【《甲基丙烯酸甲酯MMA生产流程的模拟与优化分析案例》4900字】

甲基丙烯酸甲酯MMA生产流程的模拟与优化分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u31394甲基丙烯酸甲酯MMA生产流程的模拟与优化分析案例 [18]。1.1.2输入组分本项目以丙酮和氢氰酸为原料生产合成MMA，除了主要原料，过程中还包含许多组分，其分别是硫酸，甲醇，水，丙酮氰醇，甲基丙烯酰胺硫酸盐，甲基丙烯酸，硫酸氢铵。流程模拟中，输入的组分如表3-1所示。表3-1流程模拟中所输组分分子式或简称组分分子式C3H6O丙酮C3H6OHCN氢氰酸HCNMMA甲基丙烯酸甲酯C5H8O2H2O水H2OH2SO4硫酸H2SO4CH4O甲醇CH4OC4H9NO5S甲基丙烯酰胺硫酸盐C4H9NO5SACETO-01丙酮氰醇C3H7NOC4H6O2甲基丙烯酸C4H6O2NH4HSO4硫酸氢铵NH4HSO41.1.3单元操作模块选择Aspenplus中的模块选择对工艺流程模拟起着至关重要的作用，不同的操作和反应所选的模块也不一样，进行模拟操作时，需选用合适的模块进行模拟。本项目的工艺流程中所涉及的单元操作有反应、精馏。因此，选用的模块则与之对应。本设计的流程模拟模块选择见表3-2。表3-2本设计流程模拟所选模块设备位号设备名称模拟模块P101原料进料泵PumpP102原料进料泵PumpR101原料反应器RStoicM101进料混合器MixerE101加热器HeaterR102甲基丙烯酸反应器RStoicR103酯化釜1RStoicR104酯化釜2RStoicR105酯化釜3RStoicR106酯化釜4RStoicT201脱轻塔RadFracP203脱重塔进料泵PumpT202脱重塔RadFracT203除杂塔DistlE202冷却器HeaterT204脱水塔Distl1.2生产工艺流程模拟1.2.1MMA合成工段流程模拟MMA合成工段通过Aspen进行流程模拟得到的工艺流程图如图3-1所示。图3-1MMA合成工段工艺流程图来自总厂提供的高纯度的氢氰酸（99.57%）与丙酮按照1:1的比例经原料泵P101、P102打入原料反应器R101中，其中加入碱性催化剂乙二胺，在常温条件下反应生产丙酮氰醇，生成的丙酮氰醇进入混合器M101，并同时在混合器中加入100%的浓硫酸，浓硫酸较丙酮氰醇稍微过量，以1:1.05的比例加入混合器，充分混合后经过加热器E101对混合液进行加热，加热至温度为150℃。加热后的混合液进入甲基丙烯酸反应器R102，同时向反应器R102则补充等量水，丙酮氰醇与水在100℃的条件下反应得到甲基丙烯酸，甲基丙烯酸进入反应串联酯化釜R103，R104，R105和R106，并向酯化釜R104中加入甲醇同时补充部分水，在串联酯化釜中反应得到粗MMA，并将其送到下一个工段进行精制。1.2.2MMA精制工段流程模拟粗MMA精制工段如图3-2所示。图3-2MMA精制工段工艺流程图从上一工段得到的粗MMA进入脱轻塔T201进行脱轻作业，除去混合液中的轻组分，初步设置脱轻塔的理论塔板数是35，操作压力为8Kpa，采取回流比为2.1，再沸比为0.3，轻组分从塔顶经过冷凝器冷凝后流出，冷凝出来的轻组分有未反应完的甲醇和少部分水，再返回酯化釜R103重新利用。分离轻组分之后的液体从塔底流出通过脱重塔进料泵P203打入脱重塔T202，混合液进入脱重塔T202进行脱重作业，除去混合液中的重组分，初步设置脱重塔T202的理论塔板数为35，操作压力为0.5Kpa，采取回流比1.3，馏出物进料比0.6，重组分有未反应完的硫酸、水、丙酮氰醇，与轻组分同理返回酯化釜R103重新回收利用。除去重组分的液体从塔顶冷凝采出进入除杂塔T203除去副产物硫酸氢铵，除杂塔T203采用精馏塔，初步设置理论塔板数为35，回流比为1，馏出物与进料摩尔比为0.9，冷凝器和再沸器压力分别为0.1atm和0.3atm，脱除的副产物硫酸氢铵送至三丙焚烧炉进行处理，此时塔顶馏出物为MMA和水，将水除去则可以得到产品MMA。由于MMA与水的沸点非常相近，要将水和MMA分离只能采用减压精馏。