化工系統(tǒng)模擬與優(yōu)化

化工系統(tǒng)模擬與優(yōu)化丁二烯和二氧化硫合成丁二烯砜的案例研究徐國想指導教師：錢宇教授華南理工大學化工研究所一九九九年八月

目錄序言0．輸入信息間歇對連續(xù)流程圖的輸入－輸出結構2．1．流程圖的輸入－輸出結構2．2．設計變量和物料衡算的步驟流程圖的循環(huán)結構3．1．過程循環(huán)結構的決策3．2．流程的物料衡算別離系統(tǒng)4．1．別離序列的綜合4．2．別離系統(tǒng)的總體結構丁二烯制備丁二烯砜過程的全流程模擬5．1．丁二烯制備丁二烯砜過程的全流程圖5．2．丁二烯制備丁二烯砜過程的全流程經濟衡算參考文獻附錄PRO/ⅡKEYWORD輸入文件

序言概念設計是依據開發(fā)性根底研究的結果、文獻的數據、現有類似裝置的操作數據和工程經驗，按照所開發(fā)的新技術工業(yè)化規(guī)模而做出的預想設計。概念設計的目標就是尋找最正確工藝流程和估算最正確設計條件，用以指導過程研究及提出對開發(fā)性根底研究進一步的試驗要求，所以，它是根底研究與過程研究的指南，是整個開發(fā)研究過程中十分關鍵的一個步驟。經驗指出，如果要考慮所有的可能性，那么對任何過程的流程圖一般都可以提出許多方案〔經常是104~109個〕，采用分層次決策的方法，就可以在很大程度上防止了漏掉某些重要方案選擇的情況。概念設計的目標就是尋找最正確“方案〞，所以，需要盡快降低要予以考慮的方案數目，而基于數量級分析法的簡捷算法常常精確得足以消去90％左右無效益的方案。采用簡捷算法和分層次決策方法也可以盡快地把信息反響給正致力于開發(fā)該過程的化學家手中，將有助于化學家去收集那些有可能獲取最大效益操作范圍內的數據，并且終止掉那些在有效益操作范圍之外的實驗。分層次決策方法就是把設計問題簡化為分層次的決策，其步驟如下：1.間歇對連續(xù)；2.流程圖的輸入輸出結構；3.流程圖的循環(huán)結構；4.別離系統(tǒng)的總體結構；5.熱交換器網絡。

輸入信息反響信息a.可逆反響：丁二烯＋SO2丁二烯砜丁二烯＋SO2丁二烯砜HR=－48,000Btu/mol,Keq×10-11)exp[-36,940/T(0R)],k1×1015)exp[-52,200/T(0R)],k1=k-1Keq[mol/(ft3·h)],反響速率符合化學計量關系，并且采用CSTR反響器。b.反響條件：反響溫度900F,反響器壓力=150psia。c.假設反響的選擇性為1：d.反響動力學：反響在產品沸點下有顯著的逆反響速率，這時應選擇適宜的反響溫度、二氧化硫與丁二烯的摩爾比，不僅要求轉化率高，還要求生產控制穩(wěn)定、產品本錢低，一般選擇二氧化硫與丁二烯的摩爾比r，丁二烯的轉化率為40%e.液相，無催化劑2.丁二烯砜產量：P丁二烯砜=80mol/h3.丁二烯砜的產品純度：xD4.物化數據：一般需要的信息是分子量、沸點、蒸汽壓、熱容、汽化熱、反響熱、液體密度和逸度系數〔或狀態(tài)方程〕。5.費用數據：SO2＝0.064$/mol，丁二烯＝6.76$/mol，丁二烯砜＝8.50$/mol，反響器的年均建設費是3150[$/(ft3·a)]。

間歇對連續(xù)采用間歇操作頗為有利的因素產率：a．當產率低于10×106lb/a時，有時采用間歇；b．如果產率低于1×106lb/a時，一般采用間歇；c．多產品裝置。市場的力量：a．季節(jié)性生產；b．產品的生存期短。放大問題：a．反響的時間非常長；b．要處理低流速的漿料；c．快速結垢性的物料?！?06lb/a〔操作時數按8150h/a計〕，一般采用間歇，但根據反響的特點，決定選擇一個連續(xù)的過程，操作費用和物流費用以年為基準，操作時數為8150h/a。

