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ASPEN软件模拟在分离中的应用

ASPEN软件模拟在分离中的应用
ASPEN软件模拟在分离中的应用

ASPEN软件模拟在分离中的应用

工艺092 刘峰030091054

当前化学研究已达到分子设计的水平,化工生产和管理也多采用计算机控制。计算机进入化学化工领域后,在帮助深入研究化学基础理论呵促进化工生产方面都显示出强大的作用流程模拟是将一个由多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述,并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果如操作条件等。这一方法是计算机技术在化工方面最重要的应用之一。随着计算机技术的发展及应用软件技术的开发,化工过程模拟技术日趋成熟和实用,商业化软件广泛出现于化工模拟中,它已成为一种普遍采用的常规手段而广泛应用于化工过程的研究开发;设计生产过程的控制、优化及技术改造等方面。各种软件的模拟计算不但大大减少了计算工作量,也便于对工艺条件进行优化,其主要的代表Aspen,PROⅡ,ChemOffice。同时应用这些流程模拟软件,还可确定工艺操作条件,优化操作参数,比较直观的看到各种参数条件下的分离的效果与塔的状态。先简要介绍ASPEN PLUS软件的功能,再举例介绍该软件在各类分离工艺中的应用。

1 ASPLEN软件的功能概述

ASPEN PLUS是世界性标准流程模拟软件,也是国际上功能最强的商品化流程模拟软件,这套软件系统已广泛应用于石油化工、气体加工、煤炭、医药、冶金、环境保护、动力、节能、食品加工等许多工业领域。使用ASPEN PLUS工作页面可以建立、显示模拟流程图及PFD—STYLE绘图。这款流程模拟软件主要具有以下六项功能:建立基本流程模拟模型、灵敏度分析、设计规定、物性分析、物性估计以及物性数据回归[1]。

在Aspen Plus中关于精馏的模块有:(1)简捷法模型:包括DSTWU(简捷法精馏设计模型)、Distl(简捷法精馏核算模型)、SCFrac(简捷法多塔蒸馏模型);(2)严格法模型:Radfrac(严格法精馏模型)、MultiFrac(严格法多塔精馏模型)、PetroFrac(严格法分馏塔)、Rate Frac(精馏的核算与设计模型)、Ext ract (严格萃取塔模型)[2]。

例如ASPEN PLUS的RADFRAC模块是一个严格模型,可用于模拟所有类型的多级气、液分离操作,如普通精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取、萃取蒸馏和共沸蒸馏等。适用体系包括气—液两相传质体系,气—液—液三相传质体系,窄沸程和宽沸程传质体系等。对气、液两相存在强非理想物系和理想物系都有良好的模拟效果。

使用ASPEN中的灵敏度分析工具可以方便地确定过程对关键操作变量和设计变量的响应,即一个或多个流程变量变化对其他流程变量造成的影响。使用灵

敏度分析工具,进行不同工艺参数条件下的对象特性的研究,从而得出最佳的操作参数[3]。

2 ASPLEN软件的具体应用

2.1 常规精馏塔分离

工艺计算过程中最常见的就是对精馏塔分离,以ASPEN在二甲醚精馏塔的模拟与优化为例。汽相甲醇脱水法生产DEM具有操作简单,自动化程度高,排放量少的工艺特点,其工艺生产过程包括甲醇加热、蒸发、甲醇脱水、甲醚冷却、粗甲醚精馏。从反应器出来的气体含有二甲醚、未反应的甲醇、水等物质,它们都是以气体形式存在。在进入分离塔之前,要将气体冷却成液体或气液两相共存。三组分的混合体系,至少要采用两个精馏塔,即一个二甲醚精馏塔和一个甲醇回收塔来将三种物质分离。整个流程采用Aspen Plus进行模拟,采用的热力学方法是UNI-QUAC。

作一个精馏塔的模拟必须确定以下条件[4]:

(1)进料性质(包括进料的组成、温度、压力、进料量、相数等)和进料位置;(2)出料性质(包括相数等)和出料位置;

