单元操作模型参考手册 - Shandong University · 1- ASPEN PLUS 10 版单元操作模型第1章混合器和分流器本章说明混合和分离物流的单元操作模型

ASPEN PLUS 10 版单元操作模型

单元操作模型参考手册

ASPEN PLUS 参考手册第 1 卷单元操作模型包括全部 ASPEN PLUS 单元操作

模型和 Pres-Relief 模型的详细技术参考信息本手册中的信息也可以在在线帮助和提示中得

到模型按单元操作类型分成章每个模型的参考信息包括模型和它的常用用法的说明流

程连接图必须提供的模型的规定的使用重要方程和关联式以及其它相关的信息关于使用所有ASPEN PLUS 单元操作模型和一般信息的步骤和过程都在 ASPEN PLUS

用户指南上在 ASPEN PLUS 在线帮助和提示上也能得到

第 1 章混合器和分流器

ASPEN PLUS 10 版单元操作模型 1-1

第1章混合器和分流器

本章说明混合和分离物流的单元操作模型模型是

模型说明目的用于

Mixer 物流混合器把多股物料流汇合成

一股物流混合三通型物流混

合操作增加热流

增加功流 FSplit 分流器把入口物流分成多个

规定的出口物流分流器 Bleed(排气)阀

SSplit 子物流分流器把每个入口子物流分

成多个规定的出口物

流

分流器流体固体分

离器

Mixer--物流混合器

使用 Mixer 把多股物流汇合成一股物流 Mixer 模型混合三通类型或其它类型的混合操

作 Mixer 把物流或热流或功流混合成一个物流分别为热流和功流从 Model Library

中选择 Heat Q 和 Work W Mixer 图标一个单一的 Mixer 模块不能混合不同类型的物

流物料流热流功流

Mixer 流程连接

物料流

入口至少两股物料流出口一股物料流一股水倾析物流可选的



热流入口至少两股热流出口一股热流

功流入口至少两股功流出口一股功流

规定 Mixer

使用 Mixer Input Flash Options 物流混合器输入闪蒸选项页规定操作条件当混合热

流或功流时 Mixer 不需要任何规定当混合物料流时你可以规定出口压力或压降如果

你规定了压降 Mixer 确定入口物流压力的最小值并且使用压降计算最小的入口物流压力

下的出口压力如果你不规定出口压力或压降 Mixer 使用入口物流中最小的压力作为出口

压力你可以选择下面有效的相态

有效的相态固体相态数游离水相态

Vapor-Only Yes or no 1 No V Liquid-Only Yes or no 1 No L Vapor-Liquid Yes or no 2 No — Vapor-Liquid-Liquid Yes or no 3 No — Liquid Free-Water¬ Yes or no 1 Yes — Vapor-Liquid Free-Water¬ Yes or no 2 Yes — Solid-Only Yes 1 No S ¬

在 Setup Specifications Global 全局的设定规定页上选择 Use Free Water Calculations 使用游离

水计算复选框



当执行游离水计算时可使用可选的水倾析物流如果你不在 Mixer BlockOptions SimulationOptions Mixer 模块选项模拟选项页或 Setup

SimulatioinOptions Calculations 设定模拟选项计算页上规定 Mass Balance Only Calculations仅计算质量平衡 Mixer 执行绝热计算以确定产品的出口温度使用下面的表格输入 Mixer 规定和浏览结果

使用这个窗口去做

Input 输入操作条件和闪蒸收敛参数 BlockOptions 替换这个模块的物性模拟选项检定的诊断水平和报告选

项的全局值 Results 浏览 Mixer 模拟结果 Dynamic 规定动力学模拟参数

Fsplit--分流器

FSplit 把相同类型的物流物料流热流或功流混合并把结果物流分成两股或更多相

同类型的物流所有出口物流具有与混合后的入口物流相同的组成和条件对于相应的热流

和功流分别从 Model Library 模型库中选择 Heat(Q)和 Work(W)FSplit 图标使用 FSplit做分流器的模型例如 Bleed(泄压)阀

FSplit 不能把一股物料流分成不同类型的物流例如 FSplit 不能把一股物料流分成一

股功流和一股物料流要模拟每个出口物流的每个子物流的量不同的分流器使用 SSplit 模块要模拟出口物

流的组成和性质不同的分流器使用 Sep 模块或 Sep2 模块

FSplit 流程连接

物料流

入口至少一股物料流出口至少两股物料流



热流入口至少一股热流出口至少两股热流

功流

入口至少一股功流出口至少两股功流

规定 FSplit

分流物料流对每个出口物流除去一个出口物流之外给定下述规定之一 l 混合后的入口物流的分率 l 摩尔流率 l 质量流率 l 标准液体体积流率 l 实际体积流率 l 在所有其它规定已满足后剩余的分率 FSplit 把剩余物流的流率作为未规定的出口物流的流率以满足物料平衡你可以给出下

述规定之一的摩尔质量或标准液体体积流率 l 整个物流 l 物流内关键组分子集要规定一个出口物流中一个组分的流率或一个组分组的流率在 Input Specifications 输

入规定页上规定一组关键组分和关键组分组的总流率组分流率总和并在 Input KeyComponents 输入关键组分页上定义组中的关键组分

出口物流与混合的入口物流具有相同的组成由于这个原因当你规定了一个关键组分

的流率时出口物流的总流率将会大于你规定的流率当 FSplit 有多个入口时你可以做下述中的之一 l 在 FSplit Input FlashOptions FSplit 输入闪蒸选项页上输入出口压力 l 出口压力的缺省值为入口物流中的最低压力值

分流热流或功流除了一个出口物流不规定以外对于每个出口物流规定混合后的热或

功的分率 FSplit 把任何剩余的热和功作为未规定的出口物流的热和功以满足能量平衡使用下面的表格对 FSplit 输入规定和浏览结果


Input 输入分流的规定闪蒸条件和计算选项以及与分流的规定

有关的关键组分 BlockOptions 替换这个模块的物性模拟选项诊断消息水平和报告选



项的全局值 Results 浏览出口物流的分流分率以及物料和能量平衡结果

SSPLIT--子物流分流器

SSplit 混合物料流并把结果物料流分成两股或多股物流要模拟出口物流中每个子物流

不同的分流器使用 SSplit 模型出口物流中的子物流都与混合的入口中的子物流一样具有相同的组成温度和压力只

有子物流流率不同要模拟出口物流中组成和性质不同的子物流使用 Sep 模块或 Sep2 模

块

SSplit 流程连接

物料流


规定 SSplit

对于每个子物流给出下述中的规定之一 l 入口子物流的分率 l 摩尔流率 l 质量流率 l 标准液体体积流率 SSplit 把每个子物流的剩余的流率作为未规定的物流流率当子物流是 CISOLID 类型

时你不能规定标准液体体积流率当子物流是 NC 类型时不能规定摩尔和标准液体体积

流率你可以规定下述规定之一的摩尔或质量流率 l 整个子物流 l 子物流内组分子集你可以在一个出口物流的子物流中规定一个组分的流率通过定义一个关键组分并规定

这个关键组分的流率来实现类似的你可以在一个出口物流的子物流中规定一个组分组的

流率通过定义一个关键组分组并规定组分组的总流率组分流率总和出口物流中的子物流与混合的入口物流的相应子物流具有相同的组成由于这个原因

当你规定了一个关键的流率时出口物流中子物流的总流率将会大于你规定的流率



当 SSplit 有多个入口时你可以做下述之一 l 在 Input FlashOptions 页上输入出口压力 l 出口压力的缺省值为入口物流中的最低压力值所有出口物流的组成温度压力和其它子物流变量都与混合的入口物流的相同只是

子物流流率不同使用下面的表格输入 SSplit 规定并浏览结果


Input 输入分流的规定闪蒸条件和计算选项以及与分流的规定

有关的关键组分 BlockOptions 替换这个模块的物性模拟选项诊断消息水平和报告选

项的全局值 Results 浏览每个出口物流中每个子物流的分率以及物料和能量

平衡结果

第 2 章分离器


第2章分离器

本章说明组分分离器闪蒸罐和液-液分离器的单元操作模型模型是


Flash2 两股出口流的闪蒸罐用严格气 -液或气-液-液平衡把进料分成两股

出口物流

闪蒸罐蒸发器分液

罐单级分离器

Flash3 三股出口流的闪蒸罐用严格气-液-液平衡把

进料分成三股出口物流倾析器有两个液相的

单级分离器 Decanter 液-液倾析器把进料分成两股液体出

口物流倾析器有两个液相和

没有气相的单级分离器 Sep 组分分离器根据规定的流率或分流

分率把入口物流组分

分成多股出口物流

组分分离操作例如蒸

馏和吸收当分离的细

节不知道或不重要时 Sep2 两股出口流的组分分

离器根据规定的流率分率

或纯度把入口物流组

分分成两股出口物流

组分分离操作例如蒸

馏和吸收当分离的细

节不知道或不重要时

你可以把 Flash2 Flash3 和倾析器模型生成加热或冷却曲线图表

Flash2--两股出口流的闪蒸罐

Flash2 是用来模拟闪蒸罐蒸发器分液罐和其它的单级分离器 Flash2 完成气-液或

气-液-液平衡计算当你规定了出口条件时 Flash2 能确定一股或多股入口物流混合物的热

和相态情况

Flash2 流程连接

第 2 章分离器


物料流

入口至少一股物料流出口一股气相物料流

一股液相物料流如果存在三相液体出口流将包括两个液相一股水倾析物流可选的

你可以规定气相物流中液体和/或固体的夹带量

热流

入口任意股热流可选的出口一股热流可选的

如果你在 Input Specification Sheet 上只给出一个规定温度或压力 Flash2 用入口热流

总和作为负荷规定否则 Flash2 只使用入口热流计算净热负荷净热负荷是入口热流的总

和减去实际的计算的热负荷你可以使用一个可选的出口热流作为净热负荷

规定 Flash2

使用 Input Specification 页的所有必须的规定和有效的相态对有效相态你可以选择

下面的选项你可以选择下面的选项固体相态数游离水

Vapor-Liquid Yes or no 2 No Vapor-Liquid-Liquid Yes or no 3 No Vapor-Liquid-FreeWater Yes or no 2 Yes

使用 Input FlashOptions 输入闪蒸选项页规定温度和压力估值以及闪蒸收敛参数使用 Input Entrainment 输入夹带量页规定气相物流中液体和固体的夹带量使用 Hcurves 窗口规定可选的加热或冷却曲线使用下面的表格输入 Flash2 规定并浏览结果

第 2 章分离器



Input 输入闪蒸规定闪蒸收敛参数和夹带量的规定 Hcurves 规定加热或冷却曲线表和浏览结果列表 Block Options 替换这个模块的物性模拟选项诊断消息水平和报告选项

的全局值 Results 浏览 Flash2 的模拟结果 Dynamic 规定动力学模拟的参数

固体

所有相态都处于热力学平衡状态固体和流体相态相同保持相同的温度当物流包含有固体子物流或当你需要电解质化学性质计算时 Flash2 可以模拟带有固体

的流体相态固体子物流固体子物流中的物料流不参与相平衡计算电解质化学性质计算在 Properties Specifications Global 全局的性质规定页或

BlockOptions Properties 模块选项性质页上你可能需要电解质化学性质计算固体盐参

与液-固相平衡和热力学平衡计算盐存在于 MIXED 子物流中

Flash3--三相出口流的闪蒸罐

Flash3 是用来模拟闪蒸罐蒸发器分液罐倾析器和其它的在产品中有两液相出口物

流的单级分离器 Flash3 完成气-液-液平衡计算当你规定了出口条件时 Flash3 能确定一

股或多股入口物流混合物的热和相态情况

Flash3 流程连接

物料流

入口至少一股物料流出口一股气相物料流

一股第一液相物料流一股第二液相物料流

第 2 章分离器


你可以规定气相物流中每个液相的液体夹带量你还可以规定气相物流和第一液相物流

中每个固体子物流的夹带量

热流


如果你在 Input Specification Sheet 上只给出一个规定温度或压力 Flash3 用入口热流

总和作为负荷规定否则 Flash3 只使用入口热流计算净热负荷净热负荷是入口热流的总

和减去实际的计算的热负荷你可以使用一个可选的出口热流作为净热负荷

规定 Flash3

所需的全部规定使用 Input Specifications 输入规定页使用 Input Entrainment 输入夹带量页规定固体的夹带量使用 Hcurves 窗口规定可选的加热或冷却曲线使用下面的表格输入 Flash3 规定和浏览结果


Input 输入闪蒸规定关键组分闪蒸收敛参数和夹带量的规定 Hcurves 规定加热或冷却曲线表和浏览图表结果 Block Options 替换这个模块的物性模拟选项诊断消息水平和报告选项

的全局值 Results 浏览 Flash3 的模拟结果

Dynamic 规定动力学模拟的参数

固体

所有相态都处于热力学平衡状态固体和流体相态一样保留相同的温度当物流包含有固体子物流或当你需要电解质化学性质计算时 Flash3 可以模拟带有固体

的流体相态固体子物流固体子物流中的物料流不参与相平衡计算电解质化学性质计算在 Properties Specifications Global 全局的性质规定页或

BlockOptions Properties 模块选项性质页上你可能需要电解质化学性质计算固体盐参

与液-固相平衡和热力学平衡计算你可以只规定表观组分计算在 BlockOptions Properties页上选择 Simulation Approach=Apparent Components 盐将不会出现在 MIXED 子物流中

倾析器--液-液倾析器

Decanter 模型用于模拟倾析器和其它无气相的单级分离器 Decanter 模型可以完成 l 液-液平衡计算 l 液-游离水计算用倾析器模型来模拟分液器倾析器和其它无气相的单级分离器当你规定出口条件时

Decanter 模型能确定一股或多股入口物流混合物的热和相态情况

第 2 章分离器


Decanter 模型可以计算液-液分布系数使用 l 活度系数模型 l 可以描述两液相的状态方程 l 用户规定的 Fortran 子程序 l 具有用户规定系数的内置的关联式如果认为有平衡级存在可以输入组分分离系数如果你怀疑有气相生成就使用 Flash3

Decanter 流程连接

物料流入口至少一股物料流出口一股第一液相物料流

一股第二液相物料流你可以规定第一液相物流中每个固体子物流的夹带量

热流

入口任意股热流可选的出口一股热流可选的如果你在 Input Specification Sheet 上只规定压力 Decanter 模型用入口热流总和作为负

荷规定否则 Decanter 模型只使用入口热流计算净热负荷净热负荷是入口热流的总和减

去实际的计算的热负荷你可以使用一个可选的出口热流作为净热负荷

规定 Decanter

你可以采用下述方式之一操作 Decanter 模型 l 绝热 l 在规定的负荷下 l 在规定的温度下使用 Input Specifications 页输入 l 压力 l 温度或负荷使用下面的表格输入 Decanter 规定并浏览结果


Input 输入操作条件关键组分计算选项有效相态效率收敛

和夹带量 Properties 规定和/或替换性质方法 KLL 方程参数和/或相态分离计

第 2 章分离器


算的用户子程序 Hcurves 规定加热或冷却曲线表和浏览图表结果 Block Options 替换这个模块的物性模拟选项诊断消息水平和报告选项

的全局值 Results 显示模拟结果

Dynamic 规定动力学模拟的参数

定义第二个液相

如果两个液相都存在于倾析器操作条件下 Decanter 模型在缺省情况下把具有较高密度

的相态看作第二相态当仅有一个液相存在并且避免不明确时你可以通过如下方法替换缺省 l 在 Input Specifications 页上规定标识第二个液相的关键组分 l 在 Input Specifications 页上可选地规定关键组分的摩尔分率阈值

当倾析器把

存在两个液相时具有较高摩尔分率的关键组分的相态看作第二相态存在一个液相时除非关键组分的摩尔分率超过阈值否则把液相看作第一液相

计算液-液分布系数 KLL 的方法当计算液-液分布系数 KLL 时 Decanter 模型在缺省情况下使用在 Properties

PhaseProperty 页或 BlockOptions Properties 页上规定的模块物性方法在 Input CalculationOptions 输入计算选项页上你可以替换缺省做下面情况之一 l 使用 Properties PhaseProperty 页规定两个液相分离的物性方法 l 使用内置的 KLL 关联式在 Properties KLLCorrelation 页上输入关联式系数 l 使用你在 Properties KLLSubroutine 页上规定的 Fortran 子程序有关编写 Fortran 子程序的更详细信息参见 ASPEN PLUS 用户模型

相分离 Decanter 模型采用下面两种方法解决液-液相态分离计算 l 两个液相的等逸度法 l 系统的最小吉布斯自由能法你可以在 Input CalculationOptions 页上选择其中的一种方法如果你选择了系统的最小吉布斯自由能方法下面的内容必须和热力学相一致 l 物性模型 l 模块性质方法你不能使用系统的最小吉布斯自由能方法当

你规定在这个页上

两个液相分离的性质方法 Properties PhaseProperty 液-液分布系数 KLL 计算的内置的

关联式 Input CalculationOptions

液-液分布系数 KLL 计算的用户子

程序 Input CalculationOptions

第 2 章分离器


两个液相的等逸度法在物性规定上不受限制 Decanter 模型在吉布斯自由能不是最小时

求解

效率 Decanter 模型出口物流通常是平衡的但是你可以在 Input Efficiency 输入效率页

上规定分离效率来说明偏离平衡程度如果你在 Input CalculationOptions 页上选择了 Liquid-FreeWater for Valid Phase 液-游离水的有效相态那么就不能规定分离效率

固体夹带量如果存在固体夹带它们不参与相平衡计算但是参与焓平衡你可以使用 Input

Entrainnent 页规定第一个液相出口物流中的固体夹带量 Decanter 把任何剩余的固体放在第

二个液相出口物流中

Sep--组分分离器

Sep 模型用来混合物流并把结果物流按照每个组分的分离规定分成两股或更多的物料

流当分离情况不详或不重要但知道每个组分的分离情况时你可以用 Sep 来代替严格分

离模型以节省计算时间如果你正在模拟模块的所有出口物流的组成和条件是相同的可以使用 FSplit 模块代替

Sep

Sep 流程连接

物料流


热流

入口无出口热流出口在入口和出口物料流之间焓不同的一股物料流可选的

规定 Sep

对每个出口物流的每个子物流除去其中的一个之外使用 Sep 的 Input Specifications页对物流中的每个存在的组分规定下述规定之一 l 在相应入口子物流中的组分分率

第 2 章分离器


l 组分的摩尔流率 l 组分的质量流率 l 组分的标准液体体积流率 Sep 把剩余的流率作为未规定的出口物流相应的子物流的流率使用下面的表格输入 Sep 规定和浏览结果


Input 输入分离的规定闪蒸规定以及混合的入口和每个出口物流

的收敛参数 BlockOptions 替换这个模块的物性模拟选项诊断消息水平和报告选项

的全局值 Results 浏览 Sep 模拟结果

入口压力

使用 Sep 的 Input Feed Flash Sep 输入进料闪蒸规定页规定压降或入口处的压力当

Sep 有一个以上的入口物流时这是有用的入口压力缺省为最小的入口物流压力

出口物流条件

使用 Sep Input Outlet Flash 页规定出口物流的条件如果你不规定出口物流的条件 Sep使用入口温度和压力

Sep2--两产品组分分离器

Sep2 模型用来把入口物流组分分离成两个出口物流 Sep2 类似于 Sep 但是 Sep2 提供

了各种各样的规定 Sep2 允许组分的纯度摩尔分率规定你可以使用 Sep2 代替一个严格的分离模型例如蒸馏或吸收当分离情况未知或不重

要时 Sep2 节省计算时间如果你所做模型的模块的所有出口物流的组成和条件都是相同的你可以用 FSplit 代替

Sep2

Sep2 流程连接

物料流

入口至少一股物料流出口两股物料流

第 2 章分离器


热流入口无入口热流出口在入口和出口物料流之间焓不同的一股物料流可选的

规定 Sep

使用 Input Specifications 页规定物流和/或组分分率和流率每个子物流规定的数目必须

和子物流中的组分数目相等你可以输入下面这些物流规定 l 去两个出口物流之一的全部入口物流的分率 l 一个出口物流的总的质量流率 l 一个出口物流的总的摩尔流率 MIXED 或 CISOLID 类型的子物流 l 一个出口物流的总的标准液体体积流率 MIXED 类型的子物流你可以输入下面这些组分规定 l 去两个出口物流之一的进料中的组分分率 l 一个出口物流中一个组分的质量流率 l 一个出口物流中一个组分的摩尔流率 MIXED 或 CISOLID 类型的子物流 l 一个出口物流中一个组分的标准液体体积流率 MIXED 类型的子物流 l 一个出口物流中一个组分的质量分率 l 一个出口物流中一个组分的摩尔分率 MIXED 或 CISOLID 类型的子物流 Sep2 分别处理每个子物流而不 l 规定两个出口物流的总流率 l 对每个组分输入一个以上的流率或分率规定 l 在一个物流中既输入一个组分的摩尔分率又输入质量分率规定使用下面的表格输入 Sep2 规定和浏览结果


Input 对于混合的入口和每个出口物流输入分离的规定闪蒸规

定以及收敛参数 BlockOptions 替换这个模块的物性模拟选项诊断消息水平和报告选项

的全局值 Results 浏览 Sep2 模拟结果

入口压力

使用 Input Feed Flash 输入进料闪蒸规定页规定压降或入口处的压力当 Sep2 有一

个以上的入口物流时这个信息是有用的入口压力缺省为最小的入口物流压力

出口物流条件

使用 Input Outlet Flash 页规定出口物流的条件如果你不规定出口物流的条件 Sep2使用入口温度和压力

第 3 章换热器


第3章换热器

本章说明换热器和加热器和冷却器的单元操作模型以及提供到 B-JAC 换热器程

序界面的单元操作模型模型是


Heater 加热器或冷却器确定出口物流的热和

相态条件加热器冷却器冷凝器

等等 HeatX 两股物流的换热器在两个物流之间换热两股物流的换热器当知

道几何尺寸时核算管壳

式换热器 MHeatX 多股物流的换热器在多股物流之间换热多股热流和冷流换热器

两股物流的换热器 LNG换热器

Hetran 管壳式换热器提供 B-JAC Hetran 管

壳式换热器程序界面管壳式换热器包括釜式

再沸器 Aerotran 空冷换热器提供 B-JAC Aerotran

空冷换热器程序界面错流式换热器包括空气

冷却器

Heater--加热器/冷却器

你可以用 Heater 模型表示 l 加热器 l 冷却器 l 阀 l 泵不需要有关功的结果 l 压缩机不需要有关功的结果你也可以用 Heater 模型设定物流的热力学条件当你规定了出口条件时 Heater 可确定一股或多股入口物流混合物的热和相状况

Heater 流程连接

第 3 章换热器


物料流入口至少一股物料流出口一股物料流

一股水倾析物流可选的热流


如果你在 Specification 页上只给出一个规定温度或压力 Heater 模型用入口热流总

和作为负荷规定否则 Heater 模型用入口热流只计算净热负荷净热负荷是入口热流的总

和减去实际的计算的热负荷你可以使用一个可选的出口热流的净热负荷

规定 Heater

对所有必需的规定和有效相态使用 Heater 模型的 Input Specification 页露点计算是气相分率为 1 的两相闪蒸或三相闪蒸泡点计算是气相分率为 0 的两相闪蒸或三相闪蒸用 Heater 模型的 Input FlashOptions 页规定估算的温度和压力以及闪蒸收敛参数用 Hcurves 窗口规定可选的加热或冷却曲线此模型无动力学特性压降固定在稳态值出口流率由质量平衡来确定使用下面的表格对 Heater 输入规定和浏览结果


Input 输入操作条件和闪蒸收敛参数 Hcurves 规定加热或冷却曲线表和浏览图表结果 Block Options 替换这个模块的物性模拟选项诊断消息水平和报告选项

的全局值 Results 浏览 Heater 的模拟结果

固体

当物流包含有固体子物流或当你需要电解质化学性质计算时 Heater 可以模拟带有固体

的流体相态所有相态都处于热力学平衡状态固体和流体相态一样保留相同的温度

固体子物流固体子物流中的物料流不参与相平衡计算电解质化学性质计算在 Properties Specifications Global 全局的性质规定页或 Heater BlockOptions Properties 加热器模块选项性质页上你可能需要电解质化学性质计算固

体盐参与液-固相平衡和热力学平衡计算盐存在于 MIXED 子物流中

HeatX--两股物流的换热器

HeatX 模型用来模拟各种各样的管壳式换热器类型包括 l 逆流和同向流

第 3 章换热器


l 弓形折流挡板 TEMA 型 E F G H J 和 X 型壳体 l 圆盘形折流挡板 TEMA 型 E 和 F 型壳体 l 裸管和低翅片管 HeatX 模型可完成具有单相和两相物流的传热系数和压降估算的全部区域分析对严格

的传热系数和压降计算必须提供换热器的几何尺寸如果换热器的几何尺寸不知道或不重要 HeatX 模型可完成简单的核算例如仅完成

能量和物料平衡计算 HeatX 模型有估算显热核沸腾和冷凝液膜系数的关联式 HeatX 模型不能 l 完成设计计算 l 完成机械振动分析 l 估算污垢系数

HeatX 流程连接

物料流入口一个热侧入口物流

一个冷侧入口物流出口一个热侧出口物流

一个冷侧出口物流在热侧一个水倾析物流可选的在冷侧一个水倾析物流可选的

规定 HeatX

当规定 HeatX 模型时考虑下面这些问题 l 使用简单的简捷法核算还是严格核算 l 模块应该有什么规定 l 应该怎样计算对数平均温差校正因子 l 应该怎样计算传热系数 l 应该怎样计算压降 l 可以得到什么设备规定和几何尺寸信息上述这些问题的回答确定了完成模块输入所需的信息量你必须提供下述规定之一

第 3 章换热器


l 换热器面积或几何尺寸 l 换热器热负荷 l 热流或冷流的出口温度 l 在换热器两端之一处的接近温度 l 热流或冷流的过热度/过冷度 l 热流或冷流的气相分率 l 热流或冷流的温度变化使用下面的表格对 HeatX 输入规定和浏览结果


Setup 规定简捷或详细的计算流动方向换热器压降传热系数

计算方法和膜系数 Options 规定热侧和冷侧不同的闪蒸收敛参数和有效相态 HeatX 收

敛参数和模块规定报告选项 Geometry 规定壳程和管程的结构并指明任何翅片管折流挡板或管

嘴 UserSubroutines 规定用户定义的 Fortran 子程序的参数来计算整个的传热系

数 LMTD 校正因子管壁液体滞留量或管壁压降 Hot-Hcurves 规定热流的加热或冷却曲线表和浏览结果表 Cold-Hcurves 规定冷流的加热或冷却曲线表和浏览结果表 BlockOptions 替换这个模块的物性模拟选项诊断消息水平和报告选项

的全局值 Results 浏览结果质量和能量平衡压降速度和区域分析汇总 Detailed Results 浏览详细的壳程和管程的结果以及关于翅片管折流挡板和

管嘴的信息 Dynamic 规定动力学模拟的参数

简捷法核算与严格法核算比较

HeatX 有两种核算模型简捷法和严格法用 Setup Specifications 页上的 Calculation Type核算类型字段来规定简捷法或严格法核算在简捷法核算模型中你可以使用最少的输入量来模拟一个换热器简捷法核算不需要

换热器结构或几何尺寸数据对于严格法核算模型你可以用换热器几何尺寸去估算 l 膜系数 l 压降 l 对数平均温差校正因子严格法核算模型对 HeatX 提供了较多的规定选项但也需要较多的输入严格法核算模型提供了很多缺省的选项你可以改变缺省的项来控制整个计算下面这

个表列出了具有有效值的这些选项这些有效值将在下面一段中加以说明

变量计算方法在简捷法模型中可采用在严格法模型中可采用

LMTD Correction Factor

LMTD 校

正因子

常数几何尺寸用户子程序

Default No No

Yes Default Yes

Heat Transfer Coefficient

常数值 Yes Yes

第 3 章换热器


Coefficient传热系数

特定相态的值幂率表达式膜系数换热器几何尺寸用户子程序

Default Yes No No No

Yes Yes Yes Default Yes

Film Coefficient膜系数

常数值特定相态的值幂率表达式由几何尺寸计算

No No No No

Yes Yes Yes Default

Pressure Drop压降

出口压力由几何尺寸计算

Default No

Yes Default

计算对数平均温差校正因子

换热器的标准方程是

LMTDAUQ ⋅⋅=

这里 LMTD 是对数平均温差此方程用于纯逆流流动的换热器通用方程是

LMTDFAUQ ⋅⋅⋅=

这里 LMTD 是校正因子 F 考虑了偏离逆流流动的程度在 Setup Specifications 页上用 LMTD Correction Factor 区域输入 LMTD 校正因子在简捷法核算模型中 LMTD 校正因子是恒定的在严格法核算模型中使用 Setup

Specifications 页上的 LMTD Correction Method 区域规定 HeatX 怎样计算 LMTD 校正因子

你可以从下面的计算选项中选择

如果 LMTD 校正方法是那么

Constant 你输入的 LMTD 校正因子是常数 Geometry HeatX用换热器规定和物流性质计算LMTD校正因子 User subroutine 你提供一个用户子程序来计算 LMTD 校正因子

计算传热系数

在 Setup U Methods 设定传热系数方法页确定怎样计算传热系数设定计算方法

你可以在简捷法或严格法核算模型中使用下面这些选项

如果计算方法是 HeatX 使用并且你规定

Constant value 传热系数常数值常数值 Phase-specific values 换热器每个传热区域传热系

数不同指明热流和冷流的相

态

每个区域一个常数值

Power law expression 传热系数的幂率表达式看成

物流流率的函数幂率表达式的系数

在严格法核算模型中允许有下面三个附加值

如果计算方法是那么

第 3 章换热器


Exchanger geometry

HeatX 用换热器几何尺寸和物流性质估算膜系数来计算传热系数

Film coefficients HeatX 用膜系数计算传热系数你可以用 Setup Film Coefficients 页上的任何选项来计算膜系数

User subroutine 你提供一个用户子程序来计算传热系数

膜系数

在简捷法核算模型中 HeatX 模型不计算膜系数在严格法核算模型中如果你在传热

系数计算方法中使用膜系数或换热器几何尺寸 HeatX 计算传热系数使用

hc hhU111 +=

这里

ch = 冷流膜系数

hh = 热流膜系数

要选择一个选项计算膜系数可在 Setup Film Coefficients 页上设定 Calculation Method计算方法下面是可用的方法

如果计算方法是 HeatX 使用并且你规定

Constant value 膜系数常数值用于整个换热器的常数值 Phase-specific values 换热器每个传热区域相态

的不同膜系数指明物流的相

态

每个相态的常数值

Power law expression 膜系数的幂率表达式看成物

流流率的函数幂率表达式的系数

Calculate from geometry

换热器几何尺寸和物流性质

来计算膜系数

热流和冷流膜系数计算方法是互相独立的可以使用适合你的换热器的任何计算方法组

合

压降计算

要想输入换热器热侧和冷侧的压力或压降使用 Setup Pressure Drop 设定压降页的

Outlet Pressure 出口压力区域在简捷法核算模型中压降是恒定的在严格法核算模型中你可以通过在 Setup PressureDrop 页设定压力选项来选择怎样计

算压降下面的压降选项是可用的

如果压力选项是那么

Outlet Pressure 出口压

力你必须输入物流的出口压力或压降

Calculate from geometry由几何尺寸计算

HeatX 用换热器几何尺寸和物流性质计算压降

HeatX 用 Pipeline 管线模型来计算管侧压降你可以设定压降关联式和在 Setup

第 3 章换热器


PressureDrop 页上 Pipeline 模型使用的液体滞留量

换热器结构

换热器结构指换热器内整个流动的型式如果你对于传热系数膜系数或压降计算方法

选择 Calculate From Geometry 选项你可能需要在 Geometry Shell 页中输入一些有关换热器

结构的信息这页包括的区域是 l TEMA 型换热器壳体类型参看下面的图 TEMA 壳体类型 l 管程数 l 换热器方向 l 折流板上管数排布 l 密封圈数 l 垂直的换热器管程流动

第 3 章换热器


Geometry Shell 页也包含了两个重要的壳体尺寸 l 壳体内径 l 壳体到管束的最大直径的环形面积

下图显示出了壳体的尺寸

注 Outer Tube Limit 管束外层的最大直径 Shell Diameter 壳体直径 Shell to Bundle Clearance 壳层到管束的环形面积

折流挡板的几何尺寸

壳侧膜系数和压降计算需要壳体内挡板的几何尺寸在 Geometry Baffles 挡板的几何

尺寸页上输入挡板的几何尺寸 HeatX 模型可以计算弓形折流挡板壳体和圆盘形折流挡板壳体的壳侧值需要的其它信

息根据折流挡板的类型来确定对于弓形折流挡板需要的信息包括 l 折流挡板切口高度 l 折流挡板间距 l 折流挡板面积

对于圆盘形折流挡板需要的信息包括 l 环形直径 l 支承盘的几何尺寸下面两个图显示了折流挡板的直径在 Dimensions for Segmental Baffles 弓形折流挡板

的直径图中 Baffle Cut 折流挡板的切口高度是壳体直径的分率所有的中心距都是沿

直径方向的

第 3 章换热器


注 Baffle Cut 折流挡板的切口高度 Tube Hole 管孔 Shell to Baffle Clearance 壳层到折流挡板的环形面积

注 Rod Diameter 圆盘直径 Ring Outside Diameter 环外径 Ring Inside Diameter 环内径

管子的几何尺寸

计算管侧膜系数和压降需要管束的几何尺寸 HeatX 模型也用这个信息从膜系数来计算

传热系数在 Geometry Tubes 管子的几何尺寸页上输入管子的几何尺寸你可以选择一个裸管换热器或低翅片管换热器这一页包括的区域为 l 管子总数 l 管子长度 l 管子直径 l 管子的排列 l 管子的材质下面两个图显示了管子的排列型式和翅片的尺寸

第 3 章换热器


管嘴几何尺寸压降计算包括换热器管嘴处的压降计算在 Geometry Nozzles 管嘴的几何尺寸页上

输入管嘴的几何尺寸

模型关联式 HeatX 模型使用文献关联式计算膜系数和压降下面四个表列出了模型的关联式

管侧传热系数的关联式机理流动形式关联式参考文献

单相层流湍流

Schlunder Gnielinski

[1] [1]

沸腾-垂直管 Steiner/Taborek [2] 沸腾-水平管 Shah [3, 4] 冷凝-垂直管层流

层状波形流湍流 Shear-dominated

Nusselt Kutateladze Labuntsov Rohsenow

[5] [6] [7] [8]

冷凝-水平管环流层叠流

Rohsenow Jaster/Kosky method

[8] [9]

壳侧传热系数的关联式

机理流动形式关联式参考文献

单相弓形 Bell-Delaware [10,11] 单相 ROD Gentry [12] 沸腾 Jensen [13] 冷凝-垂直管层流

层状波形流湍流剪式流

Nusselt Kutateladze Labuntsov Rohsenow

[5] [6] [7] [8]

冷凝-水平管 Kern [9]

管侧压降的关联式机理关联式

单相 Darcy 定律两相参看第六章¬ ¬ 参看管道中两相压降可采用的管线关联式两相关联式

壳侧压降关联式机理关联式参考文献

单相弓形 Bell-Delaware [10,11] 单相圆盘形 Gentry [12] 两相弓形具有两相流动的 Grant 关联式的

Bell-Delaware 方法 [10,11],[14]

两相圆盘形 Gentry [12]

第 3 章换热器


闪蒸规定使用 Options Flash Options 闪蒸选项页输入闪蒸规定

如果你要完成这些计算固体设定有效相态对

气相 Yes or no 仅气相液相 Yes or no 仅液相 2-流体闪蒸相态 Yes or no 气-液 3-流体闪蒸相态 Yes or no 气-液-液 3-流体相态游离水闪蒸 Yes or no 气-液-游离水仅固体 Yes 仅固体

物性

要想替换全局或流程段性质规定使用 BlockOptions Properties 页你可以对换热器热

侧和冷侧使用不同的物性选项如果你仅提供一套性质规定 HeatX 模型对热侧和冷侧计算

都使用这一套性质规定

固体

所有的相态都处于热力学平衡中固体跟流体相态一样具有相同的温度当物流含有固体子物流时或当你要求电解质化学性质计算时 HeatX 模型可以模拟带有

固体的流体相态固体子物流固体子物流中的物质不参与相平衡计算电解质化学性质计算在 Properties Specifications Global 全局的性质规定页或 HeatX BlockOptions Properties HeatX 模块选项性质页上你可能需要电解质化学性质计算固

体盐参与液-固相平衡和热力学平衡计算盐存在于 MIXED 子物流中

参考文献

1. Gnielinski, V., "Forced Convection in Ducts." In: Heat Exchanger Design Handbook. New York: Hemisphere Publishing Corporation, 1983.

2. Steiner, D. and Taborek, J., "Flow Boiling Heat Transfer in Vertical Tubes Correlated by an Asymptotic Model." In: Heat Transfer Engineering, 13(2):43-69, 1992.

3. Shah, M.M., "A New Correlation for Heat Transfer During Boiling Flow Through Pipes." In: ASHRAE Transactions, 82(2):66-86, 1976.

4. Shah, M.M., "Chart Correlation for Saturated Boiling Heat Transfer: Equations and Further Study." In: ASHRAE Transactions, 87(1):185-196,1981.

5. Nusselt, W., "Surface Condensation of Water Vapor." Z. Ver. Dtsch, Ing., 60(27):541-546, 1916. 6. Kutateladze, S.S., Fundamentals of Heat Transfer. New York: Academic Press, 1963. 7. Labuntsov, D.A., "Heat Transfer in Film Condensation of Pure Steam on Vertical Surfaces and

Horizontal Tubes." In: Teploenergetika, 4(7):72-80,1957. 8. Rohsenow, W.M., Webber, J.H., and Ling, A.T., "Effect of Vapor Velocity on Laminar and

Turbulent Film Condensation." In: Transactions of the ASME,78:1637-1643, 1956. 9. Jaster, H. and Kosky, P.G., "Condensation Heat Transfer in a Mixed Flow Regime." In:

International Journal of Heat and Mass Transfer, 19:95-99,1976. 10. Taborek, J., "Shell-and-Tube Heat Exchangers: Single Phase Flow." In: Heat Exchanger

第 3 章换热器


Design Handbook. New York: Hemisphere Publishing Corporation, 1983. 11. Bell, K.J., "Delaware Method for Shell Side Design." In: Kakac, S., Bergles,A.E., and

Mayinger, F., editors, Heat Exchangers: Thermal-Hydraulic Fundamentals and Design. New York: Hemisphere Publishing Corp., 1981.

12. Gentry, C.C., "RODBaffle Heat Exchanger Technology." In: Chemical Engineering Progress 86(7):48-57, July 1990.

13. Jensen, M.K. and Hsu, J.T., "A Parametric Study of Boiling Heat Transfer in a Tube Bundle." In: 1987 ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference, pages 133-140, Honolulu, Hawaii, 1987.

14. Grant, I.D.R. and Chisholm, D., "Two-Phase Flow on the Shell Side of a Segmentally Baffled Shell-and-Tube Heat Exchanger." In: Journal of Heat Transfer, 101(1):38-42, 1979.

