第7章分离单元模拟Part B 作者：武佳孙兰义第7章分离单元模拟Part B⏹7.1 概述⏹7.2 精馏塔的简捷设计模块DSTWU ⏹7.3 精馏塔的简捷校核模块Distl⏹7.4 精馏塔的严格计算模块RadFrac ⏹7.5 塔板和填料的设计与校核⏹7.6 连续萃取模块Extract⏹7.7 吸收示例7.1 概述模块说明功能适用对象DSTWU 使用Winn-Underwood-Gilliland方法的多组分精馏的简捷设计模块确定最小回流比、最小理论板数以及实际回流比、实际理论板数等仅有一股进料和两股产品的简单精馏塔Distl 使用Edmister方法的多组分精馏的简捷校核模块计算产品组成仅有一股进料和两股产品的简单精馏塔RadFrac 单个塔的两相或三相严格计算模块精馏塔的严格核算和设计计算普通精馏、吸收、汽提、萃取精馏、共沸精馏、三相精馏、反应精馏等Extract液-液萃取严格计算模块液-液萃取严格计算萃取塔MultiFrac严格法多塔蒸馏模块对一些复杂的多塔进行严格核算和设计计算原油常减压蒸馏塔、吸收/汽提塔组合等SCFrac简捷法多塔蒸馏模块确定产品组成和流率、估算每个塔段理论板数和热负荷等原油常减压蒸馏塔等PetroFrac石油蒸馏模块对石油炼制工业中的复杂塔进行严格核算和设计计算预闪蒸塔、原油常减压蒸馏塔、催化裂化主分馏塔、乙烯装置初馏塔和急冷塔组合等RateFrac非平衡级速率模块精馏塔的严格核算和设计计算蒸馏塔、吸收塔、汽提塔、共沸精馏、反应精馏等DSTWU是多组分精馏的简捷设计模块，针对相对挥发度近似恒定的物系开发，用于计算仅有一股进料和两股产品的简单精馏塔。
DSTWU模块用Winn-Underwood-Gilliland方法进行精馏塔的简捷设计计算。
通过Winn方程（之后Fenske对Winn方程进行了完善）计算最小理论板数，使用Underwood方程计算最小回流比，根据Gilliland关联图来确定操作回流比下的理论板数或一定理论板数下所需要的回流比。
DSTWU模块计算精度不高，常用于初步设计，当存在共沸物时，计算结果可能会出现错误，DSTWU模块的计算结果可以为严格精馏计算提供合适的初值。
芬斯克（Fenske ）方程取平均相对挥发度:N Nm αααα 21=mW A B D B A x x x x N αlog log min⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=芬斯克方程N min （包括再沸器）恩德伍德（Underwood ）方程qx ijFi ij -=-∑1,θαα1min ,+=-∑R x ijDi ij θαα式中：αij —相对挥发度，取塔顶和塔釜的平均值θ—第一式的根，其值介于轻、重关键组分的相对挥发度之间⏹吉利兰（Gilliland ）关联图吉利兰图1min +-R R R 2min +-N N N ➢N 、N min ─在R 、全回流下所需理论板数，均不包括再沸器➢吉利兰图不能应用于非理想溶液的精馏计算用8个物系，由逐板计算得出的结果绘制而成吉利兰关联式)]1)(2.117114.541exp[(15.0XX X X Y -++-=1m in+-=R R R X 2min+-=N N N YDSTWU模型的连接图如下DSTWU模块有四组模块设定参数1．塔设定（Column specifications）2．关键组分回收率（Key component recoveries）3．压力（Pressure）4．冷凝器设定（Condenser specifications）Specifications——塔设定（Column specifications）（1）塔板数( Number of stages)（2）回流比( Reflux ratio)回流比与理论板数仅允许规定一个选择规定回流比时输入值>0，表示实际回流比输入值<-1，其绝对值表示实际回流比与最小回流比的比值Specifications——关键组分回收率（Key component recoveries）（1）轻关键组分（Light key）在塔顶产品中的摩尔回收率塔顶产品中的轻关键组分摩尔流率/进料中的轻关键组分摩尔流率（2）重关键组分（Heavy key）在塔顶产品中的摩尔回收率塔顶产品中的重关键组分摩尔流率/进料中的重关键组分摩尔流率Specifications——压力（Pressure）冷凝器压力（Condenser）再沸器压力（Reboiler）Specifications——冷凝器设定（Condenser specifications）全凝器（Total condenser）带气相塔顶产品的部分冷凝器（Partial condenser with all vapor distillate）带气、液相塔顶产品的部分冷凝器（Partial condenser with