原甲酸三甲酯-醋酸萃取精馏全局多目标优化

在生产杀菌剂嘧菌酯中间体过程中,反应物原甲酸三甲酯（TMOF）与生成物醋酸（HAc）发生共沸,导致反应物堆积和原料损耗。为解决共沸物分离问题,使用Hayden-O'Connell修正的UNIFAC基团贡献法研究其汽液平衡,设计常规萃取精馏（CED）、侧线萃取精馏（SED）、隔壁塔萃取精馏（EDWC）三种工艺,以分离组分摩尔纯度、再沸器热负荷（Q）、年度总费用（TAC）为目标,运用灵敏度耦合箱线图响应面法（S-BBD）对三种工艺参数分别优化。结果表明,优化方法预测值与实际值存在较优拟合关系, CED、SED、EDWC对TAC和Q的预测误差均不超过1%。分离纯度相同时,SED较CED节约10.37%TAC和6.88%热负荷,EDWC较CED节约10.65%TAC和10.53%热负荷,三种工艺方案均可为化工实际生产提供理论基础。     

热耦合精馏醇醚共沸混合物的设计与优化

为了获得节能经济的分离仲丁醇(SBOH)-仲丁氧基甲氧基甲烷(SMMB)-二仲丁氧基甲烷(DSBM)共沸物系的精馏工艺,文中基于热耦合精馏原理及萃取精馏原理构建了6种分离序列,以TAC(年总成本费用)最小为优化目标,采用序贯迭代优化方法考察理论塔板数、回流比、进料位置、侧线采出位置等设计参数对节能、投资的影响。研究结果表明:分隔壁侧线精馏塔(DWC-SR)与萃取隔壁精馏塔(EDWC)组合分离序列,节能与降低成本效果显著。与其他5种分离序列比,再沸器热负荷分别减少3.34%,26.44%,0.34%,3.66%,26.63%,TAC分别节约2.19%,23.77%,1.67%,3.78%,24.74%。     

DMC-甲醇-水三元混合物的萃取精馏分离工艺

运用Aspen Plus软件回归文献数据校正了碳酸二甲酯（DMC）-水（H₂O）混合物的UNIQUAC热力学模型参数,并以该模型为基础分析了水作为萃取剂萃取精馏分离DMC-甲醇（CH₃OH）-水三元混合物的分离原理,结合混合组分的三角相图和物料组成设计了反向萃取精馏工艺,发现选用水为萃取剂可以利用DMC-水的部分互溶特性,通过三塔精馏即可分离DMC-甲醇-水三元混合物,沸点较高的DMC和少量水由塔顶馏出,而沸点较低的甲醇和大部分水由塔底采出,避免了DMC-甲醇二元共沸物的形成。同时,在相同分离要求下设计了变压精馏工艺,通过对两个精馏工艺参数模拟优化,发现萃取精馏工艺的总冷凝负荷和总加热负荷分别为888.7kW和898.2kW,其总能耗较变压精馏工艺节约了47.2%,萃取精馏工艺的年总费用（TAC）比变压精馏工艺下降了48.8%。     

热集成变压精馏分离乙二胺-水共沸体系的模拟优化

针对乙二胺-水共沸物组成对压力较为敏感的特性,采用部分热集成变压精馏工艺分离该共沸物。先利用Aspen Plus软件对该工艺进行稳态模拟,再以理论塔板数、进料位置、回流比为优化变量,水和乙二胺的纯度为约束,以年度总费用（total annual cost,TAC）为目标函数建立乙二胺-水共沸体系分离系统的优化设计模型。采用列队竞争算法对该分离过程主要工艺参数进行优化,得到了变压精馏分离乙二胺-水体系的最佳工艺操作参数及设备参数。模拟结果表明,利用算法对多变量进行同时优化可得到更具经济效益的分离系统,与传统优化结果相比,可降低TAC约7.31%。在此基础上,对高压塔的操作压力进行优化分析,将其由2atm提升至4atm（1atm=101325Pa）,并对流程其他参数进行优化,可显著降低TAC约24.62%。进一步,采用部分热集成比普通变压双塔精馏降低TAC约21.87%     

