关于某碳五论文设计资料.docx

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关于某碳五论文设计资料

夏金鹏

学号

200501504137

毕业届别

2009

专业

化学工程与工艺

毕业论文（设计）题目

DMF法萃取精馏分离C5馏分中异戊烷的模拟

指导教师

许文友

学历

博士

职称

教授

所学专业

化学工程

具体要求（主要容、基本要求、主要参考资料等）：

·碳五分离萃取溶剂选择：

（1）查阅国外有关碳五分离工艺的文献资料，以及C5分离技术的研究最新进展。

（2）溶剂的选用主要考虑影响因素：

溶剂比，回流比，以及他们之间的比较。

（3）计算条件如下：

新鲜溶剂二甲基甲酰胺。

碳五原料流量为2492kg/h，萃取精馏塔塔顶异戊烷纯度大于95%，萃取精馏塔塔顶异戊烷收率大于92%；塔顶温度50℃，溶剂进料温度48℃。

·工程问题：

（1）在优化的条件下，如何降低能耗和原料消耗，增大经济效益；

（2）设计工艺流程图

进度安排：

（1）1-4周查阅相关文献；

（2）1-8周学习PROII软件相关模块的应用；

（3）8-10周软件模拟和计算设计；

（4）10周以后准备论文

指导教师签字：

年月日

院（系）意见：

教学院长（主任）签字：

年月日

附注：

大学毕业论文（设计）任务书

院（系）：

化学生物理工学院

[摘要]介绍碳五主要馏分的综合利用。

设计过程中学习了PROII软件相关模块的应用方法；采用PROII软件对DMF法萃取精馏分离C5馏分中异戊烷的萃取精馏塔进行模拟。

考察了回流比、溶剂比（溶剂DMF与进料C5的质量比）、理论板数等因素对分离异戊烷的影响。

模拟结果表明,萃取精馏塔的最佳工艺条件为:

理论板数为50块，原料进料位置为第30块理论板,溶剂比0.6,回流比3,溶剂进料温度50℃,溶剂进料位置在20块左右。

塔顶采出量1236.06kg/h。

理论板数的选择由实际工程放大或投资资金综合分析。

并对优化后的工艺进行了物料守恒和能量守恒的校核。

就此对主物料物性进行了简要阐述。

确定了流程图并结合有关的数据对工程中节能措施进行了简要分析。

关键词碳五馏分；PROII软件；异戊烷；萃取蒸馏；模拟

AbstractIntroducedthecomprehensiveutilizationofthemainfractionfromC5.InthedesignprocessIhavestudiedPROIIsoftwarecorrelationmoduleapplicationmethod;TheextractivedistillationwithMEKandNMFasextractantforseparatingi-pentanefromC5fractionweresetup,processofseparationofC5fractionwithDMFwasoptimizedbyPROIIprocesssimulatingsoftware.Themodelisconsideredtobereliable.Effectsofcolumntrays,refluxratio,extractantratio（massratioofDMFtofeedC5）onseparationwereunderobservation.Theoptimizedprocessparametersareasfollows:

thetheoreticaltraynumberis50,feedtray30thtray,extractantratio0.6,refluxratio3.0,feedinputtemperature50℃.feedinputtrayabout20thtray.andtopproductoutput1236.06kg/h.Thechoiceoftheoreticalplatenumberoftheactualworksbytheamplificationoracomprehensiveanalysisofinvestmentfunds.Andoptimizedtheprocessofconservationandenergyconservationmaterialsincheck.Inthisconnectionthemainphysicalpropertiesofmaterialsarebrieflydescribed.Haddeterminedtheflowchartandtheunionrelateddataconservedenergythemeasuretotheprojectintocarryonthebriefanalysis.