(3)塔的性质。如塔板数、塔的压力分布、RR(回流比)和RD(VDV/V气相产品占塔顶总产品的比率)或D(塔顶出料)、B(塔底出料)、L i(回流量)等。

图2.1 模拟流程图

Figure2.1 Simulation Flowchart

首先确定反应流程,如图2.1,根据各物料的特性及产品产率要求,设定系统压力,分析理论板数、进料板位置和回流比与分离效果的关系。结合模拟出的几个参数条件下的影响关系图可以得知,当理论板数一定时,回流比随进料板位置变化出现最小值,这说明进料板存在最佳位置,使得该塔达到分离效果时需要最小的回流。随着理论板的增加,达到分离要求的最佳进料板位置也相应发生变

化,从而可以确定最佳进料位置。当理论板数增加到一定数目达到分离要求,继续增加对分离效果增加不明显的话,考虑投资成本即可确定理论板数。同样改变回流比,模拟结果,当回流比低于一定值时,产品纯度达不到分离要求;回流比增大,塔顶产品的纯度得到了提升;当回流比大于某数值时,曲线趋于平直,说明再增大回流比对分离效果的提高不大[5]。

2.2 旋转填料床分离

旋转填料床技术是一种新型强化传递过程的技术,通过高速旋转的床体产生强大的离心力场模拟超重力环境,气—液、液—液和液—固两相在超重力环境下填料的孔道中流动接触,巨大的剪应力将液体撕裂成微米至纳米级的液膜、液丝和液滴,微观混合和传质过程得到极大强化,单位设备体积的生产效率与传统塔设备比较,提高了1~2个数量级。Flowsheet是ASPEN PLUS最常用的运行类型,可以使用基本的关系式,如质量和能量平衡、相态和化学平衡以及反应动力学去预测一个工艺过程。在ASPEN PLUS的运行环境中,只要给定合理的热力学数据、实际的操作条件和严格的ASPEN PLUS平衡模型,就能够模拟实际装置,并帮助设计和优化现有的装置和流程。用其前三大功能对乙醇—水体系的精馏进行了建模,结合ASPEN PLUS的使用特点,建立旋转填料床模型。以该模型为基础建立旋转填料床精馏过程模型[1]。在采用ASPEN PLUS建模中,选择接近的物性方法是决定模拟结果精确度的关键步骤。设计好流程后规定计算全局信息和组分,选择NRTL—HOC物性方法,再规定物流和单元操作模块,最后输入FORTRAN计算模块,这时状态栏会提示Input Completed,在NEXT引导下就可以计算运行了。整个精馏工艺是一个复杂的过程,由于进料特性、设备特性以及用户要求等诸多原始条件的影响,每一套精馏装置都存在一定差异,很难就其某一细节进行比较。可着重对主要参数进行分析比较,模拟分析对精馏效率的影响因素。使用ASPEN PLUS中的灵敏度分析工具,可以方便的确定过程对关键操作变量和设计变量的响应,如进料位置分析,回流比分析,馏出比分析。

2.3 变压吸附分离

同样,ASPEN PLUS对其他的分离方式也能有很好的模拟,例如变压吸附分离过程原理简单、控制方便、自动化程度高,能量消耗低等优点,因此在工业上得到广泛的运用。通过计算机模拟的方法可以描述化工分离或者反应过程,解释过程中现象,甚至直接利用模拟的结果辅助工业设计和优化。参照变压吸附气固相平衡图,利用ASPEN ADSIM流程模拟软件建立一个虚拟的三组分体系单塔变压吸附分离模拟模型,模拟流程图如图2.2。

图2.2 模拟所用的模拟流程图

Figure2.1 Simulations used in the Simulation Flow Chart

分别以A、B、C代表混合气体中的轻组分、中间组分、重组分,假设气体为理想气体。设置的吸附塔尺寸,通过模拟变压吸附过程中塔内吸附剂对不同组分的吸附量的动态变化过程,描述整个过程中的每一步的塔内的吸附动态。模型模拟得到了塔内气相组成、出口浓度、塔的压力状态等的动态结果,揭示了在升压、吸附、降压、冲洗等步骤中吸附塔内气相的变化过程,很好的描述了变压吸附分离过程。再通过对变压吸附分离过程中塔内吸附动态进行模拟,可解释常见变压吸附过程的塔内的分离原理[6]。

3 小结

以上几种只是举了分离应用中的一些例子,就可以足以说明,充分合理利用ASPEN软件,能方便快捷地应用于分离的设计和操作分析,而且可以节省大量的人力物力资源,大大提高工作效率。同时可以与模型计算结果相拟合,证明模拟的正确性。

参考文献

[1] 陈健,刘有智.用ASPEN PLUS软件模拟旋转填料床精馏操作的探讨[J].当代化

工,2009,38(1):17-23.

