PROII塔设计实例

1、塔设计实Prob-20 蒸馏塔设计算例(1)1、工艺条件有一泡点物料，F=100kgmol/hr ；物料组分和组成如下：进料组分和组成组分C2H6C3H8C4H10C5H12组成（ mol% ）1791282、设计要求试设计蒸馏塔，将C3 和 C4 分离；塔顶物料要求butane 浓度小于0.1，塔釜物料要求propane 浓度小于0.1；试确定该物料的进塔压力；塔的操作压力，理论板数，进料位置，回流比，冷凝器及再沸器热负荷；公用工程条件：冷却水30，蒸气4kg/cm2( 温度 143)；冷凝器设计要求热物料入口温度与水进口温之差大于10，水的允许温升为 10；再沸器冷物料入口温度与蒸气进口温

2、差大于15。塔的回流比取最小回流比的1.2 倍。模拟计算采用SRK 方程；3、塔简化法提示简化法塔的操作压力无填写对话框，故进料的压力即默认为操作压力。4、简化计算说明（ 1） 须根据公用工程条件确定操作压力，即塔顶冷凝器须采用冷却水冷却，故塔顶上升气相温度应不低于40；塔釜再沸器采用蒸气加热，进再沸器物料温度不得高于128。操作压力可以采用简化法试算，即先假设一操作压力，若温度未满足要求则调整压力，直至温度要求满足为止。（2） 采用简化法，求理论塔板数和回流比先假设操作压力8kg/cm2, 简化法计算如下图及表所示：计算结果表明塔顶、塔釜温度分别为16和80.4，均不满足要求，故- Page

3、 2-须提高塔的操作压力。S2SCD1S1S3Stream NameS1S2S3Stream DescriptionPhaseLiquidLiquidLiquidTemperatureC23.57016.02180.430PressureKG/CM28.0008.0008.000FlowrateKG-MOL/HR100.00080.06019.940CompositionETHANE0.0100.0120.000PROPANE0.7900.9870.001BUTANE0.1200.0010.598PENTANE0.0800.0000.401（ 3） 再假设操作压力16kg/cm2 ，进行简化计

4、算，结果如下表：Stream NameS1S2S3Stream DescriptionPhaseLiquidLiquidLiquidTemperatureC53.64344.246114.992PressureKG/CM216.00016.00016.000FlowrateKG-MOL/HR100.00080.06019.940CompositionETHANE0.0100.0120.000PROPANE0.7900.9870.001BUTANE0.1200.0010.598PENTANE0.0800.0000.401简化计算结果塔顶、塔釜温度分别为44.2和 115，均满足要求，故设定压力合

5、适。简化计算的详细结果如下：MINIMUM REFLUX RATIO1.07745FEED CONDITION Q1.00000FENSKE MINIMUM TRAYS16.76383OPERATING REFLUX RA TIO1.20 * R-MINIMUM-Page 3-TOTALFEEDR/R-MINM/M-MINREFLUXDUTY,M*KCAL/HRTRAYSTRAYRATIOCONDENSERREBOILER- - - - - -42141.1002.4761.185-5.246E-015.560E-0139131.1502.3491.239-5.375E-015.689E-01

6、38131.2002.2461.293-5.505E-015.819E-0136121.2502.1561.347-5.634E-015.948E-0135121.3002.0761.401-5.763E-016.077E-01简化法计算给出围绕规定的操作回流比和最小回流比的倍数（本例1.2）共 5 个工况的计算结果，供用户选择。可取操作压力16kg/cm2 ，理论板 38 块，进料位置 13 块，回流比 1.293，作为严格计算的条件。（4）塔的操作压力计算机自动确定方法方法 1：应用反馈控制求取采用反馈控制功能计算塔的操作压力。此时控制目标可设为塔顶的操作温度，如42，由于简化法模块不支持

7、塔压作为控制变量，故控制变量须设为进料的压力。计算结果如下：Stream NameS1S2S3Stream DescriptionPhaseLiquidLiquidLiquidTemperatureC51.19741.967112.192PressureKG/CM215.19915.19915.199FlowrateKG-MOL/HR100.00080.06019.940CompositionETHANE0.0100.0120.000PROPANE0.7900.9870.001BUTANE0.1200.0010.598PENTANE0.0800.0000.401可以看出，当塔压为15.2kg/

