乙醇-水-苯体系恒沸精馏过程模拟毕业(设计)论文.doc
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1、分类号: TQ028.1 单位代码: 108 密 级: 一 般 学 号:1080207014009 本科毕业论文(设计)题 目:乙醇-水-苯体系恒沸精馏过程模拟延安大学学士学位论文原创性声明本人郑重声明: 所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名: 日期: 关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解延安大学有关保留和使用学位论文的规定,即:本科生在校攻读学士学位期间论文
2、工作的知识产权单位属延安大学,学生公开发表需经指导教师同意。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释:本学位论文属于保密范围,在 2 年解密后适用本授权书。非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。作者签名: 日期: 导师签名: 日期: 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组
3、织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的
4、论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:
5、日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日目 录1 前言11.1 乙醇水苯体系简介11.2 恒沸精馏原理简介11.3 夹带剂的选择要求简述11.4 化工流程模拟系统简述21.5 ASPEN PLUS流程模拟软件简介21.6 本设计中用到的RadFrac严格法精馏单元模块介绍31.7 主要研究内容42 乙醇、水、苯体系连续常压恒沸精馏过程的模拟52.1 生产任务及工艺参数52.2 过程模拟52.2.1模拟流程的建立52.2.2设置全局信息.52.2.3定义物流组分62.2.4定义物性方法72.2.5定义进料物流参数. 72.2.6定义模块参数82.3 运行模拟112.4 结果优化122.4
6、.1优化设置122.4.2优化分析152.5 塔内情况模拟结果173 结果与讨论19参考文献20谢 辞21附 录 乙醇-水-苯恒沸精馏过程模拟和优化输出结果2251乙醇水苯体系恒沸精馏过程模拟摘要:共沸精馏是常用的化工分离方法之一,常用于恒沸物或近恒沸物的分离。本文运用Aspen Plus软件,采用NRTL-RK活度系数方程作为物性计算方法,对以苯为夹带剂的共沸精馏脱水塔进行了计算机模拟,得到了最佳工艺参数:塔顶采出量为69/h,返回苯相量为58/h,回流比为25,两股物流(F1、F2)进料位在第6块塔板,精馏塔塔板数为20块时得到了符合要求的产品:塔底产品乙醇 99%w,苯50ppm。关键词
7、: ASPEN PLUS; 流程模拟; 恒沸精馏;夹带剂;优化; Simulation of the Azeotropic Distillation of Ethanol-water-benzene SystemAbstract:Azeotropic distillation technique is an important way to chemical separation, usually for close-boiling or azeotropic system. In this paper, the azeotropic rectification dehydration tow
8、er with benzene as entrainer was simulated by Aspen plus. To provide data for simulation, the activity coefficients were calculated by NRTL-RK equation. The optimal technical parameters were obtained as follows: the number of the theoretical plates was 20, both of the two streams were fed at 6th sta
9、ge, the output quantity of top tower was 69 kg/h, return benzene phasor was 58 kg/h and reflux ratio was 25. The bottom product met the requirement ethanol purity was 99.9%w and that of benzene was 50 ppm. Keywords: ASPEN PLUS; Process simulation; Azeotropic distillation; Optimization; 1 前言1.1 乙醇水苯体
10、系简介常压下乙醇、水、苯均为液体,乙醇的沸点为78.3,水的沸点是100,苯的沸点是80.21。当乙醇和水混合物中乙醇质量分数达到97.75%,水的质量分数达到4.43%时乙醇和水的混合物形成乙醇-水二元恒沸体系。此二元恒沸体系的沸点为78.15,不能用普通精馏方法将之分离。此时以苯为夹带剂用恒沸精馏法将乙醇中的水脱除使乙醇浓度达到生产要求。1.2 恒沸精馏原理简介在被分离溶液中加入第三组分以改变原溶液中各组分间的相对挥发度而实现分离,如果加入的第三组分能和原溶液中的一种组分形成最低恒沸物,以新的恒沸物形式从塔顶蒸出,称为恒沸精馏。如果双组分溶液A、B的相对挥发度很小,或具有均相恒沸物,此时可
11、加入某种添加剂C(又称挟带剂)进行精馏。此挟带剂C与原溶液中的一个或两个组分形成新的恒沸物(AC或ABC),该恒沸物与纯组分B(或A)之间的沸点差较大,从而可较容易地通过精馏获得纯B(或A)。 醇、水、苯三种物质常压下的沸点如表1-1。表-1乙醇水苯三元共沸物性质项 目共沸点()共沸物组成(w%)乙醇水 苯乙醇水苯64.8518.57.4 74.1乙醇苯68.2432.70.0 67.63苯水69.250.08.83 91.17乙醇水78.1595.574.430.01.3 夹带剂的选择要求简述在选择夹带剂时,除应考虑以上所述的分离难易与完全程度外,还要考虑一些工艺问题和经济效益问题。 (1)
