aspen认识实习大作业甲苯乙苯精馏分离.docx

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aspen认识实习大作业甲苯乙苯精馏分离

Aspen大作业甲苯-乙苯精馏分离（分字班）

一、工业背景简述

催化重整、汽油裂解等工艺生产的C7、C8混合芳烃中，除了主要含有的混合二甲苯之外，还有大量的甲苯和乙苯。

其中甲苯主要用作溶剂和高辛烷值汽油添加剂，也是有机化工的重要原料，但与同时从煤和石油得到的苯和二甲苯相比，目前的产量相对过剩，因此相当数量的甲苯用于脱烷基制苯或岐化制二甲苯。

甲苯衍生的一系列中间体，广泛用于染料；医药；农药；火炸药；助剂；香料等精细化学品的生产，也用于合成材料工业。

甲苯进行侧链氯化得到的一氯苄；二氯苄和三氯苄，包括它们的衍生物苯甲醇；苯甲醛和苯甲酰氯（一般也从苯甲酸光气化得到），在医药；农药；染料，特别是香料合成中应用广泛。

甲苯的环氯化产物是农药；医药；染料的中间体。

甲苯氧化得到苯甲酸，是重要的食品防腐剂（主要使用其钠盐），也用作有机合成的中间体。

甲苯与苯衍生物经磺化制得的中间体，包括对甲苯磺酸与其钠盐；CLT酸；甲苯-2,4-二磺酸；苯甲醛-2,4-二磺酸；甲苯磺酰氯等，用于洗涤剂添加剂，化肥防结块添加剂；有机颜料；医药；染料的生产。

甲苯硝化制得大量的中间体。

可衍生得到很多最终产品，其中在聚氨酯制品；染料和有机颜料；橡胶助剂；医药；炸药等方面最为重要。

乙苯也是重要的有机化工原料，用于有机合成和用作溶剂。

主要用于生产苯乙烯，进而生产苯乙烯均聚物以与以苯乙烯为主要成分的共聚物（ABS，AS等）。

乙苯少量用于有机合成工业，例如生产苯乙酮、乙基蒽醌、对硝基苯乙酮、甲基苯基甲酮等中间体。

在医药上用作合霉素和氯霉素的中间体。

也用于香料。

此外，还可作溶剂使用。

目前全球99％的乙苯用来生产苯乙烯单体。

二、问题叙述

常压连续精馏塔，饱和液体加料，料液为甲苯-乙苯混合液，100kmol/h，其中，甲苯含量0.44（摩尔分数,下同），分离要求：

—塔顶出料含甲苯0.99以上

—塔底出料含乙苯0.99以上

应用AspenPlus的RadFrac模型，设计一个满足上述要求的精馏塔。

要求：

1、通过模拟给出一套满足分离要求的精馏塔参数，绘制塔温度和各组分浓度分布图。

2、使用灵敏度分析功能，分别研究回流比、进料位置、采出量对塔顶（底）热负荷、产品浓度影响规律。

3、对精馏塔参数进行调优，在满足分离要求前提下，总塔板数尽可能少，再沸器的热负荷尽可能低。

三、解答过程

问题一：

通过模拟给出一套满足分离要求的精馏塔参数，绘制塔温度和各组分浓度分布图。

（1）利用DSTWU简捷法计算精馏塔参数

利用DSTWU模块绘制流程图如下：

使用参数：

物料F：

100kmol/hr甲苯乙苯混合液，其中甲苯的摩尔分数为0.44，压力为1bar，饱和液体

塔顶参数：

根据采出产品理论纯度进行理论计算，塔顶采出流率为43.8776kmol/hr

甲苯的分流分率为0.9872，乙苯的分流分率为0.0078

精馏塔：

回流比为最小回流比的1.2倍，压力设为1bar并设置两组分各自的分流分率。

经过模拟计算，所得各参数为：

Minimumrefluxratio:

2.46229514

Actualrefluxratio:

2.95475417

Minimumnumberofstages:

14.3583384

Numberofactualstages:

28.0578097

Feedstage:

15.2779571

Numberofactualstagesabovefeed:

14.2779571

Reboilerheatingrequired:

5644377.93Btu/hr

Condensercoolingrequired:

5591437.67Btu/hr

Distillatetemperature:

233.889185F

Bottomtemperature:

276.122681F

Distillatetofeedfraction:

0.438736

（2）利用RadFrac模块精确求解

根据上面DSTWU简捷法计算的精馏塔参数，最终可以确定实际塔板数为29块，进料位置为第15层塔板，塔顶出流率为44。

利用RadFrac模块精确求解，控制轻组分和重组分的出料含量都在0.99以上。

模拟结果符合分离要求，精馏塔各参数为：

常压精馏塔：

塔板数NT=29进料塔板NF=15

塔板

温度/℃

热负荷/Gcal/hr

回流比（再沸比）

采出流率kmol/hr

冷凝器/塔顶

112.143804

-1.5667827

3.41

43.8799996

再沸器/塔底

135.650747

1.5801677

3.24825257

56.1199994

各物流稳态信息：

塔温度分布图如下：

液相各组分浓度分布图（摩尔分数）：

气相各组分浓度分布图（摩尔分数）：

从上面图中可以看出，温度自塔顶至塔底逐渐升高；无论是气相还是液相，轻组分乙苯含量向塔顶富集，而重组分邻二甲苯则相反，向塔底富集。

问题二：

使用灵敏度分析功能，分别研究回流比、进料位置、采出量对塔顶（底）热负

荷、产品浓度（乙苯含量）影响规律。

（1）回流比对塔顶热负荷、产品浓度影响规律

隐藏精馏塔的自身设计规定，并设置精馏塔的回流比和塔顶采出流率为上述所解得的结果，再对其进行灵敏度分析。

从上图可以看出，固定其他参数不变，只改变其回流比的时候，塔顶热负荷值越来越负，塔顶热负荷越来越大，是因为采出流率一定，若增加回流比，就会增加冷凝器冷凝出料和回流的总物料量，就会增加总的冷凝热负荷，因此其热负荷（绝对值）就相应地增加。

同时冷却水的消耗量也会相应增加。

因此回流比的大小是影响精馏塔操作和费用的重要因素，选择合适的回流比显得十分重要。

从上图可以看出，当回流比小于4的时候，增大回流比有利于提升两组分的出料浓度，增加回流比相当于进行更加彻底的精馏，可以将塔顶的重组分通过冷凝器回流下去重新进入精馏塔继续精馏，将塔底的轻组分通过再沸器变成气相继续回到精馏塔，从而使得两组分更加充分地分离，轻组分上移、重组分下移，塔顶采出的轻组分甲苯和塔底采出的重组分乙苯的纯度都会上升。

当回流比达到4以上时，两者的纯度基本都趋于稳定状态。

（2）进料位置对塔顶热负荷、产品浓度影响规律

由上图可见，在当前参数NT、R和D的条件下，只要进料位置不在顶层，NF≠1，则塔底热负荷基本一致。

这是由于在物料参数确定的情况下，塔底再沸量是确定值，进料位置影响的只是再沸物料中二者的比例，又因为甲苯与乙苯的热化学性质十分相似，两者的热容比较接近，即使是温度为100℃以上的冷凝器的物流，两组分的热容也是几乎相等的。

