SXL-XH 新華化工工程制圖

新華化工工程制圖

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功能介紹 幫助學生學習化工工程制圖課程

RadFrac 模塊可對下述過程做嚴格模擬計算：普通精餾、吸收、汽提、萃取精餾、共沸精餾、反應精餾（包括平衡反應精餾、速率控制反應精餾、固定轉化率反應精餾和電解質反應精餾）、三相（汽 - 液 - 液）精餾。 RadFrac 適用于兩相體系、三相體系、窄沸點和寬沸點物系以及液相表現(xiàn)為強非理想性的物系。

1、 RadFrac 的連接圖如圖所示

2 、 RadFrac 模型具有以下設定表單

例 7.3  在例 7.1 簡捷設計的基礎上，對乙苯 - 苯乙烯精餾塔進行嚴格核算和設計計算，進料條件、冷凝器形式、冷凝器壓力、再沸器壓力、產品純度要求與例 7.1 相同，塔頂壓力 6.7kPa ，再沸器采用釜式再沸器，物性方法采用 PENG-ROB 。（ 1 ）根據(jù)例 7.1 的設計結果，利用 RadFrac 模塊計算塔頂及塔底產品的質量純度；（ 2 ）求滿足產品純度要求所需的回流比和塔頂產品流率以及冷凝器和再沸器的熱負荷；（ 3 ）在滿足產品純度的基礎上，繪制塔內溫度分布曲線、塔內液相質量組成分布曲線；（ 4 ）在滿足產品純度的基礎上，分析進料位置和總理論板數(shù)變化對再沸器熱負荷的影響；（ 5 ）求達到分離要求的最小回流比；（ 6 ）求達到分離要求的最小理論板數(shù)。

簡捷計算得到的回流比 5.11 、理論板數(shù) 65 、進料位置 25 、塔頂產品與進料的摩爾流率比（ D/F ） 0.5853 ，只作為嚴格計算的初值。在理論板數(shù)和進料位置一定的情況下，由分離要求嚴格計算出回流比、塔頂產品與進料的流率比等值。合理的理論板數(shù)、適宜的進料位置需要進一步優(yōu)化得到。

步驟：

（ 1 ）建立和保存文件：

啟動 Aspen Plus ，選擇模板 General with Metric Units ，文件保存為 Exaple7.3a-RadFrac.bkp 。

（ 2 ）建立流程圖

建立如圖所示的流程圖，其中塔（ RADFRAC ）選用模塊庫中 Columns/ RadFrac / FRACT1 模塊。

全局設定（在名稱 Title 框中輸入 RadFrac ）并規(guī)定報告形式、輸入組分、選擇物性方法、輸入進料條件與例 7.2 相同。

（ 3 ）輸入模塊參數(shù)

點擊 ，進入 Blocks/ RADFRAC /Setup/Configuration 頁面，輸入模塊（ RADFRAC ）的參數(shù)，輸入理論板數(shù) 65 、冷凝器選擇全凝器，回流比為 5.11 ，塔頂產品與進料摩爾流率比（ D/F ） 0.5853 。

關于 Configuration 頁面下各選項的說明：

①      RadFrac 模塊計算類型（ Calculation type ）有兩種：平衡級模型（ Equilibrium ）和非平衡級模型（ Rate-Based ）。本例采用默認的平衡級模型。

②      RadFrac 模塊要求輸入的板數(shù)（ Number of stages ）既可以是理論板數(shù)，也可以是實際塔板數(shù)。如果輸入的是實際塔板數(shù)，那么需要設置塔的效率。此處的塔板數(shù)包括冷凝器和再沸器。本例輸入的塔板數(shù)是理論板數(shù)，后續(xù)例題中，如果沒有特別說明，板數(shù)均指理論板數(shù)。

③      RadFrac 模塊冷凝器（ Condenser ）有四個選項，全凝器（ Total ）、部分冷凝器 — 氣相塔頂產品（ Partial-Vapor ）、部分冷凝器 — 氣相和液相塔頂產品（ Partial-Vapor-Liquid ）、        無冷凝器（ None ）。本例采用全凝器。

④      RadFrac 模塊再沸器（ Reboiler ）有三個選項，釜式再沸器（ Kettle ）、熱虹吸式再沸器（ Thermosiphon ）、無再沸器（ None ）。本例采用默認的釜式再沸器。

