2022年P(guān)ROII塔設(shè)計(jì)實(shí)例

1、塔設(shè)計(jì)實(shí) Prob-20 蒸餾塔設(shè)運(yùn)算例 1 1、工藝條件有一泡點(diǎn)物料,F=100kgmol/hr ；物料組分和組成如下：進(jìn)料組分和組成組分C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 組成（ mol% ）1 79 12 8 2、設(shè)計(jì)要求試設(shè)計(jì)蒸餾塔,將C3 和 C4 分別；塔頂物料要求butane 濃度小于0.1,塔釜物料要求propane 濃度小于 0.1；試確定該物料的進(jìn)塔壓力；塔的操作壓力,理論板數(shù),進(jìn)料位置,回流比,冷凝器及再沸器熱負(fù)荷；公用工程條件：冷卻水30,蒸氣 4kg/cm2 溫度 143；冷凝器設(shè)計(jì)要求熱物料入口溫度與水進(jìn)口溫之差大于 10,水的答應(yīng)溫升為 10；再沸器冷物料

2、入口溫度與蒸氣進(jìn)口溫差大于 15；塔的回流比取最小回流比的 1.2 倍；模擬運(yùn)算接受 SRK 方程；3、塔簡(jiǎn)化法提示簡(jiǎn)化法塔的操作壓力無填寫對(duì)話框,故進(jìn)料的壓力即默認(rèn)為操作壓力；4、簡(jiǎn)化運(yùn)算說明（1） 須依據(jù)公用工程條件確定操作壓力,即塔頂冷凝器須接受冷卻水冷卻,故塔頂上升氣相溫度應(yīng)不低于40；塔釜再沸器接受蒸氣加熱,進(jìn)再沸器物料溫度不得高于 128；操作壓力可以接受簡(jiǎn)化法試算,即先假設(shè)一操作壓力,如溫度未中意要求就調(diào)整壓力,直至溫度要求中意為止；（2） 接受簡(jiǎn)化法,求理論塔板數(shù)和回流比先假設(shè)操作壓力 8kg/cm2,簡(jiǎn)化法運(yùn)算如下圖及表所示：運(yùn)算結(jié)果說明塔頂、塔釜溫度分別為 16和 80.4

3、,均不中意要求,故 須提高塔的操作壓力；S2 SCD1 S1 S3 S2 Stream Name S1 S3 Stream Description Liquid Phase C Liquid Liquid 23.570 Temperature 16.021 80.430 KG/CM2 8.000 Pressure 8.000 8.000 KG-MOL/HR 100.000 Flowrate 80.060 19.940 Composition 0.012 ETHANE 0.010 0.000 0.987 PROPANE 0.790 0.001 BUTANE 16kg/cm2 ,進(jìn)行簡(jiǎn)化運(yùn)算,結(jié)果

4、如下表：0.120 0.001 0.598 0.080 PENTANE 0.000 0.401 （ 3） 再假設(shè)操作壓力Stream Name S1 S2 S3 Stream Description Phase Liquid C Liquid Liquid 53.643 Temperature 44.246 114.992 KG/CM2 16.000 Pressure 16.000 16.000 KG-MOL/HR 100.000 Flowrate 80.060 19.940 Composition ETHANE 0.010 0.012 0.000 PROPANE 0.790 0.987 0.

5、001 BUTANE 0.120 0.001 0.598 PENTANE 0.080 0.000 0.401 簡(jiǎn)化運(yùn)算結(jié)果塔頂、塔釜溫度分別為定壓力合適；44.2和 115,均中意要求,故設(shè)簡(jiǎn)化運(yùn)算的詳細(xì)結(jié)果如下：MINIMUM REFLUX RA TIO 1.07745 FEED CONDITION Q 1.00000 FENSKE MINIMUM TRAYS 16.76383 OPERATING REFLUX RA TIO 1.20 * R-MINIMUM TOTAL FEED R/R-MIN M/M-MIN REFLUX DUTY, M*KCAL/HR TRAYS TRAY RATIO

