CHEMCAD.4-操作单元-蒸馏塔
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Workshop 1：Shortcut与SCDS精馏模型（甲醇—水分离塔的模拟和设计） Workshop 2: Tower plus模型（原油蒸馏塔的模拟和计算） Workshop 3：吸收塔的模拟（灵敏度分析） Workshop 4: 乙醇与水共沸精馏模拟
北京方通正信科技有限公司 (8610) 68910691/92/93
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Workshop 2：Tower Plus模型
4-26
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Workshop 2：Tower Plus模型
TOWER CONFIGURATION No. of side strippers No. of pumparounds No. of side exchangers 1 1 1
4-20 Hole A/Act A 孔面积/有效面积,确定浮阀数 Weir height 溢流堰高度,影响塔板上总液体 负载和塔板压降
Downcomer 降液管设置 间隙、可选降液管流动面积、 降液管宽度 Thickness specification 塔壁厚度设置： 设计压力、焊接系数 许用应力、允许腐蚀度
4-7
基本情况: 多股进料、多股出料（可侧线产品）
北京方通正信科技有限公司 (8610) 68910691/92/93
CC-STEADY STATE的塔模型介绍
TOWER
Rigorous In‐Out 内外环法严格蒸馏
4-8
基本情况: 多股进料、多股出料（可侧线产品） 无侧线汽提、泵回流、塔侧换热 可考虑每板的板效率和组分 提供多种规定方式 适用范围 一般蒸馏塔、吸收塔、再沸式吸收塔及汽提塔 不适用于极端非理想体系 收敛速度 Run Time = = A × (Ncomp) × (Nstage) 2
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CC-STEADY STATE的塔模型介绍
TOWER Plus
Rigorous In‐Out 内外环法严格蒸馏
4-9
基本情况: 多股进料、多股出料（可侧线产品） 有侧线汽提、泵回流、塔侧换热 可考虑每板的板效率和组分 可规定冷凝器、再沸器或任一塔板条件 适用范围 蒸馏塔、吸收塔及汽提塔 适用于：原油蒸馏 （不适用于极端非理想体系） 收敛速度 Run Time = = A × (Ncomp) × (Nstage) 2
4-3
将多组分精馏简化为轻 重关键组分的“两组分精 馏”，故可采用芬斯克方程 及吉利兰图求理论板层数
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CC-STEADY STATE的塔模型介绍
Shortcut
Shortcut简捷计算模型一般用于初步设计或初步估算
4-4
Topology: 一个进料、两个出料（塔顶塔底各一个产品） 计算模式 • 1 核算 • 2 设计 • 3 设计 给定： 理论板数及回流比 推算： 轻重组分分率、热负荷 给定： 轻重组分分率、回流比或回流比/最小回流比 推算： 理论板数及适当进料位置（Fenske法） 同2，用Kirkbride法计算适当进料位置
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CC-STEADY STATE的塔模型介绍
严格计算的思想
在给定条件下，对每块塔板同时进行物料衡算、热量衡 算及相平衡和归一化计算
4-6
Wj yi,j, Hj, Tj, pj Fj zi,j, HF,j, TF,j, PF,j yi,j+1, Hj+1, Tj+1, pj+1
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塔规格设置
4-10
塔板序号的规定
塔板序号自上而下 进料流 第一产品流 第二产品流 侧线产品 输入顺序必须自上而下 塔顶馏分 塔底产品 自上而下顺序输入
自建单元设备模型限公司 (8610) 68910691/92/93
4-25
见S2-Dillation 6 热力学模型
K-VALUES - Grayson-Streed WATER - Immiscible ENTHALPY - Lee Kesler
STREAM 1 – 原油进料条件
Temp, F Pres, psia 300（加热至400 F进塔） 100
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填料塔设计——散堆填料的Sherwood-Eckert 法
4-22
Packing factor:填料系数，描述填料尺寸和型号或其水力特性
