異丙苯制備及分離流程模擬

1、異丙苯制備及分離流程模擬Design and Optimization on the Isopropyl BenzeneTechnology Process一級學(xué)科:化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科專業(yè)：化學(xué)工程與工藝學(xué) 生： 學(xué) 號：指導(dǎo)教授： 教授北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院二零一五年一月九日目錄第1章 設(shè)計任務(wù)和要求1第1.1節(jié) 設(shè)計任務(wù)1第1.2節(jié) 設(shè)計要求1第2章 流程設(shè)計與計算結(jié)果2第2.1節(jié) 流程設(shè)計2第2.2節(jié) 計算結(jié)果3第3章 aspen參數(shù)設(shè)置5第3.1節(jié) 流程設(shè)計之Set up5第3.2節(jié) 流程設(shè)計之Component5第3.3節(jié) 流程設(shè)計之Properties6第3.4節(jié) 流程設(shè)計之St

2、ream6第3.5節(jié) 流程設(shè)計之Blocks7第3.6節(jié) 流程設(shè)計之衡算計算結(jié)果8第4章 靈敏度分析12第4.1節(jié) 靈敏度分析定義目標(biāo)函數(shù)12第4.2節(jié) 靈敏度分析影響回流比15第4.3節(jié) 靈敏度分析影響SEP壓力16第4.4節(jié) 靈敏度分析影響SEP溫度17第4.5節(jié) 靈敏度分析影響HEATER溫度18第4.5節(jié) 靈敏度分析結(jié)果19第5章 小結(jié)20第5.1節(jié) 流程小結(jié)20第5.2節(jié) aspen軟件實習(xí)小結(jié)20第1章 設(shè)計任務(wù)和要求第1.1節(jié) 設(shè)計任務(wù)（1） 設(shè)計異丙苯制備及分離流程模擬（2） 本人學(xué)號為其中包括0；1；2；4，即0苯；1甲烷；2丙烯；4正丁烷。根據(jù)本題要求，進料中含4種物質(zhì)。學(xué)

3、號1234567890分子甲烷丙烯丙烷正丁烷正戊烷甲苯乙醇異丙苯正戊烷苯（3） 設(shè)計并通過Aspen Plus模擬確定較低能耗的工藝及操作條件（4） 撰寫設(shè)計報告，給出設(shè)計思想、模擬過程及結(jié)果第1.2節(jié) 設(shè)計要求（1） 進口物料：壓力：1.1atm；溫度：120 ；流量：苯和丙烯各60000mol/min，甲烷和正丁烷各10000mol/min。（2） 反應(yīng)器：丙烯轉(zhuǎn)化率：0.9；壓力：0atm；熱負荷為：0。（3） 換熱器： 壓力：-0.1 atm。（4） 精餾塔 ：壓力：1atm全塔 ；塔釜苯摩爾含量：0.001。第2章 流程設(shè)計與計算結(jié)果第2.1節(jié) 流程設(shè)計根據(jù)合成及分離要求設(shè)計流程如下

4、圖1所示：圖2 - 1 設(shè)計流程圖本流程圖為最理想簡化流程圖，忽略進料甲烷、正丁烷等相關(guān)雜質(zhì)之間的反應(yīng)，只考慮苯和丙烯之間生成異丙苯的反應(yīng)。本流程中含有五個模塊：分別是REACTOR反應(yīng)器；HEATER換熱器；SEPARATOR分離器；PUMP泵；DSTWU精餾塔。由流程圖可知，苯、丙烯、甲烷和正丁烷物流由FEED進料，經(jīng)過反應(yīng)器反應(yīng)。由反應(yīng)方程式C6H6 + C3H6 à C9H12可知，苯和丙烯為反應(yīng)物，異丙苯為生成物，而甲烷和正丁烷屬雜質(zhì)。從反應(yīng)器REACTOR出來的物流REACTOR-OUT中包含未反應(yīng)完的苯、丙烯，反應(yīng)產(chǎn)物異丙苯等，以及沒有參加反應(yīng)的甲烷和正丁烷。這些物質(zhì)進

5、入換熱器中進行冷凝。經(jīng)過冷凝器后的混合物并沒有發(fā)生化學(xué)變化，僅發(fā)生物理變化。從換熱器中出來的混合物HEATER-OUT進入SEPARATOR分離器進行閃蒸。閃蒸之后氣相由頂部排除，進入其他工序，液相LIQUIT由底部排除，經(jīng)過PUMP泵加壓后進入精餾塔DSTWU進行精餾分離。精餾塔進料為PUMP-OUT，經(jīng)分離后，其中輕組分從塔頂經(jīng)過RECYCLE循環(huán)回REACTOR反應(yīng)器參與反應(yīng)，重組分異丙苯從塔釜作為產(chǎn)品排出。第2.2節(jié) 計算結(jié)果計算結(jié)果如下表2-1和表2-2表 2 1 熱量和質(zhì)量衡算表1Heat and Material Balance TableIDunit CYC FEED H-OU