6、CONDENSER REBOILER 42 14 1.100 2.476 1.185 -5.246E-01 5.560E-01 39 13 1.150 2.349 1.239 -5.375E-01 5.689E-01 38 13 1.200 2.246 1.293 -5.505E-01 5.819E-01 36 12 1.250 2.156 1.347 -5.634E-01 5.948E-01 35 12 1.300 2.076 1.401 -5.763E-01 6.077E-01 簡(jiǎn)化法運(yùn)算給出圍繞規(guī)定的操作回流比和最小回流比的倍數(shù)（本例 1.2）共 5 個(gè)工況的運(yùn)算結(jié)果,供用戶選擇；可取操

7、作壓力16kg/cm2,理論板 38 塊,進(jìn)料位置 13 塊,回流比 1.293,作為嚴(yán)格運(yùn)算的條件；（4）塔的操作壓力運(yùn)算機(jī)自動(dòng)確定方法方法 1：應(yīng)用反饋把握求取接受反饋把握功能運(yùn)算塔的操作壓力；此時(shí)把握目標(biāo)可設(shè)為塔頂?shù)牟僮鳒囟?如42,由于簡(jiǎn)化法模塊不支持塔壓作為把握變量,故把握變量須設(shè)為進(jìn)料的壓力；運(yùn)算結(jié)果如下：Stream Name S1 S2 S3 Stream Description Phase Liquid Liquid Liquid Temperature C 51.197 41.967 112.192 Pressure KG/CM2 15.199 15.199 15.199

8、Flowrate KG-MOL/HR 100.000 80.060 19.940 Composition ETHANE 0.010 0.012 0.000 PROPANE 0.790 0.987 0.001 BUTANE 0.120 0.001 0.598 PENTANE 0.080 0.000 0.401 可以看出,當(dāng)塔壓為 15.2kg/cm2 時(shí),塔頂、塔釜溫度均符合設(shè)計(jì)要求；方法 2：應(yīng)用靈敏度分析求取接受 case study 模塊,做不同進(jìn)料壓力下的簡(jiǎn)化法運(yùn)算,結(jié)果如下：CYCLE PRES TEMP1 TEMP2 NUMBER KG/CM2 C C Base 8.0000 16.

9、0208 80.4295 1 8.0000 16.0208 80.4295 2 9.0000 20.4519 85.8435 3 10.0000 24.5353 90.8374 4 11.0000 28.3304 95.4803 5 12.0000 31.8817 99.8281 6 13.0000 35.2239 103.9227 7 14.0000 38.3846 107.7977 8 15.0000 41.3860 111.4800 9 16.0000 44.2462 114.9918 10 17.0000 46.9803 118.3516 可以看出,塔壓為 15kg/cm2 以上時(shí),塔

10、頂、塔釜的溫度均符合設(shè)計(jì)要求,可從中選取適當(dāng)者；5、嚴(yán)格法運(yùn)算（1） 運(yùn)算條件嚴(yán)格法條件和簡(jiǎn)化法略有不同,茲簡(jiǎn)述如下：塔頂壓力設(shè)為16kg/cm2 ,冷凝器壓力15.8kg/cm2, 全塔壓降 0.2kg/cm2; 進(jìn)料壓力設(shè)為16.5kg/cm2 ；設(shè)計(jì)規(guī)定 1：回流比 1.293; 設(shè)計(jì)規(guī)定 2：塔頂采出量 80kgmol/hr; 其余參數(shù)接受簡(jiǎn)化法運(yùn)算結(jié)果；（2） 運(yùn)算結(jié)果STREAM ID S1 S2 S3 PHASE LIQUID LIQUID LIQUID FLUID MOLAR FRACTIONS 1 ETHANE 1.0000E-02 0.0125 2.4704E-14 2 P

