1、毕业论文 文献综述 化学工程与工艺 化工模拟软件模拟 精馏法分离的工艺设计 一、 前言部分 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
2、行化工过程设计的强大工具。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。 二、主题部分 2.1 精馏操作在化工中的应用介绍 精馏是化工生产中应用非常广泛的一种单元操作， 也 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
3、操作不仅能精制一些化学终产品，还可用于对原料的提纯和对溶剂、废料的回收、循环利用等，因此，精馏在化工生产中的重要性可见一斑。 2.2 精馏分离的原理 精馏是蒸馏操作的一种，也是其中应用最广泛的操作。一般来说， 液体均具有挥发成蒸汽的能力，但各种液体的挥发性各不相同 。 习惯上，将液体混合物中的易挥发组分 A 称为轻组分，难挥发组分 B 则称为重组分。将液体混合物加 热至泡点以上沸腾使之部分汽化；反之将混合蒸汽冷却到露点以下使之部分冷凝。 部分汽化及部分冷凝均可使混合物得到一定程度的分离，它们均是籍混合物中各组分挥发性的差异而达到分离的目的，这就是蒸馏及精馏分离的依据 。 在精馏塔内， 蒸气由塔
4、底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发 (低沸点 )组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发 (高沸点 )组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部 分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。 概括的说，精馏就是利用各组分挥发度不同的特性，实现分离目的的单元操作 3。 2.3 精馏的常见分类 按操作过程分间歇精馏和连续精馏 ;按操作方式分
5、:常减压精馏、恒沸精馏、萃取精馏、反应精馏、催化精馏、抽提精馏、热泵精馏和膜精馏 4。 2.3.1 恒沸精馏 在被分离的二元混合液中加入第 3 组分 ,该组分能与原溶液中的 1 个或者 2 个组分形成最低恒沸物 ,从而形 成了“恒沸物 - 纯组分”的精馏体系 ,恒沸物从塔顶蒸出 ,纯组分从塔底排出 ,其中所添加的第 3 组分称为恒沸剂或夹带剂。决定恒沸精馏可行性和经济性的关键是恒沸剂的选择 ,对恒沸剂的要求 4: 与被分离组分之一 (或之二 ) 形成最低恒沸物 ,其沸另一从塔底排出的组分要有足够大的差别 ,一般要求大于 10 。希望能与料液中含量较少的那个组分形成恒沸物 ,而且夹带组分的量要尽
6、可能高 ,这样夹带剂用量较少 ,能耗较低。新形成的恒沸物要易于分离 ,以回收其中的夹带剂。如乙醇 - 水恒沸精馏中静置分层的办法。满足一般的工业要求 ,如热 稳定、无毒、不腐蚀、来源容易、价格低廉等。夹带剂量是影响恒沸精馏过程设计的重要参数 ,一些学者对此进行了研究。 H. Andersen等以甲苯为夹带剂的丙酮 - 庚烷恒沸物系为例研究了恒沸精馏中蒸汽量、夹带剂量、组分分离效果之间的关系 , 提出在一定范围内增加夹带剂量时蒸汽量的变化对分离效果没有影响 5 。 Larose 等研究了以苯为夹带剂的乙醇 - 水分离过程 ,得到了改变夹带剂量时轻组分相对挥发度的变化规律 6。朱旭容等研究了间歇恒
7、沸过程中以苯为夹带剂分离异丙醇一水恒沸物系时夹带剂量对分离度的影响 ,指出了夹带 剂量变化影响产品的组成。 2.3.2 萃取精馏 萃取精馏是通过向精馏系统中加入适当的质量分离剂 (MSA) 来显著增大相对挥发度很小或者易形成共沸物的混合物组分之间的相对挥发度 ,使分离易于进行 ,从而获得产品的一种特殊精馏技术。对于制药、废溶剂提取、精细化工等生产多为产量小、品种多的物料分离提纯 ,Berg于 1985 年提出将已经在化工上应用广泛的连续萃取精馏改为采用间歇方式操作。间歇萃取精馏 (BED) 结合了间歇精馏与萃取精馏的诸多优点 ,如 :设备简单 ,投资小 ;可用于同一塔分离多组分混合物成几个不同
