天大chemcad-第4章 蒸馏过程模拟.doc

目 录第4章 精馏过程模拟14.1精馏过程概述14.1.1 精馏过程14.1.2 ChemCAD中的精馏模型14.2简捷精馏模型（SHOR）24.2.1概述24.2.2参数规定24.2.3拓扑34.2.4方法34.2.5应用示例44.3TOWER塔84.2.1概述84.2.2参数规定84.2.3拓扑154.2.4方法164.2.5应用示例174.4SCDS塔354.4.1概述354.4.2参数规定354.4.3反应规定414.4.4拓扑484.4.5方法494.4.6应用示例494.5内外环法复杂精馏（TPLUS）574.5.1概述574.5.2参数规定574.5.3拓扑574.5.4方法584.5.5计算示例58本章习题9395第4章 精馏过程模拟4.1 精馏过程概述4.1.1 精馏过程精馏是分离均相液体混合物的一种方法，是一种应用最为广泛的化工单元操作。它根据溶液中各组分之间挥发度（或沸点）的差异进行分离，较易挥发的称为易挥发组分（或轻组分），较难挥发的称为难挥发组分（或重组分）。将原油分离成汽油、煤油、柴油及重油，将混合芳烃分离以制备苯、甲苯及二甲苯，将液态空气分离得到纯态的液氧和液氮等过程，使用的主要分离方法就是精馏。精馏具有如下特点：(1) 通过精馏分离可以直接获得所需要的产品，而吸收、萃取等分离方法，由于有外加的溶剂，需进一步使所提取的组分与外加组分再行分离，因而精馏操作流程通常较为简单。(2) 精馏分离的适用范围广，它不仅可以分离液体混合物，而且可用于气态或固态混合物的分离。例如，可将空气加压液化，再用精馏方法获得氧、氮等产品；再如，脂肪酸的混合物，可用加热使其熔化，并在减压下建立汽液两相系统，用精馏方法进行分离。(3) 精馏过程适用于各种浓度混合物的分离，而吸收、萃取等操作，只有当被提取组分浓度较低时才比较经济。(4) 精馏操作是通过对混合液加热建立气液两相体系的，所得到的气相还需要再冷凝液化。因此，精馏操作耗能较大。精馏过程中的节能是个值得重视的问题。工业上，精馏操作可按以下方法分类：（1）操作方式 可分为简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸）、精馏和特殊精馏等。简单蒸馏和平衡蒸馏为单级精馏过程，常用于混合物中各组分的挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合；精馏为多级分离过程，适用于难分离物系或对分离要求较高的场合；特殊精馏适用于某些普通精馏难以分离或无法分离的物系。工业生产中以精馏的应用最为广泛。（2）操作流程 可分为间歇精馏和连续精馏。间歇精馏具有操作灵活、适应性强等优点，主要应用于小规模、多品种或某些有特殊要求的场合；连续精馏具有生产能力大、产品质量稳定、操作方便等优点，主要应用于生产规模大、产品质量要求高等场合。间歇精馏为非稳态操作，连续精馏为稳态操作。（3）物系中组分的数目 可分为两组分精馏和多组分精馏。工业生产中，绝大多数为多组分精馏，但两组分精馏的原理及计算原则同样适用于多组分精馏，只是在处理多组分精馏过程时更为复杂些，因此常以两组分精馏为基础。（4）操作压力 可分为加压、常压和减压精馏。常压下为气态（如空气、石油气）或常压下泡点为室温的混合物，常采用加压精馏；常压下，泡点为室温至150左右的混合液，一般采用常压精馏；对于常压下泡点较高或热敏性混合物（高温下易发生分解，聚合等变质现象），宜采用减压精馏，以降低操作温度。4.1.2 ChemCAD中的精馏模型ChemCAD提供了用于处理多组分精馏问题的三种模型，分别是简捷法（shortcut method）、内-外循环法（inside-out）和联立校正法（simultaneous），后两种是严格精馏算法。内-外循环法用于TOWR 及TOWER PLUS两个单元模块；其中，TOWR 反映标准塔配置，TOWER PLUS则可以是带换热器、泵循环和侧线汽提塔的复杂塔。联立校正法模型SCDS特别适用于精细精馏塔和刚性较强的化学塔，同时，SCDS还可以用于模拟反应精馏塔。4.2 简捷精馏模型（SHOR）4.2.1 概述简捷精馏模型（SHOR）使用Fenske-Underwood-Gilliland方程，模拟只有一个进料和两个产品流（塔顶馏分和塔底产品）的简单塔，该模型使用Fenske或Kirkbride方程计算适当的进料位置，还可进行工况研究，允许在规定的范围内改变回流比与最小回流比的比值（R/Rmin）,以观察塔的运行效果。