1、本科生毕业论文题目ASPENPLUS软件分离正己烷和乙酸乙酯的模拟分析专业代码0817作者姓名学号2009202142单位化学化工学院指导教师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聊城大学本科毕业论文目录前言1第一章总论111ASPENPLUS介绍112课题介
2、绍2第二章工艺流程221物性分析222流程确定5第三章结果与讨论531共沸精馏塔回流比对产品产量的影响632共沸剂丙酮进料位置对产品产量的影响933原料进料位置对产品产量的影响1234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聊城大学本科毕业论文摘要介绍ASPENPLUS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ASPENPLU
3、S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13，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998以上。关键词共沸精馏；共沸剂；剩余曲线；丙酮聊城大学本科毕业论文ABSTRACTABSTRACTTHISPAPERINTRODUCEDTHEGENERALUSEMETHODOFASPENPLUSANDITSAPPLICATIONINDISTILLATIONOPERATIONPROBLEMANALYSISTHEPRACTICESHOWEDTHATFLOWSHEET
4、SIMULATIONSOFTWAREASANEFFECTIVESHORTCUTHELPSSTUDENTUNDERSTANDDISTILLATIONPRINCIPLEANDENHANCETHEABILITYTOSOLVEACTUALPROJECTMATTERBYTHETECHNIQUEOFFLOWSHEETSIMULATIONANDOPTIMIZATIONINORDERTOSEPARATENHEXANEETHYLACETAEAZEOTROPE,AZEOTROPICDISTILLATIONWASUSEDWITHACETONEASENTRAINERASPENPLUSSOFTWAREWASUSEDTO
5、SIMULATETHEAZEOTROPICDISTILLATIONFLOWSHEETEFFECTSOFDIFFERENTFACTORSONTHEAZEOTROPICDISTILLATIONWEREANALYZEDANDOPTIMIZEDWHENTHEACETONEFLOWRATEWAS74KG/H,THEREFLUXRATIOWAS13,FEEDPOSITIONWASTHE13THTHEORETICALPLATEANDFEEDPOSITIONOFACETONEWAS4THTHEORETICALPLATE,THEMASSFRACTIONOFETHYLACETATEREACHED998INTOWE
6、RBOTTOMKEYWORDSAZEOTROPICDISTILLATION；ENTRAINER；RESIDUECURVE；ACETONE聊城大学本科毕业论文1ASPENPLUS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
7、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ASPENPLUS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11ASPENPLUS介绍ASPENPLUS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。ASPENPLUS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
8、度、压力条件适当选用。ASPENPLUS自带有约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TXY图等数据可以通过查找ASPENPLUS物性数据库，物性数据库中没有的还可以通过ASPENPLUS软件提供的物性估算功能进行理论计算。使用ASPENPLUS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。聊城大学本科毕业论文2ASPENPLUS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
9、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。CALCULATORMODELS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】。12课题介绍本论文研究的主要是利用ASPENPLUS模块中的精馏分析模
10、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ASPENPLUS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21物性分析由AS
11、PENPLUS里面的物性数据对组分进行分析，得出图21，从图21中我们可知正己烷和乙酸乙酯的正常沸点分别为687和772,在1013KPA下形成二元最低共沸物,共沸组成正己烷的摩尔分数675,乙酸乙酯的摩尔分数325。共聊城大学本科毕业论文3沸温度652,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498,共沸物中含丙酮摩尔分数为625，如图22、23所示。该三元物系的剩余曲线如图24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
12、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21正己烷与乙酸乙酯的TXY图聊城大学本科毕业论文4图22正己烷与丙酮的TXY图图23乙酸乙酯与丙酮的TXY图聊城大学本科毕业论文5RESIDUECURVEFORNHEX01/ETHYL01/ACETONEMOLEFRACNHEX01MOLEFRACACETONEMOLEFRACETHYL01010203040506070809010203040506070809090807060504030201图24正已烷乙酸乙酯丙酮的剩余曲线图22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
13、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998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ASPENPLUS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
14、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，共沸剂聊城大学本科毕业论文6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】。31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，
15、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311表311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13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123011，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312表312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VARY1RMASSRRCASESTATUS1OK120996055105聊城大学本科毕业论文72OK1309980746
16、393OK1409980776084OK1509980140865OK1609979609326OK1709979182917OK1809978836368OK1909978550029OK2099783110OK21099781063611OK22099779318412OK23099777810213OK24099776497214OK2509977534715OK26099774333916OK2709977343717OK28099772639718OK29099771928119OK30997712907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31图31回流比对乙酸
17、乙酯质量分数的影响结论由图31可知，在精馏塔的质量回流比为13时，就能得到含有质量分数为998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13即可达到我们所需要的要求。聊城大学本科毕业论文8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313表313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314表3
18、14产品产率以及误差的设置回流比变化范围设为113，如表315表315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316聊城大学本科毕业论文9表316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13，而当回流比为13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0998，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13可靠。32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
