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简捷法精馏塔设计计算

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多组分精馏的简捷计算和逐板计算举例

多组分精馏的简捷计算和逐板计算举例

0.59842 0.000984
w
lg 6.24
1
4.6
塔釜温度17℃，利用气相中的烷烃冷凝提供塔釜中需要的热 量，可以认为是塔顶部分冷凝，塔釜泵厢式循环。
最小回流比：
ibzi 1 q
ib
ib xdi
ib
Rm
1
其中需要注意的问题： zi是题面中的数据；1-q=0.36；采用牛顿迭代法；b组分选 取（i—C40挥发度最小）；采用全塔平均温度-39℃和压力
C10 : yn1 0.3026xn 0.5279
C2 : yn1 0.3026xn 0.1353
C20 : yn1 0.3026xn 0.0204
相 平 衡 方 程 中 的 ib 是 精 馏 段 平 均 温 度 下 的
值： 95 60 77.50C ，（进料温度与塔顶温度的平均值）
⑦逐板计算 相平衡方程与操作线方程交替运用。
精馏段相平衡方程：xi
yi ib yi ib
xi 1
手算 0.005，计算机计算 0.0001
精馏段操作线方程：yn1,i
R R
1
xn,i
1 R
1
xd
,i
R 0.434
yn1,i 0.3026xn,i 0.6974xd,i
H2 : yn1 0.3026xn 8.7175103
⑥确定进料位置 因为是气液相进料，可以采用芬斯克公式计算精馏段塔板数 塔顶温度：-95℃；进料温度：-60℃；塔釜温度：17℃ 从塔顶温度与进料温度相差不大，可以判断精馏段塔板数不 会太多，采用全塔的平均温度计算误差会很大。所以，采用 塔顶温度和进料温度的平均值 95 60 77.50C 来计算。
yi ib

多组分复杂精馏塔的简捷计算

多组分复杂精馏塔的简捷计算

(S + D ) = 59.6
W = 40.4
对于采出板上以上总的采出部分存在以下关系：
d i + si = (S + D )xsdi
xsd 3 ≈ 0.01计算得出的 根据假设的在侧线采出板以上，
d 3 + s3 和 w3
组分 1 2 3
，1和2组分的数据未知？
11.3 47.9 40.8
fi
? ? 40.2
Dxdi + Sxsi = D+S
α ib x sdi ∑ α − θ = 1 + Rmin中 ib
，采
di
6.65 0.35 6× 10 7
-4
x di
0.95 0.05 3× 10
-4
x sdi
0.19 0.8 0.01
（b）q不知道，进料组成和温度已知，采用Partially
Vaporized and Liquefied Equilibrium来求解。
⎛ d 3 + s3 ⎞ ⎛ d 3 + s3 ⎞ ⎛ d1 + s1 ⎞ ⎛ d 2 + s2 ⎞ lg⎜ ⎜ w ⎟ ⎟ − lg⎜ ⎜ w ⎟ ⎟ − lg⎜ ⎟ lg⎜ ⎜ w ⎟ ⎟ ⎜ w ⎟ 1 3 2 3 ⎝ ⎠ ⎠ ⎠= ⎝ ⎝ ⎠ ⎝ lg α 13 lg α 23
(d1 + s1 ) + w1 = 11.3 (d 2 + s 2 ) + w2 = 47.9
解
θ中 = 1.137 ， Rmin中 = 3.5 。 q = 0.24 ，
上段计算得出最小回流比 Rm上 ，中下段计算得出最小回流 比 Rm中，操作的时候究竟用那个作为回流比，既要满足上段 的要求又要满足中段的要求。

