1间歇精馏塔的模拟.doc

间歇精馏塔概述信息间歇精馏单元操作模拟一个宽范围的精馏塔实际操作过程。间歇精馏装置可以在真实的间歇模拟模式下运行，进料填加到沉淀釜中先期蒸馏，在不同的时间从贮料塔取出产品，或在半间歇模式下在蒸馏期间进料可以被填入，并在一定的时间间隔下从精馏塔或贮料塔中提取产品。间歇精馏计算也可以是整体的进入稳态过程模拟。装置构造自动为持续流动的物流提供隐含的贮料罐，这些物流随时间变化进入间歇装置。同时由于循环操作，也考虑所有产品流（如在不同时间从贮料罐或在蒸馏时从精馏塔提出物流）的隐含罐。持续流动物流产品来自被间歇循环时间分离的产品。热力学系统间歇精馏的热力学系统的选择可以针对整个装置，也可以针对某一层塔板。间歇精馏也允许使用电解质热力学方法。详细信息有关间歇精馏单元操作的详细信息，见PRO/II Add-On Modules Users Guide。蒸馏器概述信息精馏塔单元操作可以用来模拟任何蒸馏和液液抽提过程。液液抽提装置在本章的“液液抽提精馏”部分进行叙述。一个精馏塔至少应包括一个平衡级或理论塔板。塔板应考虑与从每一塔板进入较高层塔板的蒸汽的连接问题。在精馏塔模拟中塔板的数量是不被限制的。蒸馏器可以模拟气液、气液水或气液液平衡过程。进料和产品精馏塔进料和产品是在PFT 主窗口建流程时输入的。在精馏塔主数据输入窗口单击Column Feed and Product按钮，打开Column Feed and Product 窗口。在此窗口中可以添加和改变进料塔板数。一个精馏塔的进料数是不限的。用单选按钮选择进料闪蒸方式：Vapor and Liquid to be on the feed tray：此项为缺省。Flash the feed adiabatically,vapor onto the tray above and liquid onto the tray.对于此选项，当进料塔板为精馏塔的最底层塔板时，蒸气被放在进料塔板上。对于产品来说，产品类型、相数、塔板数的流量都在此窗口中输入。一个蒸馏塔的产品数量是不限制的，产品从精馏塔的任何一层被提出。产品类型包括：塔顶、塔底、固定抽取率、总抽取相和假想组分。每一个精馏塔必须有一个从一号塔板流出的顶层产品以及从最高号塔板流出的底层产品。Sure,Inside-Out(IO)和Enhanced (IO)算法可以有一个出自顶层（冷凝器）的倾析水产品。Sure 算法也可以从任何塔板提取水。对于气液液平衡过程，从精馏塔的任何层可以提取液相。你必须为所有固定流量提取的产品提供摩尔流量、质量和液体体积单位。还必须为顶层和底层产品提供估计值。对全部提取的产品提供的流量均为估计值。为了更好地收敛，顶部或底层流量应尽可能地精确。你必须用Performance Specification（运行说明）顶部和底层产品设置所需的流量。虚拟产物虚拟产物用于设置与精馏塔内部物流相符的物流，使之能用于流程计算。在Column Feedand Product 窗口单击Pseudoproducts 按钮，出现Clumn Pseudoproduct 窗口，在此窗口中定义假想组分。下列假想组分的类型是有效的： 网状塔板液体和气体流动 全抽出塔板液体和气体流动 循环回流液体和气体旁流 热虹吸再沸器进料和出料热虹吸再沸器物流只限于Inside-Out 算法。精馏塔算法在精馏塔主数据输入窗口下拉表框中， 选择计算方法。可用的算法为：Inside-out,Sure,Chemdist,Liquid-Liquid,EnhanceIO,和Electrolytic。关于精馏塔法的详细信息可参看在线帮助。Inside-out：此法对许多蒸馏问题是一个首选算法，尤其是对碳氢化合物系统，这是因为其估算的速度和不灵敏性。Sure：此算法用在精馏塔中多层塔板存在水的情况下。Chemdist：用于非常不理想系统和VLLE 过程。Liquid-Liquid：用于液液抽提装置，见本章“液液抽提精馏塔”的描述。Enhance IO：此算法扩展了缺省的Inside-Out 算法。并允许零流量、水倾析出任何塔板、全抽出塔板和循环回流。Electrolytic：用于模拟非理想化的包括离子类的水电解蒸馏器。参考PRO/II Add-OnModules Guide。反应精馏塔中的反应能用Chemdist 或Liquit-Liquit 算法进行模拟，这些算法可以在精馏塔窗口Algorithm（算法）下拉表中找到。在Column 窗口单击Reactions按钮，出现Column-ReactSelection 窗口，在此窗口中输入相关数据。