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Aspen精馏过程模拟


4 精馏过程模拟

第1页

例题-环己烷生产
?目的:创建一个流程来模拟环己烷生产过程 ?环己烷可以用苯加氢反应得到,反应如下: ? C6H6 苯 + 3 H2 氢气 = C6H12 环己烷

?在进入固定床反应器前,苯和氢气进料与循环氢气和环己烷混合。 假设苯转化率为 99.8%。 ?反应器出料被冷却,轻

气体从产品物流中分离出去。 部分轻气体作 为循环氢气返回反应器。 ?从分离器出来的液体产品物流进入蒸馏塔进一步脱除溶解的轻气体, 使最终产品稳定。部分环己烷产品循环进入反应器,辅助控制温度。

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例题-环己烷生产模拟流程图
C6H6 苯
Total flow = 330 kmol/hr T = 50 C P = 25 bar Molefrac H2 = 0.975 N2 = 0.005 CH4 = 0.02

+

3 H2 氢气

=

C6H12 环己烷
PURGE

去流股 H2RCY的流量为92%

H2RCY

VFLOW

H2IN

VAP FEED-MIX RXIN
T = 150C P = 23 bar

REACT HP-SEP RXOUT
T = 200 C Pdrop = 1 bar Benzene conv = 0.998 T = 50 C Pdrop = 0.5 bar

LTENDS
Stages = 12 Reflux ratio = 1.2 Bottoms rate = 99 kmol/hr 只有气体馏出物 的部分冷凝器 P = 15 bar Feed stage = 8

BZIN
T = 40 C P = 1 bar Benzene flow = 100 kmol/hr

CHRCY LFLOW

COLFD
去物流 CHRCY的流量为30%

PRODUCT

用 RK-SOAVE 物性方法

COLUMN

完成后另存为: 文件名: CYCLOHEX.BKP 第3页

4.1 单元操作模型 -- 塔-简捷塔
模型 说明 目的 确定最小回流比, 最小 理论板数, 和用 WinnUnderwood-Gilliland 方 法得到的实际回流比或 实际塔板数 用途 带有一个进料物流和两个 产品物流的塔

DSTWU 简捷法蒸馏 设计

Distl

简捷法蒸馏 核算 石油馏分的 简捷法蒸馏

用 Edmister 方法在回流 带有一个进料物流和两个 比、理论板数和D:F比 产品物流的塔 的基础上确定分离 用分离指数确定产品的 复杂塔, 例如原油加工装 组成和流量, 每段的塔 置和减压塔 板数,负荷

SCFrac

第4页

4.1 单元操作模型 -- 塔-严格塔
模型
RadFrac

说明 严格分馏

目的 单个塔的严格核算和设 计

用法 蒸馏, 吸收, 汽提, 萃取和恒沸蒸馏, 反应蒸馏 热集成塔, 空气分离器, 吸收塔/汽 提塔 结合, 乙烯主分馏塔/急冷塔 组合, 石油炼制 预闪蒸塔, 常压原油单元, 减压单元 , 催化裂解塔 或焦碳分馏塔, 减压 润滑油分馏塔, 乙烯分馏塔和急冷 塔 一般恒沸蒸馏, 3-相, 和反应间歇蒸 馏

MultiFrac

复杂塔严格 多级塔和复杂塔的严格 分馏 核算和设计

PetroFrac

石油炼制分 石油炼制应用的严格核 馏 算和设计 严格间歇蒸 单个间歇塔的严格核算 馏

BatchFrac*

RateFrac*

单个和多级塔的严格核 蒸馏塔, 吸收塔, 汽提塔, 反应系统, 基于速率的 算和设计. 建立在非平衡 蒸馏 热集成单元, 石油应用 计算基础上 液-液萃取 液-液萃取塔的严格核算 液-液萃取
第5页

Extract

*

Requires separate license

4.2 RadFrac --严格多级分离模块
教学目标
? 讨论RadFrac模型的最小输入条件 ? 学习RadFrac内嵌的变量规定

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4.2 RadFrac---严格多级分离模块
?可对下述过程做两相或三相模拟:
? 普通蒸馏
? 吸收, 再沸吸收 ? 汽提, 再沸汽提 ? 恒沸蒸馏 ? 反应蒸馏

