ASPENPLUS模拟氯乙烯精Word下载.docx
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指导教师 刘兵教研室主任 刘兵
2010年10月11日2010年10月11日
论文真实性承诺及指导教师声明
学生论文真实性承诺
本人郑重声明：
所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
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。
如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。
毕业生签名：
日期：
指导教师关于学生论文真实性审核的声明
已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。
指导教师签名：
日期：
摘要
本课题研究的是电石乙炔法采用的精馏工艺，利用化工模拟软件ASPENPLUS，对氯乙烯精馏的过程进行模拟，选用了NRTL的物性方法。
精馏全过程装置包括压缩机、全凝器、尾凝器、换热器、低沸塔和高沸塔等模块，并与实际数进行比较，模拟结果与实际的数据基本吻合。
同时通过对高低沸塔进行了物料衡算和分析,得到精制单体的纯度>
99.28﹪。
最后通过对低沸塔和高沸塔的进料位置、回流比、塔顶馏出比和系统压力进行灵敏度分析，选择了最佳优化值，在产量不变的情况下，高沸塔塔顶的产品的质量提高到99.67﹪，低沸塔塔顶冷凝器的冷量消耗减少了17.4﹪，再沸器蒸汽消耗量减少了10.1﹪,降低了低沸塔操作费用，并降低了氯乙烯产品生产的成本。
关键词：
ASPENPLUS,氯乙烯,精馏,模拟
ABSTRACT
Theprojecthaveresearcheddistillationprocessofthecalciumcarbideacetylene,theprocessoftheVinylchloriderectificationwas
Simulated,andselectedPhysicalpropertiesofNRTLwiththechemicalsimulationsoftwareASPENPLUS,Thewholeprocessofdistillationequipmentsincludingtheunitsofcompress,totalcondenser,lastcondenser,heatexchanger,low-boilerandhigh-boilerandsoon,andhavecomparedtheactualvalues,thesimulationvalueswerebasicallyconsistentedwiththeactualvalues.Atthesametime,thetowerofhigh-boilerandlow-boilerwerecalculatedandanalyzed,thepurityofmonomershaverefined99.28﹪.
FinallyTheoperationparametersofthehigh-boilertowerandlow-boilertower,suchasfeedlocation、refluxratioanddistillatetofeedratiowereoptimized,onthebasisofsensitivityanalysis,sohaveselectedthebestoptimalvalue,onthepreconditionofguaranteeingtheoutputofproducts,towertopproductqualityofhigh-boilerhaveimprovedto99.67﹪,thecoolenergyoftheconsumptionofthecondenserofthelow-boilerwasreducedby17.4﹪,wherebythesteamconsumptionofthereboilerby10.1﹪,Theoperationexpenseofthelow-boilerwasreducedgreatlyandthecostofVCMproductswasalsodecreased.
