Aspen简捷法精馏塔设计计算解析.ppt

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1、 第2页塔设备是化工生产中应用最为广泛的操作设备塔设备是化工生产中应用最为广泛的操作设备之一，通常在其中进行蒸馏（精馏）、吸收和之一，通常在其中进行蒸馏（精馏）、吸收和萃取单元操作。吸收和蒸馏实际都是气液相平萃取单元操作。吸收和蒸馏实际都是气液相平衡的单元操作，只是蒸馏过程的热量平衡相对衡的单元操作，只是蒸馏过程的热量平衡相对更为复杂。更为复杂。对塔设备可分为三大类：简捷法计算的蒸馏塔对塔设备可分为三大类：简捷法计算的蒸馏塔、严格法计算的蒸馏塔和液、严格法计算的蒸馏塔和液- -液萃取塔三类。液萃取塔三类。5 塔塔Columns模块模块 第3页进行进行简捷蒸馏简捷蒸馏的模型有的模型有DSTWU,

2、 Distl和和 SCFrac进行进行严格的多级分离严格的多级分离的模块有的模块有RadFrac, MultiFrac, PetroFrac, RateFrac用于用于液液-液萃取塔液萃取塔的严格模型有的严格模型有Extract5 塔塔Columns模块模块 第4页DSTWU(简捷法精馏设计简捷法精馏设计) Distl（简捷法精馏核算）（简捷法精馏核算） SCFrac模块模块5 塔塔Columns模块模块-简捷蒸馏模块简捷蒸馏模块 第5页DSTWU(简捷法精馏设计简捷法精馏设计) 模型可针对一个带有分凝器或全凝器、一股进模型可针对一个带有分凝器或全凝器、一股进料和两种产品的蒸馏塔，采用料和两种

3、产品的蒸馏塔，采用Winn-Underwood-Gilliland方法进行简捷法蒸馏设计计算。方法进行简捷法蒸馏设计计算。模型中假设恒定的摩尔流和恒定的相对挥发度模型中假设恒定的摩尔流和恒定的相对挥发度，需输入轻、重关键组分的回收率。，需输入轻、重关键组分的回收率。5 塔塔Columns模块模块-简捷蒸馏模块简捷蒸馏模块 第6页DSTWU(简捷法精馏设计简捷法精馏设计) 采用采用Winn法估算最小级数，法估算最小级数，Underwood法估算法估算最小回流比，最小回流比，Gilliland法规定级数所必需的回法规定级数所必需的回流比或规定回流比所必需的级数。流比或规定回流比所必需的级数。可确定

4、最小回流比、最小级数或实际回流比、可确定最小回流比、最小级数或实际回流比、实际级数。模型也估算最适宜的进料位置、冷实际级数。模型也估算最适宜的进料位置、冷凝器和再沸器负荷。可生成回流比对于级数的凝器和再沸器负荷。可生成回流比对于级数的表和曲线。表和曲线。 5 塔塔Columns模块模块-简捷蒸馏模块简捷蒸馏模块 第7页Distl（简捷法精馏核算）（简捷法精馏核算） Distl模型可以模拟一个带有一股进料和两种模型可以模拟一个带有一股进料和两种产品的多级多组分的蒸馏塔，塔可带有分凝产品的多级多组分的蒸馏塔，塔可带有分凝器或全凝器。模型假定恒摩尔流和恒相对挥器或全凝器。模型假定恒摩尔流和恒相对挥发

5、度。用发度。用Edimister法进行产品组成。法进行产品组成。5 塔塔Columns模块模块-简捷蒸馏模块简捷蒸馏模块 第8页Distl（简捷法精馏核算）（简捷法精馏核算） Distl模型必需规定：模型必需规定：理论板数理论板数回流比回流比塔顶产品流率塔顶产品流率其他相关的塔设备参数等其他相关的塔设备参数等可规定一个部分的或全部冷凝器。可规定一个部分的或全部冷凝器。Distl可估算冷凝器和再沸器的负荷。可估算冷凝器和再沸器的负荷。5 塔塔Columns模块模块-简捷蒸馏模块简捷蒸馏模块 第9页SCFrac (简捷法多塔蒸馏简捷法多塔蒸馏) SCFrac模型可以对具有一股进料、一股可选的模型可

6、以对具有一股进料、一股可选的汽提蒸汽流和任何股产品的复杂塔进行简捷法汽提蒸汽流和任何股产品的复杂塔进行简捷法蒸馏的模拟计算，估算理论级数和每个塔段的蒸馏的模拟计算，估算理论级数和每个塔段的加热（冷却）负荷。用于模拟炼油塔（原油单加热（冷却）负荷。用于模拟炼油塔（原油单元和减压塔）。模型将有元和减压塔）。模型将有n个产品的塔分割成个产品的塔分割成n-1个塔段并从上而下为这些塔段编号。个塔段并从上而下为这些塔段编号。5 塔塔Columns模块模块-简捷蒸馏模块简捷蒸馏模块 第10页SCFrac (简捷法多塔蒸馏简捷法多塔蒸馏) 对每个塔段必需规定产品压力和基于进料流率对每个塔段必需规定产品压力和基

