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第四讲 分离单元的仿真设计(一)

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Thank you
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。

单元仿真说课讲义

单元仿真说课讲义
VX1V101
液相原料进料的基本方式、离心
泵的工作原理、工作点和气蚀气 缚、仪表DCS控制等。因此， 整个教学过程可分为：理论和实 践教学两个方面.
AI 1001
VI3P101A
PI 1003
FV1001B
润滑油
排液 VI1P101A
VO1P101A
VX1P101A
P101A 泄液 排气 PI 1004 AI 1002
PIC 1001
PV1001BI
进气
LV1001B PV1001AO PV1001AI FV1001I PV1001AB
FIC 1001
V101
LV1001I LV1001O FV1001O
LIC 1001
排气 PI 1002
VX1V101
AI 1001
VI3P101A
PI 1003
FV1001B
润滑油
VI3P101B
PI 1005
润滑油
VO1P101B
VI1P101B VX1P101B
P101B 泄液
三、教学思路及设计理念
(一）理论部分：
1、液相原料进料设计的作用和目的 主要目的是保证进料的连续性和稳定性。 主要从两个方面考量：进料的稳定性和压力的稳 定性。 2、离心泵的工作原理和气蚀、气缚现象原因分 析等 （1）工作原理：包括吸液和排液过程。 （2）气蚀的发生：负压情况下的液相气化； （3）气缚的发生：泵壳内存在气相等； （4）化工生产过程中，若发生气蚀、气缚等事 故的基本解决思路。 3、仪表DCS方面 （1）控制阀设计为副线的原因 目的是保证在调节阀失控制情况下维持正常生 产。 （2）什么是DCS 讲解内容包括：DCS的定义、原理、控制手段、 手动自动和串级的作用原理、复杂控制原理等。

第4讲-分离模块

第4讲-分离模块

单程热虹吸式再沸器：
1块塔板、有或无折流板
循环热虹吸式再沸器：
构造相对简单 易于控制 2块塔板、无折流板
选择性热虹吸式再沸器：
• 在保持构造简单、易于操作的同时提高 了板效率。 2块塔板、有折流板
6)冷凝器 (Condenser)
冷凝器配置从四个选项中选择一种： 1、分凝器（Partial）露点 2、泡点温度（Bubble point）泡点 3、过冷冷凝
流量为 1000 kg/hr、压力为 0.5 MPa 温度为120 ℃ 、含乙醇70 %w 、水30 %w的物料绝热闪蒸到0.15 MPa。求离开闪蒸器的汽、液两相的 温度、流量和组成。
Flash —应用示例（3） 应用示例（3）
• 流量为 1000 kg/hr、压力为 0.2 MPa 温度为20 ℃ 、含丙酮30 %w、 水70 %w的物料进行部分蒸发回收丙 酮，求丙酮回收率为90%时的蒸发器 温度和热负荷以及汽、液两相的流 量和组成。 如何规定丙酮回收率？
最小回流比
需指出重关键组分、轻关键组分 规定实际回流比/最小回流比值 或实际塔板数/最少塔板数比值
Fenske 估计值
• 提供Fenske塔板数的初始估计值，如果 要输入其确切值，则应在Specification 中指定
⎡⎛ d LK ⎞⎛ bHK lg ⎢⎜ ⎟⎜ ⎜ b ⎟⎜ d ⎝ LK ⎠⎝ HK = ⎣ lg(α LK , HK ) ⎞⎤ ⎟⎥ ⎟ ⎠⎦
Chemical
• 多次计算塔板一系列的绝热闪蒸生成组 分分布的较好的初始值 • 适用于：共沸精馏、萃取精馏和反应精 馏等场合
Electrolytic
• 塔板上组分等摩尔分率通过在每块塔板 上连续闪蒸计算得到 • 适用于：存在含水的电介质体系

第四讲 分离单元的仿真设计(一)

第四讲 分离单元的仿真设计(一)