它提供了核算和设计两种情况。注意：简捷精馏方法不适于塔的最终设计；对含有共沸物的体系可能会得出错误结果。建议用严格精馏方法如TOWER PLUS、TOWER、SCDS来证实简捷精馏法的计算结果。4.2.2 参数规定简捷精馏单元操作的规定屏如图4-1所示，下面自上而下、自左至右说明各参数的含义。图4-1 Shortcut Column单元操作规定屏1Select Mode（计算模式选择）有三种选项：1 用Fenske-Underwood-Gilliland法核算2 用Fenske-Underwood-Gilliland法设计，用Fenske法计算适当的进料位置3 用Fenske-Underwood-Gilliland法设计，用Kirkbride法计算适当进料位置2Select Condenser type (选择冷凝器类型)：有两种选项：0 全凝器，塔顶馏分是液体产品。 1 部分冷凝器，塔顶馏分是气体产品。3Column pressure (塔压强)：塔的操作压强。该选项为选择输入项，若不输入则内定精馏塔在进料流股压强下操作。4Column pressure drop (塔压降)：全塔压降。该值加上塔顶压力即为塔底压力。该选项为选择输入项，若不输入则内定精馏塔压降为0。5Number of stages (理论板数)：塔的理论板数。核算时必须输入，设计计算时则为计算结果。6Reflux ratio (回流比)：核算时需输入回流比数值。7R/Rmin (回流比与最小回流比的比值)：回流比/最小回流比。设计计算时为输入项，若不输入则必须使用“回流比”项。8Key Component Specications(关键组分规定)Light key komponent: 轻关键组分，必须输入。Light key split：轻关键组分在塔顶的分离效率。指进料向塔顶馏分中分配轻关键组分的分率，其值必须在0.51.0之间。设计计算时必须输入；核算时作为迭代计算的初值，若不输入则内定为0.95。Heavy key komponent: 重关键组分，必须输入。Heavy key split：重关键组分在塔顶的分离效率。指进料向塔顶馏分中分配重关键组分的分率，其值必须在其值必须0且0.5，必须输入。9. Calculated Results(计算结果)1）Condenser duty，冷凝器热负荷2）Reboiler duty，再沸器热负荷3）Minimum stages，最小理论板数4）Feed stage，进料板位置5）Reflux ratio，minimum，最小回流比6）Reflux ratio，calculated，计算得到的回流比10Case study(工况研究) 1）Number of points：工况点数。2）Lower bound R/Rmin：R/Rmin的下限值。3）Upper bound R/Rmin：R/Rmin的上限值。工况研究只用于设计计算。4.2.3 拓扑简捷精馏模型（SHOR）允许有一股进料及塔顶和塔底各一个产品。4.2.4 方法计算理论板数用Fenske方程，计算最小回流比用underwood方程、Gilliland关联式，计算进料板位置用Fenske方程。参考资料：Henley.E.J.& Seader, J. D.Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering; Wiley (1981).4.2.5 应用示例例4-1 利用精馏方法对附表中进料流股进行分离，其压强为445830 Pa，处于饱和液体状态。组分流量 / kmol/sPropane0.0006I-Butane0.0013N-Butane0.0038I-Pentane0.0025N-Pentane0.0019N-Hexane0.0025规定该分离操作的轻、重关键组分分别为N-Butane和I-Pentane，塔顶产品中轻、重关键组分的回收率（recovery）分别为0.9908和0.0112，并规定操作采用回流比为最小回流比的1.8倍。体系热力学性质计算采用“SRK”模型方程。试确定：1）该条件下的最小回流比、理论板数、最小理论板数及适宜的进料位置。