氯乙酸與二氯乙酸分離過程的模擬與優(yōu)化-畢業(yè)論文(畢業(yè)論文)

菏澤學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE32PAGE31氯乙酸與二氯乙酸分離過程的模擬與優(yōu)化摘要：本論文根據(jù)氯乙酸與二氯乙酸的性質(zhì)極其相似的特點(diǎn)，采用減壓精餾進(jìn)行分離。應(yīng)用AspenPlus軟件進(jìn)行模擬，在考慮各組分特性的基礎(chǔ)上，首先設(shè)計(jì)了分離工藝流程，然后采用DSTWU簡捷法蒸餾設(shè)計(jì)模型，得到了回流比、塔板數(shù)和溫度等操作參數(shù)。最后采用RadFrac嚴(yán)格模型對精餾塔進(jìn)行驗(yàn)證，再通過靈敏度分析得出參數(shù)對精餾塔分離效果的影響程度。本工作得出了適宜的操作參數(shù)為：塔板數(shù)為66塊塔板，原料進(jìn)料位置第34塊塔板（自上而下數(shù)），回流比為20，采出率約為0.4857kg/kg。通過靈敏度分析得出了精餾塔的塔板進(jìn)料位置、回流比、系統(tǒng)壓力、塔板數(shù)這些參數(shù)對精餾塔分離效果的影響程度。關(guān)鍵詞：氯乙酸；二氯乙酸；AspenPlus；模擬；工藝參數(shù)SimulationandOptimizationofSeparationProcessofChloroaceticAcidAndDichloroaceticAcidStudentmajoringinChemicalengineeringandtechnologyCaoQing-BinTutorZhaoYu-JunAbstract：Accordingtothispaper,thenatureofmonochloroaceticacidanddichloroaceticacidhadverysimilarcharacteristics,whichcouldbeseparatedbyreducedpressuredistillation.Onthebasisofcharacteristicsofeachcomponent,AspenPlussimulationsoftwarewasappliedtotheseparation.First,theseparationprocesswasdesigned.Secondly,usingDSTWUdesignmodel,refluxratio,platenumberandtemperatureoperatingparameterswereobtained.Finally,RadFracrigorousmodelvalidationonthedistillationcolumnwasproved.Throughsensitivityanalysis,degreeofparameterstodistillationeffectwasgot.Thisworkreachedsuitableoperatingparameters:thecolumnwas66stages,thefeedstagewas34(fromuptodown),therefluxratiowas20andthedistillateratewasabout0.4857kg/kg.Throughsensitivityanalysis,degreeofparameterstodistillationeffectwasobtained,suchasfeedstage,refluxratio,Keywords:chloroaceticacid;dichloroaceticacid;AspenPlus;simulation;parameters引言氯乙酸，又名一氯乙酸，結(jié)構(gòu)簡式為CH2ClCOOH，為醋酸中甲基的一個(gè)氫原子被氯原子取代的產(chǎn)物，相對分子質(zhì)量94.50。氯原子的存在使得氯乙酸的酸性比乙酸強(qiáng)，有強(qiáng)烈的刺激性和腐蝕性，沾染皮膚能引起燒傷，能破壞所有非貴重金屬，橡膠和木材等。工業(yè)氯乙酸為無色或略帶淡黃色晶體，含氯乙酸96.5%(一級品)，二氯乙酸含量0.5%。近年來,隨著化學(xué)工業(yè)的不斷發(fā)展,氯乙酸的市場需求不斷增大。然而,我國氯乙酸生產(chǎn)現(xiàn)狀卻不令人樂觀。我國目前有氯乙酸生產(chǎn)廠家數(shù)百家,但都是些年生產(chǎn)能力不超過1000t的小廠,采用20世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)的以硫磺為催化劑的醋酸氯化法生產(chǎn)工藝。這種工藝是目前世界上最落后的氯乙酸生產(chǎn)工藝,間歇操作、頻繁的裝卸料都由人工進(jìn)行,存在著勞動強(qiáng)度大、勞動環(huán)境差、生產(chǎn)周期長、原料消耗高、產(chǎn)品收率低、質(zhì)量差、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。在國外,用該法生產(chǎn)氯乙酸早已普遍實(shí)現(xiàn)了自動化,且大多數(shù)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化。我國的氯乙酸生產(chǎn)法大都是將冰乙酸進(jìn)行氯化反應(yīng)，再經(jīng)結(jié)晶、分離后，所得到的晶體產(chǎn)物為氯乙酸產(chǎn)品，所得的液體就是氯乙酸母液（本文簡稱為母液）。母液呈黃褐色，比重1.30，在空氣中冒少量白煙，有強(qiáng)烈的刺激氣味，有極強(qiáng)的腐蝕性及一定的毒性；母液中含乙酸10~30%，氯乙酸25~35%，二氯乙酸30~40%，含三氯乙酸、乙酰氯等其它雜質(zhì)約5~10%。母液如果不加以處理而直接排入環(huán)境中，不但會浪費(fèi)寶貴的化工資源，而且會對環(huán)境和水質(zhì)造成極大的污染和破壞。二氯乙酸，又名二氯醋酸，結(jié)構(gòu)簡式為Cl2CHCOOH，為醋酸中甲基為醋酸中甲基的兩個(gè)氫原子被氯原子取代的產(chǎn)物，相對分子質(zhì)量128.95，英文名稱為Dichloroaceticacid。二氯乙酸為無色液體，有刺鼻氣味，易溶于水、乙醇、乙醚，主要用于有機(jī)合成和藥物制造等，如：合成乙醛酸、二氯乙酸甲酯及醫(yī)藥合霉素、氯霉素等。氯乙酸（一氯乙酸，MCA）是用途極其廣泛的有機(jī)化工中間體，衍生物有數(shù)百種，廣泛用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、日用化學(xué)品等行業(yè)。乙酸催化氯化制備氯乙酸的過程中，一氯乙酸生成的同時(shí)也生產(chǎn)了大量的副產(chǎn)物二氯乙酸，不僅增加了原料消耗，而且由于副產(chǎn)物二氯乙酸和產(chǎn)品一氯乙酸性質(zhì)極為相似，分離十分困難，加之二氯乙酸的用途很少，該副產(chǎn)物的大量囤積不僅造成資金和設(shè)備的巨大浪費(fèi)，也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，通過Aspen模擬軟件探尋分離氯乙酸與二氯乙酸的可能性及分離的最大程度，將具有十分重要的意義。