将MMA与水的混合液通入冷凝器E202降温至-20℃而后进入脱水塔T204进行减压精馏操作，初步设置理论塔板数为45，回流比为2.8，馏出物与进料摩尔比为0.35，冷凝器压力为0.1Pa，再沸器压力为8Pa，纯度为99.9%的MMA从塔顶采出，塔底流出物则送入污水处理站。1.3全流程模拟全流程模拟如图3-3所示。图3-3丙酮氰醇法制MMA全流程模拟简图1.1.1MMA合成工段的模块选择MMA合成工段的关键设备包括原料反应器R101、混合器M101和酯化釜（R103、R104、R105、R106）。原料反应器R101模拟原料反应器R101是一种具备定量生产能力的反应控制器，又名化学计量反应器（Rstoic），这种控制器的工作原理是依据反应物的比例添加反应物含量，工作方式有并行与串行。在反应方程式和产物转化率可知，但反应方式未知的条件下，可利用该反应器对反应过程实施仿真模拟。通过Rstoic反应器进行模拟时，需要确定的反应条件有温度、压力和有效相态。这些条件可以从化学反应相关文献中获得，本文设定的模拟环境温度是25℃，反应仓内的压力值是1atm，有效相态为仅液相。Rstoic反应器反应定义界面中，规范类型选择转化率。混合器M101模拟混合器（Mixer）的作用就是将多个流股混合成为一个流股，但物流出口压力需要确定，此外还要确定出口物料的有效相态。根据所查找的资料数据得，出口压力为1atm，出口相态为仅液态。酯化釜R103、R104、R105、R106本设计中酯化釜R103、R104、R105、R106选用的模块与原料反应器R101相同，皆是采用化学计量反应器（Rstoic）进行模拟计算，在此不再赘述。不过与原料反应器不同的是酯化反应的反应器采用的是串联的方式进行模拟。酯化釜R103、R104、R105、R106进行模拟时，反应温度为100℃，压力为0.5Mpa，有效相态为汽-液相。Rstoic反应器反应定义界面中，规范类型仍选择转化率，转化率根据资料数据设置为0.9，组分转化率选择甲醇。1.1.2MMA精制工段的主要模块MMA精制工段的关键设备包括脱轻塔T201，脱重塔T202，除杂塔T203，脱水塔T204。MMA脱轻塔T201模拟从最后一个酯化反应器R106出来的流股通入脱轻塔T201进行脱轻作业，脱除混合液中的轻组分，主要是脱除甲醇并回收到酯化釜R103再利用。脱轻塔T201采用的是RadFrac模块中的PACKCOL1进行精馏模拟，蒸馏塔的压力设置为45Kpa，回流比设为2.1，再沸比设为0.3，设置冷凝器为全凝器。2．MMA脱重塔T202模拟从脱轻塔T201出来的混合液仍含有大量重组分，经过脱重塔进料泵P203打入脱重塔T202内进行脱重作业，脱除混合液中的重组分，主要是脱除硫酸、丙酮氰醇并回收到酯化釜再利用。脱重塔T202同样采用的是RadFrac模块，与脱轻塔T201不同的是采用了FRACT1进行模拟，精馏塔的压力设置为0.5Kpa，回流比设置为1.3，流出物进料比设置为0.6，设置冷凝器为全凝器。MMA除杂塔T203模拟脱重塔T202除去了重组分硫酸和丙酮氰醇，同时也除去了部分副产物硫酸氢铵，但仍有大部分硫酸氢铵存留于混合液中，因此再设置一精馏塔将其除去。除杂塔T203选用的是Aspen的Distl模块中的ICON1进行精馏模拟，精馏塔塔板数初步设置为35，进料塔板为22，回流比设为1，馏出物与进料摩尔比设为0.9，冷凝器和再沸器压力分别设为0.1atm和0.3atm。MMA脱水塔T204模拟除去轻重组分以及副产物硫酸氢铵后，粗MMA中仍含有一定量的水分没能够完全除去，脱水塔T204的作用是将粗MMA分离提纯，通过查找资料可知MMA和水的沸点非常相近因此只能采用减压精馏将其提纯。同样采用Distl模块中的ICON1,进行减压精馏模拟，精馏塔板数初步设置为45，进料塔板数设为25，回流比为2.8，馏出物与进料摩尔比设为0.35，冷凝器与再沸器压力分别设为0.1Pa和8Pa。最终塔顶采出基本全是MMA，水从塔底采出，符合分离要求和产品纯度要求。1.4塔设备的灵敏度分析采用AspenPlus中的模型分析工具模块对精馏塔的塔板数、回流比以及精料板位置等的参数进行优化。最优的操作条件需要通过灵敏度分析工具获得，本设计对脱重塔T202和脱水塔T204进行了优化分析。