Decanter — 模型参数（2）
Decanter — 模型参数（3）
Decanter 模块的模型参数有 3 组：
2、关键组份 ( Key Component) 指定关键组份后，含关键组份摩尔 分率大的液相作为第二液相。 如未指定关键组份，则密度大的液 相作为第二液相。
Decanter — 模型参数（4）
从以上 4 个参数中选定 2 h3 — 模型参数（3）
Flash3 的模型参数有 3 组：
2、关键组份 ( Key Component) 指定关键组份后，含关键组份 摩尔分率大的液相作为第二液相。 如未指定关键组份，则密度大 的液相作为第二液相。
Flash3 — 模型参数（4）
乙醇
正丙醇 水
0.96 : 0.02 : 0.01 : 0.01
0.01 : 0.95 : 0.02 : 0.02 0.01 : 0.02 : 0.03 : 0.94
正丁醇 0.01 : 0.05 : 0.92 : 0.02 求输出物流组成。
Sep2—两出口组份分离器
Sep2 模块可以接受多股
输入物流，输出两股物流，并 把输入混合物中的各个组份分 别按照指定的比例或浓度分配 到输出物流中去。
Sep2—两出口组份分离器（2）
Sep2—两出口组份分离器（3）
Sep2 模块可以设定分配给
各输出物流的流量 (Flow)/ 流量分 率(Split fraction)、各个组份的流 量 / 流量分率、以及摩尔分率 / 质 量分率。可自由设定的参数个数 由物料平衡自由度决定。
Sep2—两出口组份分离器（4）
Flash3 — 应用示例（3）
在示例（2）中分别设置
乙醇和己烷为关键组份，观察

第讲 反应器单元仿真设计一

第讲 反应器单元仿真设计一

第讲反应器单元仿真设计1. 背景反应器单元是化工过程中一项十分重要的设备。

为了保证其安全性和效率，设计师需要对其进行仿真分析。

反应器仿真分析是指使用计算机软件对反应器单元内部的物质、能量、动量传递过程进行模拟和计算，从而得到反应器的各种性能参数和工艺条件，比如反应器的温度、压力、物质流量等，以及反应器内部物质及能量传递的特性。

反应器单元的仿真设计是一项较为复杂的工作，需要用到化工工程、材料工程、物理学、数学等多个领域中的理论知识，同时还需要运用专业的仿真软件进行分析和计算。

2. 反应器单元模型在进行反应器单元的仿真设计之前，需要先建立反应器的模型。

反应器单元的模型，一般分为三个部分：输入部分、反应部分和输出部分。

输入部分主要是指反应物料的投入和反应所需的物理条件，如温度、压力等；反应部分主要是指反应过程的物理化学模型；输出部分就是对反应器单元进行模拟分析后得到的反应物料和条件的结果。

反应器单元的模型一般可以按照以下步骤来建立：1.确定反应物2.确定反应模型及反应机理3.确定物理模型及物理机理4.建立数学方程组5.数值计算针对不同的反应器单元，建立的模型有差异。

