异丙苯制备及分离流程模拟

1、异丙苯制备及分离流程模拟Design and Optimization on the Isopropyl BenzeneTechnology Process一级学科:化学工程与技术学科专业：化学工程与工艺学 生： 学 号：指导教授： 教授北京化工大学化学工程学院二零一五年一月九日第21页/共21页目录第1章 设计任务和要求1第1.1节 设计任务1第1.2节 设计要求1第2章 流程设计与计算结果2第2.1节 流程设计2第2.2节 计算结果3第3章 aspen参数设置5第3.1节 流程设计之Set up5第3.2节 流程设计之Component5第3.3节 流程设计之Properties6第3.4

2、节 流程设计之Stream6第3.5节 流程设计之Blocks7第3.6节 流程设计之衡算计算结果8第4章 灵敏度分析12第4.1节 灵敏度分析定义目标函数12第4.2节 灵敏度分析影响回流比15第4.3节 灵敏度分析影响SEP压力16第4.4节 灵敏度分析影响SEP温度17第4.5节 灵敏度分析影响HEATER温度18第4.5节 灵敏度分析结果19第5章 小结20第5.1节 流程小结20第5.2节 aspen软件实习小结20北京化工大学 化工软件实习 大作业第1章 设计任务和要求第1.1节 设计任务（1） 设计异丙苯制备及分离流程模拟（2） 本人学号为其中包括0；1；2；4，即0苯；1甲烷；

3、2丙烯；4正丁烷。根据本题要求，进料中含4种物质。学号1234567890分子甲烷丙烯丙烷正丁烷正戊烷甲苯乙醇异丙苯正戊烷苯（3） 设计并通过Aspen Plus模拟确定较低能耗的工艺及操作条件（4） 撰写设计报告，给出设计思想、模拟过程及结果第1.2节 设计要求（1） 进口物料：压力：1.1atm；温度：120 ；流量：苯和丙烯各60000mol/min，甲烷和正丁烷各10000mol/min。（2） 反应器：丙烯转化率：0.9；压力：0atm；热负荷为：0。（3） 换热器： 压力：-0.1 atm。（4） 精馏塔 ：压力：1atm全塔 ；塔釜苯摩尔含量：0.001。第2章 流程设计与计算结

4、果第2.1节 流程设计根据合成及分离要求设计流程如下图1所示：图2 - 1 设计流程图本流程图为最理想简化流程图，忽略进料甲烷、正丁烷等相关杂质之间的反应，只考虑苯和丙烯之间生成异丙苯的反应。本流程中含有五个模块：分别是REACTOR反应器；HEATER换热器；SEPARATOR分离器；PUMP泵；DSTWU精馏塔。由流程图可知，苯、丙烯、甲烷和正丁烷物流由FEED进料，经过反应器反应。由反应方程式C6H6 + C3H6 à C9H12可知，苯和丙烯为反应物，异丙苯为生成物，而甲烷和正丁烷属杂质。从反应器REACTOR出来的物流REACTOR-OUT中包含未反应完的苯、丙烯，反应产物

5、异丙苯等，以及没有参加反应的甲烷和正丁烷。这些物质进入换热器中进行冷凝。经过冷凝器后的混合物并没有发生化学变化，仅发生物理变化。从换热器中出来的混合物HEATER-OUT进入SEPARATOR分离器进行闪蒸。闪蒸之后气相由顶部排除，进入其他工序，液相LIQUIT由底部排除，经过PUMP泵加压后进入精馏塔DSTWU进行精馏分离。精馏塔进料为PUMP-OUT，经分离后，其中轻组分从塔顶经过RECYCLE循环回REACTOR反应器参与反应，重组分异丙苯从塔釜作为产品排出。第2.2节 计算结果计算结果如下表2-1和表2-2表 2 1 热量和质量衡算表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 热量和质量衡算表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参数设置第3.1节 流程设计之Set up 如图3-1所示,将单位改为MET。图3 - 1 设计流程图之Set up第3.2节 流程设计之Component如图3-2所示，输入CH4，C3H6-1，C4H10-1，C6H6，C9H12五种物质。图3 - 2

10、 设计流程图之Component第3.3节 流程设计之Properties如图3-3所示，选用RK-SOAVE方法。图3 - 3 设计流程图之Properties第3.4节 流程设计之Stream按照设计要求进口物料：压力：1.1atm；温度：120 ；流量：苯和丙烯各60000mol/min，甲烷和正丁烷各10000mol/min。如图3-4所示，设置进料物流温度为120，压力为1.1atm。物质摩尔分率分别是CH4为10000mol/min，C3H6-1为60000mol/min，C4H10-1为10000mol/min，C6H6为60000mol/min。图3 - 4 设计流程图之Str

11、eam第3.5节 流程设计之Blocks（1） 如图3-5所示，DSTWU精馏塔的设置参数分别是：按照设计要求精馏塔 ：压力：1atm全塔 。回流比为2.5，冷凝器Condenser的压力为1atm，再沸器Reboiler的压力为1atm，其中关键组分轻组分C6H6的摩尔分率为99.99%，关键组分轻组分C9H12的摩尔分率为0.01%。图3 - 5 设计流程图之BlocksDSTWU（2）如图3-6所示，PUMP泵的设置参数是：压力为1atm。图3 - 6设计流程图之BlocksPUMP（3）如图3-7所示，REACTOR反应器的设置参数是：按照设计要求反应器：丙烯转化率：0.9；压力：0a

