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乙酸乙酯的制備與分離流程模擬Design and Optimization on the Ethyl Acetate Technology Process一級學科：化學工程與技術學科專業(yè)：化學工程與技術學 號：班 級：姓 名：指導教授：北京化工大學化學工程學院二零一七年 五月目 錄1設計任務與設計目標51.1設計任務51.2設計目標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定74.1setup設置74.2組分輸入74.3物性方法設置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114.6.3反應精餾塔RAD的設置114.6.4分離器的輸入135模擬運行146流程與能量優(yōu)化156.1閃蒸罐156.2反應精餾塔166.3能量集成187結論198心得體會201 設計任務與設計目標1.1 設計任務我的學號是。，包含數(shù)字0、1、2、6、9，設計任務中有甲烷、乙醇、甲苯、正戊烷、乙酸5種物質，乙醇與乙酸反應生成乙酸乙酯和水。表1-1 設計任務物質列表學號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）乙酸乙酯純度達到99%以上1.2 設計目標（1）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)各物質的主要物性數(shù)據(jù)如表2-1所示：表2-1 各物質主要物性參數(shù)物質相對分子質量相對密度熔點沸點乙醇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ASPEN 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首先進入精餾塔T1進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進入閃蒸罐FLASH進行乙醇與正戊烷、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入精餾塔RAD，進行酯化反應，塔頂物流RAD-D主要為生成的乙酸乙酯和水，以及未發(fā)生反應的乙醇，塔釜物流RAD-W主要為未發(fā)生反應的乙酸，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定4.1 setup設置流程建立以后，點擊Next進入?yún)?shù)設置，setup設置如圖4-1：圖4-1 setup設置界面4.2 組分輸入根據(jù)設計要求，原料中包括甲烷、乙醇、乙酸、正戊烷、甲苯組分，同時產(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 物性方法設置組分輸入完成后點擊Next進入Properties界面，選擇物性方法NRTL-HOC，如圖4-3。圖4-3 物性方法選擇界面4.4 Stream輸入物性方法選擇完成后，點擊Next查看相互作用系數(shù)后，再次點擊Next進入物流Streams輸入界面，完成對進料物流FEED的輸入，進料條件為：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輸入點擊Reaction，進入Object manager界面，設置化學反應R-1，選擇反應類型為REAC-DIST，如圖4-5所示。圖4-5 設置化學反應R-1界面定義R-1反應的正、逆反應，選擇反應類型為KINETIC，設置后如圖4-6所示。圖4-6 正、逆反應設定設置正、逆反應的反應動力學，如圖4-7、4-8。圖4-7 正反應反應動力學設置界面圖4-8 逆反應反應動力學設置界面4.6 BLOCK的輸入4.6.1 精餾塔T1的輸入點擊Next，進入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，回流比設定為1.7，并根據(jù)任務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的設置界面4.6.2 閃蒸罐模塊的輸入點擊Next，進入BLOCK模塊輸入，閃蒸罐FLASH主要用于分離乙酸和乙醇，設置如圖4-10所示。圖4-10 閃蒸罐FLASH的設置界面4.6.3 反應精餾塔RAD的設置反應精餾塔采用RADFRAC模塊進行模擬，精餾塔模塊參數(shù)設置如圖4-11所示。圖4-11 反應精餾塔RAD的設置界面乙醇物流從塔下部第25塊塔板進入精餾塔，乙酸從第7塊塔板進料，壓力設置為1個大氣壓，如圖4-12、4-13所示:圖4-12 反應精餾塔RAD進料位置設置界面圖4-13 反應精餾塔RAD壓力設置界面塔板參數(shù)確定后，需要設置反應在精餾塔內的塔板區(qū)間，同時設置反應在反應的停留時間，點擊反應精餾塔的Reaction選項，設置反應R-1參數(shù)：圖4-14 反應精餾塔反應塔板區(qū)間設置圖4-15 反應精餾塔反應停留時間設置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 分離器的設置界面5 模擬運行各模塊參數(shù)配置完成后，運行流程得到如下的模擬結果：表5-1 模擬結果ACETHAFEEDFLA-OUTPRODUCTRAD-DRAD-WSEP-OUTT1DTemperatureC118901209067.667.611867.6-79.3Pressure atm122211111Vapor Frac000.57110000.0320Mole Flow kmol/hr500388.2461060171.754211.54600288.246388.46560Mass 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/hrCH4trace10.279320.855310.57610.279trace10.279320.855ETHA23.03517070.24823034.525941.2377346.3610.0037346.36123011.485C5trace239.1111443.0061203.895239.111trace239.1111443.006C70.0051222.4911842.81620.3141222.496< 