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文档简介

1、目目 录录 前言前言.1 第一章第一章 总总 论论.2 1.1 ASPEN PLUS介绍.2 1.2 课题介绍.3 第二章第二章 乙醇乙醇水精馏分离的原理水精馏分离的原理.3 2.1 乙醇水精馏分离的装置图.3 2.2 共沸剂的选择与用量.4 2.3 塔斧各组分的含量变化.5 2.4 最佳回流比的确定.5 第三章第三章 ASPENASPEN PLUSPLUS 中的模拟中的模拟.7 3.1 ASPEN PLUS 单元操作模拟.8 3.2 灵敏度分析.11 3.2.1 最佳回流比的确定.11 3.2.2 轻关键组分回收率对理论塔板数影响.15 3.2.3 进料塔板的最佳位置.16 第四章第四章 结

2、束语结束语.17 参考文献参考文献.19 致致 谢谢.21 摘要摘要 介绍 Aspen Plus 的一般使用方法和在乙醇水精馏分离问题分析中的应用。 实践表明,利用 aspen 模拟软件解决醇水精馏分离问题是一条非常有效的捷径, 不仅有助于学生加深对醇水精馏分离的理解,而且有助于培养学生利用 aspen 模拟优化技术解决工程实际问题的能力。本文对乙醇水的精馏分离进行模拟从 而确定最佳的分离条件,从而使工业化的生产中得到最大化的效益。 关键词关键词:乙醇水;精馏分离;aspen模拟;最佳条件 Abstract The general method of using Aspen in the wa

3、ter distillation separation of ethanol used in analysis of the problem. Practice shows that, by using the Aspen simulation software to solve the alcohol - water distillation separation problems is a very effective way, not only helps students to deepen the alcohol - water distillation separation of

4、understanding, but also help to cultivate students ability of using Aspen simulation optimization technique to solve practical engineering problems. The distillation of ethanol / water separation is simulated to determine the optimal separation conditions, so that to get the maximum benefit of indus

5、trial production. Keywords: Ethanol water;Distillation separation;Aspen simulation;The optimum conditions 乙醇乙醇- -水精馏分离最佳条件的水精馏分离最佳条件的aspenaspen模拟模拟 前前 言言 精馏操作就是利用液体混合物在一定压力下各组分挥发度不同的性质,在 塔内经过多次部分汽化与多次部分冷凝,使各组分得以完全分离的过程。也是 一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法,是工业上应用最广的 液体混合物分离操作,广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。精馏 操作按不同方法进

6、行分类。根据操作方式,可分为连续精馏和间歇精馏;根据 混合物的组分数,可分为二元精馏和多元精馏;根据是否在混合物中加入影响 汽液平衡的添加剂,可分为普通精馏和特殊精馏(包括萃取精馏、恒沸精馏和 加盐精馏) 。若精馏过程伴有化学反应,则称为反应精馏。 Aspen Plus软件自身能够预测物流的流率、组成和性质;预测操作条件和 设备尺寸;减少设置的设计时间、进行设计方案的比较,也能够帮助改进当前 的工艺,进行工艺过程的能量和质量平衡的计算。 本工作采用Aspen Plus软件对乙醇水精馏分离进行模拟,在工作中不仅 模拟乙醇水精馏分离的工艺流程,而且要确定最佳工艺条件,进行工艺过程严 格计算和检验,

7、为工艺设计提供了依据。加深对于精馏分离的理解,培养利用 aspen模拟优化技术解决工程实际问题的能力。 第一章第一章 总总 论论 1.11.1 AspenAspen PlusPlus介绍介绍 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是大型通用流程模拟系统,源于美国能源部七十年代后期在麻 省理工学院(MIT)组织的会战,开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为 “过程工程的先进系统” (Advanced System for Process Engineering,简称 ASPEN) ,并于1981年底完成。1982年为了将其商品化,成立