1文獻(xiàn)綜述1.1氯乙酸的概述1.1.1氯乙酸概念氯乙酸，又名一氯乙酸，結(jié)構(gòu)簡式為CH2ClCOOH，為醋酸中甲基的一個(gè)氫原子被氯原子取代的產(chǎn)物，相對分子質(zhì)量94.50。氯原子的存在使得氯乙酸的酸性比乙酸強(qiáng)，有強(qiáng)烈的刺激性和腐蝕性，沾染皮膚能引起燒傷，能破壞所有非貴重金屬，橡膠和木材等。工業(yè)氯乙酸為無色或略帶淡黃色晶體，含氯乙酸96.5%(一級品)，二氯乙酸含量0.5%。1.1.2氯乙酸發(fā)展簡史1841年，N.Le-Blance首次發(fā)現(xiàn)了氯乙酸。1857年，R.Hoffan在實(shí)驗(yàn)室里于陽光直接照射下用醋酸氯化法制得了氯乙酸。此后使用過諸如碘、硫、紅磷、鹵化磷和磺酰氯等催化劑。以氯乙炔、丙三醇、三氯乙醇、乙烯酮、四氯乙烯、乙基氯乙醇、三氯乙醛和二氯乙酸為主要原料制取氯乙酸[1]。1.1.3氯乙酸的生產(chǎn)現(xiàn)狀目前，氯乙酸的合成方法多達(dá)10余種，如：醋酸氯化法[2]、三氯乙烯水解法[3]、氯乙醇氧化法、四氯乙烷水解法[3]、乙醇酸氯化法[3]、醋酐氯化法[4,5]、醋酸氯氧化法[6]、硫酰氯氯化法、烷醇氯化法[7]、二氯乙烷光催化氧化法[8]、多鹵代乙酸還原法和氯乙酰氯水解法[9]等等。但這些方法大多數(shù)還處于小試階段，已經(jīng)工業(yè)化的只有以下3種，分別為三氯乙烯水解法，氯乙酰氯水解法，醋酸氯化法。三氯乙烯水解法三氯乙烯水解法為歐洲各國所采用，它是將三氯乙烯與質(zhì)量分?jǐn)?shù)74%的硫酸在進(jìn)行水解反應(yīng):公式（1-1）反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)蒸餾冷卻，即得一氯乙酸產(chǎn)品。此法的優(yōu)點(diǎn)是收率（87%～92%）及產(chǎn)品純度（99%）高，缺點(diǎn)是原料消耗大、生產(chǎn)成本高。我國因三氯乙烯原料短缺，至今無廠家采用這種方法。氯乙酰氯水解法公式（1-2）該法也有收率高、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)。但我國氯乙酰氯是采用氯乙酸氯化法生產(chǎn)的，所以法生產(chǎn)氯乙酸無實(shí)際意義。醋酸氯化法醋酸氯化法是以冰醋酸為原料，在催化劑存在下于80～110℃通氯氯化:公式（1-3）氯化液經(jīng)冷卻、結(jié)晶、過濾除去母液，得到一氯乙酸產(chǎn)品。該法雖然收率低、副產(chǎn)物多、產(chǎn)品質(zhì)量差，但因其工藝成熟、流程短、投資少、操作簡單，被北美和我國眾多廠家廣泛采用。目前，世界上生產(chǎn)氯乙酸的主要國家有德國、荷蘭、日本和美國。其中，德國的HoechstAG公司是目前世界上最大的氯乙酸制造廠，年生產(chǎn)能力達(dá)到11萬噸。按照催化劑不同，醋酸催化劑氯化法分為硫黃催化氯化法和醋酐催化氯化法，化學(xué)反應(yīng)式如下：主反應(yīng)：公式（1-4）副反應(yīng)：公式（1-5）⑴硫黃催化氯化法該法是用氯氣直接氯化醋酸，用硫黃為催化劑，采用間歇式生產(chǎn)，工業(yè)生產(chǎn)常在主反應(yīng)釜后再串聯(lián)一個(gè)副反應(yīng)釜，用來吸收未反應(yīng)完的氯氣，以提高原料的利用率，生產(chǎn)過程分為氯化、結(jié)晶、抽濾等步驟。氯化液中除了主產(chǎn)物一氯乙酸外，還有二氯代、三氯代產(chǎn)物、乙酰氯以及未反應(yīng)完的冰醋酸，需要通過結(jié)晶法進(jìn)行提純。國內(nèi)自20世紀(jì)50年代引入硫黃法生產(chǎn)氯乙酸，一直應(yīng)用至今，尤其生產(chǎn)規(guī)模在1萬t/a以下的裝置多采用此法，而在國外該法已經(jīng)淘汰。該法生產(chǎn)工藝簡便、操作靈活、設(shè)備投資少，但原料消耗高、生產(chǎn)周期長、成本高、污染嚴(yán)重，產(chǎn)品純度在94%~97%，不能生產(chǎn)99%以上高純度產(chǎn)品。催化劑硫黃粉存在產(chǎn)品氯乙酸和副產(chǎn)鹽酸中，有時(shí)還造成管道設(shè)備堵塞，生產(chǎn)不能正常進(jìn)行，由于殘硫的存在，該法生產(chǎn)的氯乙酸在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用受到限制。在結(jié)晶提純過程中不可避免要產(chǎn)生母液，工業(yè)上每生產(chǎn)1t氯乙酸產(chǎn)品將排出母液0.15~0.25t,母液中含醋酸10%~30%，氯乙酸25%~35%，二氯乙酸30%~40%，三氯乙酸、乙酰氯等其它雜質(zhì)5%~10%。母液回收處理成本較高，有些小化工企業(yè)甚至不經(jīng)處理直接排放，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。⑵醋酐催化氯化法根據(jù)生產(chǎn)過程不同，可分為間歇法和連續(xù)法，兩種方法在國內(nèi)外都有采用。①間歇法生產(chǎn)工藝與硫黃法類似，使用醋酐做催化劑，采用主、副兩釜串聯(lián)，主要工序同樣包括氯化、結(jié)晶、抽濾等過程。采用醋酐代替硫黃，使得產(chǎn)品純度提高，結(jié)晶過程如果采用動態(tài)熔融結(jié)晶技術(shù)（瑞士蘇爾壽專利），產(chǎn)品純度可達(dá)到99%，但仍有母液生成。②連續(xù)法國內(nèi)目前只有阿克蘇諾貝爾在江蘇泰興投資的6萬t裝置采用此法，氯化采用連續(xù)反應(yīng)器，出來的反應(yīng)液經(jīng)過在鈀碳催化劑存在下選擇性加氫，將二氯代、三氯代產(chǎn)物還原為氯乙酸和冰醋酸，然后精餾提純。整個(gè)生產(chǎn)過程分為氯化、加氫還原、精餾、冷卻結(jié)片四個(gè)主要工序，產(chǎn)品純度可達(dá)99.9%。由于采用加氫還原和精餾相組合的提純過程替代結(jié)晶法，完全避免了母液的生成。1.1.4新技術(shù)研究進(jìn)展[10]氯乙酸作為一種傳統(tǒng)精細(xì)化工中間體產(chǎn)業(yè)，由于存在污染，盡管發(fā)達(dá)國家的生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)，但生產(chǎn)受到極大限制，近年來國外尤其是發(fā)達(dá)國家對氯乙酸新技術(shù)研究越來越少，但在國內(nèi)還有人在不斷進(jìn)行研究。連續(xù)法生產(chǎn)工藝的研究太原理工大學(xué)精細(xì)化工研究所在氯乙酸生產(chǎn)工藝的研究上居于領(lǐng)先地位，多年來，該研究所通過深入研究氯化反應(yīng)機(jī)理，改變反應(yīng)條件，控制副產(chǎn)物的生成，采用醋酐催化醋酸氯化法半連續(xù)化生產(chǎn)，中間產(chǎn)品氯化液中氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到93%~95%，副產(chǎn)物二氯乙酸生產(chǎn)量大大減少（為3%~5%），達(dá)到了國外同類技術(shù)的水平；結(jié)晶過程用高濃度結(jié)晶法，首次在國內(nèi)采用了連續(xù)離心分離技術(shù)，提高了分離效率，降低了工人的勞動強(qiáng)度，改善了勞動環(huán)境；采用氣相色譜法快速、準(zhǔn)確地監(jiān)控生產(chǎn)的全過程，生產(chǎn)更加穩(wěn)定。到目前為止，太原理工大學(xué)“醋酐催化氯化—連續(xù)離心分離生產(chǎn)氯乙酸工藝”在全國推廣的總生產(chǎn)能超過13萬t/a。太原理工大學(xué)在開發(fā)連續(xù)法生產(chǎn)工藝中也取得了一定進(jìn)展。在連續(xù)法工藝開發(fā)過程中要面臨兩個(gè)問題：首先是反應(yīng)選擇性問題，如果能夠開發(fā)一種催化體系，在氯化液中一氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%情況下，控制二氯乙酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.5%，就不需要結(jié)晶或加氫過程，只需精餾就可得到高純氯乙酸產(chǎn)品，降低生產(chǎn)成本和設(shè)備投資；其次是反應(yīng)速度問題，現(xiàn)有催化劑條件下，乙酸氯化反應(yīng)速度很慢，間歇過程中反應(yīng)周期在24h以上，若連續(xù)化生產(chǎn)，則所需裝置很大，建設(shè)資金很多。太原理工大學(xué)精細(xì)化工研究所開發(fā)的醋酐—超強(qiáng)酸催化體系在這兩方面都有重大突破，氯化液中氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于96%時(shí)，二氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.6%，反應(yīng)時(shí)間也縮短3~5h。氣泡降膜分步結(jié)晶技術(shù)的研究天津大學(xué)開發(fā)了與瑞士蘇爾壽動態(tài)熔融結(jié)晶技術(shù)類似的氣泡降膜分步結(jié)晶技術(shù)，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)氯乙酸反應(yīng)液純度為92%時(shí)經(jīng)4級操作，產(chǎn)品純度即可達(dá)到或超過99%，二氯乙酸含量小于0.5%。