您好,欢迎来到小奈知识网。
搜索
您的当前位置:首页采用CHEMCAD进行精馏塔模拟和设计

采用CHEMCAD进行精馏塔模拟和设计

来源:小奈知识网
任务1 精馏设计与严格模拟

知识目标:理解轻、重关键组分的概念,理解回流比的概念,理解严格精馏的操作条件的合理组合,理解灵敏度分析的概念,理解精馏从简捷设计到严格模拟,再到尺寸设计的过程。

技能目标:掌握简捷精馏设计中对轻、重关键组分的设定,掌握严格精馏的操作条件的设定,使用灵敏度分析来优化严格精馏的设计,能使用CHEMCAD进行精馏的简捷设计、严格模拟和尺寸设计。

一、采用ChemCAD进行精馏塔简捷设计计算

精馏设计采用芬斯克-恩特伍德-吉利兰-Kirkbride公式(Fenske-Underwood-Gillila-nd-Kirkbride),芬斯克公式求解精馏塔的最少理论塔板数;恩特伍德公式求解最小回流比;吉利兰计算实际回流比及其对应的塔板数;Kirkbride公式计算适宜的进料板位置,芬斯克公式也可以求解适宜的进料板位置。

例5-1-1 使用简捷法设计一个脱乙烷塔,从含有6个轻烃的混合物中回收乙烷,进料组成mol%:甲烷 5,乙烷 35,丙烯 15,丙烷 20,异丁烷 10,正丁烷 15;进料状态为饱和液相,压力为2.736MPa。对产物分离要求见设计条件表。①求该塔的最小回流比,所需最少理论板数;②当实际回流比为最小回流比的1.25倍即R/Rm=1.25时,该塔的实际塔板数和进料位置。

表5-1-1 脱乙烷塔的设计条件

设计的分离要求 馏出液中C2H6的回收率 馏出液中C3H6的回收率

0.915 0.063

解题步骤:

步骤1:新建文件名“简捷设计”; 步骤2:建立流程图,精馏塔用简捷精馏塔(shortcut column )的图标;流程如图5-1-1。 步骤3:选择流程的单位:点击“格式及单位制”菜单按钮,在其下拉菜单中选择“工程单位…”命令,以国际单位制为主,选择符合题意的单位(mol,K,MPa)。

步骤4:点击菜单按纽“热力学及物化性质”,在其下拉菜单中点击“选择组分…”命令,然后依次将组分甲烷(Methane或CH4)选中加入,将组分乙烷(Ethane或C2H6)选中加入,将组分丙烯(propene 或C3H6)丙烷(Propane和C3H8)选中加入,将组分异丁烷(i-butane或i-C4H10)选中加入,将组分正丁烷(n-butane或n-C4H10)选中加入。“OK”,软件弹出建议的K值与H值的方法(K=SRK,H=SRK),就采用系统提示的K值方法;

步骤5:双击“物料 1”,在弹出的编辑物料信息窗口(如图5-1-2所示)的“压力 MPa”文本框中填入压力值2.736,在“气相分率”文本框填入数值0;各组分摩尔流量按题意填入即可,点击该窗口左上方的按钮“闪蒸”,软件算出温度和焓,点击“确定”;

121简捷精馏塔3

图5-1-1 简捷精馏塔流程图

图5-1-2 进料信息编辑窗口

步骤6:双击流程图中单元设备精馏塔的图标或设备号①,弹出简捷精馏塔输入信息框;根据题目要求填写和选择如图5-1-3所示。

图5-1-3 简捷精馏塔的信息编辑窗口

步骤7:点击“R”按钮,运行流程的模拟计算。

步骤8:查看设备1——简捷精馏塔的计算结果和相关信息。如图5-1-4所示,点击菜单命令“结果报表/单元设备/选择单元设备…”,弹出“选择单元设备”窗口,用鼠标点击设备1或在窗口中输入数字1,“OK”;

图5-1-4 设备结果信息查看的菜单命令

部分结果如下:

塔板数 最少塔板数 进料板位置

冷凝器换热量 MJ/h 再沸器换热量 MJ/h 最小回流比Rmin 回流比计算值

17.756 8.4369 9.8332 -1.112 1.4334 1.4583 1.8229

二、精馏过程严格计算

精馏塔的简捷设计常用于精馏塔的初步设计和经验估算,适用于非极性和弱极性的物质体系。 这样的的结果往往比较粗糙,还需要用精馏塔的严格模型进行校验,结合灵敏度分析工具,优化精馏的操作条件,如进料板的最佳位置,最佳回流比,塔板数等。

ChemCAD中精馏的严格模型按照塔板上的MESH方程联立,模型塔的示意如图5-1-5所示。

图5-1-5 精馏塔的模型结构

该模型塔有N块理论板,包括一个塔顶冷凝器和一个再沸器。理论板的顺序是从塔顶向塔釜数,冷凝器为第一块板,再沸器为第N块板,除冷凝器与再沸器外每一块板都有一个进料F;气相侧线出料G;液相侧线出料S和热量输入或输出,若计算的塔不包括其中的某些项目,则设该参数为零,并假定每块板为一块理论板。 数学模型—MESH方程组

