精馏塔理论板上浓度返混对分离效果及能耗的影响——化工原理课程从闪蒸角度对精馏的解释

精馏塔理论板上的气液相接触后进入相临理论板的物流组成通常会偏离平衡组成,带来的浓度返混对分离能力和所需热量具有很大影响。为了便于从能耗和分离效果上进行对比,采用了带回流的多级闪蒸作为常规精馏的等价流程,以气化分率为变量进行研究。通过理论推导及Aspen plus模拟证实带回流多级闪蒸与常规精馏构型的一致性,选用苯-甲苯体系进行模拟研究。研究结果表明,进行精馏操作时若每级进料气、液相间的浓度返混程度越小则分离效果和所需的热负荷越能得到优化。同时得到在保证每级进料气、液相间无浓度返混时各级温度、汽化分率分布的初步规律,为效益高的精馏塔设备的设计提供了目标函数和约束条件。     

反应精馏法生产醋酸丁酯动态模拟

目前反应精馏法生产醋酸丁酯工艺发展迅速,但主要集中于对催化剂的探索与研究,在实际生产中仍缺乏较好的控制方法。利用Aspen Dynamics软件对醋酸丁酯反应精馏塔的操作进行了动态模拟,提出了两点温度控制法及温度浓度控制法两种控制方案,对系统进行了进料流量±10%,乙醇及醋酸进料浓度-5%,-10%的扰动测试。研究了不同扰动对产品组成的影响并比较了两种方案分别在面对不同扰动时的控制效果。实验结果表明:进料流量及醋酸进料组成对产品组成影响较大;两点温度控制法在面对不同扰动时均展现出了比温度组成控制法更好的控制效果,该控制方法具有响应速度快,产品组成偏差小的优点。     

芳烃精制工艺模拟与控制

以某焦化厂的实际工艺为例,利用Aspen Plus软件,建立了以NFM为萃取剂的芳烃萃取精馏工艺流程模型,模拟结果与工业实际状况吻合。在此基础上,对现行工艺进行优化控制。利用Aspen Dynamic软件,分别对独立控制方案、关联控制方案进行流量和组分的扰动性能测试,分析出内在联系,并结合关联控制方案的优点,提出一种改进的控制方案。在改进的控制方案中,将各塔板温度控制器和塔底再沸器热负荷与进料的比值进行串级控制,加强了进料、塔板温度和塔底再沸器之间的联系。结果表明,改进的控制方案具有较好的控制效果。     

变压精馏分离丙酮和环己烷的动态特性

基于丙酮-环己烷共沸体系的压力敏感性，利用Aspen Plus软件，以年度总费用(TAC)最小为目标函数对常规、部分及完全热集成变压精馏工艺进行稳态模拟与优化，并以经济最优的完全热集成变压精馏工艺为基础，借助Aspen Plus Dynamics软件建立多种不同控制结构，通过改变进料流量和进料组成考察了控制结构的有效性，并提出塔底热负荷/进料量比例控制与组成-温度串级控制相结合的改进控制结构。稳态模拟与优化结果表明，常规、部分和完全热集成三种工艺的最小TAC分别为3.64×105, 2.83×105, 2.76×105 $/y，经济最优工艺为完全热集成变压精馏。动态响应结果表明固定回流量/进料量控制结构在响应时间方面优于固定回流比控制结构，但产品纯度未达到设计值99.9wt%；而塔底热负荷/进料量比例控制与组成-温度串级控制相结合的改进控制结构能够有效保证产品纯度在99.9wt%及以上。     

热集成变压精馏乙二醇脱水系统的控制方案优化

针对热集成变压精馏乙二醇脱水再生系统存在的操作不稳定等问题,基于Aspen Plus和Aspen Dynamics软件,在全流程稳态模拟的基础上,对其进行了动态模拟及控制方案优化。设计了改进型控制方案CS2,与常规控制方案CS1相比,两个塔的操作压力的控制回路是相互独立的,高压塔的塔釜液位由再沸器的导热油流量控制,低压塔的塔釜温度由塔釜的采出流量控制,再分别对进料流量和进料组成中乙二醇含量的阶跃变动的动态响应特性进行分析。结果表明,控制方案CS1基本能够抵抗进料流量和进料组成扰动对系统的影响,但相关控制响应会出现一定的滞后性,难以保证产品满足要求。改进的控制方案CS2对相同的进料流量和进料组成扰动有更好的抵抗能力,控制性能显著提高,保证乙二醇的质量分数不低88%,趋于稳定时产品质量变化幅度小于2%,且该方案在实际应用中涉及到的操作相对简单。本文为相关双塔耦合过程的稳定控制提供了一种新思路,对于双塔耦合在其他体系的工程应用也有借鉴作用。     

