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第3讲精馏模拟收敛技巧及特殊精馏过程的模拟《ASPENPLUS与化工过程模拟》精馏当体系中的化学组分沸点相差较小，或不具有其它易于分离的性质时，须采用精馏的方法。其它的分离方法包括：吸收、萃取、吸附模拟传质设备的两个关键点：(1)热力学模型(2)收敛问题精馏原理精馏是分离液体混合物的单元操作，是利用混合物中各组分挥发度的差异,并借助回流的工程手段，实现组分的分离。12N-1NHeatSource/SinkHeater/CoolerSideStreamsSideColumnKettleandThermosiphonReboilersPumparoundsMultipleFeeds2phasecondenser+waterdecant现有蒸馏过程的计算方法I.简化法：设计型算法给定分离要求，计算塔板数和回流比；目前主要用来为严格法提供初值而不再作为设计的依据；优点：简单，可算出板数和回流比；缺点：准确性差，往往和实际情况相差较大；II.严格法逐板计算：核算型算法给定塔板数，回流比等等条件；是当前蒸馏过程主要的计算方法；优点：准确可靠，可算出逐板的温度、流量和组成剖面；缺点：计算复杂，必须采用计算机计算，若初始条件规定不当往往难以收敛；蒸馏塔的类型－1常规蒸馏塔(conventionaldistillationcolumn)单股进料，塔顶设冷凝器，塔釜设再沸器，塔顶、塔釜各有采出一股；B1123蒸馏塔的类型－2复杂蒸馏塔(Complexcolumn)多股进料，设有塔顶冷凝器和塔釜再沸器，可有多股侧线采出，可有中间再沸器或中间冷凝器，塔顶、塔釜各有采出一股；B2456蒸馏塔的类型－3吸收塔(Absorber)无塔顶冷凝器和塔釜再沸器，气体进料位置在塔釜，塔顶有吸收剂淋下；塔顶为气相采出，塔釜为液相采出；B378910蒸馏塔的类型－4吸收蒸出塔(Reboiledabsorber)物料从塔中下部进塔，塔釜设有再沸器，塔顶无冷凝器；塔顶有吸收剂淋下，塔顶、塔釜各有气液相出料一股B411121314蒸馏塔的类型－5解吸塔(Stripper)无塔顶冷凝器,有塔釜再沸器，液相从塔顶进料，塔顶为气相采出，塔釜为液相采出；B5151617Ⅱ、精馏过程简化计算法多组分精馏过程的近似设计算法常用于： 初步设计。 对多种操作参数进行评比以寻求适宜的操作条件。 过程合成中寻找合理的分离顺序。 近似算法还可用于控制系统的计算以及为严格计算提供合适的设计变量数值和迭代变量初值。近似算法虽然适于手算，但为了快速、准确，采用计算机进行数值求解也已广泛应用。多组分精馏的FUG简捷计算法多组分精馏的FUG简捷计算法（Fenske–Underwood-Gilliland）①用芬斯克（Fenske）公式估算昀少理论板数和组分分配；②用恩特伍德（Underwood）公式估算昀小回流比；③用吉利兰（Gilliland）图或相应的关系式估算实际回流比下的理论板数。蒸馏过程简化计算法理论基础①昀小理论板数计算－Fenske公式简化法根据Fenske方程求取昀小理论板数Sm：()avXXXXmbldhdhdlSαlog/log,,,,=最小理论板数是在全回流下所需板数；式中：Sm－全部理论板数，包括冷凝器和再沸器；αav－轻重关键组分在塔内平均相对挥发度；l－轻关键组分，h－重关键组分；d－塔顶，b－塔釜；关键组分所谓关键组分，是进料中按分离要求选取的两个组分（不少情况是挥发度相邻的两个组分)，它们对于物系的分离起着控制作用，且它们在塔顶或塔釜产品中的浓度或回收率通常是给定的（即是应该指定的两个浓度变量），因而在设计中起着重要作用。这两组分中挥发度大的称为轻关键组分，挥发度小的称为重关键组分，它们各自在塔顶或塔底的含量必须加以控制，以保证分离后产品的质量。