AspenPlus在化工过程模拟中实际应用Word文档格式.docx
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59
54.2
47.8
43
流量(m3/h)
70
90
109
120
泵效
0.645
0.69
0.66
允许吸上真空度(m)
5.0
4.5
3.8
3.5
2、计算5000kg/hr的饱和水蒸汽(7atm)经过管线(绝热,长20m,内径100mm,粗糙度0.05mm)输送到5m高处后的压力降和温度降。
(exercise-4.2)
3、计算100m3/hr的水(500C,5bar)经过如下管线后(从A点到G点)的出口压力。
各点坐标为:
A(0,0,0),B(5,0,0),C(5,5,0),D(15,5,0),E(15,0,0),F(15,0,10),G(20,0,10)。
管线直径均为0.1m,粗糙度为0.00005m。
(exercise-4.3)
建立以下系统的AspenPlus仿真模型。
(exercise-4.4)
1、已知:
将20°
C的水从蓄水池输送到高位水池,环境地理位置如下图所示。
管道采用φ133×
4的无缝碳钢管。
所用离心泵的特性参数在课堂练习1中给出。
泵出口安装一只V500系列的等百分比流量截止阀(GlobeValve)调节流量。
不同阀门开度下阀的流通系数Cv,压降比例因子Xt和压力补偿因子FI如下表所示。
开度(%)
10
20
30
40
50
60
80
100
Cv
14
46
72
102
126
147
168
186
202
212
Xt
0.97
0.96
0.94
0.93
0.92
0.9
FI
0.79
0.77
0.75
0.73
0.71
0.68
1、最大输送流量(m3/hr)及相应的轴功率。
(此时阀全开)
2、阀门开度为20%时的流量及相应的轴功率。
2、某吸收塔用293.15K的清水作为吸收剂,正常用量为50m3/hr。
清水贮槽液面至吸收塔顶加料口的垂直高度为40m。
清水贮槽内压力为0.1013MPa,吸收塔内压力为0.3MPa。
初步设计方案如下(参见下图):
使用φ108×
4的无缝钢管作为输水管,进水管道长10m,需要安装1个90°
弯头(Elbow)和2只闸阀(GateValve);
出水管道长55m,需要安装6个90°
弯头,2只闸阀;
离心泵入口的安装高度比清水贮槽液面低0.5m。
为降低能耗,采用变频电动机改变离心泵转速来调节输送流量,转速变化范围为1500~2800rpm。
离心泵的特性曲线如下表。
1)最大输水量;
(exercise-4.5-a)
2)输水量为正常用量时离心泵所需的转速、轴功率和泵出口压力;
(exercise-4.5-b)
3)输水量为50%正常用量时离心泵所需的转速、轴功率和泵出口压力。
(exercise-4.5-c)
转速3000rpm
流量(m3/hr)
23
41.5
84
113
107
96
69
效率(%)
63
68
71
67
转速2500rpm
35
76
64
44
64.5
66
转速2000rpm
16.5
28
41
58
51
48.5
43.5
30.5
62
65
第五章分离设备模拟
掌握各分离设备模块的用法,包括闪蒸、蒸发、萃取和简单分离设备。
建立以下系统的AspenPlus仿真模型
1、流量为1000kg/hr、压力为0.11MPa、含乙醇70%w、水30%w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝,冷凝物流的汽/液比(摩尔)=1/3。
求离开冷凝器的汽、液两相的温度和组成。
(Exercise-5.1)
2、流量为1000kg/hr、压力为0.5MPa温度为120℃、含乙醇70%w、水30%w的物料绝热闪蒸到0.15MPa。
求离开闪蒸器的汽、液两相的温度、流量和组成。
(Exercise-5.2)
3、流量为1000kg/hr、压力为0.2MPa温度为20℃、含丙酮30%w、水70%w的物料进行部分蒸发回收丙酮,求丙酮回收率为90%时的蒸发器温度和热负荷以及汽、液两相的流量和组成。
(Exercise-5.3)
