化工过程模拟及优化-4

化工过程模拟与优化Simulation&OptimizationofChemicalEngineeringProcessSouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology李亚军31955956,[e-mail]主要内容（Contents）SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology一、前言二、化工过程模拟技术概述三、化工过程模拟技术的结构与功能四、化工过程模拟技术的热力学方法及选择五、蒸馏过程的计算第四章蒸馏过程的计算第一节闪蒸过程的计算SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/2041、闪蒸过程计算1.1泡点计算（bubblepoint）（1）什么是泡点？液相混合物在一定压力下升温，当出现第一个微小的气泡，且该气泡的产生并不改变液相的组成，该温度称为泡点温度。已知条件：物料压力（或温度）、液相组成；计算结果：泡点温度或压力；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/2051、闪蒸过程计算（2）泡点迭代计算步骤已知P,Xi;泡点温度判据？达到泡点温度时，必有ΣYi=1;若ΣYi1，温度高于泡点温度；若ΣYi1，温度低于泡点温度；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/2061、闪蒸过程计算（2）泡点迭代计算步骤①假设温度初值T0;②根据P,Xi,T0计算Ki；③由Yi=KiXi，计算Yi；④判断ΣYi=1？若满足，则计算结束；⑤判断式不满足，修改T0，得到T1，返回②继续迭代，直至满足ΣYi=1；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/2071、闪蒸过程计算1.2露点计算（bubblepoint）（1）什么是露点？气相混合物在一定压力下降温，当出现第一个微小的液滴，且该液滴的产生并不改变相的组成，该温度称为露点温度。已知条件：物料压力（或温度）、组成；计算结果：露点温度或压力；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/2081、闪蒸过程计算（2）露点计算判据？判据ΣXi=1;若ΣXi1，温度低于露点温度；若ΣXi1，温度高于露点温度；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/2091、闪蒸过程计算1.3等温闪蒸计算（Isothermalflash）中文名称：冷凝和气化。即计算一定温度和压力下的闪蒸过程；已知条件：进料温度、压力、流量及组成；闪蒸的温度和压力；计算结果：闪蒸后气、液相的流量、组成；闪蒸所需的热负荷；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20101、闪蒸过程计算1.4绝热闪蒸计算（adiabaticflash）中文又称等焓节流。即计算物料节流到一定压力下的闪蒸过程；已知条件：进料温度、压力、流量及组成；闪蒸后的压力；计算结果：闪蒸后气、液相的温度、流量、组成；过程特点：虽然通常节流后会降温，但热负荷为0；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20111、闪蒸过程计算1.5闪蒸过程数学模型混合物在压力P,温度T下进行部分冷凝，或绝热闪蒸；求液化率，气、液相量及组成或闪蒸后温度；进料：F,Zi出料：V,Yi;L,XiSouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20121、闪蒸过程计算1.5闪蒸过程数学模型液化率：物料平衡方程：相平衡方程：SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20131.5闪蒸过程数学模型热量平衡方程：约束方程：SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20141.5闪蒸过程数学模型物料平衡及相平衡方程联立，可得：SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20151.5闪蒸过程数学模型闪蒸过程迭代步骤:①根据P,T计算Ki；②假设液化率e，计算Xi；③判断ΣXi是否等于1？④若ΣXi不等于1，修改液化率e，返回②继续计算；第二节蒸馏过程的计算SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/2017蒸馏过程的计算现有蒸馏过程的计算方法：1、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；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/2018蒸馏过程的计算现有蒸馏过程的计算方法：2、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；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20191、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；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20201、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。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20211、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；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20221、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。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20231、蒸馏塔的类型（5）解吸塔(Stripper)无塔顶冷凝器,有塔釜再沸器，气体从塔顶进料，塔顶为气相采出，塔釜为液相采出。SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20242、蒸馏过程的简化计算精馏的简捷算法：是采用了一系列的简化假定，只能供估算用，可以为严格计算提供理论板数和回流比初值。A、关键组分B、芬斯克方程C、恩德吾特方程D、吉利兰关联图SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20252、蒸馏过程简化计算法􀁮（1）最小理论板数计算－Fenske公式蒸馏过程简化法根据Fenske方程求取最小理论板数Sm：最小理论板数是在全回流下所需板数；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20262、蒸馏过程简化计算法􀁮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；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20272、蒸馏过程简化计算法塔的最小理论板数Nm应比Sm小：对于塔顶有冷凝器或塔釜为再沸器的塔；Nm＝Sm－1对于部分冷凝器及塔釜为再沸器的塔Nm＝Sm－2SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20282、蒸馏过程简化计算法（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；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20292、蒸馏过程简化计算法（3）最小回流比Rm计算最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SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20302、蒸馏过程简化计算法最小回流比及最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；若实际回流比接近最小回流比，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；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20312、蒸馏过程简化计算法（4）实际回流比和实际理论板数的计算－Gilliland图优化回流比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，愈来愈靠近最小回流比，以降低操作费用；SouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20322、蒸馏过程简化计算法（4）根据R和Rm计算出以下值：然后查Gilliland图，得到S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=2SmSouthChinaUniversityofTechnologySouthChinaUniversityofTechnology2020/1/20332、蒸馏过程简化计算法Gilliland图SouthChinaUn