发酵法生产乙醇的分离系统计算机模拟设计

2010 届毕业设计 题 目 发酵法生产乙醇 的分离系统 计算机模拟设计 学生姓名 学号 0611034004 所在院 （ 系 ） 化学与环境科学学院 专业班级 化学工程与工艺 06班 指导教师 2010 年 6 月 10 日 陕西理工学院毕业设计 发酵法生产乙醇的分离系统计算机模拟设计 学生姓名： （ 陕西理工学院化学与环境科学学院化学工程与工艺专业 06 级 ， 陕西 汉中 723000） 指导老师： 【摘 要 】 发酵法是生产食品级乙醇的 常用 工艺，发酵液的 分离是其中重要的工序之一，工业 上 常采用精馏的方法进行分离。本论文 以 工具，采用 化工流程模拟技术，对发酵液分离进行计算机模拟设计。 论文主要完成了以下工作： 1） 采用简捷法对过程进行模拟，主要完成最小回流比、理论塔板数等的计算。 2） 采用 成操作回流 比 、实际板数等的确定。 3） 采用灵敏度分析对此过程进行了优化。 【关键词】：过程模拟，精馏， 离 陕西理工学院毕业设计 of of 23000， is to of is of be in of to as as In to of as 1) of et is to 2) of et is to of 3) is 西理工学院毕业设计 - I - 目 录 摘 要 . I . 文献综述 . 1 工系统工程概述 . 1 工流程模拟技术的现状与发展 . 2 工过程概述 . 2 工流程模拟系统 . 2 内外发展 状况 . 2 程模拟技术的应用 . 3 态流程模拟 . 3 态流程模拟 . 3 态模拟和动态模拟的比较 . 3 4 应用方面 . 4 用实例 . 4 化技术 . 4 点看法 . 4 工模拟系统 . 5 型 . 5 成部分 . 5 工流程模拟基本方法 . 6 贯模块法 . 6 立方程法 . 6 立模块法 . 6 工流程模拟发展的新动 向 . 7 家系统在流程模拟中的应用 . 7 糊系统理论在流程模拟中的应用 . 7 统 模拟优化中的神经网络和遗传算法 . 7 工流程的仿真培训系统 . 8 醇发酵液主要成分回收工艺概述 . 9 题的目的及研究意义 . 9 章小结 . 10 2 乙醇发酵液分离系统的模拟计算基础 . 11 工流程 模拟软件简介 . 11 整的单元操作模型 . 11 股混合器 . 11 陕西理工学院毕业设计 - 股分流器 . 11 级平衡 . 11 级平衡 . 11 应器 . 11 交换器 . 12 力变化 . 12 股调节器 . 12 工业上适用而完备的物性系统 . 12 速可靠的流段模拟及先进的收敛方法 . 13 经济评价及其他功能 . 13 方便灵活的用户操作环境 . 13 工流程模拟软件 模块的介绍 . 14 . 14 . 15 醇发酵液回收分离系统流程简介 . 16 产原理及物料 性质 . 16 产信息 . 16 离系统流程 . 16 拟计算物性方法的选择及条件的确定 . 18 元气 . 18 拟计算物性方法的选择 . 19 作条件的确定 . 20 章小结 . 21 3 乙醇发酵液分离系统的模拟计算 . 22 离系统的流程建模基础 . 22 馏塔为例介绍各组分精馏塔的建模及模拟计算 . 22 用 型对轻组分精馏塔的模拟计算 . 22 择 型 . 22 料组分输入 . 23 料流量的输入 . 24 择物性方法 . 24 论板数的确定 . 24 流比的确定 . 24 组分精馏塔的各项参数输入 . 25 拟结果显示 . 27 用模型对模拟结果模拟校核 . 28 用 馏塔模型进行核算 . 28 定精馏塔的规格 . 28 陕西理工学院毕业设计 - 拟结果 . 30 拟结果分析 . 31 改后的模拟结果 . 32 论塔板数对分离效果的影响 . 32 流比对分离效果的影响 . 32 1 精馏塔最终模拟结果 . 34 个分离流程的建模及模拟计算 . 34 2 精馏塔的模拟及结果分析 . 35 馏塔理论塔板数的确定 . 35 馏塔回流比的确定 . 35 馏塔模拟计算的结果 . 35 3 塔乙酸分离精馏塔的模拟及结果及分析 . 38 酸精馏塔的模拟计算结果 . 38 酸精馏塔的模拟结果分析 . 38 4 乙酸乙酯分离精馏塔的模拟及结果分析 . 39 酸乙酯精馏塔的模拟计算结果 . 