精餾過程模擬學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1精餾精餾(jn li)過程模擬過程模擬第一頁，共75頁。5.1 單元操作(cozu)模型 - 塔-嚴格塔* Requires separate license第1頁/共74頁第二頁，共75頁。5.2 RadFrac-嚴格多級分離(fnl)模塊第2頁/共74頁第三頁，共75頁。5.2 RadFrac-嚴格多級分離(fnl)模塊第3頁/共74頁第四頁，共75頁。5.2 RadFrac-拓撲(tu p)結(jié)構(gòu)氣體蒸餾物 (DV)1 頂級或冷凝器熱負荷熱 (可選)(Q1) 液體蒸餾物 (DL)水 (DW) (可選)D=DL+DV DV:D=DV/D物料回流RR=L1/D RW=LW/DW（任何數(shù)

2、量) L1 + LW產(chǎn)品 (任何數(shù)量)熱循環(huán)回流傾析器熱產(chǎn)品熱返回(任何數(shù)量) 上升蒸汽(VN) N級底級或再沸器熱負荷熱 (可選)(QN) 塔底 (B) BR=VN/B第4頁/共74頁第五頁，共75頁。5.3 RadFrac-結(jié)構(gòu)(jigu)設(shè)置規(guī)定:理論(lln)板數(shù)冷卻器和再沸器結(jié)構(gòu)有效相態(tài)收斂兩個操作規(guī)定第5頁/共74頁第六頁，共75頁。5.4 RadFrac-流股設(shè)置(shzh)規(guī)定:進料板位置(wi zhi)進料物流規(guī)則 (見幫助)ABOVE-STAGE:從進料物流來的氣體進入進料板上一層塔板,液體進入進料板位置(wi zhi)ON-STAGE:來自進料的氣體和液體都進入進料板位置

3、(wi zhi)第6頁/共74頁第七頁，共75頁。5.5 RadFrac-壓力(yl)設(shè)置規(guī)定(gudng)下列項之一:塔壓力分布塔頂/塔底壓力塔段壓降第7頁/共74頁第八頁，共75頁。例5.1丙烷(bn wn)、異丁烷的分離過程模擬第8頁/共74頁第九頁，共75頁。例5.1 丙烷(bn wn)、異丁烷的分離過程模擬第9頁/共74頁第十頁，共75頁。1）新建模擬文件2）建立模擬流程圖 （分別選擇(xunz)RADFRAC、Valve、Pump模塊）重命名各流股和單元操作泵和控制閥的命名(mng mng)以易于與精餾塔C1關(guān)聯(lián)為宗旨例5.1 丙烷、異丁烷的分離過程(guchng)模擬選擇液相餾出

4、物第10頁/共74頁第十一頁，共75頁。3）設(shè)定全局(qunj)特性工程概述、工程單位、報告(bogo)輸出形式等例5.1 丙烷、異丁烷的分離過程(guchng)模擬第11頁/共74頁第十二頁，共75頁。4）指定(zhdng)化學(xué)組分并重命名例5.1 丙烷、異丁烷的分離過程(guchng)模擬第12頁/共74頁第十三頁，共75頁。5）選擇物性計算(j sun)模型例5.1 丙烷、異丁烷的分離過程(guchng)模擬第13頁/共74頁第十四頁，共75頁。6）輸入(shr)流股信息例5.1 丙烷、異丁烷的分離(fnl)過程模擬第14頁/共74頁第十五頁，共75頁。7）輸入(shr)設(shè)備參數(shù) - C

5、1- Configuration例5.1 丙烷(bn wn)、異丁烷的分離過程模擬第15頁/共74頁第十六頁，共75頁。7）輸入(shr)設(shè)備參數(shù) - C1- Streams例5.1 丙烷(bn wn)、異丁烷的分離過程模擬第16頁/共74頁第十七頁，共75頁。7）輸入(shr)設(shè)備參數(shù) - C1- Pressure例5.1 丙烷、異丁烷的分離過程(guchng)模擬第17頁/共74頁第十八頁，共75頁。7）輸入設(shè)備(shbi)參數(shù) - P11&P12例5.1 丙烷、異丁烷的分離過程(guchng)模擬第18頁/共74頁第十九頁，共75頁。8）運行(ynxng)模擬計算例5.1 丙烷、

