毕业论文（设计）8万吨每年无水乙醇萃取精馏工艺设计.pdf

青岛科技大学本科毕业设计（论文）前言无水乙醇在制药工业，农药生产，电子，军工，化工和航天等领域都有广泛的应用，是用量最大的溶剂之一口。将含量95%左右的乙醇制成含水量小于0.5%的无水乙醇有多种 方法，但都有一定缺点。例如：产量小，生产成本高、操作困难，产品易被污染、恒沸剂 易损失、能耗大、投资大等。加盐萃取精储制取无水乙醇克服以上传统工艺的缺点，是以任意规模制取无水乙醇的 理想工艺，它具有下述特点：（1 提高了溶剂效果。与通常萃取精储相比，溶剂循环量减少 四1/5,理论板数减 少1/3,从而降低了能耗，减小了设备投资。2 连续化生产，生产效率高，溶剂损耗低、乙醇回收率高、生产成本低。（3 没有污染，产品质量好。加盐萃取精储制取无水乙醇曾多次获奖，在国内已有多家工厂应用，经多年实践表明 技术非常成熟。在此前提下进行模拟优化有不小的难度。经过对比，本文选择最常用萃取 剂乙二醇，用传统双塔流程通过Aspen Plus模拟软件对萃取精储制取无水乙醇工艺进行模 拟优化，以得到最优化的工艺参数。18万吨/年无水乙醇萃取精储工艺设计1总论无水乙醇是指乙醇浓度大于99.5%的乙醇，是重要的有机溶剂和重要的基本化工原 料。在无水乙醇中添加适量改性剂得到变性燃料乙醇13把变性燃料乙醇和汽油以一定比 例混合可形成一种新型汽车燃料，即车用乙醇汽油（国际上称汽油醇，商品名GASOHOL o 无水乙醇作为一种可再生能源，可以部分取代矿物能源已经受到了普遍的关注。向汽油中 添加的变性燃料乙醇可提高汽油的抗爆性能；代替四乙基铅作为汽油添加剂，可消除空 气中铅的污染；取代甲基叔丁醴 MTBE,可避免对地下水的污染；能改善燃烧，有效降低 汽车尾气的排放。更重要的是在无水乙醇的整个生产和消费过程中可形成C02的闭合循环 过程，对维持地球温室气体的平衡，将会起到积极的作用。1.1 无水乙醇结构性质无水乙醇为无色澄清液体，有灼烧味，易流动，极易从空气中吸收水分，能与水和氯 仿、乙醴等多种有机溶剂以任意比例互溶。而且能与水形成共沸混合物（含水4.43%,共 沸点78.15C,相对密度0.789,熔点沸点78.5,折光率 n20D 1.361。闭杯时 闪点（在规定结构的容器中加热挥发出可燃气体与液面附近的空气混合，达到一定浓度时 可被火星点燃时的温度）13,易燃。无水乙醇蒸气与空气能形成爆炸性混合物，爆炸极 限3.5%18.0%（体积）。1.1.1 无水乙醇的结构C、。原子均以sp3杂化轨道成键、极性分子。无水乙醇的分子结构见图1-1。乙薛的结构式：H-图1-1无水乙醇分子结构图Fig.1-1 The molecular structure of absolute alcohol1.1.2 无水乙醇的性质1.1.2.1 物理性质无水乙醇（分子式：C2H6。）为无色澄清液体，有酒香，有灼烧味，易流动，极易从 空气中吸收水分，能与水和氯仿、乙醴等多种有机溶剂以任意比例互溶。而且能与水形成 共沸混合物（含水4.43%,共沸点78.15C,相对密度0.789,熔点-114TC,沸点78.5,折光率 n20D 1.361。闭杯时闪点（在规定结构的容器中加热挥发出可燃气体与液面附近的 空气混合，达到一定浓度时可被火星点燃时的温度）13,易燃。无水乙醇蒸气与空气能 2青岛科技大学本科毕业设计(论文)形成爆炸性混合物，爆炸极限3.5%18.0%(体积)。饱和蒸气压(kPa)：5.33(19)；燃烧热(kJ/mol)：1365.5；临界温度()：243.1；临界 压力(MPa)：6.38；辛醇/水分配系数的对数值：0.32；闪点()：12；爆炸上限(丫)：19.0；引燃温度C。)：363；爆炸下限(丫八缶3.3；纯度高达99.5%的乙醇。溶解性：与水混溶，可混溶于醴、氯仿、甘油等多数有机溶剂。1.122化学性质无水乙醇是非电解质，在溶液中不电离，其官能团是羟基(一OH)。无水乙醇可发生 以下化学反应：1、消去反应无水乙醇在浓硫酸条件下迅速加热升至170,生成乙烯，浓硫酸作为脱水剂、催化 剂。2、取代反应无水乙醇与氢澳酸在加热条件下反应，生成澳乙烷和水。3、分子内脱水无水乙醇在浓硫酸条件下加热至140,生成乙醴和水。4、酉旨化反应无水乙醇与粉酸在浓硫酸存在下加热，可生成对应的酯类化合物。5、与金属钠反应无水乙醇与金属钠反应，生成乙醇钠和氢气。6、与强氧化剂反应乙醇与酸性高镒酸钾溶液或酸性重铭酸钾溶液反应，可被氧化为乙酸。