aspen認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)大作業(yè)_甲苯乙苯精餾分離

1、Aspen大作業(yè)甲苯-乙苯精微分離（分字班）、工業(yè)背景簡(jiǎn)述催化重整、汽油裂解等工藝生產(chǎn)的C7、?；旌戏蓟椭?，除了主要含有的混合二甲苯之外，還有大量的甲苯和乙苯。其中甲苯主要用作溶劑和高辛烷值汽油添加劑，也是有機(jī)化工的重要原料，但與同時(shí)從煤和石油得到的苯和二甲苯相比，目前的產(chǎn)量相對(duì)過(guò)剩，因此相當(dāng)數(shù)量的甲苯用于脫烷基制苯或岐化制二甲苯。甲苯衍生的一系列中間體，廣泛用于染料；醫(yī)藥；農(nóng)藥；火炸藥；助劑；香料等精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)，也用于合成材料工業(yè)。甲苯進(jìn)行側(cè)鏈 氯化得到的一氯芳； 二氯茉和三氯茉，包括它們的衍生物苯甲醇；苯甲醛和苯甲酰氯（一般也從苯甲酸光氣化得到），在醫(yī)藥；農(nóng)藥；染料，特別是香料合成中應(yīng)

2、用廣泛。甲苯的環(huán)氯 化產(chǎn)物是農(nóng)藥；醫(yī)藥；染料的中間體。甲苯氧化得到苯甲酸，是重要的食品防腐劑（主要使 用其鈉鹽），也用作有機(jī)合成的中間體。甲苯及苯衍生物經(jīng)磺化制得的中間體，包括對(duì)甲苯 磺酸及其鈉鹽；CLTB;甲苯-2,4-二磺酸；苯甲醛-2,4-二磺酸；甲苯磺酰氯等，用于洗滌劑 添加劑，化肥防結(jié)塊添加劑；有機(jī)顏料；醫(yī)藥；染料的生產(chǎn)。甲苯硝化制得大量的中間體。 可衍生得到很多最終產(chǎn)品，其中在聚氨酯制品；染料和有機(jī)顏料；橡膠助劑；醫(yī)藥；炸藥等 方面最為重要。乙苯也是重要的有機(jī)化工原料，用于有機(jī)合成和用作溶劑。主要用于生產(chǎn)苯乙烯，進(jìn)而生產(chǎn)苯乙烯均聚物以及以苯乙烯為主要成分的共聚物（ ABS , AS

3、等）。乙苯少 量用于有機(jī)合成工業(yè)，例如生產(chǎn)苯乙酮、乙基慈醍、對(duì)硝基苯乙酮、甲基苯基甲酮等中間體。 在醫(yī)藥上用作合霉素和氯霉素的中間體。也用于香料。此外，還可作溶劑使用。目前全球 99%的乙苯用來(lái)生產(chǎn)苯乙烯單體。二、問題敘述常壓連續(xù)精微塔，飽和液體加料，料液為甲苯-乙苯混合液，100kmol/h ,其中，甲苯含量0.44（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），分離要求：一塔頂出料含甲苯 0.99以上一塔底出料含乙苯0.99以上應(yīng)用Aspen Plus的RadFrac模型，設(shè)計(jì)一個(gè)滿足上述要求的精儲(chǔ)塔。要求：1、通過(guò)模擬給出一套滿足分離要求的精儲(chǔ)塔參數(shù)，繪制塔溫度和各組分濃度分布圖。2、使用靈敏度分析功能，分別研究回

4、流比、進(jìn)料位置、采出量對(duì)塔頂（底）熱負(fù)荷、產(chǎn)品濃度影響規(guī)律。3、對(duì)精儲(chǔ)塔參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，在滿足分離要求前提下，總塔板數(shù)盡可能少，再沸器的熱負(fù)荷盡可能低。、解答過(guò)程問題一：通過(guò)模擬給出一套滿足分離要求的精儲(chǔ)塔參數(shù)，繪制塔溫度和各組分濃度分 布圖。(1)利用DSTWU簡(jiǎn)捷法計(jì)算精儲(chǔ)塔參數(shù)利用DSTWU模塊繪制流程圖如下：使用參數(shù)：物料F： 100kmol/hr甲苯乙苯混合液，其中甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.44,壓力為1bar,飽和液體塔頂參數(shù)：根據(jù)采出產(chǎn)品理論純度進(jìn)行理論計(jì)算，塔頂采出流率為 43.8776kmol/hr甲苯的分流分率為 0.9872,乙苯的分流分率為0.0078精福塔：回流比為最小回流比

