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一級學科:化學工程與技術學科專業(yè)：化學工程與工藝學 生： 學 號：指導教授： 教授北京化工大學化學工程學院二零一五年一月九日第21頁/共21頁目錄第1章 設計任務和要求1第1.1節(jié) 設計任務1第1.2節(jié) 設計要求1第2章 流程設計與計算結果2第2.1節(jié) 流程設計2第2.2節(jié) 計算結果3第3章 aspen參數(shù)設置5第3.1節(jié) 流程設計之Set up5第3.2節(jié) 流程設計之Component5第3.3節(jié) 流程設計之Properties6第3.4

2、節(jié) 流程設計之Stream6第3.5節(jié) 流程設計之Blocks7第3.6節(jié) 流程設計之衡算計算結果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) 靈敏度分析結果19第5章 小結20第5.1節(jié) 流程小結20第5.2節(jié) aspen軟件實習小結20北京化工大學 化工軟件實習 大作業(yè)第1章 設計任務和要求第1.1節(jié) 設計任務（1） 設計異丙苯制備及分離流程模擬（2） 本人學號為其中包括0；1；2；4，即0苯；1甲烷；

3、2丙烯；4正丁烷。根據(jù)本題要求，進料中含4種物質。學號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） 撰寫設計報告，給出設計思想、模擬過程及結果第1.2節(jié) 設計要求（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） 反應器：丙烯轉化率：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 流程設計與計算結

4、果第2.1節(jié) 流程設計根據(jù)合成及分離要求設計流程如下圖1所示：圖2 - 1 設計流程圖本流程圖為最理想簡化流程圖，忽略進料甲烷、正丁烷等相關雜質之間的反應，只考慮苯和丙烯之間生成異丙苯的反應。本流程中含有五個模塊：分別是REACTOR反應器；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)過反應器反應。由反應方程式C6H6 + C3H6 à C9H12可知，苯和丙烯為反應物，異丙苯為生成物，而甲烷和正丁烷屬雜質。從反應器REACTOR出來的物流REACTOR-OUT中包含未反應完的苯、丙烯，反應產(chǎn)物

5、異丙苯等，以及沒有參加反應的甲烷和正丁烷。這些物質進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反應器參與反應，重組分異丙苯從塔釜作為產(chǎn)品排出。第2.2節(jié) 計算結果計算結果如下表2-1和表2-2表 2 1 熱量和質量衡算表1Heat and Material Balance

6、 TableIDunit CYC FEED H-OUT 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 Ent

7、halpy MMBtu/hr 22.49 410.58 265.06 325.95 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 熱量和質量衡算表2Heat and Material Balance TableIDunit P-OUT PRODUCT R-OUT VAP TemperatureK 295.1

8、7 420.81 392.35 295.15 Pressureatm 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 C

9、H4 0.43 0.00 600.43 600.00 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)設置第3.1節(jié) 流程設計之Set up 如圖3-1所示,將單位改為MET。圖3 - 1 設計流程圖之Set up第3.2節(jié) 流程設計之Component如圖3-2所示，輸入CH4，C3H6-1，C4H10-1，C6H6，C9H12五種物質。圖3 - 2

10、 設計流程圖之Component第3.3節(jié) 流程設計之Properties如圖3-3所示，選用RK-SOAVE方法。圖3 - 3 設計流程圖之Properties第3.4節(jié) 流程設計之Stream按照設計要求進口物料：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，設置進料物流溫度為120，壓力為1.1atm。物質摩爾分率分別是CH4為10000mol/min，C3H6-1為60000mol/min，C4H10-1為10000mol/min，C6H6為60000mol/min。圖3 - 4 設計流程圖之Str

11、eam第3.5節(jié) 流程設計之Blocks（1） 如圖3-5所示，DSTWU精餾塔的設置參數(shù)分別是：按照設計要求精餾塔 ：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，其中關鍵組分輕組分C6H6的摩爾分率為99.99%，關鍵組分輕組分C9H12的摩爾分率為0.01%。圖3 - 5 設計流程圖之BlocksDSTWU（2）如圖3-6所示，PUMP泵的設置參數(shù)是：壓力為1atm。圖3 - 6設計流程圖之BlocksPUMP（3）如圖3-7所示，REACTOR反應器的設置參數(shù)是：按照設計要求反應器：丙烯轉化率：0.9；壓力：0a

12、tm；熱負荷為：0。反應方程式為：C6H6 + C3H6 à C9H12其中以C3H6的轉化率為0.9為關鍵組分的基準計算。圖3 - 7設計流程圖之BlocksREACTOR（4）如圖3-8所示，將最大次數(shù)改為8000次。圖3 - 8設計流程圖之Methods第3.6節(jié) 流程設計之衡算計算結果（1） 如圖3-9所示，衡算計算結果顯示為：圖3 - 9設計流程圖之衡算計算結果（2）如圖3-10所示，精餾塔DSTWU計算結果顯示為：圖3 - 10設計流程圖之精餾塔DSTWU計算結果（3）如圖3-11所示，換熱器HEATER的計算結果顯示為：圖3 - 11設計流程圖之換熱器HEATER計算結

13、果（4）如圖3-12所示，泵PUMP的計算結果顯示為：圖3 - 12設計流程圖之泵PUMP計算結果（5）如圖3-13所示，反應器REACTOR的計算結果顯示為：圖3 - 13設計流程圖之反應器REACTOR計算結果（6）如圖3-14所示，分離器SEPARATOR的計算結果顯示為：圖3 - 14設計流程圖之分離器SEPARATOR計算結果第4章 靈敏度分析第4.1節(jié) 靈敏度分析定義目標函數(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，定義目標函數(shù)變

14、量顯示為：圖4 1 靈敏度分析定義目標函數(shù)變量（2）如圖4-2所示，定義目標函數(shù)顯示為：圖4 2 靈敏度分析目標函數(shù)（2） 如下圖4-3，4-4，4-5，4-6所示，目標函數(shù)詳細定義：圖4 3 靈敏度分析定義目標函數(shù)HEAT圖4 4 靈敏度分析定義目標函數(shù)RE圖4 5 靈敏度分析定義目標函數(shù)SEP圖4 6 靈敏度分析定義目標函數(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DST

15、WU回流比函數(shù)圖像第4.3節(jié) 靈敏度分析影響SEP壓力（1）如下圖4-9所示，設置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SE

16、P溫度函數(shù)圖像第4.5節(jié) 靈敏度分析影響HEATER溫度（1）如下圖4-13所示，設置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 小結第5.1節(jié) 流程小結已完成設計任務（1） 設計異丙苯制備及分離流

17、程模擬。（2） 本人學號為其中包括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。學號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） 撰寫設計報告，給出設計思想、模擬過程及結果。第5.2節(jié) aspen軟件實習小結從2015年1月5日到2015年1月9日的軟件實習結束了，短暫，充實。相信每一個學化工的同學，都對aspen plus有所耳聞，我也不例外。從未接觸過化工設計軟件的我在老師和同學的幫助下，我基本完成了設計課程的大作業(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進行具體而又正確的分析？計算方法的具體選擇依