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精馏塔模拟初值的估算



精馏塔,精馏塔设计,蒸馏塔

在炼油行业从事设计工作,设计的第一步就是模拟,而在模拟中,深感精馏塔模拟的重要性。说实话,我们属于拿来主义,反应器做不了,反应产物、组成、条件,这些都是研究院提供,我们能算的呢,只是算一下需要补入的冷氢量。在加氢裂化的模拟中,循环氢系统、气液水三相的分离、以及精馏塔是最难收敛的。

小编从事的工作中,还做过煤焦油预处理(常压+减压塔)的模拟、芳烃液液抽提、芳烃抽提蒸馏以及重整与加氢裂化的模拟。在小编看来,真正考验水平的精馏塔模拟在于常减压和芳烃抽提,这里面就涉及到很多内容,常减压塔是个非常复杂的塔系,因为它牵扯到大量的回流、侧线采出,这就把物料衡算、热量核算变得很复杂。芳烃抽提的难点在于萃取、萃取精馏,液液抽提还有大量的循环。

小编觉得,万变不离其宗,其实石化的问题,根本上在于对基础知识的认识,以及用现场数据去修正你的认识。我们需要理论作为支撑,这就像打拳需要有内力,这样才打得漂亮打得有力度,不然就是三脚猫的功夫。不好意思,我现在只学了点皮毛。但是愿意把自己对精馏塔模拟的逻辑拿出来与大家分享,才疏学浅,请多指教。

小编原来学的是化学工程的,直到工作之后,才接触炼油,所以恶补了下炼油方面的知识。小编原来接触的模拟有清晰组分,可以通过简捷法去粗算,后来呢,遇上石油组分,两种不一样的思路。小编就从这两个不同思路来讲讲。这里面所涉及到理论知识在《化工原理》、《石油炼制工程》中都能找得到,大家可以常翻常新,并作进一步的总结。

首先我们来介绍一下《化工原理》书中可以在模拟中用到的精馏塔计算理论,然后介绍一下炼油中常减压塔模拟的一些要点,以后会慢慢涉及到精馏塔设计的优化、热联合以及工程设计方面的经验。

前奏有点长哈~!让我们进入正题吧。

1.精馏的基本概念

1.1.蒸馏分离的依据

液体均具有挥发而成为蒸气的能力,但各种液体的挥发各不相同。因此液体混合物部分汽化所生成的气相组成和液相组成将有差别,即

1.2.精馏操作费用与操作条件

加热和冷却费用是蒸馏过程的主要操作费用,如何以最少的加热量和冷却量获得最大程度的提纯是蒸馏和精馏过程研究的重要任务。

塔顶冷凝、塔底再沸,涉及到冷源与热源的问题,一般情况我们会把塔顶回流罐温度设定在40℃,而不同介质,在这个温度下的气液相平衡是不一样的,于是我们就会想到调整塔的压力。对于塔底再沸,也是一样道理,需要考虑操作压力。能用蒸汽加热,当然是最简单的,如果加热温度超过水蒸气加热的范围,采用高温热载体或者加热炉,费用就会大大增加。

那么压力如何选择呢?加压蒸馏可使冷凝温度提高以避免使用冷冻剂,减压蒸馏可使沸点降低以避免采用高温热载体。当组分在高温下容易发生分解聚合等变质现象时,必须采用减压蒸馏以降低温度,比如炼油中的减压塔。如果混合物在通常条件下为气体,则必须通过加压与冷冻将液化后才能进行精馏,这个在乙烯装置里用的多一些。

1.3.气液两相平衡共存时的自由度

以双组分平衡物系为例,组分数N=2,相数Φ=2,故平衡物系的自由度为2。

一般蒸馏过程为恒压操作,这样子,恒压下的双组分平衡物系必存在着:①液相(或气相)组成与温度间的一一对应关系;②气、液相组成之间的一一对应关系。

2.精馏过程

精馏过程的基础是组分挥发度的差异,通过塔顶的液相回流与塔釜部分汽化造成的气相回流,在塔板中沿塔上升的蒸汽与下降的液体逆流接触并进行物质传递,塔顶塔底产品连续抽出。这里只挑一些对精馏模拟详细比较大的内容。做模拟的时候,不要想当然,要根据这些基本过程进行分析判断。

