采用CHEMCAD进行精馏塔模拟和设计Word文档格式.docx
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馏出液中C2H6的回收率
馏出液中C3H6的回收率
0.915
0.063
解题步骤:
步骤1:
新建文件名“简捷设计”;
步骤2:
建立流程图,精馏塔用简捷精馏塔(shortcutcolumn)的图标;
流程如图5-1-1。
步骤3:
选择流程的单位:
点击“格式及单位制”菜单按钮,在其下拉菜单中选择“工程单位…”命令,以国际单位制为主,选择符合题意的单位(mol,K,MPa)。
步骤4:
点击菜单按纽“热力学及物化性质”,在其下拉菜单中点击“选择组分…”命令,然后依次将组分甲烷(Methane或CH4)选中加入,将组分乙烷(Ethane或C2H6)选中加入,将组分丙烯(propene或C3H6)丙烷(Propane和C3H8)选中加入,将组分异丁烷(i-butane或i-C4H10)选中加入,将组分正丁烷(n-butane或n-C4H10)选中加入。
“OK”,软件弹出建议的K值与H值的方法(K=SRK,H=SRK),就采用系统提示的K值方法;
步骤5:
双击“物料1”,在弹出的编辑物料信息窗口(如图5-1-2所示)的“压力MPa”文本框中填入压力值2.736,在“气相分率”文本框填入数值0;
各组分摩尔流量按题意填入即可,点击该窗口左上方的按钮“闪蒸”,软件算出温度和焓,点击“确定”;
图5-1-1简捷精馏塔流程图
图5-1-2进料信息编辑窗口
步骤6:
双击流程图中单元设备精馏塔的图标或设备号①,弹出简捷精馏塔输入信息框;
根据题目要求填写和选择如图5-1-3所示。
图5-1-3简捷精馏塔的信息编辑窗口
步骤7:
点击“R”按钮,运行流程的模拟计算。
步骤8:
查看设备1——简捷精馏塔的计算结果和相关信息。
如图5-1-4所示,点击菜单命令“结果报表/单元设备/选择单元设备…”,弹出“选择单元设备”窗口,用鼠标点击设备1或在窗口中输入数字1,“OK”;
图5-1-4设备结果信息查看的菜单命令
部分结果如下:
塔板数
17.756
最少塔板数
8.4369
进料板位置
9.8332
冷凝器换热量MJ/h
-1.112
再沸器换热量MJ/h
1.4334
最小回流比Rmin
1.4583
回流比计算值
1.8229
二、精馏过程严格计算
精馏塔的简捷设计常用于精馏塔的初步设计和经验估算,适用于非极性和弱极性的物质体系。
这样的的结果往往比较粗糙,还需要用精馏塔的严格模型进行校验,结合灵敏度分析工具,优化精馏的操作条件,如进料板的最佳位置,最佳回流比,塔板数等。
ChemCAD中精馏的严格模型按照塔板上的MESH方程联立,模型塔的示意如图5-1-5所示。
图5-1-5精馏塔的模型结构
该模型塔有N块理论板,包括一个塔顶冷凝器和一个再沸器。
理论板的顺序是从塔顶向塔釜数,冷凝器为第一块板,再沸器为第N块板,除冷凝器与再沸器外每一块板都有一个进料F;
气相侧线出料G;
液相侧线出料S和热量输入或输出,若计算的塔不包括其中的某些项目,则设该参数为零,并假定每块板为一块理论板。
数学模型—MESH方程组
在平衡级的严格计算中,必须同时满足MESH方程,它描述多级分离过程每一级达汽液平衡时的数学模型。
①物料平衡式(每一级有C个,共NC个,其中C为组分数),即M方程;
②相平衡关系式(每一级有C个,共NC个),即E方程;
(5-1-1)
③摩尔分率加和式(每一级有一个,共有N个),即S方程;
或
(5-1-2)
④热量平衡式(每一级有一个,共有N个),即H方程;
(5-1-3)
除MESH模型方程组外,平衡常数和焓的关联式必须知道
NC个(5-1-4)
N个(5-1-5)
N个(5-1-6)