KeyWordsC5fraction;PROIIsoftware;isopentane;extractivedistillation;

1前言

碳五分离工业技术是以裂解乙烯的副产碳五馏分为原料，经萃取精馏等方法制得异戊二烯、环戊二烯和间戊二烯、异戊烷等。

裂解碳五是指以石脑油、汽油、轻柴油、加氢汽油等为原料，经高温裂解生产乙烯过程中得到副产物，其主要成分为二烯烃、单烯烃和烷烃。

我国乙烯生产中碳五组分可占乙烯产量得11%-14%。

随着乙烯工业得快速发展和对合成橡胶及合成树脂得需求增大，裂解碳五馏分得分离和用途愈来愈引起人们得重视，碳五馏分中的主要组分异戊二烯、间戊二烯；双环戊二烯、异戊烷他们都是高附加值得化工和精细化工产品。

目前，我国乙烯的生产能力已达到800多万吨，裂解碳五馏分已达到100多万吨，仅石化每年就有约20万吨的碳五资源。

因此，有效利用乙烯工业的碳五已成为合理使用石油资源和提高乙烯裂解装置综合效益的重要途径。

为了合理有效的利用碳五资源，美国联德公司研究员委托大学，对美国联德公司提供的裂解碳五分离工艺进行模拟和实验研究，要求如下：

⑴分离异戊烷的工艺实验研究；

⑵要求异戊烷收率在92%以上；

⑶要求异戊烷纯度在95%以上。

根据国外裂解碳五馏分分离技术得研究发展，叙述萃取精馏法分离异戊二烯、热二聚法分离环戊二烯等工艺，并根据美国联德公司提供碳五原料，应其要求采用proII软件进行筛选异戊烷模拟，所选溶剂为DMF溶剂，通过大量计算机软件模拟确定了各工艺操作条件，基本实现了碳五分离工艺实验得研究目标现将该项目得研究工作全面汇报如下。

2文献综述

C5馏分的组成与所采用的生产工艺和原料有关。

作为石脑油蒸汽裂解制乙烯所得的副产物的C5馏分，其主要成分为二烯烃、单烯烃和烷烃。

一般以石脑油和轻柴油为原料生产乙烯时，C5收率可达乙烯产量的10%～14%。

随着我国乙烯装置产能的快速发展和C5资源量的增长，如何提高C5资源的利用率成为我国石油化工行业目前亟待解决的问题[1，2，3]。

我国碳五分离研究开始较晚，起初应用最广的主要产品馏分为异戊二烯，间戊二烯，环戊二烯，双环戊二烯等。

随着技术的改进以及市场的需求，研究人员逐步进行分离碳五筛选异戊烷的研究。

2.1裂解碳五馏分的性质和用途

碳五馏分组成复杂，含有20多种组分，主要为各类双烯烃，单烯烃及饱和烃。

而且组分间可能形成多种共沸物。

不同溶剂存在下C5烃的相对挥发度如下表[4]：

表2-1不同溶剂存在下C5烃的相对挥发度如下：

组成

沸点℃

无溶剂

DMF

乙腈

N-MNP

异戊烷

27.85

1.200

3.113

2.92

3.00

正戊烷

36.07

0.935

2.404

2.37

2.40

1-戊烯

29.97

1.

1.936

1.89

1.86

3-甲基-1-丁烯

20.06

1.533

2.680

2.58

2.65

2-甲基-1-丁烯

31.16

1.100

1.746

1.71

1.75

反-2-戊烯

36.35

0.930

1.005

1.56

1.56

2-甲基-2-丁烯

18.57

0.867

1.396

1.38

1.46

2-甲基-1，3-丁二烯

34.07

1.000

1.000

1.00

1.00

顺-2-戊烯

36.94

0.913

1.565

1.49

1.53

环戊烯

44.24

0.719

0.914

——

——

反间戊二烯

42.03

0.775

0.763

0.77

0.78

环戊二烯

42.50

0.811

0.623

0.62

0.62

表2-2裂解C5馏分的化工利用途径：

组分

产品

异戊二烯

香料（40种以上）、维生素（A，E，K）、异叶绿醇、农药（二氯苯醚菊脂，氯氰菊脂，溴氰菊脂等）、高档化妆品、角鲨烷、角鲨烯、香叶醇、薄荷醇、玫瑰醚、香芹酮、麝香DDHI、柠檬腈、甜橙醛、异戊二烯橡胶、丁基橡胶、反式异戊橡胶、液休异戊橡胶、SIS、润滑油粘度指数添加剂等。