四氢呋喃-甲醇-乙酸甲酯-水热集成双溶剂萃取精馏工艺

针对四氢呋喃-甲醇-乙酸甲酯-水四元物系中存在多个二元共沸物的特点,本工作提出了常规双溶剂萃取和热集成双溶剂萃取两种精馏工艺。基于WILSON方程计算得到热力学数据,并对萃取剂进行了筛选。结果表明,对于四氢呋喃-甲醇和乙酸甲酯-甲醇共沸物系,选用水作为萃取剂最为合适;而对于四氢呋喃-水和乙酸甲酯-水共沸物系,则选用乙二醇作为萃取剂最为合适,且总溶剂比为0.65,乙二醇和水的比例为1.3。在此基础上,以能耗和年总费用(TAC)作为精馏工艺的评价指标,对提出的常规双溶剂萃取和热集成双溶剂萃取精馏工艺进行了模拟,并利用夹点分析技术对双溶剂萃取精馏系统的换热网络进行了优化。研究结果表明,优化后的换热网络其冷公用工程消耗降低44.12%,热公用工程消耗节约42.49%。与常规双溶剂萃取精馏工艺相比,热集成双溶剂萃取精馏工艺其能耗降低约43.29%,节省TAC约26.89%,热力学效率提高了3.25%。可见,热集成双溶剂萃取精馏工艺用于分离以上四元共沸物系,具有较好的技术经济优势。     

甲醇和三甲氧基硅烷共沸物分离过程模拟和优化

三甲氧基硅烷（trimethoxysilane）是合成功能性有机硅化合物的重要中间体。在以甲醇和硅为原料合成三甲氧基硅烷的工业化生产过程中,过量的甲醇和产物三甲氧基硅烷会形成最高共沸物。本文探究了变压精馏、萃取精馏和隔壁塔萃取精馏三种分离提纯甲醇和三甲氧基硅烷的工艺,以最小年度总费用（TAC）为目标函数,运用混合整数非线性规划（MINLP）对三种流程进行了优化,比较了三种流程的效率和二氧化碳排放量。结果表明,与变压精馏相比,通过隔壁塔萃取精馏分离甲醇与三甲氧基硅烷共沸物具有明显的优势。分离100kmol/h甲醇（摩尔分数50.00%）和三甲氧基硅烷的TAC从198.84万美元/年降低到98.93万美元/年,降幅高达50.25%,效率从8.17%提高到13.82%,二氧化碳排放量从1217.53kg/h减少到684.22kg/h,减少了43.80%。     

离子液体萃取剂萃取精馏分离丙酸甲酯+甲醇共沸物

以离子液体(ILs)[BMIM][NTF₂]和[HMIM][NTF₂]为萃取剂，萃取精馏分离丙酸甲酯+甲醇共沸物，通过分子模拟分析了ILs促进目标共沸物的分离机理；基于汽液平衡实验数据，获得新的NRTL热力学模型参数；选用常规的二组分双塔分离流程，实现了目标共沸体系的分离。作为对比，同时构建了以苯酚为萃取剂的萃取精馏和变压精馏流程。基于Aspen Plus软件平台，分析了上述各流程分离单元主要操作参数对分离过程性能的影响，考察并对比了各流程能耗、年总成本(TAC)和碳排放。结果表明：离子液体工艺可实现丙酸甲酯+甲醇共沸物的有效分离，产品纯度达到99.9%(质量分数)，[HMIM][NTF₂]工艺与[BMIM][NTF₂]、苯酚及变压精馏工艺相比，TAC降低11.68%～43.68%、CO₂排放减少32.11%～68.46%。结果可为共沸物丙酸甲酯+甲醇分离新工艺设计及优化提供理论支撑和实际指导。     

