资源描述
塔设计实
Prob-20 蒸馏塔设计算例(1)
1、工艺条件
有一泡点物料， F=100kgmol/hr；物料组分和组成如下：
进料组分和组成
组分 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12
组成（mol% ） 1 79 12 8
2、设计要求
试设计蒸馏塔，将 C3 和 C4 分离；塔顶物料要求 butane 浓度小于 0.1％，
塔釜物料要求propane浓度小于0.1％；
试确定该物料的进塔压力；塔的操作压力，理论板数，进料位置，回流比，
冷凝器及再沸器热负荷；
公用工程条件：冷却水30℃，蒸气4kg/cm2(温度143℃)；
冷凝器设计要求热物料入口温度与水进口温之差大于 10℃，水的允许温升
为10℃；再沸器冷物料入口温度与蒸气进口温差大于15℃。
塔的回流比取最小回流比的1.2倍。
模拟计算采用SRK方程；
3、塔简化法提示
简化法塔的操作压力无填写对话框，故进料的压力即默认为操作压力。
4、简化计算说明
（1） 须根据公用工程条件确定操作压力，即塔顶冷凝器须采用冷却水冷却，故
塔顶上升气相温度应不低于 40℃；塔釜再沸器采用蒸气加热，进再沸器
物料温度不得高于128℃。操作压力可以采用简化法试算，即先假设一操
作压力，若温度未满足要求则调整压力，直至温度要求满足为止。
（2） 采用简化法，求理论塔板数和回流比
先假设操作压力8kg/cm2,简化法计算如下图及表所示：
计算结果表明塔顶、塔釜温度分别为 16℃和 80.4℃，均不满足要求，故
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须提高塔的操作压力。
S2
SCD1
S1
S3
Stream Name S1 S2 S3
Stream Description
Phase Liquid Liquid Liquid
Temperature C 23.570 16.021 80.430
Pressure KG/CM2 8.000 8.000 8.000
Flowrate KG-MOL/HR 100.000 80.060 19.940
Composition
ETHANE 0.010 0.012 0.000
PROPANE 0.790 0.987 0.001
BUTANE 0.120 0.001 0.598
PENTANE 0.080 0.000 0.401
（3） 再假设操作压力16kg/cm2，进行简化计算，结果如下表：
Stream Name S1 S2 S3
Stream Description
Phase Liquid Liquid Liquid
Temperature C 53.643 44.246 114.992
Pressure KG/CM2 16.000 16.000 16.000
Flowrate KG-MOL/HR 100.000 80.060 19.940
Composition
ETHANE 0.010 0.012 0.000
PROPANE 0.790 0.987 0.001
BUTANE 0.120 0.001 0.598
PENTANE 0.080 0.000 0.401
简化计算结果塔顶、塔釜温度分别为44.2℃和115℃，均满足要求，故设
定压力合适。
简化计算的详细结果如下：
MINIMUM REFLUX RATIO 1.07745
FEED CONDITION Q 1.00000
FENSKE MINIMUM TRAYS 16.76383
OPERATING REFLUX RATIO 1.20 * R-MINIMUM
----------------------- Page 3-----------------------
TOTAL FEED R/R-MIN M/M-MIN REFLUX DUTY, M*KCAL/HR
TRAYS TRAY RATIO CONDENSER REBOILER
----- ---- ------- ------- ------ ---------- ----------
42 14 1.100 2.476 1.185 -5.246E-01 5.560E-01
39 13 1.150 2.349 1.239 -5.375E-01 5.689E-01
38 13 1.200 2.246 1.293 -5.505E-01 5.819E-01
36 12 1.250 2.156 1.347 -5.634E-01 5.948E-01
35 12 1.300 2.076 1.401 -5.763E-01 6.077E-01
简化法计算给出围绕规定的操作回流比和最小回流比的倍数（本例1.2）共5个
工况的计算结果，供用户选择。可取操作压力16kg/cm2，理论板38块，进料位
置13块，回流比1.293，作为严格计算的条件。
（4）塔的操作压力计算机自动确定方法
方法1：应用反馈控制求取
采用反馈控制功能计算塔的操作压力。此时控制目标可设为塔顶的操作温度，如
42℃，由于简化法模块不支持塔压作为控制变量，故控制变量须设为进料的压力。
计算结果如下：
Stream Name S1 S2 S3
Stream Description
Phase Liquid Liquid Liquid
Temperature C 51.197 41.967 112.192
Pressure KG/CM2 15.199 15.199 15.199
Flowrate KG-MOL/HR 100.000 80.060 19.940
Composition
ETHANE 0.010 0.012 0.000
PROPANE 0.790 0.987 0.001
BUTANE 0.120 0.001 0.598
PENTANE 0.080 0.000 0.401
可以看出，当塔压为15.2kg/cm2时，塔顶、塔釜温度均符合设计要求。
方法2：应用灵敏度分析求取
采用case study模块，做不同进料压力下的简化法计算，结果如下：
CYCLE PRES TEMP1 TEMP2
NUMBER KG/CM2 C C
------ ------------ ------------ ------------
