【《丙烯酸生产工艺流程模拟与优化分析案例》3800字】

丙烯酸生产工艺流程模拟与优化分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u9449丙烯酸生产工艺流程模拟与优化分析案例 1200281.1工艺流程设计 1137591.2丙烯酸生产工艺流程的模拟 275971.1.1物性方法的选择 3285891.1.2输入组分 3278411.1.3单元操作模块选择 3110011.3丙烯酸合成工段流程模拟 4255721.1.1丙烯酸合成工段流程模拟 4252431.1.2丙烯酸粗分工段流程模拟 575551.1.3丙烯酸精制工段流程模拟 6279861.4丙烯酸常压塔T304的操作参数优化 8192651.4.2进料位置 873141.4.3最佳回流比 9116971.4.4优化结果 10在工艺流程模拟设计中，通常以AspenPlus,Pro-Ⅱ，ChemCAD为主要的模拟软件进行模拟，这些工艺仿真软件是整个设计的基础，它可进行物料衡算以及能量衡算，通过衡算可以得到具有建设性和可靠性的物性条件，同时可提供后续物性参数等信息。在此基础上，本次工艺生产流程通过利用AspenPlus软件进行了工艺设计和各工段物料衡算，不仅优化了各设备的运行参数，还得到了最佳的运行条件。1.1工艺流程设计丙烯酸合成的工艺流程方框图如图3-1所示。图3-1丙烯酸合成的工艺流程方框图将原料丙烯气体经蒸发器后与预热器内的空气混合，并通向装有催化剂的第一氧化反应器中进行氧化反应，在反应器中丙烯气体发生氧化反应生成丙烯醛，同时伴有CO2、CO等副产物气体生成，从一级氧化反应器出来的丙烯醛气体经过冷却器冷凝后进入到第二氧化反应器，在反应器中，丙烯气体进一步氧化生成丙烯酸气体，同时产生醋酸、马来酸、甲醛等副产物。出来的丙烯酸气体中由于含有较多副产物以及未反应完全的原料丙烯和丙烯醛，将其打入水洗塔进行吸收，洗涤剂为来自精制工段中分离出来的喷淋水。通过吸收操作后，CO2、CO等副产物气体以及未反应完全的原料气体自塔顶采出，将其打入气液分离器进行气液分离操作后回收原料气体，CO2、CO等废气则送至尾气焚烧处理，而丙烯酸、醋酸等易溶于水的气体吸收后生成溶液自塔底流出进入下一精制工段。来自水洗塔的粗丙烯酸溶液中含有较多的水，将其打入到脱水塔进行共沸精馏从而将水脱去，共沸剂采用甲苯。经过共沸精馏操作后，大部分的水以及部分甲苯、部分马来酸等自塔顶采出，由于采出为水油混合物，将其通入水油分离器进行水油分离操作，分离出的油相中主要为共沸剂甲苯，将其打回脱水塔内循环利用。水相中含有较多沸点较高的产物，将其打入高沸塔进行分离操作，其中的高沸物为马来酸。自脱水塔塔底流出的主要含有丙烯酸、部分甲苯、部分马来酸，送至甲苯分离塔进行甲苯脱除。经过甲苯分离操作后，甲苯自塔顶采出，作为共沸剂重新通入水油分离器循环回至脱水塔。塔底则只含有丙烯酸和马来酸，进入丙烯酸常压精馏塔进行最后一步精制操作，马来酸自塔顶采出送至进一步处理，丙烯酸产品则从塔底流出，送至储罐。1.2丙烯酸生产工艺流程的模拟1.1.1物性方法的选择在本次丙烯酸工艺中，主要使用的原料是丙烯、水、空气等，系统中的气相都符合理想气体的气体定律和亨利定律，同时液相是非理想体系；通过查阅文献，确定选择NRTL-RK热力学计算模型。1.1.2输入组分以丙烯为主要原料合成生产丙烯酸过程中主要涉及的组分有丙烯、水、空气、丙烯醛、丙烯酸等。