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第3章 Hysys模拟分离过程


第3章 hysys模拟分离过程

分离单元的类型

I. 闪蒸 II. 精馏 III. 吸收 IV. 萃取

hysys模拟的分离过程
? 分离器: 2 相分离器、 3 相分离器、固体分离器、 旋风分离器、真空过滤器、结晶器 ? 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、常减压塔

、精馏塔、 组分分离器、三相精馏塔(所有塔都能在 板上加反应单元进行反应精馏)

I.闪蒸(Flash drum)
? 执行给定热力学条件下的汽 液平衡或汽 液 平衡计算, 输出一股汽相和一股(或两 股) 液相产物。 ? 用于模拟闪蒸器、蒸发器、气液分离器 等。 ? 闪蒸单元自由度: 2

闪蒸单元的模型
PV=PL TV=TL y i= k i· xi (i=1,…,c) FF· zi=FV· yi+FL· xi (i=1,…,c-1) FF=FV+FL hF· FF+Q=hV· FV+hL· FL
TV, P V,F V,y1,…,yc TF, P F,F F,z1,…,zc Q

?x
i ?1

c

i

?1

?y
i ?1

c

i

?1

?z
i ?1

c

i

?1

TL, P L,F L,x1,…,xc

ki=K(TV,PV,X,Y) hF=H(TF,PF,Z) hV=H(TV,PV,Y) hL=H(TL,PL,X)

(i=1,…,c)
方程数:3c+9 变量数:4c+13 自由度:(c+2)+2

闪蒸分离操作类型
多进料口,一个气相出料口和一个液相出料口 分离器 (Separator) 在稳态模式下,分离器把容器中的物质分为气 相成分和液相成分 三相分离器 多进料口,一个气相出料口和两个液相出料口 (3-Phase 三个分离器把容器中的物质分为气相、轻液和 Separator) 重液 罐(Tank) 多进料口,一个气相出料口和一个液相出料口

平衡闪蒸

露点 Dew P.

泡点 Bubble P.

闪蒸计算的任务
a) 气-液平衡计算 包含一股气相和一股液相,如果体系中存 在水,则水作为单独的一相出料 b) 气-液-液平衡计算 包含一股气相和两股液相

Flash-模型参数
? 第一规定:
– 压力、温度

? 第二规定:
– 闪蒸类型(绝热、等温、等熵等)或产物规定

? 可选参数:
– 产物相态 – 热力学模型 – 夹带选项(carry over opitions,模拟真实工 况)

闪蒸类型
? ? ? ? ? 绝热闪蒸:绝热或指定热负荷下的汽液平衡状态 等温闪蒸:指定温度下的汽液平衡状态 露点闪蒸:指定压力下的露点温度 泡点闪蒸:指定压力下的泡点温度 等熵闪蒸:等熵变化后的温度、压力和所需要的 热负荷

理想分离器和实际分离器的区别
? 理想分离器
– 认为气液相是完全分离的。

? 实际分离器
– 分离并不完全,液体能夹杂在气体中或者液体中液包含气体 – 近年来多使用增加容器内部构件(例如,金属网垫,叶片包,堰) 的方法来减少夹杂的液体量和气体量。

? hysys Design 中默认的分离器是理想分离器 ? 实际分离器有许多优点:
– 夹带选项(carry over opitions)可以使模型与过程质量平衡或分 离器设计参数相匹配 – 可以预测进料相位分别的影响、进料工况、容器形状、进出口夹 带

? 对出口物流进行P-H 闪蒸来测定出口的工况和相位
– 闪蒸的压力是最小进口压力减去容器中的压降 – 焓值是进口的焓加上负荷(加热时,负荷是正值;冷却时负荷是 负值)。
气液出口压力 气出口压力 =进口压力 =进口压力 -DP-DP2 -DP

220-14-4 kPa 220 kPa 220-14 kPa

220-14 kPa

分离器的三个选项

Flash —应用示例(1)

? 流量为 1000 kg/hr 压力为 0.11 MPa 含乙 醇 70%、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(w) =1/3。 ? 求离开冷凝器的汽、液两相的温度和组成。
? (增加一个cooler, 一个Separtor,一个ADJ调节cooler的出口温度, 使Seperator的气相与液相的质量比为1:3)

Flash —应用示例(1)
? 液相:
– 活度系数方程 NRTL,Wilson,等

? 气相:
– 状态方程 SRK, P-R等

Flash —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%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。

II 精馏
? 当体系中的化学组分沸点相差较小,或不具有其 它易于分离的性质时,须采用精馏的方法。 ? 其它的分离方法包括:吸收、萃取、吸附 ? 模拟传质设备的两个关键点: (1)热力学 (2)收敛问题

精馏原理
? 精馏是分离液体混合物的单元操 作,是利用混合物中各组分挥发 度的差异,并借助回流的工程手 段,实现组分的分离 ? 典型的连续精馏流程如图. 预热到一定温度的原料液送 入精馏塔的进料板,在每层塔板 上, 回流液体与上升蒸气互相接 触, 进行热和质的传递. 塔顶冷凝器的作用: 获得塔 顶产品及保证有适宜的液相回流. 再沸器的作用: 提供一定量的上 升蒸气流.