據(jù)報(bào)道，該技術(shù)已在山東某企業(yè)得到了工業(yè)化應(yīng)用。助催化和精餾法的研究江蘇索普集團(tuán)和中科院化學(xué)研究所開展了氯乙酸工藝及助催化劑的研究，小試和中試已完成。該工藝以強(qiáng)酸型離子交換樹脂為助催化劑，反應(yīng)10h，一氯乙酸收率達(dá)到80%，二氯乙酸在氯化液中的含量不超過3%。江蘇工業(yè)學(xué)院精細(xì)化工研究所采用反應(yīng)精餾法，以濃硫酸為助催化劑，連續(xù)化合成高純度氯乙酸，嚴(yán)格控制氯化深度，產(chǎn)品氯乙酸純度99%。1.2二氯乙酸的概述1.2.1二氯乙酸概念二氯乙酸，又名二氯醋酸，結(jié)構(gòu)簡式為Cl2CHCOOH，為醋酸中甲基為醋酸中甲基的兩個(gè)氫原子被氯原子取代的產(chǎn)物，相對分子質(zhì)量128.95，英文名稱為Dichloroaceticacid。二氯乙酸為無色液體，有刺鼻氣味，易溶于水、乙醇、乙醚，主要用于有機(jī)合成和藥物制造等，如：合成乙醛酸、二氯乙酸甲酯及醫(yī)藥合霉素、氯霉素等。1.2.2二氯乙酸的生產(chǎn)方法一種生產(chǎn)二氯乙酸的方法[11]，其特征在于是利用氯乙酸生產(chǎn)的副產(chǎn)母液為原料，經(jīng)蒸餾將母液中的含的乙酸等低沸點(diǎn)物質(zhì)分出，然后將上述蒸過的母液降溫、結(jié)晶、過濾出氯乙酸晶體，并得到主要含氯乙酸、二氯乙酸的混合液體，稱為二次母液，其二次母液的成分為氯乙酸30~35%，二氯乙酸60~65%，其它2~5%，將二次母液用碳酸鈉水溶液中和至pH為7.0~10.0，在中和液中再加入一定量的硫脲，其硫脲的摩爾量與氯乙酸的摩爾量之比為0.9~1.1:1，同時(shí)在60~85℃下反應(yīng)，加入的硫脲與氯乙酸鈉反應(yīng)生成假硫脲基乙酸白色沉淀，經(jīng)過濾、水洗、抽干，用于生產(chǎn)胍和巰基乙酸銨，同時(shí)得到主要含NaCl和二氯乙酸鈉，其次含有少量未反應(yīng)氯乙酸鈉，三氯乙酸鈉及少量的硫脲的濾液，繼而再將所有濾液用濃硫酸酸化，用乙酸乙酯萃取，用精餾柱先常壓后減壓最后在P=20~100mmKg下將二氯乙酸全部蒸出。1.3氯乙酸與二氯乙酸的分離氯乙酸（一氯乙酸，MCA）是用途極其廣泛的有機(jī)化工中間體，衍生物有數(shù)百種，廣泛用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、日用化學(xué)品等行業(yè)。乙酸催化氯化制備氯乙酸的過程中，一氯乙酸生成的同時(shí)也生產(chǎn)了大量的副產(chǎn)物二氯乙酸，不僅增加了原料消耗，而且由于副產(chǎn)物二氯乙酸和產(chǎn)品一氯乙酸性質(zhì)極為相似，分離十分困難，加之二氯乙酸的用途很少，該副產(chǎn)物的大量囤積不僅造成資金和設(shè)備的巨大浪費(fèi)，也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。氯乙酸與二氯乙酸的分離具有多種方法，如：加氫脫氯還原生產(chǎn)氯乙酸法、共沸蒸餾處理法、生成巰基乙酸和二氯乙酸法等。1.3.1加氫脫氯還原生產(chǎn)氯乙酸法[12]反應(yīng)式：公式（1-6）將母液在110~145℃下通過氫化催化劑，導(dǎo)入氫氣進(jìn)行加氫脫氯反應(yīng)，母液中的二氯乙酸及三氯乙酸將被還原成氯乙酸，將氫化后產(chǎn)物蒸餾，分離出醋酸成分后，再經(jīng)結(jié)晶可得純度99.7%用加氫脫氯法處理母液的成本過高，因?yàn)榇呋瘎┖馨嘿F，而且還需消耗一定量的氫氣。不如將醋酸氯化液（氯化液中含氯乙酸85%，二氯乙酸6~10%，醋酸及氯化硫等中間體5~10%）按上工藝進(jìn)行加氫脫氯處理，二氯乙酸將全部轉(zhuǎn)化成氯乙酸，經(jīng)結(jié)晶、分離，所得的濾液主要含醋酸、氯乙酸、氯化硫中間體，可作為氯化原料用。所得結(jié)晶體中氯乙酸含量可達(dá)99%以上，氯乙酸產(chǎn)品的質(zhì)量大有提高，這樣可完全消除氯乙酸母液的產(chǎn)生，也適合氯堿化工企業(yè)有大量富余氫氣的實(shí)際。1.3.2共沸蒸餾處理法[13]將母液蒸餾脫除乙酸低沸物后，加入共沸劑（可用癸烷、正十一烷、正十二烷或溴烷），在一定的壓力及溫度下，烷烴與氯乙酸形成共沸物被蒸出，經(jīng)冷凝、靜置后分為兩層（保持溫度在60℃以上可防止氯乙酸過早結(jié)晶析出），分離下層氯乙酸后，烷烴可重復(fù)使用，直到本批物料中的氯乙酸被蒸完為止。繼續(xù)蒸出烷烴，蒸完后，最后蒸出二氯乙酸餾分。釜底剩少量高沸物棄去。用共沸蒸餾法處理母液可得到氯乙酸、二氯乙酸、乙酸產(chǎn)品。其實(shí)，用共沸蒸餾工藝按本法處理醋酸氯化液，可分別得到醋酸、氯乙酸和二氯乙酸產(chǎn)品，不會產(chǎn)生氯乙酸母液，效果更好，更適宜于在生產(chǎn)中使用[14]。1.3.3生成巰基乙酸和二氯乙酸法巰基乙酸又稱硫代乙醇酸，結(jié)構(gòu)式為HSCH2COOH，其銨鹽是常用的冷燙劑；此外，巰基乙酸還可用作脫毛劑、聚氯乙烯穩(wěn)定劑、金屬表面處理劑、纖維改性劑及毛毯整理劑等等。母液經(jīng)蒸餾除去乙酸組分后，加入飽和碳酸鈉溶液中和，加入適量的硫代硫酸鈉（與氯乙酸量比為0.9~1.2:1），在60~100℃下攪拌反應(yīng)數(shù)小時(shí)，冷卻到40℃以下，加鹽酸調(diào)pH在1以下，加入乙酸乙酯萃取2~3次，將萃取液減壓蒸出乙酸乙酯后可得純度為97%的二氯乙酸；剩余的反應(yīng)液加熱回流數(shù)小時(shí)，水解完全后在60~這種處理工藝?yán)寐纫宜崤c二氯乙酸的化學(xué)性質(zhì)差異，將氯乙酸轉(zhuǎn)化為巰基乙酸產(chǎn)品，并用萃取分離法將二氯乙酸分離出來，具有原料價(jià)廉易得，產(chǎn)品成本低，工藝路線短，設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)。1.4AspenPlus系統(tǒng)模擬軟件1.4.1AspenPlus模擬軟件發(fā)展簡史AspenPlus模擬軟件是美國能源部于70年代后期委托麻省理工學(xué)院研制開發(fā)的，1979年投入使用，1981年專門成立了一家公司繼續(xù)開發(fā)與完善這套軟件，從1982年的第1版，現(xiàn)在己發(fā)展到第12版。這套系統(tǒng)功能齊全，規(guī)模龐大，可應(yīng)用于化工、煉油、石油化工、氣體加工、煤炭、醫(yī)藥、冶金、環(huán)境保護(hù)、動力、節(jié)能、食品等許多工業(yè)領(lǐng)域，目前己在全世界范圍內(nèi)廣泛使用。我國自19831.4.2AspenPlus模擬軟件的特點(diǎn)本工作所用的是AspenPlus模擬軟件，其主要的特點(diǎn)是(1)由于AspenPlus的開發(fā)者采用了先進(jìn)的PLEX數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概念，使得AspenPlus的系統(tǒng)模擬排除了任何事先確定的空間維數(shù)限制，也就是說沒有最大的流股數(shù)、最多的組分?jǐn)?shù)、最多模塊數(shù)或最大塔的理論級數(shù)的限制。這樣在硬件(計(jì)算機(jī)容量速度等)的許可范圍內(nèi)，AspenPlus可以模擬任意單元模塊系統(tǒng)。(2)作為AspenPlus主體的流程模擬功能強(qiáng)大，在線的靈敏度分析、工況研究、最優(yōu)化計(jì)算等功能對于研究裝置的運(yùn)行情況進(jìn)而改善操作條件，達(dá)到穩(wěn)定、節(jié)能、降耗的目的極為有效。(3)應(yīng)有物系范圍廣，從理想狀態(tài)到極性(含共沸物、汽相締合)物系，都有針對性的狀態(tài)方程處理。從物質(zhì)種類的覆蓋面角度看，其特點(diǎn)是具有固定的物性體系及電解質(zhì)溶液物性體系。前者把13種最典型的美國煤的物性列成數(shù)據(jù)表，后者則己初步建成電解質(zhì)物性數(shù)據(jù)庫，并有自行開發(fā)的一套估算方程來估算任意T、P、X下的混合物特性。