精馏分离的仿真设计.ppt

塔设备单元模型 分类 DSTWUDistlRadFracExtract 塔设备 Columns 单元共有9种模块 MultiFracSCFracPetroFracRateFracBatchFrac DSTWU简捷精馏 设计 DSTWU模块用Winn Underwood Gilliland简捷算法进行精馏塔的设计 根据给定的加料条件和分离要求计算最小回流比 最小理论板数 给定回流比下的理论板数和加料板位置 连接 DSTWU模型的连接图如下 1 塔设定 Columnspecifications 1 塔板数 Numberofstages 2 回流比 Refluxratio 0 实际回流比 1 绝对值 实际回流比 最小回流比 模型参数 DSTWU模型有四组模型设定参数 2 关键组分回收率 Keycomponentrecoveries 1 轻关键组分在馏出物中的回收率馏出物中的轻关键组分 进料中的轻关键组分 2 重关键组分在馏出物中的回收率馏出物中的重关键组分 进料中的重关键组分 DSTWU模型有四组模型设定参数 3 压力 Pressure 1 冷凝器 Condenser 2 再沸器 Reboiler DSTWU模型有四组模型设定参数 1bar 0 986923267标准大气压 4 冷凝器设定 Condenserspecifications 1 全凝器 Totalcondenser 2 带汽相馏出物的部分冷凝器 Partialcondenserwithvapordistillate 3 带汽 液相馏出物的部分冷凝器 Partialcondenserwithvaporandliquiddistillate DSTWU模型有四组模型设定参数 1 生成回流比 理论板数关系表 Generatetableofrefluxratiovs numberoftheoreticalstages 2 计算等板高度 CalculateHETP 计算选项 DSTWU模型有两个计算选项 生成回流比 理论板数关系表 对选取合理的理论板数很有参考价值 在实际回流比对理论板数栏目中输入我们想分析的理论板数的最小值 Initialnumberofstages 最大值 Finalnumberofstages 和增量值 Incrementsizefornumberofstages 计算完成后的结果中会包括回流比剖形 Refluxratioprofile 据此可以绘制回流比 理论板数曲线 接近最小理论板数 接近最小回流比 合理的理论板数应在曲线斜率绝对值较小的区域内选择 应用示例 1 含苯 甲苯 二甲苯和部分碳九的混合物 F 8155kg hr P 2MPa T 50 C 组成如作图所示 用精馏塔 塔顶0 15MPa 塔底0 2MPa 分离 要求99 9 的苯从塔顶排出 99 98 的甲苯从塔底排出 采用全凝器 求 Rmin NTmin R 1 2Rmin时的R NT和NF 应用示例 2 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 5Rmin时的R NT和NF Distl简捷精馏 操作 Distl模块用Edmister方法计算给定精馏塔的操作结果 Distl模块的连接图如下 含水30 w 甲醇70 w的混合物 F 1000kg hr P 0 12MPa T 20 C 用精馏塔 塔压0 12MPa 分离 采用全凝器 22块理论塔板 加料板在第15块 摩尔回流比0 56775 馏出物 加料摩尔比0 641 核算分离效果 再沸器功率 应用示例 3 模型参数 在Specification表单中设定以下参数 理论板数Numberofstages加料板位置Feedstage回流比Refluxratio馏出物 进料摩尔比Distillatetofeedmole冷凝器类型Condensertype冷凝器压强Condenserpressure再沸器压强Reboilerpressure 计算结果 计算给出以下模块信息 冷凝器热负荷Condenserduty再沸器热负荷Reboilerduty进料板温度Feedstagetemperature塔顶温度Topstagetemperature塔底温度Bottomstagetemperature进料q值Feedquality 过冷液体q 1 饱和液体q 1 气液混合物q 1 饱和蒸气 0 过热蒸气 0 RadFrac严格精馏模块 RadFrac模块同时联解物料平衡 能量平衡和相平衡关系 用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果 RadFrac模块用于精确计算精馏塔 吸收塔 板式塔或填料塔 的分离能力和设备参数 连接 RadFrac模块的连接图如下 模型设定 