精馏过程模拟学习教案

1、会计学1精馏精馏(jn li)过程模拟过程模拟第一页，共75页。5.1 单元操作(cozu)模型 - 塔-严格塔* Requires separate license第1页/共74页第二页，共75页。5.2 RadFrac-严格多级分离(fnl)模块第2页/共74页第三页，共75页。5.2 RadFrac-严格多级分离(fnl)模块第3页/共74页第四页，共75页。5.2 RadFrac-拓扑(tu p)结构气体蒸馏物 (DV)1 顶级或冷凝器热负荷热 (可选)(Q1) 液体蒸馏物 (DL)水 (DW) (可选)D=DL+DV DV:D=DV/D物料回流RR=L1/D RW=LW/DW（任何数

2、量) L1 + LW产品 (任何数量)热循环回流倾析器热产品热返回(任何数量) 上升蒸汽(VN) N级底级或再沸器热负荷热 (可选)(QN) 塔底 (B) BR=VN/B第4页/共74页第五页，共75页。5.3 RadFrac-结构(jigu)设置规定:理论(lln)板数冷却器和再沸器结构有效相态收敛两个操作规定第5页/共74页第六页，共75页。5.4 RadFrac-流股设置(shzh)规定:进料板位置(wi zhi)进料物流规则 (见帮助)ABOVE-STAGE:从进料物流来的气体进入进料板上一层塔板,液体进入进料板位置(wi zhi)ON-STAGE:来自进料的气体和液体都进入进料板位置

3、(wi zhi)第6页/共74页第七页，共75页。5.5 RadFrac-压力(yl)设置规定(gudng)下列项之一:塔压力分布塔顶/塔底压力塔段压降第7页/共74页第八页，共75页。例5.1丙烷(bn wn)、异丁烷的分离过程模拟第8页/共74页第九页，共75页。例5.1 丙烷(bn wn)、异丁烷的分离过程模拟第9页/共74页第十页，共75页。1）新建模拟文件2）建立模拟流程图 （分别选择(xunz)RADFRAC、Valve、Pump模块）重命名各流股和单元操作泵和控制阀的命名(mng mng)以易于与精馏塔C1关联为宗旨例5.1 丙烷、异丁烷的分离过程(guchng)模拟选择液相馏出

4、物第10页/共74页第十一页，共75页。3）设定全局(qunj)特性工程概述、工程单位、报告(bogo)输出形式等例5.1 丙烷、异丁烷的分离过程(guchng)模拟第11页/共74页第十二页，共75页。4）指定(zhdng)化学组分并重命名例5.1 丙烷、异丁烷的分离过程(guchng)模拟第12页/共74页第十三页，共75页。5）选择物性计算(j sun)模型例5.1 丙烷、异丁烷的分离过程(guchng)模拟第13页/共74页第十四页，共75页。6）输入(shr)流股信息例5.1 丙烷、异丁烷的分离(fnl)过程模拟第14页/共74页第十五页，共75页。7）输入(shr)设备参数 - C

5、1- Configuration例5.1 丙烷(bn wn)、异丁烷的分离过程模拟第15页/共74页第十六页，共75页。7）输入(shr)设备参数 - C1- Streams例5.1 丙烷(bn wn)、异丁烷的分离过程模拟第16页/共74页第十七页，共75页。7）输入(shr)设备参数 - C1- Pressure例5.1 丙烷、异丁烷的分离过程(guchng)模拟第17页/共74页第十八页，共75页。7）输入设备(shbi)参数 - P11&P12例5.1 丙烷、异丁烷的分离过程(guchng)模拟第18页/共74页第十九页，共75页。8）运行(ynxng)模拟计算例5.1 丙烷、

6、异丁烷的分离(fnl)过程模拟第19页/共74页第二十页，共75页。9）查看(chkn)计算结果分离(fnl)要求：xD,IC42 mol% xB,C31 mol% 可通过(tnggu)增加回流比或增加塔的理论板数提高分离效果例5.1 丙烷、异丁烷的分离过程模拟第20页/共74页第二十一页，共75页。10） 增大(zn d)回流比为3分离(fnl)要求：xD,IC42 mol% xB,C31 mol% 例5.1 丙烷、异丁烷的分离过程(guchng)模拟第21页/共74页第二十二页，共75页。例5.2 甲醇(ji chn)水分离COLUMNFEEDOVHDBTMS用 NRTL-RK 物性(w

