蒸馏过程计算(2-picture)

1蒸馏过程计算华南理工大学化工学院陆恩锡蒸馏过程计算现有蒸馏过程的计算方法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；2蒸馏过程计算现有蒸馏过程的计算方法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；Ⅰ、蒸馏塔的类型3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；23456718T1S1S2S3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；23456718T1P1E1S1S2S3S4S5S6S7S84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；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；12345678T1S1S2S3S45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；12345678T1S1S2S3Ⅱ、蒸馏过程简化计算法6蒸馏过程简化计算最小理论板数计算－Fenske公式简化法根据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；avbldhbhdlmXXXXSloglog,,,,蒸馏过程简化计算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；7蒸馏过程简化计算塔的最小理论板数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蒸馏过程简化计算塔顶、塔釜物料分配计算－Hengstebeck方法：1957年提出，用以计算塔顶、底的起来分配；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；8蒸馏过程简化计算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－Colburn方法蒸馏过程简化计算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；9蒸馏过程简化计算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，愈来愈靠近最小回流比，以降低操作费用；蒸馏过程简化计算优惠回流比R的变化：1214161823操作回流比最大25621018014090实际塔板数2001～迄今1991～20001981～19901971～19801961～1970年代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。10蒸馏过程简化计算根据R和Rm计算出以下值：然后查Gilliland图，得到1RRRm1SSSm蒸馏过程简化计算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=2Sm11蒸馏过程简化计算Gilliland图Ⅲ、蒸馏过程严格计算法12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；严格算法的发展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；13蒸馏过程数学模型1、通用的塔的物料流及热量流模型蒸馏过程数学模型2、理想平衡级模型14蒸馏塔模型方程组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15独立方程数和独立变量数N逐板液相流量LjN分子分数归一方程N逐板温度TjN能量平衡方程N×C逐板液相组成XijN×C物料平衡方程数量独立变量数量独立方程组N－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；16蒸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；蒸馏过程计算结果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；17蒸馏过程的工艺规定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；蒸馏过程的工艺规定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；18蒸馏过程的工艺规定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脱甲烷塔，轻重关键组分为甲烷和乙烯；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׃׃19蒸馏过程的工艺规定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；蒸馏过程的工艺规定工艺规定原则之一：必须避免相互矛盾的工艺规定！20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。׃蒸馏过程的工艺规定工艺规定原则之二：必须避免初次计算就设定过于严格的工艺规定！21工艺规定对收敛的影响3、正常工艺规定VS性质异常的塔第二脱甲烷塔，轻重关键组分为甲烷和乙烯，目的是将少量氢气和甲烷从塔顶分出；两个工艺规定：回流比16，塔顶采出23kgmol/h；可正常收敛：冷凝器温度-32℃，釜温-16.9℃；希望提高釜温，使釜液甲烷浓度更低；措施：加大塔顶采出，期望釜温能够提高；改工艺规定：塔顶采出33kgmol/h，釜温-15℃；计算始终无法收敛；׃工艺规定对收敛的影响3、正常工艺规定VS性质异常的塔׃虽然塔顶采出量增加了1.4倍之多，但釜温基本无变化。22工艺规定对收敛的影响3、正常工艺规定VS性质异常的塔原因分析该塔釜液采出与塔顶采出相比要大许多，虽然塔顶采出增加，但对釜液组成的影响很小。故表面看似乎釜温的变化不遵循蒸馏规律，但实质是釜液的组成变化极小，引起釜温变化极小，而掩盖了事情的真相。׃蒸馏过程的工艺规定工艺规定原则之三：必须分析蒸馏塔是否存在特殊、异常的特性！从而作出正确的工艺规定！23工艺规定对收敛的影响4、塔内气、液相流量趋于零׃工艺规定对收敛的影响4、塔内气、液相流量趋于零׃许多情况下蒸馏塔计算无法收敛是由于塔内气液相流量过小或者为零而引起的。蒸馏过程严格计算是以理想平衡级为基础的，这就要求每一块塔板上均存在气相和液相。若板上气相或者液相都不复存在，气液相平衡又从何谈起。故塔的迭代计算中决不能产生这些流量过小或为零的情况。故当塔计算不收敛时，必须察看气液流量的具体数值，来确定是否这一原因所引起。24工艺规定对收敛的影响4、塔内气、液相流量趋于零׃对于这一情况，欲使计算收敛既十分困难又非常简单。困难之处在于，若不明计算发散的缘由，再怎么调整工艺参数或设计规定，也是无济于事的，计算始终无法收敛，且让人摸不着头脑。工艺规定对收敛的影响4、塔内气、液相流量趋于零一旦指定第24板液相流量为10kgmol/h（或其它一定大小的数值），计算立即收敛。׃25蒸馏过程的工艺规定工艺规定原则之四：必须分析蒸馏塔的气液相剖面！观察是否存在过小或趋于零的情况，从而作出正确的工艺规定！工艺规定对收敛的影响5、设计规定和进料组成不匹配丙烯精馏塔，进料摩尔分数为：乙烷0.005，丙烯0.82，丙烷0.17，异丁烷0.005；工艺要求为塔顶采出丙烯摩尔浓度99.6％，釜液丙烷摩尔浓度97％。按照上述规定，无论采用多大的回流比都无法达到丙烯浓度为99.6％׃26工艺规定对收敛的影响5、设计规定和进料组成不匹配׃从表中可看出，塔顶采出的乙烷分子分数达到0.0061496，而要获得99.6％纯度的丙烯，塔顶乙烷分子分数必须低于0.004。故此时永远无法达到该分离要求。其原因即在于设计规定和进料组成不匹配，即进料中乙烷浓度过高。蒸馏过程的工艺规定工艺规定原则之五：必须注意蒸馏塔的相关工艺条件！观察是否存在相互矛盾和不匹配的情况，从而作出相应的处理！27工艺规定对收敛的影响6、明确蒸馏过程的控制因素蒸馏过程根据其各类模型方程在实际分离中所起的作用，可以分成以下三种：热量平衡起控制作用相平衡起控制作用热量平衡和相平衡两者同时起控制作用׃工艺规定对收敛的影响6、明确蒸馏过程的控制因素热量平衡起控制作用如吸收塔、解吸塔等；相平衡起控制作用如窄沸点混合物分离及液液萃取；热量平衡和相平衡两者同时起控制作用如宽沸点混合物分离，如脱甲烷塔，常、减压蒸馏塔以及吸收蒸出塔，分馏塔等；28工艺规定对收敛的影响6、明确蒸馏过程的控制因素对于热量平衡和相平衡同时起控制作用的塔，通常是最难收敛的；如果这类塔存在较多的侧线换热器，则这些换热器的热负荷应当尽量给予一个固定值，否则可能收敛十分困难。如果给出的固定值不够理