5、的1.2倍，壓力設(shè)為1bar并設(shè)置兩組分各自的分流分率。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，所得各參數(shù)為:Minimum reflux ratio:2.46229514Actual reflux ratio:2.95475417Minimum number of stages:14.3583384Number of actual stages:28.0578097Feed stage:15.2779571Number of actual stages above feed:14.2779571Reboiler heating required:5644377.93 Btu/hrCondenser cooling r

6、equired:5591437.67 Btu/hrDistillate temperature:233.889185 FBottom temperature:276.122681 FDistillate to feed fraction:0.438736(2)利用RadFrac模塊精確求解29塊，進(jìn)料根據(jù)上面DSTWU簡(jiǎn)捷法計(jì)算的精儲(chǔ)塔參數(shù)，最終可以確定實(shí)際塔板數(shù)為位置為第15層塔板，塔頂出流率為 44。利用RadFrac模塊精確求解，控制輕組分和重組分的出料含量都在0.99以上。模擬結(jié)果符合分離要求，精儲(chǔ)塔各參數(shù)為：常壓精微塔：塔板數(shù) N=29進(jìn)料塔板N-15塔板溫度/ C熱負(fù)荷/Gcal/

7、hr回流比（再沸比）米出流率 kmol/hr冷凝器/塔頂112.143804-1.56678273.4143.8799996再沸器/塔底135.6507471.58016773.2482525756.1199994各物流穩(wěn)態(tài)信息:Heat an d M at ed al Balan ce T ao leS tream IDFDB ro mB3B3oB3, haseL IQU I DL IQU I DL IQU I DS ub st ream: M IXE DM o le Fl owb mol /h rC7 H897 ,0 0 34 0195 ,8 6 65 51, 13 6 84 8C8 H1

8、0 -0 412 3 .4 58 9.8 72 2 93 112 2 .5 86 6M o le Fr acC7 H8,4 40 0 00 0.9 90 9 83 09,1 88 6 2E -3C8 H10 -0 4,5 60 0 00 09.0 16 9 9E -3,9 90 8 11 4T ot a Fl owb mol /h r22 0 .4 62 396 ,7 3 88 412 3 .7 23 4T ot a Fl owb /h r22 0 45 .2 589 2 5. 80 313 1 19 ,4 5T ot a Fl owcu ft /h r45 8 .4 83 018 3 .5

9、03 527 6 .1 38 4empera t ur e二25 4 .5 53 323 3 .8 58 827 6 .1 71 3, ressu rep sia14 ,5 0 37 714 ,5 0 37 714 ,5 0 37 7Vap or F rac0 .00 .00 .0, iq ui d Fr ac1. 00 0 00 01. 00 0 00 01, 00 0 00 0S ol id F rac0 .00 .00 .0E nt halp y3tu /lb mol72 0 6. 54 911 3 40 .8 644 0 3. 43 3E nt halp y3tu /lb72 ,0 6

10、 86 812 2 .9 13 541 ,5 2 67 3E nt halp y3tu /h r15 88 7 7E + 60 97 1 0E +64 48 0 8E + 5E nt ro py3tu /lb mol -R81 ,1 8 31 3 ,71 ,5 1 83 990 ,4 2 05 3E nt ro py3tu /lb -R8 11 8 67 27 75 1 24 2,8 52 7 14 0Den sit yb mol /cu ft.4 80 8 51 6,5 27 1 77 1,4 48 0 48 6Den sit yb /cuf t48 ,0 8 30 348 ,6 4 10

11、547 ,5 1 04 1Avera g e M W99 ,9 9 55 792 ,2 6 70 010 6 .0 38 5, iq Vol 6 0Fcu ft /h r40 5 .9 72 616 4 .3 56 924 1 .6 15 7塔溫度分布圖如下:U 豈nnEEDL氣相各組分濃度分布圖（摩爾分?jǐn)?shù)）從上面圖中可以看出， 溫度自塔頂至塔底逐漸升高；無(wú)論是氣相還是液相， 輕組分乙苯含量向塔頂富集，而重組分鄰二甲苯則相反，向塔底富集。問題二：使用靈敏度分析功能，分別研究回流比、進(jìn)料位置、采出量對(duì)塔頂 （底）熱負(fù) 荷、產(chǎn)品濃度（乙苯含量）影響規(guī)律。（1）回流比對(duì)塔頂熱負(fù)荷、產(chǎn)品濃度影響規(guī)律隱