7、xn)方法第22页/共74页第二十三页，共75页。部分 A:用如下数据完成甲醇塔核算(h sun):塔进料: 63.2 wt% 水 36.8 wt% 甲醇总流量 120,000 lb/hr压力 20 psia, 饱和液体塔规定: 38 块塔板 (40 块理论级)进料板 = 23 (第24理论级)全凝器顶部压力 = 16.1 psia(绝对压力）每理论级压力降 = 0.1 psiDistillate flowrate 蒸馏流率 = 1245 lbmol/hr摩尔回流比 = 1.3用 NRTL-RK 物性方法例5.2 甲醇(ji chn)水分离第23页/共74页第二十四页，共75页。1） 塔温度(

8、wnd)剖面的绘制2）塔板液相组成剖面的绘制例5.3 使用“plot wizard”功能(gngnng)绘图第24页/共74页第二十五页，共75页。例5.3 使用(shyng)“plot wizard”功能绘图1）塔温度(wnd)剖面的绘制第25页/共74页第二十六页，共75页。例5.3 使用(shyng)“plot wizard”功能绘图1）塔温度(wnd)剖面的绘制第26页/共74页第二十七页，共75页。1）塔温度剖面(pumin)的绘制例5.3 使用“plot wizard”功能(gngnng)绘图第27页/共74页第二十八页，共75页。2）塔板液相组成剖面(pumin)的绘制例5.3

9、使用“plot wizard”功能(gngnng)绘图第28页/共74页第二十九页，共75页。通过前面的例题，明确了达到预期产品指标(zhbio)所需的操作条件（操作温度、压力、操作回流比，采出量等）。本节将寻找最佳进料位置，最小回流比和最小理论板数，为精馏过程经济优化奠定基础。例5.4 最佳进料位置及最小条件(tiojin)的确定第29页/共74页第三十页，共75页。课堂练习：利用5.1中工程文件，保持其它条件不变，改变进料板位置（1216），记录进料板位置变化对再沸器热负荷(fh)的影响。*最优值*以上(yshng)数值仅供参考1）最佳进料位置(wi zhi)的确定例5.4 最佳进料位置及

10、最小条件的确定第30页/共74页第三十一页，共75页。课堂练习：利用5.1中工程(gngchng)文件，保持其它条件不变，增加理论板数（32，48，64，96），并保证进料位置与总理论板数维持固定比例值，分析操作回流比的变化。2）最小回流(hu li)比的确定例5.4 最佳(zu ji)进料位置及最小条件的确定第31页/共74页第三十二页，共75页。课堂练习：利用5.1中工程(gngchng)文件，保持其它条件不变，减小理论板数（32，22，20，18，17，16，15），并保证进料位置与总理论板数维持固定比例值，分析操作回流比的变化。3）最小理论(lln)板数的确定例5.4 最佳进料位置及最

11、小条件(tiojin)的确定第32页/共74页第三十三页，共75页。若已知精馏塔的级数则计算其塔高非常容易。塔盘之间的间距一般取2 英尺(0.61m)。若塔的级数为NT，则塔盘的数目为NT -2(一级是塔顶回流罐，另一级是塔釜再沸器)。除塔盘外，塔顶要为回流管进塔和塔进料部分的进料分布器留出空间。更重要(zhngyo)的是，在塔底部还要留出足够的空间，以满足下列的两个要求：(1)提供缓冲所用的持液量；(2)塔底液位高度必须比塔底泵高出足够的高度，以提供泵所需的汽蚀余量。因此，在设计的过程中塔的高度一般会按塔盘间距所要求的高度再给出20%的裕量。所以塔器的高度可以按下式估算：L=1.2(0.61

12、)(NT-2）1）塔高例5.5 精馏塔尺寸(ch cun)的估算第33页/共74页第三十四页，共75页。 精馏塔的塔径由气相最大流速决定。若该流速值超高，则塔的液相和气相水力条件就会失效，塔也会发生液泛。可以(ky)通过可靠的关联式来确定气相的最大流速。对于非恒摩尔流体系，各层塔盘的气相流量均不相同，气相流量最大的塔盘将会确定塔的直径。假如已知气相的质量流量及气相密度，则可以(ky)计算出气相的体积流量。而后，假如已知最大许用速度，则可以(ky)计算出塔的截面面积，从而确定塔径2） 塔径例5.5 精馏塔尺寸(ch cun)的估算第34页/共74页第三十五页，共75页。例5.5 精馏塔尺寸(ch

