文献综述-利用aspen模拟分离环己酮和环己醇.doc

文 献 综 述2015届利用aspen模拟分离环己酮和环己醇学生姓名 学 号 院 系 化学化工学院 专 业 化学（师范） 指导教师 完成日期 2015-5-20 利用aspen模拟分离环己酮和环己醇摘 要Raney镍催化环己醇脱氢制备环己酮的反应温度约130左右，这种高温高碱性环境使环己酮浓度不能太高，约在20%左右。另一方面,环己酮和环己醇的沸点又比较接近，精馏分离环己酮的回流比较大，能耗高。本文尝试用现代化工流程模拟计算软件Aspen Plus分析了热泵精馏措施的可能性，初步模拟结果表明，蒸汽压缩型热泵精馏装置较目前采用的精馏系统节能约79%。关键词 环己醇；环己酮； Aspen Plus软件；热泵精馏； 节能1. 前言1.1 背景我国的化工行业能耗远远高于欧美国家。主要有两个原因：1）节约用能意识不强；2）利用现代化工工具分析、偶合节能的经验较少。通过教育宣传来逐步提高人民的用能意识的同时，加快学习利用现代化工模拟工具，分析、偶合节能的经验十分必要。精馏技术是石化行业一个重要环节，约占总能耗的60%。随着国际能源紧缺状况的日益加剧，精馏过程中节能技术的应用越来越被重视。热泵精馏技术具有容易实施，节能效率高，过程容易控制等优点1。本文以环己醇、环己酮精馏分离为例，采用现代化的Aspen Plus 软件对环己酮和环己醇的分离过程进行模拟研究，探索热泵精馏过程中节能的可能性。 1.2 研究内容Aspen Plus 软件在工业设计中已经得到广泛应用，是世界公认的较先进的一款计算机辅助化工过程的模拟软件。1）利用Aspen Plus模拟、优化常规分离和热泵精馏分离的过程，探索热泵精馏的可行性。2）将热泵精馏装置与常规精馏系统进行对比，研究能耗情况，并做经济评价。设计内容要求：模拟的热泵精馏分离工艺比传统工艺节能在10%以上。1.3 意义通过简捷精馏、常规的减压精密精馏、热泵精馏模拟分离环己酮和环己醇的探索，对该工艺现有精馏装置提出可能的节能方案。2. 原料情况介绍2.1 环己酮生产现状概述环己酮用途广泛，是制备己内酰胺、尼龙等物质的原料。也是良好的高沸点有机溶剂，溶解性好，挥发度低。目前环己醇催化脱氢制备环己酮作为己内酰胺工业的重要环节也受到高度的关注。本课题基于Raney镍催化剂对环己醇脱氢制环己酮的工艺已有数据的基础上，探索环己醇和环己酮精馏分离过程中的节能的可能性。2.2 环己醇、环己酮的性质 环己醇、环己酮的部分理化性质如下表：表 21环己醇、环己酮性质一览表2.3 环己醇、环己酮国家标准国家化工行业标准环己醇HG/T4121-2009规定工业用环己醇的技术要求如下表：表 22工业用环己醇技术要求国家标准工业用环己酮GB/T10669-2001中规定的工业用环己酮的技术要求如下表：表 23工业用环己酮技术要求本课题的目标是将环己酮分离到符合工业用一等品的标准，即分离后环己酮的纯度达到99.5%以上。2.4 环己醇、环己酮制备及分离方法简介2.4.1 环己醇、环己酮的制备方法常用的环己酮生产方法有环己醇氧化法、 环己烷液相氧化法、 苯酚加氢法和环己醇脱氢法等。目前世界环己酮的生产情况是，90%以上选用环己烷氧化法2。此方法又可分为催化氧化法和无催化氧化法。环氧乙烷氧化后得到的就是环己醇和环己酮的混合物。苯酚加氢法是最早生产环己酮的方法。该法常选用的催化剂有Cu、Pd、Yi、Ni、Pt、Ru。反应条件一般为130170摄氏度，15MPa。该法的优点是环己酮的质量好、安全性高3。但由于苯酚价格高，目前较少采用。