第四章 多组分平衡级分离过程计算(2)

ASPENPLUS在化工过程设计中的应用化工过程分析与合成第四章第四章ASPENPLUSASPENPLUS的多组分分离过程计算的多组分分离过程计算4.44.4精馏过程的分析与优化精馏过程的分析与优化第第22页页两个模型两种分析内容回顾•确定塔板数•回流比•进料位置•采出量DSTWURADFRACSENSTIVITYDESSPEC•物料衡算•能量衡算•尺寸设计•性能核算•全塔分布•操纵变量与设计变量的关系•简单优化，确定优化范围•满足设计要求的操纵变量的规定值•单变量优化第第33页页本节主要内容4.4.14.4.1进料位置进料位置4.4.24.4.2进料状态进料状态4.4.34.4.3灵敏板位置灵敏板位置什么情况下计算结果才是正确的？是否简捷计算的结果就可以作为实际采用的最佳进料位置？通常选择泡点进料，但某些情况，泡点进料的换热器操作费用可能高很多。如何确定进料状态？通过灵敏板温度变化情况，及时调节系统，可保证精馏生产的正常。如何确定精馏塔的灵敏板位置？第第44页页4.4.1最佳进料位置的确定①相同分离要求和塔板数下，回流比最小或者冷凝器、再沸器热负荷最小；②相同塔板数和回流比下，塔顶和塔釜产品的分离纯度最高；③相同分离要求和回流比下，所需塔板数最少。精馏塔的最佳进料位置的三种定义：第第55页页4.4.1最佳进料位置的确定最佳进料位置的计算方法已学的方法有哪些？最佳进料位置的计算方法图解法：（化工原理）对二元精馏，McCabe-Thiele图解法最佳进料板位置应当跨过两条操作线交点的位置。经验公式：（分离工程）Fenske方程Kirkbride经验式lbhbhflflfhfhdldStrcxxxxxxxxNN,,,,,,,,Relglg2,,,,Relg206.0lghdlblfhfStrcxxxxDBNN第第66页页4.4.1最佳进料位置的确定精馏过程经常使用的一个参数是塔板上液相中轻、重关键组分比例，即轻关键组分和重关键组分摩尔浓度之比，塔内该比例应当愈向塔顶愈大。以轻关键组分和重关键组分摩尔浓度之比对塔板数作图，获得分离因子图。一种正常情况，两种逆向精馏情况。逆向精馏第第77页页4.4.1最佳进料位置的确定分离因子图进料位置过高进料位置过低进料位置正常进料板上方和下方曲线平滑过渡引起进料板下方出现逆向精馏引起进料板上方出现逆向精馏进料板上方或下方出现极小值或极大值第第88页页4.4.1最佳进料位置的确定逆向精馏是多组分精馏的特殊现象，对于二元精馏不存在该现象，多组分精馏产生逆向精馏的原因主要有以下三种原因：①回流比接近最小回流比；②进料中关键组分浓度较小；③进料板不是最佳进料板。第第99页页4.4.1最佳进料位置的确定精馏设计的错误观念：增加回流比或者塔板数。如塔顶未达到分离要求，则增加精馏段塔板数；塔釜出料未达到分离要求，则增加提馏段塔板数。实际上，这些单独增加塔板数的措施并不一定奏效，有时还会适得其反。正确的做法是：首先分析进料位置是否为最佳进料位置，若不是，则调整进料板使之达到最佳进料位置；若已达到最佳进料位置，则综合考虑以下因素：①回流比和塔板数的关系；②塔顶、塔釜采出量是否合适；③考虑塔的操作压力有无调节余地。精馏设计可能的误区第第1010页页4.4.1最佳进料位置的确定最佳进料位置的确定分离因子作图法通常采用半对数坐标，纵坐标为对数坐标，横坐标为普通坐标。通过曲线形状可以方便、快捷地判断有无逆向精馏出现和是否为最佳进料位置。商业化工流程模拟软件都有生成分离因子图的功能。只要在严格发精馏塔模拟计算之后，选中该功能并指定轻、重关键组分，即可自动生成该图，极大地方便用户对进料位置是否适当进行判断。分离因子图往往比较粗糙，对最佳进料位置判断并非十分准确。灵敏度分析法可以定量地进行技术、经济分析，获得准确的判据。第第1111页页4.4.1最佳进料位置的确定案例分析烃类分离精馏塔严格核算简捷计算优化分析第第1212页页4.4.1最佳进料位置的确定简捷计算准备工作轻重关键组分回收率的计算第第1313页页4.4.1最佳进料位置的确定简捷计算输入第第1414页页4.4.1最佳进料位置的确定简捷计算结果（1）精馏塔配置参数Minimumrefluxratio:0.99　Actualrefluxratio:Actualrefluxratio:1.191.19　　Minimumnumberofstages:17.41　Numberofactualstages:Numberofactualstages:37.0637.06　　Feedstage:Feedstage:12.9712.97　　Numberofactualstagesabovefeed:11.97　Reboilerheatingrequired:671.90kWCondensercoolingrequired:645.06kWDistillatetemperature:44.28CBottomtemperature:115.83CDistillatetofeedfraction:0.80　第第1515页页4.4.1最佳进料位置的确定简捷计算结果（1）精馏塔配置参数Minimumrefluxratio:0.99　Actualrefluxratio:Actualrefluxratio:1.191.19　　Minimumnumberofstages:17.41　Numberofactualstages:Numberofactualstages:37.0637.06　　Feedstage:Feedstage:12.9712.97　　Numberofactualstagesabovefeed:11.97　Reboilerheatingrequired:671.90kWCondensercoolingrequired:645.06kWDistillatetemperature:44.28CBottomtemperature:115.83CDistillatetofeedfraction:0.80　