11、ROPANE 0.7900 0.9867 3.1377E-03 3 BUTANE 0.1200 7.8392E-04 0.5969 4 PENTANE 0.0800 1.7163E-07 0.4000 TOTAL RATE, KG-MOL/HR 100.0000 80.0000 20.0000 TEMPERATURE, C 55.1282 43.6750 115.4374 PRESSURE, KG/CM2 16.5000 15.8000 16.2022 分析運(yùn)算結(jié)果,塔頂物料中 butane 的濃度為 0.00078,超出分別要求；塔釜物料中 propane 濃度為 0.0031,尚未達(dá)要求,

12、故須進(jìn)一步調(diào)整操作條件,使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求；調(diào)整方法1：人工調(diào)整,由于塔頂物料中butane 濃度超出分別要求,故可適當(dāng) 增加塔頂采出量,設(shè)調(diào)整為80.07kgmol/hr ,就各物料組成如下：S3 STREAM ID S1 S2 NAME PHASE LIQUID LIQUID LIQUID FLUID MOLAR FRACTIONS 1 ETHANE 1.0000E-02 0.0125 4.6558E-16 2 PROPANE 0.7900 0.9866 7.8067E-06 3 BUTANE 0.1200 8.7565E-04 0.5986 4 PENTANE 0.0800 1.8125E

13、-07 0.4014 TOTAL RATE, KG-MOL/HR 100.0000 80.0700 19.9300 TEMPERATURE, C 55.1282 43.6794 115.7705 PRESSURE, KG/CM2 16.5000 15.8000 16.2022 此時(shí),塔頂、塔釜分別要求均達(dá)到,操作壓力、溫度均符合規(guī)定工藝條件；運(yùn)算符合要求；調(diào)整方法 2：轉(zhuǎn)變塔運(yùn)算的工藝規(guī)定設(shè)置,設(shè)定塔頂、塔釜的分別要求均為 0.001；運(yùn)算結(jié)果如下：STREAM ID S1 S2 S3 NAME PHASE LIQUID LIQUID LIQUID FLUID MOLAR FRACTIONS

14、1 ETHANE 1.0000E-02 0.0125 1.2051E-14 2 PROPANE 0.7900 0.9865 1.0000E-03 3 BUTANE 0.1200 1.0002E-03 0.5978 4 PENTANE 0.0800 2.2914E-07 0.4012 TOTAL RATE, KG-MOL/HR 100.0000 80.0602 19.9398 TEMPERATURE, C 55.1282 43.6840 115.6753 PRESSURE, KG/CM2 16.5000 15.8000 16.2022 REFLUX RA TIOS MOLAR WEIGHT ST

15、D L VOL REFLUX / FEED STREAM S1 0.9870 0.9056 0.9466 REFLUX / LIQUID DISTILLATE 1.2329 1.2329 1.2329 由于規(guī)定了塔頂、塔釜的分別要求,從運(yùn)算結(jié)果可以看出塔頂 butane 和塔釜 propane 的濃度均達(dá)到0.001；而回流比只有1.2329,比簡(jiǎn)化法運(yùn)算所得的1.293 略?。?、進(jìn)料位置分析塔的工藝條件全面中意后,仍須分析進(jìn)料位置是否恰當(dāng),是否是正確進(jìn)料位置；在蒸餾塔設(shè)計(jì)中進(jìn)料板位置分析特殊重要,確定不能忽視；可以接受優(yōu)化器或其它多種方法來確定正確進(jìn)料板位置；其中靈敏度分析是較精確、牢靠的

16、方法；方法 1：靈敏度分析法原進(jìn)料板設(shè)定：13 板；靈敏度分析：進(jìn)料板從 1027 板變化,每一板均作運(yùn)算；靈敏度分析目標(biāo)參數(shù)：由于設(shè)定了塔的頂、底分別要求作為工藝規(guī)定,就回流比最小時(shí)的進(jìn)料板即為正確進(jìn)料位置；下表給出了隨進(jìn)料板位置變化,塔的回流比、冷凝器和再沸器熱負(fù)荷的變化；可以看出, 21 塊板進(jìn)料時(shí),這三個(gè)參數(shù)均最??；也即21 板為正確進(jìn)料板位置；FEED REFLUX Condenser Reboiler Tray Ratio Duty Duty M*KCAL/HR M*KCAL/HR 10 1.5959 -0.6570 0.6816 11 1.4325 -0.6157 0.6403

