精馏过程模拟

5精馏过程模拟5.1单元操作模型--塔-简捷塔5.1单元操作模型--塔-严格塔*Requiresseparatelicense5.2RadFrac---严格多级分离模块可对下述过程做两相或三相模拟:普通蒸馏吸收,再沸吸收汽提,再沸汽提恒沸蒸馏反应蒸馏5.2RadFrac---严格多级分离模块结构选项:任何数量的进料任何数量的侧线采出总液体采出和循环回流任何数量的换热器任何数量的倾析器5.2RadFrac---拓扑结构气体蒸馏物(DV)1顶级或冷凝器热负荷热(可选)(Q1)液体蒸馏物(DL)水(DW)(可选)D=DL+DVDV:D=DV/D物料回流RR=L1/DRW=LW/DW（任何数量)L1+LW产品(任何数量)热循环回流倾析器热产品热返回(任何数量)上升蒸汽(VN)N级底级或再沸器热负荷热(可选)(QN)塔底(B)BR=VN/B5.3RadFrac---结构设置规定:理论板数冷却器和再沸器结构有效相态收敛两个操作规定5.4RadFrac---流股设置规定:进料板位置进料物流规则(见帮助) ABOVE-STAGE:

从进料物流来的气体进入进料板上一层塔板,液体进入进料板位置

ON-STAGE:

来自进料的气体和液体都进入进料板位置5.5RadFrac---压力设置规定下列项之一:塔压力分布塔顶/塔底压力塔段压降【例5.1】采用Radfrac模块，对于丙烷、异丁烷的分离过程进行模拟。进料中丙烷的摩尔含量为40%。分离要求塔顶流出物中异丁烷的含量为2%，塔底产品中丙烷的含量为1%。流程图如下图所示。进料温度为322K,精馏塔操作压力为14atm，塔板数32，第16块板处进料。回流比为2。冷凝器为全凝器。泵的压力提升为6atm,阀的压力降为3atm。热力学方法为chao-sea.例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟流程图例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟1）新建模拟文件2）建立模拟流程图（分别选择RADFRAC、Valve、Pump模块）重命名各流股和单元操作泵和控制阀的命名以易于与精馏塔C1关联为宗旨例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟选择液相馏出物3）设定全局特性工程概述、工程单位、报告输出形式等例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟4）指定化学组分并重命名例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟5）选择物性计算模型例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟6）输入流股信息例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟7）输入设备参数-C1-Configuration例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟7）输入设备参数-C1-Streams例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟7）输入设备参数-C1-Pressure例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟7）输入设备参数-P11&P12例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟8）运行模拟计算例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟9）查看计算结果分离要求：xD,IC4≤2mol%

xB,C3≤1mol%可通过增加回流比或增加塔的理论板数提高分离效果例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟10）增大回流比为3分离要求：xD,IC4≤2mol%

xB,C3≤1mol%例5.1丙烷、异丁烷的分离过程模拟例5.2甲醇水分离COLUMNFEEDOVHDBTMS用NRTL-RK物性方法部分A:用如下数据完成甲醇塔核算:塔进料: 63.2wt%水 36.8wt%甲醇

总流量120,000lb/hr

压力20psia,饱和液体塔规定: 38块塔板(40块理论级)

进料板=23(第24理论级)

