化工设计 第四章 设备工艺设计 2015 (二)( ASPEN Plus 设计精馏塔)

1、化工设计Xian University of Science & Technology 1汪广恒汪广恒化学与化工学院化学与化工学院二一五年四月第四章 设备工艺设计 （二）ASPEN Plus 设计精馏塔化工设计Aspen 塔设备塔设备(Columns)单元共有单元共有9种模块：种模块：5.5.MultiFracMultiFrac6.6.SCFracSCFrac7.7.PetroFracPetroFrac8.8.RateFracRateFrac9.9.BatchFracBatchFrac2化工设计用Winn-Underwood-Gilliland 捷算法进行精馏塔的设计，根据给定的加料条

2、件和分离要求计算：功能：功能：（Winn，Fenske） Nmin（Underwood） Rmin（Gilliland）R+N（操作）3化工设计4Heat (Optional)Heat (Optional)DistillateWater (Optional)FeedNHeat (Optional)Heat (Optional)Bottoms12N-1化工设计5例1简捷法设计乙苯-苯乙烯精馏塔。冷凝器压力为6kPa，再沸器压力为14kPa，进料量为12500kg/hr，温度45，压力101.325kPa，质量组成为乙苯0.5843，苯乙烯0.415，焦油0.0007（本题采用正十七烷表示焦油），

3、塔顶为全凝器，回流比为最小回流比的1.2倍，要求塔顶产品中乙苯含量不低于99%（w），塔底产品中苯乙烯含量不低于99.7%（w），用PENG-ROB物性方法。求: Rmin、NTmin、R、N、NF以及以及FD / FF(塔顶产品与进料摩尔流率塔顶产品与进料摩尔流率比比），NT-R (生成回流比随理论板数变化表并作图生成回流比随理论板数变化表并作图）。化工设计6化工设计1.1 塔设定塔设定（Column specifications）1.2 关键组分回收率关键组分回收率（Key component recoveries）1.3 压力压力（Pressure ）1.4 冷凝器设定冷凝器设定（Con

4、denser specifications）DSTWU模型有模型有四组模型四组模型设定参数：设定参数：7化工设计8化工设计9最小回流比最小回流比实际回流比实际回流比最小理论板数最小理论板数实际理论板数实际理论板数进料位置进料位置进料位置以上实际塔板数进料位置以上实际塔板数冷凝器负荷冷凝器负荷再沸器负荷再沸器负荷流出物温度流出物温度塔釜温度塔釜温度流出物流出物/ /进料的比值进料的比值等板高度等板高度求: Rmin、R、NTmin、N、NF以及以及FD / FF、NT-R。化工设计10求: Rmin、R、NT、N、NF以及以及FD / FF、NT-R。化工设计11(1) 生成回流比生成回流比理论

5、板数关系表理论板数关系表 ( Generate table of reflux ratio vs. number of theoretical stages )(2) 计算等板高度计算等板高度 ( Calculate HETP )化工设计“生成回流比生成回流比理论板数关系表理论板数关系表”对选取对选取合理的理论板数很有参考价值。在实际回流比对合理的理论板数很有参考价值。在实际回流比对理论板数栏目中输入我们想分析的理论板数的理论板数栏目中输入我们想分析的理论板数的最小值最小值(Initial number of stages)最大最大值值(Final number of stages)增量值增量

6、值(Increment size for number of stages)计算完成后的结果中会包括回流比剖形计算完成后的结果中会包括回流比剖形( (Reflux ratio profile), ), 据此可以绘制回流比据此可以绘制回流比理论板数曲线。理论板数曲线。12化工设计13化工设计14合理的理论板数应在曲线斜合理的理论板数应在曲线斜率绝对值较小的区域内选择。率绝对值较小的区域内选择。求: NT - R。化工设计 Distl 模块用模块用 Edmister 方法计算方法计算给定精馏塔的操作结果。给定精馏塔的操作结果。15化工设计16Heat (Optional)Heat (Optiona

