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1、第6章 Hysys在化工设备设计中的应用,-精馏塔水力学计算,一、塔设备的一般要求 工艺性能好；生产能力大；操作稳定性好；能量消耗少 结构合理；选材要合理；安全可靠。,第一节 塔设备的应用及类型,塔设备的分类 按操作压力分：常压塔、减压塔、加压塔 按生产单元分：吸收塔、精馏塔、萃取塔、干燥塔、洗涤塔 按塔的内件结构分：板式塔、填料塔 板式塔 内部有一定数量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔盘上的液层，使气液两相充分接触，进行传质。气液两相的组份浓度呈阶梯式变化。填料塔 内部填有一定高度的填料，液体自塔的上部沿填料表面向下流动，气体作为连续相自塔底向上流动，与液体进行逆流传质。气液两相
2、的组份浓度沿塔高连续变化。,板式塔结构,填料塔结构,二 板式塔,板式塔塔盘的形式及特点 板式塔塔盘的形式 泡罩形、浮阀形、筛板形、舌形、浮动喷射形 泡罩塔盘（Bubble Cap）,泡罩塔盘1升气管；2泡罩；3塔盘板,浮阀塔盘（Valve）,浮阀塔盘气液接触状况,筛板塔盘,Dual Flow Tray,筛板塔盘示意图,舌形和浮舌塔盘,塔板的比较,塔板性能比较,成本,泡罩板,1.0,1.0,10100,高,复杂,筛板,1.21.4,1.1,35100,低,简单,浮阀板,1.21.3,1.11.2,10100,中,一般,舌型塔板,1.31.5,01.1,50100,低,最简单,斜孔板,1.51.8
3、,1.1,30100,低,简单,各种塔板的优点及适用范围,适用范围,泡罩板,较成熟，操 作范围宽,结构复杂，阻力大，生产能力低,浮阀板,效率高，操 作范围宽,采用不锈钢，浮阀易脱落,筛板,效率较高，成本低,安装要求水平,易堵,操作范围窄,舌型板,结构简单,生产能力大,操作范围窄，效率较低,斜孔板,生产能力大,效率高,操作范围比浮阀塔和泡罩塔窄,塔板上的异常操作现象,1）漏液,漏液,两相在塔板上的接触时间,板效率,控制：漏液量不大于液体流量的10%。,漏液气速：,漏液量达到10%的气体速度。,板式塔操作的气速下限,原因：,气速太小、板面上液面落差引起的气流分布不均匀,2）液沫夹带,影响因素空塔气
4、速：空塔气速减小，液沫夹带量减小塔板间距：板间距增大，液沫夹带量减小,现象：,液滴随气体进入上层塔板。,后果：,过量液沫夹带，造成液相在板间的返混，板效率下降,控制：,液沫夹带量eV0.1kg(液)/kg(气)。,3）液泛,夹带液泛,降液管液泛,原因：,气液两相流速过大,影响因素：,流量、塔板结构,板间距大,液泛速度高,塔板效率,1、塔板效率的表示法,1）总板效率ET(全塔效率）,达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层数的比值。,简单地反映了整个塔内的平均传质效果。,2）单板效率EM(默弗里效率),直接反映该层塔板的传质效果,3）点效率EO,试比较点效率与单板效率、全塔效率,2、塔板效率的估
5、算,1）影响塔板效率的因素,a）物系性质：粘度、密度、表面张力及相对挥发度等。b）塔板结构：塔径、板间距、堰高及开孔率等。c）操作条件：温度、压强、气体上升速度及气液流量比。,2）板效率的估算,注意公式适用条件,Overall Tray Efficiencies,三、填料塔,填料及支承结构 填料的种类 散装填料 规整填料 格栅填料,散堆填料,规整填料,第二节 Hysys板式塔设计-水力学计算,降液管,受液区,溢流堰,溢流堰,俯视图,Down Comer,Weir,Hole,Calming Zone,板式塔设计,设计内容：塔高 塔径 溢流装置的结构与尺寸 确定塔板板面布置 塔板的校核 绘制负荷性
6、能图（沈复教授提出，国内广泛使用）,填料塔设计,设计内容：塔高 塔径填料类型填料段总高度填料段分段高度气体分布器/液体分布器水力学核算泛点率液体喷淋密度,塔设计,1塔高的计算N实实际塔板数；板间距,塔设计,板间距的确定 板间距的数值大都是经验值。在决定板间距时还应考虑安装检修的需要，例如在塔体的人孔手孔处应留有足够的工作空间。在设计时可参考下表选取。表 不同塔径的板间距参考值 塔顶空间高度是指塔顶第一块塔板到顶部封头切线的距离。为了减少出口气体中夹带的液体量，这段高度常大于一般塔板间距，通常取 1.21.3米。当再沸器在塔外时，塔底空间高度是指最末一块塔板到塔底封头切线的距离。液体自离开最末一
