应用软件实践大作业 异丙苯制备与分离流程模拟.docx
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应用软件实践大作业异丙苯制备与分离流程模拟
异丙苯制备及分离流程模拟
Design?
and?
Optimization?
on?
the?
Isopropyl?
Benzene?
Technology?
?
Process?
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
二零一年月日
摘要
本文首先利用反应器、换热器、精馏塔构成简单的流程进行模拟计算（图1），精馏塔采用简单模块，换热器初始换热温度为50℃。
获得计算结果后发现，异丙苯的分离可以达到要求，但是排除物料中含有较多的苯，为了提高苯的利用率和降低生产成本，在原来设计流程的基础上，进行精馏塔复杂模块计算，将精馏塔冷凝器改为分凝器，分离出一部分的苯循环使用。
并对流程进行了优化，优化目标为流程的热负荷，优化变量为换热器换热温度。
最终确定工艺流程（图13），换热器换热温度为125摄氏度，热负荷节约35%，产物异丙苯的含量达到%。
一、设计任务与要求
本人学号为：
，包含0、1、2、4、7五个数字，对应甲烷、丙烯、正丁烷、异丙醇、苯五种物质，进行异丙苯制备和分离。
异丙苯制备及分离
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
（1）进口物料：
压力温度120℃
流量：
苯和丙烯各60kmol/s，其他组分分别为10kmol/s
（2）反应器：
丙烯转化率，压力降、热负荷为：
0
（3）换热器：
压力降atm
（4）精馏塔：
要求压力为1atm（全塔），塔釜苯摩尔含量为
二、流程设计
根据合成及分离要求设计流程如下图1所示：
简单模块流程有3部分：
反应器（REACTOR）、换热器（HEATER）、精馏塔（RAD）三个部分。
原料（FEED）首先进入反应器（REACTOR）进行反应，丙烯和苯反应生成异丙苯，连同未反应的物质一同进入换热器中进行冷凝，经过冷凝器降温后的混合物进入精馏塔精馏，轻组分物流（VAP）拟为排出物，重组分物流（PRODUCT）拟为反应产物。
图1.反应流程图
三、简单模块设计计算
1.在画完反应流程图后，进入图2界面输入物料组分：
图2.输入物流组分
2.物性方法选择，选择物性方法为RK-SOAVE：
图3.物性方法选择
3.输入物性方法参数
图4.物性方法参数
4.输入进料
图5.输入进料
5.新建单位
图6.新建单位
6.换热器初始温度和压降，设置为50℃和
图7.换热器初始温度和压降
7.精馏塔简单模块参数输入：
设置轻组分苯，塔顶产出苯的摩尔量占进料苯摩尔量的比为；重组分为异丙苯，塔顶异丙苯的摩尔量占进料异丙苯的摩尔量（经多次试验后、达到苯的要求）
图8.精馏塔简单模块参数输入
8.反应器条件设置：
反应器压强设置为，热负荷为0。
图9.反应器条件设置
9.反应器条件设置：
设置反应（苯+丙烯异丙苯），反应丙烯转化率为。
图10.反应器条件设置
10.输出精馏塔分离结果
图11.精馏塔分离结果
图12.精馏塔具体数据
分析讨论：
由图11可知，PRODUCT结果中异丙苯含量为，达到分离要求，精馏塔轻组分中仍含有较多的苯，如果全部排放，后期废液处理需要的成本较高，而苯作为反应物之一，如能循环利用，可大大提高经济效益。
如果将轻组分全部输送回反应器，由于其中含有较多的低碳物质，沸点低，冷凝需要大量的公用工程，生产成本过高。
综合考虑，在精馏塔上部，考虑采用分凝器，将苯分离产出，循环利用。
精馏塔简单模块所得数据为图12所示，用于后期精馏塔复杂模块radfrac计算。
四、复杂模块设计
由简单模块计算可知，为提高苯的利用率和经济效益，精馏塔上部采用分凝器，将轻组分物流组分分离出苯后输送进入反应器重新反应。
其反应流程图更新如图13所示：
图13.反应流程图
反应器（REACTOR）和换热器（HEATER）的参数设置保持不变，对精馏塔采用复杂模块，参数设置如图14所示：
图14-1.精馏塔复杂模块设置
（1）
图14-2.精馏塔复杂模块设置
（2）
图14-3.精馏塔复杂模块设置（3）
图14-4.精馏塔复杂模块设置（4）
为了使苯在塔釜中的摩尔分数小于，在DesignSpecification中进行如下设置（见图15）：
图15-1
图15-2
图15-3
图15-4
变量D/F值变化范围为。
五、设计优化
对工艺流程进行优化，进入ModelAnalysisTools中Optimization内容
图16.优化模块界面
图17.建立优化内容
其中HDUTY是换热器热负荷，DDUTYC是精馏塔冷凝器热负荷，DDUTYR是再沸器热负荷。
图18.建立优化目标
其中优化目标为流程总的热负荷最小。
图19.设定优化变量
优化变量为换热器换热温度，变化范围为0-300℃。
通过上述步骤一一设定，输出的优化结果如图20所示：
图20.优化结果
由图20可知，比初始换热温度条件节省了34%的热负荷。
6、计算结果
最终采用的工艺流程图为
输出最终结果如表2所示：
CYC
FEED
HOUT
PRODUCT
R-OUT
VAP
Substream:
MIXED
MoleFlowkmol/sec
CH4
10
10
C3H6-2
60
C2H5OH
10
C6H6
60
C9H12-2
0
C4H10-1
10
10
MoleFrac
CH4
C3H6-2
C2H5OH
C6H6
C9H12-2
0
C4H10-1
TotalFlowkmol/sec
150
TotalFlowkg/sec
TotalFlowcum/sec
TemperatureC
120
Pressureatm
1
1
1
1
VaporFrac
0
1
0
1
1
LiquidFrac
1
0
1
0
0
SolidFrac
0
0
0
0
0
0
EnthalpyJ/kmol
+08
+07
+07
+07
+07
EnthalpyJ/kg
-1389300
355355
-481210
-134730
-1849400
EnthalpyWatt
+09
+09
+09
+08
+09
+09
EntropyJ/kmol-K
-361570
-132090
-287830
-474120
-224570
-185200
EntropyJ/kg-K
Densitykmol/cum
Densitykg/cum
AverageMW
LiqVol60Fcum/sec
表2.最终结果
换热器最终温度为125℃。
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