采用CHEMCAD进行精馏塔模拟和设计

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。