1、,簡(jiǎn)單的模擬模塊（精餾過程）,Tianjin University,主要內(nèi)容,精餾過程概述 簡(jiǎn)捷精餾模型（SHOR） TOWER 塔 SCDS 塔 內(nèi)外環(huán)法復(fù)雜精餾（TPLUS）,精餾是分離均相液體混合物的一種方法，是一種應(yīng)用最為廣泛的化工單元操作。它根據(jù)溶液中各組分之間揮發(fā)度（或沸點(diǎn)）的差異進(jìn)行分離。 較易揮發(fā)的稱為易揮發(fā)組分（或輕組分） 較難揮發(fā)的稱為難揮發(fā)組分（或重組分）,閃蒸罐,塔頂產(chǎn)品,yA,xA,加熱器,原料液,塔底產(chǎn)品,Q,減壓閥,精 餾 (Distillation),精餾操作實(shí)例：石油煉制中使用的 250 萬噸常減壓裝置,將原油分離成汽油、煤油、柴油及重油， 將混合芳烴分離以制

2、備苯、甲苯及二甲苯， 將液態(tài)空氣分離得到純態(tài)的液氧和液氮等過程，,精餾操作的用途,精餾操作的特點(diǎn),可以直接獲得所需要的產(chǎn)品，而吸收、萃取等分離方法還需要分離外加組分； 可以進(jìn)行液體混合物、氣態(tài)或固態(tài)混合物的分離； 適用于各種濃度混合物的分離，而吸收、萃取等操作，只有當(dāng)被提取組分濃度較低時(shí)才比較經(jīng)濟(jì)； 耗能較大，節(jié)能是個(gè)值得重視的問題。,間歇精餾：小規(guī)模、多品種或某些有特殊要求的場(chǎng)合，非穩(wěn)態(tài)操作； 連續(xù)精餾：多用于大批量工業(yè)生產(chǎn)中，穩(wěn)態(tài)操作。,蒸餾的分類,常壓蒸餾：常壓下，泡點(diǎn)為室溫至150左右的混合液； 減壓蒸餾：常壓下物系沸點(diǎn)較高或熱敏性物質(zhì)不能承受高溫的情況 加壓蒸餾：常壓下為氣態(tài)（如空氣

3、、石油氣）或常壓下泡點(diǎn)為室溫的混合物。,多組分精餾：例如原油的分離。 雙組分精餾：如乙醇-水體系,苯-甲苯體系等。,簡(jiǎn)單或平衡蒸餾：?jiǎn)渭?jí)精餾，各組分揮發(fā)度相差較大且分離要求不高； 精餾：多級(jí)分離，難分離物系或?qū)Ψ蛛x要求較高的場(chǎng)合，工業(yè)應(yīng)用最廣泛； 特殊精餾：混合物中組分揮發(fā)性相差很小某些特殊手段進(jìn)行的精餾。,ChemCAD 中的精餾模型,ChemCAD 提供了用于處理多組分精餾問題的三種模型： 簡(jiǎn)捷法（shortcut method） 內(nèi)-外循環(huán)法（inside-out）：TOWR 及TOWER PLUS 兩個(gè)單元模塊；TOWR 反映標(biāo)準(zhǔn)塔配置，TOWER PLUS 則可以是帶換熱器、泵循環(huán)和

4、側(cè)線汽提塔的復(fù)雜塔。 聯(lián)立校正法（simultaneous）：SCDS 特別適用于精細(xì)精餾塔和剛性較強(qiáng)的化學(xué)塔，同時(shí)，SCDS 還可以用于模擬反應(yīng)精餾塔。,Tianjin University,簡(jiǎn)捷精餾模型（SHOR）,規(guī)定屏 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 例題,概述,使用Fenske-Underwood-Gilliland 方程，模擬只有一個(gè)進(jìn)料和兩個(gè)產(chǎn)品流（塔頂餾分和塔底產(chǎn)品）的簡(jiǎn)單塔； 該模型使用Fenske 或Kirkbride 方程計(jì)算適當(dāng)?shù)倪M(jìn)料位置，還可進(jìn)行工況研究，允許在規(guī)定的范圍內(nèi)改變回流比與最小回流比的比值（R/Rmin）,以觀察塔的運(yùn)行效果； 它提供了核算和設(shè)計(jì)兩種情況。 注意：簡(jiǎn)捷精餾方法不