它的物性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按使用復(fù)雜程度分為四種水平：第一級水平使用者不必管物性計(jì)算；第二級水平用戶用內(nèi)裝的各種物性模型估算組合選擇自己需要的一套現(xiàn)成的選擇集；第三級水平用戶用內(nèi)裝的各種物性計(jì)算模型，用戶自己建立一個(gè)物性選擇集；第四級水平用戶重新自己開發(fā)一個(gè)物性估算模型來代替一個(gè)內(nèi)裝模型。(4)單元操作模塊種類豐富，AspenPlus擁有固體物料單元操作模塊(如旋風(fēng)分離器，電除塵器、文氏管洗滌器等)，還有反應(yīng)器模塊和基于內(nèi)圈一外圈算法的先進(jìn)的分離級操作計(jì)算模塊(RADFARC)及多塔計(jì)算MULTIFRAC模塊等。模型計(jì)算、流程算法先進(jìn)，很少發(fā)生不收斂的情況。(5)外界程序接口多，如數(shù)據(jù)庫有DECHEMA(前西德的一個(gè)權(quán)威數(shù)據(jù)庫)接口、換熱器及換熱網(wǎng)絡(luò)有ADVENT(ASPENTECH公司，專用于計(jì)算換熱器及換熱網(wǎng)絡(luò)的軟件包)接口，成本估算系統(tǒng)有PDO$(美國，成套和單價(jià)報(bào)價(jià)服務(wù)系統(tǒng))接口等。通過這些接口用戶可以開展進(jìn)一步的過程設(shè)計(jì)、開發(fā)工作。(6)人機(jī)界面友好利用ModelManager可以在微機(jī)上方便的進(jìn)行文件的組織，交互式運(yùn)行方式可以使用戶在線千預(yù)和修改流程計(jì)算，極大的方便了用戶的計(jì)算和開發(fā)工作。AspenPlus在科研開發(fā)、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造各個(gè)階段均有廣泛的應(yīng)用。在科研開發(fā)上用此軟件可以減少中試層次及試驗(yàn)量，加速產(chǎn)品上市過程；在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用此軟件可以快速篩選各種替代流程方案，迅速確定物料及能量衡算，自動形成PID圖；在生產(chǎn)中使用它可以模擬診斷生產(chǎn)裝置不正常運(yùn)行工況、優(yōu)化操作參數(shù)、節(jié)能降耗，也可以標(biāo)定生產(chǎn)流程各部位的能力，找出“瓶頸”位及增產(chǎn)方案。1.5本論文的研究內(nèi)容和意義乙酸催化氯化制備氯乙酸的過程中，一氯乙酸生成的同時(shí)也生產(chǎn)了大量的副產(chǎn)物二氯乙酸，不僅增加了原料消耗，而且由于副產(chǎn)物二氯乙酸和產(chǎn)品一氯乙酸性質(zhì)極為相似，分離十分困難，加之二氯乙酸的用途很少，該副產(chǎn)物的大量囤積不僅造成資金和設(shè)備的巨大浪費(fèi)，也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。本論文對氯乙酸與二氯乙酸混合物分離進(jìn)行研究。

2氯乙酸與二氯乙酸混合物的分離工藝2.1分離工藝的條件確定2.1.1分離初始條件和要求本工藝是對氯乙酸與二氯乙酸混合物進(jìn)行分離，該混合物中氯乙酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%，二氯乙酸為55%?；旌衔锏奶幚砹繛?000kg/hr,飽和液體進(jìn)料，在連續(xù)精餾塔中進(jìn)行分離。對混合物分離得到產(chǎn)品的質(zhì)量要求為：塔頂餾出液中含二氯乙酸不大于5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），塔底餾出液中含二氯乙酸不低于95%。2.1.2組分分析氯乙酸氯乙酸分子式為CH2ClCOOH，分子量94.49，稱為chloroaceticacid，又可稱為monochloroaceticacid。氯乙酸為無色晶體，有潮解性。易溶于水、乙醇、乙醚、氯仿、二硫化碳。其主要的物理性質(zhì)如表2-1所示。表2-1氯乙酸的物理性質(zhì)性質(zhì)單位數(shù)值性質(zhì)單位數(shù)值熔點(diǎn)℃61-63沸點(diǎn)℃188相對密度（水=1）1.58（20/20℃）相對蒸氣密度(空氣=1)3.26飽和蒸氣壓kPa0.67(71.5℃)引燃溫度℃>500二氯乙酸二氯乙酸分子式為Cl2CHCOOH，分子量128.95，稱為Dichloroaceticacid。二氯乙酸為無色液體，有刺鼻性氣味。易溶于水、乙醇、乙醚。其主要的物理性質(zhì)如表2-2所示。表2-2二氯乙酸的物理性質(zhì)性質(zhì)單位數(shù)值性質(zhì)單位數(shù)值熔點(diǎn)℃9-11沸點(diǎn)℃194相對密度（水=1）1.56相對密度(空氣=1)4.45飽和蒸氣壓kPa0.13閃點(diǎn)℃>1102.1.3分離難易程度分析蒸餾操作通常在一定的外壓下進(jìn)行，溶液的平衡溫度隨組成而變。溶液的平衡溫度-組成圖是分析蒸餾原理的理論基礎(chǔ)。氯乙酸與二氯乙酸混合液的T-X-Y圖在總壓為101.325kPa下，氯乙酸-二氯乙酸混合液的平衡溫度-組成圖如圖2-1所示。圖2-1氯乙酸-二氯乙酸混合液的T-X-Y圖在總壓為20kPa下，氯乙酸-二氯乙酸混合液的平衡溫度-組成圖如圖2-2所示。圖2-2氯乙酸-二氯乙酸混合液的T-X-Y圖氯乙酸與二氯乙酸混合液的x-y圖蒸餾計(jì)算中，經(jīng)常應(yīng)用一定外壓下的x-y圖。圖2-3為氯乙酸與二氯乙酸混合液在p=101.325kPa下的x-y圖。圖2-4為氯乙酸與二氯乙酸混合液在p=20kPa下的x-y圖。圖2-3中以x為橫坐標(biāo)，y為縱坐標(biāo)，曲線表示液相組成和與之平衡的氣相組成間的關(guān)系。對于大多數(shù)溶液，兩相達(dá)到平衡時(shí)，y總是大于x，故平衡線位于對角線上方，平衡線偏離對角線越遠(yuǎn)，表示該溶液越易分離。從圖2-3可得出，氯乙酸與二氯乙酸不是很容易分離出來，所以采取減壓分離。圖2-3氯乙酸-二氯乙酸混合液的x-y圖由上面的圖表可以得出，氯乙酸與二氯乙酸的分離很困難。但是，可以采取減壓的方法進(jìn)行精餾。2.1.3氯乙酸與二氯乙酸混合液的分離過程流程圖氯乙酸與二氯乙酸混合液的分離過程流程圖見圖2-5所示。圖2-4氯乙酸與二氯乙酸混合液的分離過程流程圖2.2工藝參數(shù)的估算2.2.1AspenPlus在AspenPlus軟件中關(guān)于精餾的模塊有：1．簡捷法模型，它包括DISTL(簡法精餾核算模型)、DSTWU(簡法精餾設(shè)計(jì)模型)、SCFRAC(分餾塔的設(shè)計(jì)與核算簡捷算法)。其中在使用DSTWU模型時(shí)要給出:(1)進(jìn)料組成、相數(shù)、壓力及進(jìn)料溫度。(2)塔板數(shù)或回流比、輕重關(guān)鍵組分的回收率和再沸器、冷凝器的壓力。2．嚴(yán)格模型RADFRAC(精餾的核算與設(shè)計(jì))和MULTIFPRAC(多塔蒸餾系統(tǒng))。其中RADFRAC是一個(gè)有關(guān)普通蒸餾、吸收、再沸吸收、萃取、再沸萃取、萃取精餾和共沸精餾等流程模擬的嚴(yán)格模型。它可用于兩相(氣一液)計(jì)算和三相(氣一液一液)計(jì)算。其構(gòu)成包括任意組輸入，任意組側(cè)線，任意組加熱器(或熱流)。下圖2-6為嚴(yán)格計(jì)算的模型圖。圖2-6嚴(yán)格計(jì)算的模型圖作一個(gè)精餾模擬的嚴(yán)格計(jì)算必須確定以下條件:(a)進(jìn)料性質(zhì)（包括進(jìn)料的組成、溫度、壓力、進(jìn)料量、相數(shù)等）和進(jìn)料位置；(b)出料性質(zhì)（包括壓力、溫度等）和位置；(c)塔的性質(zhì)。如塔板數(shù)、塔的壓力分布、R(回流比)和D/F(采出率)。在使用RADFRAC時(shí)，有近百個(gè)活度系數(shù)方程可供選擇，其中包括常用的WILSON,NRTL,VANLAAR和UNIQUAC方程。使用者可以根據(jù)不同的物系選取不同的方程，同時(shí)也為同一物系采用不同方程進(jìn)行模擬比較提供了條件。