會計學1Aspen工業(yè)裝置流程模擬2/42第五章工業(yè)裝置流程模擬

化工工業(yè)裝置除了包含主要設(shè)備外，還要包含真實的管道、閥門、管件、儀表、以及采樣、放凈、排空、連通等設(shè)施。除了主生產(chǎn)流程，還包含開車、停車、事故時的備用設(shè)備與管線。所以，反映真實化工流程的管道及儀表流程圖(PipingandInstrumentDiagram，PID圖)看上去密密麻麻，繁復異常。實際的工藝流程圖是表示過程單元的圖標和進出單元的物料流線條的集合，強調(diào)的是化工過程中的物料流和能量流。模擬流程圖是描述模擬過程單元和流股信息的計算機程序模擬單元的集合，強調(diào)的是信息流。第1頁/共42頁3/42第五章工業(yè)裝置流程模擬用化工流程模擬軟件模擬一真實化工流程，有可能在PID圖完成之前，也可能在PID圖完成之后。在化工設(shè)計之初，常用AspenPlus軟件進行化工流程的物料衡算與能量衡算，由此產(chǎn)生工藝物料流程圖(ProcessFlowsheetDiagram，PFD圖)，進而產(chǎn)生PID圖，這是設(shè)計型模擬計算。在對一現(xiàn)實化工流程進行核算時，則是在PID圖完成之后，模擬人員要從PID圖抽象出模擬流程，要把實際的工藝流程圖轉(zhuǎn)化為模擬軟件中的模擬流程圖，這是核算型模擬計算。第2頁/共42頁4/42第五章工業(yè)裝置流程模擬不管是設(shè)計型模擬計算，或核算型模擬計算，模擬人員首要任務是充分理解基本工藝路線，明確本流程的主干與枝干，選擇軟件中合適的模塊、或模塊組合構(gòu)成流程，以反映流程的模擬需求。對于設(shè)計型模擬計算，其計算結(jié)果對工藝流程的設(shè)計有重要影響。因此，模擬人員要根據(jù)工藝流程設(shè)計的原則，從技術(shù)、經(jīng)濟、社會、安全和環(huán)保等多方面進綜合考慮，確定模擬計算的流程。對于核算型模擬計算，流程是確定的，模擬人員要仔細閱讀流程圖，理解原設(shè)計思路，搞清楚原流程中各設(shè)備的功能，刪繁就簡，抽象出模擬流程。第3頁/共42頁5/425.1混酸過程苯硝化工藝中使用的硝化劑是混合酸，由硫酸和硝酸按一定比例配置而成。在實驗室中，可以用兩個燒杯和一根玻璃棒攪拌完成。在工業(yè)上，為保證混酸裝置能夠連續(xù)、穩(wěn)定、安全地生產(chǎn)，為循環(huán)利用硝化反應后分離出來的稀硫酸，為減少混酸過程中產(chǎn)生的NOx廢氣的污染，需要對混酸裝置配置較多的設(shè)備、管道管件、儀表等，如圖5-1所示。第4頁/共42頁6/425.1混酸過程在圖5-1中，除了硫酸、硝酸、稀硫酸儲罐外，還設(shè)置了混合酸循環(huán)罐、混合酸儲罐、換熱器、流體泵、氣體吸收文丘里設(shè)備和相應的管道管件。第5頁/共42頁7/425.1混酸過程在做物料衡算與熱量衡算時，設(shè)計人員關(guān)心的是三股原料酸與混合產(chǎn)品酸的流率與組成、換熱器的熱負荷。因此，基于圖5-1的混酸過程，在用AspenPlus進行穩(wěn)態(tài)過程模擬時，抽象出的模擬流程如圖5-2所示。模擬結(jié)束后，在滿足混合酸流率與質(zhì)量指標的前提下，可以知道各種原料酸的流率、混合酸的流率、換熱器的熱負荷，由此可以編制PFD圖。進一步地，可以計算管道管件尺寸、儲罐大小、換熱器選型與核算，為編制PID圖和設(shè)備一覽表提供數(shù)據(jù)。對圖5-2混合過程的詳細計算可看第二章的例2-1混酸過程。