年產5萬噸丙烯直接水合制備異丙醇工藝Aspen模擬

1.流程描述1.1異丙醇合成工段圖1-1異丙醇合成工段異丙醇合成單元主要分為原料緩沖單元，原料混合單元，原料反應單元。原料緩沖單元：液態(tài)丙烯從罐區(qū)來，進入到緩沖罐V0103，除鹽水直接來自除鹽水站，進入到緩沖罐V0101，緩沖罐使反應物有一個10-15min的停留時間，這為后續(xù)工段提供一個穩(wěn)定的進料狀況，保證后續(xù)工段的正常進行。原料混合單元：從緩沖罐V0103出來的液態(tài)丙烯和未完全反應的循環(huán)回來的氣態(tài)丙烯在罐V0104中混合，從緩沖罐V0101出來的除鹽水和循環(huán)回來的除鹽水在V0102當中混合，混合后的丙烯流股和除鹽水流股在MG0101液動式微界面發(fā)生器當中混合，該發(fā)生器可以將流股當中的氣態(tài)丙烯破碎成微米級的氣泡，使其變成氣液乳化物，強化丙烯和水的傳質和混合效果。充分混合后的丙烯和水經過E0101進行一次流股間換熱之后進入反應器。原料反應單元：丙烯和水在R0101反應器當中進行反應，催化劑為磷酸/硅藻土。該反應為放熱反應，反應會生成異丙醇和少量正丙醇，二異丙醚。1.2原料回收工段圖1-2原料回收工段原料氣回收工段主要包括透平能量回收單元、丙烯氣初分離單元、傾析單元、丙烯氣再分離單元。透平能量回收單元：從R0101反應器出來的反應產物流股為高壓高溫流股，壓力19bar，溫度291℃，之后我們需要將該產品流股進行一個冷凝傾析，以使得大部分水分離開來，因此對該流股進行降溫。為了充分回收流股能量，我們在這里使用透平膨脹機（TG0201）來回收流股當中的能量，高壓蒸汽通過推動汽輪轉動來發(fā)電，氣體的壓力能和熱能轉化為透平機輸出的電能，氣體因此獲得壓降和溫度降，氣體通過后溫度降為155℃，壓力為11bar，更低的壓力減少了后續(xù)設備的制造費用，并且溫度和壓力被轉化為電力輸出。丙烯氣初分離單元：從透平機出來的粗異丙醇流股，經過兩次換熱冷凝，為了節(jié)約后續(xù)冷凝所需要的能量，我們首先對該產品流股進行一次氣液分離，使得產品流股中丙烯不凝氣被分離出一部分進入到M0201混合氣中。傾析單元：從氣液分離罐V0201出來的產品流股經過一次冷凝完全變?yōu)橐簯B(tài)，該液態(tài)產品流股進入傾析器當中進行分離，在傾析器當中，異丙醇溶于丙烯，二異丙醚等有機相，有機相在傾析器上層，水相在傾析器下層，從而完成有機相和水相的分離。丙烯氣再分離單元：完成粗脫水的產品流股進入T0201脫丙烯精餾塔，在脫丙烯精餾塔當中，丙烯和粗產品流股完成分離，丙烯氣循環(huán)回M0201混合器中。1.3異丙醇精制工段（1）精制工段-1圖1-3異丙醇精制單元-1異丙醇精制工段-1分為脫二異丙醚單元、脫正丙醇單元。脫二異丙醚單元：產品流股進入T0301脫二異丙醚塔，在脫二異丙醚塔中，粗二異丙醚從塔頂采出，實現粗二異丙醚和產品流股的分離。脫正丙醇單元：完成二異丙醚的脫除之后，產品流股進入脫正丙醇單元，在無熱泵技術的情況下，對該工藝流程進行能量分析，從組合曲線中可以得知，在85℃左右存在熱平臺且能量較大，通過分析知道該平臺處為脫正丙醇精餾塔T0302塔頂塔底溫差為15℃，且存在較大的相變熱，可以采用熱泵技術。我們將脫正丙醇精餾塔T0302的冷凝器取消，直接引出塔頂氣相，通過壓縮機加壓，提高塔頂采出氣體溫度，作為熱源送至至塔釜再沸器換熱，放出熱量冷凝部分氣體，再經節(jié)流閥減壓，由于本項目對塔頂產品純度有一定要求，故在節(jié)流后繼續(xù)通過較為經濟的二次冷凝用冷卻水降溫至泡點，冷凝后的流股一部分送往下一單元繼續(xù)精制，另一部分返回塔頂回流。