常规精馏塔自由度
独立变量
总塔板数 (N)
进料位置 (NF) 进料条件(F,TF,PF,xi) 操作压力(P) 再沸器负荷(QB)

1

QC

数目
1
1 c+2 1 1
F,TF,PF,zi R D,xDi

冷凝器负荷(QC)
可调变量总数

1
(c+2)+2+3
QB N

自由度:5 必给, 3:理论板数、进料位置、压力 默认(可更换), 2:回流比、塔顶馏出率

B,xBi

精馏计算模型 ? 精馏模拟方法:
– 平衡级模型
? 主流模型

– 非平衡级模型
? ASPEN RateFrac模型

精馏塔的一段

hysys的精馏计算
A. 组分分离器 B.简捷精馏 C. 严格精馏 D. 侧线精馏 E. 塔板计算:塔板设计和塔板核算 F. 填料塔计算:填料设计和填料核算

严格塔的类型
塔的基本类型 (Basic Column Types) 吸收塔 (Absorbor) 液液萃取塔 (Liquid-Liquid Extractor) 再沸吸收塔(Reboiled Absorber) 图标(Icon) 描述(Description) 仅有塔板 仅有塔板 塔板和塔底部再沸器

回流吸收塔 (Refluxed Absorber)
精馏塔 (Distillation) 三相精馏塔 (Three Phase Distillation)

塔板和塔顶冷凝器
塔板并有再沸器和冷凝器 塔板,三相冷凝器,再沸 器。冷凝器可以设定是化 合物或烃类

预设复杂塔的类型
复杂塔的基本类型 (Complex Column) 3 侧线原油塔 (3 Sidestripper Column) 4 侧线原油塔 (4Sidestrippe Column) 描述(Description) 塔板部分,再沸器,冷凝器,3 个侧气 提塔,以及3 个附属的循环泵系统 塔板部分,再沸器,冷凝器,1 个塔顶 的再沸气提塔,3 个侧气提塔,以及3 个附属的循环泵系统

FCCU 主分离器 (FCCU Main Fractionator)

塔板部分,冷凝器,1 个塔上部的回流 和产品采出系统的泵,一个位于塔中 部的有两股产品物料的侧气提塔,1 个 塔的底部回流和产品采出系统的泵 塔板系统,2 个侧线产品采出以及回流 的泵系统,闪蒸区下面的一个清洗油 冷物料部分

减压塔 (Vacuum Reside Tower)

预设塔的模板

A. 组分分离器(Component Splitter)
? 进料物流按照所设定的参数和分离器分数被分成了两个组 分物流,必须要设定从组分分离器中出来进入到顶部的产 品物流的每个进料组分的分数 – 使用组分分离器可以完成更接近专业和非标准的分离 过程,而这些过程在hysys中其他地方是无法处理的。 ? 理论(Theory) – 组分分离器可以满足每个组分的物料平衡: fi = ai + bi 其中: – fi=进料的ith 组分的摩尔流量 – ai=顶部ith 组分的摩尔流量 – bi=底部ith 组分的摩尔流量

A. 组分分离器(Component Splitter)

A. 组分分离器(Component Splitter)

A. 组分分离器(Component Splitter)

B. 简捷精馏(shortcut)
设计要求: ? 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℃)用精馏塔分离,要求 99.8% 的 乙苯从塔顶排出, 99.9%m 的苯乙烯从塔底排出

? 参数?: – 操作压力 – 理论板数 – 进料位置 – 回流比 – 组分回收率 – 产品纯度 – 塔径 – 能耗 – ……

简捷精馏(shortcut)
? 用全回流塔进行 Fenske-Underwood 精馏计算 ? 可以计算塔板的最小Fenske 塔板数以及最小的 Underwood 回流比。 ? 使用设定的回流比计算富集和抽提工段中汽体和 液体的流动速率,冷凝器负载和再沸器负载,理 想的板的数量,以及最佳进料位置。 ? 全回流塔只是塔性能的估计并受到简单的回流塔 的限制。对于更多的实际的结果要使用严格的塔 选项,这些操作仅可以为大多数的简单的塔提供 初始估计值

