乙酸乙酯的制備與分離流程模擬.doc

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1、乙酸乙酯的制備與分離流程模擬Design and Optimization on the Ethyl Acetate Technology Process一級學(xué)科：化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科專業(yè)：化學(xué)工程與技術(shù)學(xué) 號：班 級：姓 名：指導(dǎo)教授：北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院二零一七年 五月目 錄1設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)51.1設(shè)計(jì)任務(wù)51.2設(shè)計(jì)目標(biāo)52物性數(shù)據(jù)53工藝流程的選擇和論證分析64全流程模擬的輸入設(shè)定74.1setup設(shè)置74.2組分輸入74.3物性方法設(shè)置84.4Stream輸入84.5Reaction輸入94.6BLOCK的輸入104.6.1精餾塔T1的輸入104.6.2閃蒸罐模塊的輸入114.

2、6.3反應(yīng)精餾塔RAD的設(shè)置114.6.4分離器的輸入135模擬運(yùn)行146流程與能量優(yōu)化156.1閃蒸罐156.2反應(yīng)精餾塔166.3能量集成187結(jié)論198心得體會201 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)我的學(xué)號是。，包含數(shù)字0、1、2、6、9，設(shè)計(jì)任務(wù)中有甲烷、乙醇、甲苯、正戊烷、乙酸5種物質(zhì)，乙醇與乙酸反應(yīng)生成乙酸乙酯和水。表1-1 設(shè)計(jì)任務(wù)物質(zhì)列表學(xué)號1234567890分子甲烷乙醇丙烷正丁烷正戊烷甲苯甲醇異丙苯正戊烷乙酸（1）進(jìn)口物料：壓力2atm 溫度120 流量：乙酸和乙醇各500kmol/h，其他組分分別為20kmol/h（2）乙酸乙酯純度達(dá)到99%以上1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)（1）

3、工藝流程的選擇和論證分析（2）全流程模擬（3）流程優(yōu)化（4）能量集成和優(yōu)化 （至少有一種）（5）動態(tài)分析 （選作）2 物性數(shù)據(jù)各物質(zhì)的主要物性數(shù)據(jù)如表2-1所示：表2-1 各物質(zhì)主要物性參數(shù)物質(zhì)相對分子質(zhì)量相對密度熔點(diǎn)沸點(diǎn)乙醇46.070.78945-114.378.4乙酸60.051.05016.7118.3乙酸乙酯88.1060.8945-83.677.10水18.0210100甲苯92.140.866-94.9110.6正戊烷72.140.626-129.836.1甲烷16.0430.42-182.5-161.53 工藝流程的選擇和論證分析根據(jù)合成及分離要求，通過對過程的分析，在ASPE

4、N PLUS軟件上建立乙酸乙酯制備與分離的工藝流程圖，如圖3-1所示：圖3-1 工藝流程圖原料液FEED首先進(jìn)入精餾塔T1進(jìn)行初步的乙酸與乙醇的分離，塔頂?shù)玫捷p組分T1D，主要包含乙醇與正戊烷、甲苯和甲烷，塔釜得到重組分AC，主要為乙酸。物流T1D進(jìn)入閃蒸罐FLASH進(jìn)行乙醇與正戊烷、甲苯、甲烷的初步分離，閃蒸罐上部的氣相物流FLA-OUT主要包括大部分的正戊烷和甲烷及小部分的甲苯，閃蒸罐下部液相物流ETHA主要包括乙醇及部分甲烷等?；厥盏囊掖糆THA和乙酸AC物流分別從不同位置進(jìn)入精餾塔RAD，進(jìn)行酯化反應(yīng)，塔頂物流RAD-D主要為生成的乙酸乙酯和水，以及未發(fā)生反應(yīng)的乙醇，塔釜物流RAD-W

5、主要為未發(fā)生反應(yīng)的乙酸，可選擇回收程序回收使用。帶有產(chǎn)物乙酸乙酯的物流RAD-D被送入組分分離器SEP進(jìn)行分離，最終得到產(chǎn)物物流PRODUCT，其中乙酸乙酯的純度為99.9%。4 全流程模擬的輸入設(shè)定4.1 setup設(shè)置流程建立以后，點(diǎn)擊Next進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置，setup設(shè)置如圖4-1：圖4-1 setup設(shè)置界面4.2 組分輸入根據(jù)設(shè)計(jì)要求，原料中包括甲烷、乙醇、乙酸、正戊烷、甲苯組分，同時(shí)產(chǎn)物中包括乙酸乙酯和水，組分輸入界面如圖4-2。圖4-2 組分輸入界面4.3 物性方法設(shè)置組分輸入完成后點(diǎn)擊Next進(jìn)入Properties界面，選擇物性方法NRTL-HOC，如圖4-3。圖4-3 物性方

