第3章 Hysys模擬分離過程

1、第第3章章 hysys模擬分離過程模擬分離過程分離單元的類型I. 閃蒸 II. 精餾 III. 吸收 IV. 萃取 hysys模擬的分離過程模擬的分離過程 分離器： 2 相分離器、 3 相分離器、固體分離器、旋風分離器、真空過濾器、結晶器 塔：吸收解吸、有再沸器的吸收塔、有回流的吸收塔，液 - 液萃取塔、常減壓塔、精餾塔、組分分離器、三相精餾塔（所有塔都能在板上加反應單元進行反應精餾） I.閃蒸(Flash drum) 執(zhí)行給定熱力學條件下的汽 液平衡或汽 液平衡計算， 輸出一股汽相和一股（或兩 股）液相產物。 用于模擬閃蒸器、蒸發(fā)器、氣液分離器 等。 閃蒸單元自由度： 2 閃蒸單元的模型 P

2、V=PL TV=TL yi=kixi (i=1,，c) FFzi=FVyi+FLxi (i=1，c-1) FF=FV+FL hFFF+Q=hVFV+hLFL ki=K(TV,PV,X,Y) (i=1,c) hF=H(TF,PF,Z) hV=H(TV,PV,Y) hL=H(TL,PL,X)TL, PL,FL,x1,xcTV, PV,FV,y1,ycTF, PF,FF,z1,zcQciciciiiizyx111111方程數：3c+9變量數：4c+13自由度：(c+2)+2閃蒸分離操作類型分離器（Separator）多進料口，一個氣相出料口和一個液相出料口多進料口，一個氣相出料口和一個液相出料口在穩(wěn)

3、態(tài)模式下，分離器把容器中的物質分為氣相成分和液相成分三相分離器（3-Phase Separator）多進料口，一個氣相出料口和兩個液相出料口多進料口，一個氣相出料口和兩個液相出料口三個分離器把容器中的物質分為氣相、輕液和重液罐（Tank）多進料口，一個氣相出料口和一個液相出料口多進料口，一個氣相出料口和一個液相出料口平衡閃蒸泡點Bubble P.露點Dew P.閃蒸計算的任務a) 氣液平衡計算包含一股氣相和一股液相，如果體系中存在水，則水作為單獨的一相出料b) 氣液液平衡計算包含一股氣相和兩股液相Flash模型參數 第一規(guī)定： 壓力、溫度 第二規(guī)定： 閃蒸類型(絕熱、等溫、等熵等)或產物規(guī)定

4、可選參數： 產物相態(tài) 熱力學模型 夾帶選項（carry over opitions，模擬真實工，模擬真實工況況）閃蒸類型 絕熱閃蒸：絕熱或指定熱負荷下的汽液平衡狀態(tài) 等溫閃蒸：指定溫度下的汽液平衡狀態(tài) 露點閃蒸：指定壓力下的露點溫度 泡點閃蒸：指定壓力下的泡點溫度 等熵閃蒸：等熵變化后的溫度、壓力和所需要的熱負荷理想分離器和實際分離器的區(qū)別 理想分離器 認為氣液相是完全分離的。 實際分離器 分離并不完全，液體能夾雜在氣體中或者液體中液包含氣體 近年來多使用增加容器內部構件（例如，金屬網墊，葉片包，堰）的方法來減少夾雜的液體量和氣體量。 hysys Design 中默認的分離器是理想分離器 實際

5、分離器有許多優(yōu)點： 夾帶選項（carry over opitions）可以使模型與過程質量平衡或分離器設計參數相匹配 可以預測進料相位分別的影響、進料工況、容器形狀、進出口夾帶 對出口物流進行P-H 閃蒸來測定出口的工況和相位 閃蒸的壓力是最小進口壓力減去容器中的壓降 焓值是進口的焓加上負荷（加熱時，負荷是正值；冷卻時負荷是負值）。氣液出口壓力=進口壓力-DP氣出口壓力=進口壓力-DP-DP2220 kPa220-14 kPa220-14-4 kPa220-14 kPa分離器的三個選項Flash 應用示例（1） 流量為 1000 kg/hr 壓力為 0.11 MPa 含乙醇 70%、水30%w

