【《正丁醇生产工艺流程设计及Aspen模拟分析案例》4000字】

第第9页正丁醇生产工艺流程设计及Aspen模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u5963正丁醇生产工艺流程设计及Aspen模拟分析案例 1260541.1工艺原理及流程简介 1280621.2AspenTech软件简介 2232771.2.1Aspenplus 2103441.2.2化工过程模拟 3214891.3Aspen模拟示意图 4227441.3.1羰基合成反应工段 5105731.3.2丁醛加氢反应工段 5310701.4各项参数及物料衡算 6266371.5热量衡算 81.1工艺原理及流程简介1.工艺原理：该工艺首先是将丙烯和H2、CO合成气在反应器中生成正丁醛和异丁醛，然后送至反应器气相加氢生产正丁醇和异丁醇，通过多步精制除杂，最后在精馏塔中将正丁醇和异丁醇分离。丙烯制丁醇工艺流程如下图所示。图4-1工艺流程图2.流程简介：除杂净化后的丙烯与H2、CO合成气一并送入羰基合成反应器。原料气在铑催化剂、气体分配器和搅拌器的作用下变成小气泡的形式，在催化剂溶液中扩散，在105℃和1.6Mpa条件下低压羰基化反应生成混合丁醛。产物在冷却后在缓冲罐中稳定。丁醛混合液通过离心泵输送至汽提塔以脱除杂质丙烯和丙烷，剩余气体通过压缩机再循环到反应器进行反应。脱除杂质后的混合丁醛进入蒸发器汽化后，进入加氢反应器中，在催化剂的作用下。在0.4MPa和130℃条件下。生产得到粗混合丁醇。粗产物经预精馏塔和精馏塔脱除轻组分和重组分后，进入精馏塔分离。得到产品正丁醇。1.2AspenTech软件简介Aspen是一款用于化学工程的数学模型计算的化学过程模拟软件，不仅可以模拟单元过程，还可以模拟得到整个工艺流程的数据。Aspen可以进行一系列化工过程以及数据核心计算，其中包括物料衡算，能量衡算，气液平衡，传质，传热，化学动力学，分流，压降等。现在，aspen广泛地应用于工业和学术上的稳态动态模拟，过程设计和流程优化。1.2.1AspenplusAspenPlus主要由三部分组成。第一部分是其算法，即系统实现策略。根据不同的输入输出资料，AspenPlus可以根据其特点选择相应的参数进行分析，从而获得用户所需的数据要求。第二部分是它的物理性质数据库，它包含了极其丰富的物理性质来处理不同的物质，包括不同物质的各种物理参数，如有机物、无机物、固体、液体、气体、水溶性电解质等，如摩尔质量、熔点、沸点，闪点、饱和蒸气压、物理状态、粘度等。这些物理性质存储在AspenPlus的两个基本物理性质数据库中，即Aspentech独立开发的AspenCD和美国化学工业协会物理性质数据设计研究所领导的dippr。最后，还有AspenPlus独特的单元模块，即模拟单元。AspenPlus包含50多个不同的单元模块。这些单元模块通过物流的方式进行组合，就像构建模块一样，形成每个用户根据不同需求所需的仿真过程。软件还为用户提供了各种分析工具，如灵敏度分析工具、工况分析工具等。使用此工具，用户可以将数据组织到表中，并在可视化界面中导出数据。增强了文件和模拟的可读性。它还具有以下特点：首先，该软件具有轨迹的记录证据，并提供了巨大的经济效益，使制造过程成为生命周期的生命周期，从研发到生产。其次，软件本身采用了最新的技术和微软Windows图形界面和交互式客户机-服务器体系结构，最大限度地提高了仿真的生产率。第三，该软件能够更准确地模拟各种用途和应用所需的能力原理，包括用于非理想电解模型和固体熔炼过程的能力原理。第四，这个软件的好处更多。过去，经常考虑的技术是部门的整个Aspen流程，它利用您对流程的理解来解决关键问题。EDR是Aspentech的一个用于热交换器设计的模拟软件。根据冷热流量的输入和输出，进行换热器的计算、仿真和设计。该软件的前身是2003年由AspenTech公司生产的HTFs+（传热和流体流动服务），主要用于压力下的热设计和机械设计利用其中的Design模式，在规定物理性质方法以及用户所要求的换热器种类之后，向其中输入数据栏（Input）和输出数据栏（output）中输入冷热物流的流股条件以及压力变化。