Keyword:
ASPENPLUS，vinyl,chloride,distillation,simulation
目录
摘要V
ABSTRACTV
第一章ASPENPLUS模拟氯乙烯精馏的发展简况1
1.1软件的介绍1
1.2软件的应用1
1.3氯乙烯精馏的研究1
1.4本课题的研究2
第二章数据的采集和模拟的过程2
2.1工艺流程2
2.2采集数据3
2.2.1进料的组成3
2.2.2数据的操作参数3
2.2.3控制指标3
第三章模拟的过程4
3.1ASPENPLUS的建模4
3.1.1物性分析4
3.1.2物性方法4
3.1.3物性的数据5
3.1.4模型的建立5
3.2模拟的过程6
3.2.1进料物的数据输入6
3.2.2压缩机数据的输入7
3.2.3全凝器的数据输入7
3.2.4尾凝器数据的输入7
3.2.5尾凝吸附器数据的输入7
3.2.6换热器数据的输入7
3.2.7低沸塔数据的输入7
3.2.8高沸塔数据的输入9
第四章模拟的结果10
4.1辅助设备的模拟结果10
4.2低沸塔的模拟结果12
4.2.1低沸塔参数的模拟结果12
4.2.2低沸塔模拟结果的验证13
4.3高沸塔的模拟结果14
4.3.1高沸塔参数的模拟结果14
4.3.2高沸塔模拟结果的验证15
第五章灵敏度分析16
5.1氯乙烯精馏因素的分析16
5.2低沸塔灵敏度分析17
5.2.1低沸塔回流比的灵敏度分析17
5.2.2低沸塔进料位置的灵敏度分析18
5.2.3低沸塔馏出比的灵敏度分析19
5.3高沸塔的灵敏度分析19
5.3.1高沸塔回流比的灵敏度分析20
5.3.2高沸塔进料位置的灵敏度分析21
5.3.3高沸塔馏出比的灵敏度分析21
5.4系统压力灵敏度分析22
5.4.1低沸塔压力灵敏度分析22
5.4.2高沸塔压力灵敏度分析23
5.5优化的结果24
5.6小结24
第六章结论25
参考文献26
致谢27
第一章ASPENPLUS模拟氯乙烯精馏的发展简况
1.1软件的介绍
目前成熟的过程模拟软件包主要有PRO/II、ASPENPLUS和HYSIM三种,通过建立模型进行计算机运算，运用计算机数学模型来代替原过程，就是对原过程的计算机模拟，在己开发的模拟软件中，ASPEPLUS是较先进的一种，是一款功能强大的化工模拟软件包[1-2]，源起于美国，能源部在七十年代后期在麻省理工学院MIT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ASPENPLUS[3]。
目前的版本配有完备的物性模型和全面的单元操作模型，并且具有方便直观的数据输入输出接口，可广泛用于各种流程的模拟计算[4-5]。
流程模拟的优越性有以下几个方面[6]：
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、帮助改进当前的工艺。
6、在给定的限制内优化工艺条件。
7、辅助确定一个工艺约束部位（消除瓶颈）。
1.2软件的应用
当前化工过程稳态模拟主要应用于炼油、石油化工和化工领域，如常减压、加氢、催化裂化、气体分馏、芳烃分离、乙烯、环氧乙烷、天然气、油田气分离及合成氨等装置。
在医药、农药、环保等行业也有一定的应用[7]。
王彩红等[8]重点论述其在化工实验教学和科研生产中的应用，ASPENPLUS不但节约了实验成本，解决了试验台套数不足等问题，并且还将实际案例应用于实验设计中，使课程紧密贴近实际化工过程，减轻了计算工作量，提高了设计效率和质量，开阔了学生的视野和自主创新能力。
谢扬[9]等应用ASPENPLUS中的RADFRAC精馏模块对聚乙烯醇生产工艺中的甲醇一水分离塔进行了模拟。