4、流量为1000kg/hr、压力为0.2MPa温度为20℃、含丙酮30%w、水70%w的物料进行部分蒸发回收丙酮,蒸发器热负荷为250kW。
分析液沫夹带对汽相丙酮分率和丙酮回收率的影响。
(Exercise-5.4)
5、流量为1000kg/hr、压力为0.11MPa、含乙醇30%w、正己烷30%、水40%w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝,冷凝物流的汽/液比(摩尔)=1/9。
求离开冷凝器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。
(Exercise-5.5)
6、F=500kg/hr、P=0.8MPa、T=100℃含乙醇70%w、水30%w的物流与F=500kg/hr、P=0.8MPa、T=70℃含正己烷60%、乙醇40%w的物流在闪蒸器中混合并绝热闪蒸到P=0.11MPa,求离开闪蒸器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。
(Exercise-5.6)
7、在课堂练习6中分别设置乙醇和己烷为关键组份,观察输出结果有什么变化。
8、用水(P=0.2MPa、T=20℃、F=500kg/hr)从含乙醇40%w、正己烷60%w的混合液(F=500kg/hr、P=0.2MPa、T=20℃)中萃取乙醇,求:
乙醇的萃取率,以及萃取相和萃余相的组成。
(Exercise-5.8)
9、第8例中乙醇的萃取效率为90%时的需要的水流量,以及萃取相和萃余相的组成。
(Exercise-5.9)
10、把F=500kg/hr、P=0.15MPa、T=20℃含乙醇30%w、正丙醇20%w、正丁醇10%w、水40%w的物流分成四股输出物流,各组份在输出物流中的分配比例为:
(Exercise-5.10)
乙醇0.96:
0.02:
0.01:
0.01
正丙醇0.01:
0.95:
0.02
正丁醇0.01:
0.05:
0.92:
水0.01:
0.03:
0.94
求输出物流组成。
11、从F=500kg/hr、P=0.15MPa、T=20℃、含乙醇60%w、正丙醇25%w、正丁醇15%w的物流中回收乙醇,要求:
1).乙醇浓度达到98%w、正丁醇含量不大于1%w;
2).乙醇回收率达到95%。
求输出物流的组成和流量。
(Exercise-5.11)
12、同课堂练习11,如果分离过程是在精馏塔中实现,塔顶出料是0.11MPa的饱和蒸汽,塔底出料是0.13MPa的饱和液体,求输出物流的温度和体积流量。
(Exercise-5.12)
13、采用膜分离装置制取富氧空气。
原料空气T=30℃、P=1.013bar、F=500kmol/hr,经压缩机加压到4.5bar后进入膜分离组件,出口压强1.1bar。
已知膜分离组件的性能与进、出口压差及进口流量的关系由下式描述:
求富氧空气的氧浓度和体积流量,及其与进口压强的关系。
(Exercise-5.13)
1、F=1000kg/hr、P=0.8MPa、T=100℃含乙醇70%w、水30%w的物流与F=500kg/hr、P=0.6MPa、T=70℃含正己烷60%、乙醇40%w的物流在闪蒸器中绝热闪蒸到P=0.11MPa。
轻液相在汽相中的液沫夹带率为5%,重液相在汽相中的液沫夹带率为1%。
离开闪蒸器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。
(Exercise-5.14)
2、用水(P=0.15MPa、T=25℃)从含乙醇40%w、正己烷60%w的混合液(F=1000kg/hr、P=0.15MPa、T=25℃)中萃取乙醇,要求乙醇的萃取率达到97%。
1)需要的水流量,以及萃取相和萃余相的组成;
(Exercise-5.15)
2)乙醇分离效率对需要的水流量和萃取相组成的影响。
3、用精馏塔从F=1000kg/hr、P=0.14MPa、T=25℃、含乙醇60%w、正丙醇25%w、正丁醇15%w的物流中回收乙醇,要求:
1)回收物流的乙醇浓度达到98%w、正丁醇含量不大于0.5%w;
2)乙醇回收率达到97%。
塔顶出料是0.12MPa的饱和蒸汽,塔底出料是0.14MPa的饱和液体。
输出物流的组成、温度和体积流量。
(Exercise-5.16)
