国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

Pro II在化工原理課程設(shè)計中的應(yīng)用

2018-10-18 07:16:26韓淑萃呂燕根
關(guān)鍵詞:沸器精餾塔塔頂

韓淑萃,呂燕根

(福州大學(xué)至誠學(xué)院 化學(xué)工程系,福建 福州 350300)

化工原理是一門研究大規(guī)?;どa(chǎn)中物理性質(zhì)變化規(guī)律的工程學(xué)科,起到了由基礎(chǔ)理論課向工程專業(yè)課進行過渡的橋梁作用,其研究的對象是各種單元操作,如流體流動、傳熱、過濾、蒸發(fā)、吸收、精餾和干燥等[1,2].化工原理教學(xué)的特點:單元操作種類繁多、概念多、計算復(fù)雜、許多操作性計算涉及迭代計算.化工原理課程主要包括化工原理理論教學(xué)、化工原理實驗和化工原理課程設(shè)計等[3,4].

化工原理課程設(shè)計是在完成化工原理理論教學(xué)和化工原理實驗之后的一個重要實踐環(huán)節(jié),是綜合運用化工原理知識及相關(guān)先修課程如物理化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工設(shè)備機械基礎(chǔ)和Auto Cad等,對選定一個與生產(chǎn)實際緊密結(jié)合的單元操作開展實踐性設(shè)計,重在培養(yǎng)學(xué)生的生產(chǎn)實際觀、過程優(yōu)化觀、技術(shù)經(jīng)濟觀、工程全局觀等,是增強學(xué)生化工設(shè)計能力的一個重要教學(xué)環(huán)節(jié)[5,6].目前,我?;ぴ碚n程設(shè)計題目是精餾塔及其附屬設(shè)備的設(shè)計,之前同學(xué)開展課程設(shè)計主要是通過手工計算,存在計算量大、計算精度差等缺點.近年來我們將Pro II流程模擬軟件引入該課程設(shè)計,較好地解決了上述問題,并且對培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計能力等均具有重要的作用[7,8].筆者在開展化工原理課程設(shè)計過程中,探索了引入Pro II軟件進行精餾及其附屬單元操作課程設(shè)計的全過程,在給出指定的設(shè)計任務(wù)后,要求精餾單元操作開展簡捷算法之后再進行嚴格模型計算、并進行塔頂冷凝器和再沸器的相關(guān)計算[9],取得了良好的教學(xué)效果,加深了學(xué)生對化工原理理論知識的掌握,提高了化工原理課程設(shè)計的效率和質(zhì)量,增強了學(xué)生的工程意識,促進了學(xué)生從事化工設(shè)計的興趣.

1 Pro II簡介

Pro II是一個大型通用的流程模擬軟件,源自1967年美國SimSci公司研制的首個蒸餾模擬器,當前最新版本Pro II 10.0.Pro II軟件可進行化工過程嚴格的熱量和質(zhì)量衡算,通過改進工藝設(shè)計和運行分析并進行工程研究來優(yōu)化工廠性能,并為每個工業(yè)提供了各種各樣的熱力學(xué)模型,廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè),包括石油和天然氣生產(chǎn)、煉油、石化、化工、制藥和聚合物等[10].

Pro II在中國也得到了廣泛的應(yīng)用,自20世紀80年代進入中國后,眾多的石油和化工設(shè)計院以及高校均引進了該軟件,應(yīng)用工藝設(shè)計、流程優(yōu)化、指導(dǎo)開車和人員培訓(xùn)等方面,由于該軟件的推廣應(yīng)用,達到了優(yōu)化生產(chǎn)裝置、降低生產(chǎn)成本、節(jié)能降耗等目的,具有重大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益[11].

2 精餾單元操作中的應(yīng)用

2.1 簡捷精餾

Pro II中簡捷精餾模塊名稱為Shortcut,在指定的加料條件和分離要求下,通過Fenske-Underwood-Gilliland捷算法求出精餾塔的最小理論板數(shù)和最小回流比,并給出指定回流比下的理論板數(shù)和進料位置.在進行嚴格的逐板計算之前,先進行簡捷的精餾計算是有益的,因為初步計算可為我們提供如何才是合理的初步概念.

設(shè)計任務(wù):完成一個連續(xù)板式精餾塔及其附屬輔助設(shè)備的設(shè)計,實現(xiàn)連續(xù)分離苯和甲苯混合液,處理量1.8萬噸/年,年操作時間7200小時,原料液中苯含量35%(質(zhì)量分數(shù),下同),進料溫度32℃,分離要求:苯產(chǎn)品純度99.8%,甲苯產(chǎn)品純度99.9%.