12、藏精微塔的自身設(shè)計(jì)規(guī)定，并設(shè)置精儲(chǔ)塔的回流比和塔頂采出流率為上述所解得的結(jié) 果，再對(duì)其進(jìn)行靈敏度分析。Sen后 livily Resells Cu僧a(chǎn)DUTY 孫1 01 52 5343 &4 04 55。556 0 e5 7 Q 7 & 另口 吊 5 9C 9 &10 0VARY 1 R3 CO SPEC MOLF R從上圖可以看出，固定其他參數(shù)不變，只改變其回流比的時(shí)候，塔頂熱負(fù)荷值越來(lái)越負(fù)，塔頂熱負(fù)荷越來(lái)越大，是因?yàn)椴沙隽髀室欢ǎ?若增加回流比，就會(huì)增加冷凝器冷凝出料和回 流的總物料量，就會(huì)增加總的冷凝熱負(fù)荷，因此其熱負(fù)荷（絕對(duì)值）就相應(yīng)地增加。同時(shí)冷選擇卻水的消耗量也會(huì)相應(yīng)增加。因此回

13、流比的大小是影響精儲(chǔ)塔操作和費(fèi)用的重要因素, 合適的回流比顯得十分重要。SriGiLj44kmol/hr時(shí)，隨D的增加，塔頂產(chǎn)品濃度迅速下降。 這是因?yàn)椋降某跏剂髁考礊?4kmol/hr ,當(dāng)塔頂采出量小于它時(shí)，因?yàn)镹t、R和Nf都比較合適，冷凝再沸充分，因而能夠保持較高的塔頂純度，但當(dāng)塔頂采出量大于它時(shí)，即使其他參數(shù)合適，也一定會(huì)有大于該差額的甲苯進(jìn)入塔頂，純度自然迅速下降。在塔頂采出流率增大到臨界值之前，塔氣液兩相能充分接觸， 傳質(zhì)效果好，能得到較純的產(chǎn)品。而塔頂采出流率增得過(guò)大時(shí)，由于固定了回流比，會(huì)使得氣相的上升速率大大增加，從而使得氣液兩相的傳質(zhì)過(guò)程受阻，重組分也會(huì)被帶上去， 塔頂

14、產(chǎn)品純度下降。 塔底采出流率和塔頂采出流率總和為固定的，即進(jìn)料速率。因此塔頂采出流率對(duì)塔頂和塔底產(chǎn)品的純度的影響是恰恰相反的。問題三：對(duì)精儲(chǔ)塔參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，在滿足分離要求前提下，總塔板數(shù)盡可能少，再沸 器的熱負(fù)荷盡可能低。精儲(chǔ)塔兩端出料的產(chǎn)品純度由回流比和塔頂采出流率來(lái)自動(dòng)約束，那么當(dāng)進(jìn)料位置確定后，塔板數(shù)和再沸器熱負(fù)荷的關(guān)系將被確定。 或者塔板數(shù)與最小熱負(fù)荷 （通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)料位置） 的關(guān)系是確定的。這一小問是一個(gè)約束優(yōu)化問題，兩個(gè)約束條件是塔頂和塔底產(chǎn)品的濃度要求一一塔頂出 料含甲苯0.99以上、塔底出料含乙苯 0.99以上，決策變量是 D、R、Nf和Nt,同時(shí)要求塔 底熱負(fù)荷Qr盡可能小，而

15、且 Nt也應(yīng)當(dāng)盡量地小。我們看到，這里有兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，顯然是 不能完全求解的，因?yàn)樵谝话阋饬x上，二個(gè)多元函數(shù)是不會(huì)同時(shí)達(dá)到最小值的。通過(guò)之前兩個(gè)問題的分析計(jì)算，我們看到，隨著塔板數(shù)的增加， 最小塔底熱負(fù)荷成下降趨勢(shì)，這說(shuō)明，Nt和Qr不可能同時(shí)達(dá)到最小值。同時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)，隨著Nt的增加，Qr雖然減小，但下降地越來(lái)越緩慢。在約束條件下，Nt和Qr極小值的相對(duì)關(guān)系：隨著 Nt的增加，Qr及其極小值都成下降 趨勢(shì)，但下降幅度越來(lái)越小，體現(xiàn)為隨曲線下移，曲線間距越來(lái)越窄。這提示我們，兩者雖 然都對(duì)成本有影響，但這種影響存在強(qiáng)弱關(guān)系的變化，總的成本可能會(huì)有一個(gè)最小值。固定進(jìn)塔位置Nf在第15層時(shí)，輸出理

