基于Aspen酯交换法异丙醇生产工艺过程模拟与节能分析

基于NRTL-RK热力学方法,采用甲醇钠固体催化剂,使用Aspen Plus对酯交换法异丙醇生产工艺进行模拟及节能优化设计。以年产五万吨异丙醇项目为基础,综合考虑反应平衡、后续分离难度以及原料成本等因素,使用反应精馏塔作为异丙醇合成反应器,塔釜出料为99.99 wt%异丙醇。基于反应精馏塔塔顶流出物的热力学特点设计变压精馏系统,实现回收副产品醋酸甲酯与原料甲醇的目标。使用热泵精馏技术与双效精馏技术分别对反应精馏系统与变压精馏系统进行节能改造,装置分别节能为60.2%与43.9%,对换热网络能量进一步集成,最终能耗下降59.2%。

热泵技术在二氯甲烷和甲醇分离中的应用研究

针对传统变压精馏技术(PSD)在分离二氯甲烷(DCM)-甲醇(MeOH)混合物时的高能耗问题,提出了一种基于热泵辅助的变压精馏(PPSD)优化工艺,并深入探讨了热泵配置的技术可行性和经济效益。通过组合曲线和经济性分析,对比了热泵方案的节能和经济效果。结果显示,与传统PSD工艺相比,热泵辅助的PPSD工艺能够降低29.96%的能耗,减少40.45%的年度总成本(TAC),同时能降低44.23%的CO_(2)排放量,充分展现了热泵辅助变压精馏工艺的优越性。

完全热集成变压精馏分离异丙醇-二异丙醚共沸物的优化设计与控制

高纯度异丙醇被广泛用作电子清洁剂与溶剂。异丙醇生产中,异丙醇与副产物二异丙醚形成共沸物,普通精馏无法有效分离,可采用完全热集成变压精馏工艺进行分离。利用Aspen Plus流程模拟软件,首先以高压塔再沸器热负荷最低为目标,对工艺进行局部优化;然后以年度总费用(TAC)最低为目标,采用序贯迭代法,对工艺进行全局优化。结果表明,优化设计极大地节约了能量,年度总费用降至416567 USD/a、高压塔塔板数减少为21块、设备费用降至536094 USD、完全热集成负荷达到751.71 kW。利用Aspen Plus Dynamics软件,采用压力补偿控温策略与组成-温度串级控制,建立了动态控制结构,在进料流量与进料组成发生±20%扰动时,仍表现出较好控制效果。

热集成变压分离碳酸二甲酯-甲醇过程模拟

针对常规变压分离碳酸二甲酯和甲醇工艺能耗较高的问题,文中提出了分离该体系的热集成变压精馏新工艺。采用Aspen Plus软件及Wilson物性方法,以年度总费用最小为目标对两塔的塔板数、进料位置、回流比等参数进行了优化,结果为总塔板数常压塔24块,加压塔11块;进料位置为常压塔第6块,加压塔第7块;回流比常压塔为1.5,加压塔为1.2。加压塔塔顶和常压塔塔底的温差为74℃,满足完全热集成的条件。完全热集成变压分离该工艺总能耗成本为0.114×10^(6)美元/a,年度总费用为0.185 8×10^(6)美元/a,相比于常规变压精馏工艺,完全热集成工艺可节省能耗约46%,年度总费用节省约39.2%。模拟结果表明:碳酸二甲酯和甲醇产品纯度(质量分数)可达到99.5%,满足分离要求。完全热集成变压精馏工艺可以经济、有效地分离该共沸物。

特殊精馏分离甲乙酮-水共沸物系的工艺模拟与优化

由于共沸物的存在,甲乙酮-水混合物的分离在工业生产上一直是一个具有挑战性的问题。采用萃取精馏和变压精馏对分离工艺进行流程模拟与优化,得到摩尔分数为99.9%的甲乙酮产品,以年度总费用(TAC)最小为目标函数,采用序贯迭代法对其进行优化,得到最小TAC为6.569×10^(5)美元。通过分析比较3种常用萃取剂无限稀释相对挥发度的大小,筛选出乙二醇作为萃取剂,得到最佳萃取剂用量、理论板数及进料位置;针对常规变压精馏工艺提出热集成方案,与采用方案前相比,年度总费用降低了27.1%。最后,对萃取精馏、变压精馏和热集成变压精馏3种分离工艺年度总费用进行对比,萃取精馏工艺比热集成变压精馏工艺年度总费用降低了21.5%。结果表明,在经济性方面,萃取精馏相比于热集成变压精馏更适合甲乙酮-水共沸物系的分离。

