aspenplus讲义精馏解析课件

1、精 馏1、精馏原理2、精馏塔3、精馏过程的节能第1页，共123页。塔进行气相和液相或液相和液相间物质传递的设备。按结构分板式塔和填料塔两大类。板式塔内设有一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形式与塔板上液层相接触进行物质传递。填料塔内装有一定高度的填料，液体沿填料自上向下流动，气体由下向上同液膜逆流接触，进行物质传递。常应用于蒸馏、吸水、萃取等操作中。第2页，共123页。1、精馏的原理1.1 精馏的应用 液体产品的精制-如石油的精制第3页，共123页。1、精馏的原理1.2 蒸馏分离 的目的和依据目的：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分依据：液体混合物中各组分挥发性的差异液体混合物：(如:酒精水

2、溶液)挥发性大（乙醇），称为易挥发组分或轻组分（A）挥发性小（水） ，称为难挥发组分或重组分（B）第4页，共123页。1、精馏的原理1.3 蒸馏过程的分类按蒸馏方式：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏按物系的组分数：双组份精馏、多组分精馏按操作压力：常压精馏、加压精馏、减压精馏按操作方式：间歇精馏、连续精馏按难易方式：普通精馏、特殊精馏 第5页，共123页。1、精馏的原理1.4 蒸馏与精馏原理 1.4.1 简单蒸馏 1.4.2 平衡蒸馏 1.4.3 精馏原理 1.4.4 连续精馏流程第6页，共123页。1、精馏的原理1.4.1 简单蒸馏 A B C第7页，共123页。1、精馏的原理1.4.2 平衡蒸馏（

3、又叫闪蒸）1、流程（见右图） 等压闪蒸 等温闪蒸 2、特点 一次进料，粗分 xD, xW是一对平衡组成第8页，共123页。1、精馏的原理1.4.3 精馏原理两条线：气相线（露点线） 即 yAt 关系曲线 液相线（泡点线） 即xAt 关系曲线三个区域：液相区 气、液共存区 气相区第9页，共123页。1、精馏的原理1.4.3.1 多次部分汽化和多次部分冷凝 缺点：1、收率低；2、设备重复量大，设备投资大；3、能耗大，过程有相变。第10页，共123页。1、精馏的原理1.4.3.2 有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝 第11页，共123页。1、精馏的原理有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝的优点：1、产

4、品的收率高2、设备紧凑，投资少3、能耗低总结： 精馏与蒸馏最重要的区别是精馏装置有回流第12页，共123页。1、精馏的原理1.4.4 连续精馏流程连续精馏装置进料板：原料液进入的那层塔板精馏段：进料板以上的塔段提馏段：进料板以下（包括进 料板）的塔段第13页，共123页。1、精馏的原理1.4.4.1 塔板的作用塔板提供了汽液分离的场所。每一块塔板是一个混合分离器足够多的板数可使各组分较完全分离特点：第14页，共123页。1、精馏的原理1.4.4.2 精馏过程的回流回流的作用： 提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传质的必要条件。 精馏的主要特点就是有回流回流包括：塔顶回流液、塔底回流气第15页

5、，共123页。2、精馏塔 2.1 板式塔 2.2 填料塔 2.3 两者的比较第16页，共123页。2、精馏塔2.1.1 板式塔简介 在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层； 气体则在压强差的推动下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。 气、液在塔内逐板接触进行质、热交换，两相组成沿塔高呈阶跃式变化。板式塔溶剂气体第17页，共123页。2、精馏塔2.1.2 塔板类型塔板是板式塔的基本构件，对塔的基本性能有着决定性作用。液相降液管堰气相溢流塔板：塔板间有专供液体溢流的降液管，横向流过塔板的流体与由下而