2）分析回流比变化对塔顶冷凝器和塔釜再沸器热负荷的影响。解：采用简捷精馏模型（SHOR）进行精馏塔设计。解题步骤如下：1建立流程图选择Shortcut Design单元操作，建立图4-2所示流程图图4-2 例4-1模拟流程图2添加组分ThermoPhysicalComponent List，选择丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷和正己烷，添加入当前组分列表，如图4-3所示：图4-3 添加组分对话框3选择工程单位本流程采用国际工程单位，“SI”工程单位，并将时间单位改为秒。4选取热力学模型选取热力学模型为”SRK”模型方程。5规定进料流股据已知条件，对进料流股作图4-4所示规定：图4-4 进料流股规定6规定单元设备选择操作模式为2，即作设计计算。依据题目要求，规定轻重关键组分分别为：N-Butane和I-Pentane，塔顶产品中轻重关键组分的分离效率（recovery）分别为0.9908和0.0112，并规定回流比与最小回流比的比值为1.8，图4-5所示。图 4-5 简捷设计塔规定屏7运行计算8查看结果ResultsUnit Ops，选择简捷塔1查看计算结果： Shortcut Distillaton SummaryEquip. No. 1Name Mode 2 Light key component 3.0000Light key split 0.9908Heavy key component 4.0000Heavy key split 0.0112R/Rmin 1.8000Number of stages 21.5491Min. No. of stages 13.4798Feed stage 11.0562Condenser duty MJ/sec -0.3768Reboiler duty MJ/sec 0.4057Reflux ratio, minimum 1.2646Calc. Reflux ratio 2.2762可知，该条件下，最小回流比为1.26，理论板数为21.5，最小理论板数为13.5，适宜的进料位置是12.9块板，将计算结果取整，则理论板数为22，适宜的进料位置是第13块板。题目还要求分析回流比变化对塔顶冷凝器和塔釜再沸器热负荷的影响，在此，规定回流比与最小回流比的值在1.03到10之间变化，数据点个数为10，如图4-6所示：图4-6 简捷塔设计计算工况分析规定屏回流比变化对冷凝器及再沸器热负荷影响如下所示： R/Rmin Reflux ratio No. of stgs Feed stg Qcond Qreb MJ/sec MJ/sec 1.03 1.30 41.5 20.8 -2.648E-001 2.937E-001 2.03 2.56 20.3 10.4 -4.097E-001 4.387E-001 3.02 3.82 17.5 9.1 -5.548E-001 5.835E-001 4.02 5.08 16.4 8.5 -6.996E-001 7.286E-001 5.02 6.34 15.8 8.2 -8.446E-001 8.734E-001 6.01 7.60 15.3 8.0 -9.894E-001 1.018E+000 7.01 8.86 15.1 7.9 -1.134E+000 1.163E+000 8.01 10.13 14.9 7.8 -1.279E+000 1.308E+000 9.00 11.39 14.7 7.7 -1.424E+000 1.453E+000 10.00 12.65 14.6 7.6 -1.569E+000 1.598E+0004.3 TOWER塔4.2.1 概述TOWR塔是一个多级严格汽液平衡模型，使用内外循环法进行模拟计算。可以模拟任何单塔计算（包括精馏塔、吸收塔、带再沸器的吸收塔和汽提塔），也可以模拟有侧线产品及塔侧“加热/冷却”器的情况。最多允许5个进料流及4个侧线产品。在一个流程中，TOWR单元的数量不限。TOWR提供多种规格，使用很灵活。可以规定冷凝器、再沸器或塔板条件。规定项目有：总流率、热负荷、回流比、蒸出率、温度、分子分数、回流量、组分流率、汽液比（V/L）、质量流率、体积流率、质量分数、两种组分的流率比、产品的比重及分子量。