化工原理下1-5简捷法、多侧线、塔高塔径

化工原理下1-5简捷法、多侧线、塔高塔径
VV(q11)F 1 L RD q1F1 V (R1)D(q11)F1
LLq2F2
V'V''(q21)F2
L
R D q1F 1q2F 2
V (R1)D (q11)F 1(q21)F 2
可编辑ppt
12
两股进料的精馏塔最小回流比的确定
可编辑ppt
由ab线斜 率求Rmin1
由ck线斜 率求Rmin2
选择较大 者作为Rmin
18
2）单板效率
单板效率又称默弗里（Murphree）效率，它
是以混合物经过实际板的组成变化与经过理论板 的组成变化之比来表示的。单板效率既可用气相 组成表示，也可用液相组成表示，分别称为气相 单板效率和液相单板效率。
可编辑ppt
19
气相单板效率
EMV
yn yn*
yn1 yn1
液相单板效率
EML
Vs
22.4V 3 600
Tp0 T0 p
可编辑ppt
25
1.5.9 连续精馏装置的热量衡算和节能
1.塔顶冷凝器热量衡算 以单位时间为基准，对冷凝器热量衡算（忽
略热损失）
Q C V IV D (L IL D D IL D ) kJ/h
QC
冷凝器的 热负荷
VI V D
L
I LD
D 冷凝器的
I L D 热量衡算
LV0VW
易挥发组分衡算
L x m V 0 y 0 V y m 1 W x W
可编辑ppt
6
对于塔内恒一摩、尔直流动接蒸汽加热
VV 0 LW
Wxm V0 ym 1WxW
ym 1 W V0 xm W V0 xW
提馏段操 作线方程

6.精馏简捷计算

6.精馏简捷计算
Nm = lg( xDA xBB ⋅ ) xDB xBA lg α AB
Rm xD − ye xD − ye = ==⇒ Rm = ye − xe Rm + 1 xD − xe
对于多元混合物的精馏计算，必须引入一些新的概念和定 义。
2
精馏
精馏简捷计算
1.关键组分
进料中按分离要求选取的两个组分，（大多 挥发度相邻的两个组分）。它们在塔顶或塔底产 中的 回收率或 含量通常是给定的，因此，对于系 回收率 含量 的分离起着决定性的作用。
Underwood方程的几点说明： 基本假定 ① α＝常数，② 恒摩尔流； 如果塔内α变化不大，α i = 3 α D α F α B ； 如果塔内α变化较大，tα = ( Dt D + Bt B ) / F ， 先算平均温度，再算 α (tα ) 。
13
精馏
精馏简捷计算
θ应介于 αHK < θ < αLK 之间，否则无效。
α L ≈ α LK ,α H ≈ α HK
这时L、H组分也会出现在塔的两端，也是分布组分， 则分布组分采用非清晰分割法， 分布组分 其余非分布组分采用清晰分割法较好。 非分布组分
23
精馏
精馏简捷计算
注意！
清晰分割法与非清晰分割法都是近似估算方法
1.R∞时，NT最少， 全部组分在塔的两端出现，都 是分布组分； 2. Rm时，NT→∞， 非分布组分只在塔的一端出现； 3. R∞时的产品组成与Rm时的产品 组成有些差异； Ropt与R∞的产品组成又有差异。
F
一般恒浓区的浓度和位置均未知，所以多组分Rm的严 格计算至今没有一个通用方法，一般采用近似估算方法。
12
精馏
精馏简捷计算

