《精馏单元》PPT课件.ppt

严格法多塔精馏第三章 精馏单元简捷法精馏设计简捷法多塔蒸馏严格法精馏简捷法精馏核算基于流率的蒸馏液叶萃取塔主要学习分离模块•DSTWU简捷法精馏设计•RadFrac精密分离模块•RadFrac精密分离模块计算结果查询•RadFrac精密分离模块应用举例1•RadFrac精密分离模块应用举例2第一节 DSTWU 简捷法精馏DSTWU 模型可针对一个带有分模型可针对一个带有分凝器或全凝器一股进料和两种产品的凝器或全凝器一股进料和两种产品的精馏塔，采用精馏塔，采用Winn-Underwood-Gilliland方法进行方法进行捷算法蒸馏设计计算，捷算法蒸馏设计计算，其目的是确定最小回流比、最小级数其目的是确定最小回流比、最小级数或实际回流比、实际级数或实际回流比、实际级数3、、压力压力 ( Pressure)( Pressure)（（1 1）） 冷凝器冷凝器（（Condenser)Condenser)（（2 2）） 再沸器（（Reboiler)Reboiler)4、、冷凝器设定冷凝器设定 ( Condenser ( Condenser specifications)specifications)（（1 1）） 全凝器全凝器（（Total condenser)Total condenser)（（2 2）） 带汽相馏出物的部分冷凝器带汽相馏出物的部分冷凝器 （（Partial condenser with vapor Partial condenser with vapor distillate)distillate)（（3 3）） 带汽、液相馏出物的带汽、液相馏出物的部分冷凝器部分冷凝器 （（Partial condenser with vapor and Partial condenser with vapor and liquid distillate) liquid distillate)2、、关键组分回收率关键组分回收率 ( Key component ( Key component recoveries )recoveries )（（1 1））轻关键组分在馏出物中的回收率轻关键组分在馏出物中的回收率馏出物中的轻关键组分馏出物中的轻关键组分馏出物中的轻关键组分馏出物中的轻关键组分/ / / /进料中的轻关键组分，进料中的轻关键组分，进料中的轻关键组分，进料中的轻关键组分，（（2 2）重关键组分在馏出物中的回收率）重关键组分在馏出物中的回收率馏出物中的重关键组分馏出物中的重关键组分馏出物中的重关键组分馏出物中的重关键组分/ / / /进料中的重关键组分进料中的重关键组分进料中的重关键组分进料中的重关键组分DSTWU — 模型参数DSTWU模型模型有四组有四组模型设定模型设定参数参数：：1 1、、、、塔设定塔设定塔设定塔设定 ( Column specifications)( Column specifications)( Column specifications)( Column specifications)（（（（1 1 1 1）））） 实际塔板数（实际塔板数（实际塔板数（实际塔板数（Number of stages)Number of stages)Number of stages)Number of stages)，若输入塔，若输入塔，若输入塔，若输入塔板数，则为操作型计算。

板数，则为操作型计算板数，则为操作型计算板数，则为操作型计算2 2 2 2）））） 回流比回流比（（（（Reflux ratio)Reflux ratio)Reflux ratio)Reflux ratio)，，，，若输入此值，则为设若输入此值，则为设若输入此值，则为设若输入此值，则为设计型问题直接输入数值，表示实际回流比；输计型问题直接输入数值，表示实际回流比；输计型问题直接输入数值，表示实际回流比；输计型问题直接输入数值，表示实际回流比；输入负的数值，表示回流比与最小回流比的比值入负的数值，表示回流比与最小回流比的比值入负的数值，表示回流比与最小回流比的比值入负的数值，表示回流比与最小回流比的比值1、、生成回流比生成回流比————理论板数关系表理论板数关系表 ( Reflux ratio vs. Number of theoretical stages )2、、计算等板高度计算等板高度 ( Calculate HETP )（针对填料（针对填料塔计算）塔计算）DSTWU — 计算选项DSTWU模型模型有两个计算选项：有两个计算选项：含乙苯（含乙苯（ethylbenzeneethylbenzene））30%w、、苯乙烯（苯乙烯（styrenestyrene））70%w的混合物（的混合物（F=1000kg/hr、、P=0.025MPa、、T=30  C））用精馏塔（塔顶压用精馏塔（塔顶压0.02MPa 、塔底压、塔底压0.03MPa）分离，要求）分离，要求99.8%的乙苯从塔顶排出，的乙苯从塔顶排出，99.9%的苯乙烯的苯乙烯从塔底排出，采用全凝器。