环戊二烯

石油树脂、聚双环戊二烯树脂、不饱和聚脂树脂、乙丙橡胶、聚环戊烯橡胶、聚将冰片烯橡胶、反式环戊二烯橡胶、环氧树脂固化剂、香料（十多种）、农药硫丹、杀那特、增效胺、草完隆、阻燃剂全氯戊环葵烷、1，5-双〔氯菌〕环辛烷、氯菌酸、氯菌酸酐、降冰片烯、乙叉降冰片烯、降冰片二烯、戊二醛、三环葵烯醇、金刚烷系列产品、二茂铁、戊二醇、戊二酸、吡啶、高能燃料、双环戊二烯二羧酸、双环戊二烯多元醇、医药LU253、安克痉等。

间戊二烯

固化剂、甲基甲氢苯酐、甲基六氢苯酐、四酸二酐、香料叶醇、B-大马酮、不饱和醇、不饱和脂间戊二烯树脂、间戊二烯与丁二烯共聚物、间戊二烯与苯乙烯共聚物、间戊二烯与其它烯烃共聚物等。

戊烷

溶剂、EPS发泡剂、载溶剂（CARRIER）。

异戊烷

溶剂、发泡剂。

添加到汽油中做燃料

异戊烯

甲基叔戊基醚（TAME）、戊二醛、香料、增香剂、保护剂、抗氧剂、分散剂、感光材料、染料、混凝土减水剂、农药粉锈宁。

正戊烯

与乙烯制共聚物、制增塑剂。

环戊烯

聚戊橡胶、戊二酸、戊二醛、烷基环戊基苯、环戊基酚、抗氧剂、光稳定剂、环氧环戊醇。

由上表看出，从C5单组分出发，可生产出许多高附加值的化工和精细化工产品，因此，开发碳五分离技术可为碳五化工开拓广阔的发展前景和市场空间，并可提高原油的利用率及企业的经济效益。

2.2异戊烷简介

异戊烷不溶于水，可混溶于乙醇、乙醚等多数有机溶剂。

异戊烷有麻醉及轻度刺激作用。

对眼和呼吸道的轻度刺激，可引起眼和呼吸道的刺激症状，重者有麻醉症状，甚至意识丧失。

皮肤长期接触可发生轻度皮炎。

并且异戊烷极其易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸。

与氧化剂接触发生强烈反应,甚至引起燃烧。

其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。

若遇高热，容器压增大，有开裂和爆炸的危险。

所以对于化工中的异戊烷的各项操作要特别注意安全。

戊烷原料主要来源于炼油厂。

戊烷产品用途广泛,可用作发泡剂、溶剂、化工原料等。

异戊烷是提高"无铅化"汽油辛烷值的掺合剂。

也是生产异戊二烯的重要原料;经脱氢可制异戊烯和异戊二烯，经氯化和水解而成异戊醇，是有机合成的原料和溶剂。

用于可发性聚苯乙烯和软质聚氨酯生产工艺中作发泡剂，也可作化工原料或试验溶剂

国戊烷供大于求,但高档产品供应不足。

所以,要采用国外较为先进的工艺技术,采用较廉价的原料气,确保产品质量,最大限度的降低生产成本,同时加强市场开发,提高产品的市场竞争力。

2.3国外C5资源的这利用现状及发展趋势

2.3.1碳五馏分的组成

石脑油高温裂解制乙烯副产的C5中，很多组分沸点相近，其中异戊二烯环戊二烯和间戊二烯3中双烯烃约占C5总量的40%-50%。

此外，C5中还含有15%-25%的单烯烃。

C5中各组分含量主要取决于石脑油的裂解深度（裂解温度和停留时间）。

随着裂解深度的增加，C5中3种双烯烃的含量也将增加，中毒裂解时烷烃和单烯烃的含量最高。

下表为石脑油在不同裂解深度时所产生的C5的组成[5]

表2-3不同裂解深度时所产生的C5的组成[6]