Aspen简捷法精馏塔设计计算

Aspen简捷法精馏塔设计计算

例5-2 简捷法精馏设计计算
5）DSTWU模型设置
这里轻关键组分为NC4， 重关键组分为I-C5。
对于轻关键组分NC4
Recov=29.7248/30=0.9908
重关键组分为I-C5 Recov=0.2247/20=0.01124
第27页
例5-2 简捷法精馏设计计算
5） DSTWU模型设置
回流比的输入可随便输入一个值，该值如果小于Rmin,则系统安装 2Rmin作为回流比进行计算；如大于Rmin，就按照实际的值进行计 算。
第6页
5 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
Distl（简捷法精馏核算）
Distl模型可以模拟一个带有一股进料和两种 产品的多级多组分的蒸馏塔，塔可带有分凝 器或全凝器。模型假定恒摩尔流和恒相对挥 发度。用Edimister法进行产品组成。
第7页
5 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
Distl（简捷法精馏核算）
第2页
5 塔Columns模块
进行简捷蒸馏的模型有DSTWU, Distl和
SCFrac
进行严格的多级分离的模块有RadFrac,
MultiFrac, PetroFrac, RateFrac
用于液-液萃取塔的严格模型有Extract
第3页
5 塔Columns模块---简捷蒸馏模块 DSTWU(简捷法精馏设计) Distl（简捷法精馏核算）
第5页
5 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
DSTWU(简捷法精馏设计)
采用Winn法估算最小级数，Underwood法估算 最小回流比，Gilliland法规定级数所必需的回 流比或规定回流比所必需的级数。
可确定最小回流比、最小级数或实际回流比、 实际级数。模型也估算最适宜的进料位置、冷 凝器和再沸器负荷。可生成回流比对于级数的 表和曲线。

6.精馏简捷计算

6.精馏简捷计算

18
精馏
精馏简捷计算
分离要求的表示可有多种形式：
（） （xlk )B ≤ 0.1% 1 (2) （xlk )D ≥ 99.5% (3) （xlk )D ≥ 99.5% (4) (5) (ηlk )D = dlk / flk = 95% (ηlk )D = dlk / flk = 95% （xhk )D ≤ 0.2% （xhk )B ≤ 99.0% （xlk )B ≤ 0.1% (ηhk )B = bhk / fhk = 90% （xhk )B ≥ 90.0%
Underwood方程的几点说明： 基本假定 ① α＝常数，② 恒摩尔流； 如果塔内α变化不大，α i = 3 α D α F α B ； 如果塔内α变化较大，tα = ( Dt D + Bt B ) / F ， 先算平均温度，再算 α (tα ) 。
13
精馏
精馏简捷计算
θ应介于 αHK < θ < αLK 之间，否则无效。
用61座精馏塔的逐板计算结果整理得到，条件是比较宽的。
16
精馏
精馏简捷计算
5、进料位置的确定
吉利兰关联式求出的理论板隐含着最佳进料位置的要求。
1）Kirkbride经验式
N R ⎡⎛ x F ,hk = ⎢⎜ N S ⎢⎜ x F ,lk ⎣⎝ ⎞ ⎛ x B ,lk ⎟⋅⎜ ⎟ ⎜x ⎠ ⎝ B ,hk
工艺要求：（回收率）
η D ,C 2 H 6 > 97% η B ,C 3 H 6 > 99%
该如何确定关键组分？
5
精馏
精馏简捷计算
2.芬斯克方程
计算全回流操作时，达到规定分离要求所需的最少理论板
Nm =
xD,lk xB,hk lg( ⋅ ) xD,hk xB,lk lgαlk,hk

简单精馏塔严格计算

设计一脱丙烷塔。

已知进料量h kmol /100，原料压力MPa 0.1，温度50℃,组成如下表。

塔操作压力0.817()MPa A ，塔顶设全凝器，塔底设再沸器。

分离要求：塔顶异丁烷含量为0.06，塔底丙烷含量为0.06解：（一）、用简捷法得到如下基本参数（二）LM 法1、初步确定理论级数1）设8=S 、2=n 、6=m （包括塔釜、进料板）、74.1=R 3252.75=D 6748.24=W 逐板计算，结果列表：2）设7=S 、2=n 、5=m （包括塔釜、进料板）、74.1=R 3252.75=D 6748.24=W 逐板计算3）比较进料板液摩尔分数已经接近，可进入第一次循环。

2、第一次循环 1）塔顶塔底量调整1585.035.165.684977.05652.0=+-==∆A d 4004.062.538.42206.01871.0-=+-=∆B d4509.07076.122107.02924.22716.02716.02107.0-=+-=∆C d 0073.09972.4037.00028.00102.00102.00370.0=+-=∆D d归零化，使得∑=∆0d ，i iw d∆-=∆-2）根据调整后的数据进行塔的逐板计算，结果列表，各板的汽液流率和摩尔分数列表 3）温度分布 4）计算各板气液流率 5）计算换热器热负荷 6）计算各板汽体液体流率 7）核算各板气液组成（1）各板汽液流率和温度确定相对挥发度 （2）逐板计算3、采用同样的方法，经过4次循环，结果如下：基本达到要求。

