Aspen Plus模拟三元物系精馏分离过程的设计毕业作品.docx
《Aspen Plus模拟三元物系精馏分离过程的设计毕业作品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Aspen Plus模拟三元物系精馏分离过程的设计毕业作品.docx（40页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
AspenPlus模拟三元物系精馏分离过程的设计毕业作品
毕-设
业-计
（20__届）
AspenPlus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
摘要:
本文采用化工模拟软件ASPENPLUS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:
ASPENPLUS；精馏；理论板数；回流比；灵敏度
Abstract:
Inthispaper,chemicalprocesssimulationsoftwareASPENPLUSmodeltheternarysystemmethanol（METHANOL）、water（WATER）andn-propanol（N-PROPANOL）.Thefirststep,usingDSTWUmoduletoinitiallyidentifiednumberoftheorystages,theoryrefluxratioandlocationofthetheoryfeedstage.Thesecondstep,usingRadFractodeterminetheactualrefluxratio,acticalnumberofstagesandactualpositionofthefeedstagewhenitgoestothepurityofmethanolrequirementby“designrequirement”.Thethirdstep,using“designrequirement”todeterminethetopflowratewhenthebottomwaterconcentrationisthemaximum.Thefourthstep,determingthelocationofthesidelionandtheflowrateofthesideliontomakebottomwastewaterstandarded.Thewholeprocessisoptimizedbyanalysisofthesensitivityanalysistools.
Keywords:
ASPENPLUS；distillation;numberofstages;refluxratio;sensitivity
摘要……………………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract………………………………………………………………………………………………Ⅱ
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）
3.1DSTWU模块…………………………………………………………………………………（5）
3.2RADFRAC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…………………………………………………………………………………………（31）
致谢………………………………………………………………………………………………（32）
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。
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，AspenPlus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：
AspenPlus、ProII、Hysys、ChemCAD、DesignII、ECSS[3]。
（1）AspenPlus
AspenPlus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：
[4]AspenCD——ASPENTECH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，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）ProII
ProII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，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[67]。
（4）ChemCAD
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）DesignII
DesignⅡ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ASPENPLUS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。
