异丙苯制备及分离流程模拟总23页.docx
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异丙苯制备及分离流程模拟总23页
异丙苯制备及分离流程模拟（总23页）
异丙苯制备及分离流程模拟
DesignandOptimizationontheIsopropylBenzene
TechnologyProcess
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；2—丙烯；4—正丁烷。
∴根据本题要求，进料中含4种物质。
学号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
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AspenPlus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：
-0.1atm。
（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→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1
HeatandMaterialBalanceTable
ID
unit
CYC
FEED
H-OUT
LIQ
Temperature
K
313.84
393.15
310.15
295.15
Pressure
atm
1.00
1.10
0.90
0.10
VaporFrac
-
1.00
0.22
-
MoleFlow
kmol/hr
641.42
8,400.00
5,791.66
3,783.27
MassFlow
kg/hr
48,784.98
477,199.11
525,984.09
426,414.61
VolumeFlow
l/min
978.01
4,055,065.57
615,212.72
8,001.22
Enthalpy
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2
HeatandMaterialBalanceTable
ID
unit
P-OUT
PRODUCT
R-OUT
VAP
Temperature
K
295.17
420.81
392.35
295.15
Pressure
atm
1.00
1.00
1.00
0.10
VaporFrac
-
-
0.71
1.00
MoleFlow
kmol/hr
3,783.27
3,141.85
5,791.66
2,008.39
MassFlow
kg/hr
426,414.61
377,630.07
525,984.09
99,569.48
VolumeFlow
l/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
CH4
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——Setup
如图3-1所示,将单位改为MET。
图3-1设计流程图之Setup
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Stream
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Blocks—DSTWU
（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Blocks—PUMP
（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：
0atm；
热负荷为：
0。
反应方程式为：
C6H6+C3H6→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Blocks—REACTOR
（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1—3，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1—3，间隔为0.2的函数图象。
图4–8灵敏度分析——DSTWU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0.02—0.3，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0.02—0.3，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——SEP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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
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AspenPlus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aspenplus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据是什么每一次的参数如何选择，怎样才能不出错，尽快收敛具体应该如何进行详细的灵敏度分析
我清晰地记得老师说过，“我用了这么多年的aspenplus，都不能说自己对这个软件熟知”，更何况刚接触aspenplus的我。
而且我们仅仅学的是模拟的一小块，对经济分析等重要数据还未曾接触。
在本次软件实习结束之际，我能稍微对设计有所体会，并接触了最重要的化工设计软件之一，是我最大的收获。
技术上合理，经济上可行的项目设计才是一个好的设计，我将本次设计作业视为职业生涯的启程，在化工设计的旅途中，我需更努力。
最后衷心的感谢两位谢指导老师和帮助我的同学。
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