4.2.2 参数规定TOWR的规定屏如图4-7所示：图4-7 TOWR单元操作通用规定屏TOWR的规定屏由五部分组成，分别是通用规定屏（Gerneral）、参数规定屏（Specifications）、收敛规定屏（Convergences）和成本估算规定屏（Cost Estimation）1、2。1 通用规定屏（Gerneral）按顺序输入以下参数：（1）Condenser type（冷凝器类型），包括以下选项：0全凝器或无冷凝器1部分冷凝器2带水析出的全凝器3带水析出的部分冷凝器如果精馏塔无冷凝器，选0；对全凝器（也选0），塔顶出料馏分是液体；对部分冷凝器，馏分是出自冷凝器的气体，若还有出自冷凝器的液相产品，则该产品将被定义为液相侧线产品。若选择冷凝器类型“2”或“3”，必须选择“不互溶”K值模型，即有两个液相存在的V-L-L模型。必要时，用户可对个别单元设置“局部”K值。（2）Subcooled temp（全凝器过冷温度）对全凝器可以规定过冷。如果一个非0值X作为过冷温度输入，则冷凝器固定于温度X，并且馏分全部是液体，而不管在规定温度X是否真的产生液体馏分。在此情况下，不得规定冷凝器类型为“3”（类型3无过冷情况）。（3）Top pressure（塔顶压力或冷凝器压力）用于规定塔顶压力或冷凝器压力。若不输入，则软件默认为第一进料流股的压力。（4）Cond pressure drop（冷凝器压降）用于规定冷凝器压降值，为正数。（5）Colm pressure drop（全塔压降）用于输入全塔及再沸器的压降，为正数。每层塔板的压力由塔顶（除冷凝器）与塔底（含再沸器）之间压力作线性计算得到。（6）No. of stages（精馏塔理论板数）要求用户规定精馏塔包括冷凝器和再沸器的分离级（理论板）数。级编号自上而下。如有冷凝器，则它为第一级；如有再沸器，则它为第N级。要求分离级数2。（7）Feed stage（精馏塔进料位置）要求用户定义进料板位置。若有多股进料，进料板输入应自上而下，进料位置数必须与塔进料流股数相同。若精馏塔侧有加热器/冷却器，则以焓流股的形式输入（即流股有焓值但无质量），其输入位置也必须作为进料板。2 参数规定屏（Specifications）参数规定屏（Specifications）如图4-8所示，用于规定热量及质量衡算的参数。图4-8 热量及质量衡算参数规定屏（1）Condenser mode（冷凝器模式），有以下选项：模式规定-1有冷凝器但不规定0无冷凝器1回流比2冷凝器热负荷，负值 3塔顶馏分温度4塔顶馏分总分子流率5塔顶馏分中一个组分的分子流率6一个组分在塔顶馏分中的分子分数 7进料流中一个组分向塔顶馏分的分配率8进料的塔顶馏出分率9塔顶馏分中两个组分的分子比10塔顶馏分体积流率11塔顶馏分质量流率12塔顶馏分中一个组分的重量分数15塔顶馏分的分子量16塔顶馏分的API重度（gravity）17塔顶馏分中一个组分的体积分数18回流的分子流率19回流的质量流率其中，模式“-1”表示有冷凝器，但不对冷凝器做规定而是对一块塔板做规定。模式“0”表示无冷凝器（如吸收塔）。其它0的模式都表示有冷凝器，并且提供其右侧栏目作相应的规定。注：组分的任何纯度规定（模式5、6、7、12、17），都能通过提供组分i和j的方法，从单一组分纯度扩展到多元组分的纯度。这将使程序应用于从组分i至j的一组组分的纯度规定。关于冷凝器参数规定（Condenser specification）：根据上述冷凝器模式选择，输入冷凝器规定。冷凝器热负荷必须是负实数。如选“-1”或“0”模式，该值则不需要。冷凝器组分i规定（Condenser component i spec.）：冷凝器模式5、6、7、9、12、17需要该规定。如果规定馏分中某一组分，必须输入该组分在组分表上的排位序号。冷凝器组分j规定（Condenser component j spec.）：对需规定两个组分的模式9，要求有该项规定。对模式5、6、7、12、17，它允许规定组分组的纯度。输入组分j的排位序号，对模式9是在分母的组分；对模式5、6、7、12、17，则是组分组中排序在最上面的组分。（2）Reboiler mode（再沸器模式），有以下选项：模式规格-1有再沸器但无规定0无再沸器1蒸出比（V/B）2再沸器热负荷，正值3再沸器温度4塔底产品总分子流率5塔底产品一种组分的分子流率6塔底产品一种组分的分子分数7进料流中一个组分向塔底产品的分配率8进料想塔底产品的分配率9塔底产品中两个组分的分子流率比10塔底产品体积流率 11塔底产品质量流率12塔底产品中一个组分的重量分数15塔底产品的分子量16塔底产品的API重度17塔底产品中一个组分的体积分数模式“-1”表示有再沸器但不做规定，而是在一块塔板上作出规定。