三种芳酸有机物固液相平衡的研究及PVA生产中回收工段的模拟与优化

发布时间：2017-07-17 00:20

  本文关键词：三种芳酸有机物固液相平衡的研究及PVA生产中回收工段的模拟与优化

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【摘要】：本文主要开展了三种芳酸有机物固-液相平衡的实验研究以及聚乙烯醇(PVA)生产中回收工段的模拟与优化两个方面的内容。芳酸有机物是一类极为重要的化工原料及医药中间体材料,广泛应用在了医药加工、染料生产、食品加工、杀菌剂及香料制备等领域。本文以对羟基苯甲酸,2,4-二羟基苯甲酸,对氨基水杨酸三种芳酸类固体有机物为研究对象,通过静态分析法分别测定了对羟基苯甲酸在10种纯溶剂中的溶解度,2,4-二羟基苯甲酸在9种纯溶剂和(乙醇十醋酸甲酯)混合溶剂中的溶解度,以及对氨基水杨酸在9种纯溶剂和(乙醇+苯)混合溶剂中的溶解度,分别绘制二元、三元体系的溶解度曲线,分析其溶解规律,并对混合溶剂的共溶效应以及溶解过程热力学进行了相关的分析与讨论。本文分别采用了三种简化方程模型(Van't Hoff模型、Apelblat模型、λh模型)和三种活度系数模型(NRTL模型、Wilson模型、UNIQUAC模型)对目标溶质在纯溶剂中的溶解度进行了关联拟合与模型参数计算,对目标溶质在混合溶剂中的溶解度分别采用Apelblat模型、Van't Hoff模型和改进的Jouyban-Acree模型进行关联拟合与参数计算。由回归偏差可知,三种固体有机物在纯溶剂中的溶解度均用Apelblat模型拟合最佳,拟合偏差分别为：0.60%,0.29%和1.34%。在混合溶剂中,2,4-二羟基苯甲酸在乙醇+醋酸甲酯中的溶解度用Apelblat模型拟合偏差最小,对氨基水杨酸在乙醇+苯中的溶解度用Van't Hoff方程模型拟合效果较佳,二者偏差分别为0.45%和1.19%。针对固-液相平衡数据模型化关联过程中计算复杂、运算量大、计算步骤重复性强的特征,本文对三种活度系数模型(NRTL模型、Wilson模型、UNIQUAC模型)进行了Matlab计算程序设计,提出了可用于相平衡模型回归、参数计算的函数原文件。此外,本课题进一步探究了基于基团贡献思想的UNIFAC模型对本文所选芳酸类固体物系的拟合预测能力,分别运用公式法及VB编程法完成了前文所涉及到的乙醇+苯混合溶剂的活度系数γ的计算,提供了详细的计算方法及步骤,以及相应的计算机程序代码,为今后混合溶剂活度系数的求解及UNIFAC模型在固-液相平衡领域的应用带来了方便。本文另一个研究内容为PVA回收工段的模拟与优化。PVA是一种性能优良、用途极广的聚合物材料,其回收工段的主要目的是对上游醇解工段产生的富含醋酸甲酯(MeOAC)、甲醇(MeOH)等化工原料的醇解废液进行回收处理,原过程能耗极高。本文采用Aspen Plus化工流程模拟软件对10万t·a-1 PVA回收工段中MeOAC与MeOH的分离提纯过程进行模拟优化及方案设计,达到了节能降耗的生产目标。根据醇解废液分离流程,本文针对MeOH-H2O体系以及MeOAc-MeOH-H2O体系分别进行了热力学方法的选择,用回归参数修正后的NRTL模型对回收工段的TQ-601、TQ-602、TQ-603及TQ-604精馏塔进行了模拟与优化。优化后各塔最佳操作参数如下：理论板数N分别为29、15、25、21块,回流比R分别为1.90、0.10、2.05、0.70,进料位置NF分别为第7、5、20、8/18块理论板,馏出量D分别为23290、19240、4936、56500 kg·h-1。为实现深度节能,本文在单塔模拟基础上,将多效精馏技术应用于PVA回收工段,将回收四塔塔釜流出作为回收三塔进料,同时提升回收三塔塔压至4.5 atm(表压),选择塔顶气相采出甲醇,并依次用做回收四塔及回收一塔塔釜热源,实现三塔共用同一热源,构造了双效精馏、多塔供热流程。相比改造前,节约能耗34.85%,减少冷却水用量27.17%,节能效果显著。因改造后工艺中TQ-603塔釜排量增大,废水中所含醋酸钠及甲醇含量较低,本文设计了废水闪蒸流程对该股物流的热量进行回收,闪蒸剩余液可直接作为回收二塔萃取水,从而在节能的基础上实现了水资源的高效利用,每年可带来经济效益约478万元。
【关键词】：芳酸有机物 固-液相平衡 PVA 回收工段 模拟与优化
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ245;TQ325.9
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-7
• ABSTRACT7-19
• 符号说明19-21
• 第一部分 三种芳酸有机物固-液相平衡的研究21-141
• 第一章 文献综述21-39
• 1.1 三种芳酸有机物的发展现状21-25
• 1.1.1 对羟基苯甲酸22
• 1.1.2 2,4-二羟基苯甲酸22-24
• 1.1.3 对氨基水杨酸24-25
• 1.2 溶解度测定方法25-28
• 1.2.1 静态分析法25-26
• 1.2.2 动态测量法26-27
• 1.2.3 热分析法测量27-28
• 1.3 溶解度模型28-36
• 1.3.1 活度系数方程30-34
• 1.3.2 半经验/理论方程34
• 1.3.3 状态方程34-35
• 1.3.4 混合溶剂方程35
• 1.3.5 其他方程35-36
• 1.4 本课题研究内容与意义36-39
• 1.4.1 本课题研究意义36-37
• 1.4.2 本课题研究内容37-39
• 第二章 实验部分39-49