上述任務(wù)涉及精餾塔設(shè)計型的計算,需要確認精餾塔的操作壓力、回流比、理論板數(shù)以及進料位置等.操作壓力是精餾過程的一個重要參數(shù),這是由于該操作過程中塔釜液體泡點溫度和蒸汽露點溫度都跟壓力相關(guān),加壓精餾可提升塔頂上升蒸汽的冷凝溫度從而避免使用費用高昂的低溫冷凍介質(zhì),另外,對于常壓下為氣態(tài)混合物的分離也需要將其加壓至液體再進行精餾分離;減壓精餾主要是降低了塔釜沸騰溫度進而避免使用高溫加熱劑,此外對于一些熱敏性分離體系如香料或受熱易聚合的物質(zhì)也常采用減壓操作.除上述情況以外,精餾一般用常壓操作,根據(jù)常壓下苯和甲苯沸點分別為80.1℃和110.6℃,可通過常壓操作進行分離.

在Pro II中新建一個模擬文件,在右側(cè)的模塊面板中選擇Column下面的Shortcut簡捷模塊,再連接好物流,工藝流程如圖1所示.然后,根據(jù)軟件中工具欄上的紅色外框標記提醒進行輸入?yún)?shù)的設(shè)置(Pro II中紅色外框標記表示該地方需要參數(shù)設(shè)置),依次設(shè)置默認單位制(選擇米制單位)、選擇待分離的組分(苯和甲苯)、選擇熱力學(xué)方法(NRTL-RK),然后雙擊Shortcut簡捷模塊,在彈出

的“Shortcut Distillation”窗體中,其中“Condenser/Reboiler”頁面和“Fenske Estimaties”頁面按照默認的泡點溫度回流和Fenske估計值,“Minimum Reflux”頁面中,輸入輕關(guān)鍵組分(苯)、重關(guān)鍵組分(甲苯)、操作回流比與最小回流比的比值(設(shè)為1.8),如圖2所示.“Specifications”頁面中,規(guī)定塔頂輕關(guān)鍵組分苯純度為要求的0.998,塔釜重關(guān)鍵組分甲苯純度為0.999.完成上述輸入之后即可點擊工具欄上面的RUN按鈕,進行指定分離要求下的最小回流比與最小理論板數(shù)計算,結(jié)果如圖3所示.

圖1 苯-甲苯分離的工藝流程

圖2 Shortcut簡捷模塊中Minimum Reflux輸入界面

圖3 簡捷模塊Shortcut計算結(jié)果

回流比對精餾設(shè)備投資費用與操作費用有重要影響.其設(shè)備費用主要指精餾塔、冷凝器、再沸器及其附屬設(shè)備的購置費用,而操作費主要指塔頂冷凝器中冷卻介質(zhì)消耗量、再沸器的加熱介質(zhì)(通常是水蒸氣)消耗量及其動力消耗等費用.回流的下限是最小回流比,對應(yīng)于無窮多理論塔板,故設(shè)備費用無窮大,此時增大回流比,起初可顯著降低理論塔板,設(shè)備費用顯著減少.繼續(xù)增大回流比,理論塔板雖仍可繼續(xù)減少,但是下降非常緩慢[12].另外,由于回流比的上升,塔內(nèi)上升的蒸汽量卻明顯增大,致使精餾塔的塔徑、塔內(nèi)件、再沸器和冷凝器等設(shè)備的尺寸相應(yīng)增大,導(dǎo)致所需的設(shè)備費用和操作費用同時上升,因此對于一定的分離任務(wù),應(yīng)選擇適宜的回流比,通常為最小回流比的1.1~2.0倍,在上述Shortcut簡捷模塊中我們設(shè)置該值為1.8.圖3顯示最小理論板數(shù)為15.26,最小回流比為1.57.適宜的回流比為2.83,對應(yīng)的理論板數(shù)為24塊,進料位置為12.

2.2 嚴格精餾

上述簡捷精餾是基于恒摩爾流假設(shè)進行的一種簡化計算方法,因此,實際的分離要求需要通過嚴格模型進一步計算即求解MESH方程組,而且不能準確獲取實際塔板的水力學(xué)數(shù)據(jù)和精餾塔頂和塔釜熱負荷.為此,我們通過Pro II中嚴格精餾模塊Distillation開展嚴格計算.由于該模型屬于操作型計算,需要將簡捷精餾計算的結(jié)果作為輸入條件.

