1、 本科 毕业设计 （ 20 届） Aspen Plus 模拟三元物系精馏分离过程的设计 所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 :本文采用化工模拟软件 ASPEN PLUS 对甲醇（ METHANOL）水（ WATER）和正丙醇（ N-PROPANOL）三元物系的精馏系统建立模型。第一步用塔模块中的 DSTWU 初步确定理论塔板数、理论回流比、理论进料板位置。第二步采用 RadFrac 模型通过“设计规定”确定达到精甲醇纯度时所需的实际回流比、实际塔板数和实际进料板位置。第三步采用“设计规定”确定塔底水浓度达到最大时塔顶的蒸出流率。第四步
2、通过确定侧线出料位置和侧线出料流率，使塔底废水组成达标。整个过程采用灵敏度分析工具进行优化分析。 关键词 : ASPEN PLUS；精馏；理论板数；回流比 ；灵敏度 II Abstract: In this paper,chemical process simulation software ASPEN PLUS model the ternary system methanol(METHANOL)、 water(WATER) and n-propanol(N-PROPANOL).The first step,using DSTWU module to initially identified
3、 number of theory stages,theory reflux ratio and location of the theory feed stage.The second step,using RadFrac to determine the actual reflux ratio,actical number of stages and actual position of the feed stage when it goes to the purity of methanol requirement by “design requirement”.The third st
4、ep,using “design requirement” to determine the top flow rate when the bottom water concentration is the maximum.The fourth step,determing the location of the side lion and the flow rate of the side lion to make bottom waste water standarded.The whole process is optimized by analysis of the sensitivi
5、ty analysis tools. Keywords: ASPEN PLUS； distillation; number of stages; reflux ratio;sensitivity目 录 摘要 Abstract 1 绪论 （ 1） 1.1 选题的背景和意义 （ 1） 1.2 相关研究的最新成果及动态 （ 1） 2 设计任务 （ 4） 2.1 设计内容（ 4） 2.2 研究方法（ 4） 3 设计过程 （ 5） 3.1 DSTWU 模块 （ 5） 3.2 RADFRAC 模块 （ 10） 3.3 侧线出料模块 (19) 3.4 再沸器 （ 27） 4 结果 （ 30） 参考文献 （
6、31） 致谢 （ 32） 1 1 绪论 1.1 选题的背景和意义 把液体混合物进行多次部分气化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离成为所要求组 分的操作过程称为精馏 1。精馏实际上是多次简单蒸馏的组合。在精馏段，气相在上升的过程中，气相低沸点组分不断得到精馏，在气相中不断地增浓，在塔顶获得低沸点产品。 精馏过 程与其他蒸馏过程最大的区别在于塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终保证一定的传质推动力 2。 化工流程模拟软件出现于上世纪 50年代末，现已成为进行化工过程设计的强大工具
7、。这类软件包含强大的热力学和单元操作模块，并配有庞大的物性数据库，既可进行单个的设备计算，也可计算整个化工生产流程。现在化工过程模拟软件已经广泛地被应用于化工过程的设计、测试、优化和过程的整合 。利用模拟软件解决精馏操作型问题是一条非常 有效的捷径， Aspen Plus是一种通用型化工流程模拟软件，可用于单元过程及化工 流程的模拟、设计和优化，具有界面友好、工作效率高、结果准确等优点。 通过对精馏过程进行准确的模拟计算来改善精馏塔的分离能力和降低能源消耗，实施精馏装置的优化操作，对于企业提高经济效益具有极其重要的现实意义。无论从工业界的需要还是计算机技术在工业中应用的发展，精馏过程的模拟和优
8、化都是一个重要的研究课题。 1.2 相关研究的最新成果及动态 化工过程稳态模拟经过了近 50 年的发展，已经广泛的应用于炼油、石油化工、精细化工、电池工 业等化工领域，在医药、农药、环保等行业也有一定应用。 现在化工过程模拟软件已经广泛的被应用于化工过程的设计、测试、优化和过程的整合。 常用的模拟软件主要有： Aspen Plus 、 Pro II 、 Hysys、 Chem CAD、 Design II、 ECSS3。 （ 1） Aspen Plus Aspen Plus 是基于流程的过程稳态模拟软件，由以下基本模块组成：纯组分数据库，包括二元参数、反应常数等，用于物理和传递性质计算的热动力