13、 cun)的估算2） 塔径tray sizing第35页/共74页第三十六页，共75页。例5.5 精馏塔尺寸(ch cun)的估算2） 塔径改变流程(lichng)数为2，重新计算第36页/共74页第三十七页，共75页。3） 塔的水力学参数(cnsh)例5.5 精馏塔尺寸(ch cun)的估算第37页/共74页第三十八页，共75页。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能分离(fnl)要求：xD,IC42 mol% xB,C31 mol% 例题5.6在例题5.1的基础上，寻找合适(hsh)的塔顶馏出物流量和回流比，使得塔顶馏出物中异丁烷含量为2 mol%，而塔釜馏出

14、物中丙烷含量为1mol%第38页/共74页第三十九页，共75页。为了保证模拟计算能够得到合理、正确的技术(jsh)结果，在运用“DESIGN SPEC-VARY”功能时，较好的做法是使程序一次只对一个变量收敛，而不是同时求解数个变量。“DESIGN SPEC-VARY”功能：指定(zhdng)某些“控制”变量（DESIGN SPEC），同时指定(zhdng)“调整变量”（VARY）。程序会通过操控调整变量从而使控制变量达到指定(zhdng)值。本例中：1）调整塔顶馏出物流量使得(sh de)塔顶产品合格；2）调整回流比使得(sh de)塔底产品合格（馏出物指标仍然起作用）例5.6 使用“DES

15、IGN SPEC-VARY”功能第39页/共74页第四十页，共75页。1）指定第一(dy)控制变量- Specifications第一(dy)控制变量为塔顶中c4的浓度值为0.02例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第40页/共74页第四十一页，共75页。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能1）指定(zhdng)第一控制变量- Components第41页/共74页第四十二页，共75页。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能1）指定(zhdng)第一控制变量- Feed/Product Sreams第

16、42页/共74页第四十三页，共75页。2）指定(zhdng)第一调整变量 - Specifications调整distillate rate 在0.2-0.6kmol/sec之间变化例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第43页/共74页第四十四页，共75页。3) 运行(ynxng)模拟 - Control Pannel例5.2 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第44页/共74页第四十五页，共75页。4) 查看(chkn)结果例5.2 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第45页/共74页第四十六页，共75页。例5.

17、6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能5）指定第二(d r)控制变量- Specifications第二(d r)控制变量为塔底中c3的浓度值为0.01第46页/共74页第四十七页，共75页。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能5）指定(zhdng)第二控制变量- Components第47页/共74页第四十八页，共75页。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能5）指定(zhdng)第二控制变量- Feed/Product Sreams第48页/共74页第四十九页，共75页。例5.6 使用(shyng)“DE

18、SIGN SPEC-VARY”功能6 ）指定第二调整(tiozhng)变量 - SpecificationsReflux Ratio在 1-5之间调整(tiozhng)第49页/共74页第五十页，共75页。7） 再次(zi c)运行模拟 - Control Pannel例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第50页/共74页第五十一页，共75页。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能8） 查看(chkn)结果第51页/共74页第五十二页，共75页。查看结果 - 操作(cozu)回流比例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC

19、-VARY”功能第52页/共74页第五十三页，共75页。为了可以使用冷却水作为塔顶冷凝器冷源(塔顶操作温度约52)，增加塔顶压力至16.8atm，再次运行(ynxng)模拟。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第53页/共74页第五十四页，共75页。增加塔顶压力16.8atm ，再次运行模拟(mn) - 查看结果例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第54页/共74页第五十五页，共75页。若设置一个不带冷凝器或再沸器的吸收塔,则在 RadFrac Setup Configuration 页面上设置冷凝器和再沸器为none在 RadF

20、rac Efficiencies 表页上能够规定按一个理论级基准或组分基准的汽化效率或Murphree 效率.能够进行(jnxng)板式塔或填料塔的设计和核算.如果用户选择汽-液-液作为有效相，也可以模拟第二液相.能够生成再沸器和冷凝器的热曲线5 RadFrac例题(lt)小结第55页/共74页第五十六页，共75页。用 绘图向导 (在 Plot 菜单上) 能立即生成模拟结果的曲线图，你能用绘图向导显示如下操作(cozu)的结果:物性分析数据回归分析所有分离模型RadFrac、 MultiFrac、PetroFrac 和 RateFrac的数据分布点击数据窗口中的对象生成该对象的曲线图.向导引导