模式“0”表示无再沸器（如吸收塔）。其它0的模式都表示有再沸器且提供右侧栏目相应规定。注意：组分的任何纯度规定（模式5、6、7、12、17），都能通过提供组之和J的方法，从单一组分纯度扩展到一组组分的纯度。这将使程序应用于从组分i至j一组组分的纯度规定。再沸器参数规定（Reboiler specification）：按照上述再沸器模式输入再沸器规格。再沸器热负荷必须为一个正实数。 如果模式选为-1或0，这个值则不需要。再沸器组分i规定（Reboiler component i spec.）：对于再沸器模式5、 6、 7、 9、 12、 17，需要该项。如有必要规定底部组分，输入其在组分列表中的位置。再沸器组分j规定（Reboiler component j spec.）：对需规定两个组分的模式9，要求有该项规定。对模式5、6、7、12、17，它允许规定组分组的纯度。输入组分j的排位序号，对于模式9，组分j是在分母的组分；对模式5、6、7、12、17，则是组中排序在最上面的组分。（3）定义塔板状态级数（Tray number for tray specification）输入要定义塔板状态的级数。如果不定义塔板状态，则不输入。 如果冷凝器和再沸器都已经定义(即模式 0)，则不必输入塔板状态级数；否则将破坏塔方程中的自由度，只有冷凝器模式为-1、或再沸器模式为-1时，才规定塔板。再沸器被看成N号塔板。塔板模式规定（Mode for tray specification），有如下选项：塔板模式规定0无规定1温度2液体摩尔流量3液体组分流量4液体组分摩尔分率5气体摩尔流量6气体组分流量7气体组分摩尔分率8液体体积流量 9液体质量流量10液体组分重量分率13液体分子量14液体 API 重度15气/液比19 100下的气体真实蒸汽压 20100下的液体真实蒸汽压 22气体闪蒸点23液体闪蒸点24气体倾点25液体倾点27Reid 气体蒸汽压28Reid 液体蒸汽压塔板规定（Tray specifications）：根据所选的塔板模式输入塔板的规定。塔板组分规定（Tray component identification）：如果塔板模式为 3、 4、 6、7、10，输入组分在列表中的位置。侧线产品位置（Side product stage locations）：副产品的级数必须从上至下。副产品的级数编号必须与塔布局中定义的产品物流号一致。侧线产品模式规定（Side product modes）：气体侧线流为正值，液体侧线流为负值。侧线采出流股可选择下列模式：模式规定1 或 -1侧线流抽出率2 或 -2侧线流摩尔流率3 或 -3一个组分在侧线流的摩尔流率4 或 -4一个组分在侧线流的摩尔分数5 或 -5侧线流体积流率 (桶/日或M3/日)6 或 -6侧线流质量流率7 或 -7一个组分在侧线流的重量分数模式1的侧线抽出率定义为SV/Vm 或 SL/Lm。侧线流股组分规定（Side stream specifications）：用户可按所选模式输入侧线流规定。3 收敛规定屏（Convergences）图4-9示为TOWR用于促进收敛性的参数规定屏。图4-9收敛性参数规定屏（1）General estimates（概算）Dist. rate：估计的塔顶流股流率，建议用户输入。如果不能估计，则不输入，TOWR会产生估算值。Reflux rate：估计的回流流股流率，对较大回流量的塔建议输入。须注意的是，此处要求规定的是回流量而不是回流比。若用户未能估算，则不建议输入。（2）Temperature estimates（温度估算） T top：输入冷凝器或塔顶板的估计温度，建议输入。如果冷凝器是极度过冷，或者冷凝器与第2板的温差很大，则建议输入第2板温度 T2。T bottom：输入估计的再沸器或最后一块板温度，建议输入。T2：如果冷凝器与塔顶板存在大温差，则应输入第2板温度 T2。（3）Side product estimationsStage：采出位置，级Estimated flow rates：估计的侧线产