MHeatX--多物流换热器

MHeatX 模型用来模拟一个换热器有多股热流和冷流之间的传热情况例如 LNG 换热

器对于两股物流的换热器你也可以使用 MHeatX 模型从任何出口物流可以倾析游离水

MHeatX 模型保证总的能量平衡但不考虑换热器的几何尺寸 MHeatX 模型可以完成一个详细的严格的内部区域分析以确定换热器中所有物流的

内部夹点以及加热和冷却曲线 MHeatX 模型还可以计算换热器的总 UA 值并模拟换热器

的热量加入或损失 MHeatX 模型使用多个加热器和多个热流以加速流程的收敛如果你不提供计算顺序或

规定撕裂物流 ASPEN PLUS 就自动的按模块顺序收敛物流

MHeatX 流程连接

物料流

入口热侧至少有一股物料流冷侧至少有一股物料流出口每个入口物流都有一股出口物流

每个出口物流都有一股水倾析物流可选的入口物流侧都是不相接触的

第 3 章换热器


规定 MHeatX

你必须给定换热器一侧每股物流的出口规定在至少保留一股物流不作规定的情况下

可对另一侧任意个物流作出口规定不同物流可有不同类型的规定 MHeatX 模型假设所有未作规定的物流均有相同的出口

温度未作规定物流的温度由总的能量平衡决定在 MHeatX 中对每个物流你可以使用不同的性质方法在 BlockOptions Properties 页

上规定性质方法使用下面的表格输入 MHeatX 规定和浏览结果


Input 规定操作条件闪蒸收敛参数区域分析参数闪蒸表

MHeatX 收敛参数和规定模块的报告选项 Hcurves 规定加热或冷却曲线表和浏览结果表 Block Options 替换这个模块的物性模拟选项诊断消息水平和报告选项

的全局值 Results 浏览物流结果换热器结果区域分布物流分布闪蒸分

布以及物料和能量平衡结果

区域分析

MHeatX 模型能进行一个详细的严格的内部区域分析以决定 l 内部夹点 l 每个区域的 UA 和 LMTD 对数平均温差 l 换热器的总 UA l 总平均 LMTD 要获得区域的分析在 MHeatX 模型的 Input Zone Analysis 输入区域分析页上输

入比 0 大的区域数区域分析过程中 MHeatX 模型可以增加 l 物流入口点如果所有进料物流温度不相同 l 物流出口点如果所有产品物流温度不相同 l 相变点如果在内部发生相态变化 MHeatX 模型还可以通过增加相应的区域计算出非线性区域分布 MHeatX 模型可以对

逆流和同向流换热器进行区域分析

在区域分析中使用闪蒸表

使用 Flash Tables 闪蒸表来快速的估算区域分布和夹点这些表对于具有许多物流

的换热器是很有用的因为区域分析计算需要花费很长时间要想使用物流的 Flash Tables 可在 MHeatX 模型的 Input Flash Table 页上规定物流的闪

蒸点数当你规定了一个物流的闪蒸表时 MHeatX 模型在区域分析以前给这个物流生成一

个温度-焓分布图并在区域分析过程中内插该分布而不闪蒸物流在 MHeatX 模型的 Input Flash Table 页上你可以规定一股物流在每个相态范围内的总

压降分率 ASPEN PLUS 使用这些分率来决定在 Flash Tables 生成过程中压力的分布

MHeatX 模型的计算结构

MHeatX 模型的计算结构会影响你的规定

第 3 章换热器


与其它单元操作模块不同 MHeatX 不是用单个计算模型来模拟而是由 ASPEN PLUS生成多个加热器和多个热流来模拟多物流换热器一个 Heater 模块代表带有出口规定的物

流一个多物流加热器模块表示未作出口规定的物流下面的图显示了一个生成的换热器的

计算结构

这种计算顺序收敛速度比 MHeatX 采用单个模块模拟更迅速并且给出一份整个

MHeatX 顺序的模块报告在多数情况下你不必逐一了解生成的个别模块以下说明了例

外的情况为生成的 Heater 模块和热流给出模拟历史文件和控制面板信息你可以给内部产生的热流的负荷提供一个估值如果热流在流程中是一股撕裂流那么

ASPEN PLUS 就用这个估值作为初值当 MHeatX 模块由自身产生的网络来替换时你可以对流程结果给出收敛规定生成的

Heater 模块和热流 Ids 必须用在 Convergence SequenceSpecifications 收敛顺序规定和

Convergence TearSpecifications 收敛撕裂流规定页上当 MHeatX 模块由产生的 Heater 模块来替换时根据形成的流程结果自动进行流程分

析生成的 Heater 模块出现在计算顺序中而不是 MHeatX 模块你可以选择生成的热流

作为撕裂物流

固体

当物流含有固体子物流时或当你要求电解质化学性质计算时 MHeatX 模型可以模拟带

有固体的流体相态所有的相态都处于热力学平衡中固体跟流体相态一样具有相同的温度

固体子物流固体子物流中的物质不参与相平衡计算电解质化学性质计算在 Properties Specifications Global 全局的性质规定页或 MHeatX BlockOptions Properties MHeatX 的模块选项性质页上你可能需要电解质化学性质计算

固体盐参与液-固相平衡和热力学平衡计算盐存在于 MIXED 子物流中

Hetran--管壳式换热器的 B-JAC Hetran 程序界面

Hetran 是设计和模拟管壳式换热器 B-JAC Hetran 程序界面 Hetran 可以用来模拟各种

类型结构的管壳式换热器使用 Hetran 时把模块放在流程中连接入口和出口物流做较

少的规定包括换热器的 B-JAC 输入文件的名字通过 Hetran 独立的程序界面你输入与换热器结构和几何尺寸有关的信息换热器的

规定作为一个输入文件被保存你不必通过 ASPEN PLUS 用户界面或输入语言输入有关换

第 3 章换热器


热器的物理特性

Hetran 流程连接

料流

入口一个热侧入口一个冷侧入口

出口一个热侧出口一个冷侧出口一个热侧水倾析物流可选的一个冷侧水倾析物流可选的

规定 Hetran

通过 Hetran 程序的图形用户界面输入管壳式换热器的数据在 ASPEN PLUS 中 Hetran的输入局限于 l 包含换热器规定的 B-JAC 输入文件名 l 控制怎样生成性质曲线的一套参数 l 你可以在 ASPEN PLUS 内部改变一套 Hetran 程序输入例如污垢系数和膜系数使用下面的表格输入 Hetran 规定和浏览结果


Input 规定 B-JAC 输入文件名计算性质曲线的参数可选的

Hetran 程序输入闪蒸收敛参数和有效相态 Block Options 替换这个模块的物性模拟选项诊断消息水平和报告选项

的全局值 Results 浏览入口和出口物流的条件以及物料和能量平衡结果 Detailed Results 浏览整个的结果以及壳侧和管侧的详细结果

闪蒸规定

使用 FlashOptions 页输入闪蒸规定


气相 Yes or no 仅气相液相 Yes or no 仅液相 2-流体闪蒸相态 Yes or no 气-液

第 3 章换热器


3-流体闪蒸相态 Yes or no 气-液-液 3-流体相态游离水闪蒸 Yes or no 气-液-游离水仅固体 Yes 仅固体

物性

使用 FlashOptions 页替换全局或流程段的性质规定对换热器的热侧和冷侧你可以

使用不同的物性方法如果你只提供一套性质规定 Hetran 使用用于热侧和冷侧计算的那套

性质规定

固体

Hetran 目前不能处理带有固体子物流的物流

Aerotran--空冷换热器的 B-JAC Aerotran 程序界面

Aerotran 是设计和模拟空冷换热器的 B-JAC Aerotran 程序界面 Aerotran 可以用来模拟

各种类型结构的空冷换热器它还用来做节能器和加热炉的对流段模型使用 Aerotran 时把

模块放在流程中连接入口和出口物流做较少的输入规定包括换热器的 B-JAC 输入文

件的名字通过 Aerotran 独立的程序界面输入与空冷换热器结构和几何尺寸有关的信息空冷换

热器的规定作为一个输入文件被保存你不必通过 ASPEN PLUS 用户界面或输入语言输入

有关空冷换热器的物理特性

Aerotran 流程连接

物料流入口一个热侧入口

一个冷侧空气入口出口一个热侧出口

一个冷侧空气出口一个热侧水倾析物流可选的一个冷侧水倾析物流可选的

第 3 章换热器


规定 Aerotran

通过 Aerotran 程序的图形用户界面输入空冷换热器的数据在 ASPEN PLUS 中 Aerotran的输入局限于 l 包含换热器规定的 B-JAC 输入文件名 l 控制怎样生成性质曲线的一套参数 l 你可以在 ASPEN PLUS 内部改变一套 Aerotran 程序输入例如污垢系数和膜系

数使用下面的表格对 Aerotran 输入规定和浏览结果


Input 规定 B-JAC 输入文件名计算性质曲线的参数可选的

Aerotran 程序输入闪蒸收敛参数和有效相态 Block Options 替换这个模块的物性模拟选项诊断消息水平和报告选项

的全局值 Results 浏览入口和出口物流的条件以及物料和能量平衡结果 Detailed Results 浏览整个的结果以及外侧和管侧的详细结果

闪蒸规定

使用 FlashOptions 页输入闪蒸规定


气相 Yes or no 仅气相液相 Yes or no 仅液相 2-流体闪蒸相态 Yes or no 气-液 3-流体闪蒸相态 Yes or no 气-液-液 3-流体相态游离水闪蒸 Yes or no 气-液-游离水仅固体 Yes 仅固体

物性

使用 FlashOptions 页替换全局的或流程段的性质规定对空冷换热器的热侧和冷侧

你可以使用不同的物性方法如果你只提供一套性质规定 Aerotran 使用用于热侧和冷侧计

算的那套性质规定

固体

Aerotran 模块一般不能处理带有固体子物流的物流

第 4 章塔


第4章塔

本章描述了使用简捷法和严格法计算的蒸馏塔及液-液萃取塔的单元操作模型这些模

型是

模型描述目的用于

DSTWU 使用

Winn-Underwood-Gilliland 方

法设计简捷法

蒸馏

确定最小回流比最小级数或者

实际回流比实际级数一个进料物流和两个

产品物流的塔

Distl 使用 Edmister方法进行简捷

法蒸馏核算

确定以回流比级数馏出与进

料比为基准的分离程度一个进料物流和两个

产品物流的塔

SCFrac 复杂的多个石

油分馏单元的

简捷精馏

确定产品组成和流率每段的级

数使用分馏指数的热负荷复杂塔例如原油单元

和减压塔

RadFrac 严格分馏执行各塔严格核算和设计计算普通蒸馏吸收塔

汽提塔萃取和共沸

蒸馏三相蒸馏反

应蒸馏 MultiFrac 严格法多塔精

馏对一些复杂的多塔执行严格核

算和设计计算热整合塔空气分离

塔吸收/汽提塔组

合乙烯装置初馏塔

和急冷塔组合石油

炼制应用 PetroFrac 石油炼制分馏对石油炼制应用中的复杂塔执

行严格核算和设计计算预闪蒸塔常压原油

单元减压单元催

化裂化主分馏器延

迟焦化主分馏器减

压润滑油分馏器乙

烯装置初馏塔和急冷

塔组合

RateFrac* 基于流率的蒸

馏对各和多塔执行严格核算与设

计基于不平衡计算不需要效

率和 HETPs

蒸馏塔吸收塔汽

提塔反应系统热

整合单元石油应用

例如原油和减压单

元吸收/汽提塔组合 Extract 严格液 - 液萃

取使用一个溶剂模拟一个液体物

流的逆流抽提液-液抽提塔

*RateFrac 需要一个单独的许可并用于只有 ASPEN 公司的特殊许可协议才能购买它的客户

本章内容有以下各节中

节模型

简捷蒸馏 DSTWU Distl SCFrac 严格蒸馏 RadFrac MultiFrac PetroFrac RateFrac

第 4 章塔


液-液萃取 Extract

DSTWU--简捷法精馏设计

DSTWU 可对一个带有分凝器或全凝器一股进料和两种产品的蒸馏塔进行简捷法设计

计算 DSTWU 假设恒定的摩尔溢流量和恒定的相对挥发度

DSTWU使用这个方法/关联式去估算

Winn 最小级数 Underwood 最小回流比 Gilliland 规定级数所必需的回流比或规定回流比所

必需级数

规定轻重关键组分的回收率 DSTWU 估计 l 最小回流比 l 最小理论级数 DSTWU 估算下列各项中的一个 l 规定最小理论级数所必需回流比 l 规定回流比所必需理论级数 DSTWU 也估算了最适宜的进料位置冷凝器和再沸器负荷 DSTWU 能产生表格和

回流比对级数的曲线图

DSTWU 的流程连接

物料流入口一股进料物料流出口一股馏出物料流一股釜液一股冷凝器的水倾析流可选择的

第 4 章塔


热流入口冷凝器冷却的一股物流可选择的再沸器加热的一股物流可选择的出口冷凝器冷却的一股物流可选择的再沸器加热的一股物流可选择的每个出口热流包括冷凝器或再沸器净的热负荷净的热负荷是出口热物流减去实际计

算的热负荷如果使用将热物流用于再沸器也必须将它们用于使用冷凝器的热物流

规定 DSTWU

使用 Input Specifications 页输入塔规定下面的表格显示了规定和在什么基准上计算它

们

规定结果

轻重关键组分的回收率最小回流比和最小理论级数理论级数必需回流比回流比必需理论级数

DSTWU 也估算适宜的进料位置和冷凝器再沸器的热负荷 DSTWU 能产生一个可选的回流比~级数的图表使用 Input CalculationOptions 输入计

算选项页输入图表的规定使用下面的表格输入规定和浏览 DSTWU 结果

使用表格去

Input 输入规定结构和计算选项规定模块报告选项

闪蒸收敛参数有效相态和 DSTWU 收敛参

数 BlockOptions 模块选项替换此模块的全局物性值模拟选项诊断

信息级别和报告选项 Results 结果浏览汇总结果物料和能量平衡结果回流

比分布

Distl--简捷法精馏核算

Distl 模拟一个带有一股进料和两种产品的多级多组分的蒸馏塔 Distl 可对一个带有一股进料和两种产品的蒸馏塔进行简捷法核算计算塔可以带有分

凝器或全凝器 Distl 使用 Edmister 法来计算产品的组成 Distl 假定摩尔溢流量和相对挥发

度是恒定的

第 4 章塔


Distl 的流程连接

物料流入口一股进料物料流出口一股馏出物料流一股釜液一股冷凝器水倾析流可选择的

热流

入口冷凝器冷却的一股物流可选择的再沸器加热的一股物流可选择的出口冷凝器冷却的一股物流可选择的再沸器加热的一股物流可选择的每个出口热流包括冷凝器或再沸器净的热负荷净的热负荷是出口热物流减去实际计

算的热负荷如果使用将热物流用于再沸器也必须将它们用于使用冷凝器的热物流

规定 Distl

使用 Input Specifications 页输入级数回流比馏出物对进料的比值和其它塔规定使用 Input Convergence 页替换冷凝器有效相态的缺省值闪蒸计算的收敛参数模型

收敛参数

使用下面的表格输入规定和浏览 Distl 结果使用表格去

Input 输入规定基本塔的结构操作条件 Distl 收敛

参数闪蒸收敛参数 BlockOptions 模块选项替换物性模拟选项诊断信息级别和此模

块的报告选项的全局值 Results 结果浏览塔的汇总结果物料和能量平衡结果 Dynamic(动态) 规定动态模拟参数

第 4 章塔


SCFrac--简捷法多塔蒸馏

SCFrac 对具有一股进料一股可选的汽提蒸汽流和任何股产品的复杂塔进行模拟计算

SCFrac 估算理论级数和每个塔段的加热/冷却负荷 SCFrac 能模拟诸如原油蒸馏装置和减压塔的复杂塔系 SCFrac 对具有一股进料一股

可选的汽提蒸汽流和任何股产品的塔进行简捷法蒸馏计算 SCFra把n个产品的塔分割成n-1个塔段并从上至下为这些塔段编号 SCFrac 假定 l 对每个塔段使用恒定的相对挥发度 l 从一个塔段流入下一个塔段的液体流动可以忽略 SCFrac 不能处理固体可在冷凝器中完成游离水计算

SCFrac 流程的连接

物料流

入口一股进料物料流一股可选择的汽提蒸汽流股

出口一股馏出物料流一股釜液至少一侧产品物流

规定 SCFrac

SCFrac 把 n 个产品的塔分割成 n-1 个塔段参见下图 SCFrac 多股抽出塔 SCFrac从上至下计算塔段对每个塔段必须规定 l 产品压力 l 估计基于进料流率的产品流率或分率对所有产品物流除馏出物外必须规定蒸汽与产品的比值必须输入下列选项中的 2(n-1)

规定 l 塔段的分级编号在全回流时理论级数 l 产品流股中任何组分集的总流量流率或回收率

第 4 章塔


l 一个产品流股的物性集的物性的值参见 ASPEN PLUS 用户指南第二十八章 l 一个产品流股或一对产品流股中的任何一对物性集物性之差 l 一个产品流股或一对产品流股中的任何一对物性集物性之比因为 SCFrac 进行蒸汽计算水必须被定义为一个组分所有的水都与塔顶产品一起离

开

使用下面的表格去输入规定和浏览 SCFrac 的结果使用这个表格去做

Input 输入规定操作参数有效相态 SCFrac 收敛参数和闪蒸

收敛参数 BlockOptions 模块选项替换物性模拟选项诊断信息级别这个模块的

报告选项的全局值 Results 结果浏览冷凝器结果物料和能量平衡结果设计规定

结果段分布产品汇总

RadFrac--严格法精馏

RadFrac 是一个严格模型用于模拟所有类型的多级气-液精馏操作这些操作包括 l 一般精馏 l 吸收 l 再沸吸收 l 汽提 l 再沸汽提 l 萃取和共沸蒸馏 RadFrac 适用于 l 两相蒸馏体系 l 三相蒸馏体系 l 窄沸程和宽沸程体系 l 液相具有非理想性强的体系在塔的任何地方 RadFrac 可以检测和处理游离水相或其它第二液相 RadFrac 可在每

级上处理固体

第 4 章塔


RadFrac 可以处理离开任何级并返回到同一级或一个不同的级的中段回流 RadFrac 可以模拟发生化学反应的塔反应有固定转化率或它们是 l 平衡 l 流率控制 l 电解质 RadFrac 也可以模拟带有两个液相和化学反应同时发生的塔对两个液相使用不同的反

应动力学另外 RadFrac 也可以模拟盐析出尽管 RadFrac 假定为平衡级你可以规定 Murphree 效率或蒸发效率可以利用 Murphree

效率满足装置性能可以使用 RadFrac 去设计和核算有塔板和/或填料组成的塔 RadFrac 可以模拟乱堆填料

和规则填料

RadFrac 流程的连接

RadFrac 可以有任何数量的 l 级数 l 级间加热器/冷凝器 l 倾析器 l 中段回流

物料流

入口至少一个进料物料流出口一股气相或液相蒸馏产品物料流或两者都有一股水蒸馏产品物流可选择的一股塔底液相产品物流每个级至多三个侧线产品物流可选择的任意股虚拟产品物流可选择的每个级上可以有 l 任何数量的进料物流 l 至多三个出料物流一个气相或两个液相出口物流可以从级流率中部分或全部采出倾析器出口物流可以立即返回到下一级级上或它们可被分离为任何数量的物流每个

第 4 章塔


物流返回到一个不同的用户规定级中段回流可在任意两个级之间或在同一个级上虚拟物流可以代表塔的内部物流中段回流物流和热虹吸式再沸器物流一个虚拟产品

物流不影响塔的结果

热流

入口每级上有一股入口热流可选择的每个中段回流有一股热流可选择的出口每级上有一股出口热流可选择的每个中段回流有一股热流可选择的 RadFrac 使用一个入口热流对所有除了冷凝器再沸器和中段回流外的级做一个负荷规

定如果不在 Setup Configuration 页上给出两个塔的规定 RadFrac 使用一个热流作为冷凝

器和再沸器的规定如果不在 Pumparounds Specifications 页上给出两项规定 RadFrac 使用

一个热流作为中段回流的规定如果在 Setup Configuration 页或 Pumparounds Specifications 页上给出两项规定 RadFrac

将不使用入口热流作为一个规定入口热流提供必需的加热或冷却热量使用可选择的出口物流作为冷凝器再沸器和中段回流的净的热负荷出口热流的值等

于入口热流的值如果有的话减去实际计算的热负荷

规定 RadFrac

本段描述了关于 RadFrac 塔结构的下列主题 l 级数 l 进料物流约定 l 没有冷凝器或再沸器的塔 l 再沸器处理 l 加热器和冷却器规定 l 倾析器 l 中段回流使用下列表格输入规定并浏览 RadFrac 的结果

使用这个表格去做

Setup 规定基本塔结构和操作条件 DesignSpecs 规定设计规定和浏览收敛结果 Vary 规定调节变量用来满足设计规定和浏览最终的计算结果 HeaterCoolers 规定级加热或冷却 Pumparounds 规定中段回流并浏览中段回流结果 Pumparounds Hcurves

规定中段回流加热或冷却曲线表并浏览表格的结果

Decanters 规定倾析器并浏览倾析器的结果 Efficiencies 规定级组分和塔段的效率 Reactions 规定平衡动力学和反应转化参数 CondenseHcurves 规定冷凝器加热或冷却曲线表并浏览表格结果 ReboilerHcurves 规定再沸器加热或冷却曲线表并浏览表格结果 TraySizing 为塔段的级规定设计参数并浏览结果 TrayRating 为塔段的级规定核算参数并浏览结果

第 4 章塔


PackSizing 为塔段的填料规定设计参数并浏览结果 PackRating 为塔段的填料规定核算参数并浏览结果 Properties 为塔段规定物性参数 Estimates 规定各级的温度气相和液相流率和组成的初始估值 Convergence 规定塔收敛参数进料闪蒸计算和模块特定诊断信息级别 Report 规定模块特定报告选项和虚拟物流 BlockOptions 替换这个模块的物性模拟选项诊断信息级别和报告选项

的全局值 UserSubroutines 规定反应动力学 KLL 计算塔板设计与核算填料设计与

核算的用户子程序 ResultSummary 浏览所有 RadFrac 塔中关键塔的结果 Profiles 浏览并规定塔的分布 Dynamic 规定动态模拟参数

级数

RadFrac 是由冷凝器开始从顶向下进行编号如果没有冷凝器是从顶部级开始

进料物流约定

使用 Setup Streams 页规定进料和产品级位置 RadFrac 为处理进料物流提供三个约定 l 在级上方进料 l 在级上进料 l 倾析器仅适用于三相计算

参见下面的图 RadFrac Feed Convention Above-Stage 和 RadFrac Feed Convention On-Stage

当进料约定是 Above-Stage 时 RadFrac 在相邻的级间引入一股物流液体部分流动到

规定的级 n 气体部分流动到上一级的级(n-1) 通过规定级=1 可以引入一个液相进料到

顶部级或冷凝器通过规定级=平衡级数+1 可以引入一个气相进料到底部级或再沸

器进料约定倾析器仅用于包括倾析器的三相计算在 Setup Configuration 页中 Valid Phases=Vapor-Liquid-Liquid 通过这个约定可以将一个进料直接引入到与一个级相邻的

倾析器中

第 4 章塔


当进料约定是 On-Stage 时进料的液相和气相部分都流动到规定的级上

没有冷凝器或再沸器的塔

可以在 Setup Configuration 页中规定塔的结构

如果塔没有那么规定在.....页

Condenser(冷凝器) None for Condenser(没有冷凝器) Setup Configuration Reboiler(再沸器) None for Reboiler 没有再沸器 Setup Configuration

再沸器处理

RadFrac 可以模拟两种再沸器的类型 l 釜式再沸器 l 热虹吸式再沸器在 Setup Configuration 页中釜式再沸器作为该塔的最后一个级被模拟选择釜式再沸器

在缺省情况下 RadFrac 使用釜式再沸器在 Setup Configuration 页中输入 Reboiler Duty 作

为一个操作规定来规定再沸器的负荷或作为计算值保留它热虹吸式再沸器被模拟为一个带加热器的进出底部级的中段回流在 Setup

Configuration 页中上选择 Thermosyphon for Reboiler 在 Setup Reboiler 页中输入其它所有热

虹吸式再沸器的规定下图显示了热虹吸式再沸器的结构在缺省情况下 RadFrac 使用 On-Stage 进料约定使

再沸器的出口返回到最后一块级上可以在 Reboiler 页中使用 Reboiler Return Feed Convention 规定 Above-Stage 这指出了再沸器出口的气相部分到达的级数=平衡级数-1

热虹吸式再沸器模型有五个相关的变量

第 4 章塔


l 压力 l 流率 l 温度 l 温度变化 l 气相分率必须由下列规定选择项中选择一项 l 温度 l 温度变化 l 气相分率 l 流率 l 流率和温度流率 l 流率和温度变化 l 流率和气相分率如果要改变由两个变量组成的一个选项必须在 Setup Configuration 页中规定再沸器热

负荷 RadFrac 将输入再沸器热负荷的值作为初始估值进行处理再沸器压力是可选择的如果不输入一个值 RadFrac 将使用底部级的压力

加热器和冷却器规定

可以通过下面两个途径之一来规定段间加热器和冷却器 l 在 HeatersCoolers SideDuties 页中直接规定负荷 l 在 HeatersCoolers UtilityExchangers 页中必需计算 UA 如果直接在 HeatersCoolers SideDuties 中规定负荷为加热输入一个正负荷为冷却输

入一个负的负荷如果在 HeatersCoolers UtilityExchangers 页中必需计算 UA RadFrac 同时计算塔的负荷

和加热/冷却流体的出口温度 UA 计算 l 假设级温度是恒定的 l 使用一个算术平均温差 l 假设加热或冷却流体没有任何相变化要计算 UA 必须规定

l UA l 加热或冷却流体组成 l 流体的流率和入口温度可以在 HeatersCoolers UtilityExchangers 页中直接规定流体的热容量或者 RadFrac 通过

一个物性方法来计算它如果 RadFrac 计算热容量必须输入加热和冷却流体的压力和相态

在缺省情况下 RadFrac 使用模块物性方法计算热容量但也可以使用不同的物性方法也可以在 HeatersCoolers HeatLoss 页中规定塔段的热损失

倾析器

对于三相计算在 Setup Configuration 页中 Vaild Phase=Vapor-Liquid-Liquid 可以规定任何数量的倾析器在 Decanters 窗口中输入倾析器的规定

对于在顶部级上的倾析器必须至少输入两个液相中一个的返回分率在 Decanters Specifications 页中 Fraction of 1st Liquid Returned Fraction of 2nd Liquid Returned 对于其

它任何级上的倾析器必须规定 Fraction of 1st Liquid Returned 第一液相的返回分率和

Fraction of 2nd Liquid Returned 第二液相的返回分率

第 4 章塔


可以在 Decanters Options 页中输入 Temperature 温度和 Degrees Subcooling 过冷度

来模拟过冷倾析器如果不规定 Temperature 温度和 Degrees Subcooling 过冷度倾

析器将在它所附属的级温度下进行操作如果侧线产品是倾析器的产品不能规定它们的流

率 RadFrac 将从 Fraction of 1st Liquid Returned 第一液相的返回分率和 Fraction of 2nd Liquid Returned 第二液相的返回分率来计算它们的流率

缺省情况下 RadFrac 立即将倾析器物流返回到下一级级上可以通过在 Decanters Specifications 倾析器规定页中输入一个不同 Return Stage 返回级的数使倾析器物流

返回到任何其它级上通过给定一个分离分率可以将返回物流分离为若干个物流 Split Fraction of Total Return for the 1st Liquid and 2nd Liquid 每个结果物流可以到达不同的返回

级当返回物流没到达下一级级上一个进料或中段回流必须到达下一级级这是为了防止

干板

中段回流

RadFrac 可以处理从任意级到同一级或其它任意级的中段回流使用 Pumparounds 窗口

输入所有中段回流规定必须为中段回流输入源级和目标级的位置一个中段回流可以部分或全部抽出 l 级上的液相 l 第一液相 l 第二液相 l 气相可以用中段回流与加热器或冷却器连到一起如果中段回流是级流率的部分抽出

必须输入下面规定中的两个 l 流率 l 温度 l 温度变化 l 汽化率 l 热负荷如果中段回流是全部抽出必须输入下面规定中的一个 l 温度 l 温度变化 l 汽化率 l 热负荷汽化率仅在 Valid Phases(有效相态)=Vapor-Liquid 气-液或 Vapor-Liquid-

Liquid 气-液-液时使用使用 Pumparounds Specifications 页输入这些操作规定压力规定是可选择的缺省情况下的中段回流压力与源级压力相同 RadFrac 假设在加

热器/冷却器出口处的中段回流与入口处的中段回流具有相同的相态条件在 Pumparound Specifications 页上可以使用 Valid phases 区域来替换相态条件

RadFrac 可使中段回流返回到一个级上使用下述之一 l On -stage 选项 l Above-stage 选项使中段回流返回到两个级间在三相塔中 RadFrac 可让中段回流返回到与级相连的倾析器中可以使用 Return

选项区域来选择 above-stage(在级上方)

第 4 章塔


RadFrac 假设在加热器/冷却器出口的中段回流与入口具有相同的相态条件可以在 Pumparounds Specifications 页中使用 Return-Phase 为加热器/冷却器出口指定不

同的相态或者可以规定 Valid Phases=VaporLiquid 或 Vapor-Liquid-Liquid 并让 RadFrac 从

加热器/冷却器规定中确定返回的相态条件

游离水和严格三相计算

RadFrac 能执行游离水和严格三相计算参见 ASPEN PLUS 物性方法和模型第六

章这些计算可以通过在 Setup Configuration 页上规定的选项来控制可以选择三个类型的计算 l 仅在冷凝器中的游离水 l 在任何级或所有级上的游离水 l 严格三相计算当选择冷凝器中的游离水计算时仅有游离水从冷凝器中倾析出来对 Overall Loop 整

个回路收敛方法不能使用非理想的方法在 Setup Configuration 页上规定下列之一

Valid Phases= 所在页用于

Vapor-Liquid-FreeWaterCondenser

Setup Configuration 仅在冷凝器中的游离水

Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage

Setup Configuration 所有级上的游离水

Vapor-Liquid-Liquid Setup Configuration 严格三相计算

对 RadFrac 进行计算在 Setup 3-Phase 页中必须规定在哪个级检测两个液相当对所选的所有级选择完全的严格三相计算时 RadFrac 对两个液相不做任何假

定可将倾析器与任何级连在一起对于 Overall Loop 收敛方法不能使用 Sum-Rates

效率

可以规定两种类型效率中的一个 l 蒸发效率

l Murphree 蒸发效率被定义为

jiji

jivi xK

yEff

,,

,=

Murphree 效率被定义为

1,,,

1,,,

+

+

−−

=jijijk

jijiMji yxK

yyEff

式中

第 4 章塔


K = 平衡 K 值 x = 液相摩尔分率 y = 气相摩尔分率 Eff v = 蒸发效率 Eff M = Murphree 效率 i = 组分号 j = 级号规定蒸发或 Murphree 效率在 Setup Configuration 页中输入实际级数然后使用

Efficiencies 窗口输入效率对于三相计算缺省情况下输入的蒸发和 Murphree 效率适用于下面的平衡 l 气-液 1 VL1E l 气-液 2 VL2E 可以使用 Efficiencies 窗口分别输入 VL1E 和 VL2E 的效率当规定平衡反应或使用

Murphree 效率时不能分别输入 VL1E 和 VL2E 的效率可以使用这些效率来考虑平衡偏离的程度但不能从一种效率转化为另一种效率效率

的大小可以不同可以使用 Murphree 效率与操作数据拟合当 l 不知道效率时 l 可得到实际塔操作数据时当使用 Murphree 效率时在 DesignSpecs and Vary 窗口中使用设计规定关于使用和

估计效率的细节参见 Holland 描述的多组分蒸馏基本原理 McGrawHill Book Company,1981

算法

可以在 Convergence Basic 页中选择一个算法和/或初始化选项对塔进行模拟缺省的标

准算法和标准的初始化选项对大多数应用都是适用的可以使用本节中描述的方法改进下

列应用的收敛情况 l 石油和石油化工应用 l 高度非理想体系 l 共沸蒸馏 l 吸收和汽提 l 深冷应用在 Convergence Basic 页中改变算法和初始化选项必须首先在 Setup Configuration

页的 Convergence 区域中选择 Custom 作为选项

石油和石油化工应用石油和石油化工应用包括极宽沸程的混合物和 /或许多组分和设计规定可以在

Convergence Basic 页的 Algorithm 区域通过选择 Sum Rates 来改进收敛效率和可靠性

高度非理想体系当液相的非理想程度非常强时在 Convergence Basic 页的 Algorithm 区域中选择

Nonideal用来改进收敛情况只有当外部循环迭代的次数超过 25 次时使用标准算法才

使用这个算法

第 4 章塔


可以对高度非理想体系使用 Newton 算法 Newton 算法对高灵敏度规定的塔是比较好

的但它通常较慢特别是对于级多和组分多的塔

共沸蒸馏对共沸蒸馏的应用可以使用一种夹带试剂来分离一个共沸混合物在 Convergence Basic

页中做以下规定 l Algorithm Newton l Initialization 方法 Azeotropic 一个典型的共沸蒸馏的事例是用苯作试剂将乙醇脱水

吸收和汽提模拟吸收和汽提在 Setup Configuration 页中规定 Condenser=None 和 Reboiler=None

在绝热操作中热负荷是 0 对于极宽沸程混合物规定下列之一 l 在 Convergence Basic 页选择 Algorithm=Sum-Rates l 在 Setup Configuration 页选择 Convergence=Standard 和在 Convergence Basic 页选择

Absorber=Yes

深冷应用对深冷应用例如空气分离建议使用标准算法为深冷系统调用一个特殊初始化程序设

计在 Convergence Basic 页中规定 Cryogenic for Initialization

核算模式

RadFrac 允许塔在核算模式和设计模式进行操作核算模式对塔的两相和三相计算要求

不同的塔规定对于两相计算必须在 Setup Form 中输入以下各项 l 为处理冷凝器中游离水输入 Valid Phases=Vapor-Liquid 或

Vapor-Liquid-FreeWaterCondenser l Total 全凝 Subcooled 过冷或 Partial-Vapor 部分冷凝冷凝器 l 两个附加的塔操作变量如果冷凝器或回流是过冷的也可规定过冷度或过冷温度对于三相计算必须在 Setup Configuration 页中规定 Valid Phases= Vapor-Liquid- Liquid

或 Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage 对游离水计算所必需的规定依赖于为顶级倾析器中

两个液相的返回分率所做的规定 Fraction of 1st Liquid Returned 和 Fraction of 2nd Liquid Returned 下面的表格列出了三个规定选项

如果在 Decanters Specification 规定在 Setup Configuration 中输入

Fraction of 1st Liquid Returned 或

Fraction of 2nd Liquid Returned或没有

顶部倾析器

Total Subcooled 或 Partial-Vapor 冷凝器和两

个操作规定

Fraction of 1st Liquid Returned 和Fraction of 2nd Liquid Returned

Total Subcooled 或 Partial-Vapor 冷凝器和一

个操作规定 Fraction of 1st Liquid Returned 和两个操作规定在 Estimateas Vapor

第 4 章塔


Fraction of 2nd Liquid Returned Compostion 页中为馏出气体的量做一个估

计 RadFrac 假设是带有气相和液相馏出物的

分凝冷凝器

设计模式

RadFrac 允许塔在核算模式和设计模式进行操作在设计模式中使用 DesignSpecs 窗口

规定塔的操作参数例如纯度或回收率必须指出使用哪个变量能完成这些规定可以使

用核算模型中的任何变量除下述以外 l 级数 l 压力分布 l 蒸发效率 l 过冷回流温度 l 过冷度 l 倾析器温度和压力 l 进料产品加热器中段回流和倾析器位置 l 热虹吸式再沸器和中段回流的压力 l 加热器的 UA 规定入口物流的流率和入口热流的负荷也是可操作变量下列表中是一些设计规定

可以规定对下述

纯度包括内部物流的物流*

任何组分组的回收率产品物流集包括侧线物流**

任何组分组的流率内部物流或产品物流集温度级任何 Prop-Set 性质的值内部或产品物流***

任何一对 Prop-Set 性质的差值或比值各或成对内部或产品物流任何组分组与任何另一组分组的流率比内部物流到任何其它内部物流或进料或产

品物流的任何集 * 任何物流的纯度以任何一组组分的摩尔质量标准液体体积分率之和相对于任何一组其它组分

比值表示 **任何组分组的回收率以任何一组进料集中相同组分的分率表示

***参见 ASPEN PLUS 用户指南

反应蒸馏

RadFrac 可以处理化学反应这些反应通常发生在液相和/或气相中关于反应的具体信

息可输入到一个 RadFrac 之外的一般的反应窗口 RadFrac 允许两种不同的反应模型类型

REAC-DIST 或 USER RadFrac 可以模拟下列反应类型 l 平衡控制 l 流率控制 l 转换

第 4 章塔


l 电解质 RadFrac 也可以模拟盐析出特别是在电解质系统的情况中可以要求对全塔进行反应

计算或仅限制在一个特定的塔段中的反应例如模拟有催化剂存在的情况对于三相

计算可以对两个液相中的一个限制其反应或对两个液相分别使用反应动力学模型要想包括 RadFrac 中的反应必须在 Reactions Specifications 页中输入下列信息 l 反应类型和 Reactions/ Chemistry ID l 在哪个塔段发生反应必须在一个在 RadFrac 之外的一般反应窗口中依据反应类型输入平衡常数动力学转

化参数对于电解质反应也可以在 RadFrac 之外的 Reactions Chemistry 窗口中输入反应数

据考虑到盐析出可在 RadFrac 之外的 Reactions Salt 页或 Reactions Chemistry 表格中输入

盐析出参数将反应和盐析出与塔段联系到一起必需在 Reactions Specifications 页中输入相应的

ReactionsID 或 Chemistry ID 对于流率控制反应必须在发生反应的相态中输入或停留时间数据使用 Reactions

Holdups 或 Residence Times 页对于转化反应使用 Reactions Conversion 页去替换 Reactions Conversion 窗口中规定的转化参数 RadFrac 页支持 User Reaction Subroutine 用户反应子程

序反应子程序的名称和其它细节要在 UserSubroutines 窗口中输入

求解策略

RadFrac 对塔收敛通常使用两种计算法

l Inside-out l Napthali-Sandholm 标准流率加和和非理想算法是 inside-out方法的各种形式 Mult iFrac,PetroFrac 和Extract

模型也使用这个方法 Newton 算法使用了常用的 Napthali-Sandholm 方法使用 Convergence窗口选择算法并规定相关的参数

Inside-Out 算法 inside-out 算法是由两层嵌套的循环回路组成仅在外层循环中评估所规定的 K 值和焓

的模型以决定简化局部模型的参数当使用非理想算法时 RadFrac 将一种组成的关联引入

到局部模型中局部模型参数是外层循环的迭代变量当外层循环迭代变量前后两次迭代中

的变化充分小时外层循环就会收敛对所选择的变量使用了有界的 Wegstein 法和 Broyden quasi-Newton 法相结合的方法

在内层循环中用局部的物性模型来表达基本描述方程组分的质量平衡总质量平衡

焓平衡和相平衡 RadFrac 求解这些方程从而得到新的温度和组成分布收敛使用下列方

法之一

l Bounded Wegstein l Broyden quasi-Newton l Schubert quasi-Newton l Newton RadFrac 用每个外层循环迭代来调整内层循环收敛容差当外层循环收敛时容差变

得紧些

第 4 章塔


Newton 算法 Newton 算法使用牛顿方法同时求解计算塔的方程使用 Powell 的折线策略使收敛变得

稳定设计规定或者与计算塔的方程同时求解或者在一个外部循环中求解

设计模式收敛 RadFrac 提供两种方法来处理设计规定的收敛 l 嵌套收敛 l 同时收敛

设计规定嵌套循环收敛适用于除 SUM-RATES 外的所有算法此法力图通过使用使加权平方和函数达到最小值的方法求取操作变量的值在操作变量

的规定界限内以满足设计规定

Φ =

2

*∑

−∧

m mGGMmGWm

式中 m = 设计规定序号

∧G = 设计值

G = 期望值 G* = 比例因子 w = 权重因子这种算法使操作变量φ最小并不是使一些特定变量与对应的设计规定相匹配的方法而

是应当仔细选择操作变量和设计规定来保证每个操作变量至少对一个设计规定有显著影

响设计规定的数目等于或大于操作变量的数目如果设计规定的数目比操作变量多应该

采用权重因子来反映这些规定的相对重要性一个设计规定的权重因子越大它就越易接近

规定值比例因子是用来圆整误差以便不同类型的设计规定可以在一致的基础上相比较当一个操作变量的值达到一个界限那么这个界限是活动的如某一个问题没有活动的

界限而且操作变量与设计规定的数目相同那么所有的设计规定都被满足时φ将趋近于零

在某一容差内如果有活动的界限或设计规定比操作变量多那么 RadFrac 将使φ为最小然后权重因

子决定满足设计规定的相对程度

设计规定同时收敛 Algorithm=SUM-RATES,NEWTON Simultaneous Middle Loop 收敛方法的算法使描述塔的方程式同时求解设计规定函数

Fm = 0*

=

−∧

mGGMmG

因为 Simultaneous Middle Loop 收敛方法算法使用了方程求解方法这里设计规定的数

目和操作变量数目必须相等在嵌套方法中设计规定和操作变量之间未假定任何关联但

是每一个设计规定必须至少对一个操作变量有显著影响该法不使用界限和权重因子如果

第 4 章塔


所有设计均是可行的通常 Simultaneous 方法能较好地收敛

物理性质

使用 Properties PropertySections 页,替换全局的物性方法可以对塔的不同部分规定不同

的物性对于三相计算可以分别为 Vapor-Liquid1 Equilibrium(VL1E) 和 Liquid1-Liquid2

Equilibrium(LLE)规定分离计算方法使用下列方法之一 l 使用 Phase Equilibrium 列表框分别将物性方法与 VL1E 和 LLE 联系到一起 l 使用一个物性方法计算 VL1E 使用液-液分配系数 KLL 规定 LLE 可以在 Properties PropertySections 页使用内置的温度多项式输入 KLL 系数并将系数与

一个或多个塔段联系或可以在 Properties KLLCorrelations 页中将一个用户的 KLL 子程序

与一个或多个塔段联系到一起

固体处理

RadFrac 有两种方法处理惰性固体 l 总体平衡 l 逐级平衡在 Convergence Basic 页中使用固体处理选项来选择总体平衡或逐级平衡两种方法在

处理固体的质量和能量平衡上有所不同两种方法都不考虑惰性固体在相平衡中的计算然

而对于盐析出反应中盐的形成却考虑了相平衡计算总体平衡方法 l 从入口物流中暂时除去所有固体 l 在没有固体时完成塔计算 l 在绝热情况下将底部级出来的液体产品与入口物流中除去的固体相混合总体平衡方法保持全塔的质量和能量平衡但它不能满足各级的平衡这是缺省的方法逐级方法对固体在所有级之间做质量和能量平衡严格的处理从这个级抽出的产品物流

中仍保持在此级中液固比规定的产品流率是物流的全流率包括固体在内如果在塔进料

中存在一个非常规的固体子物流必须给出以质量为基准的全塔流率和流率比规定当规定一个倾析器时 RadFrac 能够倾析出部分或全部的固体缺省情况下 RadFrac

是随着第二液相倾析部分固体 RadFrac 使用对第二液相规定的返回分率来倾析固体

Decanters Specifications 页的 Fraction of 2nd Liquid Returned 如果在倾析器中没有第二液

相 RadFrac 将随着第一液相倾析部分固体在这种情况下 RadFrac 使用对第一液相规定

的返回分率 Decanters Specifications 页的 Fraction of 2nd Liquid Returned 在 Decanters Options 页中通过选择 Decant Solids Totally 可以全部倾析固体

MultiFrac--严格法多塔精馏

MultiFrac 是一个严格模型用于模拟多个多级精馏装置相互连接的系统 MultiFrac 模

型能处理一个结构复杂的系统该系统由以下组成 l 任意数目的塔每个塔都有任意数目的级

第 4 章塔


l 任何数的塔间连接或塔内连接 l 任意连接物流的流率随意的分离和混合 MultiFrac 可以处理的操作是 l 侧线汽提塔 l 中段回流 l 外部热交换器 l 单级闪蒸 l 进料炉典型的 MultiFrac 应用包括 l 热段间塔例如 Petlyuk 塔 l 空气分离塔系统 l 吸收塔/汽提塔的组合 l 乙烯装置主分馏塔/急冷塔组合也可以使用 MultiFrac 模型模拟石油炼制精馏单元诸如常压原油单元和减压单元但对

于这些应用来说使用 PetroFrac 更方便些只有当构成超出 PetroFrac 的能力时才使用

MultiFrac MultiFrac 可在冷凝器或塔的任何位置中检测游离水相并可在任何级上倾析游离水相即使 MultiFrac 假定为平衡级计算也可规定 Murphree 或蒸发效率可以使用 MultiFrac 设计和核算板式塔和填料塔 MultiFrac 可以模拟乱堆填料和规则填

料

第 4 章塔


MultiFac 流程连接

物料流

入口至少一个入口物料流出口任意数目的可选择的虚拟产品物料流

每个级上至多三个可选择的物料流(一个气相一个液相一个游离水) 可以将任意数目的物料流与任意数目的塔连接在一起对于每个塔任意数目的连接物

流可以是中段回流和旁路这些物流可在两个级间或在同一级上流动每个连接的物流可连

接一个加热器

第 4 章塔


每个塔必须有一个液相产品或一个离开底部级的连接物流主塔塔 1 的顶部级必须

有一个产品物流不能是一个连接物流其它塔塔 2 3L 的顶部级必须有一个气相产

品或一个气相连接物流虚拟产品物流表示塔的内部物流和连接物流

热流

入口每级上有一个入口热流可选择的每个连接物流有一个入口热流可选择的出口每个连接物流有一个出口热流可选择的 MultiFrac 对所有级均使用一个入口热流作为一个负荷规定除冷凝器再沸器和连接

物流外如果在 Columns Setup Configuration 页中没有提供两个塔的操作规定 MultiFrac 将

使用一个热流作为冷凝器和再沸器的规定如果在 ConnectStreams 窗口中没有提供两个规定 MultiFrac 将使用一个热流作为连接

物流的规定如果已在 Columns Setup Configuration 页或 ConnectStreams 窗口中提供了两个规定

MultiFrac 就不会使用入口热流作为一个规定了入口热流提供所必需的加热或冷却可以使用可选的出口热流作为冷凝器再沸器和连接物流的净的热负荷出口热流的值

等于入口热流的值如果有的话减去实际计算的热负荷

规定 MultiFrac

各塔是由塔编号所标识编号顺序对算法执行无影响对塔 1 的设计规定与其它塔的规

定不相同在每一个塔中级编号是由塔顶冷凝器开始向下进行使用下列表格输入规定和浏览 MultiFrac 的结果

使用这个表格可以做

Columns Setup 规定基本的塔结构和操作条件 Columns HeaterCoolers 规定级间加热器/冷却器 Columns FlowSpecs 规定液相和气相流率规定 Columns Effciencies 规定级或组分效率 Columns Properties 规定塔段的物性参数 Columns Estimates 规定级温度气相和液相流率组成的初始估值 Columns Results 浏览塔汇总 Columns Profiles 浏览塔分布 InletsOutlets 规定入口和出口物料和热流位置 ConnectStreams 规定连接物流和热流的来源和目的浏览连接物流结果 FlowRatios 规定物流流率比 DesignSpecs 规定设计规定和浏览收敛结果 Vary 规定操作变量以满足设计规定和浏览最终结果 CondenserHcurves 规定冷凝器的加热或冷却曲线表和浏览表格结果 ReboilerHcurves 规定再沸器的加热或冷却曲线表和浏览表格结果 ConnectStreamHCurves 规定连接物流的加热或冷却曲线表和浏览表格结果 TraySizing 为板式塔的塔段规定设计参数和浏览结果 TrayRating 为板式塔的塔段规定核算参数和浏览结果 PackSizing 为填料塔的塔段规定设计参数和浏览结果

第 4 章塔


PackRating 为填料塔的塔段规定核算参数和浏览结果 Convergence 规定塔计算的收敛参数和特定模块的诊断信息等级 Report 规定特定模块的报告选项和虚拟物流信息 BlockOptions 替换这个模块物性模拟选项诊断信息等级和报告选项的

全局值 UserSubroutines 为塔板的设计与核算规定用户子程序参数为填料塔的设计

与核算规定用户子程序参数 ResultsSummary 浏览平衡和分离结果

物流定义 MultiFrac 使用四种类型的物流 l 外部物流 l 连接物流 l 内部物流 l 虚拟物流外部物流是 MultiFrac 模块中标准的入口和出口物流用其物流标识符标识连接物流是 MultiFrac 模块之内的物流但是对各塔而言是外部物流它们可以连接两