7、块塔板至流出塔外，需要有1015分钟的停留时间，据此由釜液流量和塔径即可求出此高度。,塔设计,2塔径的计算 根据圆管内流量公式，塔径可表示为 式中 塔径，m；塔内汽相流量，m3/s；空塔汽速，m/s。显然，计算塔径的关键在于确定适宜的空塔汽速，所谓空塔汽速是指汽相通过塔整个截面时的速度。设计时，一般依据产生严重液沫夹带时的汽速来确定，该汽速称为极限空塔汽速，用 表示。,塔设计,式中:C 汽相负荷因子，m/s。L,V 液、汽相密度，m3。塔径圆整：0.3,0.4,0.5,0.6、0.7、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6,Hysys水力学设计与核算,Tray Sizing塔板尺寸工具可以对收
8、敛塔进行部分或全部的设计和确定尺寸计算。可以指定塔内填料或塔板信息，入板直径、填料尺寸、设计溢流和压降参数。结果包括塔径、压降、溢流、塔板直径等。,Hysys水力学设计与核算,ToolUtilitiesTray SizingAdd Utility,Hysys水力学设计与核算,选择塔，可增加多个塔段(Tray Section)分别设计,Weir,DC Clearance,Specs Page页面,物性计算来源,Tray Sizing可用的参数配置,设计参数（Design Parameters）,Tray Sizing可用的参数配置,塔板配置参数（Tray Configuration Parame
9、ters）,液流通道数（Number of Flow Paths）通常使用多路塔板可以得到较小的塔直径。流程越多，在塔板上安装的浮阀和筛孔的数量就越少。这样会导致压降增加，降液管承受量增加，塔板效率降低,液流通道,塔段直径（Section Diameter）根据指定的流程数量显示塔段的直径。塔板属性（Tray for Properties）仅在核算（Rating）模式下可用。可以指定计算塔属性使用到的塔板塔板间距（Tray Spacing）塔板间距是指两个塔板之间垂直距离：,浮阀和塔板的材料厚度（Valve and Tray Material Thickness）材料厚度通常用标准度量（gau
10、ge）来描述 标准度量（gauge）和英寸（inches）换算,起泡因子（Foaming Factor）气泡因子是度量系统的气泡趋势。气泡因子越小会导致的塔板效率越低和要求的塔直径越大,常见系统起泡因子,常见系统起泡因子,最大压降（Maximum Pressure Drop）每个塔板允许的最大压降可以按液体高度输入。如果不指定，使用默认的液体最大高度是4 英寸。对于填料（Packed）塔板，参数是每高度填料的压降。默认参数是每英尺填料为0.5 英寸的水柱最大液泛率（Maximum Flooding）塔的尺寸是按照整齐和液体通道来给定的。塔的溢流在任何塔板不能超过这个参数。正常情况下推荐最大值是
11、85%，真空和低压降情况下推荐77%。这些值产生大约10%夹带。直径36 英寸以下要使用65%75%的溢流参数。可以指定更低的值，例如需要增加容量时，如果不指定该值，平孔板的最大溢流值是85%，文丘里孔板的溢流最大值是77%。,填料相关性（Packing Correlation）默认选择是 Robbins 相关性，它能较好地来预测压降和流体储液面。特别是使用的新填料材料。只有在负荷20000（流体负荷9200lb/hr.ft2）。当塔操作高于该范围时选择SLE（Sherwood-Leva-Eckert）相关性。填料相关性（Packing Correlation）、等板高度（HETP）和填料类型
12、（Packing Type）只有在填料塔时才有效。填料塔信息可以有上面三个参数指定。除了填料类型和填料塔板直径外，所有填料参数都是默认值。最大液泛率（Maximum Flooding）塔的尺寸是按照整齐和液体通道来给定的。塔的溢流在任何塔板不能超过这个参数。正常情况下推荐最大值是85%，真空和低压降情况下推荐77%。这些值产生大约10%的夹带。直径36 英寸一下要使用65-%75%的溢流参数。可以指定更低的值，例如需要增加容量时，如果不指定该值，平孔板的最大溢流值是85%，文丘里孔板的溢流最大值是77%。等板高度（HETP）高度系数 HETP 与填料塔和板式塔相关。该值参考填充的高度等价于理论
13、塔板。对于设计，最精确的HETP 系数是填料的厂商公布的,填料类型（Packing Type）,金属（M）、塑料（P）、陶瓷（C）、金属规整填料（S）,筛板塔溢流方法（Sieve Tray Flooding Method）最小 Csb（Minimum Csb）初始 Csb（Original Csb）完全修改后的 Csb（Fairs Modified Csb）塔板内件页面（Tray Internals Page）筛板塔板参数（Sieve Tray Parameters）孔距(Hole Pitch),1.55倍孔直径以内。默认0.5 英寸孔直径（Hole Diameter）,默认值 0.187 英