故理论板数为7.。

4-简捷法精馏塔设计计算

—冷凝器 ( Condenser) —再沸模块---简捷蒸馏模块
➢DSTWU(简捷法精馏设计)
DSTWU模型有四组模型设定参数 （1）塔设定 ( Column specifications) （2）关键组分回收率 （3）压力 ( Pressure)
第8页
4.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
➢DSTWU(简捷法精馏设计)
DSTWU模型有四组模型设定参数
（1）塔设定 ( Column specifications)
--塔板数 ( Number of stages) --回流比 ( Reflux ratio)
>0, 实际回流比； <-1, 绝对值=实际回流比/最小回流比
第37页
例4-2 简捷法精馏设计计算
7） 生成回流比随理论板数变化表 • 在输入表input 中的calculation options 页面中
选择 • generate table of reflux vs num of theoretical
stages
第38页
例4-2 简捷法精馏设计计算
7） 生成回流比随理论板数变化表 • 在输入表input,中的calculation options 页面中
第2页
4.1 塔Columns模块 ➢进行简捷蒸馏的模型有DSTWU, Distl和
SCFrac
➢进行严格的多级分离的模块有RadFrac,
MultiFrac, PetroFrac, RateFrac
➢用于液-液萃取塔的严格模型有Extract
第3页
4.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块 ➢DSTWU(简捷法精馏设计) ➢Distl（简捷法精馏核算） ➢SCFrac模块

精馏塔的设计计算方法

精馏塔的设计计算方法各位尊敬的评委老师、领导、各位同学：上午好！这节课我们一起学习一下精馏塔的设计计算方法。

二元连续精馏的工程计算主要涉及两种类型：第一种是设计型，主要是根据分离任务确定设备的主要工艺尺寸；第二种是操作型，主要是根据已知设备条件，确定操作时的工况。

对于板式精馏塔具体而言，前者是根据规定的分离要求，选择适宜的操作条件，计算所需理论塔板数，进而求出实际塔板数；而后者是根据已有的设备情况，由已知的操作条件预计分离结果。

设计型命题是本节的重点，连续精馏塔设计型计算的基本步骤是：在规定分离要求后（包括产品流量D、产品组成x D及回收率η等），确定操作条件（包括选定操作压力、进料热状况q及回流比R等），再利用相平衡方程和操作线方程计算所需的理论塔板数。