继而可以利用Aspen数据库导入所需要冷热物流的组成和成分，利用AspenPlus之中的物性参数对于换热器中流体进行热量衡算，系统程序将会依据其内部算法计算出换热器所需要的参数，例如管长，壳程等，继而可以选择出最合适的方案与设计并将在最后给出经济核算（见后文换热器设计实例）。此软件大大减少了化工从业者与学生的负担，使工作人员在简单的数据输入之后可以得到相近的化学工程设备的设计参数，而且在EDR之中提供了对于AspenPlus的接口，可以直接将AspenPlus之中的数据导入到EDR之中对换热器进行衡算与设计。EDR还提供了多种换热器的设计模式，如：ShellandTubeExchanger（管壳式换热器）；PlateExchanger（板式换热器）；FireHeater（火焰加热器）；PlateFinExchanger（板翅式换热器）；等。并提供了许多用途的计算算法，如：Tasc+：用于进行管壳式换热器Teams：用于设计各种压力容器（包括管壳式换热器），并进行图纸输出，成本核算。ResearchNetwork：可以联网查看AspenTech的物性数据库Acol+：用于设计空冷器Ensea：用于排列管层Qchex：用于经济预估Props：用于进行物理性质计算Metal：管材性质计算等。可以说EDR向我们提供了充足的算法与数据库，是化工人在设计换热器中不可或缺的重要助力。1.2.2化工过程模拟化学过程是一个复杂多变的过程，化学模拟正是基于此。化学模拟大致可分为两种类型，如下所述。首先是化工过程的稳态模拟。所谓化工过程模拟或过程模拟一般指稳态模拟。目前，化工过程的特征方程是通过设置程序来模拟的。过程模拟的主要过程包括以下几个过程。第一步是建立化工过程数据的数学模型来描述化工过程，一般包括几个单元操作。第二步是启动模拟，并根据实际情况进行设置。所需的条件需要在计算机上不断修改。得到仿真结果需要大量的数据。该系统通常包括流量、电源组成、温度、工艺条件、工艺规格、压力、产品规格和所需设备等数据。在电脑上，对真实的工业生产进行重新还原，就是化工模拟的一种奇特能力。然而，这种真实场景的还原过程并不接触现实中实际设置的管道路线，设备安装和能量之间的任何变化。因上所述，化学模拟器在很大程度上没有着限制，这就允许它在电脑上可以“按需要”执行不同的场景和过程条件。所以，过程模拟有着以下的优点：1，在很大的程度上减少对时间消耗；2.能够很大程度的减少资金和运营成本；3.本系统有着准确地分析和评估，在经济方面，过程方面和环境方面以及规划和研究化学品流程都有很大的作用。分析开发和技术可靠性都很高。对于开发新的过程研究，模拟有着很大的作用。如，新设备，旧设备的修改，生产的优化和故障诊断。过程模拟还可以为业务设备的生产管理提供可靠的理论基础。是从经验到科学的强大工具。化工模拟的作用：1.以科学的角度，开法研究新的技术；2.对新装备进行生产设计；3.对旧设备进行新的改造；1.对故障进行诊断，并且进行优化。1.3Aspen模拟示意图由于总工艺流程较长，所以将该工艺分为两个工段：羰基合成反应工段和丁醛加氢反应工段。1、丁醛生产原料丙烯与H2、CO合成气加热后进入羰基合成工段的反应器中，反应器为釜式搅拌反应器，内设冷却盘管和原料气分配器。在铑催化剂、气体分布器和搅拌器的作用下，原料气以小气泡的形式在催化剂溶液中扩散，在105℃和1.6Mpa低压羰基化反应生成混合丁醛。反应是放热的。反应热部分由丁醛蒸发排出，部分由调温水换热排出。丁醛混合液与混合气体、丙烯和丙烷混合后在缓冲罐中稳定。剩余气体通过压缩机再循环到反应器进行反应。丁醛混合液与未反应的丙烯、副产物丙烷混合后，通过离心泵输送至汽提塔脱除丙烯、丙烷。2、丁醇生产脱除杂质后的混合丁醛进入蒸发器进行汽化，随后进入反应器中，在催化剂的催化作用下，在0.4MPa和130℃的反应条件下。在反应器中生产得到粗产品。