化工設(shè)計(jì) 第四章 設(shè)備工藝設(shè)計(jì) 2015 (二)( ASPEN Plus 設(shè)計(jì)精餾塔)

設(shè)備工藝設(shè)計(jì)設(shè)備工藝設(shè)計(jì)是制造過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它涉及到設(shè)備的選型、工藝流程的制定、以及針對(duì)特定生產(chǎn)任務(wù)的優(yōu)化。精良的設(shè)備工藝設(shè)計(jì)可以提高生產(chǎn)效率、降低成本、并確保產(chǎn)品質(zhì)量。byJerryTurnersnull2.1精餾塔設(shè)計(jì)基本原理精餾塔利用物質(zhì)的沸點(diǎn)差異,通過(guò)多級(jí)接觸蒸發(fā)和冷凝,實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離。這是一種廣泛應(yīng)用的分離技術(shù)。設(shè)計(jì)步驟精餾塔設(shè)計(jì)包括確定進(jìn)料條件、選擇合適的熱力學(xué)模型、進(jìn)行塔內(nèi)流場(chǎng)模擬、優(yōu)化塔的構(gòu)型和尺寸等。影響因素精餾塔性能受進(jìn)料條件、塔內(nèi)構(gòu)件、操作參數(shù)等多方面因素影響,需要全面考慮。精餾塔的基本原理物質(zhì)傳遞過(guò)程在精餾塔中,揮發(fā)性成分會(huì)從液相轉(zhuǎn)移到氣相,形成富于所需組分的蒸汽。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為物質(zhì)傳遞,是精餾的關(guān)鍵機(jī)制。熱量傳遞過(guò)程塔底加熱產(chǎn)生蒸汽,塔頂冷卻使蒸汽凝結(jié)。這兩個(gè)相反的熱量傳遞過(guò)程維持了塔內(nèi)的溫度梯度,確保了分離效果。相平衡理論相平衡理論描述了組分在液相和氣相之間的分配關(guān)系,是設(shè)計(jì)精餾塔的理論基礎(chǔ)。2.1.2精餾塔設(shè)計(jì)的基本步驟確定分離目標(biāo)首先需要明確想要從混合物中分離出哪些成分,以及每個(gè)成分的所需純度。這是精餾塔設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。建立流程模型使用專(zhuān)業(yè)軟件如ASPENPLUS建立精餾塔的流程模型,輸入原料組成、操作條件等參數(shù)。選擇熱力學(xué)模型根據(jù)原料性質(zhì)選擇合適的熱力學(xué)模型,如NRTL、UNIQUAC等,確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠。優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)通過(guò)反復(fù)模擬,優(yōu)化進(jìn)料條件、回流比、塔頂壓力等參數(shù),達(dá)到最佳分離效果。ASPENPlus軟件介紹ASPENPlus是一款全面的過(guò)程模擬軟件,廣泛應(yīng)用于化工、石油、生物質(zhì)等領(lǐng)域的過(guò)程設(shè)計(jì)和優(yōu)化。它能幫助工程師快速建立流程模型,并進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算、流程模擬和裝置設(shè)計(jì)等。ASPENPlus軟件的功能模擬和優(yōu)化ASPENPlus可以對(duì)化工過(guò)程進(jìn)行全面的模擬和優(yōu)化,幫助工程師設(shè)計(jì)更加高效和經(jīng)濟(jì)的工藝流程。參數(shù)估算該軟件內(nèi)置了豐富的物性數(shù)據(jù)庫(kù),可以方便地計(jì)算出各種物料的熱力學(xué)參數(shù)和傳輸性質(zhì)。流程設(shè)計(jì)ASPENPlus提供了強(qiáng)大的流程設(shè)計(jì)功能,支持用戶(hù)構(gòu)建各種化工裝置,并進(jìn)行模擬運(yùn)行。ASPENPlus軟件的應(yīng)用領(lǐng)域化學(xué)工藝ASPENPlus可廣泛用于化學(xué)工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化,如精餾塔、吸收塔、反應(yīng)器等的模擬與設(shè)計(jì)。石油化工ASPENPlus在煉油和石油化工行業(yè)應(yīng)用廣泛,可進(jìn)行原料配比、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱交換等模擬。生物工藝ASPENPlus可支持生物反應(yīng)器、分離工藝等生物工藝的建模與仿真,有利于生物制藥和生物燃料的開(kāi)發(fā)?