RadFrac模型具有以下设定表单 1 配置 Configuration 2 流股 Streams 3 压强 Pressure 4 冷凝器 Condenser 5 再沸器 Reboiler 6 三相 3 Phase 配置 配置表单包含以下项目 1 塔板数 NumberofStages 2 冷凝器 Condenser 3 再沸器 Reboiler 4 有效相态 ValidPhase 5 收敛方法 Convergence 6 操作设定 OperationSpecifications 1 冷凝器 冷凝器配置从四个选项中选择一种 1 全凝器 Total 2 部分冷凝 汽相馏出物 Partial Vapor 3 部分冷凝 汽相和液相馏出物 Partial Vapor Liquid 4 无冷凝器 None 2 再沸器 三个选项中选择一种 1 釜式再沸器 Kettle 2 热虹吸式再沸器 Thermosyphon 3 无再沸器 None 热虹吸式再沸器 Thermosyphon 3 有效相态 有效相态从四个选项中选择一种 1 汽 液 Vapor Liquid 2 汽 液 液 Vapor Liquid Liquid 3 汽 液 冷凝器游离水 Vapor Liquid FreeWaterCondensor 4 汽 液 任意塔板游离水 Vapor Liquid FreeWaterAnyStage 4 收敛方法 体系收敛方法从六个选项中选择一种 1 标准方法 Standard 2 石油 宽沸程 Petroleum Wide Boiling 3 强非理想液相 StronglyNon idealLiquid 4 共沸体系 Azeotropic 5 深度冷冻体系 Cryogenic 6 用户定义 Custom 5 操作设定 1 回流比 RefluxRatio 2 回流速率 RefluxRate 3 馏出物速率 DistillateRate 4 塔底物速率 BottomsRate 5 上升蒸汽速率 BoilupRate 操作设定从十个选项中选择 6 上升蒸汽比 BoilupRatio 7 上升蒸汽 进料比 BoiluptoFeedRatio 8 馏出物 进料比 DistillatetoFeedRatio 9 冷凝器热负荷 CondenserDuty 10 再沸器热负荷 ReboilerDuty 操作设定从十个选项中选择 6 流股 1 进料流股 FeedStreams 指定每一股进料的加料板位置 2 产品流股 ProductStreams 指定每一股侧线产品的出料板位置及产量 在流股表单中设置以下参数 7 压强 从三种方式 View 中选择一种1 塔顶 塔底 Top Bottom 指定塔顶压力 冷凝器压降和塔压降 2 压力剖型 PressureProfile 指定每一块塔板压力 3 塔段压降 SectionPressureDrop 指定每一塔段的压降 在压强表单中设置以下参数 8 冷凝器 冷凝器设定有两组参数 1 冷凝器指标 CondenserSpecification 仅仅应用于部分冷凝器 只需指定冷凝温度 Temperature 和蒸汽分率 VaporFraction 两个参数之一 2 过冷态 Subcooling 1 过冷选项 Subcoolingoption 回流物和馏出物都过冷 Bothrefluxandliquiddistillatearesubcooled 仅仅回流物过冷 Onlyrefluxissubcooled 2 过冷指标 Subcoolingspecification 过冷物温度 Subcooledtemperature 过冷度 Degreesofsubcooled 冷凝器设定有两组参数 9 再沸器 如选用了热虹吸再沸器 则需要进行设置 1 指定再沸器流量 Specifyreboilerflowrate 2 指定再沸器出口条件 Specifyreboileroutletcondition 3 同时指定流量和出口条件 Specifybothflowandoutletcondition RadFrac的计算结果从三部分查看 1 结果简汇 Resultssummary 2 分布剖形 Profiles 3 流股结果 Streamresults 10 结果查看 结果简汇给出塔顶 冷凝器 和塔底 再沸器 的温度 热负荷 流量 回流比和上升蒸汽比等参数 以及每一组份在各出塔物流中的分配比率 分布剖形给出塔内各塔板上的温度 压力 热负荷 相平衡参数 以及每一相态的流量 组成和物性 据此可确定最佳加料板和侧线出料板位置 11 分布剖形Profile 根据DSTWU示例 2 的结果 选取R 25 NT 69 NF 40 用RadFrac模块进行精确计算 再根据浓度分布剖形结果选取最佳进料板位置 重新进行校核计算 应用示例 4 