在平衡级的严格计算中,必须同时满足MESH方程,它描述多级分离过程每一级达汽液平衡时的数学模型。

①物料平衡式(每一级有C个,共NC个,其中C为组分数),即M方程;

Lj1xi,j1(VjGj)yij(LjUj)xijVj1yi,j1Fjzij

②相平衡关系式(每一级有C个,共NC个),即E方程;

yijkijxij (5-1-1)

③摩尔分率加和式(每一级有一个,共有N个),即S方程;

xij1或yij1

(5-1-2)

④热量平衡式(每一级有一个,共有N个),即H方程;

Lj1hj1(VjGj)Hj(LjUj)hjVj1Hj1FjHFjQj (5-1-3)

除MESH模型方程组外,平衡常数和焓的关联式必须知道

kijkij(Tj,pj,xij,yij) hjhj(Tj,pj,xij) HjHj(Tj,pj,yij)

NC个 N个 N个

(5-1-4) (5-1-5) (5-1-6)

将上述N个平衡级按逆流方式串联起来,有Ncu=N(2C+3)个方程和Nvu=[N(3C+9)–1]个变量。

设计变量总数Niu=NC+6N–1个,固定N(C+3),可调3N–1 如:1)各级Fij,zij,TFj,pFj,N(C+2)个

2)各级pj,N个

3)各级Gj(j=2,…,N)和Sj(j=1,…,N–1),2(N–1)个 4)各级Qj,N个 5)各级N,1个

在N(2C3)个MESH方程中,未知数为xij,yij,Lj,Vj,Tj,其总数也是N(2C3)个,故联立方程组的解是唯一的。

精馏的MESH方程是一个庞大的方程组,求解方法比较复杂。根据求解方法,ChemCAD提供两类严格的精馏求解模型:内-外环法(inside-out)和联立校正法(simultaneous)。

本节介绍如何应用ChemCAD中精馏塔的严格模型SCDS,对精馏过程进行物料衡算和精馏塔温度分布计算。

例5-1-2 已知塔的进料条件和操作要求如图5-1-6所示,求塔的温度分布和物料的各组分分布。

图5-1-6 例5-1-2的进料条件和操作要求

本题思路:普通精馏塔的流程是一进两出,需要知道进料信息和塔的操作信息。塔的操作信息主要有:①塔板总数,在CHEMCAD中不把冷凝器和再沸器纳入塔板数,那么本题的塔板总数是11;②进料板的位置应为7-1=6;③塔的操作压力或压力降,本题的塔压是2.76MPa;④如果精馏塔有一个冷凝器,就至少再需要一个有关馏出液(汽)的操作条件,

本题给出了两个,只需要用其中一个即可;⑤如果精馏塔有一个再沸器,就至少再需要一个有关釜液的操作条件,本题给出了两个,只需要用其中一个即可;

解题步骤:

步骤1:建新文件名为“精馏”;

步骤2:建立流程图如图5-1-6所示,精馏塔使用SCDS图标;

步骤3:选择流程的单位:点击菜单“格式及单位制”“工程单位...”,选择符合题意的单位(mol,K,MPa)。

步骤4.点击菜单按纽“热力学及物化性质” “选择组分...”,依次将组分甲烷(Methane或CH4)选中加入,将组分乙烷(Ethane或C2H6)选中加入,丙烷(Propane和C3H8)选中加入,将组分正丁烷(n-butane或n-C4H10)选中加入,将组分正戊烷(n-pentane或n-C5H12)选中加入。“OK”,弹出软件建议的K值与H值的方法(K=SRK,H=SRK),就采用系统提示的K值方法;

步骤5.双击“物料1”,弹出“编辑物料信息”窗口,如图5-1-7所示,在“温度 K”文本框中键入温度值313.7; 在“压力 MPa”文本框中键入压力值2.76,各组分摩尔流量按题意填入即可,点击该窗口左上方的按钮“闪蒸”,点击“确定”;

步骤6.双击流程图中单元设备精馏塔的图标或设备号①,弹出精馏塔输入信息框;根据题目要求,“精馏概况”页面填写如图5-1-8。

图5-1-7 例5-1-2的进料信息编辑窗口

图5-1-8 CHEMCAD中精馏塔的设备信息

步骤7.点击精馏塔输入信息窗口的“Specifications”活页,选择和填写如图5-1-9所示:

图5-1-9 例5-1-2的精馏塔的分离要求组合1

根据题目要求也可以用C2、C3回收率来确定两个条件代替,如图5-1-10所示:

图5-1-10 例5-1-2的精馏塔的分离要求组合2

当然根据已知条件还有多种选择。

步骤8.点击菜单“运行”,如图5-1-11所示,点击其下拉菜单中的“收敛…”,在弹

出的“-收敛参数-”窗口左下方选上“显示跟踪窗口”,表示显示计算收敛过程,“OK”如图5-1-12所示;

