简单模拟模块精馏

1、简单的模拟模块简单的模拟模块（精馏过程）（精馏过程） tianjin university主要内容主要内容精馏过程概述简捷精馏模型（shor）tower 塔scds 塔内外环法复杂精馏（tplus）精馏是分离均相液体混合物的一种方法，是一种应用最为广泛的化工单精馏是分离均相液体混合物的一种方法，是一种应用最为广泛的化工单元操作。它根据溶液中各组分之间挥发度（或沸点）的差异进行分离。元操作。它根据溶液中各组分之间挥发度（或沸点）的差异进行分离。 较易挥发的称为易挥发组分（或轻组分）较易挥发的称为易挥发组分（或轻组分）较难挥发的称为难挥发组分（或重组分）较难挥发的称为难挥发组分（或重组分）闪蒸罐塔

2、顶产品yaxa加热器原料液 塔底产品 qbabaaaxxyyxy或减压阀 精馏操作实例：精馏操作实例：石油炼制中使用的石油炼制中使用的 250 万吨常减压装置万吨常减压装置将原油分离成汽油、煤油、柴油及重油，将原油分离成汽油、煤油、柴油及重油，将混合芳烃分离以制备苯、甲苯及二甲苯，将混合芳烃分离以制备苯、甲苯及二甲苯，将液态空气分离得到纯态的液氧和液氮等过程，将液态空气分离得到纯态的液氧和液氮等过程，精馏操作的用途精馏操作的用途l可以直接获得所需要的产品，而吸收、萃取等分离方法还需要分离外加组分；l可以进行液体混合物、气态或固态混合物的分离；l适用于各种浓度混合物的分离，而吸收、萃取等操作，只

3、有当被提取组分浓度较低时才比较经济；l耗能较大，节能是个值得重视的问题。间歇精馏：小规模、多品种或某些有特殊要求的场合，非稳态操作；连续精馏：多用于大批量工业生产中，稳态操作。蒸馏的分类蒸馏的分类常压蒸馏：常压下，泡点为室温至150左右的混合液；减压蒸馏：常压下物系沸点较高或热敏性物质不能承受高温的情况加压蒸馏：常压下为气态（如空气、石油气）或常压下泡点为室温的混合物。多组分精馏：例如原油的分离。双组分精馏：如乙醇-水体系,苯-甲苯体系等。简单或平衡蒸馏：单级精馏，各组分挥发度相差较大且分离要求不高；精馏：多级分离，难分离物系或对分离要求较高的场合，工业应用最广泛；特殊精馏：混合物中组分挥发性

4、相差很小某些特殊手段进行的精馏。chemcad 提供了用于处理多组分精馏问题的三种模型：提供了用于处理多组分精馏问题的三种模型：l简捷法（简捷法（shortcut method）l内内-外循环法（外循环法（inside-out）：）：towr 及及tower plus 两个单元模两个单元模块；块；towr 反映标准塔配置，反映标准塔配置，tower plus 则可以是带换热器、则可以是带换热器、泵循环和侧线汽提塔的复杂塔。泵循环和侧线汽提塔的复杂塔。l联立校正法（联立校正法（simultaneous）：）：scds 特别适用于精细精馏塔和刚性特别适用于精细精馏塔和刚性较强的化学塔，同时，较强的

5、化学塔，同时，scds 还可以用于模拟反应精馏塔。还可以用于模拟反应精馏塔。 tianjin university简捷精馏模型（简捷精馏模型（shor）规定屏拓扑结构例题概述概述 使用使用fenske-underwood-gilliland 方程，模拟只有一个进料方程，模拟只有一个进料和两个产品流（塔顶馏分和塔底产品）的简单塔；和两个产品流（塔顶馏分和塔底产品）的简单塔； 该模型使用该模型使用fenske 或或kirkbride 方程计算适当的进料位置，方程计算适当的进料位置，还可进行工况研究，允许在规定的范围内改变回流比与最小还可进行工况研究，允许在规定的范围内改变回流比与最小回流比的比值（

