-
分类号：
TQ028.1
单位代码：
108
本科毕业论文（设计）
题
目：乙醇
-
水
-
苯体系恒沸精馏过程模拟
1
延安大学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
学位论文作者完全了解延安大学有关保留和使用学位论文的规定，
即：<
/p>
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：
2
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的
毕业设计（论文）
，是我个人在指导教师的
指导下进行的研究工
作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和
致谢的地方外，不包含其他人或组织
已经发表或公布过的研究成果，也不
包含我为获得
及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过
帮助和做出过贡献的个人或集体，
均已在文中作了明确的
说明并
表示了谢意。
作
者
签
名：
日
期：
指导教师签名：
日
期：
使用授权说明
本人完全了解
大学关于
收集、保存、使用毕业设计（论文）
的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的
印刷本和电子版本；
学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索
与阅
览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在
不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日
期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所
取得的研究成果。
< br>除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任
何其他个人或集体已经发表
或撰写的成果作品。
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
法律后果
由本人承担。
作者签名：
日期：
年
月
日
学位论文版权使用授权书
本学位论文
作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意
学校保留并向国家有关部门或机
构送交论文的复印件和电子版，
允许论文
被查阅和借阅。本人授
权
大学可以将本学位论文的全部或
部分内容编入有关数据库进行检
索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手
段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年
月
日
导师签名：
日期：
年
月
日
目
录
1
前言
.
..................................................
..............
1
1.1
乙醇—水—苯体系简介
.
.............................
..............
1
1.2
恒沸精馏原理简介
.
..............................................
.
1
1.3
夹带剂的选择要求简述
.
...........................................
2
1.4
化工流程模拟系统简述
.
...........................................
2
1.5 ASPEN
PLUS
流程模拟软件简介
.....................................
2
1.6
本设计中用到的
RadFra
c
—严格法精馏单元模块介绍
.
..................
3
1.7
主要研究内容
.
................................................ ...
4
2
乙醇、水、苯体系连续常压恒沸精馏过程的模拟
...........................
5
2.1
生产任务及工艺参数
.
.............................................
5
2.2
过程模拟
..............................................
..........
5
2.2.1
模拟流程的建立
.
...............................
.............
5
2
.2.2
设置全局信息
..................
.................
.....
......
...
5
2.2.3
定义物流组分
.
................................
..............
6
2.2.4
定义物性方法
............................................ ...
7
2.2.5
定义进料物流参数
........................
..........
..............
7
2.2.6
定义模块参数
............................................ ...
8
2.3
运行模拟
..........................................
.............
11
2.4
结果优化
...............................
........................
12
2.4.1
优化设置
.
..................................
...............
12
2.4.2
优化分析
.
.................................
错误！未定义书签。
2.5
塔内情况模拟结果
........
.......................................
17
3
结果与讨论
...........
...............................................
19
参考文献
............
..................................................
20
谢
辞
...............
................................................
21
附
录
乙醇
-
水
-
苯恒沸精馏过程模拟和优化输出结
果
.....................
22
乙醇—水—苯体系恒沸精馏过程模拟
摘
要：
共沸
精馏是常用的化工分离方法之一，常用于恒沸物或近恒沸物的
分离。本文运用
Aspen Plus
软件，采用
NRTL-RK
活度系数方程作为物
性计算方法，
对以
苯为夹带剂的共沸精馏脱水塔进行了计算机模拟，
得
到了最佳工
艺参数：塔顶采出量为
69
㎏
of the Azeotropic
Distillation of
Ethanol-water-
benzene
System
Abstract
：
Azeotropic distillation
technique is an important way to chemical
separation,
usually for close-boiling
or azeotropic system. In this paper, the
azeotropic rectification
dehydration
tower with benzene as entrainer was simulated by
Aspen plus. To provide
data
for
simulation,
the
activity
coefficients
were
calculated
by
NRTL-RK
equation.