个塔或同一塔的各级旁路或中段汇流回流可以将加热器连接到连接物流上连接物流

加热器用连接物流号进行标识内部物流是同一塔相邻各级间的液体或气体流内部物流是用其来源级编号及塔编号进

行标识虚拟物流是用于贮存内部物流和相互连接物流的计算结果同时作为外部出口物流的一

个子集虚拟物流与普通出口物流不同之处在于它们不参与模块中质量平衡计算

必需的规定当为塔 1 输入规定时可遵循这些准则 l 级数必须大于 1 l 需要两个附加的操作规定 l 馏出物流不能作为一个连接物流必须规定 l 塔底流率或馏出流率其中馏出流率包括气相和液相馏出物流率 l 冷凝器负荷再沸器负荷回流比或回流量这四个变量之一 l 馏出物气相分率或冷凝器温度如果规定冷凝器级的温度 l 必须存在液相和气相馏出物产品馏出物气相分率在大于 0 小于 1 之间 l 也必须规定馏出物气相分率的估值当为其它塔输入规定时可遵循这些准则 l 级数可以为 1(例如,模拟各级的闪蒸或进料炉) l 馏出物可以是一个连接物流 l MultiFrac 计算馏出物气相分率 l 馏出物流率仅包括气体流率且必须大于零如果出现液相馏出物则在 InletsOutlets

表格中规定流率对于多于一级的塔允许规定冷凝器负荷再沸器负荷塔底流率馏出物流率和回流

率

第 4 章塔


对一个级的塔必须规定下述之一 l 塔底流率 l 馏出物流率仅包括气相馏出物 l 冷凝器负荷

进料物流约定 MultiFrac 为处理进料物流提供两个约定参见下图中的 MultiFrac Feed Convention

About-Stage 和 MultiFrac Feed Convention On-Stage l 在级上方 l 在级上当 Feed Convention 进料约定是 About-Stage 在级上方 MultiFrac 将在相邻的塔

板间引入一个物流液体部分流动到规定的级 n 气体部分流动到上一级的级(n-1) 通过

规定级=1 可以引入一个液相进料到顶部级或冷凝器通过规定级=平衡级数+1 可以

引入一个气相进料到底部级或再沸器

当 Feed Convention 进料约定是 On-Stage 在级上进料的液相和气相部分都流动

到规定的级上

连接物流 MultiFrac 允许有任意数目的连接物流这些物流具有相同的 l 源塔级和相态 l 目标塔和级 MultiFrac 在目标级引入连接物流并忽略它们的相态即 Feed Convention=On-Stage

所有的连接物流可以有一个规定热负荷温度或温度改变的加热器使用 ConnectStreams窗口输入连接物流的所有规定

第 4 章塔


每个终物流可以是产品物流源和一些连接外流如果没有产品物流至少有一股必须有

一个未规定的流率对于一个连接物流所需的规定依赖于这个物流是否 l 有一个流率被间接地在 FlowRatios or Columns FlowSpecs 窗口中被固定 l 是一个终物流 l 是一个到达塔 1 顶部级的中段回流

对于这个类型的连接物流必须规定

不满足以上条件的一个物流下列中的两个流率温度温度变化负荷*

一个流率间接地在 FlowRatios or Columns FlowSpecs 窗口中固定的物

流

温度或温度变化或负荷*

一个终物流气相馏出物或液相底

部物流温度或温度变化或负荷*

*如果必要的话负荷的缺省值可以是零

可以输入第二规定如果缺少这个规定 MultiFrac 使用来自各级的除去带有流率规定

的其它连接物流之外的净流率对于一个连接物流如果它是到达塔 1 的顶部级的液相中段回流须输入下列中的两项 l 流率 l 温度或温度变化 l 负荷如果没与加热器或冷却器相连规定为零如果仅输入流率温度或温度变化中的一个 MultiFrac 将使用顶部级的负荷来替代缺

少的输入项当一个级是连接物流的目标级时 MultiFrac 使用与级有联系的热负荷来确定连接物流

的温度当输入连接物流的负荷温度或温度改变时级的负荷不影响连接物流的温度在

级计算焓值中也适当地考虑了级负荷当中段回流旁路或其它连接物流有一个规定的温度变化或出口温度时 MultiFrac 假

设这个特定的值不能导致任何物流分率的相态改变当规定热负荷时将发生相态的变化连接物流可以是全部或部分抽出级流率 MultiFrac 基于给出规定的个数来确定抽出类

型

如果抽出类型是必须输入

Partial 下列中的两项流率温度温度变化和热负荷*

Total 下列中的一项温度温度变化和热负荷**

* 如果没有加热器输入零作为热负荷 ** 流率是级的净流率不包括任何产品流率和任何其它连接物流流率

MultiFrac 对于顶部气相物流和底部液相物流允许全部抽出对部分抽出可以规定流率

或者 MultiFrac 可基于下列之一规定流率 l 另一个流率规定 Columns FlowSpecs 表 l 一个流率比规定 FlowRatios 表如果仅为到达主塔顶部级的中段回流输入一个规定 MultiFrac 将使用顶部级的热负荷

作为第二规定当一个连接物流有一个规定的温度或温度变化时 MultiFrac 假设这个特定的值不能导

第 4 章塔


致任何物流分率的相态改变当规定热负荷时将发生相态改变

加热器使用 Columns HeatersCoolers 表格输入加热器位置和负荷可以通过选择下列表格中的

一个加热器负荷作为操作变量来间接地规定加热器

表格用于规定

Columns FlowSpecs 级液相或气相流率 FlowRatios 气相与液相的流率比

流率规定可以使用 Columns FlowSpecs 表格去规定任何级的液相和气相流率规定的值是液相或

气相的各级净流率这个值不包括任何部分的侧线产品和带有流率规定的其它连接物流的抽

出这个典型的特征用于规定 l 内部回流率或总的内部抽出 l 在炼油应用中的过闪蒸 l 蒸出速率对于一个终点物流流率规定指物流的净流率它不包括任何部分的带有流率规定的连

接物流的抽出流率规定包括 l 在 ConnectStreams 表格中提供的 Specifications l 通过与它相连的加热器规定所确定的规定 l 另一个 FlowSpecs 或 FlowRatios 规定对于一个内部物流流率规定指物流的净流率它不包括作为产品或连接物流的任何部

分抽出当输入一个流率规定 MultiFrac 将调整一个连接物流的流率或加热器的负荷

如果调整的变量是输入

一个连接物流流率在 IC-Stream 区域的连接物流的个数一个加热器负荷加热器的塔号和级数

使用 InletsOutlets 表格可以在一个出口热流中放置计算出来的热负荷调整变量的初始

估值不是必需的如果同一相态的产品或连接物流离开级规定值为 0 用来模拟一个全部抽出 MultiFrac 将改变与它相连的同一级或另一级的加热器的热负荷或者改变与它相连的连

接物流的流率来满足焓和质量平衡如果将改变必须规定

热负荷 Q-Column 和 Stage 连接物流的流率物流个数(IC-Stream)

当选择以下这些时要慎重 l 将变化的热负荷与级连到一起 l 连接物流与变化的流率

第 4 章塔


相关热负荷的初始估值不是必需的

流率比规定使用 FlowRatios 表格规定两个流率的比值流率可以是不同相态的流率可以来自任

何塔的任何级该特征用来规定 l 内部回流比 l 在炼油应用中的过闪蒸 l 蒸出速率对于内部物流流率指一个物流的净流率不包括带有流率规定的连接物流任何

部分的抽出流率规定包括这些 l 在 ConnectStreams 表格中规定 l 确定与之相连的加热器的任意一个规定其它的 Columns FlowSpecs 页或一个

FlowRations Specifications 页对于一个内部物流流率指一个物流的净流率不包括作为产品或连接物流的任何部分

的抽出当规定一个流率比时以下这些将被改变以满足焓和质量平衡 l 同一级或另外级上的热负荷 l 一个相关的连接物流的流率当输入一个流率比规定时 MultiFrac 将调整一个连接物流的流率或加热器的负荷如果调整变量时输入

一个连接物流的流率在 IC-Stream 区域中连接物流的个数一个加热器的负荷加热器的塔和级数

使用 InletsOutlets 表格可以将计算出来的热负荷放置在出口热物流中这些操作变量的

初始估值不是必需的当选择以下这些时要慎重 l 将变化的热负荷与级连到一起 l 连接物流与变化的流率

效率

可以规定下列两种效率中的一个 l 蒸发效率 l Murphree 效率蒸发效率被定义为

Eff vj

jiji

ji

xKy

,,

,=


Eff1,,,

1,,,

+

+

−−

=jijiji

jijiMji yxK

yy

式中

第 4 章塔


K = 平衡 K 值 x = 液相摩尔分率 y = 气相摩尔分率 Eff v = 蒸发效率 Eff M = Murphree 效率 i = 组分索引 j = 级索引规定蒸发或 Murphree 效率要在 Columns Setup Configuration 页中输入实际级数然

后使用 Cloumns Efficiencies 表格输入效率可以使用这些效率来考虑平衡偏离的程度但不能从一种效率转化为另一种效率

效率的大小可以不同关于使用和估计效率的细节参见 Holland 描述的多组分蒸馏基本

原理 McGrawHill Book Company,1981

算法

MultiFrac 有三种收敛算法在 Convergence Methods 页中使用 Overall 区域来选择算法

缺省的标准算法适用于大多数应用选择的算法取决于正在模拟的系统的类型

应用算法

空气分离标准窄沸程例如 C3 分离器标准宽沸程例如吸收器流率加和石油炼制例如原油单元流率加和乙烯装置主分馏器流率加和高度非理想体系例如共沸物牛顿法高耦合设计规定流率加和或牛顿法

核算模式

在核算模式中 MultiFrac 在塔参数所规定值的基础上计算塔的分布和产品的组成例

如塔参数可以是回流比再沸器负荷和进料流率

设计模式

在设计模式中使用 DesignSpec 页规定塔的控制参数例如纯度或回收率必须在 Vary表格指出操作哪一个变量完成这些规定除下列各项外可以规定核算模式中所允许的任何

变量 l 级数 l 压力分布 l 效率 l 过冷回流温度 l 过冷度

第 4 章塔


l 进料产品加热器和连接物流的位置入口物流的流率和入口热流的负荷也可以是操作变量

可以规定对这些


任何组分组的回收率产品物流集**

任何组分组的流率内部物流或产品物流集温度级热负荷级或连接物流热负荷比级或到其它级或连接物流的连接物流任何 Prop-Set 性质的值内部或产品物流***

任何一对 Prop-Set 性质的差值或比值单一或成对内部或产品物流任何组分组与任何另一组分组的流率比第一组可以在任何内部物流中****

*纯度是以任何组分组的摩尔质量标准液体体积分率之和相对于其它组分的比值表示

**回收率是以进料物流子集中相同组分的分率表示

***参见 ASPEN PLUS 用户指南

****第二组可在任何其它内部物流中或进料或产品物流集中

塔收敛

MultiFrac 使用 inside-out 近似法计算塔收敛可以从该方法的两个变换的算法中选择 l 标准 l 流率加和使用 Convergence Methods 页中的 Overall 区域选择一个算法标准算法使用标准的 inside-out 方法计算内部循环它使用嵌套或同时求解的方法来收

敛设计规定在 Convergence Methods 页中作为 Middle 循环方法被规定这个算法适用于

大多数的系统流率加和算法使用 l 对内部循环使用流率加和方程 l 同时接近收敛设计规定流率加和法也较好地适用于 l 宽沸程系统 l 流率梯度较大的塔 MutiFrac 也有 Newton 算法它使用 Napthali-Sandholm 方程使用 Newton 方法同时求

解塔描述方程和设计规定这个方法能够提高度非理想体系的收敛例如共沸蒸馏 Newton算法通常比其它算法要慢一些

设计规定收敛 MutiFrac 提供两个处理设计规定收敛的方法 l 嵌套中间循环 l 同步中间循环当使用嵌套中间循环时此法试图通过使用加权平方和函数达到最小值的方法求取操作

变量的值在操作变量规定的界限内以满足设计规定

第 4 章塔


=

2

−∗∗

∧

∑ GGGw

mm

式中 m = 设计规定序号

∧G = 设计值

G = 期望值 G** = 比例因子

w = 权重因子

对于纯度和回收率 G 和∧G 转换成对数形式 G**取为 1

当使用同步中间循环方法时下面的算法与描述塔的方程式联立求解塔规定函数

F 0/ =

−= ∗∗

∧

mmmm GGG

对于这个方法权重因子是不可用的可以通过使用比例因子或权重因子来处理设计规定的收敛下面的算法试图通过使用加

权平方和函数达到最小值的方法求取操作变量的值在操作变量规定的界限内以满足设计

规定

=

2

−∗∗

∧

∑ GGGw

mm

式中 m = 设计规定号

∧G = 设计值

G = 期望值 G** = 比例因子 w = 权重因子

初始化在 Convergence Methods 页的 Use Initialization Method 中选择初始化的方法 MultiFrac 有两个初始化过程

l Standard l Crude Standard 过程适用于大多数系统至少为每个塔输入塔顶和塔底温度估值 Crude 包括一个为石油炼制和乙烯装置主分馏器/急冷塔的应用设计的特殊的初始化过

程这个过程是为由一个主塔和与任何数目的侧线汽提塔组成的系统而设计的如果在

Columns Setup 和/或 Columns FlowSpecs 表格中规定了下列信息就不必要提供这些估值了 l 所有汽提塔塔底的流率 l 主塔的馏出物或塔底流率

第 4 章塔


然而至少为每个塔输入塔顶和塔底温度估值可以在 Columns Estimates 表格中输入

分布估值以提高收敛有温度估值通常情况就足够了高度非理想体系要求有组成的估值

物理性质

使用 BlockOptions 表格替换全局的物性方法可在 BlockOptions 表格中规定单一的物

性方法 MultiFrac 对所有塔的全部级均使用这个物性方法当为个别的塔使用一个单独的物性方法时可使用 Columns Properties 表格规定它的物

性方法也可以将一个塔分成若干个塔段每个塔段都使用不同的物性方法

游离水处理

MultiFrac 可以执行游离水计算在缺省情况下 MultiFrac 对主塔的冷凝器执行游离水

计算如果存在游离水相将被倾析掉使用 Columns Properties 表格对塔的附加级做游离水计算可以在 InletsOutlets 表格中定

义附加的水倾析产品物流可以使用这个功能去模拟乙烯装置的主分馏器/急冷塔的组合

固体处理

MultiFrac 通过下列方法处理固体 l 从入口物流中暂时除去所有固体 l 在没有固体时完成塔计算 l 在绝热情况下将除去的固体与从底部级出来的液体产品相混合这个计算仍然保持着 MultiFrac 模块的全部的质量和能量平衡但是底部级的液相产品

与其它底部级流率将不保持热平衡或相平衡例如底部级的气相流率

塔板和填料的设计与核算

MultiFrac 对板式塔填料塔具有强大的设计核算功能并完成压降的计算使用下面

的表格输入规定 l 塔板设计 l 塔板核算 l 填料设计 l 填料核算关于塔板和填料的类型及相关的细节参见附录 A

PetroFrac--严格分馏塔

PetroFrac 是一个严格的模型它是石油炼制工业中为模拟所有复杂类型的气-液分馏操

作所设计的典型的操作包括 l 预闪蒸塔

第 4 章塔


l 常压原油单元 l 减压单元 l 催化裂化主分馏器 l 延迟焦化主分馏器 l 减压润滑油主分馏器也可以在一个乙烯装置的急冷段中使用 PetroFrac 去模拟主分馏器/急冷塔的组合

PetroFrac 可以检测出冷凝器或塔的任何地方的游离水相它能在任何级上倾析出游离水

尽管PetroFrac 假设为平衡级计算但可以规定Murphree效率或蒸发效率可以使用PetroFrac去设计和核算由塔板和/或填料组成的塔 PetroFrac 可以模拟填料类型为乱堆和规则的填料

塔

PetroFrac 的流程连接

PetroFrac 用来模拟由一个主塔和任何数目的中段回流和侧线汽提塔组成的塔结构可

以规定进料炉对于没有中段回流和侧线汽提塔的单塔使用 RadFrac 对于其它多塔系统例

如空气分离系统 Petlyuk 塔和复杂的主分馏塔使用 MultiFrac

物料流

入口至少一个进料物料流每个汽提塔有一个蒸气进料可选择的出口一个气相或液相馏出物或两者都有一个游离水馏出物可选择的从主塔出来的一个塔底产品从主塔出来的任何数目的侧线产品可选择的从主塔出来的任何数目的水倾析产品可选择的每个侧线汽提塔有一个塔底产品

第 4 章塔


任何数目的虚拟产品物流可选择的可以使用任何数目的虚拟产品物流来表示 l 塔的内部物流 l 中段回流 l 塔的连接物流一个虚拟产品物流不影响塔的结果

热流

入口主塔的每个级有一个热流可选择的每个中段回流加热器/冷却器有一个热流可选择的每个汽提塔的再沸器有一个热流可选择的每个汽提塔底部液体返回有一个热流可选择的出口主塔的每个级有一个热流可选择的每个中段回流加热器/冷却器有一个热流可选择的每个汽提塔的再沸器有一个热流可选择的每个汽提塔底部液体返回有一个热流可选择的

除了冷凝器再沸器中段回流和汽提塔底部液相返回之外 PetroFrac 可以使用一个

入口热流作为所有级的负荷规定如果在 Setup Configuraion 页中没有给出足够的操作塔的规定 PetroFrac 将使用一个热

流作为冷凝器和再沸器的规定如果在 Pumparounds Specification 页中没有给出两个规定 PetroFrac 将使用一个热流作

为中段回流的规定如果在 Strippers Specifications 页中没有给出底部液相返回的两个规定 PetroFrac 将使

用一个热流作为一个规定如果在 Setup Configuraion 页或 Pumparounds Specification 页中给出两个规定 PetroFrac

将不使用入口热流作为一个规定热流提供必需的加热或冷却使用可选择的出口物流作为冷凝器再沸器和中段回流的净的热负荷出口热流的值等


主塔主塔可以有任何数目的入口物流它的每个级中也可以最多有三个产品物流一个气相

一个烃类液相和一个游离水

侧线汽提塔侧线汽提塔可以有一个蒸气进料它们必须有一个液相塔底产品可以使用一个热流作

为再沸器的热源如果不规定再沸器的负荷塔底流率和蒸气进料 PetroFrac 使用热流作

为一个负荷规定汽提塔液相底部产品可选地部分返回到主塔中若规定一个塔底液相返回必须在

Strippers Setup LiquidReturn 页中输入两个规定

进料炉可以规定一个进料炉一个进料炉可以有任何数目的进料来自炉中气相或液相物流进

入到炉子附着的级上

第 4 章塔


规定 PetroFrac

在每个塔或汽提塔内都是从上至下为这些塔段编号如果主塔中有冷凝器那么它就是

第一级使用下面的表格输入规定并浏览 PetroFrac 的结果使用这个表格可以做这些

Setup 规定基本的塔结构和操作条件 Pumparounds 规定中段回流规定并浏览结果 Pumparounds Hcurves 规定中段回流加热和冷却曲线表和浏览表格结果 Strippers Setup 规定汽提塔操作规定 Strippers Efficiencies 规定汽提塔或级效率 Strippers ReboilerHcurves

规定汽提塔再沸器加热或冷却曲线表并浏览表格结果

Strippers TraySizing 对塔板汽提段规定设计计算参数并浏览结果 Strippers TrayRating 对塔板汽提段规定核算计算参数并浏览结果 Strippers PackSizing 对填料汽提段规定设计计算参数并浏览结果 Strippers PackRating 对填料汽提段规定核算计算参数并浏览结果 Strippers Properties 对汽提段规定物性参数 Strippers Estimates 规定汽提塔温度和流率的估值 Strippers Results 浏览汽提塔产品物流和连接物流结果 Strippers Profiles 浏览汽提塔分布 HeatersCoolers 规定级加热或冷却规定 RunbackSpecs 规定回流规定参数 Efficiencies 规定级或组分效率 DesignSpecs 规定设计规定操作变量和浏览结果 CondenserHcurves 规定冷凝器加热或冷却曲线表并浏览表结果 ReboilerHcurves 规定再沸器加热或冷却曲线表并浏览表结果 TraySizing 对板式塔塔段规定设计计算参数并浏览结果 TrayRating 对板式塔塔段规定核算计算参数并浏览结果 PackSizing 对填料塔段规定设计计算参数并浏览结果 PackRating 对填料塔段规定核算计算参数并浏览结果 Properties 对塔段规定物性参数 Estimates 规定塔温度和流率的估值 Convergence 规定收敛参数 Report 规定模块规定报告选项和虚拟物流 BlockOptions 替换这个模块物性模拟选项诊断消息级别和报告选项的

全局值 UserSubroutines 对板式塔和填料塔的设计和核算规定用户子程序 Connectivity 对 PetroFrac 模块浏览物流连接 ResultsSummary 对整个的 PetroFrac 塔浏览关键塔的结果 Profiles 浏览塔的分布

主塔可以在 Setup Configuration 页中使用 Condenser and Reboiler 来定义主塔的结构

PetroFrac 允许六个冷凝器的类型

第 4 章塔


l 过冷 l 全部冷凝 l 仅带有一个气相馏出产品的部分冷凝器 l 带有气相和液相馏出物产品的部分冷凝器 l 没有冷凝器顶部级有中段回流 l 没有冷凝器顶部级有一个外部进料可以规定以下三种类型的再沸器之一 l 釜式再沸器 l 没有再沸器底部级有中段回流 l 没有再沸器底部级有外部进料所需的操作规定的类型和数目取决于塔的结构通常情况下必须输入两个塔操作

规定如果冷凝器或再沸器有一个不存在的话必须输入一个规定如果冷凝器和再沸器都

不存在则不需要输入任何规定

进料物流处理使用 Setup Streams 页规定进料和产品的级位置也可以标识一个进料作为汽提蒸气

并通过规定一个蒸气与产品的比来替换它的流率 PetroFrac 为处理进料物流提供三个约定参见下面图中的 PetroFrac Feed Convention

Above-Stage 和 PetroFrac Feed Convention On-Stage

l Above-Stage l On-Stage l Furnace 当 Feed-Convention 是 Above-Stage 时 PetroFrac 在相邻的级间引入一股物流液体

部分流动到规定的级 n 气体部分流动到上一级的级(n-1) 通过规定级=1 可以引入一个

液相进料到顶部级或冷凝器通过规定级=平衡级数+1 可以引入一个气相进料到底部

级或再沸器当进料约定是 On-Stage 时进料的液相和气相部分都流动到规定的级上

第 4 章塔


当 Feed-Convention 是 Furnace 一个炉子附着到规定的级上 n 在将进料进入到规定

的级之前这个进料要先输入到炉中

进料炉 PetroFrac 可以同时模拟塔/汽提塔和一个进料炉可以将进料炉作为一个简单加热器或

作为一个带有或没有过闪蒸旁路的炉子进料的单级闪蒸来模拟可以规定下列项目之一 l 热负荷 l 温度 l 部分的过闪蒸完成下列这些使用这个表格

定义一个到进料炉的进料 Setup Stream(Feed Convention) 输入一个炉子模型的类型和相关的规定 Setup Furnace

可以从三个炉子的模型类型中作出选择它们分别显示在下面的图中

第 4 章塔


如果模型= PetroFrac 模拟炉子作为并计算

Heater 进料级的级热负荷 Flash 单级闪蒸炉子温度蒸发度气/液组成 Flash-Bypass 带有返回到炉中的过闪蒸旁路

的单级闪蒸炉子温度蒸发度气/液组成

液体返回使用 RunbackSpecs 表格规定从任何级返回的液体流率当输入一个液相返回规定时

必须允许 PetroFrac 去调整下列中的一个 l 中段回流的流率 l 级间加热器/冷却器的负荷

中段回流使用下页为中段回流输入规定

使用这个页输入

Pumparounds Specifications 中段回流的连接和冷却器/加热器的规定 Report PseudoStreams 中段回流中的虚拟物流分配 Hcurves Specifications 加热/冷却曲线规定

中段回流与主塔联系到一起可以是级上液相流率的全部或部分抽出必须规定每个中

第 4 章塔


段回流的抽出和返回级的位置对部分抽出必须规定下列中的两项 l 流率 l 温度 l 温度变化 l 热负荷对于全部抽出必须规定下列中的一项 l 温度 l 温度变化 l 热负荷

侧线汽提塔使用 Stripper 表格和页输入对侧线汽提塔的规定

侧线汽提塔可以使蒸汽汽提或再沸汽提对于蒸汽汽提必须输入一个蒸气物流可以

通过规定一个蒸气与产品的比值来替换它的流率对于再沸汽提必须规定一个再沸器的负

荷 PetroFrac 假定 l 从主塔出来到汽提塔顶部的一个液相采出 l 汽提塔顶部产品返回到主塔中必须规定采出和返回级的位置可以 l 将汽提塔塔底的一部分返回到主塔中 l 规定另外从主塔的其它级上的液相采出作为汽提塔的进料

效率

可以规定两种类型效率中的一个 l 蒸发效率

l Murphree 蒸发效率被定义为

jiji

jivi xK

yEff

,,

,=


1,,,

1,,,

+

+

−−

=jijijk

jijiMji yxK

yyEff

式中 K = 平衡 K 值 x = 液相摩尔分率 y = 气相摩尔分率 Eff v = 蒸发效率 Eff M = Murphree 效率 i = 组分索引 j = 级索引

第 4 章塔


规定蒸发或 Murphree 效率要在 Setup Configuration 页和 Strippers Setup Configuration 中输入实际级数然后使用 Efficiencies 和 Stripper Efficiencies 表格输入效率

可以使用这些效率来考虑平衡偏离的程度但不能从一种效率转化为另一种效率效率的大小可以不同关于使用和估计效率的细节参见 Holland 描述的多组分蒸馏基本

原理 McGrawHill Book Company,1981

收敛

对收敛 PetroFrac 使用 l Inside-out 算法派生出来的流率加和法 l 为石油炼制应用而设计的一个专用的初始化过程 PetroFrac 通常不需要初始估值对于乙烯装置主分馏器/急冷塔的组合应该提供温度

估值为提高收敛可以在下面的 PetroFrac 表格中输入分布估值

l Estimates l Strippers Estimates 提供温度估值在通常情况下就足够了为增强收敛的稳定性可以在 Convergence

Basic 页中通过选择不同的阻尼系数来实现

核算模式

在核算模式中 PetroFrac 在塔参数所规定值的基础上计算塔的分布和产品的组成例

如塔参数可以是 l 回流比 l 再沸器负荷 l 进料流率 l 炉子的温度 l 中段回流负荷

设计模式

在设计模式中可以调整塔参数的子集来完成在塔操作的规定



组分组的回收率产品物流集**

组分组的流率内部物流或产品物流集组分组对其它组分组的流率到其它内部物流的内部物流或进料或产品

物流温度级热负荷级部分的过闪蒸级 TBP 和 D86 温度间隔成对的产品物流

第 4 章塔


TBP 温度产品物流 D86 温度产品物流 D1160 温度产品物流减压蒸馏温度产品物流 API 重度产品物流标准液体密度产品物流闪点产品物流倾流点产品物流折射指数产品物流 Reid 雷诺气相压力产品物流 Prop-Set 性质的值内部或产品物流***

一对 Prop-Set 性质的差值成对产品物流 Watson UOP 因数产品物流

* 任何物流的纯度以任何一组组分的摩尔质量标准液体体积分率之和相对于任何一组其它组分

比值表示 **任何组分组的回收率以任何一组进料子集中相同组分的分率表示

***参见 ASPEN PLUS 用户指南的第二十八章

也可以为炉子的进料物流规定过闪蒸

物理性质

使用 BlockOptions 表格去替换全局的物性方法可以在这个表格中规定一个方法

PetroFrac 将对主塔和汽提塔的所有级都使用这种方法也可以将主塔或气体塔分成多个塔段每一段使用不同的物性方法

使用这页当使用不同的物性为

Properties Property Sections 主塔 Strippers Properties Property Sections 一个汽提塔

游离水处理

PetroFrac 可在主塔和侧线汽提塔中完成游离水计算在缺省情况下 PetroFrac 对主塔

的冷凝器完成游离水计算如果游离水相存在将被倾析掉

做使用这些页

在主塔和汽提塔中对附加的级要求游离

水计算 Properties Freew ater Stages Strippers Properties Freewater Stages

为主塔定义附加水倾析产品物流 Setup Streams

第 4 章塔


固体处理

PetroFrac 通过下列方法处理固体 l 从入口物流中暂时除去所有固体 l 在没有固体时完成塔计算 l 在绝热情况下将除去的固体与从底部级出来的液体产品相混合这个计算仍然保持着 PetroFrac 模块的全部的质量和能量平衡但是底部级的液相产品

与其它底部级流率将不保持热平衡或相平衡例如底部级的气相流率

塔板和填料的设计与核算

PetroFrac 对塔板塔填料塔具有强大的设计核算功能并完成压降的计算使用下面

的 PetroFrac 表格中输入规定 l 塔板设计塔板核算填料设计填料核算 l 汽提塔塔板设计汽提塔塔板核算汽提塔填料设计汽提塔填料核算关于塔板和填料的类型及相关的细节参见附录 A

RateFrac--基于流率的蒸馏

RateFrac 是一个基于流率的非平衡的模型用于模拟各种类型的多级气-液精馏操作

RateFrac 模拟实际的板式塔和填料塔而不是平衡级的理想化算法 RateFrac 能明确地计算

出重要的相间的质量和热传递过程来确定分离的程度 RateFrac 不使用经验因数例如效率和

理论板等量高度 HETP RateFrac 可应用于 l 一般蒸馏 l 吸收 l 再沸吸收 l 汽提 l 再沸汽提 l 萃取和共沸蒸馏 RateFrac 适用于 l 两相系统 l 窄沸程和宽沸程系统 l 液相具有强的非理想程度系统 RateFrac 也可检测和处理冷凝器中的游离水相 RateFrac 也可以模拟带有化学反应的塔反应包括 l 平衡反应 l 流率控制反应 l 电解质反应 RateFrac 可以模拟由单一塔或多个塔连接组成的一个复杂的塔结构这个结构可以有 l 任何数目的塔每个塔都带有任何数目的 RateFrac 塔段 l 在塔与塔之间或在每个塔的内部有任何数目的连接

第 4 章塔


l 任意的流率分流和连接物流的混合 RateFrac 可处理带有以下的操作 l 侧线汽提塔 l 中段回流 l 旁路 l 外部换热器 RateFrac 可被用于 l 核算现有的塔 l 设计新塔可以在 RateFrac 中定义虚拟产品物流来表示塔的内部流率或连接物流可以使用 Fortran Blocks Sensitivity Analysis 和 Case Study 模块来改变塔结构参数

例如进料位置或塔段数 RateFrac 可以生成塔段位置的分布图 RateFrac 可以和其它的 ASPEN PLUS 功能一起使用在使用方式上与基于平衡的模型

是一样的例如 RadFrac PetroFrac MultiFrac

RateFrac 的流程连接

RateFrac 模拟单一和相互连接的塔可用任何数目的连接物流连接任何数目的塔每个

连接物流可有一个相连的加热器每个塔可以有 l 填料段和塔板段的任何组合 l 任何数目的连接物流 l 任何数目的侧线产品物流

物料流入口至少一个物料流出口每个塔段上至多两个产品物料流一个气相一个液相

一个水蒸馏产品物料流可选择的任何数目的虚拟产品物流可选择的

每个塔必须有

第 4 章塔


l 至少一个气相或液相物流离顶部塔段 l 一个液相物流离开底部塔段当模拟一个相互连接塔时顶部或底部物流可以是连接物流然而冷凝器中游离水

不能是一个连接物流

热流

入口每个塔段上有一个热流可选择的每个连接物流有一个热流可选择的出口每个连接物流有一个热流可选择的

RateFrac 使用一个入口热流对所有级除了冷凝器再沸器和中段回流外做一个负荷规

定如果不在 Columns Setup Configuration 页上给出两个塔的规定 RateFrac 使用一个热流

作为冷凝器和再沸器的规定如果不在 ConnectStreams Input 页上给出两项规定 RateFrac 使用一个热流作为连接物

流的规定如果在 Columns Setup Configuration 页或 ConnectStreams Input 页上给出两项规定

RateFrac 将不使用入口热流作为一个规定入口热流提供必需的加热或冷却使用可选择的出口物流作为冷凝器再沸器和中段回流的净的热负荷出口热流的值等


基于流率模型的概念

大多数用于模拟和设计多组分多级分离过程的模型是基于平衡或理论板的理想化概

念这个方法假定液相和气相在离开任何级时彼此间保持热力学平衡通过解决每块级的物

料平衡能量平衡和其它平衡关系来计算相组成温度和气相液相的流率分布但在实际中塔很少在热力学平衡的条件下操作气-液平衡表现为只有在界面上分离

气相和液相在多级塔中完成分离取决于中间相的质量和热传递传递速率的过程多组分质

量传递的相互作用也可以在分离中产生显著的影响当平衡方法用于模拟一个板式塔校正因子也称为效率用于考虑偏离平衡的程度

存在着对效率的许多定义每个定义在复杂性和精确性方面都有很大的不同通常情况下

效率取决于 l 装置的物理特征例如塔的结构 l 塔的水力学 l 系统的流体性质 Murphree 气相效率应用很广泛这些效率通常在塔内逐级逐组分改变在多组分系统

中对 Murphree 效率没有理论上的限制实验的数据显示出组分的效率可以 l 从一个组分到另一个组分变化很大 l 取任何数值包括负值用于计算组分效率的方法通常不包括热平衡偏离程度的影响也可以使用平衡级的概念来设计填料塔然而 HETP 通常用来代替效率 HETP 随

着下列各项变化 l 填料的类型和尺寸 l 塔的水力学 l 系统的流体性质象效率一样 HETPs 在塔内在各点间变化很大在各系统间变化很大

第 4 章塔


RateFrac 是基于一个基本的和严格的方法当平衡方法与估计效率或HETP一同使用时

这个方法可以避免不确定的结果 RateFrac 直接包括在分离过程单元方程系统中的质量和传

递速率过程 RateFrac l 描述同时发生的质量和热传递速率现象 l 在同时扩散的物质间考虑多组分的相互作用对非反应系统 RateFrac 包括 l 气相和液相的质量和热量平衡 l 质量和热传递核算模型以确定中间相的传递速率 l 在相界面条件下适用的气-液平衡关系 l 估计质量和热传递效率和界面区域的关联式对于化学反应系统 RateFrac 包括一些方程用于考虑在热和质量传递速率过程中化学

反应的影响对于包含平衡反应的系统 RateFrac 包括表示化学平衡条件的方程 RateFrac 可完全避免对板式塔效率和填料塔 HETP 的需要 RateFrac 比传统的平衡模型

有很大的预测功能

规定 RateFrac

RateFrac 是从上至下为塔段编号的塔段编号开始于冷凝器如果没有冷凝器则开

始于顶部塔段使用下面的表格输入规定并浏览 RateFrac 的结果

使用这个表格可以完成

BlockParameters 规定全部模块参数收敛和初始化参数规定模块的诊

断信息级别进料闪蒸收敛参数 Columns Setup 规定基本塔结构和操作条件 Columns TraySpecs 规定板式塔段参数 Columns PackSpecs 规定填料塔段参数 Columns Reactions 指定反应给塔段并规定气相和液相的滞留数据 Columns Estimates 规定塔段温度气相和液相流率和组成的初始估值 Columns EquilibriumSegments

规定可选的平衡塔段和塔效率

Columns HeatersCoolers 规定塔段的加热或冷却和公用工程换热器 Columns FlowTempSpecs 规定液相气相和温度规定 Columns Results 浏览塔操作汇总 Columns Profiles 浏览塔的分布 Columns InterfaceProfiles 浏览塔界面分布 Columns EfficienciesFlooding

浏览塔板和组分效率填料的 HETP 和液泛汇总

Columns TransferCoefficients 浏览二元扩散二元质量和热传递效率 InletsOutlets 规定进料和产品物流位置和约定入口和出口热流 ConnectStreams 规定连接物流源和目标并浏览结果 DesignSpecs 规定设计规定并浏览收敛结果 Vary 规定操作变量以满足设计规定并浏览最终结果 FlowRatios 规定流率比并浏览结果 CondenserHcurves 规定冷凝器加热或冷却曲线表并浏览表格结果 ReboilerHcurves 规定再沸器加热或冷却曲线表并浏览表格结果

第 4 章塔


ConnectStreamHcurves 规定连接物流加热和冷却曲线表并浏览表格结果 Reports 规定规定模块报告选项和虚拟物流信息 BlockOptions 替换这个模块的物性模拟选项诊断信息级别和报告

选项的全局值 UsersSubroutines 对质量和热传递效率界面区域压降和动力学规定用

户子程序 ResultsSummary 浏览物料和能量平衡结果和全部分流分率

塔号各塔是通过塔号来标识的标号的顺序不影响算法的执行在每个塔内塔段的编号是

从上至下进行的塔段编号开始于冷凝器如果有的话

物流定义 RateFrac 使用四种类型的物流 l 外部物流 l 连接物流 l 内部物流 l 虚拟物流外部物流是 RateFrac 模块中标准的入口和出口物流用其物流标识符定义连接物流是 RateFrac 模块之内的物流但是对各塔而言是外部物流这些物流通过连

接物流的编号进行标识连接物流可以连接两个塔或同一个塔的不同塔段例如旁通和中段回流可以将一个

加热器与任何连接物流连到一起加热器是用连接物流号来标识的内部物流是同一塔相邻级间的液体或气体流内部物流是用其塔段编号及塔编号进行标

识虚拟物流是用于贮存内部物流和相互连接物流的计算结果同时作为外部物流的一个子

集虚拟物流与普通出口物流不同之处在于它们不参与模块中质量平衡计算

进料物流约定 RateiFrac 为处理进料物流提供两个约定参见下图中的 RateiFrac Feed Convention l 在段上方 l 在段上

第 4 章塔


当 Feed Convention 进料约定是 Above-Stage 在级上方 RateiFrac 将在相邻的塔

段间引入一个物流液体部分流到规定为进料塔段的 n 段气体部分流动到上一段(在上图

RateFrac Feed Convention Above 中的 n-1 段) 通过规定段=1 可以引入一个液相进料到顶

部段或冷凝器通过规定段等于最后的塔段+1 可以引入一个气相进料到底部级或再

沸器当一个两相进料物流进入到塔段 1 时气相将直接与气相馏出物结合在一起同样

的当一个两相进料物流进入到最后的塔段+1 时液相将直接与液相产品结合在一起当进料约定为 On Segment(在塔段上方)定义时进料中的液相和气相部分都流到指定的

塔段上在上图中的塔段 n 上 RateFrac 假定一个气相进料或混合进料的气相部分与输入到塔段的气相结合在一起

RateFrac 也可以假定一个液相进料或混合进料的液相部分与输入到塔段的液相结合在一

起

塔结构在 Columns Configuraion 页给出下列内容来规定塔的结构 l 塔段数 l 冷凝器和再沸器是否存在 l 平衡和非平衡塔段

连接物流 RateFrac 允许任何数目的连接物流这些连接物流必需有相同的 l 源塔塔段和相态 l 目标塔和塔段 RateFrac 将在目标塔段上引入一个连接物流且忽略它们的相态 Convention=On

Segment 所有的连接物流可以有一个加热器在 ConnectStreams Input 页中为连接物流输

入所有的规定 RateFrac 不允许连接物流发生相态变化连接物流可以是塔段流率的全部或部分抽出根据下列输入所需的规定

如果抽出类型时输入

Partial 下列中的两个流率温度温度变化和热负荷*

Total 下列中的一个温度温度变化和热负荷**

第 4 章塔


* 如果加热器不存在热负荷为 0 ** 流率是塔段的净流率不包括任何产品流率和任何其它连接物流流率

必需的规定必须规定塔和连接物流的总数

使用这个表格去输入例如

Columns TraySpecs 塔板规定塔板数或每个塔段的塔板数塔板

类型塔板特性 Columns PackSpecs 填料规定整个的填料高度或每个塔段的填料

高度填料类型填料特性

也必须规定 l 入口物流位置 l 热流位置热负荷和相态 l 每个塔的压力分布 l 冷凝器类型 l 为多段塔设置两个操作规定为单段塔设置一个操作规定 l 任何连接物流的源和目标及与之相联系的加热器的规定 l 出口物流位置和相态如果出口物流是一个塔段的侧线抽出产品必须规定它的流

率一个塔段指下述之一 l 在填料塔中填料的一部分参见下图填料塔的不平衡塔段 l 在板式塔中的一个或多个塔板参见下图板式塔的不平衡塔段一个塔是由若干个塔段组成的在相互接触的相间估计质量和热传递流率 RateFrac

使用下列之一 l 在填料塔段中的填料高度 l 在板式塔段中的塔板数

第 4 章塔


平衡级 RateFrac 可在同一个塔中模拟平衡级或非平衡段使用 Column EquilibriumSegments 表

格去规定平衡级的位置当所有的级都平衡时使用 RateFrac 获得的结果与使用带有理想

级的 RadFrac MultiFrac 或 PetroFrac 得到的结果是相同的

反应系统 RateFrac 可以在液相和气相中处理动力学控制反应和平衡反应化学反应可以是任何类

型包括 l Simultaneous (同时反应) l Consecutive (顺序反应) l Parallel 并行反应 l Forward 正向反应 l Reverse (逆向反应) 对于动力学控制反应可由下列之一来定义动力学 l 内置幂率表达式 l 用户提供的 Fortran 子程序对于平衡反应化学反应平衡常数可根据用户提供的关于温度关联多项式的系数来定

义或从参与反应组分的参考状态自由能计算来定义 RateFrac 使用表观组分和真实组分方法模拟电解质系统

在 Reactions 表格中输入下列信息 l 反应化学计量系数 l 反应类型 l 反应发生的相态随着反应类型的而定必须输入平衡常数或动力学参数对于电解质反应也可以在

Chemistry 表格中输入反应数据若将反应与塔段相联要在 Columns Reactions Specifications 页中输入相应的 Reactions

ID(Chemistry ID 或 User Reactions ID) 对于流率控制反应必须为反应发生的相态输入 holdup 滞留量数据

第 4 章塔


对于这些塔段使用这个表格输入 holdup 信息

平衡 Columns Reactions 塔板 Columns TraySpecs 填料 Columns PackSpecs

加热器和冷却器使用 Columns HeatersCoolers Side Duties 页规定 l 一个塔段的热负荷 l 加热器所在塔段的位置塔或塔段 l 相态在 Columns HeatersCoolers Utility Exchangers 页中使用冷剂或加热流体去规定任何

塔段的冷却或加热可以使用一个热流来提供热整合当从另一个模块回收的负荷被用来作为加热器或冷却

器的热源时热整合发生在 InletsOutlets Heat Streams 页中输入热流数据

物性规定使用 RateFrac BlockOptions 表格替换全局物性的性质方法在 BlockOptions 表格中只可

规定一个物性方法 RateFrac 对整个塔都使用这个物性方法 RateFrac 不允许用多个物性方

法

处理游离水 RateFrac 只能在冷凝器中执行游离水计算

核算模式在核算模式中 RateFrac 在塔参数所规定值的基础上计算温度流率和摩尔分率分布

例如塔参数可以是 l 回流比 l 产品流率 l 热负荷

设计模式在设计模式中使用 DesignSpec 表格规定塔控制参数例如纯度或回收率必须在 Vary

表格指出操作哪一个变量来完成这些规定可以规定核算模式中所允许的任何变量但下述

除外 l 塔数塔段数和连接物流 l 压力分布 l 进料产品加热器和连接物流的位置 l 塔结构包括塔板数塔板特性填料高度填料规则入口物流的流率和入口物流的负荷也可以为操作变量