4、渗透汽化膜分离装置被用于制取高浓度乙醇。
原料乙醇(P=0.15MPaT=25℃)含水5%w,产品乙醇含水(0.050.01)%w。
渗透膜的分离面积为100m2,汽化侧的压强为0.2bar。
装置内的加热系统使料液始终维持在泡点温度。
料液侧的流动压降为0.5bar,膜的平均渗透速率为:
式中为料液侧进口压强(<
6bar)与汽化侧压强之差。
表观分离因子为:
式中Pw和Pe是汽化侧的水和乙醇分压,xw和xe是料液侧进口的水和乙醇摩尔分率。
如果要达到100kg/hr的高浓乙醇产量,试求渗透膜料液侧的进口压强进口温度和出口温度。
(Exercise-5.17)
第六章传热设备模拟
掌握各传热换热设备模块的用法,包括加热器、冷凝器、换热器。
1、20℃、0.41MPa、4000kg/hr流量的软水在锅炉中加热成为0.39MPa的饱和水蒸气进入生蒸汽总管。
求所需的锅炉供热量。
(Exercise-6.1)
2、1000kg/hr(0.4MPa)的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热到过热度100℃(0.39MPa),求过热蒸汽温度和所需供热量。
(Exercise-6.2)
3、流量为1000kg/hr、压力为0.11MPa、含乙醇70%w、水30%w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝,冷凝物流的汽/液比(摩尔)=1/3。
求冷凝器热负荷。
(Exercise-6.3)
4、流量为100kg/hr、压力为0.2MPa、温度为20℃的丙酮通过一电加热器。
当加热功率分别为2、5、10和20kW时,求出口物流的状态。
(Exercise-6.4)
5、求压力为0.2MPa,含甲醇30%w、乙醇20%w、正丙醇20%w、水30%w的混合物的泡点和露点。
(Exercise-6.5)
6、用1200kg/hr饱和水蒸汽(0.3MPa)逆流加热2000kg/hr甲醇(20℃、0.3MPa)。
离开换热器的蒸汽冷凝水压力为0.28MPa、过冷度为2℃。
换热器传热系数根据相态选择,对数平均温差校正因子取常数0.95。
求甲醇出口温度、相态、需要的换热面积。
换热系数指定值如下表所示,其中L表示Liquid,B表示Boling,C表示Condensing,V表示Vapor。
(Exercise-6.6)
热侧相态
L
C
V
冷测
B
U(W/m2)
1200
2000
3000
150
7、对课堂练习6选用下述换热器进行详细核算:
外壳直径:
325mm,公称面积:
10m2,管长:
3m,管径:
φ19⨯2mm,管数:
76,排列方式:
正三角,管程数:
2,壳程数:
1,折流板间距:
150mm,折流板缺口高度:
79mm。
(Exercise-6.7)
建立以下流程系统的AspenPlus仿真模型(Exercise-6.8)
1、20℃、0.1013MPa、2000kg/hr流量的软水用冷水泵
(1)加压到0.41MPa后与同样压力的循环冷凝水混合后进入锅炉
(2),加热成为0.4MPa的饱和水蒸气进入生蒸汽总管;
2、生蒸汽的10%被分流送到空气加热器(3)加热空气。
冷空气参数为10℃、0.11MPa、5000m2/hr。
离开空气加热器的蒸汽冷凝水压力为0.38MPa、过冷度为2℃。
换热器传热系数为50W/m2.K。
3、剩余生蒸汽的10%被分流送到乙醇加热器(4)加热乙醇水溶液。
冷乙醇水溶液参数为20℃、0.11MPa、乙醇含量70%W,流量1000kg/hr。
离开乙醇加热器的蒸汽冷凝水压力为0.38MPa、过冷度为2℃。
换热器传热系数为1250W/m2.K。
4、1000kg/hr生蒸汽被送到蒸汽过热器(5)加热到过热度100℃(压力0.38MPa)。
5、空气加热器和乙醇加热器排出的冷凝水混合后用热水泵(6)加压到0.41Mpa循环到锅炉供水系统。
1、热空气的温度,空气加热器的传热面积和热负荷;
2、热乙醇的温度和蒸汽分率,乙醇加热器的传热面积和热负荷;
3、过热蒸汽的温度,蒸汽过热器的热负荷;
4、锅炉热负荷和富余蒸汽流量;
5、如果要求将乙醇刚好加热到泡点温度,则乙醇加热器的传热面积及加热蒸汽流量应为多少?