8、馏分 ;适用性强 ,所处理物料组成可繁改动 ;通过选取适宜萃取剂 ,可应用于在化工、制药、精细化工等行业中普通精馏无法完成的共沸物系及相对挥发度极小的物系分离 ,且较恒沸精馏过程简单。 2.3.3 反应（催化）精馏 反应精馏 (RD ,reactive distillation) 是将化学反应与精馏分离结合在同一设备中进行的一种耦合过程。 反应精馏对反应物和产物的挥发度的要求为 : 产物的挥发度比反应物的挥发度都大或都小 ; 反应物的挥发度介于产物的挥发度之间。只有这样采用反应精馏才能收到良好的效果。 反应精馏技术与传统的反应和精馏技 术相比 ,具有显著的优点 : 反应和精馏过程在一个设备内完
9、成 ,投资少、操作费用低、节能 ; 反应和精馏同时进行 ,不仅改进了精馏性能 ,而且借助精馏的分离作 用 ,提高了反应转化率和选择性 ; 通过即时移走反应产物 ,能克服可逆反应的化学平衡转化率的限制 , 或提高串联或平行反应的选择性 ; 2.3.4 抽提精馏 抽提精馏的原理就是首先将沸点相近的馏分脱除 ,然后与极性溶剂混合 ,提高沸点差 ,增大非芳烃的挥发度 ,并除去共沸混合物。在抽提精馏技术中 ,决定的因素是溶剂改变混合物中烃类蒸汽压的能力 ,这种作用是由溶剂分子的极性结 构所引起的 ,并导致溶液中所有烃类的蒸汽压隆低 ,但程度不同。 2.3.5 热泵精馏 热泵精馏是把精馏塔塔顶蒸汽加压升温
10、 ,使其用作塔底再沸器的热源 ,回收塔顶蒸汽的冷凝潜热。根据热泵所消耗的外界能量不同 ,热泵精馏可分为蒸汽压缩式和蒸汽喷射式 2 种类型。塔顶气体直接压缩式热泵精馏应用十分广泛 ,如丙烯 - 丙烷的分离采用热泵精馏 ,其热力学效率可以从 316 %提高到811 % ,节能和经济效益非常显著。 2.3.6 膜精馏 5 膜精馏是将膜与精馏过程相结合的分离方法。膜精馏就是用疏水性微孔膜将两种不同温度的溶液分开，较 高温度侧溶液中易挥发的物质呈气态透过膜进入另一侧并冷凝的分离过程。膜蒸馏与传统蒸馏相比，不需复杂的蒸馏系统，且能得到更纯净的馏出液；与一般的蒸发过程比，它的单位体积的蒸发面积大；与反渗透比
11、较，它对设备的要求低且过程中溶液浓度变化的影响小。另外，膜蒸馏过程能在常压和较低温度下操作，能利用工业余热、地热及太阳能等廉价能源，因而膜精馏被认为是一种节能高效的分离技术，为缓解能源的紧张提供了简单有效的技术方法。 2.4 常用化工模拟软件 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。 2.4.1 Aspen Plus ASPEN PLUS (Advanced System for Process Engine near
12、ing，简称 ASPEN7)是大型通用流程模拟系统，是美国 ASPEN TECH公司于上世纪 80年代推向市场的适用型流程模拟软件，它用严格和最新的计算方法，进行化工单元和全流程的模拟运算 . Aspen Plus 中的单元模块主要有混和器、分流器、分离器、换 热器、塔、反应器和压力变送设备等 7。 2.4.2 Pro II Pro II 应用范围 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。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。
13、2.4.3 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。 2.4.4 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 . 2.4.5 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。 2.4.6 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、经济评价和实验数据处理等，功能十分丰富。 2.5 Aspen Plus 介绍 2.5.1 Aspen
14、 Plus的功能和特点 Aspen Plus其主要产品功能和特点是 8： (1)产品 具有完备的物性数据库 Aspen Plus数据库包括将近 6000种纯组分的物性数据。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 25万多套数据。同时用户也可以把自己的物性数据与 Aspen Plus系统连接。 (2)备有全面、广泛的化工单元操作模型，能方便地构成各种化工生产流程。能够进行近 10种气液平衡系统模拟计算，包含精馏模型、多塔模型等单元操作模块，可广泛模拟分析化工、石油化工、生物化工、合成燃料、冶金等工业过程。 (3)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能够进行收敛分
