【丙烯精馏塔稳态模拟过程分析案例3800字】

丙烯精馏塔稳态模拟过程分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u118441.1稳态模拟内容概述 132821.2丙烯精馏塔简捷设计 1166121.2.1简捷设计操作过程 189361.3丙烯精馏塔简捷校核 6311981.4丙烯精馏塔严格计算 8222491.4.1建立严格计算基础模型 8202771.4.2添加设计规定 11226471.4.3塔内温度、关键组分组成分布曲线 14176421.4.4添加灵敏度分析 1527771.5丙烯精馏塔定性分析操作型问题 21274941.6小结 211.1稳态模拟内容概述根据前期查阅的文献，对丙烯精馏塔进料条件的分析，确定适合于丙烯精馏塔的操作条件，建立平衡级丙烯精馏塔的稳态模型，对其进行简捷设计（DSTWU）、简捷校核（Distl）和严格计算（RadFrac）。通过分析模拟结果，确定最佳操作参数，以获得较高的目的产物纯度和较低的设备费用，并与实际的工况数据做对比，对模型进行验证，为下一步导入动态模拟提供条件。1.2丙烯精馏塔简捷设计1.2.1简捷设计操作过程（1）选择精馏塔模块，搭建流程图模型选择Columns，命名为DSTWU，并绘制物流，如图1所示：图1简捷设计流程图Figure1Simpledesignflowsheet（2）定义物流定义流程中所包含的化学组分：图2相关组分输入Figure2Relatedcomponentinput（3）选择物性方法在Methods中进行物性方法的选择。按照上文结论可知，选择物性方法为PENG-ROB，如图3所示：图3选择物性方法Figure3ChooseMethod（4）输入进料条件输入数据包括进料组成、温度和压力：图4进料条件Figure4feedconditions（5）输入模块参数定义回流比，选择轻重关键组分，确定塔顶和塔釜的压力（冷凝器压力高于再沸器压力）。如图5所示：图5模块参数Figure5Moduleparameters（6）进行全局设定在目录Title中输入DSTUW：图6全局设定Figure6Globalsettings（7）模拟运行，流程收敛。查看到精馏塔关键参数的模拟结果：图7简捷设计结果Figure7Simpledesignresults可以看出计算得到的最小回流比为9.90148，实际回流比为13，实际塔板数为187（包含冷凝器和再沸器）；实际进料板为第105块板；塔顶温度为47.4721℃，大于40℃，因此可选用循环水去冷却，符合最佳经济条件；塔釜温度为58.3813℃。（8）查看理论板数和回流比的关系在CalculationOptions界面，设置起始板为109，终值为210，步长为1，运行模拟，并采用plot绘图工具去绘制理论板数表：图8回流比与理论板数关系曲线Figure8RelationshipcurvebetweenRRandNSTAGE应该在曲线的斜率绝对值较小的区域去选择理论塔板数。1.2.2求合理的理论板数图9理论板数×回流比与理论板数关系曲线Figure9RelationshipcurvebetweenNSTAGE×RRandNSTAGE根据曲线可得到理论板数为150，进料板为第68块板。1.3丙烯精馏塔简捷校核在丙烯精馏塔的简捷设计基础上进行简捷校核，简捷校核假定摩尔流恒定和相对挥发度恒定，通过分析初步设计得到的进料板位置与塔板数是否合理，得到塔顶和塔釜的温度、热负荷数据，以此分析简捷设计是否可以满足设计要求。简捷校核模块连接如图10所示：图10简捷校核流程图Figure10Simplecheckflowsheet运行模拟，结果收敛。从结果中可以得到塔顶与塔釜的温度、热负荷和关键组分的分离结果。图11简捷校核输入明细Figure11SimpleCheckinputSpecifications图12简捷校核结果Figure12SimpleCheckResults根据简捷校核的结果可以得出，最适宜理论板数150和进料板位置68的条件符合设计的丙烯精馏塔，塔顶出料中的重关键组分丙烷的摩尔分数为0.004，塔釜出料中的轻关键组分丙烯的摩尔分数为0.133，简捷校核的结果表明因为进料物料较复杂，所以简捷设计的结果无法满足设计要求，需要进行严格设计去进一步调整塔板数和进料板位置。