多组分萃取—精馏分离塔系的设计与节能研究

论文摘要

为了开发具有特殊性能和用途的低醇解度聚乙烯醇（简称PVA）,研究者提出可通过加入相变促进剂（简称PA）降低溶剂的溶解度参数,使聚合物在醇解度较低时即可变得不溶而固化,从而得到固相为低醇解度的PVA。与固相分离后的液相混合溶剂为乙酸甲酯、甲醇和PA,极难分离,需对混合溶剂的分离进行研究。萃取-精馏作为一种分离近沸点混合物的技术,在石油化工领域得到应用。作者经分析萃取-精馏耦合过程的特点,提出以萃取-精馏耦合方式分离该混合溶剂,并建立了相关的平衡级数学模型。单级萃取实验的结果表明用水做萃取剂萃取混合溶剂中乙酸甲酯和甲醇是可行的。在萃取-精馏耦合的提纯过程中,由于多组分的分离其分离序列不唯一,可采用经验规则法通过总汽相流率的预测来确定分离序列。作者根据混合溶剂的分离要求,用Underwood方程计算总汽相流率,并设计了直接分离序列和间接分离序列。对总汽相流率的计算表明直接分离序列的总汽相流率大于间接分离序列,即直接分离序列能耗高于间接分离序列。本研究应用UNIQUAC热力学模型,采用单级萃取实验回归二元交互作用参数,对提出的分离序列进行模拟计算,优化了分离工艺中萃取塔、精馏塔的关键操作参数,对直接分离序列和间接分离序列中设备的能耗进行了计算,结果表明直接分离序列的总能耗为6605.67KW,间接分离序列总能耗为4159.07KW,与总汽相流率计算的直接分离序列能耗高于间接分离序列的结论相吻合。作者应用夹点技术分别对两种分离序列进行了用能诊断,且对冷热物流进行了合理匹配,以达到节能目的。通过经济性评价看出,直接分离序列、间接分离序列年公用工程分别为597.39251万元和382.42439万元,通过热集成后分别为586.55138万元和337.80415万元,可见对间接分离序列进行热集成可获得显著的经济效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 聚乙烯醇发展概述
• 1.2 化工分离技术
• 1.2.1 萃取单元操作
• 1.2.2 萃取操作过程的特点
• 1.2.3 萃取流程的选择
• 1.2.4 精馏单元操作
• 1.2.5 萃取-精馏耦合分离技术
• 1.3 过程系统工程
• 1.3.1 过程系统综合
• 1.3.2 分离过程综合的研究
• 1.4 分离序列综合的研究
• 1.4.1 经验规则法
• 1.4.2 进化调优法
• 1.4.3 分离系数法
• 1.4.4 相对费用函数
• 1.4.5 分离序列综合的描述
• 1.5 多组分分离塔系的热集成
• 1.5.1 夹点分析法
• 1.5.2 热力学分析法
• 1.5.3 热经济学分析法
• 1.5.4 数学规划法
• 1.6 本文研究内容
• 2 萃取-精馏耦合过程模型与模拟
• 2.1 萃取-精馏耦合过程的数学模型及其求解
• 2.1.1 萃取-精馏耦合过程的数学模型
• 2.1.2 萃取-精馏耦合平衡级模型的求解
• 2.2 化工过程系统模拟
• 2.2.1 热力学方法的选择
• 2.2.2 溶液热力学模型
• 2.3 ASPEN PLUS 简介
• 2.3.1 Aspen Plus 单元操作模型
• 2.3.2 Aspen Plus 数据库
• 2.4 萃取-精馏流程的模拟
• 2.4.1 萃取-精馏塔的控制变量
• 2.4.2 萃取-精馏分离塔系模拟模块的选择
• 2.5 本章小结
• 3 萃取-精馏分离塔系设计与模拟优化
• 3.1 萃取-精馏分离方案的提出
• 3.1.1 乙酸甲酯、甲醇和PA 三元混合物的热力学分析
• 3.1.2 单级萃取实验
• 3.1.3 单级萃取实验结果
• 3.2 萃取-精馏节能设计
• 3.2.1 多组分萃取-精馏分离序列
• 3.2.2 总汽相流率的预测
• 3.3 精馏过程混合物系的分离数据
• 3.4 多组分萃取-精馏模拟计算
• 3.4.1 单级萃取模拟计算
• 3.4.2 萃取塔模拟与优化
• 3.4.3 萃取塔理论板数的模拟优化
• 3.4.4 萃取剂加入量的模拟优化
• 3.4.5 不同分离序列模拟优化
• 3.4.6 萃取-精馏分离工艺评价
• 3.4.7 萃取-精馏分离塔系能耗分析
• 3.5 本章小结
• 4 多组分萃取-精馏分离塔系的热集成
• 4.1 萃取-精馏流程集成的约束条件
• 4.2 多组分萃取-精馏流程的热集成方法
• 4.2.1 夹点技术
• 4.2.2 组合曲线与夹点
• 4.3 多组分萃取-精馏热集成过程的具体步骤
• 4.4 直接分离序列热集成
• 4.4.1 物流数据确定
• 4.4.2 夹点的确定
• 4.4.3 热集成方案
• 4.4.4 热集成前后各塔能耗比较
• 4.4.5 热集成前后分离效果比较
• 4.5 间接分离序列热集成
• 4.5.1 物流数据的确定
• 4.5.2 夹点的确定
• 4.5.3 热集成方案
• 4.5.4 热集成前后各塔能耗比较
• 4.5.6 间接分离序列热集成前后分离效果比较
• 4.6 直接、间接分离序列公用工程比较
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的主要研究成果