aspenplus講義精餾解析課件

1、精 餾1、精餾原理2、精餾塔3、精餾過程的節(jié)能第1頁，共123頁。塔進行氣相和液相或液相和液相間物質(zhì)傳遞的設備。按結構分板式塔和填料塔兩大類。板式塔內(nèi)設有一定數(shù)量的塔板，氣體以鼓泡或噴射形式與塔板上液層相接觸進行物質(zhì)傳遞。填料塔內(nèi)裝有一定高度的填料，液體沿填料自上向下流動，氣體由下向上同液膜逆流接觸，進行物質(zhì)傳遞。常應用于蒸餾、吸水、萃取等操作中。第2頁，共123頁。1、精餾的原理1.1 精餾的應用 液體產(chǎn)品的精制-如石油的精制第3頁，共123頁。1、精餾的原理1.2 蒸餾分離 的目的和依據(jù)目的：對液體混合物的分離，提取或回收有用組分依據(jù)：液體混合物中各組分揮發(fā)性的差異液體混合物：(如:酒精水

2、溶液)揮發(fā)性大（乙醇），稱為易揮發(fā)組分或輕組分（A）揮發(fā)性?。ㄋ?，稱為難揮發(fā)組分或重組分（B）第4頁，共123頁。1、精餾的原理1.3 蒸餾過程的分類按蒸餾方式：簡單蒸餾、平衡蒸餾、精餾按物系的組分數(shù)：雙組份精餾、多組分精餾按操作壓力：常壓精餾、加壓精餾、減壓精餾按操作方式：間歇精餾、連續(xù)精餾按難易方式：普通精餾、特殊精餾 第5頁，共123頁。1、精餾的原理1.4 蒸餾與精餾原理 1.4.1 簡單蒸餾 1.4.2 平衡蒸餾 1.4.3 精餾原理 1.4.4 連續(xù)精餾流程第6頁，共123頁。1、精餾的原理1.4.1 簡單蒸餾 A B C第7頁，共123頁。1、精餾的原理1.4.2 平衡蒸餾（

3、又叫閃蒸）1、流程（見右圖） 等壓閃蒸 等溫閃蒸 2、特點 一次進料，粗分 xD, xW是一對平衡組成第8頁，共123頁。1、精餾的原理1.4.3 精餾原理兩條線：氣相線（露點線） 即 yAt 關系曲線 液相線（泡點線） 即xAt 關系曲線三個區(qū)域：液相區(qū) 氣、液共存區(qū) 氣相區(qū)第9頁，共123頁。1、精餾的原理1.4.3.1 多次部分汽化和多次部分冷凝 缺點：1、收率低；2、設備重復量大，設備投資大；3、能耗大，過程有相變。第10頁，共123頁。1、精餾的原理1.4.3.2 有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝 第11頁，共123頁。1、精餾的原理有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝的優(yōu)點：1、產(chǎn)

4、品的收率高2、設備緊湊，投資少3、能耗低總結： 精餾與蒸餾最重要的區(qū)別是精餾裝置有回流第12頁，共123頁。1、精餾的原理1.4.4 連續(xù)精餾流程連續(xù)精餾裝置進料板：原料液進入的那層塔板精餾段：進料板以上的塔段提餾段：進料板以下（包括進 料板）的塔段第13頁，共123頁。1、精餾的原理1.4.4.1 塔板的作用塔板提供了汽液分離的場所。每一塊塔板是一個混合分離器足夠多的板數(shù)可使各組分較完全分離特點：第14頁，共123頁。1、精餾的原理1.4.4.2 精餾過程的回流回流的作用： 提供不平衡的氣液兩相，是構成氣液兩相傳質(zhì)的必要條件。 精餾的主要特點就是有回流回流包括：塔頂回流液、塔底回流氣第15頁