1.2 无水乙醇的用途无水乙醇是一种重要的化工原料，广泛应用于医药、农药、油漆、食品、化妆品、橡 胶、电子工业等行业中。另外，在无水乙醇中添加改性剂可形成变性燃料乙醇，变性燃料 乙醇以一定比例与汽油调和，形成车用乙醇汽油，可用作汽车的环保燃料。近年来，随着 能源价格的持续走高，节约石油资源的举措已列入国家科技发展计划纲要，车用无水乙醇 项目正在一些省份得到积极推广。1.3 无水乙醇的制备方法目前，无水乙醇的生产方法有共沸精储法、分子筛吸附脱水法、氧化钙脱水法、渗透 汽化法、真空脱水法及萃取精微法等 7-刃。其中，萃取精储是向精储塔顶连续加入高沸点添 加剂，改变料液中被分离组分间的相对挥发度，使普通精储难以分离的液体混合物变得易 于分离的一种特殊精储方法。萃取精储制取无水乙醇口具有低能耗、无污染、设备简单、操作方便等优点而备受关注。随着无水乙醇需求的不断增加，对其生产过程进行优化变得 38万吨/年无水乙醇萃取精储工艺设计十分重要。本文将采用Aspen Plus化工流程模拟软件，对萃取精储制取无水乙醇的影响因素进行 模拟计算，以期达到工艺流程的最优化口1。1.4 Aspen Plus软件模拟简介1.4.1 Aspen Plus 软件简介Aspen Plus是美国Aspen技术公司80年代初推向市场的、具有准确单元操作模型和最 新计算方法的大型工艺流程模拟计算软件。它用严格和精确的计算方法进行单元和全过程 的计算，为企业提供准确的单元操作模型口幻，还可以寻找己有装置的优化操作条件和进行 新建、改建装置的优化设计。它还配有较完整的物性数据库，并能进行灵敏度分析及过程 优化。Aspen Plus是化工过程建模的基础平台，没有它，其他套件就没法使用。它提供了大 量的化工单元操作模型，包括反应器、分离操作单元、换热器等；同时它还提供了大量的 物性数据，几乎包括所有的化学物质，绝大多数化学物质的物性数据都能从它的物性数据 库中查找。Aspen Plus单独使用可以对一般的化工过程进行模拟分析，还能对操作参数进 行优化。其主要功能特点是：(1)具有开放式结构。用户可任意选用任意组合单元过程模块以模拟不同的工艺流程 组分数目物流数目塔板数目及循环回路等不受限制。(2)具有广泛全面的单元过程模块，包括混合和分离，闪蒸和加热，精储反应，泵和 压缩机管路压降结晶固体生化和聚合等。(3)具有丰富和最新的物性数据(几乎每年更新物性数据库)。RELEASE9.2提供近5000 种组份包括2000种固体和900种离子的物性数据，37000对双参数物性数据和1600对可 溶溶剂的HENRY常数，并具有物性常数估算和数据回归系统。(4)包含多种运行类型:流程模拟(flowsheet simulation),物性估算(property constant estimation),物性表生成(property table generation),石油t留份物性数据分析估算(assay data analysic pcs),物性库扩充(propertiesplus),经济成本分析(costingonly),物性数据回归(property data regression)等。(5)具有智能化图形窗口，输入输出系统，超文本在线帮助系统，典型丰富的应用例 子库，完备的文档系统以及与CAD软件AUTOCAD,电子表格EXCEL,流程动态模拟软 件SPEEDUP及换热网络设计软件ADVENTHTRIHTIS和BJAC等良好接口。(6)通过 VirtualDeviceDriver 技术，RELEASE9.2 能作为 DOS 应用程序在 Windows95 与Windows3x操作系统下运行，其CD-ROM版使用户维护与按装更快捷更方便。1.4.2 Aspen Plus软件模拟模块本设计主要用到的是萃取精储塔,模拟所用的也是Aspen Plus中的精储模块。在AspenPlus中关于精储的模块有:4青岛科技大学本科毕业设计（论文）1 简捷法模型：包括DSTWU（简捷法精储设计模型）、Distl（简捷法精储核算模型）、SCFrac（简捷法多塔蒸储模型）。2 严格法模型：MultiFrac（严格法多塔精微模型）、PetroFrac（严格法分储塔）、RateFrac（精 储的核算与设计模型）、Extract（严格萃取塔模型）。其中RateFrac是一个基于流率的非平衡 的模型，用于模拟各种类型的多级气-液精储操作，可用于一般精储、吸收、再沸吸收、汽 提、再沸汽提、萃取和共沸蒸储。