[2] 张东彦,吴幼青,高晋生.甲基萘烷基化产物的Aspen精馏分离模拟[J].华东理工

大学学报,2008,34(5):641-645.

[3] 石东坡.甲醇双塔精馏流程的模拟与分析[J].广州化工,2009,37(5):202-204.

[4] 赫钢. Aspen Plus在LPG气体分离塔校核中的应用[J].中国造船,2008,49(2):454

-463

[5] 王洪林.二甲醚精馏塔的模拟与优化[J].广西轻工业,2009(2):14-19.

[6] 何东荣,周向辉,张东辉. 利用ASPEN-ADSIM模拟变压吸附分离过程[J].天然

气化工: C1化学与化工,2009,34(3):11-15.

Aspen plus模拟精馏塔说明书要点

Aspen plus模拟精馏塔说明书 一、设计题目 根据以下条件设计一座分离甲醇、水、正丙醇混合物的连续操作常压精馏塔: 生产能力:100000吨精甲醇/年;原料组成:甲醇70%w,水28.5%w,丙醇1.5%w;产品组成:甲醇≥99.9%w;废水组成:水≥99.5%w;进料温度:323.15K;全塔压降:0.011MPa;所有塔板Murphree 效率0.35。 二、设计要求 对精馏塔进行详细设计,给出下列设计结果并利用AutoCAD绘制塔设备图,并写出设计说明。 (1).进料、塔顶产物、塔底产物、侧线出料流量; (2).全塔总塔板数N;最佳加料板位置N F;最佳侧线出料位置N P; (3).回流比R; (4).冷凝器和再沸器温度、热负荷; (5).塔内构件塔板或填料的设计。 三、分析及模拟流程 1.物料衡算(手算) 目的:求解 Aspen 简捷设计模拟的输入条件。 内容: (1)生产能力:一年按8000 hr计算,进料流量为 100000/(8000*0.7)=17.86 t/hr。 (2)原料、塔顶与塔底的组成(题中已给出): 原料组成:甲醇70%w,水28.5%w,丙醇1.5%w; 产品:甲醇≥99.9%w;废水组成:水≥99.5%w。 (3).温度及压降: 进料温度:323.15K;全塔压降:0.011MPa; 所有塔板Murphree 效率0.35。 2.用简捷模块(DSTWU)进行设计计算 目的:对精馏塔进行简捷计算,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、理论板数和加料板位置。 3.灵敏度分析 目的:研究回流比与塔径的关系(N T-R),确定合适的回流比与塔板数;

aspen吸收、精馏塔模拟设计(转载)

aspen模拟塔设计(转载) 一、板式塔工艺设计 首先要知道工艺计算要算什么?要得到那些结果?如何算?然后再进行下面的计算步骤。(参考) 其次要知道你用的软件(或软件模块)能做什么,不能做什么?你如何借助它完成给定的设计任务。 记住:你是工艺设计者,没有 aspen 你必须知道计算过程及方法,能将塔设计出来,这是你经过课程学习应该具有的能力,理论上讲也是进入毕业设计的前提。只是设计过程中将复杂的计算过程交给 aspen 完成, aspen 只替你计算,不能替你完成你的设计。做不到这一点说明工艺设计部份还不合格,毕业答辩就可能要出问题,实际的这是开题时要做的事的一部份,开题答辩就是要考察这个方面的问题。 设计方案,包括设计方法、路线、分析优化方案等,应该是设计开题报告中的一部份。没有很好的设计方案,具体作时就会思路不清晰,足见开题的重要性。下面给出工艺设计计算方案参考,希望借此对今后的结构和强度设计作一个详细的设计方案,明确的一下接下来所有工作详细步骤和方法,以便以后设计工作顺利进行。 板式塔工艺计算步骤 1.物料衡算(手算) 目的:求解 aspen 简捷设计模拟的输入条件。 内容:(1) 组份分割,确定是否为清晰分割; (2)估计塔顶与塔底的组成。 得出结果:塔顶馏出液的中关键轻组份与关键重组份的回收率 参考:《化工原理》有关精馏多组份物料平衡的内容。 2.用简捷模块(DSTWU)进行设计计算 目的:结合后面的灵敏度分析,确定合适的回流比和塔板数。 方法:选择设计计算,确定一个最小回流比倍数。 得出结果:理论塔板数、实际板数、加料板位置、回流比,蒸发率等等RadFarce 所需要的所有数据。