熱虹吸式再沸器被模擬為一個帶加熱器的進出底部級的中段回流，如圖所示。在默認情況下 RadFrac 使用 On-Stage 進料方式使再沸器的出口返回到最后一級上。

關于熱虹吸式再沸器理論板數(shù)的確定，可參照下圖

再沸器的類型選用 Kettle 還是 Thermosiphon ，一個很重要的原則是看塔底液相產品是否與返塔的氣相成相平衡。如果成平衡，那么選用 Kettle ，否則選用 Thermosiphon ；如果塔底產品是從再沸器出口流出的液體，那么選用 Kettle ；如果塔底產品與進入再沸器的液體條件完全一致，那么選用 Thermosiphon 。

如選用了熱虹吸再沸器，則需要指定以下參數(shù)：

• 指定再沸器流量（ Specify reboiler flow rate ）

• 指定再沸器出口條件（ Specify reboiler outlet condition ）

• 同時指定流量和出口條件（ Specify both flow and outlet condition ）

⑤      RadFrac 模塊的有效相態(tài)（ Valid phases ）有六種，本例的有效相態(tài)為汽 - 液兩相。

• 汽 - 液（ Vapor-Liquid ）

• 汽 - 液 - 液（ Vapor-Liquid-Liquid ）

• 汽 - 液 - 冷凝器游離水（ Vapor-Liquid-FreeWaterCondenser ）

• 汽 - 液 - 任意塔板游離水（ Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage ）

• 汽 - 液 - 冷凝器富水相（ Vapor-Liquid-DirtyWaterCondenser ）

• 汽 - 液 - 任意塔板富水相（ Vapor-Liquid-DirtyWaterAnyStage ）

⑥      RadFrac 模塊的收斂方法有六種：

• 標準方法（ Standard ）

• 石油 / 寬沸程物系（ Petroleum/Wide-boiling ）

• 強非理想液體（ Strongly non-ideal liquid ）

• 共沸物系（ Azeotropic ）

• 深冷體系（ Cryogenic ）

• 用戶自定義（ Custom ）；本例物系為乙苯和苯乙烯，用標準方法即可，不需改動。

⑦       RadFrac 模塊操作規(guī)定（ Operating specifications ）的選擇：

在進料、壓力、塔板數(shù)、進料位置一定的情況下，精餾塔的操作規(guī)定有十個待選項：

操作規(guī)定（ Operating  specifications ）
回流比（ Reflux ratio ）	再沸器負荷（ Reboiler  duty ）
回流量（ Reflux rate ）	塔頂產品流率（ Distillate  rate ）
再沸量（ Boilup rate ）	塔底產品流率（ Bottoms  rate ）
再沸比（ Boilup ratio ）	塔頂產品與進料流率比 （ Distillate  to feed ratio ）
冷凝器負荷 (Condenser duty)	塔底產品與進料流率比 （ Bottoms to  feed ratio ）

一般首先選擇回流比和塔頂產品與進料流率比 （ Distillate tofeed ratio ） [ 或塔頂產品流率（ Distillate rate ） ] ，當獲得收斂的模擬結果后，為了滿足設計規(guī)定的要求，有時需要重新選擇合適的操作規(guī)定，并賦予初值。

精餾塔各工藝參數(shù)之間是相互影響的，明確它們之間的相互關系，有助于更好地設計一個精餾塔。精餾塔各工藝參數(shù)之間的相互關系見下表：

參數(shù)變化	冷凝器溫度變化趨勢	釜溫變化趨勢	說明
塔頂采出量加大	升高	升高	塔頂采出量加大，使更多重組分從塔頂出去，故冷凝器溫度升高。重組分從塔頂餾出越多，塔釜組分就會更重，故釜溫升高。
塔頂采出量減小	降低	降低	塔頂采出量減少，塔頂采出變輕，故冷凝器溫度降低。塔釜的輕組分也隨之增加，故釜溫降低。
回流比增加	降低	升高	回流比增加，頂、底分離更好，塔頂采出變輕，塔釜采出變重，故冷凝器溫度降低，釜溫升高。
塔板數(shù)增加	降低	升高	塔板數(shù)增加，頂、底分離更好，塔頂采出變輕，塔釜采出變重，故冷凝器溫度降低，釜溫升高；釜溫升高，但需進料板位置仍然保持在原有比例。

點擊 ，進入 Blocks/ RADFRAC /Setup/Streams 頁面，輸入進料位置，進料物流 FEED 進料位置為 25 ，進料方式為 On-Stage 。

