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

设备工艺设计设备工艺设计是制造过程中的关键环节。它涉及到设备的选型、工艺流程的制定、以及针对特定生产任务的优化。精良的设备工艺设计可以提高生产效率、降低成本、并确保产品质量。byJerryTurnersnull2.1精馏塔设计基本原理精馏塔利用物质的沸点差异,通过多级接触蒸发和冷凝,实现物质的分离。这是一种广泛应用的分离技术。设计步骤精馏塔设计包括确定进料条件、选择合适的热力学模型、进行塔内流场模拟、优化塔的构型和尺寸等。影响因素精馏塔性能受进料条件、塔内构件、操作参数等多方面因素影响,需要全面考虑。精馏塔的基本原理物质传递过程在精馏塔中,挥发性成分会从液相转移到气相,形成富于所需组分的蒸汽。这个过程被称为物质传递,是精馏的关键机制。热量传递过程塔底加热产生蒸汽,塔顶冷却使蒸汽凝结。这两个相反的热量传递过程维持了塔内的温度梯度,确保了分离效果。相平衡理论相平衡理论描述了组分在液相和气相之间的分配关系,是设计精馏塔的理论基础。2.1.2精馏塔设计的基本步骤确定分离目标首先需要明确想要从混合物中分离出哪些成分,以及每个成分的所需纯度。这是精馏塔设计的基础。建立流程模型使用专业软件如ASPENPLUS建立精馏塔的流程模型,输入原料组成、操作条件等参数。选择热力学模型根据原料性质选择合适的热力学模型,如NRTL、UNIQUAC等,确保模拟结果准确可靠。优化设计参数通过反复模拟,优化进料条件、回流比、塔顶压力等参数,达到最佳分离效果。ASPENPlus软件介绍ASPENPlus是一款全面的过程模拟软件,广泛应用于化工、石油、生物质等领域的过程设计和优化。它能帮助工程师快速建立流程模型,并进行热力学计算、流程模拟和装置设计等。ASPENPlus软件的功能模拟和优化ASPENPlus可以对化工过程进行全面的模拟和优化,帮助工程师设计更加高效和经济的工艺流程。参数估算该软件内置了丰富的物性数据库,可以方便地计算出各种物料的热力学参数和传输性质。流程设计ASPENPlus提供了强大的流程设计功能,支持用户构建各种化工装置,并进行模拟运行。ASPENPlus软件的应用领域化学工艺ASPENPlus可广泛用于化学工艺设计和优化,如精馏塔、吸收塔、反应器等的模拟与设计。石油化工ASPENPlus在炼油和石油化工行业应用广泛,可进行原料配比、反应动力学、热交换等模拟。生物工艺ASPENPlus可支持生物反应器、分离工艺等生物工艺的建模与仿真,有利于生物制药和生物燃料的开发。基于ASPENPlus的精馏塔设计本节将介绍如何利用ASPENPlus软件对精馏塔进行设计与优化。包括建立流程模型、输入工艺参数、选择热力学模型、进行模拟计算和确定塔的主要尺寸等步骤。2.3.1建立流程模型定义系统边界确定需要考虑的物质和能量流,明确系统的输入输出。绘制流程图使用流程图软件直观地呈现各单元操作,联系原料、产品和中间流程。选择合适的单元操作根据分离目标和物料特性,选择蒸馏、吸附、抽提等适当的单元操作单元。确定主要参数明确物料组成、流量、温度、压力等关键工艺参数,为后续计算奠定基础。输入工艺参数进料组成明确进料的化学成分和相对比例,为后续的模拟计算奠定基础。工艺条件输入进料温度、压力、流量等关键工艺参数,确保模拟结果与实际情况吻合。分离目标明确要分离的目标产品及其纯度要求,为塔内设计提供方向性指引。选择热力学模型Peng-Robinson方程这是一种广泛应用于石油和天然气工业的热力学模型,能很好地预测纯组分和混合物的热力学性质。NRTL模型这个非随机两液体(NRTL)模型适用于预测高度非理想的混合物,如酒精-水体系的活度系数。UNIFAC方法UNIFAC是一种基于基团贡献的热力学模型,可预测非电解质溶液的活度系数,适用范围广泛。2.3.4进行模拟计算建立流程模型根据输入的工艺参数和物性数据,使用ASPENPlus软件建立精馏塔的流程模型,包括物料平衡和热量平衡。