Base 8.0000 16.0208 80.4295
1 8.0000 16.0208 80.4295
2 9.0000 20.4519 85.8435
3 10.0000 24.5353 90.8374
----------------------- Page 4-----------------------
4 11.0000 28.3304 95.4803
5 12.0000 31.8817 99.8281
6 13.0000 35.2239 103.9227
7 14.0000 38.3846 107.7977
8 15.0000 41.3860 111.4800
9 16.0000 44.2462 114.9918
10 17.0000 46.9803 118.3516
可以看出，塔压为15kg/cm2以上时，塔顶、塔釜的温度均符合设计要求，
可从中选取适当者。
5、严格法计算
（1） 计算条件
严格法条件和简化法略有不同，兹简述如下：
塔顶压力设为16kg/cm2，冷凝器压力15.8kg/cm2,全塔压降0.2kg/cm2;
进料压力设为16.5kg/cm2；
设计规定1：回流比1.293;
设计规定2：塔顶采出量80kgmol/hr;
其余参数采用简化法计算结果。
（2） 计算结果
STREAM ID S1 S2 S3
PHASE LIQUID LIQUID LIQUID
FLUID MOLAR FRACTIONS
1 ETHANE 1.0000E-02 0.0125 2.4704E-14
2 PROPANE 0.7900 0.9867 3.1377E-03
3 BUTANE 0.1200 7.8392E-04 0.5969
4 PENTANE 0.0800 1.7163E-07 0.4000
TOTAL RATE, KG-MOL/HR 100.0000 80.0000 20.0000
TEMPERATURE, C 55.1282 43.6750 115.4374
PRESSURE, KG/CM2 16.5000 15.8000 16.2000
分析计算结果，塔顶物料中 butane 的浓度为 0.00078，超出分离要求；塔釜物
料中 propane 浓度为 0.0031，尚未达要求，故须进一步调整操作条件，使之达
到设计要求。
调整方法 1：人工调整，由于塔顶物料中 butane 浓度超出分离要求，故可适当
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增加塔顶采出量，设调整为80.07kgmol/hr，则各物料组成如下：
STREAM ID S1 S2 S3
NAME
PHASE LIQUID LIQUID LIQUID
FLUID MOLAR FRACTIONS
1 ETHANE 1.0000E-02 0.0125 4.6558E-16
2 PROPANE 0.7900 0.9866 7.8067E-06
3 BUTANE 0.1200 8.7565E-04 0.5986
4 PENTANE 0.0800 1.8125E-07 0.4014
TOTAL RATE, KG-MOL/HR 100.0000 80.0700 19.9300
TEMPERATURE, C 55.1282 43.6794 115.7705
PRESSURE, KG/CM2 16.5000 15.8000 16.2000
此时，塔顶、塔釜分离要求均达到，操作压力、温度均符合规定工艺条件。计算
符合要求。
调整方法2：改变塔计算的工艺规定设置，设定塔顶、塔釜的分离要求均为0.001。
计算结果如下：
STREAM ID S1 S2 S3
NAME
PHASE LIQUID LIQUID LIQUID
FLUID MOLAR FRACTIONS
1 ETHANE 1.0000E-02 0.0125 1.2051E-14
2 PROPANE 0.7900 0.9865 1.0000E-03
3 BUTANE 0.1200 1.0002E-03 0.5978
4 PENTANE 0.0800 2.2914E-07 0.4012
TOTAL RATE, KG-MOL/HR 100.0000 80.0602 19.9398
TEMPERATURE, C 55.1282 43.6840 115.6753
PRESSURE, KG/CM2 16.5000 15.8000 16.2000
-------- REFLUX RATIOS --------
MOLAR WEIGHT STD L VOL
--------- --------- ---------
REFLUX / FEED STREAM S1 0.9870 0.9056 0.9466
REFLUX / LIQUID DISTILLATE 1.2329 1.2329 1.2329
由于规定了塔顶、塔釜的分离要求，从计算结果可以看出塔顶 butane 和塔釜
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propane的浓度均达到0.001。而回流比只有1.2329，比简化法计算所得的1.293
略小。
6、进料位置分析
塔的工艺条件全面满足后，还须分析进料位置是否恰当，是否是最佳进料位置。
在蒸馏塔设计中进料板位置分析十分重要，绝对不能忽视。可以采用优化器或其
它多种方法来确定最佳进料板位置；其中灵敏度分析是较准确、可靠的方法。
方法1：灵敏度分析法
原进料板设定：13板；
灵敏度分析：进料板从10～27板变化，每一板均作计算；
灵敏度分析目标参数：由于设定了塔的顶、底分离要求作为工艺规定，则回流比
最小时的进料板即为最佳进料位置。
下表给出了随进料板位置变化，塔的回流比、冷凝器和再沸器热负荷的变化。可
以看出，21块板进料时，这三个参数均最小。也即21板为最佳进料板位置。
FEED REFLUX Condenser Reboiler
Tray Ratio Duty Duty
M*KCAL/HR M*KCAL/HR
------ ------------ ------------ ------------
10 1.5959 -0.6570 0.6816
11 1.4325 -0.6157 0.6403