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4.2 RadFrac---严格多级分离模块
?结构选项:
? 任何数量的进料
? 任何数量的侧线采出 ? 总液体采出和循环回流 ? 任何数量的换热器 ? 任何数量的倾析器

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4.2 RadFrac---拓扑结构
气体蒸馏物 (DV) 1

顶级或冷凝器热负荷 (Q1) 物料 (任何数量) 热 循环回流 热 热 (任何数量) 底级或再沸器热负荷 (QN)

回流 L1 + LW

热 (可选) 液体蒸馏物 (DL) 水 (DW) (可选) D=DL+DV DV:D=DV/D RR=L1/D RW=LW/DW 产品 (任何数量) 倾析器

上升蒸汽 (VN) N级

返回 热 (可选) 塔底 (B) BR=VN/B

产品

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4.3 RadFrac---结构设置
规定: ? 理论板数 ? 冷却器和再沸器结构 ? 两塔操作规定 ? 有效相态 ? 收敛

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4.4 RadFrac---流股设置
规定:
? 进料板位置 ? 进料物流规则 (见帮助) ? ABOVE-STAGE:
从进料物流来的气体进入 进料板上一层塔板,液体进 入进料板位置 ? ON-STAGE: 来自进料的气体和液体都 进入进料板位置

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4.5 RadFrac---压力设置

规定下列项之一:
? 塔压力分布

? 塔顶/塔底压力
? 塔段压降

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例4.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟
【例4.1】 采用Radfrac模块,对于丙烷、异丁烷的 分离过程进行模拟。进料中丙烷的摩尔含量为40% 。分离要求塔顶流出物中异丁烷的含量为2%,塔 底产品中丙烷的含量为1%。流程图如下图所示。

进料温度为322K, 精馏塔操作压力为14atm,塔板
数32,第16块板处进料。回流比为2。冷凝器为全 凝器。泵的压力提升为5atm, 阀的压力降为3atm。 热力学方法为chao-sea.

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
? 流程图

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例4.1建立稳态模拟流程
1 启动新的模拟过程 2 指定化学组分及物性模型

3 输入流股信息
4 输入设备参数

5 运行模拟计算
6 使用”DESIGN SPEC-VARY”功能 7 最佳进料位置及最小条件的确定 8 精馏塔尺寸的估算 9 小结
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例4.1 启动新的模拟过程
1)新建模拟文件

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
2)建立模拟流程图 (分别选择RADFRAC、Valve、Pump模块) 重命名各流股和单元操作

泵和控制阀的命名以易于 与精馏塔C1关联为宗旨
选择液相馏出物

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
3)设定全局特性
工程概述、工程 单位、报告输出 形式等

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
4)指定化学组分并重命名

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
5)选择物性计算模型

注意:不同单元操作可选择
不同的物性计算模型
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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
6)输入流股信息

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
7)输入设备参数 - C1- Configuration

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
7)输入设备参数 - C1- Streams

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
7)输入设备参数 - C1- Pressure

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
7)输入设备参数 - P11&P12

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
7)输入设备参数 - V1

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
8)运行模拟计算

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
9)查看计算结果
分离要求:xD,IC4≤2 mol% xB,C3≤1 mol%

可通过增加回流比或增加塔 的理论板数提高分离效果

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例4.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟
10) 增大回流比为3
分离要求:xD,IC4≤2 mol% xB,C3≤1 mol%

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
例题4.2

在例题4.1的基础上,寻找合适的塔顶馏出物流量 和回流比,使得塔顶馏出物中异丁烷含量为2 mol%而塔釜馏出物中丙烷含量为1mol%
分离要求:xD,IC4≤2 mol% xB,C3≤1 mol%

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
“DESIGN SPEC-VARY”功能:指定某些“控制”变量 (DESIGN SPEC),同时指定“调整变量”(VARY)。程序 会通过操控调整变量从而使控制变量达到指定值。 本例中: 1)调整塔顶馏出物流量使得塔顶产品合格; 2)调整回流比使得塔底产品合格(馏出物指标仍然起作用)