8、cm2 时，塔顶、塔釜温度均符合设计要求。方法 2：应用灵敏度分析求取采用 case study 模块，做不同进料压力下的简化法计算，结果如下：CYCLEPRESTEMP1TEMP2NUMBERKG/CM2CC- - - -Base8.000016.020880.429518.000016.020880.429529.000020.451985.8435310.000024.535390.8374-Page 4-411.000028.330495.4803512.000031.881799.8281613.000035.2239103.9227714.000038.3846107.797781

9、5.000041.3860111.4800916.000044.2462114.99181017.000046.9803118.3516可以看出，塔压为15kg/cm2 以上时，塔顶、塔釜的温度均符合设计要求，可从中选取适当者。5、严格法计算（1） 计算条件严格法条件和简化法略有不同，兹简述如下：塔顶压力设为16kg/cm2 ，冷凝器压力15.8kg/cm2, 全塔压降0.2kg/cm2;进料压力设为16.5kg/cm2 ；设计规定1：回流比1.293;设计规定2：塔顶采出量80kgmol/hr;其余参数采用简化法计算结果。（2） 计算结果STREAM IDS1S2S3PHASELIQUIDL

10、IQUIDLIQUIDFLUID MOLAR FRACTIONS1ETHANE1.0000E-020.01252.4704E-142PROPANE0.79000.98673.1377E-033BUTANE0.12007.8392E-040.59694PENTANE0.08001.7163E-070.4000TOTAL RATE, KG-MOL/HR100.000080.000020.0000TEMPERATURE, C55.128243.6750115.4374PRESSURE, KG/CM216.500015.800016.2000分析计算结果，塔顶物料中butane 的浓度为0.00078

11、 ，超出分离要求；塔釜物料中propane 浓度为0.0031，尚未达要求，故须进一步调整操作条件，使之达到设计要求。调整方法1：人工调整，由于塔顶物料中butane 浓度超出分离要求，故可适当- Page 5-增加塔顶采出量，设调整为80.07kgmol/hr ，则各物料组成如下：STREAM IDS1S2S3NAMEPHASELIQUIDLIQUIDLIQUIDFLUID MOLAR FRACTIONS1ETHANE1.0000E-020.01254.6558E-162PROPANE0.79000.98667.8067E-063BUTANE0.12008.7565E-040.59864 P

12、ENTANE0.0800 1.8125E-070.4014TOTAL RATE, KG-MOL/HR100.000080.070019.9300TEMPERATURE, C55.128243.6794115.7705PRESSURE, KG/CM216.500015.800016.2000此时，塔顶、塔釜分离要求均达到，操作压力、温度均符合规定工艺条件。计算符合要求。调整方法2：改变塔计算的工艺规定设置，设定塔顶、塔釜的分离要求均为0.001。计算结果如下：STREAM IDS1S2S3NAMEPHASELIQUIDLIQUIDLIQUIDFLUID MOLAR FRACTIONS1ETHAN

13、E1.0000E-020.01251.2051E-142PROPANE0.79000.98651.0000E-033BUTANE0.12001.0002E-030.59784PENTANE0.08002.2914E-070.4012TOTAL RATE, KG-MOL/HR100.000080.060219.9398TEMPERATURE, C55.128243.6840115.6753PRESSURE, KG/CM216.500015.800016.2000-REFLUX RATIOS -MOLARWEIGHTSTD L VOL-REFLUX / FEED STREAM S10.98700.

14、90560.9466REFLUX / LIQUID DISTILLATE1.23291.23291.2329由于规定了塔顶、塔釜的分离要求，从计算结果可以看出塔顶butane 和塔釜- Page 6-propane 的浓度均达到0.001。而回流比只有1.2329，比简化法计算所得的1.293略小。6、进料位置分析塔的工艺条件全面满足后，还须分析进料位置是否恰当，是否是最佳进料位置。在蒸馏塔设计中进料板位置分析十分重要，绝对不能忽视。可以采用优化器或其它多种方法来确定最佳进料板位置；其中灵敏度分析是较准确、可靠的方法。方法 1：灵敏度分析法原进料板设定：13 板；灵敏度分析：进料板从10 27

15、 板变化，每一板均作计算；灵敏度分析目标参数：由于设定了塔的顶、底分离要求作为工艺规定，则回流比最小时的进料板即为最佳进料位置。下表给出了随进料板位置变化，塔的回流比、冷凝器和再沸器热负荷的变化。可以看出， 21 块板进料时，这三个参数均最小。也即21 板为最佳进料板位置。FEEDREFLUXCondenserReboilerTrayRatioDutyDutyM*KCAL/HRM*KCAL/HR- - - -101.5959-0.65700.6816111.4325-0.61570.6403121.3175-0.58650.6112131.2331-0.56520.5898141.1691-0