陈林邦、翁照岳[10]对丙烯塔的模拟采用不同的热力学方程得到了结果,用Chao-Seader方程计算的结果与设计数据吻合较好，塔顶塔底产物的组成也符合分离要求。
1.3氯乙烯精馏的研究
氯乙烯的生产工艺中，低沸塔和高沸塔的精馏在整个流程最为关键，精馏的过程一般是在精馏塔内进行，利用混合物各个组分的挥发度的不同获取分离效果，精馏过程必须有的两个条件：
上升的蒸汽和下流的液体。
在氯乙烯精馏的过程中，气相中高沸点的组分和液相中低沸点的组分以相反的方向进行多次的冷凝和汽化，低沸塔除去低沸物，高沸塔除去高沸物，从而达到氯乙烯的精制。
李群生、刘阳[11]等运用化工模拟系统中的RADFRAC精馏模块对氯乙烯的高低沸塔进行模拟，讨论了回流比、进料位置、馏出比等参数对精馏的影响，低沸塔的回流比为6，进料位置选择第二块塔板，馏出比为0.2-0.3，高沸塔的回流比为0.5，的进料位置5-10塔板为宜，馏出比为0.95-0.98作为最优条件。
获得了对氯乙烯具有指导意义的相关工艺数据。
1.4本课题的研究
运用ASPENPLUS化工模拟软件对氯乙烯精馏的过程及精馏塔的分析前人已做过一些，本课题重点在于ASPENPLU中选取恰当的装置模块，对氯乙烯精馏过程进行完整模拟，得出稳定度数据，最后对低沸塔和高沸塔作灵敏度分析，优化操作参数，找出优化条件。
第二章数据的采集和模拟的过程
2.1工艺流程
某公司45kt/a生产工艺中精馏系统如图2.1所示：
图2.1VC精馏系统流程简图
反应生成的粗氯乙烯水洗，碱洗后，经过压缩机,压缩后的气体进入全凝器冷却,冷却的VCM液体进入低沸塔加料罐，未冷凝气体进入尾气冷凝器,其未凝尾气去吸附器,尾凝器冷凝下来的VCM液体直接进入低塔加料槽，通过低沸塔分离低沸物C2H2等后，塔釜出料经过缓冲槽缓冲后作为进料进入高沸塔,分离高沸物EDC等,高沸塔塔釜产出EDC等副产品,塔顶产出VC。
2.2采集数据
2.2.1进料的组成
进料的组成是模拟的基础，后续的单元操作中所有的物流组成基本都取决于此进料组成。
进料流量为2424Nm3/h
表2.1进料的输入数据
组分分子式含量（摩尔百分比﹪）
VCC2H2Cl0.85000
C2H2C2H20.00400
HClHCl0.08000
F12CF2Cl20.00010
DICHL1.2-C2H2Cl20.00003
EDC1.1-C2H4Cl20.00060
N2N20.06289
H2OH2O0.00238
2.2.2数据的操作参数
保持产品质量合格，需稳定的操作参数
表2.2单元操作参数
单元模型
温度（℃）
压力（MPa）
备注
进料
低沸塔塔顶冷凝器
低沸塔塔釜
高沸塔塔顶冷凝器
高沸塔塔釜
10
21
38
16
33
0.104
0.507
0.566
0.302
0.395
108.21kmol/hr
2.2.3控制指标
要稳定单元操作，需要调节一些参数，并控制这些变量在允许的范围内波动:
表2.3控制的指标
指标控制参数范围
低沸塔塔釜温度35-45℃
低沸塔塔顶温度20-30℃
低沸塔压力0.4-0.6MPa（表压）
高沸塔塔釜温度35-40℃
高沸塔塔顶温度15-30℃
高沸塔压力0.25-0.4MPa（表压）
分馏热水温度68-72℃
气吸附前VC含量<
12%
气吸附后VC含量<
1.5%
精制单体中C2H2含量<
0.001%
单体中二氯乙烷含量<
精制单体纯度>
99.28%
第三章模拟的过程
3.1ASPENPLUS的建模
3.1.1物性分析
粗氯乙烯中除了主要成分氯乙烯以外，还有乙炔、氯化氢、二氟二氯甲烷、氮气以及水蒸汽等杂质。
表3.1模型的组分
ID组分分子式
VC氯乙烯C2H3Cl
C2H2乙炔C2H2
HCl氯化氢HCl
F12二氟二氯甲烷CF2Cl2
DICHL1.2-二氯乙烷1.2-C2H2Cl2