ASPENPLUS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ASPENPLUS软件建立了Texaco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ASPENPLUS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AspenPlus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。
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。
3设计过程
3.1DSTWU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MaterialSTREAM并拖入流程图中，连接精馏塔的进料、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）。
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
图3-4输入组分
（4）单击
进入物性方法的输入。
在Processtype中选择CHEMICAL,Basemethod选择NRTL（见图3-5）。
图3-5物性方法选择
（5）单击
进入规定物流的输入。
在Specifications规定栏中规定三个StateVariables状态变量中的任意两个就可以设置物流的热状态。
根据已知条件输入数据如下:
图3-6物流的输入
（6）单击
进入Blocks操作单元模型的输入。
输入回流比、压力等信息（见图3-7）。
图3-7操作单元输入
点击
按钮，运行，没有错误，查看结果（图3-8）。
图3-8运行结果
从结果可看出塔的最小理论回流比，实际回流比，最小理论板数，实际理论板数，进料板以及冷凝器、再沸器的热负荷等数据。
（7）在结果中查看理论板与回流比的关系（见图3-9）。
图3-9理论板与回流比关系
以理论板为横坐标，回流比为纵坐标作图，运用Plot工具作图，得到二者的关系图。
图3-10理论板与回流比关系图
由图可以看出，当理论板为25时，回流比线较平稳。
因此选择（25,0.66）这一点作为参考点。
3.2RADFRAC模块
（1）建立模块，单击Columns按钮选择RadFrac模块，选择第一种样式，然后，单击MaterialSTREAM并拖入流程图中，连接精馏塔的进料、塔顶采出、塔底产品物流。
方法与DSTWU一样，完成流程图（图3-11）。
图3-11建立RADFRAC模块
（2）单击
图标，输入相关信息，查找组分，组分为甲醇、丙醇和水，物性方法选择NRTL，压力、流量和各组分的质量分数等数据同DSTWU模块。
（3）单击
进入Blocks操作单元模型的输入,输入由DSTWU模块得出的板数和回流比，流量为甲醇的生产能力：
100000吨/年（见图3-12）。
图3-11模块数据输入
（4）再在Streams界面输入进料板位置为第14块板，塔顶为第一块板，塔底为第25块板，状态为液态。
图3-12进料板位置输入
（5）点击进入压力界面，输入塔顶压力值和全塔压降。
图3-13压力输入
（6）运行程序，没有错误，查看结果。
图3-14运行结果
从结果中可以看出甲醇的质量分数还未达到要求，所以对回流比和甲醇的质量分数之间的关系做一个灵敏度分析。
（7）点击ModelAnalysisTools下的Sensitivity,点击New,确定系统给予此次灵敏度分析的命名，在出现的界面中再点击New，给变量命名，确定后出现以下界面。
图3-15灵敏度分析定义变量
（8）点击
按钮后出现Vary界面，输入相关信息，变量选择摩尔回流比，选择合适的上限下限以及作图时的最小单位。
图3-16Vary界面
（9）进入Tabulate界面，输入如下信息，这里输入的为要求在表格的第几列出现要定义的水的质量分数这一目的量。
图3-17Tabulate界面
（10）点击运行，没有错误，查看结果。
图3-18灵敏度分析结果
分别以回流比和甲醇含量为X、Y轴，用Plot工具作图得到下图：
图3-19坐标图
由图上可以得出，当回流比≥0.8，≤3.0时，甲醇的纯度达标，修改回流比的初值，令其等于0.9。
此时再需要借助设计规定进一步确定甲醇的质量分数达到99.9%时的回流比。
（11）点击FlowsheetingOptions下的DesignSpec，点击New，确定此设计规定的名称，再定义变量为甲醇的质量分数（见图3-20）。
图3-20设计规定
确定目标及其允许的误差。
图3-21设计规定确定目标
定义变量的变化范围。
图3-22设计规定定义变量
（12）运行，查看结果，甲醇的质量分数达到99.9%。
图3-23结果
（13）查看每层塔板上的物料组成，点击Blocks下的profiles的Compositions查看水的含量和塔板的关系。
图3-24每层塔板上谁的含量
（14）用作图工具分别以塔板数和水的含量作图。
图3-25水的含量与塔板关系图
由图可以知道水的含量远不能达标，所以要求在塔上有侧线出料，所以重建一个有侧线的模型。
3.3侧线出料模块的设计
（1）打开一个空白的模型，选择RADFRAC，建好模型，有侧线出料，命名为SIDE，进料为FEED，塔顶物流命名为D，塔底物流命名为W，给模块命名为RADFRAC2。
图2-26新建侧线出料模型
（2）给模型输入相关的信息，组分为甲醇、丙醇和水，物性方法选择NRTL，压力、流量以及各组分的质量分数不变。
在Blocks界面中输入塔板等信息，由于塔板的Murphree效率为0.35，所以输入的塔板、进料板都有所变化。