6、法選擇界面4.4 Stream輸入物性方法選擇完成后，點(diǎn)擊Next查看相互作用系數(shù)后，再次點(diǎn)擊Next進(jìn)入物流Streams輸入界面，完成對進(jìn)料物流FEED的輸入，進(jìn)料條件為：溫度120、壓力2atm，乙酸與乙醇流量為500kmol/hr，甲烷、甲苯與正戊烷流量為20kmol/hr，如圖4-4。圖4-4 Stream輸入界面4.5 Reaction輸入點(diǎn)擊Reaction，進(jìn)入Object manager界面，設(shè)置化學(xué)反應(yīng)R-1，選擇反應(yīng)類型為REAC-DIST，如圖4-5所示。圖4-5 設(shè)置化學(xué)反應(yīng)R-1界面定義R-1反應(yīng)的正、逆反應(yīng)，選擇反應(yīng)類型為KINETIC，設(shè)置后如圖4-6所示。圖4

7、-6 正、逆反應(yīng)設(shè)定設(shè)置正、逆反應(yīng)的反應(yīng)動力學(xué)，如圖4-7、4-8。圖4-7 正反應(yīng)反應(yīng)動力學(xué)設(shè)置界面圖4-8 逆反應(yīng)反應(yīng)動力學(xué)設(shè)置界面4.6 BLOCK的輸入4.6.1 精餾塔T1的輸入點(diǎn)擊Next，進(jìn)入BLOCK模塊，精餾塔T1主要用于乙醇和乙酸的分離，根據(jù)題目要求，在精餾塔模塊中，確定全塔壓降均為2atm，回流比設(shè)定為1.7，并根據(jù)任務(wù)確定塔頂輕組分乙醇和重組分乙酸的摩爾分率分別為0.999和0.001，精餾塔T1輸入情況如圖4-9所示。圖4-9 精餾塔T1的設(shè)置界面4.6.2 閃蒸罐模塊的輸入點(diǎn)擊Next，進(jìn)入BLOCK模塊輸入，閃蒸罐FLASH主要用于分離乙酸和乙醇，設(shè)置如圖4-10

8、所示。圖4-10 閃蒸罐FLASH的設(shè)置界面4.6.3 反應(yīng)精餾塔RAD的設(shè)置反應(yīng)精餾塔采用RADFRAC模塊進(jìn)行模擬，精餾塔模塊參數(shù)設(shè)置如圖4-11所示。圖4-11 反應(yīng)精餾塔RAD的設(shè)置界面乙醇物流從塔下部第25塊塔板進(jìn)入精餾塔，乙酸從第7塊塔板進(jìn)料，壓力設(shè)置為1個(gè)大氣壓，如圖4-12、4-13所示:圖4-12 反應(yīng)精餾塔RAD進(jìn)料位置設(shè)置界面圖4-13 反應(yīng)精餾塔RAD壓力設(shè)置界面塔板參數(shù)確定后，需要設(shè)置反應(yīng)在精餾塔內(nèi)的塔板區(qū)間，同時(shí)設(shè)置反應(yīng)在反應(yīng)的停留時(shí)間，點(diǎn)擊反應(yīng)精餾塔的Reaction選項(xiàng)，設(shè)置反應(yīng)R-1參數(shù)：圖4-14 反應(yīng)精餾塔反應(yīng)塔板區(qū)間設(shè)置圖4-15 反應(yīng)精餾塔反應(yīng)停留時(shí)間

9、設(shè)置4.6.4 分離器的輸入根據(jù)分離要求，確定分離器SEP模塊，將乙酸乙酯分離出來，輸入情況如圖4-16所示：圖4-16 分離器的設(shè)置界面5 模擬運(yùn)行各模塊參數(shù)配置完成后，運(yùn)行流程得到如下的模擬結(jié)果：表5-1 模擬結(jié)果ACETHAFEEDFLA-OUTPRODUCTRAD-DRAD-WSEP-OUTT1DTemperatureC118901209067.667.611867.6-79.3Pressure atm122211111Vapor Frac000.57110000.0320Mole Flow kmol/hr500388.2461060171.754211.54600288.246388

10、.46560Mass Flow kg/hr30019.29318571.37956667.4718076.79918623.18931281.92417308.74812658.73626648.178Volume Flow cum/hr31.76125.7158517.6632464.19622.09937.4218.31357.30430.007Enthalpy Gcal/hr-56.352-23.924-84.402-7.911-23.874-48.333-32.498-24.655-35.838Mass Flow kg/hrCH4trace10.279320.855310.57610.