進料流股（ FeedStreams ）指定每一股進料的加料板位置，進料方式有如下五種：

①      在級上方進料（ Above-Stage ），具體指在相鄰的級間引入進料物流，液相部分流動到規(guī)定的級，氣相部分流動到上一級，默認情況下為 Above-Stage 。若氣相自塔底進入，可使用 Above-Stage ，將塔板數(shù)設為 N+1 。

②      在級上進料（ On-Stage ），若規(guī)定為 On-Stage ，只有存在水力學計算和默弗里效率計算時，才對進料進行閃蒸計算。因此，如果沒有水力學計算和默弗里效率計算，單相進料時選擇 On-Stage ，可減少閃蒸計算，同時避免超臨界體系的閃蒸問題。

③      氣相進料在級上（ Vapor ）和液相進料在級上（ Liquid ），即 Vapor on-Stage 和 Liquid on-Stage ，不對進料進行閃蒸計算，完全將進料處理為規(guī)定的相態(tài)，僅在最后一次收斂計算時對進料進行閃蒸計算，以確定規(guī)定的相態(tài)是否正確，這避免了在進行默弗里效率計算和塔板 / 填料校核或設計計算時不必要的進料閃蒸計算。

④      進料進入到分相器中（ Decanter ），僅在汽 - 液 - 液三相計算中允許此操作，具體指在汽 - 液 - 液三相系統(tǒng)中，將進料直接引入分相器中。

產品流股（ ProductStreams ）：指定每一股側線產品的出料板位置及產量

點擊 ，進入 Blocks/ RADFRAC /Setup/Pressure 頁面，冷凝器壓力為 6kPa ，塔頂壓力為 6.7kPa ，再沸器壓力為 14kPa ，即全塔壓降 7.6kPa 。

壓力（ Pressure ）的設置有三種方式，通過 View 右側的下拉菜單可做更改。

① 塔頂 / 塔底（ Top/Bottom ），用戶可以僅指定第一塊板壓力，此時代表全塔無壓降；當塔內存在壓降時，用戶需指定第二塊板壓力或冷凝器壓降，同時還可以指定單板壓降或是全塔壓降。

②        塔內壓力分布（ Pressure profile ），指定某些塔板壓力。

③      塔段壓降（ Section pressure drop ），指定每一塔段的壓降。本例采用第一種方式。

（ 4 ）運行模擬

點擊 ，出現(xiàn) Properties InputComplete 對話框，點擊 OK ，運行模擬。

（ 5 ）查看模擬結果

由左側數(shù)據(jù)瀏覽窗口進入 Blocks/ RADFRAC /StreamResults ，可查看物流結果。塔頂產品（ ETHBZ-PD ）中乙苯（ EB ）的質量純度為 98.74% ，塔底產品（ STYR-PD ）苯乙烯（ STYRENE ）的質量純度為 99.31% 。

RadFrac 模塊不僅可以進行校核計算，也可以進行設計計算，即通過 Design Specs 來規(guī)定塔的操作要求，如產品的純度和回收率。

（ 6 ）設計規(guī)定

本題中要求乙苯的質量純度為 99% ，苯乙烯的質量純度為 99.7% 。首先將文件另存為 Exaple7.3b-RadFrac.bkp 。

規(guī)定塔頂產品中乙苯的質量純度。由左側數(shù)據(jù)瀏覽窗口選擇 Blocks/ RADFRAC /Designspecifications ，進入D esign specifications 頁面。點擊 New ，進入 Blocks/ RADFRAC /Design specifications/1/ specifications 頁面，點擊 type 右側的下拉菜單，選擇 Mass purity ，在 Target 中輸入 0.99 ， Stream type 默認類型 Product 。

點擊 ，進入 Blocks/ RADFRAC /Designspecifications/1/ Components 頁面，選中 Components 項 Available components 欄中的 EB ，點擊 圖標 ，將 EB 移動至 Selected components 欄。

點擊 ，進入 Blocks/ RADFRAC /Designspecifications/1/ Feed/Product Streams 頁面，選中 Available streams 欄中的 ETHBZ-PD ，點擊 圖標 ，將 ETHBZ-PD 移動至 Selectedstreams 欄。