12、tm；热负荷为：0。反应方程式为：C6H6 + C3H6 à C9H12其中以C3H6的转化率为0.9为关键组分的基准计算。图3 - 7设计流程图之BlocksREACTOR（4）如图3-8所示，将最大次数改为8000次。图3 - 8设计流程图之Methods第3.6节 流程设计之衡算计算结果（1） 如图3-9所示，衡算计算结果显示为：图3 - 9设计流程图之衡算计算结果（2）如图3-10所示，精馏塔DSTWU计算结果显示为：图3 - 10设计流程图之精馏塔DSTWU计算结果（3）如图3-11所示，换热器HEATER的计算结果显示为：图3 - 11设计流程图之换热器HEATER计算结

13、果（4）如图3-12所示，泵PUMP的计算结果显示为：图3 - 12设计流程图之泵PUMP计算结果（5）如图3-13所示，反应器REACTOR的计算结果显示为：图3 - 13设计流程图之反应器REACTOR计算结果（6）如图3-14所示，分离器SEPARATOR的计算结果显示为：图3 - 14设计流程图之分离器SEPARATOR计算结果第4章 灵敏度分析第4.1节 灵敏度分析定义目标函数根据工艺流程的需求，需对过程的热负荷进行灵敏度分析。定义目标变量分别为：HEAT：换热器所需要热量SEP：闪蒸罐所需要冷量RE：精馏塔再沸器热量CON：精馏塔冷凝器所需要热量（1）如图4-1所示，定义目标函数变

14、量显示为：图4 1 灵敏度分析定义目标函数变量（2）如图4-2所示，定义目标函数显示为：图4 2 灵敏度分析目标函数（2） 如下图4-3，4-4，4-5，4-6所示，目标函数详细定义：图4 3 灵敏度分析定义目标函数HEAT图4 4 灵敏度分析定义目标函数RE图4 5 灵敏度分析定义目标函数SEP图4 6 灵敏度分析定义目标函数CON第4.2节 灵敏度分析影响回流比（1）如下图4-7所示，设置DSTWU精馏塔的回流比，范围为13，间隔为0.2。图4 7 灵敏度分析DSTWU回流比（2）如下图4-8所示，设置DSTWU精馏塔的回流比，范围为13，间隔为0.2的函数图象。图4 8 灵敏度分析DST

15、WU回流比函数图像第4.3节 灵敏度分析影响SEP压力（1）如下图4-9所示，设置SEP分离器的压力，范围为0.020.3，间隔为0.02。图4 9 灵敏度分析SEP压力（2）如下图4-10所示，设置SEP分离器的压力，范围为0.020.3，间隔为0.02的函数图象。图4 10 灵敏度分析SEP压力函数图像第4.4节 灵敏度分析影响SEP温度（1）如下图4-11所示，设置SEP分离器的温度，范围为283.15-333.15，间隔为5。图4 11 灵敏度分析SEP温度（2）如下图4-12所示，设置SEP分离器的温度，范围为283.15-333.15，间隔为5的函数图象。图4 12 灵敏度分析SE

16、P温度函数图像第4.5节 灵敏度分析影响HEATER温度（1）如下图4-13所示，设置HEATER换热器的温度，范围为283.15-353.15，间隔为10。图4 13 灵敏度分析HEATER温度（2）如下图4-14所示，设置HEATER换热器的温度，范围为283.15-353.15，间隔为10的函数图象。图4 14 灵敏度分析HEATER温度函数图象第4.5节 灵敏度分析结果 综上灵敏度分析可知，使能量最低的换热器出口温度选为36.8，闪蒸压力为0.1atm，温度为22，精馏塔的回流比为2.5，实际塔板数为13块。 第5章 小结第5.1节 流程小结已完成设计任务（1） 设计异丙苯制备及分离流

17、程模拟。（2） 本人学号为其中包括0；1；2；4，即0苯；1甲烷；2丙烯；4正丁烷。根据本题要求，进料中含4种物质。学号1234567890分子甲烷丙烯丙烷正丁烷正戊烷甲苯乙醇异丙苯正戊烷苯（3） 设计并通过Aspen Plus模拟确定较低能耗的工艺及操作条件。答：使能量最低的换热器出口温度选为36.8，闪蒸压力为0.1atm，温度为22，精馏塔的回流比为2.5，实际塔板数为13块。（4） 撰写设计报告，给出设计思想、模拟过程及结果。第5.2节 aspen软件实习小结从2015年1月5日到2015年1月9日的软件实习结束了，短暂，充实。相信每一个学化工的同学，都对aspen plus有所耳闻，我也不例外。从未接触过化工设计软件的我在老师和同学的帮助下，我基本完成了设计课程的大作业，可有太多不懂的地方，需要我课后再继续深究。譬如怎样对分离任务进行具体而又正确的分析？计算方法的具体选择依