例如，对于流态床反应器，其模型通常分为两种类型：物料流动模型和催化反应模型；而对于管式反应器，其模型则通常包括质量守恒、能量守恒和动量守恒三个方程。

3. 反应器单元仿真软件反应器单元的仿真如何实现呢？这时就需要用到专业的反应器单元仿真软件。

反应器单元仿真软件可以对反应器单元模型进行分析和计算，并且能够模拟不同条件下的物质流动、反应过程等，帮助工程师确定最优工艺条件，提高反应器单元的效率和安全性。

目前较为常用的反应器单元仿真软件有：Aspen Plus、Hysys、Pro/II等。

这些软件可以对不同类型的反应器单元进行模拟，如批式反应器、型反应器、流态床反应器等。

4.反应器单元的仿真设计是化工工程中重要的组成部分，具有十分重要的意义。

反应器单元的仿真需要建立反应器的模型，并运用专业的仿真软件进行分析和计算。

分离单元的仿真设计

分离单元的仿真设计

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 精密分离模块（2）
RadFrac—— 连接
RadFrac 模块的连接图如下：
RadFrac —— 流股
进料流股（Feed Streams） 指定每一股进料的加料板位置。 产品流股（Product Streams） 指定每一股侧线产品的出料板位置及产量。 在流股表单中设置以下参数：
RadFrac——流股（2）
RadFrac —— 压强
从三种方式（View）中选择一种
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。
8、馏出物/进料比（Distillate to Feed Ratio)
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。
9、冷凝器热负荷（Condenser Duty)
再沸器热负荷（Reboiler Duty)
RadFrac—配置 (操作设定) (2)
RadFrac—配置 (操作设定) (3)
冷凝器（Condenser）
添加标题
再沸器（Reboiler）
添加标题
有效相态（Valid Phase）
添加标题
收敛方法 （Convergence)
添加标题
操作设定 （Operation Specifications)
添加标题
配置表单包含以下项目：
RadFrac —— 配置（2）
RadFrac — 配置（冷凝器）

精馏分离的仿真设计


(5) 操作设定
操作设定从十个选项中选择：
1、回流比（Reflux Ratio）
2、回流速率（Reflux Rate）
3、馏出物速率（Distillate Rate)
4、塔底物速率（Bottoms Rate) 5、上升蒸汽速率（Boilup Rate)
操作设定从十个选项中选择：
6、上升蒸汽比（Boilup Ratio) 7、上升蒸汽/进料比（Boilup to Feed Ratio)
(Both reflux and liquid distillate are subcooled)
/仅仅回流物过冷 (Only reflux is subcooled) 2）过冷指标（Subcooling specification） 过冷物温度 (Subcooled temperature) /过冷度 (Degrees of subcooled)
(8) 冷凝器
冷凝器设定有两组参数：
1、冷凝器指标（Condenser Specification） 仅仅应用于部分冷凝器。只需指定冷凝温度 （Temperature）和蒸汽分率（Vapor Fraction）两个参数之一。
冷凝器设定有两组参数：
2、过冷态（Subcooling） 1）过冷选项（Subcooling option） 回流物和馏出物都过冷
塔设备单元模型 — 分类
塔设备(Columns)单元共有9种模块：
1. 2. 3. 4. DSTWU Distl RadFrac Extract
5. 6. 7. 8. 9.
MultiFrac SCFrac PetroFrac RateFrac BatchFrac
DSTWU
简捷精馏（设计）
DSTWU 模块用Winn-UnderwoodGilliland简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。

培训教程(有限元仿真分析 )(4)


五 载荷与边界条件
惯性载荷
1．加速度：Acceleration
2．重力加速度：Standard earth Gravity
♣施加在整个喂型上，单位是长度比上时间的平方。 ♣加速度可以定义为分量或矢量的形式。 ♣物体运动方向为加速度的反方向。
3．角加速度：Rotational Velocity
♣根据所选的单位制系统确定它的值。 ♣重力加速度的方向定义为整体坐标系或局部坐标系的其中一个坐标轴方向。 ♣物体运动方向与重力加速度的方向相同。 ♣整个模型以给定的速率绕轴转动。 ♣以分量或矢量的形式定义。 ♣输入单位可以是弧度每秒(默认选项)，也可是度每秒。
与面正交的方向施加在面上，指向面内为正，反之为 负。单位是单位面积的力。
2．静水压力：Hydrostatic Pressure
在面(实体或壳体)上施加一个线性变化的力，模拟结构 上的流体载荷。流体可能处于结构内部或外部，另外还需 指定：加速度的大小和方向、流体密度、代表流体自由面 的坐标系。壳体则需要指定顶面/底面。
四 连接关系
接触类型
对于理想无限大的Knormal , 零穿透. 但对于罚函数法， 这在数值计算中是不可能，但是只要Xpenetration 足够 小或可忽略，求解的结果就是精确的。
四 连接关系
接触类型
Pure Penalty 和Augmented Lagrange 公式使用积分点探测，Normal Lagrange 和MPC 公式 使用节点探测(目标法向)。节点探测在处理边接触时会稍好一些，但是，通过局部网格细化， 积分点探测也会达到同样的效果。
四 连接关系
信息检查
四 连接关系
连接矩阵图
信息检查
颜色标签
五 载荷与边界条件

李彩虹-化工分离工程04[1]