纯度物流包括内部物流*

任何组分组的回收率产品物流集**

任何组分组的流率内部物流或产品物流集组分比率内部物流和另一个内部物流或进料物流和

第 4 章塔


产品物流气相物流温度段液相物流温度段热负荷冷凝器再沸器或一个连接物流任何 Prop-Set 性质的值内部或产品物流***

任何一对 Prop-Set 性质的差值或比值单一或成对内部或产品物流 * 任何物流的纯度以任何一组组分的摩尔质量标准液体体积分率之和相对于任何一组其它组分

比值表示 **任何组分组的回收率以任何一组进料子集中相同组分的分率表示

***参见 ASPEN PLUS 用户指南第二十八章

计算效率和 HETP 从收敛的气相和液相组成分布中 RateFrac 反推组分的 Murphree 气相效率这些效率

被定义成气相物流和液相物流离开同一块级时每个组分分离的平衡接近程度

1

1

+

+

+−

=ijijij

ijijij YxK

yyEff

式中 Eff = Murphree 气相效率 K =气-液平衡 K 值 x = 液相摩尔分率 y = 气相摩尔分率 i = 组分索引 j = 级索引

对于填料塔的每个塔段 RateFrac 使用与 Murphree 气相效率同样的定义计算分离平衡

接近程度 RateFrac 将报告所需的按 HETP 定义的塔段的填料高度以达到平衡

收敛和计算时间 RateFrac 必须为一个给定的塔解决比平衡模型更多的方程 RateFrac 的计算时间也大于

平衡模型的计算时间特别是对包含许多组分的问题 RateFrac 使用的求解算法是有效的

是基于 Newton 的同步关联式方法 RateFrac 求解时间是以组分数目的平方增长的对于相

同的问题 RateFrac 求解时间要比 RadFrac MultiFrac 或 PetroFrac 的时间长

内置关联式的参考 RateFrac 使用公认的关联式来计算 l 气相和液相的二元质量传递系数 l 界面区域通常情况下这些量取决于塔的直径和操作参数例如 l 气相和液相流率 l 密度 l 粘度 l 液体的表面张力 l 气相和液相的二元扩散系数质量传递系数和界面区域取决于

第 4 章塔


填料特性塔板特性

类型乱堆或规则类型筛板浮阀泡罩尺寸溢流堰和流通长度特定表面积降液管面积材质溢流堰高度

这些关联式包括定义好的无量纲的团例如 Reynolds Froude Weber Schmidt 和

Sherwood 数值这些关联式符合实验室和试点装置的吸收和精馏塔的实验测量数据 RateFrac 为质量传递效率和界面区域使用的关联式是

塔的类型使用的关联式

填料塔乱堆填料 Onda et al.(1968) 填料塔规则填料 Bravo et al.(1985,1992) 筛板级* Chan and Fair(1984) 浮阀级 Scheffe and Weiland(1987) 泡罩级* Grester et al.(1958)

*这些关联式不能分别提供质量传递系数和界面区域

RateFrac 允许写入 Fortran 子程序以便用来计算 l 二元质量传递系数 l 热传递系数 l 界面区域在 ASPEN PLUS User Models 参考手册中描述了关于子程序的内容通过使用一个严格的多组分质量传递原理 Krishna and Standart,1976 RateFrac 使用二

元质量传递系数来估算 l 多组分的二元质量传递系数 l 在气相和液相间组分的质量传递速率 RateFrac 使用 Chilton-Colburn analogy(King,1980)计算气相和液相的热传递系数它涉

及到 l 质量传递系数 l 热传递系数 l Schmidt 数 l Prandtl 数

质量和热传递关联式

RateFrac 对下列各项使用若干个质量和热传递关联式 l 填料塔 l 浮阀塔 l 泡罩塔 l 筛板塔

填料塔 RateFrac 通过使用 Onda et al.,1968 开发的关联式计算质量传递系数和用于质量传递的

第 4 章塔


界面面积液相二元质量传递系数的关联式是

( ) ( ) 4.02/13/23/1

0051.0 ppLin

LwL

LLin daSc

aL

gk

−

=

µµ

ρ

气相二元质量传递系数的关联式为

( ) ( ) 23/17.0

23.5 −

=

pp

gin

gpinp

ggin daSc

aG

DaRTk

µ

通过关联式给出质量传递的界面区域

( )[ ]{ }75.02.005.01.0 /Re45.1exp1 −−−−= cLLLpw WeFraa σσ

式中

LpL

LL

LpL a

LWeg

LaFr

aL

σρρµρ

2

2

2

,,Re ===

且

=Link 在液相中二元对 i 和 n 的二元质量传递系数(m/sec)

=Lρ 液体密度(kg/m3)

g = 重力加速度(m/sec2)

Lµ = 液体粘度(Newton-sec/m2)

L = 液体表观质量速度(kg/m2/sec)

=wa 湿界面区域(m2 界面区域/m3 填料体积)

=LinSc 在液相中的二元对 i 和 n 的 Schmidt 数值= ( )L

inLL Dρµ /

=LinD 二元对 i 和 n 的二元 Maxwell-Stefan 扩散系数(m2/sec)

=pa 填料的特定表面积

=pd 填料公称直径和填料尺寸(m)

=gink 在气相中为二元对 i 和 n 的二元质量传递系数(kg mole/atm/m2/sec)

R = 通用气体常数(m3atm/kg mole/K)

=gT 气相温度(K)

G = 气体表观质量速度(kg/m2/sec)

=gµ 混合气体的粘度(Newton-sec/m2)

=ginSc 在气相中的二元对 i 和 n 的 Schmidt 数值= ( )g

ingg Dρµ /

第 4 章塔


=gρ 混合气体的密度(kg/m3)

=ginD 二元对 i 和 n 的气相二元 Maxwell-Stefan 扩散系数(m2/sec)

=σ 表面张力(Newton/m)

=cσ 填料材料的临界表面张力(Newton/m)

浮阀塔 RateFrac 使用Scheffe and Weiland,1987开发的关联式计算质量传递系数和用于计算质量

传递的界面面积液相二元质量传递系数的关联式为

( ) ( ) ( ) ( ) 5.005.009.068.0 ReRe4.125 LinLg

Lin ScvSh =

气相二元质量传递系数的关联式为

( ) ( ) ( ) ( ) 5.039.013.087.0 ReRe93.9 ginLg

gin ScSh ϖ=

通过关联式给出质量传递的界面区域

( ) ( ) ( ) 52.025.037.0 ReRe27.0 ϖLga =

式中

,LinL

LinL

in Dadk

Shρ

=ging

ging

in Dadk

Shρ

= , ,LinL

LLin D

Scρµ

=ging

ggin D

Scρµ

= ,

dWGdLd

gg

LL === ϖ

µµ,Re,Re

且 L = 液相质量速度(kg/m2/sec)(速度是基于塔的有效面积) d = 单位长度的几何参数(m)

=Lµ 混合液体的粘度(Newton-sec/m2)

G = 气体质量速度(kg/m2/sec)(速度是基于塔的有效面积)

=gµ 混合气体的粘度(Newton-sec/m2)

=Link 在液相中二元对 i 和 n 的二元质量传递系数(kg mole/m2/sec)

=a 界面面积(m2 界面面积/m2 塔的有效面积)

=Lρ 液体摩尔密度(kg mole/m3)


=gink 在气相中二元对 i 和 n 的二元质量传递系数(kg mole/m2/sec)

第 4 章塔


=gρ 混合气体的摩尔密度(kg mole/m3)


=Lρ 液相混合物的密度(kg/m3)

=gρ 气相混合物的密度(kg/m3)

W = 溢流堰高度(m)

泡罩塔 RateFrac 使用 Grester et al.,1958 开发的关联式计算二元质量传递系数和界面面积

通过下面的关联式给出液相二元质量传递系数和界面面积

( ) ( ) LLin

Lin LtFDak 15.021313.010127.4 5.08 +×=

( )

( ) GSc

QFhak

gin

Lwgin 5.0

85.1042377.0567.4776.0 +−+=

式中




=F F-因子= ( )2/12/12/1 sec// mkggg ρµ

=gµ 每单位有效面积气体的体积流率 m3/sec/m2

=gρ 混合气体的密度 kg/m3

L =液体摩尔速度(kg/m2/sec)(速度是基于塔的有效面积)

=Lt 液体停留时间= (sec)/9998.0 LLL QZh

=Lh 液体滞留量= )(0135.04545.219.004191.0 mFQh Lw −++

=LZ 液体流通长度 m

=LQ 每平均流通宽度下的气体流率 m3/sec/m

=wh 出口溢流堰高度 m

=gink 气相中二元对 i 和 n 的二元质量传递系数(kg mole/m2/sec)

G = 气体摩尔速度

第 4 章塔


=ginSc 在气相中的二元对 i 和 n 的 Schmidt 数值= ( )g

ingg Dρµ /

=gµ 混合气体的粘度 Newton-sec/m2


筛板塔 RateFrac 使用 Chan and Fair,1984 开发的关联式计算质量传递系数和界面面积

通过下面的关联式给出液相二元质量传递系数和界面面积

( ) ( ) LLin

Lin LtFDxk 15.021313.010127.4 5.08 +=

通过下面的关联式给出气相二元质量传递系数和界面面积

( ) ( )5.0

25.0 8671030

L

ging

in hFFD

k −=

式中




=F F-因子= ( )2/12/12/1 sec// mkggg ρµ

=gµ 每单位有效面积气体的体积流率 m3/sec/m2

=gρ 混合气体的密度 kg/m3

L =液体摩尔速度(kg/m2/sec)(速度是基于塔的有效面积)

=Lt 液体驻留时间= (sec)/9998.0 LLL QZh

=Lh 液体滞留量= )(0135.04545.219.004191.0 mFQh Lw −++

=LZ 液体流通长度 m

=LQ 每平均流通宽度下的气体流率 m3/sec/m

=wh 出口溢流堰高度 m

=gink 气相中二元对 i 和 n 的二元质量传递系数(kg mole/m2/sec)

=ginD 二元对 i 和 n 的二元 Maxwell-Stefan 扩散系数(m2/sec)

=F 接近液泛的气体流速= Fgg µµ /

第 4 章塔


=Fgµ 在液泛时通过有效面积的气体流速 m/sec

=Lh 液相高度= ( ) )(/1533 3/2 mQBh eLewe ΓΓ+Γ

=Γe ( )91.055.12exp SK−

B = ( )ωh8.137exp0286.00327.0 −+

=sK ( )( ) sec)/(/ 5.0 mgLgg ρρρµ −

=Lρ 液体混合物密度 kg/m3

热传递系数 RateFrac 使用 Chilton-Colburn analogy(King,1980)来计算热传递系数热传递系数通过下式给出

( )mix

tcav Cp

hSck =3/2

式中

avk = 平均二元质量传递系数 kg/mole/sec

Sc= Schmidt 数

tch = 热传递系数 Watts/K

mixCp = 摩尔热容量 Joules/kg mole/K

Pr= Prandtl 数

参考文献

Bravo, J.L., Rocha, J.A., and Fair, J.R., "Mass Transfer in Gauze Packings,"Hydrocarbon Processing, January, 91 (1985). Bravo, J.L., Rocha, J.A., and Fair, J.R., "A Comprehensive Model for the Performance of Columns Containing Structured Packings," ICHEME SymposiumSeries, 128, A439 (1992). Chan, H. and Fair, J.R., "Prediction of Point Efficiencies in Sieve Trays: 1. Binary Systems, 2. Multicomponent Systems," Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 23,(1984) p. 814. Grester, J.A., Hill, A.B., Hochgraf, N.N., and Robinson, D.G., "Tray Efficiencies in Distillation Columns," AIChE Report, (1958). King, C.J., Separation Processes, Second Edition, McGraw-Hill Company, (1980). Krishna, R. and Standart, G.L., "A Multicomponent Film Model Incorporating a General Matrix Method of Solution to the Maxwell-Stefan Equations," AIChE J.,22, (1976) p. 383. Onda, K., Takeuchi, H., and Okumoto, Y., "Mass Transfer Coefficients between Gas and Liquid Phases in Packed Columns," J. Chem. Eng., Japan, 1, (1968) p.56.

第 4 章塔


Perry, R.H. and Chilton, C.H., "Chemical Engineers?Handbook," Fifth Edition,McGraw-Hill Book Company, Section 18 (1973).

Scheffe, R.D. and Weiland, R.H., "Mass Transfer Characteristics of Valve Trays," Ind. Eng. Chem. Res., 26, (1987) p. 228.

Extract--严格萃取塔

Extract是模拟液-液萃取塔的严格模型它可以有多个进料加热器/冷凝器侧线物流

Extract使用下列的内容可以计算分配系数 l 一个活度系数模型或者用一个能够描述两个液相的状态方程 l 一个内置的与温度相关的关联式 KLL Subroutine页 l 一个Fortran子程序 KLL Subroutine页虽然假定为平衡级但可以规定组分或级的分离效率 Extract仅用于核算计算中可以定义虚拟产品 Report PseudoStreams页物流来代表萃取塔的内部流率可

以使用Fortran和灵敏度模块改变结构参数例如进料位置或级数

Extract 的流程连接

物料流

入口一个到达第一顶部级的流第一液相 L1 含量多一个到达最后一底部级的物流第二液相 L2 含量多每个中间级有一个物流可选择的

出口最后一级第一液相物流 L1

第一级第二液相物流 L2 每个级上最多两个侧线产品一股为 L1 另一股为 L2 可选择的

规定 Extract

Extract 可以在下列之一的条件下操作 l 绝热缺省 l 在一个规定温度下 l 带有规定的级加热器或冷却器负荷必须规定 l 级数 l 进料和产品物流级位置 l 侧线产品物流的相态和摩尔流率 l 压力分布第一液相 L1 从第一块级流到最后一块板第二液相 L2 则逆方向流动在 Setup

表格中使用 L1-Comps 和 L2-Comps 为每个相态标识关键组分 Extract 可以处理 L1 相态作

为溶剂相/萃取相或进料相/抽余液相要求有液-液分配系数来标识液-液平衡 Extract 使用下列中的一个方法来计算这些系

数

第 4 章塔


可以使用要输入在此页中

能表示两个液相的任何

物性方法一个全局物性方法或用一个

Opset 名字来替换全局物性方法

集

BlockOptions Properties

一个内置的与温度有关

的多项式多项式系数 KLL 性质关联式

一个 Fortran 子程序子程序名字 KLL 性质子程序

使用下面的表格输入规定并浏览 Extract 的结果

使用这个表格去做

Setup 规定基本的塔结构和操作条件 Efficiencies 规定级和组分效率 Properties 规定 KLL 关联式和 KLL 子程序的参数 Estimates 规定级温度和组成的初始估值 Convergence 规定收敛参数和特定模块的诊断信息级别 Report 规定特定模块的报告选项和虚拟物流信息 Block Options 替换此模块的物性模拟选项诊断信息级别和报告选

项全局值 Results 浏览塔的执行汇总物料和能量平衡和分离分率 Profiles 浏览萃取塔分布 Dynamic 为动态计算规定参数

有关 Fortran 子程序的更多信息请参见 ASPEN PLUS 用户模型

第 5 章反应器


第5章反应器

本章描述了反应器的单元操作操作这个模型是

模型说明用途适用于

Rstoic 化学计量反

应器具有规定反应程

度和转化率的化

学计量反应器模

型

反应动力学不知道或不重要但化学

计量数和程度是已知的反应器

RYield 收率反应器具有规定收率的

反应期模型化学计量和反应动力学不知道或不重

要但收率分布已知的反应器 REquil 平衡反应器通过化学计量计

算实现化学和相

平衡

化学平衡和相平衡同时发生的反应

器

RGibbs Gibbs 自由

能最小的平

衡反应器

通过Gibbs 自由能

最小实现化学和

相平衡

化学平衡和相平衡同时发生的反应

器对固体溶液和气-液-固系统计算相

平衡 RCSTR 连续搅拌釜

式反应器模拟连续搅拌釜

式反应器带反应速率控制和平衡反应的单相

两相或三相搅拌釜式反应器在任何

基于已知的化学计量和动力学的相

态 RPlug 活塞流反应

器模拟活塞流反应

器带反应速率控制的单相两相或三相

活塞流反应器在任何基于已知的化

学计量和动力学相态 Rbatch 间歇反应器模拟间歇或半间

歇的反应器带反应速率控制的单相两相或三相

间歇和半间歇的反应器在任何基于

已知的化学计量和动力学的相态

RCSTR Rplug和RBatch 是动力学反应器模型使用Reactions Reactions窗口为这些模

型规定化学计量和数据你不需要规定反应热因为ASPEN PLUS对分子的组分热的规定采用了元素焓的参考状

态来规定组分的生成热因此在反应物对于产物的混合焓的计算中考虑了反应热

Rstoic--化学计量反应器

使用RStoic模拟一个反应器当 l 反应动力学不知道或不重要并且 l 对每个反应化学计量关系和摩尔值或转化率是已知的 RStoic 能够模拟并行反应和顺序反应另外RStoic能够实现产品选择性和反应热的计

算

第 5 章反应器


Rstoic 的流程连接

物料流入口至少一个物料流出口一个产品物流一个水倾析物流(可选的)

热流入口任意数的热流可选的如果你不规定出口热流 RStoic 使用入口热流的总和作为热负荷规定出口一个热流可选的出口热流的值是反应器的净热负荷入口热流的总和减去计算的热负荷

规定 RStoic

使用Setup Specifications 设置规定页规定反应器的操作条件并选择在反应器的闪

蒸计算中的相态使用 Setup Reactions 设置反应页规定在反应器中发生的反应对每个反应你必须规

定化学计量系数而且规定所有反应的转化摩尔值或转化分率之一当反应产生固体或固体改变时你可以在出口物流中分别使用Setup Component Attr. 设

置组分属性页和Setup PSD页规定组分属性和粒子的尺寸分布如果你希望计算反应热使用Setup Heat of Reaction 设置反应热页对在Setup Reactions页中规定的每个反应规定参考组分如果需要你也可以选择规定反应热并且RStoic调整

计算的反应器负荷如果你希望计算产品的选择性使用Setup Selectivity 设置选择性页规定所选择的

产品的组分和参考的反应物组分对Rstoic使用下列表输入规定并浏览结果

使用该表去做这些…

Setup 设置对反应热计算选择性计算的产品和反应物组分粒子尺寸分布

以及组分属性规定操作条件反应参考条件 Convergence 对闪蒸规定估值和收敛参数

第 5 章反应器


收敛 BlockOptions模块选项

对该模块的物性模拟选项诊断信息级别和报告选项替换全局

值 Results 结果对出口物流浏览操作结果汇总质量和能量平衡反应热产品

选择性反应程度和相平衡结果 Dynamic 动

态对动态模拟规定参数

反应热

当你在Setup Heat of Reaction页上选择Calculate Heat of Reaction选项时 Rstoic 从数据

库中的生成热计算反应热是基于一个单位参考反应物的摩尔消耗或质量消耗来计算规定的

参考条件下反应热缺省缺省条件下使用下列参考条件

规定缺省

参考温度 25 °C 参考压力 1 atm 参考流体相态气相

你也可以使用 Setup Heat of Reaction 页规定反应热规定的反应热可能与ASPEN

PLUS在参考条件下的生成热计算出来的有所不同如果这种情况出现 RStoic 调整计算

的反应器热负荷来考虑差别在这个情况下所计算的反应器的热负荷与输入和输出物流的

焓不一致

选择性所选择的组分P对参考组分A的选择性规定为

S

PAPA

P Aal

Ideal

,Re=

∆∆∆∆

式中 ∆P = 由于反应组分 P 的摩尔数改变量 ∆A = 由于反应组分 A 的摩尔数改变量

在分式的分子中 real 表示反应中实际发生的改变量 ASPEN PLUS 从入口和出口的

质量平衡中获得该值在分母中 ideal 表示一个理想化的反应系统的改变量这个系统假设除了从参考组分

产生所选择组分外没有任何反应存在因此分母表示在一个理想的化学计量系数方程

中消耗每摩尔的A 生成多少摩尔的P 或者

∆∆

PA

vvIdeal

P

A

=

式中 A和 P 是化学计量系数这个例子给出了 RStoic 如何计算选择性

a1 A + b1 B → c1 C + d1 D c2 C + e2 E → p2 P

第 5 章反应器


a3 A + f3 F → q3 Q P对A的选择性是

在多数情况下选择性在0和1之间然而如果所选择的组分也从除参考组分的其它组

分产生选择性会大于1 如果所选择的组分在其它反应中消耗选择性可能会小于0

Ryield—收率反应器

使用 RYield 模拟一个反应器当 l 反应的化学计量系数不知道或不重要 l 反应的动力学不知道或不重要 l 收率分布知道你必须规定产品的收率每个单位质量的总进料不包含惰性组分或在用户提供的

Fortran子程序中计算产品的收率 RYield 圆整收率去维持质量平衡 RYield 能够模拟单项

两相和三相反应器

RYield 的流程连接

物料流入口至少一个物料流出口一个产品物流一个水倾析物流(可选的)

热流入口任意数的热流可选的出口一个热流可选的如果你在Setup Specifications页上只给了一个规定温度或压力 RYield 使用入口热

流的总和作为负荷规定否则 RYield 仅使用入口物流计算净热负荷净热负荷是入口热

流减实际计算的热负荷对净热负荷你能够使用出口热流

=

2*12*1

, capc

consumedAofMolesproducedPofMolesS AP

第 5 章反应器


规定 RYield

使用 Setup Specifications 和 Setup Yield 页去规定反应条件和组分收率对于每一个反

应产品按照一个组分的每单位质量进料的摩尔或质量规定收率如果你在Setup Yield 页

上规定惰性组分收率是以单位质量的非惰性进料为基础计算的计算的收率被圆整以维持整体的物料平衡由于这个原因收率规定建立了一个收率

分布而不是绝对收率 RYield 不维持原子平衡因为你输入了固定的收率分布状态你可以要求单相两相或三相平衡计算

当反应产生固体或固体改变时你能够在出口物流中使用Setup Component Attr.页和Setup PSD页分别规定它们的组分属性和/或粒子尺寸

对Ryield使用下列表输入规定并浏览结果


Setup 对出口物流规定操作条件组分收率内部组分闪蒸收敛参数

以及PSD和组分属性 UserSubroution 对用户提供的收率子程序规定子程序名和参数 BlockOptions 对该模块的物性模拟选项诊断信息级别和报告选项替换全局值 Results 对输出物流浏览操作结果汇总质量和能量平衡反应热产品选

择性反应程度和相平衡结果 Dynamic 对动态模拟规定参数

Requil--平衡反应器

使用 REquil 模拟一个反应器当 l 反应计量系数是已知的 l 某些或全部反应达到平衡 REquil 同时计算相平衡和化学平衡 REquil 允许有限个化学反应没有达到化学平衡

REquil 能够模拟单相和两相化学反应

REquil 的流程连接

物料流入口至少一个物料流出口一个气相物流

第 5 章反应器


一个液相物流

热流入口任意数的热流可选的出口一个热流可选的

如果你在REquil Input Specifications 页上只给一个规定温度或压力 REquil使用入

口热流的总和作为负荷规定净热负荷是入口热流减实际计算的热负荷对于净热负荷你能够使用一个出口热流

规定 REquil

你必须规定反应的化学计量系数和反应器的条件如果没有规定其它的规定 REquil 假设反应将达到平衡 REquil 由Gibbs 自由能计算平衡常数你能够通过下列之一限制平衡 l 任何反应的摩尔程度 l 化学平衡接近温度对任何反应

如果你规定接近温度∆T REquil 估计在T + ∆T时的化学平衡常数这里的 T 是反应

温度规定的或计算的 REquil 进行单相性质计算或在一个化学平衡回路内的两相闪蒸计算 REquil 不能进行

三相计算对Requil使用下列表输入规定和浏览结果


Input 规定反应器的操作条件有效相态反应收敛参数以及在气体物流

中的固体和液体夹带 Block Options

对该模块的物性模拟选项诊断信息级别和报告选项替换全局值

Results 对输出物流浏览操作结果汇总质量和能量平衡反应热产品选择性

反应程度和相平衡结果固体反应器能够包含常规的固体 REquil 把每个特定的固体处理为一个单独的纯固相不

作为在固体溶液中的一个组分任何参加反应的固体必须有一个生成自由能(DGSFRM)和生

成焓(DHSFRM) 或者热容参数(CPSXP1) 不参加反应的固体包括非常规的组分被处理为惰性成分除了影响能量平衡外这

些固体不影响化学平衡

Rgibbs--平衡反应器 Gibbs 自由能最小

RGibbs 使用均相的 Gibbs 自由能最小去计算平衡 RGibbs 不要求你规定反应的化学

计量系数使用 RGibbs 模拟如下反应器 l 单相气相或液相化学平衡 l 不带化学反应的相平衡(一个可选的气相和任意个液相) l 带固体溶液相的相和/或化学平衡 l 同时具有相平衡和化学平衡

第 5 章反应器


RGibbs 还能够在任意数量的常规固体组分和流体相之间计算化学平衡 RGibbs 也允

许对没有达到完全平衡的系统做限制平衡规定

RGibbs 的流程连接

物料流入口至少一个物料流出口至少一个物料流如果你规定的出口物流与 Rgibbs 计算的相的数量一样多 RGibbs 假设每一相为一

个出口物流如果你规定的出口物流少于计算相的数量 RGibbs 假设把多出的那相加到最

后的出口物流上

热流入口任意数量的热流 (可选的) 出口一个热流 (可选的)

如果你在 Setup Specifications 页上只规定压力 RGibbs 使用入口热流的总和作为热

负荷规定否则 RGibbs 仅使用入口热流计算净热负荷净热负荷是入口热负荷减去实际

计算的热负荷对净热负荷你能够使用一个出口物流

规定 RGibbs

本节描述了如何规定 l 只有相平衡 l 相平衡和化学平衡 l 受限制的化学平衡 l 反应 l 固体

对于RGibbs使用下列表去输入规定和浏览结果 :


Setup 规定反应器的操作条件和在相平衡计算中考虑的相指明可能的产

品设定出口物流的相态规定惰性组分并规定平衡限制 Advanced 规定组分的原子式估计温度和组分流率规定收敛参数

第 5 章反应器


BlockOptions 对该模块的物性模拟选项诊断信息级别和报告选项替换全局值 Results 对输出物流浏览操作结果汇总质量和能量平衡流体相和固相的摩

尔组成组分原子式和计算的反应平衡常数 Dynamic 对动态模拟规定参数

只有相平衡

规定使用该选项在…页上

只有相平衡计算 Phase Equilibrium Only(只有

相平衡) 在Setup Specifications 设置

规定页上 RGibbs 应该考虑的最

大流体相态数目 Maximum Number of Fluid Phases 流相的最大数目

在Setup Specifications页上

固体溶液相的最大数

目 Maximum Number of Solid Solution Phases 固体溶液相

的最大数目

来自Setup Specifications页上

的Solid Phases 固相对话

框 RGibbs 通过缺省分配所有的种类在所有的溶液相中你能够使用Setup Products 设置

产品页对每个溶液相分配不同的种类集你也能够对每个相分配不同的热力学性质方法如果一个固体溶液相有存在的可能性使用Setup Products页指明在那个相中将存在的物

质种类

相平衡和化学平衡

规定使用该选项在…页上

化学平衡计算带或不

带相平衡 Phase Equilibrium and Chemical Equilibrium

在Setup Specifications 页上

RGibbs 应该考虑的最

大流体相态数目 Maximum Number of Fluid Phases

在Setup Specifications页上

固体溶液相的最大数

目 Maximum Number of Solid Solution Phases

来自Setup Specifications 页上的 Solid Phases 对话框

采用缺省 RGibbs 考虑在Components Specifications Selection 页上输入的所有组分作

为可能的流体相或固体产品你可以在Setup Products 上规定另一个产品的列表 RGibbs 采用缺省在所有的溶液相中分配所有溶液种类你能够使用Setup Products页对

每个溶液相分配不同的种类集你也能够对每个相分配不同的热力学性质方法 RGibbs 需要存在于进料和产品物流中的每个组分的分子式 RGibbs从数据库中提取这

些信息对于非库组分使用Properties Molec-Struct Formula 页去输入 l 原子(原子类型) l 存在的数量(每个类型的原子的数量)

另一种方法你可以在Advanced Atom Matrix页上输入原子矩阵原子矩阵规定了在每

个组分中的每个原子的数量如果你输入原子矩阵你必须为所有的组分和原子输入原子矩

阵包括数据库组分如果一个固体溶液相有存在的可能性使用Setup Products 页指明在那个相中将存在的

物质种类

有限制的化学平衡

第 5 章反应器


要想限制化学平衡

规定在…上

反应的 molar extent 摩尔程度在 Edit Reactions 对话框上 ( 来自 Setup RestrictedEquilibrium 页)

各个反应的平衡接近温度在 Edit Reactions 对话框上 ( 来自 Setup RestrictedEquilibrium 页)

整个系统的化学平衡接近温度在 Edit Reactions 对话框上 ( 来自 Setup RestrictedEquilibrium 页)

任意组分的出口量作为总摩尔流率或

作为那个组分进料的一个分率在Setup Inerts 页上*

*通过设置分率为1可以规定惰性组分

对于接近温度的规定 RGibbs 估计在T + ∆T时的化学平衡常数这里的 T 是反应温度

规定的或计算的而∆T是预期的接近温度对各个反应你能够输入下列限制平衡规定 l 反应的 molar extent 摩尔程度 l 一个单个反应的接近温度

使用 Setup Restricted Equilibrium 页提供反应的化学计量系数如果你提供了上述规定之一对于涉及系统中所有组分的一组线性独立反应也必须提

供化学计量关系反应你可以使 RGibbs只考虑一个特定的反应集可以通过对反应规定接近温度或摩尔程度

来限制反应平衡对于一个完整的线性独立的化学反应集你必须规定化学计量系数即使

只限制了一个反应线性独立反应的数目要求等于产品列表中的产品数量的总和包括固体见Setup Products页)减去系统中存在的原子的数量反应必须包含所有参加的组分如果一个组分满

足下列标准则该组分是参加的组分 l 它在产品清单中 l 它不是惰性组分一个组分如果构成它的整个原子在任何其它的产品组分中均不存

在则该组分是惰性组分 l 它没有被丢掉一个列在�Setup Products 页上的组分如果它包含了一个在原料

中不存在的原子它被丢掉

固体 RGibbs 能够在任何数量的常规固体组分和流体相之间计算化学平衡 RGibbs 检测在

平衡中是否存在固体如果存在计算含量除非把固体组分规定成一个固体溶液中的组分

否则 RGibbs 把每个固体组分处理为一个纯固体相 RGibbs 认为是产品的固相必须具有两

条 l 分子的生成自由能 (DGSFRM 或 CPSXP1) l 生成热 (DHSFRM or CPSXP1) 非常规的固体处理为惰性且不影响平衡计算如果不考虑化学平衡 RGibbs 将所有

的固体处理为惰性 RGibbs 不能进行只有固相的计算除非你在Setup Assign Streams 页上规定否则RGibbs 放置纯固体在最后出口物流中

第 5 章反应器


RGibbs 能够处理单个的 CISOLID 子物流该子物流包含了所有规定为纯固相的常规固体

产品 RGibbs 把固体溶液相放置在出口物流的MIXED 子物流中 RGibbs 不能直接处理固体和流体相之间的相平衡 (如冰-水平衡) 为了在这个附近能

运行你可以在 Components Specifications Selection 页上列出相同的组分两次给不同的

组分标识如果你希望 RGibbs 在这些组分之间计算化学平衡 l 在Setup Products 页上规定二者的标识 l 指定一个标识作为固相组分另一个作为流体相组分

参考文献

1 Gautam, R. and Seider, W.D., "Computation of Phase and Chemical Equilibrium," Parts I, II,

and III, AIChE J. 25, 6, November, 1979, pp. 991-1015. 2 White, C.W. and Seider, W.D., "Computation of Phase and Chemical Equilibrium: Approach to

Chemical Equilibrium," AIChE J., 27, 3, May, 1981, pp. 446-471. 3 Schott, G. L., "Computation of Restricted Equilibria by General Methods," J.Chem. Phys., 40,

1964.

RCSTR--连续搅拌釜式反应器

RCSTR 严格模拟连续搅拌釜式反应器 RCSTR 能够模拟单相两相或三相反应器

RCSTR 假设在反应器中完全混合即反应物和出口物流相同的性质和组成 RCSTR 处理动力学平衡以及包含固体的反应你可以通过内置的反应器模型或用户

规定的 Fortran 子程序提供反应动力学

RCSTR 的流程连接

物料流入口至少一个物料流出口一个物料流

热流

第 5 章反应器


入口任意数量的热流 (可选的) 出口一个热流 (可选的)

如果你在 Setup Specifications 页上只规定压力 RCSTR 使用入口热流的总和作为热负

荷规定否则 RCSTR 使用入口热流仅计算净热负荷净热负荷是入口热负荷减去实际

计算的热负荷对净热负荷你能够使用一个出口物流

规定 RCSTR

你必须规定反应器的操作条件这些操作条件是压力和温度或者压力和热负荷你还

必须输入反应器的体积或者停留时间总的或各相的对RCSTR使用下列表输入规定并浏览结果使用该表去做这些…

Setup 规定反应器的操作条件滞留量选择所包含的反应集并规定在出口

物流中的PSD和组分属性 Convergence 对组分流率反应温度和体积提供估值并且规定闪蒸收敛参数

RCSTR收敛方法和参数以及初始化参数 UserSubroution 对用户提供的动力学子程序和动力学子程序特定模块报告规定参

数 BlockOptions 对该模块的物性模拟选项诊断信息级别和报告选项替换全局值 Results 浏览模块的操作结果汇总质量和能量平衡 Dynamic 对动态模拟规定参数

反应你必须在 Reactions Reactions 表上规定反应动力学并在 Setup Reactions 页上选择 Reaction Set ID 反应集标识

你可以规定单相两相或三相计算在每个 Reactions Reactions 表上你可以为每个反

应规定相 RCSTR能够处理动力学和平衡类反应

相体积

在一个多相反应中采用缺省 ASPEN PLUS 用相平衡结果计算每相的体积即

V VV fV fPi R

i i

j j

=∑

式中 V Pi = 相 i 的体积 V R = 反应器体积 V i = 相 i 的摩尔体积 f i = 相 i 的摩尔分率

你能够通过在 Setup Specifications 页上直接规定相体积 Phase Volume 或作为反应器

体积的一个分率 Phase Volume Frac相体积分率)替换缺省的计算方法另一种方法是当你

规定反应器中的相停留时间时 ASPEN PLUS 迭代计算相体积

第 5 章反应器


停留时间在CSTR中 ASPEN PLUS用下式计算反应停留时间(总体和分相)

RTV

F f VR

i i

=∑*

RTV

F f ViPi

i i

=*

式中 RT = 总停留时间 RT i = 相 i 的停留时间 V R =反应器体积 F = 总摩尔流率出口 V i = 相 i 的摩尔体积 f i = 相 i 的摩尔分数 V Pi = 相 i 的体积

当根据相平衡计算结果使用缺省的相体积计算时所有相的相停留时间是相等的如

果你在Setup Specifications 页上规定了Phase Volume 或 Phase Volume Frac 在 Holdup Phase 中的规定的相停留时间是通过规定的相体积来计算而不是缺省的相体积来计算

固体 RCSTR 能够处理包含固体的反应 RCSTR 假设固体与流体具有相同的温度 RCSTR 不能进行只有固相的计算变量的比例 RCSTR 预定了四种变量类型组分流率物流焓组分属性和PSD 如果存在为

了尽快收敛 RCSTR将每个变量除以一个比例因子圆整这些变量在RCSTR 中有两种类型的比例是可用的基于组分比例和基于子物流比例基于组

分比例把每个变量与它原来的或估计的值做比较基于子物流比例把子物流中的每个变量与

它子物流流率做比较对于基于组分比例最小的比例值是通过在Advanced Parameters对话

框(来自 Convergence Parameters 页)中的Trace Scaling Factor来设置的你可以降低痕量比例

阈以增加痕量组分的预测精度基于组分比例一般比基于子物流比例提供了更高的精度尤其是对痕量组分使用基于

组分比例当 l 反应网络包含了痕量中间物 l 反应速度对痕量反应物是非常敏感的 (例如催化剂和引发剂在降解反应中参加反

应) 下表汇总了每种方法所使用的比例因子基于子物流比例方法

变量类型变量最初的比例因子

组分流率在出口物流中的组分摩尔流率估计的出口子物流摩尔流率

第 5 章反应器


比率物流焓出口物流的净焓流率入口物流的净热焓流率组分属性 (attr /kg)

组分的质量流率带属性和在出

口中的属性值缺省的属性比例因子

PSD 子物流产品的质量流率带PSD和在出口物流中PSD值

缺省的属性比例因子

注如果任何基于子物流比例因子等于零使用缺省的比例因子对组分流率比率缺省因子为1.0 对

物流焓缺省因子为1.0E5

基于组分比例方法

变量类

型变量初始的比例因子

组分流

率出口物流中的组分摩尔流率下述二者中较大者

-出口物流中估计的摩尔流率 -痕量产品的阈和估计的出口子物流的摩

尔流率物流焓出口物流的净焓流率入口物流的净焓流率组分属

性 (attr /kg)

带属性的组分质量流率和出口

物流中的属性值更大的 -估计的产品属性组分质量流率和在出口

物流中估计的属性值 -痕量产品的阈和估计的出口子物流的摩

尔流率 PSD 子物流质量流率和在出口物流

中PSD值更大的 -带PSD的估计的产品属性组分质量流率

和在出口物流中估计的PSD值 -痕量产品的阈和缺省的属性比例因子

Rplug--活塞流反应器

RPlug 是活塞流反应器的严格模型 RPlug 假设在径向完全混合而在轴向没有混合

RPlug 能够模拟单相两相和三相反应器你也能够使用RPlug 模拟带冷剂物流并流或逆

流的反应器 RPlug 处理动力学反应包括含有固体的反应当你使用Rplug模拟反应器时你必须知道

反应的动力学你可以通过内置的反应模型或用户规定的Fortran 子程序提供反应的动力学

第 5 章反应器


RPlug 的流程连接

物料流入口一个进料物流一个冷剂物流可选的出口一个物料产品物流一个冷剂物流可选的

热流入口没有进口热流出口作为反应器热负荷的一个热流 (可选的) 只有没有冷剂物流的反应器才使

用热出口物流

规定 RPlug

使用 Setup Configuration 页去规定反应器管的长度和直径如果反应器是由多个管子

组成的你可以规定管子的个数你可以在 Setup Pressure 页上规定经过反应器的压力降

对 RPlug 输入的其它要求与反应器的类型有关

当你使用这种类

型的反应器时且固相是且流体和固相的温度

是规定

规定温度的反应

器反应器的温度或温度分布

绝热反应器不存在不要求规定

第 5 章反应器


存在相同不要求规定存在不同 U 流体相-固体相带恒定冷剂温度

的反应器不存在冷却温度和U 冷却剂-工艺物

流存在相同冷却温度和U 冷却剂-工艺物

流不存在不同冷却剂温度

U 冷却剂-流体相 U 冷却剂-固体相和 U 流体相-固体相

带并流冷却剂的

反应器不存在 U 冷却剂-工艺物流

存在相同 U 冷却剂-工艺物流存在不同 U 冷却剂-流体相

U 冷却剂-固体相和 U 流体相-固体相

带逆流冷却剂的

反应器不存在冷却剂的出口温度或摩尔汽

化分率和U 冷却剂-工艺物

流存在相同冷却剂的出口温度或摩尔汽

化分率和U 冷却剂-工艺物

流存在不同冷却剂的出口温度或摩尔汽

化分率 U 冷却剂-流体相 U 冷却剂-固体相和 U 流体相-固体相

对于具有外部逆流冷却剂的反应器 RPlug 计算冷却剂的入口温度计算结果将替换

你规定的入口冷却剂的温度你能够使用一个设计规定操纵冷却剂的出口温度或汽化率以满

足规定的冷却剂入口温度对于带外部冷却剂物流的反应器你能够对工艺物流和冷却剂物流使用不同的物性方法

和选项 Block Options Properties 页对RPlug 使用下列表输入规定并浏览结果


Setup 规定反应器的操作条件和反应器的配置选择所包含的反应集并

规定压力降 Convergence 规定闪蒸收敛参数整合的计算选项和参数 Report 规定模块特定的报告选项 UserSubroution 为动力学热传递压力降和分布报告中所包括的用户变量列表

规定用户子程序参数 BlockOptions 对该模块物性方法模拟选项诊断信息级别和报告选项替换全

第 5 章反应器


局值 Results 浏览该模块的操作结果汇总和质量和能量平衡结果 Profiles 浏览沿反应器长度的工艺物流条件冷剂物流条件物性组分

和子物流属性以及用户变量的分布 Dynamic 对动态模拟规定参数

反应在Setup Reactions 页上你必须通过参考你选择的Reaction ID 反应标识规定反应动

力学你可以规定单相两相或三相计算在Reactions Reactions 表上规定反应的相态 Rplug只处理动力学类型的反应

固体反应器可以包含固体固体可以是 l 与流体相具有相同的温度 l 与流体相具有不同的温度 (只对除了规定温度反应器类型之外的反应器) 在后面这种情况下你必须在Setup Specifications 页上规定传热系数

Rbatch--间歇反应器

Rbatch是一个间歇或半间歇反应器的严格模型当你知道发生反应的动力学时使用 RBatch 你可以规定任意数量的连续进料物流可选择一个连续的放空在反应达到你规

定的停止判据之前反应一直运行间歇操作是非稳态过程 RBatch 使用存储罐和你规定的周期在间歇反应器的不连续

操作和其它模型使用的连续物流之间提供一个界面

RBatch 的流程的连接

物料流入口一个间歇进料物流 (必须的) 对半间歇反应器一个或更多的进料物流(可选的) 出口一个产品物流 (必须的) 对半间歇反应器一个放空物流(可选的l)

第 5 章反应器


热流入口没有入口热流出口一个热流(可选的)

规定 RBatch

使用 Setup Specifications 页规定反应器的条件使用 Setup Operations 页规定 l 一个或多个停止判据 l 或者一个进料时间或者批进料周期对Rbatch 要求输入的其它内容依据反应器的类型而不同

为了建立容器的压力分布在输Setup Specifications页上输入下列规定 l 常数压力 l 压力分布 l 反应器体积

使用 Setup Continuous Feeds 设置连续进料页为任意数量时间点的连续进料输入

质量流率因此你能够模拟延迟的进料和在进料的逐渐改变对规定负荷的反应器你能够规定一个固定的热负荷或者一个负荷分布对于具有固

定负荷的反应器如果你不规定热负荷 RBatch 假设是绝热操作对具有规定的冷却剂温度的反应器你必须规定 l 冷却剂温度 l 总传热系数 l 总传热面积

对恒定温度和规定温度的反应器 RBatch 用下列方法之一处理温度规定 l 通过假设完全控制 l 解释规定温度为PID控制的设定点对Rbatc使用下列表输入规定并浏览结果

使用该表去做这些… Setup 规定反应器的操作条件选择所包含的反应集规定操作停止判据

操作时间连续进料和控制器参数 Convergence 规定闪蒸整合压力计算的收敛参数 Report 对分布反应器放空口和放空口累加器性质分布规定模块特定

的报告选项 UserSubroution 规定用户动力学子程序参数用户传热子程序名字和参数以及分布

报告的用户变量 BlockOptions 替换模块物性方法模拟选项诊断信息级别和报告选项的全局值 Results 浏览该模块的操作结果汇总以及质量和能量平衡结果 Profiles 浏览反应器条件组分连续进料物流性质组分属性和用户变

量的时间分布

控制器

在以下条件之一存在时 RBatch 认为完全控制 l 反应器内的压力是收敛的 (即规定反应器的体积)

第 5 章反应器


l 没有连续进料的单项间歇反应器如果 RBatch 没有假定完全控制,它把规定的温度作为PID控制器的的设定点这种情况

发生当 l 使用两相反应器时 l RBatch 执行压力收敛计算即反应体积是规定的 l 在半间歇操作期间存在连续进料

使用Setup Controllers页规定控制器调节参数控制方程是

Q M KT T T K I T T dt KDd T T

dtcs

ts

s

= − + ∫ − +−

/

0

式中

Q = 反应热负荷(J/sec) M c = 反应器间歇进料(kg) K = 比例增益 (J/kg/K) T = 反应温度(K) TS = 温度设定点(K) I =积分时间(sec) D = 微分时间(sec) t = 时间(sec)