The
optimal
technical
parameters
were
obtained
as
follows:
the
number
of
the
theoretical
plates
was
20,
both
of
the
two
streams
were
fed
at
6th
stage,
the
output
quantity
of
top
tower
was
69
kg
benzene
phasor
was
58
kg;
Azeotropic
distillation;
Optimization;
1
前言
1.1
乙醇—水—苯体系简介
常压下乙醇、水、苯均为液体，乙醇的沸点为
78.3
℃
，水的沸点是
100
℃，
苯的沸
点是
80.2
< br>℃
[1]
。
当乙醇和水混合物中
乙醇质量分数达到
97.75%
，
水的
质量分数达到
4.43%
时乙醇和水的混合物形成乙醇
-
水二元恒沸体系。此二元恒沸体系的沸点为
7
8.15
℃
,
不
能用普通精馏方法将之分离。
此时以苯为夹带剂用恒沸精馏法将乙醇中的水脱除使乙醇
浓度达到生产要求。
1.2
恒沸精馏原理简介
在被分离溶液中加
入第三组分以改变原溶液中各组分间的相对挥发度而实现分离，
如果加入的第三组分能和
原溶液中的一种组分形成最低恒沸物，
以新的恒沸物形式从塔
顶
蒸出，称为恒沸精馏。
如果双组分溶液
A
、
B
的相对挥发度很小，或具有均
相恒沸物，此时可加入某种添
加剂
C
（
又称挟带剂）进行精馏。此挟带剂
C
与原溶液中的一个或两个组
分形成新的恒
沸物（
AC
或
ABC
），该恒沸物与纯组分
B
< br>（或
A
）之间的沸点差较大，从而可较容易地
通过精馏获得纯
B
（或
A
）。
醇、水、苯三种物质常压下的
沸点如表
1-1
。
表１
-1
乙醇－水－苯三元共沸物性质
共沸物
组成（
w%
）
项
目
共沸点（
℃
）
乙醇
乙醇－水－苯
64.85
18.5
水
7.4
苯
74.1
乙醇－苯
苯－水
乙醇－水
68.24
69.25
78.15
32.7
0.0
95.57
0.0
67.63
8.83
4.43
91.17
0.0
1.3
夹带剂的选择要求简述
在选择夹带剂时，
除应考虑以上所述的分离难易与完全程度外，
还要考虑一些工艺
问题和经济效益问题。
?
(1)
夹带剂用量要少。
?
(2)
夹带剂要容易回收。
(3)
应具有好的物理、化学性能。如热稳定性、无腐蚀、无
毒，保证工艺和技术上
的可行性。
?
(4)
价格低廉，容易得到，经济性
好。
1.4
化工流程模拟系统简述
将多个单元过
程组成的化工过程用数学模型表现
,
在计算机上解算其物料及能
量衡
算、
并可进一步计算各单元设备尺寸及成本的模拟称之为过
程模拟
,
经过多年的发展已
成为一种
普遍采用的常规手段
,
广泛应用于化工过程的研究开发、设计、
生产操作的控
制与优化
,
操作工的培训
和老厂技术改造。化工过程模拟系统可分为稳态模拟系统和动
态模拟系统
,
从应用范围又可分为专用和通用化工过程模拟系统。但不管是哪一种系统
都应具有系统模型、
物性数据和解算方法三个核心环节
,
而且所用基本方法也大致相同。
过程模拟技术在科研和生产中的应用主要可以概括为以下几个方面：
(1)
改进装置操作条件
,
降低操作费用
,
提高产品质量；
(2)
指导装置开工<
/p>
,
节省开工费用
,
缩短开工时间；
(3)
在科研开
发中用过程模拟系统进行小试之后中试之前的概念设计；
(4)
在新过程设计中工厂在不同的操作条件下的性能评价；
(5)
在节能上
,
< br>用“夹点技术”对一般化工厂能量回收系统进行分析
,
可
以实现节能
20%
～
30%
；
(6)
分析装置“
瓶颈”
,
为设备检修与设备更换提供依据
[2]
。
1.5 ASPEN
PLUS
流程模拟软件简介
ASPEN
PLUS
是大型通用流程模拟系统，
源起于美国能源部于七十年代后期在麻省
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”（
Advanced System for Process Enginee
ring
）简称
ASPEN
。这一大型
项目由
MIT
主持、能源部资助、
55
个高校和公司参与开发。
这一大型项
目于
1981
年底完成。
1982
年
Aspen
Tech
< br>公司成立将其商品化，
称为
ASPEN
PLUS
。
成为全世界公认的标准大型流程模拟软件，
用户接近几千个。
全世界各大化工、
石化生产厂家及著名工程公司都是
ASPEN
PLUS
的用户。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，
ASPEN
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，
ASPEN
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、
2450
种无机物、
3314
种固体物、
900
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。
ASPEN PLUS
是唯一获准与
DECHEMA
数据库
接口的软件。该数据库收集了世界上
最完备的气液平衡和液液平衡数据，
共计二十五万多套数据。