17、12 1.3175 -0.5865 0.6112 13 1.2331 -0.5652 0.5898 14 1.1691 -0.5490 0.5736 15 1.1193 -0.5364 0.5610 16 1.0798 -0.5264 0.5510 17 1.0480 -0.5183 0.5429 18 1.0227 -0.5119 0.5365 19 1.0027 -0.5069 0.5315 20 0.9883 -0.5032 0.5279 21 0.9807 -0.5013 0.5259 22 0.9832 -0.5019 0.5266 23 1.0023 -0.5068 0.5314

18、24 1.0501 -0.5188 0.5435 25 1.1449 -0.5428 0.5675 26 1.3311 -0.5900 0.6146 27 1.6706 -0.6759 0.7006 方法 2：優(yōu)化器優(yōu)化器參數(shù)設(shè)定如下：目標(biāo)函數(shù)為回流比最小,優(yōu)化變量為進(jìn)料板位置,起始進(jìn)料板位置為 13 塊；計(jì) 算結(jié)果如下：BEST OBJECTIVE FUNCTION = 9.79614E-01 AT CYCLE NUMBER 4 * FRACTIONAL RELATIVE CHANGE IN OBJECTIVE IS LESS THAN 5.0000E-03 * VARY V ARIABLE

19、 INDEX INITIAL V ALUE OPTIMUM V ALUE 1 1.30000E+01 2.12468E+01 OPTIMIZER HISTORY VALUES CYCLE 1 2 3 BEST - 4 VARY 1 1.3000E+01 1.6600E+01 2.1640E+01 2.1247E+01 OBJECTIVE 1.2329E+00 1.0657E+00 9.8153E-01 9.7961E-01 優(yōu)化器迭代 4 次即得到最優(yōu)解,運(yùn)算的正確進(jìn)料板位置為 21.24 塊,和靈敏度分析得到的結(jié)果一樣；板數(shù)顯現(xiàn)小數(shù)是由于運(yùn)算機(jī)迭代自動(dòng)選取步長(zhǎng)的緣故,如規(guī)定步長(zhǎng)為整數(shù),就不會(huì)

20、顯現(xiàn)這一問題；但在許多情形下,優(yōu)化器運(yùn)算并不能得到真正的正確進(jìn)料板位置,特殊可能得到的是次優(yōu)解或非最優(yōu)解；故接受優(yōu)化器運(yùn)算時(shí)決不能掉以輕心,輕易信任所得的運(yùn)算結(jié)果,必需仔細(xì)進(jìn)行分析,確認(rèn)得到的是真正最優(yōu)解；7、簡(jiǎn)化法與嚴(yán)格法比較從上述兩種方法的運(yùn)算結(jié)果可以看出以下問題：（1） 進(jìn)料板位置兩種方法存在較大差異簡(jiǎn)化法求出進(jìn)料板位置為 13 板；嚴(yán)格法通過靈敏度分析求得正確進(jìn)料板位置為 21 板；（2） 回流比及熱負(fù)荷的不同簡(jiǎn)化法與嚴(yán)格法運(yùn)算所得回流比和熱負(fù)荷均存在確定差別,如進(jìn)行進(jìn)料板 位置優(yōu)化后,可以獲得較大的節(jié)能成效；如下表所示：工況簡(jiǎn)化法嚴(yán)格法嚴(yán)格法節(jié)能幅度 * （ 13板 進(jìn) 料 ）（ 1

21、3板 進(jìn) 料 ）（ 21板 進(jìn) 料 ）（）回流比 mol 1.293 1.233 0.98 冷凝器熱負(fù)荷-0.5505 -0.5652 -0.5013 11.3 （Mkcal/hr ）再沸器熱負(fù)荷0.5819 0.5898 0.5259 10.83 （Mkcal/hr ）* 指與嚴(yán)格法進(jìn)料位置未優(yōu)化時(shí)相比從上表數(shù)據(jù)可知,進(jìn)料位置的優(yōu)化相當(dāng)重要,可使能耗較大幅度的下降,本 例中冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷均下降了 10以上；（3） 運(yùn)算精確性之異同從運(yùn)算精確性來說,嚴(yán)格法可以精確的推測(cè)塔頂、塔釜的物料組成；進(jìn)料位 置和回流比；這是簡(jiǎn)化法所無法做到的；8、結(jié)論1 簡(jiǎn)化法所得的理論板數(shù)和回流比可以作為嚴(yán)格

