1、分类号： TQ028.3 单位代码： 108 密 级： 一 般 学 号：1080709014048本科毕业论文（设计）题 目： 碳酸二甲酯甲醇体系 间歇萃取精馏模拟 专 业：化学工程与工艺 （煤化工方向）姓 名： 指导教师： 职 称： 答辩日期： *学士学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名： 日期： 关于论文使用授权的说明学位论文作
2、者完全了解延安大学有关保留和使用学位论文的规定，即：本科生在校攻读学士学位期间论文工作的知识产权单位属延安大学，学生公开发表需经指导教师同意。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在 2 年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 目录1 前言 .21.1 碳酸二甲酯 甲醇恒沸体系介绍 .21.2 间歇萃取精馏原理介绍 .21.3 萃取剂选择原理 4
3、.31.4 萃取精馏的操作特点 .31.5 Aspen 流程模拟软件简介及应用 .31.6 BatchFrac 模型简介 .41.7 主要研究内容 .52 碳酸二甲酯-甲醇体系分离过程模拟及优化 .62.1 设计工艺参数 .62.2 模拟流程的建立 8 .62.3 重要参数的确定 .62.3.1 定义物性方法 .62.3.2 定义进料物流参数 .62.3.3 定义模块参数 .62.4 分离工艺过程的运行 .62.4.1 萃取精馏阶段 .62.4.2 过渡液回收阶段 .62.4.3 萃取剂回收阶段 .62.5 灵敏度分析及过程优化 .62.5.1 灵敏度分析简介 .62.5.2 萃取剂进料量 .
4、62.5.3 萃取剂进料位置 .62.5.4 萃取剂进料温度 .62.5.5 回流比 .62.5.6 精馏塔塔板数 .63 结果与讨论 .6参考文献 .6附录 .61碳酸二甲酯甲醇体系间歇萃取精馏模拟摘要：本论文利用Aspen Plus流程模拟软件，基于UNIFAC活度系数模型，采用半连续加入萃取剂、回流比恒定馏出液组成逐渐减小的间歇萃取精馏方法，以碳酸乙烯酯为萃取剂，运用灵敏度分析法分析影响分离碳酸二甲酯-甲醇效果的各工艺参数，并且根据此得出最优分离条件，得到当萃取剂进料量为75kmol/sec，第4块塔板进料，进料温度为25，间歇精馏塔理论塔板数为20块，回流比为5时分离取得最优效果，精制
5、碳酸二甲酯纯度达到0.995，甲醇馏出物、萃取剂回收纯度均大于等于0.99。关键词：Aspen Plus 软件；碳酸二甲酯；间歇萃取精馏 ；灵敏度分析；The batch extractive distillation separation of dimethyl carbonate and methanolAbstract：In this paper, the Aspen Plus process simulation software, based on the UNIFAC activity coefficient model, the use of semi-continuous jo
6、in the extractant, the reflux ratio constant distillate composition of batch extractive distillation method gradually decreases as the extraction agent, ethylene carbonate, the use of sensitivitythe analysis method affecting the separation of dimethyl carbonate - the methanol effect of various facto