6、異丁烷的分離(fnl)過程模擬第19頁/共74頁第二十頁，共75頁。9）查看(chkn)計算結(jié)果分離(fnl)要求：xD,IC42 mol% xB,C31 mol% 可通過(tnggu)增加回流比或增加塔的理論板數(shù)提高分離效果例5.1 丙烷、異丁烷的分離過程模擬第20頁/共74頁第二十一頁，共75頁。10） 增大(zn d)回流比為3分離(fnl)要求：xD,IC42 mol% xB,C31 mol% 例5.1 丙烷、異丁烷的分離過程(guchng)模擬第21頁/共74頁第二十二頁，共75頁。例5.2 甲醇(ji chn)水分離COLUMNFEEDOVHDBTMS用 NRTL-RK 物性(w

7、xn)方法第22頁/共74頁第二十三頁，共75頁。部分 A:用如下數(shù)據(jù)完成甲醇塔核算(h sun):塔進料: 63.2 wt% 水 36.8 wt% 甲醇總流量 120,000 lb/hr壓力 20 psia, 飽和液體塔規(guī)定: 38 塊塔板 (40 塊理論級)進料板 = 23 (第24理論級)全凝器頂部壓力 = 16.1 psia(絕對壓力）每理論級壓力降 = 0.1 psiDistillate flowrate 蒸餾流率 = 1245 lbmol/hr摩爾回流比 = 1.3用 NRTL-RK 物性方法例5.2 甲醇(ji chn)水分離第23頁/共74頁第二十四頁，共75頁。1） 塔溫度(

8、wnd)剖面的繪制2）塔板液相組成剖面的繪制例5.3 使用“plot wizard”功能(gngnng)繪圖第24頁/共74頁第二十五頁，共75頁。例5.3 使用(shyng)“plot wizard”功能繪圖1）塔溫度(wnd)剖面的繪制第25頁/共74頁第二十六頁，共75頁。例5.3 使用(shyng)“plot wizard”功能繪圖1）塔溫度(wnd)剖面的繪制第26頁/共74頁第二十七頁，共75頁。1）塔溫度剖面(pumin)的繪制例5.3 使用“plot wizard”功能(gngnng)繪圖第27頁/共74頁第二十八頁，共75頁。2）塔板液相組成剖面(pumin)的繪制例5.3

9、使用“plot wizard”功能(gngnng)繪圖第28頁/共74頁第二十九頁，共75頁。通過前面的例題，明確了達到預(yù)期產(chǎn)品指標(zhbio)所需的操作條件（操作溫度、壓力、操作回流比，采出量等）。本節(jié)將尋找最佳進料位置，最小回流比和最小理論板數(shù)，為精餾過程經(jīng)濟優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。例5.4 最佳進料位置及最小條件(tiojin)的確定第29頁/共74頁第三十頁，共75頁。課堂練習(xí)：利用5.1中工程文件，保持其它條件不變，改變進料板位置（1216），記錄進料板位置變化對再沸器熱負荷(fh)的影響。*最優(yōu)值*以上(yshng)數(shù)值僅供參考1）最佳進料位置(wi zhi)的確定例5.4 最佳進料位置及

10、最小條件的確定第30頁/共74頁第三十一頁，共75頁。課堂練習(xí)：利用5.1中工程(gngchng)文件，保持其它條件不變，增加理論板數(shù)（32，48，64，96），并保證進料位置與總理論板數(shù)維持固定比例值，分析操作回流比的變化。2）最小回流(hu li)比的確定例5.4 最佳(zu ji)進料位置及最小條件的確定第31頁/共74頁第三十二頁，共75頁。課堂練習(xí)：利用5.1中工程(gngchng)文件，保持其它條件不變，減小理論板數(shù)（32，22，20，18，17，16，15），并保證進料位置與總理論板數(shù)維持固定比例值，分析操作回流比的變化。3）最小理論(lln)板數(shù)的確定例5.4 最佳進料位置及最