2.2.2精餾塔工藝參數(shù)的估算首先采用DSTWU模型進(jìn)行精餾塔的初算，然后依據(jù)初算結(jié)果采用RADFRAC模型進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算。精餾塔的簡捷計(jì)算本例選擇DSTWU簡捷精餾計(jì)算模型。DSTWU可對一個(gè)帶有分凝器或全凝器一股進(jìn)料和兩種產(chǎn)品的蒸餾塔進(jìn)行簡捷精餾計(jì)算。DSTWU假設(shè)恒定的摩爾溢流量和恒定的相對揮發(fā)度。簡捷計(jì)算時(shí)設(shè)定參數(shù)：原料液于泡點(diǎn)下進(jìn)入塔內(nèi)，操作壓力為80kPa,進(jìn)料組成：氯乙酸為45%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），二氯乙酸為55%?？偭髁繛?000kg/hr，塔頂餾出液中含二氯乙酸不大于5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），塔底餾出液中含二氯乙酸不低于95%?；疃认禂?shù)方程選用NRTL-RK方程。從而得出適宜的模擬結(jié)果見表2-3。表2-3簡捷計(jì)算所得的適宜參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)值最小回流比12.86實(shí)際回流比19.63最小理論板數(shù)44.26實(shí)際理論板數(shù)66進(jìn)料位置（從上而下）32.93塔頂溫度/℃185.09塔釜溫度/℃189.6精餾塔的嚴(yán)格計(jì)算以簡捷計(jì)算的模擬結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，調(diào)整設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)，得到能滿足分離要求時(shí)各參數(shù)的變化范圍。（1）下面為氯乙酸與二氯乙酸混合液在p=80kPa時(shí)的數(shù)據(jù)，見表2-4，其中較適宜的模擬結(jié)果如表2-5和表2-6所示。表2-4精餾塔操作參數(shù)的變化范圍項(xiàng)目精餾塔理論塔板數(shù)（塊）63~68原料進(jìn)料位置（自上而下）32~35操作壓力/kPa80采出率0.484~0.487進(jìn)料溫度/℃190操作回流比R10~25表2-5精餾塔適宜的關(guān)鍵參數(shù)值項(xiàng)目精餾塔理論塔板數(shù)（塊）66原料進(jìn)料位置（自上而下）34采出率0.4857操作壓力/kPa80進(jìn)料溫度/℃190操作回流比R20表2-6精餾塔物料組成表項(xiàng)目各流股組成/%（wt）進(jìn)料餾出液釜液氯乙酸45973二氯乙酸55397合計(jì)100100100通過嚴(yán)格計(jì)算模擬精餾塔操作，得出了一些關(guān)于精餾塔塔板溫度、物料組成與精餾塔塔板數(shù)量的關(guān)系，如圖2-7、圖2-8所示。圖2-7精餾塔塔板溫度與塔板數(shù)的關(guān)系由圖2-7可以看出，精餾塔塔板溫度隨著塔板位置的增加（由上向下數(shù)）而逐漸變大。但是，溫度變化不是特別的大。圖2-8精餾塔物料組成與塔板數(shù)的關(guān)系從圖2-8可以看出，隨著塔板位置的增加（由上向下數(shù)），精餾塔塔板上氯乙酸的含量逐漸減少，而二氯乙酸的含量逐漸增大。當(dāng)處于第35塊塔板時(shí)，塔板上的氯乙酸與二氯乙酸的含量基本達(dá)到相等。（2）下面為氯乙酸與二氯乙酸混合液在p=20kPa時(shí)的數(shù)據(jù)，見表2-7，其中較適宜的模擬結(jié)果如表2-8和表2-9所示。表2-7精餾塔操作參數(shù)的變化范圍項(xiàng)目精餾塔理論塔板數(shù)（塊）58~62原料進(jìn)料位置（自上而下）28~32操作壓力/kPa20采出率0.484~0.487進(jìn)料溫度/℃190操作回流比R15~20表2-8精餾塔適宜的關(guān)鍵參數(shù)值項(xiàng)目精餾塔理論塔板數(shù)（塊）60原料進(jìn)料位置（自上而下）30采出率0.4857操作壓力/kPa20進(jìn)料溫度/℃190操作回流比R20表2-9精餾塔物料組成表項(xiàng)目各流股組成/%（wt）進(jìn)料餾出液釜液氯乙酸458120二氯乙酸551980合計(jì)100100100通過嚴(yán)格計(jì)算模擬精餾塔操作，得出了一些關(guān)于精餾塔塔板溫度、物料組成與精餾塔塔板數(shù)量的關(guān)系，如圖2-9、圖2-10所示。圖2-9精餾塔塔板溫度與塔板數(shù)的關(guān)系由圖2-9可以看出，精餾塔塔板溫度隨著塔板位置的增加（由上向下數(shù)）而逐漸變大。但是，溫度變化不是特別的大。圖2-10精餾塔物料組成與塔板數(shù)的關(guān)系從圖2-10可以看出，隨著塔板位置的增加（由上向下數(shù)），精餾塔塔板上氯乙酸的含量逐漸減少，而二氯乙酸的含量逐漸增大。當(dāng)處于第30塊塔板時(shí)，塔板上的氯乙酸與二氯乙酸的含量基本達(dá)到相等。

3模擬結(jié)果分析進(jìn)行模擬研究的重點(diǎn)主要是在保證分離效果的前提下，分析進(jìn)料板的位置能否優(yōu)化、能否降低回流以及最大生產(chǎn)能力能否提高。針對這樣的目的，可以對其進(jìn)行模擬分析，找出優(yōu)化條件。根據(jù)產(chǎn)品純度要求進(jìn)行優(yōu)化處理。3.1靈敏度分析進(jìn)行回流比、進(jìn)料位置是運(yùn)用AspenPlus軟件中的靈敏度分析工具；給定某一操作變量和若干的目標(biāo)變量，并設(shè)定操作變量的變動規(guī)律，通過計(jì)算來考察目標(biāo)變量隨著操作變量的變化趨勢，以便于找出最優(yōu)化條件。而實(shí)行優(yōu)化的過程應(yīng)該是先對進(jìn)料位置進(jìn)行分析，因?yàn)樵诒３址蛛x效果一定的情況下，最佳進(jìn)料位置對應(yīng)的才是最小回流比。在塔板數(shù)和進(jìn)料位置不變的條件下，減少回流比會使得產(chǎn)品質(zhì)量下降；增大回流比會使得產(chǎn)品質(zhì)量上升，但是會使得塔頂冷凝量和塔釜加熱量的增加(或者產(chǎn)量的減少)，因此控制合適的回流比是至關(guān)重要的。影響精餾的主要因素還有壓力和溫度。下面討論都是P=90kPa時(shí)的情況。3.1.1精餾塔分析進(jìn)料位置分析對于精餾塔，塔頂出料中的氯乙酸含量可以作為衡量塔分離效果的指標(biāo)。工業(yè)進(jìn)料為第二塊板（第一塊板為冷凝器），利用AspenPlus軟件對精餾塔進(jìn)料板位置進(jìn)行靈敏度分析的結(jié)果如下表3-1所示。其中，x為物流D的氯乙酸的摩爾含量；TOP和BOT分別為塔頂冷凝器和塔釜再沸器的溫度（K）；CDUTY為冷凝器換熱量（W），RDUTY為再沸器換熱量（W）。表3-1精餾塔進(jìn)料板靈敏度分析進(jìn)料位置xTOPBOTCDUTYRDUTY20.830459.18464.45-859136185854748.60.900458.87464.48-8016211801053215.30.936458.71464.64-7899196789353325.20.965458.58464.69-7739954773434731.80.970458.56464.71-7253795724819535.10.970458.56464.71-7034360702876038.40.970458.56464.71-6992847698724641.70.9707458.56464.71-7214075720847445.10.970458.56464.71-7623933761833148.40.968458.56464.69-7698924769332655.00.964458.58464.54-7446151744058658.30.958458.61464.44-72881217282573650.930458.73464.05-66108236605361分析精餾塔的進(jìn)料位置對分離效果和熱負(fù)荷的影響見圖3-1、圖3-2和圖3-3。圖3-1精餾塔進(jìn)料板靈敏度分析從表3-1和圖3-1中可以看出，隨著進(jìn)料板位置下移（由上向下數(shù)，下同），塔頂氯乙酸含量變化不規(guī)則。