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aspen模拟毕业论文

分类号：

TQ028.3单位代码：

108

密级：

一般学号：

*************

本科毕业论文（设计）

题目：

碳酸二甲酯—甲醇体系

间歇萃取精馏模拟

专业：

化学工程与工艺（煤化工方向）

姓名：

指导教师：

职称：

答辩日期：

****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：

碳酸二甲酯—甲醇体系间歇萃取精馏模拟

摘要：

本论文利用AspenPlus流程模拟软件，基于UNIFAC活度系数模型，采用半连续加入萃取剂、回流比恒定馏出液组成逐渐减小的间歇萃取精馏方法，以碳酸乙烯酯为萃取剂，运用灵敏度分析法分析影响分离碳酸二甲酯-甲醇效果的各工艺参数，并且根据此得出最优分离条件，得到当萃取剂进料量为75kmol/sec，第4块塔板进料，进料温度为25℃，间歇精馏塔理论塔板数为20块，回流比为5时分离取得最优效果，精制碳酸二甲酯纯度达到0.995，甲醇馏出物、萃取剂回收纯度均大于等于0.99。

关键词：

AspenPlus软件；碳酸二甲酯；间歇萃取精馏；灵敏度分析；

Thebatchextractivedistillationseparationofdimethylcarbonateandmethanol

Abstract：

Inthispaper,theAspenPlusprocesssimulationsoftware,basedontheUNIFACactivitycoefficientmodel,theuseofsemi-continuousjointheextractant,therefluxratioconstantdistillatecompositionofbatchextractivedistillationmethodgraduallydecreasesastheextractionagent,ethylenecarbonate,theuseofsensitivitytheanalysismethodaffectingtheseparationofdimethylcarbonate-themethanoleffectofvariousfactors,andbasedonthistheoptimalseparationconditions,obtainedwhenthefeedamountoftheextractant95kmol/sec,#4platesfeed,feedtemperature25℃,batchrectificationcolumntheoreticalplatenumberof25blocks,arefluxratioofseparationfor5hourstoobtaintheoptimumeffect,thepurityofthepurifieddimethylcarbonate0.995,themethanoldistillatepurityofgreaterthanorequalto0.99,extractantrecoverypurityequaltoorgreaterthan0.99.

Keywords:

AspenPlussoftware;dimethylcarbonate;Thebatchextractivedistillation;sensitivityanalysis;