变压精馏分离乙酸甲酯和甲醇共沸物

乙酸甲酯和甲醇共沸物对压力变化敏感,因此采用变压精馏工艺对共沸物进行高效分离。低压塔和高压塔压力分别设置为101.325 kPa和810.600 kPa。基于相图分析,确定了精馏序列和工艺流程。以年度总费用(TAC)最小为原则,优化了进料位置、回流比、塔板数等设计变量,确定了最佳工艺参数。工艺优化完成后,通过调节双塔的回流比,对高压塔的冷凝器和低压塔的再沸器进行了完全热集成。由结果可知:在低压塔回流比为0.9,高压塔回流比为2.07时,完全热集成变压精馏工艺的TAC最小。相比无热集成的变压精馏工艺,完全热集成工艺的设备投资和能耗费用均明显降低,最终TAC费用节约31.40%,在经济上更合理,也为类似的共沸物分离工艺提供了一定的技术参考。     

制取无水叔丁醇的精馏工艺优化和对比

无水叔丁醇是一种重要的化工原料,然而在工业生产过程中会与水形成最低共沸物,难以通过简单精馏的方式获得。基于此,本文提出双塔萃取精馏、隔壁塔萃取精馏和反应精馏三种精馏工艺来制取高纯度叔丁醇。在双塔和隔壁塔萃取精馏的优化中,利用Aspen Plus软件模拟该分离过程,以年度总费用（TAC）为目标进行过程优化,得到最佳操作参数。在反应精馏塔中,采用环氧乙烷多股进料的方式,环氧乙烷可与水反应并打破叔丁醇/水的共沸平衡最终制得无水叔丁醇。鉴于反应精馏塔的复杂性,对于反应精馏塔的操作参数进行详细的灵敏度分析以确定反应精馏塔在叔丁醇除水的可行性和潜力。模拟结果表明,与双塔萃取精馏相比,隔壁塔萃取精馏虽然能降低能耗但是也会增加6.51%的TAC,因此隔壁塔萃取精馏并不具有经济性;而反应精馏塔则能降低47.69%的能耗和35.36%的TAC,显现出巨大的应用潜力。     

甲醇-碳酸二甲酯二元共沸物的分离

分别用共沸精馏法和萃取精馏法对甲醇一碳酸二甲酯（DMC）二元共沸体系进行了分离，通过正交实验分别得到了最佳分离工艺条件。实验结果表明，共沸精馏法的最佳分离工艺条件：共沸剂正己烷用量为总质量（共沸剂＋甲醇）的76％，回流比控制在3：1，馏出速率为6mL／min；萃取精馏法的分离最佳工艺条件：以糠醛为萃取剂，回流比控制在3：1，萃取剂滴加速率为3mL／min，萃取剂配比为4：1。并分别从装置和纯度方面对两种方法进行比较，结果表明萃取精馏法占优。     

Effect of thermodynamic parameters on prediction of phase behavior and process design of extractive distillation

Extractive distillation was investigated for separation of the minimum azeotrope of n-propanol/water,via the Aspen Plus simulation platform.Experimental data of n-propanol/water,which could pass the thermodynamic consistency test,were regressed to get suitable binary interaction parameters (BIPs) by the UNIQUAC thermodynamic model.The azeotrope system was heterogeneous in the simulation with built-in BIPs,which was contrary to the experimental data.The study focused on the effect of thermodynamic parameters on the prediction of phase behavior,and process design of extractive distillation.N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and ethylene glycol were used as solvents to implement the separation.Processes with built-in and regressed BIPs were explored,based on the minimum total annual cost (TAC).There were significant differences in the phase behavior simulation using different thermodynamic parameters,which showed the importance of BIPs in the design and optimization of extractive distillation.     