第6頁/共42頁8/425.2環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇混合物的高效分離過程環(huán)己酮是重要的有機化工原料和工業(yè)溶劑，廣泛應用于醫(yī)藥、油漆、涂料、農(nóng)藥和橡膠等工業(yè)領(lǐng)域，主要用于生產(chǎn)己內(nèi)酰胺和己二酸。工業(yè)上合成環(huán)己酮的工藝路線主要有苯酚加氫法和環(huán)己烷空氣氧化法。其中較經(jīng)濟的工藝路線是環(huán)己烷空氣氧化法。該方法又分為無催化氧化法和催化氧化法（包括鈷鹽催化法和硼酸催化法）。目前，工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)己酮有90%是通過環(huán)己烷空氣氧化法獲得的。環(huán)己烷空氣氧化法生產(chǎn)環(huán)己酮的主要特點是低轉(zhuǎn)化率、大循環(huán)量。環(huán)己烷單程氧化的轉(zhuǎn)化率只有5%左右，約95%的環(huán)己烷需要通過精餾操作與產(chǎn)物（環(huán)己酮、環(huán)己醇）分離后再循環(huán)再利用，這種工藝將導致較大的分離能耗成本，因此該分離工序的能耗高低直接影響到環(huán)己酮生產(chǎn)成本的大小。第7頁/共42頁9/425.2環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇混合物的高效分離過程例5-1.環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇混合物三效精餾流程模擬。⑴原始工藝條件。某工廠采用的環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇混合物三效順流精餾組合的工藝流程見圖5-3。原料組成見附表1，原精餾工藝設(shè)計參數(shù)和塔設(shè)備設(shè)計參數(shù)見附表2。第8頁/共42頁10/425.2環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇混合物的高效分離過程第9頁/共42頁11/425.2環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇混合物的高效分離過程例5-1解。⑴流程模擬。環(huán)己烷、環(huán)己醇、環(huán)己酮三效精餾模擬計算流程圖第10頁/共42頁12/425.2環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇混合物的高效分離過程計算結(jié)果：三效精餾計算結(jié)果1---原料與產(chǎn)品組成第11頁/共42頁13/425.2環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇混合物的高效分離過程為進一步提高能量利用率，降低環(huán)己烷精餾工段的能耗，可以考慮以節(jié)能為目標的兩個進一步優(yōu)化方案流程。優(yōu)化方案一第12頁/共42頁14/425.2環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇混合物的高效分離過程優(yōu)化方案一計算結(jié)果1---原料與產(chǎn)品組成四效精餾流程能耗節(jié)省28.9%。

第13頁/共42頁15/425.2環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇混合物的高效分離過程優(yōu)化方案二第14頁/共42頁16/425.2環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇混合物的高效分離過程優(yōu)化方案二計算結(jié)果1---原料與產(chǎn)品組成熱泵流程能耗節(jié)?。?-5.912/6.53=9.46%

