aspen 設(shè)備工藝計(jì)算資料

Aspen設(shè)備工藝計(jì)算大學(xué)包宗宏化工流程設(shè)計(jì)、物料衡算、熱量衡算完成之后，化工工藝設(shè)計(jì)的另一重要工作是進(jìn)行設(shè)備的工藝計(jì)算、選型與核算，為車間布置設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)及非工藝設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供依據(jù)。設(shè)備的工藝計(jì)算、選型與核算知識(shí)與方法在多門化工專業(yè)基礎(chǔ)課程中都有介紹，這些基礎(chǔ)知識(shí)將有助于人們更好地使用ASPEN

PLUS軟件進(jìn)行化工設(shè)備的工藝計(jì)算。2大學(xué)包宗宏大學(xué)包宗宏大學(xué)包宗宏大學(xué)包宗宏；4.1塔設(shè)備））功功能能，，選用用，，包包括括55·ASPEN

PLUS軟件中的填料設(shè)計(jì)（Pack

sizing計(jì)算選用某種填料時(shí)的塔徑，共有40種填料供種典型的散堆填料和5種典型的規(guī)整填料。5種典型的散堆填料是：①拉西環(huán)（RASCHIG）②鮑爾環(huán)（PALL）；③階梯環(huán)（CMR）；④矩鞍環(huán)（INTX）；超級(jí)環(huán)（SUPER

RING）。6大學(xué)包宗宏4.1塔設(shè)備5種典型的規(guī)整填料是：①帶孔板波填料（MELLAPAK）；②帶孔網(wǎng)波填料（CY）；③帶縫板波填料（RALU-PAK）；④陶瓷板波填料（KERAPAK）；格柵規(guī)整填料（FLEXIGRID）。7大學(xué)包宗宏4.1塔設(shè)備ASPEN

PLUS軟件中的填料核算（Pack

rating）功能，計(jì)算給定結(jié)構(gòu)參數(shù)的填料的負(fù)荷情況，可供選用的填料類型與“填料設(shè)計(jì)”中相同。“填料設(shè)計(jì)”與“填料核算”配合使用，可以完成填料選型和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。84.1塔設(shè)備例4-1。分離一股芳烴混合物，其中含苯1272

kg/h，甲苯3179

kg/h，鄰二甲苯3383

kg/h，正丙苯321

kg/h，溫度50℃壓力3

bar。精餾塔塔頂壓力1.5

bar，塔底壓力2

bar。要求苯中甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.0005，塔底產(chǎn)物苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.005。求：⑴苯塔的理論塔板數(shù)、進(jìn)料位置、回流比、再沸器能耗；⑵如果精餾段的墨弗里效率（Murphree

Efficiencies）為0提餾段的墨弗里效率為0.75，試求滿足分離要求所需的塔板數(shù)加料板位置、回流比、再沸器能耗、水力學(xué)參數(shù)（Hydraulicparameters）；⑶填料塔設(shè)計(jì)。使用SULZER公司的MELLAPAK-250X型波

紋板規(guī)整填料，設(shè)等板高度0.3

m，求兩段塔徑、壓降和塔板大學(xué)上包宗的宏水力學(xué)數(shù)據(jù)；⑷篩板塔設(shè)計(jì)。進(jìn)行篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)篩孔直徑8

mm，板間距600

mm，堰高50

mm，降液管底隙50

mm，求兩段塔徑、壓降和塔板上的水力學(xué)數(shù)據(jù)。9大學(xué)包宗宏4.2換熱器化工生產(chǎn)中傳熱過程十分普遍，傳熱設(shè)備在化工流程中有重要的地位。物料的加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝、蒸餾等都需要通過換熱器進(jìn)行熱交換，換熱器是應(yīng)用最廣泛設(shè)備之一。ASPEN

PLUS軟件中有4種換熱器模型：①Heater，②HeatX，③MHeatX，④HXFlux。換熱器模型廣泛應(yīng)用于工藝流程模擬之中。多股物流的換熱器熱傳遞模型計(jì)算10大學(xué)包宗宏4.2換熱器ASPEN

