第第9頁(yè)正丁醇生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)及Aspen模擬分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u5963正丁醇生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)及Aspen模擬分析案例 1260541.1工藝原理及流程簡(jiǎn)介 1280621.2AspenTech軟件簡(jiǎn)介 2232771.2.1Aspenplus 2103441.2.2化工過(guò)程模擬 3214891.3Aspen模擬示意圖 4227441.3.1羰基合成反應(yīng)工段 5105731.3.2丁醛加氫反應(yīng)工段 5310701.4各項(xiàng)參數(shù)及物料衡算 6266371.5熱量衡算 81.1工藝原理及流程簡(jiǎn)介1.工藝原理：該工藝首先是將丙烯和H2、CO合成氣在反應(yīng)器中生成正丁醛和異丁醛，然后送至反應(yīng)器氣相加氫生產(chǎn)正丁醇和異丁醇，通過(guò)多步精制除雜，最后在精餾塔中將正丁醇和異丁醇分離。丙烯制丁醇工藝流程如下圖所示。圖4-1工藝流程圖2.流程簡(jiǎn)介：除雜凈化后的丙烯與H2、CO合成氣一并送入羰基合成反應(yīng)器。原料氣在銠催化劑、氣體分配器和攪拌器的作用下變成小氣泡的形式，在催化劑溶液中擴(kuò)散，在105℃和1.6Mpa條件下低壓羰基化反應(yīng)生成混合丁醛。產(chǎn)物在冷卻后在緩沖罐中穩(wěn)定。丁醛混合液通過(guò)離心泵輸送至汽提塔以脫除雜質(zhì)丙烯和丙烷，剩余氣體通過(guò)壓縮機(jī)再循環(huán)到反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。脫除雜質(zhì)后的混合丁醛進(jìn)入蒸發(fā)器汽化后，進(jìn)入加氫反應(yīng)器中，在催化劑的作用下。在0.4MPa和130℃條件下。生產(chǎn)得到粗混合丁醇。粗產(chǎn)物經(jīng)預(yù)精餾塔和精餾塔脫除輕組分和重組分后，進(jìn)入精餾塔分離。得到產(chǎn)品正丁醇。1.2AspenTech軟件簡(jiǎn)介Aspen是一款用于化學(xué)工程的數(shù)學(xué)模型計(jì)算的化學(xué)過(guò)程模擬軟件，不僅可以模擬單元過(guò)程，還可以模擬得到整個(gè)工藝流程的數(shù)據(jù)。Aspen可以進(jìn)行一系列化工過(guò)程以及數(shù)據(jù)核心計(jì)算，其中包括物料衡算，能量衡算，氣液平衡，傳質(zhì)，傳熱，化學(xué)動(dòng)力學(xué)，分流，壓降等。現(xiàn)在，aspen廣泛地應(yīng)用于工業(yè)和學(xué)術(shù)上的穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)模擬，過(guò)程設(shè)計(jì)和流程優(yōu)化。1.2.1AspenplusAspenPlus主要由三部分組成。第一部分是其算法，即系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)策略。根據(jù)不同的輸入輸出資料，AspenPlus可以根據(jù)其特點(diǎn)選擇相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行分析，從而獲得用戶所需的數(shù)據(jù)要求。第二部分是它的物理性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，它包含了極其豐富的物理性質(zhì)來(lái)處理不同的物質(zhì)，包括不同物質(zhì)的各種物理參數(shù)，如有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、固體、液體、氣體、水溶性電解質(zhì)等，如摩爾質(zhì)量、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)，閃點(diǎn)、飽和蒸氣壓、物理狀態(tài)、粘度等。這些物理性質(zhì)存儲(chǔ)在AspenPlus的兩個(gè)基本物理性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中，即Aspentech獨(dú)立開(kāi)發(fā)的AspenCD和美國(guó)化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)物理性質(zhì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)研究所領(lǐng)導(dǎo)的dippr。