5、，共123頁。2、精餾塔 2.1 板式塔 2.2 填料塔 2.3 兩者的比較第16頁，共123頁。2、精餾塔2.1.1 板式塔簡介 在圓柱形殼體內(nèi)按一定間距水平設置若干層塔板，液體靠重力作用自上而下流經(jīng)各層板后從塔底排出，各層塔板上保持有一定厚度的流動液層； 氣體則在壓強差的推動下，自塔底向上依次穿過各塔板上的液層上升至塔頂排出。 氣、液在塔內(nèi)逐板接觸進行質(zhì)、熱交換，兩相組成沿塔高呈階躍式變化。板式塔溶劑氣體第17頁，共123頁。2、精餾塔2.1.2 塔板類型塔板是板式塔的基本構件，對塔的基本性能有著決定性作用。液相降液管堰氣相溢流塔板：塔板間有專供液體溢流的降液管，橫向流過塔板的流體與由下而

6、上穿過塔板的氣體呈錯流流動。溢流式塔板結構形式分為：泡罩塔板、篩孔塔板、浮閥塔板、網(wǎng)孔塔板、舌形塔板等。第18頁，共123頁。2、精餾塔穿流式塔板：塔板間沒有降液管，氣、液兩相同時由塔板上的板上液層高度靠氣體速度維持。這種塔板結構簡單，生產(chǎn)能力較大，但板效率及操作彈性不及溢流塔板。液相氣相穿流式塔板常見的板型有篩孔式、柵板式、波紋板式等。第19頁，共123頁。2、精餾塔2.1.2.1 泡罩塔板 （ Bubble-cap Tray ）泡罩塔板1813年在工業(yè)上開始應用，其主要元件由升氣管和泡罩構成，泡罩安裝在升氣管頂部，泡罩底緣開有若干齒縫，升氣管頂部應高于泡罩齒縫的上沿，以防止液體從中漏下。液

7、體橫向通過塔板經(jīng)溢流堰流入降液管。氣體則沿升氣管上升折流經(jīng)泡罩齒縫分散進入液層，形成兩相混合的鼓泡區(qū)。由于有升氣管，泡罩塔板即使在低氣速下操作也不致產(chǎn)生嚴重的漏液。泡罩塔板操作穩(wěn)定，彈性大，缺點是結構復雜，造價高，塔板壓降大，生產(chǎn)強度低，近幾十年逐漸被篩孔塔板、浮閥塔板等所取代。 第20頁，共123頁。2、精餾塔2.1.2.2 篩孔塔板（ Sieve Tray ）篩孔塔板：是結構最簡單的一種板型。對篩孔塔板的研究，力學性能以及塔板漏液等問題，獲得了成熟的使用經(jīng)驗和設計方法，使之逐漸成為應用最廣的塔板類型之一。 第21頁，共123頁。2、精餾塔2.1.2.3 浮閥塔板（ Valve Tray）浮

8、閥塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板基礎上開發(fā)的板型。在塔板上按一定的排的閥片。閥片可隨上升氣量的變化而自動調(diào)節(jié)開啟度。在低氣量時，開度小；氣量大時，閥片自動上升，開度增大。浮閥塔具有結構簡單，生產(chǎn)能力和操作彈性大，板效率高的優(yōu)點，是一種綜合性能較優(yōu)異的板型。 第22頁，共123頁。2、精餾塔F1型浮閥：閥片帶有三條腿，插入閥孔后將各腿底腳外翻 90，用以限制起的最大高度；閥片周邊有三塊略向下彎的定距片，以保證閥片的最小開啟高度。F1型浮閥分輕閥和重閥。輕閥塔板漏液稍嚴重，除真空操作時選用外，一般均采用重閥。 第23頁，共123頁。2、精餾塔2.1.2.4 JCV浮閥塔板/雙流噴射浮閥塔板 （Jet