适用于两相系统、窄沸程和宽沸程系统以及液相具有强 的非理想程度系统。对于精微模拟必须确定以下条件：1 进料性质（包括进料组成、温度、压力、进料量、相数等）和进料位置。2 出料性质（包括相数等）和出料位置。3 塔的性质，如塔板数、塔的压力分布、回流比、气相产品占塔顶总产品比率或塔 顶出料、塔底出料、回流量等。对于一个模拟过程来说，准确无误地选择物性是模拟结果好坏的关键。Aspen Plus为 单元操作计算提供了热力学性质和传递性质，在典型的Aspen Plus模拟中，常用的物理性 质参数有逸度系数、烯、密度、熔和自由能。1.5本文研究思路现代工业在创造大量财富的同时，也往往存在着高物耗、高能耗和高污染的问题。我 国工业的整体水平与发达国家尚有差距，能耗高、物耗高、三废严重已成为建设资源节约 型、环境友好型、经济型社会和实现可持续发展战略的瓶颈之一。萃取精储工艺有较大的 能耗，所用溶剂经常有较大的毒性或腐蚀性，因此，萃取精储工艺的研究主要应从如何降 低能耗、如何优选无毒、无腐蚀性的溶剂为出发点。据此，本文按以下思路开展研究：1 在绿色化学12项原则基础上，参考文献报道的汽液平衡实验数据，依据溶剂筛 选的基本原则，对工业生产中所用溶剂进行研究分析。最终选择了适用于分离乙醇-水体系 的合适溶剂乙二醇。2 以所选溶剂乙二醇作为萃取剂，通过Aspen Plus商业流程模拟软件模拟优化乙醇-水体系的萃取精微分离工艺，确定适宜的工艺参数。3 针对分离乙醇-水体系的预分离塔、萃取精储塔和溶剂回收塔进行工艺设计计算，分析精储塔流体力学性能，绘制塔板的负荷性能图，检验塔的设计是否合理并提出改进意 见口”4 对换热器设备进行工艺设计计算，确定换热器合理的管程与壳程尺寸、换热器长 度、换热器的传热面积等。5 确定整个流程的安全控制方案，绘制带控制点的工艺流程图、车间平面布置图以 及主要设备的装配图。58万吨/年无水乙醇萃取精储工艺设计2工艺设计与计算2.1 工艺原理2.1.1 萃取精微技术原理在工业生产中，常需要分离一些近沸点或共沸体系，如生物发酵生产无水乙醇时乙醇 与水的分离、C4双烯烷与C4单烯烬的分离、C4烯烷和烷烧的分离等，近沸点或恒沸体 系，由于它们的相对挥发度接近1或等于1,若采用普通精储方法进行分离，不仅设备投 资和操作费用很高，有时甚至是不可能的，对于这些体系需用其它分离方法进行分离，如 萃取精储(Extractive Distillation)共沸精储(Azeotropic Distillation)、萃取(Extraction)、吸 附(Adsorption)、结晶(Crystallization)等。其中萃取精储就是一种很有效的分离方法，其基 本原理是在被分离体系中加入萃取剂(也称溶剂，Solvent),以提高被分离组分间的相对 挥发度，从而使被分离组分可以通过精微的方法分离开来口引。萃取精储技术已有近60年 的历史，早期应用于高纯丁二烯和芳煌的制备，并很快得到了广泛研究和应用。萃取精编 的原理及工艺流程见图2-114O图2-1典型的萃取精储工艺流程Fig.2-1 Schematic flowsheet of extractive distillation被分离组分(L、H)的混合物从萃取精储塔(a)中部进料，溶剂(S)从萃取精储塔 上部进料，塔内同时有L、H、S三个组分，由于溶剂S的作用，L和H的相对挥发度大 于未加溶剂时的相对挥发度，因此L从塔顶分离出去，H则随S从塔釜采出并引入汽提塔(b),在汽提塔，H与S分离，塔顶得到H,塔釜得到溶剂S,S被重新引回至萃取精编 塔循环使用。由于通常所用溶剂的沸点都相对较高，因此在溶剂被重新引入萃取精储塔前 先通过中间再沸器、原料预热器等方法将能量回收。为了防止溶剂从萃取精储塔顶部流失,6青岛科技大学本科毕业设计（论文）在萃取精储塔上部还要加一段溶剂回收段。对于近沸点组分的分离，或者恒沸混合物的分 离，虽然萃取精微工艺比普通精储多了一个汽提塔，并且增加了溶剂的循环，但由于萃取 剂的加入较大地提高了被分离组分间的相对挥发度，因此，塔高和回流比大幅度减少，总 体能耗和投资都可以降低。文献给出了不同相对挥发度与所需理论板的关系，见表2-1 o 从表2-1可以看出，对于相对挥发度接近于1的被分离体系，加入溶剂提高后，随着相对 挥发度的提高，所需的理论板数显著降低，实际回流比也显著降低，因此投资和能耗都可 以减少。