期末632085216025 管威 化工计算与软件应用.doc

《化工计算与软件应用》期末作业
一、 课题内容
1．1、原料：
进料乙醇水溶液流率44650kg/h，25℃，350kPag，其中乙醇质量分数0.114.
1.2、分离要求：
采用精馏塔把进料提浓至乙醇质量分数0.907,然后进入膜分离器继续增浓。膜分离器有两股产品，一股是乙醇质量分数0.995的精乙醇，另一股是渗透液（乙醇的质量分数0.3），参透液返回乙醇水溶液溶液提浓系统。
二、物性方法的选择
通过查阅文献和google搜索以及查阅《aspen plus物性方法和模型》手册发现根据液相混合物逸度的计算方法的不同，物性方法可以分为两大类：状态方程法和活度系数法。状态方程法使用状态方程来计算汽相及液相的逸度，而活度系数法使用状态方程计算汽相逸度，但是通过活度系数来计算液相的逸度。常见的状态方程有ideal、srk、pr、lk方程以及他们的一些改进方程。状态方程法就是基于此类状态方程来计算逸度，压缩因子，焓等的物性方法。常见的活度系数方程有nrtl、wilson、uniquac等。活度系数法就是基于此类活度系数方程来计算液相逸度，液相焓等的物性方法。
经查询发现混合物为乙醇水体系，应该用活度系数法，Aspen Plus软件中含有五种基本的活度系数方程（NRTL、UNIFAC、UNIQUAC、AVNLAAR、WILSON），它们仅适用于低压下、非电解质溶液的组分活度系数计算，如NRTL方程适合于极性与非极性混合物，强非理想性混合物和部分互溶系统。因为题给混合物为酯、醚、烃混合物，可能出现部分互溶，通过Aspen Plus模拟发现体系的的压力变化对恒沸物的组成变化不大，设计的操作压力为常压，等可以选择NRTL, WILSON方程。
本次设计选择的是WILSON方程，所用设计软件是aspen 7.3版本。

三、可行性说明
3.1、分离方法的理论基础
利用Aspen Plus软件的绘图功能，绘制了乙醇（C2H5OH）、水（H2O）常压下以质量为基准的X-Y图。常压下有存在共沸点，约在乙醇的质量分数在0.95处。说明乙醇水常压下精馏最多只能得到质量浓度为95%的乙醇，但是根据题目分离要求，精馏塔只需把乙醇提浓到90.7%，所以可以用一般精馏方法精馏。得到的产品再到膜分离器中提纯。

通过查阅文献“乙醇-水精馏节能技术分析”，文献中中介绍了四种乙醇一水精馏节能技术，即分割式熟泵精馏节能技术、熟集成精馏节能技术、双效精馏节能技术和加盐萃取精馏节能技术，我选择双效精馏节能技术进行对本课题的设计，并比较单塔精馏和双效精馏节能技术的优缺点
四、分离的流程
4.1、总分离流程介绍
第一双效精馏节能技术
通过前面的相图分析，理论上可以设计一个双效精馏的分离过程，如图所示。

图1双效精馏节能分离
双效精馏的原理：利用高压塔塔顶蒸汽的潜热向低压塔的再沸器提供热量，高压塔塔顶蒸汽同时被冷凝的热集成精馏系统。
如图所示过程
原料同时进入B1（常压塔）和B2（高压塔），B2（高压塔）有再沸腾，无冷凝器，直接产生高温蒸汽通过换热器对B1（常压塔）的塔底物料提供热量，最后塔釜得到水（含极少量的乙醇），纯度为0.907的乙醇水体系都进入膜分离器增浓，膜分离器出两股产品，上面一股得到精乙醇，下面一股为渗透液经过换热器换热后返回到精馏塔中循环提浓提高收率。

4.2、工艺参数的确定
进料质量流量总和为44650kg/h，常温25℃，压力350kPag。
B1精馏塔流程如下：
步骤1首先通过先根据物料恒算以及简捷精馏法模型，计算大概的塔板数，精料位置以及回流比。简洁精馏结果如下：

推荐的板数为15块，回流比3.98，精料位置第12块板。
然后带入精确精馏模块计算，综合考虑板数与回流比的大小和再沸器的热负荷，设定总板数为20块板，再通过设计规定Design spec计算功能优化满足塔顶乙醇质量分数0.907
灵敏度分析优化塔板进料位置如下：