6、上穿过塔板的气体呈错流流动。溢流式塔板结构形式分为：泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、网孔塔板、舌形塔板等。第18页，共123页。2、精馏塔穿流式塔板：塔板间没有降液管，气、液两相同时由塔板上的板上液层高度靠气体速度维持。这种塔板结构简单，生产能力较大，但板效率及操作弹性不及溢流塔板。液相气相穿流式塔板常见的板型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。第19页，共123页。2、精馏塔2.1.2.1 泡罩塔板 （ Bubble-cap Tray ）泡罩塔板1813年在工业上开始应用，其主要元件由升气管和泡罩构成，泡罩安装在升气管顶部，泡罩底缘开有若干齿缝，升气管顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。液

7、体横向通过塔板经溢流堰流入降液管。气体则沿升气管上升折流经泡罩齿缝分散进入液层，形成两相混合的鼓泡区。由于有升气管，泡罩塔板即使在低气速下操作也不致产生严重的漏液。泡罩塔板操作稳定，弹性大，缺点是结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低，近几十年逐渐被筛孔塔板、浮阀塔板等所取代。 第20页，共123页。2、精馏塔2.1.2.2 筛孔塔板（ Sieve Tray ）筛孔塔板：是结构最简单的一种板型。对筛孔塔板的研究，力学性能以及塔板漏液等问题，获得了成熟的使用经验和设计方法，使之逐渐成为应用最广的塔板类型之一。 第21页，共123页。2、精馏塔2.1.2.3 浮阀塔板（ Valve Tray）浮

8、阀塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板基础上开发的板型。在塔板上按一定的排的阀片。阀片可随上升气量的变化而自动调节开启度。在低气量时，开度小；气量大时，阀片自动上升，开度增大。浮阀塔具有结构简单，生产能力和操作弹性大，板效率高的优点，是一种综合性能较优异的板型。 第22页，共123页。2、精馏塔F1型浮阀：阀片带有三条腿，插入阀孔后将各腿底脚外翻 90，用以限制起的最大高度；阀片周边有三块略向下弯的定距片，以保证阀片的最小开启高度。F1型浮阀分轻阀和重阀。轻阀塔板漏液稍严重，除真空操作时选用外，一般均采用重阀。 第23页，共123页。2、精馏塔2.1.2.4 JCV浮阀塔板/双流喷射浮阀塔板 （Jet

9、Co-flow Valve Tray）JCV浮阀塔板：阀笼与塔板固定，阀片在阀笼内上下浮动。它的一部分为鼓泡、另一部分为喷射湍动传质，使分离效率和生产能力大大提高。JCV浮阀塔板具有结构简单、阀片开启灵活、高效、高通量、寿命长、耐堵塞的特点。JCV浮阀 （改进型双流喷射浮阀）普通型JCV浮阀与塔板固定方法第24页，共123页。2、精馏塔1800 JCV浮阀塔板2400 JCV浮阀塔板第25页，共123页。2、精馏塔2.1.2.5 舌形塔板一种斜喷射型塔板：结构简单，只需在塔板上冲出若干按一定排列的舌形孔即可，舌片向上张角 以20左右为宜。20=ao50R25气相气流沿舌片喷出并带动液体在同方向

10、上流动。由于气液并流，气体推动液体前进，避免了返混和液面落差，塔板上液层较低，塔板压降较小。舌形塔板因气流方向近于水平。相同的液气比下，舌形塔板的液沫夹带量较小，故可达较高的生产能力。因其张角固定，在气量较小时，经舌孔喷射的气速低，塔板漏液严重，操作弹性小。第26页，共123页。2、精馏塔2.2 填料塔溶剂填料塔气体 圆柱形壳体内装填一定高度的填料，液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料层后自塔底排出；气体在压强差推动下穿过填料层的空隙，由塔的一端流向另一端。气液在填料表面接触进行质、热交换，两相的组成沿塔高连续变化。 规整填料 塑料丝网波纹填料 散装