高浓度甲缩醛生产过程换热网络优化

变压精馏工艺虽然是生产高浓度甲缩醛的主要方法,但该工艺存在能耗高的缺点。本文基于变压精馏分离甲缩醛和甲醇共沸物的工艺方法,利用Aspen plus软件对10万t/a高浓度甲缩醛生产过程进行模拟,基于模拟数据和Aspen Energy analyzer软件对该过程换热网络进行分析和优化。结果表明:在最小传热温差为10℃时,常规变压精馏工艺夹点温度为84.03℃(热物流)和74.03℃(冷物流),充分利用甲缩醛加压精馏塔塔顶物流潜热及塔底物流显热的换热网络节能效果显著,优化后的换热网络可节省热公用工程3.732 MW、冷公用工程3.701 MW,热节能率为33.68%。

通过严格模拟对二氧化碳利用的评估:将二氧化碳转化为碳酸二甲酯

通过AspenPlus流程模拟软件,采用UNIQUAC-RK热力学模型和酯交换动力学模型,对二氧化碳和甲醇生成碳酸二甲酯工艺生产流程进行模拟计算并对流程进行优化和分析,得到工艺优化的最佳操作条件。并在此基础上,以最小年度化总费用(TAC)为目标,运用变压精馏和萃取精馏两种不同的分离工艺分离甲醇和碳酸二甲酯,对实际生产提供了理论依据。结果表明,萃取精馏工艺要更优于原有的变压精馏。最后为降低能耗,又对流程进行了热集成,发现相比较原工艺,热公用工程减耗50.68%,冷公用工程减耗61.67%。

热泵变压精馏分离乙二胺水溶液的模拟

基于乙二胺和水物系共沸组成随压力变化显著的特点,采用变压精馏工艺分离乙二胺和水物系;为了降低变压精馏工艺的能耗,提出了热泵变压精馏新工艺。使用Chem CAD软件,对变压精馏工艺和热泵变压精馏工艺进行了模拟。结果表明:采用变压精馏工艺和热泵变压精馏工艺都能实现乙二胺和水共沸物的高纯度分离,每个产品的纯度(质量分数)都可以达到99%;与变压精馏工艺相比,采用热泵变压精馏工艺,加热公用工程可节能62.24%;冷却公用工程可以节能49.51%。

热集成变压精馏分离乙醇-甲苯体系的过程模拟和优化

由于乙醇-甲苯体系为压力敏感体系,本文提出了热集成变压精馏分离乙醇-甲苯共沸体系的工艺方法,并通过实验数据验证了NRTL模型对模拟分离该体系的适用性。利用Aspen模拟软件,以NRTL方程为物性计算模拟,以乙醇和甲苯的纯度为约束变量,分离过程能耗最低为目标函数,采用优化分析,得到了模拟的优化参数,并通过模拟计算,制取了纯度不低于99.9%的甲苯和乙醇产品,收率达到99.9%以上。用高压塔的塔顶气相潜热作为常压塔再沸器热源的热集成变压精馏,与两塔均采用外界蒸汽供热的传统变压精馏方式相比,节能高达49%。

乙酸异丙酯-异丙醇物系的热集成变压精馏分离模拟

采用Aspen软件及修正的Wilson模型模拟了压力对乙酸异丙酯-异丙醇物系共沸组成的影响,提出该物系基于热集成的变压精馏工艺。在此基础上,研究了系统能耗随变压精馏工艺两塔压力组合的变化趋势,优化了理论塔板数、进料位置、回流比等操作参数。模拟结果表明,高压塔操作压力为0.60 MPa、减压塔操作压力为0.02 MPa时,热集成系统能耗利用最合理。该压力条件下变压精馏工艺的最优理论塔板数为高压塔26块、减压塔38块;最优进料位置为高压塔第15块理论塔板、减压塔第10块理论塔板;基于热集成工艺的最优回流比为高压塔1.0,减压塔2.0。热集成变压精馏工艺可节能28.5%。