再加上冷凝总量不变，就可以理解塔顶的热负荷变化非常小了。

而当塔顶进料时，塔顶进料后蒸汽直接进入冷凝器，再一部分采出一部分回流，这样就没有了“多次蒸馏”的精馏过程，热负荷就会降低很多。

无论二者的比例是多少，热负荷都是基本不变的。

当然，如果F物料直接进入塔顶，那便失去了精馏过程，热负荷自然很低，因此NF=1时的情况是例外的。

由上图可见，在当前参数NT、R和D的条件下，随进料位置的下移，塔顶产品浓度先增加后减小，在NF≈14时有极大值。

这是因为，随着进料位置的下移，组分的冷凝、再沸次数增加，使得塔顶物系点不断下移，向纯的易挥发组分靠拢。

然而，该精馏装置的塔顶、塔底采出量都已固定，如果进料位置过低，那么在塔底产物中，难挥发组分的就不可能有很高的纯度，因而塔顶的难挥发组分必然较多，致使纯度下降。

进料位置以上为精馏段，以下为提馏段，只有保证精馏段有一定数目的塔板，轻组分在塔顶才会得到较好的分离，太少则会使得塔顶纯度下降，有了这个限制，即使提馏段塔板数足够，塔底的纯度也不可能合格。

因此进料位置在中部的合适位置时，可以保证精馏段和提馏段都可以较好地工作以得到合格的产品。

（3）塔顶采出量对塔顶热负荷、产品浓度影响规律

由上图可见，在当前参数NT、R和NF的条件下，塔顶热负荷与塔顶采出量D成负系数的线性关系，塔顶热负荷（绝对值）随D的增加而增大。

显而易见，塔顶采出量越大，就需要更多的热量使塔底物料蒸发沸腾，以与更多的热量使塔顶物料冷凝，热负荷（绝对值）自然增加，同时，由于甲苯和乙苯的相似性，二者的相对比例在此处仍然起不到根本性的影响作用。

由上图可见，在当前参数NT、R和NF的条件下，当D≤44kmol/hr时，塔顶产品浓度基本保持恒定，与D基本无关，但当D≥44kmol/hr时，随D的增加，塔顶产品浓度迅速下降。

这是因为，苯的初始流量即为44kmol/hr，当塔顶采出量小于它时，因为NT、R和NF都比较合适，冷凝再沸充分，因而能够保持较高的塔顶纯度，但当塔顶采出量大于它时，即使其他参数合适，也一定会有大于该差额的甲苯进入塔顶，纯度自然迅速下降。

在塔顶采出流率增大到临界值之前，塔气液两相能充分接触，传质效果好，能得到较纯的产品。

而塔顶采出流率增得过大时，由于固定了回流比，会使得气相的上升速率大大增加，从而使得气液两相的传质过程受阻，重组分也会被带上去，塔顶产品纯度下降。

塔底采出流率和塔顶采出流率总和为固定的，即进料速率。

因此塔顶采出流率对塔顶和塔底产品的纯度的影响是恰恰相反的。

问题三：

对精馏塔参数进行调优，在满足分离要求前提下，总塔板数尽可能少，再沸器的热负荷尽可能低。

精馏塔两端出料的产品纯度由回流比和塔顶采出流率来自动约束，那么当进料位置确定后，塔板数和再沸器热负荷的关系将被确定。

或者塔板数与最小热负荷（通过调节进料位置）的关系是确定的。

这一小问是一个约束优化问题，两个约束条件是塔顶和塔底产品的浓度要求——塔顶出料含甲苯0.99以上、塔底出料含乙苯0.99以上，决策变量是D、R、NF和NT，同时要求塔底热负荷Qr尽可能小，而且NT也应当尽量地小。

我们看到，这里有两个目标函数，显然是不能完全求解的，因为在一般意义上，二个多元函数是不会同时达到最小值的。

通过之前两个问题的分析计算，我们看到，随着塔板数的增加，最小塔底热负荷成下降趋势，这说明，NT和Qr不可能同时达到最小值。

同时，不难发现，随着NT的增加，Qr虽然减小，但下降地越来越缓慢。

在约束条件下，NT和Qr极小值的相对关系：

随着NT的增加，Qr与其极小值都成下降趋势，但下降幅度越来越小，体现为随曲线下移，曲线间距越来越窄。

这提示我们，两者虽然都对成本有影响，但这种影响存在强弱关系的变化，总的成本可能会有一个最小值。

固定进塔位置NF在第15层时，输出理论塔板数与塔底热负荷的关系图如下：

该图更直观地体现了，在其他参数确定的情况下，塔板数越多，塔底热负荷反而越小。

这说明原题中的优化问题没有一个标准的答案，除非我们能定义一个统一的“经济”变量，把塔板数和塔底热负荷所带来的成本因素求和，这样便一定能得到最优解——因为二者是负相关的。