EDC1.1-二氯乙烷1.1-C2H4Cl2
N2氮气N2
H2O水H2O
图3.1组分的输入
3.1.2物性方法
在ASPENPLUS中选择适当的物性方法是比较重要的，物性方法的适当与否关系到模型的准确性,物性方法的选择是有一定的准则的,本课题采用的物性方法为NRTL活度系数模型。
图3.2物性方法的输入
3.1.3物性的数据
ASPENPLUS的物质数据库中包含了很多普通物质的物性数据，根据模型的需要来自动调取计算，本流程模拟采用的是ASPEN的默认数值。
3.1.4模型的建立
表3.2模块的选择
流程号
装置
ASPEN模块
COMP
压缩机
压缩气体提高压力
FL1
全凝器
FLASH2
冷凝分离气体
FL2
尾凝器
深冷继续分离
FS
尾凝吸附器
SEP
吸附分离不凝气体
HEATER
换热器
提高低沸塔进口温度
T1FEED
低沸塔加料罐
MIXER
缓冲加料
T1
底沸塔
FADFRAC
分制精馏粗氯乙烯
T2FEED
高沸塔加料罐
T2
高沸塔
精制氯乙烯产品
3.2模拟的过程
图3.3流程模拟图
3.2.1进料物的数据输入
表3.3进料物数据的输入
模型压力（MPa）温度（℃）进料量（kmol/hr）
进料0.10410108.21
图3.4进料数据的输入
3.2.2压缩机数据的输入
经过水洗和碱洗的粗氯乙烯气体，进入压缩机进行压缩，经压缩到0.50MPa-0.60MPa进入到全凝器和尾凝气冷凝，设定数据如下：
表3.4压缩机的输入数据
压力MPa（表压）气相分率
0.51
3.2.3全凝器的数据输入
经压缩的气体进入全凝器用0℃的盐水冷却，使大部分氯乙烯气体液化，设定数据如下：
表3.5全冷凝器输入数据
温度压力
23.6℃0.507MPa（表压）
3.2.4尾凝器数据的输入
全凝器中未冷凝的气体进入尾凝气，用-25℃的盐水进行深冷，是氯乙烯冷凝液化，设定参数如下：
表3.6尾凝器输入数据
-14℃0.5MPa（表压）
3.2.5尾凝吸附器数据的输入
尾凝器冷凝后的不凝气体送到活性炭吸附器进行吸附，未吸附的残气直接放空，而吸附后的VCM气体经过解吸后循环送压缩机压缩，设定参数如下：
表3.7尾气吸附器的输入数据
组分设定数值
VC分离比率0.9
3.2.6换热器数据的输入
全凝气和尾凝器冷凝下来的VCM进入低沸塔加料罐，分离水分后进入换热器，使VCM液体的温度达到20-40℃，设定参数如下：
表3.8换热器输入数据
40℃0.507MPa（表压）
3.2.7低沸塔数据的输入
经过换热器的VCM液体直接进入到低沸塔，低沸塔塔釜用70℃热水将凝液
加热汽化，塔顶冷凝器控制的回流液在塔内进行多次汽化冷凝，分离低沸点物，由低沸塔塔顶引出的含一定量氛乙烯的低沸物气体与全凝器未凝气体汇合，进入尾凝器再次冷凝，设定参数如下：
表3.9低沸塔输入数据
项目数据
塔板数35
冷凝器Partial-Vapor
再沸器Kettle
回流比6
流出物与进料比0.25
进料位置2
10.507（MPa）（表压）
压力剖型20.512（MPa）（表压）
30.566（MPa）（表压）
图3.5基本参数的输入
图3.6进料位置的输入
图3.7压力的输入
3.2.8高沸塔数据的输入
经低沸塔除去乙炔等低沸物的粗产品利用压差进入高沸塔，高沸塔塔釜由70℃热水加热使单体汽化，经塔身分离成精氯乙烯，塔顶冷凝器控制冷凝部分回流液体外，大部分气体进入成品冷凝器冷凝成粗氯乙烯单体，进入氯乙烯储槽，设定参数如下：
表3.10高沸塔输入数据
塔板数42
冷凝器Total
回流比0.5
流出物与进料比0.98
进料位置26
10.302（MPa）（表压）
压力剖型20.315（MPa）（表压）
30.40（MPa）（表压）
图3.8基本参数的输入
图3.9进料位置的输入