表2,理论板、实际板与挥发度的关系均Tab.2-1 Theoretical and actual plates requited vs.Relative volatilityRelative volatilityTheoretical platesActual plates(total reflux,purity 99.9%)(75%total plate efficiency)1.0275010001.251001331.534452.020272.515203.013173.511154.010134.59122.1.2 萃取精t留溶剂的筛选依据US萃取精储能否实现，效果的好坏，溶剂的选择是关键。萃取精储溶剂的选择应主要从 如下几个方面考虑：1 选择性：溶剂对被分离组分相对挥发度贡献的度量，通常用无限稀释活度系数来 计算：0000%(2-1)研究表明萃取精储操作的能耗排序与选择性大小基本成相反的顺序，选择性越大，能 耗越低。2 沸点：溶剂的沸点应高于被分离组分以利于组分与溶剂的分离，但不能太高，否 则汽提塔塔釜温度太高，使热源的能级提高，增加了设备投资，并可能导致分解、自聚等 78万吨/年无水乙醇萃取精储工艺设计副反应的发生，造成溶剂和原料损失。3 溶解能力：指溶剂对被分离组份的溶解能力。如果溶剂对被分离组份的溶解能力 差，则塔内可能出现两个液相，一个是含有较多溶剂和少量烷类的溶剂液相，另一个是含 有较多煌类和少量溶剂的烧类液相，即萃取精储塔内存在着三相：汽相、烷类液相和溶剂 液相。双液相的存在对塔内传质产生很大影响，导致塔板效率下降和分离能力降低。尽管已有文献口4 对双液相情况下的萃取精微进行了研究，并通过增加设备内构件等方 法改善各相态的混合效果，取得了一定效果，但溶解能力是溶剂筛选的重要指标。溶解能 力通常用：无限稀释活度系数的倒数来衡量：S=P 8兀（2-2 4 稳定性：在选定的操作条件下，溶剂必须是稳定的，不分解、不自聚、不与被分 离组分发生化学反应。5 腐蚀性：溶剂必须是无腐蚀性或低腐蚀性的，在长期的运转过程中不会对设备造 成腐蚀。6 凝固点：溶剂应有较低的凝固点，否则在冬季操作时需要对管线、阀门等位置伴 热，造成能量损失。7 来源方便，价格低廉。8 其它：如溶剂的粘度、密度、表面张力、蒸发潜热等都影响萃取精储的能耗，需 要考虑。此外溶剂的毒性、价格也是考虑的重要因素。2.2 工艺路线的选择2.2.1 萃取工艺简介向精微塔顶连续加入高沸点添加剂，改变料液中被分离组分间的相对挥发度，使普通 精微难以分离的液体混合物变得易于分离的一种特殊精储方法。它作为分离共沸物、近沸 点混合物及其他相对低挥发度混合物的技术，在化学工业中有着重要意义口叫一般的萃取精储过程采用2 或3 塔工艺流程口刃，设备主要由萃取塔和溶剂回收塔组 成。2.2.2 萃取工艺设备的改进目前，萃取精微技术的研究重点是进一步提高萃取剂的选择性、改进工艺过程，从而 减少单元操作和建设成本。雷志刚等回针对C4气体萃取精储丁烯/丁二烯工艺流程中第一 精储塔底出料存在一定热聚合损失、第二精储塔液相负荷大、板效率低的问题，通过采用 第一精储塔下段汽相采出方式，解决了存在的诸多问题，改进、优化了工艺流程。Gerald Meyer等在C4气体分离过程开发中，为了进一步提高分离效率，在采用新分离工艺（萃取 精储一选择加氢一丁二烯提纯）的过程，将萃取精储和加氢过程耦合在同一塔中。这样既提 8青岛科技大学本科毕业设计（论文）高了操作安全性，也提高1,3-丁二烯的收率，降低了建设成本。除了加氢反应精储的耦合 外，尝试络合萃取、恒沸精微萃取四的开发工作一直在进行，通过开发复合功能萃取塔，使得在原有低能耗基础上，进一步拓宽了萃取精储的使用范围，提高了目的产品的收率和 质量。萃取精储塔采用的是板式塔型式成，由于浮阀塔板具有高效率、高弹性和高生产能力 等优点，所以目前是国内外是采用最为广泛的塔板之一。随着塔器技术的不断进步，原塔 板上存在的液流方向气体分布不均匀、液体返混大、浮阀易磨损、脱落等缺点日益突出，导致塔板效率低，塔设备能力受到限制，增加了实际塔板数，同时也造成分离系统能量、溶剂消耗高。近年来，塔板技术有了明显的进步，国内外相继推出了一系列结构新颖、性 能优良的新板型四。多溢流斜孔塔板、立体传质塔板在国内萃取精储塔中的应用，提高了 原萃取精储塔的生产能力，同时，回流比明显降低，分离的质量得到提高。