在流程模拟中，输入的组分如表3-1所示：表3-1输入组分分子式组分分子式或简称组分分子式C3H6丙烯C3H6H2O水H2OO2氧O2N2氮N2C3H4O丙烯醛C3H4OC3H4O2丙烯酸C3H4O2HAC醋酸C2H4O2C7H8甲苯C7H8C2H4O乙醛C2H4OCH2O甲醛CH2OMAACID马来酸C4H4O4D2CO2二氧化碳CO2CO一氧化碳CO1.1.3单元操作模块选择在工艺流程设计中，模块的选择起着关键作用，选择合适的模块能够使工艺流程在同等的参数条件下获得最佳的产率以及转化率。而且不同的单元操作所使用的模块是不同的，在本次丙烯氧化制备丙烯酸的工艺流程中涉及到的单元操作过程有氧化反应、普通精馏、共沸精馏还有气液分离等操作。采用的塔、反应器、分离器等模块如表3-2所示。表3-2单元操作模块表设备位号设备名称Aspen模块设备位号设备名称Aspen模块E101汽化器HeaterP302水相进料泵PumpE102工艺气冷却器HeaterP303丙烯酸进料泵PumpE103工艺气冷却器HeaterC101空气压缩机ComprE104气体冷凝器HeaterC102循环气压缩机ComprE201气体冷凝器HeaterV101气液分离器SepE301工艺气冷却器HeaterV102气液分离器SepE302液体冷却器HeaterV301水油分离器SepR101一级反应器RStoicT201水洗塔RadFracR102二级反应器RStoicT301脱水塔RadFracP101丙烯进料泵PumpT302甲苯分离塔RadFracP301共沸剂进料泵PumpT303常压塔RadFracM101混合器MixerM201混合器MixerM102混合器MixerF101分配器FSplitM103混合器MixerF102分配器FSplitM301混合器MixerF301分配器FSplit1.3丙烯酸合成工段流程模拟图3-2为丙烯酸生产工艺全流程的模拟图。丙烯酸生产工艺全流程可划分为丙烯酸合成工段、丙烯酸粗分工段以及丙烯酸精制工段。图3-2丙烯酸生产工艺全流程模拟1.1.1丙烯酸合成工段流程模拟丙烯酸合成工段可分为丙烯氧化单元以及原料回收单元。1.丙烯氧化单元通过AspenPlus对丙烯酸合成工段进行流程模拟，该工段的工艺流程模拟图如图3-3所示。图3-3丙烯酸合成工段工艺流程图将高纯度的丙烯（99.5%）经汽化器E101预热气化后与部分经过压缩的空气、水汽按一定配比充分混合后，送入装有Mo-Bi-Fe-Co系复合氧化物催化剂的氧化反应器R101中，进行第一步氧化反应，控制反应条件在370℃，操作压力为1bar。反应后生成丙烯醛、以及副产物醋酸、CO2等，经过冷却器降温送入装有Mo-V-Cu系复合催化剂的氧化反应器R102中进行第二阶段的氧化反应，同时添加少量氧气。控制反应条件在360℃，操作压力为1bar。反应后生成丙烯酸以及大量副产物，送至下一工段进行粗分处理。1.原料回收单元原料回收单元如图3-3所示。图3-3原料丙烯回收单元自水洗塔T201塔顶采出的气体经过冷凝器E201冷凝后进入气液分离器V101进行分离，分离出含有少量产品的液相与水洗塔T201塔底产品溶液一起打入下一脱水单元。分离出的气相则通过冷凝器E104冷凝后进入气液分离器V102再一次进行气液分离，该单元分离出的液相送回上一级气液分离器V101中，气相则作为原料送回合成工段。1.1.2丙烯酸粗分工段流程模拟丙烯酸粗分工段如图3-4所示。图3-4丙烯酸粗分单元如3-4图所示，来自合成工段的丙烯酸气体中含有未反应完的丙烯、丙烯醛以及副产物CO2、N2等，将其通入水洗塔T201中，以来自精制工段中的且经过处理的喷淋水作为吸收水吸收其中的丙烯、CO2、N2等不溶水气体。其中来自合成工段的丙烯酸气体流率为2371.59kmol/h,循环水流率为1571.44kmol/h。