馏
PetroFrac
石油精馏模块
对石油炼制应用中的复杂塔 执行严格核算和设计计算
RateFrac
非平衡级速率模 块
对各塔和多塔执行严格核算 蒸馏塔、吸收塔、汽提塔、反应系 与设计。基于非平衡级计算， 统、热整合单元、石油应用例如原 不需要效率和HETPs。 油和减压单元、吸收/汽提塔组合 使用一个溶剂模拟一个液体 物流的逆流抽提 液-液抽提塔，萃取塔
第 35 页
第 36 页
第 37 页
第 38 页
第 39 页
注意基准的选择
假定饱和液体进料， Vapor fraction设为0
第 40 页
回收率均指塔顶馏出物
第 41 页
第 42 页
第 43 页
生成回流比关于理论 板数的关系表
第 44 页
回流比关于理论板数的剖面图
第 45 页
ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计——练习 练习题1：
第 12 页
Rmin
xD yq y q xq
q
——恩德伍特方程 yq xq,yq——q线与平衡 线的交点坐标
xq
第 13 页
1、吉利兰图 Y 0.545827 0.591422 X
0.002743 / X
R Rmin X R 1
N N min Y N 2
第 14 页
第 33 页
ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计——示例
例2：设计一个脱乙烷精馏塔，进料流量为100 kmol/hr，进料 组成为：氢气0.00014、甲烷0.00162、乙烯0.75746、乙烷 0.24003、丙烯0.00075（摩尔分数），进料流股压力为18 atm。 要求乙烯在塔顶的收率达到95%，并且塔顶馏出物中乙烯纯 度达到99%（摩尔分数）。 塔顶设一全凝器，操作压力为17.8 atm，塔釜有再沸器，操作 压力为18.2 atm。回流比为3。 试确定精馏塔的理论板数、进料位置以及产品流股的组成。 热力学模型选择Peng-Robinson方程。
第 27 页
DSTWU — 模型参数（4）
第 28 页
DSTWU — 计算选项 DSTWU模型有两个计算选项：
1.生成 回流比—理论板数 关系表 ( Generate table of reflux ratio vs. number of theoretical stages )
2.计算等板高度 ( Calculate HETP )
第 48 页
Distl — 连接 Distl 模块的连接图如下：
第 49 页
Distl —模型参数
Extract
严格液-液萃取
第 7 页
4.2.2
多组分多级分离塔的简捷计算
多组分精馏过程的近似设计算法常用于：
初步设计。 对多种操作参数进行评比以寻求适宜的操作条件。 过程合成中寻找合理的分离顺序。 近似算法还可用于控制系统的计算以及为严格计算提供合 适的设计变量数值和迭代变量初值。 当相平衡数据不够充分和可靠时，采用近似算法不比严格 算法逊色。
理论级数
必需回流比
回流比
必需理论级数
第 16 页
DSTWU —连接 DSTWU 模型的连接图如下：
第 17 页
DSTWU — 模型参数（1） DSTWU模型有四组模型设定参数：
1、塔设定 ( Column specifications) （1）塔板数 ( Number of stages)
（2）回流比 ( Reflux ratio)
近似算法虽然适于手算，但为了快速、准确，采用 计算机进行数值求解也已广泛应用。
第 8 页
多组分精馏的简捷计算法
多组分精馏的简捷计算法（Fenske–UnderwoodGilliland）
①用芬斯克（Fenske）公式估算最少理论板数和组分分配；
②用恩特伍德（Underwood）公式估算最小回流比；
第 2 页
4.2.1多组分分离过程模型的分类
Aspen Plus中的分离过程模型：
简单分离单元模型：Separators
塔设备单元模型：Columns
第 3 页
塔设备单元模型包含九个模块：
DSTWU: 简捷蒸馏设计 Distl: 简捷蒸馏核算 RadFrac: 严格蒸馏 Extract: 严格液-液萃取器 MultiFrac: 复杂塔的严格蒸馏 SCFrac: 复杂塔的简捷蒸馏 PetroFrac: 石油的严格蒸馏
DSTWU — 模型参数（2）
DSTWU--简捷法精馏设计
DSTWU算法特点：