第15頁/共42頁17/425.375kt/h丙烯腈工藝廢水四效蒸發(fā)濃縮過程丙烯腈生產(chǎn)裝置的工藝廢水主要來自兩段急冷塔和脫氰組分塔的廢水。在一段急冷塔，用水洗去反應氣中的聚合物和催化劑粉塵。該段污水經(jīng)催化劑沉降后，產(chǎn)生高濃度含氰廢水。該廢水含有丙烯腈、乙腈、氫氰酸、丙烯醛、乙醛、丙腈及大量聚合物等。二段急冷廢水含有20%左右的硫酸銨，另外含有同一段急冷廢水相近的污染物，只是污染物濃度低。丙烯腈生產(chǎn)廢水屬于公認的難降解高濃度有機廢水，其中丙烯腈屬于我國確定的58種優(yōu)先控制和美國EPA規(guī)定的114種優(yōu)先控制的有毒化學品之一。第16頁/共42頁18/425.375kt/h丙烯腈工藝廢水四效蒸發(fā)濃縮過程隨著各國對于工業(yè)廢水排放要求的不斷提高，丙烯腈廢水的達標排放已經(jīng)成為制約丙烯腈生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展的重要因素。目前，丙烯腈裝置三廢處理是根據(jù)污染物不同形態(tài)，采取高處排放、焚燒、四效蒸發(fā)、掩埋等措施進行處理。目前，大型丙烯腈生產(chǎn)裝置都采用四效蒸發(fā)方法處理廢水，不僅提濃了原料液，使其滿足后續(xù)工序的要求，而且節(jié)省了大量的水源和一定量的蒸汽，對系統(tǒng)的節(jié)能減排具有實際意義。丙烯腈廢水經(jīng)四效蒸發(fā)預處理后，廢水量大大減少，焚燒單元負荷操作相對簡單。四效蒸發(fā)方法減少了蒸汽用量，做到了節(jié)能減排，在丙烯腈工業(yè)廢水處理中應用廣泛。第17頁/共42頁19/425.375kt/h丙烯腈工藝廢水四效蒸發(fā)濃縮過程例5-2.75kt/h丙烯腈工藝廢水四效蒸發(fā)流程模擬。某260kt/a丙烯腈生產(chǎn)裝置產(chǎn)生的廢水溫度113℃，壓力600kPa，流率75148.1kg/h，其中含有丙烯腈聚合物(以C6H8N2O計算)816kg/h。丙烯腈裝置的運行需要大量的水，為了節(jié)約新鮮水，并減少污水處理系統(tǒng)的負荷，必須大大濃縮工藝污水。采用四效蒸發(fā)器系統(tǒng)可回收大部分工藝水，只有少部分廢水送至焚燒爐或生化處理系統(tǒng)。丙烯腈裝置四效蒸發(fā)器系統(tǒng)采用并流加料法，工藝流程如圖5-33所示。工藝污水(物流號70)進入第一效蒸發(fā)器(V-5001)，蒸發(fā)所需熱量由加熱器(E-5001)提供。液體被泵強制循環(huán)加熱后部分蒸發(fā)，在汽液分離器中分相后一部分液體被送到第二效蒸發(fā)器，一部分液體被泵強制循環(huán)入加熱器的進口進行加熱閃蒸。第一效蒸發(fā)器的熱源是0.37MPag的飽和蒸汽，來自蒸汽管網(wǎng)。第18頁/共42頁20/425.375kt/h丙烯腈工藝廢水四效蒸發(fā)濃縮過程第二效蒸發(fā)器進料(物流號72)是一效蒸發(fā)器來的未蒸發(fā)的殘液，液量由一效蒸發(fā)器液位調(diào)節(jié)器控制，蒸發(fā)所需熱量由一效蒸發(fā)器頂部蒸汽(物流號71)提供。進入第二效蒸發(fā)器的液體繼續(xù)進行循環(huán)加熱、閃蒸汽化、汽液分離、液液分配的過程。第三效蒸發(fā)器進料(物流號74)是二效蒸發(fā)器未蒸發(fā)的殘液，進料量由二效蒸發(fā)器液位調(diào)節(jié)器控制，蒸發(fā)所需熱量由二效蒸發(fā)器頂部蒸汽(物流號73)提供。