8、了AspenTech公司, 并称之为Aspen Plus。该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高,已先后 推出了十多个版本,成为举世公认的标准大型流程模拟软件,应用案例数以百 万计。 Aspen Plus是一套功能强大的模型分析工具,其模型据有以下的特点1: (1)产品具有完备的物性数据库 Aspen Plus 是唯一获准与DECHEMA数据库接口的软件。该数据库收集了世 界上最完备的气液平衡和液液平衡数据、将近6000 种纯组分的物性数据、约 900 种离子和分子溶质估算电解质物性所需的参数、2450 种组分(大部分是无 机化合物)的热化学参数、3314 种组分、900 种离子等,共计二

9、十五万多套数 据。用户也可以把自己的物性数据与Aspen Plus 系统连接 (2)产品线比较长,集成能力很强 Aspen Plus 是Aspen 工程套件(AES)的一个组份。AES 是集成的工程产 品套件,有几十种产品。以Aspen Plus 的严格机理模型为基础,形成了针对不 同用途、不同层次的AspenTech 家族软件产品,并为这些软件提供一致的物性 支持。 (3)包含两种算法 唯一将序贯(SM)模块和联立方程(EO)两种算法同时包含在一个模拟工 具中。 序贯算法提供了流程收敛计算的初值,采用联立方程算法,大大提高了大 型流程计算的收敛速度,同时,让以往收敛困难的流程计算成为可能。节

10、省了 工程师计算的时间。 (4)结构完整 除组分、物性、状态方程之外,还包含以下单元操作模块 Aspen Plus主要的功能如下: (1)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。 (2)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2。 (3)案例研究: 用不同的输入进行多个计算,比较和分析。 (4)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。 (5)数据拟合:将

11、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3。 (6)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。 1.21.2 课题介绍课题介绍 本论文研究的主要是利用Aspen plus软件对乙醇水精馏分离的模拟,进 一步详细而又深刻的理解乙醇水精馏分离的步骤和过程,更好的分析其结论, 让同学更好的理解该实验,助于培养学生利用aspen模拟优化技术解决工程实际 问题的能力。 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,对于乙醇水精馏分离进行Aspen plus 模拟。对于乙醇水 精馏分离,主要目的

12、是让学生了解和掌握精馏分离的基本原理,明白精馏的过程 及其精馏的塔的结构,更加详细而又简单的利用aspen 软件在现精馏的过程, 是精馏的方式及目的更加的简单明了。 第二章第二章 乙醇乙醇水精馏分离的原理水精馏分离的原理 2.12.1 乙醇乙醇水精馏分离的装置图水精馏分离的装置图 精馏是分离液体混合物的一种重要的化工单元操作。同时对液体混合物进 行多次部分汽化和对混合物进行多次部分冷凝,最终可以在气相中得到较高的 易挥发组分,在液相中得到纯度比较高的难挥发组分。不管是何种操作方式, 混合液中组分间挥发度的差异是蒸馏的前提和依据4。精馏使用一个传质和传 热的过程,回流也是精馏过程中气体和液体解除

13、的基础。连续精馏的特点是可 以大规模的生产,产品的浓度可以保持相对稳定,能源的利用率比较高而且操 作易于控制。 乙醇水精馏分离操作就是利用液体混合物在一定压力下各组分挥发度不 同的性质,在塔内经过多次部分汽化与多次部分冷凝,使各组分得以完全分离 的过程。因此,我们采用的装置图2-1如下: 图 2-1 实验装置图 2.22.2 共沸剂的选择与用量共沸剂的选择与用量 与乙醇水形成三元非均相共沸物的共沸剂有苯、环己烷和正己烷。三元 共沸物的沸点都比乙醇水的沸点低10以上,有利于分离。但是苯有剧毒, 故实验室我们采用价格比较廉价的正己烷作为共沸剂。 共沸剂的用量可以通过流出液的共沸物组成、塔釜液组成、