6、的飽和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽液比（w）=1/3。 求離開冷凝器的汽、液兩相的溫度和組成。 （增加一個cooler, 一個Separtor，一個ADJ調節(jié)cooler的出口溫度，使Seperator的氣相與液相的質量比為1:3）Flash 應用示例（1） 液相： 活度系數方程 NRTL,Wilson,等 氣相： 狀態(tài)方程SRK, P-R等Flash 應用示例（2） 流量為 1000 kg/hr 壓力為 0.5 MPa 溫度為 120、含乙醇70%w、水30%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。 II 精餾 當體系中的化學組分沸點相

7、差較小，或不具有其它易于分離的性質時，須采用精餾的方法。 其它的分離方法包括：吸收、萃取、吸附 模擬傳質設備的兩個關鍵點：(1)熱力學(2)收斂問題精餾原理 精餾是分離液體混合物的單元操作，是利用混合物中各組分揮發(fā)度的差異,并借助回流的工程手段，實現(xiàn)組分的分離常規(guī)精餾塔自由度獨立變量數目總塔板數 (N)1進料位置 (NF)1進料條件(F,TF,PF,xi)c+2操作壓力(P)1再沸器負荷(QB)1冷凝器負荷(QC)1可調變量總數(c+2)+2+3QCRD,xDi1B,xBiF,TF,PF,ziQBN自由度：5必給，必給，3：理論板數、進料位置、壓力：理論板數、進料位置、壓力默認（可更換）默認（

8、可更換）, 2：回流比、塔頂餾出率：回流比、塔頂餾出率 精餾計算模型 精餾模擬方法： 平衡級模型 主流模型 非平衡級模型 ASPEN RateFrac模型hysys的精餾計算A. 組分分離器B.簡捷精餾 C. 嚴格精餾 D. 側線精餾 E. 塔板計算：塔板設計和塔板核算 F. 填料塔計算：填料設計和填料核算 嚴格塔的類型塔的基本類型（Basic Column Types）圖標（Icon）描述（Description）吸收塔（Absorbor）僅有塔板液液萃取塔(Liquid-Liquid Extractor)僅有塔板再沸吸收塔（ReboiledAbsorber）塔板和塔底部再沸器回流吸收塔(R

9、efluxed Absorber)塔板和塔頂冷凝器精餾塔(Distillation)塔板并有再沸器和冷凝器三相精餾塔(Three Phase Distillation)塔板，三相冷凝器，再沸器。冷凝器可以設定是化合物或烴類預設復雜塔的類型復雜塔的基本類型（Complex Column）描述（Description）3 側線原油塔(3 Sidestripper Column)塔板部分，再沸器，冷凝器，3 個側氣提塔，以及3 個附屬的循環(huán)泵系統(tǒng)4 側線原油塔(4Sidestrippe Column)塔板部分，再沸器，冷凝器，1 個塔頂的再沸氣提塔，3 個側氣提塔，以及3 個附屬的循環(huán)泵系統(tǒng)FCCU

10、 主分離器(FCCU Main Fractionator)塔板部分，冷凝器，1 個塔上部的回流和產品采出系統(tǒng)的泵，一個位于塔中部的有兩股產品物料的側氣提塔，1 個塔的底部回流和產品采出系統(tǒng)的泵減壓塔(Vacuum Reside Tower)塔板系統(tǒng)，2 個側線產品采出以及回流的泵系統(tǒng)，閃蒸區(qū)下面的一個清洗油冷物料部分預設塔的模板A. 組分分離器（Component Splitter） 進料物流按照所設定的參數和分離器分數被分成了兩個組分物流，必須要設定從組分分離器中出來進入到頂部的產品物流的每個進料組分的分數 使用組分分離器可以完成更接近專業(yè)和非標準的分離過程，而這些過程在hysys中其他地方

11、是無法處理的。 理論（Theory） 組分分離器可以滿足每個組分的物料平衡： fi = ai + bi其中： fi=進料的ith 組分的摩爾流量 ai=頂部ith 組分的摩爾流量 bi=底部ith 組分的摩爾流量A. 組分分離器（Component Splitter）A. 組分分離器（Component Splitter）A. 組分分離器（Component Splitter）B. 簡捷精餾(shortcut)設計要求：含乙苯(C8H10)30%m(L)、苯乙烯(C8H8)70%m(H) 的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30）用精餾塔分離，要求 99.8% 的乙苯從塔