增益因子是每单位质量的增益

反应器

反应器在RBatch 可能存在或者不存在如果反应器存在你必须在Setup Reactions页上包括Reaction Set Ids 反应集标识你能够规定单项两项或者三项计算你在

Reactions forms 反应表上规定反应器的相态 RBatch 只能够处理动力学类型的反应

规定停止判据

一个反应器当达到你规定的停止判据之一之后便停止运行一个判断停止判据可以是下

列之一 l 反应时间 l 反应器组分 l 放空累加器或连续放空组分 l 组分的转化率 l 反应器或放空累加器中的物料量 l 放空流率 l 反应器的温度 l 反应器中的汽化分率 l 在Properties Prop-Sets Properties 页上规定的任何性质

由于停止判据变量从上或下接近它的停止点你能够规定是否应该停止反应如果你规

定了一个以上的判断条件只要一个条件达到 RBatch 便停止反应另外你必须为反应

规定一个停止时间如果反应到此时没有达到规定的停止判断条件 RBatch 停止反应

第 5 章反应器


周期

你可以规定反应器的周期或让 RBatch 计算通过规定的反应时间和排料清洗和填料

的停车时间来计算它如果你没有规定反应器的周期那么规定一个进料的周期 RBatch 使用这个时间去规定间歇装填因为在模块执行的开始反应器的时间不知道注如果反应器间歇进料物流是在循环回路中你必须规定反应的周期

质量平衡

因为RBatch 使用不同的周期计算时间平均流率在模块周围不会保持一个质量平衡

例如假设你规定了一个30分钟的进料时间但停车时间加计算的反应时间值等于45分所

计算的反应器的净质量流率由于因子45/30=1.5而低于这个实际的间歇进料应记住质量平衡是关于平均时间的入口和出口连续物流的 RBatch 对它自己的内部间

歇计算总是满足质量平衡如果没有连续的进料物流只有在周期规定时 Rbatch才接近质

量平衡这保证了对平均的间歇进料和产品物流使用相同的时间如果有连续的进料物流

且没有时间变化只有在规定周期且规定的值等于计算的反应时间时才接近质量平衡在其

它的所有情况下 RBatch 周围的质量平衡不存在尽管组分温度等等是正确的

间歇操作

RBatch 能够以间歇或半间歇模式操作反应模型通过你在流程上输入的物流来确定

一个半间歇反应器能够有一个放空产品物流一个或多个连续进料物流或者二者均具备

放空产品物流退出一个放空累加器它不退出反应器放空累加器是对于连续的但时间变

化蒸汽放空离开反应器每个连续的进料物流的组分和温度通过反应器维持不变除非你

对连续物流的流率规定了一个时间分布否则流率维持不变间歇操作是不稳定过程变量象温度组分和流率随时间而变化与稳态过程相反

RBatch 与稳态流程的接口必须使用时间平均物流四种类型的物流与Rbatch有关如下

间歇进料在反应器循环开始时物料传递给反应器间歇进料量等于间歇进料物流流

率乘以进料时间间歇进料的物料等于在一个反应器循环期间内存储罐中的累加间歇进料物

料量在下一个循环开始时停留罐的中的物料传递给反应器见图RBatch 反应器配置-无放空情况

为了计算间歇进料的量 Rbatch通过流程物流乘你输入的周期来描述间歇进料 Batch Feed Time 不是进料反应器所要求的进料时间它是一个只用于计算进料量的总周期当

Cycle Time 不知道时 Batch Feed Time 是必须的如果Batch Feed Time 不同于实际计算的周期 Rbatch流程入口和出口物流没有质量平

衡然而对于所计算的间歇进料所有内部的Rbatch计算和报告将是正确的连续进料在反应期间一个稳态流程物流连续地供给反应器经过反应器它的组分和

温度保持不变它的流率或者维持不变或者遵循一个规定的时间分布反应器产品在反应循环结束时物料留在反应器中反应器的产品物流的流率等于反

应器的总流率可以认为这个过程与传递反应器的产品到一个储罐是类似的这个储罐在下

一个反应周期内由抽出进入到下游的模块见图RBatch 反应器配置-无放空情况放空产品在反应器循环的末端的放空累加器中的产品在反应器循环期间随时间变

化的放空物流在放空累加器中累加图RBatch 反应器配置-放空情况放空产品物流流率

是在放空累加器中的总的质量除以反应器的周期

第 5 章反应器


第 6 章压力变送设备


第6章压力变送设备

本章介绍泵和压缩机以及计算通过管线和阀压力变化的单元操作模型这些模型是

模型说明用途适用对象

Pump (泵)

泵或水力学透

平机当需要或已知功率

时改变物流压力泵或水力学透平机

Compr (压缩机)

压缩机或透平

机当需要或已知功率

时改变物流压力多变压缩机多变正位移压

缩机等熵压缩机等熵透

平机 MCompr (多级压缩机)

多级压缩机或

透平机通过级间带冷却器的

各级改变物流压力

级间冷却器可以有液

相凝出物流

多级多变压缩机多变正位

移压缩机等熵压缩机等

熵透平机

Valve(阀) 阀的压降模拟通过阀的压降控制阀和压力变化 Pipe(管线) 单管段模拟通过一单管段的

压降恒定直径的管线可包括管

件 Pipeline (管线系统)

多段管线模拟通过一条管线或

环形空间具有多段不同直径或标高的

管线

当要求或已知有关能量信息如功率时需使用泵压缩机及多级压缩机模型

PUMP--泵/水力学透平

用 Pump 模型可来模拟泵或水力学透平该模型设计为处理单液相对于某些特殊情况用户也可以规定进行两相或三相计算以

确定物流的出口条件及计算用于泵方程的流体密度在上述模拟中结果的准确度取决于因

子的数量如存在的各相对量的大小流体的可压缩性及规定的效率等若干因素当需要或已知功率时用 Pump 泵/透平模型改变物流压力如果仅计算压力的改变

也可以用其它模型如 Heater 模型用 Pump 模型可来模拟泵或水力学透平等设备通过规定标量参数或规定相关的特性曲线用 Pump 模块可以计算泵或透平要使用特

性曲线需规定下述两者之一 l 有量纲曲线如压头对流率的曲线或功率对流率的曲线 l 无量纲曲线如压头系数对流通系数的曲线



泵流程连接

物料流入口至少一物料流出口一股物料流

一股水倾析物流可选的

功流入口任意股功流可选的出口一股用于净功负荷的功流可选的

如果你在Setup Specifications 规定设置页既没有定义功率也没有定义压力 Pump就会用入口功流的和作为功率的规定

否则 Pump只用入口功流计算净功负荷该净功负荷是入口功流的和减去实际计算

的功负荷用户可以用可选的出口功流作为净功负荷

泵的规定

用 Setup Specifications 规定设置页可以规定 Pump 模块

规定内容 Pump 计算内容

排放泄压需要的功或对外做的功压力增加对于泵或降低对于透平需要的功或对外做的功压力比出口压力比入口压力需要的功或对外做的功需要的功对于泵或对外做的功对于透平泄压压头曲线排放压压力比压力变化或压头系数需要的功或对外做的功功率曲线排出压力

在 Pump 模块中用户可以提供 Fortran 子程序来计算特性曲线关于这方面的详细信

息参见 ASPEN PLUS 用户模型用下面的表格可以输入 Pump 模块的规定并浏览计算结果



所用表输入内容

Setup 设置规定操作条件效率净正吸入压头参数比速参数有效的

相及闪蒸收敛参数 PerformanceCurves 参数曲线

规定特性曲线的参数并输入数据

UserSubroutines 用户增加子程序

规定特性曲线的用户子程序的名称和参数

BlockOptions 模块选项

替换该模块的物性模拟选项诊断信息标准及报告选项的全

局值 Results 结果浏览 Pump 计算结果汇总物料和能量平衡结果及特性曲线汇

总

可使用的 NPSH

泵的可获得的净正的吸入压头 Net Positive Suction Head (NPSH)可定义为

svvaporin HHPPNPSHA ++−=

其中

NPSIA = 可获得的净正吸入压头

inP = 入口压力

vaporP = 在入口条件下液体蒸汽压

vH = 动压头

= gu 22 u 是速率 g 是重力加速度

sH = 精确到泵的轴心线的水力学静压头

可获得的 NPSH必须比要求的 NPSH 大以避免气蚀要求的 NPSH是泵的设计的一

个参数要求的 NPSH

要求的净正吸入压头 NPSH 可以看作是泵的安全可信的操作所要求的吸入压力在

PerformanceCurves NPSHR NPSHR 特性曲线页上用特性曲线可以规定 NPSHR 或者在

Setup CalculationOptions 设置计算选项页通过规定吸入比速由下列经验公式计算得到

34

5.0

=

ssNNQNPSHR

其中 NPSHR = 要求的净正吸入压头 N = 泵的轴速度 rpm Q = 在吸入条件下体积流率

ssN = 吸入比速

Q和 NPSHR 的单位是



US Q 是 gal/min,NPSHR 是英尺米制 Q 是 cum/hr,NPSHR 是米

比速

比速和吸入比速是两个重要的参数可以用来确定在工作的条件下泵设计的适用性泵

的比速是这样定义的

75.0

5.0

HeadNQN s =

Head = 泵所提升的压头

SN = 比速

N = 泵的轴速度 rpm Q = 吸入条件下的体积流率

Q和 Head 的单位是

US 压头是英尺米制压头是米

通常低比速的泵被称做低能力泵高比速的泵被称做高能力泵对于透平比速是这

样定义的

25.1

5.0

HeadBHPNN s =

其中

sN = 比速

BHP = 提升的马力 Head = 通过透平的总动压头

吸入比速

吸入比速 ssN 是离心泵的指数它被用于定义泵的吸入特性它是这样定义的

75.0

5.0

NPSHRQNN ss =

其中 NPSHR = 泵要求的净正吸入压头或透平要求的正的排出压头

ssN = 吸入比速

N = 泵的轴速度 rpm Q = 在吸入条件下体积流率

Q和 NPSHR 的单位是

US Q 是 gal/min,NPSHR 是英尺米制 Q 是 cum/hr,NPSHR 是米

吸入比速是泵的性能的一个判据该性能是有关气蚀方面的对于通常的泵设计 US

单位制时 ssN 值在 6000 到 12000 范围内变化典型值是 8500



压头系数

压头系数是这样定义的

2ugHeadHeadc =

其中 Headc = 压头系数 Head = 通过泵所提升的压头 g = 重力加速度 u = 叶轮末端速度

流通系数

流通系数是排放喉管速度与叶轮末端速度之比它是这样定义的

uAQFlowc1

=

4211 dA ×Π=

其中 Flowc = 流通系数 Q = 体积流率

1A = 喉管横截面积

1d = 喉管直径 u = 叶轮末端速度

下面的公式将喉管直径和叶轮直径关联起来

Diamd

N s15500=

其中

SN = 最佳效率点的比速

Diam = 叶轮直径

也可以在 Setup CalculationOptions 设置计算选项也上定义比速 SN

Compr 压缩机/透平机

Compr 可用于模拟下列设备 l 多变离心压缩机 l 多变正位移压缩机 l 等熵压缩机 l 等熵透平机当要求或已知有关能量信息如功率时用 Compr 可以改变物流压力 Compr 可以处理单相以及两相和三相计算



通过规定相关的特性曲线用 Compr 模块可以核算单级压缩机或单叶轮压缩机 Compr允许用户规定下述两者之一 l 有量纲曲线如压头对流率的曲线或功率对流率的曲线 l 无量纲曲线如压头系数对流通系数的曲线 Compr 还可以计算压缩机的轴速度 Compr 不能处理透平的特性曲线

压缩机流程连接

物料流入口至少一股物料流出口一股物料流

一水倾析物流可选的

功流入口任意股功流可选的出口一股用于净功负荷的功流可选的

如果你在Compr Setup Specifications Compr规定设置页既没有定义功率也没有定义

压力 Compr就会用入口功流的和作为功率的规定否则 Compr只用入口功流计算净功负荷该净功负荷是入口功流的和减去实际计算

的功负荷用户可以用可选的出口功流作为净功负荷

压缩机的规定

规定内容 Compr 计算内容

排放压需要的功或对外做的功需要的功对于压缩机或功的减少对于透平排出压力压头曲线功率排出压力压力比压力变化

或压头系数需要的功或排出压力

泄压和压头曲线或功率或压头系数需要的功排出压力和轴速度需要的功和排放曲线压力比或压力变化排出压力和轴速度



在使用特性曲线时既可以规定效率的标量值也可以规定效率曲线在 Compr 模块中用户可以提供 Fortran 子程序来计算特性曲线关于这方面的详细信

息参见 ASPEN PLUS 用户模型依据不同的压缩机类型还有一些必需的规定在 Setup Specifications 页可以规定压缩

机类型模拟多变压缩机用 GPSA 或 ASME 方法都可以模拟等熵压缩机/透平可以用 GPSA

ASME 或 Mollier-based 方法 GPSA 方法可基于下列条件之一 l 吸入条件 l 吸入平均值和排放条件对于多变压缩机或等熵压缩机的计算 ASME 方法要比 GPSA 方法严格得多对于等

熵压缩机 Mollier 方法是最严格的方法用下面的表格可以输入 Compr 模块的规定并浏览计算结果


Setup 标识压缩机的规定计算条件收敛参数及有效相 Performance Curves

定义特性曲线的参数并输入数据

User Subroutines

定义特性曲线的用户子程序名称和参数

BlockOptions 替换物性模拟选项诊断信息标准及该模块的报告选项的全局值 Results 浏览 Pump 计算结果汇总物料和能量平衡结果及特性曲线汇总 Dynamic 定义动力学模拟的参数

多变效率

多变效率 pη 用于计算多变压缩比的方程中

pkk

nn η

−=− 11

基本压缩机关联方法是

−

−η

=∆

−

1PP

n1n

VPh

n1n

in

out

p

inin

其中 n = 多变系数 k = 热容比 vp CC

pη = 多变效率

h∆ = 每摩尔的焓的变化 P = 压力 V = 摩尔体积

等熵效率

有两个公式计算等熵效率 sη



对于压缩机

inout

insout

s hhhh

−−

=η

对于膨胀机

insout

inouts hh

hh−−

=η

其中

h =摩尔焓

south =假定等熵压缩机或膨胀机达到了规定的出口压力膨胀率时出口摩尔焓

机械效率

机械效率 mη 用于计算制动马力

hFIHP ∆=

mIHPBHP η= /

其中 IHP = 指示的马力 F = 摩尔流率

h∆ = 每摩尔的焓变化 BHP = 制动马力

mη = 机械效率

Mcompr 多级压缩机/透平

Mcompr 模型可用于模拟下列设备 l 多级多变压缩机 l 多级多变正位移压缩机 l 多级等熵压缩机 l 多级等熵透平对于多变压缩机该模型设计为处理单一的可压缩相态对于某些特殊情况用户也可

以规定进行两相或三相计算这些计算确定物流的出口条件及计算用于压缩机方程的性质

在上述模拟中结果的准确度主要取决于存在的相的相对数量和规定的效率严格的多变压

缩机用由用户规定的物性方法计算真实的流体物性假定流体不具有理想气体行为 Mcompr 用来处理单相等熵压缩机和透平 Mcompr 也可以处理两相及三相混合物用 Mcompr 可以计算多级压缩机需规定下述两者之一 l 级与级间的量纲特性曲线如压头对流率的曲线或功率对流率的曲线 l 轮间的无量纲特性曲线如压头系数对流通系数的曲线 Mcompr 还可以计算轴速度 Mcompr 不能处理透平的特性曲线



多级压缩机流程连接

物料流

入口对压缩机的第一级至少一股物料流对压缩机的第一级后面的各级可以有一个或多个物料流可选的这些物料

流在规定的级之前进入级间冷却器出口离开压缩机最后一级的一股物料流

每个冷却器液相的一个可选的凝出物流或是所有的冷却器中液相的一个可选

的总的凝出物流对压缩机的某一级如果你使用了液相凝出出口物流就必需将它们用于压缩机的所

有各级最后一级不能有液相凝出物流或水倾析物流

热流入口每个冷却器可进入任意股热流可选的出口用于每个冷却器净热负荷的一可选的热物流或用于所有冷却器净热负荷的一

总的热量出口物流如果用户没有在 Setup Cooler 页上定义冷却条件 Mcompr 会将所有的热物流加在一起

并将总和作为冷却器的负荷规定净热负荷等于入口热流减去实际计算得到的热负荷如果使用了某一级的热出物流就必需将其用于所有各级冷却器

功流入口压缩机的每一级可进入任意股功流可选的出口用于净功负荷的一可选的功流或用于压缩机所有各级的净功的一总的功流

Mcompr 会将所有的入口功流加在一起并作为功率设置如果用户没有在 Setup Specs页上定义功率或压力 Mcompr 用该入口功流总和作为该压缩机段的功率规定

出口功流等于入口功流减去实际计算得到的功率如果将一出口功流用于压缩机的某一级就必需将其用于所有各级



多级压缩机的规定

规定内容 MCompr 计算内容

排放压力需要的功或对外做的功需要的功对于压缩机或对外做的功对于透平排出压力压头曲线功率泄压压力比压力变化或压头

系数需要的功或排出压力

排出压力和压头曲线或功率或压头系数需要的功和轴速度

在使用特性曲线时既可以规定效率的标量值也可以规定效率曲线在 MCompr 模块中用户可以提供 Fortran 子程序来计算特性曲线关于这方面的详细

信息参见 ASPEN PLUS 用户模型 Mcompr 模型在压缩机或膨胀机的各级之间有一个冷却器且在最后一级的后边有

一个后冷器在冷却器中可以进行一相两相或三相闪蒸计算除了压缩机最后一级后面

的冷却器外每个冷却器可以有一液相凝出物流模拟多变压缩机用 GPSA1 或 ASME2 方法都可以模拟等熵压缩机/透平可以用 GPSA

ASME 或 Mollier-based 方法 GPSA 方法可基于下列条件之一 l 吸入条件 l 吸入平均量和排出条件对于多变压缩机或等熵压缩机的计算 ASME 方法要比 GPSA 方法严格得多对于等

熵压缩机 Mollier 方法是最严格的方法用下面的表格可以输入 MCompr 模块的规定并浏览计算结果


Setup 标识多级压缩机的规定级的规定冷却器规定收敛参数及有效

相 Performance Curves

规定特性曲线的参数并输入数据

User Subroutines

规定特性曲线的用户子程序名称和参数

HCurves 规定加热或冷却曲线表或浏览表格结果 BlockOptions 替换物性模拟选项诊断信息标准及该模块的报告选项的全局值 Results 浏览操作结果物料和能量平衡结果压缩机和冷却器分布及性能

分布等的汇总 Dynamic 规定动力学模拟的参数

多变效率

多变效率 pη 用于计算多变压缩比的方程中

pkk

nn η

−=− 11

基本压缩机关联方法是



−

−η

=∆

−

1PP

n1n

VPh

n1n

in

out

p

inin

其中 n = 多变系数 k = 热容比 vp CC

pη = 多变效率

h∆ = 每摩尔的焓的变化 P = 压力 V = 摩尔体积

等熵效率

有两个公式计算等熵效率 sη

对于压缩机

inout

insout

s hhhh

−−

=η

对于膨胀机

insout

inouts hh

hh−−

=η

其中

h = 摩尔焓

south = 假定等熵压缩机或膨胀机达到了规定的出口压力膨胀率时的出口摩尔

焓

机械效率

机械效率 mη 用于计算制动马力

hFIHP ∆=

mIHPBHP η= /

其中 IHP = 指示马力 F = 摩尔流率

h∆ = 每摩尔的焓变化 BHP = 制动马力

mη = 机械效率

寄生压力损失

某一级吸入段的寄生压力损失由下式计算



2

2VKP ρ∆ =

其中 P∆ = 寄生压力损失

K = 动压头积数 ρ = 密度 V = 入口条件下过程气体的线速度

比速

比速是这样定义的

( )( ) 75.0

5.0

HeadVflInShSpdSpSpd =

其中 ShSpd = 轴速度

VflIn = 吸入体积流率 Head = 提升的压头

比直径

比直径是这样定义的

( )( ) 5.0

25.0

VflInHeadpDiamImSpDiam =

其中 pDiamIm = 压缩机叶轮直径

Head = 提升的压头

VflIn = 吸入条件下体积流率压头系数

压头系数是这样定义的

( )2pDiamImShSpdgHeadHc

π=

其中 Head = 提升的压头 g = 重力加速度 π = 3.1416 ShSpd = 轴速度

pDiamIm = 压缩机叶轮直径

流通系数

流通系数是这样定义的



( )3pDiamImShSpdVflIn

Fc =

其中 VflIn = 吸入条件下体积流率 ShSpd = 轴速度

pDamIm = 压缩机叶轮直径

参考文献

1. GPSA Engineering Data Book, 1979, Chapter 4, pp. 5-6 to 5-10 2. ASME Power Test Code 10, 1965, pp. 31-32

Valve--阀门压降

Valve 模拟控制阀和压力变送器 Valve 将通过阀的压降与阀的流通系数关联起来该模

型假定流动是绝热的并确定阀出口物流的热状态和相态 Valve 模型可以进行一相两相

或三相的计算

阀的流程连接

物料流

入口一股物料流

出口一股物料流

阀的规定

用 Input Operation 页可以选择计算类型如果你为计算类型选择了 Pressure changer 选项或 Design 选项则必需在同一页上定义

下述二者之一 l 出口压力 l 压降如果选择了 Pressure changer 选项则规定就完成了 Valve 模型会进行绝热闪蒸计算确

定出口物流的热状态及相态如果选择了 Rating 选项作为计算类型则必需在同一页上定义下述二者之一



l 在某操作阀位的流通系数 l 操作阀位 %开度如果规定了操作阀位则在 Input ValveParameters 输入阀参数页还必需定义下述三

者之一 l 最大阀门开度时的特性方程类型和流通系数 l 在 Valve Parameters Table 阀门参数表定义流通系数 Cv 对阀门开度的数据 l 根据阀门类型制造厂家系列/类型和尺寸从内置库中定义一个阀在 Input CalculationOptions 输入计算选项页可以规定该阀的 l 节流选项 l 计算气蚀指数如果物流中有气相则必须定义阀的压降比例因子 Xt 对于有液相的物流如果规

定了 Valve 节流就必须规定该阀的压力补偿因子 FI 在 Input ValveParameters 输入阀

参数页可以用下列方法之一规定阀的压降比例因子和压力补偿因子规定

阀所处操作阀位的值压降比例因子压力补偿因子在 Valve Parameters Table 阀门参数表中输入压降比例因子 Xt 和压力补偿因子

FI 对阀门开度 %开度的关系数据根据阀门类型制造厂家系列/类型和尺寸从内置库中定义一个阀

如果要考虑流体通过管件时压头的损失对流通能力的影响就必须在 Input PipeFittings

管件输入页规定阀门的直径和管件 Valve 用该阀和管线直径以及估算的管线几何因数

来考虑流动能力的降低的影响表表的功能

Input 规定阀门操作状态闪蒸收敛参数有效相阀门参数管件尺寸及阀门

收敛参数 Block Options

替换物性模拟选项诊断信息标准及该模块的报告选项的全局值

Results 浏览操作结果物料平衡及能量平衡汇总

压降比例因子

压降比例因子 Xt 计算当流体通过阀门时阀门的内部几何尺寸对流体密度的影响压降比例因子是压降比的限定值在节流状态下可有下式计算

=

in

ch

k PdP

FXt

1 1

其中

chdP = 气体节流压降

kF = 规定的热流比例因子

inP = 入口压力

可以用下列两种方法之一在 Input ValveParameters 页上规定压降比例因子 l 选择一个 Library Valve 内置于库中的阀 l 在 Valve Parameters Table 中输入 Xt 的数据和阀门开度 % l 在 Valve Factors 中规定阀在某一操作位置时的值



如果已知气体设计系数 gC 与液体设计系数 vC 之比如 Fisher Controls Company

Control Valve Handbook 所定义的那样就可以用下列两式之一计算压降比例因子假定

kF =1

l 用方程 1 根据厂家提供的

in

ch

PdP

对v

g

C

C数据进行计算

l 用方程式 241031.6

×=−

v

g

kt C

CF

X

该方程式根据下面两个公式相等关联出来的

通用气体设计方程 ingch rPCW 06.1=

ISA 标准阀设计方程 intkvch rPXFYCNW 6=

其中

chW = 质量流率节流

r = 入口物流的质量密度 Y = 膨胀因子对于节流 =0.667

6N = 数值常数(US 单位表示时,=63.3)

如果从内置库中选择一个阀来定义了压降比例系数或在 Input ValveParameters 页的

Valve Parameters Table 表中输入了数据 Valve 模型就用立方仿样函数在阀的操作位置内推

其压降比例系数 Valve 只有下列两种情况都满足时 Valve 模型才能用压降比例系数 l 入口物流中有气相存在 l 在 Input Operation 页上的 Calculation Type 中选择了 Design 或 Rating option 选项

压力补偿因子

压力补偿因子 lF 计算当流体在节流状态下阀门的内部几何尺寸对液体流动能力的

影响压力补偿因子是这样定义的

21

−

=vcin

chl PP

dPF

其中

chdP = 节流液体压降

inP = 入口压力

vcP = 阀中最小截面处压力



vcP 如下定义

vfvc PFP =

其中

vP = 入口液体物流的蒸汽压

fF = 液体临界压力比例因子

用 Input ValveParameters 页通过下列三种方法之一来定义压力补偿因子 l 选择一个 Library Valve 库中的阀 l 在 Valve Parameters Table 中输入 Xt 的数据和阀门开度 % l 于 Valve Factors 中规定阀在某一操作位置时的值

压力补偿因子等于阀的补偿系数 mK 如 Fisher Controls Company Control Valve

Handbook 所定义的那样可以用阀的补偿系数来计算压力补偿因子

ml KF =

如果从内置库中选择一个阀来定义了压力补偿因子或在 Input ValveParameters 页的

Valve Parameters Table 表中填好了数据表 Valve 模型就用立方仿样函数在阀的操作位置内

推其压力补偿因子 Valve 只有下列几种情况都满足时 Valve 模型才能用压降比例系数 l 入口物流中有气相存在 l 在 Input CalculationOptions 页选择了 Choked Flow 复选框或 Set Equal to Choked

Outlet Pressure 选项 l 在 Input Operation 页上的 Calculation Type 中选择了 Design 或 Rating option 选项

阀门流通系数

阀门流通系数 C v 用来度量阀的流通能力阀门流通系数是这样定义的水 60°F流过阀门能产生 1 psi 压降的流率该流率的单位是 US gallons/ minute

阀门流通系数将流体通过阀门的压降与流率用下式关联起来(Instrument Society of America, 1985)1

液体 ( )outinvp PPrCFNW −= 6

气体/蒸汽 ( )outinp PPrYFNW −= 6

与 intk

outin

PXFPP

Y3

1−

−=

其中 W = 质量流率

6N = 常数基于测量单位

pF = 管线几何因数

vC = 阀门流通系数

Y = 膨胀系数



inP = 入口压力

outP = 出口压力

r = 入口物流的质量密度


tX = 压降比例因子

可以用下列几种方法之一来规定阀门流通系数 l 在 Input Operation 页用 Flow Coef 来规定在某一操作位置的阀 l 用 Input ValveParameters 页选择一个 Library Valve 库中内置阀门 l 在 Input ValveParameters 页的 Valve Parameters Table 中输入 Cv 和阀门开度 % 值 l 用 Input ValveParameters 页规定 Valve Characteristics 阀门特性如果从内置库中选择一个阀来定义了流通系数或在 Valve Parameters Table 表中输入了

数据 Valve 模型就用立方仿样函数在阀的操作位置内推其流通系数

特性方程类型

阀的特性方程将流通系数与阀门开度关联起来可以在 Input ValveParameters 页上规定

特性方程类型有六个内置的特性方程类型它们是

特性方程类型方程*

线性 PV = 抛物线 201.0 PV = 平方根 PV 0.10= 快开方程

23109.90.1

0.10

P

PV−×+

=

等百分率

48

2

100.10.2

01.0

P

PV××−

=−

双曲线 25109.90.1

1.0

P

PV

−×−=

* 这里:

P =阀门开度占最大阀门开度的百分数

V =流通系数占最大阀门开度时流通系数的百分数管线几何因数

管线的几何因数是这样定义的:

v

vpp C

CF =

其中:

vpC =带有连接管件的阀门流通系数

vC =安装在相同尺寸直管的阀门流通系数

管线几何因数计算流体经过管件的压头损失对阀门流动能力的减少如果阀和管件尺寸

相同的话该因数的缺省值是 1.0



ASPEN PLUS 用下式计算管线的几何因数(Instrument Society of America, 1985)1 5.0

42

2

1−

+= ∑

dN

KCF v

p

及 2121 BB KKKKK −++=∑

其中 4

22

4

11

2

22

2

2

2

21

2

1 1,1,10.1,15.0

−=

−=

−=

−=

DdK

DdK

DdK

DdK BB

且

pF = 管线几何因数

vC = 阀门流通系数

2N = 数字常数基于测量单位

d = 阀门直径

21 , KK = 入口和出口管件的阻力系数

21 , BB KK = 入口和出口管件的柏努力系数

1D = 入口管线直径

2D = 出口管线直径

如果阀和管件的直径不相同且想要考虑附加压头损失对阀流动能力的影响就必须在

Input PipeFittings 页上规定阀门和管线的直径

节流

ASPEN PLUS 用下式(Instrument Society of America, 1985)1 计算在节流条件下的限定压

降

液相 ( )vfinLlc PFPFdP −= 2

气相 intkvc PXFdP =

与

5.0

28.096.0

−=

c

vf P

PF

其中

LF = 压力补偿因子

fF = 液体临界压力比例因子


TX = 压降比例因子

inP = 入口压力



vP = 入口处物流蒸汽压

cP = 入口处物流临界压力

lcdP = 限定压降液相

vcdP = 限定压降气相

对于多相的物流 Valve 模型采取节流所限定的压降 lcdP 和 vcdP 中的较小者当压降超

过该限定压降时通过阀的流动就阻塞了如果在 Input CalculationOptions 计算选项输入

页上选定了 Check for Choking 复选框则 Valve 模型就会显示阀的阻塞状况

气蚀指数

阀发生气蚀的可能性用气蚀指数来衡量 ASPEN PLUS 用下式(Instrument Society of America, 1985)1 计算气蚀指数

−−

=vin

outinc PP

PPK

其中

cK = 气蚀指数

inP = 入口压力

outP = 出口压力

vP = 入口处物流的蒸汽压

气蚀指数定义只对都是液相的物流有价值如果在 Input CalculationOptions 页上选定了

Calculae Cavitation Index 气蚀指数计算对话框则 Valve 模型就会计算气蚀指数

参考文献

1 Flow Equations for Sizing Control Valves, ISA-S75.01-1985, Instrument Society of America, 1985

Pipe--管线压降

Pipe 模型计算流体经过一单段管线的压降和传递的热量也可以用 Pipe 模拟由于管件

产生的压降 Pipe 模型能处理一个单一的入口和出口物流该模型假定流率是一维的稳态的且是

均匀的即不模拟入口的影响 Pipe 模型可以处理一相两相或三相的计算流动方向

可以是水平的或者是有斜角度的



模拟多段不同直径或倾斜度的管线要用 Pipeline 模型而不能用 Pipe 模型如果已知入口压力 Pipe 能计算出口压力如果已知出口压力 Pipe 会计算入口压力并

更新入口物流的状态变量用 Pipe 实现如下计算 l 计算入口或排放条件 l 计算一相两相或三相气体及液体流动的压降

管线流程连接

物料流

入口一股物料流


管线的规定

必须为 Pipe 做如下规定 l 在 Setup PipeParameters 管线参数设置页规定管线长度直径粗糙度及角度 l 在 Setup ThermalSpecification 热规定设置页规定管线所处热状态类型以确定 Pipe

是在温度分布下操作还是在计算的温度下操作 l 是假定 dP/dL 是常数进行积分计算还是在 Advanced Methods 高级方法页使

用闭合方程方法 l 当没有使用 Advanced Methods 页的闭合方程方法时规定摩擦和液体滞留量的关

联式 l 如果你想在 AdvancedCalculation Options 高级计算选项页上调用一个压力温

度表则需在 Advanced PropertyGrid 高级物性表格页填好流体性质计算所用的

温度和压力表 l 在 Advanced CalculationOptions 页上定义积分方向以处理关于流率的计算

如果选择的选项是 Pipe 所需参数积分方向

计算管线出口压力缺省入口压力向下游物流计算管线入口压力出口压力向上游物流

Pipe 用入口或出口物流的压力开始进行计算如果物流是从外部进入流程的或是在

Pipe 后面计算的一个模块的出口物流则用 Stream Specifications 页规定物流压力如果积

分方向是向上游物流还要在 Advanced CalculationOptions 页上输入出口压力来规定 Pipe



模型的压力初值该值将替换在 Stream Specifications 页上所输入的物流压力在 Advanced CalculationOptions 页上选择流率计算选项以确定 Pipe 是计算出口物流的流

率和组成还是计算入口物流的流率和组成

如果选择的选项是 Pipe 所需条件

参考入口物流入口流率和组成使用出口物流流率出口流率和组成

用下面的表格可以输入 Pipe 模块的规定并浏览计算结果


Setup 规定管线参数热状态规定管件比速参数有效相及要报告

的性质分布 Advanced 规定计算选项解决方法性质表格积分参数及 Beggs 和 Brill

系数 UserSubroutines 规定计算压降和/或滞留量用户子程序的名称和参数 BlockOptions 替换物性模拟选项诊断信息标准及该模块的报告选项的全局

值 Results 结果浏览 Pipe 计算结果汇总入口及出口物流结果物料和能量平衡

结果及分布

物流规定

只要选择了参考入口物流选项就必须给出 Pipe 模型入口物流的初值尽管模型将会

计算入口压力同样只要选择了使用出口物流流率这一选项就必须给出出口物流的初值

物流的初值必须以下列几种方式之一输入 l 在 Stream Specifications 页上输入 l 运行流程某部分的一个出口物流如果选择了to use outlet stream选项 l 用 Transfer block 传递模块从流程的另一部分传递过来

物性计算在 Advanced CalculationOptions 页选择了 do Flash at Each Integration Step 每次积分都

进行闪蒸选项就可以规定在每次计算物性时都进行严格的闪蒸计算如果在 Property Grid中选择了 Interpolate 选项模型就会通过在多个温度和压力下的物性数据表中进行内插计算

来确定物性如果使用了 Property Grid 则需定义下述二者之一 l 在 Advanced Property Grid 页上规定温度和压力范围 Pipe 将会计算在这些条件下

的物性并进行内插计算 l 为 Pipe 模块输入一模块标识为其在物性表格中选定内插选项此时该模块的计

算会在流程中当前模块之前进行

压降计算

Pipe 模型能计算一相两相或三相气体及液体物流的压降如果存在气液流动 Pipe还会计算液体滞留量和流动状态流动型式可以规定流动的流体温度分布或让 Pipe 通过

热传递计算确定其温度分布 Pipe 将多液相如油相和水相作为液单一均匀的液相来处

理进行压降计算及液体滞留量计算 Pipe 会自动检测单一组分流体如蒸汽的特殊情况

并进行适当的处理



下游物流积分和上游物流积分

对于下游物流积分和上游物流积分在 Advanced CalculationOptions 页上对压力和流率

选择的联合选项确定了将更新哪个物流的 Pipe 模型下面的表描述了可得到的联合选项

该表下面的图 Downstream and Upstream Integration 定义了入口和出口物流及压力变量

压力计算选项流率计算选项 Pipe 模型更新内容

计算管线出口压力参考入口物流只更新出口物流计算管线出口压力用出口物流流率出口物流热力学条件

入口物流组成和流率计算管线入口压力用出口物流流率只更新入口物流计算管线入口压力参考进料物流入口物流热力学条件

出口物流组成和流率

Design-Spe 设计规定收敛回路

当使用 Pipe 模型内部的设计规定收敛回路时要注意例如用户可以控制进入管线物

流的流率以达到需要的管线出口压力在设计规定收敛期间中间迭代过程可能会有流率变

量变得不合理的情况致使 Pipe 预测出一个负的压力值结果发生收敛困难下面的两条

途径可以让你避免这种情况

l 在 Design-Spe 中保持流率的上限足够低 l 从已知的出口压力处进行上游物流积分计算要达到这一目的需在 Advanced

CalculationOptions 页上选择计算管线入口压力的选项规定一个 Design-Spec 来控

制流率从而达到规定的入口压力

腐蚀速度

腐蚀速度是管线中的流体使得管线材料开始脱落的速度流体流动很快致使管线的材

料从管线壁上脱落下来通常流体的流率应低于这个值腐蚀速度与腐蚀速度系数通过下式关联起来

ρ=

cvc

其中

cv =腐蚀速度英尺/秒

c =腐蚀速度系数缺省值=100 ρ =密度磅/立方英尺



甲烷气系统主要由甲烷气体组成的甲烷气系统经常存在于在油井和输油管线的密相区域中在密相

区域中不存在可定义的气相和液相状态方程方法既可以将密相归类为气相也可以将它

归类为液相这样在预测流体传输性质时选择气相还是选择液相就可能有明显的差别经验表明在密相中的气体系统流体最好用气相物性方法模拟对于主要由甲烷组成的

系统管线所处条件在相封闭线之上需在 Setup FashOptions 上规定 Valid Phases=vapor-only

阀门及管件的模拟

Pipe 假定由于阀门和管件引起的压降是沿着所规定的管线长度均匀分布的 Pipe 按照所

定义的管线长度加上由于阀门管件和其它 L/D 的当量长度作为总的管线长度进行 Pipe的模拟计算

如果管线不是垂直的 Pipe 就调整其距水平线的角度以达到计算所用管线总长度的相

当高度这种调整能保证正确计算由于管线倾斜所引起的压降如果阀和管件的顺序和位置比较重要的话就必须用 Pipe 模型对每个阀门和管件分别

进行模拟此时定义管线的长度是零

两相关联方法

下表列出了有效的摩擦压降和液体滞留量关联方法

两相摩擦因子关联方法管线排列方向倾角摩擦系数关联方法

水平 -2 度到 +2 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Dukler (DUKLER) Lockhart-Martinelli (LOCK-MART) 用户子程序 (USER-SUBR)

垂直 +45 度到 +90 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Orkiszewski (ORK) Angel-Welchon-Ros (AWR) Hagedorn-Brown (H-BROWN) 用户子程序 *(USER-SUBR)

向下倾斜 -2 度到 -90 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Slack (SLACK) Darcy (DARCY) 用户子程序* (USER-SUBR)

倾斜 +2 度到 +45 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Dukler (DUKLER) Orkiszewski (ORKI) Angel-Welchon-Ros (AWR) Hagedorn-Brown (H-BROWN) Darcy (DARCY) 用户子程序* (USER-SUBR)

* 见 ASPEN PLUSN 用户模型



两相液体滞留量关联方法

管线排列方向倾角液体滞留量关联方法

水平 -2 度到 +2 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Eaton (EATO ) Lockhart-Martinelli (LOCK-MART) Hoogendorn (HOOG) Hughmark (HUGH) 用户子程序* (USER-SUBR)

垂直 +45 度到 +90 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Orkiszewski(ORKI) Angel-Welchon-Ros (AWR) Hagedorn-Brown (H-BROWN) 用户子程序* (USER-SUBR)

向下倾斜 -2 度到 -90 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Slack (SLACK) 用户子程序* (USER-SUBR)

倾斜 +2 度到 +45 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Flanigan (FLANIGAN) Orkiszewski (ORKI) Angel-Welchon-Ros (AWR) Hagedorn-Brown (H-BROWN) 用户子程序* (USER-SUBR)


注关于两相摩擦因子及液体滞留量关联方法的有关信息摘自"Two-Phase Flow in Pipes" by James P. Brill and H. Dale Beggs, Sixth Edition, Third Printing, January, 1991

Beggs and Brill 关联方法

Beggs 和 Brill 关联方法 1 考虑滑动和流动形式摩擦因子及液体滞留量关联方法基于

流动形式和管线的倾斜度该关联方法适用于所有的倾斜管线包括垂直向下流动

Dukler关联方法

Hughmark 液体滞留量方法应该与该压降方法一起使用 Dukler方法2于使用1英寸的管

线中空气水的混合物数据开发的它倾向于过高预测摩擦压降该关联方法由AGA和API参加出版的设计手册推荐

Hagedorn-Brown关联方法

Hagedorn-Brown 关联方法 3 认为在相之间有滑动但不考虑流动形式对于所有的流动

形式该方法用相同的关联方法计算其液体滞留量和摩擦因子这是一个古老的方法它对

传统的油井使用效果很好它适用于垂直向上的流动但不适合向下的流动通常推荐这种

方法用于天然气井该方法基于在 U.S Gulf Coast 油井使用 2-3/8 英寸和 2-7/8 英寸管所获得

的数据

Lockhart-Martinelli 关联方法 Lockhart-Martinelli 关联方法 4 是最古老的压降关联方法之一它不考虑由于加速引起的

压降该方法对气相和液相分别进行处理并用一校正因子来获得该两相压力梯度我们的

方法是假定湍流气相和液相流动



Orkiszewski 关联方法 Orkiszewski 关联方法 5 考虑滑动和流动状态摩擦因子和液体滞留量的关联方法都依流

动形式的不同而不同它适用于垂直向上的流动但不适合向下的流动通常该关联方法

计算油井比较可信对于水与液体之比或与总气体量与液体之比较高的的油井该方法会出

问题特别对于高流率和高压力的油井该方法预测的值明显偏低 Beggs and Brill/1984 3

Angel-Welchon-Ros 关联方法

Angel-Welchon-Ros 关联方法 6 7 是从气/液比率较低的水井开发出来的在计算液体滞

留量时该方法假设液相和气相之间无滑动

Slack 关联方法

Slack 关联方法假定流动状态时层流且只能用于向下的流动

Eaton 关联方法

Eaton 关联液体滞留量方法 8 从 2-和 4-英寸管线中的气水原油混合物数据及 17 英寸

管线中的天然气油混合物数据开发而来通常与 Dukler 摩擦压降关联方法一起使用

Flanigan关联方法

Flanigan 关联液体滞留量方法 9 从 16 英寸管线中的流动数据开发而来它计算液体滞

留量作为表观气体速度的函数该方法适用于倾斜流动

Beggs and Brill 关联方法参数

下表列出了 Beggs and Brill 液体滞留量关联参数流动形式名称描述

分离流动 BB1 BB2 BB3

前导系数 A 缺省值=0.98 液相体积分率指数, α ( 缺省值=0.4846) Froude 指数, β ( 缺省值=0.0868)

间歇流动 BB4 BB5 BB6


分散流动 BB7 BB8 BB9


另外可以改变 Beggs and Brill 两相摩擦因子的修正值 BB10 缺省值=1.0

闭合公式方法

闭合公式方法有

l Smith l Weymouth l AGA l Oliphant



l Panhandle A l Panhandle B l Hazen-Williams

Smith

Smith 方法 10 用于垂直干气流动凝液-气体比率小于 50bbls/mcf 水-气体比率小于 3.5 bbls/mcf 的天然气井且流率超过 Turner 预测的临界流率时应该考虑用该方法 Smith 不

能模拟负荷的天然气井如果确实发生了负荷情况 Smith 会过低地预测油井压降 Smith的结果必须多次检查 Turner 预测的临界流率以核实井是无负荷的 Smith 还不能模拟油井中

水蒸汽的冷凝

Weymouth

Weymouth 横向气体流动方程 11 于 1912 年第一次公布它基于直径从 0.8 英寸到 11.8英寸的管线内的流体流动数据对于直径小于 12 英寸的管线 Weymouth 的结果最精确

AGA

AGA方法 12 可被用于水平流动的气体

Oliphant Oliphant 方法 13 可被用于水平流动的气体压力在真空和 100PSI 之间

Panhandle A

Panhandle A方法 14 是 Panhandle Eastern 改进的用于计算在大直径的远距离传输线的

水平气体流动管线对于直径大于 12 英寸的管线其计算结果最好然而该方法不能计

算可压缩性气体 Z 因子且假定完全湍流

Panhandle B

Panhandle B 方法 14 是 Panhandle A方法的修订版本由 Panhandle Eastern 改进的用于

计算水平气体流动管线被叫做 Panhandle Eastern Revised Equation 它考虑了气体压缩

因子并有修正了指数该方程并不象 Panhandle A方程那样十分依靠蕾诺数尽管如此最

好还是用它计算直径大于英寸或更大直径的管线

Hazen-Williams

Hazen-Williams 方法 14 是为水平流动的水的管线而提出的使用这种方法时必须在

Connectivity Edit 对话框中的 Segment Efficiency 位置规定 Hazen-Williams 系数

参考文献

1 Beggs, H.D. and Brill, J.P., "A Study of Two-Phase Flow in Inclined Pipes,"Journal of Petroleum Technology, May 1973, pp. 607-617

2 Dukler, A.E., Wicks, M., and Cleveland, R.G, "Frictional Pressure Drop in Two-Phase Flow:

An Approach Through Similarity Analysis," AIChE Journal,Vol. 10, No. 1, January 1964, pp. 44-51

3 Beggs, H.D. and Brill, J.P., "Two-Phase Flow in Pipes," University of Tulsa Short Course



Notes, Third Printing, February 1984 4 Lockhart, R.W. and Martinelli, R.C., "Proposed Correlation of Data for Isothermal

Two-Phase, Two-Component Flow in Pipes," Chemical Engineering Progress, Vol. 45, 1949, pp. 39-48

5 Orkiszewski, J., "Predicting Two-Phase Pressure Drops in Vertical Pipe," Journal of Petroleum Technology, June 1967, pp. 829-838

6 Angel, R.R. and Welchon, J.K., "Low-Ratio Gas-Lift Correlation for Casing-Tubing Annuli and Large Diameter Tubing," API Drilling and Production Practice, 1964, pp. 100-114

7 Ros, N.C.J., "Simultaneous Flow of Gas and Liquid as Encountered in Well Tubing," Journal of Petroleum Technology, October 1961, pp. 1037-1049

8 Eaton, B.A. et al., "The Prediction of Flow Patterns, Liquid Holdup, and Pressure Losses

Occurring During Continuous Two-Phase Flow in Horizontal Pipelines," Trans. AIME, June 1967, pp. 815-828.

