摘 要

乙二胺是化工生产中的重要原料，在国民经济中起着重要作用。乙二胺属于热敏性物质，高温精馏会使得乙二胺发生分解，共沸精馏或萃取精馏会引入第三组分，变压精馏分离是解决乙二胺-水共沸体系分离的最好方法。对变压精馏流程进行热集成可以大大降低整个流程的热负荷，这在实际生产中有着重要的经济意义。

本设计开展了以下五项工作：

1、使用Aspen Plus设计出乙二胺-水共沸体系的双塔变压精馏模型，对该模型进行初始模拟，得到模拟的初始数据。

2、对乙二胺-水二元共沸体系的变压精馏流程进行深层次模拟。模拟成功之后再进行模拟结果的设计规定，以实现产品物流中的产品能够达到分离要求。做完设计规定之后，乙二胺产品流以及水产品流中的产品的分离程度均达到了99.5%。

3、利用灵敏度分析工具对塔板数、进料位置参数进行分析，确定全流程的最优操作方案，实现整个工艺流程的优化设计。最终优化的结果为高压塔的塔板数为50，物流进料位置为第6块塔板，循环流的进料位置为第11块塔板，低压塔的塔板数为30，物流进料位置为第12块塔板。

4、在实现优化设计的基础上，对流程进行热集成，绘制出热集成变压精馏流程图。最终热集成的结果为低压塔再沸器节省热能100%，高压塔冷凝器节省的热能为39.5%。

5、画出热集成变压精馏过程相关的设计图。图纸包括高压塔装配图、热集成变压精馏流程图、车间平面布置图、车间立面布置图。

关键词：乙二胺；热集成；变压精馏；共沸物；优化设计

Abstract

Ethylenediamine is an important raw material in chemical industry and plays an important role in the national economy. Ethylene diamine is a thermal sensitive substance. High temperature distillation will cause the decomposition of ethylenediamine. Azeotropic distillation or extractive distillation will be introduced into third components. Pressure variable distillation separation is the best method to solve the separation of ethylene diamine water azeotrope system. Thermal integration of variable pressure distillation process can greatly reduce the heat load of the whole process, which has important economic significance in actual production.

The following five tasks have been carried out in this paper：

First. Using Aspen Plus to design the Twin Towers pressure swing distillation model of ethylenediamine water azeotropic system, the initial simulation of the model is carried out and the initial data of simulation are obtained.

Two. Using Aspen Plus to simulate the pressure-swing distillation process of ethylenediamine water two azeotropic system. After the simulation is successful, the design requirements of the simulation results are carried out to achieve the separation requirements of the products in the product logistics. After completion of the design requirements, the separation of ethylenediamine products and aquatic products reaches 99.5%.

Three. Using the sensitivity analysis tool to analyze the number of tower plate and feed position, determine the optimal operation plan of the whole process, and realize the optimization design of the whole process flow. The final optimization result is that the number of tower plates of the high pressure tower is 50, the material location of the material is sixth blocks, the feeding position of the circulation flow is eleventh pagodas, the number of the plate of the low pressure tower is 30, and the position of the logistics feed is twelfth pagodas.

Four. Based on the optimization design, thermal integration of the process is carried out. The result of final thermal integration is that the low pressure tower reboiler saves 100% of heat and the heat energy saved by the high-pressure tower condenser is 39.5%.

Five. Draw the design diagram of thermal integrated variable pressure distillation process. The drawings include the high-pressure tower assembly drawing, the thermal integrated variable pressure distillation flow chart, the shop floor plan and the workshop facade layout.