22、法的一個(gè)很好的初值,在此基礎(chǔ)上接受嚴(yán)格法再作深化的運(yùn)算和分析,最終得到精確的蒸餾塔工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；2 蒸餾塔的運(yùn)算必需接受嚴(yán)格法,才能得到精確、牢靠的結(jié)果；9、其它節(jié)能措施進(jìn)料狀態(tài)的優(yōu)化假設(shè)存在90的熱水可以無償使用,試問該蒸餾塔應(yīng)如何節(jié)能；（文件column-2 ）. 已知條件：冷卻水0.60 元/噸,蒸氣 90 元/噸；蒸氣汽化潛熱510kcal/kg ,冷卻水溫升8； 作進(jìn)料板 21 塊時(shí)的靈敏度分析,運(yùn)算結(jié)果如下（未考慮進(jìn)料狀態(tài)不同時(shí),正確進(jìn)料板的不同） ：CYCLE REFLUX TEMP Condenser Reboiler LIQUID NUMBER MOLE C M*KCAL/H

23、R M*KCAL/HR Frac 0.9998 Base 0.9802 55.1300 -0.5012 0.5257 1 0.9802 55.1300 -0.5012 0.5257 0.9998 2 1.0161 56.7420 -0.5102 0.4715 0.8128 3 1.0543 58.3540 -0.5199 0.4263 0.6538 4 1.0939 59.9660 -0.5299 0.3898 0.5219 5 1.1344 61.5780 -0.5402 0.3600 0.4116 6 1.1756 63.1900 -0.5506 0.3357 0.3183 7 1.217

24、9 64.8020 -0.5613 0.3156 0.2381 8 1.2609 66.4140 -0.5722 0.2987 0.1680 9 1.3040 68.0260 -0.5831 0.2844 0.1061 10 1.3483 69.6380 -0.5943 0.2723 0.0505 11 1.3930 71.2500 -0.6056 0.2618 3.68124E-05 12 1.4002 72.8620 -0.6075 0.2595 0.0000 冷卻水量接受公式Q=FT2-T1Cp 蒸氣量運(yùn)算公式F=Q/H 得到基本工況和露點(diǎn)工況（第11 號(hào)運(yùn)算結(jié)果）的能耗和費(fèi)用數(shù)據(jù)如下表

25、：進(jìn)料溫度冷凝器負(fù)荷噸/, 元/時(shí) 水量 /費(fèi)用再沸器負(fù)荷蒸氣量 /費(fèi)用總計(jì)費(fèi)用Mkcal/h 噸/,元/時(shí) 元/時(shí) Mkcal/h 55.13 0.5012 62.65/37.59 0.5257 1.03/92.70 130.29 71.25 0.6056 75.70/45.42 0.2618 0.513/46.17 91.59 結(jié)論：當(dāng)存在廢熱可以應(yīng)用時(shí),可以將進(jìn)料加熱至露點(diǎn)再進(jìn)塔,此時(shí)操作費(fèi)用可從原先泡點(diǎn)進(jìn)料的 130.29 元/時(shí)削減到 91.59 元 /時(shí)；節(jié)能幅度達(dá)到：（130.2991.59）/130.2929.7% 可見節(jié)能成效相當(dāng)明顯； 10、運(yùn)算器的應(yīng)用接受運(yùn)算器可以特殊便