7、rs, and based on this the optimal separation conditions, obtained when the feed amount of the extractant 95kmol/sec, # 4 plates feed, feed temperature25 , batch rectification column theoretical plate number of 25 blocks, a reflux ratio of separation for 5 hours to obtain the optimum effect, the puri
8、ty of the purified dimethyl carbonate 0.995, the methanol distillate purity of greater than or equal to 0.99, extractant recovery purity equal to or greater than0.99.Keywords: Aspen Plus software; dimethyl carbonate; The batch extractive distillation; sensitivity analysis;1 前言1.1 碳酸二甲酯甲醇恒沸体系介绍碳酸二甲酯（
9、DMC）是一种无色、带有芳香气味的可燃性液体，沸点为 90.1。化学性质非常活泼，能与酚、醇、胺、酯类化合物物发生反应，生成许多具有特殊性2质的化合物，是重要的有机合成中间体，DMC 还是良好的溶剂及清洗剂，在涂料、医药、电池等领域也有广泛应用；并且是非毒性、 “绿色”新型化工原料 1。常 压 下 碳 酸 二 甲 酯 ， 甲 醇 均 为 液 体 ， 甲 醇 的 沸 点 为 64.5， 碳 酸 二 甲 酯 的 沸 点 是90.1 。 当 碳 酸 二 甲 酯 和 甲 醇 混 合 物 中 碳 酸 二 甲 酯 摩 尔 分 数 达 到 13%， 甲 醇 的 摩 尔 分 数达 到 87%时 碳 酸 二 甲
10、 酯 和 乙 醇 的 混 合 物 形 成 恒 沸 体 系 。 此 二 元 恒 沸 体 系 的 沸 点 为 63.5 ，简单精馏无法将其分离，必须采用特殊精馏，本文采用间歇萃取精馏的方法 1。1.2 间歇萃取精馏原理介绍间歇精馏又称分批精馏，一次性进料，一次性出料，间歇精馏与连续精馏相比较具有的以下特点 2：1. 间歇精馏为非稳态过程,由于釜中液相的组成随精馏过程的进行而不断降低，因此塔内参数不仅随位置变化而且随时间变化；2. 间歇精馏只有精馏段。间歇精馏有两种基本操作方式：1. 馏出液组成恒定回流比不断增大的间歇精馏操作；2. 回流比恒定馏出液组成逐渐减小的间歇精馏。本文采用第二种方法。萃取精
11、馏是利用添加萃取剂来增加两种难以分离物料的相对挥发度, 使两者容易通过精馏而分离的精馏过程。它作为分离共沸物, 近沸点混合物及其他低相对挥发度混合物的技术, 在化学工业中有着重要意义。萃取精馏操作具有装置相对简单、可立足现有装置改装、处理量大和可连续有效地分离等优点，是最为广泛使用的分离方法之一。间歇萃取精馏 3（b atch extraction distillation，简称B ED）也称分批精馏、非稳态精馏。全过程完全在单塔内实现原料进料、萃取剂的加入和回收。它更适用于批量小、产值高、多品种物料的精馏, 有很好的经济性和操作灵活性。根据溶剂加入方式，间歇萃取精馏可分为一次性加入溶剂操作方
12、式和半连续加入溶剂操作方式。一次性加入方式是溶剂与料液一起加入到塔釜再沸器中，然后进行间歇操作。其缺点是再沸器体积有限，限制了加料量。半连续加入方式是萃取剂从靠近塔顶的位置连续加入，整个精馏塔分为萃取段和精馏段。在这种操作模式下，萃取剂基本上在每个塔板上均发挥作用，增大了分离效率。本论文采用半连续加入溶剂来进行间歇萃取精馏。1.3 萃取剂选择原理 41 选择性高，即加入少量溶剂后能大幅度的增加溶液相对挥发度；32 挥发性小，即具有比被分离组分高得多的沸点，且不与原溶液中各组分形成；3 恒沸物，以便于分离回收；4 添加剂能与原溶液有足够的互溶度，两者能良好的混合，以充分发挥每块板上液相中添加剂的