6、T LIQ TemperatureK 313.84 393.15 310.15 295.15 Pressureatm 1.00 1.10 0.90 0.10 Vapor Frac - 1.00 0.22 - Mole Flowkmol/hr 641.42 8,400.00 5,791.66 3,783.27 Mass Flow kg/hr 48,784.98 477,199.11 525,984.09 426,414.61 Volume Flowl/min 978.01 4,055,065.57 615,212.72 8,001.22 Enthalpy MMBtu/hr 22.49 410.5

7、8 265.06 325.95 CH4 0.43 600.00 600.43 0.43 C3H6-1 10.85 3,600.00 361.08 10.85 C4H10-1 45.74 600.00 645.74 45.74 C6H6 584.09 3,600.00 934.32 584.14 C9H12 0.31 - 3,250.08 3,142.11 表 2 2 熱量和質(zhì)量衡算表2Heat and Material Balance TableIDunit P-OUT PRODUCT R-OUT VAP TemperatureK 295.17 420.81 392.35 295.15 Pre

8、ssureatm 1.00 1.00 1.00 0.10 Vapor Frac - - 0.71 1.00 Mole Flowkmol/hr 3,783.27 3,141.85 5,791.66 2,008.39 Mass Flow kg/hr 426,414.61 377,630.07 525,984.09 99,569.48 Volume Flowl/min 8,001.39 8,086.41 2,170,368.15 8,091,637.59 Enthalpy MMBtu/hr 326.00 392.19 433.08 -54.13 CH4 0.43 0.00 600.43 600.00

9、 C3H6-1 10.85 0.00 361.08 350.24 C4H10-1 45.74 0.00 645.74 600.00 C6H6 584.14 0.06 934.32 350.18 C9H12 3,142.11 3,141.79 3,250.08 107.97 第3章 aspen參數(shù)設(shè)置第3.1節(jié) 流程設(shè)計之Set up 如圖3-1所示,將單位改為MET。圖3 - 1 設(shè)計流程圖之Set up第3.2節(jié) 流程設(shè)計之Component如圖3-2所示，輸入CH4，C3H6-1，C4H10-1，C6H6，C9H12五種物質(zhì)。圖3 - 2 設(shè)計流程圖之Component第3.3節(jié) 流程設(shè)計

10、之Properties如圖3-3所示，選用RK-SOAVE方法。圖3 - 3 設(shè)計流程圖之Properties第3.4節(jié) 流程設(shè)計之Stream按照設(shè)計要求進口物料：壓力：1.1atm；溫度：120 ；流量：苯和丙烯各60000mol/min，甲烷和正丁烷各10000mol/min。如圖3-4所示，設(shè)置進料物流溫度為120，壓力為1.1atm。物質(zhì)摩爾分率分別是CH4為10000mol/min，C3H6-1為60000mol/min，C4H10-1為10000mol/min，C6H6為60000mol/min。圖3 - 4 設(shè)計流程圖之Stream第3.5節(jié) 流程設(shè)計之Blocks（1） 如圖

11、3-5所示，DSTWU精餾塔的設(shè)置參數(shù)分別是：按照設(shè)計要求精餾塔 ：壓力：1atm全塔 ?；亓鞅葹?.5，冷凝器Condenser的壓力為1atm，再沸器Reboiler的壓力為1atm，其中關(guān)鍵組分輕組分C6H6的摩爾分率為99.99%，關(guān)鍵組分輕組分C9H12的摩爾分率為0.01%。圖3 - 5 設(shè)計流程圖之BlocksDSTWU（2）如圖3-6所示，PUMP泵的設(shè)置參數(shù)是：壓力為1atm。圖3 - 6設(shè)計流程圖之BlocksPUMP（3）如圖3-7所示，REACTOR反應(yīng)器的設(shè)置參數(shù)是：按照設(shè)計要求反應(yīng)器：丙烯轉(zhuǎn)化率：0.9；壓力：0atm；熱負荷為：0。反應(yīng)方程式為：C6H6 + C3

12、H6 à C9H12其中以C3H6的轉(zhuǎn)化率為0.9為關(guān)鍵組分的基準(zhǔn)計算。圖3 - 7設(shè)計流程圖之BlocksREACTOR（4）如圖3-8所示，將最大次數(shù)改為8000次。圖3 - 8設(shè)計流程圖之Methods第3.6節(jié) 流程設(shè)計之衡算計算結(jié)果（1） 如圖3-9所示，衡算計算結(jié)果顯示為：圖3 - 9設(shè)計流程圖之衡算計算結(jié)果（2）如圖3-10所示，精餾塔DSTWU計算結(jié)果顯示為：圖3 - 10設(shè)計流程圖之精餾塔DSTWU計算結(jié)果（3）如圖3-11所示，換熱器HEATER的計算結(jié)果顯示為：圖3 - 11設(shè)計流程圖之換熱器HEATER計算結(jié)果（4）如圖3-12所示，泵PUMP的計算結(jié)果顯示為