7、于进料流率的产品流率或分率，对所有产品，除馏出物外的产品流率或分率，对所有产品，除馏出物外必须规定蒸汽与产品的比值。必须规定蒸汽与产品的比值。计算中由于进行蒸汽计算，所以水必须被定义计算中由于进行蒸汽计算，所以水必须被定义为一个组分。所以水都与塔顶产品一起离开。为一个组分。所以水都与塔顶产品一起离开。该模型不能处理固体，游离水计算可在冷凝器该模型不能处理固体，游离水计算可在冷凝器中完成。中完成。5 塔塔Columns模块模块-简捷蒸馏模块简捷蒸馏模块 第11页SCFrac (简捷法多塔蒸馏简捷法多塔蒸馏) SCFrac估算：估算：产品组成和流率产品组成和流率每一段的级数每一段的级数每一段的热或

8、冷负荷每一段的热或冷负荷该模型不能处理固体，游离水计算可在冷凝器该模型不能处理固体，游离水计算可在冷凝器中完成。中完成。5 塔塔Columns模块模块-简捷蒸馏模块简捷蒸馏模块 第12页 利用精馏方法对附表中进料流利用精馏方法对附表中进料流股进行分离，其压强为股进行分离，其压强为445830 Pa， 处于饱和液体状态。规定处于饱和液体状态。规定该分离操作的轻、重关键组分该分离操作的轻、重关键组分分别为分别为N-Butane和和I-Pentane，塔顶产品中轻、重关键组分的塔顶产品中轻、重关键组分的回收率（回收率（recovery）分别为）分别为0.9908和和0.0112，并规定操作采用回，并

9、规定操作采用回流比为最小回流比的流比为最小回流比的1.8倍。体倍。体系热力学性质计算采用系热力学性质计算采用“SRK”模型方程。模型方程。 试确定：该条件下的最小回流试确定：该条件下的最小回流比、理论板数、最小理论板数比、理论板数、最小理论板数及适宜的进料位置。及适宜的进料位置。 例例5-1 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 第13页1） 流程图绘制流程图绘制 在在Columns/DSTWU中中ICON1例例5-1 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 第14页1 ）流程图绘制）流程图绘制例例5-1 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 第15页例例5-1 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计

10、计算2）全局参数设置）全局参数设置进入进入setup/specification进行全局变量（进行全局变量（global设置。这里设置。这里 工程单位：自定义工程单位：自定义 us-1（以（以MET为基础）为基础）Run Type： Flowsheet报告要求显示流股的摩尔分率。报告要求显示流股的摩尔分率。 第16页3） 组分输入组分输入例例5-1 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 第17页4 4） 进料流股参数设置进料流股参数设置例例5-1 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 第18页5） DSTWU模型设置模型设置例例5-1 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算回流比的输入可随便输入

11、一个值，该值如果小于回流比的输入可随便输入一个值，该值如果小于Rmin,则系统安装则系统安装2Rmin作为作为回流比进行计算；如大于回流比进行计算；如大于Rmin，就按照实际的值进行计算。，就按照实际的值进行计算。 第19页6 ） DSTWU结果查看结果查看例例5-1 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 第20页6） DSTWU结果查看结果查看例例5-1 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 最小回流比为最小回流比为1.05 实际回流比为实际回流比为1.8 最小理论板数为最小理论板数为10.5 实际塔板数为实际塔板数为17.5 进料板位置为第进料板位置为第10块板块板 再沸器所需的热量为再沸

12、器所需的热量为76551cal/sec 冷凝器所需的冷量量为冷凝器所需的冷量量为308.5cal/sec 第21页例例2 设计一精馏塔。泡点设计一精馏塔。泡点进料，进料组成、塔顶进料，进料组成、塔顶产品要求见表。操作压产品要求见表。操作压力为力为4.4atm。要求塔顶。要求塔顶采用全凝器，回流比为采用全凝器，回流比为1.8。热力学计算采用物。热力学计算采用物性方法性方法PENG-ROB。采。采用用DSTWU模块设计满模块设计满足上述分离要求的精馏足上述分离要求的精馏塔。塔。例例5-2 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 第22页1） 流程图绘制流程图绘制 在在Columns/DSTWU中中I

13、CON1 冷凝器为全凝器；连接流股时注意连接位置，冷凝器为全凝器；连接流股时注意连接位置，例例5-2 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 第23页1） 流程图绘制流程图绘制例例5-2 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 第24页例例5-2 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算2）全局参数设置）全局参数设置进入进入setup/specification进行全局变量（进行全局变量（global设置。这里设置。这里 工程单位：工程单位：METRun Type： Flowsheet报告要求显示流股的摩尔分率。报告要求显示流股的摩尔分率。 第25页3） 组分输入组分输入例例5-2 简捷法精馏设计计算