组分

裂解深度

浅度

中度

深度

（双）环戊二烯

16.70

15.97

24.91

异戊二烯

14.20

18.00

23.25

间戊二烯

10.90

9.40

19.46

正戊烯

5.15

6.60

4.21

异戊烯

6.95

9.17

5.76

环戊烷/环戊烯

4.40

3.30

5.76

戊烷

26.70

34.36

14.12

其他

15.00

3.20

2.53

2.3.2全球C5资源量

2000年全球由石脑油裂解制取的乙烯量为42.020Mt，石脑油的供应相对不足，乙烯裂解原料中石脑油所占比例将有所下降，2010年将降至43.7%。

下表为世界乙烯裂解装置副产的C5资源量[7]。

表2-4世界乙烯裂解装置副产的C5资源量

由上表看出，若C5的产量以乙烯产量的10%计，2005年世界C5资源总量约为7200kt,到2010年世界C5资源量将接近9000kt.

2.3.3国外C5资源利用现状

由于在C5资源的利用途径中，无论是混合C5的利用，还是C5单组分的化工利用，通常都需要将环戊二烯分离出来，因此通过对环戊二烯产能和产量分析，可以推测C5资源处理能力和处理量的基本情况[8]。

2002年日本、西欧、美国C5的处理量分别为500.3kt、490.1kt、460kt。

实际利用率分别为54%-63%、19%-27%、35%-44%。

装置开工率分别为72%、86%、63%。

在国外，单套C5装置处理能力基本上介于70-200kt/a之间[9]。

20世纪90年代以前，国除中国石化石油化工股份外乙烯副产物C5主要作为燃料使用，C5的化工利用率小于10%，由其产生的附加效益也很低，造成了资源的浪费。

但90年代以来，随着国石油树脂、双环戊二烯改性不饱和聚酯树脂等装置的相继投产，国C5化工利用率提高很快。

目前，国C5利用率约为40%。

至2007年7月，国已有石化、东明石化、鲁华3套C5全分离装置[10]。

2.4裂解碳五分离的工艺简介

国裂解C5馏份的分离技术开发较晚，由于乙烯装置所用裂解原料有差异，裂解C5馏份中二烯烃的含量也各不相同，分离和利用的工艺也不相同，综合利用裂解C5的途径也有很多种，但目前技术可行、经济效益较佳的有部分芳构化、脱环碳五石油树脂及碳五的萃取精馏分离方案。

早期C5馏分的分离技术开发主要产品是二烯烃，如异戊二烯，间戊二烯，环戊二烯等。

随着化工的发展单烯烃或饱和烃的使用价值也得到提高，并且饱和烃的分离比二烯烃更易的符合要求。

根据石化研究院委托大学进行C5分离工艺研究的合同容要求，进行从碳五原料中分离浓缩间戊二烯、异戊二烯及双环戊二烯的工艺技术开发，并探索热二聚的工艺条件。

按照合同约定，本实验研究的流程如下图所示：

图3-1碳五分离工艺实验研究流程示意图

实验中，将整个流程进行了分割，分为以下六个单元：

1．脱C4单元：

将C5中的C4分离出来

2．脱双环单元：

先进行环戊二烯二聚，然后将双环戊二烯与其它C5组分分离

3．粗双环精制单元：

先脱C5，然后进行分解，分离出环戊二烯后再进行二聚

4．浓缩间戊二烯与异戊二烯分离单元（预分）：

精密精馏分离间戊二烯与异戊二烯

5．异戊二烯萃取精馏单元：

包括第一萃取精馏、第二萃取精馏和溶剂解析三部分，分别除去异戊二烯中的碳五烷烃+单烯烃以及炔烃等组分

6．异戊二烯精制单元：

水洗、脱轻、脱重

2.5实现工业化的一些碳五分离技术

2.5.1石化2.5万吨工业简介

石化股份公司C5馏份分离装置的规模原为25000t/a，2003年扩产为350000t/a，2005年扩至150000t/a。

该项目1984年上报项目建议书，是国家计委批准的重点工业性试验项目，先后进行了微型中试、工程研发，修正了数学模型，做了基础设计，又在此基础上做了工程设计，于1994年11月进行了技术鉴定，1995年8月进行了竣工验收，前后历时10年[12]。