7、l)DistillateWater (Optional)FeedNHeat (Optional)Heat (Optional)Bottoms12N-1化工设计简捷法简捷法校核校核乙苯乙苯-苯乙烯精馏塔。苯乙烯精馏塔。冷凝器（全凝）冷凝器（全凝）压力为压力为6kPa，再沸器再沸器压力为压力为14kPa，实际回流比实际回流比为为5.11，理论板数理论板数为为65（包括全凝器和再沸器），（包括全凝器和再沸器），进料位置进料位置为为25，塔顶产品与进料摩尔流率塔顶产品与进料摩尔流率比（比（Distillate to feed mole ratio）为）为0.5853，用，用PENG-ROB物性方法物性

8、方法。回流比回流比为最小回流比的为最小回流比的1.2倍，倍，要求要求塔顶产品中乙塔顶产品中乙苯含量不低于苯含量不低于99%（w），塔底产品中苯乙烯含量不低），塔底产品中苯乙烯含量不低于于99.7%（w），用），用PENG-ROB物性方法物性方法。求求:求冷凝器及再沸器的热负荷、塔顶产品及塔底求冷凝器及再沸器的热负荷、塔顶产品及塔底产品的质量纯度。产品的质量纯度。17化工设计在在表单中设定以下参数表单中设定以下参数：18化工设计19化工设计计算给出以下模块信息：计算给出以下模块信息：冷凝器热负荷冷凝器热负荷 Condenser duty 再沸器热负荷再沸器热负荷Reboiler duty 进料板

9、温度进料板温度Feed stage temperature 塔顶温度塔顶温度Top stage temperature 塔底温度塔底温度Bottom stage temperature 进料进料 q 值值 Feed quality20化工设计21化工设计22化工设计23化工设计24化工设计25化工设计26化工设计在例在例7.1简捷设计的基础上，对乙苯简捷设计的基础上，对乙苯-苯乙烯精馏塔进行苯乙烯精馏塔进行严格严格校核校核和和设计计算设计计算。进料条件、冷凝器形式、冷凝器压力、再沸器。进料条件、冷凝器形式、冷凝器压力、再沸器压力、产品纯度要求与例压力、产品纯度要求与例7.1相同，塔顶压力相同，

10、塔顶压力6.7kPa，再沸器采用，再沸器采用釜式再沸器釜式再沸器，物性方法采用，物性方法采用PENG-ROB。求求:（1）根据例）根据例7.1的设计结果，利用的设计结果，利用RadFrac模块计算塔顶及模块计算塔顶及塔底产品的质量塔底产品的质量纯度纯度；（2）求满足产品纯度要求所需的）求满足产品纯度要求所需的回流比回流比和塔顶和塔顶产品流率产品流率以以及冷凝器和再沸器的及冷凝器和再沸器的热负荷；热负荷；（3）在满足产品纯度的基础上，绘制塔内温度分布曲线、）在满足产品纯度的基础上，绘制塔内温度分布曲线、塔内液相质量组成分布塔内液相质量组成分布曲线曲线；（4）在满足产品纯度的基础上，分析进料位置和

11、总理论板）在满足产品纯度的基础上，分析进料位置和总理论板数变化对再沸器热负荷的数变化对再沸器热负荷的影响影响；27化工设计配置表单包含以下项目：配置表单包含以下项目：28化工设计29化工设计30化工设计31化工设计收敛方法从六个选项中选择一种：收敛方法从六个选项中选择一种： 1、标准方法（Standard） 2、石油/宽沸程（Petroleum/Wide-Boiling） 3、强非理想液相（Strongly Non-ideal Liquid） 4、共沸体系（Azeotropic） 5、深度冷冻体系（Cryogenic） 6、用户定义（Custom）32化工设计33化工设计34化工设计35化工设