9 Flanigan, Orin, "Effect of Uphill Flow on Pressure Drop in Design of Two-Phase Gathering Systems," Oil and Gas Journal, March 10, 1958, pp. 132- 141

10 Smith, R. V., "Determining Friction Factors for Measuring Productivity of Gas Wells," AIME Petroleum Transactions, Volume 189, 1950, pp. 73-82

11 Weymouth, T.R., Transactions of the American Society of Mechanical Engineers, Vol. 34, 1912

12 "Steady Flow in Gas Pipes," American Gas Association, IGT Technical Report 10, Chicago, 1965

13 Oliphant, F.N., "Production of Natural Gas," Report of USGS, 1902 14 Engineering Data Book, Volume II, Gas Processors Suppliers Association, Tulsa, Oklahoma,

Revised Tenth Edition, 1994

Pipeline--管线压降

Pipeline 模型计算流体流过一直管或一环形空间的压降 Pipeline 可进行如下计算 l 用序贯模块模拟管网包括油井和输油线 l 在每个模块中包含任何数量的段以描述管子的几何尺寸 l 计算入口或排放条件 l 计算一相两相或三相气体及液体物流的压降在计算压降和液体滞留量时

Pipeline 将多液相如油相和水相作为液单一均匀的液相来处理如果存在气-液流动 Pipeline 就会计算液体滞留量和流动状态流动型式

可以规定流动的流体温度分布或让 Pipeline 通过热交换计算确定其温度分布该模型假

定流率是一维的稳态的且是均匀的即不模拟入口的影响流动方向是水平的也可

是有角度的要模拟直径和标高的单段管线也可以用 Pipel 模型



管线流程连接

物料流入口一股物料流


管线的规定

用 Setup Configuration 结构设置页的 Calculation Direction 计算方向选项可以规

定 Pipeline 是否计算出口压力或入口压力

如果 Calculation Direction= Pipeline 所需参数积分方向

计算出口压力缺省入口压力下游物流计算入口压力出口压力上游物流

Pipeline 用入口或出口物流的压力开始进行计算如果物流是从外部进入流程的或是

在 Pipeline 后面计算的一个模块的出口物流则用 Stream Specifications 页规定物流压力也

可以在 Setup Configuration 页上输入入口或出口的压力来规定 Pipeline 模型的初始压力该

压力值将取代物流的压力在 Setup Configuration 页上选择流率计算选项以确定 Pipeline 是计算出口物流的流率和

组成还是计算入口物流的流率和组成

如果 Pipeline flow basis= Pipeline 所需条件

参考进料物流缺省进口流率和组成参考出口物流流率出口流率和组成

用 Setup Configuration 页的 Thermal Options 热选项选项来定义是否通过 Pipeline 利

用能量平衡来计算节点温度当选择了 Specify Temperature Profile 温度分布规定选项

就可以定义每个节点的温度当选择了 Constant Temperature 恒定温度选项则每个节

点的温度都相等通过规定入口温度对于下游物流积分或出口温度对于上游物流积分

来定义该温度如果入口温度和出口温度都没有规定将使用参考物流的温度当选择了线

性温度分布选项时可以规定一个或多个节点的温度 Pipeline 模型将在规定的温度间进行

线性内插来计算每个管线段的流体温度



用下面的表格可以输入 Pipeline 模块的规定并浏览计算结果


Setup 定义管线系统结构管段连接和特性计算方法性质参数表比

速参数闪蒸收敛参数有效相及模块规定诊断信息标准 Convergence 替换积分参数的缺省值向下流动选项校正参数和 Beggs and Brill

系数可选输入 BlockOptions 替换物性模拟选项诊断信息标准及该模块的报告选项的全局值 UserSubroutines 规定压降和/或液体滞留量用户子程序的名称和参数 Results 结果浏览 Pipeline 计算结果汇总入口及出口物流结果物料和能量平

衡结果及分布

物流规定

只要为 Pipeline Flow Basis 选择了 Use Inlet Flow 选项就必须给出 Pipeline 模型入口物

流的初值尽管模型将会计算入口压力同样只要选择了 Reference Outlet Stream Flow 选项就必须给出出口物流的初值初始化的物流必须以下列几种物流之一 l 在物流表上的物流 l 来自先前运行流程某部分的一出口物流 l 用 Transfer block 传递模块从流程的另一部分传递过来的物流

节点和管段

用 Pipeline Setup Connectivity 管线连接设置页上的 New 按钮来创建至少一个管段在 Setup Connectivity Segment Data 管段数据设置对话框中输入每个管段的规定对

于每个管段输入入口和出口节点名称最多为 4 个字符需要的数据依在 Setup Configuration 页所选选项的不同而不同如果选择了 Do Energy Balance with Surroundings 选

项则必须规定传热系数 U 值和环境温度如果选择了 Linear Temperature Profile 线

型温度分布选项 Pipeline 就用规定的节点温度替换物流温度如果没有规定节点温度

Pipeline 就用物流温度如果选择了 Enter Node Coordinate 输入节点坐标就必须输入每个管段节点的节点坐

标 X Y 和倾角如果选择了 Enter Segment Length and Angle 输入管段长度和倾角

就必须输入每个管段的长度和角度物性计算在 Setup Configuration 页选择了 do Flash at Each Integration Step 每次积分都进行闪蒸

选项就可以规定在每次计算物性时都进行严格的闪蒸计算如果在 Property Grid 中选择了

Interpolate 选项 Pipeline 模型就会通过在多个温度和压力下的物性数据表中进行内插计算

来确定物性如果使用了 Property Grid 则需定义下述二者之一 l 在 Setup PropertyGrid 页上规定温度和压力范围 Pipeline 将会计算在这些条件下的

物性并进行内插计算 l 为 Pipeline 模块输入一模块标识并为此在 PropertyGrid 页选择 Interpolate 选项

此时该模块的计算会在流程中当前模块之前进行压降计算

Pipeline 模型能计算一相两相或三相气体及液体物流的压降如果存在气-液流动



Pipeline 还会计算液体滞留量和流动状态流动型式可以规定流动的流体温度分布或让

Pipeline 通过热传递计算确定其温度分布 Pipeline 将多液相如油相和水相作为液单一

均匀的液相来处理进行压降计算及液体滞留量计算 Pipe 会自动检测单一组分流体如蒸

汽的特殊工况并进行适当的处理

下游物流积分和上游物流积分

对于下游物流积分和上游物流积分在 Setup Configuration 页上对 Calculation Direction 计算方向和 Pipeline Flow Basis Pipeline 流率基准所做的联合选项确定了将修正哪个

物流的 Pipeline 模型下面的表描述了可得到的联合选项该表下面的图 Downstream and Upstream Integration 定义了入口和出口物流及压力变量

如果规定 Calculation Direction= Pipeline 流率基准 Pipeline 模型更新内容

计算出口压力参考入口物流流率只更新出口物流计算出口压力用出口物流流率出口物流热力学条件

入口物流组成和流率计算入口压力参考出口物流流率只更新入口物流计算入口压力用入口物流流率入口物流热力学条件

出口物流组成和流率

Design-Spe 设计规定收敛回路

当使用 Pipeline 模型内部的设计规定收敛回路时要注意例如假定用户通过改变进入

管线物流的流率以达到需要的管线出口压力在这种情况下流率变量可能会致使 Pipeline预测出一个负的压力值结果发生收敛困难下面的两条途径可以让你避免这种情况 l 在 Design-Spe 中保持流率的上限足够低 l 从已知的出口压力处进行上游物流积分计算要达到这一目的需在 Setup

Configuration 页上选择 Calculate Inlet Pressure 的选项 Design-Spec 就会控制流率

达到规定的入口压力

腐蚀速度

腐蚀速度是管线中的流体使得管线材料开始脱落的速度流体流动很快致使管线的材

料从管线壁上脱落下来通常流体的流率应低于这个值可以在 Setup Connectivity 连接设置页的 Segment Data 管段数据对话框中 C-Erosion

区域中规定腐蚀速度系数腐蚀速度与腐蚀速度系数通过下式关联起来

ρ= cvc

其中



cv =腐蚀速度英尺/秒

c =腐蚀速度系数缺省值=100 ρ =密度磅/立方英尺

甲烷气系统主要由甲烷气体组成的甲烷气系统经常存在于在油井和输油管线的密相区域中在密相

区域中不存在气相和液相界限状态方程方法既可以将密相归类为气相也可以将它归类

为液相这样在预测流体传输性质时选择气相还是选择液相就可能有明显的差别经验表明在密相中的气体系统流体最好用气相方法模拟对于主要由甲烷组成的系统

管线所处条件在相包线之上需在 Setup FashOptions 上规定 Valid Phases=vapor-only

两相关联

下表列出了有效的摩擦压降和液体滞留量关联方法

两相摩擦系数关联方法管线排列方向倾角摩擦系数关联方法

水平 -2 度到 +2 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Dukler (DUKLER) Lockhart-Martinelli (LOCK-MART) Darcy (DARCY) 用户子程序* (USER-SUBR)

垂直 +45 度到 +90 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Orkiszewski (ORKI) Angel-Welchon-Ros (AWR) Hagedorn-Brown (H-BROWN) Darcy (DARCY) 用户子程序 *(USER-SUBR)

向下倾斜 -2 度到 -90 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Slack (SLACK) Darcy (DARCY) 用户子程序* (USER-SUBR)

倾斜 +2 度到 +45 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Dukler (DUKLER) Orkiszewski (ORKI) Angel-Welchon-Ros (AWR) Hagedorn-Brown (H-BROWN) Darcy (DARCY) 用户子程序* (USER-SUBR)


两相液体滞留量关联方法管线排列方向倾角液体滞留量关联方法

水平 -2 度到 +2 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Eaton (EATO ) Lockhart-Martinelli (LOCK-MART) Hoogendorn (HOOG) Hughmark (HUGH)



用户子程序* (USER-SUBR) 垂直 +45 度到 +90 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL)

Orkiszewski(ORKI) Angel-Welchon-Ros (AWR) Hagedorn-Brown (H-BROWN) 用户子程序* (USER-SUBR)

向下倾斜 -2 度到 -90 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Slack (SLACK) 用户子程序* (USER-SUBR) 用户子程序* (USER-SUBR)

倾斜 +2 度到 +45 度 Beggs and Brill (BEGGS-BRILL) Flanigan (FLANIGAN) Orkiszewski (ORKI) Angel-Welchon-Ros (AWR) Hagedorn-Brown (H-BROWN) 用户子程序* (USER-SUBR)


注关于两相摩擦因子及液体滞留量关联方法的有关信息摘自"Two-Phase Flow in Pipes" by James P. Brill and H. Dale Beggs, Sixth Edition, Third Printing, January, 1991

Beggs and Brill 关联方法

Beggs 和 Brill 关联方法考虑滑动和流动摩擦系数及液体滞留量关联方法依流动状态

和管线的倾斜度不同而不同该关联方法适用于所有的倾斜管线包括垂直向下流动 1 Dukler关联方法

Hughmark 液体滞留量计算方法应该与其计算压降方法一起使用 Dukler方法2于使用1英寸的管线中空气水的混合物数据开发的它倾向于过高预测摩擦压降该关联方法由

AGA和API参加出版的设计手册推荐 Hagedorn-Brown关联方法3

Hagedorn-Brown 关联方法 3 认为在相之间有滑动但不考虑流动状态对于所有的流动

状态该方法用相同的关联方法计算其液体滞留量和摩擦因子这是一个古老的方法它对

传统的油井使用效果很好它适用于垂直向上的流动但不适合向下的流动通常推荐这种

方法用于天然气井该方法基于在 U.S Gulf Coast 油井使用 2-3/8 英寸和 2-7/8 英寸管所获得

的数据

Lockhart-Martinelli 关联方法 Lockhart-Martinelli 关联方法 4 是最古老的压降关联方法之一它认为压降不是由于加速

引起的该方法对气相和液相分别进行处理并用一校正因子来获得该两相压力梯度我们

的方法接受湍流气体和液相流动

Orkiszewski 关联方法

Orkiszewski 关联方法 5 考虑滑动和流动状态摩擦因子和液体滞留量的关联方法都依流

动状态的不同而不同它适用于垂直向上的流动但不适合向下的流动通常该关联方法

计算油井比较可信对于水与液体之比或总的气体量之比高的的油井该方法会出问题特

别对于高流率和高压力的油井该方法会过低地预测其值 Beggs and Brill/1984 3



Angel-Welchon-Ros 关联方法

Angel-Welchon-Ros 关联方法 6 7 是从气/液比率较低的水井开发出来的在计算液体滞

留量时该方法假设液相和气相之间有滑动

Slack 关联方法

Slack 关联方法假定流动状态时层流且只能用于向下的流动

Eaton 关联方法

Eaton 关联液体滞留量方法 8 从 2-和 4-英寸管线中的气水原油混合物数据及 17 英寸

管线中的天然气油混合物数据开发的通常与 Dukler 摩擦压降关联方法一起使用

Flanigan关联方法

Flanigan 关联液体滞留量方法 9 从 16 英寸管线中的流动数据开发的它计算液体滞留

量作为层流气体速度的函数该方法适用于倾斜流动

Beggs and Brill 关联方法参数

下表列出了 Beggs and Brill 液体滞留量关联参数流动状态名称描述

分离流动 BB1 BB2 BB3

前导系数 A 缺省值=0.98 液相体积指数, α ( 缺省值=0.4846) Froude 指数, β ( 缺省值=0.0868)

间歇流动 BB4 BB5 BB6


分散流动 BB7 BB8 BB9


另外可以改变 Beggs and Brill 两相摩擦因子的更新值 BB10 缺省值=1.0

闭合公式方法

闭合公式方法有

l Smith l Weymouth l AGA l Oliphant l Panhandle A l Panhandle B l Hazen-Williams

Smith



Smith 方法 10 用于垂直干气流动凝液气体比率小于 50bbls/mcf 水气体比率小于

3.5 bbls/mcf 的天然气井且流率超过 Turner 预测的临界流率时应该考虑用该方法 Smith不能模拟负荷的天然气井如果确实发生了负荷情况 Smith 预测油井压降会偏低 Smith的结果必须再次横向检查 Turner 预测的临界流率以核实井是无负荷的 Smith 还不能模拟油

井中水蒸汽的冷凝

Weymouth

Weymouth 横向气体流动方程 11 于 1912 年第一次公布它基于直径从 0.8 英寸到 11.8英寸的管线内的流体流动数据对于直径小于 12 英寸的管线 Weymouth 的结果最精确

AGA

AGA方法 12 可被用于水平流动的气体

Oliphant Oliphant 方法 13 可被用于水平流动的气体压力在真空和 100PSI 之间

Panhandle A

Panhandle A方法 14 是 Panhandle Eastern 改进的用于计算在大直径的国与国之间传输

线的水平气体流动管线对于直径大于 12 英寸的管线其计算结果最好然而该方法不

能计算可压缩性气体 Z 因子且假定完全湍流

Panhandle B

Panhandle B 方法 14 是 Panhandle A方法的修订版本由 Panhandle Eastern 改进的用于

计算水平气体流动管线液叫做 Panhandle Eastern Revised Equation 它计算气体压缩因

子并已更新了指数该方程并不象 Panhandle A方程那样十分依靠蕾诺数尽管如此最好

还是用它计算直径大于英寸或更大直径的管线

Hazen-Williams

Hazen-Williams 方法 14 是为水平流动的水的管线而提出的使用这种方法时必须在

Connectivity Edit 对话框中的 Segment Efficiency 位置规定 Hazen-Williams 系数

参考文献

1 Beggs, H.D. and Brill, J.P., "A Study of Two-Phase Flow in Inclined Pipes," Journal of Petroleum Technology, May 1973, pp. 607-617

2 Dukler, A.E., Wicks, M., and Cleveland, R.G, "Frictional Pressure Drop in Two-Phase Flow:

An Approach Through Similarity Analysis," AIChE Journal,Vol. 10, No. 1, January 1964, pp. 44-51

3 Beggs, H.D. and Brill, J.P., "Two-Phase Flow in Pipes," University of Tulsa Short Course Notes, Third Printing, February 1984

4 Lockhart, R.W. and Martinelli, R.C., "Proposed Correlation of Data for Isothermal

Two-Phase,Two-Component Flow in Pipes," Chemical Engineering Progress, Vol. 45, 1949, pp. 39-48

5 Orkiszewski, J., "Predicting Two-Phase Pressure Drops in Vertical Pipe," Journal of



PetroleumTechnology, June 1967, pp. 829-838 6 Angel, R.R. and Welchon, J.K., "Low-Ratio Gas-Lift Correlation for Casing-Tubing Annuli and

Large Diameter Tubing," API Drilling and Production Practice, 1964, pp. 100-114 7 Ros, N.C.J., "Simultaneous Flow of Gas and Liquid as Encountered in Well Tubing," Journal of

Petroleum Technology, October 1961, pp. 1037-1049 8 Eaton, B.A. et al., "The Prediction of Flow Patterns, Liquid Holdup, and Pressure Losses

Occurring During Continuous Two-Phase Flow in Horizontal Pipelines," Trans. AIME, June 1967, pp. 815-828.

9 Flanigan, Orin, "Effect of Uphill Flow on Pressure Drop in Design of Two-Phase Gathering Systems," Oil and Gas Journal, March 10, 1958, pp. 132- 141

10 Smith, R. V., "Determining Friction Factors for Measuring Productivity of Gas Wells," AIME Petroleum Transactions, Volume 189, 1950, pp. 73-82

11 Weymouth, T.R., Transactions of the American Society of Mechanical Engineers, Vol. 34, 1912

12 "Steady Flow in Gas Pipes," American Gas Association, IGT Technical Report 10, Chicago, 1965

13 Oliphant, F.N., "Production of Natural Gas," Report of USGS, 1902 14 Engineering Data Book, Volume II, Gas Processors Suppliers Association, Tulsa, Oklahoma,

Revised Tenth Edition, 1994

第 7 章控制器


第7章控制器

本章介绍物流控制器模型这些模型是

模块说明目的用途

Mult 物流倍增器乘一个因子以使组分和总流率

成倍增加通过因子按比例调节物

流 Dupl 物流复制器把入口物流复制成任意数目的

出口物流复制进料物流或内部物

流 Clchng 物流组变化器改变模块与流程间段之间的物

流组增加或删除流程段间的

空固体子物流

为达到你的要求可以使用控制器来修改物流变量它们并不表示真实的单元操作

Mult--物流倍增器

通过 Mult Input Specifications 物流倍增器输入规定页上所提供的因子 Mult 模型可

以把一股物流的组分流率和总流率增大几倍对于热流或功流 Mult 把热流或功流增大几

倍对于热流和功流可以分别从 Model Library(模型库)里选择 Heat(Q) 和 Work(W) Mult图标

在模拟过程中用其它条件确定物流流率时 Mult 是很有用的 Mult 不保持热或物料平

衡对于物料流出口物流与入口物流有相同的组成和物性

关于 Mult 的流程连接

物料流

入口一股物料流出口一股物料流

热流

入口一股热流出口一股热流

第 7 章控制器


功流

入口一股功流出口一股功流出口物流与入口物流必须类型一致类型为物流热流或功流

规定 Mult

在 Input Specifications 输入规定页上规定的物流控制因子对于 Mult 来说是唯一需

要输入的该因子对物料流来说必须是正的而对于热流或功流你可以规定正因子或负因

子以使热流或功流的方向可以变化用 Input Diagnostics 页来替换关于物流和模拟信息级别的全局值这些被替换的值是

在 Setup Specifications Diagnostics 页上规定的该模型没有动力学特性对于物流倍增器来说每股出口物流的压力等于入口物流的压

力每股出口物流的流率等于入口物流流率乘以在稳态模拟中规定的因子

Dupl--物流复制器

Dupl 把入口物流物料流热流或功流复制成任意数目的出口物流它对于同时处

理在不同类型的单元中的物流是很有用的对于热流和功流可以分别从 Model Library(模型库)里选择 Heat(Q) 和 Work(W) Mult 图标 Dup1 不保持热量和物料平衡

关于 Dupl 的流程连接

物料流

入口一股物料流出口至少一股物料流它是由入口物流复制的

第 7 章控制器


热流

入口一股热流出口至少一股热流它是由入口热流复制的

功流

入口一股功流出口至少一股功流它是由入口功流复制的

规定 Dupl

Dupl 不需要输入参数用 Input Diagnostics 页来替换关于物流和模拟信息级别的全局

值这些被替换的值是在 Setup Specifications Diagnostics 页上规定的该模型没有动力学特性对于物流复制器来说每股出口物流的压力等于入口物流的压

力每股出口物流的流率等于入口物流流率

ClChng--物流组变化器

ClChng 改变模块与流程间的物流组你可以使用 ClChng 来增加或删除流程段间的空固

体子物流 ClChng 并不代表真实的单元操作

关于 ClChng 的流程连接

物料流

入口一股进料物料流出口一股产品物料流

第 7 章控制器


规定 ClChng

ClChng 不需要输入它从入口物流复制子物流到出口物流相应的子物流

如果一股子物流是那么 ClChng

在出口而不在入口把子物流初始化为 0 在入口而不在出口对子物流不进行处理

如果未处理的子物流包括物流或热/功信息 ClChng 就不保持质量和能量平衡

第 8 章固体


第8章固体

本章说明进行固体处理的单元操作如结晶器固体粉碎机和分离器气-固分离器

液-固分离器和固体洗涤器这些模型是模型说明目的用途

Crystallizer 结晶器根据溶解度从溶液中产生

结晶混合悬浊液和混合产品

的分离 MSMPR 结晶

器 Crusher 固体粉碎机粉碎固体粒子降低粒径湿的和干的粉碎机主粉

碎机和副粉碎机 Screen 固体分离器根据粒径来分离固体粒子高的和低的

干和湿网式过滤器 FabFl 织布过滤器用袋室织布过滤器来把固

体从气体里分离出来核算和设计袋室织布过

滤器 Cyclone 旋风分离器在旋风分离器里通过旋流

把固体从气体里分离出来核算和设计旋风分离器

Vscrub 文丘里涤气器通过雾化液体直接接触来

把固体从气体中分离出来核算和设计文丘里涤气

器 ESP 静电除尘器用两盘间电荷来把固体从

气体中分离出来核算和设计干静电除尘

器 HyCyc 水力旋流器水力旋流器靠一股液流的

离心力来把固体从入口液

流中分离出来

核算或设计水力旋流器

CFuge 离心过滤器用旋转筐从液体中分离固

体核算或设计离心过滤器

Filter 旋转真空过滤

器用连续旋转真空过滤器从

液体中分离出固体核算或设计旋转真空过

滤器 Swash 单级固体洗涤

器用洗涤液体来模拟固体物

流夹带液体的溶解组分回

收

单级固体洗涤器

CCD 逆流倾析器用洗涤液体来模拟固体物

流带走液体的溶解组分多

级回收

多级固体洗涤器

本章包括如下几节

节模型

结晶器 Crystallizer 粉碎机和网式过滤器 Crusher Screen 气-固分离器 FabFl,Cyclone,VScrub,ESP 液-固分离器 HyCyc,CFuge,Filter 固体洗涤器 Swash,CCD

第 8 章固体


结晶器--混合悬浊液和混合产品的分离结晶器

结晶器用于模拟混合悬浊液和混合产品的分离 MSMPR 它能进行质量平衡和能量

平衡的计算你可以选择地决定晶体尺寸分布的选项结晶器假定留产品淤浆离开结晶器时处于平衡状态所以产品淤浆中的母液是饱和的结晶器的进料与再循环的淤浆混合在进入结晶器之前先流经一台换热器结晶器中的产品物流中包含液体和固体你可以让该物流流经一台水力旋流器过滤器

或其它的流体-固体分离器来把这两相分开结晶器还可以有一个出口气相物流

关于结晶器的流程连接

物料流

入口至少一股物料流出口一股液体和固体物料流一股可选的蒸汽物料流出口物流一般至少有一股关于晶体形成的固体子物流如果你在 PSD PSD 页上从

Growth Kinetics 或 User-Specified Values 选择 Calculate PSD 每个子物流必须有晶体尺寸分

布 PSD 的特性如果由电解质化学计算得到电解质盐在你从 PSD PSD 页上的 Inlet Stream 选择 Copy

时就不需要固体子物流了如果你不用蒸汽出口物流蒸汽产品将放在液/固产品物流中

热流

入口任意数目的可选入口热流

出口一股可选出口热流如果你只在 Setup Specifications 页上给出一个规定温度或压力结晶器就用入口热

流的总和作为负荷的规定否则结晶器用入口热流只计算净热负荷净热负荷等于入口热

流的总和减去实际的即计算的热负荷为了计算净热负荷你可以使用一可选出口热流

第 8 章固体


规定结晶器

结晶器依据你所提供的溶解度数据来计算晶体产品流率和/或蒸汽流率或者你可以规

定电解质系统的化学性质来替换溶解度数据的规定你必须规定以下五项中的两项 l 结晶器温度 l 压力或压降 l 换热器热负荷 l 晶体产品流率 l 蒸汽流率

如果你规定结晶器计算

温度和压力热负荷结晶产品流率蒸汽流率压力和热负荷温度结晶产品流率蒸汽流率温度和热负荷压力结晶产品流率蒸汽流率压力和晶体产品流率温度热负荷蒸汽流率温度和晶体产品流率压力热负荷蒸汽流率压力和蒸汽流率温度热负荷结晶产品流率温度和蒸汽流率压力热负荷结晶产品流率

用下述窗口输入结晶器的规定和浏览结果

使用该窗口做如下工作

Setup 规定操作参数晶体产品和溶解度参数再循环选项和闪蒸收敛参数 PSD 规定 PSD 和晶体成长计算参数 Advanced 规定组分分布收敛参数和用户溶解度子程序的名称和参数 Block Options 替换关于物性模拟选项特征信息级别和报告选项的全局值 Results 浏览 Crystallizer 结果物料和能量平衡结果和晶体尺寸分布结果的

汇总

再循环规定你可以模拟带有或不带淤浆再循环的结晶器为了激活再循环在 Setup Recirculation

页规定以下三项中的一项 l 再循环分率 l 再循环流率 l 通过换热器的温度变化如果你想模拟一个不同的结晶工艺流程你可以用不带再循环的 Crystallizer 模型并

在流程中用其它模块来模拟在循环

溶解度结晶器计算饱和态的晶体生成数量二级结晶你可以用如下这些方式之一提供溶解

度数据 l 在 Setup Solubility 页上输入溶解度数据

第 8 章固体


l 参考电解质化学性质在 Reactions Chemistry 表里定义的其中的结晶组分表示

为盐 l 给出一个子程序来提供饱和析出或直接计算晶体产品流率

饱和计算方法从下面这些选项中选择饱和计算方法 l 溶解度方法在 Setup Crystallization 页把结晶组分标识为固体产品在 Setup

Solubility 页上输入溶解度数据该数据适用与混合子物流里的反应物种类 l 化学方法在 Reactions Chemistry 目标管理器里建立一个新的 Chemistry 在

Reactions Stoichiometry 页上输入结晶作为盐的反应在结晶器的 BlockOptions Properties 页上输入 Chemistry ID 并选择 True Species for Simulation Approach 你

必须在 Setup Specifications 页上规定结晶组分为 Salt Component ID l 用户子程序方法在 Setup Crystallization 页上标识结晶组分并且在 Setup Solubility

页上标识溶解度数据基准和溶剂 ID 在 Advanced UserSubroutine 页上规定一个用

户子程序来计算饱和析出或结晶收率通常在使用 Solubility 方法时你应该使 BlockOptions Properties 页上的 Chemistry ID

区域为空如果你使用 Solubility 方法时规定了化学那么化学中不必包括结晶组分

过饱和度过饱和度是结晶过程的推动力过饱和度定义如下

S=C - CS

式中 S = 过饱和度 kg 溶质/m3 溶液 C = 溶质浓度 CS = 溶质饱和浓度由于结晶器模型假定产品淤浆达到相平衡该方程就不用了只给出作为参考

结晶成长速度晶体成长速度可以表示成过饱和度 S 的函数

G0 = kgSn

式中 G0 = 与过饱和度相关的成长速度 m/s kg = 成长速度系数 n = 指数

该表达式仅仅作为背景资料提供在 ASPEN PLUS 里 G0 是由集居密度的三次幂来计算的因成长速度是由尺寸决定的所以增长率是晶体长度 L 的函数

G = G0 1+γL α 且 0≤α≤ 1 式中

γ= 常数 α = 指数

如果成长速度不是由晶体尺寸决定的 γ和α的值都设为 0

晶体核化速率整个核化速率可以表示为特定贡献因子的和 Bennett,1984 ∗ :

第 8 章固体


B k G M Rbi

Tj k0 =

式中 B0 = 总核化速率 I,j,k = 指数 K b = 总核化速率表达式系数 M T = 淤浆密度 = P/q (kg/m3) G = 晶体成长率 R = 搅拌器转动速率转/s P = 晶体质量流率 kg/s q = 排出液中泥浆的体积流率

集居平衡如果进料物流不包含晶体那么对于一个充分混合的连续结晶器来说集居平衡可以表

示为 Randolph and Larson, 1988 ∗ :

d nGdL

qnV

( ) + = 0

式中 G = 晶体成长率 n = 集居密度 no./m3/m L = 晶体长度 m V = 结晶器体积 m3 q = 排出液中泥浆的体积流率(m3/s)

边界条件是在 L = 0 时 n = n 0 其中 n 0 = B0 / G 是核的集居密度对于一个恒定的晶

体成长率集居密度为

n L n LG( ) exp[ ]= −0

τ

式中τ = V q/ 是晶体保留时间

PSD 统计一旦你从 PSD PSD 页上 Growth Kinetics 选项选择 Calculate PSD ASPEN PLUS 就计算

晶体尺寸分布统计物性分布可以由如下矩方程计算粒子尺寸分布的第 j 矩定义为

m L n L dLj

j=∞

∫0( )

系统报告几个结晶尺寸分布统计数以体积或质量为基准度量包括 l 平均尺寸 l 标准偏差 l 偏斜度 l 变化系数表示为百分数

平均尺寸是重量平均晶体尺寸由第四矩与第三距之比决定式子如下

Lmm

_= 4

3

第 8 章固体


对称尺寸均匀分布的偏斜度为 0 偏斜度是负值表示分布偏向于小晶体的析出偏

斜度是正值表示晶体分布有大晶体过量

偏斜度定义为f X( −∑ 平均值

标准偏差

3

3

系统用变化系数来计算与累积体积或质量分布相关的变化

Coeff Varpd pd

pd− =

−(%)

(. ) (. )(. )

@ @

@10084 16

2 50

式中pd@(x)与累积体积或质量分布百分数 x 相对应的粒子直径可以在 PSD CrytalGrowth 页上输入百分数作为 Fractional Coefficient 否则缺省值为.16

PSD 计算淤浆密度定义为每单位淤浆体积上的晶体总质量可以由第三矩计算得到

M k L n L dLT c v=∞

∫ρ 3

0( )

式中

ρc = 晶体密度 kg/m3

kv = 晶体的体积成型因子

因为

n L nL

G( ) exp=

−

0

τ

nBG

00

0=

和 B k G M Rbi

Tj k0 =

将这些方程带入集居密度第三矩方程中得到

M k L kGG

M RL

GdLT c v b

i

Tj k=

−

∞

∫ρτ

300

exp

式中 G G L= +0 1( )γ α

因为 L 是粒子尺寸分布增量的不连续的值方程可求解 G 0

参考文献

1.Bennett,R.C.”Crystallization from Solution,”Perry’s Chemical Engineers’Handbook,6th Ed.,pp.19.24-19.40,McGraw-Hill,1984.

2.Randolph,A.D.and Larson,M.A.,Theory of Particulate Process,2nd Ed.,Academic Press,1988.

第 8 章固体


粉碎机—固体粉碎机

粉碎机用于模拟粉碎固体颗粒粉碎机可以模拟下列湿的或干的连续操作 l 旋回/颚式压碎机 l 单滚粉碎机 l 多滚粉碎机 l 笼状磨式压碎机

粉碎机假定进料是均匀的压碎过程所产生的碎屑与进料物流的组成相同粉碎机模型

计算所需功率和出口固体物流的粒子尺寸分布压碎机不计算压碎过程所产生的热

关于粉碎机的流程连接

物料流

入口带至少一股固体子物流的物流出口一股物流每股固体子物流必须有一个粒子尺寸分布 PSD 特性

功流

入口无入口功流出口一股包含计算出所需功率的功流可选

规定粉碎机

用 Input Specifications 和 Grindability 页来规定操作条件你必须在 Input Specifications页上输入粉碎机类型和最大粒子直径你还必须在 Grindability 页上规定每股固体子物流的

Bond 功指数或 Hardgrove 粉碎能力指数第 k 尺寸间隔时的粉碎产品出口流率为

[ ]P F S B S Fk ij i ik kj

kjij

( ) ( ) ( ) ( )β β β β= + −∑∑∑ 1

式中

第 8 章固体


Bik =破碎函数最初尺寸间隔 i 时占结束尺寸间隔为 j 的粒子的分率 Fij =尺寸间隔为 i 且粒子尺寸分布为 j 时的进料流率 Pk =尺寸间隔为 k 的固体流率

Si =选择性函数尺寸间隔为 i 的进料粒子粉碎成出口直径为β的分数

Sk =选择性函数尺寸间隔为 k 的进料粒子粉碎成出口直径为β的分数

β =粉碎机出口直径 Maximum Particle Diameter 区域

i =PSD 里尺寸间隔记数器 j =多级尺寸分布 PSD 记数器如果入口物流不含有液体则 Crusher 就假定干燥粉碎并把所需功率提高 34% 你可以在 Input BreakageFunction 页上输入关于破碎函数 Bik 的列表值在 Input

SelectionFunction 页上输入选择性函数 Si 的列表值或让 Crusher 用内置表 U.S.Bureau of Mines,1977 (见下面两个表)

选择性函数关系式 Bik β

进料尺寸/固体>1.7

进料尺寸 /

固体出口直

径< 1.7 产品与进料

尺寸之比多滚粉碎

机旋回 / 颚式粉碎机

单滚粉碎机笼状磨式粉

碎机所有粉碎机

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.8308 0.95 0.95 0.96 0.84 0.8972 0.5882 0.85 0.85 0.79 0.50 0.7035 0.4176 0.65 0.70 0.45 0.32 0.54 0.2065 0.35 0.35 0.20 0.15 0.2952 0.1041 0.22 0.20 0.10 0.052 0.1564 0.0522 0.14 0.19 0.05 0.019 0.0805 0.0368 0.11 0.17 0.03 0.011 0.0572 0.026 0.09 0.12 0.02 0.0066 0.0406 0.0131 0.03 0.08 0.0 0.002 0.0206 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0-

选择性函数关系式 Si β

进料尺寸与出口直径之比一段粉碎机二段粉碎机

0 95 0 5695 0 7693 0 9 0 3817 0 6962 0 8 0 1716 0 5695 0 7 0 0771 0 4667 0 6 0 0347 0 3817 0 5 0 0156 0 3128 0 4 0 007 0 256 0 3 0 00315 0 2096 0 2 0 00145 0 1716 0 1 0 0006 0 1405

第 8 章固体


0 05 0 00043 0 1271 0 01 0 00026 0 1153 0 001 0 00026 0 1148

如果进料尺寸与出口直径之比大于 1.0 那么 Si β =0.85

用下表输入关于 Crusher 的规定并浏览结果

用该表可以做如下工作

Input 输入粉碎机操作参数 Bond 功指数或 Hardgrove 粉碎能力指

数和用户规定选项与破碎函数 BlockOptions 替换关于物性模拟选项特征信息级别和报告选项的全局值 Results 浏览 Crusher 结果和物料与能量平衡汇总

一段和二段粉碎机粉碎通常在各段中进行压缩比是进料粒子与产品粒子最大直径之比粉碎机每段压缩

比范围从是 3 到 6 进料粒子进一段粉碎机一段粉碎机的出口粒子再由二段粉碎机来粉碎对于一段与二段粉碎机粉碎机使用不同的关系式用 Input Specifications 页上 Operating

Mode 区域来输入粉碎机类型为提高多段粉碎机的效率段间用滤网

所需功率下面的方程用来确定粉碎机所需的功率

( )POWER

X X BWI FLOWT

X XF P

F P

=− × ×

×

001.

式中 POWER =所需功率 W

XF =80%以上质量的进料粒子的直径 m XP =80%以上质量的产品粒子的直径 m

BWI = Bond 功指数 FLOWT = 总固体质量流率 kg/s

对于干燥粉碎所需功率增加 34% 如果 XP 小于 70 微米则所需功率由下式来调整

POWER POWERX

XP

P

=× +

−10 6 101145

6..

Bond 功指数 Bond 方程定义尺寸减小时的消耗功

E EX X

X XiF P

F P

=− 100

式中 E = 使单位重量的进料中 80%以上直径为 XF 微米减小到单位重量的产品中

第 8 章固体


80%以上直径为 XP 微米所需的功 Ei = Bond 功指数即使理论上单位重量的无限大的粒子减小到直径 100 微米所

需的功 Bond 功指数是关于物料处理过程特性的半实验参数 Bond 功指数已经在物料较宽范围

内用实验进行了测量并可从 Perry 化工设计手册获得用经验值给出警告 Bond 功指

数也是下列项的函数 l 不均匀物料的粒子尺寸 l 尺寸减小设备效率

Hardgrove 粉碎能力指数 Hardgrove 粉碎能力指数是指粉碎煤块的难度依据物性如硬度断口和张力

Hardgrove 粉碎有效指数近似表示为

BWIHGI

=435

0 91.

式中 BWI = Bond 功指数 HGI = Hardgrove 粉碎能力指数

关于 United States 美国煤的 HGI 可从 Perry 化工设计手册获得

参考文献

1 Computer Simulation of Coal Preparation Plants,U.S.Bureau of Mines, Grant No.GO-155030,Final Report August(1977).

2 Perry’s Chemical Engineers’Handbook,6thEd.,McGraw Hill,1984.

网式过滤器--固体分离器

网式过滤器模拟混合物中不同尺寸的固体颗粒的分离可使粒子尺寸通过过滤比最初混

合物尺寸更接近一致你可以用 Screen 来模拟湿或干的操作和高的或低水平过滤网式过滤器会从你规定的筛网开口尺寸来计算它的分离效率

关于网式过滤器的流程连接

物料流

入口至少带有一股固体子物流的物流

第 8 章固体


出口没有通过滤网的粒子物流上面流股通过滤网的粒子物流下面流股每个固体子物流必须有粒子尺寸分别特性

规定网式过滤器

用 Input Specifications 页来输入 l 滤网开口尺寸 l 操作水平高或低 l 操作模型湿或干燥 l 夹带

你也可以用 Input SelectionFunction 页来输入如下函数 l 选择性函数 Si 可选的 l 分离强度可选的用下表来输入 Screen 的规定和浏览结果

使用该表来做如下工作 Input 规定过滤器参数操作条件和用户规定过滤器分离强度与选择性函

数 BlockOptions 替换关于物性模拟选项特征信息级别和报告选项的全局值 Results 浏览 Screen 结果和物料与能量平衡汇总

高级和低级水平网式过滤器你可以规定操作水平如高或低最有效的结构是有串联 Screen 模块的多板过滤器入

口物流进到高水平的滤网上从高水平的滤网上出来的低物流进到低水平滤网上过滤器对

于高水平和低水平过滤器使用不同的关联式过滤器计算高物流流率

F S Fi ijji

0 = ∑∑

式中

Si = 选择性函数进料粒子在 i 尺寸范围内能通过滤网而成为顶部产品的粒子

所占比例 Fij = 在 i 尺寸范围且有粒子尺寸分布特性 j 进料流率

选择性函数和分离强度过滤器计算有一定尺寸间隔的选择性函数

( )[ ]SA d S

i

p

=−

1

1 0exp / for d SP ⟨ 0

Si = 1 for d SP ≥ 0

式中

dP = 粒子直径

第 8 章固体


S0 = 滤网开口尺寸

A = 分离强度过滤器分离强度的缺省值A是滤网开口尺寸的函数过滤器有四个内置函数 U.S.Bureau

of Mines,1977 *, 它是关于所有过滤器组合类型而言的 (参见表 Screen Separation Strength/Screen Size Correlation) l 高水平的干燥的 l 低水平的湿的 l 高水平的湿的 l 低水平的干燥的你可以在 Input SelectionFunction 页上输入自己的分离强度值分离强度关联式或选择

性函数关联式过滤器然后用这些选择性函数值来进行质量平衡计算

过滤器分离强度/过滤器尺寸关联式过滤器开口

尺寸 m 干燥高水平干燥低水平湿的高水平湿的低水平

0 457 60 60 60 60 0 152 20 20 20 20 0 038 8 8 9 9 0 0095 8 6 8 5 6 6 0 00635 5 4 5 5 4 5 0 00236 3 2 3 5 2 3 0 00059 0 7 0 7 0 8 0 8 0 00042 0 6 0 6 0 7 0 7 0 000295 0 5 0 5 0 55 0 55

分离效率计算过滤器的分离效率等于底部物流质量流率与包含小于滤网开口尺寸的粒子在内进

料流率分率的比值

参考文献

Computer Simulation of Coal Preparation Plants, U.S. Bureau of Mines, Grant No. GO-155030, Final Report August (1977).