ONE工程套件中的“Exchanger

Design

and

Rating”軟件中還有7種換熱器模型：①Aspen

Air

Cooled

Exchanger

(formerly

Aspen

ACOL+)；②Aspen

Fired

Heater

(formerly

Aspen

FiredHeater)；③Aspen

Plate

Fin

Exchanger；④Aspen

Shell

and

Tube

Exchanger

(formerly

Aspen

TASC+)Aspen

Shell

and

Tube

Mechanical

(formerly

Aspen

Teams)⑥Aspen

Plate

Exchanger

(formerly

Aspen

Plate+)；⑦Aspen

HTFS

Research

Network。11用EDR軟件設(shè)計(jì)換熱器需要提供的條件比ASPEN

PLUS多，但得到的計(jì)算結(jié)果也更多，能夠給出換熱器設(shè)備數(shù)據(jù)表和裝配圖，可以為工藝設(shè)計(jì)提供更多信息。4.2換熱器由于換熱設(shè)備應(yīng)用廣泛，大部分換熱器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化系列化。已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)系列的換熱器有：①列管式固定管板換熱器；②立式熱虹吸式再沸器；③浮頭式換熱器和冷凝器系列；④U型管式換熱器系列；⑤薄管板列管式換熱器系列；⑥不可拆式螺旋板換熱器系列；⑦BR0.1型波紋板式換熱器；⑧FP-G型復(fù)波傘板換熱器；⑨石墨換熱器系列等。大學(xué)包宗在宏換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)系列的換熱器，然后利用軟件的強(qiáng)大計(jì)算功能與軟件數(shù)據(jù)庫的強(qiáng)大信息容量對(duì)選擇的換熱器進(jìn)行反復(fù)核算。對(duì)換熱器的選型一般不能一蹴而就往往需要多次選擇、多次核算才能完成。124.2換熱器ASPEN

PLUS軟件及EDR軟件中采用的換熱器標(biāo)準(zhǔn)為美國的ETMA標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)設(shè)計(jì)換熱器時(shí)根據(jù)“鋼制管殼式換熱器”(GB151-1999)進(jìn)行。因此，在用軟件進(jìn)行換熱器選型核算時(shí)，應(yīng)該隨時(shí)查閱國家標(biāo)準(zhǔn)。另外，對(duì)于換熱器的兩側(cè)污垢熱阻的設(shè)置也需要根據(jù)具體情況查閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)。4.2.1冷凝器冷凝器是用于蒸餾塔頂物流的冷凝或者反應(yīng)器的冷凝循環(huán)回流的設(shè)備，包括分凝器和全凝器。分凝器用于多組份的冷凝，當(dāng)最終冷凝溫度高于混合組份的泡點(diǎn)，仍有一部分組分未冷凝，以達(dá)到再一次分離的目的。另一種為含有惰性氣體的多組分的冷凝，排出的氣體含有惰性氣體和未冷凝組份。大學(xué)包宗全宏凝器的最終冷凝溫度等于或低于混合組份的泡點(diǎn)，所有組份全部冷凝。一般地，冷凝器水平布置，汽相通過冷凝器的殼程，冷卻介質(zhì)(最常見是循環(huán)冷卻水)通過冷凝器的管程。13大學(xué)包包宗宗宏宏4.2換熱器例4-2.冷凝器計(jì)算。對(duì)例4-1中苯塔的冷凝器進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，設(shè)循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度為33~43℃，塔板效率為100%。解：14大學(xué)包宗宏4.2換熱器15大學(xué)包宗宏4.2.2再沸器再沸器再沸器用于使精餾塔底物料部分汽化、從而實(shí)現(xiàn)精餾塔內(nèi)汽液兩相間的熱量及質(zhì)量傳遞、為精餾塔正常操作提供動(dòng)力的設(shè)備。立式熱虹吸式臥式熱虹吸式強(qiáng)制循環(huán)式釜式內(nèi)置式16大學(xué)包包宗宗宏宏4.2.2再沸器例4-3.采用8

