Aspen設備工藝計算-ln課件

Aspen設備工藝計算Aspen設備工藝計算化工流程設計、物料衡算、熱量衡算完成之后，化工工藝設計的另一重要工作是進行設備的工藝計算、選型與核算，為車間布置設計、施工圖設計及非工藝設計項目提供依據(jù)。設備的工藝計算、選型與核算知識與方法在多門化工專業(yè)基礎課程中都有介紹，這些基礎知識將有助于人們更好地使用ASPENPLUS軟件進行化工設備的工藝計算。2化工流程設計、物料衡算、熱量衡算完成之后，化工工藝設計的另一塔器是氣~液、液~液間進行傳熱、傳質(zhì)分離的主要設備，在化工、制藥和輕工業(yè)中，應用十分廣泛，甚至成為化工裝置的一種標志。在氣體吸收、液體精餾(蒸餾)、萃取、吸附、增濕、離子交換等過程更離不開塔器，對于某些工藝來說，塔器甚至于就是關鍵設備。隨著時代的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣型式的塔，而且還不斷有新的塔型出現(xiàn)。雖然塔型眾多，但根據(jù)塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常分為板式塔和填料塔兩大類。4.1塔設備3塔器是氣~液、液~液間進行傳熱、傳質(zhì)分離的主要設備，在化工、4.1塔設備ASPENPLUS軟件中的塔板設計（Traysizing）功能，計算給定板間距下的塔徑，共有五種塔板供選用：泡罩塔板（BubbleCap）；篩板（Sieve）；浮閥塔板（GlistchBallast）；，彈性浮閥塔板（KochFlexitray）；條形浮閥塔板（NutterFloatValve)。44.1塔設備ASPENPLUS軟件中的塔板設計（TraASPENPLUS軟件中的塔板核算（Trayrating）功能，計算給定結(jié)構(gòu)參數(shù)的塔板的負荷情況，可供選用的塔板類型與“塔板設計（Traysizing）”相同。“塔板設計”與“塔板核算”配合使用，可以完成塔板選型和工藝參數(shù)設計。4.1塔設備5ASPENPLUS軟件中的塔板核算（Trayratin5種典型的散堆填料是：①拉西環(huán)（RASCHIG）；②鮑爾環(huán)（PALL）；③階梯環(huán)（CMR）；④矩鞍環(huán)（INTX）；⑤超級環(huán)（SUPERRING）。4.1塔設備ASPENPLUS軟件中的填料設計（Packsizing）功能，計算選用某種填料時的塔徑，共有40種填料供選用，包括5種典型的散堆填料和5種典型的規(guī)整填料。65種典型的散堆填料是：4.1塔設備ASPENPLUS4.1塔設備5種典型的規(guī)整填料是：①帶孔板波填料（MELLAPAK）；②帶孔網(wǎng)波填料（CY）；③帶縫板波填料（RALU-PAK）；④陶瓷板波填料（KERAPAK）；⑤格柵規(guī)整填料（FLEXIGRID）。74.1塔設備5種典型的規(guī)整填料是：74.1塔設備ASPENPLUS軟件中的填料核算（Packrating）功能，計算給定結(jié)構(gòu)參數(shù)的填料的負荷情況，可供選用的填料類型與“填料設計”中相同?！疤盍显O計”與“填料核算”配合使用，可以完成填料選型和工藝參數(shù)設計。84.1塔設備ASPENPLUS軟件中的填料核算（Pac4.1塔設備例4-1。分離一股芳烴混合物，其中含苯1272kg/h，甲苯3179kg/h，鄰二甲苯3383kg/h，正丙苯321kg/h，溫度50℃，壓力3bar。精餾塔塔頂壓力1.5bar，塔底壓力2bar。要求苯中甲苯質(zhì)量分數(shù)不超過0.0005，塔底產(chǎn)物苯質(zhì)量分數(shù)不超過0.005。求：⑴苯塔的理論塔板數(shù)、進料位置、回流比、再沸器能耗；⑵如果精餾段的墨弗里效率（MurphreeEfficiencies）為0.65，提餾段的墨弗里效率為0.75，試求滿足分離要求所需的塔板數(shù)、加料板位置、回流比、再沸器能耗、水力學參數(shù)（Hydraulicparameters）；⑶填料塔設計。使用SULZER公司的MELLAPAK-250X型波紋板規(guī)整填料，設等板高度0.3m，求兩段塔徑、壓降和塔板上的水力學數(shù)據(jù)；⑷篩板塔設計。進行篩板塔設計計算，設篩孔直徑8mm，板間距600mm，堰高50mm，降液管底隙50mm，求兩段塔徑、壓降和塔板上的水力學數(shù)據(jù)。94.1塔設備例4-1。分離一股芳烴混合物，其中含苯12724.2換熱器化工生產(chǎn)中傳熱過程十分普遍，傳熱設備在化工流程中有重要的地位。