为了保证模拟计算能够得到合理、正确的技术结果,在运 用“DESIGN SPEC-VARY”功能时,较好的做法是使程序 一次只对一个变量收敛,而不是同时求解数个变量。

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
1)指定第一控制变量--- Specifications 第一控制变量为塔顶中c4的浓度值为0.02

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
1)指定第一控制变量--- Components

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
1)指定第一控制变量--- Feed/Product Sreams

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
2)指定第一调整变量 --- Specifications 调整distillate rate 在0.2-0.6kmol/sec之间变化

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
3) 运行模拟 --- Control Pannel

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
4) 查看结果

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
5)指定第二控制变量--- Specifications 第二控制变量为塔底中c3的浓度值为0.01

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
5)指定第二控制变量--- Components

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
5)指定第二控制变量--- Feed/Product Sreams

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
6 )指定第二调整变量 --- Specifications Reflux Ratio在 1-5之间调整

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
7) 再次运行模拟 --- Control Pannel

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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
8) 查看结果

第43页

例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
查看结果 --- 操作回流比

第44页

例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能

为了可以使用冷却水作为塔顶冷凝器冷 源(塔顶操作温度约52℃),增加塔顶压 力至16.8atm,再次运行模拟。
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例4.2 使用“DESIGN SPEC-VARY”功能
增加塔顶压力16.8atm ,再次运行模拟 --- 查看结果

第46页

例4.3 使用“plot wizard”功能绘图
1) 塔温度剖面的绘制
2)塔板液相组成剖面的绘制

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例4.3 使用“plot wizard”功能绘图
1)塔温度剖面的绘制

第48页

例4.3 使用“plot wizard”功能绘图
1)塔温度剖面的绘制

第49页

例4.3 使用“plot wizard”功能绘图
2)塔板液相组成剖面的绘制

第50页

例4.4 最佳进料位置及最小条件的确定

通过前面的例题,明确了达到预期产品指标 所需的操作条件(操作温度、压力、操作回流 比,采出量等)。
本节将寻找最佳进料位置,最小回流比和最 小理论板数,为精馏过程经济优化奠定基础。

第51页

例4.4 最佳进料位置及最小条件的确定
1)最佳进料位置的确定
课堂练习:利用4.1中工程文件,保持其它条件不变,改 变进料板位置(12~16),记录进料板位置变化对再 沸器热负荷的影响。
进料板位置 12 13 再沸器热负荷/MW 27.944 27.415 冷凝器热负荷/MW 23.452 22.922 回流比 3.616 3.512

14*
15 16

27.167
27.183 27.414

22.674
22.691 22.922

3.463
3.466 3.512

*最优值
第52页

例4.4 最佳进料位置及最小条件的确定
2)最小回流比的确定
课堂练习:利用4.1中工程文件,保持其它条件不变, 增加理论板数(32,48,64,96),并保证进料 位置与总理论板数维持固定比例值,分析操作回 流比的变化。
总理论板数 32 进料板位置 14 回流比 3.460

48
64 96

21
28 42

2.959
2.912 2.908

第53页

例4.4 最佳进料位置及最小条件的确定
3)最小理论板数的确定
课堂练习:利用4.1中工程文件,保持其它条件不变,减 小理论板数(32,22,20,18,17,16,15),并保 证进料位置与总理论板数维持固定比例值,分析操作 回流比的变化。
总理论板数
32 22

进料板位置
14 10

回流比
3.460 6.022

20
18 17 16 15

9
8 8 7 7

8.100
13.56 20.59 21.35 160.8
第54页

例4.5 精馏塔尺寸的估算
1)塔高
若已知精馏塔的级数则计算其塔高非常容易。塔盘之间的间距 一般取2 英尺(0.61m)。若塔的级数为NT,则塔盘的数目为NT-2(一 级是塔顶回流罐,另一级是塔釜再沸器)。 除塔盘外,塔顶要为回流管进塔和塔进料部分的进料分布器留 出空间。更重要的是,在塔底部还要留出足够的空间,以满足下 列的两个要求:(1)提供缓冲所用的持液量;(2)塔底液位高度必须 比塔底泵高出足够的高度,以提供泵所需的汽蚀余量。 因此,在设计的过程中塔的高度一般会按塔盘间距所要求的高 度再给出20%的裕量。所以塔器的高度可以按下式估算:

L=1.2(0.61)(NT-2)
第55页

例4.5 精馏塔尺寸的估算
2) 塔径
精馏塔的塔径由气相最大流速决定。若该流速值超 高,则塔的液相和气相水力条件就会失效,塔也会发生 液泛。可以通过可靠的关联式来确定气相的最大流速。 对于非恒摩尔流体系,各层塔盘的气相流量均不相同, 气相流量最大的塔盘将会确定塔的直径。假如已知气相 的质量流量及气相密度,则可以计算出气相的体积流量。 而后,假如已知最大许用速度,则可以计算出塔的截面 面积,从而确定塔径

第56页

例4.5 精馏塔尺寸的估算
2) 塔径

第57页

例4.5 精馏塔尺寸的估算
2) 塔径 改变流程数为2,重新计算

第58页

例4.5 精馏塔尺寸的估算
3) 塔的水力学参数

第59页

4 RadFrac例题小结

第60页

4 RadFrac例题小结
?若设置一个不带冷凝器或再沸器的吸收塔,则在
RadFrac Setup Configuration 页面上设置冷凝
器和再沸器为none

?在 RadFrac Efficiencies 表页上能够规定按一
个理论级基准或组分基准的汽化效率或 Murphree 效率.

?能够进行板式塔或填料塔的设计和核算. ?如果用户选择汽-液-液作为有效相,也可以模拟
第二液相.

?能够生成再沸器和冷凝器的热曲线
第61页

4 RadFrac例题小结
?用 绘图向导 (在 Plot 菜单上) 能立即生成模拟结果的
曲线图,你能用绘图向导显示如下操作的结果: ?物性分析 ?数据回归分析 ?所有分离模型RadFrac、 MultiFrac、PetroFrac 和 RateFrac的数据分布

?点击数据窗口中的对象生成该对象的曲线图. ?向导引导你执行生成图表的基本操作. ?在 Next 按钮上点击继续. 点击 Finish 按钮按缺省设
置生成图.
第62页

4 RadFrac例题小结
?用DesignSpecs 和 Vary 表页可以在RadFrac 模型内部
规定并执行设计规定。

?可以调整一个或多个RadFrac 输入,来满足对一个或
多个 RadFrac 性能参数的规定要求。

?一般情况下,“规定”的个数应与“变化”的个数相
等.

?RadFrac 中的“设计规定”和“改变” 是在 “中间
回路”中求解的,如果你得到一个中间回路没收敛的 错误信息,检查你输入的“设计规定”和“改变”
第63页

4 RadFrac例题小结
如果 RadFrac 没收敛, 做以下工作会有帮助:

1)检查正确地规定了有关物性方面的问题 (物性方
法的选择、参数可用性) 。 2)确保塔操作条件是可行的。 3) 如果塔的 err/tol 是一直减少的, 在RadFrac Convergence Basic 页上增加最大迭代次数。

第64页

4 RadFrac例题小结
如果 RadFrac 没收敛, 做以下工作会有帮助: 4)在RadFrac Estimates Temperature 页上提供 塔中一些塔板的温度估值 (对吸收塔来说是有 用的).

5)在RadFrac Estimates Liquid Composition
and Vapor Composition 页上提供塔中一些塔 板的组成估值 (对于高度非理想系统是有用的). 6)在RadFrac Setup Configuration 页上尝试不 同的收敛方法。