11、填料塑料鲍尔环填料第27页，共123页。2、精馏塔2.3 板式塔与填料塔的比较填料塔和板式塔都可用于吸收或蒸馏，不同场合使用不同传质设备。板式塔填料塔压降较大小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整填料较小空塔气速较大小尺寸填料较小；大尺寸填料及规整填料较大塔效率较稳定，效率较高传统填料低；新型乱堆及规整填料高持液量较大较小液气比适应范围较大对液量有一定要求安装检修较易较难材质常用金属材料金属及非金属材料均可造价大直径时较低新型填料投资较大第28页，共123页。第29页，共123页。塔设备单元模型 分类DSTWUDistlRadFracExtract塔设备(Columns)单元共有9种模块：Multi

12、FracSCFracPetroFracRateFracBatchFrac第30页，共123页。 讲义4.6.4: 输入模块数据塔第31页，共123页。塔设备单元模型分类（2）第32页，共123页。DSTWU 简捷精馏（设计）DSTWU 模块用Winn-Underwood-Gilliland捷算法进行精馏塔的设计，根据给定的加料条件和分离要求计算最小回流比、最小理论板数、给定回流比下的理论板数和加料板位置。第33页，共123页。DSTWU 简捷精馏 （2）第34页，共123页。1、塔设定 ( Column specifications)（1）塔板数 ( Number of stages)（2）回

13、流比 ( Reflux ratio) 0, 实际回流比； =29.72482-METHYL-BUTANEC5H12-220=0.2247N-PETANEC5H12-115N-HEXANEC6H14-120全塔压力4.4atm，塔顶采用全回流，回流比为1.8，物性方法为PENG-ROB例题第43页，共123页。 含乙苯 30%w、苯乙烯 70%w的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30 C）用精馏塔（塔压0.02MPa ）分离，要求99.8%的乙苯从塔顶排出，99.9%的苯乙烯从塔底排出，采用全凝器。求： Rmin，NTmin，R=1.5 Rmin 时的R、NT和NF 。D

14、STWU 应用示例 (1)第44页，共123页。1、生成回流比理论板数关系表 ( Generate table of reflux ratio vs. number of theoretical stages )2、计算等板高度 ( Calculate HETP )DSTWU 计算选项DSTWU模型有两个计算选项：第45页，共123页。DSTWU 计算选项（2）第46页，共123页。 “生成回流比理论板数关系表”对选取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最小值(Initial number of stages)、最大值(Final number o

15、f stages)和增量值(Increment size for number of stages)。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理论板数曲线。DSTWU 计算选项（3）第47页，共123页。DSTWU 计算选项（4）第48页，共123页。DSTWU 计算选项（5）合理的理论板数应在曲线斜率绝对值较小的区域内选择。第49页，共123页。绘制示例（1）的NTR关系图，根据该图选取合理的R值，求取相应的 NT、NF、冷凝器和再沸器的温度和热负荷。DSTWU 应用示例 (2)第50页，共123页。DSTWU 应用示例 (2)第5

16、1页，共123页。 讲义5.1: 模型分析工具-灵敏度分析第52页，共123页。 讲义5.1: 模型分析工具-灵敏度分析第53页，共123页。 讲义5.1: 模型分析工具-灵敏度分析第54页，共123页。 讲义5.1: 模型分析工具-灵敏度分析第55页，共123页。 讲义5.1: 模型分析工具-灵敏度分析第56页，共123页。 讲义5.1: 模型分析工具-灵敏度分析1第57页，共123页。 讲义5.1: 模型分析工具-灵敏度分析第58页，共123页。 讲义5.1: 模型分析工具-灵敏度分析计算结果第59页，共123页。 讲义5.1: 模型分析工具-灵敏度分析第60页，共123页。 讲义5.1:

17、 模型分析工具-灵敏度分析第61页，共123页。 讲义5.1: 模型分析工具-灵敏度分析第62页，共123页。 讲义5.1: 模型分析工具-灵敏度分析第63页，共123页。 讲义5.1: 模型分析工具-灵敏度分析灵敏度分析学习完毕第64页，共123页。RadFrac 精密分离模块 RadFrac 模块同时联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果。 RadFrac 模块用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分离能力和设备参数。第65页，共123页。RadFrac 精密分离模块（2）第66页，共123页。RadFrac 连接 RadFrac 模块的连接图如

18、下：第67页，共123页。RadFrac模型设定RadFrac 模型具有以下设定表单： 1、配置（Configuration） 2、流股（Streams） 3、压强（Pressure） 4、冷凝器（Condenser） 5、再沸器（Reboiler） 6、三相（3-Phase）第68页，共123页。RadFrac 配置配置表单包含以下项目： 1、塔板数（Number of Stages） 2、冷凝器（Condenser） 3、再沸器（Reboiler） 4、有效相态（Valid Phase） 5、收敛方法 （Convergence) 6、操作设定 （Operation Specificatio

19、ns)第69页，共123页。RadFrac 配置（2）第70页，共123页。RadFrac 配置（冷凝器）冷凝器配置从四个选项中选择一种： 1、全凝器（Total） 2、部分冷凝-汽相馏出物 （Partial-Vapor） 3、部分冷凝-汽相和液相馏出物 （Partial-Vapor-Liquid） 4、无冷凝器 (None)第71页，共123页。RadFrac配置（冷凝器）（2）第72页，共123页。RadFrac 配置（再沸器）再沸器配置从三个选项中选择一种： 1、釜式再沸器（Kettle） 2、热虹吸式再沸器（Thermosyphon） 3、无再沸器 (None)第73页，共123页。R

20、adFrac配置（再沸器）（2）第74页，共123页。RadFrac 配置（有效相态）有效相态从四个选项中选择一种： 1、汽-液（Vapor-Liquid） 2、汽-液-液（Vapor-Liquid -Liquid ） 3、汽-液- 冷凝器游离水 （Vapor-Liquid-FreeWaterCondensor） 4、汽-液- 任意塔板游离水 （Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage）第75页，共123页。RadFrac配置 (有效相态)（2）第76页，共123页。RadFrac配置（收敛方法）收敛方法从六个选项中选择一种： 1、标准方法（Standard） 2、石油/宽

21、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）第77页，共123页。RadFrac配置 (收敛方法) (2)第78页，共123页。RadFrac 配置（操作设定）1、回流比（Reflux Ratio）2、回流速率（Reflux Rate）3、馏出物速率（Distillate Rate)4、塔底物速率（Bottoms Rate)5、上升蒸汽速率（Boilup Rate)操作设定从十个选项中选择：第79页，共123

22、页。6、上升蒸汽比（Boilup Ratio)7、上升蒸汽/进料比（Boilup to Feed Ratio)8、馏出物/进料比（Distillate to Feed Ratio)9、冷凝器热负荷（Condenser Duty)10、再沸器热负荷（Reboiler Duty)RadFrac配置 (操作设定) (2)操作设定从十个选项中选择：第80页，共123页。RadFrac配置 (操作设定) (3)第81页，共123页。RadFrac 流股1、进料流股（Feed Streams） 指定每一股进料的加料板位置。2、产品流股（Product Streams） 指定每一股侧线产品的出料板位置及产量

23、。在流股表单中设置以下参数：第82页，共123页。RadFrac流股（2）第83页，共123页。RadFrac 压强从三种方式（View）中选择一种 1、塔顶/塔底（Top/Bottom） 指定塔顶压力、冷凝器压降和塔压降。 2、压力剖型（Pressure Profile） 指定每一块塔板压力。 3、塔段压降（Section Pressure Drop） 指定每一塔段的压降。在压强表单中设置以下参数：第84页，共123页。RadFrac压强（2）第85页，共123页。RadFrac 冷凝器冷凝器设定有两组参数：1、冷凝器指标（Condenser Specification） 仅仅应用于部分冷凝