14、进料组成和流 量物料衡算求得。对于由原料和共沸剂组成的三组分关系,可以用图2-2来表示: 图 2-2 三组分关系图 如上图所示;A、B、S分别代表三种组分,其中S代表的是共沸剂,故而原 料F是A和B分的混合物,直线SF上面的点都是可以表示A和B 组分的比例混合关 系与在与在原料F中相同的三组分体系5。在加入适宜的共沸剂S后,会形成三 组分体系的D点,由此,我们可以确定适宜的共沸剂用量和原料液量之比为 S:F=FD:DS。在本次的实验中乙醇水的原料组成是固定的,故而可以用此原理 来确定共沸剂S 的用量,我们称为正己烷用量的理论值6。 2.32.3 塔斧各组分的含量变化塔斧各组分的含量变化 在加入

15、共沸剂后,我们对塔斧进行加热,从而开始进行乙醇水的精馏分 离,在实验中我们取物料进行检测可以得到图2-3,如下: 图 2-3 塔斧各组分含量变化规律图 由上图我们可以看出,在试验后,全回流(a段)稳定大约1h,塔斧组成是 不变的,从b段开始,打开回流比控制器后,塔顶有液体流出,此时共沸剂一定 和液料中的水和乙醇形成共沸物从塔顶流出,使塔斧中水的含量降低,乙醇的 含量升高7。可以看出,当水的质量分数达到1.00% 以下时,乙醇的额含量就 会达到99 图 2-6 最小回流比求解图 在上图中,横坐标表示易于会发的组分在液相中的摩尔分数,纵坐标表示 易挥发组分在气相中的摩尔分数;a点表示精馏段操作线与

16、对角线的交点 (Xd,Yd) ;Xd表示精馏操作过程中塔顶产品中易挥发组分的摩尔系数。从而, 我们过点a做平衡线的切线,切点为q点,图中过ac的直线即是无穷多塔板也不 能够跨过点q,所以,该操作线表示的回流比是最小回流比。因此,我们可以求 出该切线的截距,利用公式,从而求解出Rmin9。 故而,我们可以根据此实验中的数据进行回流比的求取,如图2-7所示: 图 2-7 最小回流比求解图 我们根据点a 的坐标(0.8,,0.8)求出精馏操作过程中,塔顶易挥发组分 的摩尔分数是(0.8,3) 。那么,过ac直线的截距是0.375。在精馏操作过程中, 若得到馏出液摩尔分数为0.8的产品,便可以计算出精

17、馏塔的最小回 Rmin=1.133。 在确定回流比的时候,应该以设备的折旧费与操作费用之和的最小原则为 准则10。一般取回流比为最小回流比的1.22.0倍。所以,在连续精馏分离乙 醇水溶液操作过程中,为了能够得到摩尔分数为0.8的精馏产品,选取的最佳回 流比为R=(1.22.0)Rmin=1.42.3。 图2-8是实验室时,塔顶易挥发组分的摩尔系数为0.8的时候,各组实验所 得到的回收率; 图2-8 回收率图 由图中我们可以看出,随着回流比的增加,易挥发组分的回收率呈现现增 加后减小的趋势,并且在回流比值大约为2的时候,回收率达到了最大值11。 第三章第三章 AspenAspen PlusPl

18、us 中的模拟中的模拟 3.13.1 AspenAspen PlusPlus 单元操作模拟单元操作模拟 在模型库中我们选择设备column标签,在DSTWU模型的下拉箭头下所弹出的 三个等效的模块中任选其中的一个,在空白的流程图上单机,既可以绘制出一 个精馏塔的模型,并且我们单机流股单元的下拉箭头,选择流股的类型,在这 里我们选择material类型,选择后我们根据箭头来绘制流股,其中红色的为必 须定义的流股,蓝色的箭头为可选定义的流股12。在绘制流股之后,我们对于 模块和物流进行命名。在这里我们将入料改为FEED;塔顶出料改为D;塔底出料 改为L;改变名称后的流程图3-1如下所示: 图 3-