环己醇脱氢制环己酮法则具有副产物较少，收率高，操作简易、安全，同时催化剂价格便宜等优点， 本课题所选用的基于以Raney镍为催化剂的环己醇脱氢制环己酮工艺属于此法。2.4.2 环己醇、环己酮的分离方法（1）膜渗透蒸发法该法的核心是合成聚合物膜，通过向聚合物中并入一种有特殊作用的官能团，实现环己醇和环己酮的选择性分离4。膜渗透是未来发展的方向，但就目前来看，此法往往因为膜自身质量不过关，通量小等因素受到限制。（2）减压精馏法该法是目前工业上采用较多的一种方法，环己醇和环己酮的沸点相差不大，常压精馏分离难度极大，因此采用减压精馏法5。精馏塔的操作压力设在4kPa左右，塔顶的环己酮含量可达9899%，此法的缺点是能耗较高。（3）萃取精馏法曾永林6等在减压精馏的基础上提出了萃取精馏分离的方法，以二甘醇作为萃取剂，操作压力为15kPa时，减压萃取精馏所需的理论塔板与4kPa的普通减压塔一致，有一定的先进性。然而萃取剂再生过程中的能耗很大，一般不选用此方法。目前减压精馏仍是主要的分离方法。减压精馏塔的塔顶塔底温差较小，适合进行热泵精馏模拟。因此在常规减压精馏的基础上探索热泵精馏的可行性。3. 热泵精馏技术3.1 热泵及热泵精馏原理 （1）热泵原理热泵满足热力学第二定律，原理可以简洁地概括为利用少量高品位的能量，比如电能、机械能等，将数量可观的低品位的能量提升一个能量等级后被利用。热泵系统的主要结构是压缩机和膨胀机7，如图2-1是一种热泵系统的结构。W图 31热泵结构图从此结构图中可以看出，设热源处的能量为Qc ，温度为Tc ，设热阱处的能量为Qh ，温度为Th ，当对热泵系统做一个机械功W时，蒸汽的压力由Pl变为Ph ，此过程中，热量Qc 从Tc 温位传到了Th 温位。循环过程中，热泵的温度、压力变化如下图所示。图 32热泵循环原理图（2）热泵精馏过程原理在精馏过程中，塔顶温度一般比塔底温度低，而塔顶冷凝器和塔底再沸器在工作的过程中都需要耗能。若能将塔顶的能量通过升温送到塔底合理的利用起来，就能实现节能，因此热泵技术被引进到精馏装置中。其原理是，在系统中加入机械功，低温位的塔顶蒸汽通过加压升温的方式，正好成为高温位的塔釜的热源8。在这个过程中提高了能量的品位。由于回收的潜热用于过程本身，同时塔顶的冷凝器不再需要供应冷却水用于蒸汽的冷却出料，塔釜的再沸器也不再需要额外的加热蒸汽用于供热，这使得精馏的能耗得到了明显的降低。3.2 热泵精馏过程的分类根据所消耗外界能量的不同，热泵精馏可分为蒸汽压缩式热泵精馏和吸收式热泵精馏，前者根据压缩机工质的不同分为三种类型，分别是：外部工质式、塔顶蒸汽再压缩式、塔釜液闪蒸式。（1）外部工质型热泵精馏外部工质型的原理是利用独立封闭循环的工质工作，塔顶气相的能量传给工质，工质在塔底释放能量，用于加热塔底物料。这种形式主要适用于精馏介质具有腐蚀性（如醋酸）、对温度敏感（如中药提取物）的情况。结构如下图所示。 图 33外部工质型热泵精馏过程（2）塔顶蒸汽再压缩型热泵精馏塔顶蒸汽再压缩型是以塔顶气体作为工质的热泵精馏形式，使用气体压缩机将塔顶气相温度提高一个能量等级，从而能够给塔底物料的汽化提供能量，这种形式的适用于塔顶与塔底温差较小或者难分离物系的精馏系统。塔顶气相经过压缩之后的温度比塔釜的温度高5左右，由于温差小，压缩机的压缩比一般小于2。结构如下图所示。 图 34塔顶蒸汽再压缩型热泵精馏过程（3）塔釜液闪蒸型热泵精馏塔釜液闪蒸型的本质和塔顶蒸汽再压缩型一样，只是它以塔底液体为工质，塔底液体经减压阀减压闪蒸降温后，与塔顶气相换热，换热的过程中液体汽化，然后经压缩机压缩到与塔底温度、压力相同的状态后送入塔底，塔顶气相冷凝后作为回流。