1前言

1.1碳酸二甲酯—甲醇恒沸体系介绍

碳酸二甲酯（DMC）是一种无色、带有芳香气味的可燃性液体，沸点为90.1℃。

化学性质非常活泼，能与酚、醇、胺、酯类化合物物发生反应，生成许多具有特殊性质

的化合物，是重要的有机合成中间体，DMC还是良好的溶剂及清洗剂，在涂料、医药、电池等领域也有广泛应用；并且是非毒性、“绿色”新型化工原料[1]。

常压下碳酸二甲酯，甲醇均为液体，甲醇的沸点为64.5℃，碳酸二甲酯的沸点是90.1℃。

当碳酸二甲酯和甲醇混合物中碳酸二甲酯摩尔分数达到13%，甲醇的摩尔分数达到87%时碳酸二甲酯和乙醇的混合物形成恒沸体系。

此二元恒沸体系的沸点为63.5℃，简单精馏无法将其分离，必须采用特殊精馏，本文采用间歇萃取精馏的方法[1]。

1.2间歇萃取精馏原理介绍

间歇精馏又称分批精馏，一次性进料，一次性出料，间歇精馏与连续精馏相比较具有的以下特点[2]：

1.间歇精馏为非稳态过程,由于釜中液相的组成随精馏过程的进行而不断降低，因此塔内参数不仅随位置变化而且随时间变化；

2.间歇精馏只有精馏段。

间歇精馏有两种基本操作方式：

1.馏出液组成恒定回流比不断增大的间歇精馏操作；

2.回流比恒定馏出液组成逐渐减小的间歇精馏。

本文采用第二种方法。

萃取精馏是利用添加萃取剂来增加两种难以分离物料的相对挥发度,使两者容易通过精馏而分离的精馏过程。

它作为分离共沸物,近沸点混合物及其他低相对挥发度混合物的技术,在化学工业中有着重要意义。

萃取精馏操作具有装置相对简单、可立足现有装置改装、处理量大和可连续有效地分离等优点，是最为广泛使用的分离方法之一。

间歇萃取精馏[3]（batchextractiondistillation，简称BED）也称分批精馏、非稳态精馏。

全过程完全在单塔内实现原料进料、萃取剂的加入和回收。

它更适用于批量小、产值高、多品种物料的精馏,有很好的经济性和操作灵活性。

根据溶剂加入方式，间歇萃取精馏可分为一次性加入溶剂操作方式和半连续加入溶剂操作方式。

一次性加入方式是溶剂与料液一起加入到塔釜再沸器中，然后进行间歇操作。

其缺点是再沸器体积有限，限制了加料量。

半连续加入方式是萃取剂从靠近塔顶的位置连续加入，整个精馏塔分为萃取段和精馏段。

在这种操作模式下，萃取剂基本上在每个塔板上均发挥作用，增大了分离效率。

本论文采用半连续加入溶剂来进行间歇萃取精馏。

1.3萃取剂选择原理[4]

1．选择性高，即加入少量溶剂后能大幅度的增加溶液相对挥发度；

2．挥发性小，即具有比被分离组分高得多的沸点，且不与原溶液中各组分形成；

3．恒沸物，以便于分离回收；

4．添加剂能与原溶液有足够的互溶度，两者能良好的混合，以充分发挥每块板上液相中添加剂的作用。

本设计中选择的萃取剂为碳酸乙烯酯（沸点为248℃），与碳酸二甲酯互溶，加入溶液中从而使原溶液中两个组分间的相对挥发度大为增加。

1.4萃取精馏的操作特点

为增大被分离组分的相对挥发度，应使各板液相均保持足够的添加剂浓度，当原料和萃取剂以一定比例加入塔内时，必存在某一个最合适的回流比。

当不含添加剂的回流过大，非但不能提高馏出液组成，反而会降低塔内添加剂的浓度而使分离变得更为困难。

同样，当塔顶回流温度过低或添加剂加入温度较低，都会引起塔内蒸气部分冷凝而冲淡各板的添加剂浓度。

1.5Aspen流程模拟软件简介及应用

ASPENPLUS是大型通用流程模拟系统[5]，源起于美国能源部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”（AdvancedSystemforProcessEngineering）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。

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，ASPENPLUS使用最新的软件工程技术通过它的MicrosoftWindows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，ASPENPLUS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。

ASPENPLUS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。

在实际应用中，ASPENPLUS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。

ASPENPLUS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。

ASPENPLUS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。

ASPENPLUS在整个工艺装置的从研发、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ASPENPLUS，公司可以设计、模拟、瓶颈诊断和管理有效益的生产装置。

1.6BatchFrac模型简介

BatchFrac[6]是一个用于间歇蒸馏的单元操作模型，它是模拟多级间歇蒸馏塔的一个严格的模型。

BatchFrac用一种十分有效的算法来求解非稳态的描述间歇蒸馏过程的热平衡方程和物料平衡方程，在每个平衡级上都提供了严格的热平衡物料平衡和相平衡关系。

BatchFrac能够处理各种间歇蒸馏问题包括以下系统：

1．窄沸程

2．宽沸程

3．高度非理想系统

4．三相系统

5．反应系统

BatchFrac能够检测冷凝器中游离水的存在或者是塔中任意位置的第二液相的存在，BatchFrac在模拟级间倾析器时具有很大的灵活性，BatchFrac可以模拟带有平衡或速度控制的反应的间歇蒸馏塔这些反应可以发生在任意一个平衡级上包括再沸器和冷凝器。