39 酸乙酯精馏塔的模拟 结果分析 . 39 9 甲酸分离精馏塔的模拟及结果分析 . 40 酸精馏塔的模拟计算结果 . 40 酸精馏塔的模拟结果分析 . 40 10 乙酸乙酯与水分离的精馏塔的模拟及结果分析 . 40 酸乙酯精馏塔的模拟计算结果 . 41 酸乙酯精馏塔的模拟结果分析 . 41 5 多组分分离精馏塔的模拟及结果分析 . 41 组分分离离精馏塔的模拟计算结果 . 41 组分精馏塔的模拟结果分析 . 41 6 异戊醇与丙醇分离精馏塔的模拟及结果分析 . 42 戊醇与丙醇分离精馏塔的模拟计算 . 42 戊醇丙醇分离精馏塔的模拟结果分析 . 42 7 甲醇与甲酸乙酯分离精馏塔的模拟及结果分析 . 43 醇与甲酸乙酯精馏塔的模拟计 算结果 . 43 醇与甲酸价值精馏塔的模拟结果分析 . 43 8 乙酸乙酯与乙醇分离精馏塔的模拟及结果分析 . 44 醇与乙酸乙酯精馏塔的模拟计算结果 . 44 酸与乙酸乙酯精馏塔的模拟结果分析 . 44 馏操作的热负荷简单计算 . 45 章小结 . 45 4 总结与讨论 . 46 陕西理工学院毕业设计 - 结 . 46 论 . 46 参考文献 . 48 致谢 . 49 陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 49 页 1 文献综述 工系统工程概述 化学系统工程，或过程系统工程，是将系统工程学的理论和方法应用于过程工业领域的一门边缘学科，是化学工程学的一个分支。 现代化的化工生产日益朝 着综合化方向发展，对一个装置或一个单元过程和设备孤立地进行研究、设计操作管理的传统 做 法已不能适应要求，必须将其作为一个整体系统来研究 。 随着石油化工装置日趋大型化，要求实现最优设计、最优控制和最优管理，以达到节省装置投资、降低生产操作费用和成本费用以及符合环保要求的目的；生产过程的连续化和为节省能源而集成度不断提高的装置使设备的操作条件愈来愈苛刻，对过程的自动化提出了更高的要求，过去只对个别回路进行 节的方法已不能满足要求，必须结合过程的动态和定态数学模型，将整个控制对象当作一个整体进行研究，采用电 子计算机 建立 数学模型进行系统优化控制 。 化工产品的不断更新与工业逐级放大技术落后间的矛盾，要求将过去的相似模拟、逐级放大的方法改为数学模拟方法指导放大和设计以缩短工业化周期，减少人力物力的消耗；电子计算机技术的迅猛发展和现代应用数学方法及现代控制论方法在化学工程中的应用，使解决复杂的设计计算和过程控制问题得以实现。正是基于以上因素，促使人们在化工企业的组织管理、生产过程的开发研究、设计中采用新的概念，于是在化学工程学、运筹学、控制论和计算技术等学科的边缘产生了化工系统工程这一新兴的学科。 化工系统工程（ 研究如何制定复杂化工系统的最优决策最优规划、最优设计、最优操作、最优控制和最优管理 的工程学科。运用化工系统工程的方法 ，可以定性和定量地预测化工技术未来的发展趋势，对化学工业的发展制定科学的决策；可按照化工系统的要求，根据给定的输入和输出条件，确定系统的结构，寻求在满足一定约束条件下，使系统的目标函数取极大值或极小值时各个单元过程和设备的最优操作条件；可设计一个控制系统，保证系统稳定在最优条件下运行；可将企业组织管理系统和技术经营中的各项有限资源 合理地组织，有效地利用，最大限度地发挥各自的作用，并不断调整企业内部活动以适应系统内在和外部环境因素的变化，以最优地达到预定目标。化工系统工程从系统的整体出发，不仅研究整个系统的定态特性和动态特性，而且研究组成系统的各个子系统之间的相互影响，对系统的最优化问题作定量的计算，采用数学模拟和物理模拟相结合的方法，对化工系统进行最优设计并确定最优控制方案。化工系统的最优设计是化工系统工程重要的核心一环。不论系统过程的综合、分析还是优化，都是以流程模拟为基础的。其实用化程度最高，不论从学科发展还是从对国民经济发展的 角度看，都占有中心地位。 化工系统工程和多门学科联系紧密。化工原理、化工热力学、传递原理、反应工程等学科提供流程模拟所需的基本数学模型；运筹学提供了系统优化的数学工具；数值计算等应用数学学科提供了模型求解的数学手段；计算机科学则为复杂的数学计算提供了强有力的硬件支持。近年来，化工系统工程与另两门技术科学 过程控制技术、管理科学的结合日益紧密。