硫酸铵溶液三效并流蒸发系统的动态模拟

以江苏某化工厂三效并流蒸发含有一定浓度氨气的硫酸铵溶液为例,采用Aspen Plus软件进行稳态模拟,以稳态模拟结果作为动态模拟的初始条件,建立三效并流蒸发系统的动态模型,利用Aspen Dynamics软件对带有基本控制结构的三效蒸发溶液浓缩系统进行研究,分析进料流量、温度和组成发生变化时系统其他参数的变化规律。结果表明,当进料流量、温度及组成发生变化时,液相出口浓度阶跃性变化。为使液相出口浓度保持恒定,制定了2种控制方案,进料流量串级控制和加热蒸汽流量串级控制,并对其控制效果进行比较。动态分析表明,2种控制方案均能稳定液相出口浓度,但加热蒸汽流量串级控制方案超调量更小、恢复时间更短。动态模拟结果对实际生产操作的多效蒸发溶液浓缩系统的控制提供一定的指导作用。     

烯烃催化裂解装置反应进料系统的节能优化

通过挖掘现有烯烃催化裂解技术在节能方面的潜力,提出了一种反应进料先气化,再作为膨胀机工质做功,从而降低能耗的反应进料系统。通过工程实例,对比现有技术方案和改进方案,证明改进方案可达到降低装置能耗,节省操作费用的效果,同时不影响预加氢反应和催化裂解反应。     

机械蒸汽再压缩蒸发系统的性能分析

机械蒸汽再压缩（MVR）蒸发系统是一种新型高效节能蒸发技术。它有多个单元设备组成,每个操作节点的控制都对系统运行的稳定性和节能效率至关重要,其中包括进料温度、蒸发压强、蒸汽压缩比、冷凝液温度等。若操作条件不当,不仅会大大降低蒸发效率而且会对设备和管路造成损害。本文建立了一套充分利用能源的MVR蒸发工艺流程,并通过理论分析对每个操作节点进行了质量和能量衡算,同时利用Aspen Plus模拟软件建立了系统的流程模拟图。通过对操作单元的变量控制,研究了循环蒸汽量、补充水的量与进料温度、冷凝液温度、蒸汽压缩比以及蒸发压强等之间的变化关系。由数据分析可得：原料在饱和液体时进料最佳,冷凝液的温度应保持与蒸发温度的有效温差在5～8 ℃时较好,压缩机的蒸汽压缩比控制在1.8～2.2较为合理。同时可利用冷凝液和浓缩液的余热对原料预热,补充水也可从冷凝液中直接取用。     

胺液吸收-分步解吸脱硫工艺的设计与评价

脱硫工艺作为炼厂必不可少的一部分，随着H₂S下游加工技术的日益丰富，逐渐由杂质驱动型向资源驱动型转变，提高酸性气(解吸塔顶气)中H₂S纯度，继而提高产品附加值，成为盈利的重要方向。基于此提出胺液吸收-分步解吸脱硫工艺，以此得到部分高纯度酸性气。采用速率级精馏方法进行模拟，通过系统工程方法论对工艺进行研究，提出逐级设计和塔压、进料温度作为主副调控手段的设计策略，并建立了基于设备购买曲线的经济评价框架进行工艺对比分析。结果表明，新工艺相比于传统工艺，年固定投资费用和年操作费用分别提高了30.86%和40.82%，但由于产品附加值的提高，利润提高了65.45%。随着解吸塔数量的增多，能耗上涨幅度会越来越大，经济效益反而下降。     