aspen模拟间歇精馏的简单程序

[注意]随便看看吧 BLOCK: COL MODEL: BATCHFRAC --------------------------------- CHARGE - FEED OPSTEP O-1 STAGE 10 OUTLETS - PROD COL-CONTENTS OPSTEP O-1 STAGE 10 DIST DISTILLATE OPSTEP O-1 STAGE 1 PROPERTY OPTION SET: NRTL-RK RENON (NRTL) / REDLICH-KWONG *** MASS AND ENERGY BALANCE *** IN OUT RELATIVE DIFF. TOTAL BALANCE MOLE(KMOL/HR ) 35.5310 35.5310 -0.651964E-07 MASS(KG/HR ) 1000.00 1000.00 0.346421E-06 ENTHALPY(MMKCAL/H) -2.18172 -2.13628 -0.208274E-01 ********************** **** INPUT DATA **** ********************** **** INPUT PARAMETERS **** NUMBER OF PHASES 2 NUMBER OF THEORETICAL STAGES 10 NUMBER OF OPERATION STEPS 1 NUMBER OF ACCUMULATORS 1 ALGORITHM OPTION STANDARD MAXIMUM NO. OF TOTAL REFLUX LOOPS 60 MAXIMUM NO. OF OUTSIDE LOOPS 50 MAX NO. OF INSIDE LOOPS/OUTSIDE LOOP 10 MAXIMUM NUMBER OF FLASH ITERATIONS 50 REPORT TIME INTERVAL HR 2.00000 FLASH TOLERANCE 0.000100000 DISTILLATION ALGORITHM OUTSIDE LOOP TOL 0.100000-04 DISTILLATION ALGORITHM INSIDE LOOP TOL 0.100000-05 TOTAL REFLUX ALGORITHM TOLERANCE 0.100000-05 INTEGRATION ERROR TOLERANCE 0.000100000 INITIAL TIME STEP USED BY INTEGRATOR HR 0.00027778 ************************************ **** OPERATION STEP O-1 **** ************************************ **** COL-SPECS **** MOLAR VAPOR DIST / TOTAL DIST 0.0 MASS DISTILLATE RATE KG/HR 10.0000 MOLAR REFLUX RATIO 2.00000 MOLAR BOILUP RATE (TOTAL REF) KMOL/HR 3.55310 **** COLUMN PROFILES **** TRAY HOLDUP PRESSURE BAR 1 10.0000 KG 1.01000 2 1.00000 KG 1.02000 3 1.00000 KG 1.03000 4 1.00000 KG 1.04000 5 1.00000 KG 1.05000 6 1.00000 KG 1.06000 7 1.00000 KG 1.07000 8 1.00000 KG 1.08000 9 1.00000 KG 1.09000 10 0.0 CUM 1.10000 **** STOP CRITERION **** RUN UNTIL MASS FRACTION IN STAGE LIQUID FALLS ABOVE STOP CRITERION

《化工流程模拟实训—Aspen Plus教程(孙兰义主编)》配套PPS课件第7章 分离单元模拟PartB

第7章分离单元模拟Part B 作者:武佳孙兰义

第7章分离单元模拟Part B ?7.1 概述 ?7.2 精馏塔的简捷设计模块DSTWU ?7.3 精馏塔的简捷校核模块Distl ?7.4 精馏塔的严格计算模块RadFrac ?7.5 塔板和填料的设计与校核 ?7.6 连续萃取模块Extract ?7.7 吸收示例