嚴格精餾的模擬步驟與簡捷精餾相似,將簡捷精餾的模擬文件另存作為嚴格精餾的文件,刪除流程圖中的Shortcut模塊,選擇Column下面的Distillation模塊,在彈出的窗體中輸入理論板數(shù)為24,即簡捷精餾的適宜理論板數(shù),再連接好物流,工藝流程與圖1類似,通過上述操作,只需要對Distillation模塊進行參數(shù)設(shè)置即可進行嚴格模擬計算.雙擊Distillation嚴格模塊,在彈出的“Column”窗體中,對標有紅色外框的按鈕進行輸入?yún)?shù)的設(shè)置,其中“Pressure Profile”頁面中,輸入頂部塔板壓力為101kPa,整塔壓降5kPa;“Feeds and Products”頁面中,輸入進料位置第 12塊;“Reboiler”頁面中,設(shè)置再沸器的類型為熱虹吸式再沸器(無擋板),并規(guī)定再沸器出口中汽相的質(zhì)量分數(shù)為0.15;“Specifications and Variables”頁面中,規(guī)定塔頂采出量為875.15 kg/hr,回流比為2.83,如圖4所示.其他沒標有紅色外框的按鈕按照默認設(shè)置.完成上述設(shè)置之后,點擊RUN按鈕,計算結(jié)果:塔頂苯產(chǎn)品純度為0.9947,塔釜甲苯產(chǎn)品純度0.9972,與分離要求苯純度0.998、甲苯純度為0.999有一定的差距,這表明簡捷精餾模塊精度較差.

圖4 嚴格精餾的Specifications and Variables輸入頁面

為了使塔頂和塔釜的產(chǎn)品純度達到分離要求,可在原嚴格精餾模擬流程上添加兩個控制器模塊(Controller),分別是CN1和CN2.CN1中的目標函數(shù)是塔頂苯純度0.998,變量為塔頂采出量(COL1SPEC1,見圖4);CN2中的目標函數(shù)是塔釜甲苯純度0.999,變量為回流比(COL1SPEC2,見圖4).設(shè)置完成并運行,通過嚴格精餾計算達到設(shè)計任務(wù)規(guī)定的分離要求所需的回流比為4.14,塔頂采出量為875.15kg/hr,如圖5所示.精餾塔塔徑計算可在“Column”窗體中的“Tray Hydraulics/Packing”頁面里設(shè)置,通過Internals中的Trays或Structured Packing進行板式塔或者規(guī)整填料塔的設(shè)計計算,計算結(jié)果:當塔板類型為浮閥時,塔徑向上圓整后為0.8 m;而使用MELLAPAK 500Y規(guī)整填料時,塔徑向上圓整后為1.0m.

圖5 嚴格精餾計算結(jié)果

經(jīng)上述嚴格精餾計算,實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)的要求,精餾塔的各個參數(shù)如下:塔頂壓力101kPa,理論板數(shù)24,進料位置12,操作回流比4.14,塔頂采出量875.15kg/hr,塔板類型為浮閥時塔徑為0.8m,規(guī)整填料為MELLAPAK 500Y型號時塔徑是1.0m;塔釜再沸器能耗0.4977Gcal/hr,塔頂冷凝器能耗0.4230Gcal/hr.

3 換熱器單元操作中的應(yīng)用

在完成對精餾塔的設(shè)計計算之后,需對其附屬設(shè)備如塔頂冷凝器和塔釜再沸器等換熱器進行設(shè)計計算.對應(yīng)常規(guī)待分離體系,精餾塔頂冷凝器一般采用臥式冷凝器,這是由于同樣的換熱要求下,臥式換熱器的換熱效率高于立式,冷卻介質(zhì)(通常是循環(huán)水)走管程,工藝介質(zhì)走殼程.對于黏度較低的分離體系,精餾塔釜再沸器通常采用熱虹吸式再沸器,相對于強制循環(huán)再沸器可節(jié)省循環(huán)泵的設(shè)備費用及消耗電能的操作費用.

Pro II中提供了兩種換熱器模塊,分別是Simple HX和Rigorous HX,前者可進行給定總傳熱系數(shù)的設(shè)計型計算,后者進行嚴格的核算模式,因此換熱器計算可用這兩個模塊進行設(shè)計.在此簡要介紹前者的計算,在嚴格精餾模擬文件中添加兩個Simple HX模塊,如圖6所示,分別命名為CONDENSER和REBOILER作為塔頂冷凝器和塔釜再沸器,并引入虛擬物流(Pseudoproducts)T1-V連接至第2塊板的汽相作為冷凝器的熱物流進口、引入虛擬物流T1-L連接至第23塊板的液相作為再沸器的冷物流進口,如圖7所示.