1.4丙烯精馏塔严格计算严格计算是建立在简捷设计的基础上，同时也可以进行精馏塔的参数优化。在理论板数和进料板位置确定的情况下，通过分离要求来严格计算出回流比、塔顶产品和进料液的流量比，这些都需要由严格计算进一步得到。1.4.1建立严格计算基础模型（1）建立新的模拟文件，输入与简捷设计、简捷校核相同的进料数据，并选择一样的物性方法。（2）选择RADFRAC中的FRACT1模块，并建立流程图：图13严格计算流程Figure13Rigorouscalculationflowsheet（3）输入进料条件进入Configuration页面输入塔板数150（包括塔顶冷凝器和塔釜再沸器）。点击N−>，输入进料板位置68；并设置塔顶物流为全冷凝，出料1级、相态为液相，塔底物流为再沸器，出料150级，液相。点击N−>，输入和简捷设计相同的压力值，塔顶的压力值设为1.95MPa，全塔平均压降为0.086MPa。如下图所示：图14输入设计参数Figure14Inputdesignparameters图15输入进料位置和方式Figure15Inputfeedpositionandmode图16输入塔内压力Figure16Inputpressureinthetower（4）运行收敛并查看结果，在StreamResult界面查看物流结果由运行结果分析可知，塔顶丙烯的质量纯度为0.988，小于0.99，塔底丙烷的质量纯度为0.793，没有满足设计要求。图17初步严格计算的模拟结果Figure17Preliminarystrictlycalculatedsimulationresults1.4.2添加设计规定经过初步严格计算模块的设计，丙烯精馏塔的大部分数据已经可以满足设计要求，但是对于分离要求较高的精馏塔，塔顶产品的纯度及回收率可能仍无法满足要求，因此通过添加DesignSpecs，对关键组分进行优化，使其满足分离要求。由于严格计算中塔顶丙烯的回收率没有满足分离要求，下面对丙烯添加设计规定，使其满足设计要求。（1）添加塔顶产品丙烯的设计规定在Sepcs-Databrowser页面，定义关键组分丙烯的设计规定，添加设计规定1，选择关键组分为丙烯的质量纯度，目标为0.996，添加C3H6为限制对象，并选定限制对象所在的物流D为塔顶产品。如图所示：CBCB图18添加第一个设计规定Figure18AddingthefirstdesignSpecificationA.选择设计规定类型和目标；B.选择规定组分；C.选择组分所在物流丙烯的设计规定就此结束，由于添加了设计变量，就必须要添加调节变量以使设计变量可以达到目标值。在操作参数中有起调节作用的可调设计变量，其中最有效且经济的调节变量是回流比(Refluxratio（2）建立调节变量在调节变量的Specifications窗口中选择Refluxratio作为调节变量，设置变量下限为10，上限为20。如下图所示：图19建立调节变量Figure19Creatingadjustmentvariable图20定义变量调节的上下限Figure20Definingtheupperandlowerlimitsofvariableadjustment运行收敛并查看模拟结果：AABBCC图21设计规定结果Figure21Resultsofdesignregulations再沸器热负荷；B.冷凝器热负荷；C.计算结果在添加设计规定后，关键组分丙烯在产品中的含量符合要求，回流比(Refluxratio)变为19.2047，馏出比(Distillatetofeedratio)变为0.928。冷凝器的热负荷为-32909kW，再沸器的热负荷为31129.4kW，经过严格计算后，C3H6在塔顶的质量纯度为0.996，满足设计要求。1.4.3塔内温度、关键组分组成分布曲线（1）在TPFQ页面可以查看塔内温度、组成分布、热负荷等数据。如下图所示：（2）AspenPlus可以通过plot绘图工具生成塔内温度分布、组成分布关系曲线。