本科生毕业论文很有参考价值

本科生毕业论文题 目： Aspen Plus软件分离正己烷 和乙酸乙酯的模拟分析 专业代码： 0817 作者姓名： 周 云 学 号： 2009202142 单 位： 化学化工学院 指导教师： 王 勇 2013年5月28日聊城大学本科毕业论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的相应责任。论文作者签名： 日期指导教师签名： 日期 21目 录前言1第一章 总论11.1 Aspen Plus介绍11.2 课题介绍2第二章 工艺流程22.1 物性分析22.2 流程确定5第三章 结果与讨论53.1 共沸精馏塔回流比对产品产量的影响63.2 共沸剂丙酮进料位置对产品产量的影响93.3 原料进料位置对产品产量的影响123.4 共沸剂丙酮用量对产品产量的影响14第四章 结束语17参考文献18致谢21摘 要介绍Aspen Plus的一般使用方法和在精馏操作型问题分析中的应用。实践表明，利用流程模拟软件解决精馏操作型问题是一条非常有效的捷径，不仅有助于学生加深对精馏原理的理解，而且有助于培养学生利用流程模拟优化技术解决工程实际问题的能力。正己烷和乙酸乙酯形成最低共沸物，以丙酮为共沸剂，采用共沸精馏方法分离。应用ASPEN PLUS软件进行模拟以丙酮为共沸剂，分离正己烷、乙酸乙酯混合物的流程。确定了共沸精馏塔的最佳操作条件，即共沸剂丙酮的用量为80kg/h，回流比为1.3，原料的进料位置为第13块板，丙酮的进料位置为第4块板，此时，塔釜乙酸乙酯的质量分数可达99.8%以上。关键词：共沸精馏；共沸剂；剩余曲线；丙酮AbstractAbstract: This paper introduced the general use method of Aspen Plus and its application in distillation operation problem analysis. The practice showed that flowsheet simulation software as an effective short cut helps student understand distillation principle and enhance the ability to solve actual project matter by the technique of flowsheet simulation and optimization.In order to separate n-hexane-ethylacetae azeotrope, azeotropic distillation was used with acetone as entrainer. Aspen plus software was used to simulate the azeotropic distillation flowsheet. Effects of different factors on the azeotropic distillation were analyzed and optimized. When the acetone flow rate was 74kg/h, the reflux ratio was 1.3, feed position was the 13th theoretical plate and feed position of acetone was 4th theoretical plate, the mass fraction of ethyl acetate reached 99.8% in tower bottom.Keywords: azeotropic distillation； entrainer； residue curve；acetoneAspen Plus软件分离正己烷和乙酸乙酯的模拟分析前 言目前，在医药等很多领域内，均使用大量的正己烷和乙酸乙酯作为有机溶剂,【1】如压敏胶带制造采用的溶剂为乙酸乙酯,诺氟沙星微囊的研制采用的溶剂为正己烷2。在最终产品中,这些溶剂必须完全脱除,因而形成有机溶剂废液。因此回收利用这些有机溶剂就成为一个重要的问题。正己烷和乙酸乙酯形成最低共沸物,采用普通精馏法无法将其分离,因此必须采用一些特殊的分离方法,共沸精馏就是一种很有效的分离方法13。