vapor and liquid distillate）DSTWU模块的模拟结果可给出最小回流比（Mimimum reflux ratio）最小理论板数（Mimimum number of stages）实际回流比（Actual reflux ratio）实际理论板数（Number of actual stages）进料位置（Feed stage）冷凝器负荷（Condenser cooling required）再沸器负荷（Reboiler heating required）等参数DSTWU模块有两个计算选项生成回流比随理论板数变化表（Blocks︱DSTWU︱Input︱Calculation Options下的Generate table of reflux ratio vs number of theoretical stages选项）计算等板高度（Blocks︱DSTWU︱Input︱Calculation Options下的Calculate HETP选项）DSTWU模块有两个计算选项回流比随理论板数变化表对选取合理的理论板数很有参考价值。
在实际回流比对理论板数（Table of actual reflux ratio vs number of theoretical stages）一栏中输入要分析的理论板数的初始值（Initial number of stages）、终止值（Final number of stages），并输入理论板数变化量（Increment size for number of stages）或者要分析的理论板数个数（Number of values in table），据此可以计算出不同理论板数下的回流比（Reflux ratio profile），并可以绘制回流比——理论板数关系曲线。
例7.1简捷法设计乙苯-苯乙烯精馏塔。
冷凝器压力为6kPa，再沸器压力为14kPa，进料量为12500kg/hr，温度45℃，压力101.325kPa，质量组成为乙苯0.5843，苯乙烯0.415，焦油0.0007（本题采用正十七烷表示焦油），塔顶为全凝器，回流比为最小回流比的1.2倍，要求塔顶产品中乙苯含量不低于99%（w），塔底产品中苯乙烯含量不低于99.7%（w），用PENG-ROB物性方法。
求最小回流比、最小理论板数、实际回流比、实际理论板数、进料位置以及塔顶产品与进料摩尔流率比，生成回流比随理论板数变化表并作图。
Distl模块可对带有一股进料和两股产品的简单精馏塔进行简捷校核计算，此模块用Edmister方法计算精馏塔的产品组成Distl模块的连接图如图所示Distl模块Specifications页面有两组模块设定参数Distl模块Specifications页面有两组模块设定参数1. 塔设定（Column specifications），包括理论板数（Number of stages）、进料位置（Feed stage）、回流比（Reflux ratio）、塔顶产品与进料的摩尔流率比（Distillate to feed mole ratio）、冷凝器形式（Condenser type）2. 压力设定（Pressure specifications），包括冷凝器压力、再沸器压力Distl模块Results页面给出Distl模块Results页面给出冷凝器热负荷（Condenser duty）再沸器热负荷（Reboiler duty）进料板温度（Feed stage temperature）塔顶温度（Top stage temperature）塔底温度（Bottom stage temperature）等例7.2用简捷法校核乙苯-苯乙烯精馏塔，进料条件与例7.1相同，冷凝器（全凝）压力为6kPa，再沸器压力为14kPa，实际回流比为5.11，理论板数为65（包括全凝器和再沸器），进料位置为25，塔顶产品与进料摩尔流率比（Distillate to feed mole ratio）为0.5853，用PENG-ROB物性方法。
求冷凝器及再沸器的热负荷、塔顶产品及塔底产品的质量纯度。
RadFrac模块可对下述过程做严格模拟计算：普通精馏、吸收、汽提、萃取精馏、共沸精馏、反应精馏（包括平衡反应精馏、速率控制反应精馏、固定转化率反应精馏和电解质反应精馏）、三相（汽-液-液）精馏。
