第4讲-分离模块

单程热虹吸式再沸器：
1块塔板、有或无折流板
循环热虹吸式再沸器：
构造相对简单 易于控制 2块塔板、无折流板
选择性热虹吸式再沸器：
• 在保持构造简单、易于操作的同时提高 了板效率。 2块塔板、有折流板
6)冷凝器 (Condenser)
冷凝器配置从四个选项中选择一种： 1、分凝器（Partial）露点 2、泡点温度（Bubble point）泡点 3、过冷冷凝
流量为 1000 kg/hr、压力为 0.5 MPa 温度为120 ℃ 、含乙醇70 %w 、水30 %w的物料绝热闪蒸到0.15 MPa。求离开闪蒸器的汽、液两相的 温度、流量和组成。
Flash —应用示例（3） 应用示例（3）
• 流量为 1000 kg/hr、压力为 0.2 MPa 温度为20 ℃ 、含丙酮30 %w、 水70 %w的物料进行部分蒸发回收丙 酮，求丙酮回收率为90%时的蒸发器 温度和热负荷以及汽、液两相的流 量和组成。 如何规定丙酮回收率？
最小回流比
需指出重关键组分、轻关键组分 规定实际回流比/最小回流比值 或实际塔板数/最少塔板数比值
Fenske 估计值
• 提供Fenske塔板数的初始估计值，如果 要输入其确切值，则应在Specification 中指定
⎡⎛ d LK ⎞⎛ bHK lg ⎢⎜ ⎟⎜ ⎜ b ⎟⎜ d ⎝ LK ⎠⎝ HK = ⎣ lg(α LK , HK ) ⎞⎤ ⎟⎥ ⎟ ⎠⎦
Chemical
• 多次计算塔板一系列的绝热闪蒸生成组 分分布的较好的初始值 • 适用于：共沸精馏、萃取精馏和反应精 馏等场合
Electrolytic
• 塔板上组分等摩尔分率通过在每块塔板 上连续闪蒸计算得到 • 适用于：存在含水的电介质体系
9)泵循环 (Pumparounds)
作用：从塔板移走热量，可调节塔内汽液两 相的流量，是塔内部汽液两相流量的主要控制 点。 可规定的参数： 流量和热负荷 流量和绝热 流量和回流条件 热负荷和回流条件
1) 压力分布(Pressure profile)
Overall 塔顶压力＋每块板的压降(或整塔压降) By individual 每块板的压力
2)进出流股(Feeds and Products)
加料板位置 物料流出的相态 流出板位置、估计流量
3)收敛判据 (Convergence data)
B 严格精馏(Distillation)
Distillation
模块同时联解物料平衡、 能量平衡和相平衡关系，用逐板计 算方法求解给定塔设备的操作结果。
Distillation
模块可用于精确计算精馏 塔、吸收塔（板式塔或填料塔）、 萃取塔的分离能力和设备参数。
平衡级模型基于两个基本假设： 每块塔板上的液体和塔板间的气体是完 全混合的，具有均匀的温度和组成； 离开每块塔板的液体和气体都处于相平 衡
（Subcooled，Fixed temperature） （Subcooled，Fixed temperature drop）
7)侧线加热器/冷却器(Side-heaters and Coolers)
可为每块塔板指定侧线加热或冷却的热 负荷 每块塔板的热损失 每块塔板的Flash zone
8)初始估计值 (Initial Estimates)
1、釜式再沸器（Kettle） 离开再沸器的气相与塔底液相平衡，因 此釜式再沸器可看作塔的一个平衡级 造价高
2、热虹吸式再沸器（Thermosiphon） 利用进出口物料间的密度差推动物料的流动 1) 单程（Once-Through Thermosiphon） 当作一个平衡级 2) 循环（Circulating Thermosiphon） 需2个平衡级进行模拟 3) 选择性（Preferential Thermosiphon） 需2个平衡级进行模拟
T-X-Y Plot for ACETONE and H2O 400 395 390 385
Temperature, K
380 375 370 365 360 355 350 345 0 0.2 0.4