过程控制技术使得化工系统工程与实际工业生产紧密结合，是实施系统优化的重要技术保证。两者相辅相成，在理论与技术方面相互渗透，对各自的技术进步都起到了促进作用。 广义的说， 过程系统包括硬技术系统和软技术系统，硬技术系统是过程系统的设计、运行到控制各个环节，通过信息流、物质流和能量流将设备工艺与反应、分离、传递、能量转换等单元操作过程联结起来；软技术系统则是指人员与组织、质量管理、采购、市场营销及投资决策等方面。它通过物质流、能量流、信息流及人员流、资金流、工作流，将上述控制、运行、设计及管理、市场营销、投资决策等六个方面联结起来，构成了一个描述过程系统包括技术和管理全过程的多层次结构模型。从某种意义上说，过程系统工程包括一定意义上的管理 ，目前 过程系统技术正朝着管理的综合集成方 向发展。一些跨国公司和专家也在这些方面进行了较深刻的研究，并取得了一定的成果，如过程工业 应链管理、虚拟制造等方面的研究与探索。 化工系统工程在下个世纪究竟应朝什么方向发展，这是国内外许多学者都关心的问题，一些专家学者在做了广泛的研究，并做了许多的实际工作，成思危于 1995 年在大连召开的中国系统工程陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 49 页 学会过程系统工程专业委员会上指出， “ 综合集成，整体优化 ” 是化工系统工程的新潮流，并提出了以模型为核心实现综合集成、软技术模型与硬技术模型相结合等思路 。 其中 在 1998， 1999 年过程系统 工程学术讨 论会上，基本确立了以 “ 综合集成 ， 整体优化 ” 为我国化工过程系统工程的发展方向。 工流程模拟技术的现状与发展 工过程概述 任何一种化工过程都是由若干单元过程 （ 或设备 ） 按一定的流程组成的。人们对化工生产过程的认识也在不断深化，从本世纪 20 年代至今已发生了三次飞跃。第一次飞跃发生在 20 年代，是从各种化学工业中抽象出 “ 操作单元 ”的概念，从而奠定了化学工程的基础 ； 第二次飞跃是在 50 年代，从操作单元中又进一步归纳出其共同的基本规律，提出了 “ 传递过程 ” 的概念 ； 第三次飞跃是 60年代后，将各种操作单元所组成 的化工系统作为一个整体，用系统工程方法进行系统模拟与分析，研究其整体特性，萌生出一门边缘学科 “ 化学系统工程 ” 。 目前，化工系统工程在各个领域的发展极为活跃。因为化工行业日趋大型化、集中化和连续化，对生产过程的优质、高产、低消耗，以及环境等方面提出了更高的要求，特别是在当今能源紧张、自然资源短缺的情况下，如何实现生产过程的最优化，最大限度的提高生产效率，是工业上 亟需 解决的问题。 工流程模拟系统 为科学地管理和操作化工生产过程，人们一般采用物理模拟和数学模拟两种方法模仿生产过程。物理模拟需要实验装 置，投资大，而且实验装置比实际生产装置小很多，许多参数会发生变化，很难保证模拟的真实性。而数学模拟则 是 综合热力学方法、单元操作原理、化学反应等基础科学，利用计算机建立化工过程仿真数学模型，进行物流平衡、能量平衡、相平衡等计算，以模拟化工过程的性能，达到生产过程的最优化。这种技术早在 50 年代后期已开始在化工中应用，经过 40 多年的发展，现 在 己成为一种普遍采用的手段，广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产操作的控制与优化、操作工培训及老厂技术改造等。 化工过程系统模拟从模拟的对象看，一般包括分子模拟、传递过程及 反应动力学模拟、操作单元过程模拟和流程模拟。其中，流程模拟是过程系统工程中最基本的技术，不论过程系统的分析和优化，还是过程系统的综合，都是以流程模拟为基础的。流程模拟技术所用数学模型主要有两种方式 ： 一是稳态数学模型，用于离线调优 ； 二是动态数学模型，用于在线实时控制。化工流程模拟系统程序结构包括化工单元程序库、物性计算程序包和计算方法程序库等。其中化工单元程序库中通常储有 ： 反应、换热、闪蒸、蒸馏、吸收、气体压缩、物料混合等子程序 ； 物性计算程序包中包括多种纯物质的物性数据库和可以计算 多 种纯物质或混合物热力学性质 、传递过程性质、气液相平衡数据等的子程序 ； 计算方法程序库中有模拟计算用以解算求根、插值、回归、积分及最优化计算方法的子程序。 