采用CHEMCAD进行精馏塔模拟和设计.docx

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。

m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。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倍即R/R=时，该塔的实际塔板数和进料位置。

m

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

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，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”；

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1

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简捷精馏塔

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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513 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

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；

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