将上述N个平衡级按逆流方式串联起来,有Ncu=N(2C+3)个方程和Nvu=[N(3C+9)–1]个变量。
设计变量总数Niu=NC+6N–1个,固定N(C+3),可调3N–1
如:
1)各级Fij,zij,TFj,pFj,N(C+2)个
2)各级pj,N个
3)各级Gj(j=2,…,N)和Sj(j=1,…,N–1),2(N–1)个
4)各级Qj,N个
5)各级N,1个
在
个MESH方程中,未知数为
,其总数也是
个,故联立方程组的解是唯一的。
精馏的MESH方程是一个庞大的方程组,求解方法比较复杂。
根据求解方法,ChemCAD提供两类严格的精馏求解模型:
内-外环法(inside-out)和联立校正法(simultaneous)。
本节介绍如何应用ChemCAD中精馏塔的严格模型SCDS,对精馏过程进行物料衡算和精馏塔温度分布计算。
例5-1-2已知塔的进料条件和操作要求如图5-1-6所示,求塔的温度分布和物料的各组分分布。
图5-1-6例5-1-2的进料条件和操作要求
本题思路:
普通精馏塔的流程是一进两出,需要知道进料信息和塔的操作信息。
塔的操作信息主要有:
①塔板总数,在CHEMCAD中不把冷凝器和再沸器纳入塔板数,那么本题的塔板总数是11;
②进料板的位置应为7-1=6;
③塔的操作压力或压力降,本题的塔压是2.76MPa;
④如果精馏塔有一个冷凝器,就至少再需要一个有关馏出液(汽)的操作条件,本题给出了两个,只需要用其中一个即可;
⑤如果精馏塔有一个再沸器,就至少再需要一个有关釜液的操作条件,本题给出了两个,只需要用其中一个即可;
建新文件名为“精馏”;
建立流程图如图5-1-6所示,精馏塔使用SCDS图标;
点击菜单“格式及单位制”“工程单位...”,选择符合题意的单位(mol,K,MPa)。
步骤4.点击菜单按纽“热力学及物化性质”“选择组分...”,依次将组分甲烷(Methane或CH4)选中加入,将组分乙烷(Ethane或C2H6)选中加入,丙烷(Propane和C3H8)选中加入,将组分正丁烷(n-butane或n-C4H10)选中加入,将组分正戊烷(n-pentane或n-C5H12)选中加入。
“OK”,弹出软件建议的K值与H值的方法(K=SRK,H=SRK),就采用系统提示的K值方法;
步骤5.双击“物料1”,弹出“编辑物料信息”窗口,如图5-1-7所示,在“温度K”文本框中键入温度值313.7;
在“压力MPa”文本框中键入压力值2.76,各组分摩尔流量按题意填入即可,点击该窗口左上方的按钮“闪蒸”,点击“确定”;
步骤6.双击流程图中单元设备精馏塔的图标或设备号①,弹出精馏塔输入信息框;
根据题目要求,“精馏概况”页面填写如图5-1-8。
图5-1-7例5-1-2的进料信息编辑窗口
图5-1-8CHEMCAD中精馏塔的设备信息
步骤7.点击精馏塔输入信息窗口的“Specifications”活页,选择和填写如图5-1-9所示:
图5-1-9例5-1-2的精馏塔的分离要求组合1
根据题目要求也可以用C2、C3回收率来确定两个条件代替,如图5-1-10所示:
图5-1-10例5-1-2的精馏塔的分离要求组合2
当然根据已知条件还有多种选择。
步骤8.点击菜单“运行”,如图5-1-11所示,点击其下拉菜单中的“收敛…”,在弹出的“-收敛参数-”窗口左下方选上“显示跟踪窗口”,表示显示计算收敛过程,“OK”如图5-1-12所示;
运行按钮
图5-1-11流程的运行命令菜单
图5-1-12流程的运行命令菜单
步骤9:
点击工具栏中的运行按钮“R”,(在图5-1-11中已经标出),弹出消息窗口,显示CHEMCAD对程序的检查结果,“CHEMCADMessageBox”窗口中显示该题输入数据的错误为零,随后点击窗口下方的按钮“Yes”。
步骤10:
点击“CHEMCADTraceWindow-”窗口中的“Go”按钮,执行运算,计算完成后,“CHEMCADTraceWindow-”窗口显示收敛完成,运行结束。
步骤11:
关闭上述窗口。
然后我们再产生一个这次流程模拟的结果文件:
点击“结果报表”命令菜单,在弹出的下拉菜单中选择最下方的“统一完整的报表…”菜单命令,弹出“统一完整的报表”命令按钮窗口,点击第二个按纽“计算并给出结果”,CHEMCAD弹出结果文件,包含了所有物料和设备的信息。
步骤12:
绘制温度分布图:
点击“绘图”菜单命令,选择“单元设备信息绘图”“精馏塔信息随塔板分布图”子命令;
图5-1-13绘图的运行命令菜单
步骤13:
弹出“选择单元设备”窗口,让用户用鼠标选择设备。
步骤14:
弹出绘制塔内各种变量分布图的选择窗口,选择如图5-1-14所示:
图5-1-14绘图信息选择窗口
步骤15.点击图5-1-14中窗口中“OK”按纽,弹出塔板温度分布图如图5-1-15所示:
图5-1-15塔板温度分布图
步骤16.同理绘制的塔板上汽相分布图和液相组分分布图如图5-1-16和图5-1-17所示:
图5-1-16塔板上汽相分布图
图5-1-17塔板上液相分布图
采用灵敏度分析对该塔的进料板位置进行确定。
在不改变分离质量的情况下,合适的进料板位置对应的回流比最小,能耗也最低。
因此进料板位置可以通过分析回流比随进料板位置的变化,找出最小点,确定进料板位置。
步骤1.点击“运行”菜单按钮,选择子菜单命令灵敏度分析>
新建灵敏度分析,如图5-1-18所示,弹出“新的灵敏度分析”消息窗口,如图5-1-19所示;
图5-1-18“运行”菜单按钮下的命令“新建灵敏度分析”
图5-1-19为新建灵敏度分析命名的消息窗口
步骤2.在图5-1-19输入名称,如在文本框中输入“确定进料板位置”,表明本次灵敏度分析的作用,点击“OK”按钮,此时子菜单命令“编辑灵敏度分析”激活,如图5-1-20所示;
图5-1-20“编辑灵敏度分析”的菜单命令
步骤3.点击“编辑灵敏度分析”命令,弹出变量编辑窗口,确定变量类型和变化范围,如图5-1-21A和图5-1-21B所示;
图5-21A自变量编辑窗口
图5-1-21B因变量编辑窗口
步骤4.点击“灵敏度分析”菜单下的运行>
运行所有,如图5-1-22所示,运行灵敏度分析。
图5-1-22灵敏度分析菜单下的“运行全部”命令
步骤5.点击灵敏度作图命令“绘制结果图”,如图5-1-23所示;
图5-1-23灵敏度分析菜单下的绘图命令
步骤6.在弹出的“SensitivityPlot”窗口,如图5-1-24所示,对作图的X轴和Y轴进行选择,输入Y轴的标题名。
点击“OK”,弹出回流比随进料板位置的变化图,如图5-1-25所示;
通过该图,合适的进料板位置是5。
图5-1-24绘图选项窗口
图5-1-25回流比与塔板数的灵敏度分析结果图
三、精馏设备的设计
精馏塔设备结构主要有两大类:
填料塔和板式塔。
本节主要介绍使用ChemCAD进行无规整填料(如拉西环,鲍尔环等)精馏塔的尺寸设计。
步骤1.对于任意一个已经完成的SCDS精馏模拟的题目,点击“尺寸设计”菜单按钮,选择子菜单“精馏”“填料…”命令,如图5-1-26所示。
图5-1-26精馏塔设备尺寸设计命令
步骤2.弹出的“填料”窗口,输入段数“1”,选择“用于无规填料的Sherwood-Eckert法”,如图5-1-27所示。
图5-1-27填料设计的相关选项
步骤3.弹出的填料参数窗口,如图5-1-28所示。
大部分参数软件已经给好,主要做如下选择和输入:
本题选择确定压力降;
之后输入压力降的设计值,本题给出压力降的最大值是0.2MPa;
最后给出理论板当量高度,本题给的值是0.3m;
设计压力设定值是2.76MPa。
图5-1-28无规填料塔的设计选项窗口
点击“OK”,软件给出设计结果,如塔径,壁厚等。