丙酮蒸馏塔的工艺模拟与优化

用工艺流程模拟软件ASPENPLUS对烟用丝束生产中的丙酮回收蒸馏塔进行了模拟计算,详细分析了进料含量、温度和位置对再沸器热负荷及相关参数的影响,结果表明,现有工艺条件下的最优操作方案为：最佳进料位置是19^a塔板,进料温度越高、含量越高,再沸器的热负荷越小、能耗越低,液相进料时,泡点温度最佳。生产中按优化结果进行操作,进料温度提高到65℃,可节能4％左右。     

N-甲基二乙醇胺溶液对H_2S和CO_2的吸收模拟

采用N-甲基二乙醇胺(MDEA)吸收炼化过程中干气及液态烃中过量的H2S和CO2,以达到生产要求。文中利用PRO/II软件对MDEA溶液吸收H2S和CO2的过程,采用合适的热力学模型(Electrolyte-NRTL),建立吸收塔模型进行模拟。研究了进料气液质量比、进料温度、操作压力、塔板高度、吸收液浓度等条件的改变对吸收效果的影响,并对操作条件进行评估。MDEA溶液对CO2的吸收效果不是很理想,由于伯、仲胺可直接与CO2反应,故向溶液中添加DEA,采用PRO/II的Kent-Eisenberg模型对MDEA/DEA混合胺的吸收状况进行模拟,其吸收效果较理想。文中对现有装置提出了一些技术改造建议。     

FCCU吸收稳定系统分离技术的改进

对吸收稳定系统分离技术进行了改进,提出了新的节能工艺——二级冷凝及其与中间再沸器的混合工艺,并对新工艺及双塔流程常规工艺进行计算机模拟和分析。结果表明,二级冷凝和混合方案有双股进料的特点,且平衡罐前冷却负荷大幅度降低,比冷进料方案分别减少了57．8％、40．5％;具有减小冷热能量消耗、降低解吸气量、缓解塔内负荷的优点。     

酸性气中H_2S提浓工艺优化

针对硫回收装置对酸性气中H_2S摩尔分数有要求的问题,提出了一种能耗低并且能够显著提高系统出口酸性气中H_2S摩尔分数的工艺方案。采用模拟手段,对富甲醇热闪蒸及再生工艺流程进行了优化改进;对改进后的富甲醇热闪蒸汽提再生工艺原料气适应性进行了计算分析,探讨了改进后的提浓工艺机理,得到了汽提塔理论板数。研究结果表明,针对低硫进料气,通过热闪蒸及预提浓后酸性气中H_2S摩尔分数能达到40%及以上。改进的酸性气提浓工艺可调节的操作参数多,适应性强,对于更低硫含量的原料气,酸性气产品中的H_2S也能得到充分提浓。此外,新的提浓工艺具有投资低、操作费用节省的优点。     

同轴式内部热耦合精馏塔的传热性能

提出了一种以实验物系的物性数据为基础的计算同轴式内部热耦合精馏塔（HIDiC）总传热系数的方法。本文以乙醇-水为实验物系,以自行搭建的中试规模同轴式HIDiC为研究对象,通过在不同压缩比下（1.4~2.6,步长为0.1）的连续操作实验研究,得到塔内的温度分布,通过计算两塔段的相变给热系数来计算该塔的总传热系数和精馏塔段与提馏塔段间的换热量。在同轴式HIDiC中乙醇-水实验物系总传热系数的计算值在300~800W/(m²·K),并且随着压缩比的增大而逐渐降低。在操作条件和产品纯度与实验值保持一致的情况下,将精馏塔段与提馏塔段间换热量的计算值带入软件中模拟,得到的全塔温度分布与实验中的温度分布在误差范围内吻合良好,证明本文计算同轴式HIDiC总传热系数的方法切实有效。     

基于Aspen Dynamics超精馏塔的动态模拟与控制

以异戊烷/正戊烷分离过程为例,利用Aspen Dynamics对超精馏塔的动态控制特性进行了研究。在稳态模拟的基础上,通过进料组成灵敏度分析和动态模拟,对3种单产品纯度控制结构进行了比较,运用Aspen Dynamics对4种双产品纯度控制方案进行了动态模拟与分析。结果表明,面临进料流量和组成扰动时,R/F(摩尔比)结构为最优单产品纯度控制方案,D-BR结构为最佳双产品控制方案且优于R/F(摩尔)结构。     