15、析、灵 敏度分析，将工艺模型与真实的装置数据进行拟合，确保精确、有效的真实装置模型。 (4)根据模型的复杂程度，支持规模工作流。在整个工艺生命周期，优化工作流；回归实验数据；用简单的设备模型，初步设计流程；用详细的设备模型，严格地计算物料和能量平衡；确定主要设备的尺寸；在线优化完整的工艺装置；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全厂流程。 2.5.2 Aspen PIUS的使用方法 9 Aspen Plus的使用方法一般可分为 4部分。 (1)定义模拟流程模拟流程的定义就是选择合适的单元过程 模块并用物料流和能流进行连接，但与实际工艺流程并非完全相同，其实质是对实际生产
16、情况建立数学模型的过程。 (2)设置流程模拟参数该部分包括模拟化学组分、热力学方法、流股信息、模块参数以及计算方法的设置，其操作可在软件 Next导航按钮提示下完成。但选择适宜的物性方是模拟成功与否的关键。 （ 3）模拟分析工具当基本模拟流程完成后，就可以利用软件的模拟分析工具 (设计规定、灵敏度分析、优化等 )完成设计要求、操作性能分析、经济优化等目的。 （ 4）输出模拟结果 模拟完成后可在多处查看结果，对于不同目的可有不同输出方式 10。 2.6 Aspen Plus 在化工生产中的应用 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
17、分离工艺进行了模拟计算 11。在考虑各组分特性的基础上，首先设计了分离工艺流程，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 12。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。 李群生和刘阳应
18、用化工流程模拟软件 Aspen Plus 对聚氯乙烯生产工艺中氯乙烯精馏过程进行了模拟 2，通过比较，选用 NRTL 方程来计算液相活度系数，所得模拟结果与实际生产值基本吻合，可用于指导工业生产。 李清元和史贤林 13应用 Aspen Plus 化工模拟软件对甲醇主精馏 塔进行了模拟计算，算出主精馏塔的最小回流比和最小理论塔板数，进而做出全塔的浓度和温度分布，为生产实际提供参考 三、总结 化学工程技术在人们日常生产、制造领域有着其他技术无可替代的作用，而精馏操作又是化工生产中应用非常广泛的一种单元操作， 也 是工业上应用最广的液体混合物分离操作 13，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门
19、 。 对精馏操作的模拟技术也正在逐渐被主流化工业所接受并认可 14，在计算机迅速发达的今天，计算机仿真技术尤其是 Aspen Plus 等模拟软件的应用有效地扩展了创新性实验的选题范围 ,节 约了实验成本 ,成为化工产业改革和科研创新发展的最佳选择 15。 Aspen Plus 可广泛应用于化工设计、模拟计算、生产优化等多领域 ,比国内单一的计算软件精馏塔模拟计算、加热炉计算等更加优秀。基于这样的背景，如今运用 Aspen Plus 软件模拟精馏分离操作对多元物系进行分离有着十分实际的生产意义 16。而且，在不久的将来运用模拟软件模拟将越来越广泛被运用到生产的各个方面，必将引领一场新的技术改革
20、。 四、参考文献 1宋海华 . 精馏模拟 M. 天津大学出版社 , 2005. 2李群生，刘阳 . 氯乙 烯精馏过程的 Aspen Plus 模拟分析 J.北京化工大学学报（自然科学版）， 2009,36(1):6-7. 3谭天恩，窦梅，周明华等 .化工原理第三版（下册） M.化学工业出版社， 2006. 4赵晶莹，李洪涛 .精馏分离技术研究新进展 J.现代化工 ,2008,6（ 28）： 121. 5王建 .常减压蒸馏装置减压塔技术改造 J.石油化工腐蚀与防护 ,2006,23(2):62-63. 6 曾爱武 .精馏技术在精细化学品分离中的应用 J.精细化工原料及中间体， 2005， 9：
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