NMP萃取精馏分离醋酸和水的过程模拟

利用化工模拟软件Aspen Plus采用萃取精馏法,以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为萃取剂,对生产中醋酸和水分离进行了模拟计算,并与普通精馏法进行比较。结果表明,NMP是一种良好的萃取剂,能够很好的实现醋酸和水的分离;与普通精馏法相比,同样分离指标下萃取精馏法的能耗降低了69.8%,每吨醋酸蒸汽消耗量由10.5 t降低至3.2 t,表明萃取精馏分离醋酸和水,节能显著,优于普通精馏,为醋酸和水分离的优化操作和设计提供依据。     

变压精馏分离甲醇-丙酮的工艺模拟及优化

采用Aspen Plus软件,以塔釜能耗为目标,以甲醇、丙酮纯度为约束函数,对双效变压精馏分离甲醇-丙酮工艺过程进行模拟。分析了操作压力、理论板数、回流比、进料位置和进料温度等参数对精馏过程的影响。确定了最优工艺参数：减压塔操作压力40 kPa,理论板数37,回流比2.4,进料塔板数26,进料温度25 ℃;常压塔理论板数30,回流比4.2,进料塔板数23。减压塔所得甲醇质量分数为99.0%,常压塔所得丙酮质量分数为99.7%。对比变压精馏和萃取精馏过程,变压精馏更容易得到高纯度丙酮产品,节能约13.4%。模拟结果对工业设计和设备改造具有一定指导意义。     

Optimization and control of a reactive and extractive distillation process for the synthesis of isopropyl acetate

A conventional reactive distillation column will not be able to produce high purity isopropyl acetate (IPAc) due to the existence of a minimum boiling azeotrope in the system. In this work, a novel reactive and extractive distillation (RED) process was proposed and used for the synthesis of IPAc. Results showed that the purity of IPAc reached 99.5%. Then, the RED flowsheet was optimized with minimum total annual cost (TAC), and a number of key variables were determined with the assistance of program written in Visual Basic 6.0 (VB). After that, two control structures of the RED process were developed: a basic control structure with temperature/proportional cascade control and an improved control structure with composition/temperature cascade control. The integral of squared error (ISE) was introduced to evaluate the performance of control systems, it revealed that the improved control structure had better controllability.     

Control analysis of an extractive dividing-wall column used for ethanol dehydration

This paper deals with design and control of an extractive dividing-wall distillation column (EDWC) for ethanol dehydration using ethylene glycol as entrainer. An initial design, based on a section analogy procedure for a conventional extractive distillation sequence, was obtained and then used in an optimization process to minimize the total annual cost. It was shown that the EDWC can result in significant savings over the conventional process. As these savings sometimes go along with a decrease in the control properties, an investigation of two control structures for the EDWC and one for the conventional column configuration was performed next.It was observed in closed-loop simulations that the EDWC with an appropriate structure exhibited good control properties and that its closed-loop responses were similar to those obtained for the operation of a conventional extractive distillation system.     

以苯胺为溶剂间歇萃取精馏分离甲醇-乙腈

提出和研究了以苯胺作为溶剂的甲醇-乙腈间歇萃取精馏分离工艺。根据溶剂极性相似相溶原理,结合ChemCAD软件模拟汽液平衡和汽液平衡实验确定苯胺为合适的溶剂。结果表明,不仅苯胺能够消除甲醇-乙腈物系的共沸现象,效果优于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）,而且可以采用Wilson模型对苯胺作为溶剂的甲醇-乙腈共沸物系汽液平衡进行模拟。通过实验考察了间歇萃取精馏的分离效果。采用有33块理论板的填料塔进行间歇萃取精馏甲醇-乙腈共沸混合物分离实验,其中净化回收段填料层3块理论板,萃取精馏段填料层30块理论板,回流比为4,苯胺作为溶剂,溶剂质量比为2.5∶1时,在塔顶得到产品甲醇质量分数为98.97%,高于DMF作为溶剂时的95.76%;表明苯胺更加适合作为萃取精馏分离甲醇-乙腈共沸物系的溶剂。     

双溶剂进口的双釜间歇萃取精馏

提出了带有塔底回收釜及双溶剂进口的间歇萃取精馏操作方式。在新操作方式中,塔内回流液不流回塔釜,而是流入塔底回收釜,再经简单蒸馏气相返回塔釜,回收后的溶剂返回精馏塔中。以乙二醇作溶剂分离乙醇-水物系的实验结果表明,当间歇操作次数为2时,产品采出率最大,单位产品消耗的新鲜溶剂量最少。新操作方式具有塔釜温度变化平稳,新鲜溶剂用量相对较少等优点。