隔壁塔分离乙醇-正丙醇-正丁醇体系

以乙醇-正丙醇-正丁醇为分离体系,研究回流比、气液分配比等操作参数对隔壁塔分离效果的影响。将常规双塔精馏序列转化为隔壁精馏序列并保证各操作参数的最优值,利用Aspen Plus模拟软件对乙醇-正丙醇-正丁醇三组元的常规精馏序列和隔壁塔精馏序列进行模拟分析,探究隔壁精馏工艺最佳操作区域及节能效果,模拟结果表明,在满足分离要求下,气液分配比存在一个相互关联关系,使隔壁塔精馏序列存在一个再沸器热负荷最小的最佳操作区域。与常规精馏序列相比,完成相同的分离任务,隔壁塔精馏序列再沸器节能6 954.368 k W,冷凝器热负荷减少2 934.291 k W。结果表明,隔壁塔精馏序列不但提高了热力学效率、降低了能耗,并且大幅降低设备投资。     

棕榈酸异丙酯反应精馏塔的设计与控制

反应体系中混合物的相对挥发度排序对整个反应精馏过程的设计和控制都有很大的影响,针对拥有最不利相对挥发度排序的棕榈酸异丙酯(IPP)反应精馏塔的特点,建立合理的稳态模型,并设计常规的温度控制TC方案以及新颖的温差控制TDC方案来控制出料产品的纯度。通过Aspen Dynamics软件进行模拟仿真实验。在系统中引入3种干扰(操作压力,进料流量和进料组分)用于评估2种控制方案的性能。仿真结果表明:2种控制方案最终都能很好地控制出料产品的纯度,这突显了稳态模型设计的合理性。但TDC方案明显具有更好的鲁棒性,保证了产品纯度的同时还使系统能够快速的稳定,且超调量较小,这为今后反应精馏过程的设计与控制提供了一种新思路。     

醋酸乙烯精馏四塔控制结构的设计与模拟

首先运用Aspen Plus软件对醋酸乙烯精馏四塔进行稳态优化,优化后的操作条件为进料板位置31块板、回流比7.22、塔顶馏出量1007 kg/h。根据实际生产经验及Shinskey精馏控制三项准则,提出了单板温度控制方案(CS1)与双板温度控制方案(CS2)。动态模拟研究结果表明CS1可以保证精馏塔的稳定操作,CS2在产品质量控制上更胜一筹,但两者均不能克服进料组分的扰动。因此本文提出了一种新的控制结构:组分-温度控制结构(CS3),动态模拟结果显示,添加进料组分扰动后,塔顶产品浓度仍可满足质量要求。     

变压精馏分离乙酸乙酯-正己烷共沸物的动态特性

乙酸乙酯和正己烷均为重要的有机溶剂,广泛应用于医药、橡胶、油漆等领域。由于乙酸乙酯和正己烷常压下形成共沸物,需采用特殊工艺对其进行分离。基于乙酸乙酯-正己烷二元共沸体系的压力敏感性,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,其中高压塔和低压塔的操作压力分别采用6 atm和1 atm,所得乙酸乙酯和正己烷产品纯度均大于99.9%。在此基础上,利用Aspen Dynamics软件考察了变压精馏工艺不同控制方案的有效性。结果表明:Q_R/F比例控制结构能够有效地应对进料流量扰动,且响应速度快,但在处理进料组分干扰时稍显不足。组分-温度串级控制能有效的改善进料组分扰动对产品纯度的影响。Q_R/F比例控制结构与组分-温度串级控制结构联用在变压精馏工艺中可实现稳健的控制,能够有效保证乙酸乙酯和正己烷产品纯度。     

基于ModiCon工艺的模拟移动床分离过程仿真和优化研究

建立了模拟移动床分离数学模型,采用恒定进料策略和ModiCon进料策略对2种环酮(环戊酮和环庚酮)进行仿真分离实验,并采用NSGA-Ⅱ算法对ModiCon进料策略模拟移动床操作参数进行了优化.结果表明,在总进料浓度不变的前提下,与恒定进料策略相比,采用M odiCon进料策略的模拟移动床通过周期性调节进料浓度,萃余液口...