9、Co-flow Valve Tray）JCV浮閥塔板：閥籠與塔板固定，閥片在閥籠內(nèi)上下浮動。它的一部分為鼓泡、另一部分為噴射湍動傳質(zhì)，使分離效率和生產(chǎn)能力大大提高。JCV浮閥塔板具有結構簡單、閥片開啟靈活、高效、高通量、壽命長、耐堵塞的特點。JCV浮閥 （改進型雙流噴射浮閥）普通型JCV浮閥與塔板固定方法第24頁，共123頁。2、精餾塔1800 JCV浮閥塔板2400 JCV浮閥塔板第25頁，共123頁。2、精餾塔2.1.2.5 舌形塔板一種斜噴射型塔板：結構簡單，只需在塔板上沖出若干按一定排列的舌形孔即可，舌片向上張角 以20左右為宜。20=ao50R25氣相氣流沿舌片噴出并帶動液體在同方向

10、上流動。由于氣液并流，氣體推動液體前進，避免了返混和液面落差，塔板上液層較低，塔板壓降較小。舌形塔板因氣流方向近于水平。相同的液氣比下，舌形塔板的液沫夾帶量較小，故可達較高的生產(chǎn)能力。因其張角固定，在氣量較小時，經(jīng)舌孔噴射的氣速低，塔板漏液嚴重，操作彈性小。第26頁，共123頁。2、精餾塔2.2 填料塔溶劑填料塔氣體 圓柱形殼體內(nèi)裝填一定高度的填料，液體經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料層頂部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流經(jīng)填料層后自塔底排出；氣體在壓強差推動下穿過填料層的空隙，由塔的一端流向另一端。氣液在填料表面接觸進行質(zhì)、熱交換，兩相的組成沿塔高連續(xù)變化。 規(guī)整填料 塑料絲網(wǎng)波紋填料 散裝

11、填料塑料鮑爾環(huán)填料第27頁，共123頁。2、精餾塔2.3 板式塔與填料塔的比較填料塔和板式塔都可用于吸收或蒸餾，不同場合使用不同傳質(zhì)設備。板式塔填料塔壓降較大小尺寸填料較大；大尺寸填料及規(guī)整填料較小空塔氣速較大小尺寸填料較?。淮蟪叽缣盍霞耙?guī)整填料較大塔效率較穩(wěn)定，效率較高傳統(tǒng)填料低；新型亂堆及規(guī)整填料高持液量較大較小液氣比適應范圍較大對液量有一定要求安裝檢修較易較難材質(zhì)常用金屬材料金屬及非金屬材料均可造價大直徑時較低新型填料投資較大第28頁，共123頁。第29頁，共123頁。塔設備單元模型 分類DSTWUDistlRadFracExtract塔設備(Columns)單元共有9種模塊：Multi

12、FracSCFracPetroFracRateFracBatchFrac第30頁，共123頁。 講義4.6.4: 輸入模塊數(shù)據(jù)塔第31頁，共123頁。塔設備單元模型分類（2）第32頁，共123頁。DSTWU 簡捷精餾（設計）DSTWU 模塊用Winn-Underwood-Gilliland捷算法進行精餾塔的設計，根據(jù)給定的加料條件和分離要求計算最小回流比、最小理論板數(shù)、給定回流比下的理論板數(shù)和加料板位置。第33頁，共123頁。DSTWU 簡捷精餾 （2）第34頁，共123頁。1、塔設定 ( Column specifications)（1）塔板數(shù) ( Number of stages)（2）回

13、流比 ( Reflux ratio) 0, 實際回流比； =29.72482-METHYL-BUTANEC5H12-220=0.2247N-PETANEC5H12-115N-HEXANEC6H14-120全塔壓力4.4atm，塔頂采用全回流，回流比為1.8，物性方法為PENG-ROB例題第43頁，共123頁。 含乙苯 30%w、苯乙烯 70%w的混合物（F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30 C）用精餾塔（塔壓0.02MPa ）分離，要求99.8%的乙苯從塔頂排出，99.9%的苯乙烯從塔底排出，采用全凝器。求： Rmin，NTmin，R=1.5 Rmin 時的R、NT和NF 。D

