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(jí)學(xué)科:化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科專(zhuān)業(yè)：化學(xué)工程與工藝學(xué) 生： 學(xué) 號(hào)：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第21頁(yè)/共21頁(yè)目錄第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1第1.1節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)1第1.2節(jié) 設(shè)計(jì)要求1第2章 流程設(shè)計(jì)與計(jì)算結(jié)果2第2.1節(jié) 流程設(shè)計(jì)2第2.2節(jié) 計(jì)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(jì)之Set up5第3.2節(jié) 流程設(shè)計(jì)之Component5第3.3節(jié) 流程設(shè)計(jì)之Properties6第3.4

2、節(jié) 流程設(shè)計(jì)之Stream6第3.5節(jié) 流程設(shè)計(jì)之Blocks7第3.6節(jié) 流程設(shè)計(jì)之衡算計(jì)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(shí)習(xí)小結(jié)20北京化工大學(xué) 化工軟件實(shí)習(xí) 大作業(yè)第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求第1.1節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)（1） 設(shè)計(jì)異丙苯制備及分離流程模擬（2） 本人學(xué)號(hào)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(jìn)料中含4種物質(zhì)。學(xué)號(hào)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(jì)并通過(guò)Aspen Plus模擬確定較低能耗的工藝及操作條件（4） 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，給出設(shè)計(jì)思想、模擬過(guò)程及結(jié)果第1.2節(jié) 設(shè)計(jì)要求（1） 進(jìn)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(fù)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(jì)與計(jì)算結(jié)

4、果第2.1節(jié) 流程設(shè)計(jì)根據(jù)合成及分離要求設(shè)計(jì)流程如下圖1所示：圖2 - 1 設(shè)計(jì)流程圖本流程圖為最理想簡(jiǎn)化流程圖，忽略進(jìn)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(gè)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(jìn)料，經(jīng)過(guò)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(lái)的物流REACTOR-OUT中包含未反應(yīng)完的苯、丙烯，反應(yīng)產(chǎn)物

5、異丙苯等，以及沒(méi)有參加反應(yīng)的甲烷和正丁烷。這些物質(zhì)進(jìn)入換熱器中進(jìn)行冷凝。經(jīng)過(guò)冷凝器后的混合物并沒(méi)有發(fā)生化學(xué)變化，僅發(fā)生物理變化。從換熱器中出來(lái)的混合物HEATER-OUT進(jìn)入SEPARATOR分離器進(jìn)行閃蒸。閃蒸之后氣相由頂部排除，進(jìn)入其他工序，液相LIQUIT由底部排除，經(jīng)過(guò)PUMP泵加壓后進(jìn)入精餾塔DSTWU進(jìn)行精餾分離。精餾塔進(jìn)料為PUMP-OUT，經(jīng)分離后，其中輕組分從塔頂經(jīng)過(guò)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(jì)算結(jié)果計(jì)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

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(zhì)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(shè)置第3.1節(jié) 流程設(shè)計(jì)之Set up 如圖3-1所示,將單位改為MET。圖3 - 1 設(shè)計(jì)流程圖之Set up第3.2節(jié) 流程設(shè)計(jì)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

10、 設(shè)計(jì)流程圖之Component第3.3節(jié) 流程設(shè)計(jì)之Properties如圖3-3所示，選用RK-SOAVE方法。圖3 - 3 設(shè)計(jì)流程圖之Properties第3.4節(jié) 流程設(shè)計(jì)之Stream按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)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(jìn)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(jì)流程圖之Str

11、eam第3.5節(jié) 流程設(shè)計(jì)之Blocks（1） 如圖3-5所示，DSTWU精餾塔的設(shè)置參數(shù)分別是：按照設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)要求反應(yīng)器：丙烯轉(zhuǎn)化率：0.9；壓力：0a

12、tm；熱負(fù)荷為：0。反應(yīng)方程式為：C6H6 + C3H6 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(jì)算。圖3 - 7設(shè)計(jì)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(jì)流程圖之Methods第3.6節(jié) 流程設(shè)計(jì)之衡算計(jì)算結(jié)果（1） 如圖3-9所示，衡算計(jì)算結(jié)果顯示為：圖3 - 9設(shè)計(jì)流程圖之衡算計(jì)算結(jié)果（2）如圖3-10所示，精餾塔DSTWU計(jì)算結(jié)果顯示為：圖3 - 10設(shè)計(jì)流程圖之精餾塔DSTWU計(jì)算結(jié)果（3）如圖3-11所示，換熱器HEATER的計(jì)算結(jié)果顯示為：圖3 - 11設(shè)計(jì)流程圖之換熱器HEATER計(jì)算結(jié)

13、果（4）如圖3-12所示，泵PUMP的計(jì)算結(jié)果顯示為：圖3 - 12設(shè)計(jì)流程圖之泵PUMP計(jì)算結(jié)果（5）如圖3-13所示，反應(yīng)器REACTOR的計(jì)算結(jié)果顯示為：圖3 - 13設(shè)計(jì)流程圖之反應(yīng)器REACTOR計(jì)算結(jié)果（6）如圖3-14所示，分離器SEPARATOR的計(jì)算結(jié)果顯示為：圖3 - 14設(shè)計(jì)流程圖之分離器SEPARATOR計(jì)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(duì)過(guò)程的熱負(fù)荷進(jìn)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

14、量顯示為：圖4 1 靈敏度分析定義目標(biāo)函數(shù)變量（2）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(xì)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(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(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(shí)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(jì)任務(wù)（1） 設(shè)計(jì)異丙苯制備及分離流

17、程模擬。（2） 本人學(xué)號(hào)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(jìn)料中含4種物質(zhì)。學(xué)號(hào)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(jì)并通過(guò)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(shí)際塔板數(shù)為13塊。（4） 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，給出設(shè)計(jì)思想、模擬過(guò)程及結(jié)果。第5.2節(jié) aspen軟件實(shí)習(xí)小結(jié)從2015年1月5日到2015年1月9日的軟件實(shí)習(xí)結(jié)束了，短暫，充實(shí)。相信每一個(gè)學(xué)化工的同學(xué)，都對(duì)aspen plus有所耳聞，我也不例外。從未接觸過(guò)化工設(shè)計(jì)軟件的我在老師和同學(xué)的幫助下，我基本完成了設(shè)計(jì)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(duì)分離任務(wù)進(jìn)行具體而又正確的分析？計(jì)算方法的具體選擇依