24、器。只需指定冷凝温度（Temperature）和蒸汽分率（Vapor Fraction）两个参数之一。第86页，共123页。RadFrac 冷凝器（2）第87页，共123页。2、过冷态（Subcooling）1）过冷选项（Subcooling option） 回流物和馏出物都过冷 (Both reflux and liquid distillate are subcooled) /仅仅回流物过冷 (Only reflux is subcooled)2）过冷指标（Subcooling specification） 过冷液温度 (Subcooled temperature) /过冷度 (Degre

25、es of subcooled)RadFrac 冷凝器（3）冷凝器设定有两组参数：第88页，共123页。RadFrac 冷凝器（4）第89页，共123页。RadFrac 再沸器如选用了热虹吸再沸器，则需要进行设置：1、指定再沸器流量 （Specify reboiler flow rate）2、指定再沸器出口条件 （ Specify reboiler outlet condition）3、同时指定流量和出口条件 （Specify both flow and outlet condition ）第90页，共123页。RadFrac 再沸器第91页，共123页。RadFrac 的计算结果从三部分查看

26、： 1、结果简汇（Results summary） 2、分布剖形（Profiles） 3、流股结果（Stream results）RadFrac 结果查看第92页，共123页。结果简汇给出塔顶（冷凝器）和塔底（再沸器）的温度、热负荷、流量、回流比和上升蒸汽比等参数，以及每一组份在各出塔物流中的分配比率。RadFrac 结果简汇第93页，共123页。RadFrac 结果简汇（2）第94页，共123页。 分布剖形给出塔内各塔板上的温度、压力、热负荷、相平衡参数，以及每一相态的流量、组成和物性。据此可确定最佳加料板和侧线出料板位置。RadFrac 分布剖形第95页，共123页。RadFrac 分布剖

27、形（2）第96页，共123页。RadFrac 分布剖形（3）第97页，共123页。 根据DSTWU示例（2）的结果，选取 R=20、NT=72、NF =42 ，用RadFrac 模块进行精确计算。再根据浓度分布剖形结果选取最佳进料板位置，重新进行校核计算。 RadFrac 应用示例 (1)第98页，共123页。RadFrac 设计规定RadFrac 模型带有内部的设计规定功能，通过设计规定(Design Specs)和变化(Vary)两组对象进行设定。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关系和自由度必须吻合，否则不能收敛。第99页，共123页。RadFrac 设计规定

28、(2)第100页，共123页。RadFrac 设计规定对象 设计规定对象通过以下三张表单设置规定指标 1、规定 (Specification) 2、组分 (Components) 3、进料/产物流股 (Feed/Product Streams) 第101页，共123页。RadFrac设计规定对象 (2)第102页，共123页。RadFrac设计规定对象 (3)在规定表单中输入以下指标 1、类型 (Type) 有36种变量类型共选用 2、目标 (Target) 设定规定变量的目标值 3、流股类型 (Stream type) 产物(Product)/内部(Internal)/倾析 器(Decant

29、er)第103页，共123页。RadFrac设计规定对象 (4)第104页，共123页。RadFrac设计规定对象 (5) 在组分表单中输入定义目标值的组分 (Components)（分子）和基准组分 (Base Components)（分母）。从左侧可用组分 (Available components)框中选择需用组分到右侧的选用组分 (Selected Components) 框中.第105页，共123页。RadFrac设计规定对象 (6)第106页，共123页。RadFrac设计规定对象 (7) 在进料/产物流股表单中选择定义设计规定目标值的流股名称.第107页，共123页。RadFrac设计规定对象 (8)第108页，共123页。RadFrac 变化对象 在变化对象的Specification表单中输入调节变量及其调节范围的上、下限值。 第109页，共123页。RadFrac 变化对象（2）第110页，