关键组分例如，石油裂解气分离中的C2-C3塔，其进料组成中有甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和丁烷，分离要求规定塔釜中乙烷浓度不超过0.1％，塔顶产品中丙烯浓度也不超过0.1％，试问其轻重关键组分分别是哪两个? 甲烷、乙烯沸点低于乙烷，若能将乙烷和丙烯分开，乙烷和比乙烷轻的组分必定从塔顶排出，同样，比丙烯重的组分则必定从塔釜徘出。因此，根据规定的分离要求，则能确定乙烷是轻关键组分，而丙烯则是重关键组分。DSTWU--简捷法精馏设计DSTWU可对一个带有分凝器或全凝器、一股进料和两种产品的蒸馏塔进行简捷法设计计算。DSTWU假设恒定的摩尔溢流量和恒定的相对挥发度。DSTWU也估算适宜的进料位置、冷凝器和再沸器的热负荷，并产生一个可选的回流比～级数的曲线图或表格。DSTWU--简捷法精馏设计规定估计/结果轻重关键组分的回收率昀小回流比和昀小理论级数理论级数必需回流比回流比必需理论级数DSTWU使用这个方法/关联式去估算Winn昀小级数Underwood昀小回流比Gilliland规定级数所必需的回流比或规定回流比所必需级数塔的实际昀小理论板数Nm应较Sm为小对于塔顶为全凝器及塔釜为再沸器的塔：Nm＝Sm－1对于部分冷凝器及塔釜为再沸器的塔：Nm＝Sm－2注：当塔内相对挥发度相差较大或混合物形成的混合物非理想性较大，Fensk方程不可靠！②塔顶、塔釜物料分配计算－Hengstebeck方法：1957年提出，用以计算塔顶、底的物料分配；为计算塔内相对挥发度，必须有塔顶、塔釜的组成和温度值；故首先需算出塔顶、底的物料分配；③昀小回流比Rm计算昀小回流比是在给定条件下，用无穷多的板数以满足分离要求所需的回流比；使用较多的方法：－Underwood方法－Colburn方法昀小回流比及昀小理论板数表示任何一个蒸馏过程中的两个极限条件，超过此任何一个条件，则不可能达到所规定的分离要求；若实际回流比接近昀小回流比，则所需塔板数大大增加，即设备费用上升，操作费用下降；若实际回流比较大，则操作费用上升，设备费用下降；④实际回流比和实际理论板数的计算－Gilliland图优惠回流比R的选取：通常R=(1.1~2)Rm随着能源价格的不断上升，目前实际回流比的选择，愈来愈靠近昀小回流比，以降低操作费用；精馏过程简化计算优惠回流比R的变化：年代1961～19701971～19801981～19901991～20002001～迄今实际塔板数90140180210昀大256操作回流数2318161412从丙烯塔板数和回流比的演变可以看出，为节省操作费用，塔板数呈现不断增加，回流比不断减小的趋势。根据R和Rm计算出以下值：然后查Gilliland图，得到:1+−RRRm1+−SSSmS为实际选取的理论塔板数，根据图中读出的纵座标值，便可计算出S的数值；通常:S=2SmGilliland图ASPENPLUS的简捷法精馏塔设计—示例1例4.3：设计一个脱乙烷精馏塔，进料流量为100kmol/hr，进料组成为：氢气0.00014、甲烷0.00162、乙烯0.75746、乙烷0.24003、丙烯0.00075（摩尔分数），进料流股压力为18atm(饱和液相)。要求乙烯在塔顶的收率达到95%，并且塔顶馏出物中乙烯纯度达到99%（摩尔分数）。塔顶设一全凝器，操作压力为17.8atm，塔釜有再沸器，操作压力为18.2atm，回流比取为3。试确定精馏塔的理论板数、进料位置以及产品流股的组成。热力学模型选择Peng-Robinson方程。简捷法精馏塔设计—练习1设计一个丙烷精馏塔，操作平均压力为22atm，进料为汽、液混合物，其中气相占60%，进料组成为甲烷0.26、乙烷0.09、丙烷0.25、正丁烷0.12、正戊烷0.11和正己烷0.17（摩尔分数），塔顶设一分凝器，塔釜有再沸器，要求丙烷在塔釜的收率不大于0.04，丁烷在塔顶的收率不超过0.0175，确定该精馏塔的理论板数、回流比、塔顶和塔釜的采出量及换热器的热负荷。