16、.54900.5736151.1193-0.53640.5610161.0798-0.52640.5510171.0480-0.51830.5429181.0227-0.51190.5365191.0027-0.50690.5315200.9883-0.50320.5279210.9807-0.50130.5259220.9832-0.50190.5266231.0023-0.50680.5314241.0501-0.51880.5435251.1449-0.54280.5675261.3311-0.59000.6146271.6706-0.67590.7006-Page 7-方法 2：优化器

17、优化器参数设定如下：目标函数为回流比最小，优化变量为进料板位置，起始进料板位置为13 块。计算结果如下：BEST OBJECTIVE FUNCTION = 9.79614E-01 AT CYCLE NUMBER 4* FRACTIONAL RELATIVE CHANGE IN OBJECTIVE IS LESS THANVARY- V ARIABLE -5.0000E-03 *INDEXINITIAL V ALUEOPTIMUM V ALUE-11.30000E+012.12468E+01OPTIMIZER HISTORY- VALUES -CYCLE123BEST - 4- - -VARY1

18、1.3000E+011.6600E+012.1640E+012.1247E+01OBJECTIVE1.2329E+001.0657E+009.8153E-019.7961E-01优化器迭代4 次即得到最优解，计算的最佳进料板位置为21.24 块，和灵敏度分析得到的结果一致。板数出现小数是由于计算机迭代自动选取步长的缘故，如规定步长为整数，则不会出现这一问题。但在许多情况下，优化器计算并不能得到真正的最佳进料板位置，非常可能得到的是次优解或非最优解。故采用优化器计算时决不能掉以轻心，轻易相信所得的计算结果，必须仔细进行分析，确认得到的是真正最优解。7、简化法与严格法比较从上述两种方法的计算结果可

19、以看出以下问题：（1） 进料板位置两种方法存在较大差异简化法求出进料板位置为13 板；严格法通过灵敏度分析求得最佳进料板位置为21 板；（2） 回流比及热负荷的不同简化法与严格法计算所得回流比和热负荷均存在一定差别，若进行进料板- Page 8-位置优化后，可以获得较大的节能效果。如下表所示：工况简化法严格法严格法节能幅度 *（ 13板进料）（13板进料）（ 21板进料）（）回流比 (mol)1.2931.2330.98冷凝器热负荷-0.5505-0.5652-0.501311.3（ Mkcal/hr ）再沸器热负荷0.58190.58980.525910.83（ Mkcal/hr ）* 指与

20、严格法进料位置未优化时相比从上表数据可知，进料位置的优化相当重要，可使能耗较大幅度的下降，本例中冷凝器和再沸器的热负荷均下降了10以上。（3） 计算准确性之异同从计算准确性来说，严格法可以准确的预测塔顶、塔釜的物料组成；进料位置和回流比。这是简化法所无法做到的。8、结论(1) 简化法所得的理论板数和回流比可以作为严格法的一个很好的初值，在此基础上采用严格法再作深入的计算和分析，最终得到准确的蒸馏塔工艺设计数据。(2) 蒸馏塔的计算必须采用严格法，才能得到准确、可靠的结果。9、其它节能措施进料状态的优化假设存在90的热水可以无偿使用，试问该蒸馏塔应如何节能。（文件column-2 ） .已知条件

21、：冷却水0.60 元 /吨，蒸气90 元 /吨。蒸气汽化潜热510kcal/kg ，冷却水温升8。- Page 9-作进料板21 块时的灵敏度分析，计算结果如下（未考虑进料状态不同时，最佳进料板的不同） ：CYCLEREFLUXTEMPCondenserReboilerLIQUIDNUMBERMOLECM*KCAL/HRM*KCAL/HRFrac- - - - - -Base0.980255.1300-0.50120.52570.999810.980255.1300-0.50120.52570.999821.016156.7420-0.51020.47150.812831.054358.354

22、0-0.51990.42630.653841.093959.9660-0.52990.38980.521951.134461.5780-0.54020.36000.411661.175663.1900-0.55060.33570.318371.217964.8020-0.56130.31560.238181.260966.4140-0.57220.29870.168091.304068.0260-0.58310.28440.1061101.348369.6380-0.59430.27230.0505111.393071.2500-0.60560.26183.68124E-05121.40027