图3.10压力的输入
第四章模拟的结果
4.1辅助设备的模拟结果
全凝气、尾凝器、尾凝吸附器、压缩机的输出、换热器进料的输出结果如下：
表4.1辅助设备物料数据的输出
由表4.1可知，全凝器FL1-IN的进料为110.44kmol/hr,塔顶FL1-G的蒸汽流量为57.39kmol/hr，塔釜FL1-L的流出量为53.0584kmol/hr进入尾凝器，尾凝器FS冷凝后的不凝气体的流出量为13.4766kmol/hr，压力和温度与实际的数据吻合，吸附前VCM的进料量为2.4792kmol/hr,吸附前含量<
12﹪,因此，辅助设备模拟的流程是恰当的。
4.2低沸塔的模拟结果
4.2.1低沸塔参数的模拟结果
低沸塔的塔顶和塔底的基本参数的输出结果如下：
图4.1塔顶数据的输出
图4.2塔釜数据的输出
低沸塔物料的输出结果如下：
表4.2低沸塔物料数据的输出
由表4.2可知,低沸塔进料量T1-IN为112.6319kmol/hr,其中塔顶T1-D为30.65798kmol/hr的出料量进入尾凝器,塔釜T1-B为91.97395kmol/hr的出料量进入高沸塔，塔顶冷凝器的热负荷为-0.9065MMkcal/hr,塔釜再沸器的热负荷为0.917MMkcal/hr,塔顶的压力为0.507MPa,塔釜的压力为0,566MPa,塔顶的温度为21.2℃，塔釜的温度为37.6℃。
4.2.2低沸塔模拟结果的验证
各组分的摩尔比输出如下：
表4.3低沸塔各组分出料的摩尔百分比
组分塔顶（摩尔百分比）塔釜（摩尔百分比）
模拟值模拟值
C2H3CL0.184049120.81595088
C2H211.2763e-30
HCL16.7144e-32
F120.891230180.10876982
DICHL0.005623320.99437668
EDC0.001084640.99891536
N214.2135e-35
H2O1.2505e-050.99998749
将低沸塔模拟的数据和实际采集的数据作以比较，结果如下：
表4.4低沸塔参数的模拟结果
项目采集数据模拟数据范围
回流比666-9
实际板数3535
塔顶温度℃23.521.220-30
塔釜温度℃3837.535-45
塔顶压力MPa0.5070.5070.4-0.6
塔釜压力MPa0.5660.5660.4-0.6
由表4.3和表4.4可知，低沸塔模拟的数据与实际采集的数据相比，基本吻合，塔釜中乙炔的含量<
0.001％,因此,模拟恰当。
4.3高沸塔的模拟结果
4.3.1高沸塔参数的模拟结果
高沸塔的塔顶和塔底的基本参数的输出结果如下：
图4.3塔顶数据的输出
图4.4塔底数据的输出
高沸塔物料的输出结果结果如下：
表4.5高沸塔物料数据的输出结果
由表4.5可知，高沸塔进料量T2-IN为91.97395kmol/hr,其中塔顶T2-D为90.13447kmol/hr的产品出料,塔釜T2-B为1.839479kmol/hr的高沸物，塔顶冷凝器的热负荷为-0.671MMkcal/hr,塔釜再沸器的热负荷为0.612MMkcal/hr,塔顶的压力为0.302MPa,塔釜的压力为0.395MPa,塔顶的温度为16℃，塔釜的温度为31.8℃。
4.3.2高沸塔模拟结果的验证
表4.6高沸塔出料的模拟结果
C2H3Cl0.993481820.00651818
F123.5142e-061
DICHL9.2673e-091
EDC3.6035e-181
H2O1.2642e-351
将高沸塔模拟的数据和实际采集的数据作以比较，结果如下：
表4.7高沸参数模拟结果
回流比0.50.50.3-0.
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