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填料塔设计——散堆/规整填料的Mackowiak法
工况研究：设计模式下，在规定范围内改变R/Rmin，观察塔的运行效果
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CC-STEADY STATE的塔模型介绍
4-5
严格计算的必要性
• 简捷计算不能给出各塔板上的浓度、温度等信息，也难以处理具 有多股进料、多股侧线采出及有侧线换热等复杂分离过程 • 简捷计算法中，引入了假设的“恒摩尔流和相对挥发度为常数”， 但在高压及塔顶、塔釜温差很大情况下，偏差较大 • 特殊精馏，多组分吸收，多组分萃取等过程也以采用严格计算 为宜
4-23
可选择填料种类 可编辑填料参数
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填料塔设计——Billet-Schultes关系式
4-24
Packing surface area: 单位体积填料面积
Void fraction: 空隙率
Nominal packing size: 公称填料尺寸
Vj
Lj-1 xi,j-1, hj-1, Tj-1, pj-1
建模原则：MESH方程 M—物料衡算 E—相平衡关系 S—组分摩尔分率加和式 H—热量衡算
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第j级
Uj Vj+1 Lj
Qj
xi,j, hj, Tj, pj
CC-STEADY STATE的塔模型介绍
4-18 System factor 系统因子 用于计算降液管的设计速度和气相动能因 子，表示塔板上的发泡类型。 系统性质 无发泡常规系统 氟化物系统，如BF3，氟利昂 中等发泡，如:油吸收塔，胺和乙二 醇再生塔 较重发泡，如胺和乙二醇吸收塔 严重发泡，如MEK（丁酮）单元 稳定发泡系统，如苛性再生塔 Flood percent 液泛百分数，核算模式不必输入
CC-STEADY STATE的塔模型介绍
Shortcut
计算方法： Fenske‐Underwood‐Gilliland法 Fenske方程 Underwood方程 Gilliland关联式 Kirkbride或Fenske方程 芬斯克方程： 计算理论板数 计算最小回流比 计算实际板数及回流比 计算最佳进料位置 基本原则：
4-16
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Workshop 1：Shortcut与SCDS精馏模型
板式塔设计
菜单Sizing—Distillation—Trays
浮阀塔板
4-17
筛板
泡罩塔板
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板式塔设计
S4—CHEMCAD蒸馏塔模型
北京方通正信科技有限公司
4‐1
本节纲要
4-2
CC‐STEADY STATE的塔模型介绍 • 设计型：Shortcut • 操作型：SCDS、TOWER、TOWER PLUS 塔规格设置 • 塔板序号规定 • 自由度 • 规格设置推荐方法 • 初始估计值的给定 • 塔设计 练习
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塔规格设置
4-15
塔设计（精馏塔、吸收塔、汽提塔）
板式塔 • 筛板 • 浮阀 • 泡罩 填料塔（含130+种填料数据库） • Sherwood-Eckert 散装填料 • Mackowiak 规整/散装填料 • Billet and Schultes Correlation 规整/散装填料
4-27
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塔规格设置
4-11
自由度
所有蒸馏模型都要定义塔板数、进料位置、塔压、 全部输入流
操作设备 简单吸收 再沸器、冷凝器、塔侧换 热器、侧线抽出产品 侧线带泵 侧线汽提 自由度 0
1
2 1
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塔规格设置
4-12
规格设置种类
• 冷凝器 • 再沸器 • 塔侧线换热（加热或冷凝） • 侧线产品流 • 泵 • 塔板条件
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系统因子 1.00 0.90 0.85 0.73 0.60 0.30
板式塔设计
4-19
阀板型号和材质 盖板和阀卡厚度
No. of passes 浮阀板流程数
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板式塔设计
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填料塔设计
4-21
菜单Sizing—Distillation—Packing