四效蒸發(fā)器進料(物流號76)是三效蒸發(fā)器未蒸發(fā)的殘液，進料量由三效蒸發(fā)器液位調(diào)節(jié)器控制，蒸發(fā)所需熱量由三效蒸發(fā)器頂部蒸汽(物流號75)提供，蒸發(fā)殘液(物流號84)送焚燒爐處理。第19頁/共42頁21/425.375kt/h丙烯腈工藝廢水四效蒸發(fā)濃縮過程第四效蒸發(fā)器頂部蒸汽依次通過兩個串聯(lián)的冷凝器(E-5005、E-5006)冷凝冷卻，約90%的蒸汽在冷凝器E-5005中冷凝，不凝汽相由真空泵抽至火炬總管。四效蒸發(fā)器的操作壓力由第四效蒸發(fā)器頂部的壓力控制器調(diào)節(jié)真空泵出口氣體返回入口的量來控制。冷凝器E-5005用循環(huán)冷卻水（CWS，進口33℃，400kPa，出口43℃）作為冷凝冷卻介質(zhì)。冷凝器E-5006用循環(huán)冷凍水（RWS，進口0℃，400kPa，出口10℃）作為冷凝冷卻介質(zhì)。第20頁/共42頁22/425.375kt/h丙烯腈工藝廢水四效蒸發(fā)濃縮過程第一、二、三、四效蒸發(fā)器的二次蒸汽冷凝液匯總后(物流號80)在換熱器E-5007內(nèi)與汽提塔(T-5001)的一股釜液(物流號83)換熱升溫，然后送入汽提塔進行汽提處理，以脫去冷凝液中殘存的輕組分。汽提塔有30塊實際塔板，塔頂操作壓力0.08MPag，塔釜再沸器用0.37MPag的飽和蒸汽加熱。約占進料15.3%質(zhì)量分數(shù)的液體從塔頂被汽提蒸出，這股含輕組分的汽相(物流號85)入回收塔T-3001（下一單元）冷凝回收。汽提后的釜液分成兩部分，55%（質(zhì)量分數(shù)）釜液(物流號83)被進塔冷凝液換熱回收熱量后送回丙烯腈裝置循環(huán)利用，45%（質(zhì)量分數(shù)）的釜液(物流號82)用循環(huán)冷卻水（進口33℃，400kPa）冷卻至50℃后送至生化系統(tǒng)進一步處理。第21頁/共42頁23/425.375kt/h丙烯腈工藝廢水四效蒸發(fā)濃縮過程分離要求。要求通過四效蒸發(fā)流程把廢水中的水份蒸出83%，冷凝后的凈化水作為工藝循環(huán)水使用，使?jié)饪s液中的丙烯腈聚合物質(zhì)量濃度達到5.9%以上。多效蒸發(fā)器的最終壓力不低于20kPa，求四效蒸發(fā)流程的直接蒸汽消耗量。第22頁/共42頁24/425.375kt/h丙烯腈工藝廢水四效蒸發(fā)濃縮過程例5-2解。⑴繪制模擬計算流程圖。參考例3-3，用汽液閃蒸器、換熱器、分配器三個模塊組合構(gòu)成一臺強制外循環(huán)蒸發(fā)器，把圖5-33丙烯腈裝置廢水四效蒸發(fā)系統(tǒng)工藝流程轉(zhuǎn)化為模擬計算流程圖，如圖5-34所示。第23頁/共42頁25/425.375kt/h丙烯腈工藝廢水四效蒸發(fā)濃縮過程第24頁/共42頁26/425.375kt/h丙烯腈工藝廢水四效蒸發(fā)濃縮過程工藝模擬結(jié)果：最終濃縮液中丙烯腈聚合物的質(zhì)量分數(shù)為0.06>0.059，蒸發(fā)水分74332.1-12401.4=61930.7kg/h。四效蒸發(fā)過程消耗直接蒸汽為15500kg/h，單位質(zhì)量直接蒸汽蒸發(fā)水分61930.7/15500=4.00。與單效蒸發(fā)相比，四效蒸發(fā)時直接蒸汽的利用效率增加了3倍。第25頁/共42頁27/425.4300kt/a規(guī)模硫磺制酸過程硫酸作為重要的工業(yè)原料，隨化肥工業(yè)、石油化工、有色冶金、紡織和輕工業(yè)、國防工業(yè)及其它有關(guān)工業(yè)的發(fā)展而不衰?；手械牧蛩徜@、過磷酸鈣等產(chǎn)品需消耗大量的硫酸。