21、你执行生成图表的基本操作(cozu).在 Next 按钮上点击继续. 点击 Finish 按钮按缺省设置生成图.5 RadFrac例题(lt)小结第56页/共74页第五十七页，共75页。用DesignSpecs 和 Vary 表页可以在RadFrac 模型内部规定并执行设计(shj)规定。可以调整一个或多个RadFrac 输入，来满足对一个或多个 RadFrac 性能参数的规定要求。一般情况下，“规定”的个数应与“变化”的个数相等.RadFrac 中的“设计(shj)规定”和“改变” 是在 “中间回路”中求解的，如果你得到一个中间回路没收敛的错误信息，检查你输入的“设计(shj)规定”和“改变

22、” 5 RadFrac例题(lt)小结第57页/共74页第五十八页，共75页。如果 RadFrac 没收敛, 做以下工作会有帮助:1）检查正确地规定(gudng)了有关物性方面的问题 (物性方法的选择、参数可用性) 。2）确保塔操作条件是可行的。3) 如果塔的 err/tol 是一直减少的, 在RadFrac Convergence Basic 页上增加最大迭代次数。5 RadFrac例题(lt)小结第58页/共74页第五十九页，共75页。如果 RadFrac 没收敛, 做以下工作会有帮助:4）在RadFrac Estimates Temperature 页上提供塔中一些塔板的温度估值 (对吸

23、收塔来说是有用的).5）在RadFrac Estimates Liquid Composition and Vapor Composition 页上提供塔中一些塔板的组成估值 (对于(duy)高度非理想系统是有用的).6）在RadFrac Setup Configuration 页上尝试不同的收敛方法。当一个塔不收敛时, 做了改变后重新初始化通常是有好处的。5 RadFrac例题(lt)小结第59页/共74页第六十页，共75页。例5.7 甲醇(ji chn)水分离用 NRTL-RK 物性(w xn)方法COLUMNFEEDOVHDBTMS第60页/共74页第六十一页，共75页。部分 A:用如下

24、数据完成甲醇(ji chn)塔核算:塔进料: 63.2 wt% 水 36.8 wt% 甲醇(ji chn)总流量 120,000 lb/hr压力 20 psia, 饱和液体塔规定: 38 块塔板 (40 块理论级)进料板 = 23 (第24理论级)全凝器顶部压力 = 16.1 psia(绝对压力）每理论级压力降 = 0.1 psiDistillate flowrate 蒸馏流率 = 1245 lbmol/hr摩尔回流比 = 1.3用 NRTL-RK 物性方法例5.7-A 甲醇(ji chn)水分离第61页/共74页第六十二页，共75页。部分 B:建立塔内的设计规定达到如下两个目标:塔顶馏出物中

25、甲醇含量99.95 wt%塔底水含量99.90 wt%要达到这些规定, 你可以改变塔顶馏出物流率 (800-1700 lbmol/hr) 和回流比 (0.8-2). 在运行该题之前(zhqin)确保物流组成是按质量分率报告。记录冷凝器和再沸器的负荷:冷凝器负荷:_再沸器负荷:_例5.7-B 甲醇(ji chn)水分离第62页/共74页第六十三页，共75页。部分(b fen) C:规定每块板效率为65% Murphree效率后 执行同一个设计计算。假设冷凝器和再沸器的板效率为90%。 这些效率是如何影响塔的冷凝器和再沸器负荷的?例5.7-C 甲醇(ji chn)水分离第63页/共74页第六十四页

26、，共75页。部分 D:完成整个塔的设计计算(j sun)，假定使用泡罩塔盘塔 例5.7-D 甲醇(ji chn)水分离第64页/共74页第六十五页，共75页。 例5.8 环己烷生产过程(guchng)模拟(qn q)进料与循环氢气进料与循环氢气(qn q)和环己烷混合。和环己烷混合。 假设苯转化率为假设苯转化率为99.8%。反应器出料被冷却，轻气体从产品反应器出料被冷却，轻气体从产品物流中分离出去。物流中分离出去。 部分轻气体作部分轻气体作为循环氢气为循环氢气(qn q)返回反应器。返回反应器。从分离器出来的液体产品物流进入从分离器出来的液体产品物流进入蒸馏塔进一步脱除溶解的轻气体，蒸馏塔进一步脱除溶解的轻气体，使最终产品稳定。部分环己烷产品使最终产品稳定。部分环己烷产品循环进入反应器，辅助控制温度。循环进入反应器，辅助控制温度。第65页/共74页第六十六页，共75页。例5.8-环己烷生产(shngchn)模拟流程图 C6H6 + 3 H2 = C6H12苯 氢气(qn q) 环己烷用 RK-SOAVE 物性(w xn)方法完成后另存为：文件名: CYCLOHEX.BK