5、適于塔的最終設(shè)計(jì)；對(duì)含有共沸物的體系可能會(huì)得出錯(cuò)誤結(jié)果。建議用嚴(yán)格精餾方法如TOWER PLUS、TOWER、SCDS 來證實(shí)簡(jiǎn)捷精餾法的計(jì)算結(jié)果。,規(guī)定屏,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),簡(jiǎn)捷精餾模型（SHOR）允許有一股進(jìn)料及塔頂和塔底各一個(gè)產(chǎn)品。,方法,計(jì)算理論板數(shù)用Fenske 方程 計(jì)算最小回流比用underwood 方程、Gilliland 關(guān)聯(lián)式 計(jì)算進(jìn)料板位置用Fenske 方程。,例題,1建立流程圖,2添加組分,3選擇工程單位,本流程采用國(guó)際工程單位，“SI”工程單位 并將時(shí)間單位改為秒。,4選取熱力學(xué)模型,選取熱力學(xué)模型為”SRK”模型方程。,5規(guī)定進(jìn)料流股,6規(guī)定單元設(shè)備,7運(yùn)行計(jì)算并查看結(jié)果

6、,分析回流比變化對(duì)塔頂冷凝器和塔釜再沸器熱負(fù)荷的影響,回流比變化對(duì)冷凝器及再沸器熱負(fù)荷影響,TOWER 塔,TOWR 塔是一個(gè)多級(jí)嚴(yán)格汽液平衡模型，使用內(nèi)外循環(huán)法進(jìn)行模擬計(jì)算; 可以模擬任何單塔計(jì)算（包括精餾塔、吸收塔、帶再沸器的吸收塔和汽提塔），也可以模擬有側(cè)線產(chǎn)品及塔側(cè)“加熱/冷卻”器的情況; 最多允許5 個(gè)進(jìn)料流及4 個(gè)側(cè)線產(chǎn)品; 在一個(gè)流程中，TOWR 單元的數(shù)量不限。 TOWR 提供多種規(guī)格，使用很靈活?？梢砸?guī)定冷凝器、再沸器或塔板條件。規(guī)定項(xiàng)目有： 總流率、熱負(fù)荷、回流比、蒸出率、溫度、分子分?jǐn)?shù)、回流量、組分流率、汽液比（V/L）、質(zhì)量流率、體積流率、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、兩種組分的流率比、產(chǎn)

7、品的比重及分子量。,TOWER 塔通用（Gerneral）規(guī)定屏,TOWER 塔參數(shù)規(guī)定屏（Specifications）,“-1”表示有冷凝器，但不對(duì)冷凝器做規(guī)定而是對(duì)一塊塔板做規(guī); 模式“0”表示無冷凝器（如吸收塔）。其它0 的模式都表示有冷凝器，并且提供其右側(cè)欄目作相應(yīng)的規(guī)定。 注：組分的任何純度規(guī)定（模式5、6、7、12、17），都能通過提供組分i 和j 的方法，從單一組分純度擴(kuò)展到多元組分的純度。這將使程序應(yīng)用于從組分i 至j 的一組組分的純度規(guī)定。 冷凝器熱負(fù)荷必須是負(fù)實(shí)數(shù)。如選“-1”或“0”模式，該值則不需要。 冷凝器模式5、6、7、9、12、17 需要冷凝器組分i 規(guī)定。如果

8、規(guī)定餾分中某一組分，必須輸入該組分在組分表上的排位序號(hào)。 對(duì)需規(guī)定兩個(gè)組分的模式9，要求有冷凝器組分j規(guī)定。對(duì)模式5、6、7、12、17，它允許規(guī)定組分組的純度。輸入組分j 的排位序號(hào)，對(duì)模式9 是在分母的組分；對(duì)模式5、6、7、12、17，則是組分組中排序在最上面的組分。,“-1”表示有再沸器但不做規(guī)定，而是在一塊塔板上作出規(guī)定。 模式“0”表示無再沸器（如吸收塔）。其它0 的模式都表示有再沸器且提供右側(cè)欄目相應(yīng)規(guī)定。 注意： 組分的任何純度規(guī)定（模式5、6、7、12、17），都能通過提供組之和J 的方法，從單一組分純度擴(kuò)展到一組組分的純度。這將使程序應(yīng)用于從組分i 至j 一組組分的純度規(guī)定

9、。 再沸器熱負(fù)荷必須為一個(gè)正實(shí)數(shù)。 如果模式選為-1 或0，這個(gè)值則不需要。 對(duì)于模式5、 6、 7、 9、 12、17，需要再沸器組分i該項(xiàng)。如有必要規(guī)定底部組分，輸入其在組分列表中的位置。 規(guī)定（Reboiler component j spec.）：對(duì)需規(guī)定兩個(gè)組分的模式9，要求有再沸器組分j規(guī)定。對(duì)模式5、6、7、12、17，它允許規(guī)定組分組的純度。輸入組分j 的排位序號(hào)，對(duì)于模式9，組分j 是在分母的組分；對(duì)模式5、6、7、12、17，則是組中排序在最上面的組分。,（3）定義塔板狀態(tài)級(jí)數(shù)（Tray number for tray specification）,輸入要定義塔板狀態(tài)的級(jí)數(shù)