14、STWU 應用示例 (1)第44頁，共123頁。1、生成回流比理論板數(shù)關系表 ( Generate table of reflux ratio vs. number of theoretical stages )2、計算等板高度 ( Calculate HETP )DSTWU 計算選項DSTWU模型有兩個計算選項：第45頁，共123頁。DSTWU 計算選項（2）第46頁，共123頁。 “生成回流比理論板數(shù)關系表”對選取合理的理論板數(shù)很有參考價值。在實際回流比對理論板數(shù)欄目中輸入我們想分析的理論板數(shù)的最小值(Initial number of stages)、最大值(Final number o

15、f stages)和增量值(Increment size for number of stages)。計算完成后的結果中會包括回流比剖形(Reflux ratio profile), 據(jù)此可以繪制回流比理論板數(shù)曲線。DSTWU 計算選項（3）第47頁，共123頁。DSTWU 計算選項（4）第48頁，共123頁。DSTWU 計算選項（5）合理的理論板數(shù)應在曲線斜率絕對值較小的區(qū)域內(nèi)選擇。第49頁，共123頁。繪制示例（1）的NTR關系圖，根據(jù)該圖選取合理的R值，求取相應的 NT、NF、冷凝器和再沸器的溫度和熱負荷。DSTWU 應用示例 (2)第50頁，共123頁。DSTWU 應用示例 (2)第5

16、1頁，共123頁。 講義5.1: 模型分析工具-靈敏度分析第52頁，共123頁。 講義5.1: 模型分析工具-靈敏度分析第53頁，共123頁。 講義5.1: 模型分析工具-靈敏度分析第54頁，共123頁。 講義5.1: 模型分析工具-靈敏度分析第55頁，共123頁。 講義5.1: 模型分析工具-靈敏度分析第56頁，共123頁。 講義5.1: 模型分析工具-靈敏度分析1第57頁，共123頁。 講義5.1: 模型分析工具-靈敏度分析第58頁，共123頁。 講義5.1: 模型分析工具-靈敏度分析計算結果第59頁，共123頁。 講義5.1: 模型分析工具-靈敏度分析第60頁，共123頁。 講義5.1:

17、 模型分析工具-靈敏度分析第61頁，共123頁。 講義5.1: 模型分析工具-靈敏度分析第62頁，共123頁。 講義5.1: 模型分析工具-靈敏度分析第63頁，共123頁。 講義5.1: 模型分析工具-靈敏度分析靈敏度分析學習完畢第64頁，共123頁。RadFrac 精密分離模塊 RadFrac 模塊同時聯(lián)解物料平衡、能量平衡和相平衡關系，用逐板計算方法求解給定塔設備的操作結果。 RadFrac 模塊用于精確計算精餾塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分離能力和設備參數(shù)。第65頁，共123頁。RadFrac 精密分離模塊（2）第66頁，共123頁。RadFrac 連接 RadFrac 模塊的連接圖如

18、下：第67頁，共123頁。RadFrac模型設定RadFrac 模型具有以下設定表單： 1、配置（Configuration） 2、流股（Streams） 3、壓強（Pressure） 4、冷凝器（Condenser） 5、再沸器（Reboiler） 6、三相（3-Phase）第68頁，共123頁。RadFrac 配置配置表單包含以下項目： 1、塔板數(shù)（Number of Stages） 2、冷凝器（Condenser） 3、再沸器（Reboiler） 4、有效相態(tài)（Valid Phase） 5、收斂方法 （Convergence) 6、操作設定 （Operation Specificatio