13、作用。本设计中选择的萃取剂为碳酸乙烯酯(沸点为 248)，与碳酸二甲酯互溶，加入溶液中从而使原溶液中两个组分间的相对挥发度大为增加。1.4 萃取精馏的操作特点为增大被分离组分的相对挥发度，应使各板液相均保持足够的添加剂浓度，当原料和萃取剂以一定比例加入塔内时，必存在某一个最合适的回流比。当不含添加剂的回流过大，非但不能提高馏出液组成，反而会降低塔内添加剂的浓度而使分离变得更为困难。同样，当塔顶回流温度过低或添加剂加入温度较低，都会引起塔内蒸气部分冷凝而冲淡各板的添加剂浓度。1.5 Aspen 流程模拟软件简介及应用ASPEN PLUS 是大型通用流程模拟系统 5， 源起于美国能源部于七十年代后
14、期在麻省理工学院组织会战，要求开发新型第三代流程模拟软件。这个项目称为“先进过程工程系统” （A dvanced System for Process Engineering）简称 ASPEN。这一大型项目由 MIT 主持、能源部资助、5 5 个高校和公司参与开发。它以严格的机理模型和先进的技术赢得广大用户的信赖，它具有以下特性：第一，A SPEN PLUS 使用最新的软件工程技术通过它的 Microsoft Windows 图形界面和交互式客户-服务器模拟结构使得工程生产力最大； 第二，A SPEN PLUS 拥有精确模拟范围广泛的实际应用所需的工程能力， 这些实际应用包括从炼油到非理想化学
15、系统到含电解质和固体的工艺过程。ASPEN PLUS 是基于序贯模块法的稳态过程模拟软件，具有完备的物性数据库，内含 1773 种有机物、2 450 种无机物、3 314 种固体物、9 00 种水溶电解质的基本物性参数，具有丰富的状态方程和活度系数方法。在 实 际 应 用 中 ， ASPEN PLUS 可以帮助工程师解决快速闪蒸计算、设计一个新的工艺过程、查找一个原油加工装置的故障或者优化一个乙烯全装置的操作等工程和操作的关键问题。流程模拟的优越性有以下几点： 1 进行工艺过程的能量和质量平衡计算；2 预测物流的流率、组成和性质；3 预测操作条件、设备尺寸；44 缩短装置设计时间，允许设计者快
16、速地测试各种装置的配置方案；5 帮助改进当前工艺；6 在给定的限制条件内优化工艺参数；7 辅助确定工艺约束部位(消除瓶颈)；8 回答 “如果那会怎样” 的问题。ASPEN PLUS 根据模型的复杂程度，支持规模工作流。可以从简单的、单一的装置流程到巨大的、多个工程师开发和维护的整厂流程。分级模块和模板功能使模型的开发和维护非常简单。ASPEN PLUS 提供了单元操作模型到装置流程模拟。这些模型的可靠性和增强功能已经经过 20 多年经验的验证和数以百万计例子的证实。ASPEN PLUS 在整个工艺装置的从研发、工程到生产生命周期中，提供了经过验证的巨大的经济效益。它将稳态模型的功能带到工程桌面
17、，传递着无与伦比的模型功能和方便使用的组合。利用 ASPEN PLUS，公司可以设计、模拟、瓶颈诊断和管理有效益的生产装置。1.6 BatchFrac 模型简介BatchFrac 6是一个用于间歇蒸馏的单元操作模型，它是模拟多级间歇蒸馏塔的一个严格的模型。BatchFrac 用一种十分有效的算法来求解非稳态的描述间歇蒸馏过程的热平衡方程和物料平衡方程，在每个平衡级上都提供了严格的热平衡物料平衡和相平衡关系。BatchFrac 能够处理各种间歇蒸馏问题包括以下系统：1 窄沸程2 宽沸程3 高度非理想系统4 三相系统5 反应系统BatchFrac能够检测冷凝器中游离水的存在或者是塔中任意位置的第二
18、液相的存在，BatchFrac在模拟级间倾析器时具有很大的灵活性， BatchFrac可以模拟带有平衡或速度控制的反应的间歇蒸馏塔这些反应可以发生在任意一个平衡级上包括再沸器和冷凝器。BatchFrac模型假定：1 使用平衡级可以规定汽化率；2 有连续的液体滞留且没有气体滞留；3 不模拟塔水力学。BatchFrac 模型输入规定：5BatchFrac 塔板是从上往下计算的，起始于冷凝器。其精馏过程是一个连串的顺序操作过程，BatchFrac 的第一个操作步骤是进行全回流运算。BatchFrac 有两种形式的数据输入规定：1 Column setup(塔设置)；2 Column operatio