12、计36化工设计37化工设计从三种方式从三种方式（View）中选择一种中选择一种 1、塔顶、塔顶/塔底塔底（Top/Bottom） 指定塔顶压力、冷凝器压降和塔压降。指定塔顶压力、冷凝器压降和塔压降。 2、压力剖型、压力剖型（Pressure Profile） 指定每一块塔板压力。指定每一块塔板压力。 3、塔段压降、塔段压降（Section Pressure Drop） 指定每一塔段的压降。指定每一塔段的压降。38化工设计39冷凝器压力PN2塔顶压力全塔压降=塔底-塔顶化工设计40化工设计41化工设计42化工设计43化工设计44化工设计45化工设计46化工设计47化工设计48化工设计49化工设计

13、50化工设计RadFrac 模型带有内部的设计规模型带有内部的设计规定功能，通过设计规定定功能，通过设计规定(Design Specs)和变化和变化(Vary)两组对象进行设定。两组对象进行设定。可以设置多个设计规定对象和多可以设置多个设计规定对象和多个变化对象，但要注意两者间的依赖个变化对象，但要注意两者间的依赖关系和关系和自由度必须吻合自由度必须吻合，否则不能收，否则不能收敛。敛。51化工设计52化工设计53化工设计54化工设计55化工设计56化工设计57化工设计58化工设计59化工设计60化工设计61化工设计62（2）求满足产品纯度要求所需的）求满足产品纯度要求所需的回流比和塔顶和塔顶产

14、品流率以及冷凝器和再沸器的以及冷凝器和再沸器的热负荷；化工设计63（3）在满足产品纯度的基础上，绘制）在满足产品纯度的基础上，绘制塔内温度分布曲线、塔内液相质量组成分布曲线；化工设计64（3）在满足产品纯度的基础上，绘制）在满足产品纯度的基础上，绘制塔内温度分布曲线、塔内液相质量组成分布曲线；化工设计65定义变量化工设计66定义操作变量化工设计67定义操作变量化工设计68结果1化工设计69结果2（4）在满足产品纯度的基础上，分析进料位置）在满足产品纯度的基础上，分析进料位置和总理论板数变化对再沸器热负荷的和总理论板数变化对再沸器热负荷的影响影响；化工设计70化工设计71化工设计72化工设计73

15、化工设计74化工设计75化工设计76化工设计77指定塔板指定塔板化工设计78化工设计79塔板设计塔板设计塔板设计塔板设计(Tray sizing)计算给定板间距下的塔径计算给定板间距下的塔径。可将塔分成多个塔段分别设计合适的塔板。在可将塔分成多个塔段分别设计合适的塔板。在Specification表单中输入该表单中输入该塔段塔段(Trayed section)的起的起始塔板始塔板(Starting stage)和结束塔板和结束塔板(Ending stage)序号，序号，塔板类型塔板类型(Tray type)，塔板，塔板流型程数流型程数(Number of passes)，以及，以及板间距板间距

16、(Tray spacing)等几何结构等几何结构(Geometry)参数参数化工设计80塔板设计塔板设计结果结果 (Results) 中给出计算得到的中给出计算得到的塔内径塔内径 (Column diameter)、对应最大塔内径的、对应最大塔内径的塔板序号塔板序号(Stage with maximum diameter)、降液管截面积降液管截面积/塔截塔截面积面积 (Downcomer area / Column area)、侧降液管流侧降液管流速速 (Side downcomer velocity)、侧堰长侧堰长 (Side weir length)化工设计81对例对例3中的乙苯中的乙苯-苯乙烯精馏塔，进行塔板的苯乙烯精馏塔，进行塔板的校核和填料的设计。校核和填料的设计。初步设计的板式塔结构为塔径初步设计的板式塔结构为塔径4.6m，板间距，板间距600mm，塔板类型为浮阀，双溢流，溢流堰高，塔板类型为浮阀，双溢流，溢流堰高50mm，校核塔板的水力学性质；，校核塔板的水力学性质；化工设计82圆形浮法塔盘圆形浮法塔盘溢流堰溢流堰化工设计83化工设备设计全书化工设备设计全书 塔设备塔