bar飽和水蒸氣作為加熱蒸汽,對(duì)例4-1中苯塔進(jìn)虹吸式再沸器的設(shè)計(jì)選型。解：17大學(xué)包宗宏4.2.2再沸器184.3反應(yīng)器對(duì)于存在化學(xué)反應(yīng)的化工過程，反應(yīng)器是整個(gè)化工工藝流程的核心，是化工裝置的關(guān)鍵設(shè)備，反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物。由于化學(xué)反應(yīng)種類繁多、機(jī)理各異，反應(yīng)器的類型和結(jié)構(gòu)也差異很大。反應(yīng)器操作性能的優(yōu)良與否，與設(shè)計(jì)過程息息相關(guān)。反應(yīng)工程課程對(duì)反應(yīng)器的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方程等均進(jìn)行了詳細(xì)地介紹。這些基礎(chǔ)理論不僅是手工設(shè)計(jì)反應(yīng)器的依據(jù)，也是編制各種模擬軟件的依據(jù)。由于涉及反應(yīng)器的各種設(shè)計(jì)方程異常繁復(fù)，手工計(jì)算往往令人望而卻步，或是采用簡化方法進(jìn)行19現(xiàn)在各種模擬軟件的普及，為反應(yīng)器的嚴(yán)格設(shè)計(jì)計(jì)算提供了條大學(xué)件包宗。宏反應(yīng)器模塊4.3反應(yīng)器生產(chǎn)能力類反應(yīng)器(化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器Rstoic，產(chǎn)率反應(yīng)器RYield)20平衡類反應(yīng)器(平衡反應(yīng)器Requil，吉布斯反應(yīng)器Rgibbs)動(dòng)力學(xué)類反應(yīng)器(全混流反應(yīng)器RCSTR，平推流反應(yīng)器Rplug，間歇式反應(yīng)器Rbatch)每種模塊采用一種計(jì)算方法，適應(yīng)一種反應(yīng)器設(shè)計(jì)需求。大學(xué)A包S宗P宏EN

PLUS的操作手冊(cè)中對(duì)這些模塊的使用有詳細(xì)的說明，下面對(duì)兩種動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)過程作一介紹。4.3.1釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器內(nèi)物料假定為理想混合，假定整個(gè)反應(yīng)器體積的組成和溫度是均勻的，并等于反應(yīng)器出口物流的組成和溫度。釜式反應(yīng)器通用性好，造價(jià)低用途廣，可以連續(xù)操作也可以間歇操作。間歇操作時(shí)，只要設(shè)計(jì)好攪拌，可以使釜溫均一，濃度均勻，反應(yīng)時(shí)間可長可短，可以常壓、加壓、減壓操作，范圍較大。反應(yīng)結(jié)束后出料容易，清洗方便。連續(xù)操作時(shí)，可以多釜串聯(lián)反應(yīng)，物料一端進(jìn)料，另一端大學(xué)包出宗料宏，形成連續(xù)流動(dòng)，停留時(shí)間可有效控制。多釜串聯(lián)時(shí)，可以認(rèn)為形成活塞流，反應(yīng)物濃度和反應(yīng)速度恒定，反應(yīng)釜還可以分段控制。214.3.1釜式反應(yīng)器例4-4．用釜式反應(yīng)器合成乙酸乙酯。正反應(yīng)方程式:CH3CH2OH

+

CH3COOH

→

CH3CH2COOCH3

+

H2O逆反應(yīng)方程式:CH3CH2COOCH3

+

H2O

→

CH3CH2OH

+

CH3COOH原料流率400

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

L。求：⑴乙醇的轉(zhuǎn)化率？⑵若要求乙醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.65，反應(yīng)釜體積需要多大？⑶若反應(yīng)釜體積140