19、1 模拟流程图 创建模拟流程任务完成,我们将在快捷键N引导进入下一步操作。与此同 时,我们点击左侧 Components 进入到进料参数输入页,并对于进料进行输入, 如图3-2所示: 图 3-2 模拟流程参数输入图 单击 N快捷键,进入到特性方法选择页面,如图 3-3 所示: 图 3-3 特性方法选择页面图 我们根据不同的物系选择不同的物性计算方法,对于理想的物系可以选择 Ideal方法;非理想物系可以选择典型的Wiston或Uniquac等方法;物性计算方 法在Base Method 栏的下拉框中选择13。在这里我们选择NRTL-PK方法,其他 的设置有系统默认确定。 单击N快捷键,进入到下

20、一个所示界面并且我们开始对于不同的进料状态 选择不同的参数,如图3-4所示: 图 3-4 进料状态参数图 单击N快捷键,进入到模块定义页。在这里我们需要定义回流比,因此我 们需要输入回流比的实际值,即定义回流比与最小回流比的比值。在这里我们 取最小回流比的2倍,故而我们需要输入-214.与此同时我们也要定义轻重关键 组分的回收率、再沸器的压力和冷凝器的类型,输入完成后界面如图3-5所示: 图 3-5 参数定义图 我们点击工具栏中的蓝色快捷键N图标,即可以进行计算,同时进入 “Control Panel”页面显示运行信息,之后我们通过目录树中的不同文件夹, 可以查看Streams、Blocks计

21、算结果15。在BLOCKS/COLUMN页面,可以看到塔的 设计参数;包括最小回流比、实际回流比、最小理论板数、实际理论板数、数 冷凝器和再沸器的热负荷等,如图3-6所示: 图 3-6 Streams、Blocks 计算结果图 3.23.2 灵敏度分析灵敏度分析 3.2.13.2.1 最佳回流比的确定最佳回流比的确定 在实际问题中我们比较关心一个变量随着另一个变量变化的趋势,即所谓 的灵敏度分析,这一个方法可以用来进行流程的优化。因此我们将 “Data Browser”窗口切换至input页,选择左侧目录树中的 Model Aalysis Tools/sensitivity,进入窗口,点击窗口

22、中的new按钮,在弹 出的对话框中输入该任务的名称,如输入 S-1,建立一个新的灵敏度分析任务, 确定后进入灵敏度分析任务窗口16。如图3-7所示: 图 3-7 灵敏度分析图 根据同样的步骤我们对于另外一个组分也进行参数的选择如图3-8所示: 图 3-8 参数设置图 之后我们点击N快捷键我们就会进入到下一个窗口界面,如图3-9所示: 图 3-9 参数设置图 之后我们继续点击N快捷键进入到下一个窗口,在这里变化的量为共沸精 馏塔的回流比,一般根据数据可知回流比设为2.0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1.04.0,既能满 足实际情况,又不会致使回流

23、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17,设置具体如图3-10示: 图 3-10 状态参数设置图 选择 Tabulate 标签绘图,由于我们所要研究的是理论塔板N在测量变量清 单的 Column No. 中输入1,在 tabulate variable 中输入N完成后的窗口如图 3-11所示: 图 3-11 参数设置图 至此,该灵敏度分析的数据输入部分已完成,点击 N- 图标进行计算。 计算完成后进入灵敏度分析结果页(Data Browser窗口 Results页,选择左侧 树型结构Model Analysis tool/ Sensitivity/ N-RCURV

24、E/ Result) ,如图3-12 所示: 图 3-12 灵敏度分析结果图 我们可以用计算出来的数据作图,观察N随R的变化趋势18。 选中 Vary1 列(高亮度) ,选择菜单Plot/ X-Axis Variable,定义R为x轴变量;选中 N 列,选择菜单Plot/ Y-Axis Variable,定义N为y轴变量. 选择 Plot/ Display Plot,显示 N-R曲线图。如图3-13所示: 图 3-13 N-R 曲线图 由于Aspen plus可能将以前输入的回流比 2(最小回流比的2倍)作为一 个数据点, 因此该图表的起点为 2,在(-2, 1.36)区间上的曲线没有意义,