在整個過程中，塔頂流股經過了流股間換熱，減少了二次冷凝時冷卻水得用量，塔釜則在換熱過程中已經達到再沸負荷的要求，做到了節(jié)能降耗。（2）精制工段-2圖1-4異丙醇精制工段-2異丙醇精制工段-2分為萃取及溶劑回收單元、有機朗肯循環(huán)單元。萃取劑及溶劑回收單元：完成正丙醇脫除之后，產品流股進入T0303塔，因為異丙醇和水在80.14℃，87.7wt%（水的質量分數）的組成下會形成共沸物，因此常規(guī)難以將兩者分離開來，在此我們使用乙二醇作為萃取劑，乙二醇的加入可以改變異丙醇和水的相對揮發(fā)度，使得異丙醇可以和水分離開來，異丙醇從T0303塔頂采出。乙二醇和水進入T0304塔進行乙二醇的回收，水的沸點高于乙二醇，因此水從T0304的塔頂采出，乙二醇從T0304的塔底采出，采出的乙二醇循環(huán)回萃取塔。有機朗肯循環(huán)單元：在T0303塔頂采出的異丙醇流股溫度為82℃，我們在此使用有機朗肯循環(huán)技術來回收這部分能量，在有機朗肯循環(huán)單元中，正丁烷為循環(huán)有機工質，正丁烷液體在換熱器E0308當中換熱汽化，推動TG0302透平機轉動發(fā)電，將氣體的高壓能量和熱量轉化為電量，釋放完能量的工質經過冷凝，再次循環(huán)。2.Aspen模擬設計過程2.1組分的輸入在“Properties”—“components”中輸入該流程涉及到的相關參數，丙烯、水、異丙醇、正丙醇、等組分。2.2物性參數的選擇在“Properties”—“Methods”中選擇物性參數為“NRTL”，因為NRTL能處理任意極性和非極性的混合物，甚至強非理想性混合物。2.3流程模擬在“simulation”界面搭建流程，該流程可分為三個部分，異丙醇合成工段、原料回收工段和異丙醇精制工段。2.4流程參數的設置2.4.1進料參數的設置異丙醇合成工段主要包括丙烯和水原料的進料參數設置。原料水的參數設置：流股“0101”的進料參數設置：工業(yè)水的進料溫度為25℃，進料壓力為13bar，進料量為129.767kmol/h。原料丙烯的參數設置：流股“0106”的進料參數設置：丙烯的進料溫度為35℃，進料壓力為18bar，進料量為144.977kmol/h，進料組成為0.996的丙烯和0.004的丙烷。異丙醇精制工段的進料主要是萃取劑的進料參數設置流股“0204”的進料參數設置：乙二醇萃取劑的進料溫度為85.5436℃，進料壓力為1.2bar，進料量為0.007kmol/h。2.4.2設備參數的設置2.4.2.1異丙醇合成工段的參數設置（1）丙烯原料處理丙烯經過儲罐V0103由泵P0102輸送至混合器V0104，然后進入混合器M0101中與原料水混合。其中涉及到的參數設置如下:儲罐V0103：采用的模型Flash2，溫度為35℃，壓力為18bar。泵P0102：采用的模型為Pump，加丙烯原料加壓至22bar混合器V0104：采用的模型是Mixer模型，壓降為0.5bar。（2）工業(yè)水原料處理工業(yè)水從儲罐V0101由泵P0101輸送至混合器V0102，然后進入混合器M0101中與原料丙烯混合。其中涉及到的參數設置如下:儲罐V0101：采用的模型Flash2，溫度為35℃，恒壓。泵P0101：采用的模型為Pump，加丙烯原料加壓至22bar混合器V0104：采用的模型是Mixer模型，壓降為0.5bar。（3）反應單元原料混合液依次精餾E0101和E0102加熱后進入反應器R0101中參與反應。換熱器E0101選用的模塊是HeatX，將原料混合液加熱至181℃，即將冷流股的出口溫度設置為181℃。換熱器E0102選用的模塊是Heater，將原料混合液加熱至190℃，壓降為0.5bar。反應器R0101選用的模型是“RPlug”模型，采用嵌套式。其中R0101用RPlug模型用來模擬主反應，采用的是動力學方程，R0102采用的模型是Rstoic，轉化率反應器用來模擬副反應。（主要是因為副反應的動力學參數在文獻上比較難找，甚至就沒有）R0101的參數設置：長度為6.4米，直徑為1.8米。R0102的參數設置：恒壓（0bar），絕熱（duty為0kW）2.4.2.2原料回收工段的參數設置（1）反應產物蒸汽透平膨脹機TQ0201的參數設置：選用的模型是turbine膨脹壓力為11bar。