圖6 再沸器和冷凝器設(shè)計

圖7 精餾塔中虛擬物流設(shè)置

上述兩個換熱器的公用工程一側(cè)的流體參數(shù)采用Utility Stream來定義,方便快速,不需要添加額外的物流.對于塔頂冷凝器,公用工程為冷流體,在“Utility Stream”頁面中,選用循環(huán)水作為換熱介質(zhì),進出口溫度分別為32和37℃;在“Specifications”頁面中,規(guī)定熱物流出口液相分率為1,總傳熱系數(shù)為400 kcal/hr.m2.K;對于塔釜再沸器,公用工程為熱流體,在“Utility Stream”頁面中,選用水蒸氣作為換熱介質(zhì),蒸汽溫度140℃;在“Specifications”頁面中,規(guī)定冷物流出口液相分率為0.85,即再沸器的汽化率為0.15,總傳熱系數(shù)為400kcal/hr.m2.K,通過上述設(shè)置即可算出冷凝器和再沸器的換熱面積及公用工程消耗,如圖8與9所示.

圖8 冷凝器設(shè)計結(jié)果

圖9 再沸器設(shè)計結(jié)果

由圖8可知,塔頂冷凝器循環(huán)水用量84.6噸/小時,換熱面積計算值為23.2m2,通過《化工工藝設(shè)計手冊》[13],選用臥式雙管程標準換熱器,換熱面積28.7m2,規(guī)格DN450×3000,換熱管是DN25×2,管子根數(shù)126;塔釜再沸器水蒸氣每小時用量1013kg,換熱面積為44.1m2,通過《化工工藝設(shè)計手冊》,選擇標準的立式熱虹吸再沸器,換熱面積51.1m2,規(guī)格DN800×1500,換熱管是DN25×2,管子根數(shù)467.再將選型出的冷凝器和再沸器利用Rigorous HX模塊進行核算(Calculation Type選擇Rating),將上述換熱器的參數(shù)輸入該模塊中,再運行計算,經(jīng)核算所選擇的兩個標準換熱器均滿足換熱要求.

經(jīng)上述精餾塔及其附屬設(shè)備換熱器的設(shè)計計算,得到了滿足設(shè)計任務(wù)下的精餾塔及其換熱器的設(shè)備規(guī)格,結(jié)果見表1.

表1 苯-甲苯精餾設(shè)計結(jié)果

4 結(jié)論

近年來,我們在化工原理課程設(shè)計過程中,將Pro II流程模擬軟件引入該課程設(shè)計,開展精餾及其附屬單元操作的全工藝參數(shù)設(shè)計,較好地解決了之前手工計算存在的計算量大、計算精度差等弊端.在指定設(shè)計任務(wù)后,要求精餾單元操作開展簡捷算法之后再進行嚴格模型計算,并進行塔頂冷凝器和再沸器的相關(guān)計算,取得了良好的教學(xué)改革效果,加深了學(xué)生對化工原理理論知識的掌握,提高了化工原理課程設(shè)計的效率和質(zhì)量,增強了學(xué)生的工程意識,促進了學(xué)生從事化工設(shè)計的興趣,學(xué)生在全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽中多次取得良好的成績.

猜你喜歡
沸器精餾塔塔頂
一起精餾塔自燃事故的原因分析及防范措施的改進
汽提塔底重沸器換熱管腐蝕研究
精餾再沸器運行總結(jié)
儀表風(fēng)控制重沸器溫度的改造
中國煤層氣(2019年4期)2019-11-23 08:42:50
青蛙爬塔
立式熱虹吸重沸器安裝高度計算
山東化工(2018年7期)2018-04-25 03:07:30
躍向塔頂
氨水吸收式制冷系統(tǒng)中精餾塔性能模擬與分析
青蛙爬塔的啟示
內(nèi)部熱集成精餾塔分離混合碳五的模擬研究
平武县| 富川| 阿巴嘎旗| 鸡西市| 沙湾县| 中方县| 贡山| 本溪市| 黄山市| 澎湖县| 怀安县| 金山区| 安溪县| 凌源市| 临安市| 如皋市| 东乌珠穆沁旗| 江津市| 汉中市| 永城市| 扎鲁特旗| 白水县| 云梦县| 景宁| 四平市| 酒泉市| 溧水县| 梧州市| 隆尧县| 濮阳县| 博乐市| 云霄县| 盱眙县| 武冈市| 冕宁县| 湟中县| 乐东| 阿勒泰市| 普定县| 汤阴县| 土默特左旗|