10、。如果不定義塔板狀態(tài)，則不輸入。 如果冷凝器和再沸器都已經(jīng)定義(即模式 0)，則不必輸入塔板狀態(tài)級(jí)數(shù)；否則將破壞塔方程中的自由度，只有冷凝器模式為-1、或再沸器模式為-1 時(shí)，才規(guī)定塔板。 再沸器被看成N 號(hào)塔板。,塔板模式規(guī)定（Mode for tray specification），,3 收斂規(guī)定屏（Convergences）,4 成本估算規(guī)定屏,包括用于計(jì)算塔內(nèi)件的成本估算規(guī)定屏，此外，還包括用于計(jì)算冷凝器、再沸器及顯示計(jì)算結(jié)果的規(guī)定屏,拓?fù)?TOWR 是一個(gè)多級(jí)嚴(yán)格汽液平衡模型，允許最多5 個(gè)進(jìn)料流股及4 個(gè)側(cè)線產(chǎn)品。在一個(gè)流程中，TOWR 單元的數(shù)量不限。 TOWR 塔板號(hào)自上而下，

11、塔的進(jìn)料流帶正號(hào)，出料流帶負(fù)號(hào)。進(jìn)料流輸入順序必須自上而下。 塔側(cè)加熱/冷卻器設(shè)為在指定板上的進(jìn)料流股，只有焓流率而無質(zhì)量/摩爾流率；正焓值表示加熱器，負(fù)焓值表示冷卻器。 第一產(chǎn)品流總是塔頂餾分；第二產(chǎn)品流總是塔底產(chǎn)品。如果產(chǎn)品流多于兩個(gè)，則將其作為側(cè)線產(chǎn)品自上而下順序輸入。如果塔頂是部分冷凝器且有氣液兩個(gè)產(chǎn)品，則氣體定義為餾分，液體定義為第一側(cè)線產(chǎn)品。如塔頂是全冷凝器，則其液體產(chǎn)品定義為餾分。 注：如果選擇水/烴不互溶K 值，可能有游離水自部分冷凝器或全冷凝器中析出，但在布局中它不應(yīng)作為產(chǎn)品流股。,TOWR 拓?fù)湫畔⒔馕?若TOWR 拓?fù)湫畔門OWR 1 4 -2 -5 -3 -7 -9，

12、假設(shè)塔有一個(gè)部分冷凝器并且自冷凝器流出一個(gè)液體產(chǎn)品，則該拓樸提供出如下信息： 該塔有兩個(gè)進(jìn)料流，1 號(hào)和4 號(hào)流股且1 號(hào)流股在較高位置。 2 號(hào)流股是冷凝器的氣體產(chǎn)品； 5 號(hào)流股是塔底液體產(chǎn)品； 3 號(hào)流股是冷凝器的液體產(chǎn)品（作為第一側(cè)線產(chǎn)品流處理）； 7 號(hào)和9 號(hào)流股是位于塔下部的另外兩個(gè)側(cè)線產(chǎn)品。,方法：高效的內(nèi)-外環(huán)法進(jìn)行逐板計(jì)算,外環(huán)建立局部的、簡(jiǎn)單的K 值及焓模型，將其用于內(nèi)循環(huán)計(jì)算。內(nèi)循環(huán)在外環(huán)生成的簡(jiǎn)單K 值和焓模型基礎(chǔ)上進(jìn)行大量的質(zhì)量-能量平衡計(jì)算，以滿足MESH 方程和用戶規(guī)定。 當(dāng)內(nèi)循環(huán)收斂時(shí)，控制轉(zhuǎn)向外循環(huán)，然后外循環(huán)利用嚴(yán)格K 值和焓的計(jì)算結(jié)果更新簡(jiǎn)單K 值和焓模