2.1.精馏段

在塔加料位置以上,上升蒸气中所含的重组分向液相传递,而回流液中的轻组分向气相传递。如此物质交换的结果,使上升蒸气中轻组分的浓度逐渐升高。只要有足够的相际接触表面和足够的液体回流量,到达塔顶的蒸汽将成为高纯度的轻组分。塔的上半部完成上升蒸气的精制,即除去其中的重组分,因而称为精馏段。

2.2.提馏段

在塔加料位置以下,下降液体(包括回流液和加料中的液体)中的轻组分向气相传递,上升蒸气中的重组分向液相传递。这样,只要两相接触的上升蒸气量足够,到达塔底液体所含的轻组分可降至很低,从而获得高纯度重组分。塔的下半部完成了下降液体中重组分的提浓即提出了轻组分,因而称为提馏段。

2.3.全塔物料衡算


2.4.分离极限


3.理论板捷算法

严格计算多组分精馏的理论板时必须对每一塔板列出各个组分的物料衡算、热量衡算、相平衡方程,且各组分在任一板上组成必须满足归一条件。这种方法称为MESH方程求解法。如此庞杂的计算量,让我们交给计算机来算。但是呢,模拟往往要赋予初值,如何进行shortcut的计算,关系到赋值的好坏以及精馏塔是否能够算通。精馏塔本身有各种循环,如果进料发生变化,塔的最佳进料塔板是不一样的,由此塔顶冷凝与塔底再沸也会大不一样,这就需要我们反复用Shortcut模块与Rigorous模块,去寻找最佳值。

在这里介绍基于经验基础上的FUG(Fenske-Underwood-Gilliland)捷算法。

3.1.恩德伍德(Underwood)计算公式

当塔顶和塔底产品中关键组分的含量或回收率指定后,相应此分离要求有一个最小回流比,此时理论板数无限多,并出现恒浓区。在双组分精馏中,最小回流比时的恒浓区出现在加料板附近。多组分精馏中,由于非关键组分的存在,恒浓区将出现在两处,一处在加料板以上称为上恒浓区,一处在加料板以下称为下恒浓区。由于存在两个恒浓区,精确计算最小回流比就非常繁复,常用恩德伍德(Underwood)计算公式简化计算。方程如下:

若轻、重关键组分为挥发度排序相邻的两个组分,则θ值只有一个,Rmin也只有一个。若在轻、重关键组分之间还有p个其他组分,则θ值有p+1个,Rmin也有p+1个,设计是可以取平均值作最小回流比。恩德伍德公式是基于恒摩尔流假定和各组分相对挥发度αij为一常数的条件下导出的,当相对挥发度变化不大时,αij可取塔顶、塔底的几个平均值。

3.2.芬斯克(Fenske)方程

求最少理论板数可用轻、重关键组分的芬克斯方程,即

  1. 3.3.吉利兰(Gilliland)图

先按设计条件求出最小回流比Rmin及全回流条件下得最少理论板Nmin,然后利用某种经验关联求出指定回流比下得理论板数。常用的一种经验关联式吉利兰(Gilliland)图。如下图:


4.Aspen Plus简捷法计算模块

Aspen Plus由两种简捷法计算模块:一种是DSTWU,采用Winn-Underwood-Gilliland捷算法;一种是Distl,采用Edmister捷算法。一般比较常用DSTWU法,目的是估算最小回流比、最少塔板数、根据实际回流比估算塔板数、或者根据实际塔板数估算回流比。

相关介绍可以参阅Aspen Plus的帮助文件,这里简单介绍如下:

4.1.DSTWU捷算法

指定轻关键组分和重关键组分后,DSTWU捷算法采用Winn方程估算最少塔板数,采用Underwood方程估算最小回流比,采用Gilliland关联图估算指定塔板数下所需的回流比或者指定回流比所需的塔板数。DSTWU也可以估算最优进料踏板位置、冷凝器和再沸器热负荷,可以输出回流比对应塔板数的数据图表。

进出物料:一股进料、一股塔顶馏出物、一股塔底馏出物、一股塔顶游离水(可选择),同时可以选择加热或冷却物料。

4.2.Distl捷算法

Distl模拟多组分多级精馏塔,有一股进料物流,两股产品物流,精馏塔可以是部分冷凝也可以全冷凝。Distl采用Edmister方法计算产品组分。Distl假定恒摩尔流和恒定相对挥发度。

进出物料与DSTWU捷算法相同,但是指定条件与之不同。Distl输入指定进料塔板数、回流比、塔顶馏出物与进料比率和其他塔规定。


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