计算理论塔板数有三种方法：逐板计算法、图解法及简捷法。

本节就介绍前两种方法。

首先，我们看一下逐板计算法的原理。

该方法假设：塔顶为全凝器，泡点液体回流；塔底为再沸器，间接蒸汽加热；回流比R、进料热状况q和相对挥发度α已知，泡点进料。

从塔顶最上一层塔板（序号为1）上升的蒸汽经全凝器全部冷凝成饱和温度下的液体，因此馏出液和回流液的组成均为y1，且y1=x D。

根据理论塔板的概念，自第一层板下降的液相组成x1与上升的蒸汽组成y1符合平衡关系，所以可根据相平衡方程由y1 求得x1。

从第二层塔板上升的蒸汽组成y2与第一层塔板下降的液体组成x1符合操作关系，故可用根据精馏段操作线方程由 x1求得y2。

按以上方法交替进行计算。

因为在计算过程中，每使用一次相平衡关系，就表示需要一块理论塔板，所以经上述计算得到全塔总理论板数为m块。

其中，塔底再沸器部分汽化釜残夜，气液两相达平衡状态，起到一定的分离作用，相当于一块理论板。

这样得到的结果是：精馏段的理论塔板数为n-1块，提馏段为m－n块，进料板位于第n板上。

逐板计算法计算准确，但手算过程繁琐重复，当理论塔板数较多时可用计算机完成。

精馏塔的计算

吸收尾气：剩余的气体（惰气、残余溶质）
3．解吸：从吸收剂中分离出已被吸收气体的操作。
4．吸收操作传质过程：单向传质过程，吸收质从气相转移到液相的传质过程。
其中包括吸收质由气相主体向气液相界面的传递，及由相界面向液相主体的传递。
5．吸收过程：通常在吸收塔中进行。为了使气液两相充分接触，可采用板式塔或填料塔，少数情况下也选用喷洒塔。
吸收尾气B+少量A
如图：吸收剂自塔顶上部喷淋而下，塔底部排出溶液；
混合气体由塔底进入，塔顶部排出吸收尾气。溶剂
气液两相在塔内进行逆向接触的过程中，混合
气体内吸收质就转移到吸收剂中，达到了从混
合气体分离出某种组分的目的。混合气体
（A+B）
6． 气体在液体中的溶解度：平衡状态下，液相中的溶质浓度。溶液
表明一定条件下，吸收过程可能达到的极限浓度。（溶剂+A）
吸收过程所以能自动进行，就是由于两相主体浓度尚未达到平衡，一旦达到平衡，推动力便等于0。因此，吸收过程的总推动力应该用任何一相主体浓度与其达到平衡浓度的差值来表示。
（1）以p-p*表示总推动力的吸收速率方程式（气相总吸收速率方程式）
NA=KG（p-p*）KG气相吸收总系数
吸收过程的总阻力由气膜阻力1/kG与液膜阻力1/HkL两部分组成。H溶解度系数
3．对流扩散：湍流主体与相界面间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总称。
它与传热过程的对流传热类似。
六．吸收机理
（一）吸收机理（双膜理论要点）
1．相互接触的汽液两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄的有效层流膜层。吸收质以分子扩散方式通过两膜层。
2．在相界面处，汽液两相达相平衡。界面上无阻力。
（1）物料平衡：进入某装置或设备的物料量必等于排出某装置或设备的物料量与过程累积的量。当无累积量时，即：进料量=排出量。
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第 7页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
DSTWU(简捷法精馏设计)
DSTWU模型有四组模型设定参数。
（1）塔设定 ( Column specifications)
（2）关键组分回收率
（3）压力 ( Pressure) （4）冷凝器设定 ( Condenser specifications)
Distl（简捷法精馏核算）
Distl模型必需规定： 理论板数 回流比 塔顶产品流率 其他相关的塔设备参数等 可规定一个部分的或全部冷凝器。
Distl可估算冷凝器和再沸器的负荷。
第14页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
SCFrac (简捷法多塔蒸馏)
SCFrac模型可以对具有一股进料、一股可选的 汽提蒸汽流和任何股产品的复杂塔进行简捷法 蒸馏的模拟计算，估算理论级数和每个塔段的 加热（冷却）负荷。用于模拟炼油塔（原油单 元和减压塔）。模型将有n个产品的塔分割成n1个塔段并从上而下为这些塔段编号。
第 2页
5.1 塔Columns模块
进行简捷蒸馏的模型有DSTWU, Distl和
SCFrac
进行严格的多级分离的模块有RadFrac,
MultiFrac, PetroFrac, RateFrac
用于液-液萃取塔的严格模型有Extract
第 3页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块 DSTWU(简捷法精馏设计) Distl（简捷法精馏核算）
第10页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
DSTWU(简捷法精馏设计)
DSTWU模型有四组模型设定参数。
（1）塔设定 ( Column specifications) （2）关键组分回收率 （3）压力 ( Pressure)
—冷凝器 ( Condenser) —再沸器 ( Reboiler)