新建一個操縱變量。規(guī)定回流比為操縱變量，回流比的變化范圍為 4~8 。 左側數(shù)據(jù)瀏覽窗口選擇 Blocks/ RADFRAC /Vary ，進入 Adjusted Variables 頁面，點擊 New ，進入 Blocks/ RADFRAC /Vary/1/ specifications 頁面，在 Type 中選擇 Reflux ratio ，輸入回流比值的下限（ Lower bound ） 4 和上限（ Upper bound ） 8 。

至此，一個設計規(guī)定和一個操縱變量已定義完成，要求塔底產品中苯乙烯的質量純度為 99.7% ，所以繼續(xù)添加設計規(guī)定和操縱變量，輸入內容見下表。

Design Specs	Vary2
Type	Mass purity	Bottoms to feed ratio
Target	0.997	Lower bound	0.40
Stream type	Product	Upper bound	0.43
components	STYRENE	-	-
Product	STYR-PD	-	-

由于塔底流率小于塔頂流率，因此，第二個操縱變量選擇 Bottomsto feed ratio 。既然要選擇 Bottomsto feed ratio 作為操縱變量，那么在塔模塊的 Setup/Configuration 頁面應賦予 Bottomsto feed ratio 初值。因此將 Blocks/ RADFRAC / Setup/Configuration 頁面中的 Distillateto feed ratio 改為 Bottomsto feed ratio ，值為 0.4147 （設計規(guī)定前的嚴格計算模擬結果）。

在進行精餾塔的設計規(guī)定時，可考慮以下幾點

①   與規(guī)定熱負荷相比，優(yōu)先考慮規(guī)定流率，尤其是對于寬沸程物系。

②   規(guī)定塔頂產品或塔底產品與進料的流率比（ Distillate （ orBottoms ） to feed ratio ）是一種很有效的方法，特別是在進料流率不明確的情況下。與規(guī)定產品流率相比，塔頂產品與進料流率比（ Distillate to feed ratio ）或塔底產品與進料的流率比（ Bottoms to feed ratio ）的值和邊界條件更容易估計。規(guī)定塔頂產品或塔底產品與進料的流率比適合進行流率靈敏度分析的場合。

③   當兩個規(guī)定等價時，優(yōu)先考慮數(shù)值較小者。如果沒有側線抽出，塔頂采出與塔底采出等價，應優(yōu)先設定數(shù)值較小者。一般情況下，設定下面參數(shù)中數(shù)值較小者：回流量（ Reflux rate ）或再沸量（ Boilup rate ）；回流比（ Reflux ratio ）或再沸比（ Boilup ratio ）；塔頂產品流率（ Distillate rate ）或塔底產品流率（ Bottoms rate ）；塔頂產品與進料流率比（ Distillate to feed ratio ）或塔底產品與進料流率比（ Bottoms to feed ratio ）。

（ 7 ）運行模擬并查看運行結果

兩個設計規(guī)定和操縱變量添加完畢，點擊 ， 出現(xiàn) Properties Input Complete 對話框，點擊 OK ，運行模擬。由左側數(shù)據(jù)瀏覽窗口進入 Blocks/ RADFRAC / Results 查看模擬結果。滿足分離要求所需的回流比為 5.49 ，塔頂產品流率為 69.44kmol/h ，冷凝器熱負荷為 5024.9kW ，再沸器熱負荷為 5151.9kW 。

左側數(shù)據(jù)瀏覽窗口進入 Blocks/ RADFRAC /StreamResults ，在 Material 頁面可看到物流結果，產品滿足分離要求。  

（ 8 ）繪制曲線

由左側數(shù)據(jù)瀏覽窗口進入 Blocks/ RADFRAC /Profiles ，在 TPFQ 頁面查看塔內溫度，在 Compositions 頁面查看塔內組成分布?？衫美L圖導向（ Plot Wizard ）生產塔內溫度分布曲線和組成分布曲線。

Aspen Plus 可生成的 12 種圖形，分別為溫度（ Temp ）、組成（ Comp ）、流率（ Flow Rate ）、壓力（ Pressure ）、 K 值（ K-Values ）、相對揮發(fā)度（ Rel Vol ）、分離因子 （ Sep Factor ）、流率比（ Flow Ratio ）、 T-H （ CGCC  （ T-H ））總組合曲線、 S-H （ CGCC （ S-H ））總組合曲線、水力學分析（ Hydraulics ）、有效能損失曲線（ Exergy ）（后四種圖用于精餾塔的熱力學分析和水力學分析）

  繪制塔內溫度分布曲線。

生成塔內液相質量組成分布曲線。