选择关联模型： 用于散堆填料的Sherwood‐Eckert 法 用于散堆/规整填料的Mackowiak法 Billet‐Schultes关系式 Excel interface file（与Sulzer软件档 案相连接的接口）
• 较佳设置
某一纯物流的组成 混合流股的温度 热负荷
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塔规格设置
4-14
估计值的设定
• 不恰当的估计值不如让软件 自动给估计值 • 避免给纯物流的泡露点温度 • 避免用共沸温度作估计值 • 参考相图 • 参考物料平衡情况 • 对于比较难收敛的体系，参 考profile选项给估计值 • 对于一些特殊问题，可对第 2块板和倒数第2块板的温度 给估计值
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Workshop 2：Tower Plus模型
组 分
ID 62 4 5 6 5001+ Name Water Propane i-Butane n-Butane pseudo comps. (From Crude Characterization)
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塔规格设置
4-13
规格设置方法（典型塔操作） • Relatively “Safe”（推荐）
一个质量平衡规定 (Dist.or Bot) 一个能量平衡规定 (R/D, V/B) • 较差设置 塔顶和塔底流量 某一纯物流的温度
Best Choice
SCDS
Simultaneous Corrections Distillation Method 严格多级汽‐液平衡塔模型
无侧线汽提、泵回流、侧线换热 可考虑每板的板效率和组分 提供多种规定方式（Specifications） 可优化塔规格设置，以达到某一操作目标 适用范围 操作单元：一般蒸馏塔、吸收塔、再沸式吸收塔及汽提塔 适用于：一般精馏、反应精馏、电解质精馏、三相精馏 收敛情况 • • 对非理想的化学系统收敛较为稳定 收敛速度 Run Time = B × (Ncomp)2× (Nstage)
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Workshop 1：Shortcut与SCDS精馏模型
设计一个常压精馏塔 将 1000 kg/hr MeOH与1000 kg/hr H2O at 25 ℃， 2 bar下的混合 物分离成：水含 MeOH 100ppm 以下 MeOH 纯度 0.999以上 Step 1: 先用 Short-Cut 进行设计， 求得理论板数、 回流比、进料位置、热负荷 Step 2: 再用严格精馏模型（SCDS）进行较精密的 核算， 求得操作条件 Step 3: 设计蒸馏塔大小、规格
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Workshop 2：Tower Plus模型
4-26
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Workshop 2：Tower Plus模型
TOWER CONFIGURATION No. of side strippers No. of pumparounds No. of side exchangers 1 1 1
4-20 Hole A/Act A 孔面积/有效面积,确定浮阀数 Weir height 溢流堰高度,影响塔板上总液体 负载和塔板压降
Downcomer 降液管设置 间隙、可选降液管流动面积、 降液管宽度 Thickness specification 塔壁厚度设置： 设计压力、焊接系数 许用应力、允许腐蚀度
4-7
基本情况: 多股进料、多股出料（可侧线产品）
北京方通正信科技有限公司 (8610) 68910691/92/93
CC-STEADY STATE的塔模型介绍
TOWER
Rigorous In‐Out 内外环法严格蒸馏
4-8
基本情况: 多股进料、多股出料（可侧线产品） 无侧线汽提、泵回流、塔侧换热 可考虑每板的板效率和组分 提供多种规定方式 适用范围 一般蒸馏塔、吸收塔、再沸式吸收塔及汽提塔 不适用于极端非理想体系 收敛速度 Run Time = = A × (Ncomp) × (Nstage) 2
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CC-STEADY STATE的塔模型介绍
TOWER Plus
Rigorous In‐Out 内外环法严格蒸馏
4-9
基本情况: 多股进料、多股出料（可侧线产品） 有侧线汽提、泵回流、塔侧换热 可考虑每板的板效率和组分 可规定冷凝器、再沸器或任一塔板条件 适用范围 蒸馏塔、吸收塔及汽提塔 适用于：原油蒸馏 （不适用于极端非理想体系） 收敛速度 Run Time = = A × (Ncomp) × (Nstage) 2