11、小條件(tiojin)的確定第32頁/共74頁第三十三頁，共75頁。若已知精餾塔的級數(shù)則計算其塔高非常容易。塔盤之間的間距一般取2 英尺(0.61m)。若塔的級數(shù)為NT，則塔盤的數(shù)目為NT -2(一級是塔頂回流罐，另一級是塔釜再沸器)。除塔盤外，塔頂要為回流管進塔和塔進料部分的進料分布器留出空間。更重要(zhngyo)的是，在塔底部還要留出足夠的空間，以滿足下列的兩個要求：(1)提供緩沖所用的持液量；(2)塔底液位高度必須比塔底泵高出足夠的高度，以提供泵所需的汽蝕余量。因此，在設(shè)計的過程中塔的高度一般會按塔盤間距所要求的高度再給出20%的裕量。所以塔器的高度可以按下式估算：L=1.2(0.61

12、)(NT-2）1）塔高例5.5 精餾塔尺寸(ch cun)的估算第33頁/共74頁第三十四頁，共75頁。 精餾塔的塔徑由氣相最大流速決定。若該流速值超高，則塔的液相和氣相水力條件就會失效，塔也會發(fā)生液泛?？梢?ky)通過可靠的關(guān)聯(lián)式來確定氣相的最大流速。對于非恒摩爾流體系，各層塔盤的氣相流量均不相同，氣相流量最大的塔盤將會確定塔的直徑。假如已知氣相的質(zhì)量流量及氣相密度，則可以(ky)計算出氣相的體積流量。而后，假如已知最大許用速度，則可以(ky)計算出塔的截面面積，從而確定塔徑2） 塔徑例5.5 精餾塔尺寸(ch cun)的估算第34頁/共74頁第三十五頁，共75頁。例5.5 精餾塔尺寸(ch

13、 cun)的估算2） 塔徑tray sizing第35頁/共74頁第三十六頁，共75頁。例5.5 精餾塔尺寸(ch cun)的估算2） 塔徑改變流程(lichng)數(shù)為2，重新計算第36頁/共74頁第三十七頁，共75頁。3） 塔的水力學(xué)參數(shù)(cnsh)例5.5 精餾塔尺寸(ch cun)的估算第37頁/共74頁第三十八頁，共75頁。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能分離(fnl)要求：xD,IC42 mol% xB,C31 mol% 例題5.6在例題5.1的基礎(chǔ)上，尋找合適(hsh)的塔頂餾出物流量和回流比，使得塔頂餾出物中異丁烷含量為2 mol%，而塔釜餾出

14、物中丙烷含量為1mol%第38頁/共74頁第三十九頁，共75頁。為了保證模擬計算能夠得到合理、正確的技術(shù)(jsh)結(jié)果，在運用“DESIGN SPEC-VARY”功能時，較好的做法是使程序一次只對一個變量收斂，而不是同時求解數(shù)個變量。“DESIGN SPEC-VARY”功能：指定(zhdng)某些“控制”變量（DESIGN SPEC），同時指定(zhdng)“調(diào)整變量”（VARY）。程序會通過操控調(diào)整變量從而使控制變量達到指定(zhdng)值。本例中：1）調(diào)整塔頂餾出物流量使得(sh de)塔頂產(chǎn)品合格；2）調(diào)整回流比使得(sh de)塔底產(chǎn)品合格（餾出物指標仍然起作用）例5.6 使用“DES

15、IGN SPEC-VARY”功能第39頁/共74頁第四十頁，共75頁。1）指定第一(dy)控制變量- Specifications第一(dy)控制變量為塔頂中c4的濃度值為0.02例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第40頁/共74頁第四十一頁，共75頁。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能1）指定(zhdng)第一控制變量- Components第41頁/共74頁第四十二頁，共75頁。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能1）指定(zhdng)第一控制變量- Feed/Product Sreams第

16、42頁/共74頁第四十三頁，共75頁。2）指定(zhdng)第一調(diào)整變量 - Specifications調(diào)整distillate rate 在0.2-0.6kmol/sec之間變化例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第43頁/共74頁第四十四頁，共75頁。3) 運行(ynxng)模擬 - Control Pannel例5.2 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第44頁/共74頁第四十五頁，共75頁。4) 查看(chkn)結(jié)果例5.2 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第45頁/共74頁第四十六頁，共75頁。例5.

