采用CHEMCAD进行精馏塔模拟和设计

任务1 精馏设计与严格模拟

知识目标：理解轻、重关键组分的概念，理解回流比的概念，理解严格精馏的操作条件的合理组合，理解灵敏度分析的概念，理解精馏从简捷设计到严格模拟，再到尺寸设计的过程。

技能目标：掌握简捷精馏设计中对轻、重关键组分的设定，掌握严格精馏的操作条件的设定，使用灵敏度分析来优化严格精馏的设计，能使用CHEMCAD进行精馏的简捷设计、严格模拟和尺寸设计。

一、采用ChemCAD进行精馏塔简捷设计计算

精馏设计采用芬斯克－恩特伍德－吉利兰－Kirkbride公式（Fenske-Underwood-Gillila-nd-Kirkbride），芬斯克公式求解精馏塔的最少理论塔板数；恩特伍德公式求解最小回流比；吉利兰计算实际回流比及其对应的塔板数；Kirkbride公式计算适宜的进料板位置，芬斯克公式也可以求解适宜的进料板位置。

例5-1-1 使用简捷法设计一个脱乙烷塔，从含有6个轻烃的混合物中回收乙烷，进料组成mol%：甲烷 5，乙烷 35，丙烯 15，丙烷 20，异丁烷 10，正丁烷 15；进料状态为饱和液相，压力为2.736MPa。对产物分离要求见设计条件表。①求该塔的最小回流比，所需最少理论板数；②当实际回流比为最小回流比的1.25倍即R/Rm=1.25时，该塔的实际塔板数和进料位置。

表5-1-1 脱乙烷塔的设计条件

设计的分离要求 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（shortcut column ）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”；

121简捷精馏塔3

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 最少塔板数 进料板位置

冷凝器换热量 MJ/h 再沸器换热量 MJ/h 最小回流比Rmin 回流比计算值

17.756 8.4369 9.8332 -1.112 1.4334 1.4583 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；

Lj?1xi,j?1?(Vj?Gj)yij?(Lj?Uj)xij?Vj?1yi,j?1??Fjzij

②相平衡关系式（每一级有C个，共NC个），即E方程；

yij?kijxij （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；

?xij?1或?yij?1

（5-1-2）

④热量平衡式（每一级有一个，共有N个），即H方程；

Lj?1hj?1?(Vj?Gj)Hj?(Lj?Uj)hj?Vj?1Hj?1??FjHFj?Qj （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

kij?kij(Tj,pj,xij,yij) hj?hj(Tj,pj,xij) Hj?Hj(Tj,pj,yij)

NC个 N个 N个

（5-1-4） （5-1-5） （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N(2C?3)个MESH方程中，未知数为xij,yij,Lj,Vj,Tj，其总数也是N(2C?3)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，

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