流量不变，任然为100000吨/年，先假设出料板的位置为第60块，假设其出料量为437kg/hr，这是经过多次假设尝试之后得出的一个较符合的值，在实际的设计中，通常需要多次的假设才能得出一个较合适的假设值并将其运用到以下的运算当中。
图3-27侧线出料模块数据输入
图3-28进料板输入
（3）板效率的输入。
点击Blocks下的Efficiencies，选择Murphreeefficienciess。
由于题目中板效率为0.35，因此需定义板效率，通常的定义为列出第1、第2块板的板效率的值，再直接跳至最后一块板的板效率的值，这样系统就会设定其全部的板效率为这一设定的值。
图3-29板效率选择
图3-30板效率定义
（4）运行，没有错误，查看结果。
图3-31运行结果
由结果看出，水的纯度不达标，通过调整出料量或出料的位置可以使其达标，在此选择调整出料板的位置，先对水的纯度和板数做一个灵敏度的分析。
（5）点击ModelAnalysisTools下的Sensitivity,命名S-2，定义变量。
图3-32灵敏度分析
图3-33定义变量
（6）运行，查看结果。
图3-34运行结果
（7）用作图工具对其作图。
图3-35坐标图
可以看到，图上显示的水的纯度达标的点不是很明显，为了更精确的使水的质量分数达到99.5%，再使用设计规定。
（8）运用Blocks中的设计规定，点击Blocks下的Designspecs，点击New,输入数据。
这里要使水的质量分数达到99.5%，所以选择的样式为MassPurity,目标位99.5%，水是出来的产品。
从甲醇、丙醇、水的混合物中选出水，其存在在塔底的产物中。
图3-36设计规定1
图3-37设计规定2
图3-38设计规定3
（9）定义变量。
样式选择Liquidsidestreamrate，侧线出料在第60块。
图3-39设计规定定义变量
（10）运行，查看结果，水的质量分数达到了99.5%，其值的误差在允许的范围内。
。
图3-40设计规定运行结果
（11）查看模块的结果，可以看到此时在塔顶的甲醇的质量分数达到了要求，达到了99.9%，而在塔底的水的质量分数也达到了要求，达到了99.5%。
图3-41模块运行结果
（12）查看冷凝器和再沸器的温度和热负荷
图3-42冷凝器温度和热负荷
图3-43再沸器温度和热负荷
3.4再沸器
（1）建立再沸器的模型，选择HeatExchangers的第一种类型，再连接物料。
图3-44建立再沸器模型
（2）组成为只有水，如下图。
图3-45组分
（3）进料组分的数据输入见下图，水蒸气分数为1，此处的总流量是一个需要多次试验的数值，经过多次的尝试之后确定为17000kg/hr，组分中只有水，所以质量分率为1。
图3-46压力输入
（4）进入模块，输入压力和热量。
图3-47模块数据输入
（5）运行，查看结果。
图3-48运行结果1
图3-49运行结果2
图4-50运行结果3
4结果
1、进料量：
143150tonne/year
塔顶产物流量：
11404kg/hr
塔底产物流量：
4459kg/hr
侧线出料流量：
230kg/hr
2、全塔总塔板数：
68
3、最佳加料板位置：
40
4、最佳侧线出料位置：
64
5、回流比：
0.9
6、冷凝器温度：
64.55c
再沸器温度：
102.20c
7、冷凝器热负荷：
8780.6kw
再沸器热负荷：
9326.6kw
8、再沸器供热所需的饱和水蒸气量：
943kmol/hr
参考文献
[1]宋海华.精馏模拟[M].天津大学出版社,2005.
[2]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.
[3]AlirioERandMirjanaM．Modellingandaimulationinchemicalengineering：
Tools|forprocessinnovation．ComputersandChemicalengineering，2005，29：
1167-1183.
[4]SilvanoCimini,MarinaPrisciandaroandDiegoBarbs.Simulationofawasteincinerationprocesswithflue-gascleaningandheatrecoveryactionsusingAspenPlus.WasteManagement,2005,25:
171-175.
[5]孙红先，赵听友，蔡冠梁.化工模拟软件的应用与开发[J].计算机与应用化学,2007,24（9）:
1285-1288
[6]杜彬.AspenPlus软件优化脱除液化气中二硫化物的精馏过程[J].广东化工,2009,36（10）：
122.
[7]曹晓荣，谭心舜.石油物性的计算．青岛科技大学学报，2003，24：
50-52．
[8]DavisRA.Simplegaspermeationandpervaporationmembraneunitoperationmodelsforprocesssimulators.ChemicalEngineeringandTechnology,2002,25（7）:
717-722.
[9]张少珍.精馏分离序列综合优化[J].北京化工，2007,12（3）：
4-15.
[10]王彩虹，林雄超，董敏，王永刚.AspenPlus在化工实验教学和科研中的应用[J].化工时刊,
2009,23（6）：
72-75.
[11]ZhengLiangandEdwardFurimsky.Aspensimulationofcogenerat
升级会员 