剛開始時(shí)，隨著進(jìn)料板位置的下移，塔頂氯乙酸含量快速增加，后逐漸趨于平緩。當(dāng)進(jìn)料板位置為第28塊塔板時(shí)，塔頂氯乙酸含量達(dá)到最大值。隨著進(jìn)料板位置繼續(xù)下移，塔頂氯乙酸含量基本保持同一值不變。當(dāng)進(jìn)料板位置超過46塊塔板時(shí)，塔頂氯乙酸含量開始緩慢下降。圖3-2進(jìn)料板位置對塔頂熱負(fù)荷的影響從圖3-2中可以看出，隨著進(jìn)料板位置下移，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷變化不規(guī)則，剛開始時(shí)快速下降。當(dāng)進(jìn)料板位置為第8塊塔板之后，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷就趨于緩慢下降。直到進(jìn)料板位置達(dá)到第28塊塔板后，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷就快速下降。當(dāng)進(jìn)料板位置為第36塊塔板時(shí)，達(dá)到最低值。隨后，塔頂冷凝器的熱負(fù)荷又繼續(xù)上升。當(dāng)進(jìn)料板位置超過第48塊塔板后，熱負(fù)荷又開始下降。圖3-3進(jìn)料板位置對塔釜熱負(fù)荷的影響從圖3-3中可以看出，隨著進(jìn)料板位置下移，精餾塔塔釜再沸器的熱負(fù)荷變化不規(guī)則，剛開始時(shí)快速下降。當(dāng)進(jìn)料板位置為第8塊塔板之后，精餾塔塔釜再沸器的熱負(fù)荷就趨于緩慢下降。直到進(jìn)料板位置達(dá)到第28塊塔板后，精餾塔塔釜再沸器的熱負(fù)荷就快速下降。當(dāng)進(jìn)料板位置為第38塊塔板時(shí)，達(dá)到最低值。隨后，塔釜再沸器的熱負(fù)荷又繼續(xù)上升。當(dāng)進(jìn)料板位置超過第48塊塔板后，熱負(fù)荷又開始下降。因此，綜上所有的因素，在保證塔頂出來純度的前提下，選擇在第34塊塔板進(jìn)料時(shí)合適的?；亓鞅确治鼋o定進(jìn)料位置在第34塊塔板，做回流比對出料的氯乙酸摩爾分率的靈敏度分析，其中，CDUTY為冷凝器換熱量（w），RDUTY為再沸器換熱量（w），分析結(jié)果如下表3-2所示：表3-2精餾塔回流比靈敏度分析回流比xCDUTYRDUTY100.97036874-7086814.57081213.8812.22222220.97036878-7086813.47081212.76150.97036892-7086864.17081263.5317.22222220.97036867-7086802.87081202.1919.44444440.97036878-7086813.6708121321.66666670.97036878-7086813.47081212.8123.88888890.97036878-7086813.47081212.82分析精餾塔回流比對分離效果和熱負(fù)荷的影響見圖3-4、圖3-5和圖3-6。圖3-4精餾塔回流比靈敏度分析從表3-2和圖3-4可以看出，隨著回流比的增大，塔頂氯乙酸的含量先保持不變。直到回流比增至11.2時(shí)，塔頂氯乙酸的含量才開始呈直線上升。當(dāng)回流比增加到12.2后，塔頂氯乙酸的含量又繼續(xù)保持不變。圖3-5回流比對塔頂熱負(fù)荷的影響從圖3-5可以看出，隨著回流比的增大，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷變化很小。剛開始時(shí)，隨著回流比的增大，冷凝器的熱負(fù)荷有所下降。當(dāng)回流比增大至11.2后，冷凝器的熱負(fù)荷就保持不變了。圖3-6回流比對塔釜熱負(fù)荷的影響從圖3-6可以看出，隨著回流比的增大，精餾塔塔釜再沸器的熱負(fù)荷變化很小。剛開始時(shí)，再沸器的熱負(fù)荷快速下降。當(dāng)回流比增至11.2后，再沸器的熱負(fù)荷開始上升。當(dāng)回流比增至12.3后，再沸器的熱負(fù)荷就開始保持平穩(wěn)了。因此，綜上所有的因素，在保證塔頂出來純度的前提下，選擇回流比為12時(shí)為合適的。3.1.2系統(tǒng)壓力靈敏度分析通常來說壓力升高，所需要的冷卻量就相應(yīng)減少。但是壓力太高對操作不利，為達(dá)到分離效果，必須增加設(shè)備投資。因此通過改變精餾塔的壓力，以考察壓力對精餾效果的影響程度。對精餾塔壓力作靈敏度分析，改變塔頂壓力對目標(biāo)變量的影響列于下表3-3，其中SATGE-PRES為精餾塔塔頂壓力(N/SQM)，TOP和BOT分別為冷凝器和再沸器的溫度(K)，CDUTY為冷凝器換熱量(W)，RDUTY為再沸器換熱量(W)，x為精餾塔塔頂出料純度。表3-3精餾塔壓力靈敏度分析SATGE-PRESxTOPBOTCDUTYRDUTY700000.97036918450.196154456.611507-6847513.46826464.8671052.63160.97036875450.679104457.077756-6862101.96842034.6472105.26320.97036881451.159542457.540632-6874625.4685543373157.89470.97036881451.634292457.998387-6887132.76868805.5974210.52630.97036881452.103501458.451148-6899635.96882164.9275263.15790.97036881452.567314458.899036-6912135.46895511.5376315.78950.97036881453.025868459.342168-6924631.46908845.9177368.42110.97036881453.479298459.780656-6937124.36922168.5578421.05260.97036882453.92773460.214609-6949614.26935479.9480526.31580.97036886454.810087461.069328-6974595.16962079.4682631.57890.97036886455.673869461.907117-6999558.96988630.6983684.21050.97036886456.099066462.319896-7012038.37001892.6185789.47370.97036886456.936582463.133665-7036993.77028391.2787894.73680.97036886457.757566463.932265-7061946.27054859.1988947.36840.97036886458.162085464.326074-70744227068082.65900000.97036886458.562739464.716323-7086897.97081299.65分析精餾塔壓力對分離效果和熱負(fù)荷的影響見圖3-7、圖3-7和圖3-7。圖3-7精餾塔壓力靈敏度分析從表3-3和圖3-7可以看出，在其他操作條件不變的情況下，隨著壓力的上升，精餾塔塔頂出料的氯乙酸含量先快速下降，并且呈直線下降。當(dāng)壓力達(dá)到71000N/SQM后，精餾塔塔頂出料的氯乙酸含量緩慢上升。當(dāng)壓力達(dá)到72000N/SQM后，精餾塔塔頂出料的氯乙酸含量保持不變。當(dāng)壓力超過79500N/SQM后，精餾塔塔頂出料的氯乙酸含量又開始稍有上升。壓力超過80500N/SQM后，精餾塔塔頂出料的氯乙酸含量又開始保持不變。圖3-8精餾塔壓力對塔頂熱負(fù)荷的影響從圖3-8可以看出，在其他操作條件不變的情況下，隨著壓力的上升，精餾塔塔頂冷凝器熱負(fù)荷在增大，呈直線上升關(guān)系。圖3-9精餾塔壓力對塔釜熱負(fù)荷的影響從圖3-9可以看出，在其他操作條件不變的情況下，隨著壓力的上升，精餾塔塔釜再沸器熱負(fù)荷在增大，呈直線上升關(guān)系。因此，綜上所有的因素，在保證塔頂出來純度的前提下，一般將壓力控制在80-90kPa。3.1.3塔板數(shù)靈敏度分析對精餾塔塔板數(shù)作靈敏度分析，改變塔板數(shù)對目標(biāo)變量的影響列于下表3-4，其中NSTAGE為精餾塔塔板數(shù)，TOP和BOT分別為冷凝器和再沸器的溫(K)，CDUTY為冷凝器換熱量(W)，RDUTY為再沸器換熱量(W)，X為精餾塔塔頂出料純度。