7.1 概述 模块说明功能适用对象 DSTWU 使用Winn-Underwood-Gilliland 方法的多组分精馏的简捷设计模 块 确定最小回流比、最小理论板数以 及实际回流比、实际理论板数等 仅有一股进料和两股产品的简 单精馏塔 Distl 使用Edmister方法的多组分精馏 的简捷校核模块 计算产品组成 仅有一股进料和两股产品的简 单精馏塔 RadFrac 单个塔的两相或三相严格计算模 块 精馏塔的严格核算和设计计算 普通精馏、吸收、汽提、萃取 精馏、共沸精馏、三相精馏、 反应精馏等 Extract液-液萃取严格计算模块液-液萃取严格计算萃取塔 MultiFrac严格法多塔蒸馏模块对一些复杂的多塔进行严格核算和 设计计算 原油常减压蒸馏塔、吸收/汽提 塔组合等 SCFrac简捷法多塔蒸馏模块确定产品组成和流率、估算每个塔 段理论板数和热负荷等 原油常减压蒸馏塔等 PetroFrac石油蒸馏模块对石油炼制工业中的复杂塔进行严 格核算和设计计算预闪蒸塔、原油常减压蒸馏塔、催化裂化主分馏塔、乙烯装置初馏塔和急冷塔组合等 RateFrac非平衡级速率模块精馏塔的严格核算和设计计算 蒸馏塔、吸收塔、汽提塔、共

DSTWU是多组分精馏的简捷设计模块,针对相对挥发度近似恒定的物系开发,用于计算仅有一股进料和两股产品的简单精馏塔。 DSTWU模块用Winn-Underwood-Gilliland方法进行精馏塔的简捷设计计算。

Aspen间歇精馏模拟教程

Aspen间歇精馏模拟教程 Use this Getting Started section to become familiar with the steps to set up a batch simulation using Aspen Batch Modeler. You will be modeling a system to recover methanol from a mixture of methanol and water. The objective is to separate methanol from the mixture with a purity of 99%. This mixture is not ideal given the polarity of the molecules; therefore, for a working pressure of 1atm, you will choose NRTL to model its physical properties. There are four steps in this process. Click a step to go the instructions for the step. Step 1 – Set up the Properties for Aspen Batch Modeler Step 2 – Enter structural data and specifications for the Aspen Batch Modeler block Step 3 – Enter Operating Steps Step 4 – Run the simulation and view the results Step 1 - Set up the Properties for Aspen Batch Modeler We want to define a Properties file that has the following defined. Components Property Method Water NRTL Methanol To define this Properties file, follow the steps below. To set up the Problem Definition file from within Aspen Batch Modeler: 1. Start Aspen Batch Modeler. 2. On the Species form, click Edit Using Aspen Properties.

aspen精馏模拟步骤

Aspen精馏模拟的步骤 一、板式塔工艺设计 首先要知道工艺计算要算什么?要得到那些结果?如何算?然后再进行下面的计算步骤。 其次要知道您用的软件(或软件模块)能做什么,不能做什么?您如何借助它完成给定的设计任务。 设计方案,包括设计方法、路线、分析优化方案等,应该就是设计开题报告中的一部份。没有很好的设计方案,具体作时就会思路不清晰,足见开题的重要性。下面给出工艺设计计算方案参考,希望借此对今后的结构与强度设计作一个详细的设计方案,明确的一下接下来所有工作详细步骤与方法,以便以后设计工作顺利进行。 板式塔工艺计算步骤 1、物料衡算(手算) 目的:求解 aspen 简捷设计模拟的输入条件。 内容:(1) 组份分割,确定就是否为清晰分割; (2)估计塔顶与塔底的组成。 得出结果:塔顶馏出液的中关键轻组份与关键重组份的回收率 参考:《化工原理》有关精馏多组份物料平衡的内容。 2、用简捷模块(DSTWU)进行设计计算 目的:结合后面的灵敏度分析,确定合适的回流比与塔板数。 方法:选择设计计算,确定一个最小回流比倍数。 得出结果:理论塔板数、实际板数、加料板位置、回流比,蒸发率等等 RadFarce 所需要的所有数据。 3、灵敏度分析 目的:1、研究回流比与塔径的关系(NT-R),确定合适的回流比与塔板数。 2、研究加料板位置对产品的影响,确定合适的加料板位置。 方法:可以作回流比与塔径的关系曲线(NT-R),从曲线上找到您所期望的回流比及塔板数。 得到结果:实际回流比、实际板数、加料板位置。 4、用DSTWU再次计算 目的:求解aspen塔详细计算所需要的输入参数。 方法:依据步骤3得到的结果,进行简捷计算。 得出结果:加料板位置、回流比,蒸发率等等 RadFarce 所需要的所有数据。 5、用详细计算模块(RadFrace)进行初步设计计算 目的:得出结构初步设计数据。 方法:用 RadFrace 模块的Tray Sizing(填料塔用PAking Sizing),利用第4步(DSTWU)得出的数据进行精确设计计算。 主要结果:塔径。 6、核算 目的:确定工艺计算的最后结果。 方法:对第 5 步的计算结果(如:塔径等)按设计规范要求进行必要的圆整,用 RateFrace 或 RateFrace 模块的Tray Rating(填料塔用PAking Sizing),对塔进行设计核算。 结果:塔工艺设计的所有需要的结果。 如果仅就是完成设计,至此,工艺计算全部完成。 工艺计算说明书内容要求 1、给出 aspen 每步输入参数(除给定的设计条件外)与选项的依据。