虽然，萃取溶 剂对萃取精储过程产生重大的影响但是通过工艺及设备方面的改进回，仍然可以在一定程 度上提高该工艺的整体技术水平，降低建设成本，提高其应用范围。2.3 工艺流程简述图2-2萃取精储制取无水乙醇流程示意图Fig.2-2 Extractive distillation separation of ethanol-water flow diagram本设计的Aspen Plus工艺流程如上图2-2所示，以乙二醇为萃取剂，采用两塔精储流程进 行模拟，混合物首先进入换热器加热到泡点，然后此混合物进入萃取精储塔，在塔顶得到 无水乙醇产品，塔底的水与萃取剂乙二醇一同进入溶剂回收塔，在溶剂回收塔顶储出水，塔底流出的乙二醇再循环使用进入混合器，和补加的萃取剂一起再进入萃取精偏塔。最后 通过此流程模拟优化结果确定塔、换热器及贮罐的工艺设计参数阳。2.4 工艺参数本设计中乙醇-水混合物的温度-组成图如图2-3所示：98万吨/年无水乙醇萃取精储工艺设计g-Properties Analysis PT-1(GENERIC)ResultsTOTAL TDEWTOTALTBUB。960山H n K H山d W山一 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 07 0.8 0.9 1.0MASSFRAC C2H6O-01图2-3乙醇-水混合物的温度组成图Fig.2-3 T-x-y for ethanol-water mixture进料量及其组成如下表2-2所示：表22原料液进料组成Tab.2-2 Compositions of Materials组分分子式英文名称质量组成总质量流量 kg/h乙醇c2H6。ETHANOL0.9510000水H2OWATER0.052.5 物料衡算2.5.1 物料衡算的目的及意义物料衡算是以质量守恒定律为基础对物料平衡进行计算。物料平衡是指在单位时间内 进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离开该系统的全部物料质量再加上损失掉的和 积累起来的物科质量。物料衡算目的在于决定生产一定量产品所需的原料和辅助材料的用量或由原料量确 定产品量；为确定设备大小、台数提供必要数据；为热量衡算提供必要数据。工艺设计中，物料衡算是在工艺流程确定后进行的。目的是根据原料与产品之间的定 量转化关系，计算原料的消耗量，各种中间产品、产品和副产品的产量，生产过程中各阶 10青岛科技大学本科毕业设计（论文）段的消耗量以及组成，进而为热量衡算、其他工艺计算及设备计算打基础。应用物料衡算原理，借助Aspen Plus流程模拟软件，对于各个单元进行了模拟优化，确定了最后的优化方案后，得出了塔的进出物料参数值。如下表2-3和表2-4所示。2.5.2 物料衡算原理全塔物料衡算（通过全塔物料衡算，可以求出精储产品的流量、组成之间的关系）。连续精储塔做全塔物料衡算，并以单位时间为基准，即总物料 F=D+W（2.3 易挥发组分 FXF=DXD+WXW 2-4 式中：F一原料液流量，kmol/h；D塔顶产品（储出液）流量，kmol/h；W塔底产品（釜残液）流量，kmol/h；与一原料液中易挥发组分的摩尔分数；无一储出液中易挥发组分的摩尔分数；%釜残液中易挥发组分的摩尔分数。塔顶易挥发组分回收率=爪乂100%2-5 FXF塔底难挥发组分回收率=一%）xlOO%（2-6 尸 1 32.5.3 进出物料衡算参数应用物料衡算原理，借助Aspen Plus模拟软件，对于各个单元进行模拟优化，确定了 最后的优化方案后，得出了塔的进出物料参数值。如下表2-3和表2-4所示。表2-3进塔物料衡算参数Tab.2-3 Tower feed material balance parameters初始进料预热后进料萃取塔萃取 剂进料添加萃取剂 进料回收塔进料温度/2578.0194.8197.1151.3压力/atm1.001.001.001.001.00气相分率00000摩尔流量 Kmol/hr233.996233.996161.9810.012191.543质量流量 kg/hr100001000010015.6420.74810612.025118万吨/年无水乙醇萃取精储工艺设计总体积流量1/min焰MMBtu/hr206.477-61.783224.427-60.268175.587-65.9120.013-0.005178.917-74.888粘度cP1.0560.4310.5340.524密度50.39946.36159.34959.2041016.6Ib/cuft各组分质量流率kg/hrH2O50050015.6400507.190C2H6。