L不變，反應(yīng)溫度在65~75℃范圍內(nèi)變化，乙醇轉(zhuǎn)化率如何變化？22大學(xué)包宗宗宏宏4.3.1釜式反應(yīng)器解：23大學(xué)包宗宏244.3.2管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器的特點(diǎn)是傳熱面積大，傳熱系數(shù)較高，反應(yīng)可以連續(xù)化，流體流動(dòng)快，物料停留時(shí)間短，可以控制一定的溫度梯度和濃度梯度。根據(jù)不同的化學(xué)反應(yīng)，可以有直徑和長度千差萬別的型式。此外，由于管式反應(yīng)器直徑較小(相對(duì)于反應(yīng)釜)因而能耐高溫、高壓。由于管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)品穩(wěn)定，它的應(yīng)用范圍越來越廣。管式反應(yīng)器可以用于連續(xù)生產(chǎn)，也可以用于間歇操作，反應(yīng)物不返混，管長和管徑是反應(yīng)器的主要指標(biāo)，反應(yīng)時(shí)間是管長的函數(shù)，管徑?jīng)Q定于物料的流量，反應(yīng)物濃度在管長軸線上，濃度梯度分布，不隨時(shí)間變化。大學(xué)包宗宏4.3.2管式反應(yīng)器例4-5．環(huán)戊二烯二聚管式反應(yīng)器工藝計(jì)算。用管式反應(yīng)器將液態(tài)輕苯餾分中的環(huán)戊二烯經(jīng)絕熱熱二聚反應(yīng)生成雙環(huán)戊二烯，要求環(huán)戊二烯的質(zhì)量轉(zhuǎn)化率不低于0.94。已知原料流率為1000

kg/h，溫度80℃，壓力600

kPa，組成和基本物性見附表。反應(yīng)方程式為：式中，活化能E的因次為kJ/kmol,濃度的因次為kmol/m32。54.3.2管式反應(yīng)器熱二聚反應(yīng)時(shí)為液態(tài)絕熱反應(yīng)，為降低副反應(yīng)速率，熱二聚反應(yīng)溫度應(yīng)控制<110℃。初步選擇兩個(gè)固定管板換熱器串聯(lián)作為管式反應(yīng)器，物料走管程。選擇的換熱器筒體直徑1600

mm，管長9000

mm，單管程，管子數(shù)3339根，管程截面積0.5901

m2。求：⑴當(dāng)環(huán)戊二烯質(zhì)量轉(zhuǎn)化率為0.94時(shí)反應(yīng)器的管長？⑵當(dāng)環(huán)戊二烯質(zhì)量轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率由0.84增加到0.94時(shí),反應(yīng)器體積、物料停留時(shí)間如何變化？大學(xué)⑶包宗若宏用90℃的冷卻水并流換熱，要求冷卻水出口溫度不超過10求冷卻水流率。26大學(xué)包宗宏4.3.2管式反應(yīng)器解：27大學(xué)包宗宏284.4流體輸送設(shè)備化工設(shè)計(jì)過程中常見的流體輸送設(shè)備是泵和壓縮機(jī)。泵是化工廠最常用的液體輸送設(shè)備，具有構(gòu)造簡單、便于維修、易于排除故障、造價(jià)低、系列化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。壓縮機(jī)用于氣體壓縮輸送，主要用于工藝氣體，氣動(dòng)儀表氣體、壓料過濾及吹掃管道等方面。壓縮機(jī)可分為離心式、螺桿式和往復(fù)式壓縮機(jī)。4.4.1離心泵在ASPEN

PLUS軟件模擬泵過程中，常用來指定出口壓力(Discharge

pressure)，并給定泵的水力學(xué)效率(Pump

Effici和驅(qū)動(dòng)機(jī)效率(Driver

Efficiency)，計(jì)算得到出口流體狀態(tài)和需的軸功率和驅(qū)動(dòng)機(jī)電功率。大學(xué)包宗宏4.4.1離心泵例4-6.離心泵輸送液態(tài)苯。用一離心泵輸送一股常壓、40℃、100

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