乙酸乙酯的制備與分離流程模擬

乙酸乙酯的制備與分離流程模擬乙酸乙酯得制備與分離流程模擬乙酸乙酯的制備與分離流程模擬DesignandOptimizationontheEthylAcetateTechnologyProcess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TOC\o”1-3"\h\z\u1 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)目標(biāo) 51、1 設(shè)計(jì)任務(wù) PAGEREF__RefHeading___Toc482004501\h31、2 設(shè)計(jì)目標(biāo) PAGEREF__RefHeading___Toc482004502\h32 物性數(shù)據(jù) PAGEREF__RefHeading___Toc482004503\h33 工藝流程得選擇與論證分析 PAGEREF__RefHeading___Toc482004504\h44 全流程模擬得輸入設(shè)定 PAGEREF__RefHeading___Toc482004505\h54、1 setup設(shè)置 PAGEREF__RefHeading___Toc482004506\h54、2 組分輸入 PAGEREF__RefHeading___Toc482004507\h54、3 物性方法設(shè)置 PAGEREF__RefHeading___Toc482004508\h64、4 Stream輸入 PAGEREF__RefHeading___Toc482004509\h64、5 Reaction輸入 PAGEREF__RefHeading___Toc482004510\h64、6 BLOCK得輸入 PAGEREF__RefHeading___Toc482004511\h84、6、1 精餾塔T1得輸入 PAGEREF__RefHeading___Toc482004512\h84、6、2 閃蒸罐模塊得輸入 PAGEREF__RefHeading___Toc482004513\h94、6、3 反應(yīng)精餾塔RAD得設(shè)置 PAGEREF__RefHeading___Toc482004514\h94、6、4 分離器得輸入 PAGEREF__RefHeading___Toc482004515\h105 模擬運(yùn)行 PAGEREF__RefHeading___Toc482004516\h116 流程與能量優(yōu)化 PAGEREF__RefHeading___Toc482004517\h136、1 閃蒸罐 PAGEREF__RefHeading___Toc482004518\h136、2 反應(yīng)精餾塔 PAGEREF__RefHeading___Toc482004519\h136、3 能量集成 PAGEREF__RefHeading___Toc482004520\h167 結(jié)論 PAGEREF__RefHeading___Toc482004521\h168 心得體會(huì) PAGEREF__RefHeading___Toc482004522\h18乙酸乙酯的制備與分離流程模擬設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)任務(wù)我得學(xué)號就是。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)生成乙酸乙酯與水.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:乙酸與乙醇各500kmol/h,其她組分分別為20kmol/h(2)乙酸乙酯純度達(dá)到99％以上設(shè)計(jì)目標(biāo)（1)工藝流程得選擇與論證分析（2)全流程模擬（3)流程優(yōu)化(4）能量集成與優(yōu)化（至少有一種)(5）動(dòng)態(tài)分析（選作）物性數(shù)據(jù)各物質(zhì)得主要物性數(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、5工藝流程得選擇與論證分析根據(jù)合成及分離要求,通過對過程得分析，在ASPENPLUS軟件上建立乙酸乙酯制備與分離得工藝流程圖,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)行初步得乙酸與乙醇得分離，塔頂?shù)玫捷p組分T1D，主要包含乙醇與正戊烷、甲苯與甲烷,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、甲烷得初步分離，閃蒸罐上部得氣相物流FLA—OUT主要包括大部分得正戊烷與甲烷及小部分得甲苯，閃蒸罐下部液相物流ETHA主要包括乙醇及部分甲烷等?；厥盏靡掖糆THA與乙酸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主要為生成得乙酸乙酯與水，以及未發(fā)生反應(yīng)得乙醇，塔釜物流RAD-W主要為未發(fā)生反應(yīng)得乙酸，可選擇回收程序回收使用。帶有產(chǎn)物乙酸乙酯得物流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,其中乙酸乙酯得純度為99、9％。

全流程模擬得輸入設(shè)定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—1setup設(shè)置界面組分輸入根據(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)物中包括乙酸乙酯與水,組分輸入界面如圖4-2。圖4-2組分輸入界面物性方法設(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物性方法選擇界面Stream輸入物性方法選擇完成后，點(diǎn)擊Next查瞧相互作用系數(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得輸入，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4-4Stream輸入界面Reaction輸入點(diǎn)擊Reaction，進(jìn)入Objectmanager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)得正、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—6正、逆反應(yīng)設(shè)定設(shè)置正、逆反應(yīng)得反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，如圖4-7、4—8。圖4-7正反應(yīng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)設(shè)置界面圖4-8逆反應(yīng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)設(shè)置界面BLOCK得輸入精餾塔T1得輸入點(diǎn)擊Next，進(jìn)入BLOCK模塊,精餾塔T1主要用于乙醇與乙酸得分離，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與重組分乙酸得摩爾分率分別為0、999與0、001，精餾塔T1輸入情況如圖4-9所示。圖4-9精餾塔T1得設(shè)置界面閃蒸罐模塊得輸入點(diǎn)擊Next,進(jìn)入BLOCK模塊輸入,閃蒸罐FLASH主要用于分離乙酸與乙醇,設(shè)置如圖4—10所示。