Key Words：Ethylenediamine; Heat integration; Pressure-swing Distillation; Azeotrope. The optimization design

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 热集成变压精馏分离技术 1

1.2.1 变压精馏分离的原理 1

1.2.2 热集成技术 1

1.3 Aspen Plus软件介绍 2

1.4 本文主要研究内容 2

第2章 变压精馏模拟 4

2.1 变压精馏工艺 4

2.1.1 变压精馏流程图 4

2.1.2 不同压力下共沸组成以及可行性分析 4

2.1.3 分离物料、分离要求及物性方法 6

2.2 模拟过程 6

2.2.1 模拟过程介绍 6

2.2.2 模拟装置的初始数据 6

2.2.3 模拟中的物料衡算 6

2.2.4 设置循环流股的撕裂流股 7

2.2.5 设置收敛方法以及次数 7

2.2.6 双塔初始数据以及模拟结果 7

2.3 产品纯度的设计规定 8

2.3.1模拟结果分析 8

2.3.2设计规定工具介绍 8

2.3.3模拟结果的设计规定 8

2.4 本章小结 9

第3章 变压精馏参数优化 10

3.1 灵敏度分析工具介绍 10

3.2塔板数的优化 10

3.3进料位置的优化 11

3.4优化前后热负荷比较 13

3.5本章小结 14

第4章 变压精馏热集成 15

4.1 热集成变压精馏流程图 15

4.2 热集成前后热负荷数据比较 15

4.3 本章小结 16

第5章 设备计算与选型 17

5.1塔高与塔径 17

5.2接管计算 17

5.3换热器的选型 18

5.3.1换热器类别选择 18

5.3.2换热管的选择 18

5.4换热器的计算 19

5.4.1设计温度的确定 19

5.4.2流体相关物性数据 19

5.4.3热负荷以及冷却水量 20

5.4.4平均传热温差以及传热面积 20

5.5泵的选型 20

第6章 总结与展望 22

6.1总结 22

6.2展望 22

参考文献 23

附 录 27

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

乙二胺（EDA）又称1，2-二胺基乙烷，是一种重要的精细石油化工中间体和化工原料。乙二胺用途非常广泛，主要用在螯合剂、农药杀菌剂和活性染色中间体方面。率高和绿色无污染的突出优势，逐渐成为未来的发展趋势^[1]。在乙二胺合成工艺中，原料乙醇胺和氨在固体酸催化剂上进行气固相反应，可以高选择性生成乙二胺；但反应产物中的乙二胺和水可形成最高共沸物，共沸物的存在增加了中低压法缩合胺化合成乙二胺工艺的技术难度^[2]。高纯度乙二胺产品的工业生产，乙二胺和水共沸物的分离是一个具有挑战性的课题;首先，乙二胺属于热敏性物质，精馏操作的温度过高会引起产品的分解，影响产品色度，降低产品质量；其次，共沸精馏或萃取精馏等特殊精馏的方法也可以分离乙二胺和水的共沸物，但是都需要引入共沸剂或萃取剂等第三组分，使产品中出现共沸剂或萃取剂杂质，影响产品在医药等方面的应用^[3]。

研究^[4]表明，对于二元共沸物性，当压力变化对共沸物组成影响明显时，采用利用两塔的压力变化改变共沸物的组成的变压精馏更具有优势；由于不引入第三组分的优点，变压精馏在分离二元共沸物方面应用非常广泛。热集成精馏是在变压精馏的基础上，利用较高压力精馏塔的塔顶蒸汽作为低压精馏塔塔底再沸器的热源。由于其能量显著地降低精馏系统的能耗，近年来在化工行业中应用受到广泛关注^[5]。

1.2 热集成变压精馏分离技术

1.2.1 变压精馏分离的原理

变压精馏是利用改变压力从而引起共沸物共沸组成发生变化（甚至出现共沸点消失），最终实现精馏分离的目的。不同共沸物系的共沸点对压力变化的敏感程度不同。在某个适当的压力范围内，共沸组成变化超过5%的体系，即可以考虑采用变压精馏的方法来分离^[6]。

1.2.2 热集成技术

化工生产中，一些物流需要加热，一些物流需要冷却，我们希望合理匹配物流，充分利用热物流去加热冷物流，尽可能地减少公用工程加热和冷却负荷，以提高系统的热