19、流比为13。输入量的步骤和31中的类似，如下表所示表321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322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VARY1M1ACETONESTAGECASESTATUS1OK20925169772聊城大学本科毕业论文102OK309853208093OK409980746394OK509974927845OK609967240796OK709957206377OK809943728378OK90992528599OK100989955573
20、由以上的数据作图可得图32图32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32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0998。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聊城大学本科毕业论文11表323产品乙酸乙酯的
21、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324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325表325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326所示表326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0998，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，产聊城大学本科毕业论文12率最佳。33原料进料位置对产品产量的影响原料的进料量为100
22、KG/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13，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331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332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VARY1M4FEEDSTAGECASESTATUS1OK1009974187562OK110997948843OK120998130684OK1309980746395OK140997750158
23、6OK150996801885聊城大学本科毕业论文137OK1609937956748OK170984666974由模拟所得到的数据作图33可得图33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0998，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333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，聊城大学本科毕业论文14表334产品产率及误差的设置原料进料位置变化为第1018块板，表335原料进料位置的设
24、置输入上述值以后，进行模拟计算后，所得结果如表336所示表336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0998，也就是说这个结果满足要求。34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13，改变共沸剂丙酮的用量，输入值如下表341所示表341塔釜中各种物质（目标产物）的设置聊城大学本科毕业论文15由于此次研究
25、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341输入。操纵变量丙酮流量的变化范围为50100KG/H【20】，见表342所示表342共沸剂丙酮用量的设置表343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VARY1CASESTATUSACETONETOTALFL2FL3FL11OK50821518251E008020374020707962597112OK55150109898E007016466506208353347883OK60299085217E00701246445210875355184OK65702884403E00700843245
26、82409156747155OK70235161553E006004544230850954555346OK75213146586E0050013243326609867353597OK80000101872585000090663460998074648OK8500016490404200004974344109978535259OK90000197694787000040615992099761689210OK950002238896890000352769171099740833411OK10000024688415500003144779160997216681对上述模拟所得数据作图3
27、4可得聊城大学本科毕业论文16图34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0998。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
28、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344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，聊城大学本科毕业论文17表345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346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347所示表347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80
29、KG/H时，乙酸乙酯最终的产率为0998，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ASPENPLUS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13。原料的进料位置为第13块板，丙酮的进料位置为第聊城大学本科毕业论文184块板，此时，塔釜乙酸乙酯的质量分数可达998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
30、的模拟，采用的模拟流程如下图41所示ACETONEFEEDMIX1PRODUCTB1图41流程模拟图在运行结果后，得到了物流数据，如下表41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41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3992299KG/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0998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13。原料的进料位置为第13块板，丙酮的进料位置为第4块板。聊城大学本科毕业论文19参考文献21条1李克,万邦廷溶剂
31、回收M北京兵器工业出版社,19912093052张秀荣,林天慕诺氟沙早微囊的研制J沈阳药科大学学报,2000,1742472493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,20013984024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,20056125彭秉璞化工系统分析与模拟M北京化学工业出版社,199013166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,2006,35137417隋振英,邹东霄共沸精馏中共沸剂的选择J化学工程师,19965427298叶青,段红,施凤芹分隔壁精馏塔操作特性研究J江苏工业学院学报,2007,
32、19445489叶青,肖国栋共沸精馏分离正己烷和乙酸乙酯的模拟研究J常州大学学报,2010,222313310张春勇，郑纯智，汪斌，张国华，文颖频，张纪霞ASPENPLUS软件在化工原理教学中的应用J江苏技术师范学院学报,2010,169788111陈强,孟爱民,梁志荣ASPENPLUS软件在C_8芳烃分离工艺设计中的应用J炼油设计,2001,10424512张治山,张苗苗,李敏基于ASPENPLUS的丙酮回收系统的模拟优化J山东科技大学学报自然科学版,2011,01838713戚一文,方云进物性估算在ASPENPLUS软件中的应用J浙江化工,2007,0191114樊艳良用ASPENPLUS
33、对反应精馏的模拟计算J上海化工,2007,05141915毛伟,李皓凌ASPENPLUS用于甲苯肟分离系统优化J化学工程师,2008,12192216王贤书ASPENPLUS在制药化工原理汽液平衡教学中的应用J广州化工,2011,1318618817韩晓锋,张清,杨金珠,张文效,贺百廷ASPENPLUS在甲醇合成中的应用J煤化聊城大学本科毕业论文20工,1999,02343618姬加良用ASPENPLUS优化甲醇水分离塔操作J大氮肥,2011,02848519汪斌,舒莉,朱炳龙ASPENPLUS在化工设计教学中应用J化工时刊,2010,09485020张春勇,郑纯智,汪斌,张国华,文颖频,张纪
34、霞ASPENPLUS软件在化工原理教学中的应用J江苏技术师范学院学报,2010,09788121赵月红,温浩,许志宏ASPENPLUS用户模型开发方法探讨J计算机与应用化学,2003,04435438聊城大学本科毕业论文21致谢本文是在老师的精心指导下完成的，王老师严谨、扎实的工作作风，勤奋、进取的治学态度，以及宽以待人的学者风范，诲人不卷的育人精神使我受益匪浅。值此论文定稿之际，诚挚的感谢老师，能为我顺利的完成本科毕业论文提供了一个良好的软件和硬件环境。在实验和论文进行中特别得到同课题组的其他同学不厌其烦的讲解和指导，这篇论文的每个细节和每个数据，都离不开同学的细心指导。大家的帮助和细致的讲解使我获益颇深，在此表示衷心的感谢