流程圖的輸入－輸出結構2.1流程圖的輸入－輸出結構1.凈化進料物流情況：不需凈化進料物流。2.可逆的副產品情況：無可逆副產物。3.氣相循環(huán)。4.產品物流的數目。所有組分的去向在表2.1中給出，只有一股產品物流。表2.1反響工段各組分去向組分去向SO2循環(huán)C4H6循環(huán)C4H6SO2產品初步的流程圖見圖2.1：CC4H6，SO2C4C4H6C4H6SO2圖2.1丁二烯制備丁二烯砜過程圖2.1丁二烯制備丁二烯砜過程的輸入輸出結構2.2.設計變量和物料衡算的步驟可能出現在第2層次上的設計變量：對復雜反響有反響器轉化率，反響物摩爾比，反響溫度/或壓力等；過量反響物的情況，過量反響物是指既不回收，又不是氣體循環(huán)和放空的反響物。正常情況下，可由設計變量開發(fā)總物料平衡的公式，而根本不必考慮任何循環(huán)流量。只要總方程式定義缺乏，就必須尋找一個或多個設計變量來完善該問題的定義，而這些設計變量總是對應于“主要的過程優(yōu)化〞問題。因此，最初的分析總是應該只集中于輸入－輸出的流量。

開發(fā)總物料平衡的步驟：從規(guī)定的產率入手由化學計量關系求出副產物流量和原料需用量〔以設計變量表示〕在反響物需要全部回收和循環(huán)的場合，計算進料物流內雜質的進口流率和出口流率在反響物既不回收也不循環(huán)的場合〔循環(huán)和放空或是空氣或是水〕，以規(guī)定的過剩量表示，計算各反響物的出口流率計算隨第四步中的反響物流帶入的雜質的進口流率和出口流率。

流程圖的循環(huán)結構過程循環(huán)結構的決策：需采用一套反響器系統(tǒng)只有一個主反響，只需要一個反響器系統(tǒng)。由于反響轉化率不可能到達100%，故原料要循環(huán)回反響器。采用一股氣相循環(huán)物流全流程有一個回到反響器去的循環(huán)物流。其流程圖見圖2.3。在反響器入口處無需過量反響物配置氣體壓縮機一臺反響在高壓下進行，需要一臺進料氣壓縮機。反響器采用預熱方式進料通過改變反響器的停留時間來調節(jié)平衡轉化率。二氧化硫丁二烯二氧化硫丁二烯反響器二氧化硫丁二烯反響器二氧化硫丁二烯丁二烯砜別離系統(tǒng)圖2.3丁二烯制備丁二烯砜過程循環(huán)結構3.2流程的物料衡算初期物料衡算是基于所有有價值物流全部回收的假設，衡算結果將為用PRO/II作流程模擬提供初值。嚴格的物料衡算待確定別離系統(tǒng)的細節(jié)后由PRO/II流程模擬結果給出。1.設計變量。將產物分布關聯為有限反響物的單程轉化率的函數，即設計變量為丁二烯的單程轉化率。2.物料衡算。從圖2.3看到，所有進入該過程的丁二烯都轉化了〔沒有丁二烯離開系統(tǒng)〕，這是基于丁二烯完全回收的假設，即忽略掉產品物流中有任何丁二烯的損失。當反響轉化率為x、反響選擇性為S、丁二烯砜產率為P丁二烯砜時，該過程的丁二烯新鮮進料量FFC4H6必須為(2-1)令進入反響器的丁二烯流率為FC4H6，當轉化率是x時，離開反響器的丁二烯量是FC4H6(1-x)。對于完全回收的別離系統(tǒng)，離開反響器的流率將等于循環(huán)流率。在反響器前的混合器作一衡算，那么有FFC4H6+FC4H6(1-x)=FC4H6(2-2)于是反響器的進料量為FC4H6＝FFC4H6/x(2-3)