25、在分析过程中不予考虑. 在图表空白处双击,进入属性编辑页面,在页面中可 以设定图表的属性及一些参数19。 选择属性页面的坐标轴Axis标签,编辑坐 标范围去除没有意义区间,再进行网格及曲线显示处理,应用后得到的N- RCURVELT图表,如图3-14所示: 图 3-14 N-RCURVELT 图 3.2.23.2.2 轻关键组分回收率对理论塔板数影响轻关键组分回收率对理论塔板数影响 轻关键组分回收率与理论塔板数之间的关系也是精馏塔设计要考虑的主要 因素20. 下面我们分析轻关键组分回收率对理论塔板数的影响。 同前方法建立一个名称N-Recovl的灵敏度分析任务,定义变量Recovl表示 轻关键

26、组分的回收率;N同前为理论塔板数。 轻关键组分回收率的变化范围取为0.9500.999,计算点数同前。 在 Tabulate标签栏中设置不变 。输入完毕后如图3-15所示: 图 3-15 轻关键组分设置图 至此,该灵敏度分析的数据输入部分已完. 成点击 N- 图标进行计算,计 算结果如图3-16所示: 图 3-16 结果参数图 我们用所得的结果作图分析,用同样的方法定义Recovl为x轴变量;N为y轴 变量得到的图3-17,如下所示: 图 3-17 X-Y 变化图 3.2.33.2.3 进料塔板的最佳位置进料塔板的最佳位置 改变原料的进料位置,检验最佳原料进料位置。初始条件设置的原料的进 料位

27、置为第12块板,在12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,如图3-18所示: 图 3-18 进料状态参数图 上述值填入完毕后,进行模拟计算后,所得结果如下所示: 表 3-1 原料进料位置的设置 VARY 1M4 FEEDSTAGECase Status 1OK100. 2OK110. 3OK120. 4OK130. 5OK140. 6OK150. 7OK160. 8OK170. 第四章第四章 结结束语束语 这次模拟主要是根据化工原理实验上的共沸精馏实验和类似的资料文 献,进行了共沸精馏的模拟,并且对于最小回流比和最佳的理论板数以及轻重 关键组分进行了数据的分析。 最

28、优回流比:从数据我们不难看出对于轻关键组分乙醇的精馏,最优的回 流比是1.87,实际回流比则是3.74。 进料塔板的最佳位置:根据表3-1所示,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12块塔板进料比较合适。 精馏板数与轻关键组分关系:从数据中可以看出,轻组分的回收率在 0.9500.999之间变动时,随着它的增大塔板数随之增大.特别指出的是,回收 率大于0.990以后,随着回收率的增大理论塔板数急剧增大。因此在实际生产过 程中应该结合分离要求和经济因素,选择一个合理回流比

29、、最佳进料塔板数。 在保障回收率的同时,我们也要确保企业的最大利润化。 参考文献参考文献 1赵月红,温浩,许志宏. Aspen Plus 用户模型开发方法探讨J.计算机与应用化学, 2003,04:435-438 2ASPEN Tech Inc. ASPEN PLUS, Release 9M.California: ASPEN Tech Inc,1995 3樊艳良.用 Aspen Plus 对反应精馏的模拟计算J.上海化工,2007,05:14-19. 4田文德,王晓红.化工过程计算机应用基础,北京:化学工业出版社,2007 5屈一新.化工过程数值模拟及软件.第二版.北京:化学工业出版社,2010 6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. 7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. 8谭天恩,窦梅,周明华.化工原理(上/下册).北京:化学工业出版社,2006 9贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计.天津:天津大学出版社,2002 10戚一文,方云进.物性估算在 ASPEN PLUS 软件中的应用J.浙江化工,2007,01:9- 11. 1

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