。

这项分离技术是以裂解C5馏份为原料，以二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂，采用二聚、二次萃取精馏和常压、减压精馏的方法分离出双烯烃产品[11]。

2.5.2玉皇聚合级异戊二烯生产方法

1脱轻塔2一萃塔3一萃解析塔4一萃精馏塔

5二萃塔6二萃解析塔7二萃精馏脱炔烃塔

图2-4玉皇聚合级异戊二烯生产流程简图

一种聚合级异戊二烯的生产方法，其特征在于：

包括以下步骤：

（1）反应聚合步骤：

碳五组分进入热二聚反应罐进行聚合，聚合反应温度120℃，时间保持4小时；

（2）脱轻步骤：

物料经泵进入脱轻塔，塔顶物料进一萃塔，塔釜物料进入双环戊二烯精制单元；塔顶分离出异戊二烯、单烯烃、烷烃、炔烃，环戊二烯含量≤l%，塔釜分离出双环戊二烯和其他重组分；

（3）一次萃取步骤：

步骤

（2）得到的轻组分进入一萃塔，溶剂DMF从塔中上部加入，塔顶分离出单烯烃、烷烃，控制异戊二烯含量≤l%，直接送进油品轻油罐，塔釜物料去解析塔；

（4）一萃解析步骤：

上述步骤（3）塔釜物料去一萃解析塔，塔顶出异戊二烯、环戊二烯，解析塔釜物料经脱焦再生系统，循环使用；

（5）一萃精馏步骤：

上述步骤（4）塔顶物料进入一萃精馏塔，塔釜物料进入间戊二烯精制单元；

（6）二次萃取步骤：

上述步骤（5）塔顶物料进入二萃塔，溶剂DMF从塔中上部加入，塔釜进入二萃解析塔；

（7）二萃解析步骤：

上述步骤（6）塔釜物料进入二萃解析塔，塔顶物料进入异戊二烯回收塔，塔釜物料经脱焦再生系统，循环使用；

（8）精馏脱炔烃步骤：

上述步骤（6）塔顶物料进入二萃精馏脱炔烃塔，塔釜得到聚合级异戊二烯。

3化工工艺模拟计算软件PRO/II简介

PRO/II是一个历史最久的、通用性的化工稳态流程模拟软件，最早起源于1967年SimSci公司开发的世界上第一个蒸馏模拟器SP05，1973年SimSci推出基于流程图模拟器，1979年又推出基于PC机的流程模拟软件Process（即PRO/II的前身），很快成为该领域的国际标准，自此，PRO/II获得了长足的发展，客户遍布全球各地。

PRO/II可广泛应用于各种化学化工过程的严格的质量和能量平衡计算，从油气分离到反应精馏，PRO/II提供了最全面的、最有效、最易于使用的解决方案。

PRO/II拥有完善的物性数据库、强大的热力学物性计算系统，以及40多种单元操作模块。

它可以用于流程的稳态模拟、物性计算、设备设计、费用估算/经济评价、环保评测以及其它计算。

现已可以模拟整个生产厂从包括管道、阀门到复杂的反应与分离过程在的几乎所有装置和流程，广泛用于油气加工、炼油、化学、化工、聚合物、精细化工/制药等行业.

3.1用户界面

PRO/II的图形界面十分友好、灵活、易用。

其主要特点如下：

  灵活的流程制图和数据输入

-基于颜色的输入向导

-PRO/II使用颜色标识您模拟的状态，如物流、单元过程和相关参数的数据是否输入完整

-当前每个单元的模拟运算的实时状态等等.