在Column-React Selection 窗口你可以选择和修改精馏塔反应数据，指定阶梯式反应值，标明非压缩性组分，选择非活性催化剂，为用户添加的子程序或动力学程序作数据说明。这里的反应数据的选择被限定对反应蒸馏和液液抽提的模拟。精馏塔反应的选择选择Include Reactions in Column Calculation 检查框，调整在反应数据定义的反应设置。所有经Input/Reaction Data 定义的反应数据对精馏塔都是有效的。反应数据可以在反应数据设置下拉表中进行选择，并且指定局部设置名称及描述。然而，个别反应数据能够在反应定义窗口中单击Modify Data 按钮后进行调整。你也能够为单独的塔板（或连续几个）选择反应设置，在Column Reaction 的下拉表中选择，并输入起始塔板号和结束塔板号。注意：虽然能够调整精馏塔中局部反应数据，但起初在Reaction Data 部分设置的反应数据保持不变。反应值用户可以在Reaction Selection 窗口中选择Column-Tray dffective Reaction Volumes 窗口，为每一步的反应、为气液两相指定有效值。为反应提供一个塔板数及其各自的值的表格。这些表上的内容用于计算动态反应的流量。非挥发催化剂能够选择没有挥发催化反应的组分，从Column-Reaction Selection 窗口选择进入Column-Non-Volatile Catalyst for Boiling Pot 窗口中指定的数量作为总量或分量。非压缩性从Column-Reaction Selection 窗口选择Column-Non-Condensing Components 按钮进入Column-Non-Condensing Components 窗口，选定非压缩组分。子程序程序数据从Column-Reaction Selection 窗口单击Subroutine/Procedure Data 按钮，进入Column-userSubroutine and Procedure Data 窗口，你能够以整数、实数和补充数据的形式，指定做为用户添加的子程序和动态程序的数据。参看本章“反应数据的程序数据”中有关这些模块数据需求的详细信息。修改数据（反应数据）所有关于反应（在一个指定反应设置中）的数据都可以被修改，除反应化学算法之外。这些算法可以在Column-Reaction Selection 窗口中通过单击Modify Data 按钮出现的Column-Reaction Selection 窗口中找到。用户添加的子程序、程序和动态幂律表达式的反应的计算方法可以被修改。对Kintetic,Equilibrium 或Conversion（动态、平衡或变化）其反应类型也可以被改变。通过Enter Data 按钮出现的Addionnal Data 窗口中数据输入域的所有反应类型都可以被改变。三种反应类型输入数据全部指令，详细内容请看本章的“反应数据”部分。计算的相态在精馏塔数据输入主窗口的下拉表中，选择适当的相系统。所有蒸馏算法缺省的气液相系统。Sure 和chemdist 算法也支持气/液液系统。另外，Sure 和Enhance IO 算法支持气液水三相系统，允许水在精馏塔的任何一层塔板中。塔板数在精馏塔主数据输入窗口中输入模拟的塔板数。每一个精馏塔至少应有两层塔板。迭代次数在精馏塔数据输入主窗口的数据输入域，输入迭代次数。迭代次数符合算法检测的外部循环数。和其它算法检测的数。当这些迭代次数都执行完毕，则出现不收敛的标记，精馏塔方程满足不了给定的误差。O 算法的缺省值是15 次，Sure 算法的缺省值是10 次，Chemdist 算法的缺省值是20。压力分布图在精馏塔模拟中，必须定义每一层塔板的压力。所有定义的塔板压力都将被计算。在精馏塔数据输入主窗口单击Pressure Profile 按钮，出现Column Pressure profile 窗口，在此窗口中定义塔板压力。在此窗口中，可以提供整个塔的压力，也可以选择单选按钮，逐层提供压力。整个塔提供压力的方式，要求提供顶层压力和每层的压降或塔的总压降。每层塔板的压降和整个塔的压降的缺省值为零。所有塔板的压力来自提供压降的线性方程。个别塔板压力由塔板的形式决定。当提供的个别塔板压力表时，需要注意的是它必须包含顶层和底层的塔板。由提供值的线性插值法来确定损失的压力。这个方法对不规则压力分布的精馏塔定义压力分布很有用处，如炼油真空装置。冷凝器冷凝器是一层塔板上的一个散热器。