化工原理课程设计

1、 第一章 综述41.1 设计题目41.2 题目概述4NMP对C4组分的溶解度41.3 给定参数41.4 设计任务51.5 确定设计方案原则5第二章 工艺流程的模拟82.1 运用ASPEN软件对C4精馏的工艺流程进行模拟82.1.1绘制工艺流程图82.1.2 选择物性方法92.1.3组分信息的输入92.1.4 物流信息的输入9 2.1.5 精馏塔的信息输入112.1.6 运行结果及分析122.2 不同加料板下的C4H10的组分变化132.2.1利用ASPEN软件的灵敏度分析功能来探究不同加料板下的留出液中馏分的百分含量变化。132.2.2 点击Run进行模拟运行，14第三章 结果与分析143.1

2、 模拟结果的分析143.1.1在ASPEN软件中查看模拟出来C4精馏塔的流率分布图、温度分布图及主要成分图，如下：143.2 加料板位置分析163.3热量分析19第四章 总结心得22第一章 综述1.1 设计题目NMP法萃取精馏分离丁烷及加料板对分离效果的影响1.2 题目概述C4萃取精馏中，水和萃取剂NMP经混合器混合后进入精馏塔上部，C4物流经过精馏塔的中下部，物流经过精馏塔后，轻组分从塔顶蒸出,重组分从塔釜流出。运用ASPEN软件对该流程进行模拟，并分析运行结果。各组分组成和基本物性见表1-1。表1-1 各组分组成和基本物性组分英文名结构式质量分数沸点/1-丁烯1-buteneC4H80.0

3、3-6.25顺-2-丁烯cis-2- buteneC4H80.163.72反-2-丁烯trans-2- buteneC4H80.310.88正丁烷n-butaneC4H100.50-0.5合计1.00 NMP对C4组分的溶解度溶剂沸点/c溶解度常数/%丁烷丁烯顺二丁烯逆二丁烯NMP2081633.923.1831.3 给定参数 塔 参 数塔板数27洗盘数5洗盘直径1.2m洗盘类型Bubble tray填料直径1.25m填料类型IMTP,25mm-metal 操 做 数 据萃取剂进塔位置6C4物流进塔位置19萃取剂温度50萃取剂压力10 barC4物流压力5.1 bar回流比2C4物流的状态饱和

4、蒸汽C4物流的流量10000kg/hr 原 料 成 分N-butane50%1-butene3%Cis-2-butene16%Trans-2-butene31%NMP的流量80000Kg/hr萃取剂状态液态萃取剂中水的质量分数8.30%萃取剂中水的摩尔分数33%1.4 设计任务 (1)根据给定参数，画出工艺流程图； (2)利用ASPEN ONE软件的严格算法来进行过程计算和模拟。 (3)分析加料板从9到26变化时，轻质馏分浓度变化。1.5 确定设计方案原则C4馏分中包含丁烷、丁烯、顺二丁烯和逆二丁烯等多种烯烃。C4馏分中各组分的沸点接近，还可以形成共沸物，关键组分之间的相对挥发度非常接近，用普

5、通的精馏方法很难分离提纯。因此需要采用萃取精馏对C4馏分进行分离。目前，工业上萃取精馏已乙腈、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮（NMP)等微萃取剂。NMP具有选择性高，分离效果好、蒸气压低、损失小和运行费用低等优点。因此，NMP作为分离C4精馏的萃取剂得到了人们的广泛关注。本设计主要利用化工模拟软件Aspen One进行模拟，主要进行C4精馏塔的工艺计算。 由于待精馏的C4组分中，丁烷与2-丁烯易形成相对挥发度小，易混溶的混合物，导致轻质组分产率纯度低。因此，工艺流程使用萃取精馏法，加入萃取剂（NMP+H2O），来增大两种组分的相对挥发度，易于精馏分离。第二章 工艺流程的模拟2.1 运用ASPE

6、N软件对C4精馏的工艺流程进行模拟2.1.1绘制工艺流程图根据题目要求，绘制出工艺流程图启动Aspen软件，选择PACKCOL1模块和TRIANGLE模块，将其拖放到工艺流程图窗口。用物流线将混合器与反应器连接起来，并用物流线连接混合器两进料口、精馏塔进料口及其两出料口。如图： 图 C4萃取分离工艺流程图 2.1.2 选择物性方法本例选择UNIFC模型，该模型目前广泛用于活度系数的估算。能较好的适用于中低温度下含烷烃、对称物和芳烃等非极性体系，对部分极性体系、含卤代烃和同分异构体体系估算值与实验值基本吻合。 选择物性方法，如图：2.1.3组分信息的输入 在Conmponentd-Spions目

7、录下的Selection页面下填入组分信息。如图：2.1.4 物流信息的输入萃取剂NMP的信息输入： 水的信息输入：C4混合物的信息输入：2.1.5 精馏塔的信息输入在B1模块的Specifecation页面里输入塔信息，如图：2.1.6 运行结果及分析 点击Run模拟运行，运行结果如下：冷凝器的运行结果：再沸器的运行结果：图中所示为全塔的物料流表：表中物流3表示水与萃取剂的混合物物流，物流6表示C4混合物物流，物流4表示塔顶流出液，物流5表示塔釜流出液。各个物流流率满足了物料守恒。2.2 不同加料板下的C4H10的组分变化 2.2.1本设计利用ASPEN软件的灵敏度分析功能来探究不同加料板下