BatchFrac模型假定：

1．使用平衡级可以规定汽化率；

2．有连续的液体滞留且没有气体滞留；

3．不模拟塔水力学。

BatchFrac模型输入规定：

BatchFrac塔板是从上往下计算的，起始于冷凝器。

其精馏过程是一个连串的顺序操作过程，BatchFrac的第一个操作步骤是进行全回流运算。

BatchFrac有两种形式的数据输入规定：

1．Columnsetup（塔设置）；

2．Columnoperation（塔操作）。

1.7主要研究内容

本文采用大型化工模拟软件AspenPlus对该分离过程进行模拟，模拟选用间歇精馏模块BatchFrac，它能模拟不同时间段塔顶出料的间歇萃取过程。

物性参数选用UNIFAC活度系数模型。

本文所用设备为萃取精馏塔，对碳酸二甲酯-甲醇共沸体系（摩尔比13：

87）的间歇操作常压萃取精馏过程进行了模拟计算。

模拟过程以碳酸乙烯酯为萃取剂，根据不同的时间段得到符合要求的产品：

轻组分甲醇的纯度（摩尔分数）要求大于等于99%。

需要完成精制碳酸二甲酯的任务，要求得到大于等于99%的碳酸二甲酯。

并且对萃取剂进料量，萃取剂进料位置，萃取剂进料温度，精馏塔回流比和塔板数进行灵敏度分析，优化过程得到理想工艺参数。

12碳酸二甲酯-甲醇体系分离过程模拟及优化

2.1设计工艺参数

萃取精馏精制碳酸二甲酯的工艺条件[7]为：

在常压常温的条件下，处理进料量100kmol/sec，n（DMC）：

n（ME）=13：

87，进料时间为1000sec的碳酸二甲酯和甲醇共沸物。

要求精制得到碳酸二甲酯产品的纯度（摩尔分数x）要大于等于99%，分离采出的甲醇的纯度大于等于99%，以碳酸乙烯酯（DMC）为萃取剂。

2.2模拟流程的建立[8]

图2-1碳酸二甲酯-甲醇体系萃取精馏模拟流程图

本论文采用的是回流比恒定馏出液组成逐渐减小的间歇精馏。

碳酸二甲酯-甲醇共沸体系（FEED）从塔底一次性加入，萃取剂碳酸乙烯酯（EC）在靠近塔顶处连续加入，因为馏出液的组成随精馏时间不断变化，为得到符合要求的产品，因此此间歇萃取精馏根据时间段分为三个阶段，第一个阶段萃取精馏段高纯度甲醇（ME）从塔顶馏出；第二个阶段过渡液回收阶段含有甲醇与碳酸二甲酯（GD）的过渡液回收；第三个阶段萃取剂回收阶段高纯度碳酸二甲酯（DMC）馏出。

2.3重要参数的确定

2.3.1定义物性方法

物性方法是一批方法和模型，ASPENPLUS用它们计算热力学物性和迁移性质。

可采用的物性方法有理想物性方法、状态方程物性方法、活度系数物性方法、专用系统的物性方法等。

UNIFAC基团贡献法是通过基团的体积参数和表面积参数以及基团之间的交互作用参数来计算活度系数的一个简单的程序，适合于汽液平衡的萃取精馏体系。

因此本论文采用的模型方式为UNIFAC活度系数模型。

2.3.2定义进料物流参数

对于所有的进料物流，必须规定流率、组成、热力学状态。

本论文设定的是处理100000kmol的共沸物，设置进料温度25℃，压力为1atm，进料流量为100kmol/sec，进料时间为1000sec，一次性进料，原料条件的参数碳酸二甲酯—甲醇的摩尔比为13：

87，萃取剂进料温度为25℃，压力为1atm，进料流量为150kmol/sec，萃取剂含量大于0.99，定为1。

2.3.3定义模块参数

全局信息设置、组分、物性方法将BatchFrac模块的精馏塔塔板数为30、选择冷凝器为全凝器、采用釜式再沸器，收敛方法采用标准方法，在操作规定下规定馏出物摩尔流率为100kmol/sec，回流比为5，每块塔板的持液量为32kmol，萃取剂从第二块塔板加入，设置停车时间由塔顶甲醇的摩尔浓度变化控制。

操作时间最大不能超过1800sec。

将以上所述参数输入软件进行初步运行计算[9]。

2.4分离工艺过程的运行

2.4.1萃取精馏阶段

间歇萃取精馏第一阶段萃取精馏阶段，这个阶段从塔顶的某块塔板上加入萃取剂，塔釜是反应前一次性加入的恒沸物，经过一段时间萃取剂全回流后开始萃取恒沸物，将停止条件设置为塔顶馏出物甲醇纯度大于等于0.99，如果小于0.99将停止馏出，从塔顶采出符合产品要求的甲醇。

如图2-1中的ME物流线。

第一阶段运行结果：

图2-2塔顶甲醇馏出物的运行结果

图2-3塔顶馏出物组成

图2-4塔内与馏出物的摩尔量

由运行结果图得出在第一阶段保持塔顶馏出物纯度大于等于0.99的反应时间是865.4328sec；甲醇的纯度接近于1，甲醇馏出摩尔量为86543.0381kmol。