6、回流比的比值（r/rmin）,以观察塔的运行效果；以观察塔的运行效果； 它提供了核算和设计两种情况。它提供了核算和设计两种情况。 注意：简捷精馏方法不适于塔的最终设计；对含有共沸物的注意：简捷精馏方法不适于塔的最终设计；对含有共沸物的体系可能会得出错误结果。建议用严格精馏方法如体系可能会得出错误结果。建议用严格精馏方法如tower plus、tower、scds 来证实简捷精馏法的计算结果。来证实简捷精馏法的计算结果。规定屏规定屏拓扑结构拓扑结构简捷精馏模型（简捷精馏模型（shor）允许有一股进）允许有一股进料及塔顶和塔底各一个产品。料及塔顶和塔底各一个产品。方法方法计算理论板数用计算理论板数

7、用fenske 方程方程计算最小回流比用计算最小回流比用underwood 方程、方程、gilliland 关关联式联式计算进料板位置用计算进料板位置用fenske 方程。方程。例题例题1建立流程图建立流程图2添加组分添加组分3选择工程单位选择工程单位本流程采用国际工程单位，“si”工程单位并将时间单位改为秒。4选取热力学模型选取热力学模型选取热力学模型为选取热力学模型为”srk”模型方程。模型方程。5规定进料流股规定进料流股6规定单元设备规定单元设备7运行计算并查看结果运行计算并查看结果分析回流比变化对塔顶冷凝器和塔釜再分析回流比变化对塔顶冷凝器和塔釜再沸器热负荷的影响沸器热负荷的影响回流比

8、变化对冷凝器及再沸器热负荷影响回流比变化对冷凝器及再沸器热负荷影响tower 塔塔 towr 塔是一个多级严格汽液平衡模型，使用内外循环塔是一个多级严格汽液平衡模型，使用内外循环法进行模拟计算法进行模拟计算; 可以模拟任何单塔计算（包括精馏塔、吸收塔、带再沸器可以模拟任何单塔计算（包括精馏塔、吸收塔、带再沸器的吸收塔和汽提塔），也可以模拟有侧线产品及塔侧的吸收塔和汽提塔），也可以模拟有侧线产品及塔侧“加加热热/冷却冷却”器的情况器的情况; 最多允许最多允许5 个进料流及个进料流及4 个侧线产品个侧线产品; 在一个流程中，在一个流程中，towr 单元的数量不限。单元的数量不限。 towr 提供多

9、种规格，使用很灵活。可以规定冷凝器、提供多种规格，使用很灵活。可以规定冷凝器、再沸器或塔板条件。规定项目有：再沸器或塔板条件。规定项目有： 总流率、热负荷、回流比、蒸出率、温度、分子分数、回总流率、热负荷、回流比、蒸出率、温度、分子分数、回流量、组分流率、汽液比（流量、组分流率、汽液比（v/l）、质量流率、体积流率）、质量流率、体积流率、质量分数、两种组分的流率比、产品的比重及分子量。、质量分数、两种组分的流率比、产品的比重及分子量。tower 塔通用（塔通用（gerneral）规定屏）规定屏tower 塔参数规定屏（塔参数规定屏（specifications）“-1”表示有冷凝器，但不对冷凝

10、器做规定而是对一块塔板做规;模式“0”表示无冷凝器（如吸收塔）。其它0 的模式都表示有冷凝器，并且提供其右侧栏目作相应的规定。注：组分的任何纯度规定（模式5、6、7、12、17），都能通过提供组分i 和j 的方法，从单一组分纯度扩展到多元组分的纯度。这将使程序应用于从组分i 至j 的一组组分的纯度规定。冷凝器热负荷必须是负实数。如选“-1”或“0”模式，该值则不需要。冷凝器模式5、6、7、9、12、17 需要冷凝器组分i 规定。如果规定馏分中某一组分，必须输入该组分在组分表上的排位序号。对需规定两个组分的模式9，要求有冷凝器组分j规定。对模式5、6、7、12、17，它允许规定组分组的纯度。输入