通过吸收后，原料丙烯、CO2等气体自塔顶采出，塔顶流率为2415.54kmol/h，进入原料回收工段从而回收丙烯。而丙烯酸气体水洗后生产丙烯酸溶液自塔底采出，塔底流率为1528.49kmol/h。同时伴有副产物醋酸、马来酸和大量的水等，进入下一精制工段进行脱除。1.1.3丙烯酸精制工段流程模拟丙烯酸精制工段可分为丙烯酸脱水单元、副产物马来酸回收单元及丙烯酸精制单元。丙烯酸精制工段的工艺流程模拟图如图3-5所示。如图3-5丙烯酸精制工段工艺流程图1.丙烯酸脱水及马来酸回收单元丙烯酸脱水单元如图3-6所示。图3-6丙烯酸脱水及马来酸回收单元自水洗塔T201塔底采出的粗丙烯酸溶液送入脱水塔T301，以甲苯作为共沸剂进行共沸精馏，从而将大部分水和部分马来酸脱除。水、醋酸、少量丙烯醛以及部分马来酸自塔顶采出，丙烯酸、部分甲苯、少量马来酸自塔底采出。塔顶采出送至水油分离器V301进行水油两相分离，水相含有水、醋酸、马来酸，用泵送至分配器FS301分成两股，一股作为吸收水回流至水洗塔进行吸收，另一股则送至高沸塔T303进行精馏，回收其中的马来酸。自水油分离器中V301出来液相中由于含有共沸剂甲苯，送回脱水塔T301重新利用。2．丙烯酸常压精馏单元丙烯酸精制单元如图3-7所示。图3-7丙烯酸精制单元自脱水塔T301塔底流出的丙烯酸溶液还含有部分共沸剂甲苯，送至甲苯分离塔T302进行甲苯脱除。经过普通精馏后，甲苯、马来酸以及剩余的醋酸从分离塔T302的塔顶采出。由于共沸剂甲苯含量较多，需补充定量的新鲜甲苯再通过混合器M301后送至水油分离器进行分离。甲苯分离塔T302塔底出料为丙烯酸溶液，送至丙烯酸常压塔T304进行常压精馏将剩余的少量甲苯脱除。最后，轻组分少量废甲苯从塔顶采出，重组分99.7%的丙烯酸产品从塔底采出，丙烯酸产品流率为138.75kmol/h。1.4丙烯酸常压塔T304的操作参数优化在本次全流程模拟分析中，利用AspenPlus中的灵敏度分析模块对塔设备的塔板数量、回流比、加料板位置参数进行了参数优化，并对关键塔设备进行了灵敏性分析。本设计只对丙烯酸常压塔T304的操作参数进行了优化，并得出最优的操作条件。本次灵敏度分析以保证产品纯度的前提下，对该塔进行热负荷分析以及优化。1.4.1塔板数做总塔板数与釜液中丙烯酸的质量分数(X)、冷凝器负荷(CONDUTY)、再沸器负荷(REBDUTY)、塔总负荷（冷凝器负荷+再沸器负荷）的灵敏度分析，得到图3-7。图3-7总塔板数对塔T304釜液产品质量分数、冷凝器负荷、再沸器负荷、塔总负荷的影响由图3-7丙烯酸精馏模拟结果可见，当釜液中丙烯酸质量分数≥0.997时，就能满足下游工段的需求。从灵敏度分析结果可知，当塔板数=29块时，丙烯酸纯度满足要求，且在所有满足丙烯酸纯度条件下塔的总负荷最低，所以选在总塔板数=29块。1.4.2进料位置做进料位置与釜液中丙烯酸的质量分数(X)、冷凝器负荷(CONDUTY)、再沸器负荷(REBDUTY)、塔总负荷（冷凝器负荷+再沸器负荷）的灵敏度分析。图3-8进料位置对塔T304釜液产品质量分数、冷凝器负荷、再沸器负荷、塔总负荷的影响由图3-7丙烯酸精馏模拟结果可见，当釜液中丙烯酸质量分数≥0.997时，就能满足下游工段的需求。由分析结果可知，当进料位置=11块时，丙烯酸纯度≥0.997，且精馏塔总负荷在所有满足丙烯酸纯度条件下最低。因此就选择进料位置=11块。1.4.3最佳回流比做最佳回流比与釜液中丙烯酸的质量分数(X)、冷凝器负荷(CONDUTY)、再沸器负荷(REBDUTY)、塔总负荷（冷凝器负荷+再沸器负荷）