内外发展状况 国外化工流程模拟系统的发展大致经历了三代。第一代模拟系统是在 （ 5060） 年代开发的，规模较小，功能有限。其主要代表为美国的 司的 统和 司的 00 系统，以及美国普渡大学 （ 的 美国休斯顿 （ 大学的 。开发工作量一般为 5 人年，成本费不超过 20 万美元。第二 代流程模拟系统是在 70 年代出现的，比第一代有更为齐全的化工单元模块和规模较大的数据库，使用高级语言编程，计算方法较先进。其主要代表有美国 51司的 统， 司的 00 系统，孟山都 （ 司的 日本千代田工程公司的 。开发工作量为 （ 20人年，开发费用在 100 万美元左右。 80 年代开发成功了第三代流程模拟系统，其代表是美国麻省理工学院的 统和 司的 1 系统。 开发工作从 1976 年起，历时 5 年，耗资 600万美元。第三代模拟系统的主要进步是 ： 开放式结构、可随意组合单元、物性数据更丰富、应用领域更广泛、窗口图形技术使用更方便。 80 年代后化工过程模型化更重要的发展方向是人工智能的开发环境。专家系统的模型化开发环陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 49 页 境是 80 年代后期发展的标志。 1987 年美国麻省理工学院首先推出了 统，育数量级分析及自由度分析，支持面向对象的过程模拟设计。 90 年代后，神经元网络 （ 在化学工程各个领域中的应用增长很快， 供了一种新的优化问题求解方法，即 化技术。最具代表的有 型、 、 络、动态 络、 及模糊神经网络等等。 我国自 60 年代中期开始流程模拟软件的开发工作，主要有兰州石化设计院。到 70 年代，北京石化工程公司、洛阳石化工程公司和北京设计院相继开发了一批油品分离塔、多组分精馏塔、冷换设备等专用工艺计算程序。 80 年代后期，兰州石化设计院和大连理工大学合作开发的合成氨模拟程序、青岛化工学院的 统、北京设计院以布兰丁方程为基础开发的 催 化裂化反应 具有较高水平。大连理工大学也于 1989 年推 出 发环境，它集成了化工领域知识库、常用模型库、图形库及面向对象的化工数据库。但是，这些软件就其综合水平看，在应用深度和广度、软件的商品化程度等各个方面，还远不及发达国家。 程模拟技术的应用 态流程模拟 从算法来看，稳态流程模拟一直沿着两条平行的路线发展，即序贯模块法和联立方程法。序贯模块法自 1958 年美国 司推出第一个实用软件 来，发展到目前的 司的 工。其主要应用方面有 ： 1） 优化操作。运用该技术，研究实际工况，建立准确的模型，使用严格的和最新的计算方法进行单元和全过程的计算，以评价现有装置的优化操作或新建改建装置的优化设计。雪弗隆公司的合成氨工艺应用 优，效益为 96 万美元 /年。通用电器公司应用 拟精确分离过程，由模型得出操作条件，并得到纯度为 99%的溶剂可循环使用。 2） 指导开工。美国通用电器公司在开发新工艺中设计了一个实验单元操作，并由此直接放大到实际规模，整个过程使用 拟，缩短了开工期，由此获利 15 万美元 ， 3）分析 ”瓶颈 ”。通用电气公司还应用 析装置，对一个装置进行标定，提高了产率，为工厂每年增收 10 万美元。大庆石化总厂于 1992 年 1993 年引进 与司合作，在乙烯裂解装置上进行模拟计算，将裂解炉出口温度由 848 提高到 852 ，以增加裂解深度，多产乙烯，调整生产后的 2 个半月增加经济效益 元。 1994 年 1l 月该厂对合成氨装置进行了利润最大的优化计算，调整合成塔出口温度，控制在 490 ， /小时。 联立方程法从 60 年代首先由英国帝国理工学院 5倡导，开发出 件， 此外还有剑桥大学 即 美国 。其特点是 ： 将操作单元模型方程、物性方程、流程拓扑方程及设计规定等组成联立方程组联立求解，不必进行迭代计算。由于一个化工流程往往需要涉及几千 /万个等式，这就要求大规模代数方程组算法、较好的初值及防止收剑失败的措施，不如模块法容易实现。 51司的 n 是基于联立方程和序贯模块两种技术混合求解法，具有完善的、快速收敛的流程模拟能力。 态流程模拟 90 年代以来，动态模拟技术得到迅速发展，这主要是由于计算机的性能价格比提高很快，计算速度大大提高。