共沸剂的选择关系到共沸精馏能否顺利进行以及经济是否合理。正己烷和乙酸乙酯形成最低共沸物,选用的共沸剂应与正己烷和乙酸乙酯组分之一形成一种新的二元最低共沸物,所形成的二元最低共沸物的沸点应低于正己烷-乙酸乙酯共沸物的沸点,并且共沸剂要容易回收,具有良好的物性,经济性好14。本工作选择丙酮作为共沸剂,用Aspen plus软件模拟了以丙酮为共沸剂分离正已烷和乙酸乙酯的工艺流程,并确定了最佳工艺条件,为工艺设计提供了依据。第一章 总 论1.1 Aspen Plus介绍Aspen Plus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。Aspen Plus提供了丰富的物性计算方法与模型，我们必须根据物系特点和温度、压力条件适当选用。Aspen Plus 自带有约1 773 种有机物、2 450 种无机物、3 314种固体物、900 种水溶电解质的基本物性参数的物性数据库，还有丰富的状态方程和活度系数方法可以用来估算物性【17】。对于所需的T- x- y 图等数据可以通过查找Aspen Plus 物性数据库，物性数据库中没有的还可以通过Aspen Plus 软件提供的物性估算功能进行理论计算。使用Aspen Plus 模拟软件，对液体混合物进行模拟计算，可以得出精馏塔的塔板数、回流比、进料位置等主要操作参数及工况条件。Aspen Plus提供一套功能强大的模型分析工具，最大化工艺模型的效益：收敛分析：自动分析和建议优化的撕裂物流、流程收敛方法和计算顺序，即使是巨大的具有多个物流和信息循环的流程，收敛分析非常方便。calculator models计算模式： 包含在线FORTRAN 和Excel 模型界面。灵敏度分析：非常方便地用表格和图形表示工艺参数随设备规定和操作条件的变化而变化。案例研究： 用不同的输入进行多个计算，比较和分析。设计规定能力:自动计算操作条件或设备参数，满足规定的性能目标。数据拟合：将工艺模型与真实的装置数据进行拟合，确保精确的和有效的真实装置模型。优化功能：确定装置操作条件，最大化任何规定的目标，如收率、能耗、物流纯度和工艺经济条件【18】。1.2 课题介绍本论文研究的主要是利用Aspen plus模块中的精馏分析模块对研究的系统进行灵敏度分析以及设计规定能力的操作。特此说明的是本论文是在搜集了大量文献的基础上，基于前人的研究成果，利用所得的数据，研究的是分离正己烷和乙酸乙酯的流程。对于两者的分离，由于两者能形成均相共沸物【3】，所以需要添加共沸剂使两者得以分离，应用化工原理的共沸精馏以及共沸剂的选择知识我们可以知道，丙酮为理想的共沸剂之一，所以采用的为使用丙酮作为共沸剂分离两者4。在精馏操作中，原料以及丙酮的进料位置，共沸剂丙酮的进料量，回流比的改变都会影响到最终产品产量的高低，使用Aspen plus对其的操作条件进行了详细的模拟，并且得出了使两者能够分离的最佳操作条件。第二章 工艺流程2.1 物性分析由aspen plus里面的物性数据对组分进行分析，得出图2-1，从图2-1中我们可知正己烷和乙酸乙酯的正常沸点分别为68.7和77.2,在101.3kPa下形成二元最低共沸物,共沸组成正己烷的摩尔分数67.5%,乙酸乙酯的摩尔分数32.5%。共沸温度65.2,因此不能用普通精馏实现分离5。加入丙酮作为共沸剂,它仅与正已烷形成二元最低共沸物,共沸点为49.8,共沸物中含丙酮摩尔分数为62.5%，如图2-2、2-3所示。该三元物系的剩余曲线如图2-4所示。两个二元共沸物的连线为蒸馏边界,整个相图被分为精馏区域1和2,分别位于红线的左上方和右下方。共沸剂丙酮的加入使总组成位于精馏区域1内。故共沸精馏塔的操作就在区域1内完成。加入适量的丙酮,可使塔顶馏出丙酮-正已烷二元共沸物 (只是接近该组成),塔釜得到纯乙酸乙酯【6】。图2-1 正己烷与乙酸乙酯的t-x-y图图2-2 正己烷与丙酮的t-x-y图图2-3 乙酸乙酯与丙酮的t-x-y图图2-4 正已烷-乙酸乙酯-丙酮的剩余曲线图2.2 流程确定乙酸乙酯和丙酮的共沸物从共沸精馏塔塔顶蒸出进入萃取塔,萃取塔中用水萃取丙酮和正己烷的混合物,塔顶得到较纯的正己烷【8】；萃取后的丙酮水溶液作为原料加入共沸剂精馏回收塔,塔顶得到回收的丙酮。经过分离,正己烷、乙酸乙酯的质量分数都达到99.8%以上【7】。第三章 结果与讨论在分离正己烷、乙酸乙酯共沸物的流程中,共有3个塔设备组成,在共沸精馏塔中,原料中的正已烷与丙酮形成最低共沸物从塔顶蒸出,塔釜得到纯的乙酸乙酯。