Aspen进阶篇4—流体输送单元

在Aspen Plus中流体输送单元归属于压力改变器(Pressure  Changers)模块,共分为以下表中六种模型:

下面对各个模块进行展开讲解。

一、Pump模块 

1.Pump模块用于模拟两种设备——泵和压缩机,其简介如下:

:泵是把机械能转化成液体的能量,用来给液体增压和输送液体的流体机械;

水轮机:水轮机是吧水流的能量转换为旋转机械能的动力机械。

泵可以模拟实际生产中输送流体的各种泵,主要用来计算将压力提升到一定值时所需的功率。模块一般用来处理单液相,对于某些特殊情况,也可进行两相或三相计算。

模拟结果的准确度取决于很多因素,如有效相态、流体的可压缩性以及规定的效率等。

注意:如果仅计算压力的改变,也可以用Flash以及Heater模块。

2.Pump模型的连接示意图如下:(红色的代表必选,蓝色的代表可选)

3. Pump的5种计算模型:

4.泵的模块参数:

Pump最简单的用法是指定出口压力(Discharge  pressure),并给定泵的水力学效率(Pump  Efficiency)和驱动机效率(Driver  Efficiency),计算得到出口流体状态和所需的轴功率和驱动机功率。

标准的设计方法是使用泵的特性曲线(Performance  curve),特性曲线有以下三种输入方式:

列表数据     Tabular Data

多项式       Polynomials

用户子程序   User Subroutine

其中列表数据是最常用的输入方式。

泵的特性曲线各种输入框:

这里需要说一下NPSHR和NPSHA:

在我们设计泵的安装高度时,应考虑NPSHR(必需汽蚀余量),英文全称为:Net  Positive Suction  Head  Required ,其计算方式为:NPSHR≈10-Hs(m)

(其中Hs为允许吸上真空度)。

根据安装和流动情况可以算出泵进口处的NPSHA(有效汽蚀余量),英文全称为:Net  Positive  Suction Head  Required ,在实际使用条件下,选择的泵应该满足:NPSHA≥1.3 NPSHR。

如果有不太理解的地方想去深入探究的朋友,推荐阅读《化工原理》学习。

5.实例演练

一离心泵输送流量为100m3/hr的水,水的压强为1.5bar,温度为25℃。泵的特性曲线如下:

流量(m3/hr)7090109120

扬程(m)5954.247.843

效率(%)64.5696966

求:泵的出口压力、提供给流体的功率、泵所需轴功率各是多少?

操作如下:

Step1:构建流程图

打开Aspen  Plus,进入Simulation界面,在Main  Flowsheet中的空白框中画好如下简单的流程图,并将模块名改为Pump:

Step2:输入组分

进入Properties界面,在Components/Specification 界面输入组分H2O

Step3:选择物性方法

在Method/Specification界面选择物性方法PENG-ROB

Step4:设置进料条件

进入Simulation界面,在Streams/FEED/Input界面根据题目要求输入进料条件

Step5:设置模块参数

进入Blocks/PUMP/Setup界面,指定模型及参数

接下来点击Performance  Curve,首先进行曲线设置,选择Tabular  data(列表数据),设置为操作状态下的单条曲线(Single  curve  at operating  speed),流量单位选择Vol-Flow(体积流量)

再接着输入扬程(Head)和流量(Flow)数据,并设置扬程单位单位

最后输入效率(Efficiency)和流量(Flow)数据

Step6:运行并得出结果

点击Run,在Block/PUMP/Results/界面查看运算结果: 泵的出口压力为6.46479bar,泵提供给流体的功率为13.8482kW,轴功率为20.0699kW。

当然这里有几个量需要单独拿出来说,如下:

Head  developed: 发生扬程,即已扣除泵的内部摩擦阻力;

Pump  efficiency used: 所用泵效率

Net  work required: 需要的净功

二、Compr模块

1.Compr简介

Compr压缩机模块可以用于单相、两相或三相计算,可以通过指定出口压力或压力增量或压力比率或特性曲线计算所需功率,还可以通过指定功率计算出口压力。

2.Pump模型的连接示意图如下:(红色的代表必选,蓝色的代表可选)

3.计算类型:

针对于模拟压缩机Compressor有如下8种计算模型:

英文名称中文名称

Isentropic等熵模型

Isentropic  using   ASME  methodASME等熵模型

Isentropic  using   GPSA  methodGPSA等熵模型

Polytropic  using   AMSE  methodAMSE多变模型

Polytropic  using   GPSA  methodGPSA多变模型

Polytropic  using   piecewise  integration分片积分多变模型

Positive  displacement正排量模型

Positive  displacement  using   piecewise  integration分片积分正排量模型

针对于模拟涡轮机Turbine只有如下1种模型:

英文名称中文名称

Isentropic等熵模型

4.效率:

Compr模型有三种效率:

5.特性曲线简介

6.实例演练

一压缩机将压强为1.1bar的空气加压到3.3bar,空气的温度为25℃,流量为1000m3/hr。压缩机的多变效率为0.71,驱动机构的机械效率为0.97。求:压缩机所需要的轴功率、驱动机构的功率以及空气的出口温度和体积流量各是多少?

