aspen 設備工藝計算資料

Aspen設備工藝計算大學包宗宏化工流程設計、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ASPEN

PLUS軟件進行化工設備的工藝計算。2大學包宗宏大學包宗宏大學包宗宏大學包宗宏；4.1塔設備））功功能能，，選用用，，包包括括55·ASPEN

PLUS軟件中的填料設計（Pack

sizing計算選用某種填料時的塔徑，共有40種填料供種典型的散堆填料和5種典型的規(guī)整填料。5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）；超級環(huán)（SUPER

RING）。6大學包宗宏4.1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）；格柵規(guī)整填料（FLEXIGRID）。7大學包宗宏4.1塔設備ASPEN

PLUS軟件中的填料核算（Pack

rating）功能，計算給定結構參數(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塔設備例4-1。分離一股芳烴混合物，其中含苯1272

kg/h，甲苯3179

kg/h，鄰二甲苯3383

kg/h，正丙苯321

kg/h，溫度50℃壓力3

bar。精餾塔塔頂壓力1.5

bar，塔底壓力2

bar。要求苯中甲苯質量分數(shù)不超過0.0005，塔底產物苯質量分數(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（Murphree

Efficiencies）為0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0.3

m，求兩段塔徑、壓降和塔板大學上包宗的宏水力學數(shù)據(jù)；⑷篩板塔設計。進行篩板塔設計計算，設篩孔直徑8

mm，板間距600

mm，堰高50

mm，降液管底隙50

mm，求兩段塔徑、壓降和塔板上的水力學數(shù)據(jù)。9大學包宗宏4.2換熱器化工生產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。ASPEN

PLUS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10大學包宗宏4.2換熱器ASPEN

ONE工程套件中的“Exchanger

Design

and

Rating”軟件中還有7種換熱器模型：①Aspen

Air

Cooled

Exchanger

(formerly

Aspen

ACOL+)；②Aspen

Fired

Heater

(formerly

Aspen

FiredHeater)；③Aspen

Plate

Fin

Exchanger；④Aspen

Shell

and

Tube

Exchanger

(formerly

Aspen

TASC+)Aspen

Shell

and

Tube

Mechanical

(formerly

Aspen

Teams)⑥Aspen

Plate

Exchanger

(formerly

Aspen

Plate+)；⑦Aspen

HTFS

Research

Network。11用EDR軟件設計換熱器需要提供的條件比ASPEN

PLUS多，但得到的計算結果也更多，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。4.2換熱器由于換熱設備應用廣泛，大部分換熱器已經標準化系列化。已經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。大學包宗在宏換熱器設計計算時，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ASPEN

PLUS軟件及EDR軟件中采用的換熱器標準為美國的ETMA標準，國內設計換熱器時根據(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。大學包宗全宏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(最常見是循環(huán)冷卻水)通過冷凝器的管程。13大學包包宗宗宏宏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：14大學包宗宏4.2換熱器15大學包宗宏4.2.2再沸器再沸器再沸器用于使精餾塔底物料部分汽化、從而實現(xiàn)精餾塔內汽液兩相間的熱量及質量傳遞、為精餾塔正常操作提供動力的設備。立式熱虹吸式臥式熱虹吸式強制循環(huán)式釜式內置式16大學包包宗宗宏宏4.2.2再沸器例4-3.采用8

bar飽和水蒸氣作為加熱蒸汽,對例4-1中苯塔進虹吸式再沸器的設計選型。解：17大學包宗宏4.2.2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，反應物在反應器內通過化學反應轉化為目標產物。由于化學反應種類繁多、機理各異，反應器的類型和結構也差異很大。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19現(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大學件包宗。宏反應器模塊4.3反應器生產能力類反應器(化學計量反應器Rstoic，產率反應器RYield)20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。大學A包S宗P宏EN

PLUS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。4.3.1釜式反應器釜式反應器內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，另一端大學包出宗料宏，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400

kmol/h，其中水的含量為0.026摩爾分數(shù)，乙醇與乙酸均大學包為宗0宏.4875摩爾分數(shù)。反應溫度70℃，常壓，反應釜體積140

L。求：⑴乙醇的轉化率？⑵若要求乙醇轉化率達到0.65，反應釜體積需要多大？⑶若反應釜體積140

L不變，反應溫度在65~75℃范圍內變化，乙醇轉化率如何變化？22大學包宗宗宏宏4.3.1釜式反應器解：23大學包宗宏244.3.2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。由于管式反應器結構簡單，產品穩(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，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)，管徑決定于物料的流量，反應物濃度在管長軸線上，濃度梯度分布，不隨時間變化。大學包宗宏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)戊二烯經絕熱熱二聚反應生成雙環(huán)戊二烯，要求環(huán)戊二烯的質量轉化率不低于0.94。已知原料流率為1000

kg/h，溫度80℃，壓力600

kPa，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/m32。54.3.2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1600

mm，管長9000

mm，單管程，管子數(shù)3339根，管程截面積0.5901

m2。求：⑴當環(huán)戊二烯質量轉化率為0.94時反應器的管長？⑵當環(huán)戊二烯質量轉化率轉化率由0.84增加到0.94時,反應器體積、物料停留時間如何變化？大學⑶包宗若宏用90℃的冷卻水并流換熱，要求冷卻水出口溫度不超過10求冷卻水流率。26大學包宗宏4.3.2管式反應器解：27大學包宗宏284.4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，具有構造簡單、便于維修、易于排除故障、造價低、系列化生產等優(yōu)點。壓縮機用于氣體壓縮輸送，主要用于工藝氣體，氣動儀表氣體、壓料過濾及吹掃管道等方面。壓縮機可分為離心式、螺桿式和往復式壓縮機。4.4.1離心泵在ASPEN

PLUS軟件模擬泵過程中，常用來指定出口壓力(Discharge

pressure)，并給定泵的水力學效率(Pump

Effici和驅動機效率(Driver

Efficiency)，計算得到出口流體狀態(tài)和需的軸功率和驅動機電功率。大學包宗宏4.4.1離心泵例4-6.離心泵輸送液態(tài)苯。用一離心泵輸送一股常壓、40℃、100

kmol/h的液態(tài)苯。已知泵的特性曲線如附表，泵的效率為0.6左右，電機效率為0.9。求：泵的