17、6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能5）指定第二(d r)控制變量- Specifications第二(d r)控制變量為塔底中c3的濃度值為0.01第46頁/共74頁第四十七頁，共75頁。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能5）指定(zhdng)第二控制變量- Components第47頁/共74頁第四十八頁，共75頁。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能5）指定(zhdng)第二控制變量- Feed/Product Sreams第48頁/共74頁第四十九頁，共75頁。例5.6 使用(shyng)“DE

18、SIGN SPEC-VARY”功能6 ）指定第二調(diào)整(tiozhng)變量 - SpecificationsReflux Ratio在 1-5之間調(diào)整(tiozhng)第49頁/共74頁第五十頁，共75頁。7） 再次(zi c)運行模擬 - Control Pannel例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第50頁/共74頁第五十一頁，共75頁。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能8） 查看(chkn)結(jié)果第51頁/共74頁第五十二頁，共75頁。查看結(jié)果 - 操作(cozu)回流比例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC

19、-VARY”功能第52頁/共74頁第五十三頁，共75頁。為了可以使用冷卻水作為塔頂冷凝器冷源(塔頂操作溫度約52)，增加塔頂壓力至16.8atm，再次運行(ynxng)模擬。例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第53頁/共74頁第五十四頁，共75頁。增加塔頂壓力16.8atm ，再次運行模擬(mn) - 查看結(jié)果例5.6 使用(shyng)“DESIGN SPEC-VARY”功能第54頁/共74頁第五十五頁，共75頁。若設(shè)置一個不帶冷凝器或再沸器的吸收塔,則在 RadFrac Setup Configuration 頁面上設(shè)置冷凝器和再沸器為none在 RadF

20、rac Efficiencies 表頁上能夠規(guī)定按一個理論級基準或組分基準的汽化效率或Murphree 效率.能夠進行(jnxng)板式塔或填料塔的設(shè)計和核算.如果用戶選擇汽-液-液作為有效相，也可以模擬第二液相.能夠生成再沸器和冷凝器的熱曲線5 RadFrac例題(lt)小結(jié)第55頁/共74頁第五十六頁，共75頁。用 繪圖向?qū)?(在 Plot 菜單上) 能立即生成模擬結(jié)果的曲線圖，你能用繪圖向?qū)э@示如下操作(cozu)的結(jié)果:物性分析數(shù)據(jù)回歸分析所有分離模型RadFrac、 MultiFrac、PetroFrac 和 RateFrac的數(shù)據(jù)分布點擊數(shù)據(jù)窗口中的對象生成該對象的曲線圖.向?qū)б龑?dǎo)

21、你執(zhí)行生成圖表的基本操作(cozu).在 Next 按鈕上點擊繼續(xù). 點擊 Finish 按鈕按缺省設(shè)置生成圖.5 RadFrac例題(lt)小結(jié)第56頁/共74頁第五十七頁，共75頁。用DesignSpecs 和 Vary 表頁可以在RadFrac 模型內(nèi)部規(guī)定并執(zhí)行設(shè)計(shj)規(guī)定?？梢哉{(diào)整一個或多個RadFrac 輸入，來滿足對一個或多個 RadFrac 性能參數(shù)的規(guī)定要求。一般情況下，“規(guī)定”的個數(shù)應(yīng)與“變化”的個數(shù)相等.RadFrac 中的“設(shè)計(shj)規(guī)定”和“改變” 是在 “中間回路”中求解的，如果你得到一個中間回路沒收斂的錯誤信息，檢查你輸入的“設(shè)計(shj)規(guī)定”和“改變

22、” 5 RadFrac例題(lt)小結(jié)第57頁/共74頁第五十八頁，共75頁。如果 RadFrac 沒收斂, 做以下工作會有幫助:1）檢查正確地規(guī)定(gudng)了有關(guān)物性方面的問題 (物性方法的選擇、參數(shù)可用性) 。2）確保塔操作條件是可行的。3) 如果塔的 err/tol 是一直減少的, 在RadFrac Convergence Basic 頁上增加最大迭代次數(shù)。5 RadFrac例題(lt)小結(jié)第58頁/共74頁第五十九頁，共75頁。如果 RadFrac 沒收斂, 做以下工作會有幫助:4）在RadFrac Estimates Temperature 頁上提供塔中一些塔板的溫度估值 (對吸