RadFrac 设计规定 RadFrac模型带有内部的设计规定功能 通过设计规定 DesignSpecs 和变化 Vary 两组对象进行设定 主要目标 产品纯度下最优能耗 可以设置多个设计规定对象和多个变化对象 但要注意两者间的依赖关系和自由度必须吻合 否则不能收敛 新建Designspecs和Vary注意次序一一对应 设计规定对象通过以下三张表单设置规定指标1 规定 Specification 2 组分 Components 3 进料 产物流股 Feed ProductStreams 在规定表单中输入以下指标1 类型 Type 有36种变量类型共选用2 目标 Target 设定规定变量的目标值3 流股类型 Streamtype 产物 Product 内部 Internal 倾析器 Decanter 在组分表单中输入定义目标值的组分 Components 分子 和基准组分 BaseComponents 分母 从左侧可用组分 Availablecomponents 框中选择需用组分到右侧的选用组分 SelectedComponents 框中 设计规定对象Designspec 在进料 产物流股表单中选择定义设计规定目标值的流股名称 在变化对象的Specification表单中输入调节变量及其调节范围的上 下限值 1 目标spec 2 选定组成 3 选定物流 Designspecs的输入方法 Vary的输入方法 注意Vary有时需和一一输入变量对应 Sepc vary应用示例 试模拟BTX分离的苯塔和甲苯塔分离模型 并对采用spec vary进行优化 BTX分离流程图 目标 1 苯中甲苯含量不超过0 0005wt 2 苯塔釜底产物苯含量不超过0 005wt 3 甲苯中二甲苯含量不超过0 0005wt 4 甲苯收率不低于98wt Componentsandfeed Property chao sea 苯塔输入参数 甲苯塔输入参数 目标值 目标组分 目标物流 DesignSpecs的输入方法 设计规范 流股类型 三部曲 调整的变量 搜索区间 最大迭代步长 Vary的输入方法 塔板效率 RadFrac模块可以设定实际塔板的板效率 Efficiencies 用户可选用蒸发效率 VaporizationEfficiencies 或墨弗里效率 MurphreeEfficiencies 并选择指定单块板的效率 单个组分的效率 或者塔段的效率 蒸发效率 VaporizationEfficiencies定义如下 下标i代表组分 j代表塔板编号 墨弗里效率 MurphreeEfficiencies定义如下 下标i代表组分 j代表塔板编号 如果示例BTX中的精馏段的墨弗里效率为0 65 提馏段的墨弗里效率为0 75 试求满足分离要求所需的塔板数 加料板位置和回流比 报告选项 报告 Report 中有一项对塔板设计非常重要 即性质选项 Propertyoptions 里的包括水力学参数 Includehydraulicparameters 选项 另外剖形选项 Profileoptions 里包括哪些塔板 Stagestobeincludedinreport 也很有用 选择了包括水力学参数 Includehydraulicparameters 选项后 剖形结果中将给出指定塔板上的汽 液两相的体积流量 密度 粘度和表面张力等塔板设计所需的参数 查看示例BTX的水力学计算结果 模型分析工具 灵敏度分析Sensitivity优化Optimization数据拟合DataFit事件分析CaseStudy费用估计CostEstimation 灵敏度分析 对苯塔的进料板位置进行灵敏度分析 目标 最小能耗 reboilerdutry变量 进料板位置 Feedstage 灵敏度分析 首先建立一个S 1 灵敏度分析 输入变量名 并定义目标变量 灵敏度分析 输入变量名 并定义目标变量 点击Edit 弹出目标变量选择窗口 项目 目标变量类型 模块 变量 描述 单位 目标变量选择 变量解释 优化变量的输入 目标变量类型 模块 变量 描述 单位 变化区间 步长 点数 报表选项 表列数 表列变量内容 可选内容 设置完成后按按钮执行 点击 计算结果 最优值 运行状态 优化 采用Designspec 和vary方法计算的结果 目标产品纯度已达到 单塔已获得优化结果是否已得到最优能耗 优化目标 限定条件 输入优化目标和限定条件 1 定义变量 变量类型 变量类型 变量归属 变量 描述 2 限定条件 定义需要约束的变量 变量名 约束范围 最小误差 按要求设定 设定其他限定条件后 进行优化设置 目标表达式 选择的约束 3 输入表达式和约束条件 需要提前建立 4 自变量的选择 低限 低限 自变量选择 迭代步长选项 报告选项 5 运行并查看结果 复杂精馏过程 塔板设计 塔板设计 