19、ns)第69頁，共123頁。RadFrac 配置（2）第70頁，共123頁。RadFrac 配置（冷凝器）冷凝器配置從四個選項中選擇一種： 1、全凝器（Total） 2、部分冷凝-汽相餾出物 （Partial-Vapor） 3、部分冷凝-汽相和液相餾出物 （Partial-Vapor-Liquid） 4、無冷凝器 (None)第71頁，共123頁。RadFrac配置（冷凝器）（2）第72頁，共123頁。RadFrac 配置（再沸器）再沸器配置從三個選項中選擇一種： 1、釜式再沸器（Kettle） 2、熱虹吸式再沸器（Thermosyphon） 3、無再沸器 (None)第73頁，共123頁。R

20、adFrac配置（再沸器）（2）第74頁，共123頁。RadFrac 配置（有效相態(tài)）有效相態(tài)從四個選項中選擇一種： 1、汽-液（Vapor-Liquid） 2、汽-液-液（Vapor-Liquid -Liquid ） 3、汽-液- 冷凝器游離水 （Vapor-Liquid-FreeWaterCondensor） 4、汽-液- 任意塔板游離水 （Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage）第75頁，共123頁。RadFrac配置 (有效相態(tài))（2）第76頁，共123頁。RadFrac配置（收斂方法）收斂方法從六個選項中選擇一種： 1、標準方法（Standard） 2、石油/寬

21、沸程（Petroleum/Wide-Boiling） 3、強非理想液相（Strongly Non-ideal Liquid） 4、共沸體系（Azeotropic） 5、深度冷凍體系（Cryogenic） 6、用戶定義（Custom）第77頁，共123頁。RadFrac配置 (收斂方法) (2)第78頁，共123頁。RadFrac 配置（操作設定）1、回流比（Reflux Ratio）2、回流速率（Reflux Rate）3、餾出物速率（Distillate Rate)4、塔底物速率（Bottoms Rate)5、上升蒸汽速率（Boilup Rate)操作設定從十個選項中選擇：第79頁，共123

22、頁。6、上升蒸汽比（Boilup Ratio)7、上升蒸汽/進料比（Boilup to Feed Ratio)8、餾出物/進料比（Distillate to Feed Ratio)9、冷凝器熱負荷（Condenser Duty)10、再沸器熱負荷（Reboiler Duty)RadFrac配置 (操作設定) (2)操作設定從十個選項中選擇：第80頁，共123頁。RadFrac配置 (操作設定) (3)第81頁，共123頁。RadFrac 流股1、進料流股（Feed Streams） 指定每一股進料的加料板位置。2、產(chǎn)品流股（Product Streams） 指定每一股側線產(chǎn)品的出料板位置及產(chǎn)量

23、。在流股表單中設置以下參數(shù)：第82頁，共123頁。RadFrac流股（2）第83頁，共123頁。RadFrac 壓強從三種方式（View）中選擇一種 1、塔頂/塔底（Top/Bottom） 指定塔頂壓力、冷凝器壓降和塔壓降。 2、壓力剖型（Pressure Profile） 指定每一塊塔板壓力。 3、塔段壓降（Section Pressure Drop） 指定每一塔段的壓降。在壓強表單中設置以下參數(shù)：第84頁，共123頁。RadFrac壓強（2）第85頁，共123頁。RadFrac 冷凝器冷凝器設定有兩組參數(shù)：1、冷凝器指標（Condenser Specification） 僅僅應用于部分冷凝

24、器。只需指定冷凝溫度（Temperature）和蒸汽分率（Vapor Fraction）兩個參數(shù)之一。第86頁，共123頁。RadFrac 冷凝器（2）第87頁，共123頁。2、過冷態(tài)（Subcooling）1）過冷選項（Subcooling option） 回流物和餾出物都過冷 (Both reflux and liquid distillate are subcooled) /僅僅回流物過冷 (Only reflux is subcooled)2）過冷指標（Subcooling specification） 過冷液溫度 (Subcooled temperature) /過冷度 (Degre