4別離系統(tǒng)別離序列的綜合選用探試法選擇簡單塔塔序。探試法的搜索速度一般比數學規(guī)劃法要高得多，如果探試法那么使用得當，不需要過多的計算便可迅速獲得接近最優(yōu)的別離序列。Nadgir和Liu提出的有序探試法，就是一種較好的別離序列綜合的探試法。Nadgir和Liu把探試法那么分為四大類：別離方法探試〔M探試〕法那么；設計探試〔D探試〕法那么組分探試〔S探試〕法那么；組成探試〔C探試〕法那么。這四類探試法那么中包括如下探試法那么，這些探試法那么必須依次順序采用，不可顛倒：規(guī)那么1〔M1法那么〕，盡量采用直接別離法〔只用能量別離劑的別離方法，如普通精餾〕，防止采用間接別離法〔需要用質量別離劑的別離方法〕。但當關鍵組分的相對揮發(fā)度〔或別離系數〕小于～時，不推薦用普通精餾，該采用質量別離劑，但別離劑應在下一個別離器中別離出來。規(guī)那么2〔M2法那么〕，防止溫度和壓力過于偏離環(huán)境條件。如果必須偏離，也寧可向高溫或高壓方向偏離，而盡量不向低溫、低壓方向偏離。如不個、得不采用真空蒸餾，可以考慮用液液萃取來代替。如果需要冷凍，可以考慮吸收等替代方案。規(guī)那么3〔D1法那么〕，傾向于產生的產品個數最少的別離序列，也就是防止別離那些在同一目標產物組中的組分。規(guī)那么4〔S1法那么〕，優(yōu)先別離具有腐蝕性或毒性的成分。規(guī)那么5〔S2法那么〕，難于別離的組分最后別離。特別是關鍵組分的相對揮發(fā)度接近于時，應當在沒有非關鍵組分存在的條件下進行別離。規(guī)那么6〔C1法那么〕，在相對揮發(fā)度允許的條件下，進料組成最大的組分優(yōu)先別離。規(guī)那么7〔C2法那么〕，在進料組分的組成相差不大，且相對揮發(fā)度允許的條件下，傾向于將進料一分為二的別離，即將進料等摩爾地分成塔頂和塔底產品。假設難以判斷哪一種別離最接近一分為二，那么可以把易別離系數(CES)值最大的別離點優(yōu)先別離。易別離系數定義如下：(3-1)其中f為產品摩爾流率比，定義為(3-2)式中D—塔頂出料摩爾流率；B—塔底出料摩爾流率。式〔3-1〕中為(3-3)或(3-4)式〔3-3〕表示輕重關鍵組分間沸點差，式〔3-4〕中為輕重關鍵組分相對揮發(fā)度。易別離系數越大，表示輕、重關鍵組分越易被別離，所需別離費用一般也較低。4.2別離系統(tǒng)的總體結構從反響器的操作條件〔900F，150psia〕下出來的液相混合物，溫度大約在900F，經過換熱器進行間接升溫至3400F進入別離系統(tǒng)，再通過分別設計蒸汽回收系統(tǒng)和液體別離系統(tǒng)來實現相的最終別離。丁二烯制備丁二烯砜過程的別離系統(tǒng)總體結構如圖4.2.1所示：蒸汽別離蒸汽別離系統(tǒng)循環(huán)去反響循環(huán)去反響器液體蒸汽進料相別離器反響器系統(tǒng)液體蒸汽進料相別離器反響器系統(tǒng)過程別離系統(tǒng)的總體結構0F，再經過換熱器降溫至900F進反響器。丁二烯制備丁二烯砜過程別離系統(tǒng)的初步結構如圖4.2.2所示：循環(huán)去循環(huán)去反響器3400F150psia0F15psia903400F150psia0F15psia900F150psia進料閃蒸器2減壓閥反響器系統(tǒng)閃蒸器1減壓閥反響器系統(tǒng)閃蒸器1產品液體產品液體別離系統(tǒng)圖4.2.2丁二烯制備丁二烯砜過程別離系統(tǒng)的初步結構該別離系統(tǒng)可采用各種替代方案：升高混合物的溫度或降低它的壓力，利用閃蒸器來實現相的別離。升高混合物的溫度，采用精餾塔來分割物流。升高混合物的溫度，采用穩(wěn)定塔來分割物流。以上各種替代方案按照費用遞增的順序排列，故希望采用排列靠前的方案。