用户也可以把自己的物性
数据
与
ASPEN PLUS
系统连接。
ASPEN
PLUS
产品线比较长，集成能力很强。它是
ASPEN
工程套件（
AES
）的一个组
份。
AES
是集成的工程产品套件，有几十种产品。以
ASPEN
PLUS
的严格机理模型为基
础，形成了针对不同用途、不同
层次的
AspenTech
家族软件产品，并为这些软件提供一
致的物性支持。
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、<
/p>
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：
（<
/p>
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；
（<
/p>
4
）缩短装置设计时间，允许设计者快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
[3]
。
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，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
< br>本设计中用到的
RadFrac
—严格法精馏单元模块介
绍
RadFrac
是一个严格模型用于
模拟所有类型的多级气
-
液精馏操作，这些操作包
括：
（
1
）一般精馏；
（
2
）吸收；
（<
/p>
3
）再沸吸收；
（
4
）汽提；
（
5
）再沸汽提；
（
6
）萃取和
共沸蒸馏。
RadFrac
适用于：
（
1
）两相蒸馏体系
；
（
2
）三相蒸馏体系
；
（
3
）窄沸程和宽沸程
体系；
（
4
）液相具有非理想性强的体系
。
在塔的任何地方<
/p>
RadFrac
可以检测和处理游离水相或其它第二液相
RadFrac
可在每
级上处理固体；
RadFrac
可以处理离开任何级并返回到同一级或一个不同的级的
中段回
流；
RadFrac
可以模拟发
生化学反应的塔
反应有固定转化率或它们是：
（
1
）平衡
；
（
2
）
流率控制
；
（
< br>3
）电解质
。
RadFrac
< br>也可以模拟带有两个液相和化学反应同时发生的塔，对两个液相使用不同
的反应动
力学。
另外
RadFrac
也可以模拟
盐析出。
尽管
RadFrac
假定为平
衡级你可以规定
Murphree
效
率或蒸发效率可以利用
Murphree
效率满足装置性能；
可以使用
RadFrac
去设
计和核算有塔板和或填料组成的塔
RadFrac
可以模拟乱堆填料和规则填料。
1.7
主要研究内容
本论文在对乙醇、水、
苯混合体系的热力学性质进行分析的基础上，应用化工模拟
软件
ASPEN
PLUS
，以
NRTL-RK
方程作为
物性计算方法，对乙醇、水、苯混合物的分
离过程进行了模拟计算，塔底产品中乙醇、苯
和水的含量达到分离要求，以系统分离效
果最佳为目标，对精馏塔的重要工艺参数：回流
比、夹带剂的进料量、塔板数、夹带剂
的进料位置进行了优化，通过模拟分析确定了理想
的工艺参数。
[4]
2
乙醇、水、苯体系恒沸精馏过程的模拟
2.1
生产任务及工艺参数
乙醇
-
水的混合物的处理量为
800ty
，
F1
、
F2
的进料温度为
25
℃
,
进料压力为
1.15bar
。物料组成如表
2-1
所示。
表
2-1
物流工艺参数
项
目
进料
F1
组成（
%W
）
进料
F2
组成（
%W
）
塔底出料（
%W
）
2.2
过程模拟
乙醇
95.57
18.5
≥
99%
水
4.43
7.4
—
苯
—
74.1
≤
50ppm
2.2.1
模拟流程的建立
在
ASPEN PLUS
软件操作界
创建
RADFRAC
精馏塔模块，
根据
设计要求，
我们绘制两
股进料、塔顶和塔底两股出料，进料物流
分别命名为
F1
和
F2
。其中
F1
是
100
㎏
sections
）
，完成界面如图
2-10
。
图
2-10
默弗里效率设置图
在
efficienciesvapor-liquid
页面规定全塔的默弗里效率为
0.45
，如图
2-11
。
图
2-11
塔效率设置图
2.3
运行模拟
数据输入完成后运行程序，结果状态显示“
Results A
vailable
”
，即结果可用
[8
]
，
如图
2-12
。
图
2-12
结果输出图
运行完成后，可以查看<
/p>
streams
、
blocks
等计算结果
[9]
，冷凝器的温度和热负荷如<
/p>
图
2-13
。
图
2-13
冷凝器结果图
再沸器的温度和热负荷
如图
2-14
。
图
2-14
再沸器结果图
2.4
结果优化
2.4.1
优化设置
在目录树中选
Model Analysis Tools <
/p>
下的
sensitivity
选项对输出
结果进行灵明
度分析
[10]
，设置如
图
2-15
。
图
2-15
乙醇纯度优化设置图
以夹带剂（<
/p>
F2
）的进料量为优化对象，设置其上限为
50
㎏
reactive
distillation
column
using ASPEN PLUS[J ] .Chinese Journal
of Chemical Engineering , 2006 ,14 (3)
[10]
李立硕，韦藤幼，杨海敬，童张法
.