(Exercise-6.8b)
第七章塔设备模拟
掌握各种以下塔设备的模拟方法:
气液吸收塔、解吸塔、精馏塔、萃取塔。
1、含乙苯30%w、苯乙烯70%w的混合物(F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30︒C)用精馏塔(塔压0.02MPa)分离,要求99.8%的乙苯从塔顶排出,99.9%的苯乙烯从塔底排出,采用全凝器。
Rmin,NTmin,R=1.5Rmin时的R、NT和NF。
(Exercise-7.1)
2、绘制课堂练习1的NT~R关系图,根据该图选取合理的R值,求取相应的NT、NF、冷凝器和再沸器的温度和热负荷。
(Exercise-7.2)
3、根据课堂练习2的结果,选取R=25、NT=61、NF=36用Distl进行核算。
再选取NF=20进行核算。
(Exercise-7.3)
4、根据课堂练习2的结果,选取R=25、NT=61、NF=36用RadFrac进行核算。
再选取最佳进料板位置进行核算。
(Exercise-7.4)
5、如将课堂练习1的塔压调到0.01MPa,全塔压降0.005MPa,试求满足分离要求所需的回流比和馏出物流量。
(Exercise-7.5)
6、如果课堂练习5中的精馏段的墨弗里效率为0.45,提馏段的墨弗里效率为0.55,试求满足分离要求所需的塔板数和加料板位置。
(Exercise-7.6)
7、在课堂练习6的基础上选定性质选项中的包括水力学参数,计算后查看结果。
(Exercise-7.7)
8、在课堂练习6的基础上进行塔板设计和塔板核算,分别选用浮阀塔板和弹性浮阀塔板计算后对比结果。
(Exercise-7.8)
9、在课堂练习5的基础上进行填料设计和填料核算,分别选用MELLPAK和RALU-PAK计算后对比结果。
(Exercise-7.9)
10、摩尔组成为CO2(12%)、N2(23%)和H2(65%)的混合气体(F=1000kg/hr、P=2.9MPa、T=20︒C)用甲醇(F=60t/hr、P=2.9MPa、T=-40︒C)吸收脱除CO2。
吸收塔有30块理论板,在2.8MPa下操作,每块塔板上的压降0.0015Pa。
求出塔气体中的CO2浓度。
(Exercise-7.10)
11、在课堂练习10的基础上求使出塔气体中的CO2浓度达到1.0%所需的吸收剂(甲醇)用量。
(Exercise-7.11)
12、在课堂练习11的基础上求使出塔气体中的CO2浓度达到1.0%所需的吸收剂(甲醇)用量与理论板数的关系。
(Exercise-7.12)
13、对课堂练习10所示的混合气体的吸附过程,选用10块理论板,求使出塔气体中的CO2浓度达到1.0%所需的吸收剂(甲醇)用量以及采用典型塔板和填料时的塔径。
(Exercise-7.13)
14、将课堂练习13所得到的吸收富液减压到0.15MPa进行闪蒸,低压液体再进入脱吸塔在0.12MPa下用氮气进行气提脱吸,要求出塔贫液中的CO2浓度达到0.1%。
求合理的理论板数、所需氮气流量、采用不同塔板和填料时的脱吸塔尺寸、压降和负荷情况。
(Exercise-7.14a~d)
15、用甲基异丁基甲酮(CH3COC4H9)从含丙酮45%w的水溶液中萃取回收丙酮,处理量500kg/hr。
采用逆流连续萃取塔,在0.12MPa下操作。