在精馏塔主数据输入窗口单击Condenser.按钮，将出现定义冷凝器的Column Condenser 窗口。从精馏塔冷凝器中出来的顶部产品与回流罐出来的产品一致。所有类型冷凝器的压力都在此窗口提供。选择冷凝器类型，按下与下列选项相应的单选按钮即可：Partial：这是一个平衡阶段冷凝器。它可以有一个纯液体产品或纯气体产品，也可以不是。纯液体产品（如果存在的话）被定义为从一层塔板“Fixed rate liquid draw（ 固定流量液体抽取）”。冷凝器温度是平衡气体的露点。可以在精馏塔冷凝器窗口提供一个可选的冷凝器温度估计值。也可以提供冷凝器压力和负荷。Bubble Temperature：二号塔板气体被冷却至液相泡点，一部分产品回流到二号塔板，其余部分作为顶部流出产品被提取。在Column Condenser 窗口为冷凝器温度提供一个可选的估计值。也可以提供冷凝器压力和负荷。Subcooled,Fixed Temperature：二号塔板的气体被冷却到泡点以下，这个温度是由此窗口定义的过冷的温度。PRO/II 确定产品是过冷的，这标志着一个不收敛的条件与一个相应的诊断信息。过冷的液体产品被指定为从精馏塔顶部流出的产品。也可以提供冷凝器压力和负荷。Subcooled,Fixed Temperature Drop：除深冷到产品泡点以下的程度不同外，这个冷凝器的深冷类型与上述相同，并有一个顶部流出的过冷产品。如果需要，可以在此窗口定义准凝器的负荷和压力。如果指定负荷为一个特殊参数，为任何冷凝器提供的负荷都作为估计值。精馏塔再沸器在精馏塔主数据输入窗口单击Reboiler.按钮，进入Column Reboiler 窗口，在此窗口中用单选按钮选择再沸器类型。缺省的是Kettle（传统的）再沸器，它与精馏塔底部塔板的负荷及平衡液体提取的底部产品相符。对于IO 算法而言，还有另外两个可用的再器类型： 无隔板热虹吸再沸器 隔板热虹吸再沸器精馏塔底部产品和从一个普通储槽抽提的再沸器进料，与无隔板热虹吸类型相符。注意：隔板热虹吸再沸器进入再沸器储槽的回流和流出到产品槽的产品与无隔板类型的相同。通过选择合适的单选按钮，来选择热虹吸再沸器，在给定的位置输入一个值。选项包括： 再沸器返回部分液体 返回温度 通过再沸器改变温度 再沸器循环流量提供回流液体分数或循环流量的估计值可以提高收敛速度。如果需要，在这个数据输入窗口也可以提供再沸器负荷值。如果指定的负荷为一个特别参数，任何使用的负荷值均为估计值。加热器和冷却器在精馏塔主数据输入窗口中单击Heater and Cooler按钮， 出现Column SideHeaters/coolers 窗口，在此窗口中提供加热器侧和冷却器侧。与泵送系统有关的加热器和冷却器的侧不在此窗口中输入。负的负荷为冷却，正负荷为加热。加热器和冷却器的侧无数量限制。对于每一个加热器冷却器侧，必需提供以下信息：塔板数、一个参考名称和具有合适代数符号的负荷。闪蒸段Flash Zone（闪蒸段）计算模拟IO 精馏塔中喷射加热一个塔板。当进入精馏塔的进料物流在一个分离炉中被加热时，闪蒸段与精馏塔加热器就产生了一定的联系。加热炉被考虑为一个附加的理论级。液体从闪蒸段上端塔板、气体从闪蒸段下部塔板能够进入闪蒸段，或者绕开它。在闪蒸段域的数据可以通过Heater（加热器）数据输入窗口同名按钮进行存取。说明选项包括喷射加热器效率、气体和液体旁路分量以及温降转移线。精馏塔热泄漏在Column Side Heater/cooler 单击Heat Leak 按钮打开Column Heat Leak 窗口，在此窗口中可以模拟精馏塔的热泄漏。热泄漏可以被指定为： 全部 个别塔板对Overall（全部）选项，除再沸器和冷凝器外的所有塔板热泄漏负荷在每个塔板基础或精馏塔基础上给出。如果需要也可以提供再沸器和冷凝器的热泄漏值。对By Individual Trays（个别塔板）选项，提供以表格输入的某一范围塔板的热泄漏负荷。至少应提供两个值。塔板的热泄漏没有给出，所定义的热泄漏位于塔板之间，由线性插值来确定。泵送系统和气体旁路在精馏塔主数据输入窗口中单击Pumparound按钮，打开Column Pumparound 窗口，在此窗口中可以为IO 和Sure 算法定义精馏塔泵送系统和气体旁路。泵送系统可以是液体或气体，气体泵送系统通常被称为“旁路”。泵送系统由在表中单击超级文本字符串进行添加和编辑。每一个泵送系统的输入包括：相、泵送系统名称、出料塔板、回油盘、回流压力和两个说明。