AspenPlus在化工过程模拟中的应用

AspenPlus在化工过程模拟中的应用

目 录

第1章 流股的混合与分割过程模拟 第2章第3章第4章第5章第6章压力变送过程模拟 分离设备模拟 传热设备模拟 塔设备模拟 反应器模拟

第一章 流股的混合与分割过程模拟

学习目的：

1、练习用Aspen Plus 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Aspen Plus 仿真模型：

已知：将100m3/hr 的低浓酒精（乙醇20%w，水80%w，400C，1 atm）与200m3/hr的高浓酒精（乙醇90%w，水10%w，300C，2atm）混合，混合后物流平均分为三股，一股直接输出，第二股与100 kg/hr 的甲醇水溶液混合后（甲醇95%w，水5%w，450C，1.5 bar）输出，第三股与80 kg/hr 的乙酸水溶液混合后（乙酸90%w，水10%w，350C，1.2 bar）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Aspen Plus 仿真模型(exercise-3.2)：

1）将4000C，3 bar 下的1000m3/hr 水蒸气、1000 m3/hr 二氧化碳和1000 m3/hr 甲醇等压混合，求混合气体的温度和体积流量。

2）将4000C，30 bar 下的1000 m3/hr水蒸气、1000 m3/hr二氧化碳和1000 m3/hr甲醇等压混合，求混合气体的温度和体积流量。

3）将4000C，300 bar 下的1000 m3/hr水蒸气、1000 m3/hr二氧化碳和1000 m3/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（Property methods & 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-Robinson状态方程（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。

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第二章 压力变送过程模拟

学习目的：

掌握各压力变送模块的用法，主要包括压缩机和泵。 内容：

课堂练习：建立以下过程的Aspen Plus 仿真模型：

1、 将100m3/hr 的水（250C，1.5 atm）用泵进行输送，泵效为0.68，轴效率为

0.96，要求泵出口压力为6bar。试确定泵的功率。

2、 将100m3/hr 的乙烯（250C，1 atm）用压缩机进行等熵压缩至10atm后输送，

等熵效率为0.9，机械效率为0.72。试确定压缩机功率和出口气体温度。

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第三章 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Aspen Plus 仿真模型

1、 流量为1000 kg/hr、压力为0.11 MPa、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。

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。 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。

4、 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。

5、 F=500kg/hr、P=0.8MPa、T=100℃含乙醇70%w、水30%w的物流与F=500 kg/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。

6、 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。 7、 用水（P= 0.2 MPa、T=20℃、F=500 kg/hr）从含乙醇40 %w、正己烷60%w

的混合液（F=500 kg/hr、P= 0.2 MPa、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。

8、 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。

9、 把F=500 kg/hr、P= 0.15 MPa、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：

乙醇 0.96 : 0.02 : 0.01 : 0.01 正丙醇 0.01 : 0.95 : 0.02 : 0.02

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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。 10、

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。

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第四章 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Aspen Plus 仿真模型

1、 20℃、0.41 MPa、4000 kg/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。

2、 1000 kg/hr（0.4MPa）的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热到过热度100℃（0.39

MPa），求过热蒸汽温度和所需供热量。

3、 流量为1000 kg/hr、压力为 0.11 MPa、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。 4、 流量为100 kg/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。

5、 求压力为0.2 MPa，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。

6、 用1200 kg/hr饱和水蒸汽(0.3MPa)逆流加热2000 kg/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 冷测

L L

L B 2000

L V 100

C L 2000

C B 3000

C V 150

V L 100

V B 150

V V 70

U(W/m2) 1200

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课后练习：建立以下流程系统的Aspen Plus 仿真模型 已知：

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、5000m/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/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/m.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。 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？

2

2

2

AIR-HHX-AIRETH-CETH-HSUP-STEAIR-CHT-STEHX-ETHSTE-AIRSTE-ETHW-AIRP-REW-LW-ETHP-INW-HIMIX2STE-HTW-FRHIW-FRW-MIXSTE-1SPL-1STE-2SPL-2STE-3SPL-3SAT-STEMIX-1BOIL

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第五章 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Aspen Plus 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=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。求：Rmin，NTmin，R=1.5 Rmin 时的R、NT和NF。

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。

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。

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。

5、如将课堂练习1的塔压调到0.01 MPa，全塔压降0.005 MPa，试求满足分离要求所需的回流比和馏出物流量。

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。

7、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。

8、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。

9、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2.8 MPa 下操作，每块塔板上的压降0.0015Pa。求出塔气体中的CO2浓度。 10、

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。 11、

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

8

收剂（甲醇）用量与理论板数的关系。 12、

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。 13、

将课堂练习13所得到的吸收富液减压到0.15 MPa进行闪蒸，低压液体

再进入脱吸塔在0.12 MPa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。 14、

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 500 kg/hr。采用逆流连续萃取塔，在 0.12 MPa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。 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： 323.15 K； 全塔压降： 0.011 MPa；

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：

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 Koch Flexitray 和Glistch Ballast 塔板时的塔径和板间距。

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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2.9 MPa， 冷却到-40 °C 下送入吸收塔作吸收剂。 给出下列设计结果： 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。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bexf.html