；贏SPENPlus的精餾塔設(shè)計(jì)本節(jié)將介紹如何利用ASPENPlus軟件對(duì)精餾塔進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。包括建立流程模型、輸入工藝參數(shù)、選擇熱力學(xué)模型、進(jìn)行模擬計(jì)算和確定塔的主要尺寸等步驟。2.3.1建立流程模型定義系統(tǒng)邊界確定需要考慮的物質(zhì)和能量流,明確系統(tǒng)的輸入輸出。繪制流程圖使用流程圖軟件直觀地呈現(xiàn)各單元操作,聯(lián)系原料、產(chǎn)品和中間流程。選擇合適的單元操作根據(jù)分離目標(biāo)和物料特性,選擇蒸餾、吸附、抽提等適當(dāng)?shù)膯卧僮鲉卧４_定主要參數(shù)明確物料組成、流量、溫度、壓力等關(guān)鍵工藝參數(shù),為后續(xù)計(jì)算奠定基礎(chǔ)。輸入工藝參數(shù)進(jìn)料組成明確進(jìn)料的化學(xué)成分和相對(duì)比例,為后續(xù)的模擬計(jì)算奠定基礎(chǔ)。工藝條件輸入進(jìn)料溫度、壓力、流量等關(guān)鍵工藝參數(shù),確保模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合。分離目標(biāo)明確要分離的目標(biāo)產(chǎn)品及其純度要求,為塔內(nèi)設(shè)計(jì)提供方向性指引。選擇熱力學(xué)模型Peng-Robinson方程這是一種廣泛應(yīng)用于石油和天然氣工業(yè)的熱力學(xué)模型,能很好地預(yù)測(cè)純組分和混合物的熱力學(xué)性質(zhì)。NRTL模型這個(gè)非隨機(jī)兩液體(NRTL)模型適用于預(yù)測(cè)高度非理想的混合物,如酒精-水體系的活度系數(shù)。UNIFAC方法UNIFAC是一種基于基團(tuán)貢獻(xiàn)的熱力學(xué)模型,可預(yù)測(cè)非電解質(zhì)溶液的活度系數(shù),適用范圍廣泛。2.3.4進(jìn)行模擬計(jì)算建立流程模型根據(jù)輸入的工藝參數(shù)和物性數(shù)據(jù),使用ASPENPlus軟件建立精餾塔的流程模型,包括物料平衡和熱量平衡。調(diào)整模擬參數(shù)通過(guò)調(diào)整操作參數(shù),如回流比、進(jìn)料位置、塔頂壓力等,優(yōu)化精餾塔的設(shè)計(jì)方案。分析模擬結(jié)果檢查模擬結(jié)果是否滿(mǎn)足分離要求,比如產(chǎn)品純度、回收率等,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行敏感性分析。2.3.5優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)精細(xì)調(diào)整氣液比通過(guò)精細(xì)調(diào)整氣液比,可以達(dá)到最佳分離效果,提高產(chǎn)品純度。這需要多次試算與調(diào)整.優(yōu)化進(jìn)料條件對(duì)進(jìn)料溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以提高塔的整體性能和效率。這對(duì)于復(fù)雜混合物尤為重要。完善控制策略合理設(shè)計(jì)塔頂和塔底的壓力、溫度控制策略,確保精餾過(guò)程穩(wěn)定可靠運(yùn)行。2.3.6確定塔的主要尺寸塔徑尺寸根據(jù)進(jìn)料量、精餾要求和塔板種類(lèi)等因素確定精餾塔的直徑尺寸,確保塔內(nèi)液氣流及傳質(zhì)效率。塔高尺寸根據(jù)理論板數(shù)、板間距、進(jìn)料位置以及再沸器和冷凝器高度來(lái)確定塔身的總高度。確保理論板數(shù)滿(mǎn)足分離要求。附屬設(shè)備尺寸精餾塔還需要配套再沸器、冷凝器、中間容器和進(jìn)出料管線等附屬設(shè)備,要根據(jù)工藝條件和材料性能確定其尺寸和布置。2.3.7評(píng)估塔的性能進(jìn)料組成分析評(píng)估精餾塔性能時(shí),需詳細(xì)分析進(jìn)料的組成,包括主要成分比例、雜質(zhì)含量等,以確保后續(xù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。工藝參數(shù)優(yōu)化通過(guò)調(diào)整塔頂溫度、塔底溫度、蒸汽耗量等參數(shù),找到最佳工藝條件,達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量和能耗指標(biāo)要求。產(chǎn)品指標(biāo)評(píng)估仔細(xì)評(píng)估產(chǎn)品的純度、收率等指標(biāo),判斷精餾塔的分離性能是否滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。