Shortcut—连接
? Shortcut模型的连接图如下:

Shortcut —应用示例
? 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℃) 用精馏塔(塔压 0.02 MPa(a) 分离,要求塔顶乙苯 的浓度大于99.8%m, 塔底苯乙烯浓度大于 99.9%m。塔顶采用全凝器。 求: (1) Rmin,NTmin ; (2) R=1.5Rmin时的R、NT和NF

C 严格精馏(Distillation)
? Distillation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。 ? Distillation模块可用于精确计算精馏 塔、吸 收塔(板式塔或填料塔)、 萃取塔的分离 能力和设备参数。

平衡级
? 平衡级模型基于两个基本假设:

? 每块塔板上的液体和塔板间的气体是完全混合的, 具有均匀的温度和组成; ? 离开每块塔板的液体和气体都处于相平衡

平衡级
? 任何一平衡级(或理论板)为基础的严格 精馏算法包含以下基本方程组: 1)物料平衡方程组(M) 2)相平衡方程组(E) 3)摩尔分数加和式(S) 4)热平衡方程组(H)
? ---MESH方程组

Distillation — 应用示例 (1)
? 对下列精馏问题规定,计算产物组成、级温、级间汽相液相流量和组 成、再沸器热负荷和冷凝器热负荷。 ? 进料(250psia下的泡点液体): 组分 乙烷 丙烷 正丁烷 正戊烷 lbmol/h 3.0 20.0 37.0 35.0

正己烷

5.0

塔压:250psia, 全凝器和部分再沸器 馏出液流量:23.0lbmol/h,回流量:150lbmol/h 平衡级数(不包括冷凝器和再沸器)= 15,进料在中间级进塔 250psia下的该系统,K值和焓可用Soave-Redlich-Kwong方程计算

输入专家系统1

输入专家系统2

输入专家系统3

输入专家系统4

Design 界面

设计规定更改

主流程图和子流程图的概念

严格精馏模块-模型设定
1) 压力分布(Pressure profile) 2) 进出流股(Feeds and products) 3) 收敛判据 (Convergence data) 4) 热力学模型 (Thermodynamic systems) 5) 冷凝器 (Condenser) 6) 侧线加热器/冷却器 (Side-heaters and Coolers) 7) 泵循环 (Pumparounds) 8) 塔板效率 (Tray efficiency) 9)求解算法 (Algorithm)

1) 压力分布(Pressure profile)

2)进出流股(Feeds and Products)
? 加料板位置

3)收敛判据 (Convergence data)
? 收敛计算阻尼因子 默认值:1 稳定性较差的流程或单元,可取0~1之间 ? 收敛允许误差 默认值:
物料平衡:1×10-5 能量平衡:5×10-4

4)热力学模型 (Thermodynamic systems)

? 整塔使用同一个热力学模型 ? 不同的塔板指定不同的热力学模型

5)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 (Subcooled,Fixed temperature) (Subcooled,Fixed temperature drop)

6)侧线加热器/冷却器(Side-heaters and Coolers)
? 可为每块塔板指定侧线加热或冷却的热负荷 每块塔板的热损失 每块塔板的Flash zone

7)泵循环 (Pump Arounds)
? 作用:从塔板移走热量,可调节塔内汽液两相的流量,是 塔内部汽液两相流量的主要控制点。 可规定的参数: 流量和热负荷 流量和绝热 流量和回流条件 热负荷和回流条件

8)塔板效率 (Tray efficiency)
Murphree model

y -y Ki ? * yi - y
i

i+1

i+1

Vaporization model yi = ci Ki xi Equilibrium model yi = [(Ki ? 1)Eeq + 1]xi ? 全塔效率: Eeq=NT/N

? 对大多数带冷凝器和再沸器的精馏塔,通常的塔效率为 65~75% ? 在低回流比下,分离效果对模型中的塔板数不敏感 ? 冷凝器模拟为1块塔板、 再沸器视情况而定(1块或2块) Pumparounds 通常模拟为2块塔板

9)求解算法 (Algorithm)
六种求解算法:
a) Legacy Inside-Out 法 b) Modified Inside-Out 法 c) Newton-Raphson I/O法 d) Sparse Continuation Solver e) Simultaneous Correction f) OLE Solver

Method(方法)
Legacy Inside-Out Modified Inside-Out Newton Raphson Inside-Out Sparse Continuation Solver