最后，還有AspenPlus獨(dú)特的單元模塊，即模擬單元。AspenPlus包含50多個(gè)不同的單元模塊。這些單元模塊通過(guò)物流的方式進(jìn)行組合，就像構(gòu)建模塊一樣，形成每個(gè)用戶根據(jù)不同需求所需的仿真過(guò)程。軟件還為用戶提供了各種分析工具，如靈敏度分析工具、工況分析工具等。使用此工具，用戶可以將數(shù)據(jù)組織到表中，并在可視化界面中導(dǎo)出數(shù)據(jù)。增強(qiáng)了文件和模擬的可讀性。它還具有以下特點(diǎn)：首先，該軟件具有軌跡的記錄證據(jù)，并提供了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，使制造過(guò)程成為生命周期的生命周期，從研發(fā)到生產(chǎn)。其次，軟件本身采用了最新的技術(shù)和微軟Windows圖形界面和交互式客戶機(jī)-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，最大限度地提高了仿真的生產(chǎn)率。第三，該軟件能夠更準(zhǔn)確地模擬各種用途和應(yīng)用所需的能力原理，包括用于非理想電解模型和固體熔煉過(guò)程的能力原理。第四，這個(gè)軟件的好處更多。過(guò)去，經(jīng)?？紤]的技術(shù)是部門的整個(gè)Aspen流程，它利用您對(duì)流程的理解來(lái)解決關(guān)鍵問(wèn)題。EDR是Aspentech的一個(gè)用于熱交換器設(shè)計(jì)的模擬軟件。根據(jù)冷熱流量的輸入和輸出，進(jìn)行換熱器的計(jì)算、仿真和設(shè)計(jì)。該軟件的前身是2003年由AspenTech公司生產(chǎn)的HTFs+（傳熱和流體流動(dòng)服務(wù)），主要用于壓力下的熱設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)利用其中的Design模式，在規(guī)定物理性質(zhì)方法以及用戶所要求的換熱器種類之后，向其中輸入數(shù)據(jù)欄（Input）和輸出數(shù)據(jù)欄（output）中輸入冷熱物流的流股條件以及壓力變化。繼而可以利用Aspen數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入所需要冷熱物流的組成和成分，利用AspenPlus之中的物性參數(shù)對(duì)于換熱器中流體進(jìn)行熱量衡算，系統(tǒng)程序?qū)?huì)依據(jù)其內(nèi)部算法計(jì)算出換熱器所需要的參數(shù)，例如管長(zhǎng)，殼程等，繼而可以選擇出最合適的方案與設(shè)計(jì)并將在最后給出經(jīng)濟(jì)核算（見(jiàn)后文換熱器設(shè)計(jì)實(shí)例）。此軟件大大減少了化工從業(yè)者與學(xué)生的負(fù)擔(dān)，使工作人員在簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)輸入之后可以得到相近的化學(xué)工程設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)，而且在EDR之中提供了對(duì)于AspenPlus的接口，可以直接將AspenPlus之中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到EDR之中對(duì)換熱器進(jìn)行衡算與設(shè)計(jì)。EDR還提供了多種換熱器的設(shè)計(jì)模式，如：ShellandTubeExchanger（管殼式換熱器）；PlateExchanger（板式換熱器）；FireHeater（火焰加熱器）；PlateFinExchanger（板翅式換熱器）；等。并提供了許多用途的計(jì)算算法，如：Tasc+：用于進(jìn)行管殼式換熱器Teams：用于設(shè)計(jì)各種壓力容器（包括管殼式換熱器），并進(jìn)行圖紙輸出，成本核算。ResearchNetwork：可以聯(lián)網(wǎng)查看AspenTech的物性數(shù)據(jù)庫(kù)Acol+：用于設(shè)計(jì)空冷器Ensea：用于排列管層Qchex：用于經(jīng)濟(jì)預(yù)估Props：用于進(jìn)行物理性質(zhì)計(jì)算Metal：管材性質(zhì)計(jì)算等?？梢哉f(shuō)EDR向我們提供了充足的算法與數(shù)據(jù)庫(kù)，是化工人在設(shè)計(jì)換熱器中不可或缺的重要助力。1.2.2化工過(guò)程模擬化學(xué)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜多變的過(guò)程，化學(xué)模擬正是基于此。化學(xué)模擬大致可分為兩種類型，如下所述。首先是化工過(guò)程的穩(wěn)態(tài)模擬。