圖4-10閃蒸罐FLASH得設(shè)置界面反應(yīng)精餾塔RAD得設(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得設(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)得塔板區(qū)間，同時(shí)設(shè)置反應(yīng)在反應(yīng)得停留時(shí)間，點(diǎn)擊反應(yīng)精餾塔得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)間設(shè)置分離器得輸入根據(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分離器得設(shè)置界面模擬運(yùn)行各模塊參數(shù)配置完成后,運(yùn)行流程得到如下得模擬結(jié)果:表5-1模擬結(jié)果ACETHAFEEDFLA-OUTPRODUCTRAD—DRAD-WSEP—OUTT1DTemperatureC1、667、611867、6-79、3Pressureatm122211111VaporFrac000、57110000、0320MoleFlowkmol/hr500388、2461060171、754211、54600288、246388、46560MassFlowkg/hr30019、29318571、37956667、4718076、79918623、18931281、92417308、74812658、73626648、178VolumeFlowcum/hr31、76125、7158517、6632464、19622、09937、4218、31357、30430、007EnthalpyGcal/hr—56、352-23、924-84、402-7、911-23、874—48、333—32、498—24、655—35、838MassFlowkg/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—OUTT1DMassFracCH4trace554PPM0、0060、038329PPMtrace812PPM0、012ETHA767PPM0、9190、4060、7360、235170PPB0、580、864C5trace0、0130、0250、1490、008trace0、0190、054C7167PPB0、0660、0330、0770、03917PPB0、0970、069AA0、9990、0020、5396PPM480PPM10、0010、001EA10、596163PPM0、001H2O205PPM0、12251PPM0、301MoleFlowkmol/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、312MoleFracCH4trace0、0020、0190、1130、001trace0、0020、036ETHA1000PPM0、9540、4720、7510、266221PPB0、4110、892C5trace0、0090、0190、0970、006trace0、0090、036C7109PPB0、0340、0190、0390、02211PPB0、0340、036AA0、9990、0010、47275PPM417PPM1643PPM893PPMEA0、9990、353111PPM545PPMH2O1000PPM0、353169PPM0、544從上表可以瞧出，最后產(chǎn)品得純度為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。流程與能量優(yōu)化根據(jù)流程工藝得要求,對過程中得各個(gè)模塊進(jìn)行靈敏度分析,評價(jià)閃蒸罐溫度、反應(yīng)精餾塔得參數(shù),并進(jìn)行優(yōu)化分析,探究精餾塔得回流比、進(jìn)料產(chǎn)品流量、乙酸進(jìn)料位置對乙酸乙酯生成產(chǎn)量得影響等.閃蒸罐為了設(shè)置合適得閃蒸罐溫度，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得影響,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，大部分得正戊烷進(jìn)入罐頂氣相物料中，熱負(fù)荷較為合理.反應(yīng)精餾塔為了確定反應(yīng)精餾塔最合適得設(shè)置參數(shù),利用靈敏度分析軟件，探究精餾塔得回流比、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)量得影響等。反應(yīng)精餾塔得回流比會(huì)對塔頂中乙酸乙酯生成量產(chǎn)生一定得影響,見圖6-2.圖6—2回流比對乙酸乙酯生成得影響由上圖可以瞧出增加回流比可以增加乙酸乙酯得生成量，減少塔頂物流中乙醇與水得含量,但就是對其該變量得影響較小。進(jìn)料產(chǎn)品流量比會(huì)影響乙酸乙酯得生成量,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得影響由圖6-3可以瞧出增加進(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。乙酸與乙醇進(jìn)料塔板位置對乙酸乙酯得生成量有一定得影響,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得影響圖6-4乙醇進(jìn)料位置對乙酸乙酯生成量得影響通過對乙酸乙醇進(jìn)料位置得分析,得出最佳進(jìn)料板為乙酸9號板，乙醇25號板。能量集成反應(yīng)精餾塔中再沸器得熱負(fù)荷隨著回流比得增加而增加,因此應(yīng)該在保證乙酸乙酯生成量得同時(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)行得分析結(jié)果如圖6—5.圖6—5回流比對再沸器熱負(fù)荷得靈敏度分析結(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)品得質(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-OUTT1DTemperatureC1、165、111865、1—79、3Pressureatm122211111VaporFrac000、57110000、0920MoleFlowkmol/hr500497、986106062、014389、398898、18799、799508、789560MassFlowkg/hr30019、29323955、10256667、4712693、07634281、15147981、5235992、87213700、37326648、178VolumeFlowcum/hr31、76132、768517、663873、12640、51755、8076、3391276、75430、007EnthalpyGcal/hr-56、352—30、561-84、402—2、4-43、989—76、561-11、252—32、656-35、838MassFlowkg/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、025MassFracCH4trace0、0020、0060、105802PPMtrace0、0030、012ETHA767PPM0、8990、4060、5450、076477PPB0、2650、864C5trace0、0280、0250、2860、014trace0、0490、054C7167PPB0、070、0330、0640、03511PPB0、1220、069AA0、9990、0010、5351PPM0、01410、0470、001EA10、715112PPM0、003H2O205PPM0、14636PPM0、512MoleFlowkmol/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、81