二端： 1 级： xi , j -1 xi , 0 另外： 不存在 不存在 A1 0 CN 0 N 级： Vi , j +1 Vi , N +1
m 1 1 j N
j
G1、U N 为零
（4 - 18）为： 1级： B1 xi ,1 + C1 xi ,2 D1 2级： A2 xi ,1 + B2 xi ,2 + C 2 xi ,3 D2 j级：A j xi , j -1 + B j xi , j + C j xi , j +1 D j N - 1级：AN -1 xi , N -2 + B N -1 xi , N -1 + C N -1 xi , N D N -1 N级：AN xi , N -1 + B N xi , N D N
∴ MESH方程有解
Ni 的指定方法： 对操作型计算
N x 的指定： Fj zi , j TFj PFj P j N N (C - 1) N N N N (C + 3) N a 的指定： Gj U j Qj N -1 N -1 N N 1 3N - 1
Ni N x + Na [ N (C + 3)] + [3 N - 1] N (C + 6) - 1
i , r x i ,r i ,r x i ,r
yi , j K i , j xi , j
1. 若x i , D 估计较正确 由x i , D yi， x i， yi， x i， 1 1 2 2 若x h,n x h,W 且 x l ,n x l ,W 时， 计算停止，n为最底板（再沸器）。
回流比