V
Bubble Point Dew Point
L+V
L
0.6 0.8 1 1.2
Composition, Mole Fraction ACETONE, (P = 200.00 kPa)
10)性能规定 (Performance specifications) • 控制目标：回流比、回流速率、冷凝器 热负荷、再沸器热负荷、塔板参数等 • 控制变量：冷凝器热负荷、再沸器热负 荷、进料速率、出料速率等
11)塔板流体力学规定 （Tray hydraulics) 内构件类型 塔板 规整填料 散堆填料 计算类型 设计型(sizing)计算 核算型(rating)计算
收敛计算阻尼因子 默认值：1 收敛允许误差 默认值：1×10－3
4)热力学模型 (Thermodynamic systems) 整塔使用同一个热力学模型 不同的塔板指定不同的热力学模型
5)再沸器 (Reboiler)
再沸器配置从三个选项中选择一种： 1、釜式再沸器（Kettle） 2、热虹吸式再沸器（Thermosiphon） 3、无再沸器 (None)
Fenske 方程：
N min
产物估计值
• 提供分离产物的初始估计值(流量、百分 比、切割温度等)
Shortcut — 应用示例 (1)
含乙苯30%w、苯乙烯70%w的混合物 （F=1000kg/hr、P=0.12MPa、T=30 °C）用精 馏塔（塔压0.02MPa ）分离，要求99.8%的乙 苯从塔顶排出，99.9%的苯乙烯从塔底排出， 采用全凝器。求： (1)Rmin，Ntmin ; (2)R=1.5 Rmin 时的R、NT和NF
Shortcut —应用示例 (2) —应用示例 • 绘制示例（1）的NT~R关系图，根据 该图，求取当R/Rmin =1.75时相应的 NT、NF、冷凝器和再沸器的温度和热 负荷。
FUG方法的评价
• FUG方法对窄沸点范围的理想混合物是相 当精确的，但对非理想混合物，尤其当 会形成共沸物时，以及沸点差异较大的 原料，该法可能不准确。 • 应用本法前，应仔细校核原料液的气液 平衡关系，了解其气液相活度系数的大 小和在可能的组成范围内是否会有共沸 物生成。
《ProII与化工过程模拟》第 4 讲 分离模块介绍
Models for Separation Processes
华东理工大学《ProII与化工过程模拟》
化工分离单元
I. 闪蒸
II. 精馏 III. 吸收 IV. 萃取
I.
闪蒸 (Flash drum) (Flash 执行给定热力学条件下的汽液平衡或汽-液-液平衡计算， 输出一股汽相和一股（或两 股）液相产物。用于模拟闪 蒸器、蒸发器、气液分离器 等。
P1，P2 PN，LN Column Spec’s 规定精馏塔的操作 提供某些变量
IEG
X0，P0 V0，Q0R
Solver
X*，P* V*，Q*R
IEG计算得到精馏塔 的所有变量的初始值
求解器(I/O,chemdist) 求解得到的值
初始估计值的生成方法
Simple Conventional Refinery Chemical Electrolytic
• 1) 2) 3) 4)
任何一平衡级（或理论板）为基础的严 格精馏算法包含以下基本方程组： 物料平衡方程组 (M) 相平衡方程组 (E) 摩尔分数加和式 (S) 热平衡方程组 (H) －－－MESH方程组
1 2
2 phase condenser +water decant
Heater/Cooler Heat Source/Sink Side Streams
• 在进行严格的逐板计算之前，首先进行 简捷的精馏计算时有益的，因为初步计 算可为你提供如何才是合理的初步概念。
Shortcut — 连接
• Shortcut 模型的连接图如下：
S2
S1
SCD1 S3
模型参数
冷凝器\再沸器 最小回流比 分离要求等规定 Fenske估计值 产物估计值
冷凝器、再沸器 部分冷凝 混合冷凝 泡点冷凝 (全凝器) 过冷冷凝－固定温度 过冷冷凝－固定温降 冷凝器只允许一个烃类产物物流和一 个水相物流