表3-4精餾塔塔板數(shù)靈敏度分析NSTAGEXTOPBOTCDUTYRDUTY200.75417379459.517908463.491265-6607725.36606402.6422.63157890.7792448459.405202463.575428-6607202.56605879.0827.89473680.81376006459.251403463.690514-66080346606731.5533.15789470.84329952459.120475463.769619-6608870.36603353.2638.42105260.89903359458.874877463.959321-6625484.16619998.0243.68421050.91973926458.783952464.299397-73083707302757.4548.94736840.94130802458.689425464.437949-7424259.47418684.0151.57894740.94908494458.65553464.518106-75249687519379.1156.84210530.95934996458.610769464.624156-7649595.17643995.8959.47368420.96270205458.596037464.658933-7687982.87682374.5264.73684210.97040886458.562493464.716608-7358897.67353294.71分析精餾塔塔板數(shù)對分離效果和熱負(fù)荷的影響見圖3-10、圖3-11和圖3-12。圖3-10精餾塔塔板數(shù)靈敏度分析從表3-4和圖3-10可以看出，在其他操作條件不變的情況下，隨著塔板數(shù)的增加，精餾塔塔頂出料氯乙酸濃度基本呈上升趨勢。隨著塔板數(shù)的增加，精餾塔塔頂出料氯乙酸濃度緩慢上升。當(dāng)塔板數(shù)達(dá)到41塊塔板后，精餾塔塔頂出料氯乙酸濃度保持不變。當(dāng)塔板數(shù)超過44塊塔板后，精餾塔塔頂出料氯乙酸濃度又開始繼續(xù)緩慢上升。塔釜溫度上升，而塔頂溫度卻在緩慢下降。圖3-11精餾塔塔板數(shù)對塔頂熱負(fù)荷的影響從圖3-11可以看出，在其他操作條件不變的情況下，隨著塔板數(shù)的增加，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷變化不規(guī)則。剛開始時(shí)，隨著塔板數(shù)的增加，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷保持不變。當(dāng)塔板數(shù)達(dá)到37塊塔板后，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷開始快速上升。當(dāng)塔板數(shù)達(dá)到44塊塔板后，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷有略微下降。但當(dāng)塔板數(shù)達(dá)到46塊塔板后，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷又開始緩慢上升。當(dāng)塔板數(shù)超過62塊塔板后，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷開始呈下降趨勢。隨后又趨于平穩(wěn)。圖3-12精餾塔塔板數(shù)對塔釜熱負(fù)荷的影響從圖3-12可以看出，在其他操作條件不變的情況下，隨著塔板數(shù)的增加，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷變化不規(guī)則。剛開始時(shí)，隨著塔板數(shù)的增加，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷保持不變。當(dāng)塔板數(shù)達(dá)到37塊塔板后，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷開始快速上升。當(dāng)塔板數(shù)達(dá)到44塊塔板后，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷有略微下降。但當(dāng)塔板數(shù)達(dá)到46塊塔板后，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷又開始緩慢上升。當(dāng)塔板數(shù)超過62塊塔板后，精餾塔塔頂冷凝器的熱負(fù)荷開始呈下降趨勢。隨后又趨于平穩(wěn)。因此，綜上所有的因素，在保證塔頂出來純度的前提下，一般選擇塔板數(shù)為66塊。3.2精餾塔尺寸的估算3.2.1塔高假如已知精餾塔的級數(shù)則計(jì)算其塔高非常的容易。塔盤之間的間距一般為2英尺（0.61m）。假如塔的級數(shù)為NT，則塔盤的數(shù)目為NT-2（一級是回流罐，另一級是再沸器）。除了塔盤之外，另外在塔頂要為回流管進(jìn)塔和塔進(jìn)料部分的進(jìn)料分布器留出空間，更為明顯的是，在塔底部還要留出空間，以滿足下列的兩個(gè)要求：（1）提供緩沖作用的持液量；（2）塔底液位高度必須比塔底泵高出足夠高度，以提供泵所需的汽蝕余量。因此，再設(shè)計(jì)的過程中塔的高度一般會按塔盤間距所要求的高度再給出20%的裕量。所以塔器的高度可以按下式估算：L=1.2×0.61×（NT-2）公式（3-1）在上述內(nèi)容中已經(jīng)求出塔的級數(shù)為65塊，所以可以由上述公式計(jì)算得出塔的高度為46.9m。3.2.2塔徑精餾塔的塔徑是由氣相的最大流速決定的，假如這個(gè)流速值超高，則塔的液相和氣相水力條件就會失效，塔也會發(fā)生液泛，可以通過可靠的關(guān)聯(lián)式來確定氣相的最大流速。對于非恒摩爾數(shù)溢流體系而言，各層他盤的氣相流量是均不相同的，氣相流量最大的塔盤將會確定塔的直徑。假如已知?dú)庀嗟馁|(zhì)量流量及氣相密度，則可以計(jì)算出氣相的體積流量。而后，假如已知最大許用速度，則可以計(jì)算出塔的截面面積。本文用的是ASPENPLUS來模擬塔的尺寸，采用的是篩板塔，ASPENPLUS可以便捷的確定塔盤的尺寸。模擬結(jié)果為：塔徑為2.12m。

4經(jīng)濟(jì)衡算4.1經(jīng)濟(jì)核算依據(jù)用于計(jì)算設(shè)備的資金消耗以及再沸器供熱能量消耗的方程式需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化計(jì)算。精餾塔系統(tǒng)中最主要的設(shè)備就是塔器（其高度L和直徑D，單位米），以及兩臺換熱器（冷凝器，換熱面積AC，單位米2；再沸器，換熱面積AR，單位米2）。其他較小設(shè)備，例如回流罐，很少在概念設(shè)計(jì)階段就值得注意的。塔盤的成本比起塔器和換熱器而言顯得很小，除非是使用了規(guī)整填料等昂貴的內(nèi)構(gòu)件。表4-1給出了經(jīng)濟(jì)核算參數(shù)值以及確定尺寸所用的關(guān)系式和參數(shù)。表4-1經(jīng)濟(jì)核算依據(jù)參數(shù)數(shù)值冷凝器傳熱系數(shù)0.852kW/K.m2溫差13.9K資本成本7296×(面積，m2)0.65再沸器傳熱系數(shù)0.568kW/K.m2溫差34.8K資本成本7296×(面積，m2)0.65塔器成本17640×(塔徑，m)1.066×(塔高，m)0.802能耗成本＄4.7/106kJTAC=資本成本/投資回收期+能耗成本投資回收期3年冷凝器和再沸器的熱量輸入已經(jīng)由模擬計(jì)算出來，換熱器各自的總傳熱系數(shù)和溫差推動力見表4-1所示。在再沸器中溫度差為34.8K。在冷凝器中，溫度差為13.9K。通過以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算出所需的換熱面積。4.2經(jīng)濟(jì)核算結(jié)果為了精餾塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)核算優(yōu)化的目的，經(jīng)常使用的比較簡單的目標(biāo)函數(shù)。將要用到的目標(biāo)函數(shù)是“全年總費(fèi)用”（totalannualcost,TAC）。如表4-1中所示，其測度既有能耗成本也有年度資金回收成本，其單位是＄/年。投資成本的單位是美元（＄），年度資本回收成本除以合適的投資回收期而得到的，其單位是＄/年。其總的經(jīng)濟(jì)核算結(jié)果如下表4-2所示。表4-2經(jīng)濟(jì)核算結(jié)果塔板數(shù)N65直徑D2.12高度L48.868回流比R12.5冷凝器熱負(fù)荷QC(w)7086813.4再沸器熱負(fù)荷QR(w)7081212.82冷凝器換熱面積AC(m2)598.4再沸器換熱面積AR(m2)358.24塔器成本(＄)889140換熱器成本(＄/y)1049571.7總資本成本(＄)799380總成本(＄)1688520TAC(＄/y)1612411.7從表4-2中可以看出，精餾塔的全年總費(fèi)用為1612411.7＄/y.