8、的留出液中馏分的百分含量变化。 在 Model Analysis Tools文件下的Sentivity目录中新建S-1文件，然后在S-1 input页面输入变量设置，如图：2.2.2 点击Run进行模拟运行，第三章 结果与分析3.1 模拟结果的分析3.1.1在ASPEN软件中查看模拟出来C4精馏塔的流率分布图、温度分布图及主要成分图，如下：流率分布图：分析：1、由图知，萃取剂和原料的加入使得塔内的物流发生了突变。萃取剂以液体状态从第六块塔板进塔，加大了精馏段和提馏段的液体流量;原料以气态形式从十九块塔板进塔，加大了精馏段和回收段的气体流量。2、在回流段内，气体流量低于液体流量；在精馏段和提馏段

9、内，液体流量则大于气体流量。 温度分布图：分析：1、由图知，在该模拟过程中塔内的温度变化为非线性变化，且沿着塔高温度渐渐的降低。塔顶温度最低，塔釜温度最高。2、在该模拟过程中萃取剂的加入会使该塔板出的温度升高，原料的加入会使该板的温度有所减低。气相组分分布图：分析：由图知，气相中以丁烷为重要组分，萃取剂NMP在气相组分中为零。可见萃取剂NMP一直存在于液相中。由于萃取剂的存在，使得C4组分的相对挥发度变大，提高了分离效果。丁烷在气相中的百分含量随着塔的升高而渐渐增大。液相组分分布图： 分析：（1） 由图知，在塔顶的液相组成与气相组成基本一致，萃取剂的百分含量为零，丁烷的百分含量最大。塔底则为C

10、4与萃取剂的混合物。（2） 因为在第六块塔板处加入了萃取剂，增大了塔内的液体流量，使得丁烷在液相中的百分含量急剧下降。3.2 加料板位置分析 在 Model Analysis Tools文件下的Sentivity目录中的S-1文件里点击resurt查看运行结果，如图：C4H10组分与进料板数的关系图：不同加料位置对馏出物浓度及C4H10回收率的影响加料位置馏出物中C4H10的质量分数 馏出物的质量流率 Kg/hrC4H10的回收率第九块板0.7680742000.6452第十块板0.79936142000.7514第十一块板0.82315942000.7737第十二块板0.8416142000

11、.7911第十三块板0.85613542000.8048第十四块板0.86778142000.8157第十五块板0.87715742000.8245第十六块板0.88485142000.8318第十七块板0.89109542000.8376第十八块板0.89623142000.8425第十九块板0.9002542000.8462第二十块板0.90337242000.8491第二十一块板0.90558542000.8513第二十二块板0.90659642000.8522第二十三块板0.90601742000.8517第二十四块板0.90291842000.8487第二十五块板0.89556642

12、000.8418第二十六块板0.88070542000.8278运用Excel软件将上表绘制成曲线图，如图：分析：（1） 由于塔顶馏出液的流率也确定，故塔顶馏出液的丁烷组分曲线图与回收率曲线图基本一致。（2) 由图可知，加料板的位置影响着馏出液中馏分的质量分数，同样也影响着馏分的回收率。（3） 随着加料板位置的下移，馏出液中馏分的质量分数先增大后减小，故而存在着一个加料位置，使得馏出液中馏分的百分含量最大，同样也使得馏分的回收率最大。（4） 从图可以看出，加料板为22时，馏出液中馏分的百分含量最大，为90.60%。3.3热量分析 在s-1input 页面更改目标变量分析，如图：点击Run运行，

13、结果如下：再沸器热负荷变化曲线：分析： 1、该图与塔顶馏分质量组分与加料板位置的关系曲线图类似，都随着加料板位置的下移而先增大后减小，且存在一个最大值。 2、综合该图与塔顶馏分质量分数与加料板位置的关系曲线可知，加料板位于第22块板时，塔顶的馏分百分含量最大，但同时再沸器的热负荷也达到最大值，所消耗的能量也越大。可见，最优加料板的选取应综合能量损耗和分离要求而确定。第四章 总结心得 4.1 心得体会 这次的课程设计用了十天的时间，题目为NMP法萃取精馏分离丁烷及加料板对分离效果的影响的研究，是为了学习和使用Aspen One软件。因为是英文软件，在安装和使用上遇到了不少阻碍。但是感谢同学们的帮助和在网上的查阅以及资料查询，最终终于克服了困难。课程设计是培养我们化工设计能力的重要教学环节，通过可能设计时我们初步掌握化工设计的相关知识，设计原则和方法，查阅相关资料以及物质性质的查找方法，掌握各种结果的校核，同时也学会了使用化工专业软件Aspen one软件的初级使用方法，进一步了解实际化工设计和生产中的情况，在整个设计的过程中，从刚开始什么都不知道到与同