精馏塔设计与优化

《精馏塔设计与优化》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、《读书报告》精馏塔的设计与优化1.精馏塔的设计精馏塔的设计牵涉到众多的参数：产品组成、产品的流量、操作压力、塔板数、进料位置、回流比、再沸器热负荷、冷凝器冷却负荷、塔径、塔高。精馏塔设计中常见的情况是已知进料条件，即进料物流的流量F、组成zi、温度TF、压力PF。通常也会指定塔顶产品的中轻关键组分浓度xD,LK和塔底产品的重关键组分浓度xB,HK[1]。因此，设计的问题就在于确立精馏塔的操作压力，塔板数，进料位置，回流比，以得到期望纯度的产品。当确定了操作压力、塔板数、进料位置、回流比以及期望的产品纯度，则相应的再沸器热负荷、冷凝器冷却负荷、塔顶及塔底流量、塔径、塔高也即

2、为定值（具体的塔板类型及换热器结构不在讨论范围之内）。计算机编程能够精确的求解MESH方程组，但是简捷计算法仍被用于设计任务的初期，并且在界定问题上作为计算机的辅助手段，具有智能指导性的简捷计算法可以减少计算机的耗时和费用[2]。1.1.操作压力的确定对于绝大多数精馏塔的设计问题而言，选择独立操作塔（即与过程中其余部分无能量集成的塔）的操作压力是一项相对简单的，直截了当的任务，考虑的重点只是塔顶馏出物的冷凝温度，使其能够在炎热的夏季也能用自来水将蒸汽冷凝下来[3]。1.2.塔板数与回流比的计算在多组分精馏中，由于产品浓度不能完全确定，二元精馏中十分有效的逐板计算法在多元精

3、馏中遇到了困难，多元精馏的设计计算至今尚无通用有效的方法，只能应用核算型算法经多方案试算比较，得到合适的设计结果[4]。图解法（即McCabe-Thiele法）能很好地图示出VLE、回流比、塔板数，但该方法仅限于二元体系。随着组分数的增多，图解法也无法应用了。在多组分精馏中，对于有恒定α的多组分系统，可以用Underwood法求得最小回流比的精确解，其方程式为：6/6《读书报告》(1)经验表明，最佳回流比的值往往处在1.03

4、derwood方程的表达式[3]：(2)在多组分精馏中，对于有恒定α的多组分系统，Fenske导出了全回流条件下的最小塔板数的表达式：(3)式中αlk,hk是轻关键组分对重关键组分的相对挥发度，下标lk指轻关键组分，hk指重关键组分。当αlk,hk沿塔有些变化时，应取塔顶、加料和塔底处其值的平均值：(4)至此，对于理论塔板数的计算就可以通过查吉利兰图得到，或者通过吉利兰关联得到[4]：(5)对于多组分精馏设计中理论塔板数和回流比的确定，还有一些其他的数学方法，但以上计算式因形式相对简单、精确度较高而使用的比较广泛。在使用流程模拟软件时，在规定分离要求的情况下，对于最小塔板

5、数6/6《读书报告》的确定还可以参用依次减少塔板数，直至所需的回流比变得非常大为止（期间假定进料级数随总级数的增加维持一个固定的比值）；对于最小回流比的确定，可以不断的增加塔的级数，直至回流比不再下降为止[1]。1.1.进料位置的计算Brown和Martin建议，适宜进料位置的确定原则是：在操作回流比下精馏段与提馏段理论板数之比，等于在全回流条件下用Fenske公式计算得到的精馏段与提馏段理论塔板数之比[5]，即：(6)(7)同时，可得进料板数为Nr+1。经验表明，如果精馏塔两产品D和B量大致相当，此方法计算结果较准确。Kirkbrideulead提出了一个近似确定适宜进

6、料位置的经验式：(8)上述两种方法中，后者的计算结果稍好一些。1.精馏塔的优化精馏过程的优化分为设计优化和操作优化。设计优化是根据目标函数求解最优的设计参数和操作参数，如塔板数、进料位置、回流比、操作压力等，以解决工艺和设备设计问题。精馏过程的操作优化是在保证产品质量和稳定操作的前提下，通过改变回流比、进料位置、进料状态等来提高产率，节能降耗[6]，而对塔硬件不做改动。在完成了物料和能量平衡自后，就可以用简捷法计算出设备的尺寸，然后可以用DouglasJ.M在其著作《化工过程的概念设计》[3]附录E中给出的计算方法6/6《读书报告》计算出设备的建设费用和操作费用。对于单个

7、设备的设计优化问题，通常都具有类似的结构：一个费用模型和若干个用等式来表示的约束条件；其都会表现出相似的特征：即在单调增与单调减的费用函数之间求取平衡，而且复合函数往往会有一个极值。现在比较通用的优化方法是选择一个目标函数，该目标函数可以包含设备费用和操作费用。比较常用的目标函数有：年度总费用(totalannualcost，TAC，),利润等。实际操作的时候通常是固定其余的优化变量，拿其中一个变量在合适的取值范围内寻找使目标函数取得极值的值，然后换做其他变量，依次迭代进行。这种优化措施虽然效果很好，但却很费时，所以对某些影响