DSTWU可对一个带有分凝器或全凝器、一股进料和两种产 品的蒸馏塔进行简捷法设计计算。 DSTWU假设恒定的摩尔流量和恒定的相对挥发度。 根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、给定回流比下的理论板数和加料板位置。
ASPEN PLUS在化工过程设计中的应用
第四章 多组分平衡级分离过程计算 （二）
第四章
多组分平衡级分离过程计算
4.1 多组分单级分离过程
4.2 多组分多级分离塔的简捷计算 4.3 多组分多级分离塔的严格计算
核算型（精馏塔参数——〉分离性能？） 设计型（分离性能——〉精馏塔结塔
Distl
使用Edmister方法进 行简捷法精馏核算
确定以回流比、级数、 一个进料物流和 馏出与进料比为基准 两个产品物流的 的分离程度,计算产品 塔 组成。 确定产品组成和流率 每段的级数、使用分 馏指数的热负荷 原油单元常减压 蒸馏塔
SCFrac
简捷法多塔精馏模块
③用吉利兰（Gilliland）图或相应的关系式估算实际回流比 下的理论板数。
第 9 页
理论板数的简捷算法
全回流及最少理论板层数
全回流时，D=0， F=0，W=0 ；达到给定分离程度所需 的理论板层数最少为Nmin。 1）Nmin的求法 a）图解法
xW
xD
第 10 页
b）解析法——芬斯克(Fenske)方程式
（2）重关键组分在塔顶产品中的回收率
塔顶的重关键组分流率/进料中的重关键组分流率
第 20 页
关键组分
所谓关键组分，是进料中按分离要求选取的两个组 分（不少情况是挥发度相邻的两个组分); 这两组分中挥发度大的称为轻关键组分，挥发度小 的称为重关键组分，它们各自在塔顶或塔底的含量 必须加以控制，以保证分离后产品的质量。 它们对于物系的分离起着控制作用，且它们在塔顶 或塔釜产品中的浓度或回收率通常是给定的（即是 应该指定的两个浓度变量），因而在设计中起着重 要作用。
第 34 页
ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计—示例
DSTWU中回收率的设定均指塔顶馏出物中轻、 重关键组分的回收率。 本例中轻关键组分乙烯的回收率是0.95； 本例中重关键组分乙烷的回收率
100 0.75746 0.95 / 0.99 100 0.75746 0.95 0.03 100 0.24003
N min
x D 1 x w log 1 x x D w 1 log m
——芬斯克方程
第 11 页
最小回流比的求法
1）作图法 a）对于正常的平衡曲线
xD yq Rmin Rmin 1 xD xq
第 22 页
ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计——示例 例1：书（P79）
由精馏塔分离某泡点混合物，其进料组成、塔顶产 品要求见表，全塔压力P=4.4atm。采用全凝器，回 流比为1.8，热力学计算采用物性方法PENG-ROB。 试用DSTWU模块设计满足上述分离要求的精馏塔。
第 23 页
第 46 页
Distl 简捷校核模块
Distil可对带有一股进料和两股产品 的简单精馏塔进行简捷校核计算，此模块 用Edmister方法计算精馏塔的产品组成。
Distil模块有两个假设：即恒摩尔流 假设和恒定的相对挥发度假设。
根据回流比、级数、馏出与进料比 , 计算产品组成。
第 47 页
Distl 简捷校核模块
第 29 页
DSTWU — 计算选项
第 30 页
DSTWU — 计算选项
第 31 页
DSTWU — 计算选项
率合 绝理 对的 值理 较论 小板 的数 区应 域在 内曲 选线 择斜 。
第 32 页
ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计——示例 例1：书（P79）
由精馏塔分离某泡点混合物，其进料组成、塔顶产 品要求见表，全塔压力P=4.4atm。采用全凝器，回 流比为1.8，热力学计算采用物性方法PENG-ROB。 试用DSTWU模块设计满足上述分离要求的精馏塔。
Rate-Frac: 非平衡级连续蒸馏
BatchFrac: 严格的间歇蒸馏
第 4 页
塔设备单元模型—分类
第 5 页
ASPEN PLUS中的简捷法精馏塔设计模型
模型 描述 目的 用于
DSTWU