案例分析本節(jié)將介紹幾個(gè)典型的精餾分離案例,包括乙醇和水、甲苯和二甲苯、乙酸和水的分離,展示如何利用ASPENPlus軟件進(jìn)行精餾塔的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。分離乙醇和水精餾分離原理利用乙醇和水沸點(diǎn)差異,通過(guò)精餾塔進(jìn)行分離,可以得到高純度的乙醇產(chǎn)品。關(guān)鍵工藝參數(shù)精餾塔的進(jìn)料位置、回流比、塔頂溫度等參數(shù)需要調(diào)節(jié)優(yōu)化,以達(dá)到理想的分離效果。產(chǎn)品應(yīng)用分離得到的乙醇可用作化工原料、燃料等,具有廣泛的應(yīng)用前景。分離甲苯和二甲苯精餾原理利用甲苯和二甲苯沸點(diǎn)差異,通過(guò)精餾工藝可以將其有效分離。影響因素進(jìn)料組成、進(jìn)料條件、塔內(nèi)回流比等都會(huì)影響分離效果。軟件模擬可利用ASPENPLUS軟件模擬分離工藝,優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),提高產(chǎn)品純度。分離乙酸和水精餾分離利用乙酸和水沸點(diǎn)差異,通過(guò)精餾可有效分離兩者。建立精餾塔流程模型,合理選擇熱力學(xué)模型和工藝參數(shù),可得到高純度的乙酸產(chǎn)品。膜分離技術(shù)膜分離工藝如滲透蒸餾能夠高效分離乙酸和水。該方法可應(yīng)用于低濃度乙酸廢水的處理,回收乙酸資源。吸附分離選擇合適的吸附劑,如離子交換樹(shù)脂或活性炭,可從稀釋溶液中選擇性吸附提取乙酸,實(shí)現(xiàn)高效分離。注意事項(xiàng)在使用ASPENPlus軟件設(shè)計(jì)精餾塔時(shí),需要注意幾個(gè)重要的方面,包括熱力學(xué)模型的選擇、進(jìn)料條件的設(shè)置、塔內(nèi)構(gòu)件的選擇以及安全因素的考慮。這些都會(huì)對(duì)最終設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生重要影響,需要仔細(xì)研究和評(píng)估。2.5.1熱力學(xué)模型的選擇選擇合適的熱力學(xué)模型根據(jù)分離對(duì)象的化學(xué)性質(zhì)和操作條件,選擇適當(dāng)?shù)臒崃W(xué)模型對(duì)精餾過(guò)程進(jìn)行精確模擬,以提高設(shè)計(jì)的可靠性?？紤]相平衡數(shù)據(jù)深入分析進(jìn)料組分的相平衡數(shù)據(jù),選擇能夠準(zhǔn)確描述其熱力學(xué)性質(zhì)的模型。評(píng)估模型預(yù)測(cè)能力通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),評(píng)估所選熱力學(xué)模型對(duì)目標(biāo)體系的預(yù)測(cè)能力,確保設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。2.5.2進(jìn)料條件的設(shè)置進(jìn)料溫度對(duì)于精餾過(guò)程而言,進(jìn)料溫度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。需要根據(jù)進(jìn)料組分的沸點(diǎn)、精餾塔內(nèi)溫度梯度等因素合理設(shè)置進(jìn)料溫度,以提高分離效率。進(jìn)料狀態(tài)進(jìn)料可以是液體、蒸汽或二者的組合。液體進(jìn)料需要考慮預(yù)熱的必要性,而蒸汽進(jìn)料則需要考慮壓力以及飽和度等因素。進(jìn)料組分進(jìn)料組分的濃度比例直接影響到精餾塔的分離效果。需要根據(jù)原料來(lái)源和預(yù)期產(chǎn)品確定進(jìn)料的組分配比。2.5.3塔內(nèi)構(gòu)件的選擇填料類(lèi)型選擇合適的填料結(jié)構(gòu),如規(guī)則填料、不規(guī)則填料或結(jié)構(gòu)化填料,根據(jù)塔內(nèi)流場(chǎng)情況進(jìn)行優(yōu)化。分布板/集流器合理設(shè)計(jì)進(jìn)料、出料分布板,確保進(jìn)料和產(chǎn)品的均勻分布,提高塔效率。塔板配置選擇合適的塔板類(lèi)型,如篩板、閥板、泡沫板等,根據(jù)分離工藝需求進(jìn)行配置。安全因素的考慮安全評(píng)估對(duì)精餾塔系統(tǒng)進(jìn)行全面的安全評(píng)估,識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),制定相應(yīng)的防范和應(yīng)急措施。壓力控制確保精餾塔內(nèi)部壓力在安全范圍內(nèi),預(yù)防