23、2.8620-0.60750.25950.0000冷却水量采用公式Q=F(T2-T1)Cp蒸气量计算公式F=Q/H得到基本工况和露点工况（第11 号计算结果）的能耗和费用数据如下表：进料温度冷凝器负荷水量 /费用再沸器负荷蒸气量 /费用总计费用(Mkcal/h)( 吨/, 元 /时)(Mkcal/h)(吨 /,元 /时 )(元/时)55.13 0.501262.65/37.590.52571.03/92.70130.2971.25 0.605675.70/45.420.26180.513/46.1791.59结论：当存在废热可以应用时，可以将进料加热至露点再进塔，此时操作费用可从原来泡点进料的

24、130.29 元 /时减少到91.59 元 /时。节能幅度达到：（ 130.29 91.59）/130.29 29.7%可见节能效果相当明显。- Page 10-10、计算器的应用采用计算器可以十分方便的计算出操作费用，而无须人工手算。这在大量重复计算的场合尤其方便。(1) 有关工艺参数的提取冷凝器和再沸器的热负荷是需要提取的参数，可在计算器的P 数组中定义，如下图所示：热负荷提取出来之后便可计算出冷却水和蒸气的用量。（2）结果数组名称输入输出的结果可以任意定义，设需输出冷却水费用、蒸气费用和总费用三个参数。则需在计算器的R 数组中定义：- Page 11-（ 3） Fortran 程序为得到

25、所需的三个参数，需在计算器中编写下列程序：（ 4）工况研究和计算器联合应用时的参数输出计算器的结果可在工况研究中定义和输出，如下图所示：- Page 12-（5）计算器结果CYCLEFEEDTWATERCOSTSTEAMCOSTTOTALCOSTC元 / 时元 /时元/ 时- - - - -Base55.130037.586992.7680130.3549155.130037.586992.7680130.3549256.742038.255683.1966121.4522358.354038.987975.2248114.2126459.966039.746468.7814108.52775

26、61.578040.515163.5392104.0543663.190041.299559.2434100.5429764.802042.098655.691997.7905866.414042.912052.720195.6320968.026043.735950.205493.94121069.638044.573348.058692.63191171.250045.421146.202891.62391272.862045.560245.801291.3614从以上数据可以看出进料的温度愈高，总费用愈低，故采用计算器可以很方便的计算出分项费用和总费用。- Page 13-10、附录（1

27、）附录 1：塔计算简化法关键字输入文件（塔操作压力为16kg/cm2 ）$ Generated by PRO/II Keyword Generation System $ Generated on: Wed Dec 13 10:39:45 2006TITLEDIMENSION METRIC, STDTEMP=0, STDPRES=1.03323SEQUENCE SIMSCICALCULATION RVPBASIS=APIN, TVP=37.778COMPONENT DA TALIBID 1,ETHANE/2,PROPANE/3,BUTANE/4,PENTANE, BANK=PROCESS,SI

28、MSCITHERMODYNAMIC DATAMETHOD SYSTEM=SRK, SET=SRK01, DEFAULTSTREAM DATAPROPERTY STREAM=S1, PRESSURE=16, PHASE=L, RATE(M)=100,&COMPOSITION(M)=1,1/2,79/3,12/4,8UNIT OPERATIONSSHORTCUT UID=SCD1FEED S1PRODUCT STREAM=S2, RATE(M)=80, PHASE=L, DP=0PRODUCT STREAM=S3, PHASE=L, DP=0CONDENSER TYPE=BUBBEVALUATE

29、MODEL=CONV, TRIAL=50, KEYLIGHT=2, KEYHEAVY=3, &RRMIN=1.2FINDEX 2SPEC STREAM=S2,FRACTION, COMP=3,WET, VSPEC STREAM=S3,FRACTION, COMP=2,WET, VALUE=0.001ALUE=0.001END- Page 14-（ 2） 附录 2： 塔计算严格法关键字输入文件（工艺规定为塔顶、塔釜分离要求 0.001，包括进料板位置的灵敏度分析）$ Generated by PRO/II Keyword Generation System $ Generated on: Wed Dec 13 12:30:54 2006TITLEPRINT STREAM=ALL, RATE=M,WT, FRACTION=M,WTDIMENSION METRIC, STDTEMP=0, STDPRES=1.03323SEQUEN