1.4.1脱重塔T202的优化（1）理论塔板数的优化在塔压0.5Kpa，回流比为1.3，馏出物进料比0.6，进料板位置为第14块板，分析理论板书和分离效果的关系，实验曲线图如3-4。注：横轴为理论板数，纵轴MC1和MC2为塔底采出的重组分硫酸和丙酮氰醇的质量分率图3-4不同塔板数对重组分分离效果的影响由图3-4可见，塔底采出的重组分硫酸和丙酮氰醇的质量分率在理论塔板数为33块时基本达到平衡，33块板之后二者的质量分率几乎没有变化，而理论板数的增多操作费用也会加大，因此取理论板数为33块最为适宜。（2）混合液进料板位置的优化在塔压0.5Kpa，回流比为1.3，馏出物进料比0.6，分析进料板位置和质量分离的关系，实验结果曲线图如3-5。注：横轴为进料板位置，纵轴MC1、MC2为丙酮氰醇和硫酸的质量分率图3-5混合液进料位置对重组分分离效果的影响根据图3-5所示的数据曲线可得，第3块板之后，重组分的质量分率增长变缓，在第4块板时，质量分率达到最高，随后随着进料板数的增长重组分质量分率呈缓慢下降趋势。综合整个工艺考虑，第4块板作为进料位置为最优操作条件。（3）回流比的优化在塔压0.5Kpa，馏出物进料比0.6，进料板位置为第4块板，理论板数为33时，分析回流比和质量分数的关系，实验结果曲线图如3-6。注：横轴为回流比，纵轴为重组分MC1、MC2丙酮氰醇和硫酸的质量分率图3-6回流比对重组分分离效果的影响从图3-6中可以看出，塔底获得的重组分先是随回流比的增加暂时呈现增长趋势，在回流比增长到0.15时则达到重组分分离的最佳效果，会流比继续增长，重组分的质量分率呈缓慢下降趋势。综合考虑，回流比选择0.15。（4）馏出物进料比的优化在塔压0.5Kpa，进料板位置为第4块板，回流比为0.15，理论板数为33时，分析馏出物进料比与质量分率的关系，实验结果曲线图如3-7。注：横轴为馏出物进料比，纵轴为重组分MC1、MC2丙酮氰醇和硫酸的质量分率图3-7馏出物进料比对重组分分离效果的影响由图3-7可见，随着馏出物进料比的增加重组分的质量分率呈缓慢增长趋势，在馏出物进料比为0.8时，增长趋势更为明显，到达0.9时丙酮氰醇的分离效果最好，但硫酸的分离效果仍在上升，还未达到最佳。在馏出物进料比增长到0.95时，丙酮氰醇和硫酸的分离效果最佳，因此综上，选择馏出物进料比为0.95。1.4.2脱水塔T204的优化（1）理论塔板数的优化在回流比为2.8，馏出物与进料摩尔比为0.35，进料板位置为第25块板时，考查了理论板数对产品MMA的质量流量和纯度的影响，结果如图3-8所示。注：横轴为理论板数，纵轴MASSFRAC和MASSFLOW为产品MMA的质量分率和质量流量图3-8不同塔板数对产品MMA的质量流量和分离纯度的影响由图3-8可见，当理论板数为26块板时，产品MMA的变化趋于稳定，并且质量和纯度也都相对达到标准，综合设计对产品标准的要求，最终选择理论板数为26块板时为最优条件。（2）回流比的优化通过灵敏度分析工具计算得到脱水塔T204的回流比对产品MMA质量的影响。图3-9为最小回流比对T204塔顶产品MMA质量的影响。注：横轴为理论板数，纵轴MASSFRAC和MASSFLOW为产品MMA的质量分率和质量流量图3-10不同回流比对产品MMA的质量流量和分离纯度的影响由图3-9可见，当回流比为2.9时，脱水效果趋于稳定并达到最佳，故最终选择回流比为2.9。（3）混合液进料板位置的优化通过灵敏度分析工具计算得到脱水塔T204塔的进料板位置对产品MMA质量的影响。图3-10为进料塔板位置比对T204塔顶产品MMA质量的影响。注：横轴为理论板数，纵轴MASSFRAC和MASSFLOW为产品MMA的质量分率和质量流量图3-10不同进料板位置对产品MMA的质量流量和分离纯度的影响由图3-10可见，当进料板位置为第20块板时，产品MMA的质量流量和质量分率均趋于稳定，而进料位置为第20块板以后MMA的质量流量和质量分率变化不明显，根据本项目对产品质量的需求，进料位置选取第20块本最为适宜。（4）馏出物与进料摩尔比的优化利用灵敏度分析工具计算脱水塔T204的馏出物与进料摩尔比对产品MMA质量