2.4.2过渡液回收阶段

第一阶段设定的停止条件是塔顶的甲醇含量大于等于0.99，超过这个反应时间从塔顶出来的甲醇的纯度不能达到要求，不能收集利用，但是由于塔釜中还有残留的甲醇，为保证接下来的工艺中得到较纯的DMC产品，继续对塔釜的残余液精馏，这个阶段不添加萃取剂，规定停止为塔釜甲醇含量低于0.01。

如图1中所示的过渡液物料线。

第二阶段运行结果

图2-5塔顶甲醇馏出物的运行结果

图2-6塔顶馏出物组成

图2-7塔内与馏出物各物质的摩尔量

由运行结果图得出在第二阶段保持塔釜甲醇纯度小等于0.01的反应时间是

5.493924sec，过渡液馏出摩尔量为764.92575kmol。

占总量的0.0097，占有量少，运用简单精馏进行分离即可。

2.4.3萃取剂回收阶段

萃取剂回收阶段的目的是把产品DMC与萃取剂EC分离，又可称为是产品DMC的收集阶段，此时塔釜中的主要成分是DMC和萃取剂EC的混合物。

因为碳酸乙烯酯与碳酸二甲酯的沸点相差甚大，精馏较容易进行，设定停止条件是塔顶的碳酸二甲酯含量大于0.99，得到符合要求的DMC产品从塔顶获得，如图2-1中所示的DMC物料线。

塔釜中剩余的即为含有少量杂质的萃取剂，进一步地精制可得较纯的EC，可回收利用。

第三阶段运行结果：

图2-5塔顶甲醇馏出物的运行结果

图2-6塔顶馏出物组成

图2-7塔内与馏出物摩尔量

由运行结果图得出在第一阶段保持塔顶馏出物纯度大于等于0.99的反应时间是1274.2308sec；碳酸二甲酯的纯度接近于1，碳酸二甲酯馏出摩尔量为12742.3205kmol。

2.5灵敏度分析及过程优化

2.5.1灵敏度分析简介

灵敏度分析[10]是检验一个过程如何对变化的关键操作变量和设计变量反应的一个工具，可以用它改变一个或多个流程变量并研究该变化对其它流程变量的影响。

它是做工况研究的一个最有用的工具，被变化的流程变量必须是流程的输入参数，在模拟中计算出的变量不能被改变。

可以用灵敏度分析来验证一个设计规定的解是否在操作变量的变化范围内，还可以用它做简单的过程优化，可以用灵敏度分析模块生成随进料物流模块输入参数或其它输入变量变化的模拟结果的表或图。

以便很容易地观察不同变量间的关系。

灵敏度分析模块提供了基本工况结果的附加信息，但对基本工况模拟没有影响，模拟独立于灵敏度研究而运行。

因为本论文三个阶段均在一个塔内操作，因此对此间歇萃取精馏的第一阶段萃取精馏阶段以塔顶甲醇纯度为依据进行优化，优化结果是用于全部阶段。

2.5.2萃取剂进料量

以萃取剂（EC）的进料量为优化对象，设置萃取剂进料量下限为15kmol/sec，上限为200kmol/sec。

分析后得下图：

图2-8萃取剂进料量与塔顶甲醇浓度关系图

由图2-8萃取剂进料量与塔顶甲醇浓度关系图可见，当萃取剂进料量逐渐增大时，塔顶甲醇的浓度是先增大后减小，由于萃取剂进料量过少时不能达到要求的分离效果，萃取剂进料量过大时，会增加了塔底再沸器的热负荷等，并且由于塔釜中萃取剂的增多，DMC会随着上升蒸气到塔顶，影响了分离效果。