从图像可以看出15块板进料时塔釜热负荷最小，故B1塔取15板进料
同样的方法也可以得到B2（高压塔）的参数,参数见后
步骤2顺流双效精馏-辅助双塔系统

再通过设计规定Design spec计算功能规定，定义B1（常压塔）塔顶的热负荷为CQ1和B2（高压塔）的再沸器热负荷为CQ2，在顺流双效精馏流程稳定操作时，调整B1塔塔顶出料（调整B5分流器的产品分率）使得CQ1和CQ2的绝对值相等，代数和为0，在Flowsheeting Options/Design spec/DS-1/Input/Spec 界面填写如下：

结果如下：

B5分流器的产品分率为0.37674562时，B1（常压塔）塔顶的热负荷为CQ1和B2（高压塔）的再沸器热负荷相等，为2797kw，满足双效精馏的原理
此时优化的B1（常压塔）和B2（高压塔）的参数如下：
塔
B1（常压塔）
B2（高压塔）
塔板数
20
20
进料位置
15
16
塔压
1atm 塔板压降0.7kpa
355.3375kpa 塔板压降0.7kpa
塔顶馏出量
2120.07 kg/h
3508.78868
回流比
1.33001185
2.13786568
塔底馏出量
不设定
不设定
再沸器热负荷
2797.03679 KW
6448.15264 kw
冷凝器热负荷
-1346.0568 KW
-2797.0434 KW

膜分离器的参数设定：
原理：根据膜分离器有两股产品，一股是乙醇质量分数0.995的精乙醇，另一股是渗透液（乙醇的质量分数0.3），进行计算,设PRODUCT产品物流出中乙醇的分流分数为X1，水的分流分数为Y1

由公式计算可得x1=0 .9581 y1=0.04696，填入分离器

步骤3把辅助双塔系统的计算出的参数代入图1双效节能精馏各模块参数，注意此时B1（常压塔）无再沸器和B2（高压塔）无冷凝器，设置B2（高压塔）塔顶气相出料量为273.623629kmol/h,此时B1塔板数和B2塔板数均变为19块板。

换热器的参数设置方式如下图

换热器模块的设定
设定热交换负荷为2797kw

闪蒸器的设定如下：温度设定为102.9℃，热负荷为0

模拟结果如下：

产品是乙醇质量分数0.995的精乙醇，符合课题设计要求，总热负荷为B2（高压塔）的热负荷为6448.08869 kw，以及膜分离器能耗1045.75818 kw
步骤四：图形分析
⑴ B1（ 常压塔）和B2 （高压塔）的塔内乙醇液相组成的分布情况

从图中可以可以看出塔板数均充分利用

三、流程优缺点分析（纯度与收率、能耗，公用工程说明）
产品的纯度可以用Aspen Plus的模拟结果查看各股物流的相关含量，回收率通过η=DXD/FXF或WXW/FXF公式计算可以可以得到，相关的含量可在Aspen Plus查找。下表是整理的原料中各组分最后的纯度和回收率。
组分
原料中各组分质量流量（kg/h）
出膜分离器各物质质量流率（kg/h）
精馏塔中的纯度
膜分离器中的纯度
回收率
乙醇
5090.1
4893.05017
0.907
0.995
0.9613
水
39559.9
24.6088439
0.093
0.005

从表中看出乙醇在精馏塔中的浓度以及在膜分离器中的浓度都满足分离要求，同时回收率较高。
2、分离的能耗主要消耗在B2（高压塔）热负荷，以及膜分离器消耗的热量。换热器设计时为绝热，没有热量的消耗。下表是整理的各塔冷凝器和再沸器的能量消耗。（进料量为44650kg/h）

乙醇和水分离方法
单塔精馏法KW
双效精馏节能技术KW
塔顶冷凝器能耗KW
-3575.972
-1345.0128
塔底再沸器能耗MW
7424.34461
6448.08869
膜分离器
1159.65339
1045.70575
总能耗
8583.998
7493.79444
从能耗来看，双效精馏节能技术较单塔精馏塔的能耗的能量少，双效塔塔釜的消耗能量节约了976.25592kw,与单塔精馏法消耗加热能量7424.34461KW相比，节约能耗大约13.1%，双效精馏比单塔精馏更节能，另外还节省了塔顶冷凝水的消耗。
四、公用工程
本次分离设计主要用到的公用工程有循环冷却水和低压蒸汽，它们都简单易得，价格不高，可以循环利用，不会对环境造成污染。
五、结论与展望
1、通过乙醇水的分离以及膜分离的提纯，得到纯度为99.5%的精乙醇，且乙醇的回收率在95%以上。
2、分离选用较优的公用工程，节能环保。
3、分离所需塔设备能耗较高，可以考虑其他可能的节能分离方法比如热泵精馏，多效蒸发等。
五、参考文献
1、包宗宏，武文良.化工计算与软件应用[M].2013.7
2、杨兆娟. 乙醇一水精馏节能技术分析[J].青海大学学报, 2001.06,19(3).