第第1616页页4.4.1最佳进料位置的确定简捷计算结果（2）流股结果　FEED1(进料)D1D(塔顶)D1W(塔釜)TemperatureC56.144.3115.8PressureMPa1.651.571.59MoleFlowkmol/hr10080.0680.0619.9419.94MoleFlowkmol/hr　　　ETHANE11tracePROPANE7978.980.02BUTANE120.0811.92PENTANE8　8MoleFrac　　　ETHANE0.010.012tracePROPANE0.790.987990PPM990PPMBUTANE0.121000PPM1000PPM0.598PENTANE0.08　0.401第第1717页页4.4.1最佳进料位置的确定简捷计算结果（2）流股结果　FEED1(进料)D1D(塔顶)D1W(塔釜)TemperatureC56.144.3115.8PressureMPa1.651.571.59MoleFlowkmol/hr10080.0680.0619.9419.94MoleFlowkmol/hr　　　ETHANE11tracePROPANE7978.980.02BUTANE120.0811.92PENTANE8　8MoleFrac　　　ETHANE0.010.012tracePROPANE0.790.987990PPM990PPMBUTANE0.121000PPM1000PPM0.598PENTANE0.08　0.401第第1818页页4.4.1最佳进料位置的确定严格计算（1）输入条件Numberofactualstages:38　Feedstage:13　CondenserTotalReboilerKettleTopPressure1.57MPaColumnpressuredrop0.02MPaOperatingSpecificationDistillaterate:80.06kmol/hActualrefluxratio:1.19第第1919页页4.4.1最佳进料位置的确定严格计算流股结果（1）进料位置13　FEED2(进料)D2D(塔顶)D2W(塔釜)TemperatureC56.144.3115.7PressureMPa1.651.571.59MoleFlowkmol/hr10080.0680.0619.9419.94MoleFlowkmol/hrETHANE11tracePROPANE7978.9610.039BUTANE120.09911.901PENTANE80.0018MoleFracETHANE0.010.012tracePROPANE0.790.9860.0020.002BUTANE0.120.0010.0010.597PENTANE0.08281PPB0.401第第2020页页4.4.1最佳进料位置的确定严格计算流股结果（2）进料位置21　FEED2(进料)D2D(塔顶)D2W(塔釜)TemperatureC56.144.3115.9PressureMPa1.651.571.59MoleFlowkmol/hr10080.0680.0619.9419.94MoleFlowkmol/hrETHANE11tracePROPANE7978.9980.002BUTANE120.06211.938PENTANE8trace8MoleFracETHANE0.010.012tracePROPANE0.790.987108PPM108PPMBUTANE0.12776PPM776PPM0.599PENTANE0.08trace0.401第第2121页页4.4.1最佳进料位置的确定增加两个设计规定操纵塔顶采出量：60~90kmol/h规定塔顶正丁烷摩尔分率0.001操纵精馏塔回流比：0.1~5规定塔釜丙烷摩尔分率0.00112第第2222页页设计规定（1）Vary1Spec(1)Spec(2)Spec(3)第第2323页页设计规定（2）Vary2Spec(1)Spec(2)Spec(3)第第2424页页4.4.1最佳进料位置的确定严格计算流股结果（1）设计规定进料板13进料板21　D2D(塔顶)D2W(塔釜)D2D(塔顶)D2W(塔釜)TemperatureC56.144.344.3115.8PressureMPa1.651.571.571.59MoleFlowkmol/hr80.0619.9480.0619.94MoleFlowkmol/hrETHANE1trace1tracePROPANE78.980.0278.980.02BUTANE0.0811.920.0811.92PENTANE0.0018trace8MoleFrac　　　　ETHANE0.012trace0.012tracePROPANE0.987999PPM0.9871000PPMBUTANE0.0010.5980.0010.598PENTANE217PPB0.4011PPB0.401第第2525页页4.4.1最佳进料位置的确定不同进料位置的热负荷等结果对比NameUnits进料板13进料板21CondenserTemperatureC44.344.3CondenserHeatdutykW-655.61-655.61-580.8-580.8Distillateratekmol/hr80.0680.06Refluxratekmol/hr99.3099.3078.8678.86Refluxratio1.241.240.990.99ReboilerTemperatureC115.8115.8ReboilerHeatdutykW682.44682.44607.73607.73Bottomsratekmol/hr19.9419.94Boilupratekmol/hr152.5