求：从塔底排出，采用全凝器求：Rmin，，NTmin，，R=1.5 Rmin 时的时的R、、NT和和NFDSTWU — 应用示例 (1)塔计算结果•Minimum reflux ratio（最小回流比）•Actual reflux ratio（实际回流比）•Minimum number of stages（最小塔板数）•Number of actual stages（实际塔板数）•Feed stage（进料位置）•Number of actual stages above feed（进料位置以上实际塔板数）•Reboiler heating required（加热器热负荷）•Condenser cooling required（冷凝器热负荷）•Distillate temperature（馏出物温度）•Bottom temperature（塔釜温度） •Distillate to feed fraction（馏出物占进料物料分率）物料计算结果绘制示例（绘制示例（1）的）的NT~R关系图，根关系图，根据该图选取合理的据该图选取合理的R值，求取相应值，求取相应的的 NT、、NF、、冷凝器和再沸器的温冷凝器和再沸器的温度和热负荷。

度和热负荷DSTWU — 应用示例 (2)•生成实际回流比生成实际回流比——理论板数关系表理论板数关系表 ( Reflux ratio vs. Number of theoretical stages )，，前面计算最小理论塔板数前面计算最小理论塔板数25.28查询计算结果：回流比与理论塔板数的关系表创建创建NT~R关系图关系图•首先如图选择回流比列•将其设为x轴•依次将理论塔板数设为y轴•Display plot然后显示曲线作业Ⅰ第二节 RadFrac精密分离 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RadFrac—— 连接 RadFrac模型的连接图如下：RadFrac——模型设定 RadFrac 模型具有以下设定表：1、配置（Configuration）2、流股（Streams）3、压力（Pressure）4、冷凝器（Condenser）5、再沸器（Reboiler）6、三相（3-Phase）RadFrac —— 配置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、操作设定操作设定 （Operation Specifications)RadFrac — 配置（冷凝器）冷凝器配置从四个选项中选择一种： 1、全凝器全凝器（Total） 2、部分冷凝部分冷凝-汽相馏出物汽相馏出物 （Partial-Vapor） 3、部分冷凝部分冷凝-汽相和液相馏出物汽相和液相馏出物 （Partial-Vapor-Liquid） 4、无冷凝器无冷凝器 (None)RadFrac —配置（再沸器）再沸器配置从三个选项中选择一种： 1、釜式再沸器釜式再沸器（Kettle） 2、热虹吸式再沸器热虹吸式再沸器（Thermosyphon） 3、无再沸器无再沸器 (None)RadFrac — 配置（有效相态）有效相态从四个选项中选择一种有效相态从四个选项中选择一种： 1、汽汽-液液（Vapor-Liquid） 2、汽汽-液液-液液（Vapor-Liquid -Liquid ） 3、、汽汽-液液- 再沸器游离水再沸器游离水 （Vapor-Liquid-FreeWaterCondensor） 4、汽汽-液液- 任意塔板游离水任意塔板游离水 （Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage）RadFrac — 配置（收敛方法）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、标准方法标准方法（Standard）2、石油石油/宽沸程宽沸程（Petroleum/Wide-Boiling）3、、强非理想液相强非理想液相（Strongly Non-ideal LiquidStrongly Non-ideal Liquid））4、共沸体系共沸体系（Azeotropic）5、深度冷冻体系深度冷冻体系（Cryogenic）6、用户定义用户定义（Custom）RadFrac — 配置（操作设定）1、回流比回流比（（Reflux Ratio））2、回流速率回流速率（（Reflux Rate））3、、馏出物速率馏出物速率（（Distillate Rate)4、塔底物速率塔底物速率（（Bottoms Rate)5、上升蒸汽速率上升蒸汽速率（（Boilup Rate)操作设定从十个选项中选择：操作设定从十个选项中选择：6、上升蒸汽比上升蒸汽比（（Boilup Ratio)7、上升蒸汽上升蒸汽/进料比进料比（（Boilup to Feed Ratio)8、、馏出物馏出物/进料比进料比（（Distillate to Feed Ratio)9、冷凝器热负荷冷凝器热负荷（（Condenser Duty)10、再沸器热负荷再沸器热负荷（（Reboiler Duty)1、进料流股进料流股（Feed Streams） 指定每一股进料的加料板位置。