Ⅲ、精馏过程严格计算法严格算法的发展：20世纪30年代：简化严格计算法，采用手算完成；20世纪60～70年代：传统严格计算法；按照塔板或方程类型来组集MESH方程，并进行解耦，代表算法是Wang-Henke的三对角矩阵法；该类方法的特点是对于不同的塔类型，需要采用不同的算法进行求解；如对精馏塔是一种算法，吸收塔又是另一种算法，不同类型塔之间的算法无法通用；20世纪70年代后：线性化方法，对模型方程进行线性化并联立解全部模型方程组；代表算法是Inside-out方法； 该类方法的特点是一个算法通用于所有不同类型的塔，故大大扩展了算法的通用性，方便了用户，用户无须再去比较，了解各种不同算法的应用特性；精馏过程数学模型1、通用的塔的物料流及热量流模型2、理想平衡级模型MESH方程组三大平衡：物料平衡方程(Materialbalance);能量平衡方程(Heatbalance);相平衡方程(Equilibriumbalance);约束条件：分子归一方程组(Summationofmolefractions)MESH方程组独立方程数和独立变量数独立方程组数量独立变量数量物料平衡方程N×C逐板液相组成XijN×C能量平衡方程N逐板温度TjN分子分数归一方程N逐板液相流量LjNN－塔板数；C－组分数；关于冷凝器和再沸器的热负荷值得注意的是能量平衡方程中，有热负荷Qj项，出现在方程左方；而方程变量中并不包括热负荷，故该热负荷项应当是已知数，必须由用户提供； 但要给出一个适当的热负荷数值又是十分困难的，通常并无具体概念该值应当是多少，尤其是首次进行计算时； 故而在塔计算中有设计规定（或工艺规定），以方便用户提供其它适当的数值；精馏过程计算的已知条件理论板数；进料位置、侧线位置、中间加热或中间冷却位置；各股物料的采出量；进料温度、压力、流量及组成；塔操作压力；对常规蒸馏塔需提供两项工艺要求；通常可为：回流比和塔顶采出量；由以上可看出，逐板计算是核算型的计算精馏过程计算结果 逐板温度； 逐板气液相流量； 逐板气液相组成； 冷凝器和再沸器热负荷； 侧线采出温度、组成；精馏过程的工艺规定为什么需要作工艺规定？由塔模型方程组中的能量平衡方程可知，加入塔内的热负荷项出现在方程左边，系已知数，故必须在解方程前有固定值； 热负荷值很难给出，尤其是初次计算； 采用变量替换法，用比较容易给定的参数替代热负荷作为常数项，而将热负荷作为变量；精馏过程的工艺规定 工艺规定的数量由塔模型方程组中的能量平衡方程可知，存在几个热负荷，即存在几个换热器，就需要作出几个工艺规定；对于吸收塔，无任何换热器，也就无任何工艺规定；对于常规蒸馏塔通常需要作出两个工艺规定；精馏过程的工艺规定工艺规定的重要性工艺规定是否恰当是造成塔计算能否收敛的重要原因，故必须慎重对待工艺规定；不合理的工艺规定可以导致塔收敛困难，甚至永远无法收敛；工艺规定对收敛的影响1、相互矛盾的工艺规定H2脱甲烷塔的操作压力为36kg/cm2,塔顶温CH4度为－98℃；---------假设进料中H2和CH4共计100kgmol/h；C2H4C2H6若规定：C3H6塔顶温度－98℃；C3H8塔顶采出量100kgmol/h；C4则可以顺利收敛；C5C6若规定：塔顶采出温度－98℃；塔顶采出量110kgmol/h；则该塔计算永远不会收敛；原因分析：当规定塔顶采出为110kgmol时，因H2和CH4的量只有100kgmol，则余下10kgmol物料必然要由其它重组分补充，更多重组分从塔顶走，会使塔顶温度升高（高于－98℃），造成相互矛盾的工艺规定；工艺规定原则之一：必须避免相互矛盾的工艺规定！工艺规定对收敛的影响2、过于严格的工艺规定 如丙烯精馏塔，塔顶丙烯的纯度可达99.6%;若初次计算便按此规定，则往往不容易收敛；解决这一问题的办法便是在开始计算时放松对组分浓度的要求，先求得一个收敛解，然后再调整有关参数，逐步将浓度规定收紧，直至达到要求的浓度。工艺规定原则之二：必须避免初次计算就设定过于苛刻的工艺规定！工艺规定对收敛的影响3、正常工艺规定VS性质异常的塔 第二脱甲