4-3
将多组分精馏简化为轻 重关键组分的“两组分精 馏”，故可采用芬斯克方程 及吉利兰图求理论板层数
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CC-STEADY STATE的塔模型介绍
Shortcut
Shortcut简捷计算模型一般用于初步设计或初步估算
4-4
Topology: 一个进料、两个出料（塔顶塔底各一个产品） 计算模式 • 1 核算 • 2 设计 • 3 设计 给定： 理论板数及回流比 推算： 轻重组分分率、热负荷 给定： 轻重组分分率、回流比或回流比/最小回流比 推算： 理论板数及适当进料位置（Fenske法） 同2，用Kirkbride法计算适当进料位置
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CC-STEADY STATE的塔模型介绍
严格计算的思想
在给定条件下，对每块塔板同时进行物料衡算、热量衡 算及相平衡和归一化计算
4-6
Wj yi,j, Hj, Tj, pj Fj zi,j, HF,j, TF,j, PF,j yi,j+1, Hj+1, Tj+1, pj+1
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塔规格设置
4-10
塔板序号的规定
塔板序号自上而下 进料流 第一产品流 第二产品流 侧线产品 输入顺序必须自上而下 塔顶馏分 塔底产品 自上而下顺序输入
自建单元设备模型限公司 (8610) 68910691/92/93
4-25
见S2-Dillation 6 热力学模型
K-VALUES - Grayson-Streed WATER - Immiscible ENTHALPY - Lee Kesler
STREAM 1 – 原油进料条件
Temp, F Pres, psia 300（加热至400 F进塔） 100
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填料塔设计——散堆填料的Sherwood-Eckert 法
4-22
Packing factor:填料系数，描述填料尺寸和型号或其水力特性
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填料塔设计——散堆/规整填料的Mackowiak法
工况研究：设计模式下，在规定范围内改变R/Rmin，观察塔的运行效果
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CC-STEADY STATE的塔模型介绍
4-5
严格计算的必要性
• 简捷计算不能给出各塔板上的浓度、温度等信息，也难以处理具 有多股进料、多股侧线采出及有侧线换热等复杂分离过程 • 简捷计算法中，引入了假设的“恒摩尔流和相对挥发度为常数”， 但在高压及塔顶、塔釜温差很大情况下，偏差较大 • 特殊精馏，多组分吸收，多组分萃取等过程也以采用严格计算 为宜
4-23
可选择填料种类 可编辑填料参数
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填料塔设计——Billet-Schultes关系式
4-24
Packing surface area: 单位体积填料面积
Void fraction: 空隙率
Nominal packing size: 公称填料尺寸
Vj
Lj-1 xi,j-1, hj-1, Tj-1, pj-1
建模原则：MESH方程 M—物料衡算 E—相平衡关系 S—组分摩尔分率加和式 H—热量衡算
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第j级
Uj Vj+1 Lj
Qj
xi,j, hj, Tj, pj
CC-STEADY STATE的塔模型介绍
4-18 System factor 系统因子 用于计算降液管的设计速度和气相动能因 子，表示塔板上的发泡类型。 系统性质 无发泡常规系统 氟化物系统，如BF3，氟利昂 中等发泡，如:油吸收塔，胺和乙二 醇再生塔 较重发泡，如胺和乙二醇吸收塔 严重发泡，如MEK（丁酮）单元 稳定发泡系统，如苛性再生塔 Flood percent 液泛百分数，核算模式不必输入
CC-STEADY STATE的塔模型介绍
Shortcut
计算方法： Fenske‐Underwood‐Gilliland法 Fenske方程 Underwood方程 Gilliland关联式 Kirkbride或Fenske方程 芬斯克方程： 计算理论板数 计算最小回流比 计算实际板数及回流比 计算最佳进料位置 基本原则：
4-16
北京方通正信科技有限公司 (8610) 68910691/92/93
Workshop 1：Shortcut与SCDS精馏模型
板式塔设计
菜单Sizing—Distillation—Trays
浮阀塔板
4-17
筛板
泡罩塔板