物料的加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝、蒸餾等都需要通過換熱器進行熱交換，換熱器是應用最廣泛設備之一。ASPENPLUS軟件中有4種換熱器模型：①Heater，②HeatX，③MHeatX，④HXFlux。換熱器模型廣泛應用于工藝流程模擬之中。多股物流的換熱器熱傳遞模型計算104.2換熱器化工生產(chǎn)中傳熱過程十分普遍，傳熱設備在4.2換熱器ASPENONE工程套件中的“ExchangerDesignandRating”軟件中還有7種換熱器模型：①AspenAirCooledExchanger(formerlyAspenACOL+)；②AspenFiredHeater(formerlyAspenFiredHeater)；③AspenPlateFinExchanger；④AspenShellandTubeExchanger(formerlyAspenTASC+)；⑤AspenShellandTubeMechanical(formerlyAspenTeams)；⑥AspenPlateExchanger(formerlyAspenPlate+)；⑦AspenHTFSResearchNetwork。用EDR軟件設計換熱器需要提供的條件比ASPENPLUS多，但得到的計算結(jié)果也更多，能夠給出換熱器設備數(shù)據(jù)表和裝配圖，可以為工藝設計提供更多信息。114.2換熱器ASPENONE工程套件中的“Exchang4.2換熱器由于換熱設備應用廣泛，大部分換熱器已經(jīng)標準化系列化。已經(jīng)形成標準系列的換熱器有：①列管式固定管板換熱器；②立式熱虹吸式再沸器；③浮頭式換熱器和冷凝器系列；④U型管式換熱器系列；⑤薄管板列管式換熱器系列；⑥不可拆式螺旋板換熱器系列；⑦BR0.1型波紋板式換熱器；⑧FP-G型復波傘板換熱器；⑨石墨換熱器系列等。在換熱器設計計算時，應該優(yōu)先選用標準系列的換熱器，然后利用軟件的強大計算功能與軟件數(shù)據(jù)庫的強大信息容量對選擇的換熱器進行反復核算。對換熱器的選型一般不能一蹴而就，往往需要多次選擇、多次核算才能完成。124.2換熱器由于換熱設備應用廣泛，大部分換熱器已經(jīng)4.2換熱器ASPENPLUS軟件及EDR軟件中采用的換熱器標準為美國的ETMA標準，國內(nèi)設計換熱器時根據(jù)“鋼制管殼式換熱器”(GB151-1999)進行。因此，在用軟件進行換熱器選型核算時，應該隨時查閱國家標準。另外，對于換熱器的兩側(cè)污垢熱阻的設置也需要根據(jù)具體情況查閱相關的設計手冊。4.2.1冷凝器冷凝器是用于蒸餾塔頂物流的冷凝或者反應器的冷凝循環(huán)回流的設備，包括分凝器和全凝器。分凝器用于多組份的冷凝，當最終冷凝溫度高于混合組份的泡點，仍有一部分組分未冷凝，以達到再一次分離的目的。另一種為含有惰性氣體的多組分的冷凝，排出的氣體含有惰性氣體和未冷凝組份。全凝器的最終冷凝溫度等于或低于混合組份的泡點，所有組份全部冷凝。一般地，冷凝器水平布置，汽相通過冷凝器的殼程，冷卻介質(zhì)(最常見是循環(huán)冷卻水)通過冷凝器的管程。134.2換熱器ASPENPLUS軟件及EDR軟件中4.2換熱器例4-2.冷凝器計算。對例4-1中苯塔的冷凝器進行設計選型，設循環(huán)冷卻水進出口溫度為33~43℃，塔板效率為100%。解：144.2換熱器例4-2.冷凝器計算。144.2換熱器154.2換熱器154.2.2再沸器再沸器用于使精餾塔底物料部分汽化、從而實現(xiàn)精餾塔內(nèi)汽液兩相間的熱量及質(zhì)量傳遞、為精餾塔正常操作提供動力的設備。再沸器立式熱虹吸式臥式熱虹吸式強制循環(huán)式釜式內(nèi)置式164.2.2再沸器再沸器用于使精餾塔底物料部分汽化、4.2.2再沸器例4-3.采用8bar飽和水蒸氣作為加熱蒸汽,對例4-1中苯塔進行虹吸式再沸器的設計選型。解：174.2.2再沸器例4-3.采用8bar飽和水蒸氣作為加熱4.2.2再沸器184.2.2再沸器184.3反應器對于存在化學反應的化工過程，反應器是整個化工工藝流程的核心，是化工裝置的關鍵設備，反應物在反應器內(nèi)通過化學反應轉(zhuǎn)化為目標產(chǎn)物。由于化學反應種類繁多、機理各異，反應器的類型和結(jié)構(gòu)也差異很大。反應器操作性能的優(yōu)良與否，與設計過程息息相關。