而且化工操作过程也要求能够随时调整、控制操作参数，从而推动了动态模拟技术的发展。这种在线动态模拟优化技术把模拟优化模型直接与 制系统相连，实时地找出生产装置的最佳操作条件。它主要由数据采集和存储系统、模拟优化控制系统、模拟优化计算系统三个层次组成。 态模拟和动态模拟的比较 稳态模拟是在装置的所有工艺条件都不随时间而变化的情况下进行的模拟，而动态模拟是用来预测当 某个干扰出现时，系统的各工艺参数如何随时间而变化。就模拟系统而言，二者之间的比较如表 1示： 对于稳态模拟，尽管从理论上讲，存在多种流程计算的方法，但几乎所有的商业化稳态模拟软件都采用序贯模块法进行流程计算，该方法将在后面加以详细论述。对于动态模拟，其单元过程的模型是描述该过程的一组如下形式的具有初值问题的微分方程和代数方程组： 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 49 页 00 )(0),(),( 表 1态模拟和动态模拟的比较 稳态模拟 动态模拟 仅有代数方程 同时有微分方程和代数方程 物料平衡方程 用代数方程描述 物料平衡方程用微分方程描述 能量平衡方程用代数方程描述 能量平衡方程用微分方程描述 严格的热力学方法 严格的热力学方法 无需有关水利学方面计算的方程 n 需要有关水利学方面计算的方程 无须考虑控制系统及其数学模型 一般需要考虑控制系统及其数学模型 由于动态模拟是联立解所有的方程，要求计算速度很快，因此必须要有较好的算法才能满足整个过程实时性和稳定性的要求。 用方面 美国 51司的严格在线模拟技术 （ 可以说是建模技术方面的一个突破，它把工厂的实时数 据与经济目标数据综合到一起考虑，是连接过程自动化 （ 和管理信息系统 （ 的纽带，可以对变化的内外部环境作出及时的反应，成为工厂经营者和生产者决策和优化的重要工具。主要应用方面 ： 1） 计划工具一可作为企业领导生产经营决策手段，作出最经济的投入产出生产方案 ； 2） 生产工具一可进行日常的 ”瓶颈 ”分析和趋势分析，评估并监督装置性能 ； 3） 指导操作工具一根据市场变化，随时应变生产需求 ； 4） 维护工具一可对系统数据进行检查和监测，确定数据误差位置，识别测量仪表是否不足 ； 5） 培训工具一随时在线培训操作工和技术人 员，掌握装置操作技术，尽快理解装置与设备改变后产生的影响 ； 6） 控制和优化工具一得出每日每班的最优控制点，特别是进料改变时提供最佳控制点，严格遵守装置的各种约束及环境约束条件，提高控制质量，优化生产操作，最终提高生产效率。 用实例 美国一炼油厂利用 格模拟技术跟踪炼油单元中 40 个换热器，通过工况研究，按 1 个进行了清洗。 已用于技术评价和监控换热器去污剂的性能。国外500 万 t/a 处理量的炼油厂，在常减压蒸馏装置上实行 术。建模后可进行工况研究，以便在多项操作条件改变的情况下，得出操作的状态值，预测工艺改变时和市场变化时的最佳操作条件并生成报告。在线模拟优化技术给该厂带来了每年 320 多万美元的经济效益。 化技术 实际生产中许多实际问题利用传统的基于数学模型的方法很难解决，如 ： 1） 反应机理复杂和大量的物性数据缺乏 ； 2） 工艺流程复杂，前后流程具有严重的反馈和关联藕合 ； 3） 随机因素多。应用 化技术在处理复杂系统建模问题上表现出它的优越性。 需要预先对模型的形式和参数加以限制。网络只要据训练样本输入、输出数据来自动寻找相互关系，给 过程对象以具体的数学表达。广泛应用于化工过程故障诊断、过程控制、过程预报、过程优化等方面 0求解换热网络的组合设计问题，通过研究发现， 在组合设计方面有很大潜力。对于反应器的设计问题，人们还采用 或改进的 建立定量化的 ”黑箱 ”模型，使系统定量化优化计算成为可能。文献利用 处理量为 9 万 t/a 的加氢反应器进行优化设计。 点看法 化工流程模拟优化技术同任何一门新的科学技术一样，都不是万能的和孤立的，需要对其有一陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 49 页 个充分的认识和了解。计算机技术的发展，为 流程模拟工作开辟了更加广阔的前景。为充分发挥化工流程模拟技术的功效