-用户可配置的缺省值

-单元操作和物流的搜索功能

-数据查看窗口

-数据查看窗口使用户能直接在界面上查看物流和单元操作的结果，查看容可根据需要进行配置。

-先进的报表功能

-制图功能

您可以生成和查看多种图形，PRO/II可为下列输出结果作图：

- 塔单元的部流量负荷、温度、压力和组成等

-  塔的分离因子

-  换热器夹点分析

-  相包络图

-  加热、冷却曲线

- 油品评价曲线

3.2组分及其物性

PRO/II拥有强大的纯组分库，其组分数超过1750种。

所有可能形成气液相行为的组分均有充分的数据和信息，能用于K值和密度等性质的计算。

大多数组分都有置的传递性质关联式。

大多模拟都只需要库中的数据即可完成计算，而无需另外的纯组分数据。

PRO/II程序用工业标准的方法处理石油组分，通过分子量、中沸点或密度中的至少两个量预估其它需要的组分性质数据。

PRO/II通过粒子尺寸分布和用户定义的属性处理固体物。

烃类物流可根据油品评价数据定义。

一般这些评价会包括蒸馏数据（实沸点、ASTMD86、ASTMD1160,ASTMD2887）、密度数据和分子量、轻组分数据和炼油性质如倾点、硫含量等数据。

PRO/II用这些输入数据生成一个或多个离散的虚拟组分序列，用于代表此类物流的组成。

用户允许定义或覆盖所有组分的性质。

亦可自己定义库中没有的组分，自定义组分的性质可以通过多种途径得到或生成，如可以从在线组分库中获取，用UNIFAC法以分子结构估算，或输入为“non-library”组分。

您可以用PRO/II中的DATAPREP程序查看和操作纯组分的性质数据，也可以用它生成自定义组分（即non-library组分）的性质数据，当然，还可以通过DATAPREP生成您自己的纯组分库。

3.3热力学模型

PRO/II提供了一系列工业标准的方法计算物系的热力学性质，如K值、焓值、熵值、密度、气相和固相在液相中的溶解度以及气体逸度等等。

这些方法包括：

一般关联式，如：

CSK值算法、API液相密度算法

  状态方程，如SRK、PR计算K值、焓值、熵值和密度

  液相活度系数模型，如NRTL计算K值

  气相逸度方法，如Hayden-O'Connell法计算二元缔合

  特殊组分系统的计算方法，如醇类、甘醇类、酸水系统、气体脱硫系统等等

      固－液平衡方法，如Van'tHoff法计算固相在液相中的溶解度。

PRO/II将根据用户的要求计算下列传递性质：

液相粘度、液相热传导率、液相扩散率以及气相粘度、气相热传导率等。

另外，还可以计算物流的气液相界面力。

PRO/II中包含了很多关联式，用于预测混合物的上述传递性质。

对于过程模拟来说，准确预测物系的物性合相行为是十分关键的。

PRO/II带有数据回归功能，可以将测量的组分或混合物的性质数据回归为PRO/II可以使用的形式。

回归选项如下：

性质关联：

您可以输入一系列温度下某个与温度相关性质的数据，将其回归为任意一种方程的形式，用于PRO/II性质的关联。

回归过程中将计算方程的系数。

相平衡：

将多组分平衡数据用于回归产生液相活度系数模型或状态方程的二元交互作用参数。

使用这些二元参数可以确保相应的热力学方法能再现这些测量的平衡数据。

混合性质：

您还可以回归多组分混合热或混合体积数据，用于生成Redlich-Kister二元交互作用参数。

这些数据的回归需要复杂的非线性数值算法。

PRO/II中应用的算法包括美国国家标准局NIST开发的正交距离回归算法和非线性最小平方关联等。

3.4单元操作

PRO/II有全面的单元操作，不仅包括一般模型，如闪蒸、阀、压缩机、膨胀机、管道、泵、混合器和分离器，而且包括更复杂的模型如：

蒸馏塔、换热器、严格管壳式换热器（包括整合的HTRI模型）、加热炉、空冷器、冷箱模型、反应器、固体处理单元等等。

塔

对于塔，PRO/II提供了一系列蒸馏算法、初始值生成算法和模拟选项，能为任意蒸馏问题建立模型。

在塔单元操作中共有四种类型的蒸馏算法供您选择。

一般对于某个问题不止一种算法合适：

一般情况下，IO算法适合于绝大多