使用Winn– 确定最小级数、最小 Underwood- Gilliland 回流比或者实际回流 方法设计简捷法精馏 比、实际级数
MultiFrac 严格法多塔精馏
PetroFrac
石油精馏模块
对石油炼制应用中的复杂塔 执行严格核算和设计计算
RateFrac
非平衡级速率模 块
对各塔和多塔执行严格核算 蒸馏塔、吸收塔、汽提塔、反应系 与设计。基于非平衡级计算， 统、热整合单元、石油应用例如原 不需要效率和HETPs。 油和减压单元、吸收/汽提塔组合 使用一个溶剂模拟一个液体 物流的逆流抽提 液-液抽提塔，萃取塔
第 35 页
第 36 页
第 37 页
第 38 页
第 39 页
注意基准的选择
假定饱和液体进料， Vapor fraction设为0
第 40 页
回收率均指塔顶馏出物
第 41 页
第 42 页
第 43 页
生成回流比关于理论 板数的关系表
第 44 页
回流比关于理论板数的剖面图
第 45 页
ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计——练习 练习题1：
第 12 页
Rmin
xD yq y q xq
q
——恩德伍特方程 yq xq,yq——q线与平衡 线的交点坐标
xq
第 13 页
1、吉利兰图 Y 0.545827 0.591422 X
0.002743 / X
R Rmin X R 1
N N min Y N 2
第 14 页
第 33 页
ASPEN PLUS的简捷法精馏塔设计——示例
例2：设计一个脱乙烷精馏塔，进料流量为100 kmol/hr，进料 组成为：氢气0.00014、甲烷0.00162、乙烯0.75746、乙烷 0.24003、丙烯0.00075（摩尔分数），进料流股压力为18 atm。 要求乙烯在塔顶的收率达到95%，并且塔顶馏出物中乙烯纯 度达到99%（摩尔分数）。 塔顶设一全凝器，操作压力为17.8 atm，塔釜有再沸器，操作 压力为18.2 atm。回流比为3。 试确定精馏塔的理论板数、进料位置以及产品流股的组成。 热力学模型选择Peng-Robinson方程。
第 27 页
DSTWU — 模型参数（4）
第 28 页
DSTWU — 计算选项 DSTWU模型有两个计算选项：
1.生成 回流比—理论板数 关系表 ( Generate table of reflux ratio vs. number of theoretical stages )
2.计算等板高度 ( Calculate HETP )
第 48 页
Distl — 连接 Distl 模块的连接图如下：
第 49 页
Distl —模型参数
Extract
严格液-液萃取
第 7 页
4.2.2
多组分多级分离塔的简捷计算
多组分精馏过程的近似设计算法常用于：
初步设计。 对多种操作参数进行评比以寻求适宜的操作条件。 过程合成中寻找合理的分离顺序。 近似算法还可用于控制系统的计算以及为严格计算提供合 适的设计变量数值和迭代变量初值。 当相平衡数据不够充分和可靠时，采用近似算法不比严格 算法逊色。
理论级数
必需回流比
回流比
必需理论级数
第 16 页
DSTWU —连接 DSTWU 模型的连接图如下：
第 17 页
DSTWU — 模型参数（1） DSTWU模型有四组模型设定参数：
1、塔设定 ( Column specifications) （1）塔板数 ( Number of stages)
（2）回流比 ( Reflux ratio)
近似算法虽然适于手算，但为了快速、准确，采用 计算机进行数值求解也已广泛应用。
第 8 页
多组分精馏的简捷计算法
多组分精馏的简捷计算法（Fenske–UnderwoodGilliland）
①用芬斯克（Fenske）公式估算最少理论板数和组分分配；
②用恩特伍德（Underwood）公式估算最小回流比；
第 2 页
4.2.1多组分分离过程模型的分类
Aspen Plus中的分离过程模型：
简单分离单元模型：Separators
塔设备单元模型：Columns
第 3 页
塔设备单元模型包含九个模块：
DSTWU: 简捷蒸馏设计 Distl: 简捷蒸馏核算 RadFrac: 严格蒸馏 Extract: 严格液-液萃取器 MultiFrac: 复杂塔的严格蒸馏 SCFrac: 复杂塔的简捷蒸馏 PetroFrac: 石油的严格蒸馏
DSTWU — 模型参数（2）