< br>酿酒科技
2005
，
2
谢
辞
这次毕业论文能够得以顺利完成，
是所有指导过我的老师，帮助过我的同学和一
直关心支持着我的家人对我的教诲、帮助和
鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深
的谢意！
感谢张耀霞老师，没有您的悉心指导就没有这篇论文的顺利完成。
感谢大学四年来所有的化工学院老师，是你们传授了我知识，使我掌握了丰富的专
业基础知识，为我毕业论文的顺利完成提供了非常重要的理论基础，也为我以后的工作
注入了活力和动力。
感谢我的父母，没有你们
，就没有我的今天，你们的支持与鼓励，永远是支撑我
前进的最大动力。
感谢身边所有的朋友与同学，谢谢你们四年来的关照与宽容，
与你们一起走
过的缤纷时代，将会是我一生最珍贵的回忆。
二零一一年六月四日
附
录
<
/p>
乙醇
-
水
-
苯恒沸精馏过程模拟和优化输出结果
<<
Run reinitialized 15:23:23 Wed May 18, 2011>>
->Processing input specifications ...
Flowsheet Analysis :
COMPUTATION ORDER FOR THE FLOWSHEET:
B3
->Calculations begin ...
Block: B3 Model: RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
1 1 4 350.67
2 1 4 216.38
3 1 3 201.95
4 1 4 247.11
5 1 4 465.97
6 1 9 1129.0
7 1 5 731.59
8 1 4 143.99
9 1 3 91.075
10 1 4 33.145
11 1 3 20.600
12 1 3 9.7512
13 1 2 2.6098
14 1 3 1.3446
15 1 3 0.56012
->Simulation calculations completed ...
<< Run reinitialized 15:18:23 Wed May
18, 2011>>
->Processing input
specifications ...
Flowsheet Analysis
:
COMPUTATION ORDER FOR THE FLOWSHEET:
S-1 B3
(RETURN
S-1)
->Calculations begin ...
Sensitivity Block S-1 Row 1
begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
1 1 4 264.14
2 1 4 137.25
3 1 3 89.094
4 1 3 58.539
5 1 3 28.292
6 1 4 10.384
7 1 3 4.8941
8 1 3 0.75486
Sensitivity Block S-1 Row 2
begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
1 1 4 7.0776
2 1 4 5.5979
3 1 3 3.4563
4 1 3
2.4253
5 1 3
1.0280
6 1 2
0.61493
Sensitivity Block S-1 Row
3 begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
1 1 4 7.5551
2 1 4 6.1570
3 1 3 4.0151
4 1 3 2.9052
5 1 2 1.2715
6 1 3 0.79166
Sensitivity Block S-1 Row 4
begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
1 1 4 8.0151
2 1 4 6.7427
3 1 3 4.6498
4 1 3 3.4928
5 1 2 1.5781
6 1 2
1.0314
7 1 3
0.49251
Sensitivity Block S-1 Row
5 begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
1 1 4 8.5077
2 1 5 7.3828
3 1 3 5.3901
4 1 3 4.2174
5 1 3 1.9886
6 1 2 1.3652
7 1 3 0.60178
Sensitivity Block S-1 Row 6
begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
1 1 4 9.0502
2 1 5 8.1270
3 1 4 6.3087
4 1 3 5.1501
5 1 3 2.5398
6 1 2
1.8046
7 1 3
0.73043
Sensitivity Block S-1 Row
7 begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
1 1 4 9.6475
2 1 5 8.9772
3 1 4 7.4388
4 1 3 6.4203
5 1 3 3.2281
6 1 3 2.2639
7 1 3 0.91960
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begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
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3.5743
7 1 3
1.3235
8 1 2
0.65291
Sensitivity Block S-1 Row
9 begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
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8 1 2 1.0613
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Sensitivity Block S-1 Row 10
begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
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1.7459
9 1 2
0.35863E-01
Sensitivity Block S-1
Row 11 begins
Block: B3
Model: RADFRAC
Convergence
iterations:
OL ML IL
ErrTol
1 1 4
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1.7836
9 1 3
0.74259E-01
Sensitivity Block S-1
Row 12 begins
Block: B3
Model: RADFRAC
Convergence iterations:
OL
ML IL ErrTol
1 1
4 14.112
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8.0001
9 1 2
0.99868
Sensitivity Block S-1 Row
13 begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
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1.7986
11 1 3
0.40149
Sensitivity Block S-1 Row
14 begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
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1.8933
20 1 3
0.44346
Sensitivity Block S-1 Row
15 begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
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1.0655
20 1 2
0.79841
Sensitivity Block S-1 Row
16 begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
1 1 4 22.002
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3 1 3 62.910
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20 1 3
0.63747
Sensitivity Block S-1 Row
17 begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
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1.4457
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0.45963
Sensitivity Block S-1 Row
18 begins
Block: B3 Model:
RADFRAC
Convergence iterations:
OL ML IL ErrTol
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6 1 3 194.60
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