13、型。當(dāng)簡(jiǎn)單模型與嚴(yán)格模型的計(jì)算結(jié)果相比較達(dá)到所需的精度時(shí)，外循環(huán)收斂。否則，外循環(huán)產(chǎn)生一個(gè)新的簡(jiǎn)單K 與焓的模型，內(nèi)循環(huán)再重新計(jì)算。 當(dāng)內(nèi)外兩個(gè)循環(huán)都收斂時(shí)，便完成了塔的計(jì)算。,TOWR 塔模型運(yùn)行,一個(gè)建立在估計(jì)的餾分、回流、塔頂及塔底溫度或初始估計(jì)（如果使用非0 選項(xiàng)）基礎(chǔ)上的初始分布生成。 簡(jiǎn)單K 模型（叫作kb 模型）。 程序在kb 模型和一些規(guī)定的基礎(chǔ)上生成新分布，這個(gè)分布的誤差表明該分布的質(zhì)量如何。 簡(jiǎn)單焓模型的系數(shù)。 Jacobian 矩陣計(jì)算。 Jacobian 矩陣的逆陣。 內(nèi)環(huán)計(jì)算開始。 內(nèi)環(huán)計(jì)算結(jié)束及誤差摘要(K、 H、 內(nèi)環(huán)誤差)。 K 及H 模型的外環(huán)更新。 從第 7

14、 步重復(fù)，直到收斂或達(dá)到迭代的最大次數(shù)。,特殊情況,高壓塔（High Pressure Column） 塔應(yīng)在低于其內(nèi)部流臨界壓力下操作。如果塔在很高的壓力下操作，在某些塔板上不能給出合適的組成分布而導(dǎo)致初始化算法失敗，有時(shí)會(huì)引起塔的發(fā)散。如果發(fā)生這種情況，可以先模擬塔在較低壓力下的操作并得到首次收斂結(jié)果，然后改變壓力到所需值并設(shè)置初始分布選擇為1。重新運(yùn)行時(shí)，塔在大多數(shù)情況下收斂。 待分離物系泡點(diǎn)接近（Close Boiling Points） 如果塔中有沸點(diǎn)相近的組分需要分離，塔頂和塔底的溫差往往不大，這時(shí)，估計(jì)初始溫度很重要。如果程序生成的初始化分布在塔板上顯出不合適的流分布，如所有的流

15、都流向塔頂而塔底被蒸干，應(yīng)重新設(shè)置塔頂或塔底溫度。如果塔底蒸干，用較低的溫度估計(jì)；如果塔頂蒸干，則用較高的溫度估計(jì)。 非理想K 值體系（Non-ideal K-values ） 如果每次外環(huán)迭代后外環(huán)揮發(fā)度誤差（K 值誤差）增量大于0.5，可能遇上了極端非理想K 值問題。此時(shí)應(yīng)降低參數(shù)中的阻尼因子。如果仍不收斂，則必須選擇其它K 值模型并運(yùn)行得到一個(gè)基礎(chǔ)情況，然后再設(shè)置所需的K 值模型并使用初始分布選項(xiàng)1，重新進(jìn)行計(jì)算。,應(yīng)用示例,1建立流程圖,2添加組分,5規(guī)定進(jìn)料流股,6規(guī)定單元設(shè)備（塔1）,6規(guī)定單元設(shè)備（塔2）,塔1 質(zhì)量及熱量衡算參數(shù)規(guī)定屏,塔2 質(zhì)量及熱量衡算參數(shù)規(guī)定屏,8查看結(jié)果

16、（操作回流比）,8查看結(jié)果（產(chǎn)品組成）,8查看結(jié)果（塔1各組分液相摩爾含量在塔板分布）,8查看結(jié)果（塔2各組分液相摩爾含量在塔板分布）,分析塔2 理論板數(shù)變化對(duì)其操作回流比影響,例4-3 烯丙醇的加鹽精餾。,加鹽精餾,分離醇-水體系在化工中十分普遍。由于醇-水體系一般形成共沸物，難以用常規(guī)精餾方法分離，因此，醇-水體系分離常采用其它方式，加鹽精餾就是其中的一種。 鹽對(duì)汽液平衡的影響是一個(gè)十分有意義的問題。把溶鹽加到被分離組分中，可以改變組分間的相對(duì)揮發(fā)度，這種現(xiàn)象稱為汽液平衡的鹽效應(yīng)。 鹽對(duì)汽液平衡的影響十分顯著，在溶液中加入少量的鹽就可以破壞恒沸組成，并使組分的相對(duì)揮發(fā)度提高好幾倍。這是因?yàn)辂}離子與被分離組分間的結(jié)合力比液體分離劑大的緣故，而且鹽是完全不揮發(fā)的，它只存在于液相，所以它不污染精餾的塔頂產(chǎn)品，不需要溶劑回收段。 本例為烯丙醇加鹽精餾，利用TOWR 單元操作模擬。,1建立流程圖,4選取熱力學(xué)模型,TOWR 的規(guī)定屏,熱量及質(zhì)量衡算參數(shù)規(guī)定屏,7運(yùn)行模擬,塔收斂有