12、頂排出， 99.9%m 的苯乙烯從塔底排出參數?： 操作壓力 理論板數 進料位置 回流比 組分回收率 產品純度 塔徑 能耗 簡捷精餾(shortcut) 用全回流塔進行用全回流塔進行 Fenske-Underwood 精餾計算精餾計算 可以計算塔板的最小Fenske 塔板數以及最小的Underwood 回流比。 使用設定的回流比計算富集和抽提工段中汽體和液體的流動速率，冷凝器負載和再沸器負載，理想的板的數量，以及最佳進料位置。 全回流塔只是塔性能的估計并受到簡單的回流塔的限制。對于更多的實際的結果要使用嚴格的塔選項，這些操作僅可以為大多數的簡單的塔提供初始估計值Shortcut連接 Short

13、cut模型的連接圖如下： Shortcut 應用示例 含乙苯(C8H10)30%m(L)、苯乙烯(C8H8)70%m(H) 的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30）用精餾塔（塔壓 0.02 MPa(a) 分離，要求塔頂乙苯的濃度大于99.8%m， 塔底苯乙烯濃度大于99.9%m。塔頂采用全凝器。求： (1) Rmin，NTmin ; (2) R=1.5Rmin時的R、NT和NF C 嚴格精餾(Distillation) Distillation模塊同時聯(lián)解物料平衡、 能量平衡和相平衡關系，用逐板計 算方法求解給定塔設備的操作結果。 Distillation模塊可用于精確

14、計算精餾 塔、吸收塔（板式塔或填料塔）、 萃取塔的分離能力和設備參數。 平衡級 平衡級模型基于兩個基本假設： 每塊塔板上的液體和塔板間的氣體是完全混合的，具有均勻的溫度和組成； 離開每塊塔板的液體和氣體都處于相平衡平衡級 任何一平衡級（或理論板）為基礎的嚴格精餾算法包含以下基本方程組：1)物料平衡方程組(M)2)相平衡方程組(E)3)摩爾分數加和式(S)4)熱平衡方程組(H) MESH方程組Distillation 應用示例 (1)對下列精餾問題規(guī)定，計算產物組成、級溫、級間汽相液相流量和組成、再沸器熱負荷和冷凝器熱負荷。進料（250psia下的泡點液體）：組分 lbmol/h乙烷 3.0丙烷

15、 20.0正丁烷 37.0正戊烷35.0正己烷5.0塔壓：250psia, 全凝器和部分再沸器餾出液流量：23.0lbmol/h,回流量：150lbmol/h平衡級數（不包括冷凝器和再沸器）= 15,進料在中間級進塔250psia下的該系統(tǒng)，K值和焓可用Soave-Redlich-Kwong方程計算輸入專家系統(tǒng)1輸入專家系統(tǒng)2輸入專家系統(tǒng)3輸入專家系統(tǒng)4Design 界面設計規(guī)定更改主流程圖和子流程圖的概念嚴格精餾模塊模型設定1) 壓力分布(Pressure profile)2) 進出流股(Feeds and products)3) 收斂判據 (Convergence data)4) 熱力學模

16、型 (Thermodynamic systems)5) 冷凝器 (Condenser)6) 側線加熱器/冷卻器 (Side-heaters and Coolers)7) 泵循環(huán) (Pumparounds)8) 塔板效率 (Tray efficiency)9）求解算法 (Algorithm)1) 壓力分布(Pressure profile)2)進出流股(Feeds and Products)l加料板位置3)收斂判據 (Convergence data)收斂計算阻尼因子默認值：1穩(wěn)定性較差的流程或單元，可取01之間收斂允許誤差 默認值： 物料平衡：1105 能量平衡：51044)熱力學模型 (Th

17、ermodynamic systems) 整塔使用同一個熱力學模型 不同的塔板指定不同的熱力學模型5)冷凝器 (Condenser)冷凝器配置從四個選項中選擇一種：1、分凝器（Partial）露點2、泡點溫度（Bubble point）泡點3、過冷冷凝（Subcooled，F(xiàn)ixed temperature）（Subcooled，F(xiàn)ixed temperature drop）6)側線加熱器/冷卻器(Side-heaters and Coolers) 可為每塊塔板指定側線加熱或冷卻的熱負荷每塊塔板的熱損失每塊塔板的Flash zone7)泵循環(huán) (Pump Arounds) 作用：從塔板移走熱量