2、产品流股产品流股（Product Streams） 指定每一股侧线产品的出料板位置及产量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RadFrac —— 冷凝器冷凝器设定有两组参数冷凝器设定有两组参数：1、冷凝器指标冷凝器指标（Condenser Specification） 仅仅应用于部分冷凝器只需指定冷凝温仅仅应用于部分冷凝器只需指定冷凝温度度（（Temperature））和蒸汽分率和蒸汽分率（（Vapor Fraction））两个参数之一两个参数之一2、过冷态过冷态（Subcooling） 1））过冷选项过冷选项（（Subcooling option）） 二选一：回流物和馏出物都过冷二选一：回流物和馏出物都过冷/仅仅回仅仅回流物过冷流物过冷 2）过冷指标）过冷指标（（Subcooling specification）） 二选一：过冷物温度二选一：过冷物温度/过冷度过冷度RadFrac —— 再沸器热虹吸再沸器需要进行设定热虹吸再沸器需要进行设定：1、指定再沸器流量再沸器流量 （Specify reboiler flow rate）2、指定再沸器出口条件再沸器出口条件 （ Specify reboiler outlet condition）3、同时指定流量和出口条件流量和出口条件 （Specify both flow and outlet condition ）计算结果从三部分查看：计算结果从三部分查看：1 1、、结果汇结果汇总总（（Results summary））2 2、、分布剖形分布剖形（（Profiles））3 3、、流股结果流股结果（（Stream resultsStream results））RadFrac — 结果查看•结果汇总给出塔顶（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。

•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•流股结果给出进出的所有流股的工艺和物性参数RadFrac — 应用示例 (1)w通过精馏塔来分离甲醇和水的混合物进料组成为水63.2％（质量分数），甲醇36.8％（质量分数），流率为12000 1b/hr，压力为19psi（1psi=6894.76Pa），饱和液体进料（进料的气相分率为0），精馏塔有38块塔板，进料在第23块板上（注意，根据Aspen Plus的定义，冷凝器为1＃板，所以进料板应该是第24块）塔顶压力为16.1psi，每板的压力降为0.1psi，塔顶为全凝器，蒸出流率为39885 1b/hr，回流比为1.3选用NRTL-RK物性方法w确定再沸器和冷凝器的热负荷•默认二元交互作用参数RadFrac — 应用示例 (2)w通过精馏塔来分离甲醇和水的混合物进料组成为水63.2％（质量分数），甲醇36.8％（质量分数），流率为12000 1b/hr，压力为19psi（1psi=6894.76Pa），饱和液体进料（进料的气相分率为0），精馏塔有38块塔板，进料在第23块板上（注意，根据Aspen Plus的定义，冷凝器为1＃板，所以进料板应该是第24块）。

塔顶压力为16.1psi，每板的压力降为0.1psi，塔顶为全凝器，蒸出流率为39885 1b/hr，回流比为1.3选用NRTL-RK物性方法w做出气相、液相中水和甲醇的组成曲线做出气相、液相中水和甲醇的组成曲线w首先采用数据浏览器查看模型计算结果做出气相、液相中水和甲醇的组成曲线w然后如下进行：做出气相、液相中水和甲醇的组成曲线RadFrac — 应用示例 (3)设计规定：design spec(design specification)wType 指定限定条件（该例为质量分数）wTarget指定限定条件（该例质量分数为0.9995）wStream type物流类型w按取消按钮：继续前面的操作w按取消按钮，继续做RadFrac — 设计指标RadFrac 模型带有内部的设计指模型带有内部的设计指标功能，通过标功能，通过Design Specs和和Vary两两组参数进行设定组参数进行设定可以设定多个指标参数和多个变可以设定多个指标参数和多个变化参数，但要注意两者间的依赖关系化参数，但要注意两者间的依赖关系和自由度必须吻合，否则不能收敛和自由度必须吻合，否则不能收敛。