操作如下:

(因操作与Pump中很相似,所以在这里不做红色记号标注,不懂处可参考上例)

Step1:构建流程图

打开Aspen  Plus,进入Simulation界面,在Main  Flowsheet中的空白框中画好如下简单的流程图,并将模块名改为Compr:

Step2:输入组分

进入Properties界面,在Components/Specification 界面输入组分AIR(空气)

Step3:选择物性方法

在Method/Specification界面选择物性方法SRK

Step4:设置进料条件

进入Simulation界面,在Streams/FEED/Input界面根据题目要求输入进料条件

Step5:设置模块参数

进入Blocks/COMPR/Setup界面,指定模型及参数

Step6:运行并得出结果

点击Run,在Block/COMPR/Results/界面查看模块参数(可拖动下拉条):

在Streams/PRODUCT/Results界面查看物流结果

三、MCompr

1.MCompr模型适用于四种单元设备

Ø 多级多变压缩机 (Multi-stage PolytropicCompressor)

Ø 多级多变正排量压缩机 (Multi-stage Polytropic Positive Displacement  Compressor)

Ø 多级等熵压缩机(Multi-stage Isentropic Compressor)

Ø 多级等熵涡轮机(Multi-stage Isentropic Turbine)

2.MCompr模型的外部连接图:

MCompr模型的内部连接图:

3.MCompr模型的模型参数

级数 (Number of stages): 指定压缩机的级数

压缩机模型 (Compressor model): 有六种计算模型供选用(具体可参见上个模块的内容介绍)

设定方式 (Specification type): 指定压缩机的工作方式

在这里设定方式与Compr模块不同,它分别是:

指定末级排出压力  (Fix discharge pressure fromlast stage )

指定每级排出条件  (Fix discharge conditionsfrom each stage)

用特性曲线确定排出条件  (Use performance curves todetermine  discharge conditions)             

4.多级压缩机特性曲线有三种输入方式:

•   列表数据  Tabular  Data

•   多项式      Polynomials

•   用户子程序      User Subroutines

可以提供多张特性曲线表(Maps),每张表又可以有多条特性曲线。多级压缩机的每一级可以有多个叶轮(wheels),可以为每个叶轮选用不同的特性曲线表、叶轮直径和比例因子(scaling factors)

MCompr在压缩机和涡轮机的各级之间有一个冷却器,在最后一级还有一个后冷器,在冷却器中可以进行单相、两相或三相闪蒸计算。

这个模块不在此做实例讲解,有需要可参考孙兰义老师的《化工流程模拟实训——Aspen Plus教程》P69例5.4。


四、Valve

1. 简介:

阀门Valve可以进行单相、两相或三相计算,该模块假定流动过程绝热,并将阀门的压降与流量系数关联起来,可确定阀门出口状态的热状态和相态。

2. 连接方式:

3.阀门模型有三种应用方式(计算类型)

绝热闪蒸到指定出口压力

    Adiabatic flash for specified outlet pressure

对指定出口压力计算阀门流量系数

    Calculatevalve flow coefficient for specified outlet pressure

对指定阀门计算出口压力(核算方式)

    Calculateoutlet pressure for specified valve

其中在进行核算(即第三种计算类型)时,需输入以下参数:

•   阀门类型 (Valve type):截止阀 (Global)、球阀 (Ball)、蝶阀(Butterfly)

•   厂家(Manufacturer):Neles-Jamesbury

•   系列/规格 (Series/Style):  线性流量 (linear flow)、等百分比流量(equal percent flow)

•   尺寸 (Size):公称直径

•   阀门开度(Opening)

计算阀门小开度状态时计算选项的设置很重要

•   检查阻塞流动   Check for choked flow

•   计算空泡系数   Calculate cavitation index

•   设置最小出口压力等于阻塞压力 Minimum outlet pressure: Set equal to choked outlet pressure

4. 实例演练

水的温度为 30 °C,压强为 6 bar,流量为 150 m3/h ,流经一公称通径为 8 英寸的截止阀。阀门的规格为V500系列的线性流量阀,阀门的开度为 20%。

求:阀门出口的水压强是多少?