• 2.1 实验目的39
• 2.2 实验方案39-43
• 2.2.1 实验方法39
• 2.2.2 实验试剂39-40
• 2.2.3 实验装置40-41
• 2.2.4 实验步骤41-42
• 2.2.5 装置和方法的可靠性检验42-43
• 2.3 溶质表征实验43-49
• 2.3.1 溶质DSC表征44-46
• 2.3.2 溶质XRD表征46-49
• 第三章 实验结果与分析49-69
• 3.1 溶解度的定义49
• 3.2 纯溶剂体系溶解度分析49-55
• 3.2.1 纯溶剂中对羟基苯甲酸溶解度的测定49-51
• 3.2.2 纯溶剂中2,4-二羟基苯甲酸溶解度的测定51-53
• 3.2.3 纯溶剂中对氨基水杨酸溶解度的测定53-55
• 3.3 混合溶剂体系溶解度分析55-58
• 3.3.1 混合溶剂中2,4-二羟基苯甲酸溶解度的测定56
• 3.2.2 混合溶剂中对氨基水杨酸溶解度的测定56-58
• 3.4 溶质在混合溶剂中的共溶效应分析58-61
• 3.4.1 2,4-二羟基苯甲酸在混合溶剂中的共溶效应58-60
• 3.4.2 对氨基水杨酸在混合溶剂中的共溶效应60-61
• 3.5 溶解热力学分析61-67
• 3.5.1 对羟基苯甲酸在纯溶剂中的热力学分析62-64
• 3.5.2 2,4-二羟基苯甲酸在纯溶剂中的热力学分析64
• 3.5.3 对氨基水杨酸在纯溶剂中的热力学分析64-65
• 3.5.4 2,4-二羟基苯甲酸在混合溶剂中的热力学分析65-66
• 3.5.5 对氨基水杨酸在混合溶剂中的热力学分析66-67
• 3.6 本章小结67-69
• 第四章 相平衡数据的模型化关联69-111
• 4.1 目标函数与偏差69-70
• 4.2 关联模型拟合和模型参数的计算70-105
• 4.2.1 Apelblat方程70-77
• 4.2.2 λh方程77-81
• 4.2.3 Van't Hoff方程81-88
• 4.2.4 Willson方程88-92
• 4.2.5 NRTL方程92-97
• 4.2.6 UNIQUAC方程97-103
• 4.2.7 改进的Jouyban-Acree方程103-105
• 4.3 关联模型的比较与选择105-109
• 4.3.1 对羟基苯甲酸溶解体系106
• 4.3.2 2,4-二羟基苯甲酸溶解体系106-108
• 4.3.3 对氨基水杨酸溶解体系108-109
• 4.4 本章小结109-111
• 第五章 计算机编程在相平衡数据处理中的应用研究111-131
• 5.1 Matlab在相平衡研究中的应用111-117
• 5.1.1 Wilson模型的计算流程与求解程序设计112-114
• 5.1.2 NRTL模型的计算流程与求解程序设计114-116
• 5.1.3 UNIQUAC模型的计算流程与求解程序设计116-117
• 5.2 VB程序设计在UNIFAC模型计算中的应用117-129
• 5.2.1 UNIFAC模型的计算方法及求解思路118-120
• 5.2.2 公式法求解乙醇+苯混合溶剂体系的活度系数120-124
• 5.2.3 活度系数求解的VB程序设计124-129
• 5.3 本章小结129-131
• 第六章 结论131-135
• 6.1 本课题主要结论131-132
• 6.2 对下一步工作的建议132-135
• 参考文献135-141
• 第二部分 PVA生产中回收工段的模拟与优化141-203
• 第七章 文献综述141-155
• 7.1 课题的选择141
• 7.2 化工过程模拟技术141-144
• 7.2.1 化工过程模拟技术的发展142-143
• 7.2.2 Aspen Plus软件简介143
• 7.2.3 流程模拟计算的步骤与方法143-144
• 7.3 精馏塔模拟优化的基本概念与思想144-148
• 7.3.1 精馏塔模拟优化的基本前提与目标144-145
• 7.3.2 精馏塔可优化变量分析145-146
• 7.3.3 理想平衡级概念与计算模型146-148
• 7.4 物性方法及模型选择148-150
• 7.5 精馏工艺优化及典型节能减排技术150-152
• 7.6 PVA生产中回收工段的研究进展152-154
• 7.7 课题研究的意义与内容154-155
• 第八章 回收工段的模拟与优化155-197
• 8.1 模拟物系热力学方法的选择与回归155-161
• 8.1.1 MeOH-H_2O物系155-159
• 8.1.2 MeOAc-MeOH-H2O物系159-161
• 8.2 回收工段原工艺流程161-162
• 8.3 精馏分离过程的单塔模拟与优化162-181
• 8.3.1 回收一塔的模拟与优化162-168
• 8.3.2 回收二塔的模拟与优化168-172
• 8.3.3 回收三塔的模拟与优化172-176
• 8.3.4 回收四塔的模拟与优化176-181
• 8.4 加压双效精馏节能工艺的研究181-191
• 8.4.1 优化工艺流程的确定182-183
• 8.4.2 甲醇精馏双塔的模拟与优化183-190
• 8.4.3 操作条件与能耗比较190-191
• 8.5 高温废水的闪蒸回收191-194
• 8.6 小结194-197
• 第九章 结论197-199
• 参考文献199-203
• 研究成果及发表的学术论文203-205
• 作者和导师介绍205-207
• 致谢207-208
• 附件208-209

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本文编号：551208