11、组分j 的排位序号，对模式9 是在分母的组分；对模式5、6、7、12、17，则是组分组中排序在最上面的组分。“-1”表示有再沸器但不做规定，而是在一块塔板上作出规定。模式“0”表示无再沸器（如吸收塔）。其它0 的模式都表示有再沸器且提供右侧栏目相应规定。注意： 组分的任何纯度规定（模式5、6、7、12、17），都能通过提供组之和j 的方法，从单一组分纯度扩展到一组组分的纯度。这将使程序应用于从组分i 至j 一组组分的纯度规定。再沸器热负荷必须为一个正实数。 如果模式选为-1 或0，这个值则不需要。对于模式5、 6、 7、 9、 12、17，需要再沸器组分i该项。如有必要规定底部组分，输入其在组

12、分列表中的位置。规定（reboiler component j spec.）：对需规定两个组分的模式9，要求有再沸器组分j规定。对模式5、6、7、12、17，它允许规定组分组的纯度。输入组分j 的排位序号，对于模式9，组分j 是在分母的组分；对模式5、6、7、12、17，则是组中排序在最上面的组分。（3）定义塔板状态级数（）定义塔板状态级数（tray number for tray specification）输入要定义塔板状态的级数。如果不定义塔板状输入要定义塔板状态的级数。如果不定义塔板状态，则不输入。态，则不输入。如果冷凝器和再沸器都已经定义如果冷凝器和再沸器都已经定义(即模式即模式 0

13、)，则，则不必输入塔板状态级数；否则将破坏塔方程中的不必输入塔板状态级数；否则将破坏塔方程中的自由度，只有冷凝器模式为自由度，只有冷凝器模式为-1、或再沸器模式为、或再沸器模式为-1 时，才规定塔板。时，才规定塔板。再沸器被看成再沸器被看成n 号塔板。号塔板。塔板模式规定（塔板模式规定（mode for tray specification），），3 收敛规定屏（收敛规定屏（convergences）4 成本估算规定屏成本估算规定屏包括用于计算塔内件的成本估算规定屏，此外，还包括用于计算冷凝器、再沸器及包括用于计算塔内件的成本估算规定屏，此外，还包括用于计算冷凝器、再沸器及显示计算结果的规定屏

14、显示计算结果的规定屏拓扑拓扑 towr towr 是一个多级严格汽液平衡模型，允许最多是一个多级严格汽液平衡模型，允许最多5 5 个进料流股及个进料流股及4 4 个侧线产个侧线产品。在一个流程中，品。在一个流程中，towr towr 单元的数量不限。单元的数量不限。 towr towr 塔板号自上而下，塔的进料流带正号，出料流带负号。进料流输入顺塔板号自上而下，塔的进料流带正号，出料流带负号。进料流输入顺序必须自上而下。序必须自上而下。 塔侧加热塔侧加热/ /冷却器设为在指定板上的进料流股，只有焓流冷却器设为在指定板上的进料流股，只有焓流率而无质量率而无质量/ /摩尔流率；正焓值表示加热器，负

15、焓值表示冷却器。摩尔流率；正焓值表示加热器，负焓值表示冷却器。 第一产品流总是塔顶馏分；第二产品流总是塔底产品。如果产品流多于两个第一产品流总是塔顶馏分；第二产品流总是塔底产品。如果产品流多于两个，则将其作为侧线产品自上而下顺序输入。如果塔顶是部分冷凝器且有气液，则将其作为侧线产品自上而下顺序输入。如果塔顶是部分冷凝器且有气液两个产品，则气体定义为馏分，液体定义为第一侧线产品。如塔顶是全冷凝两个产品，则气体定义为馏分，液体定义为第一侧线产品。如塔顶是全冷凝器，则其液体产品定义为馏分。器，则其液体产品定义为馏分。 注：如果选择水注：如果选择水/ /烃不互溶烃不互溶k k 值，可能有游离水自部分冷