Multiple Feeds
Side Column
Pumparounds N-1
N
Kettle and Thermosiphon Reboilers
严格精馏模块－模型设定
1) 压力分布(Pressure profile) 2) 进出流股(Feeds and products) 3) 收敛判据 (Convergence data) 4) 热力学模型 (Thermodynamic systems) 5) 再沸器 (Reboiler) 6) 冷凝器 (Condenser) 7) 侧线加热器/冷却器 (Side-heaters and Coolers) 8) 初始估计值 (Initial Estimates) 9) 泵循环 (Pumparounds) 10) 性能规定 (Performance specifications) 11) 塔板流体力学规定 （Tray hydraulics) 12) 塔板效率 (Tray efficiency) 13) 数学求解方法 (Algorithm)
Flash —应用示例（4） 应用示例（4）
流量为 1000 kg/hr、压力为 0.2 MPa 温度为20 ℃ 、含丙酮30 %w、 水70 %w的物料进行部分蒸发回收丙 酮，蒸发器热负荷为250 kW。分析 液沫夹带对汽相丙酮分率和丙酮回 收率的影响。
II 馏
当体系中的化学组分沸点相差较小，或 不具有其它易于分离的性质时，须采 用精馏的方法。 其它的分离方法包括：吸收、萃取、吸 附 模拟传质设备的两个关键点： (1)热力学是重要的 (2)收敛问题
12)塔板效率 (Tray efficiency)
Murphree model
yi − y Ki = yi − y
' i *
Vaporization model
yi = ci K i xi
Simple
• 通过简单的物料衡算和由产物组成确定 的温度来决定精馏塔内的分布 • 适用于：汽提塔、吸收塔、萃取塔
Conventional
• 使用经典的Fenske简捷精馏算法估算产 物流率和组成，再利用产物流率和组成 估算温度 • 适用于：大多数精馏体系
Refinery
• 对主塔和侧塔重复使用conventional模 型直到它们的变量估算值相等 • 适用于多股出料、侧线汽提塔（石油炼 制过程）；常压精馏、真空精馏、FCC裂 解器等
Flash — 应用示例（1） 应用示例（1）
流量为 1000kg/hr、压力为0.11MPa、 含乙醇70%w、水30%w的饱和蒸汽在 蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流 的汽/液比（摩尔）=1/3。求离开冷 凝器的汽、液两相的温度和组成。 如何确定汽液两相摩尔比？
Flash — 应用示例（2） 应用示例（2）
精馏原理
精馏是分离液体混合物的单元操作， 是利用混合物中各组分挥发度的差异,并
借助回流的工程手段，实现组分的分离。
A. 简捷精馏 （设计型） B. 严格精馏 C. 侧线精馏 D. 塔板计算：塔板设计和塔板核算 E. 填料塔计算：填料设计和填料核算
A 简捷精馏 (shortcut)
• 用Fenske-Underwood-Gilliland捷算法 进行精馏塔的设计，根据给定的加 料条件和分离要求计算最小回流比、 最小理论板数、给定回流比下的理 论板数和加料板位置。
a) 气－液平衡计算：包含一股气相和一股液 相，如果体系中存在水，则水作为单独的 一相出料 b) 气－液－液平衡计算：包含一股气相和两 股液相
Flash－模型参数
第一规定：压力、温度 第二规定：闪蒸类型(绝热、等温、 等熵等)或产物规定 产物相态 雾沫夹带、液沫夹带 热力学模型
闪蒸类型
绝热闪蒸：绝热或指定热负荷下的汽液 平衡状态 等温闪蒸：指定温度下的汽液平衡状态 露点闪蒸：指定压力下的露点温度 泡点闪蒸：指定压力下的泡点温度 等熵闪蒸：等熵变化后的温度、压力和 所需要的热负荷