反應工程課程對反應器的基礎理論、設計方程等均進行了詳細地介紹。這些基礎理論不僅是手工設計反應器的依據(jù)，也是編制各種模擬軟件的依據(jù)。由于涉及反應器的各種設計方程異常繁復，手工計算往往令人望而卻步，或是采用簡化方法進行?，F(xiàn)在各種模擬軟件的普及，為反應器的嚴格設計計算提供了條件。194.3反應器對于存在化學反應的化工過程，反應器是4.3反應器反應器模塊生產(chǎn)能力類反應器(化學計量反應器Rstoic，產(chǎn)率反應器RYield)平衡類反應器(平衡反應器Requil，吉布斯反應器Rgibbs)動力學類反應器(全混流反應器RCSTR，平推流反應器Rplug，間歇式反應器Rbatch)每種模塊采用一種計算方法，適應一種反應器設計需求。ASPENPLUS的操作手冊中對這些模塊的使用有詳細的說明，下面對兩種動力學反應器的設計過程作一介紹。204.3反應器反應器模塊生產(chǎn)能力類反應器平衡類反應器動力學類4.3.1釜式反應器釜式反應器內(nèi)物料假定為理想混合，假定整個反應器體積的組成和溫度是均勻的，并等于反應器出口物流的組成和溫度。

釜式反應器通用性好，造價低用途廣，可以連續(xù)操作也可以間歇操作。間歇操作時，只要設計好攪拌，可以使釜溫均一，濃度均勻，反應時間可長可短，可以常壓、加壓、減壓操作，范圍較大。反應結(jié)束后出料容易，清洗方便。

連續(xù)操作時，可以多釜串聯(lián)反應，物料一端進料，另一端出料，形成連續(xù)流動，停留時間可有效控制。多釜串聯(lián)時，可以認為形成活塞流，反應物濃度和反應速度恒定，反應釜還可以分段控制。214.3.1釜式反應器釜式反應器內(nèi)物料假定為理想混合4.3.1釜式反應器例4-4．用釜式反應器合成乙酸乙酯。正反應方程式:CH3CH2OH+CH3COOH→CH3CH2COOCH3+H2O逆反應方程式:CH3CH2COOCH3+H2O→CH3CH2OH+CH3COOH原料流率400kmol/h，其中水的含量為0.026摩爾分數(shù)，乙醇與乙酸均為0.4875摩爾分數(shù)。反應溫度70℃，常壓，反應釜體積140L。求：⑴乙醇的轉(zhuǎn)化率？⑵若要求乙醇轉(zhuǎn)化率達到0.65，反應釜體積需要多大？⑶若反應釜體積140L不變，反應溫度在65~75℃范圍內(nèi)變化，乙醇轉(zhuǎn)化率如何變化？224.3.1釜式反應器例4-4．用釜式反應器合成乙酸乙酯。逆4.3.1釜式反應器解：234.3.1釜式反應器解：234.3.2管式反應器管式反應器的特點是傳熱面積大，傳熱系數(shù)較高，反應可以連續(xù)化，流體流動快，物料停留時間短，可以控制一定的溫度梯度和濃度梯度。根據(jù)不同的化學反應，可以有直徑和長度千差萬別的型式。此外，由于管式反應器直徑較小(相對于反應釜)因而能耐高溫、高壓。由于管式反應器結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)品穩(wěn)定，它的應用范圍越來越廣。管式反應器可以用于連續(xù)生產(chǎn)，也可以用于間歇操作，反應物不返混，管長和管徑是反應器的主要指標，反應時間是管長的函數(shù)，管徑?jīng)Q定于物料的流量，反應物濃度在管長軸線上，濃度梯度分布，不隨時間變化。244.3.2管式反應器管式反應器的特點是傳熱面積大4.3.2管式反應器例4-5．環(huán)戊二烯二聚管式反應器工藝計算。用管式反應器將液態(tài)輕苯餾分中的環(huán)戊二烯經(jīng)絕熱熱二聚反應生成雙環(huán)戊二烯，要求環(huán)戊二烯的質(zhì)量轉(zhuǎn)化率不低于0.94。已知原料流率為1000kg/h，溫度80℃，壓力600kPa，組成和基本物性見附表。反應方程式為：式中，活化能E的因次為kJ/kmol,濃度的因次為kmol/m3。254.3.2管式反應器例4-5．環(huán)戊二烯二聚管式反應器工藝4.3.2管式反應器熱二聚反應時為液態(tài)絕熱反應，為降低副反應速率，熱二聚反應溫度應控制<110℃。初步選擇兩個固定管板換熱器串聯(lián)作為管式反應器，物料走管程。選擇的換熱器筒體直徑1600mm，管長9000mm，單管程，管子數(shù)3339根，管程截面積0.5901m2。求：⑴當環(huán)戊二烯質(zhì)量轉(zhuǎn)化率為0.94時反應器的管長？⑵當環(huán)戊二烯質(zhì)量轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率由0.84增加到0.94時,反應器體積、物料停留時間如何變化？⑶若用90℃的冷卻水并流換熱，要求冷卻水出口溫度不超過100℃，求冷卻水流率。264.3.2管式反應器熱二聚反應時為液態(tài)絕熱反應，為4.3.2管式反應器解：274.3.2管式反應器解：274.4流體輸送設備化工設計過程中常見的流體輸送設備是泵和壓縮機。泵是化工廠最常用的液體輸送設備，具有構(gòu)造簡單、便于維修、易于排除故障、造價低、系列化生產(chǎn)等優(yōu)點