5結(jié)論1.本工作研究對氯乙酸與二氯乙酸混合物（氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41%）的分離，由于氯乙酸與二氯乙酸的性質(zhì)極其相似，很難將它們分離出來，所以對分離條件要求很高。故采用減壓精餾方法對其進(jìn)行分離。2.確定了精餾塔適宜的操作參數(shù)，以及對精餾過程的影響因素進(jìn)行了分析。在達(dá)到工藝分離要求（塔頂二氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于4%，塔釜二氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于96%）時(shí)，塔的適宜參數(shù)：理論板數(shù)為65塊時(shí)，原料進(jìn)料位置為第33塊理論板，回流比為12.5，塔頂采出率為0.4857kg/kg?；亓鞅葘s效果的影響為：隨著回流比的逐漸增大，分離效果出現(xiàn)先增大后保持不變的變化。3.對模擬結(jié)果做了一系列的靈敏度分析，使得我們可以得出哪些參數(shù)對精餾效果的影響程度。精餾塔的塔板進(jìn)料位置、回流比、系統(tǒng)壓力、塔板數(shù)都對精餾塔的精餾效果有影響。隨著進(jìn)料板位置下移，塔頂氯乙酸含量先增加、后下降，但冷凝器和再沸器的負(fù)荷先下降、再上升、后下降；回流比的改變對精餾塔的分離效果影響不大，對再沸器和冷凝器的換熱量影響也不大；在其他操作條件不變的情況下，隨著壓力的上升，精餾塔塔頂出料的氯乙酸先下降，后逐漸上升，但上升幅度不大，冷凝器和再沸器的負(fù)荷卻在以較大幅度減??；在其他操作條件不變的情況下，隨著塔板數(shù)的增加，精餾塔塔頂出料氯乙酸濃度也逐漸增加，冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷都在上升，塔釜溫度上升，而塔頂溫度卻在緩慢下降。參考文獻(xiàn)[1]施金昌.有機(jī)化工原料大全[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998.65~66.[2]EltonKMorris,WilliamWBakka.MonochloroaceticAcid[P].US:3152174.1960-04-21.[3]JosephA,SoniaandEricHScremin.MixtureofTrichloroaceticAcidDerivatives[P].US:2674620.1954-04-06.[4]BesanJanos,KovacsMiklos,KulcarLaszloet.al.JointSynthesisofChloroacetylChlorideandChloroaceticAcid[P].HU:29971.1984-02-28.[5]Spazianteplacido,SioliGiancarlo,GiuffreLuigi[P].GerOffen:2906069.1979-08-30.[6]ShowaAcetylChemicalCo,Ltd.MonochloroaceticAcid[P].JP:58180453.1983-10-21.[7]DonaldJLoder.Halogen-substitutedAceticAcidssuchasChloroaceticAcid,andotherAceticAcidDerivatives[P].US:2298138.1942-10-06.[8]NovikovIN,KondratenkoVI,TsibulskayaGSet.al.MonochloroaceticAcid[P].SU:1004346.1983-03-15.[9]KnapsackGriesheimAG.ReductiveDehalogenationofHaloaceticAcid[P].Ger:910778.1954-05-06.[10]張翼鵬，馬劍飛.氯乙酸的生產(chǎn)工藝、研究進(jìn)展及市場分析[J].河南化工，2010,17（3）:25~27[11]呂志平，李福祥，薛建偉等.一種生產(chǎn)二氯乙酸的方法[P].中國：95118576.4，1996-08-21[12]周學(xué)永.氯乙酸母液回收利用技術(shù)[J].黎明化工，1990，(3)：49~53[13]KochJr.,FranklinO.(Edelstein,IL)Lull,DonaldE.(Peoria,IL).Clutchwithcoolantcut-offvalve[P].[14]周學(xué)永.醋酸氯化液處理新工[J].寧夏化工，1991，(1)：39~40致謝非常感謝趙玉軍老師在我大學(xué)的最后學(xué)習(xí)階段——畢業(yè)設(shè)計(jì)階段給自己的指導(dǎo)，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改，到論文定稿，他給了我耐心的指導(dǎo)和無私的幫助。為了指導(dǎo)我們的畢業(yè)論文，他放棄了自己的休息時(shí)間，他的這種無私奉獻(xiàn)的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向他表示我誠摯的謝意。同時(shí)，感謝所有任課老師和所有同學(xué)在這兩年來給自己的指導(dǎo)和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學(xué)習(xí)，教會了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進(jìn)步，在此向他們表示我由衷的謝意，并祝所有的老師培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)秀人才，桃李滿天下!通過這一階段的努力，我的畢業(yè)論文《氯乙酸和二氯乙酸分離過程的模擬與優(yōu)化》終于完成了，這意味著大學(xué)生活即將結(jié)束。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵是分不開的。在本論文的寫作過程中，我的導(dǎo)師趙玉軍老師傾注了大量的心血，從選題到開題報(bào)告，從寫作提綱，到一遍又一遍地指出每稿中的具體問題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘，在此我表示衷心感謝。同時(shí)我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān)心我的同學(xué)和朋友。感謝各位老師的批評指導(dǎo)2013年5月于菏澤學(xué)院基于C8051F單片機(jī)直流電動機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動檢測儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號檢測儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測量儀的研制基于單片機(jī)的紅外測油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基