aspen 精馏模拟详细过程及探讨疑问

精馏塔设计初步介绍 1.设计计算 ◆输入参数: ●利用DSTWU模型,进行设计计算 ●此时输入参数为:塔板数(或回流比以及最小回流比的倍数)、冷凝器与再沸器的 工作压强、轻组分与重组分的回收率(可以从产品组成估计)、冷凝器的形式 ◆输出参数(得到用于详细计算的数据): ●实际回流比 ●实际塔板数(实际回流比和实际塔板数可以从Reflux Ratio Profile 中做图得到) ●加料板位置(当加料浓度和此时塔板上液体浓度相当时的塔板) ●蒸馏液(馏分)的流量 ●其他 注:以上数据全部是估计得初值,需要按一定的要求进行优化(包括灵敏度以及 设计规定的运用),优化主要在RadFrac模型中进行。 2.详细计算 ◆输入参数: ●输入参数主要来自DSTWU中理论计算的数据 ◆输出参数: ●输出的主要是设计板式塔所需要的水力学数据,尺寸数据等其他数据(主要是通过 灵敏度分析以及设计规定来实现) 3.疑问 ●在简捷计算中:回收率有时是估计值,它对得到详细计算所需的数据可靠性的影响 是不是很大? ●在简捷计算中:有多少个变量,又有多少个约束条件? ●在简捷计算中:为什么回流比和塔板数有一定的关系?

简捷计算(对塔) 1.输入数据: ●Reflux ratio :-1.5(估计值,一般实际回流比是最小回流比的1.2—2倍) ●冷凝器与再沸器的压强:1.013 ,1.123 (压降为0.11bar) ●冷凝器的形式:全冷凝(题目要求)、 ●轻重组分的回收率(塔顶馏出液):0.997 ,0.002 (如果没有给出,可以根据 产品组成估计) ●分析时,注意Calculation Option 中的设置,来确定最佳回流比以及加料板位 置 2.输出数据: ●Reflux Ratio Profile中得到最佳的回流比与塔板数为:塔板数在45—50中选择, 回流比在:0.547 —0.542 ●选定塔板数为:48,回流比为:0.544 ●把所选的塔板数回代计算,得到下列用于RadFrac模型计算的数据(见下图): ● ●从图中可得: 实际回流比为:0.545(摩尔比); 实际塔板数为:48; 加料板位置:33; Distillate to feed fraction :0.578(自己认为是摩尔比,有 疑问??); 馏出液的流量:11673.5kg/h 疑问:进料的流量是怎么确定的,肯定是大于11574kg/h,通过设计规定得到甲醇产量为:11574kg/h(分离要求),求出流量为:16584.0378kg/h。不知道合理否。 通过灵敏度分析得到,进料流量以及压强对计算的实际塔板数没有影响。 通过检验也再次印证:进料流量对详细计算所需的数据没有影响。

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