萃取塔和丙酮回收塔为回收装置,将正已烷与丙酮进行分离并回收丙酮,由于萃取塔及丙酮回收塔的操作较易进行,故本文将主要讨论共沸精馏塔的操作条件。本文采用Aspen plus工程软件进行模拟14, 一般在相平衡模拟计算中常用的活度系数模型有WILSON方程、NRTL方程等。由于该工艺包含有液液不互溶体系的计算,所以WILSON方程不适用,NRTL方程在表示二元和多元的汽液平衡方面是相当好的,适用于完全互溶或部分互溶体系,同时能够准确的模拟非理想溶液汽液和液液相平衡15。此次模拟过程中，为物流确定的初步信息为原料液常温进入共沸精馏塔，原料液的流量假定一个初始值为100kg/h，其中，正己烷的质量分数为40%，共沸剂丙酮的流量为80kg/h，常压蒸馏。共沸精馏塔塔板数为19块，原料液进料位置为第13块，丙酮的进料位置在第4块。塔釜的出料量设定为40kg/h【10】。3.1 共沸精馏塔回流比对产品产量的影响在以上所给的初始条件下，进行灵敏度分析，改变共沸精馏塔的回流比，输入情况如下所示：定义的所观测的量为得到的产品中乙酸乙酯的质量分率，填入如下表3-1-1:表3-1-1 乙酸乙酯的质量分率设置变化的量为共沸精馏塔的回流比,一般根据数据可知回流比设为1.3左右，所以为了研究回流比的变化对产品产量的影响，我们可以选定回流比的变化范围为1.23.011，既能满足实际情况，又不会致使回流比的范围太大而造成流程的不正常运行，或者使最后的结果没有得到收敛，设置见下表3-1-2:表3-1-2 共沸精馏塔的回流比设置进行运算后，得到的数据如下所示：VARY 1RMASS-RRCaseStatus1OK1.20.9960551052OK1.30.9980746393OK1.40.9980776084OK1.50.9980140865OK1.60.9979609326OK1.70.9979182917OK1.80.9978836368OK1.90.9978550029OK20.99783110OK2.10.99781063611OK2.20.99779318412OK2.30.99777810213OK2.40.99776497214OK2.50.9977534715OK2.60.99774333916OK2.70.9977343717OK2.80.99772639718OK2.90.99771928119OK30.997712907由以上的数据以回流比为横坐标，产物分率为纵坐标作图，见下图3-1：图3-1 回流比对乙酸乙酯质量分数的影响结论：由图3-1可知，在精馏塔的质量回流比为1.3时，就能得到含有质量分数为99.8%的乙酸乙酯，随着回流比的增加，乙酸乙酯的含量变化不大，增大回流比有利于精馏过程的传质，但是增大回流比，是以增加能耗为代价的，故此次回流比选为1.3即可达到我们所需要的要求。在此，为了确定我们得出的结果是否准确可靠，可以进行一次设计规定的模拟，输入值如表3-1-3：表3-1-3 产品物流中的质量分率设置在进行模拟过程中，一般都会出现误差允许值的设定，根据数据分析和误差分析，我们通常会选取目标值的万分之三来进行模拟12，这样在我们设定的这个允许值的范围内，得出的结果是我们可以采纳的，如表3-1-4：表3-1-4 产品产率以及误差的设置回流比变化范围设为1.1-3，如表3-1-5：表3-1-5 设计规定中的回流比的设置设置完成后进行模拟运行，模拟得出的结果见表3-1-6：表3-1-6 回流比设计规定结果结论：由灵敏度分析得出的产品产率随着回流比的变化，可知最佳回流比为1.3，而当回流比为1.3时，我们进行了设计规定的运算，最后得到的产品乙酸乙酯的质量分率为0.998，达到了我们之前所设定的值，由此可知，我们得出的回流比为1.3可靠。3.2 共沸剂丙酮进料位置对产品产量的影响原料的进料量为100kg/h，其中正己烷的质量分数为为40%，丙酮的进料量为80kg/h，共沸精馏塔板数为19块，其中原料液的进料位置为第13块板，回流比为1.3。