200100000.7489999.648C2H6。950095000.0020105.187各组分质量 分率 H2O0.0500.0500.00200.048C2H6O2000.9981.000.942C2H6O0.9500.950206PPB00.010各组分摩尔 分率 H2O0.1990.1990.00500.147C2H6。2000.9951.000.841C2H6O0.8810.881277PPB00.012表24出塔料物料衡算参数Tab.2-4 Tower discharge material balance parameters参数萃取精馈塔溶剂回收塔塔顶出料塔底出料塔顶出料塔底出料温度78.3151.387.1194.8压力atm1.001.001.001.00汽化分率 总摩尔流量0000Kmol/hr204.404191.54329.575161.969总质量流量kg/hr9403.61810612.025597.13010014.895总体积流量1/min213.632178.91711.199175.573焰 MMBtu/hr-52.376-74.888-7.854-65.907粘度cP0.4390.7130.3290.534密度 lb/cuft各组分质量流量kg/hr45.79961.71355.47559.349H2O8.450507.190491.54915.641C2H6。20.3529999.6480.3959999.252C2H6O各组分质量分率9394.815105.187105.1850.002H2O899PPM0.0480.8230.002C2H6。237PPM0.942662PPM0.99812青岛科技大学本科毕业设计（论文）C2H6。0.9990.0100.176206PPB各组分摩尔分率H2O0.0020.1470.9230.005C2H6。228PPM0.841215PPM0.995C2H6。0.9980.0120.077277PPB2.6热量衡算2.6.1 热量衡算的目的及意义热量衡算的目的在于通过计算决定所需传热介质的需要量；通过计算求出设备的热负 荷，作为计算设备传热面积时的依据。当物料经物理或化学变化时，如果其动能、位能或对外界所作之功，对于总能量的变 化影响甚小可以忽略时，能量守恒定律可以简化为热量衡算。它是建立过程数学模型的一 个重要手段，是化工计算的重要组成部分。进行热量衡算，可以确定为达到一定的物理或 化学变化需要向设备传入或从设备传出的热量；根据热量衡算可确定加热剂或冷却剂的用 量以及设备的换热面积，或可建立起进入和离开设备的物料的热状态（包括温度、压力、组成和相态）之间的关系。2.6.2 热量衡算数据由Aspen Plus模拟计算得到的各个换热单元的热量衡算参数如表2-5所示。表2-5各换热单元热量衡算参数Tab.2-5 Heat balance parameters of each heat exchanger温度压力atm流量Kg/h热负荷KW萃取精镭塔冷凝器78.2981.09403.618-7519.459萃取精储塔再沸器151.2821.010612.0257202.0溶剂回收塔冷凝器87.1421.0597.130-749.783溶剂回收塔再沸器194.8431.010014.89510802.7塔参数的确定2.7.1 塔板数的确定本设计选择工业酒精（乙醇的质量分数为0.95 为原料，规定其进料流量为10000kg/h,利用Aspen Plus软件进行模拟。先选择DSTWU模型进行简捷计算，萃取精储塔的设计参 数见图2-4。138万吨/年无水乙醇萃取精储工艺设计/Specifications Calculation OptionsColumn specificationsf-Number of stages:(Reflux ratio:ConvergencePressureCondenser:1atmReboiler:1atm282Condenser specificationsKey component recoveriesT otal condenserPartial condenser with all vapor distillatePartial condenser with vapor and liquid distillateDistillate vapor fraction:图2-4萃取精储塔设计初始参数Fig.2-4 Initial parameters of the extraction rectification tower design回收塔的设计参数见图2-5。