如下图所示：图22查看塔内TPFQ状况Figure22ViewtheprofilesofTPFQinthetower图23塔内温度分布曲线Figure23temperaturedistributioncurveinTower图24塔内组成分布曲线Figure24compositiondistributioncurveinTower1.4.4添加灵敏度分析（1）经过严格计算得到的精馏塔参数可以满足设计要求，但是可能不是最佳经济条件，此时需要添加灵敏度分析，其目的就是为了通过扩大理论塔板数，寻找满足最佳经济条件的塔板。将精馏塔的塔板数提升到165，然后进入Sensitivity窗口添加灵敏度分析，NSTAGE从150变化到165，定义步长为1；相应的进料位置也随着发生变化，从68变化到105，步长为1。BABABB图25定义操纵变量Figure25DefiningmanipulationvariablesA.理论板数操纵变量；B.进料位置操纵变量（2）定义QREB图26定义采集变量Figure26Definingacquisitionvariables（3）运行收敛，查看结果图27灵敏度分析结果Figure27SensitivityanalysisResults图28再沸器热负荷随理论板数、进料位置变化图Figure28Variationofthermalloadofreboilerwiththeoreticalplatenumberandfeedposition从图中可以看出，随着理论板数的增加，曲线的最小值不断减小，即再沸器热负荷减少，经济消耗减少，在163块板以上曲线不存在最小值，即不存在最小的经济消耗，因此最优理论塔板数为163，对应的进料位置为103，再沸器热负荷为28817.5kW。1.4.5求最小回流比最小回流比即为回流比随着理论板数增加而保持基本不变时的回流比。在求最小回流比时，需要在Configuration窗口提高理论板数，以保证模拟计算可以收敛。（1）进入Calculator窗口，添加计算器工具，定义进料位置变量FSTAGE和理论板数变量NSTAGE。另外需假设进料位置和理论板数的比值是一个定值，由上文知理论板数为，进料位置为，因此该定值应为103/163=0.63。图29定义变量Figure29Definingthevariables（2）输入Fortran语句输入FSTAGE=0.63*NSTAGE，完成AABB图30输入语句并执行顺序Figure30EnteringastatementandsettingtheorderA.输入语句；B.执行顺序（3）添加灵敏度分析设置理论板数变量从140变化到270，步长为2。运行收敛，结果如图所示：图31求最小回流比Figure31Solvingtheminimumrefluxratio由模拟结果可知，回流比随着理论板数的增加而逐渐减少，当回流比趋于稳定时为最小回流比12.4。1.4.6求丙烯精馏塔设备结构尺寸在进行丙烯精馏塔的动态模拟之前需要计算塔顶回流罐、塔底釜液槽的尺寸。计算丙烯精馏塔的塔径进入TraySizing窗口，设置塔板从2号变化到149号，塔板类型设置为Sieve图32塔板计算Figure32TowerPlateCalculation图33塔径计算结果Figure33Calculationresultsoftowerdiameter由计算结果可知，丙烯精馏塔塔的塔径为4.90958m。（2）计算回流罐、釜液槽的尺寸计算公式：V=可以用第一块板计算回流罐的体积，用倒数第二块板计算釜液槽的体积。最终计算得到回流罐高度为8.068m，罐径为4.034m；釜液槽高度为8.442m，槽径为4.221m。图34液相负荷Figure34liquidload1.5丙烯精馏塔定性分析操作型问题（1）改变料液组成XF保持进料量F、回流比R、q和V’不变的情况下，随着XF的增大，XD、XW也随之增大。（2）改变回流比R保持进料量F、料液组成XF、q和D不变的情况下，随着R的增大，XD增大、XW减小。1.6本章小结表6稳态模拟结果表Table6Steadystatesimulationresultstable模拟流程模拟关键结果简捷设计塔板数回流比15013简捷校核塔顶丙烯含量塔底丙烯含量0.988（未满足设计要求）0.190（未满足设计要求）严格设计塔顶丙烯含量塔底丙烯含量0.993（未