25、es of subcooled)RadFrac 冷凝器（3）冷凝器設定有兩組參數(shù)：第88頁，共123頁。RadFrac 冷凝器（4）第89頁，共123頁。RadFrac 再沸器如選用了熱虹吸再沸器，則需要進行設置：1、指定再沸器流量 （Specify reboiler flow rate）2、指定再沸器出口條件 （ Specify reboiler outlet condition）3、同時指定流量和出口條件 （Specify both flow and outlet condition ）第90頁，共123頁。RadFrac 再沸器第91頁，共123頁。RadFrac 的計算結果從三部分查看

26、： 1、結果簡匯（Results summary） 2、分布剖形（Profiles） 3、流股結果（Stream results）RadFrac 結果查看第92頁，共123頁。結果簡匯給出塔頂（冷凝器）和塔底（再沸器）的溫度、熱負荷、流量、回流比和上升蒸汽比等參數(shù)，以及每一組份在各出塔物流中的分配比率。RadFrac 結果簡匯第93頁，共123頁。RadFrac 結果簡匯（2）第94頁，共123頁。 分布剖形給出塔內(nèi)各塔板上的溫度、壓力、熱負荷、相平衡參數(shù)，以及每一相態(tài)的流量、組成和物性。據(jù)此可確定最佳加料板和側線出料板位置。RadFrac 分布剖形第95頁，共123頁。RadFrac 分布剖

27、形（2）第96頁，共123頁。RadFrac 分布剖形（3）第97頁，共123頁。 根據(jù)DSTWU示例（2）的結果，選取 R=20、NT=72、NF =42 ，用RadFrac 模塊進行精確計算。再根據(jù)濃度分布剖形結果選取最佳進料板位置，重新進行校核計算。 RadFrac 應用示例 (1)第98頁，共123頁。RadFrac 設計規(guī)定RadFrac 模型帶有內(nèi)部的設計規(guī)定功能，通過設計規(guī)定(Design Specs)和變化(Vary)兩組對象進行設定?？梢栽O置多個設計規(guī)定對象和多個變化對象，但要注意兩者間的依賴關系和自由度必須吻合，否則不能收斂。第99頁，共123頁。RadFrac 設計規(guī)定

28、(2)第100頁，共123頁。RadFrac 設計規(guī)定對象 設計規(guī)定對象通過以下三張表單設置規(guī)定指標 1、規(guī)定 (Specification) 2、組分 (Components) 3、進料/產(chǎn)物流股 (Feed/Product Streams) 第101頁，共123頁。RadFrac設計規(guī)定對象 (2)第102頁，共123頁。RadFrac設計規(guī)定對象 (3)在規(guī)定表單中輸入以下指標 1、類型 (Type) 有36種變量類型共選用 2、目標 (Target) 設定規(guī)定變量的目標值 3、流股類型 (Stream type) 產(chǎn)物(Product)/內(nèi)部(Internal)/傾析 器(Decant

29、er)第103頁，共123頁。RadFrac設計規(guī)定對象 (4)第104頁，共123頁。RadFrac設計規(guī)定對象 (5) 在組分表單中輸入定義目標值的組分 (Components)（分子）和基準組分 (Base Components)（分母）。從左側可用組分 (Available components)框中選擇需用組分到右側的選用組分 (Selected Components) 框中.第105頁，共123頁。RadFrac設計規(guī)定對象 (6)第106頁，共123頁。RadFrac設計規(guī)定對象 (7) 在進料/產(chǎn)物流股表單中選擇定義設計規(guī)定目標值的流股名稱.第107頁，共123頁。RadFrac設計規(guī)定對象 (8)第108頁，共123頁。RadFrac 變化對象 在變化對象的Specification表單中輸入調(diào)節(jié)變量及其調(diào)節(jié)范圍的上、下限值。 第109頁，共123頁。RadFrac 變化對象（2）第110頁，