Traysizing 计算给定板间距下的塔径 可将塔分成多个塔段分别设计合适的塔板 在Specification表单中输入该塔段 Trayedsection 的起始塔板 Startingstage 和结束塔板 Endingstage 序号 塔板类型 Traytype 塔板流型程数 Numberofpasses 以及板间距 Trayspacing 等几何结构 Geometry 参数 设置好后运行计算 单通道塔板 双通道塔板 塔板类型提供了五种塔板供选用 1 泡罩塔板 BubbleCap 2 筛板 Sieve 3 浮阀塔板 GlistchBallast 4 弹性浮阀塔板 KochFlexitray 5 条形浮阀塔板 NutterFloatValve 结果 Results 表单中给出计算得到的塔内径 Columndiameter 对应最大塔内径的塔板序号 Stagewithmaximumdiameter 降液管截面积 塔截面积 Downcomerarea Columnarea 侧降液管流速 Sidedowncomervelocity 侧堰长 Sideweirlength 降液密封区 降液区 鼓泡区 剖形 Profiles 表单中给出每一块塔板对应的塔内径 Diameter 塔板总面积 Totalarea 塔板有效区面积 Activearea 侧降液管截面积 Sidedowncomerarea 塔板核算 塔板核算 Trayrating 计算给定结构参数的塔板的负荷情况 可供选用的塔板类型与 塔板设计 中相同 塔板设计 与 塔板核算 配合使用 可以完成塔板选型和工艺参数设计 塔板核算 的输入参数除了从 塔板设计 带来的之外 还应补充塔盘厚度 Deckthickness 和溢流堰高度 Weirheights 多流型塔板应对每一种塔盘都输入堰高 塔板核算 3 注意单位 厚度10 15Gauge 堰高50 75mm 300 450mm 塔板核算 4 在塔板布置 Layout 表单中输入 浮阀的类型 Valvetype 材质 Material 厚度 Thickness 有效区浮阀数目 Numberofvalvestoactivearea 筛孔直径 Holediameter 和开孔率 Sieveholeareatoactiveareafraction 塔板核算 5 12mm左右最好 塔板核算 7 在降液管 Downcomer 表单中输入 降液管底隙 Clearance 顶部宽度 Widthattop 底部宽度 Widthatbottom 直段高度 Straightheight 塔板核算结果在结果 Results 表单中列出 有三个参数应重点关注 1 最大液泛因子 Maximumfloodingfactor 应该小于0 8 2 塔段压降 Sectionpressuredrop 3 最大降液管液位 板间距 Maximumbackup Trayspacing 应该在0 25 0 5之间 应用示例 5 在示例 4 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 一个计算实例 填料设计 填料设计 Packsizing 计算选用某种填料时的塔内径 在Specification表单中输入填料类型 Type 生产厂商 Vendor 材料 Material 板材厚度 Sheetthickness 尺寸 Size 等板高度 Heightequivalenttoatheoriticalplate 等参数 填料设计 2 填料厚度 填料设计 3 填料类型共有40种填料供选用 以下是5种典型的散堆填料 1 拉西环 RASCHIG 2 鲍尔环 PALL 3 阶梯环 CMR 4 矩鞍环 INTX 5 超级环 SUPERRING 填料设计 4 填料类型共有40种填料供选用 以下是5种典型的规整填料 1 带孔板波填料 MELLAPAK 2 带孔网波填料 CY 3 带缝板波填料 RALU PAK 4 陶瓷板波填料 KERAPAK 5 格栅规整填料 FLEXIGRID 规整填料的特点 1 规整填料压降小 筛板塔的1 4 2 持液量小 塔容积的1 6 3 分离效率较高 4 空隙率大 通量大 综合处理能力强 5 工业放大效应不明显 填料设计 5 规整填料 250为比表面积m2 m3X为波纹与垂直方向的倾角 金属板厚度0 1 0 6mm 填料设计 6 结果 Results 表单中给出计算塔内径 Columndiameter 最大负荷分率 Maximumfractionalcapacity 最大负荷因子 Maximumcapacityfractor 塔段压降 Sectionpressuredrop 比表面积 Surfacearea 等参数 填料核算 填料核算 Packrating 计算给定结构参数的填料的