11、279trace10.279320.855ETHA23.03517070.24823034.525941.2377346.3610.0037346.36123011.485C5trace239.1111443.0061203.895239.111trace239.1111443.006C70.0051222.4911842.81620.3141222.496 0.0011222.4961842.805AA29996.25429.2530026.280.77715.0117305.05315.0130.026EA18619.37818638.0162.81418.638H2O3.8113810.

12、6510.8783806.841續(xù)表5-1ACETHAFEEDFLA-OUTPRODUCTRAD-DRAD-WSEP-OUTT1DMass FracCH4trace554 PPM0.0060.038329 PPMtrace812 PPM0.012ETHA767 PPM0.9190.4060.7360.235170 PPB0.580.864C5trace0.0130.0250.1490.008trace0.0190.054C7167 PPB0.0660.0330.0770.03917 PPB0.0970.069AA0.9990.0020.5396 PPM480 PPM10.0010.001EA1

13、0.596163 PPM0.001H2O205 PPM0.12251 PPM0.301Mole Flow kmol/hrCH4trace0.6412019.3590.641trace0.64120ETHA0.5370.536500128.964159.464 0.001159.464499.5C5trace3.3142016.6863.314trace3.31420C7 0.00113.268206.73213.268trace13.26820AA499.50.4875000.0130.25288.1650.250.5EA211.329211.540.0320.212H2O0.212211.5

14、230.049211.312Mole FracCH4trace0.0020.0190.1130.001trace0.0020.036ETHA1000 PPM0.9540.4720.7510.266221 PPB0.4110.892C5trace0.0090.0190.0970.006trace0.0090.036C7109 PPB0.0340.0190.0390.02211 PPB0.0340.036AA0.9990.0010.47275 PPM417 PPM1643 PPM893 PPMEA0.9990.353111 PPM545 PPMH2O1000 PPM0.353169 PPM0.54

15、4從上表可以看出，最后產(chǎn)品的純度為99.9%，在此基礎(chǔ)上，對整個(gè)流程進(jìn)行優(yōu)化以及能量集成。6 流程與能量優(yōu)化根據(jù)流程工藝的要求，對過程中的各個(gè)模塊進(jìn)行靈敏度分析，評價(jià)閃蒸罐溫度、反應(yīng)精餾塔的參數(shù)，并進(jìn)行優(yōu)化分析，探究精餾塔的回流比、進(jìn)料產(chǎn)品流量、乙酸進(jìn)料位置對乙酸乙酯生成產(chǎn)量的影響等。6.1 閃蒸罐為了設(shè)置合適的閃蒸罐溫度，通過靈敏度分析工具，探討閃蒸罐溫度對塔釜乙醇含量及閃蒸罐能耗的影響，結(jié)果見圖6-1。圖6-1 閃蒸罐靈敏度分析由此可知閃蒸罐溫度設(shè)定為80較為合理，在此溫度下罐底乙醇含量較多，大部分的正戊烷進(jìn)入罐頂氣相物料中，熱負(fù)荷較為合理。6.2 反應(yīng)精餾塔為了確定反應(yīng)精餾塔最合適的設(shè)置

16、參數(shù)，利用靈敏度分析軟件，探究精餾塔的回流比、進(jìn)料產(chǎn)品流量、乙醇與乙醇進(jìn)料位置對乙酸乙酯生成產(chǎn)量的影響等。反應(yīng)精餾塔的回流比會對塔頂中乙酸乙酯生成量產(chǎn)生一定的影響，見圖6-2。圖6-2 回流比對乙酸乙酯生成的影響由上圖可以看出增加回流比可以增加乙酸乙酯的生成量，減少塔頂物流中乙醇和水的含量，但是對其該變量的影響較小。進(jìn)料產(chǎn)品流量比會影響乙酸乙酯的生成量，使用靈敏度分析工具進(jìn)行分析結(jié)果見圖6-3。圖6-3 進(jìn)料物流比對乙酸乙酯生成量的影響由圖6-3可以看出增加進(jìn)料物流比可以增加乙酸乙酯生成量，在0.9時(shí)達(dá)到較大值，再增加對其影響不大，故最佳進(jìn)料比為0.9。乙酸和乙醇進(jìn)料塔板位置對乙酸乙酯的生成量

17、有一定的影響，結(jié)果見圖6-3、6-4。圖6-3 乙酸進(jìn)料位置對乙酸乙酯生成量的影響圖6-4 乙醇進(jìn)料位置對乙酸乙酯生成量的影響通過對乙酸乙醇進(jìn)料位置的分析，得出最佳進(jìn)料板為乙酸9號板，乙醇25號板。6.3 能量集成反應(yīng)精餾塔中再沸器的熱負(fù)荷隨著回流比的增加而增加，因此應(yīng)該在保證乙酸乙酯生成量的同時(shí)，降低回流比，減少再沸器熱負(fù)荷，通過靈敏度分析工具進(jìn)行的分析結(jié)果如圖6-5。圖6-5 回流比對再沸器熱負(fù)荷的靈敏度分析7 結(jié)論根據(jù)全程優(yōu)化以及能量優(yōu)化分析，盡可能節(jié)省能量，同時(shí)保證產(chǎn)品的質(zhì)量，綜合考慮，閃蒸罐壓力1atm，溫度80，反應(yīng)精餾塔回流比2，進(jìn)料物流比0.9，乙醇進(jìn)料板為第25號板，乙酸進(jìn)料