粗产物经预精馏塔和精馏塔脱除轻、重组分后，进入正异丁醇分离塔进行精馏分离，在塔顶得到异丁醇，塔底得到纯度≥99.5％的正丁醇产物。1.3.1羰基合成反应工段图4-2羰基合成反应工段模拟示意图羰基合成反应的化学反应方程式如下主：CH3CH=CH2+CO+H2→CH3CH2CH2CHOCH3CH=CH2+CO+H2→（CH3）2CHCHO副：CH3CH=CH2+H2→CH3CH2CH31.3.2丁醛加氢反应工段图4-3丁醛加氢反应工段模拟示意图丁醛加氢反应的化学反应方程式如下主：CH3CH2CH2CHO+H2→CH3CH2CH2CH2OH（CH3）2CHCHO+H2→（CH3）2CHCH2OH副：2C4H8O→C8H16O21.4各项参数及物料衡算表4-1羰基合成反应工段物流情况表由表4-1可知，在羰基合成反应器中原料丙烯和CO、H2合成气反应生成了正丁醛和异丁醛，同时少量的丙烯和H2反应生成了副产品丙烷，得到的产品冷却后在稳定塔中静置，同时将未反应的气体去除，剩余正异丁醛和丙烷和混合液体在精馏塔中将丙烷去除，在出口处得到了正丁醛和异丁醛，出口处的总质量流量为36848.03Kg/Hr。表4-2丁醛加氢反应工段物流情况表由表4-2可知，在丁醛加氢反应器中，上一个工段得到的丁醛与H2反应生成正丁醇与异丁醇，同时又有少量丁醛缩合生成丁酸丁酯、异丁酸丁酯等副产物。将得到的物质经过脱轻组分塔脱除过量的气体在脱重组分塔将副产物丁酸丁酯等去除，排出。最后正异丁醇混合溶液通过正异丁醇分离精馏塔将正异丁醇分离，得到所需的产品正丁醇。排出的轻组分和重组分以及分离的正丁醇和异丁醇总的质量流量为32933.41kg/hr。对物料情况进行核算：按年工时8000小时来进行计算。由表4-2得最终得到正丁醇得质量流量为29222.4kg/hr，约合年产23万吨，达到生产要求。主反应方程式：CH3CH=CH2+CO+H2→CH3CH2CH2CHOCH3CH=CH2+CO+H2→（CH3）2CHCHOCH3CH2CH2CHO+H2→CH3CH2CH2CH2OH（CH3）2CHCHO+H2→（CH3）2CHCH2OH已知出口速率正丁醇的摩尔流量为391.26kmol/hr,异丁醇的摩尔流量为41.35kmol/hr。忽略副产物丁酸丁酯理论上羰基合成工段得到的丁醛流量为436.61kmol/hr。进口速率：CH3CH=CH2+CO+H2→C4H8OCH3CH=CH2+H2→CH3CH2CH3进料比合成气:丙烯=2.24:1丙烯进料速率：436.61÷1+19.8+32.9=489.31kmol/hr合成气进料速率：489.31×2.24=1096.0544kmol/hr与Aspen模拟结果基本一致。1.5热量衡算能量衡算式为：Q－过程的换热之和。W－输入系统的总的机械能。∑Hout－离开设备的各物料的焓。∑Hin－进入设备的各物料的焓。根据上式，对各主要设备进行热量衡算。1、丙烯羰基合成反应工段热量衡算表4-4羰基合成反应工段流股焓变计算表项目数据E-1热负荷/Gcal·hr-12.456539R-1热负荷/Gcal·hr-1-16.044E-2热负荷/Gcal·hr-1-0.81646V-1热负荷/Gcal·hr-1-1.16609P-1功耗/Gcal·hr-10T-1塔顶冷凝器热负荷/Gcal·hr-1-0.31521T-1塔底再沸器热负荷/Gcal·hr-11.861684ΣQ/Gcal·hr-1-11.0235表4-5羰基合成反应工段输入功和热负荷计算表项目数据ΣHout-ΣHin/Gcal·hr-1-11.023ΣQ/Gcal·hr-1-11.0235error0.0005表4-6羰基合成反应工段热量衡算表2、丁醛加氢反应工段热量衡算表4-7丁醛加氢反应工段流股焓变计算表项目数据E-3热负荷/Gcal·hr-13.72663813R-2热负荷/Gcal·hr-1-6.2217924E-4热负荷/Gcal·hr-1-1.5969692T-2热负荷/Gcal·hr-1-7.2806119T-2热负荷/Gcal·hr-13.97945305E-5热负荷/Gcal·hr-1-0.0