全凝器

顶部压力=16.1psia(绝对压力）

每理论级压力降=0.1psiDistillateflowrate

蒸馏流率=1245lbmol/hr

摩尔回流比=1.3用NRTL-RK物性方法

例5.2甲醇水分离1）塔温度剖面的绘制2）塔板液相组成剖面的绘制例5.3使用“plotwizard”功能绘图例5.3使用“plotwizard”功能绘图1）塔温度剖面的绘制例5.3使用“plotwizard”功能绘图1）塔温度剖面的绘制1）塔温度剖面的绘制例5.3使用“plotwizard”功能绘图2）塔板液相组成剖面的绘制例5.3使用“plotwizard”功能绘图通过前面的例题，明确了达到预期产品指标所需的操作条件（操作温度、压力、操作回流比，采出量等）。本节将寻找最佳进料位置，最小回流比和最小理论板数，为精馏过程经济优化奠定基础。例5.4最佳进料位置及最小条件的确定课堂练习：利用5.1中工程文件，保持其它条件不变，改变进料板位置（12~16），记录进料板位置变化对再沸器热负荷的影响。*最优值**以上数值仅供参考1）最佳进料位置的确定例5.4最佳进料位置及最小条件的确定课堂练习：利用5.1中工程文件，保持其它条件不变，增加理论板数（32，48，64，96），并保证进料位置与总理论板数维持固定比例值，分析操作回流比的变化。2）最小回流比的确定例5.4最佳进料位置及最小条件的确定课堂练习：利用5.1中工程文件，保持其它条件不变，减小理论板数（32，22，20，18，17，16，15），并保证进料位置与总理论板数维持固定比例值，分析操作回流比的变化。3）最小理论板数的确定例5.4最佳进料位置及最小条件的确定若已知精馏塔的级数则计算其塔高非常容易。塔盘之间的间距一般取2英尺(0.61m)。若塔的级数为NT，则塔盘的数目为NT-2(一级是塔顶回流罐，另一级是塔釜再沸器)。除塔盘外，塔顶要为回流管进塔和塔进料部分的进料分布器留出空间。更重要的是，在塔底部还要留出足够的空间，以满足下列的两个要求：(1)提供缓冲所用的持液量；(2)塔底液位高度必须比塔底泵高出足够的高度，以提供泵所需的汽蚀余量。因此，在设计的过程中塔的高度一般会按塔盘间距所要求的高度再给出20%的裕量。所以塔器的高度可以按下式估算：L=1.2(0.61)(NT-2）1）塔高例5.5精馏塔尺寸的估算精馏塔的塔径由气相最大流速决定。若该流速值超高，则塔的液相和气相水力条件就会失效，塔也会发生液泛。可以通过可靠的关联式来确定气相的最大流速。对于非恒摩尔流体系，各层塔盘的气相流量均不相同，气相流量最大的塔盘将会确定塔的直径。假如已知气相的质量流量及气相密度，则可以计算出气相的体积流量。而后，假如已知最大许用速度，则可以计算出塔的截面面积，从而确定塔径2）塔径例5.5精馏塔尺寸的估算例5.5精馏塔尺寸的估算2）塔径—traysizing例5.5精馏塔尺寸的估算2）塔径改变流程数为2，重新计算3）塔的水力学参数例5.5精馏塔尺寸的估算例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能分离要求：xD,IC4≤2mol%

xB,C3≤1mol%例题5.6在例题5.1的基础上，寻找合适的塔顶馏出物流量和回流比，使得塔顶馏出物中异丁烷含量为2mol%，而塔釜馏出物中丙烷含量为1mol%为了保证模拟计算能够得到合理、正确的技术结果，在运用“DESIGNSPEC-VARY”功能时，较好的做法是使程序一次只对一个变量收敛，而不是同时求解数个变量。“DESIGNSPEC-VARY”功能：指定某些“控制”变量（DESIGNSPEC），同时指定“调整变量”（VARY）。程序会通过操控调整变量从而使控制变量达到指定值。本例中：1）调整塔顶馏出物流量使得塔顶产品合格；2）调整回流比使得塔底产品合格（馏出物指标仍然起作用）例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能1）指定第一控制变量---Specifications第一控制变量为塔顶中c4的浓度值为0.02例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能1）指定第一控制变量---Components例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能1）指定第一控制变量---Feed/ProductSreams2）指定第一调整变量---Specifications调整distillaterate在0.2-0.6kmol/sec之间变化例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能3)运行模拟---ControlPannel例5.2使用“DESIGNSPEC-VARY”功能4)查看结果例5.2使用“DESIGNSPEC-VARY”功能例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能5）指定第二控制变量---Specifications第二控制变量为塔底中c3的浓度值为0.01例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能5）指定第二控制变量---Components例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能5）指定第二控制变量---Feed/ProductSreams例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能6）指定第二调整变量---SpecificationsRefluxRatio在1-5之间调整7）再次运行模拟---ControlPannel例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能8）查看结果查看结果---操作回流比例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能为了可以使用冷却水作为塔顶冷凝器冷源(塔顶操作温度约52℃)，增加塔顶压力至16.8atm，再次运行模拟。例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能增加塔顶压力16.8atm

，再次运行模拟---查看结果例5.6使用“DESIGNSPEC-VARY”功能若设置一个不带冷凝器或再沸器的吸收塔,则在RadFracSetupConfiguration页面上设置冷凝器和再沸器为none在RadFracEfficiencies