23、收塔來說是有用的).5）在RadFrac Estimates Liquid Composition and Vapor Composition 頁上提供塔中一些塔板的組成估值 (對于(duy)高度非理想系統(tǒng)是有用的).6）在RadFrac Setup Configuration 頁上嘗試不同的收斂方法。當一個塔不收斂時, 做了改變后重新初始化通常是有好處的。5 RadFrac例題(lt)小結(jié)第59頁/共74頁第六十頁，共75頁。例5.7 甲醇(ji chn)水分離用 NRTL-RK 物性(w xn)方法COLUMNFEEDOVHDBTMS第60頁/共74頁第六十一頁，共75頁。部分 A:用如下

24、數(shù)據(jù)完成甲醇(ji chn)塔核算:塔進料: 63.2 wt% 水 36.8 wt% 甲醇(ji chn)總流量 120,000 lb/hr壓力 20 psia, 飽和液體塔規(guī)定: 38 塊塔板 (40 塊理論級)進料板 = 23 (第24理論級)全凝器頂部壓力 = 16.1 psia(絕對壓力）每理論級壓力降 = 0.1 psiDistillate flowrate 蒸餾流率 = 1245 lbmol/hr摩爾回流比 = 1.3用 NRTL-RK 物性方法例5.7-A 甲醇(ji chn)水分離第61頁/共74頁第六十二頁，共75頁。部分 B:建立塔內(nèi)的設(shè)計規(guī)定達到如下兩個目標:塔頂餾出物中

25、甲醇含量99.95 wt%塔底水含量99.90 wt%要達到這些規(guī)定, 你可以改變塔頂餾出物流率 (800-1700 lbmol/hr) 和回流比 (0.8-2). 在運行該題之前(zhqin)確保物流組成是按質(zhì)量分率報告。記錄冷凝器和再沸器的負荷:冷凝器負荷:_再沸器負荷:_例5.7-B 甲醇(ji chn)水分離第62頁/共74頁第六十三頁，共75頁。部分(b fen) C:規(guī)定每塊板效率為65% Murphree效率后 執(zhí)行同一個設(shè)計計算。假設(shè)冷凝器和再沸器的板效率為90%。 這些效率是如何影響塔的冷凝器和再沸器負荷的?例5.7-C 甲醇(ji chn)水分離第63頁/共74頁第六十四頁

26、，共75頁。部分 D:完成整個塔的設(shè)計計算(j sun)，假定使用泡罩塔盤塔 例5.7-D 甲醇(ji chn)水分離第64頁/共74頁第六十五頁，共75頁。 例5.8 環(huán)己烷生產(chǎn)過程(guchng)模擬(qn q)進料與循環(huán)氫氣進料與循環(huán)氫氣(qn q)和環(huán)己烷混合。和環(huán)己烷混合。 假設(shè)苯轉(zhuǎn)化率為假設(shè)苯轉(zhuǎn)化率為99.8%。反應(yīng)器出料被冷卻，輕氣體從產(chǎn)品反應(yīng)器出料被冷卻，輕氣體從產(chǎn)品物流中分離出去。物流中分離出去。 部分輕氣體作部分輕氣體作為循環(huán)氫氣為循環(huán)氫氣(qn q)返回反應(yīng)器。返回反應(yīng)器。從分離器出來的液體產(chǎn)品物流進入從分離器出來的液體產(chǎn)品物流進入蒸餾塔進一步脫除溶解的輕氣體，蒸餾塔進一步脫除溶解的輕氣體，使最終產(chǎn)品穩(wěn)定。部分環(huán)己烷產(chǎn)品使最終產(chǎn)品穩(wěn)定。部分環(huán)己烷產(chǎn)品循環(huán)進入反應(yīng)器，輔助控制溫度。循環(huán)進入反應(yīng)器，輔助控制溫度。第65頁/共74頁第六十六頁，共75頁。例5.8-環(huán)己烷生產(chǎn)(shngchn)模擬流程圖 C6H6 + 3 H2 = C6H12苯 氫氣(qn q) 環(huán)己烷用 RK-SOAVE 物性(w xn)方法完成后另存為：文件名: CYCLOHEX.BK