AspenPlus精馏分离的仿真设计


(4) 收敛方法
体系收敛方法从六个选项中选择一种： 1、标准方法（Standard） 2、石油/宽沸程（Petroleum/Wide-Boiling） 3、强非理想液相（Strongly Non-ideal Liquid） 4、共沸体系（Azeotropic） 5、深度冷冻体系（Cryogenic） 6、用户定义（Custom）
(9) 再沸器
如选用了热虹吸再沸器，则需要进行设置：
1、指定再沸器流量 （Specify reboiler flow rate） 2、指定再沸器出口条件 （ Specify reboiler outlet condition） 3、同时指定流量和出口条件 （Specify both flow and outlet condition ）
１ 过冷液体 q>1；２ 饱和液体 q=1 ；３ 气液混合物 q<1 ； ４ 饱和蒸气=0；５ 过热蒸气<0。
RadFrac 严格精馏模块
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。
5. 6. 7. 8. 9.
MultiFrac SCFrac PetroFrac RateFrac BatchFrac
DSTWU 简捷精馏（设计）
DSTWU 模块用Winn-UnderwoodGilliland简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。
（11）分布剖形 Profile
分布剖形给出塔内各塔板上的温度、 压力、热负荷、相平衡参数，以及每一相态 的流量、组成和物性。据此可确定最佳加料 板和侧线出料板位置。
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股物流，并把输入混合物中的各个组份分别按 照指定的比例或浓度分配到输出物流中去。
Sep2—两出口组份分离器
设定分配给各输出物流的流量(Flow)/流量分率(Split fraction)、 各个组份的流量/流量分率、以及摩尔分率/质量分率
Sep2 — 应用示例（1）
从F= 500 kg/hr、P= 0.15 MPa、T= 20 ℃、含 乙醇 60 %w、正丙醇 25%w、正丁醇 15 %w 的物 流中回收乙醇，要求： 1. 乙醇浓度达到 98%w 、正丁醇含量不大于 1%w; 2. 乙醇回收率达到 95%。 求输出物流的组成和流量。
Flash3 —— 连接
Flash3 的连接图如下：
Flash3 — 模型参数
闪蒸设定 压力 蒸汽分率 温度 热负荷
选2个
Flash3 — 模型参数
1. 指定关键组份后，含关键组份摩尔 分率大的液相作为第二液相。 2. 如未指定关键组份，则密度大的液 相作为第二液相。
Flash3 — 模型参数
液沫夹带
Flash3 — 应用示例（1）
流量为 1000 kg/hr、压力为 0.11 MPa、 含乙醇 30 %w、正己烷 30%w、水 40 %w 的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝 物流的汽/液比（摩尔）=1/9( 0.1,等压)。求 离开冷凝器的汽、液、液三相的温度、质量 流量和组成。
规定
指定每个组份在各股输 出物流中的分率或流量
Sep — 模型参数
指定输入物流混合后的闪蒸压力和有效相态
进料闪蒸
Sep — 模型参数
指定每一股输出物流的闪蒸压力、温度、气相分率和有效相态
出口闪蒸
估算
Sep — 应用示例（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 股输出物流，各组份在输出物流中的分配比例为：
乙醇
正丙醇 水
0.96 : 0.02 : 0.01 : 0.01
0.01 : 0.95 : 0.02 : 0.02 0.01 : 0.02 : 0.03 : 0.94 最后一股不要输入
正丁醇 0.01 : 0.05 : 0.92 : 0.02 求输出物流组成。
Sep2—两出口组份分离器
Sep2 模块可以接受多股输入物流，输出两
Flash2 两相闪蒸器
进行给定热力学条件下汽-液平 衡或汽-液-液平衡计算，输出一股 汽相和一股液相产物。用于模拟 闪蒸器、蒸发器、气液分离器等
Flash2 —— 连接
Flash2 模块的连接图如下：
Flash2 — 模型参数
液相被带入汽相中的分率
闪蒸设定 选项 液沫夹带
压力 蒸气分率 温度 热负荷
任选 2 个 1个
有效相态 汽-液相 4选 汽-液-液相 汽-液-游离水相 汽-污水
Flash2 — 应用示例（1）
流量为 1000 kg/hr、压力为 0.11 MPa、含乙醇 70 %w、水 30 %w的 饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝， 冷凝物流的汽 /液比（摩尔）=1/3。求 离开冷凝器的汽、液两相的温度和组 成。
Flash3 —
三相闪蒸器
Flash3 模 块 执 行 给 定 热
力学条件下的汽 - 液 - 液平衡计 算，输出一股汽相和两股液相 产物。用于模拟闪蒸器、蒸发 器、液-液分离器、汽-液-液分 离器等。
Flash3 —
三相闪蒸器
Flash3 模块执行给定
热力学条件下的汽 -液 -液平 衡计算，输出一股汽相和 两股液相产物。用于模拟 闪蒸器、蒸发器、液 - 液分 离器、汽-液-液分离器等。
Flash2 — 应用示例（2）
流量为 1000 kg/hr、压力为 0.5 MPa 温度为 120℃、含乙醇 70 %w 、水 30 %w的物料绝热闪蒸到 0.15 MPa 。求离开闪蒸器的汽、液两相 的温度、流量和组成。
Flash2 — 应用示例（3）
流量为 1000 kg/hr、压力为 0.2 MPa 温度为20℃ 、含丙酮 30%w、 水 70%w的物料进行部分蒸发回收丙 酮，求丙酮回收率为90%时的蒸发器 温度和热负荷以及汽、液两相的流量 和组成。
Sep2 — 应用示例（2）
同示例（1），如果分离过程是在精 馏塔中实现，塔顶出料是 0.11 MPa 的饱 和蒸汽，塔底出料是 0.13 MPa 的饱和液 体，求输出物流的温度和体积流量。
Flash3 — 应用示例（2）
F= 500 kg/hr、P= 0.8 MPa、T=100 ℃ 含乙醇 70 %w、水 30 %w的物流与F= 500 kg/hr 、 P= 0.8 MPa 、 T=70 ℃ 含 正 己 烷 60%w、乙醇 40 %w的物流在闪蒸器中混 合并绝热闪蒸到P= 0.11 MPa，求离开闪蒸 器的汽、液、液三相的温度、质量流量和 组成。
第七讲
Simulation Design of Separation Processes
分离单元的仿真设计
(一)
分离单元的仿真设计
分离单元包含两大模块
塔设备模块 简单分离模块
简单分离单元模型
简单分离模块包含五个模块
两相闪蒸器 三相闪蒸器
倾析器
组份分离器 两出口组份分离器
两出口组份分离器 两相闪蒸器 三相例（3）
在示例（2）中分别设置
乙醇和己烷为关键组份，观察
输出结果有什么变化。
Sep —— 组份分离器
Sep 模块可以接受多股输入物流，输出多股物
流，并把输入混合物中的各个组份分别按照指定的 比例分配到每一股输出物流中去。
Sep —— 连接
Sep 模块的连接图如下：
Sep — 模型参数