简单模拟模块精馏.ppt

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1、简单的模拟模块（精馏过程）,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）较难挥发的称为难挥发组分（或重组分）,闪蒸罐,塔顶产品,yA,xA,加热器,原料液,塔底产品,Q,减压阀,精 馏(Distillation),精馏操作实例：石油炼制中使用的 250 万吨常减压装置,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，将液态空气分离得到纯态的液氧和液氮等

2、过程，,精馏操作的用途,精馏操作的特点,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；可以进行液体混合物、气态或固态混合物的分离；适用于各种浓度混合物的分离，而吸收、萃取等操作，只有当被提取组分浓度较低时才比较经济；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,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

3、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相差很小某些特殊手段进行的精馏。,ChemCAD 中的精馏模型,ChemCAD 提供了用于处理多组分精馏问题的三种模型：简捷法（shortcut method）内-外循环法（inside-out）：TOWR 及TOWER PLUS 两个单元模块；TOWR 反映标准塔配置，TOWER PLUS 则可以是带换热器、泵循环和侧线汽提塔的复杂塔。联立校正法（simultaneous）：SCDS 特别适用于

4、精细精馏塔和刚性较强的化学塔，同时，SCDS 还可以用于模拟反应精馏塔。,Tianjin University,简捷精馏模型（SHOR）,规定屏拓扑结构例题,概述,使用Fenske-Underwood-Gilliland 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；该模型使用Fenske 或Kirkbride 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回流比的比值（R/Rmin）,以观察塔的运行效果；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；对含有共沸物的体系可能会得出错误结果。建议用严格精馏方法如TOWER PL

5、US、TOWER、SCDS 来证实简捷精馏法的计算结果。,规定屏,拓扑结构,简捷精馏模型（SHOR）允许有一股进料及塔顶和塔底各一个产品。,方法,计算理论板数用Fenske 方程计算最小回流比用underwood 方程、Gilliland 关联式计算进料板位置用Fenske 方程。,例题,1建立流程图,2添加组分,3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,选取热力学模型为”SRK”模型方程。,5规定进料流股,6规定单元设备,7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沸器热负荷的影响,回流比变化对冷凝器及再沸器热负荷影响,TOW

6、ER 塔,TOWR 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;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“加热/冷却”器的情况;最多允许5 个进料流及4 个侧线产品;在一个流程中，TOWR 单元的数量不限。TOWR 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：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（V/L）、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。,TOWER 塔通用（Gerneral）规定屏,TOWER 塔参数规定屏（Specific

7、ations）,“-1”表示有冷凝器，但不对冷凝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、

8、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

9、该项。如有必要规定底部组分，输入其在组分列表中的位置。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（Tray number for tray specification）,输入要定义塔板状态的级数。如果不定义塔板状态，则不输入。如果冷凝器和再沸器都已经定义(即模式 0)，则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

10、式为-1、或再沸器模式为-1 时，才规定塔板。再沸器被看成N 号塔板。,塔板模式规定（Mode for tray specification），,3 收敛规定屏（Convergences）,4 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、再沸器及显示计算结果的规定屏,拓扑,TOWR 是一个多级严格汽液平衡模型，允许最多5 个进料流股及4 个侧线产品。在一个流程中，TOWR 单元的数量不限。TOWR 塔板号自上而下，塔的进料流带正号，出料流带负号。进料流输入顺序必须自上而下。塔侧加热/冷却器设为在指定板上的进料流股，只有焓流率而无质量/摩尔流率；正焓值表示加热

11、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，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。如塔顶是全冷凝器，则其液体产品定义为馏分。注：如果选择水/烃不互溶K 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。,TOWR 拓扑信息解析,若TOWR 拓扑信息为TOWR 1 4-2-5-3-7-9，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：该塔有两个进料流，1 号和4 号流股且1 号流股在较高位置。2 号流股是冷凝器的气体产

12、品；5 号流股是塔底液体产品；3 号流股是冷凝器的液体产品（作为第一侧线产品流处理）；7 号和9 号流股是位于塔下部的另外两个侧线产品。,方法：高效的内-外环法进行逐板计算,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-能量平衡计算，以满足MESH 方程和用户规定。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K 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。

13、,TOWR 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计（如果使用非0 选项）基础上的初始分布生成。简单K 模型（叫作kb 模型）。程序在kb 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。简单焓模型的系数。Jacobian 矩阵计算。Jacobian 矩阵的逆阵。内环计算开始。内环计算结束及误差摘要(K、H、内环误差)。K 及H 模型的外环更新。从第 7 步重复，直到收敛或达到迭代的最大次数。,特殊情况,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，在某些塔板上不能给出合适的组成分布而

14、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。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，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K 值体系（Non-ideal K-values）如果每次外环迭代后外环挥发度误差

15、（K 值误差）增量大于0.5，可能遇上了极端非理想K 值问题。此时应降低参数中的阻尼因子。如果仍不收敛，则必须选择其它K 值模型并运行得到一个基础情况，然后再设置所需的K 值模型并使用初始分布选项1，重新进行计算。,应用示例,1建立流程图,2添加组分,5规定进料流股,6规定单元设备（塔1）,6规定单元设备（塔2）,塔1 质量及热量衡算参数规定屏,塔2 质量及热量衡算参数规定屏,8查看结果（操作回流比）,8查看结果（产品组成）,8查看结果（塔1各组分液相摩尔含量在塔板分布）,8查看结果（塔2各组分液相摩尔含量在塔板分布）,分析塔2 理论板数变化对其操作回流比影响,例4-3 烯丙醇的加盐精馏。,加

16、盐精馏,分离醇-水体系在化工中十分普遍。由于醇-水体系一般形成共沸物，难以用常规精馏方法分离，因此，醇-水体系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。盐对汽液平衡的影响十分显著，在溶液中加入少量的盐就可以破坏恒沸组成，并使组分的相对挥发度提高好几倍。这是因为盐离子与被分离组分间的结合力比液体分离剂大的缘故，而且盐是完全不挥发的，它只存在于液相，所以它不污染精馏的塔顶产品，不需要溶剂回收段。本例为烯丙醇加盐精馏，利用TOWR 单元操作模拟。,1建立流程图,4选取热力学模型,TOWR 的规定屏,热量及质量衡算参数规定屏,7运行模拟,塔收敛有问题，用户应检查,检查输入语法错误。许多语法错误在运行TOWR之前就由程序报告出来。检查规定是否合理，如：a)冷凝器、再沸器或塔侧换热器的热负荷可能会把全部进料推向塔顶或塔底。b)在规定的组分和压力下，可能达不到规定温度。c)在规定的操作条件或抽出位置上，规定的纯度可能不合理。d)流股规定可能与进料流股相矛盾。检查估计值观察屏幕信息,修改后的热量及质量衡算参数规定屏,修改后的收敛参数规定屏,计算得到的塔分布赋与下一次计算,8查看结果（操作回流比）,产品组成,各组分液相摩尔含量在塔板的分布曲线,