RadFrac — 应用示例 (2)如将示例（如将示例（1）的塔压调到）的塔压调到0.01 MPa，，全塔压降全塔压降0.005 MPa，，试求满试求满足分离要求所需的回流比和馏出物足分离要求所需的回流比和馏出物流量 RadFrac — 塔板效率RadFrac模型可以设定实际塔板的模型可以设定实际塔板的板效率板效率(Efficiencies)用户可选用用户可选用蒸发效率蒸发效率(Vaporization Efficiencies) 或墨弗里效率或墨弗里效率(Murphree Efficiencies)，，并选择指定单块板的效率，单个组并选择指定单块板的效率，单个组分的效率，或者塔段的效率分的效率，或者塔段的效率RadFrac — 应用示例 (3)如果示例（如果示例（2）中的精馏段的）中的精馏段的墨弗里效率为墨弗里效率为0.45，提馏段的墨弗，提馏段的墨弗里效率为里效率为0.55，，试求满足分离要求试求满足分离要求所需的塔板数和加料板位置所需的塔板数和加料板位置 RadFrac — 报告选项报告报告（Report）中有一项对塔板设计中有一项对塔板设计非常重要，即性质选项非常重要，即性质选项（Property options）里的包括水力学参数里的包括水力学参数（Include hydraulic parameters）选项。

另外剖形选项选项另外剖形选项（Profile options）里包括哪些塔板里包括哪些塔板（Stages to be included in report）也很有用也很有用RadFrac — 应用示例 (4)在示例（在示例（3）的基础上选定）的基础上选定性质选项中的包括水力学参数性质选项中的包括水力学参数，，计算后查看结果计算后查看结果RadFrac — 塔板设计 塔板设计塔板设计（（Tray sizing））计算给定板计算给定板间距下的塔径，共有五种塔板供选用间距下的塔径，共有五种塔板供选用：：1、泡罩塔板、泡罩塔板（（Bubble Cap））2、、筛板筛板（（Sieve））3、、浮阀塔板浮阀塔板（（Glistch Ballast））4、、弹性浮阀塔板弹性浮阀塔板（（Koch Flexitray））5、、条形浮阀塔板条形浮阀塔板（（Nutter Float Valve)RadFrac — 塔板核算 塔板核算塔板核算（（Tray rating））计算给定计算给定结构参数的塔板的负荷情况，可供选结构参数的塔板的负荷情况，可供选用的塔板类型与用的塔板类型与“塔板设计塔板设计”中相同。

中相同 “塔板设计塔板设计”与与“塔板核算塔板核算”配配合使用，可以完成塔板选型和工艺参合使用，可以完成塔板选型和工艺参数设计RadFrac — 应用示例 (5)在示例（在示例（4）的基础上进行）的基础上进行塔板设计和塔板核算塔板设计和塔板核算，，分别选用分别选用浮阀塔板和弹性浮阀塔板计算后浮阀塔板和弹性浮阀塔板计算后对比结果对比结果RadFrac — 填料设计 填料设计填料设计（（Pack sizing））计算计算选用某种填料时的塔径，共有选用某种填料时的塔径，共有40种种填料供选用，在此仅介绍填料供选用，在此仅介绍 5 种典型种典型的散堆填料和的散堆填料和 5 种典型的规整填料种典型的规整填料：：5 种典型的散堆填料：种典型的散堆填料： 1、、拉西环拉西环（（RASCHIG）） 2、、鲍尔环鲍尔环（（PALL）） 3、、阶梯环阶梯环（（CMR）） 4、、矩鞍环矩鞍环（（INTX）） 5、、超级环超级环（（SUPER RING））5 种典型的规整填料：种典型的规整填料： 1、带孔、带孔板波填料板波填料（（MELLAPAK）） 2、、带孔带孔网波填料网波填料（（CY）） 3、、带缝带缝板波填料板波填料（（RALU-PAK）） 4、、陶瓷陶瓷板波填料板波填料（（KERAPAK）） 5、、格栅规整填料格栅规整填料（（FLEXIGRID））RadFrac — 填料核算 填料核算填料核算（（Pack rating））计算给计算给定结构参数的填料的负荷情况，可供定结构参数的填料的负荷情况，可供选用的填料类型与选用的填料类型与“填料设计填料设计”中相中相同。