RadFrac适用于两相体系、三相体系、窄沸点和宽沸点物系以及液相表现为强非理想性的物系RadFrac的连接图如图所示RadFrac模型具有以下设定表单1、配置（Configuration）2、流股（Streams）3、压力（Pressure）4、冷凝器（Condenser）5、热虹吸再沸器设置（Thermosiphon Config）6、再沸器（Reboiler）7、三相（3-Phase）1、配置（Configuration）—设置选项（Setup 0ptions）1、配置（Configuration）—设置选项（Setup 0ptions）（1）计算类型（Calculation type）平衡级模型（Equilibrium）和非平衡级模型（Rate-Based）1、配置（Configuration）—设置选项（Setup 0ptions）（2）板数（Number of stages）可以是理论板数也可以是实际塔板数1、配置（Configuration）—设置选项（Setup 0ptions）（3）冷凝器（Condenser）全凝器（Total）部分冷凝器—气相塔顶产品（Partial-Vapor）部分冷凝器—气相和液相塔顶产品（Partial-Vapor-Liquid）无冷凝器（None）1、配置（Configuration）—设置选项（Setup 0ptions）（4）再沸器（Reboiler）釜式再沸器（Kettle）、热虹吸式再沸器（Thermosiphon）、无再沸器（None）1、配置（Configuration）—设置选项（Setup 0ptions）（5）有效相态（Valid phases）①汽-液（Vapor-Liquid）②汽-液-液（Vapor-Liquid-Liquid）③汽-液-冷凝器游离水（Vapor-Liquid-FreeWaterCondenser）④汽-液-任意塔板游离水（Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage）⑤汽-液-冷凝器富水相（Vapor-Liquid-DirtyWaterCondenser）⑥汽-液-任意塔板富水相（Vapor-Liquid-DirtyWaterAnyStage）1、配置（Configuration）—设置选项（Setup 0ptions）1、配置（Configuration）—设置选项（Setup 0ptions）（6）收敛方法①标准方法（Standard）②石油/宽沸程物系（Petroleum/Wide-boiling）③强非理想液体（Strongly non-ideal liquid）④共沸物系（Azeotropic）⑤深冷体系（Cryogenic）⑥用户自定义（Custom）1、配置（Configuration）—设置选项（Setup 0ptions）1、配置（Configuration）—操作规定（Operating specifications）1、配置（Configuration）—操作规定（Operating specifications）操作规定（Operating specifications）回流比（Reflux ratio）再沸器负荷（Reboiler duty）回流量（Reflux rate）塔顶产品流率（Distillate rate）再沸量（Boilup rate）塔底产品流率（Bottoms rate）再沸比（Boilup ratio）塔顶产品与进料流率比（Distillate to feed ratio）冷凝器负荷(Condenser duty)塔底产品与进料流率比（Bottoms to feed ratio）2、流股（Streams）2、流股（Streams）（1）进料流股（Feed Streams）指定每一股进料的加料板位置在级上方进料（Above-Stage）在级上进料（On-Stage）气相进料在级上（Vapor）液相进料在级上（Liquid）进料进入到分相器中（Decanter）（2）产品流股（Product Streams）指定每一股侧线产品的出料板位置及产量3、压力（Pressure）3、压力（Pressure）①塔顶/塔底（Top/Bottom），用户可以仅指定第一块板压力，此时代表全塔无压降；当塔内存在压降时，用户需指定第二块板压力或冷凝器压降，同时还可以指定单板压降或是全塔压降②塔内压力分布（Pressure profile），指定某些塔板压力③塔段压降（Section pressure drop），指定每一塔段的压降4、冷凝器（Condenser）（1）冷凝器设置（Condenser specification）仅仅应用于部分冷凝器只需指定冷凝温度（Temperature）和蒸汽分率（Distillate vapor Fraction）两个参数之一4、冷凝器（Condenser）4、冷凝器（Condenser）（2）过冷设置（Subcooling specification ）过冷液温度(Subcooled temperature)或过冷度(Degrees of subcooled)回流物和馏出物都过冷(Both reflux and liquid distillate are subcooled)或仅仅回流物过冷(Only reflux is subcooled)4、冷凝器（Condenser）。