PROII塔设计实例.doc

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

----------------------- Page 2-----------------------
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

----------------------- Page 5-----------------------
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

----------------------- Page 6--------------------
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

----------------------- Page 7-----------------------

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

----------------------- Page 8-----------------------
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℃。

---------------------- Page 9-----------------------
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