14、简捷法精馏设计计算 第26页4 4）进料流股参数设置）进料流股参数设置例例5-2 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 第27页5）DSTWU模型设置模型设置这里轻关键组分为这里轻关键组分为NC4， 重关键组分为重关键组分为I-C5。对于轻关键组分对于轻关键组分NC4 Recov=29.7248/30=0.9908重关键组分为重关键组分为I-C5Recov=0.2247/20=0.01124例例5-2 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 第28页5） DSTWU模型设置模型设置例例5-2 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算回流比的输入可随便输入一个值，该值如果小于回流比的输入可随便输入一个

15、值，该值如果小于Rmin,则系统安装则系统安装2Rmin作为回流比进行计算；如大于作为回流比进行计算；如大于Rmin，就按照实际的值进行计，就按照实际的值进行计算。算。 第29页6） DSTWU结果查看结果查看例例5-2 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 第30页6） DSTWU结果查看结果查看例例5-2 简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算 最小回流比为最小回流比为1.32 实际回流比为实际回流比为1.8 最小理论板数为最小理论板数为12.8 实际塔板数为实际塔板数为23.7 进料板位置为第进料板位置为第12块板块板 再沸器所需的热量为再沸器所需的热量为753.31kJ/sec 冷凝器所

16、需的热量为冷凝器所需的热量为688.95kJ/sec 第31页灵敏度分析灵敏度分析 灵敏度分析定义方法：灵敏度分析定义方法：Data/ model analysis Tools(模型分析工具模型分析工具）/sensitivity(灵敏度分析）灵敏度分析）灵敏度分析对象管理器灵敏度分析对象管理器 第32页例例5-3 以例以例5-2为基础，由灵敏度分析工具，考为基础，由灵敏度分析工具，考察回流比的变化对实际塔板数的影响。察回流比的变化对实际塔板数的影响。例例5-3 灵敏度分析灵敏度分析灵敏度分析定义方法：灵敏度分析定义方法：1）定义目标变量）定义目标变量2）定义自变量）定义自变量3）规定表格）规定

17、表格 第33页例例5-3 灵敏度分析灵敏度分析 第34页1）定义因变量（）定义因变量（Flowsheet variable）例例5-3 灵敏度分析灵敏度分析 第35页1）定义因变量（）定义因变量（Flowsheet variable）例例5-3 灵敏度分析灵敏度分析 第36页2）定义自变量）定义自变量(Vary)-回流比（回流比（RR）自）自1.4-10，步长为，步长为0.5变化变化例例5-3 灵敏度分析灵敏度分析 第37页3）规定表格）规定表格(Tabulate)-规定需要软件计算的变量列表规定需要软件计算的变量列表例例5-3 灵敏度分析灵敏度分析 第38页课堂练习：课堂练习：分析回流比对于

18、再沸器热负荷和冷凝器分析回流比对于再沸器热负荷和冷凝器的冷量的影响，将计算结果绘图的冷量的影响，将计算结果绘图例例5-3 灵敏度分析灵敏度分析 第39页运行计算，运行计算，/Model Analysis Tools/Sensitivity/S-1/Results/，查看结果查看结果例例5-3 灵敏度分析灵敏度分析 第40页5.1 设计一脱乙烷塔分离附表所设计一脱乙烷塔分离附表所示物料，要求塔顶采出中丙烷流示物料，要求塔顶采出中丙烷流率不得高于率不得高于2 kmol/h，塔底出料，塔底出料中乙烷流率不得高于中乙烷流率不得高于2 kmol/h。假定操作回流比为最小回流比的假定操作回流比为最小回流比

19、的2.5倍，选择倍，选择(部分部分)冷凝器。冷凝器。 计计算最小回流比、所需的平衡级数算最小回流比、所需的平衡级数及适宜的进料位置。及适宜的进料位置。(进料流股温进料流股温度为度为305.4K，压强，压强2500kPa)简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算-习题习题 第41页简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算-习题习题习题习题5.1 脱乙烷塔分离结果脱乙烷塔分离结果 第42页简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算-习题习题习题习题5.1 脱乙烷塔分离结果脱乙烷塔分离结果 第43页 第44页5.2 设计一精馏塔用于分离附表所示设计一精馏塔用于分离附表所示乙苯与二甲苯混合物。流股在乙苯与二甲苯混合

20、物。流股在205kPa下泡点进料。下泡点进料。设计要求塔顶出料中要求塔顶采出设计要求塔顶出料中要求塔顶采出中中O-xylene流率不得高于流率不得高于1 kmol/h，塔底出料中塔底出料中M-xylene流率不得高于流率不得高于1 kmol/h。假定操作回流比为最小回。假定操作回流比为最小回流比的流比的1.1倍，塔顶操作压强为倍，塔顶操作压强为170kPa，塔压降为，塔压降为70kPa。 1）计算所需的平衡级数、操作回计算所需的平衡级数、操作回流比及适宜的进料位置。流比及适宜的进料位置。 2）估算塔顶馏出液及釜液组成，估算塔顶馏出液及釜液组成，并与题中给定值做比较。并与题中给定值做比较。简捷法精馏设计计算简捷法精馏设计计算-习题习题 第45页