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板式塔设计
S4—CHEMCAD蒸馏塔模型
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4‐1
本节纲要
4-2
CC‐STEADY STATE的塔模型介绍 • 设计型：Shortcut • 操作型：SCDS、TOWER、TOWER PLUS 塔规格设置 • 塔板序号规定 • 自由度 • 规格设置推荐方法 • 初始估计值的给定 • 塔设计 练习
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塔规格设置
4-15
塔设计（精馏塔、吸收塔、汽提塔）
板式塔 • 筛板 • 浮阀 • 泡罩 填料塔（含130+种填料数据库） • Sherwood-Eckert 散装填料 • Mackowiak 规整/散装填料 • Billet and Schultes Correlation 规整/散装填料
4-27
北京方通正信科技有限公司 (8610) 68910691/92/93
塔规格设置
4-11
自由度
所有蒸馏模型都要定义塔板数、进料位置、塔压、 全部输入流
操作设备 简单吸收 再沸器、冷凝器、塔侧换 热器、侧线抽出产品 侧线带泵 侧线汽提 自由度 0
1
2 1
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塔规格设置
4-12
规格设置种类
• 冷凝器 • 再沸器 • 塔侧线换热（加热或冷凝） • 侧线产品流 • 泵 • 塔板条件
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系统因子 1.00 0.90 0.85 0.73 0.60 0.30
板式塔设计
4-19
阀板型号和材质 盖板和阀卡厚度
No. of passes 浮阀板流程数
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板式塔设计
北京方通正信科技有限公司 (8610) 68910691/92/93
填料塔设计
4-21
菜单Sizing—Distillation—Packing
选择关联模型： 用于散堆填料的Sherwood‐Eckert 法 用于散堆/规整填料的Mackowiak法 Billet‐Schultes关系式 Excel interface file（与Sulzer软件档 案相连接的接口）
• 较佳设置
某一纯物流的组成 混合流股的温度 热负荷
北京方通正信科技有限公司 (8610) 68910691/92/93
塔规格设置
4-14
估计值的设定
• 不恰当的估计值不如让软件 自动给估计值 • 避免给纯物流的泡露点温度 • 避免用共沸温度作估计值 • 参考相图 • 参考物料平衡情况 • 对于比较难收敛的体系，参 考profile选项给估计值 • 对于一些特殊问题，可对第 2块板和倒数第2块板的温度 给估计值
北京方通正信科技有限公司 (8610) 68910691/92/93
Workshop 2：Tower Plus模型
组 分
ID 62 4 5 6 5001+ Name Water Propane i-Butane n-Butane pseudo comps. (From Crude Characterization)
北京方通正信科技有限公司 (8610) 68910691/92/93
塔规格设置
4-13
规格设置方法（典型塔操作） • Relatively “Safe”（推荐）
一个质量平衡规定 (Dist.or Bot) 一个能量平衡规定 (R/D, V/B) • 较差设置 塔顶和塔底流量 某一纯物流的温度
Best Choice
SCDS
Simultaneous Corrections Distillation Method 严格多级汽‐液平衡塔模型
无侧线汽提、泵回流、侧线换热 可考虑每板的板效率和组分 提供多种规定方式（Specifications） 可优化塔规格设置，以达到某一操作目标 适用范围 操作单元：一般蒸馏塔、吸收塔、再沸式吸收塔及汽提塔 适用于：一般精馏、反应精馏、电解质精馏、三相精馏 收敛情况 • • 对非理想的化学系统收敛较为稳定 收敛速度 Run Time = B × (Ncomp)2× (Nstage)
北京方通正信科技有限公司 (8610) 68910691/92/93
Workshop 1：Shortcut与SCDS精馏模型
设计一个常压精馏塔 将 1000 kg/hr MeOH与1000 kg/hr H2O at 25 ℃， 2 bar下的混合 物分离成：水含 MeOH 100ppm 以下 MeOH 纯度 0.999以上 Step 1: 先用 Short-Cut 进行设计， 求得理论板数、 回流比、进料位置、热负荷 Step 2: 再用严格精馏模型（SCDS）进行较精密的 核算， 求得操作条件 Step 3: 设计蒸馏塔大小、规格