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乙二醇单丁醚催化精馏合成工艺的动态数学模型及模拟研究

作　者: 于凤娟
导　师: 安维中
学　校: 中国海洋大学
专　业: 化学工程
关键词: 乙二醇单丁醚催化精馏环氧乙烷动态模拟
分类号: TQ223.24
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

反应／催化精馏是上世纪80年代发展起来的一种新兴化工过程强化技术。该技术将反应和分离这两个化学工程领域中最为关键的过程耦合于同一设备单元中,被认为是革新传统单元操作的代表性技术和过程强化的先驱者。针对环氧乙烷深加工行业的技术创新要求及现有乙氧基化工艺存在的副产物多、能耗高等问题,辽宁奥克化学股份有限公司提出并开展了催化精馏法合成乙二醇单丁醚的研究开发工作,建成了中试规模的催化精馏塔,并开展了装置数学模型和模拟研究工作。以此项目为背景,在先前稳态数学模型和模拟研究的基础上,本文开展催化精馏塔动态数学模型和模拟研究工作,旨在为装置的工艺试验、改进设计、操作控制和模拟放大等奠定理论基础。论文的主要研究内容及得出的结论如下：(1)建立了基于平衡级的催化精馏塔动态数学模型和基于Aspen模拟平台的动态模拟方法；(2)对半间歇操作模式的催化精馏塔进行了模拟计算。结果表明,半间歇操作模式下催化精馏塔的最优操作参数为：操作压力0.2 MPa,环氧乙烷进料速率0.036-0.04 kmol·h-1。反应5小时后,正丁醇和环氧乙烷的总摩尔比为1.6：1,环氧乙烷转化率可达到99%以上,丁醇的转化率达到了91%以上,而单醚对环氧乙烷的选择性达到87%,体现了催化精馏工艺的优越性。模拟结果与实验结果比较表明,模型预测的塔内温度分布及塔釜产品组成和试验数据基本一致,表明所采用的模拟算法具有较高的准确性和可靠性；(3)对连续操作催化精馏塔的开车过程进行了模拟计算。模拟结果表明,连续操作的催化精馏塔开车过程中,从关键反应物EO进料开始到操作达到稳定,回流罐、再沸器内的汽液相组成、热负荷、温度、塔内汽液相流量、反应速率等均有呈现明显的动态分布。回流罐内各变量在整个开车过程中变化较为迅速,达到稳定所需的时间较短,约2.5小时,而再沸器各变量的变化趋势较平缓,达到稳定需5小时。该研究将为指导工业装置的开车和控制奠定理论基础。(4)对环氧乙烷进料扰动的影响进行了初步研究。针对体系特点,提出了两种控制方案。研究表明,在给体系施加相同扰动的情况下,以再沸器热负荷控制塔釜液位,以塔顶回流量控制塔顶回流罐液位的控制方案可使系统在10小时内重新回到新的稳定状态,且整个过程各参数发生较少的波动；而以再沸器热负荷控制第九级塔板温度,以正丁醇进料量控制塔顶回流罐淤的控制方案可使系统在扰动发生后立即作出响应,但需在12小时后方可回归稳定,且该过程中各参数均发生较大的波动,但新的稳定状态下各参数的值与原来的稳定状态相差不大。两种控制方案均可使系统在进料流量扰动±20%时单醚选择性仍可在87%以上,表明了控制方案的有效性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 文献综述  11-26
  1.1 乙二醇单丁醚及其传统合成工艺  11-12
  1.2 催化精馏及其工业应用现状  12-18
    1.2.1 催化精馏的概念  12-14
    1.2.2 催化精馏工艺的特点  14-15
    1.2.3 反应/催化精馏的应用现状  15-18
  1.3 催化精馏数学模型及其研究进展  18-24
    1.3.1 数学模型的概念  18-19
    1.3.2 数学模型的分类  19
    1.3.3 催化精馏稳态数学模型  19-22
    1.3.4 催化精馏动态流程模拟及其数学模型  22-24
  1.4 本论文的研究内容  24-26
2 基于平衡级的催化精馏塔动态数学模型及模拟方法  26-33
  2.1 化学体系与反应动力学  26
  2.2 催化精馏塔装置  26-27
  2.3 基于平衡级的催化精馏塔动态数学模型  27-30
    2.3.1 模型假设  28-29
    2.3.2 模型方程  29-30
  2.4 基于ASPEN模拟平台的催化精馏动态模拟方法  30-33
    2.4.1 Aspen模拟平台介绍  30
    2.4.2 Aspen Dynami cs用于催化精馏动态模拟方法  30-33
3 不同操作模式下催化精馏塔的动态模拟  33-66
  3.1 半间歇操作催化精馏塔的动态模拟  33-38
    3.1.1 半间歇操作模拟指定  33-34
    3.1.2 环氧乙烷进料速率的影响及确定  34
    3.1.3 催化精馏塔的动态行为分析及模型验证  34-38
  3.2 催化精馏塔开车过程的动态模拟  38-50
    3.2.1 开车方式的选择  39-40
    3.2.2 动态模拟的设置  40-42
    3.2.3 模拟结果与分析  42-50
  3.3 催化精馏塔参数扰动分析及其控制  50-65
    3.3.1 控制方案的设置  50-53
    3.3.2 动态模拟结果分析  53-65
  3.4 本章小结  65-66
4 总结  66-68
参考文献  68-75
致谢  75-76
个人简历  76
发表的学术论文  76

乙二醇单丁醚催化精馏合成工艺的动态数学模型及模拟研究

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