9、学模型，单元操作模型等。该软件共包括 56 种单元操作模型、 5000 种纯组分、 5000 种二元混合物、 3314 种固体化合物、 40000 个二元交互作用参数的数据库，及两个通用的数 据库： 4Aspen CDASPENTECH 公司自己开发的数据库， DIPPR 美国化工协会物性数据设计院设计的数据库。应用范围：化工过程的研究开发，2 装置设计，生产过程的控制，工艺优化及技术改造等方面 3、 4 (2) Pro II Pro II 的应用范围 ：综合工艺流程模拟，在制气、炼油、石油化工、化学工程、制药、工程建设与施工中进行过程设计、过程操作分析、设计和操作过程优化。能够完成新工艺设计
10、，不同的装置配置评 估，优化和改进现有装置，依据环境评估，消除工艺装置瓶颈，优化产能、增进收益5。 (3) Hysys 该软件可应用于：工厂设计，操作监视，故障检查，全生命周期模拟，动态模拟，改进操作，资产管理 6 7。 (4) Chem CAD 主要应用于化工过程的工艺开发、工程设计、优化操作和技术改造中 。 (5) Design II Design 软件的主要应用范围包括：管线建模，混合胺体系模拟，原油处理，换热器设计，合成氨工厂模拟，燃料电池模拟，化工传递模拟 5.8。 (6) ECSS 可用来进行物性推算，单级过 程模拟、反应过程模拟、工艺流程系统模拟、塔及换热器设计、经济评价和实验数
11、据处理等，功能十分丰富。 随着全世界能源问题的日益紧迫 ,煤化工行业广泛兴起。许多高校和科研院所也陆续投入到煤化工新工艺的开发和优化中来。作为火电厂的烟气脱硫技术 ,由于湿法脱硫工艺复杂、影响因素繁多 ,特别是经济性敏感 ,其核心技术长期处于国外垄断状态。 孙志翱 9等利用 ASPEN PLUS对火电厂烟气湿法脱硫工艺进行了模拟 ,开发出了具有自主知识产权的烟气脱硫技术 ,其结论与原始设计数据较为吻合 ,建立的模型对优化设计具有一定的指导意义。 ASPEN PLUS在模拟煤炭气化过程中有独到的优势 ,在替代能源的研究中起到了非常重要的作用。 10孟辉等应用 ASPEN PLUS软件建立了 Te
12、xaco气化炉的模型 ,并进行了模拟计算 ,结果与文献数据相符 ,模型计算结果可靠。对喷流床气化的模拟标明 ,此软件能够较合理地模 IllinoisNo16煤种的气化反应 ,可用于对参数的分析研究。 张宗飞 11等以 ASPEN PLUS为模拟工具 ,选择反应平衡模型 ,并应用 Gibbs自由能最小化方法建立了 Shell粉煤气化模型 ;通过对神华、沾化和天碱煤种的气化模拟 ,对建立的模型进 行了检验 ,也取3 得了良好的结果。 郝妙莉、刘弓、杨伯伦等人借助 Aspen 模拟软件对以乙醇胺和氨为原料生产乙二胺、哌嗪的产物体系的精馏分离工艺进行了模拟计算 12。在考虑各组分特性的基础上，首先设计
13、了分离工艺流程，然后采用 Flash 闪蒸设计模型，对闪蒸及各精馏装置进行了设计计算，得到了回流比、塔板数和温度等操作参数。最后对部分精馏塔进行验证，并进行灵敏度分析，最终确定的操作条件可为实际分离工艺设计和生产操作过程提供可靠的依据。 杜彬利用 Aspen Plus 软件对以液化石油（ LPG）和二硫化物体系的精馏过 程进行了模拟计算6。通过实验得到了达到分离任务时的最小回流比和最小理论塔板数。综合考虑操作费用和设备费用确定了实际的回流比和塔板数，并对操作过程进行了优化，最终将此实验案例运用到了实际的生产中。 4 2 设计任务 2.1 设计内容 根据给定的条件设计一座分离甲醇、水、正丙醇混合
14、物的连续操作常压精馏塔，生产能力：10000 吨精甲醇 /年；原料组成：甲醇 70%w，水 28.5%w,丙醇 1.5%w；产品组成：甲醇 99.9%w;废水组成：水 99.5%w；进料温度： 323.15K; 全塔压降： 0.011MPa；所有塔 板的 Murphree 效率Eff =0.35。要求得出以下结果： 1、进料、塔顶产物、塔底产物、侧线出料流量； 2、全塔总塔板数 N； 3、最佳加料板位置 NF； 4、最佳侧线出料位置 NP； 5、回流比 R； 6、冷凝器和再沸器温度； 7、冷凝器和再沸器热负荷； 8、再沸器供热所需的饱和水蒸气量（压强 8bar） 2.2 研究方法 1、用塔模块
15、中的 DSTWU 初步确定理论塔板数、理论回流比、理论进料板位置。 2、采用 RadFrac 模型通过“设计规定”确定达到精甲醇纯度时所需的实际回流比、实际塔板数和实际进料板位置。 3、采用 “设计规定”确定塔底水浓度达到最大时塔顶的蒸出流率。 4、通过确定侧线出料位置和侧线出料流率，使塔底废水组成达标。 5、整个过程采用灵敏度分析工具进行优化分析。 5 3 设计过程 3.1 DSTWU 模块 （ 1）建立模块，在窗口的下方流程图窗口中选择 Columns 按钮，点击 DSTWU 模块，选择第一种样式，在窗口空白处点击画出模型位置。然后，单击 Material STREAM 并拖入流程图中，连
16、接精馏塔的进料、塔顶采出、塔底产品物流。其中红色物流线为必须连接的物流线，蓝色可以不连接。连接物流线后单击更 改名称为 FEED、 D、 W，进料名称为 FEED，顶部出料名称为 D，底部出料名称为 W，并将 Blocks 的名称改为 DSTWU（见图 3-1）。 图 3-1 建立 DSTWU 模块 （ 2）点击 按钮，进入 Setup 下的 Specifications 界面，在 Global 界面输入题目，在刘Accounting 界面输入信息（见图 3-2）。 6 图 3-2 信息输入 （ 3）单击 图标，输 入组分，点击 Find 按钮，出现如下图的界面（图 3-3），找到组分后点击 Add，就可以看到如下的结果（见图 3-4）。 图 3-3 查找组分