热集成变压精馏分离吡啶-水的工艺模拟与优化

基于吡啶-水体系的共沸组成对压力变化敏感,提出了热集成变压精馏的新工艺。新工艺采用冷凝器-再沸器式热集成,利用高压塔塔顶蒸汽加热低压塔再沸器,以节省能耗和操作费用。选择NRTL活度方程为物性计算模型,使用Aspen Plus软件对该工艺流程进行严格稳态模拟。为了获得经济最优的工艺条件,提出了局部经济优化和全局经济优化相结合的优化方案,并建立了优化迭代流程。优化结果显示:当低压塔和高压塔的操作压力分别为16 kPa和1 200 kPa,总理论板数分别为12和14,新鲜原料和循环物流分别从低压塔第9块板和从第6块板进料,高压塔的物流进料位置为第8块板,高压塔质量回流比为0.59时,年度总费用(TAC)最小。与常规的变压精馏工艺相比,热集成变压精馏工艺更加节能经济,可以节约能耗43.52%,节省年度总费用40.70%。

变压精馏分离乙醇-氯仿共沸物的动态特性

基于乙醇-氯仿二元共沸体系的压力敏感特性,利用Aspen Plus软件,以年度总费用(TAC)最小为目标函数,模拟和优化了变压精馏稳态工艺,所得乙醇和氯仿产品纯度均大于99.9%(质量分数)。利用稳态模拟考察了不同热集成变压精馏工艺的经济性。利用Aspen Dynamics软件考察了不同热集成变压精馏工艺的动态特性,建立了不同热集成变压精馏工艺的稳健控制方案。结果表明:完全热集成工艺与无热集成和部分热集成工艺相比,经济性最优;组成-温度串级控制结构可较好地控制无热集成和部分热集成流程,压力-补偿温度控制结构在完全热集成工艺中可实现稳健的控制;虽然完全热集成工艺经济性最优,但部分热集成工艺的可控性优于完全热集成工艺。本文研究对工业分离含低碳醇的二元共沸物热集成变压精馏工艺有一定的参考价值。

热集成变压精馏分离甲苯-异丙醇的模拟

甲苯-异丙醇混合物的共沸组成对压力较为敏感,为此提出了热集成变压精馏工艺分离该共沸物。利用ASPENPLUS化工模拟软件,以修正的WILSON活度系数方程作为物性计算模型,以甲苯和异丙醇的纯度作为约束变量,以分离过程能耗最低为目标函数,对主要工艺参数进行了模拟优化,得到了热集成变压精馏分离甲苯-异丙醇体系的最佳工艺操作参数及设备参数。模拟结果表明,采用带热集成的变压精馏工艺,即用常压塔的塔顶潜热作为负压塔的塔釜热源,用常压塔的塔底显热对原料预热器供热,与两塔均采用外界蒸汽供热的传统变压精馏方式相比,可以节约能耗约30.7%。研究结果为甲苯-异丙醇混合物和类似的共沸体系的分离提供了一条新的节能技术路线。

热集成变压精馏分离吡啶-水的控制研究

对于吡啶-水的分离,与传统的变压精馏工艺相比,热集成变压精馏工艺更加节能经济,进料流量为3 000 kg/h时,可以节约能耗43.52%,节省年度总费用40.70%。为了将该工艺应用在实际生产中,必须解决其控制的问题。在最优设计基础上,提出2种基于PI控制器的控制结构,并采用动态模拟软件Aspen Dynamics检验了存在进料流量和进料组成干扰情况下控制结构的有效性。模拟结果表明:扰动存在时,由于基本控制结构CS1中二塔均存在压力效应,并且控温板温度稳定在设定值,导致水和吡啶产品质量存在较大稳态余差。进而,在CS1基础上引入温差控制策略和压力补偿温度控制策略,提出一种改进的控制结构CS2。模拟结果显示,针对相同的进料流量和进料组成扰动,控制结构CS2的动态控制性能显著提高,产品质量的稳态余差均较小。

完全热集成变压精馏分离甲酸和水的模拟

利用Aspen Plus模拟软件对完全热集成变压精馏分离甲酸和水的过程进行了模拟,选用NRTL-HOC物性计算模型,模型的二元交互作用参数通过实验数据进行回归。在完全热集成下,分析了理论板数、回流比及进料位置对产品质量分数和塔釜能耗的影响。确定了较佳工艺条件:减压塔理论板数为34,回流比为7,原料和循环物料进料位置分别为第6和第14块塔板,塔顶甲酸质量分数为0.991;常压塔理论板数为32,回流比为8.6,进料位置为第17块塔板,塔顶水质量分数为0.994。与传统变压精馏比较,完全热集成变压精馏降低加热蒸汽能耗48.6%,冷凝水能耗48.9%,且无需附加再沸器或冷凝器。通过间歇变压精馏实验,验证了工艺的可行性。