12 1.3175 -0.5865 0.6112
13 1.2331 -0.5652 0.5898
14 1.1691 -0.5490 0.5736
15 1.1193 -0.5364 0.5610
16 1.0798 -0.5264 0.5510
17 1.0480 -0.5183 0.5429
18 1.0227 -0.5119 0.5365
19 1.0027 -0.5069 0.5315
20 0.9883 -0.5032 0.5279
21 0.9807 -0.5013 0.5259
22 0.9832 -0.5019 0.5266
23 1.0023 -0.5068 0.5314
24 1.0501 -0.5188 0.5435
25 1.1449 -0.5428 0.5675
26 1.3311 -0.5900 0.6146
27 1.6706 -0.6759 0.7006
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方法2：优化器
优化器参数设定如下：
目标函数为回流比最小，优化变量为进料板位置，起始进料板位置为 13 块。计
算结果如下：
BEST OBJECTIVE FUNCTION = 9.79614E-01 AT CYCLE NUMBER 4
*** FRACTIONAL RELATIVE CHANGE IN OBJECTIVE IS LESS THAN 5.0000E-03 ***
VARY --------- VARIABLE ----------
INDEX INITIAL VALUE OPTIMUM VALUE
----- ------------- -------------
1 1.30000E+01 2.12468E+01
OPTIMIZER HISTORY
---- VALUES ----
CYCLE 1 2 3 BEST - 4
---------- ----------- ----------- ----------- -----------
VARY 1 1.3000E+01 1.6600E+01 2.1640E+01 2.1247E+01
OBJECTIVE 1.2329E+00 1.0657E+00 9.8153E-01 9.7961E-01
优化器迭代4次即得到最优解，计算的最佳进料板位置为21.24块，和灵敏度分
析得到的结果一致。板数出现小数是由于计算机迭代自动选取步长的缘故，如规
定步长为整数，则不会出现这一问题。
但在许多情况下，优化器计算并不能得到真正的最佳进料板位置，非常可能得到
的是次优解或非最优解。故采用优化器计算时决不能掉以轻心，轻易相信所得的
计算结果，必须仔细进行分析，确认得到的是真正最优解。
7、简化法与严格法比较
从上述两种方法的计算结果可以看出以下问题：
（1） 进料板位置两种方法存在较大差异
简化法求出进料板位置为13板；
严格法通过灵敏度分析求得最佳进料板位置为21板；
（2） 回流比及热负荷的不同
简化法与严格法计算所得回流比和热负荷均存在一定差别，若进行进料板
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位置优化后，可以获得较大的节能效果。如下表所示：
工况 简化法 严格法 严格法 节能幅度**
（13板进料） （13板进料） （21板进料） （％）
回流比(mol) 1.293 1.233 0.98 －
冷凝器热负荷 -0.5505 -0.5652 -0.5013 11.3
（Mkcal/hr）
再沸器热负荷 0.5819 0.5898 0.5259 10.83
（Mkcal/hr）
**指与严格法进料位置未优化时相比
从上表数据可知，进料位置的优化相当重要，可使能耗较大幅度的下降，本
例中冷凝器和再沸器的热负荷均下降了10％以上。
（3） 计算准确性之异同
从计算准确性来说，严格法可以准确的预测塔顶、塔釜的物料组成；进料位
置和回流比。这是简化法所无法做到的。
8、结论
(1) 简化法所得的理论板数和回流比可以作为严格法的一个很好的初值，在
此基础上采用严格法再作深入的计算和分析，最终得到准确的蒸馏塔工
艺设计数据。
(2) 蒸馏塔的计算必须采用严格法，才能得到准确、可靠的结果。
9、其它节能措施－进料状态的优化
假设存在 90℃的热水可以无偿使用，试问该蒸馏塔应如何节能。（文件
column-2）.
已知条件：冷却水0.60元/吨，蒸气90元/吨。蒸气汽化潜热510kcal/kg，
冷却水温升8℃。
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作进料板 21 块时的灵敏度分析，计算结果如下（未考虑进料状态不同时，
最佳进料板的不同）：
CYCLE REFLUX TEMP Condenser Reboiler LIQUID
NUMBER MOLE C M*KCAL/HR M*KCAL/HR Frac
------ ------------ ------------ ------------ ------------ ------ ------
Base 0.9802 55.1300 -0.5012 0.5257 0.9998
1 0.9802 55.1300 -0.5012 0.5257 0.9998
2 1.0161 56.7420 -0.5102 0.4715 0.8128
3 1.0543 58.3540 -0.5199 0.4263 0.6538
4 1.0939 59.9660 -0.5299 0.3898 0.5219
5 1.1344 61.5780 -0.5402 0.3600 0.4116
6 1.1756 63.1900 -0.5506 0.3357 0.3183
7 1.2179 64.8020 -0.5613 0.3156 0.2381
8 1.2609 66.4140 -0.5722 0.2987 0.1680
9 1.3040 68.0260 -0.5831 0.2844 0.1061
10 1.3483 69.6380 -0.594
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