16、凝器或全冷凝值，可能有游离水自部分冷凝器或全冷凝器中析出，但在布局中它不应作为产品流股。器中析出，但在布局中它不应作为产品流股。towr 拓扑信息解析拓扑信息解析若若towr 拓扑信息为拓扑信息为towr 1 4 -2 -5 -3 -7 -9，假设塔有一个部分冷凝器，假设塔有一个部分冷凝器并且自冷凝器流出一个液体产品，则该拓朴提供出如下信息：并且自冷凝器流出一个液体产品，则该拓朴提供出如下信息： 该塔有两个进料流，该塔有两个进料流，1 号和号和4 号流股且号流股且1 号流股在较高位置。号流股在较高位置。 2 号流股是冷凝器的气体产品；号流股是冷凝器的气体产品； 5 号流股是塔底液体产品；号流股

17、是塔底液体产品； 3 号流股是冷凝器的液体产品（作为第一侧线产品流处理）；号流股是冷凝器的液体产品（作为第一侧线产品流处理）； 7 号和号和9 号流股是位于塔下部的另外两个侧线产品。号流股是位于塔下部的另外两个侧线产品。方法：高效的内方法：高效的内-外环法进行逐板计算外环法进行逐板计算外环建立局部的、简单的外环建立局部的、简单的k 值及焓模型，将其用于内循环计算。内值及焓模型，将其用于内循环计算。内循环在外环生成的简单循环在外环生成的简单k 值和焓模型基础上进行大量的质量值和焓模型基础上进行大量的质量-能量平能量平衡计算，以满足衡计算，以满足mesh 方程和用户规定。方程和用户规定。当内循环收

18、敛时，控制转向外循环，然后外循环利用严格当内循环收敛时，控制转向外循环，然后外循环利用严格k 值和焓值和焓的计算结果更新简单的计算结果更新简单k 值和焓模型。当简单模型与严格模型的计算值和焓模型。当简单模型与严格模型的计算结果相比较达到所需的精度时，外循环收敛。否则，外循环产生一结果相比较达到所需的精度时，外循环收敛。否则，外循环产生一个新的简单个新的简单k 与焓的模型，内循环再重新计算。与焓的模型，内循环再重新计算。当内外两个循环都收敛时，便完成了塔的计算。当内外两个循环都收敛时，便完成了塔的计算。towr 塔模型运行塔模型运行 一个建立在估计的馏分、回流、塔顶及塔底温度或初始估一个建立在估

19、计的馏分、回流、塔顶及塔底温度或初始估计（如果使用非计（如果使用非0 选项）基础上的初始分布生成。选项）基础上的初始分布生成。 简单简单k 模型（叫作模型（叫作kb 模型）。模型）。 程序在程序在kb 模型和一些规定的基础上生成新分布，这个分模型和一些规定的基础上生成新分布，这个分布的误差表明该分布的质量如何。布的误差表明该分布的质量如何。 简单焓模型的系数。简单焓模型的系数。 jacobian 矩阵计算。矩阵计算。 jacobian 矩阵的逆阵。矩阵的逆阵。 内环计算开始。内环计算开始。 内环计算结束及误差摘要内环计算结束及误差摘要(k、 h、 内环误差内环误差)。 k 及及h 模型的外环更

20、新。模型的外环更新。 从第从第 7 步重复，直到收敛或达到迭代的最大次数。步重复，直到收敛或达到迭代的最大次数。特殊情况特殊情况 高压塔（高压塔（high pressure column） 塔应在低于其内部流临界压力下操作。如果塔在很高的压力下操作，在某些塔板塔应在低于其内部流临界压力下操作。如果塔在很高的压力下操作，在某些塔板上不能给出合适的组成分布而导致初始化算法失败，有时会引起塔的发散。如果上不能给出合适的组成分布而导致初始化算法失败，有时会引起塔的发散。如果发生这种情况，可以先模拟塔在较低压力下的操作并得到首次收敛结果，然后改发生这种情况，可以先模拟塔在较低压力下的操作并得到首次收敛结

