AspenPlus在化工过程模拟中实际应用.docx
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AspenPlus在化工过程模拟中实际应用
AspenPlus在化工过程模拟中的应用
第1章化工过程模拟概述-
Prop丙n-正iso-间、异
Meta-间
第2章AspenPlus模拟基础第3章流股的混合与分割过程模拟
第4章压力变送过程模拟
第5章分离设备模拟
第6章传热设备模拟第7章塔设备模拟第8章反应器模拟第9章固体操作设备模拟
第三章流股的混合与分割过程模拟
学习目的：
1、练习用AspenPlus进行流程仿真的基本步骤；
2、掌握物流混合模块Mixers/Splitters的用法。
内容：
课堂练习：
建立以下过程的AspenPlus仿真模型（exercise-3.1）：
已知：
将100m3/hr的低浓酒精（乙醇20%w,水80%w,40°C,1atm）与200m3/hr的高浓酒精（乙醇90%w,水10%w,30°C,2atm）混合，混合后物流平均分为三股，一股直接输出，第二股与100kg/hr的甲醇水溶液混合后（甲醇95%w，水5%w,450C,1.5bar）输出，第三股与80kg/hr的乙酸水溶液混合后（乙酸90%w,水10%w,350C,1.2bar）输出。
求：
三股输出物流的组成（摩尔分率与质量分率）和流量（摩尔流量及体积流量）分别是多少？
课后练习：
建立以下过程的AspenPlus仿真模型（exercise-3.2）：
1）将4000C,3bar下的1000m3/hr水蒸气、1000m3/hr二氧化碳和1000m3/hr甲醇等压混合,求混合气体的温度和体积流量。
2）将400°C,30bar下的1000m3/hr水蒸气、1000m3/hr二氧化碳和1000m3/hr甲醇等压混合,求混合气体的温度和体积流量。
3）将4000C,300bar下的1000m3/hr水蒸气、1000m3/hr二氧化碳和1000m3/hr甲醇等压混合,求混合气体的温度和体积流量。
在物性方法及模型（Propertymethods&modelS）设定中分别选用理想气体状态方程（Ideal）、Benedict-Webb-Rubin-Lee-Starling状态方程（BWR-LS）、Peng-Robinsohl犬态方程（Peng-Rob）、Redlik-Kwong-Soave状态方程（RK-Soave）作为基本方法（Basemethod进行以上计算，比较各方法所得的结果有何不同，将结果汇总编辑为MS-Word文档。
第四章压力变送过程模拟
学习目的：
掌握各压力变送模块的用法，包括压缩机、泵、阀门、管道等。
内容：
课堂练习：
建立以下过程的AspenPlus仿真模型：
1、将100m3/hr的水（25°C,1.5atm）用泵进行输送。
分别在如下情况下进行模拟。
a）.泵效为0.68,轴效率为0.96,要求泵出口压力为6bar。
（exercise-4.1-a）
b）.已知所用离心泵的特性参数如下表：
（exercise-4.1-b）
扬程（m）
59
54.2
47.8
43
流量（m/h）
70
90
109
120
泵效
0.645
0.69
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（50°C，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）
课后练习：
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©133M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
70
80
90
100
Cv
14
46
72
102
126
147
168
186
202
212
Xt
0.97
0.97
0.96
0.94
0.93
0.92
0.92
0.9
0.9
0.9
FI
0.79
0.79
0.77
0.75
0.73
0.71
0.71
0.69
0.68
0.68
求：
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©108X4勺无缝钢管作为输水管，进水管道长10m，需要安装1个90。
弯
转速
流量（m3/hr）
23
41.5
60
84
3000rpm
扬程（m）
113
107
96
69
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1500~2800rpmo
离心泵的特性曲线如下表。
求：
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）
效率（%）
63
68
71
67
转速
2500rpm
流量（m3/hr）
20
35
50
70
扬程（m）
76
72
64
44
效率（%）
64.5
69
69
66
转速
2000rpm
流量（m3/hr）
16.5
28
41
58
扬程（m）
51
48.5
43.5
30.5
效率（%）
62
64
65
63
第五章分离设备模拟
学习目的：
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。
内容：
课堂练习：
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120C、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20C、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20C、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°C含乙醇70%w、水30%w的物流与F=500kg/hr、P=0.8MPa、T=70C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=20C、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=20C）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=20C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:
0.02
正丁醇
0.01:
0.05:
0.92:
0.02
水
0.01:
0.02:
0.03:
0.94
求输出物流组成。
11、从F=500kg/hr、P=0.15MPaT=20C、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=30C、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）
课后练习：
建立以下系统的AspenPlus仿真模型
1、F=1000kg/hr、P=0.8MPa、T=100C含乙醇70%w、水30%w的物流与F=500kg/hr、P=0.6MPa、T=70C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%。
求：
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=25C）从含乙醇40%w、正己烷60%w的混合液（F=1000kg/hr、P=0.15MPa、T=25C）中萃取乙醇，要求乙醇的萃取率达到97%。
求：
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=25C、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。
求：
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=25C）
含水5%w,产品乙醇含水（期50』1）%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
学习目的：
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。
内容：
课堂练习：
建立以下系统的AspenPlus仿真模型
1、20C、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100C（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20C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%可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（20C、0.3MPa）。
离
开换热器的蒸汽冷凝水压力为0.28MPa、过冷度为2C。
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
L
L
C
C
C
V
V
V
冷测
L
B
V
L
B
V
L
B
V
2
U（W/m2）
1200
2000
100
2000
3000
150
100
150
70
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：
192mm，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）课后练习：
建立以下流程系统的AspenPlus仿真模型（Exercise-6.8）
已知：
1、20C、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10C、
2
0.11MPa、5000m/hr。
离开空气加热器的蒸汽冷凝水压力为0.38MPa、过冷度
2
为2C。
换热器传热系数为50W/m.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20C、0.11MPa、乙醇含量70%W,流量1000kg/hr。
离开乙醇加热器
2
的蒸汽冷凝水压力为0.38MPa、过冷度为2C。
换热器传热系数为1250W/m.K。
4、1000kg/hr生蒸汽被送到蒸汽过热器（5）加热到过热度100C（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。
求：
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
学习目的：
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。
内容：
课堂练习：
建立以下系统的AspenPlus仿真模型
1、含乙苯30%w、苯乙烯70%w的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30C）
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。
求：
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）
&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=20C）用甲醇（F=60t/hr、P=2.9MPa、T=-40C）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）
课后练习：
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。
（Exercise-7.16）
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C02:
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C02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-40C下送入吸收塔作吸收剂。
给出下列设计结果：
（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
学习目的：
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。
内容：
课堂练习：
建立以下系统的AspenPlus仿真模型
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14,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750C,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
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