因此为获得纯度达到99％的甲醇，分析当萃取剂进料量达到75kmol/sec时，甲醇浓度达到设计要求，故选择萃取剂进料量为75kmol/sec。

2.5.3萃取剂进料位置

以萃取剂（EC）的进料位置为优化对象，设置萃取剂的进料位置下限为2，上限为30。

图2-9萃取剂进料位置与塔顶甲醇浓度关系图

由图2-9萃取剂进料位置与塔顶甲醇浓度关系图可见，当萃取剂进料位置从第2块塔板上移，甲醇浓度逐渐增大；当萃取剂进料位置从第4块塔板下移时，甲醇浓度保持恒定。

萃取剂进料位置在第4块塔板时，甲醇纯度和回收率均可达到99%的要求，因此选取萃取剂进料位置为第4块塔板。

2.5.4萃取剂进料温度

萃取剂的进料温度也会对产品甲醇的浓度产生一定的影响，通过研究不同温度来确以萃取剂（EC）的进料位置为优化对象，设置萃取剂的进料位置下限为273K，上限为573K。

图2-10为萃取剂进料温度与塔顶甲醇浓度关系图

由图可见，当温度不断增加时塔顶甲醇的浓度不断的下降，考虑经济等各种因素选择常温进料。

2.5.5回流比

以摩尔回流比为优化对象，设置摩尔回流比下限为1，上限为20。

图2-11为摩尔回流比与塔顶甲醇浓度关系图

由图可见，当回流比从1增大到5时，塔顶甲醇的浓度逐渐增大，当回流比继续增大时，产品浓度增加逐渐变缓趋于稳定。

回流比为5时以可以达到任务，故选择回流比为5。

2.5.6精馏塔塔板数

以萃取精馏塔塔板数为优化对象，设置萃取精馏塔塔板数下限为6，上限为30。

图2-23为塔板数与塔顶甲醇浓度关系图

由图可见，塔顶浓度随着塔板数增加而逐渐增大，而当塔板数达到20后趋于平缓，已达到分离要求，考虑到造价等因素，选择塔板数为20块。

3结果与讨论

1.使用化工过程模拟软件ASPENPLUS，以UNIFAC方程作为物性计算方法，对碳酸二甲酯-甲醇体系的间歇萃取精馏过程进行了流程模拟计算，主要以精制碳酸二甲酯产品并得到较纯的甲醇流出物为目标，对常压间歇萃取精馏塔的重要工艺参数萃取剂进料量、萃取剂进料位置、萃取剂进料温度、回流比和塔板数进行了灵敏度分析，确定了比较理想的工艺参数。

2.优化后塔顶三个不同时间段馏出物的纯度分布。

萃取精馏阶段

过渡液回收阶段

萃取剂回收阶段

DMC

0.002

0.232

0.996

ME

0.998

0.768

0.004

EC

trace

Trace

Trace

优化后塔釜萃取剂碳酸乙烯酯的回收达0.99。

根据模拟结果可以得出，在处理100000kmol碳酸二甲酯、甲醇恒沸物的最优间歇萃取精馏操作参数为：

萃取剂进料量为75kmol/sec，回流比为5，塔板数20，萃取剂在第4块塔板进料，萃取剂进料温度为25。

可以达到个组分的精制目标。

3.成功运用了间歇萃取精馏BatchFrac模块，将萃取，精馏，萃取剂的回收在一个塔内完成，并且达到精制目标，节约了建塔成本。

参考文献

[1]方宏伟，碳酸二甲酯精馏工艺的优化与分析[J].广东化工2005（7）.43-46.

[2]胡兴兰,周荣琪,萃取精馏技术及其在分离过程中的应用.河北承德,067000.

[3]李光兴，熊国玺,碳酸二甲酯-甲醇二元共沸物的分离方法[J].化工进展，2002.21

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26-28.

[4]海华，孙伟，王秀丽，萃取精馏溶剂选择的研究进展．化学工业与工程，2002，19

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[5]孙兰义，化工流程模拟实训[J].北京，化学工业出版社，2012.8.

[6]KotaiB，LangP，ModlaG．Batchextractivedistillationasahybridprocesslseparationofminimumboilingazeotropes[J]．ChemicalEngineeringScience，2007，62（23）：

11．

[7]李扬，袁苏霞，吕效平,间歇萃取精馏分离碳酸二甲酯与甲醇恒沸物[M].南京工业大学化学化工学院超声化学工程研究所，江苏,南京,

210009.

[8]陈敏恒,丛德滋,方图南等.化工原理（下册）[M].北京:

化学工业出版社,2006.

[9]SeyabARK,CaoY.ComputChemEng[J],2008,（32）:

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[10]郑鹏，苏德强，萃取精馏法精制碳酸二甲酯过程模拟研究.山东飞扬化工有限公司，山东，泰安，27199.

附