14、寸浮阀塔板参数（Valve Tray Parameters,默认）浮阀材料密度（Valve Material Density）,塔板内件页面（Tray Internals Page）浮阀塔板参数（Valve Tray Parameters,默认）浮阀材料密度（Valve Material Density）孔面积（Hole Area）,浮阀默认值是15.3%，浮阀孔板类型（Valve Orifice Type）垂直（Straight）文丘里（Venturi）液泛计算方法（Design Manual for Flooding Calculations）Glitsch KochNutter）,塔板内
15、件页面（Tray Internals Page）泡罩塔板（Bubble Cap Trays）泡罩槽高度（Bubble Cap Slot Height），默认槽高度是1.0 英寸,塔板公用参数（Common Tray Parameters）侧堰类型（Side Weir Type）垂直（straight）减压（relief）溢流堰高度（Weir Height）默认值为2 英寸,塔板公用参数（Common Tray Parameters）溢流堰最大允许负荷（Maximum Allowable Weir Loading）一般值为60-120 USGPM/ft 0.7451.49 m3/(m.h)增加液
16、流通道或安装溢流围堰可以减少围堰负载围堰负载可以达到240 USGPM/ft 2.98 m3/(m.h)默认值是120 USGPM/ft 1.49 m3/(m.h),塔板公用参数（Common Tray Parameters）降液管类型（Downcomer Type）垂直（vertical），默认 倾斜（sloped）（倾斜的降液管在底端宽度比较狭窄。塔板有更多有效面积和更多阀，低压降）降液管底部间隙（Downcomer Clearance）一般推荐液封高度为0.5 英寸由于高流速液体压降较高，可减少如果没有指定，使用的高度比堰高小0.5 英寸。最大允许降液管液柱高度（Maximum Allo
17、wable Downcomer Backup）如果没有指定，对于气体密度大于3lb/ft3 使用40%正常密度是50%密度比小于1 lb/ft3 使用60%。该项仅在核算模式下使用。,Report,塔器设计步骤,完成流程计算，保证收敛(塔压降需估计)点ToolsUtilitiesadd tray sizing utility，点Select TSFlowsheet中选择塔，在Object中点塔名称，OK.点击 Add Section（或者点击Auto Section，自动分段）.在 Design选项卡 Specs页面下，按 F1可调出帮助页面。点internals 选择最合适的塔内件，选择de
18、sign 模式，让程序自动选择最优参数。要注意的是，sieve,valve&bubble-cap等板型所推荐的液体通道数(NFP)和板间距与塔径有关，而塔径又与NFP有关，因此，最好能在NFP与塔径之间进行几次迭代计算，以确定最有推荐塔径！返回Tray SizingSpecs页面，输入相关参数，程序可能会自动迭代完成收敛计算。如果在选择筛板塔时出现一定的泄漏，最好换为浮阀塔。点PerformanceResults查看计算结果。如果要使用推荐值，需返回Tray SizingSpecs 页面进行修改.,塔器设计步骤,当结果满意时(已算出塔板压降)，即可从Performance Results中复制
19、column diameter,height,percent of flooding,and total pressure drop(塔压降,或Section 压降)。如果所用塔效率为100%,必须将压降除以实际塔效率并且加上一个安全系数以算出实际压降。返回Column DesignConnections页面,调整塔顶或者塔底压力之一使塔压降等于刚刚所算出的数值。再返回utility Performance Results就可发现里面的压降又有一点变化,重复上述过程，直到工艺中的输入压降与水力学所计算出的压降相等。填料塔Packed columns:填料塔不需使用塔效率。填料高度等于理论板数
20、x 等板高度HETP(Height Equivalent to a Theoretical Tray)这样就相当于替代了塔效率。不过还需增加一定的安全因子，如10%.,第3节 Hysys流程计算,甲醇生产流程,工艺描述,H2和CO2 混合物加热到所需温度，进入搅拌反应器，发生如下反应：3 H2+CO2=CH3OH+H2O 反应产物部分冷凝，气相主要是H2和CO2，经压缩机增压后返回与原料气混合循环利用；液相（主要是CH3OH和H2O）进入精馏塔分离成甲醇和废水，产品需冷却到适合存储的温度，因此，还需一台离心泵打来冷取水到换热器与热甲醇换热。,简单操作步骤基础数据,添加组分，CO2,H2,甲醇，