求萃取塔理论板数和萃取剂用量对萃余相中丙酮浓度的影响。
(Exercise-7.15)
1、根据以下条件设计一座分离甲醇、水、正丙醇混合物的连续操作常压精馏塔。
生产能力:
4000吨精甲醇/年;
原料组成:
甲醇70%,水28.5%,丙醇1.5%;
产品组成:
甲醇≥99.9%;
废水组成:
水≥99.5%;
进料温度:
323.15K;
全塔压降:
0.011MPa;
所有塔板的Murphree效率Emv=0.35。
(注:
组成均为质量百分率)
给出下列设计结果:
(Exercise-7.16)
1、进料、塔顶产物、塔底产物、侧线出料流量;
2、全塔总塔板数N;
3、最佳加料板位置NF;
4、最佳侧线出料位置NP;
5、回流比R;
6、冷凝器和再沸器温度;
7、冷凝器和再沸器热负荷;
8、使用KochFlexitray和GlistchBallast塔板时的塔径和板间距。
2、用甲醇在低温和加压条件下吸收合成气里的二氧化碳。
原料合成气的温度为20°
C,压力为2.9MPa,流量为1000kmol/hr,摩尔组成为CO2:
12%;
N2:
23%;
H2:
65%。
吸收剂甲醇再生通过处理后循环使用。
已知条件:
1)经吸收处理后的净化合成气中的CO2浓度降低到0.5%;
2)离开吸收塔的甲醇富液减压到0.15MPa,闪蒸释放出的CO2用作生产尿素的原料,闪蒸后的液体送到解吸塔用30°
C的N2气提进行再生处理;
3)再生后的甲醇贫液中残余CO2控制为0.1%,加压到2.9MPa,冷却到-40°
C下送入吸收塔作吸收剂。
(Exercise-7.17)
1)构建合理的工艺流程;
2)确定吸收塔和解吸塔的理论塔板数;
3)确定进入吸收塔的吸收剂流量;
4)确定进入解吸塔的N2流量;
5)甲醇消耗量。
第八章反应器模拟
掌握如下类型反应器的模拟方法:
计量反应器、产率反应器、平衡反应器、Gibbs反应器、全混流反应器、平推流反应器和间歇反应器。
1、甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为:
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:
4,流量为100kmol/hr。
若反应在恒压及等温条件下进行,系统总压为0.1013MPa,温度为750℃,当反应器出口处CH4转化率为73%时,CO2和H2的产量是多少?
反应热负荷是多少?
(计量反应器,Exercise-8.1)
2、反应和原料同课堂练习1,若反应在恒压及绝热条件下进行,系统总压为0.1013MPa,反应器进口温度为950℃,当反应器出口处CH4转化率为73%时,反应器出口温度是多少?
(计量反应器,Exercise-8.2)
3、在课堂练习1中增加甲烷部分氧化反应如下式:
并在原料气中加入15kmol/hr的氧气。
若上述两个反应中CH4转化率均为43%时,产品物流中CO、H2O、CO2和H2的流量各是多少?
(Exercise-8.3a)如果将反应设为串联进行,上述流量又各是多少?
(Exercise-8.3b)以上两个反应的反应热各是多少?
4、对课堂练习1中所示的反应,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比