运行按钮

图5-1-11 流程的运行命令菜单

图5-1-12 流程的运行命令菜单

步骤9:点击工具栏中的运行按钮“R”,(在图5-1-11中已经标出),弹出消息窗口,显示CHEMCAD对程序的检查结果,“CHEMCAD Message Box”窗口中显示该题输入数据的错误为零,随后点击窗口下方的按钮“Yes”。

步骤10:点击“CHEMCAD Trace Window -”窗口中的 “Go”按钮,执行运算,计算完成后,“CHEMCAD Trace Window -”窗口显示收敛完成,运行结束。

步骤11:关闭上述窗口。然后我们再产生一个这次流程模拟的结果文件:点击“结果报表”命令菜单,在弹出的下拉菜单中选择最下方的“统一完整的报表…”菜单命令,弹出“统一完整的报表”命令按钮窗口,点击第二个按纽“计算并给出结果”,CHEMCAD弹出结

果文件,包含了所有物料和设备的信息。

步骤12:绘制温度分布图:点击“绘图”菜单命令,选择“单元设备信息绘图” “精馏塔信息随塔板分布图”子命令;

图5-1-13 绘图的运行命令菜单

步骤13:弹出“选择单元设备”窗口,让用户用鼠标选择设备。

步骤14:弹出绘制塔内各种变量分布图的选择窗口,选择如图5-1-14所示:

图5-1-14 绘图信息选择窗口

步骤15.点击图5-1-14中窗口中 “OK”按纽,弹出塔板温度分布图如图5-1-15所示:

图5-1-15 塔板温度分布图

步骤16.同理绘制的塔板上汽相分布图和液相组分分布图如图5-1-16和图5-1-17所示:

图5-1-16 塔板上汽相分布图

图5-1-17 塔板上液相分布图

采用灵敏度分析对该塔的进料板位置进行确定。在不改变分离质量的情况下,合适的进料板位置对应的回流比最小,能耗也最低。因此进料板位置可以通过分析回流比随进料板位置的变化,找出最小点,确定进料板位置。

步骤1.点击“运行”菜单按钮,选择子菜单命令灵敏度分析 > 新建灵敏度分析,如图5-1-18所示,弹出“新的灵敏度分析”消息窗口,如图5-1-19所示;

图5-1-18 “运行”菜单按钮下的命令“新建灵敏度分析”

图5-1-19 为新建灵敏度分析命名的消息窗口

步骤2.在图5-1-19输入名称,如在文本框中输入“确定进料板位置”,表明本次灵敏度分析的作用,点击“OK”按钮,此时子菜单命令“编辑灵敏度分析”激活,如图5-1-20所示;

图5-1-20 “编辑灵敏度分析”的菜单命令

步骤3.点击“编辑灵敏度分析”命令,弹出变量编辑窗口,确定变量类型和变化范围,如图5-1-21A和图5-1-21B所示;

图5-21A 自变量编辑窗口

图5-1-21B 因变量编辑窗口

步骤4.点击“灵敏度分析”菜单下的运行 > 运行所有,如图5-1-22所示,运行灵敏度分析。

图5-1-22 灵敏度分析菜单下的“运行全部”命令

步骤5.点击灵敏度作图命令“绘制结果图”,如图5-1-23所示;

图5-1-23 灵敏度分析菜单下的绘图命令

步骤6.在弹出的“Sensitivity Plot”窗口,如图5-1-24所示,对作图的X轴和Y轴进行选择,输入Y轴的标题名。点击“OK”,弹出回流比随进料板位置的变化图,如图5-1-25所示;通过该图,合适的进料板位置是5。

图5-1-24 绘图选项窗口

图5-1-25 回流比与塔板数的灵敏度分析结果图

三、精馏设备的设计

精馏塔设备结构主要有两大类:填料塔和板式塔。本节主要介绍使用ChemCAD进行无规整填料(如拉西环,鲍尔环等)精馏塔的尺寸设计。

步骤1.对于任意一个已经完成的SCDS精馏模拟的题目,点击“尺寸设计”菜单按钮,选择子菜单“精馏” “填料…”命令,如图5-1-26所示。

图5-1-26 精馏塔设备尺寸设计命令

步骤2.弹出的“填料”窗口,输入段数“1”,选择“用于无规填料的Sherwood-Eckert法”,如图5-1-27所示。

图5-1-27 填料设计的相关选项

步骤3.弹出的填料参数窗口,如图5-1-28所示。大部分参数软件已经给好,主要做如下选择和输入:本题选择确定压力降;之后输入压力降的设计值,本题给出压力降的最大值是0.2MPa;最后给出理论板当量高度,本题给的值是0.3m;设计压力设定值是2.76MPa。

图5-1-28 无规填料塔的设计选项窗口

步骤4:点击“OK”,软件给出设计结果,如塔径,壁厚等。

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- huatuo3.com 版权所有 蜀ICP备2023022190号-1

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务