JS pecificadons Calculation 0 ptionsConvergenceColumn specificationsr-Numberof stages:(Reflux ratio:向PressureCondenser:atm 二Reboiler:atm 二11-Condenser specificationsKey component recoveriesT otal condenserPartial condenser with all vapor distillatePartial condenser with vapor and liquid distillateDistillate vapor fraction:图2-5萃取剂回收塔设计的初始参数Fig.2-5 Initial parameters of the Extractant recovery tower design对两个塔分别做灵敏度分析，计算达到一定的回收率时所需要的塔板数。萃取塔各回收率时所需要的塔板数如图2-6所示:14青岛科技大学本科毕业设计（论文）图2-6萃取精储塔塔顶产品纯度对所需塔板数的影响Fig.2-6 Extraction distillation tower product purity to the influence of plate number required萃取塔塔板数的确定，所需要的产品为无水乙醇，纯度越高越好，本设计预定其浓度 为0.999,在上图中，当乙醇的浓度接近1时此时塔板数为28,所以萃取精储塔的所需的 塔板数为28块。回收塔各回收率所需要的塔板数如图2-7所示：图2-7萃取剂回收塔塔底产品纯度对所需塔板数的影响Fig.2-7 Extractant recovery tower bottom product purity to the influence of plate 158万吨/年无水乙醇萃取精储工艺设计number required回收塔板数的确定，回收塔无法对其塔底组分浓度和塔板数做灵敏度分析，故对其塔 顶水的浓度（即回收塔回收率）和塔板数做灵敏度分析，若要萃取剂都从塔底出，塔顶水 的浓度越高越好，由上图可知，当水的浓度接近一时，所需要的塔板数为11,所以回收塔 所需要的塔板数为11块。确定了塔板数之后，用RADFRAC模型进行精确计算，萃取塔的参数如图2-8所示：Configuiation|Streams Pressure y Condenser|Thermosiphon Config.|y Reboiler 3-F j|Setup optionsCalculation type:EquilibriumENumber of stages:28T Stag-而zard|Condenser:TotalReboiler:KettleValid phases:Vapor-Liquid色Convergence:Standardjd图2-8萃取精储塔的设计参数Fig.2-8 The design parameters of extraction column回收塔的参数如图2-9所示:Configuration/Streams Pressure)yCondenser|Thermosiphon Config.|yReboiler|3-FJ|Setup options Calculation type:Number of stages:Condenser:Reboiler:Valid phases:Convergence:Equilibrium图2-9萃取剂回收塔的设计参数Fig.2-9 The design parameters of extraction solvent recovery tower16青岛科技大学本科毕业设计（论文）2.7.2 乙醇浓度的影响因素完善其他参数之后进行模拟，然后进行灵敏度分析，确定萃取剂和原料的进料位置，回收塔的进料位置，精储塔和回收塔的最佳回流比以及萃取剂流量大小，分析结果如下：2.7.2.1萃取剂的进料位置萃取剂的进料位置对乙醇浓度的影响如图2-10所示，由此图可以看出当进料板大于三 块板时，塔顶乙醇的浓度为1。