Explanation(解释)
通用方法,对大多数问题是有用的 通用方法,允许更改塔子流程图中混合器, 三通管,和热交换器 通用方法,允许塔子流程图中液相运动学 的反作用力 一个基于求解器的方程,它支持塔板上两 个液相,主要用于求解高度非理想化的化 学系统和反应精馏

Simultaneous Correction OLI Equlibrium OLI Rate-based Solver

同步校正使用折线方法,适合化学系统, 这个方法同样支持反应精馏 只用于在电解质系统中计算塔操作单元 只用于在电解质系统中计算塔操作单元

a)内外层迭代法(I/O Method)
? 平衡级模拟计算中最复杂和最费时的是平衡常数和物流热 焓的计算,内外层法的基本思想是先将这些复杂而费时的 计算内容简化,将这些简化模型用于主体(即内层循环) 计算,而再外循环中则采用严格的热力学模型对简化模型 的模型参数进行更新,这样即构成两重迭代循环。也称为 双层法或局部模型法。

? 适用于汽液平衡常数与组分基本无关的情况

a)内外层迭代法(I/O Method)
优点: 计算速度快 对初始猜测值相对不敏感 附塔与主塔同时求解 可使用热虹吸式再沸器 ? 缺点: 只能包含一个液相(水可在冷凝器除去) 对高度非理想性体系求解较困难 不允许完全泵循环(Total Pumparounds)

b) Enhanced I/O法
? 支持完全液相或气相侧线出料 ? 支持完全泵循环 ? 支持再任何塔板上存在自由水相或水倾析

求解方法一般特征

当某种方法用默认的迭代次数不能收敛时

1)可以规定更多的迭代次数 2)可以利用阻尼因子(damping factor)限制该 法在两次迭代间对未知变量猜测值所作的 改变,以避免过大的振荡 3)可以改变各未知量的初始猜测值

精馏模型功能:
? 确定所需的平衡级数与回流比 ? 选择适宜的气液接触方法(塔板、填料) ? 确定对应于一定的加料和出料位置所需的 实际塔板数或填料高度 ? 确定塔的直径 ? 确定可能会影响塔操作的其它因素

Distillation — 应用示例 (2)
? 如果上述精馏塔操作改为从由塔底算起的第四级抽出流量 为37.0lbmol/h的汽相侧线物流,则操作结果如何?

III 吸收
? 根据混合物各组分再某种溶剂中溶解度的 不同而达到分离的目的。

自由度? 0

吸收-模型设定

? 选用Distillation模块,不设置冷凝器和再沸器; ? 原料气体从塔底进入,吸收液从塔顶进入

吸收—应用示例(1)
? 摩尔组成 CO2 (12%m)、N2 (23%m)和H2 (65%m) 的混合气 体的混合气体(F=1000kg/hr、P=2.9 MPa、T=20℃)用 甲 醇( F= 60 t/hr、P=2.9MPa、T=-40℃) 吸收脱除 CO2。 吸收塔有 30 块理论板,在2.8MPa下操作。求出塔气体中 的CO2浓度。 ? 液相:NRTL/气相:P-R方程 ? 甲醇用量逐渐加

吸收—应用示例(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%m所需的吸收剂(甲醇)用量。
? 实用逻辑单元:adj

自变量 必须是蓝色变量

目标变量

绝对精度,单位与自变量一致

IV 萃取
? 液-液萃取是分离液体混合物的一种方法。它是利用液体 混合物中各组分在某种溶剂中溶解度的差异,把一种或几 种组分从混合物中分离出来的单元操作。

萃取-模型设定
1)压力分布(Pressure profile) 2)进出流股(Feeds and products) 3)收敛判据(Convergence data) 4)热力学模型(Thermodynamic systems) 5)侧线加热器/冷却器(Side-heaters and Coolers) 6)初始估计值(Initial Estimates) 7)性能规定(Performance specifications)

萃取-应用示例
? 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(理论板数为4),在常温、0.12 MPa下操作。求萃 取剂用量对萃余相中丙酮浓度的影响。 ? NUIQUAC方程 ? 有液相二元交互作用参数未知,需估计(两个液相:LLE) ? 需要考虑液体密度安排进塔位置 ? Tools?Databook?Case Study
– 变量:溶剂质量流量 (ind. Var)、萃余相丙酮质量浓度(dep. Var) – View?定义自变量范围?start?results

? 注意MiBK的选择和组分排序对二元交互作用参数的影响
组分排序:M-i-B-Ketone,Acetone,H2O


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