26、利的運(yùn)算出操作費(fèi)用,而無須人工手算；這在大量重復(fù)運(yùn)算的場(chǎng)合特殊便利；1 有關(guān)工藝參數(shù)的提取冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷是需要提取的參數(shù),可在運(yùn)算器的 如下圖所示：熱負(fù)荷提取出來之后便可運(yùn)算出冷卻水和蒸氣的用量；（2）結(jié)果數(shù)組名稱輸入P 數(shù)組中定義,輸出的結(jié)果可以任意定義,設(shè)需輸出冷卻水費(fèi)用、蒸氣費(fèi)用和總費(fèi)用三個(gè) 參數(shù)；就需在運(yùn)算器的 R 數(shù)組中定義： （ 3）Fortran 程序 為得到所需的三個(gè)參數(shù),需在運(yùn)算器中編寫以下程序：（ 4）工況爭(zhēng)論和運(yùn)算器聯(lián)合應(yīng)用時(shí)的參數(shù)輸出 運(yùn)算器的結(jié)果可在工況爭(zhēng)論中定義和輸出,如下圖所示： （5）運(yùn)算器結(jié)果CYCLE FEEDT WATERCOST STEAMCOS

27、T TOTALCOST C 元/時(shí)元 /時(shí)元/時(shí) Base 55.1300 37.5869 92.7680 130.3549 1 55.1300 37.5869 92.7680 130.3549 2 56.7420 38.2556 83.1966 121.4522 3 58.3540 38.9879 75.2248 114.2126 4 59.9660 39.7464 68.7814 108.5277 5 61.5780 40.5151 63.5392 104.0543 6 63.1900 41.2995 59.2434 100.5429 7 64.8020 42.0986 55.6919 9

28、7.7905 8 66.4140 42.9120 52.7201 95.6320 9 68.0260 43.7359 50.2054 93.9412 10 69.6380 44.5733 48.0586 92.6319 11 71.2500 45.4211 46.2028 91.6239 12 72.8620 45.5602 45.8012 91.3614 從以上數(shù)據(jù)可以看出進(jìn)料的溫度愈高,總費(fèi)用愈低,故接受運(yùn)算器可以很方便的運(yùn)算出分項(xiàng)費(fèi)用和總費(fèi)用； 10、附錄（1）附錄 1：塔運(yùn)算簡(jiǎn)化法關(guān)鍵字輸入文件（塔操作壓力為16kg/cm2）$ Generated by PRO/II Keyword

29、Generation System $ Generated on: Wed Dec 13 10:39:45 2022 TITLE DIMENSION METRIC, STDTEMP=0, STDPRES=1.03323 SEQUENCE SIMSCI CALCULATION RVPBASIS=APIN, TVP=37.778 COMPONENT DA TA LIBID 1,ETHANE/2,PROPANE/3,BUTANE/4,PENTANE, BANK=PROCESS,SIMSCI THERMODYNAMIC DATA METHOD SYSTEM=SRK, SET=SRK01, DEFAUL

30、T STREAM DATA PROPERTY STREAM=S1, PRESSURE=16, PHASE=L, RATEM=100, & COMPOSITIONM=1,1/2,79/3,12/4,8 UNIT OPERATIONS SHORTCUT UID=SCD1 FEED S1 PRODUCT STREAM=S2, RATEM=80, PHASE=L, DP=0 PRODUCT STREAM=S3, PHASE=L, DP=0 CONDENSER TYPE=BUBB EVALUATE MODEL=CONV, TRIAL=50, KEYLIGHT=2, KEYHEAVY=3, & RRMIN

31、=1.2 FINDEX 2 SPEC STREAM=S2,FRACTION, COMP=3,WET, V ALUE=0.001 SPEC STREAM=S3,FRACTION, COMP=2,WET, V ALUE=0.001 END （2）附錄 2： 塔運(yùn)算嚴(yán)格法關(guān)鍵字輸入文件（工藝規(guī)定為塔頂、塔釜分別要求 0.001,包括進(jìn)料板位置的靈敏度分析）$ Generated by PRO/II Keyword Generation System $ Generated on: Wed Dec 13 12:30:54 2022 TITLE PRINT STREAM=ALL, RATE=M,WT, FRACTION=M,WT DIMENSION MET