（2）冷卻器E0201的參數設置：選用的模型是Heater，冷凝溫度為105℃（3）冷卻器E0202的參數設置：選用的模型是Heater，在恒壓條件下，將產物冷卻至氣液兩相，其中氣相分率為0.02。（4）冷卻器V0202的參數設置：選用的模型是Flash2，在恒壓條件下，將產物冷卻至氣液兩相，其中氣相分率為0.02。（5）混合器M0101：采用的模型是Mixer模型，壓降為0.5bar。（6）多級壓縮機C0201：選用的級數為兩級（7）換熱器E0201的參數設置：換熱器E0201選用的模塊是HeatX，保證冷流股出口狀態(tài)為液態(tài)。（8）冷卻器E0203的參數設置：選用的模型是Heater，冷卻溫度為30℃，壓降為0.5bar。（9）水粗分析器V0202：采用的模型是組分分離器Decanter的模型，在壓降為0.5bar，溫度為30℃的條件下，將流股中的水分進行分離。（10）泵P0202的參數設置：Pump，加壓至2bar（11）原料回收塔T0201的參數設置：選用的模型是RadFrac，T0201的塔板數為9，采用部分冷凝，精餾量為1.5kmol/h，摩爾回流比為0.723381，進料位置為第3塊塔板。塔頂壓力為9.5bar，第2塊塔板的壓降為0.5bar，全塔的壓降為0.5bar。2.4.2.3異丙醇精制工段的參數設置（1）精餾塔T0301的參數設置精餾塔T0301選用的模型是RadFrac，T0301的塔板數為32，采用部分冷凝，精餾量為7.5kmol/h，摩爾回流比為0.125，進料位置為第17塊塔板。塔頂壓力為9.2bar，第2塊塔板的壓降為0.5bar，全塔的壓降為0.5bar。（2）水輪機TG0301的參數設置：采用的模型為Pump，加丙烯原料加壓至1.5bar。（3）熱泵精餾塔單元1）精餾塔T0302的參數設置精餾塔T0301選用的模型是RadFrac，T0302的塔板數為35，沒有冷凝器與再沸器設置。進料位置為第23塊塔板、塔頂進料和塔底進料。塔頂壓力為1.2bar，全塔的壓降為0.05bar。2）壓縮機C0301的參數設置：選用模型為Compressor，壓縮壓力為2.64bar。3）分離器V0302的參數設置：選用的模型為FSplit，流股0313的分離率為0.0007057874）冷卻器E0303的參數設置：選用的模型是HeatX，保證冷流股的為氣相。5）節(jié)流閥VA0301的參數設置：選用的模型為Value，壓力為1.2bar。6）冷卻器E0304的參數設置：選用的模型是HeatX，保證流股出口的為液相。7）分離器V0303的參數設置：選用的模型為FSplit，流股0322的分離率為0.383678（4）朗肯循環(huán)的參數設置1）儲罐E0303：采用的模型Mixer不進行參數設置。2）精餾塔T0303的參數設置精餾塔T0303選用的模型是RadFrac，T0303的塔板數為17，全冷凝。精餾量與進料量的比值為0.20，摩爾回流比為1.04041，進料位置為第13塊塔板和4塊塔板。塔頂壓力為1bar，全塔的壓降為0.2bar。3）精餾塔T0304的參數設置精餾塔T0304選用的模型是RadFrac，T0304的塔板數為12，全冷凝。精餾量與進料量的比值為0.244003，摩爾回流比為7