16、論塔板數(shù)與塔底熱負(fù)荷的關(guān)系圖如下：VARY 1 B1 PARAM NSTAGELOO 。1 RUTLACG590該圖更直觀地體現(xiàn)了，在其他參數(shù)確定的情況下，塔板數(shù)越多，塔底熱負(fù)荷反而越小。這說(shuō)明原題中的優(yōu)化問題沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的答案，除非我們能定義一個(gè)統(tǒng)一的經(jīng)濟(jì)”變量，把塔板數(shù)和塔底熱負(fù)荷所帶來(lái)的成本因素求和，這樣便一定能得到最優(yōu)解 因?yàn)槎呤秦?fù)相關(guān)的。在沒有這樣一個(gè)統(tǒng)一變量的情況下，如果我們將Nt取的較小，那么塔的建設(shè)成本比較低，但是相應(yīng)的操作成本就比較高，因?yàn)樵俜衅鳠嶝?fù)荷較大；如果我們將Nt取的較大，那么雖然塔的建設(shè)成本較高，但是由于再沸器熱負(fù)荷較小，操作成本也較小。對(duì)精儲(chǔ)塔參數(shù)調(diào)優(yōu)使得塔板數(shù)

17、少、再沸器熱負(fù)荷低的目的無(wú)非就是使得經(jīng)濟(jì)效益得到提高。影響經(jīng)濟(jì)效益的因素很多，可以簡(jiǎn)單地劃分為這么幾類：設(shè)備費(fèi)用一一整個(gè)精儲(chǔ)塔裝置的設(shè)備成本以及維護(hù)成本原料費(fèi)用一一生產(chǎn)產(chǎn)品的進(jìn)料成本以及相應(yīng)設(shè)備輔助原料的購(gòu)買成本操作成本一一冷凝器和再沸器的能量成本和冷凝水/蒸汽的成本人工成本設(shè)一各種設(shè)備的管理維護(hù)以及附帶產(chǎn)業(yè)鏈的人工費(fèi)用市場(chǎng)效益一一產(chǎn)品以及其副產(chǎn)品的銷售市場(chǎng)帶來(lái)的利潤(rùn)然而對(duì)于以上各種因素的分析，基于本人對(duì)于專業(yè)知識(shí)的匱乏，并不能給出非常確實(shí)可信的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)和估算其市場(chǎng)價(jià)值和效益，尤其對(duì)于各種設(shè)備的設(shè)計(jì)生產(chǎn)和需求購(gòu)買，以及甲苯乙苯下游產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)期望值，難以做出比較簡(jiǎn)單直接的估算。四、個(gè)人感

18、悟與體會(huì)通過(guò)為期一周aspen軟件的學(xué)習(xí)，并在完成兩次小作業(yè)的基礎(chǔ)上，自行查閱資料并設(shè)計(jì)了這次大作業(yè)，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)其他課程的基本知識(shí)去解決某一具體設(shè)計(jì) 任務(wù)的能力。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，它也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力。通過(guò)Aspen軟件課程學(xué)習(xí)，我的以下幾點(diǎn)能力有所提高：1、查閱資料，運(yùn)用公式和搜集數(shù)據(jù)的能力2、樹立了既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性和可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性。去分析和解決實(shí) 際問題的能力。3、學(xué)會(huì)用模擬軟件解決工程問題，迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算。4、用簡(jiǎn)潔的文字，清晰的圖表表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。隨著本次大作業(yè)的結(jié)束， 雖然比較麻煩和困難， 但感覺收獲還是蠻大的。幾乎每天的專注和辛勞，引起了我對(duì)化工原理基礎(chǔ)課全新的認(rèn)識(shí)。這次課程設(shè)計(jì)讓我感覺到了在平時(shí)生活中所不能經(jīng)常感受到的許多東西，它不能用學(xué)到什么來(lái)形容，應(yīng)該是留給了我什么，留給我一種感覺，平靜，喜悅，激動(dòng)等等。同時(shí)，