输入量的步骤和3.1中的类似，如下表所示：表3-2-1 乙酸乙酯的质量分率设置在开始的条件中，设定的丙酮进料位置为第4快板，所以我们选取的进料板的位置变化21016，来研究产品产率的变化：表3-2-2 丙酮进料位置的设置填入值确定以后，进行运行模拟计算后，所得数据如下所示：VARY1M1 ACETONESTAGECase Status1OK20.9251697722OK30.9853208093OK40.9980746394OK50.9974927845OK60.9967240796OK70.9957206377OK80.9943728378OK90.992528599OK100.989955573由以上的数据作图可得图3-2：图3-2 共沸剂丙酮进料位置对乙酸乙酯质量分数的影响结论：由图3-2可知，乙酸乙酯的质量分数随着丙酮进料位置由塔顶下移，逐渐变大，在丙酮的进料位置为第4块板时，乙酸乙酯的质量分数达到0.998。当共沸剂丙酮的进料位置继续下移时，乙酸乙酯的质量分数缓慢变小，这是因为丙酮的沸点较低，若在塔的上部进料，会使一部分共沸直接蒸出，减小了丙酮的作用，使塔釜中出料中有少量正已烷。而在第4块以下进料，丙酮能较完成地与正已烷形成最低共沸物，使塔釜中乙酸乙酯的质量分数提高。故共沸剂丙酮的进料位置为第4块板比较合适。以第4块板为进料板，进行设计规定的模拟：表3-2-3 产品乙酸乙酯的质量分率的设置采用的允许误差值为产品产率的万分之三，表3-2-4 产品产率以及误差的设置在初始条件下，我们选取的进料板为第4块，所以我们进行设计规定的进料板位置变化为第210块，设置如表3-2-5：表3-2-5 共沸剂丙酮进料板位置的设置以上数据输入完毕后，进行模拟，所得出的结果如表3-2-6所示：表3-2-6 丙酮进料板位置设计规定结果结论：由灵敏度分析的结果曲线可知，丙酮的进料位置在第4块板能够达到我们所需要的产量。当进料位置为第4块板时，得到的产品乙酸乙酯的质量分率为0.998，即达到了我们需要的产率，所以当丙酮的进料位置为第4块板时，产率最佳。3.3 原料进料位置对产品产量的影响原料的进料量为100kg/h，进料中正已烷的质量分数为40%，丙酮的进料量为80kg/h，共沸精馏塔塔板数为19块，回流比为1.3，共沸剂丙酮的进料位置在第4块板，改变原料的进料位置，检验最佳原料进料位置。表3-3-1 乙酸乙酯的质量分率设置初始条件设置的原料的进料位置为第13块板，在13的周围我们选取适当地值进行模拟，在这里选取的为第1017块板17，表3-3-2 原料进料位置的设置上述值填入完毕后，进行模拟计算后，所得结果如下所示：VARY 1M4 FEEDSTAGECase Status1OK100.9974187562OK110.997948843OK120.998130684OK130.9980746395OK140.9977501586OK150.9968018857OK160.9937956748OK170.984666974由模拟所得到的数据作图3-3可得:图3-3 原料进料位置对乙酸乙酯质量分数的影响结论：原料的进料位置在11块和14块之间，乙酸乙酯的质量分数保持在0.998，原料进料位置在14块之后，随着原料进料位置的变大，乙酸乙酯的质量分数逐渐变小，故选择第13块塔板进料比较合适。选择原料的进料位置为13块板，对其进行设计规定的模拟：表3-3-3 乙酸乙酯的质量分率设置由前所述，采用的允许误差值为万分之三，表3-3-4 产品产率及误差的设置原料进料位置变化为第1018块板，表3-3-5 原料进料位置的设置输入上述值以后，进行模拟计算后，所得结果如表3-3-6所示：表3-3-6 原料进料位置设计规定的结果结论：由灵敏度分析曲线可知，在进料板位置为13块板的时候，可以得到我们想要的产品。在进行了设计规定后，我们发现当原料进料板位置为第13块板的时候，得到的产品产率为0.998，也就是说这个结果满足要求。3.4 共沸剂丙酮用量对产品产量的影响原料的进料量为100kg/h，进料中正已烷的质量分数为60%，共沸精馏塔塔板数为19块，原料的进料位置在第13块板，共沸剂丙酮的进料位置在第4块板，回流比为1.3，改变共沸剂丙酮的用量，输入值如下表3-4-1所示：表3-4-1 塔釜中各种物质（目标产物）的设置由于此次研究的是一个变量改变以后所引起的三个变量的改变，故需要有三个观察值，如上表3-4-1输入。