21、水选择流体包，SRKSimulattion环境下Reactions选项设计反应集：3 H2+CO2=CH3OH+H2O Add RxnKineticAdd Reaction Add Comp，定义上面的反应，将该反应命名：Methanol Reaction,简单操作步骤基础数据,Basis下将相关参数调整到与动力学方程相适应的单位：Base Component=CO2 Basis=Molar Concn Rxn Phase=VapourPhase Rate Units=kgmole/m3-h Parameters 下输入Arrhenius 方程参数：,简单操作步骤基础数据,返回Simulati
22、on Basis管理器，点Reaction Set，双击Global Rxn Set，将Methanol Reaction加入到反应集：,简单操作步骤基础数据,刚才已将甲醇反应加入到反应集，但还没有将该反应集放入基础数据包Basis-1中。要这样做：在Simulation Basis Manager点Add to FP Add Set to Fluid Package。此时反应集才与流体包发生关联！点Return to Simulation Environment 返回模拟环境，注意保存文件！,简单操作步骤搭建流程,输入进料物流:Stream Name=Feed Temperature=40
23、C Pressure=4000 kPa Mass Flow=1000 kg/h 组成：vol%CO2=.25 H2=.75,简单操作步骤搭建流程,添加混合器Recycle Mixer:名称：Recycle Mixer进料：Feed，Recycle出料：Mixed 输入Recycle物料条件：Temperature，pressure与Feed相同 Molar Flow=200 kgmole/h 初始组成：vol%CO2=.1 H2=.9,简单操作步骤搭建流程,4.添加反应进料加热器:单元操作类型：Heater名称：Feed Heater进料：Mixed出料：To Reactor能量流：Heate
24、r Duty 压降：50 kPa物料出口温度：200（注意保存，最好更名）,简单操作步骤搭建流程,5.添加反应器:单元操作类型：CSTR名称：Reactor进料：To Reactor出料：气相，From Reactor;液相，Dummy Liquid 能量流：Reactor Cooling等温反应：200压降：100 kPa反应器：圆柱形，直径10m,高度10m,简单操作步骤搭建流程,6.反应器Reactions选项卡下，加入反应集 Rating选项卡Sizing下输入反应器结构：,简单操作步骤搭建流程,8.反应器Design选项卡Parameters下，输入反应器压降：,简单操作步骤搭建流程
25、,反应器计算结果,简单操作步骤搭建流程,9.添加反应产物冷凝器:单元操作类型：Cooler名称：Product Cooler进料：From Reactor出料：Condensed Mixture能量流：Product Cooler Duty 压降：50 kPa物料出口温度：40,简单操作步骤搭建流程,10.添加反应产物凝液气液分离器:单元操作类型：Separator名称：Separator进料：Condensed Mixture出料：Vapor,Liquid能量流：绝热 压降：0 kPa,简单操作步骤搭建流程,11.添加分离器气相物流分割器:单元操作类型：Tee名称：Purge Splitte
26、r进料：Vapor出料：Purge,Recycled分割比：Purge 0.0001作用：将部分气相物料“放空”以维持系统内部物料平衡,简单操作步骤搭建流程,12.添加循环气体增压机:单元操作类型：Compressor名称：Recycle Compressor进料：Recycled出料：To Recycle能量流：Recycl Comp Power出口压力：4000 kPaParameters:默认,简单操作步骤搭建流程,13.添加Recycle单元:单元操作类型：Recycle名称：Recycle进料：To Recycle出料：Recycle功能：循环迭代循环气体Recycle，直到算出的