在Column Pumparound Specification 窗口（单击“two specification”超级文本字符串进入）提供说明。用单选按钮选择下列说明组：Rate and Duty：流量和负荷数据输入域都被打开，也可以为加热器提供一个参考名称。Rate without Heater：只打开流量输入域。Rate and Return Condition：流量和回流条件输入域被打开。回流条件可以是温度、温降或流份。也可以为加热器提供一个参考名称。Duty and Return condition：负荷和回流条件输入域被打开。回流条件可以是温度、温降或流份。也可以为加热器提供一个参考名称。仅对于Sure 算法而言，泵送系统流量可以被指定为离开塔板的总流体。全部液体泵送系统必须向精馏塔的下部泵送，气体泵送系统（旁路）必须向上流动。初始估计值所有精馏塔算法使用一个迭代计算技术，它从塔板温度、流量和组分分布的初始估计值开始进行计算。初始估计值可以用内部的初始估计值发生器产生，也可以由用户以初始分布数据的方式提供。用户提供的分布数据有选择地用于代替被初值发生器产生的值。在精馏塔主数据输入窗口单击Initial Estimaters按钮，进入Column Initial Estimater 窗口。使用初值估算器，从下拉表框中选择发生器方法：Simple：用一个简单的物流平衡方法确定分布值。从估计的产品组分中确定温度这个模块速度快，适用于简单精馏塔配置。Conventional：为大多数蒸馏问题设计产生一个适当的估计值，这是一个普通的方法。快捷计算用于估计产品流动和组分。组分被用于估计温度。使用产品流量和回流估计值来估计内部流量。这种方法最适合使用冷凝器和再沸器的传统分馏器，其中典型的Fenske 技术提供合理的结果。特殊技术也包括吸收器和剥离器。Refinry：这是为复杂的精炼厂精馏塔设计的方法，此精馏塔有Bottom steam instead ofreboilers（底部蒸汽代替再沸器），如原始和真空精馏塔、F.C.C.主分馏器等。这些精馏塔也可以有侧精馏塔、泵送系统致冷循环和在顶部贮料塔倾析水。由SIMSCI 开发的多产品快捷技术被用于这些装置。用户为产品流量提供的估计值被用在快捷模块中。为侧冷却器做数据调整。Chemical：此发生器不能用于非常不理想化工蒸馏问题。这个方法耗时较多，使用连续的隔热瞬时升降精馏塔序列设置塔板组分。当使用估计值发生器时你可以有选择地为下列塔板提供温度估计值：冷凝器、项层塔板、底层塔板和再沸器。也可以为回流流量和回流比率提供一个估计值。当用户不提供回流估计值时，PRO/II 提供回流比为3.0（适用于许多精馏塔）。提供的数据将替换由估计值发生器的预测值。不使用估计值发生器时，必须提供的最小数是气体和液体的塔板温度和流量。注意能够提供的这个最小数是精馏塔顶层塔板和底层塔板的温度和流量。这些所需的最小数据，很难产生合适的初始估计值。对于其后的精馏塔模拟计算速度，需要从一个收敛的结果中提供解算分布值。在Column Initial Estimater 窗口单击下列按钮，在出现的表中输入初始值： Net Vapor Rate（纯气体流量） apor Composition（气体组分） Liquid Composition（液体组分） Tray Temperature（塔板温度） Net Liquit Rate（纯液体流量）组分估计值对非常不理想混合物流是很有帮助的。执行说明在精馏塔操作中，执行说明（SPEC）是强制性的。在结果中，产品物流的流量或物性参数、精馏塔内部流量、塔板温度等都是必需的数据。对每一个执行说明，必需计算其自由度（VARY）。一个自由度可以是进料物流流量、热负荷或固定流量抽提的抽提率。在全部执行说明中都直接影响收敛情况。在精馏塔主数据输入窗口中单击Performance Specification 按钮， 进入ColumnSpecification and Variables 窗口，在此窗口中选择执行说明，定义自由度。单击超级文本字符串，输入或修改执行说明和自由度。PRO/II 要求执行说明和自由度是等量的。增加或删减执行说明，也要增加或删减自由度。SPEC 和VARY 使用的一般形式详见本章SPEC/VARY/DEFINE 部分。这部分还给了一个用于SPEC 和VARY 的物流和精馏塔参数表。收敛数据收敛数据包括Convergence Parameters（收敛参数），Convergence Tolerances（收敛误差），Homotopy Options for Convergence Specifications（收敛说明的Homotopy 选项）,ConvergenceHistory（精馏塔迭代过程的中间数据）。