操纵变量丙酮流量的变化范围为50100kg/h【20】，见表3-4-2所示：表3-4-2 共沸剂丙酮用量的设置表3-4-3 所研究的因变量的设置输入完毕后，进行运算模拟，所得结果如下所示: VARY 1CaseStatusACETONE TOTALFL2FL3FL11OK508.21518251e-0080.2037402070.7962597112OK551.50109898e-0070.1646650620.8353347883OK602.99085217e-0070.1246445210.875355184OK657.02884403e-0070.08432458240.9156747155OK702.35161553e-0060.04544230850.954555346OK752.13146586e-0050.01324332660.9867353597OK800.001018725850.00090663460.998074648OK850.001649040420.000497434410.9978535259OK900.001976947870.000406159920.99761689210OK950.002238896890.0003527691710.99740833411OK1000.002468841550.0003144779160.997216681对上述模拟所得数据作图3-4可得：图3-4 共沸剂丙酮用量对乙酸乙酯质量分数的影响结论：当丙酮的进料量小于80kg/h时，塔釜中丙酮的质量分数为0，之后也一直保持为0。塔釜中乙酸乙酯的质量分数随着丙酮进料量的增加逐渐增大，当丙酮的进料量为80kg/h时，乙酸乙酯的质量分数达到0.998。之后随着丙酮的进料量增大，乙酸乙酯的质量分数基本保持不变。正己烷质量分数随着丙酮的增多逐渐减小，当丙酮的量为80kg/h时，其含量变为零，之后保持不变。这是因为在共沸剂丙酮的进料量为80kg/h之前，共沸剂丙酮的用量不足，只能与部分正已烷形成共沸物，故塔釜会有一部分正已烷,随着丙酮用量的增加，塔釜中正己烷越来越少，乙酸乙酯的质量分数就相对应提高21。丙酮的进料量大于80kg/h ，由于产物含量已经达到标准，故萃取剂丙酮的用量选为80kg/h。将丙酮的量设定为80kg/h时，进行设计规定的运行，输入如下：表3-4-4 目标产物乙酸乙酯的质量分率设置采用的允许误差值为产率的万分之三，表3-4-5 产品产率及误差的设置丙酮的质量流率变化范围为50100kg/h，表3-4-6 共沸剂丙酮用量的设置输入完毕后，进行运行模拟，所得结果如下表3-4-7所示：表3-4-7 共沸剂丙酮用量设计规定结果结论：由灵敏度分析曲线可知，当丙酮用量为80kg/h时，既能满足我们的要求，又不会浪费原料，在进行设计规定后，我们可以看到，当丙酮的用量为80kg/h时，乙酸乙酯最终的产率为0.998，就是说能够达到我们所要求的产品。所以选取的丙酮用量为80kg/h。第四章 结束语分析了采用丙酮作为共沸剂分离正已烷、乙酸乙酯混合物的的应用区域，并确定了分离流程，采用Aspen plus软件进行模拟以丙酮为共沸剂，分离正己烷、乙酸乙酯混合物的流程。确定了共沸精馏塔的最佳操作条件，即共沸剂丙酮的用量为80kg/h，回流比为1.3。原料的进料位置为第13块板，丙酮的进料位置为第4块板，此时，塔釜乙酸乙酯的质量分数可达99.8%以上。在这个模拟分离中，由于回收过程相对来说比较简便，既是普通精馏过程，所以没有进行回收塔部分的模拟，只进行了共沸精馏的模拟，采用的模拟流程如下图4-1所示：图4-1 流程模拟图在运行结果后，得到了物流数据，如下表4-1所示，表中详细的展示了各个物流结果，可以直接在表中读取结果。表4-1 物流结果有以上的表格，可读出在“PRODUCT”物流中，可以看到乙酸乙酯的质量流率为39.92299kg/h，总的质量流率为40kg/h，由此可知，产品乙酸乙酯的质量流率在0.998左右，达到了需要的结果。所以说，共沸精馏塔的最佳操作条件，即共沸剂丙酮的用量为80kg/h，回流比为1.3。原料的进料位置为第13块板，丙酮的进料位置为第4块板。参考文献(21条)1李克,万邦廷.溶剂回收M.北京:兵器工业出版社,1991:209-305.2张秀荣,林天慕.诺氟沙早微囊的研制J.沈阳药科大学学报,2000,17 (4):247-249.3杨志才.化工生产中的间歇过程原理、工艺及设备M.北京:化学工业出版社,2001:398-402.4白鹏,曾军.间歇共沸精馏分离正己烷和乙酸乙酯的研究J.化学工业与工程,2005 (6):1-2.5彭秉璞.化工系统分析与模拟M.北京:化学工业出版社,1990:13-16.6白鹏,朱良伟.正己烷和乙酸乙酯间歇共沸精馏分离共沸剂的研究J.石油化工,2006,35 (1):37-41.7隋振英,邹东霄.共沸精馏中共沸剂的选择J.化学工程师,1