调整模拟参数通过调整操作参数,如回流比、进料位置、塔顶压力等,优化精馏塔的设计方案。分析模拟结果检查模拟结果是否满足分离要求,比如产品纯度、回收率等,并对结果进行敏感性分析。2.3.5优化设计参数精细调整气液比通过精细调整气液比,可以达到最佳分离效果,提高产品纯度。这需要多次试算与调整.优化进料条件对进料温度、压力等参数进行优化,以提高塔的整体性能和效率。这对于复杂混合物尤为重要。完善控制策略合理设计塔顶和塔底的压力、温度控制策略,确保精馏过程稳定可靠运行。2.3.6确定塔的主要尺寸塔径尺寸根据进料量、精馏要求和塔板种类等因素确定精馏塔的直径尺寸,确保塔内液气流及传质效率。塔高尺寸根据理论板数、板间距、进料位置以及再沸器和冷凝器高度来确定塔身的总高度。确保理论板数满足分离要求。附属设备尺寸精馏塔还需要配套再沸器、冷凝器、中间容器和进出料管线等附属设备,要根据工艺条件和材料性能确定其尺寸和布置。2.3.7评估塔的性能进料组成分析评估精馏塔性能时,需详细分析进料的组成,包括主要成分比例、杂质含量等,以确保后续计算的准确性。工艺参数优化通过调整塔顶温度、塔底温度、蒸汽耗量等参数,找到最佳工艺条件,达到产品质量和能耗指标要求。产品指标评估仔细评估产品的纯度、收率等指标,判断精馏塔的分离性能是否满足生产需求。案例分析本节将介绍几个典型的精馏分离案例,包括乙醇和水、甲苯和二甲苯、乙酸和水的分离,展示如何利用ASPENPlus软件进行精馏塔的设计和优化。分离乙醇和水精馏分离原理利用乙醇和水沸点差异,通过精馏塔进行分离,可以得到高纯度的乙醇产品。关键工艺参数精馏塔的进料位置、回流比、塔顶温度等参数需要调节优化,以达到理想的分离效果。产品应用分离得到的乙醇可用作化工原料、燃料等,具有广泛的应用前景。分离甲苯和二甲苯精馏原理利用甲苯和二甲苯沸点差异,通过精馏工艺可以将其有效分离。影响因素进料组成、进料条件、塔内回流比等都会影响分离效果。软件模拟可利用ASPENPLUS软件模拟分离工艺,优化设计参数,提高产品纯度。分离乙酸和水精馏分离利用乙酸和水沸点差异,通过精馏可有效分离两者。建立精馏塔流程模型,合理选择热力学模型和工艺参数,可得到高纯度的乙酸产品。膜分离技术膜分离工艺如渗透蒸馏能够高效分离乙酸和水。该方法可应用于低浓度乙酸废水的处理,回收乙酸资源。吸附分离选择合适的吸附剂,如离子交换树脂或活性炭,可从稀释溶液中选择性吸附提取乙酸,实现高效分离。注意事项在使用ASPENPlus软件设计精馏塔时,需要注意几个重要的方面,包括热力学模型的选择、进料条件的设置、塔内构件的选择以及安全因素的考虑。这些都会对最终设计结果产生重要影响,需要仔细研究和评估。2.5.1热力学模型的选择选择合适的热力学模型根据分离对象的化学性质和操作条件,选择适当的热力学模型对精馏过程进行精确模拟,以提高设计的可靠性。考虑相平衡数据深入分析进料组分的相平衡数据,选择能够准确描述其热力学性质的模型。评估模型预测能力通过对比实验数据,评估所选热力学模型对目标体系的预测能力,确保设计的准确性。2.5.2进料条件的设置进料温度对于精馏过程而言,进料温度是一个关键参数。需要根据进料组分的沸点、精馏塔内温度梯度等因素合理设置进料温度,以提高分离效率。进料状态进料可以是液体、蒸汽或二者的组合。液体进料需要考虑预热的必要性,而蒸汽进料则需要考虑压力以及饱和度等因素。进料组分进料组分的浓度比例直接影响到精馏塔的分离效果。需要根据原料来源和预期产品确定进料的组分配比。2.5.3塔内构件的选择填料类型选择合适的填料结构,如规则填料、不规则填料或结构化填料,根据塔内流场情况进行优化。分布板/集流器合理设计进料、出料分布板,确保进料和产品的均匀分布,提高塔效率。塔板配置选择合适的塔板类型,如筛板、阀板、泡沫板等,根据分离工艺需求进行配置。安全因素的考虑安全评估对精馏塔系统进行全面的安全评估,识别潜在的风险点,制定相应的防范和应急措施。压力控制确保精馏塔内部压力在安全范围内,预防