同 “填料设计填料设计”与与“填料核算填料核算”配配合使用，可以完成填料选型和工艺参合使用，可以完成填料选型和工艺参数设计RadFrac — 应用示例 (6)在示例在示例（（2））的基础上进行的基础上进行填料设计和填料核算填料设计和填料核算，，分别选用分别选用MELLPAK和和RALU-PAK计算后计算后对比结果对比结果RadFrac — 吸收计算 吸收计算的设备参数设置：吸收计算的设备参数设置：1）冷凝器和再沸器类型选）冷凝器和再沸器类型选“None”；；2））气体进料板设置为气体进料板设置为“N+1”；；3））在收敛（在收敛（Convergence））项目中将项目中将 “Basic”表里的表里的“algorithm”设置为设置为“Standard”及及 “ maximum iterations”设置为设置为200，， 将将“Advance”表里的第一栏表里的第一栏 “Absorber”设置为设置为“yes” 摩尔组成为摩尔组成为CO2 ( 12%)、、N2 ( 23%)和和H2 ( 65%)的混合气体的混合气体（（F=1000kg/hr、、P=2.9 MPa、、T=20  C））用甲醇用甲醇（（F= 60 t/hr、、P=2.9MPa、、T=-40  C））吸收脱除吸收脱除CO2。

吸收塔有吸收塔有30块理论板，在块理论板，在2.8 MPa 下操作求出塔气体中的下操作求出塔气体中的CO2浓浓度RadFrac — 吸收示例 (1)在吸收示例（在吸收示例（1）的基础上求）的基础上求使出塔气体中的使出塔气体中的CO2浓度达到浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用量所需的吸收剂（甲醇）用量RadFrac — 吸收示例 (2)在吸收示例（在吸收示例（2）的基础上）的基础上求使出塔气体中的求使出塔气体中的CO2浓度达到浓度达到0.5%所需的吸收剂（甲醇）用所需的吸收剂（甲醇）用量与理论板数的关系量与理论板数的关系RadFrac — 吸收示例 (3)选用选用10块理论板，求使出塔块理论板，求使出塔气体中的气体中的CO2浓度达到浓度达到0.5%所需所需的吸收剂（甲醇）用量以及采用的吸收剂（甲醇）用量以及采用典型塔板和填料时的塔径典型塔板和填料时的塔径RadFrac — 吸收示例 (4)RadFrac —脱吸计算脱吸计算与吸收计算的设脱吸计算与吸收计算的设备参数设置相同，只是物料备参数设置相同，只是物料初始组成不同初始组成不同将吸收示例（将吸收示例（4）所得到的吸收富）所得到的吸收富液减压到液减压到0.15 MPa进行闪蒸，低压液体进行闪蒸，低压液体再进入脱吸塔在再进入脱吸塔在0.12 MPa下用氮气进行下用氮气进行气提脱吸，要求出塔贫液中的气提脱吸，要求出塔贫液中的CO2浓度浓度达到达到0.1%。

求合理的理论板数、所需求合理的理论板数、所需氮气流量、采用不同塔板和填料时的氮气流量、采用不同塔板和填料时的脱吸塔尺寸、压降和负荷情况脱吸塔尺寸、压降和负荷情况RadFrac —脱吸示例。