21、果，然后改变压力到所需值并设置初始分布选择为变压力到所需值并设置初始分布选择为1。重新运行时，塔在大多数情况下收敛。重新运行时，塔在大多数情况下收敛。 待分离物系泡点接近（待分离物系泡点接近（close boiling points） 如果塔中有沸点相近的组分需要分离，塔顶和塔底的温差往往不大，这时，估计如果塔中有沸点相近的组分需要分离，塔顶和塔底的温差往往不大，这时，估计初始温度很重要。如果程序生成的初始化分布在塔板上显出不合适的流分布，如初始温度很重要。如果程序生成的初始化分布在塔板上显出不合适的流分布，如所有的流都流向塔顶而塔底被蒸干，应重新设置塔顶或塔底温度。如果塔底蒸干所有的流都流向

22、塔顶而塔底被蒸干，应重新设置塔顶或塔底温度。如果塔底蒸干，用较低的温度估计；如果塔顶蒸干，则用较高的温度估计。，用较低的温度估计；如果塔顶蒸干，则用较高的温度估计。 非理想非理想k 值体系（值体系（non-ideal k-values ） 如果每次外环迭代后外环挥发度误差（如果每次外环迭代后外环挥发度误差（k 值误差）增量大于值误差）增量大于0.5，可能遇上了极端，可能遇上了极端非理想非理想k 值问题。此时应降低参数中的阻尼因子。如果仍不收敛，则必须选择其值问题。此时应降低参数中的阻尼因子。如果仍不收敛，则必须选择其它它k 值模型并运行得到一个基础情况，然后再设置所需的值模型并运行得到一个基础

23、情况，然后再设置所需的k 值模型并使用初始分值模型并使用初始分布选项布选项1，重新进行计算。，重新进行计算。应用示例应用示例1建立流程图建立流程图2添加组分添加组分5规定进料流股规定进料流股6规定单元设备（塔规定单元设备（塔1）6规定单元设备（塔规定单元设备（塔2）塔塔1 质量及热量衡算参数规定屏质量及热量衡算参数规定屏塔塔2 质量及热量衡算参数规定屏质量及热量衡算参数规定屏8查看结果（操作回流比）查看结果（操作回流比）8查看结果（产品组成）查看结果（产品组成）8查看结果（塔查看结果（塔1各组分液相摩尔含量在塔板分布）各组分液相摩尔含量在塔板分布）8查看结果（塔查看结果（塔2各组分液相摩尔含量

24、在塔板分布）各组分液相摩尔含量在塔板分布）分析塔分析塔2 理论板数变化对其操作回流比影响理论板数变化对其操作回流比影响例例4-3 烯丙醇的加盐精馏。烯丙醇的加盐精馏。加盐精馏加盐精馏 分离醇分离醇-水体系在化工中十分普遍。由于醇水体系在化工中十分普遍。由于醇-水体系一般形水体系一般形成共沸物，难以用常规精馏方法分离，因此，醇成共沸物，难以用常规精馏方法分离，因此，醇-水体系水体系分离常采用其它方式，加盐精馏就是其中的一种。分离常采用其它方式，加盐精馏就是其中的一种。 盐对汽液平衡的影响是一个十分有意义的问题。把溶盐加盐对汽液平衡的影响是一个十分有意义的问题。把溶盐加到被分离组分中，可以改变组分间的相对挥发度，这种现到被分离组分中，可以改变组分间的相对挥发度，这种现象称为汽液平衡的盐效应。象称为汽液平衡的盐效应。 盐对汽液平衡的影响十分显著，在溶液中加入少量的盐就盐对汽液平衡的影响十