表页上能够规定按一个理论级基准或组分基准的汽化效率或Murphree效率.能够进行板式塔或填料塔的设计和核算.如果用户选择汽-液-液作为有效相，也可以模拟第二液相.能够生成再沸器和冷凝器的热曲线5RadFrac例题小结用绘图向导(在Plot菜单上)能立即生成模拟结果的曲线图，你能用绘图向导显示如下操作的结果:物性分析数据回归分析所有分离模型RadFrac、MultiFrac、PetroFrac和RateFrac的数据分布点击数据窗口中的对象生成该对象的曲线图.向导引导你执行生成图表的基本操作.在Next按钮上点击继续.点击Finish按钮按缺省设置生成图.5RadFrac例题小结用DesignSpecs

和Vary

表页可以在RadFrac模型内部规定并执行设计规定。可以调整一个或多个RadFrac输入，来满足对一个或多个RadFrac性能参数的规定要求。一般情况下，“规定”的个数应与“变化”的个数相等.RadFrac中的“设计规定”和“改变”是在“中间回路”中求解的，如果你得到一个中间回路没收敛的错误信息，检查你输入的“设计规定”和“改变”5RadFrac例题小结如果RadFrac没收敛,做以下工作会有帮助:

1）检查正确地规定了有关物性方面的问题(物性方法的选择、参数可用性)。2）确保塔操作条件是可行的。3)如果塔的err/tol是一直减少的,在RadFracConvergenceBasic

页上增加最大迭代次数。5RadFrac例题小结如果RadFrac没收敛,做以下工作会有帮助:4）在RadFracEstimatesTemperature页上提供塔中一些塔板的温度估值(对吸收塔来说是有用的).5）在RadFracEstimatesLiquidCompositionandVaporComposition页上提供塔中一些塔板的组成估值(对于高度非理想系统是有用的).6）在RadFracSetupConfiguration页上尝试不同的收敛方法。> 当一个塔不收敛时,做了改变后重新初始化通常是有好处的。5RadFrac例题小结例5.7甲醇水分离用NRTL-RK物性方法COLUMNFEEDOVHDBTMS部分A:用如下数据完成甲醇塔核算:塔进料: 63.2wt%水 36.8wt%甲醇

总流量120,000lb/hr

压力20psia,饱和液体塔规定: 38块塔板(40块理论级)

进料板=23(第24理论级)

全凝器

顶部压力=16.1psia(绝对压力）

每理论级压力降=0.1psiDistillateflowrate

蒸馏流率=1245lbmol/hr

摩尔回流比=1.3用NRTL-RK物性方法

例5.7-A甲醇水分离部分B:建立塔内的设计规定达到如下两个目标:塔顶馏出物中甲醇含量99.95wt%塔底水含量99.90wt%要达到这些规定,你可以改变塔顶馏出物流率(800-1700lbmol/hr)和回流比(0.8-2).在运行该题之前确保物流组成是按质量分率报告。记录冷凝器和再沸器的负荷:

冷凝器负荷 :_________

再沸器负荷 :_________例5.7-B甲醇水分离部分C:规定每块板效率为65%Murphree效率后执行同一个设计计算。假设冷凝器和再沸器的板效率为90%。这些效率是如何影响塔的冷凝器和再沸器负荷的?例5.7-C甲醇水分离部分D:完成整个塔的设计计算，假定使用泡罩塔盘塔

例5.7-D甲醇水分离

例5.8环己烷生产过程模拟例5.8创建一个流程来模拟环己烷生产过程环己烷可以用苯加氢反应得到，反应如下:C6H6 + 3H2 =C6H12

苯 氢气 环己烷在进入固定床反应器前，苯和氢气进料与循环氢气和环己烷混合。假设苯转化率为99.8%。反应器出料被冷却，轻气体从产品物流中分离出去。部分轻气体作为循环氢气返回反应器。从分离器出来的液体产品物流进入蒸馏塔进一步脱除溶解的轻气体，使最终产品稳定。部分环己烷产品循环进入反应器，辅助控制温度。例5.8-环己烷生产—模拟流程图

C6H6+3H2=C6H12苯氢气环己烷用RK-SOAVE物性方法完成后另存为：文件名:CYCLOHEX.BKPBottomsrate=99kmol/hrP=25barT=50CMolef