19、n(塔操作 )。1.7 主要研究内容本文采用大型化工模拟软件Aspen Plus 对该分离过程进行模拟，模拟选用间歇精馏模块BatchFrac ，它能模拟不同时间段塔顶出料的间歇萃取过程。物性参数选用UNIFAC 活度系数模型。本文所用设备为萃取精馏塔，对碳酸二甲酯-甲醇共沸体系（摩尔比13：87）的间歇操作常压萃取精馏过程进行了模拟计算。模拟过程以碳酸乙烯酯为萃取剂，根据不同的时间段得到符合要求的产品：轻组分甲醇的纯度（摩尔分数）要求大于等于99%。需要完成精制碳酸二甲酯的任务，要求得到大于等于99%的碳酸二甲酯。并且对萃取剂进料量，萃取剂进料位置，萃取剂进料温度，精馏塔回流比和塔板数进行灵
20、敏度分析，优化过程得到理想工艺参数。1 2 碳酸二甲酯-甲醇体系分离过程模拟及优化2.1 设计工艺参数萃取精馏精制碳酸二甲酯的工艺条件 7为：在常压常温的条件下，处理进料量100kmol/sec， n(DMC)：n(ME)=13 ：87，进料时间为 1000sec 的碳酸二甲酯和甲醇共沸物。要求精制得到碳酸二甲酯产品的纯度(摩尔分数 x)要大于等于 99%，分离采出的甲醇的纯度大于等于 99%，以碳酸乙烯酯（DMC）为萃取剂。62.2 模拟流程的建立 8图 2-1 碳酸二甲酯-甲醇体系萃取精馏模拟流程图本论文采用的是回流比恒定馏出液组成逐渐减小的间歇精馏。碳酸二甲酯-甲醇共沸体系（FEED）从
21、塔底一次性加入，萃取剂碳酸乙烯酯（EC）在靠近塔顶处连续加入，因为馏出液的组成随精馏时间不断变化，为得到符合要求的产品，因此此间歇萃取精馏根据时间段分为三个阶段，第一个阶段萃取精馏段高纯度甲醇（ME）从塔顶馏出；第二个阶段过渡液回收阶段含有甲醇与碳酸二甲酯（GD）的过渡液回收；第三个阶段萃取剂回收阶段高纯度碳酸二甲酯（DMC）馏出。2.3 重要参数的确定2.3.1 定义物性方法物 性 方 法 是 一 批 方 法 和 模 型 ， ASPEN PLUS 用 它 们 计 算 热 力 学 物 性 和 迁 移 性 质 。可 采 用 的 物 性 方 法 有 理 想 物 性 方 法 、 状 态 方 程 物
22、性 方 法 、 活 度 系 数 物 性 方 法 、 专 用 系统 的 物 性 方 法 等 。 UNIFAC 基 团 贡 献 法 是 通 过 基 团 的 体 积 参 数 和 表 面 积 参 数 以 及 基 团之 间 的 交 互 作 用 参数来计算活度系数的一个简单的程序，适合于汽液平衡的萃取精馏体系。因此本论文采用的模型方式为 UNIFAC 活度系数模型。2.3.2 定义进料物流参数对 于 所 有 的 进 料 物 流 ， 必 须 规 定 流 率 、 组 成 、 热 力 学 状 态 。 本 论 文 设 定 的 是 处 理7100000kmol 的 共 沸 物 ， 设 置 进 料 温 度 25 ，
23、压 力 为 1atm， 进 料 流 量 为 100kmol/sec，进 料 时 间 为 1000sec， 一 次 性 进 料 ， 原 料 条 件 的 参 数 碳 酸 二 甲 酯 甲 醇 的 摩 尔 比 为13： 87， 萃 取 剂 进 料 温 度 为 25 ， 压 力 为 1atm， 进 料 流 量 为 150kmol/sec， 萃 取 剂 含量 大 于 0.99， 定 为 1。2.3.3 定义模块参数全 局 信 息 设 置 、 组 分 、 物 性 方 法 将 BatchFrac 模 块 的 精 馏 塔 塔 板 数 为 30、 选 择 冷凝 器 为 全 凝 器 、 采 用 釜 式 再 沸 器
24、， 收 敛 方 法 采 用 标 准 方 法 ， 在 操 作 规 定 下 规 定 馏 出 物摩 尔 流 率 为 100kmol/sec， 回 流 比 为 5， 每 块 塔 板 的 持 液 量 为 32kmol， 萃 取 剂 从 第 二 块塔 板 加 入 ， 设 置 停 车 时 间 由 塔 顶 甲 醇 的 摩 尔 浓 度 变 化 控 制 。 操 作 时 间 最 大 不 能 超 过1800sec。将 以 上 所 述 参 数 输 入 软 件 进 行 初 步 运 行 计 算 9。2.4 分离工艺过程的运行2.4.1 萃取精馏阶段间歇萃取精馏第一阶段萃取精馏阶段，这个阶段从塔顶的某块塔板上加入萃取剂，塔釜是反应前一次性加入的恒 沸 物 ，经过一段时间萃取剂全回流后开始萃取恒沸物，将停止条件设置为塔顶馏出物甲醇纯度大于等于 0.99，如果小于 0.99 将停止馏出，从塔顶采出符合产品要求的甲醇。如图 2-1 中的 ME 物流线。第一阶段运行结果：