在没有这样一个统一变量的情况下，如果我们将NT取的较小，那么塔的建设成本比较低，但是相应的操作成本就比较高，因为再沸器热负荷较大；如果我们将NT取的较大，那么虽然塔的建设成本较高，但是由于再沸器热负荷较小，操作成本也较小。

对精馏塔参数调优使得塔板数少、再沸器热负荷低的目的无非就是使得经济效益得到提高。

影响经济效益的因素很多，可以简单地划分为这么几类：

设备费用——整个精馏塔装置的设备成本以与维护成本

原料费用——生产产品的进料成本以与相应设备辅助原料的购买成本

操作成本——冷凝器和再沸器的能量成本和冷凝水/蒸汽的成本

人工成本——各种设备的管理维护以与附带产业链的人工费用

市场效益——产品以与其副产品的销售市场带来的利润

●然而对于以上各种因素的分析，基于本人对于专业知识的匮乏，并不能给出非常确实可信的数据资料进行设计和估算其市场价值和效益，尤其对于各种设备的设计生产和需求购买，以与甲苯乙苯下游产业的市场期望值，难以做出比较简单直接的估算。

四、个人感悟与体会

通过为期一周aspen软件的学习，并在完成两次小作业的基础上，自行查阅资料并设计了这次大作业，培养了我综合运用本门课程与有关其他课程的基本知识去解决某一具体设计任务的能力。

在这个设计中，它也培养了我独立工作的能力。

通过Aspen软件课程学习，我的以下几点能力有所提高：

1、查阅资料，运用公式和搜集数据的能力 

2、树立了既考虑技术上的先进性和可行性，又考虑经济上的合理性。

去分析和解决实际问题的能力。

3、学会用模拟软件解决工程问题，迅速准确的进行工程计算。

4、用简洁的文字，清晰的图表表达自己设计思想的能力。

随着本次大作业的结束，虽然比较麻烦和困难，但感觉收获还是蛮大的。

几乎每天的专注和辛劳，引起了我对化工原理基础课全新的认识。

这次课程设计让我感觉到了在平时生活中所不能经常感受到的许多东西，它不能用学到什么来形容，应该是留给了我什么，留给我一种感觉，平静，喜悦，激动等等。

同时，它给我们疲惫的心一种安慰，一种释放。

在这种安慰与释放中，我们得到了进步，不只是知识上的，更重要的是精神上的。

通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目，课题相结合，设计产品的能力。

既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实际中遇到的问题怎样用理论去解决。

在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，在查阅资料的过程中，我们要判断优劣，取舍相关知识，必知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。

我们的知识是有限的，在以后的工作中肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益匪浅。

在这里，我要感定江老师精心的讲解与指导，没有他的帮助，我们不可能这么快，这么顺利地完成这次设计！

五、Aspen课程建议

1、由于之前没学习过化工原理，所以这次aspen的软件学习对于分字班来说是比较吃亏的，在完成作业的过程当中我们也在不停的学习化工原理的知识，好在老师在大作业的难度上对分字班做出了调整，这是比较合理的。

2、个人感觉软件学习的课时可以再适当的增加，多讲几道例题或者实际的工程问题，如何去设计和解决。

有很多同学反应在课上并没有牢记很多关键步骤的设置，所以在做作业的时候显得特别生疏。

3、建议可以去机房上课，上课的时候也反映出这种情况，不同的电脑又不用的系统，装的软件也不同，会有大大小小的差别，而且有的同学还装不上。

面对这些问题，如果能在机房里面统一上课，就可以避免很多问题