该结构如图2-5所示。图 35塔釜液闪蒸型热泵精馏过程塔釜液闪蒸型的优点是塔底压力可进一步降低，塔釜液是减压后再蒸发。然后减压会导致冷凝苦难，在抽真空系统中容易漏气，废气量大；同时减压后塔的处理量变小，蒸汽密度变小，设备会变大。综合以上因素，选塔顶蒸汽再压缩型做进一步设计。4. Aspen Plus软件Aspen Plus软件是一款大型的流程模拟软件，最早由美国麻省理工学院于1981年开发完成，该软件集稳态化工模拟、对模拟进行的优化、对相关变量进行的灵敏度分析和对流程进行的经济评价四个方面于一体，经过Aspen Tech公司的不断完善，目前已经成为全世界化工行业公认的一款标准流程模拟软件 9 ，在化工行业中。4.1 Aspen Plus 的组成Aspen Plus 可分为三部分：1物性数据库 Aspen Plus的物性系统拥有工业上完备且适用，具备大量无机物、 有机物、水溶性电解质、 固体物质等的基本参数。102单元操作模块Aspen Plus 有50多种单元操作模块，模块和模型根据化工试剂需要的组合，能用于模拟操作者所研究的流程11。3系统实现策略数据输入 解算策略 结果输出4.2 Aspen Plus的主要功能Aspen Plus有五大功能：严格计算工艺过程中的质量、能量平衡；估算物流的性质、组成以及流率；估算设备尺寸和操作条件；减少装置设计时间并对装置各种设计方案进行比较；帮助改进当前工艺，优化工艺条件。114.3 Aspen Plus的应用在拥有可靠热力学数据的条件下，同时兼有流程操作参数并提供准确设备模型，Aspen Plus就可用于模拟工厂实际生产流程。11（1）煤化工行业 清华大学热能工程系的张斌13等人通过Aspen Plus，对气化炉平衡时的最适温度进行了分析，利用建立的两种气化炉Aspen Plus模型很好地预测和模拟了气化炉的相关性能。西安交通大学的徐越14等人也在Aspen Plus模拟气化炉方面做了相关研究。中国矿业大学的王伟15等人基于Aspen Plus，探索了建立高水分褐煤热解模型的方法。（2）石油化工行业 中石化的堵祖荫16高工利用 Aspen Plus 软件对汽油分馏装置进行了严格的模拟，研究了各个塔的操作条件，这对系统优化、指导设计、生产实践都有十分积极的意义。 华东理工的赵晓军17基于Aspen Plus软件，对中石化镇海炼化加工卡宾达原油装置的常压蒸馏部分进行模拟，同时运用Aspen Plus软件自带的灵敏度分析功能探索了影响出料产物质量、汽液相负荷的因素有哪些，并给出了优化后的操作方案。5. 结束语精馏技术是石化行业一个重要环节，约占总能耗的60%。随着国际能源紧缺状况的日益加剧，精馏过程中节能技术的应用越来越被重视。热泵精馏技术具有容易实施，节能效率高，过程容易控制等优点。以环己醇、环己酮精馏分离为例，采用现代化的Aspen Plus 软件对环己酮和环己醇的分离过程进行模拟研究，探索热泵精馏过程中节能的可能性。 参考文献:1 徐业健，金晓明具有热泵的苯甲苯精馏过程的建模与控制J计算机仿真，2007，24(5)：3193232 张莹，张晓娟，唐丽华环己烷氧化制环己醇和环己酮技术的研究进展J广东化工，2012，40(10)：14163 谭伶玉，张晓娟，唐丽华环己酮合成技术的研究进展J广东化工，2013，40(20)：794 Hiroshi Okushita，Masakazu Yoshikawa，Takeo Shimidzu. 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