这些数据在Column Convergence Data 窗口中输入，通过精馏塔主数据输入窗口的Convergence Data 按钮进入此窗口。收敛调整参数Damping Factor：当收敛振荡时，一个小于整数的衰减因子用来改善收敛情况。精炼厂复杂的分馏器给出的衰减因子应该是0.8。化工精馏塔可能要求更严格的衰减因子。PRO/II提供的缺省值为1.0。衰减因子不能被用于Sure 算法中。Damping cutoff：用于Chemdist 算法的衰减因子中止值。当误差的总数大于此值时用衰减因子。PRO/II 提供的缺省值是10-8。Error Increase Factor：此因子限制增量。PRO/II 为IO 算法提供的缺省值是1.0，为Chemdist 提供的缺省为100。Component Averaging Factor：这是为Sure 算法提供的重量因子，更新组分时使用。对流动的和最后设置的组分等重量时给定值为1.0。对最后设置的组分双倍重量时为2.0。PRO/II 给出的缺省值为0.0。Key Component：在Sure 算法中指定一个主要组分，以提高收敛速度。正常情况下主要组分由PRO/II 确定，但也可以由用户确定。Stop if no improvement after 5 iteration：连续的Sure 算法迭代中允许无效果计算。你可以通过单击超文本字符串改变迭代次数。注意：调整因子通常用于解决蒸馏问题。收敛公差精馏塔的公差也可以改变。公差为：Bubble Point：每层塔板的最大泡点误差。缺省值为10-3Enthalpy Balance：每层塔板的最大热平衡误差。缺省值为10-3。Equilibrium K-value：在IO 算法外循环产生的一个组分值所允许的最大相对变化，缺省值为10-3。Component Balance：每层塔板的最大相对组分平衡误差不能用于IO 算法。缺省值为10-3。在说明上的收敛Homotopy 选项Homotopy 选项帮助收敛。该选项是为Reactive Distillation（反应蒸馏）设计的。反应蒸馏收敛情况复杂，它可以用于任何精馏塔算法。系统地将塔板容积增加到一个非常大的值，为逆动态反应确定平衡成分。这是一个Homotopy 使用的例子。Homotopy 选项允许你使用一个初始值进行模拟计算，然后自动地移向步骤的设置数中要求的最终值。为任何说明使用Homotopy 选项，你必须提供说明的初值和用于从初值移到终值的间隔数。在此窗口中终值是不能改变的。Homotopy 选项可以用来做被计算器和流程优化器改变的说明。如果在标题为ApplyDuring Control Loop 域中选择Initially（初始值），Homotopy 迭代计算时将遇到给定的精馏塔说明。如果说明值被其它单元操作改变，则精馏塔将在无Homotopy 迭代情况下进行计算。若选择Always，Homotopy 迭代计算将在每次计算时都遇到改变后的说明。在这种情况下，初值将是最后收敛的说明值，而不是提供的值。收敛中间结果精馏塔迭代计算时中间结果的打印输出，对检查收敛情况非常有用。通过单击EnterData按钮进行选择。塔板水利学塔板水利计算可以用于定制新精馏塔尺寸，评估现有的塔板或填料塔。在精馏塔主数据输入窗口单击Tray Hydrautics按钮，进入Column Tray Hydraulics 窗口。在此窗口中，单击Enter data按钮，分别进入执行定制或评估计算选择窗口Column Tray /packing Rating 和Column Tray /packing Sizing。Glitsch 浮阀塔板方法用于塔板计算。浮阀塔板的结果分别减少%和20%以代替筛板泡帽塔板的计算。对填充塔，可利用随机的或构造的填料，如金属的和陶瓷类的环形或鞍形填料。对于尺寸计算，每个塔板的塔直径是独立计算出来的，并符合给定的或缺省的水利标准。选择每部分的最大直径，全部按最大需求标准直径进行再估算。对于评估计算，计算出每个塔板的水利百分比。在代替现存的精馏塔方面，塔板部分的多重性是有用的，它有多样化的塔板和下水导管排列。塔板效率在精馏塔模拟中，所有塔板被作为平衡阶或理论塔板，除非使用了一个塔板效率模型。这就是说用户必须提供一些塔板效率类型，精馏塔塔板实际数，以确定用于模拟计算时使用的理论塔板数。工程师们利用经验，用全部塔板效率因数将实际塔板数换算成理论数。