FabFl--袋室织布过滤器

FabFl 是一个气-固分离模型用它来把含有固体的入口气体物流分离成固体物流和带有

残余固体的气体物流用 FabFl 来模拟和设计把固体粒子从入口气体物流中分离出来的袋室

单元一个袋室有很多个室每个室都包含有一个垂直安装的桶形的并联操作的织布过滤器

袋你可以用 FabFl 核算或设计袋室

第 8 章固体


关于 FabFl 的流程连接

物料流

入口至少有一股固体子物流的物流

出口一股上部清洁气体物流一股下部固体粒子物流每个固体子物流必须有粒子尺寸分布 PSD 特性依据分离效率固体可以在上部物

流里夹带

规定 FabFl

用 Input Specifications 页来规定操作条件和袋室特征

进行下面计算设置 Mode = 袋室数目为

核算 Simulation 规定的设计 Design 计算的

对于设计或核算计算

如果你输入 FabFl 计算

最大许可压降过滤时间过滤时间压降

用下表来输入 FabFl 的规定和浏览结果

用该表做如下工作

Input 输入操作条件袋室特征和分离效率 BlockOptions 替换关于物性模拟选项特征信息级别的全局值并报告

该模块选项 Results 浏览 FabFl 结果和物料与能量平衡汇总

操作范围 FabFl 使用经验模型因为不存在理论模型当操作条件超出实验数据的范围推测出

不可靠结果该数据是模型的基础你的数据应该在这些范围内 l 固体粒子直径从 10-7 到 10-4m(0.1 至 100 微米) l 气体通过织物的最大速度从 0.1 到 0.2m/s 20 至 40 ft/min

第 8 章固体


过滤时间在核算织布过滤器时 FabFl 计算过滤时间

tp PCKV

f i=−∆ ∆

02

式中

∆p f = 通过收集的粉尘和织物的最终压降

∆Pi = 清洁袋的压降

C = 粉尘浓度 K = 粉尘阻力系数 V0 = 从空气到织物速度之比气体通过织物速度

其中的 V0 为

( )VQ

N N A Ncell shake bag bag0 =

−

式中 Q = 气体的体积流率 Ncell = 室的个数 Nshake = 清洗室个数 Abag = 所有袋室的总过滤面积 Nbag = 每个室里袋的个数

阻力系数阻力系数 K 依据粒子尺寸和固体粒子性质计算对于一个工业级的袋室阻力系数也

随着时间和袋的位置的变化而变化如果特定的阻力系数不适用下面的值可以用来进行粗

算

粉尘粒子直径 10 –6 m 阻力系数[Pa(kg/m2)(m/s)]

小于 20 300 000 20 到 90 60 000 大于 90 15 000

这些系数由一个小的织布过滤器确定过滤器有一股气流以 2 立方英尺/分的流速通过

面积为 0.2 平方英尺的织物过滤气体速率为 10 英尺/分通过袋和粉尘的压降为 8 英寸

的水阻力系数平方的近似值为

KdP

=1000

2

式中

dP =以微米为单位的平均粒子尺寸

K 的单位是英寸水 / 英镑粉尘/平方英尺面积英尺/分的流速

第 8 章固体


分离效率袋室的总分离效率为

ηη

0 = =∑∑ S ij ij

ij

总固体入口流率

从入口里除去的固体流率


式中

S ij = 尺寸增量为 i 时固体 j 的流率

在 FabFl 里分离效率是固体粒子直径的函数对于大粒子直径大于 10 微米馏分

收集效率 ηi 为 1 .0 对于直径大于 10 微米的粒子效率快速下降

ηi 当

1.0 (d P) av >10 µm

0.0011(d P) av+0.989 1 µm <(d P) av < 10 µm

0.495(d P) av+0.495 (d P) av <1 µm

你也可以在 Input Efficiency 页上输入效率作为粒子尺寸的函数来替换内置关联式

参考文献

1. Air Pollution Engineering Manual, Public Health Service Publication No. 999-AP-40, pp. 106-135, Washington D.C., DHEW (1967).

2. Billings, C.E. and Wilder, J., Handbook of Fabric Filter Technology, Vol. I,NIIS PB 200648.

Cyclone --旋风分离器

Cyclone 把含有固体的入口气体物流分离成一股固体物流和带有残余固体的气体物流 Cyclone 用于模拟旋风分离器旋风分离器是靠一股气流的离心力来把固体颗粒从气流

中分离出去用 Cyclone 可以设计或核算旋风分离器在模拟模型中 Cyclone 用由用户规

定的旋风分离器直径来计算分离效率和压降在设计模型中计算几何结构来达到用户规定的分离效率和最大压降在这两个计算模

型中都确定了出口固体物流的粒子尺寸分布

第 8 章固体


关于 Cyclone 的流程连接

物料流

入口至少带有一股固体子物流的物流出口一股清洁气体物流一股固体物流每股固体子物流必须有固体尺寸分布 PSD 特性

规定 Cyclone

用 Input Specifications 页来规定旋风分离器的类型和操作条件用 Input Dimensions 页来输入旋风分离器尺寸或用 Input Rations 页来输入旋风分离器

尺寸比率

进行如下计算规定旋风分离器计算

核算 Simulation mode Cyclone Diameter Number of Cyclones

分离效率压降

设计 Design mode Separation Efficiency Maximum Pressure Drop(optional) Maximum Number of Cyclones(optional)

旋风分离器直径旋风分离器个数

对于核算计算如果你规定 Type=User-Specified 或 User-Specified Ratios,你就可以在

Input Dimensions 页或 Input Rations 页上规定旋风分离器尺寸对于设计计算你也必须输入并联的 Maximum Number of Cyclones 如果出现下面情形

Cyclone 就计算并联旋风分离器个数 l 单个旋风分离器效率小于要求分离效率 l 计算的压降超过规定最大压降用下表输入 Cyclone 的规定和浏览结果

用该表做如下工作

Input 输入旋风分离器规定尺寸尺寸比率分离效率和固体负荷 BlockOptions 替换关于物性模拟选项特征信息级别的全局值并报告该模块

第 8 章固体


选项 Results 浏览 Cyclone 结果和物料与能量平衡汇总

分离效率整个分离效率等于

ηm =从入口除去的固体流率


ηmiC C

CQ C E

Q CE

Q C=

−=

−= −0

0

0 0

0 0 0 0

1

式中 C 0 = 入口气体中固体浓度 C i = 出口清洁气体中固体浓度

Q 0 = 入口气体流率

E = 清洁气体中固体甩出的速率 Cyclone 在粒子直径从 5 到 10 微米或更大时可得到较高分离效率对于直径小于 5 微

米的粒子 Cyclone 效率下降而对于大的粒子要得到大于 95%的收集效率是很困难的如果你输入一个设计效率大于 95% 可以从如下两项中选择其一来用 l 多段旋风分离器 l 旋风分离器作为预清洁器后面是其它的收集器你可以在 Input Specifications 页上规定 Efficiency Correlation 区域如果 Efficiency

Correlation= User-Specified 你可以在 Input Efficiency 页上输入效率作为粒子尺寸的函数

操作范围旋风分离器用半经验模型的关联式当规定的条件超出实验数据范围时模型精度就不

理想因为模型是依据这些数据开发的通常压降应该低于 2500N/m2(10 英寸的水) 操

作压力不应超出大气压入口气体流速应该在 15 至 27m/s(50 至 90 ft/s)范围在入口流速接近 25 m/s 80 ft/s 时 Leith 和 Licht 效率关联式是很精确的在流速较

高时关联式把分离效率估计过高 Shepherd 和 Lapple 关联式对尺寸在 5 到 200 微米范围内的粒子很适用该关联式对大

粒子大于 200 微米的效率估计过高 Shepherd 和 Lapple 关联式对小粒子小于 5 微米

的效率又估计过低

压降旋风分离器计算压降 Shepherd 和 Lapple 1939 *用

∆P U Nf t h= 0 0030 2. ρ

式中

ρf = 流体密度

U t = 入口气体流速

N h = 入口速率

第 8 章固体


用 Input SolidsLoading 页输入固体载荷的校正值

入口速率 N h 等于

N KabDk

e

= 2

式中 K = 无量纲比 a = 旋风分离器入口高度 b = 旋风分离器入口宽度 De = 旋风分离器出口直径

无量纲比 K 等于

KV V

abDS nl

c

=+8 2( / )

式中 Vs = 出口管上方到入口管中心线的环形体积 Vnl = 通过实际长度 l 计算的旋风分离器的有效体积 Dc = 旋风分离器体直径

出口管上方到入口管中心线的环形体积 Vs 等于

Vs a D D

sc e=

− −π( / )( )24

2 2

旋风分离器直径旋风分离器计算直径 Dc等于

DQ b D

a D b Dcf

p f

c

c c

=−

×−

0 050212

2 2

0 454

.( )

( / )( / )( / ) .

.ρ

µ ρ ρ

式中 Q = 上部气体流率

ρf = 流体密度

µ = 气体流动粘度

ρp = 粒子密度

在该经验方程里单位为

单位类型单位

长度英尺质量英镑时间秒

尺寸比在 Mode=Simulation 和 Type=User-Specified 时用 Input Dimensions 页输入旋风分离器

第 8 章固体


尺寸如果你规定 Type=User-Specified Ratios,你可以用 Input Ratios 页输入旋风分离器尺寸

比尺寸/旋风分离器直径两个内置结构的量纲比和一些缺省值为尺寸比尺寸/旋风分离

器直径类型=高效率类型=适中效率

旋风分离器直径 1.0 1.0 入口高度 0.5 0.75 入口宽度 0.2 0.375 上部长度 0.5 0.875 上部直径 0.5 0.75 圆锥形部分长度 1.5 1.50 总长度 4.0 4.0 下部直径 0.375 0.375 旋风分离器里返回气体

数 7.0 4.0

最大直径 m 1.5 5.0 最小直径 m 0.1 0.1

旋风分离器用这些比值和你规定的直径来计算内置旋风分离器的尺寸内置的结构

Type=High 或 Medium 可能不是最好的设计如果可以的话建议你输入尺寸或尺寸比

Vane 常数用 Input Specifications 页上 Vane Constant 区域规定 vane 常数 Vane 常数随入口管结构

的变化而变化在常见结构中入口管在旋风分离器内壁处终止 Vane 常数是 16 为减少

摩擦损失把导管延伸到旋风分离器的内部当导管在旋风分离器中间时 Vane 常数为 7.5

旋风分离器尺寸下图给出 Cyclone 几何结构图后面的表给出 Cyclone 尺寸

第 8 章固体


Cyclone 的设计结构为

项说明最高效率最高流通量

Dc 体直径 1.0 1.0 a 入口高度 0.5 0.75 b 入口宽度 0.2 0.375 s 出口长度 0.5 0.875 De 出口直径 0.5 0.75 h 柱体高度 1.5 1.50 H 总高度 4.0 4.0 B 粉尘出口直径 0.375 0.375

固体载荷校正固体的进料浓度影响分离效率大于 1.0 gm/m3 的浓度通常会得到高效率

Smolik(1975)2,3 用下面关系式表示效率与固体浓度的关系

11

−−

=

EE

cc

T

T

a* *

式中

c* = 低载荷固体浓度 1.0 gm/m3

c = 固体浓度

ET* = 总效率

第 8 章固体


ET = 低载荷总效率

α = 指数 Smolik 给出α =0.182 上面说明可以只作为一个指导因为粉尘浓度受固体本身属性

气体湿度和关联式中未考虑的其它因子等因素影响粉尘气体的实际压降一般比清洁气体的压降低 Smolik 给出一个关联式它是关于在

下面给出压力下进料浓度结果的

∆∆pp

c*

= −1 β γ

式中 c = 进料中固体浓度 g/m3

∆p* = 压降

∆p = 清洁气体压降

β γ, = 物料常数

Smolik 给出β = 0 02. γ = 06.

参考文献

1. Shepherd, G.B. and Lapple, C.E., "Flow Pattern and Pressure Drop inCyclone Dust Collectors," Industrial and Engineering Chemistry, 31, pp. 972-984 (1939).

2. Smolik, J. et al., Air Pollution Abatement, Part I. Scriptum No. 401-2099 (inCzech). Technical University of Prague (1975). Quoted by Svarovsky, L.,"Solid-Gas Separation," Handbook of Powder Technology, Williams, J.C. andAllen, T. (Eds.), Amsterdam: Elsevier, 1981.

3. Svarovsky, L., Solid-Gas Separation, Chapter 3, New York: Elsevier, 1981.

Vscrub—文丘里涤气器

VScrub 用于模拟文丘里涤气器文丘里涤气器通过与一股雾化的液体物流直接接触把固体颗粒从气流中除去用

VScrub 可以核算或设计文丘里涤气器

第 8 章固体


关于 VSsrub 的流程连接

物料流

入口至少带一股固体子物流的固体物流一股雾化液体物流出口一股清洁气体物流一股带有固体粒子的液体物流

规定 VSsrub

进行设计和核算计算时用 VSsrub Input Specifications 页来规定操作条件和参数

进行下面计算设定 Mode= 输入涤气器 VSsrub计算

核算 Simulation Throat Diameter Throat Length

分离效率压降

设计* Design 分离效率液体流率喉管直径喉管长度压降

*因为可以改变所需液体流率来满足效率如果计算出的液体流率与你输入的流率不一样就不能达到

物料平衡

在两个模型里 VSsrub 也可以计算出口物流中固体的粒子尺寸分布 VSsrub 假定液体物流在涤气器喉管前面或开始的地方输入也可以假定固体粒子从气

体物流中的分离只发生在涤气器喉管处用下表来输入 VSsrub 的规定和结果汇总

使用该表做如下工作

Input 规定操作参数和喉管操作条件 Block Options 替换关于物性模拟选项特征信息级别的全局值并报告该模

块选项 Results 浏览 VSsrub 结果和物料与能量平衡汇总

第 8 章固体


压降

VSsrub 计算经过涤气器喉管的压降 ∆p Yung,S.et al.,1977 1 的公式为

∆pV

gQQ

x x xl t

c

l

g

=

− + −

21

22 4 2ρ

( )

式中

ρl = 液体密度

Vt = 喉管处气体相对于液体的相对速度

gc = Newton’s 运动定律里转换因子

QQ

L

g

= 液体与气体的体积流率比

x = 无量纲喉管长度定义为

xl C

Dt D g

d l

= +316

1ρρ

式中

lt = 喉管长度

CD = 牵引系数是 Reynolds 数的函数 Dickinson and Marshall,1968 2NRe

CN

ND = + +. ( . )Re

Re.22

241 015 0 6

ρg = 气体密度

ρl = 液体密度

Dd = 液滴直径 Sauter 平均由下式定义 Nukiyama,S.,Tanasawa,Y.1939 3:

585 597 1000

0 5 0 45 1 5

VQ

Qt

l

l

l

l l

l

g

σρ

µσ ρ

+

. . .

式中

σl = 表面张力

µl = 液体粘度

第 8 章固体


分离效率

分离效率 Yung,S.et al.,1978 4 η0 定义为

ηη

0 = = ∑出口液体物流里粒子的质量流率

入口气体物流里粒子的质量流率固体总入口流率

S i i

式中

ηi = 尺寸增量为 i 的效率

Si = 尺寸增量为 i 的质量流率

参考文献

1. Yung, S. et al., Journal of the Air Pollution Control Association, 27, 348(1977). 2. Dickinson, D.R. and Marshall, W.R., AIChE Journal, 14, 541, (1968). 3. Nukiyama, S. and Tanasawa, Y., Transcripts of the Society of MechanicalEngineers (Japan), 5,

63 (1939). 4. Yung, S. et al., Environmental Science and Technology, 12, 456 (1978).

ESP--静电除尘器

ESP 用于模拟干燥的静电除尘器干燥的静电除尘器可以从一股气流中分离出固体静电除尘器有一些垂直安装的带有可以放电的线的收集板这些线是并联的且装在收

集板之间的中间位置高压线电极的电弧放电首先使入口气流中的固体颗粒带电然后收集板电极的静电区把

固体从气流中除去用 ESP 可以设计或核算静电除尘器

关于 ESP 的流程连接

物料流

入口至少带有一股固体子物流的物流

出口清洁气体的物流

第 8 章固体


固体物流每股固体子物流必须有粒子尺寸分布 PSD 特性

规定 ESP

用 Input Specifications 页来规定设计或核算计算的参数

进行下面计算设定 Mode= 输入涤气器 VSsrub计算

核算 Simulation 板数目板高度板长度

分离效率所需功率电弧电压压降沉降器宽度

设计* Design 分离效率板数目沉降器尺寸所需功率压降

你可以在 Input Specifications 页上规定设计计算的最大尺寸用下表输入 ESP 规定和结果浏览


Input 规定操作参数介电常数和沉降器尺寸 Block Options 替换关于物性模拟选项特征信息级别的全局值并报告该模

块选项 Results 浏览 ESP 结果和物料与能量平衡汇总

操作范围气体速度应该在 1 到 2.5m/s 之间板间隔为 200 到 300mm 如果气体速度大于 3 m/s

或小于 0.5m/s 那么模型的效率和压降都无效这是因为小粒子通过湍流扩散的传输比通过

电极作用的传输有效 ESP 模拟带有相对高浓度粉尘 ≥ 1011 个粒子/m3 或 0.1kg/m3 的线-板沉降器如果粒

子浓度太低 ESP 就会过高估计结果 ESP 不适合圆柱形电极沉降器

分离效率分离效率定义如下 Crawford, M. 1976 1:

ηov =固体出口总流率

入口固体子物流的总质量流率

ηπµov

nvs

nvo

s ps cCC

X L q E CdWV

= −−

1

3exp

( )

式中

Cnvs = 在 X S 的粒子浓度

第 8 章固体


Cnvo = 入口粒子浓度

X S = 一个点在该点所有粒子可获得一个饱和电荷

L = 板长度

q ps = 粒子饱和电荷

Ec = 收集区长度 =0.25(E0)

C = Conningham 校正因子 µ = 气体粘度

d = 粒子直径 W = 线和板间距离 V = 通过沉降器的实际气体速度

X S 点在该点所有粒子可获得一个饱和电荷 X S 定义如下

XdW s V C CE C E Ws E rS

w nvo nvs

o c c w O o

=−

−µε

2

0332 08( )

. ( . )

式中

sw = 两线间距离

εo = 电容率常数=8.85 × 10 –12 c/vm

EO = 电弧区长度 2

ro = 电弧半径

收集区长度 Ec 定义如下

E V fT PTP

T PTP rc B

O

O

O

O o

= +

−025 003. .

式中 VB = 击穿电压 f = 线的粗糙度因子 T0 = 大气温度 P0 = 大气压 T = 温度 P = 压力

所有粒子可获得一个饱和电荷处的粒子浓度Cnvs 为

第 8 章固体


Ck

kdE Ws E r

Ws E E r Ws rnvsc w o o

w c o o w o

=+ −

+ −0212 2 08

0427 2 0 5332

. ( ) .. ( . )

式中

k = 介电常数 =ε ε/ o

粒子饱和电荷q ps 定义为

qk dk

EE r

Wsr

Wspso

co o

w

o

w

=+

+ −

32

23

25 23

1252πε . .

压降 ESP 计算通过沉降器压降为

∆p Vg g= 455 2. ρ

式中

ρg = 气体密度

Vg = 气体速度

所需功率

所需功率 2 pw 要满足规定分离效率

p Qw ov= −5275 1. ln( )η

式中 Q = 气体体积流率

气体速度在 ESP 中用的模型对于速度在 0.5 到 3m/s 范围的入口气体也适用超出这个范围通

过湍流扩散的传输比通过电极作用的传输更重要并且会产生较大误差

粒子直径用 ESP 可以模拟直径从 0.01 到 10 微米范围的小粒子的分离当入口粒子浓度很高时

≥ 1011 个粒子/m3 或 0.1kg/m3 ESP 算得很精确如果粒子浓度太低 ESP 就会过高估计

分离效率

参考文献

1. Crawford, M., Air Pollution Control Theory, Chapter 8: ElectrostaticPrecipitation, pp. 298-358.

New York: McGraw-Hill, 1976. 2. White, H.J., Industrial Electrostatic Precipitation, 204, pp. 91-92 (1963).

第 8 章固体


HyCyc—分离固体的水力旋流器

HyCyc 用于模拟水力旋流器水力旋流器靠一股液流的离心力来把固体从入口液流中

分离出来用 HyCyc 可以设计或核算水力旋流器在模拟模型中即核算 HyCyc 通过用户规定

的水力旋流器直径来计算分离效率为 50%的粒子直径在设计模型中即设计尺寸 HyCyc确定水力旋流器直径来满足用户规定的期望粒子尺寸要求的固体分离效率

在这两个计算模型要确定出口固体物流的压降和粒子尺寸分布

关于 HyCyc 的流程连接

物料流

入口至少带有一股固体子物流的液体物流

出口带有剩余固体的清洁液体物流固体物流每股入口固体子物流必须有粒子尺寸分布 PSD 特性

规定 HyCyc

用 Input Specifications 页来规定水力旋流器操作条件

进行下面计算输入 HyCyc 计算

核算 Simulation Mode Hydrocyclone Diameter

分离效率分离效率 50%的粒子直径出口固体物流的压降粒子

尺寸分布设计* Design Mode

Separation Efficiency 水力旋流器直径出口固体物流的压降粒子

尺寸分布

在设计水力旋流器时为获得粒子尺寸需要输入 l 水力旋流器的最大直径 l 允许通过水力旋流器的最大压降

第 8 章固体


如果下列条件之一出现 HyCyc 就设计多个水力旋流器并联 l 计算的直径大于规定的最大直径 l 计算的压降大于规定的最大压降用下表来输入 HyCyc 的规定和结果浏览


Input 规定操作参数量纲线速度参数和分离效率 Block Options 替换关于物性模拟选项特征信息级别的全局值并报告该模

块选项 Results 浏览 HyCyc 结果和物料与能量平衡汇总

操作范围 HyCyc 用经验和半经验关联式当操作条件 Bradley,D.,1965 1 超出实验数据的范围

推测出不可靠结果该数据是模型的基础你的数据应该在这些范围内: l 粒子直径从 5 到 200 微米 l 水力旋流器直径从 0 .01 到 0.6 米 l 压降从 35 到 345 kPa l 分离效率在 2%到 98%之间固体浓度应该低于体积分率的 11% 或低于重量分率的 25%

分离效率分离效率 E 定义为

进料固体质量流率

量流率固体从底部分离出的质=E

下降效率 E 定义为底部分离的进料固体分率减去底部分离的进料液体分率

f

f

RRE

E−−

=1

'

式中 Rf为底部物流与进料物流体积比参见本章的分流部分下降效率可由下面方程 2 计算

]})115.0(exp[1{100' 3

50

−−−=ddE

式中 d = 分离的固体粒子直径 d50 = 进料的 50%通过底部分离物流的粒子直径

其中 d50 由下面方程获得它包括操作参数和几何参数 Bradley,D.,1965 1

d D

DD RQ

c

i

nc f50

2

0 53 038 1

2=

−−

( . ) ( )( )

tan.

αµ

σ ρθ

式中

Q = 入口体积流率

第 8 章固体


Dc = 室直径

Di = 入口直径

n = 线速度分布函数中 R 的幂指数 α = 入口速度损失系数

σ = 固体密度

R f = 底部分离物流流率/进料流率

θ = 圆锥的角度 ρ = 液体密度 µ = 液体粘度

物料分流 HyCyc 用下面的经验关联式把进料分流 Moder,J.M. and Dahlstrom,D.A.,1952 3 :

SDD

Qu

o

= −β( ) . .4 4 44

式中 S = 分流体积=底部分离物流流率/顶部分离物流流率

β = A常数 6.13

Du = 底部物流直径

Do = 顶部物流直径

Q = 入口体积流率加仑/分

流率比 R f 底部分离物流流率/进料流率由下式计算

11

1− =

+R

Sf

线速度面的经验关联式给出水力旋流器的线速度 V 与半径 R 的关系 Dahlstrom,D.A.,1954 4

VR VDn

ic

n

= =

常数 α

2

式中 α = 入口速度损失系数

Vi = 入口速度

Dc = 水力旋流器直径

n = 半径指数

第 8 章固体


R = 半径

对大多数情况 α和 n用实验确定分别为 0.45 和 0.8 然后用这两个变量来确定d50

尺寸比常用水力旋流器有如下尺寸比的范围尺寸/室直径入口直径 1/7 到 1/3 长度 4 到 12 顶部物流直径 1/8 到 1/2.3 底部物流直径 1/10 到 1/5 圆锥角度 9 度到 20 度

压降为使压降关联式有效顶部分离物流直径/底部分离物流直径的比值应该为 0.6 到

2.0 HyCyc 用如下压降关联式 Dahlstrom,D.A.,1954 4

Q

HD Do i0 5

0 9638... ( )= ×

式中:

Q = 入口体积流率 US 加仑/分

H = 流体高度英尺或涡流探测器长度

Do = 顶部物流直径

Di = 入口直径

水力旋流器尺寸下图给出 HyCyc 结构

第 8 章固体


下表说明 HyCyc 的尺寸

项说明

Dc 室直径

Di 入口直径

Do 顶部分离物流直径

Du 底部分离物流直径 L 水力旋流器长度 θ 圆锥的角

参考文献

1. Bradley, D., The Hydrocyclone, 1stedition., Pergamon Press, London (1965). 2. Yoshioka, H. and Hatta, Y., Kagaku Kagolar, Chemical Engineering, Japan,19, 633 (1955). 3. Moder, J.M. and Dahlstrom, D.A., Chemical Engineering Progress, 48,75(1952). 4. Dahlstrom, D.A., Mineral Engineering Techniques, Chemical EngineeringProgress

Symposium Series 50, No. 15, 41 (1954).

CFuge--离心过滤器

CFuge 用于模拟离心过滤器离心过滤器通过一个旋转筐的离心力来把液体和固体分

离用 CFuge 可以设计或核算离心过滤器 CFuge 假定固体的分离效率等于 1 所以出口滤出液流中不包含残余的固体

第 8 章固体


关于 CFuge 的流程连接

物料流

入口至少带有一股固体子物流的液体物流

出口一股液体物流一股固体物流如果粒子尺寸分布 PSD CFuge 就计算平均粒子尺寸

规定 CFuge

用 Input Specifications 页来规定操作条件用 Input FilterCake 页来规定滤饼特性

进行下面计算输入 CFuge 计算

核算直径转速滤饼特性

滤液流率滤饼湿度离心机筐高度

设计* 离心机直径和转速列表滤饼湿度如果没输入 CFuge估算

滤液流率滤饼湿度离心机筐高度

对于设计计算 CFuge 也可计算所有你规定离心机的液体处理能力 CFuge 选择离心机

使其液体处理量大于或等于所要求的滤液流率如果有更多的离心机满足这个判据 CFuge就选择处理量最小的一个如果没有一个离心机满足这个判据 CFuge 就选择滤液流率最高

的离心机在核算和设计计算中 CFuge 计算容量和离心机筐高度用下表来输入 CFuge 规定和结果浏览


Input 规定离心机和滤饼与离心机尺寸 Block Options 替换关于物性模拟选项特征信息级别的全局值并报告该模

块选项 Results 浏览 CFuge 结果和物料与能量平衡汇总

滤饼特性用 Input FilterCake 页来规定

第 8 章固体


l 滤饼阻力 l 湿度 l 球体 l 介质阻力 l 孔积率 l 饼中固体粒子的平均直径滤饼湿度等于出口固体物流中液体与固体质量流率之比滤饼湿度是一个非常重要的

设计参数如果可能就应该给出这个参数如果不给出它 CFuge 就根据粒子直径和滤饼

参数算出一个估计值 Dombrowski,H.S.,and Brownell,L.E.,1954 1 如果输入入口固体物流的粒子尺寸分布 PSD CFuge 就计算平均粒子直径所以不

必在 Input FilterCake 页输入平均直径

滤液流率 CFuge 用下式计算滤液体积流率

)(1 WMFQl

−=ρ

式中 F = 进料液体体积流率 M = 湿度液体质量/干燥固体质量由 FilterCake 页的 Moisture Content 规定

或通过模型计算 W = 干燥固体进料流率

lρ = 液体密度

压降 CFuge 通过滤饼计算压降 Grace,H.P.,1953 2

2

)( 21

22

2 rrP l −

=∆ωρ

式中 ω = 角速度

1r = 液体表面半径

2r = 分离槽内壁半径

lρ = 液体密度


固体进料流率

固体底部分离流率=E

CFuge 假定固体的分离效率等于 1 所以出口滤出液流中不包含残余的固体

第 8 章固体


参考文献

1. Dombrowski, H.S., and Brownell, L.E., Industrial and EngineeringChemistry, 46, 6, 1207 (1954).

2. Grace, H.P., Chemical Engineering Progress, 49, 8, 427 (1953).

过滤器--旋转真空过滤器

Filter 用于模拟连续旋转真空过滤器用 Filter 可以设计或核算真空过滤器 Filter 假定固体的分离效率等于 1 所以出口滤液流中不包含残余的固体

第 8 章固体


关于过滤器的流程连接

物料流

入口至少带有一股固体子物流的液体物流出口一股液体滤液物流一股固体物流

规定过滤器

用 Input Specifications 页来规定操作条件和参数

进行下面计算输入 Filter计算

核算模拟直径宽度转速滤饼特性可选

通过过滤器压降

设计* 设计通过滤饼和介质的最大允许压降转速滤饼特性可选宽度与直径比可选

直径宽度

在这两个计算模型中 ASPEN PLUS 确定如下项 l 滤液体积流率 l 滤饼厚度 l 固体滤饼中固体的质量分率用下表输入 Filter 规定和结果浏览


Input 规定过滤器和滤饼参数 Block Options 替换关于物性模拟选项特征信息级别的全局值并报告该模

块选项 Results 浏览 Filter 结果和物料与能量平衡汇总

第 8 章固体


滤饼特性过滤器假定 l 滤饼厚度大于 0 .00635 m l 毛细管数大于 1 l 滤饼是不能压缩的或滤饼整个厚度都是均匀压缩的 2

在压降为 p∆ 下特定的滤饼阻力α没有时 Filter 可以用下面经验公式来计算滤饼阻力

kP)(0 ∆=αα

式中

0α = 规定单位压降的滤饼阻力

k = 滤饼压缩度

当有经验数据 0α 和 p∆ 时可以用该关系式来进行内插和小范围的外推 0α 是α与 p∆

对数曲线的截距 α和 0α 的单位通过规定单位集来确定 p∆ 总在 Pascals 里

用 FilterCake 页上的 Average Diameter 区域规定滤饼里固体粒子的平均直径如果输入

入口固体物流的粒子尺寸分布 PSD Filter 计算平均粒子尺寸

压降 Filter 计算通过滤饼压降 1

2/1

2

∆==W

VpRHRHVQµα

ωθω

式中

Q = 过滤器体积流率

ω = 角速度 R = 半径 H = 宽度

V = 每单位面积的过滤体积

p∆ = 压降

θ = 浸湿角度 µ = 粘度

α = 过滤阻力

W = 每单位面积固体质量


固体进料流率

固体底部分离流率=E

Filter 假定固体的分离效率等于 1 所以出口滤出液流中不包含残余的固体

第 8 章固体


参考文献

1. Brownell, L.E. and Katz, D. I., Chemical Engineering Progress, 43, 11, 601(1947). 2. Dombrowski, H.S. and Brownell, L.E., Industrial and Engineering Chemistry,46, 6, 1207 (1954). 另外参见:

Brownell, L.E. and Katz, D. I., Chemical Engineering Progress, 43, 10, 537(1947). Dahlstrom, D.A. and Silverblatt, C.E., Solid/Liquid Separation Equipment ScaleUp, Chapter 2, Purchas, D.B., Ed., Uplands Press Ltd. (1977). Silverblatt, C.E., Risbud, H., and Tiller, F.M., Chemical Engineering, 127 (April27, 1974).

SWash—单级固体洗涤器

SWash 用于模拟固体洗涤器在洗涤器里固体物流中携带的液体的溶解组分由洗涤液

来回收 SWash 模拟单级固体洗涤器它不考虑气相的存在 SWash 计算出口固体和液体物流的流率和组成该出口固体和液体物流是从用户规定的

出口固体物流的液-固质量比得到的 SWash 还计算洗涤器的混合效率对于非绝热操作

在给出出口压力和热负荷时 SWash 可确定出口温度另一种是规定出口温度和压力

SWash 计算所需热负荷

关于 SWash 的流程连接

物料流

入口携带液体的固体粒子物流洗涤液物流

出口被洗涤的固体粒子物流一股洗涤液和入口固体物流中携带液体的物流

热物料流

入口一股热负荷物流可选出口净热负荷物流可选如果只在 Input OutletFlash页规定压力 SWash用入口热物流作为负荷规定否则 SWash

第 8 章固体


只用入口热物流来计算净热负荷净热负荷等于入口热物流减去实际的即计算的热负荷可以用关于净热负荷的出口热物流

规定 SWash

必须规定洗涤器的混合效率和出口固体物流的液-液质量比对于非绝热操作必须规

定洗涤器压力和下面两项中的一项 l 洗涤器温度 l 热负荷或没有出口热物流的一股入口热物流另一种方法是在规定了出口温度和压力时 SWash 计算所需热负荷如果温度和热负荷都没有规定 SWash 假定为绝热操作用下表来输入 SWash 规定和结果浏览使用该表做如下工作

Input 规定操作参数闪蒸规定和收敛参数 Block Options 替换关于物性模拟选项特征信息级别的全局值并报告该模

块选项 Results 浏览 SWash 结果和物料与能量平衡汇总

混合效率洗涤器的混合效率 E 定义为

Ex xx x

INS

OUTS

INS

OUTL=

−−

式中

xINS = 入口固体物流携带液体里所求组分的质量分率

xOUTS = 出口固体物流携带液体里所求组分的质量分率

xOUTL = 出口液体物流里所求组分的质量分率

旁路分率旁路分率等于绕过混合的进料里液体的分率当混合效率小于 1 时计算如下

旁路分率混合效率规定的液固比

入口固体物流的液固比= − ×

−−

1SWash

CCD--逆流倾析器

CCD 可以模拟一个逆流倾析器或一个多级洗涤器 CCD 从下列各项中计算出口物流的

流率和组成 l 混合效率 l 每一级的液-固质量比

第 8 章固体


CCD 可以计算 l 可由规定的温度分布计算出热负荷分布 l 可由规定的热负荷分布计算出温度分布 CCD 不考虑气相

关于 CCD 的流程连接

物料流

入口一股固体入口物流顶部进料一股液体入口物流底部进料每级中任意数量的入口物流

出口顶部产品物流顶部分离出的物流底部产品物流底部分离出的物流每级中固体的可选物流底部分离出的物流每级中液体的可选物流顶部分离出的物流虚拟产品物流可选虚拟产品物流可以表示内部的底部分离出物流或顶部分离出的物流虚拟物流不影响模

拟结果

规定 CCD

用 CCD Input Specifications 页来输入级数压力混合效率和液-固质量比用 CCD Input Streams 来输入进料产品和可选热物流位置在 CCD Input Temp-DutyProfiles 页上说明如下

如果输入如下各项 CCD 计算

每级温度每级热负荷每级热负荷每级温度每级总热传递系数每级温度

你不能同时输入温度分布和热负荷或总热传递系数三项中的两项如果你输入热负荷和

第 8 章固体


/或总热传递系数并且没有输入所有级的值系统假定未规定的值等于 0 在输入总热传递

系数的同时再输入每级的介质温度用 Estimated Temperature 区域输入估计的级温度注 CCD 内插未规定的值并通过缺省假定它们与环境温度相同

用 CCD Input PseudoStream 页来把每级内部的底部分离出物流或顶部分离出的物流转

换为虚拟物流用下表输入 CCD 规定和结果浏览


Input 规定操作参数温度分布参数虚拟物流信息和收敛参数 Block Options 替换关于物性模拟选项特征信息级别的全局值并报告该模

块选项 Results 浏览 CCD 结果物料与能量平衡汇总和级分布结果

组分特性 CCD 不考虑组分混合特性和 PSDs CCD 假定所有出口固体物流与进到一级的固体进

料物流有相同的特性和 PSD CCD 还假定所有出口液体物流与进到最后级的液体进料物流

有相同的特性和 PSD

多级洗涤器分布对于 CCD 分布如混合效率液-固比温度负荷为每个级输入一个值作为有效

信息如果为各个级只输入部分值 CCD 就通过给出值的线形内插来生成总分布如果只

输入一个值 CCD 假定该值为常数通过总洗涤器分布

混合效率级 n的混合效率定义为

Ex xx x

INS

OUTS

INS

OUTL=

−−

式中

xINS = 进到级 n的总入口固体物流携带液体里所求组分的质量分率

xOUTS = 级 n的出口固体物流携带液体里所求组分的质量分率

xOUTL = 级 n的出口液体物流里所求组分的质量分率

介质温度每级的负荷通过下面的方程计算

Q UA Tcalc Tmedi i i i= −( )

式中

Qi = i 级热负荷

UAi = i 级的热传递系数和面积

第 8 章固体


Tcalci = 计算 i 级的出口温度

Tmedi = i 级热传递介质温度

第9章用户模型

ASPEN PLUS 10版单元操作模型 9-1

第9章用户模型

本章介绍使用Fortran子程序来编写自己的单元操作模型这些子程序必须遵照 ASPEN PLUS用户模型参考手册中所叙述的规则下表列出了这类模型

模型描述用途用于

User 用户定义的单元操作模型

用用户提供的Fortran子程序

来模拟单元操作有四股或少些入口和出

口物流的单元操作

User2 用户定义的单元操作模型

用用户提供的Fortran子程序

来模拟单元操作对物流数没有限制的单元

操作

User--用户提供的单元操作模型

User可以模拟任意单元操作模型必须写一段Fortran子程序来根据入口物流和规定的参

数计算出口物流的值 User和User2模型的唯一区别在于模型子程序所允许的入口和出口物流数以及变量列表

不同 User模型的物流数限制为最多有四股入口物料流和一股入口热流或功流出口物流最

多为四股物料流和一股热流或功流 User2模型对入口物流数和出口物流数没有限制

User模型的流程连接

物料流入口一到四股入口物料流出口一到四股出口物料流

热流入口一股热流可选的出口一股热流可选的功流入口一股功流可选的出口一股功流可选的

第9章用户模型


规定User模型

你必须在Input Specifications 输入规定页上规定子程序模型的名字其中有下列规定

选项 l 报告子程序名 l 传递到用户模型子程序的整型数组和实型数组 INT和REAL 的大小 l 传递到用户模型子程序的整型数组和实型数组的值 l 整型和实型工作空间向量的长度 l 各个出口物流的热力学条件 l 闪蒸计算的类型气相液相两相三相关于为用户模型编写Fortran子程序的详细信息参见 ASPEN PLUS用户模型参考手

册使用下表中列出的窗口为User模型输入规定和查看其结果

所使用的窗口可执行的操作

Input 规定用户模型的名字和参数计算选项以及出口物流的条件和

闪蒸收敛参数

BlockOptions 替换该模块的物性模拟选项诊断消息级别以及报告选项的

全局值

Results 查看User模型的结果汇总和物料平衡及能量平衡

User2--用户提供的单元操作模型

User2模型可以模拟任意单元操作模型你必须写一段Fortran子程序来根据入口物流和

规定的参数计算出口物流的值 User和User2模型的唯一区别在于模型子程序所允许的入口和出口物流数以及变量列表

不同 User2模型对入口物流数和出口物流数没有限制而User模型的物流数限制为最多有

四股入口物料流和一股入口热流或功流出口物流最多为四股物料流和一股热流或功流

User2模型的流程连接

物料流入口至少一股入口物料流出口至少一股出口物料流

第9章用户模型


热流入口任意股热流可选的出口任意股热流可选的功流入口任意股功流可选的出口任意股功流可选的

规定User2模型

你必须在User2 Input Specifications User2输入规定页上规定子程序模型的名字其中

有下列规定选项 l 报告子程序名 l 传递到用户模型子程序的整型数组和实型数组 INT和REAL 的大小 l 传递到用户模型子程序的整型数组和实型数组的值 l 整型和实型工作空间向量的长度 l 各个出口物流的热力学条件 l 闪蒸计算的类型气相液相两相三相关于为用户模型编写Fortran子程序的详细信息参见ASPEN PLUS用户模型参考手册

使用下表中列出的窗口为User2模型输入规定和查看其结果

所使用的窗口可执行的操作

Input 规定用户模型的名字和参数计算选项以及出口物流的条件和

闪蒸收敛参数

BlockOptions 替换物性的全局值这个模块的模拟选项诊断消息级别以及

该模块的报告选项

Results 查看User2模型的结果汇总和物料平衡及能量平衡

第10章泄压


第10章泄压

本章具有ASPEN PLUS用于泄压计算的Pres-Relief模型的详细参考信息有关Pres-Relief模型用法的信息参见ASPEN PLUS用户指南中的第三十三章

本章介绍了下列内容 l 规定Pres-Relief l 方案 l 安全阀配管的设计规则 l 遵照标准 l 物流和容器的组成及条件 l 反应 l 泄压系统 l 管线和泄压设备的数据表 l 阀循环 l 容器类型 l 分离模型 l 终止判据 l 动态方案的求解过程 l 流率方程 l 计算和收敛方法 l 容器保温可信因子

Pres-Relief--泄压模型模型

利用Pres-Relief模型可进行下列工作 l 确定泄压系统的稳态流动核算 l 动态地模拟由明火或用户规定的热量输入的泄压容器

规定Pres-Relief

利用Pres-Relief模型可进行下列工作之一 l 确定泄压系统的稳态流量核算 l 动态地模拟由明火或用户规定的热量输入而引起泄压的容器你可以规定容器中发

生的反应使用Setup窗口可规定泄压方案一般的规定比如排放的压力和估计的流率入口物流

的条件容器的初始条件设计规则以及发生的反应只用于动态方案可用Relief Device 泄压设备窗口来规定泄压系统你必须选择一个泄压设备并规定

它的特性你还必须规定容器口以及所用的入口管段和尾管段的个数使用Dynamic Input 动态输入窗口规定动态方案所要求的参数其中包括容器规定

分离模型和所选方案的详细特性对于明火方案你必须规定明火标准和要用的可信因子

在方案为有规定热负荷的Dynamic运行时必须规定热输入参数

第10章泄压


当入口段和尾管段的个数大于零时必须在Inlet Pipes 入口管和Tail Pipes 尾管

窗口中规定各段的详细信息对于动态方案用Operations 操作窗口规定要用作终止判据的一个或多个变量当

这些变量中任意一个的值超过用户规定的限制时模拟即会停止可用下表中的窗口输入Pres-Relief 泄压模型的规定及查看其结果

所用窗口可执行的操作

Setup 设置规定泄压方案一般规定初始物流条件设计规则及

发生的反应必需输入

Relief 泄压规定泄压设备的类型和特性必需输入

Inlet Pipes 入口管规定在泄压设备的上游的管线管件及阀

Tail Pipes 尾管规定在泄压设备的下游的管线管件及阀

Dynamic Input 动态输入规定描述动态事件的参数对于动态方案是必需的 Operations 操作规定终止动态模拟的标准对于动态方案是必需的

Convergence 收敛替换泄压模拟中缺省的所用的算法和收敛参数可选输

入

Block Options 模块选项替换用于物性计算模拟诊断和报告的缺省方法和选

项可选输入 Results 结果检查稳态方案的计算结果和分布数据

Dynamic Results 动态结果检查动态方案的计算结果和分布数据

方案

方案是可描述通过泄压系统放空的一种情形 Pres-Relief 泄压支持下列方案 l 有明火加热的容器的Dynamic 动态运行 l 有规定的热量加入容器的Dynamic 动态运行 l 泄压系统的稳态流量核算 l 安全阀的稳态流量核算

有用明火加热的容器的Dynamic 动态运行

用这个方案来模拟用明火加热的容器你必需规定容器的几何参数和内部组成 ASPEN PLUS能够根据下列标准计算这个方案的输入能量

l NFPA-30 l API-520 l API-2000 ASPEN PLUS假定在整个放空的期间计算的输入能量是恒定的 ASPEN PLUS用排放装

置喷淋防火设备和保温层的可信因子来降低输入能量如果它是符合所选的标准你可

以只规定一个总可信因子来代替单独的可信因子你必需规定明火的持续时间容器的容量

和泄压速度随时间的变化而变化下表介绍了ASPEN PLUS按三种不同标准计算浸湿面积输入能量以及可信因子的方

法

第10章泄压


浸湿面积的计算容器类型 NFPA-30 API-2000 API-520

Horizontal 卧式总露出面积的

75% 总面积的75%或者标

高之上30英尺的面

积不分哪一个更大

标高之上至多25英尺的浸湿面积根据

规定的液位而定

Vertical 立式标高之上至多30英尺的面积如果

露出包括底板

标高之上至多30英尺

的面积如果在地面

上则不包括底盘

标高之上至多25英尺的浸湿面积根据

规定的液位而定

如果底盘露出的话

也要包括在内

Sphere 球式总露出面积的

55%

表面积的55% 或者

到30英尺高的表面

积不分哪一个更大

至多为最大水平直

径或者至多25英尺

的高度不分哪一个

更大

根据面积Area 平方英尺计算热量Q (Btu/hr)