27、To Recycle条件与假设的Recycle条件误 差达到精度要求应该自动完成所有流程计算 对比完成迭代计算后的Recyce物流条件与开始时在“搭建流程”第3部中所假设的物流条件有何差别！,反应器结果,简单操作步骤搭建流程,优化反应：研究结果表明，生成甲烷反应的最佳条件为：实际转化率为平衡转化率的90%反应器高径比 1/2调整反应器结构，计算反应，考察转化率Height Diameter Conversion 1 2 42.65.9 1.8 41.54.89 1.78 41.40,简单操作步骤搭建流程,15.产物分离添加精馏单元操作单元操作类型：Distillation Column名称：D
28、istillation进料：Liquid出料：塔顶气相，Methanol;（Partial）塔顶液相馏出物，Dummy;塔底，Water能量流：冷凝器，Condenser Duty 再沸器，Reboiler Duty 理论板数：10,进料位置：5压力：顶1000 kPa,冷凝器压降0，底1015 kPa初值：回流比3,气相馏出物19.729kmol/h，液相馏出0,点击运行,简单操作步骤搭建流程,调整设计变量(Specs)原先规定：Reflux Ratio,Ovhd Vap Rate,Distillate Rate,简单操作步骤搭建流程,调整设计变量(Specs)增加：塔顶Methanol中含
29、水量规定(1%w)塔顶Methanol产品中甲醇回收率97%,简单操作步骤搭建流程,调整设计变量(Specs)增加：塔顶Methanol中含水量规定(1%w)塔顶Methanol产品中甲醇回收率97%,简单操作步骤搭建流程,17.流程计算完成精馏塔计算要点：从进料条件估计出塔顶馏出物流率给出回流比初值。在多数情况下可输入3先在上面规定下完成塔的计算根据实际需要更改设计规定，并激活，同时使原先的相同数量的规定失效有时可能要调整设计规定的数值。,简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐,18.添加甲醇产品冷却水物流物流名称：Water Source流量：100000 kg/h温度：30 压力：150
30、 kPa组成：纯水,简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐,19.添加甲醇产品冷却水泵单元类型：Pump单元名称：Water Pump进料物流：Water Source出料物流：To Condenser能量流：Pump Power出口压力：600 kPa,简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐,20.添加甲醇产品水冷却器单元类型：Heat Exchanger单元名称：Condenser壳程进料：To Condenser 出料：Water Return压降：50 kPa管程进料：Methanol 出料：Final Product压降：50 kPaUA:3333.33 W/K,Hysys换热器模拟
31、方法：,Heater or Cooler-最简单。只进行使物流达到目标温度的热量平衡计算 Heat Exchanger-冷、热工艺物流进行热量交换（1）指定UA，计算出口温度。如果能给出U的估计值，可用于粗略计算。（2）有相变物流，推荐采用Exchanger Design(Weighted)策略。（3）无相变物流，可采用Exchanger Design(EndPoint)策略。（4）Steady State Rating-换热器核算（最复杂）需要输入换热器结构信息，由Hysys计算出管程与壳程流动压降和U值，从而计算出口温度。（即将换热器结构作为自由度）（2）与（3）两种计算策略需指定1个自由
32、度变量的数值，如1股出口物流温度、传热温差、换热负荷、过冷或过热度等。本例采用第2种方法，要控制甲醇与冷却水的出口温度分别是40和45,设定换热器自由度为甲醇出口温度，用Adj调节冷却水流量，使冷却水返回温度为45度,初步结果,冷却水出口温度太低，用量太大解决方法：增加Adjust单元，算出满足冷却水最高出口温度所需冷却水量,简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐,21.添加Adjust单元单元类型：Adjust单元名称：Water T Control,如果达到设计最大迭代次数，在询问时，选择继续迭代,简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐,22.添加Tank单元单元类型：Tank单元名称：Methanol Storage进料物流：Final Product出料物流：气相，Vent;液相，Shipping输出压力：200 kPa,第4节 塔水力学计算,
