Models for Column Units 塔设备单元模型

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1 Models for Column Units 塔设备单元模型
Aspen Plus 使用方法 Models for Column Units 塔设备单元模型

2 塔设备单元模型 — 分类 DSTWU Distl RadFrac Extract MutiFrac SCFrac PetroFrac
塔设备(Columns)单元共有9种模块，其中 RateFrac 和 BatchFrac 需要单独的许可证，其余7种可直接使用： DSTWU Distl RadFrac Extract MutiFrac SCFrac PetroFrac

3 DSTWU 简捷精馏（设计） DSTWU 模块用Winn-Underwood-Gilliland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。

4 DSTWU —— 连接 DSTWU 模型的连接图如下：

5 馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关键组分 馏出物中的重关键组分/进料中的重关键组分
DSTWU — 模型参数 DSTWU模型有四组模型设定参数： 4、冷凝器设定 ( Condenser specifications) （1） 全凝器（Total condenser) （2） 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 （Partial condenser with vapor and liquid distillate) 2、关键组分回收率 ( Key component recoveries ) （1）轻关键组分在馏出物中的回收率 馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关键组分 （2）重关键组分在馏出物中的回收率 馏出物中的重关键组分/进料中的重关键组分 1、塔设定 ( Column specifications) （1） 塔板数（Number of stages) （2） 回流比（Reflux ratio) 3、压力 ( Pressure) （1） 冷凝器（Condenser) （2） 再沸器（Reboiler)

6 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
( Reflux ratio vs. Number of theoretical stages ) 2、计算等板高度 ( Calculate HETP )

7 DSTWU — 应用示例 (1) 含乙苯30%w、苯乙烯70%w的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30 C）用精馏塔（塔压0.02MPa ）分离，要求99.8%的乙苯从塔顶排出，99.9%的苯乙烯从塔底排出，采用全凝器。求： Rmin，NTmin，R=1.5 Rmin 时的R、NT和NF。

8 DSTWU — 应用示例 (2) 绘制示例（1）的NT~R关系图，根据该图选取合理的R值，求取相应的 NT、NF、冷凝器和再沸器的温度和热负荷。

9 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：理论板数，加料板位置，回流比，D/F，冷凝器类型。 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。

10 Distl —— 连接 Distl 模块的连接图如下：

11 Distl —— 应用示例 (1) 根据DSTWU示例（2）的结果，选取R=25、NT=61、NF =36 用Distl 进行核算。再选取NF =20进行核算。

12 RadFrac 精密分离模块 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。

13 RadFrac—— 连接 RadFrac模型的连接图如下：

14 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）

15 RadFrac —— 配置 1、塔板数（Number of Stages） 2、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 （Operation Specifications)

16 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（Total） 2、部分冷凝-汽相馏出物
（Partial-Vapor） 3、部分冷凝-汽相和液相馏出物 （Partial-Vapor-Liquid） 4、无冷凝器 (None)

17 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（Kettle）
2、热虹吸式再沸器（Thermosyphon） 3、无再沸器 (None)

18 RadFrac — 配置（有效相态） 有效相态从四个选项中选择一种： 1、汽-液（Vapor-Liquid）
2、汽-液-液（Vapor-Liquid -Liquid ） 3、汽-液- 再沸器游离水 （Vapor-Liquid-FreeWaterCondensor） 4、汽-液- 任意塔板游离水 （Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage）

19 RadFrac — 配置（收敛方法） 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）

20 RadFrac — 配置（操作设定） 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) 8、馏出物/进料比（Distillate to Feed Ratio) 9、冷凝器热负荷（Condenser Duty) 10、再沸器热负荷（Reboiler Duty) 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)

21 RadFrac —— 流股 1、进料流股（Feed Streams） 指定每一股进料的加料板位置。
2、产品流股（Product Streams） 指定每一股侧线产品的出料板位置及产量。

22 RadFrac —— 压力 塔内压力设定有三种方式（View） 1、塔顶/塔底（Top/Bottom） 指定塔顶压力、冷凝器压降和塔压降。
2、压力剖型（Pressure Profile） 指定每一块塔板压力。 3、塔段压降（Section Pressure Drop） 指定每一塔段的压降。

23 RadFrac —— 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。 2、过冷态（Subcooling） 1）过冷选项（Subcooling option） 二选一：回流物和馏出物都过冷/仅仅回流物过冷。 2）过冷指标（Subcooling specification） 二选一：过冷物温度/过冷度

24 RadFrac —— 再沸器 热虹吸再沸器需要进行设定： 1、指定再沸器流量 2、指定再沸器出口条件 3、同时指定流量和出口条件
（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 ）

25 RadFrac — 结果查看 计算结果从三部分查看：
1、结果简汇（Results summary） 2、分布剖形（Profiles） 3、流股结果（Stream results） 1、结果简汇给出塔顶（冷凝器）和塔底（再沸器）的温度、热负荷、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中的分配比率。 2、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。 3、流股结果给出进出的所有流股的工艺和物性参数。

26 RadFrac — 应用示例 (1) 根据DSTWU示例（2）的结果，选取R=25、NT=61、NF =36 ，用RadFrac 进行核算。再选取最佳进料板位置进行核算。

27 RadFrac — 设计指标 RadFrac 模型带有内部的设计指标功能，通过Design Specs和Vary两组参数进行设定。
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关系和自由度必须吻合，否则不能收敛。