萃取精馏分离苯/环己烷共沸体系模拟与优化

以糠醛作为萃取剂分别使用常规萃取精馏、隔壁塔萃取精馏和差压热集成萃取精馏对苯和环己烷体系进行分离研究,使用流程模拟软件Aspen Plus V8.4进行模拟分析,对初步设计的三稳态流程,分别进行灵敏度分析,使用多目标遗传算法对过程进行整体优化以获得最优结构参数。结果表明,隔壁塔萃取精馏和差压热集成萃取精馏相对于常规萃取精馏所需再沸器热负荷可分别减小21.5%和15.7%。对三工艺流程进行经济性分析,发现与常规流程相比,隔壁塔萃取精馏的年总费用下降了6.0%,而差压热集成萃取精馏年总费用增加了50.8%,为萃取精馏分离苯/环己烷共沸体系工业化设计提供了理论依据和设计参考。

常规变压精馏和变压热集成精馏分离乙腈和水的模拟

利用Aspen Plus软件对乙腈和水的分离分别采用常规变压精馏工艺和变压热集成精馏工艺进行模拟,选用UNIQUE物性方法进行计算,以能耗最低为目标函数,满足乙腈和水的质量分数都不低于99%,对常规变压精馏和变压热集成精馏进行了分析,从而确定最佳工艺。对于常规变压精馏工艺,高压塔理论板数为14,进料板位置9,回流比1. 1;常压塔理论板数为12,进料板位置8,回流比1. 6。对于变压热集成精馏工艺,高压塔进料板位置为7,回流比为1. 17;常压塔进料板位置为8,回流比为1. 6。与常规变压精馏相比,变压热集成精馏再沸器能耗降低49. 75%,冷凝器能耗降低51. 53%,且无需增加再沸器和冷凝器。

热集成变压精馏分离异丙醇-异丙醚混合物的动态控制

在稳态模拟的基础上,对热集成变压精馏流程的动态控制性能进行了研究与分析。根据流程特点建立了合理的控制方案,用Aspen Dynamics软件对控制方案行了模拟。模拟结果表明,通过3个温度控制回路(用高压塔回流股物料中换热器的热负荷控制回流股的温度;用高压塔再沸器热负荷控制低压塔第16块板的温度;采用压力补偿温度控制结构,用高压塔塔顶回流比控制高压塔第24块板温度)可较好地控制热集成变压精馏流程,该控制结构动态可控性强,各指标均能在干扰施加后较短时间内达到稳定,对各项干扰的稳定性能良好。

萃取精馏分离苯/环己烷共沸体系的控制策略

将常规萃取精馏、差压热耦合萃取精馏以及隔壁塔萃取精馏技术应用于以糠醛为萃取剂的苯和环己烷共沸物分离过程。在稳态模型的基础上,利用Aspen Dynamics软件进行控制研究,对三工艺流程提出了若干控制策略。结果表明,对于常规萃取精馏过程,再沸器热负荷与进料量比值控制结构在降低控制过程超调量方面表现出明显优势;对于差压热耦合萃取精馏过程,带有压力-补偿控温策略的方案控制效果更佳;而对于隔壁塔,则选择了无隔板下方气液分离比控制的结构来作为较优的控制策略。

完全热集成变压精馏分离乙酸乙酯和甲醇的模拟

采用Aspen Plus软件及NRTL模型对乙酸乙酯-甲醇物系进行了完全热集成变压精馏模拟操作。以乙酸乙酯和甲醇的质量分数为约束函数,以塔釜的热负荷为目标,对两塔的理论板数、进料位置以及回流比进行了优化。基于完全热集成工艺的优化结果为高压T1塔理论板数16块,原料进料位置为第8块板,循环物料进料位置第4块板,回流比为4;常压T2塔理论板数28块,进料位置为第11块板,回流比为5.7。T1高压塔塔底得到的乙酸乙酯和T2常压塔塔底甲醇质量分数都能达到99.5%的分离要求,与传统的变压精馏相比完全热集成变压精馏能耗降低49%。通过实验室的间歇变压精馏小试实验验证,可以分离得到高纯度的乙酸乙酯和甲醇,对实际工艺操作和设备改造有一定的指导意义。