Aspen进阶篇5—塔设备单元

在这一篇将给大家介绍塔设备单元,在工业生产过程中,塔是不可或缺的重要组成部分,根据不同的用途,可将塔分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔和洗涤塔等等。毫无疑问,塔是一个比较复杂的模块,这篇里我就不按照前面仔细介绍各种模块的方式来叙述,我想通过设计精馏塔的一个实例来进行分析,希望大家能好好学习这个设计案例。

首先我把这个案例的题目给出来:

甲醇和水的精馏分离:

进料组成:甲醇(38.6wt%) 、水(61.4wt%)

进料量:55t/h

进料条件:进料压力130kPa,饱和液体进料

模块参数:实际回流比为最小回流比的1.5倍,冷凝器压力:110kPa,再沸器压力:130kPa

分离要求:甲醇纯度(99.3wt%) 、甲醇回收率(99.5%)

接下来我将进行详细的说明:

首先我们得分析清楚思路,有了好的思路做起来才能快。

设计思路如下:

1.     首先用简捷精馏模块(DSTWU)确定满足要求的理论塔板数、进料位置和采出率的初始值;

2.     分析得到塔板数随回流比的变化曲线,确定合适的回流比;

3.     结合以上两条确定严格精馏RadFrac模块的输入条件,并用RadFrac模块进行模拟;

4.     用灵敏度分析和设计规定辅助求解,使之达到分离要求

Step1:新建空白模拟

点击New,新建空白模拟

​进入到软件主界面

Step2:输入物质

输入物质甲醇和水

Step3:选择物性方法

选用Wilson方程,并查看二元交互作用参数

Step4:建立流程模拟

建立如下流程图,并修改名称

Step5:输入进料物流条件

输入进料物流FEED的条件

Step6:输入DSTWU模块参数

Step7:至此我们把简捷计算模块参数输入完毕,运行模拟,收敛

我们可以在Blocks/DSTWU/Results里查看模块结果:

Step8:确定最佳回流比

根据回流比和理论板数的关系,确定最佳回流比。

在Blocks/DSTWU/Input/Calculation Options界面勾选Generate table of reflux ratio vs number of theoretical stages,重新运行

在Results/Reflux Ratio Profile界面查看回流比对理论板数表

​点击Custom,以回流比为X轴,理论塔板数为Y轴,做出图像

​通过数值方法可以求出,上述曲线斜率变化最快(二阶导数值最大)的点在R=1.692,根据精馏理论,该店是最佳回流比值,对应的塔板数为14块。

以此回流比为条件重新运行

​结果如下:

理论板数:14

进料位置:11

塔顶采出率:0.26354

结论:

对同一产品质量要求而言,

若回流比R增加,则:

1.  塔板数减少,投资费用降低;

2.  能耗增加,操作费用上升

严格精馏条件:

回流比:R=1.692

理论板数:NT=14

进料位置:NF=11

塔顶采出率:D/F=0.26354(摩尔比)

接下来我们来做严格精馏,使用Radfrac模块

Step9: 在流程图窗口插入RadFrac模块,用Manipulators的Dupl模块复制FEED进料流股作为RadFrac模块的进料,然后连接各流股,如下图

Step10:输入模块参数

首先是Configuration界面:

​然后是Streams界面

​最后是Pressure界面

Step11:运行,收敛,查看结果

这里我们需要设置一下,在Setup/Report Options/Stream界面勾选mass,就可以查看了

在Streams/D1/Results/Mass Frac查看,质量纯度为:98.85wt%

Step12:接下来通过灵敏度分析和设计规定进行分析,使结果达到分离要求

1.     灵敏度分析(使塔顶中甲醇含量最高)

定义操纵变量和目标变量

​运行,查看结果,并绘图

​由此可以看出,最佳进料位置为第9快板,修改条件重新输入并运行

查看分离结果:此时为质量纯度为0.991792

2.     接下来通过设计规定修改回流比来达到分离要求,在此之前我们不激活灵敏度分析,防止设计规定中的目标变量与灵敏度分析的目标变量相冲突,引起警告

(1)先是纯度设定

​(2)再是回收率的设定

​然后设计操纵变量,即回流比RR

​运行,收敛

可以看出当回流比为1.769时满足了要求

Step13:塔板设计

点击Tray Sizing,新建一个,然后输入条件,选择筛板塔(这里第一块塔板和最后一块塔板分别是冷凝器和再沸器,不予进料)

运行,查看尺寸,如下图

​以上就是甲醇-水精馏塔的设计,请大家仔细学习,后面还有更为复杂的塔设计,希望大家夯实基础,学得更好!

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