18、，可調節(jié)塔內汽液兩相的流量，是塔內部汽液兩相流量的主要控制點?？梢?guī)定的參數：流量和熱負荷流量和絕熱流量和回流條件熱負荷和回流條件8)塔板效率 (Tray efficiency)Murphree modelVaporization modelyi = ci Ki xiEquilibrium modelyi = (Ki 1)Eeq + 1xi 全塔效率：全塔效率：Eeq=NT/Nyi - yi+1yi * - yi+1Ki 對大多數帶冷凝器和再沸器的精餾塔，通常的塔效率為6575% 在低回流比下，分離效果對模型中的塔板數不敏感 冷凝器模擬為1塊塔板、 再沸器視情況而定（1塊或2塊）Pumparou

19、nds 通常模擬為2塊塔板9）求解算法 (Algorithm)六種求解算法：a) Legacy Inside-Out 法法b) Modified Inside-Out 法法c) Newton-Raphson I/O法法d) Sparse Continuation Solvere) Simultaneous Correctionf) OLE SolverMethod（方法）（方法）Explanation（解釋）（解釋）Legacy Inside-Out通用方法，對大多數問題是有用的Modified Inside-Out通用方法，允許更改塔子流程圖中混合器，三通管，和熱交換器Newton Raph

20、son Inside-Out通用方法，允許塔子流程圖中液相運動學的反作用力Sparse Continuation Solver一個基于求解器的方程，它支持塔板上兩個液相，主要用于求解高度非理想化的化學系統(tǒng)和反應精餾Simultaneous Correction同步校正使用折線方法，適合化學系統(tǒng)，這個方法同樣支持反應精餾OLI Equlibrium只用于在電解質系統(tǒng)中計算塔操作單元OLI Rate-based Solver只用于在電解質系統(tǒng)中計算塔操作單元a)內外層迭代法(I/O Method) 平衡級模擬計算中最復雜和最費時的是平衡常數和物流熱焓的計算，內外層法的基本思想是先將這些復雜而費時的

21、計算內容簡化，將這些簡化模型用于主體（即內層循環(huán)）計算，而再外循環(huán)中則采用嚴格的熱力學模型對簡化模型的模型參數進行更新，這樣即構成兩重迭代循環(huán)。也稱為雙層法或局部模型法。 適用于汽液平衡常數與組分基本無關的情況a)內外層迭代法(I/O Method)優(yōu)點：計算速度度對初始始測值相對不敏感附塔與主塔同時求解可使用熱熱吸式再沸器 缺點：只能包含一個液相（水可在冷凝器凝去）對高度非理想性體系求解較解較不允許完全泵循環(huán)(Total Pumparounds)b) Enhanced I/O法 支持完全液相或氣相側線出料 支持完全泵循環(huán) 支持再任何塔板上存在自由水相或水傾析求解方法一般特征當某種方法用默認的

22、迭代次數不能收斂時1)可以規(guī)定更多的迭代次數2)可以利用阻尼因子(damping factor)限制該法在兩次迭代間對未知變量始測值所作的改變，以避免過大的振蕩3)可以改變各未知量的初始始測值精餾模型功能： 確定所需的平衡級數與回流比 選擇適宜的氣液接觸方法（塔板、填料） 確定對應于一定的加料和出料位置所需的實際塔板數或填料高度 確定塔的直徑 確定可能會影響塔操作的其它因素Distillation 應用示例 (2) 如果上述精餾塔操作改為從由塔底算起的第四級抽出流量為37.0lbmol/h的汽相側線物流，則操作結果如何？III 吸收 根據混合物各組分再某種溶劑中溶解度的不同而達到分離的目的。自由度？0吸收模型設定選用Distillation模塊，不設置冷凝器和再沸器；原料氣體從塔底進入，吸收液從塔頂進入吸收應用示例(1) 摩爾組成 CO2 (12%m)、N2 (23%m)和H2 (65%m) 的混合氣體的混合氣體（F=1000kg/hr、P=2.9 MPa、T=20）用 甲 醇（ F= 60 t/hr、P=2.9MPa、T=-40） 吸收脫凝 CO2。 吸收塔有 30