第 9页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
DSTWU(简捷法精馏设计)
DSTWU模型有四组模型设定参数。
（1）塔设定 ( Column specifications) （2）关键组分回收率 (Key component recoveries )
--轻关键组分在馏出物中的回收率 馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关键组分 --重关键组分在馏出物中的回收率 馏出物中的重关键组分/进料中的重关键组分
第 5页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
DSTWU(简捷法精馏设计)
DSTWU模型的连接示意图。
第 6页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
ห้องสมุดไป่ตู้
DSTWU(简捷法精馏设计)
采用Winn法估算最小级数，Underwood法估算最
小回流比，Gilliland法规定级数所必需的回流比或 规定回流比所必需的级数。 可确定最小回流比、最小级数或实际回流比、实际 级数。模型也估算最适宜的进料位置、冷凝器和再 沸器负荷。可生成回流比对于级数的表和曲线。
第12页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
Distl（简捷法精馏核算）
Distl模型可以模拟一个带有一股进料和两种 产品的多级多组分的蒸馏塔，塔可带有分凝 器或全凝器。模型假定恒摩尔流和恒相对挥 发度。用Edimister法进行产品组成。
第13页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
SCFrac模块
第 4页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
DSTWU(简捷法精馏设计)
模型可针对一个带有分凝器或全凝器、一股进 料和两种产品的蒸馏塔，采用Winn-Underwood -Gilliland方法进行简捷法蒸馏设计计算。
模型中假设恒定的摩尔流和恒定的相对挥发度 ，需输入轻、重关键组分的回收率。
第15页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
SCFrac (简捷法多塔蒸馏)
对每个塔段必需规定产品压力和基于进料流率
的产品流率或分率，对所有产品，除馏出物外 必须规定蒸汽与产品的比值。
计算中由于进行蒸汽计算，所以水必须被定义
为一个组分。所以水都与塔顶产品一起离开。
该模型不能处理固体，游离水计算可在冷凝器
5 简捷法精馏塔设计计算
1
第 1页
5.1 塔Columns模块
塔设备是化工生产中应用最为广泛的操作设备 之一，通常在其中进行蒸馏（精馏）、吸收和 萃取单元操作。吸收和蒸馏实际都是气液相平 衡的单元操作，只是蒸馏过程的热量平衡相对 更为复杂。
对塔设备可分为三大类：简捷法计算的蒸馏塔 、严格法计算的蒸馏塔和液-液萃取塔三类。
中完成。
第16页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
SCFrac (简捷法多塔蒸馏)
SCFrac估算：
产品组成和流率
每一段的级数
每一段的热或冷负荷
该模型不能处理固体，游离水计算可在冷凝器 中完成。
第17页
例5-1 简捷法精馏设计计算
• 利用精馏方法对附表中进料流 股进行分离，其压强为445830 Pa， 处于饱和液体状态。规定 该分离操作的轻、重关键组分 分别为N-Butane和I-Pentane， 塔顶产品中轻、重关键组分的 回收率（recovery）分别为0.99 08和0.0112，并规定操作采用 回流比为最小回流比的1.8倍。 体系热力学性质计算采用“SR K”模型方程。 试确定：该条件下的最小回流 比、理论板数、最小理论板数 及适宜的进料位置。 组分 Propane I-Butane N-Butane I-Pentane 流量 / kmol/s 0.0006 0.0013 0.0038 0.0025
第 8页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
DSTWU(简捷法精馏设计)
DSTWU模型有四组模型设定参数
（1）塔设定 ( Column specifications)
--塔板数 ( Number of stages)
--回流比 ( Reflux ratio)
>0, 实际回流比； <-1, 绝对值=实际回流比/最小回流比
第11页
5.2 塔Columns模块---简捷蒸馏模块
DSTWU(简捷法精馏设计)
DSTWU模型有四组模型设定参数
（1）塔设定 ( Column specifications) （2）关键组分回收率 （3）压力 ( Pressure) （4）冷凝器设定 ( Condenser specifications)
---全凝器 ( Total condenser) ---带汽相馏出物的部分冷凝器 ( Partial condenser with vapor distillate) ---带汽、液相馏出物的部分冷凝器 ( Partial condenser with vapor and liquid distillate)