目前，國內(nèi)化肥消耗硫酸量約占硫酸總消耗量的70%以上。硫酸裝置工程設(shè)計因采用的原料不同其形式各異。硫鐵礦制酸技術(shù)復雜，裝置建設(shè)投資較高，再加上礦山的勘探、采選和建設(shè)等的投資，發(fā)展硫鐵礦制酸的總投入較大。以重有色冶金工業(yè)的冶煉煙氣生產(chǎn)硫酸，是我國硫酸工業(yè)的重要組成部分。隨著硫磺供應的增加，愈來愈多的新建工程從環(huán)境治理、生產(chǎn)簡便和經(jīng)濟角度考慮，選用以硫磺為原料生產(chǎn)硫酸。硫磺制酸具有工藝流程簡單、投資少、熱能利用率高、環(huán)境效益好等優(yōu)點，相同規(guī)模的硫磺制酸裝置的投資約為硫鐵礦制酸的50%，且動力消耗和公用工程費用低，無廢渣、廢水排放，裝置建設(shè)周期短，操作管理方便。第26頁/共42頁28/425.4300kt/a規(guī)模硫磺制酸過程例5-3.300kt/a規(guī)模硫磺制酸裝置的工藝模擬。裝置規(guī)模。生產(chǎn)能力為300kt/a工業(yè)硫酸（質(zhì)量濃度98%H2SO4）裝置，實際產(chǎn)900t/d硫酸（以100%H2SO4計），年操作日以333.3d（即8000h）計，采用“3+2”兩轉(zhuǎn)兩吸、三塔兩槽的硫酸生產(chǎn)工藝。第27頁/共42頁29/425.4300kt/a規(guī)模硫磺制酸過程⑵工藝流程。第28頁/共42頁30/425.4300kt/a規(guī)模硫磺制酸過程模擬流程（上）第29頁/共42頁31/425.4300kt/a規(guī)模硫磺制酸過程模擬流程（下）第30頁/共42頁32/425.4300kt/a規(guī)模硫磺制酸過程部分模擬結(jié)果：轉(zhuǎn)化器第31頁/共42頁33/425.4300kt/a規(guī)模硫磺制酸過程部分模擬結(jié)果：干燥塔（T401）、吸收塔（T402、T403）第32頁/共42頁34/425.4300kt/a規(guī)模硫磺制酸過程部分模擬結(jié)果：高溫過熱器（B302）第33頁/共42頁35/425.5從醚后C4烴中提取高純異丁烯過程異丁烯是生產(chǎn)丁基橡膠的共聚單體，丁基橡膠具有抗老化特性，用于子午線輪胎的生產(chǎn)。脫除1,3-丁二烯后的混合C4烴中含有高濃度的異丁烯與1-丁烯，但異丁烯與1-丁烯的沸點差僅有0.66℃，簡單精餾難以分離。異丁烯的工業(yè)生產(chǎn)方法主要有硫酸萃取法、吸附分離法、異丁烷丙烯共氧化聯(lián)產(chǎn)法、甲基叔丁基醚（MTBE）裂解和正丁烯異構(gòu)化法等。與其他方法相比，以MTBE裂解法生產(chǎn)異丁烯，具有轉(zhuǎn)化率高、對設(shè)備無腐蝕、對環(huán)境無污染，工藝流程合理，操作條件緩和，能耗低，產(chǎn)品純度高等特點。第34頁/共42頁36/425.5從醚后C4烴中提取高純異丁烯過程例5-4.從100kt/a抽余C4烴中制取高純度異丁烯。生產(chǎn)方法。兩步法。第一步，MTBE合成與提純。以來自丁二烯抽提裝置脫除1,3-丁二烯后的抽余C4烴（組成見附表1）和市售甲醇為原料，用固定床反應器串聯(lián)反應精餾塔的工藝流程，經(jīng)醚化反應生產(chǎn)MTBE并精制提純。第二步，MTB裂解與異丁烯提純。將提純后的MTBE進行熱裂解、分離得到99.9%的異丁烯。第35頁/共42頁37/425.5從醚后C4烴中提取高純異丁烯過程工藝流程：（a）MTBE合成與提純第36頁/共42頁38/425.5從醚后C4烴中提取高純異丁烯過程工藝流程：（b）MTB裂解與異丁烯提純第37頁/共42頁39/425.5從醚后C4烴中提取高純異丁烯過程流程模擬要求①在MT