醋酸乙烯-甲醇萃取精馏过程的计算机模拟优化与控制研究

摘要

目前我国聚乙烯醇(PVA)生产企业在生产过程中会产生大量的醋酸乙烯(VAc)和甲醇(MeOH)的共沸物，而在分离提纯过程中普遍存在产品纯度不高、萃取剂用量大、能耗高、设备投资费用大、过程控制不稳定等技术难题。本文从工艺流程、能量节约、过程控制、经济效益四个方面着手，利用计算机模拟技术对年产10万吨PVA中用水作为萃取剂萃取精馏分离醋酸乙烯-甲醇共沸体系的过程进行模拟计算、经济优化及动态控制，分别采用连续萃取精馏、间歇萃取精馏和隔壁萃取精馏三种工艺流程，通过对比获得最佳工艺流程和最优的工艺参数及控制方案，达到节能增效的目标。
　　通过热力学一致性检验，验证了实验所得醋酸乙烯-甲醇共沸体系汽液相平衡(VLE)数据的可靠性。对Wilson、NRTL、UNIQUAC热力学模型的二元交互作用参数拟合回归，通过对比实验与回归的数据偏差和图像吻合度，得到UNIQUAC模型的效果最好。同时用回归后各个模型的计算数值与实际生产数据进行对比，验证了UNIQUAC模型可以准确的用于醋酸乙烯-甲醇-水体系的萃取精馏模拟研究。
　　对原有双塔连续萃取精馏进行模拟优化，通过灵敏度分析及经济优化，得到萃取精馏塔49块塔板（理论板），萃取剂进料流量17800 kg/h，温度76℃，塔顶采出量18477 kg/h，萃取剂进料位置第2块塔板，物料进料位置第18块塔板，回流比0.27;溶剂回收塔32块塔板，塔顶采出量12626 kg/h，物料进料位置第22块，回流比1.08;醋酸乙烯产品纯度从90％提高到93.5％，甲醇产品纯度从95％提高到99.9％;连续萃取精馏工艺的“全年总费用”(TAC)为2370万元/a。
　　对于设备投资费用大和过程控制不稳定，采用恒定回流比的间歇萃取精馏工艺，得到间歇萃取精馏塔16块塔板，萃取剂进料流量24673 kg/h，温度100℃，萃取剂进料位置第5块塔板，回流比10，间歇萃取精馏操作时间1.75 h;间歇萃取精馏工艺的TAC为8363万元/a。
　　对于能耗高，采取热耦合精馏原理的隔壁萃取精馏工艺，得到隔壁萃取精馏塔主塔51块塔板，萃取剂进料流量17800 kg/h，温度75℃，塔顶采出量18477 kg/h，萃取剂进料位置第2块塔板，物料进料位置第18块塔板，侧线汽相采出位置第43块塔板，侧线汽相采出量16325 kg/h，回流比0.22;侧线精馏塔30块塔板，塔顶采出量12874 kg/h，回流比1.0;隔壁萃取精馏工艺的TAC为2037万元/a。
　　从经济角度分析，隔壁萃取精馏过程比连续萃取精馏过程固定成本投资节省约9.99％，能耗成本投资节省约14.19％，TAC减少了14.06％，隔壁萃取精馏工艺具有很大的经济优势。从动态控制角度分析，对于连续萃取精馏过程双温度控制结构更加有效，对于隔壁萃取精馏过程R/F恒定的控制结构更有效，二者对于进料流量扰动和进料组成扰动都能产生较好的控制效果。综合比较，隔壁萃取精馏过程更加适合该体系的分离。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 课题背景