13、：圖3 - 12設(shè)計流程圖之泵PUMP計算結(jié)果（5）如圖3-13所示，反應(yīng)器REACTOR的計算結(jié)果顯示為：圖3 - 13設(shè)計流程圖之反應(yīng)器REACTOR計算結(jié)果（6）如圖3-14所示，分離器SEPARATOR的計算結(jié)果顯示為：圖3 - 14設(shè)計流程圖之分離器SEPARATOR計算結(jié)果第4章 靈敏度分析第4.1節(jié) 靈敏度分析定義目標(biāo)函數(shù)根據(jù)工藝流程的需求，需對過程的熱負荷進行靈敏度分析。定義目標(biāo)變量分別為：HEAT：換熱器所需要熱量SEP：閃蒸罐所需要冷量RE：精餾塔再沸器熱量CON：精餾塔冷凝器所需要熱量（1）如圖4-1所示，定義目標(biāo)函數(shù)變量顯示為：圖4 1 靈敏度分析定義目標(biāo)函數(shù)變量（2）

14、如圖4-2所示，定義目標(biāo)函數(shù)顯示為：圖4 2 靈敏度分析目標(biāo)函數(shù)（2） 如下圖4-3，4-4，4-5，4-6所示，目標(biāo)函數(shù)詳細定義：圖4 3 靈敏度分析定義目標(biāo)函數(shù)HEAT圖4 4 靈敏度分析定義目標(biāo)函數(shù)RE圖4 5 靈敏度分析定義目標(biāo)函數(shù)SEP圖4 6 靈敏度分析定義目標(biāo)函數(shù)CON第4.2節(jié) 靈敏度分析影響回流比（1）如下圖4-7所示，設(shè)置DSTWU精餾塔的回流比，范圍為13，間隔為0.2。圖4 7 靈敏度分析DSTWU回流比（2）如下圖4-8所示，設(shè)置DSTWU精餾塔的回流比，范圍為13，間隔為0.2的函數(shù)圖象。圖4 8 靈敏度分析DSTWU回流比函數(shù)圖像第4.3節(jié) 靈敏度分析影響SEP壓

15、力（1）如下圖4-9所示，設(shè)置SEP分離器的壓力，范圍為0.020.3，間隔為0.02。圖4 9 靈敏度分析SEP壓力（2）如下圖4-10所示，設(shè)置SEP分離器的壓力，范圍為0.020.3，間隔為0.02的函數(shù)圖象。圖4 10 靈敏度分析SEP壓力函數(shù)圖像第4.4節(jié) 靈敏度分析影響SEP溫度（1）如下圖4-11所示，設(shè)置SEP分離器的溫度，范圍為283.15-333.15，間隔為5。圖4 11 靈敏度分析SEP溫度（2）如下圖4-12所示，設(shè)置SEP分離器的溫度，范圍為283.15-333.15，間隔為5的函數(shù)圖象。圖4 12 靈敏度分析SEP溫度函數(shù)圖像第4.5節(jié) 靈敏度分析影響HEATER

16、溫度（1）如下圖4-13所示，設(shè)置HEATER換熱器的溫度，范圍為283.15-353.15，間隔為10。圖4 13 靈敏度分析HEATER溫度（2）如下圖4-14所示，設(shè)置HEATER換熱器的溫度，范圍為283.15-353.15，間隔為10的函數(shù)圖象。圖4 14 靈敏度分析HEATER溫度函數(shù)圖象第4.5節(jié) 靈敏度分析結(jié)果 綜上靈敏度分析可知，使能量最低的換熱器出口溫度選為36.8，閃蒸壓力為0.1atm，溫度為22，精餾塔的回流比為2.5，實際塔板數(shù)為13塊。 第5章 小結(jié)第5.1節(jié) 流程小結(jié)已完成設(shè)計任務(wù)（1） 設(shè)計異丙苯制備及分離流程模擬。（2） 本人學(xué)號為其中包括0；1；2；4，即

17、0苯；1甲烷；2丙烯；4正丁烷。根據(jù)本題要求，進料中含4種物質(zhì)。學(xué)號1234567890分子甲烷丙烯丙烷正丁烷正戊烷甲苯乙醇異丙苯正戊烷苯（3） 設(shè)計并通過Aspen Plus模擬確定較低能耗的工藝及操作條件。答：使能量最低的換熱器出口溫度選為36.8，閃蒸壓力為0.1atm，溫度為22，精餾塔的回流比為2.5，實際塔板數(shù)為13塊。（4） 撰寫設(shè)計報告，給出設(shè)計思想、模擬過程及結(jié)果。第5.2節(jié) aspen軟件實習(xí)小結(jié)從2015年1月5日到2015年1月9日的軟件實習(xí)結(jié)束了，短暫，充實。相信每一個學(xué)化工的同學(xué)，都對aspen plus有所耳聞，我也不例外。從未接觸過化工設(shè)計軟件的我在老師和同學(xué)的幫助下，我基本完成了設(shè)計課程的大作業(yè)，可有太多不懂的地方，需要我課后再繼續(xù)深究。譬如怎樣對分離任務(wù)進行具體而又正確的分析？計算方法的具體選擇依據(jù)