28 RadFrac — 应用示例 (2) 如将示例（1）的塔压调到0.01 MPa，全塔压降0.005 MPa，试求满足分离要求所需的回流比和馏出物流量。

29 RadFrac — 塔板效率 RadFrac模型可以设定实际塔板的板效率(Efficiencies)。用户可选用蒸发效率(Vaporization Efficiencies) 或墨弗里效率(Murphree Efficiencies)，并选择指定单块板的效率，单个组分的效率，或者塔段的效率。

30 RadFrac — 应用示例 (3) 如果示例（2）中的精馏段的墨弗里效率为0.45，提馏段的墨弗里效率为0.55，试求满足分离要求所需的塔板数和加料板位置。

31 RadFrac — 报告选项 报告（Report）中有一项对塔板设计非常重要，即性质选项（Property options）里的包括水力学参数（Include hydraulic parameters）选项。另外剖形选项（Profile options）里包括哪些塔板（Stages to be included in report）也很有用。

32 RadFrac — 应用示例 (4) 在示例（3）的基础上选定性质选项中的包括水力学参数，计算后查看结果。

33 RadFrac — 塔板设计 塔板设计（Tray sizing）计算给定板间距下的塔径，共有五种塔板供选用：
1、泡罩塔板（Bubble Cap） 2、筛板（Sieve） 3、浮阀塔板（Glistch Ballast） 4、弹性浮阀塔板（Koch Flexitray） 5、条形浮阀塔板（Nutter Float Valve)

34 RadFrac — 塔板核算 塔板核算（Tray rating）计算给定结构参数的塔板的负荷情况，可供选用的塔板类型与“塔板设计”中相同。
“塔板设计”与“塔板核算”配合使用，可以完成塔板选型和工艺参数设计。

35 RadFrac — 应用示例 (5) 在示例（4）的基础上进行塔板设计和塔板核算，分别选用浮阀塔板和弹性浮阀塔板计算后对比结果。

36 RadFrac — 填料设计 5 种典型的规整填料： 5 种典型的散堆填料：
填料设计（Pack sizing）计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 5 种典型的散堆填料和 5 种典型的规整填料： 5 种典型的规整填料： 1、带孔板波填料（MELLAPAK） 2、带孔网波填料（CY） 3、带缝板波填料（RALU-PAK） 4、陶瓷板波填料（KERAPAK） 5、格栅规整填料（FLEXIGRID） 5 种典型的散堆填料： 1、拉西环（RASCHIG） 2、鲍尔环（PALL） 3、阶梯环（CMR） 4、矩鞍环（INTX） 5、超级环（SUPER RING）

37 RadFrac — 填料核算 填料核算（Pack rating）计算给定结构参数的填料的负荷情况，可供选用的填料类型与“填料设计”中相同。
“填料设计”与“填料核算”配合使用，可以完成填料选型和工艺参数设计。

38 RadFrac — 应用示例 (6) 在示例（2）的基础上进行填料设计和填料核算，分别选用MELLPAK和RALU-PAK计算后对比结果。

39 RadFrac — 吸收计算 吸收计算的设备参数设置： 1）冷凝器和再沸器类型选“None”； 2）气体进料板设置为“N+1”；
3）在收敛（Convergence）项目中将 “Basic”表里的“algorithm”设置为“Standard”及 “ maximum iterations”设置为200， 将“Advance”表里的第一栏 “Absorber”设置为“yes” 。

40 RadFrac — 吸收示例 (1) 摩尔组成为CO2 ( 12%)、N2 ( 23%)和H2 ( 65%)的混合气体（F=1000kg/hr、P=2.9 MPa、T=20 C）用甲醇（F= 60 t/hr、P=2.9MPa、T=-40 C）吸收脱除CO2。吸收塔有30块理论板，在2.8 MPa 下操作。求出塔气体中的CO2浓度。

41 RadFrac — 吸收示例 (2) 在吸收示例（1）的基础上求使出塔气体中的CO2浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量。

42 RadFrac — 吸收示例 (3) 在吸收示例（2）的基础上求使出塔气体中的CO2浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量与理论板数的关系。

43 RadFrac — 吸收示例 (4) 选用10块理论板，求使出塔气体中的CO2浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量以及采用典型塔板和填料时的塔径。

44 RadFrac —脱吸计算 脱吸计算与吸收计算的设备参数设置相同，只是物料初始组成不同。

45 RadFrac —脱吸示例 将吸收示例（4）所得到的吸收富液减压到0.15 MPa进行闪蒸，低压液体再进入脱吸塔在0.12 MPa下用氮气进行气提脱吸，要求出塔贫液中的CO2浓度达到0.1%。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脱吸塔尺寸、压降和负荷情况。

46 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。

47 Extract —— 连接 Extract模块的连接图如下：

48 Extract — 模型参数 Extract 模块有四组基本模型参数： 2、关键组分 ( Key components)
(1) 第一液相( 1st liquid phase) 即比重较大的液相，从塔底出料。 (2) 第二液相( 2nd liquid phase) 即比重较小的液相，从塔顶出料。 1、塔设定 (Specs) 1) 塔板数 (Number of stages) 2) 热状态选项 (Thermal options) (1) 绝热 (Adiabatic) (2) 指定温度剖形 (Specify temperature…) (3) 指定热负荷剖形 (Specify heat duty …) 4、压力 ( Pressure ) 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推决定。 3、物流 ( Streams ) 设置各股侧线物流的加料板和出料板位置。

49 Extract — 萃取示例 (1) 用甲基异丁基甲酮(CH3COC4H9)从含丙酮45%w 的水溶液中萃取回收丙酮，处理量 500 kg/hr。采用逆流连续萃取塔，在 0.12 MPa下操作。求萃取塔理论板数和萃取剂用量对萃余相中丙酮浓度的影响。