水-エタノール蒸留塔

成分として、エタノールと水を選択し、物性推算方法としてNRTLを選択する。Flash Algorithmして、Nested Loops(VLLE)を選んだ。
まず大切なのは、物性計算が正確にされているかの確認だ。エタノール-水系は、共沸しているはずである。
とりえあずMaterial Streamを作成して、上部メニュー Utilities -> Add Utilityで、Material Streams -> Binary Phase Envelop -> 今作ったストリームの選択して
XY線図を描画させてみる。下記のCalculateボタンを押すと、描画してくれる。

良い感じのXY線図である。


次に、蒸留塔ユニットを設置して、FeedのAddボタンで入口ストリームを接続する。
デフォルトで12段の蒸留塔なので、最適化は後でするとして、とりあえず中間の6段目あたりに接続する。



蒸留塔ユニットには、ストリームを新しく作成する機能はないので、下図のように、
予め、上部ストリーム、下部ストリーム、コンデンサー用のエネルギーライン、リボイラー用のエネルギーラインの4つを作成しておこう。



そして、先程、Feedを接続したのと同じように、各ラインを接続する。
Feedの条件を、温度=25℃(298.15K), 圧力=200kPa, Molar Flow=100 mol/s, 組成 Water=0.5, Methanol=0.5とする。

蒸留塔のスペックは、デフォルトで全凝縮コンデンサーで還流比5となっている。また、リボイラーのページで製品抜出量の指定ができる。
このボトムからの製品抜出量を50 mol/sとしよう。(Feedが100 mol/sなので、それらしい値を入れないと収束計算に失敗する。)

このスペックでとりあえず収束計算が終了していると思う。そしたら、Initial Estimates(初期値)をアップデートしておこう。
そして横にあるT,LF,VF,Cのチェックボックスにチェックを入れてゆく。
次回からは、この初期値から計算を始めるので、さらに収束しやすくなる。




とりあえず、下図のように蒸留計算が終わっている。
まだ、ボトムにはかなりのエタノールが残っているので、これから最適化をして行こうと思う。



蒸留塔のResultページのView Temperature, Pressure, and Composition Profilesボタンでいろいろ計算結果を見れる。
段数vs.組成のグラフを見てみよう。

結論、簡単な蒸留塔は、すぐに解けるが、少し難しくなるとかなり正確に初期値を与えないと収束してくれないイメージがある。
また、収束アルゴリズムや各パラメータをいじる必要も出てくるように思う。

一度収束しなくなると、もう何をやっても収束しなくなる。(あれ?初期値ちゃんと使ってくれているのか?と疑問に思う。)
なので、収束したファイルを、こまめにセーブして、ダメになったら、何度もリロードする羽目に。。
そこら辺はさすがに商用プロセスシミュレータに軍配が上がる。
といっても、商用でも難しい蒸留塔は、結局トライ&エラーで収束させてゆくのだが、その収束解に辿り着くまでの手間ひまが何倍もかかる気がする。
(※単に自分が蒸留塔スペシャリストじゃないだけかも知れないが)

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