18、板為9號進(jìn)料板。最終結(jié)果如下表。表7-1 最終運(yùn)行結(jié)果ACETHAFEEDFLA-OUTPRODUCTRAD-DRAD-WSEP-OUTT1DTemperature C118801208065.165.111865.1-79.3Pressure atm122211111Vapor Frac000.57110000.0920Mole Flow kmol/hr500497.986106062.014389.398898.18799.799508.789560Mass Flow kg/hr30019.29323955.10256667.4712693.07634281.15147981.523599

19、2.87213700.37326648.178Volume Flow cum/hr31.76132.768517.663873.12640.51755.8076.3391276.75430.007Enthalpy Gcal/hr-56.352-30.561-84.402-2.4-43.989-76.561-11.252-32.656-35.838Mass Flow kg/hrCH4trace38.495320.855282.3638.495trace38.495320.855ETHA23.03521543.47523034.521468.0113626.9550.0033626.9552301

20、1.485C5trace672.6741443.006770.331672.674trace672.6741443.006C70.0051670.5691842.81172.2361670.574 0.0011670.5741842.805AA29996.25429.88930026.280.138649.3415991.986649.34130.026EA34274.13634308.4440.66934.308H2O7.0157015.040.2147008.025Mass FracCH4trace0.0020.0060.105802 PPMtrace0.0030.012ETHA767 P

21、PM0.8990.4060.5450.076477 PPB0.2650.864C5trace0.0280.0250.2860.014trace0.0490.054C7167 PPB0.070.0330.0640.03511 PPB0.1220.069AA0.9990.0010.5351 PPM0.01410.0470.001EA10.715112 PPM0.003H2O205 PPM0.14636 PPM0.512Mole Flow kmol/hrCH4trace2.42017.62.4trace2.420ETHA0.5467.63550031.86578.729 0.00178.729499

22、.5C5trace9.3232010.6779.323trace9.32320C7 0.00118.131201.86918.131trace18.13120AA499.50.4985000.00210.81399.77910.8130.5EA389.009389.3980.0080.389H2O0.389389.3940.012389.005Mole FracCH4trace0.0050.0190.2840.003trace0.0050.036ETHA1000 PPM0.9390.4720.5140.088622 PPB0.1550.892C5trace0.0190.0190.1720.01

23、trace0.0180.036C7109 PPB0.0360.0190.030.027 PPB0.0360.036AA0.999999 PPM0.47237 PPM0.01210.021893 PPMEA0.9990.43476 PPM765 PPMH2O1000 PPM0.434119 PPM0.765最終保證乙酸乙酯純度的同時(shí)，將乙酸乙酯產(chǎn)量提高到了389 kmol/hr。8 心得體會通過對大型應(yīng)用軟件課程的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了對Aspen軟件的使用從一無所知到可以進(jìn)行基本操作。在老師的講解下我們對aspen有了初步的認(rèn)識，算是實(shí)現(xiàn)了對這個(gè)軟件的入門。在學(xué)習(xí)使用Aspen的過程中，我了解了aspe

24、n的強(qiáng)大之處，它可以瞬間解決需要人工計(jì)算好久的問題。有了它，我們可以更高效更準(zhǔn)確的解決許多問題。但是在學(xué)習(xí)使用Aspen的過程中，我發(fā)現(xiàn)了自己對化工原理知識的不足，在使用aspen來模擬流程是要基于化工原理等許多理論知識的，知識不足，在使用軟件時(shí)有很多的問題。其次是學(xué)好英語很重要，Aspen軟件是全英文的，在使用時(shí)遇到很多困難，出現(xiàn)問題有時(shí)候看不懂就無法解決，而且由于不懂英語，很多操作界面不敢亂動，在使用時(shí)還是懵懂的狀態(tài)，不知道什么地方出錯(cuò)了。老師的授課過程中，每一步都講解的很充分，讓我們能夠知道操作過程及原理，幫助我們更好的理解Aspen軟件，每節(jié)課的小作業(yè)在上機(jī)的時(shí)候完成以后能夠充分掌握本節(jié)課程講解的內(nèi)容，通過這種方法，我學(xué)會了很多的基本操作。20