所以选萃取剂的进料位置为第三块板，此时乙醇的含量 为loVARY 1 CQT YEC FEEDS STAGE图2-10萃取剂的进料位置对产品纯度的影响Fig.2-10 The influence of the extracting agent of feed position on the purity of product2.7.2.2原料的进料位置原料的进料位置对乙醇浓度的影响如图2-11所示，由图可以看出，原料的进料位置在 18到21块板时塔顶乙醇的浓度都接近1.0,所以进料位置在18到21块板都可以，在此选 第20块板时进料。178万吨/年无水乙醇萃取精储工艺设计图2-n原料的进料位置对产品纯度的影响Fig.2-11 Effects of Material Feeds Stages on product purity2.7.2.3 精t留塔的回流比对萃取精储塔回流比和乙醇的质量浓度做灵敏度分析结果如图2-12所示，由图可知,当精储塔的同流比大于2.4时乙醇的浓度为1.0,所以萃取塔的回流比取2.4o图2-12萃取精储塔回流比对产品纯度的影响Fig.2-12 Effects of extraction rectification tower reflux ratio on product purity2.7.2.4 回收塔的进料位置回收塔的进料位置对乙二醇在塔顶塔底浓度的影响如图2-13所示：18青岛科技大学本科毕业设计（论文）图2-13回收塔进料位置对塔底产品纯度的影响Fig.2-13 Effects of Recovery tower feed location on bottom product purity上图中绿色线表示回收塔塔顶萃取剂乙二醇的浓度，蓝线表示塔底萃取剂的浓度，在 第四块板到十块板进料，效果非常理想，所以回收塔的进料位置选第四块板进料。2.7.2.5回收塔的回流比回收塔的回流比对萃取剂乙二醇浓度的影响如图2-14所示，图中，绿线表示塔顶萃取 剂乙二醇的浓度，蓝线表示塔底萃取剂乙二醇的浓度，在回流比1.0到2.0时都为理想条 件，故在此选回收塔的回流比为1.2。图2-14回收塔回流比对产品纯度的影响198万吨/年无水乙醇萃取精储工艺设计Fig.2-14 Effects of recovery tower reflux ratio on product purity2.7.2.6萃取剂的质量流量萃取剂的质量流量对乙醇浓度的影响如图2-15所示，萃取剂的进料流量对产品的纯度 也有非常大的影响，对其进行灵敏度分析，结果如上图，当萃取剂乙二醇的流量大于10000 时乙醇的浓度接近1,所以取乙二醇的质量流量为10000kg/h。图2-15萃取剂质量流量对塔顶产品纯度的影响Fig.2-15 The influence of extracting agent mass flow rate on the overhead product purity2.7.3两个塔的参数按照与上述优化原则相似的方法，又对其他两个塔进行了灵敏度分析，最终确定的各 个参数值如下表2-6所示。表26两塔的操作条件Tab.2-6 The operating conditions of two towers操作条件萃取精镭塔萃取剂回收塔实际塔板数2811原料进料位置204萃取剂进料位置3一回流比（摩尔比）2.41.2总进料量，kg/h20016.73610613.335产品采出量，kg/h9403.30110015.998产品质量收率0.9990.99820青岛科技大学本科毕业设计（论文）再沸器负荷，kW冷凝器负荷，kW7202-7519.4045161.992-749.828218万吨/年无水乙醇萃取精储工艺设计3设备设计与选型3.1 设备选型原则所谓设备选型即是从多种可以满足相同需要的不同型号、规格的设备中，经过技术 经济的分析评价，选择最佳方案以作出购买决策。合理选择设备，可使有限的资金发挥最 大的经济效益。设备选型应遵循的原则如下：1 生产上适用所选购的设备应与本企业扩大生产规模或开发新产品等需求相适 应。2 技术上先进在满足生产需要的前提下，要求其性能指标保持先进水平，以利 提高产品质量和延长其技术寿命。3 经济上合理即要求设备价格合理，在使用过程中能耗、维护费用低，并且回 收期较短。设备选型首先应考虑的