1．2 共沸物的分离

1．2．1 连续萃取精馏过程

1．2．2 间歇萃取精馏过程

1．3 物性方法及模型

1．3．1 热力学方法

1．3．2 物性方法的选择

1．4 精馏过程控制

1．4．1 精馏塔的控制目标

1．4．2 精馏塔质量指标的选取

1．4．3 精馏塔的干扰因素

1．4．4 精馏塔控制方案设计

1．5 隔壁精馏塔与精馏节能

1．5．1 精馏过程节能

1．5．2 隔壁精馏塔原理

1．5．3 隔壁精馏塔特性

1．5．4 隔壁精馏塔研究现状

1．6 化工过程稳态与动态模拟

1．6．1 化工流程模拟简介

1．6．2 Aspen Plus软件简介

1．6．3 Aspen Dynamics软件简介

1．7 课题研究的内容和意义

第二章 热力学方法的选择

2．1 溶剂萃取及共沸效应

2．1．1 萃取剂选择

2．1．2 剩余曲线分析

2．2 热力学一致性检验

2．2．1 热力学一致性检验原理

2．2．2 醋酸乙烯-甲醇体系的检验

2．3 参数回归及模型选择

2．3．1 醋酸乙烯-甲醇体系物性方法选择

2．3．2 醋酸乙烯-甲醇-水体系物性方法选择

2．4 小结

第三章 连续萃取精馏过程模拟

3．1 连续萃取精馏过程分析

3．2 连续萃取精馏过程模拟

3．2．1 连续萃取精馏过程设计

3．2．2 连续萃取精馏过程模拟参数汇总

3．3 连续萃取精馏过程全局经济优化

3．3．1 优化参数

3．3．2 优化方法

3．3．3 优化结果

3．4 连续萃取精馏过程稳态操作特性

3．4．1 温度分布图

3．4．2 液相组分分布图

3．5 小结

3．6 模拟数据汇总

第四章 间歇萃取精馏过程模拟

4．1 间歇萃取精馏过程分析

4．1．1 间歇萃取精馏过程塔顶物料随时间变化

4．1．2 间歇萃取精馏过程塔釜物料随时间变化

4．1．3 间歇萃取精馏过程产品接收罐物料随时间变化

4．1．4 间歇萃取精馏过程模拟结果汇总

4．2 间歇萃取精馏过程灵敏度分析

4．2．1 塔板数N对产量和操作时间的影响

4．2．2 回流比R对产量和操作时间的影响

4．2．3 萃取剂进料位置对产量、纯度和操作时间的影响

4．2．4 萃取剂流量对产量、纯度和操作时间的影响

4．2．5 萃取剂温度对产量和操作时间的影响

4．2．6 灵敏度分析优化结果汇总

4．3 优化参数后间歇萃取精馏过程模拟结果

4．3．1 优化后间歇萃取精馏过程塔顶物料随时间变化

4．3．2 优化后间歇萃取精馏过程塔釜物料随时间变化

4．3．3 优化后间歇萃取精馏过程模拟结果汇总

4．4 小结

4．5 模拟数据汇总

第五章 隔壁萃取精馏过程模拟

5．1 隔壁萃取精馏过程分析

5．2 隔壁萃取精馏过程模拟

5．2．1 隔壁萃取精馏过程设计

5．2．2 隔壁萃取精馏过程模拟参数汇总

5．3 隔壁萃取精馏过程全局经济优化

5．3．1 优化方法

5．3．2 优化结果

5．4 隔壁萃取精馏与连续萃取精馏过程比较

5．4．1 隔壁萃取精馏过程的性能评价

5．4．2 隔壁萃取精馏与连续萃取精馏过程剖面分析

5．5 小结

5．6 模拟数据汇总

第六章 醋酸乙烯-甲醇-水体系动态过程模拟

6．1 动态模拟过程的实现

6．1．1 主要设备尺寸的计算

6．1．2 辅助设备尺寸的计算

6．1．3 精馏塔控制方案思路

6．1．4 控制结构的分析及选择

6．2 连续萃取精馏过程的控制策略与分析

6．2．1 控制器的选择和设置

6．2．2 回流比恒定的控制结构

6．2．3 双温度控制结构

6．3 隔壁萃取精馏过程的控制策略与分析

6．3．1 回流比恒定的控制结构

6．3．2 R／F恒定的控制结构

6．4 小结

6．5 模拟数据汇总

第七章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介