NFPA-30*和API-2000

面积范围输入热量

20 < area < 200 Q=20,000Area

200 < area < 1000 Q=199,300(Area0.566)

1000 < area < 2800 Q=963,400(Area0.338)

2800 < area Q=21000(Area0.82) * 对于NFPA-30 如果操作压力<1 PSIG 表压则在面积为2800平方英尺时输入热量最大

QMAX=14,090,000

API-520

输入热量

Q=34,500(Area0.82)

可信因子的计算

类型 NFPA-30 API-2000 API-520

只有保温层 .3 F=K(1660-TF)/21,000t*

必需规定F 与API-2000一样

只有排放装

置 .5 (Area > 200平方英尺)

1. 未定义

水和排放装

置 .3 1. 未定义

水保温层和

排放装置 .15 (Area > 200平方英尺)

NSUL 未定义

保温层和排

放装置 .15 (Area > 200平方英尺)

未定义未定义

排放装置和无信用未定义 0.6*INSUL

第10章泄压


紧急防火

便携式的无允许的可信因子未定义未定义 * 参见本章中的容器保温层的可信因子部分

有规定的热量加入的容器的Dynamic 动态运行

这个方案除了能模拟任意输入能量外其它与明火加热方案类似 ASPEN PLUS能够用

三种方式计算这个方案的输入能量 ASPEN PLUS具体计算用哪种方式根据你是否规定了下

列内容而定 l 一个恒定的负荷 l 负荷分布数据 l 热传递面积热传递系数和源流体的温度这个方案是一个动态方案并且典型应用于电加热器和其它能源

泄压系统的稳态流量核算

利用这个方案可得到在规定组成下通过泄压系统的流量对于这个方案你必需输入自

己的下列内容 l 泄压速率 l 管线描述 l 进料物流组成 l 进料物流条件

安全阀的稳态流量核算

用这个方案可得到通过阀的流量给定的组成以及阀入口处的条件这是最简单的方案

这个方案除了不允许有管线外其它的与泄压系统的稳态流量核算类似

遵照标准

Pres-Relief 模型允许两种运行类型 l 标准能力 l 实际能力标准能力运行的主要目的是保证泄压系统的能力由标准所要求的超过由方案规定的

最大能力泄压事件中的所达到的最大能力必须小于标准所允许的积累值 Code Capacity标准能力运行包括 l ASME阀的核算因子其值为0.90 l 阀的流通系数 l 结合系数只有正在设计安全隔膜/安全阀结合的情况下才计入结合系数确定的结合NBBI的典型

结合系数是接近1.00 如果结合未确定那么ASME代码要求结合系数为0.90 实际能力运

行的主要目的是提供通过系统的实际流量的最好估计值下游设备尾管除外的设计就是

为什么你可能需要这一信息的一个例子实际能力运行含有阀流通系数但是没有ASME阀核算因子0.90或者结合系数

第10章泄压


物流和容器的组成及条件

对于稳态方案你必须规定进料物流的组成和条件两个温度两个压力和两个气相分

率你可以在Setup Streams 设置物流页上用下列两种方式来完成这项规定 l 参考一个ASPEN PLUS物流 l 作为Pres-Relief模型的输入给出物流的组成和条件对于动态方案你必须在泄压计算开始时规定容器中的组成和条件可通过参考一个

ASPEN PLUS物流来完成该规定或者通过在Setup Vessel Contents 设置容器内容页上规

定一个组成两个温度两个压力和两个气相分率来完成与稳态方案一样你可以引用一

个ASPEN PLUS物流或者作为Pres-Relief模型的输入给出其组成和条件在气相分率未规定

时你还可以规定下列项 l 容器的初始液体填充分率 l Pad-gas 充压气体压力和Component ID 组分标识符只能规定或者从物流参考两个温度两个压力和两个气相分率

安全阀配管的规则

ASPEN PLUS使用PSVs的几个规则 3%规则 X%规则和97%规则来设计入口管线和

出口管线这几个规则用到下列术语 DSP = 微分设定压差 CBP = 恒定的吸入压力 Psta = 静压 Ptot = 静压 + 动压 IDP = 入口压降

Ptot (容器) − Ptot (阀前) BBP = 累积的吸入压力

Psta (阀后) − CBP 这些规则对实际运行和标准运行都适用而且还应用到稳态方案的收敛的解上对于动态方案在过压10%应用3% Rule和X% Rule一次如果所有压力都高于10%过压

则不执行测试并发出警告消息如果所有压力低于10%过压最高压力值被按比例换算为

10%过压并在应用规则中使用这些换算值当阀入口压力为10%过压或者高于该压力时

应用97%规则除了X为10的X%规则外这些规则中的其它任何规则在所要求的标准中都

没有提到在ASME标准的非必须项的附录中提到了X%规则 3% Rule

根据3%规则在流量等于10%过压时阀的标准能力时入口中的压力损失必须低于微

分设定压力的3%

DSPIDP 03.0≤

对于过压没达到10%的工况压降规则调整为乘以最大流通压力与10%过压表压的

比的平方

第10章泄压


SPRPIDP1.1

03.0≤

X% Rule

根据X%规则当流量等于10%过压时阀的标准能力时累积的背压必须低于微分设定

压力的X%

DSPXBBP100

≤

对于过压没达到10%的工况把压降规则为乘以最大流动压力与10%过压表压之比

的平方

2

1.1100

≤

PSRPXBBP

97% Rule

根据97%规则在过压等于或者高于10%的任意时候对于以标准能力为基准的通过阀

的流量微分设定压力的97%都必须可用

DSPBBPIDPCBPRP 97.0≥−−−

对于过压没达到10%的工况在过压峰值点应用该规则

对特定阀类型的建议对于标准的弹簧阀或者具有不平衡导向器的弹出式放空导向阀

微分设定压力等于设定压力减去恒定背压

DSP = SP − CBP 用3%规则设计入口管线的尺寸用97%规则设计出口管线的尺寸或者

用X=10的X%规则设计出口管线的尺寸对于平衡的波纹弹簧阀

微分设定压力等于设定压力

DSP = SP 用3%规则设计入口管线的尺寸用X=30的X%规则设计出口管线的尺寸

对于有平衡导向器或者排空导向器的自动调幅阀微分设定压力等于设定压力

DSP = SP 你可以选择用流量所要求的方案计算压降而不用阀能力所要求的方案通过该变入口

面积直到过压达到10% 可以很容易地模拟这种情况没有入口压降规则用X=50的X%规则设计出口管线的尺寸

第10章泄压


反应

如果容器是立式的卧式的 API 球形的或者用户规定的罐那么你可以用有反应规

定的方式来模拟它也可以用没有反应规定的方式来模拟它在Setup Reactions 设置反应

页上给出Reactions ID 反应标识符后即可规定反应了

泄压系统

排放系统由下列部分组成 l 容器口 l 一或两段入口管 l 泄压设备本身 l 一或两段尾管在一个模拟中正被模拟的系统可能只有入口管而没有泄压设备或者只有直接连接到

容器上的泄压设备而没有入口管尾管是可选的泄压设备

Pres-Relief模型可以模拟下列类型的泄压设备 l 安全阀 PSVs 液体和气体/两相 l 防爆板 PSDs l 紧急安全阀 ERVs l SRV/防爆板组合 l 开口放空管内部表从ReliefDevice SafetyValve页可访问中含有几个标准的商用阀以及减压计

算中所需的所有机械规定和被鉴定的系数你可以从该表中选择一个阀也可以输入自己的

阀规定和系数对于液体阀你还必须规定全提升过压这可使ASPEN PLUS在未达到25%过压之前模

拟一些没达到全提升的老式阀对于气体/两相阀你还必须规定平均开度因子和关度因子在通过阀的压降达到

opening factor * Dif-Setp 即开度因子*微分设定压力之前阀不打开在通过阀的压降

达到 closing factor * Dif-Setp 即关度因子*微分设定压力时阀即关闭在实际能力运行中用管线模型将防爆板作为少量阻力来模拟对于直径为2英寸或小

于2英寸的防爆板 L/D的缺省值为8 直径大于2英寸的防爆板其L/D的缺省值为15 通过

在Relief Device Rupture Disk 泄压设备防爆板页上规定L/D的值可替换其缺省值在标准能力运行中把防爆板作为带有鉴定的排泄系数理想喷嘴来模拟如果得不到被

鉴定的排泄系数建议使用值0.62 在与安全阀联合在一起的标准能力运行中防爆板的阻力在阀模型中通过结合系数来模

拟紧急安全阀作为喷嘴来模拟在标准能力运行中使用一个值为0.9的排放因子

管线系统

入口管线系统可以由下列两种组合之一构成 l 一个管线段

第10章泄压


l 两个管段加上一个容器口它们全都具有不同的直径尾管可以由一段管线构成或者由具有不同直径的两段管线构成对于每个管线段都要规定下列信息

l 管线直径 l 长度 l 标高 l 管线是用螺纹还是用法兰连接或焊接连接在一起的如果使用了不同直径的管线可能要规定大小头的扩大和缩小阻力系数 K 因子

ASPEN PLUS用方程式K=4*fr* L/D 把阻力系数转换成相当的L/D 这里的术语 fr 是摩

擦因子每段的可选信息有90度弯管的个数直三通的个数分支三通的个数闸阀的个数

蝶阀的个数 transflo阀的个数和控制阀的个数你可以通过规定L/D值添加未列出的其它接

头 ASPEN PLUS在模拟管线段之前先计算总的相当的L/D 你还可以规定下列量 l 管线入口和出口处的环境温度 l 与管线内介质换热的传热系数在模拟管线段时 ASPEN PLUS通过在沿管线向下进行积分过程中跟踪Mach Number来

探测阻塞条件如果Mach Number上升到1.0以上就会停止积分并返回一个标志指明管

线阻塞了管线的压降模拟可用两种方式进行你可以进行下列规定之一 l 在积分的每一步都要做严格闪蒸 l 在管线积分期间使用闪蒸表如果你需要一个表则规定该表中的温度点和压力点的个数对每个温度-压力对

ASPEN PLUS都执行一个闪蒸并计算所有必要的性质密度粘度表面张力等等随

着积分的进行 ASPEN PLUS在这个表中进行内插以获得必要的性质如果需要这个表之外

的性质则在那个点处执行严格闪蒸一般来说在使用闪蒸表的情况下管线积分进行的

较快有几个关联式是可用的这取决于管线的倾斜度所有倾斜度滞留量和摩擦的压力

损失的缺省方法都是Beggs和Brill 其它可用的选项是

l Darcy l Lockhart-Martinelli l 用于摩擦损失的Dukler l 用于滞留量的Lockhart-Martinelli Slack 和Flanigan

管线和泄压设备的数据表

Pres-Relief模型包括了几个可定制的表这些表列出了对于管线通用阀安全阀紧

急安全阀以及防爆板可用的选项你可以通过改变数据文件来修改这些表然后通过

ModelManager Table Building System (MMTBS) 模型管理器制表系统处理这些文件管线

Pres-Relief模型含有一个适用于几种钢管规范的实际直径表在为入口管线和出口管线

选择管线系统时可适用这个表通过加入更多的管材和/或规范可以修改这个表下面各节

列出了这个表的编排方式第一种构成材料 # 型号

第10章泄压


第一种型号 # 直径公称直径实际直径公称直径实际直径

.

. 第二种型号 # 直径公称直径实际直径公称直径实际直径

.

. 第二种构成材料

# 型号第一种型号 # 直径公称直径实际直径公称直径实际直径 . . 第二种型号公称直径实际直径公称直径实际直径 . .

通用阀对于入口管或尾管上的通用阀 Pres-Relief模型含有一个不同厂商从1英寸到10英寸阀的

列表其中包括下列阀 l Durco Plug Durco旋塞阀 l Tufline Plug Tufline旋塞阀 l Jamesbury Ball Jamesbury球阀 l AGCO Selector AGCO选择器阀 l KTM Ball (L-Port和T-Port) KTM球阀 (L-口和T-口) 对于每个厂商该表中都含有下列信息 l 阀类型例如 L-Port或T-Port l 公称直径 l 接口面积 l 流通系数该表的编排方式如下第一个厂商

#类型第一种类型 #直径

第10章泄压


公称直径接口面积流通系数公称直径接口面积流通系数

.

. 第二种类型 #直径公称直径接口面积流通系数公称直径接口面积流通系数 . .

安全阀

Pres-Relief模型含有一个不同厂商的安全阀的列表对于每种阀该表都列出了下列信

息 l 功能 l 类型 l 厂商 l 系列尺寸例如 3L4 l 喉管直径 l 入口直径 l 出口直径 l 排放系数 l 过压因子用于液体阀该表的排列方式如下保养液体气体或两相

#类型第一种类型 #厂商第一个厂商 #系列第一个系列 #尺寸第一种尺寸 #喉管直径喉管直径入口直径出口直径排放系数过压因子喉管直径入口直径出口直径排放系数过压因子

.

. 喉管直径入口直径出口直径排放系数过压因子喉管直径入口直径出口直径排放系数过压因子

紧急安全放空阀

这个表包括下列信息 l 公称直径

第10章泄压


l 有效直径 l 对于几个Protectoseal和Groth紧急泄压放空的允许设定点你必须规定一个过压因子这个表的编排方式如下第一个厂商

#类型第一种类型 #公称直径公称直径有效直径允许设定点公称直径有效直径允许设定点

.

.

防爆板这个表列出了关于防爆板的厂商信息每个条目包括下列信息 l 厂商 l 类型 l 公称直径 l 实际直径 l 排放系数这个表的编排方式如下第一个厂商

#类型第一种类型 #公称直径第一个公称直径实际直径排放系数第二个公称直径实际直径排放系数

.

.

阀循环

如果一个安全阀对于一个给定的应用来说太大的话就可能出现阀循环在这种情况下

容器中的压力会一直增加到可打开阀的那一点但是阀几乎马上就关闭了因为阀释放出的

物料太多一下子就把容器的压力降到了关闭压力之下在有些情况下阀每秒钟可能开关

几次因此模拟会运行很长时间只是反复开关阀要阻止出现这样的模拟你可以规定是否阻止阀循环并规定在规定的时间段内允许的

开阀和关阀次数

容器类型

对于动态方案你必须输入容器的几何数据你可以从下列容器类型中选择一种 l 立式容器 l 卧式容器

第10章泄压


l API罐 l 球形 l 换热器壳 l 容器夹套 l 用户定义的如果你选择了用户定义类型则必须规定表面积和体积容器夹套也要求规定表面积

所有容器类型都要求规定在相应温度下的Maximum Allowable Working Pressure MAWP最大允许工作压力有些容器类型还需求规定直径长度和内部体积

立式容器卧式容器和API罐

如果你选择了立式容器卧式容器或者API罐可从下列封头类型中选择一种封头 l 法兰形的和碟形的 l 椭圆形的 l 用户定义的如果你选择了用户定义的封头类型则必须规定封头的面积和体积

球形

如果密封容器是球形的那么你必须规定下列信息 l 直径 l 在相应温度下的MAWP 最大允许操作压力 l 内部体积

换热器壳

如果密封容器是一个换热器壳那么除了必须规定立式容器所要求的条目外还必须规

定该容器是垂直安装的还是水平安装的容器夹套

如果密封容器是一个容器夹套那么你必须规定下列信息 l 在相应温度下的MAWP 最大允许操作压力 l 内部体积 l 夹套体积

用户定义的

如果密封容器是用户定义的类型那么你必须规定下列信息 l 体积 l 面积 l 在相应温度下的MAWP 最大允许操作压力 l 内部体积

分离模型

下表中列出了可用的分离选项

第10章泄压


选项说明

Homogeneous 离开容器的气相分率和容器中的气相分率一样

All-vapor 全部蒸汽都离开容器

All-liquid 全部液体都离开容器

Bubbly DIERS bubbly模型

Churn-turbulent DIERS churn-turbulent模型

User-specified 均匀放空直到容器的气相分率达到用户规定的值为止然后在排

出全部蒸汽

对于bubbly 多泡的和churn-turbulent 搅拌湍流法 ASPEN PLUS用DIERS 开关

点算法估算出现全部汽液分离的点 bubbly 多泡的和churn-turbulent法只用于立式容

器或者API罐

终止判据

对于动态方案需要规定将终止模拟的终止判据你必须完成下列工作 l 选择一个规定类型 l 输入该规定可使模拟停止的值 l 为与组分有关的规定类型选择一个组分和子物流 l 规定停止模拟所用的逼近方向高于或低于你可以从下列规定类型中进行选择 l 模拟时间 l 容器中的气相分率 l 某一指定组分的摩尔分率 l 某一指定组分的质量分率 l 某一指定组分的转化率 l 总摩尔数或某一指定组分的摩尔数 l 总质量或某一指定组分的质量 l 容器温度 l 容器压力 l 放空的摩尔流量或某一组分的摩尔流量 l 放空的质量流量或某一组分的质量流量你还必须选择终止判据规定的位置可从下列位置中进行选择 l 容器 l 泄压排放系统 l 累加器根据所选的位置应用标准限制当location = vessel 位置=容器时不允许使用摩尔流量和质量流量当location = vent accumulator 位置=放空累加器时只允许使用下列规定 l 某一指定组分的质量分率 l 某一指定组分的摩尔分率 l 某一指定组分的总摩尔数 l 某一指定组分的总质量

第10章泄压


当location=vent 位置=放空时只允许使用下列规定 l 某一指定组分的质量分率 l 某一指定组分的摩尔分率 l 放空的摩尔流量 l 放空的质量流量

动态方案的求解过程

要解决的问题是给定了容器中的初始条件泄压系统的描述以及进入容器的热流量计算通过泄压系统

的流量并确定泄压系统是否满足标准所需求的条件这个问题可按下面叙述的步骤来解决这个算法是用于Heat-Input和Fire Scenarios 热量输

入方案和明火方案的 1. 给出输入容器的热量在当前步中求解容器的能量平衡和闪蒸方程以及反应方程

式如果满足了任意终止标准即转到第6步规定终止标准的选项有 l 超出了方案时间 l 达到了规定的气相分率 l 容器容量已经达到了规定的值 l 容器中的压力高于所允许的最大值

2. 如果容器中的压力低于设备的敞口压力则增加时间并转到第一步 3. 计算通过泄压系统的最大可能流量计算这个值的方法是先找出系统中任意管线

或阀的最小直径然后算出通过这个直径的音速 4. 根据当前的流量估算值计算容器口终端的压力每段入口管之后的压力泄压设备

之后的压力以及每段尾管之后的压力如果某一段终点的压力小于了用户规定的排

出压力那么就不必进行下一段的计算 5. 如果泄压系统终点的压力在用户规定的排出压力容差范围内则增加时间并回到第

一步否则计算出一个通过泄压系统的新的流量推算值并返回到第四步

6. 随时给出流量值检查阻塞点的位置如果阻塞点不在安全阀上那么这个系统是

不可接受的检查是否违反了可应用的标准如果是这样的话那么这个系统就是

不可接受的

流量方程

管线流量这是通过不变径管线的流量通用微分方程

0sin2

42

2 =Φ+

++ dLgdLD

vfvdpGvdp 1

其中

v = 指定的物流体积 p = 物流的静流动压

第10章泄压


G = 每单位面积的质量流率 f = 摩擦因子 D = 管内直径 L = 管线的当量长度 g = 重力加速度 sin Φ = 竖向增加/管线的当量长度

只有在管线的当量长度与物理流动路线长度也就是只有管线没有接头或其它阻力

一样时 Φ才代表管线相对于水平面的物理角方程中的势能项假定竖向升高沿整个当量长

度平均分布例如你只有一个20米长的管线它总共升高了六米那么

3.0206sin ==Φ

如果同一个系统还含有一个相当于5米的管件阻力那么

3.0520

6sin =+

=Φ

方程 1 适用于任意流动系统全部气体非闪蒸液体闪蒸两相不闪蒸两相等

等求解这个方程就是找出压力 p 和物流规定体积 v 的正确关系这一关系是由所

选的约束类型确定的对于绝热流动定义的方程为

H+KE+PE=CONSTANT 其中

H = 物流的焓 KE = 物流的动能 PE = 物流的势能

在点1和点2之间

222111 PEKEHPEKEH ++=++

因此

PEKEHH ∆−∆−= 12

可以用ASPEN PLUS的闪蒸程序来计算点2的焓喷嘴流量

ASPEN PLUS在计算喷嘴流量时把该流量作为绝热流量来处理并假定喷嘴是没有摩

擦损失并且短得可以忽略势能影响的理想喷嘴然后再用一个校正因子流通系数 Cd对喷嘴理想化状态下算出的流量进行校正来算出实际流量无摩擦得流量用下式表示

Udu + vdp = 0 2 其中

u = 物流线性速率 v = 规定的物流体积

对于绝热流量

02

2

=

+++ PE

uPVUd

第10章泄压


其中 U = 内能 PV = 压力与体积的乘积

忽略PE 并把焓的定义 H = U + PV 并入这个等式得出 dH +udu = 0 3

合并式 2 和式 3 得出 dH = vdp 4

依据定义 dH = vdp 5

式 4 和式 5 服从

Tds = 0 或

ds = 0

因此绝热得无摩擦流动是等熵的将流量方程 2 积分可描述通过理想喷嘴的流量详细情况如下让p0 = 速度为零处 u0 = 0 的上游停滞压力让p1 = 流速增加到速度u时的喷嘴喉管压力这样方程 2 的积分式变为

∫−=1

01

2

21 p

p

vdpu

它可重写为注意 u = G v

∫−=1

0

221

2p

p

vdpvG 6

方程 6 提供了在给定上游停滞压力和正确的p-v关系它是等熵的的情况下计算通

过理想喷嘴流率的方法在将方程 6 从p0 到 p1求积分时出现的最大G说明在当前的p值下流动已被阻塞方程 6 还可用作在流动系统中管线或喷嘴转换停滞压力和静压

的方法

计算和收敛方法

ASPEN PLUS使用与模拟安全阀相同的方程来模拟停滞压力与流动压力的来回转换要

想十分精确地模拟这一转换应该向本章中喷嘴流量部分所介绍的方程 6 中那样来模拟

阀这个模型要求在方程 6 积分的每一点都进行等熵闪蒸这是非常费时间的计算因

此提供了几个加快计算速度的选项首先你可以选择通过喷嘴的等焓闪蒸而不是等熵闪蒸

这可以将计算速度提高一个数量级因为这样可通过一系列收敛于熵的等焓闪蒸来模拟等熵

闪蒸 ASPEN PLUS还提供了一个根据喷嘴积分期间的压力来计算摩尔体积的简捷方法这个方法

是由L. L. Simpson提出的并且可得到很好的结果它不是在积分的每一点都进行闪蒸计算来

求出摩尔体积而是只在开始时进行两次闪蒸计算然后再计算一些参数这些参数可使你

不用闪蒸即可算出其它压力下的摩尔体积

第10章泄压


容器保温可信因子

在使用Fire Standard 明火标准 API-520或者API-2000时你可能需要一个由下列公式

算出的保温层可信因子 ( )

tTfkF

210001660 −=

其中 k = 保温层的导热系数以在平均温度下每小时每平方英尺每华式度每英寸的

British 英制热量单位计 Tf = 在泄压条件下的容器介质温度以华式度计 t = 保温层的厚度以英寸计

假定k值为0.4 Tf值为0.0 下表给出了保温层厚度为不同值时的F值这些数据是从

API-2000标准得出的

保温层厚度 t F 因子

6 英寸 (152 毫米) 0.05 8 英寸 (203 毫米) 0.037 10 英寸 (254 毫米) 0.03 12 英寸 (305 毫米)或更厚 0.025

参考文献

Simpson, L.L., "Estimate Two-Phase Flow in Safety Devices," Chemical Engineering 化学工程 , August 八月 , 1991, pp. 页 98-102. 辅助读物

"Sizing, Selection, and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries" Part I - Sizing and Selection, API Recommended Practice 520, American Petroleum Institute 美国石油协会 , 1220 L Street Northwest, Washington, D.C. 20005. "Venting Atmospheric and Low Pressure Storage Tanks," (Non-refrigerated andRefrigerated), API Standard 2000, American Petroleum Institute 美国石油协会 , 1220 L Street Northwest,

Washington, D.C. 20005.

附录 A 塔板和填料的设计和核算

ASPEN PLUS 10 版单元操作模型 A-1

附录A 塔板和填料的设计和核算

ASPEN PLUS 具有对板式塔和填料塔进行设计核算以及执行压降计算的扩展功能

利用下列 Tray/Packing 塔板/填料窗口可输入其规定 l TraySizing 塔板设计 l TrayRating 塔板核算 l PackSizing 填料设计 l PackRating 填料核算这些功能在下列五个塔单元操作模型中是可用的

l RadFrac l MultiFrac l PetroFrac 你可以从下列五种通用塔板类型中进行选择 l Bubble caps 泡罩 l Sieve 筛板 l Glitsch Ballast Glitsch 重盘式塔板 l Koch Flexitray Koch 轻便型浮阀塔板 l Nutter Float Valve Nutter 浮阀塔板 ASPEN PLUS 可以模拟各种各样的不规则填料你还可以使用下列任意一种类型的规

则填料

l Goodloe l Glitsch Grid l Norton Intalox Structured Packing l Sulzer BX, CY, Mellapak, and Kerapak l Koch Flexipac, Flexeramic, Flexigrid ASPEN PLUS 在进行设计和核算计算时把塔分成段每段可以有不同的塔板类型填

料类型和直径塔板的详细资料可以因段而异一个塔可以有无限多段另外你可以用不

同的塔板类型和填料类型对同一段进行设计和核算计算只要能得到卖方建议的程序就根据该程序进行计算当得不到卖方建议的程序时则

使用非常确实的文献方法 ASPEN PLUS 计算诸如下列尺寸和性能参数 l 塔直径 l 液泛接近值或最大能力接近值 l 降液管滞留 l 压降这些参数是根据下列信息来计算的 l 塔负荷 l 传输性质 l 塔板的几何数据 l 填料特性你可以用算出的压降来更新塔的压力分布数据



单通道塔板和多通道塔板

你可以用 ASPEN PLUS 中的塔模型进行下列工作 l l 核算最多有四个通道的塔板一个通道两个通道三个通道和四个通道塔板的示意图如后面的四张图所示 ASPEN

PLUS 对所有塔盘都执行核算计算并给出核算计算的报告在规定 Weir 堰高度泡罩位置以及阀个数时可参见下表

对于规定

一个通道的塔板一个单一值

两个通道的塔板最多两个值塔盘 A 和 B 各有一个值

三个通道的塔板最多三个值每个塔盘 A B 和 C 各有一个值

四个通道的塔板最多四个值每个塔盘 A B C 和 D 各有一个值

泡罩个数和阀个数的值对于每个塔盘都适用例如两个通道的塔板对于塔板 AA 有两

个 A 塔盘塔板 BB 有两个 B 塔盘因此每个塔盘的泡罩数即为每个塔板的泡罩数除以

贰对于三个通道和四个通道的塔板也必须依此类推如果你只为多通道塔板规定了一个值那么对所有塔盘都使用这个值在规定降液管间隙和宽度时可参见下表

对于规定

一个通道的塔板一个单一的侧面降液管值

两个通道的塔板最多两个值一个是侧面降液管的值一个是中央降液管的值

三个通道的塔板最多两个值一个是侧面降液管的值一个是离开中心的降液

管的值

四个通道的塔板最多三个值一个是侧面降液管的值一个是中央降液管的值

还有一个是离开中心的降液管的值



图注

Column Diameter 塔直径

Outlet Weir Length 出口堰长度 DC-WTOP 降液管顶部宽度 DC-WBOT 降液管底部宽度 WEIR-HT 堰高度 DC-CLEAR 降液管间隙



图注 Column Diameter 塔直径

Outlet Weir Length 出口堰长度 DC-WTOP 降液管顶部宽度 DC-WBOT 降液管底部宽度 WEIR-HT 堰高度 DC-CLEAR 降液管间隙 DC-HT 降液管高度 Center Downcomer CTR.DC 中央降液管 Tray AA BB 塔板 AA BB Side Downcomer 侧面降液管 Panel A B 塔盘 A B



图注

Column Diameter 塔直径

Outlet Weir Length 出口堰长度 DC-WTOP 降液管顶部宽度 DC-WBOT 降液管底部宽度 WEIR-HT 堰高度 DC-CLEAR 降液管间隙 DC-HT 降液管高度 Center Downcomer CTR.DC 中央降液管 Tray AA BB 塔板 AA BB Side Downcomer 侧面降液管 Panel A.B.C 塔盘 A B C OFF-CTR.DC 离开中心的降液管



图注 Column Diameter 塔直径

Outlet Weir Length 出口堰长度 DC-WTOP 降液管顶部宽度 DC-WBOT 降液管底部宽度 WEIR-HT 堰高度 DC-CLEAR 降液管间隙 DC-HT 降液管高度 Center Downcomer CTR.DC 中央降液管 Tray AA BB 塔板 AA BB Side Downcomer 侧面降液管 Panel A.B.C 塔盘 A B C OFF-CTR.DC 离开中心的降液管

塔板的操作方式

ASPEN PLUS 提供了下列两种塔板操作的方式 l Sizing 设计 l Rating 核算无论使用这两种方式中的哪一种你都可以把塔分成任意段每段可以有不同的塔直径

塔板类型和塔板几何数据你可以用不同的塔板类型和/或填料类型来重新核算或者重新设

计同一段 ASPEN PLUS 一次只对一段执行计算使用设计模式时塔模型确定塔板直径来满足

你为每个级所规定的液泛近似值选择其中的最大直径



使用核算模式时你要规定塔段的直径和其它塔板详细资料对于每一级塔模型都计

算塔板性能和水力学信息如液泛接近值降液管滞留量以及压降

塔板的液泛计算

对于泡罩板和筛式板 ASPEN PLUS 提供了两种计算液泛接近值的程序第一种程序

是基于 Fair1 方法的第二种程序使用了用于重盘式塔板的 Glitsch 程序 2 这一程序将所算

得的液泛接近值降低 15%得出泡罩塔板的液泛接近值将所算得的液泛接近值降低 5%得出

筛式塔板的液泛接近值所有其它动力学计算都是基于 Fair 和 Bolles1,3 方法的对于设计计

算你还可以给出自己的程序方法见下表

=规定所在窗口

Flooding calculation method 液泛计算法 = USER TraySizing 或 PackSizing

子程序名 UserSubroutines 用户子程序

对于浮阀式塔板 Glitsch Ballast Koch Flexitray 和 Nutter Float Valve 塔板 ASPEN PLUS 使用从卖方的设计报告中得到的程序 2,4,5

泡罩式塔板的布局

RadFrac 只对塔板类型 CAPS 使用泡罩直径有效的输入值见下表

泡罩直径缺省的堰高度

英寸毫米英寸毫米

3 76.2 2.75 69.85

4 101.6 3.00 76.20

6 152.4 3.25 82.55

用泡罩直径可根据标准泡罩设计检索泡罩特性

对于直径为下列值的塔缺省值为

大于或等于 48 英寸 (1219.2 mm).

3 英寸(76.2 mm)

大于 48 英寸(1219.2mm) 4 英寸(101.6 mm)

下表列出了标准的泡罩设计值

材料不锈钢

公称尺寸英寸 3 4 6 泡罩 U.S.标准规格 16 16 16



OD 外径英寸 2.999 3.999 5.999 ID 内径英寸 2.875 3.875 5.875 整个高度英寸 2.500 3.000 3.750 槽数 20 26 39 槽型 Trapezoidal

梯形 Trapezoidal 梯形 Trapezoidal 梯

形

槽宽英寸底部 0.333 0.333 0.333 顶部 0.167 0.167 0.167 槽高英寸 1.000 1.250 1.500 箍环高度 0.250 0.250 0.250

材料不锈钢

公称尺寸英寸 3 4 6 升气管 U.S.标准规格 16 16 16 OD 外径英寸 1.999 2.624 3.999 ID 内径英寸 1.875 2.500 3.875 标准高度英寸 0.5-英寸裙高度 2.250 2.500 2.75 1.0-英寸裙高度 2.750 3.000 3.250 1.5-英寸裙高度 3.250 3.500 3.750 升气管-槽的密封英寸 0.500 0.500 0.500 泡罩面积英寸升气管 2.65 4.80 11.68 反向 4.18 7.55 17.80 环形的 3.35 6.38 14.55 槽 5.00 8.12 14.64 泡罩 7.07 12.60 28.30 面积比反向/升气管 1.58 1.57 1.52 环形/升气管 1.26 1.33 1.25 槽/升气管 1.89 1.69 1.25 槽/泡罩 0.71 0.65 0.52

塔板的压降计算

通常情况下 RadFrac MultiFrac 和 PetroFrac 模型把你输入得级数视为平衡级要完成

下列工作你必须输入总效率 l 把算出的每块塔板的压降转换为每个平衡级的压降



l 算出塔的压降如果你没有输入总效率这些模型假定效率为 100% 如果你规定了 Murphree 效率或汽

化效率就不要再输入总效率了 RadFrac MultiFrac 和 PetroFrac 模型将把级数作为实际塔

板处理

塔板的泡沫计算

Ballast 重盘式塔板的建议值见下表

应用系统的泡沫因子

非泡沫系统 1.00 氟系统 0.90 中等发泡剂如吸油剂胺和乙二醇再生剂

0.85

重发泡剂如胺和乙二醇吸收剂 0.73 剧烈发泡剂如 MEK 单元 0.60 泡沫稳定系统如苛性钠的再生剂 0.30

Flexitrays 轻便型浮阀塔板的建议值见下表


脱丙烷塔 0.85-0.95 吸收剂 0.85 真空塔 0.85 胺再生剂 0.85 胺接触器 0.70-0.80 高压脱乙烷塔 0.75-0.80 乙二醇接触器 0.70-0.75

Float 浮阀塔板的建议值见下表


无泡沫 1.00 低泡沫 0.90 中等泡沫 0.75 高泡沫 0.60

填料塔

填料计算是根据理论板的当量高度 HETP 来进行的 HETP=填料高度/级数 HETP是必需提供的你可以用下列方法之一来提供这个值 l 直接在 PackSizing 或 PackRating 窗口上输入它



l 在同一个窗口上输入填料高度

填料类型和填料因子

ASPEN PLUS 可以处理得填料类型非常广泛包括来自不同卖方的不同尺寸和材质的

填料对于乱堆填料其计算需要给出填料因子 ASPEN PLUS 把各类尺寸材料和卖方所

允许的填料因子保存在一个数据库中如果你提供了下列信息 ASPEN PLUS 就会自动为

计算检索出这些填料因子 l 填料类型 l 尺寸 l 材质你可以在 PackSizing 或 PackRating 窗口上规定卖方

规定这个卖方了吗 ASPEN PLUS 使用

Yes 由卖方公布的填料因子

No 从各种文献原始资料*,**汇编出的值 * Fair, J.R., et al., "Liquid-Gas Systems," Perry 抯 Chemical Engineers?Handbook, R.H. Perry and

D.Green, ed., 6th ed. (New York: McGraw Hill, 1984). ** Tower Packings, Bulletin No. 15 (Tokyo: Tokyo Special Wire Netting Company).

你可以直接输入填料因子来替换其内置值 ASPEN PLUS 用填料类型来选择适当的计

算程序

填料的操作方式

塔模型有两种填料操作方式 l 设计 l 核算无论使用这两种方式中的哪一种你都可以把塔分成任意段每段可以有不同的填料

你可以用不同的填料类型和/或塔板类型来重新核算或者重新设计同一塔段的尺寸 ASPEN PLUS 一次只对一段执行计算

使用设计模式时 ASPEN PLUS 根据下列数据来确定塔段的直径 l 最大能力的接近程度 l 你规定的设计能力因子你可以强加一个每单位高度填料的或每段的的最大压降作为辅助约束条件 ASPEN

PLUS 一旦确定了塔段的直径就会用算出的直径重新核算该段中的级使用核算模式时你要规定塔的直径 ASPEN PLUS 计算最大能力的接近值和压降

填料的最大能力计算

ASPEN PLUS 提供了几种计算最大能力的方法对于乱堆填料你可以使用下表中列



出的方法

方法所适用的填料类型

Mass Transfer, Ltd. (MTL)* MTL

Norton** IMTP

Koch*** Koch

Eckert 所有其它乱堆填料 * Cascade Mini-Ring Design Manual (Tokyo: Dodwell & Company, Ltd., 1984). ** Intalox High-Performance Separation Systems, Bulletin IHP-1 (Akron: Norton Company, 1987). *** McNulty, K.J., "Hydraulic Model for Packed Tower Design." Paper presented at the American Institute of

Chemical Engineers Spring Meeting in Houston, 1993.

对于规则填料 ASPEN PLUS 提供了每种类型的卖方程序如果你规定了最大能力因

子 ASPEN PLUS 跳过最大能力的计算最大能力接近值的定义因填料类型的不同而不同对于 Norton IMTP 和 Intalox 型规则

填料最大能力接近值指的是用分数表示的最大有效能力的接近值有效能力是指由于液体

雾沫而使填料效率降低的操作点有效能力大约在液泛点之下 10%到 20% 对于 Sulzer 型规则填料 BX CY Kerapak 和 Mellapak 最大能力接近值指的是用

分数表示的最大能力的接近值最大能力是指可获得 12 mbar/m 1.47 英寸水/英尺填料压

降的操作点在这种条件下有可能达到稳定操作但是气体负荷比达到最大分离效率时的

高与最大能力相对应的气体负荷为低于液泛点 5%到 10% Sulzer 建议通常的设计范围应

为接近液泛点的 0.5 和 0.8 之间对于所有其它填料最大能力的接近值指的是用分数表示的液泛点的接近值由于对最大能力接近值的定义有所不同因此对从不同卖方处购得的填料进行设计的结

果所依据的基准各不相同即使你用的是最大能力接近值的同一个值建议不要直接对来自

不同卖方的填料进行比较能力因子是

VL

VVSCSρρ

ρ−

=

其中 CS = 能力因子 VS = 到填料的表面蒸汽速度 ρV = 到填料的蒸汽的密度 ρL = 离开填料的液体的密度

填料的压降计算

对于乱堆填料 ASPEN PLUS 提供了几种内置的计算压降的方法

卖方压降方法

MTL 卖方*



Norton 卖方程序**,***,♦

Koch 卖方程序♦ ♦

未规定 Eckert GPDC♦ ♦ ♦ Norton GPDC**,***,♦ Prahl GPDC§ Tsai GPDC§§ * Cascade Mini-Ring Design Manual (Tokyo: Dodwell & Company, Ltd., 1984). ** Dolan, M.J. and Strigle, R.F., "Advances in Distillation Column Design," CEP, Vol.76, No.11(November

1980), pp. 78-83. *** Intalox High-Performance Separation Systems, Bulletin IHP-1 (Akron: Norton Company, 1987). ♦ Intalox Metal Tower Packing, Bulletin IM82 (Akron: Norton Company, 1979). ♦♦ McNulty, K.J., "Hydraulic Model for Packed Tower Design." Paper presented at the American Institute of

Chemical Engineers Spring Meeting in Houston, 1993. ♦♦♦ Fair, J.R., et al., "Liquid-Gas Systems," Perry 抯 Chemical Engineers?Handbook, R.H. Perry and

D.Green, ed., 6th ed. (New York: McGraw Hill, 1984), pp. 18-22. § McNulty, K.J. and Hsieh, C.L., "Hydraulic Performance and Efficiency of Koch Flexipac Structured

Packings." Paper presented at American Institute of Chemical Engineers Annual Meeting in Los

Angeles, 1982. §§ Tsai, T.C. "Packed Tower Program Has Special Features," Oil and Gas Journal, Vol. 83 No. 35

(September, 1985), p. 77.

如果你规定了卖方 ASPEN PLUS 就使用卖方的程序如果你没规定卖方你可以从

四种不同的压降计算法中选择一个如果你没规定方法 ASPEN PLUS 则使用 Eckert 通用

压降关系式(GPDC) 对于规则填料所有填料的卖方压降关系式都可得到参见下表

填料类型压降方法

Goodloe 卖方程序*

Glitsch Grid 卖方程序**

Norton Intalox Structured Packings 卖方程序***

Sulzer BX, CY, Mellapak, 和 Kerapak 卖方程序♦

Koch Flexipac, Flexeramic, 和 Flexigrid 卖方程序♦ ♦

* Goodloe, Bulletin 520A (Dallas: Glitsch, Inc., 1981). ** Glitsch Grid-Grid/Ring Combination Bed, Bulletin No. 7070 (Dallas: Glitsch, Inc., 1978). *** Norton Company, private communication, 1992. ♦ Spiegel, L. and Meier, W., "Correlations of the Performance Characteristics of the Various Mellapak

Types." Paper presented at the 4th International Symposium of Distillation and Absorption, Brighton,

England, 1987. ♦♦ McNulty, K.J., "Hydraulic Model for Packed Tower Design." Paper presented at the American Institute

of Chemical Engineers Spring Meeting in Houston, 1993.

填料的液体滞留量计算

ASPEN PLUS 对乱堆填料和规则填料都执行液体滞留量计算该计算使用 Stichlmair6



关系式 Stichlmair 关系式需要下列参数 l 填料的空隙分率和表面积 l 三个 Stichlmair 相关常数 ASPEN PLUS 在内置的填料数据库中为多种填料提供了这些参数如果缺少某一特殊

填料的这些参数 ASPEN PLUS 就不执行这种填料的液体滞留计算你还可以输入这些参数以给出缺少的值或者代替数据库中的值

压力分布数据的更新

你可以用下列方法更新压力分布数据 l 塔板和填料的核算模式算出的压降 l 填料的设计模式如果你选择了要更新压力分布数据塔模型会在求解塔描述方程的同时求解塔板或填料

的计算程序要在计算期间更新压力分布数据则在下列窗口上选上 Update Section Pressure Profile 更新段压力分布数据

l TrayRating l PackSizing l PackRating 此外你还可以把压力确定为塔顶或塔底压力并且可在上述窗口上规定这个选项级

压力变为附加变量 ASPEN PLUS用在Pres-Profile 压力分布数据窗口上给出的压力规定

来进行下列操作 l 初始化塔的压力分布数据 l 确定压力分布数据未被更新的级的压降

物性数据的需求

有几个通常不用于热平衡和质量平衡计算的物性在进行塔的设计和核算时却是必需的

这些性质是 l 液相密度和气相密度 l 液体的表面张力 l 液相粘度和气相粘度你为单元操作模型所规定的物性方法必须能够提供必需的性质数据另外对于塔中的

所有组分计算必需性质所需要的物性参数必须都能得到关于规定物性方法和确定性质参

数需求的详细信息参见 ASPEN PLUS用户指南第一卷中的性质描述部分

参考文献

1. Fair, J.R., et al., “Liquid-Gas Systems,” Perry’s Chemical Engineers' Handbook, R.H. Perry and D. Green, ed. 6thed., New York: McGraw Hill, 1984.

2. Ballast Tray Design Manual, Glitsch, Inc., Bulletin No. 4900, 3rded., Dallas:1980. 3. Smith, B.D., “Tray Hydraulics: Bubble Cap Trays” and “Tray Hydraulics: Perforated Trays,”

Design of Equilibrium Stage Processes, New York: McGraw Hill, 1963, pp. 474-569.



4. Koch Flexitray Design Manual, Koch Engineering Co., Inc. Bulletin No. 90, Wichita. 5. Nutter Float Valve Design Manual, Tulsa: Nutter Engineering Co., 1976. 6. Stichlmair, J., et al., "General Model for Prediction of Pressure Drop and Capacity of

Countercurrent Gas/Liquid Packed Columns," Gas Separation and Purification, Vol. 3 (1989), p. 22.

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单元操作模型参考手册 - Shandong University · 1- ASPEN PLUS 10 版 单元操作模型 第1章 混合器和分流器 本章说明混合和分离物流的单元操作模型

单元操作模型参考手册 - Shandong University · 1- ASPEN PLUS 10 版单元操作模型第1章混合器和分流器本章说明混合和分离物流的单元操作模型