5丁二烯制備丁二烯砜過程的全流程模擬過程的全流程圖在以上分析的根底上，可進行全流程的模擬，利用PRO/II軟件進行模擬計算，其流程如圖5.1所示。811811M1M121新鮮進料C1F121新鮮進料C1F19910412763V1F2REACTOR10412763V1F2REACTOR135E3E2E1135E3E2E1過程的全流程圖

過程的全流程經濟衡算以年操作時數8150小時為基準，過程的經濟潛力為：EP=產品的價值-原料費用-設備費用1．原料及產品費用SO2＝0.064$/mol，丁二烯＝6.76$/mol，丁二烯砜＝8.50$/mol2．反響器的費用模型采用CSTR反響器，反響器的年均建設費可按下式計算：3150[$/(ft3·a)]3．閃蒸器的費用模型一般閃蒸器的停留時間為15min左右〔0.25h〕，故閃蒸器的體積可按下式計算：式中V是閃蒸器的體積〔ft3〕，Qv是進入閃蒸器物流的體積流率〔ft3/h〕。取閃蒸器的L/D=1.5，那么閃蒸器的直徑和長度為：；L=12D在引入投資歸還因子1/3后，閃蒸器的年度建設費用可按下式計算：在本設計中M&S取792，Fc=3.67*1.0。換熱器的費用模型換熱器的熱負荷均由PRO/II計算得到，換熱所需傳熱面積由下式計算：式中Qc為換熱器的熱負荷〔Btu/hft20F〕，Uc為傳熱系數100Btu/hft20F，△Tm是換熱器的對數溫差，Ac為換熱器所需換熱面積〔ft2〕。在引入投資歸還因子1/3后，換熱器的年度建設費用可按下式計算：在本設計中M&S取792，當采用碳鋼制造的浮頭式換熱器時Fc=1.0。另外，換熱器的年度操作費用〔消耗的冷卻水費用〕可按下式計算：式中冷卻水的價格為0.06$/1000gal，△Tc是冷卻水的進出口溫差，年操作時數為8150小時。換熱器年度費用=換熱器年度建設費用+換熱器年度操作費用壓縮機的費用模型對于初期設計，假定壓縮機效率為90%，壓縮機理論功率hp由PRO/II流程模擬結果給出，那么制動馬力為用Guthrie關聯式計算壓縮機的建設費用操作費用按壓縮機電機效率為90%和電費為35$/kWh計算式中bhp單位為kW。一、費用數據二氧化硫費用$/kmol丁二烯費用$/kmol丁二烯砜價值8．50$/kmol電價35$/kWh冷卻水×10-4$/kmol設備費用估算價格指數M&S=792,并引入投資歸還因子1/3年，以便把建設費用置于年度的基準上。二、經濟潛力估算以反響轉化率x為例1．原料二氧化硫費用=(0.064$/mol)(80mol/h)(8150h/a)=104$/a原料丁二烯費用=(6.76$/mol)(80mol/h)(8150h/a)=106$/a產品丁二烯砜價值=(8.50$/mol)(80mol/h)(8150h/a)=106$/a2．反響器費用反響器進料體積流率v0=km3/h反響的速度常數k=1.045s-1(T=900F)×10-4h反響器容積V=0.065m3反響器年度費用＝3150[$/(ft3·a)]×35.315ft3/m3104$/a3．閃蒸器費用××35.315=2.709ft3式中V是閃蒸器的體積〔ft3〕，Qv是進入閃蒸器物流的體積流率〔ft3/h〕。取閃蒸器的L