12、 夹带剂用量要少。 (2) 夹带剂要容易回收。(3) 应具有好的物理、化学性能。如热稳定性、无腐蚀、无毒,保证工艺和技术上的可行性。 (4) 价格低廉,容易得到,经济性好。 1.4 化工流程模拟系统简述将多个单元过程组成的化工过程用数学模型表现,在计算机上解算其物料及能量衡算、并可进一步计算各单元设备尺寸及成本的模拟称之为过程模拟, 经过多年的发展已成为一种普遍采用的常规手段,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,操作工的培训和老厂技术改造。化工过程模拟系统可分为稳态模拟系统和动态模拟系统,从应用范围又可分为专用和通用化工过程模拟系统。但不管是哪一种系统都应具有系统模型、物
13、性数据和解算方法三个核心环节,而且所用基本方法也大致相同。过程模拟技术在科研和生产中的应用主要可以概括为以下几个方面:(1) 改进装置操作条件,降低操作费用,提高产品质量;(2) 指导装置开工,节省开工费用,缩短开工时间;(3) 在科研开发中用过程模拟系统进行小试之后中试之前的概念设计;(4) 在新过程设计中工厂在不同的操作条件下的性能评价;(5) 在节能上,用“夹点技术”对一般化工厂能量回收系统进行分析,可以实现节能20%30%;(6) 分析装置“瓶颈”,为设备检修与设备更换提供依据2。1.5 ASPEN PLUS流程模拟软件简介ASPEN PLUS是大型通用流程模拟系统, 源起于美国能源部
14、于七十年代后期在麻省理工学院组织会战,要求开发新型第三代流程模拟软件。这个项目称为“先进过程工程系统”(Advanced System for Process Engineering)简称ASPEN。这一大型项目由MIT主持、能源部资助、55个高校和公司参与开发。这一大型项目于1981年底完成。1982年Aspen Tech公司成立将其商品化,称为ASPEN PLUS。成为全世界公认的标准大型流程模拟软件,用户接近几千个。 全世界各大化工、石化生产厂家及著名工程公司都是ASPEN PLUS的用户。它以严格的机理模型和先进的技术赢得广大用户的信赖,它具有以下特性:第一,ASPEN PLUS使用最
15、新的软件工程技术通过它的Microsoft Windows图形界面和交互式客户-服务器模拟结构使得工程生产力最大。 第二,ASPEN PLUS拥有精确模拟范围广泛的实际应用所需的工程能力, 这些实际应用包括从炼油到非理想化学系统到含电解质和固体的工艺过程。ASPEN PLUS是基于序贯模块法的稳态过程模拟软件,具有完备的物性数据库,内含1773种有机物、2450种无机物、3314种固体物、900种水溶电解质的基本物性参数,具有丰富的状态方程和活度系数方法。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,共计二十五万多套数据
16、。用户也可以把自己的物性数据与ASPEN PLUS 系统连接。ASPEN PLUS 产品线比较长,集成能力很强。它是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。 在实际应用中,ASPEN PLUS可以帮助工程师解决快速闪蒸计算、设计一个新的工艺过程、查找一个原油加工装置的故障或者优化一个乙烯全装置的操作等工程和操作的关键问题。流程模拟的优越性有以下几点: (1)进行工艺过程的能量和质量平衡计算; (2)预测物流的流
17、率、组成和性质;(3)预测操作条件、设备尺寸; (4)缩短装置设计时间,允许设计者快速地测试各种装置的配置方案; (5)帮助改进当前工艺;(6)在给定的限制条件内优化工艺参数;(7)辅助确定工艺约束部位(消除瓶颈); (8)回答 “如果那会怎样” 的问题3。ASPEN PLUS根据模型的复杂程度,支持规模工作流。可以从简单的、单一的装置流程到巨大的、多个工程师开发和维护的整厂流程。分级模块和模板功能使模型的开发和维护非常简单。ASPEN PLUS 提供了单元操作模型到装置流程模拟。这些模型的可靠性和增强功能已经经过20多年经验的验证和数以百万计例子的证实。ASPEN PLUS 在整个工艺装置的
18、从研发、工程到生产生命周期中,提供了经过验证的巨大的经济效益。它将稳态模型的功能带到工程桌面,传递着无与伦比的模型功能和方便使用的组合。利用ASPEN PLUS,公司可以设计、模拟、瓶颈诊断和管理有效益的生产装置。1.6 本设计中用到的RadFrac严格法精馏单元模块介绍 RadFrac 是一个严格模型用于模拟所有类型的多级气-液精馏操作,这些操作包括:(1)一般精馏;(2)吸收;(3)再沸吸收;(4)汽提;(5)再沸汽提;(6)萃取和共沸蒸馏。RadFrac适用于:(1)两相蒸馏体系 ;(2)三相蒸馏体系 ;(3)窄沸程和宽沸程体系;(4)液相具有非理想性强的体系 。在塔的任何地方RadFr
19、ac可以检测和处理游离水相或其它第二液相RadFrac可在每级上处理固体; RadFrac可以处理离开任何级并返回到同一级或一个不同的级的中段回流;RadFrac可以模拟发生化学反应的塔 反应有固定转化率或它们是:(1)平衡 ;(2)流率控制 ;(3)电解质 。RadFrac也可以模拟带有两个液相和化学反应同时发生的塔,对两个液相使用不同的反应动力学。另外RadFrac也可以模拟盐析出。尽管RadFrac假定为平衡级你可以规定 Murphree效率或蒸发效率可以利用 Murphree效率满足装置性能;可以使用RadFrac去设计和核算有塔板和/或填料组成的塔RadFrac可以模拟乱堆填料和规则
20、填料。 1.7 主要研究内容本论文在对乙醇、水、苯混合体系的热力学性质进行分析的基础上,应用化工模拟软件ASPEN PLUS,以NRTL-RK4方程作为物性计算方法,对乙醇、水、苯混合物的分离过程进行了模拟计算,塔底产品中乙醇、苯和水的含量达到分离要求,以系统分离效果最佳为目标,对精馏塔的重要工艺参数:回流比、夹带剂的进料量、塔板数、夹带剂的进料位置进行了优化,通过模拟分析确定了理想的工艺参数。2 乙醇、水、苯体系恒沸精馏过程的模拟2.1 生产任务及工艺参数乙醇-水的混合物的处理量为800ty,F1、F2的进料温度为25,进料压力为1.15bar。物料组成如表2-1所示。表2-1 物流工艺参数
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