0.0011222.4961842.805AA29996.25429.2530026.280.77715.0117305.05315.0130.026EA18619.37818638.0162.81418.638H2O3.8113810.6510.8783806.841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 PPM10.0010.001EA10.596163 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< 0.00113.268206.73213.268trace13.26820AA499.50.4875000.0130.25288.1650.250.5EA211.329211.540.0320.212H2O0.212211.5230.049211.312Mole 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 PPM0.544從上表可以看出，最后產(chǎn)品的純度為99.9%，在此基礎上，對整個流程進行優(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，對過程中的各個模塊進行靈敏度分析，評價閃蒸罐溫度、反應精餾塔的參數(shù)，并進行優(yōu)化分析，探究精餾塔的回流比、進料產(chǎn)品流量、乙酸進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，大部分的正戊烷進入罐頂氣相物料中，熱負荷較為合理。6.2 反應精餾塔為了確定反應精餾塔最合適的設置參數(shù)，利用靈敏度分析軟件，探究精餾塔的回流比、進料產(chǎn)品流量、乙醇與乙醇進料位置對乙酸乙酯生成產(chǎn)量的影響等。反應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行分析結果見圖6-3。圖6-3 進料物流比對乙酸乙酯生成量的影響由圖6-3可以看出增加進料物流比可以增加乙酸乙酯生成量，在0.9時達到較大值，再增加對其影響不大，故最佳進料比為0.9。乙酸和乙醇進料塔板位置對乙酸乙酯的生成量有一定的影響，結果見圖6-3、6-4。圖6-3 乙酸進料位置對乙酸乙酯生成量的影響圖6-4 乙醇進料位置對乙酸乙酯生成量的影響通過對乙酸乙醇進料位置的分析，得出最佳進料板為乙酸9號板，乙醇25號板。6.3 能量集成反應精餾塔中再沸器的熱負荷隨著回流比的增加而增加，因此應該在保證乙酸乙酯生成量的同時，降低回流比，減少再沸器熱負荷，通過靈敏度分析工具進行的分析結果如圖6-5。圖6-5 回流比對再沸器熱負荷的靈敏度分析7 結論根據(jù)全程優(yōu)化以及能量優(yōu)化分析，盡可能節(jié)省能量，同時保證產(chǎn)品的質量，綜合考慮，閃蒸罐壓力1atm，溫度80，反應精餾塔回流比2，進料物流比0.9，乙醇進料板為第25號板，乙酸進料板為9號進料板。最終結果如下表。表7-1 最終運行結果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/hr30019.29323955.10256667.4712693.07634281.15147981.5235992.87213700.37326648.178Volume 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/hrCH4trace38.495320.855282.3638.495trace38.495320.855ETHA23.03521543.47523034.521468.0113626.9550.0033626.95523011.485C5trace672.6741443.006770.331672.674trace672.6741443.006C70.0051670.5691842.81172.2361670.574< 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 PPM0.8990.4060.5450.076477 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< 0.00178.729499.5C5trace9.3232010.6779.323trace9.32320C7< 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 PPB0.1550.892C5trace0.0190.0190.1720.01trace0.0180.036C7109 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，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用軟件課程的學習，實現(xiàn)了對Aspen軟件的使用從一無所知到可以進行基本操作。在老師的講解下我們對aspen有了初步的認識，算是實現(xiàn)了對這個軟件的入門。在學習使用Aspen的過程中，我了解了aspen的強大之處，它可以瞬間解決需要人工計算好久的問題。有了它，我們可以更高效更準確的解決許多問題。但是在學習使用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，在使用軟件時有很多的問題。其次是學好英語很重要，Aspen軟件是全英文的，在使用時遇到很多困難，出現(xiàn)問題有時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，在使用時還是懵懂的狀態(tài)，不知道什么地方出錯了。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)在上機的時候完成以后能夠充分掌握本節(jié)課程講解的內容，通過這種方法，我學會了很多的基本操作。20