Step1:输入组分

Step2:选择物性方法STEAM—TA

Step3:构建流程图

Step4:输入进料物流条件

Step5:输入模块参数

Operation界面参数输入:

ValveParameters界面参数输入:

Step6:运行并查看结果

在Blocks/Valve/Results界面查看阀门出口水的压强为3.93765bar

五、Pipe

1.简介

Pipe可以进行单相、两相或三相计算,计算流体经过一单段管线的压降和传热量,并且单线管段可以是水平的,也可以是有斜度的。如果已知入口压力,Pipe可以计算出口压力;如果已知出口压力,Pipe可以计算入口压力并更新入口物流的参数。Pipe通过管段参数(Pipe parameters)、传热规定(Thermal Specification)和管件参数(Fittings)等计算管段的压降和传热量。

2. 连接方式

3. 管段参数(Pipe parameters)

4. 传热规定(Thermal specification)

5. 管件参数(Fittings)

连接方式: Connection type

法兰连接/焊接Flanged/Welded,螺纹连接 Screwed

管件数量:Number of fittings

闸阀 Gate valves,蝶阀 Butterfly valves,90度肘管  Large 90 degree elbows,直行三通  Straight tees,旁路三通  Branched tees

其余当量长度: Miscellaneous L/D

6.实战演练

流量为 5000 kg/h,压强为 7 bar的饱和水蒸汽流经Ф108×4mm的管道。管道长20 m,出口比进口高 5 m,粗糙度为 0.05 mm。管道采用法兰连接,安装有闸阀1个,90肘管2个。环境温度为 20℃,传热系数为 20 W/(m2·K)。求:出口处蒸汽的压强、温度和含水率,以及管道的热损失各是多少?

Step1:输入组分

Step2:选择物性方法

Step3:构建流程图

Step4:输入物流参数

Step5:输入模块参数

管段参数设定:

传热规定设定:(这里将热通量(Include heat flux)中勾选去掉)

管件参数:

Step6:运行并查看结果

在Streams/PRODUCT/Results界面查看出口水蒸气情况:出口温度163.9℃,出口压力6.823bar,含水率0.006(1-汽相分率0.994)

在Blocks/PIPE/Results界面查看模块情况:管道热损失为18.2171kW

六、Pipeline

1.简介

Pipeline用来模拟多段不同直径或倾斜度的管段串联组成的管线。在计算压降和液体滞留量时,将多液相(如油相和水相)作为单一均匀的液相来处理。如果存在气-液流动,Pipeline可以计算液体滞留量和流动状态。

Pipeline假定流体的流动是一维、稳态且均匀的,即模拟时不考虑入口的影响,流动方向可以是水平的,也可以是有角度的,可以规定流体温度分布或通过热传递计算其温度分布。

2.连接方式

3.结构状态参数

4.连接状态参数

在弹出的管段数据(Segment data)对话框中逐段输入每一管段的长度、角度、直径、粗糙度,或者节点坐标(Node coordinates)、直径、粗糙度。

5.实例演练

流量为 100 m3/h,温度为 50 ℃,压强为5 bar的水流经Ф108×4mm的管线。管线首先向东延伸5 m,再向北 5 m,再向东 10 m,再向南 5 m,然后升高 10 m,再向东 5 m。管内壁粗糙度为 0.05 mm。

求:管线出口处的压强是多少?

Step1: 输入组分

Step2:选择物性方法

Step3:构建流程图

Step4:输入进料条件

Step5:输入模块参数

输入结构状态参数

闪蒸规定中的有效相态设为只有液相

输入连接状态参数

首先选定一个基准建立坐标系,然后按照管线走向定义每个管段的坐标。入口节点(Inlet node)定义为1,出口节点(Outlet node)定义为2,入口节点的节点参数X坐标值(Inlet node | X coordinate)、入口节点的节点参数Y坐标值(Inlet node | Y coordinate)

、入口节点的节点参数高度值(Inlet node | Elevation)分别规定为0、0、0,出口节点的节点参数X坐标值(Inlet node | X coordinate)、出口节点的节点参数Y坐标值(Inlet node | Y coordinate)、出口节点的节点参数高度值(Inletnode | Elevation)分别规定为5、0、0,管内壁粗糙度为0.05mm。(这里按照上北下南、左西右东的顺序,并且以东为X轴正方向、北为Y轴正方向)

依次设置其余五个管段的坐标

至此参数输入完成(此处不用红框标注,否则过于密密麻麻)

Step6:运行,并查看结果(可用滚动条查看剩余部分),管线出口处压强为3.59062 bar。

Pipeline的Profiles给出了每个节点处的结果:

写到这里,流体输送单元的介绍就结束了,还有很多不同的状况和参数设定需要大家根据实际情况来分析,在这里希望能给大家起一个抛砖引玉的作用,谢谢大家!!!

下篇预告:Aspen进阶篇5—塔设备单元模拟。

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