> 当一个塔不收敛时, 做了改变后重新初始化通
常是有好处的。
第65页

例4.6 甲醇水分离
OVHD RadFrac 规定 全凝器

FEED
T = 65 C P = 1 bar

COLUMN

釜式再沸器
9 个理论级 回流比 = 1 蒸馏物对进料的比 = 0.5 塔压力 = 1 bar 进料级 = 6

BTMS
水: 100 lbmol/hr 甲醇: 100 lbmol/hr

用 NRTL-RK 物性方法

文件名: RAD-EX.BKP

第66页

例4.6-A 甲醇水分离
部分 A:
? 用如下数据完成甲醇塔核算: 塔进料: 63.2 wt% 水 36.8 wt% 甲醇 总流量 120,000 lb/hr 压力 20 psia, 饱和液体
塔规定: 38 块塔板 (40 块理论级) 进料板 = 23 (第24理论级) 全凝器 顶部压力 = 16.1 psia(绝对压力) 每理论级压力降 = 0.1 psi Distillate flowrate 蒸馏流率 = 1245 lbmol/hr 摩尔回流比 = 1.3

用 NRTL-RK 物性方法
第67页

例4.6-B 甲醇水分离
部分 B:
? 建立塔内的设计规定达到如下两个目标: ? 塔顶馏出物中甲醇含量99.95 wt% ? 塔底水含量99.90 wt% ? 要达到这些规定, 你可以改变塔顶馏出物流率 (800-1700 lbm ol/hr) 和回流比 (0.8-2). 在运行该题之前确保物流组成是按 质量分率报告。记录冷凝器和再沸器的负荷: 冷凝器负荷 :_________ 再沸器负荷 :_________

第68页

例4.6-C 甲醇水分离
部分 C:
? 规定每块板效率为65% Murphree效率后 执行同一个设计计 算。假设冷凝器和再沸器的板效率为90%。 ? 这些效率是如何影响塔的冷凝器和再沸器负荷的?

第69页

例4.6-D 甲醇水分离
部分 D:
? 完成整个塔的设计计算,假定使用泡罩塔盘塔

第70页

例4.7 环己烷生产过程模拟
例4.7 创建一个流程来模拟环己烷生产过程 ?环己烷可以用苯加氢反应得到,反应如下: ? C6H6 苯 + 氢气 3 H2 = 环己烷 C6H12

?在进入固定床反应器前,苯和氢气进料与循环氢气和环己烷 混合。 假设苯转化率为 99.8%。

?反应器出料被冷却,轻气体从产品物流中分离出去。 部分轻 气体作为循环氢气返回反应器。
?从分离器出来的液体产品物流进入蒸馏塔进一步脱除溶解的 轻气体,使最终产品稳定。部分环己烷产品循环进入反应器, 辅助控制温度。
第71页

例4.7-环己烷生产—模拟流程图
C6H6 苯
Total flow = 330 kmol/hr T = 50 C P = 25 bar Molefrac H2 = 0.975 N2 = 0.005 CH4 = 0.02

+

3 H2 氢气

=

C6H12 环己烷
PURGE

去流股 H2RCY的流量为92%

H2RCY

VFLOW

H2IN

VAP FEED-MIX RXIN
T = 150C P = 23 bar

REACT HP-SEP RXOUT
T = 200 C Pdrop = 1 bar Benzene conv = 0.998

通过在 97到 101 kmol/hr之间改变塔底采出 来指定环己烷摩尔回收率为0.999

BZIN
T = 40 C P = 1 bar Benzene flow = 100 kmol/hr

T = 50 C Pdrop = 0.5 bar

LTENDS
Stages = 12 Reflux ratio = 1.2 Bottoms rate = 99 kmol/hr 只有气体馏出物 的部分冷凝器 P = 15 bar Feed stage = 8

CHRCY LFLOW

COLFD
去物流 CHRCY的流量为30%

PRODUCT

用 RK-SOAVE 物性方法

COLUMN

完成后另存为: 文件名: CYCLOHEX.BKP 第72页

例题4.7环己烷生产—计算结果-heater

第73页

例4.7-环己烷生产—计算结果-flash2

第74页

例4.7-环己烷生产—计算结果-RadFrac

第75页

例4.7-环己烷生产—计算结果-RStoic

第76页

例4.7-环己烷生产—计算结果-FSplit

第77页

例4.7-环己烷生产—计算结果-Streams

第78页


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