所謂化工過(guò)程模擬或過(guò)程模擬一般指穩(wěn)態(tài)模擬。目前，化工過(guò)程的特征方程是通過(guò)設(shè)置程序來(lái)模擬的。過(guò)程模擬的主要過(guò)程包括以下幾個(gè)過(guò)程。第一步是建立化工過(guò)程數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述化工過(guò)程，一般包括幾個(gè)單元操作。第二步是啟動(dòng)模擬，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。所需的條件需要在計(jì)算機(jī)上不斷修改。得到仿真結(jié)果需要大量的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通常包括流量、電源組成、溫度、工藝條件、工藝規(guī)格、壓力、產(chǎn)品規(guī)格和所需設(shè)備等數(shù)據(jù)。在電腦上，對(duì)真實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行重新還原，就是化工模擬的一種奇特能力。然而，這種真實(shí)場(chǎng)景的還原過(guò)程并不接觸現(xiàn)實(shí)中實(shí)際設(shè)置的管道路線，設(shè)備安裝和能量之間的任何變化。因上所述，化學(xué)模擬器在很大程度上沒(méi)有著限制，這就允許它在電腦上可以“按需要”執(zhí)行不同的場(chǎng)景和過(guò)程條件。所以，過(guò)程模擬有著以下的優(yōu)點(diǎn)：1，在很大的程度上減少對(duì)時(shí)間消耗；2.能夠很大程度的減少資金和運(yùn)營(yíng)成本；3.本系統(tǒng)有著準(zhǔn)確地分析和評(píng)估，在經(jīng)濟(jì)方面，過(guò)程方面和環(huán)境方面以及規(guī)劃和研究化學(xué)品流程都有很大的作用。分析開(kāi)發(fā)和技術(shù)可靠性都很高。對(duì)于開(kāi)發(fā)新的過(guò)程研究，模擬有著很大的作用。如，新設(shè)備，舊設(shè)備的修改，生產(chǎn)的優(yōu)化和故障診斷。過(guò)程模擬還可以為業(yè)務(wù)設(shè)備的生產(chǎn)管理提供可靠的理論基礎(chǔ)。是從經(jīng)驗(yàn)到科學(xué)的強(qiáng)大工具?；つM的作用：1.以科學(xué)的角度，開(kāi)法研究新的技術(shù)；2.對(duì)新裝備進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)；3.對(duì)舊設(shè)備進(jìn)行新的改造；1.對(duì)故障進(jìn)行診斷，并且進(jìn)行優(yōu)化。1.3Aspen模擬示意圖由于總工藝流程較長(zhǎng)，所以將該工藝分為兩個(gè)工段：羰基合成反應(yīng)工段和丁醛加氫反應(yīng)工段。1、丁醛生產(chǎn)原料丙烯與H2、CO合成氣加熱后進(jìn)入羰基合成工段的反應(yīng)器中，反應(yīng)器為釜式攪拌反應(yīng)器，內(nèi)設(shè)冷卻盤管和原料氣分配器。在銠催化劑、氣體分布器和攪拌器的作用下，原料氣以小氣泡的形式在催化劑溶液中擴(kuò)散，在105℃和1.6Mpa低壓羰基化反應(yīng)生成混合丁醛。反應(yīng)是放熱的。反應(yīng)熱部分由丁醛蒸發(fā)排出，部分由調(diào)溫水換熱排出。丁醛混合液與混合氣體、丙烯和丙烷混合后在緩沖罐中穩(wěn)定。剩余氣體通過(guò)壓縮機(jī)再循環(huán)到反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。丁醛混合液與未反應(yīng)的丙烯、副產(chǎn)物丙烷混合后，通過(guò)離心泵輸送至汽提塔脫除丙烯、丙烷。2、丁醇生產(chǎn)脫除雜質(zhì)后的混合丁醛進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行汽化，隨后進(jìn)入反應(yīng)器中，在催化劑的催化作用下，在0.4MPa和130℃的反應(yīng)條件下。在反應(yīng)器中生產(chǎn)得到粗產(chǎn)品。粗產(chǎn)物經(jīng)預(yù)精餾塔和精餾塔脫除輕、重組分后，進(jìn)入正異丁醇分離塔進(jìn)行精餾分離，在塔頂?shù)玫疆惗〈?，塔底得到純度?9.5％的正丁醇產(chǎn)物。1.3.1羰基合成反應(yīng)工段圖4-2羰基合成反應(yīng)工段模擬示意圖羰基合成反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式如下主：CH3CH=CH2+CO+H2→CH3CH2CH2CHOCH3CH=CH2+CO+H2→（CH3）2CHCHO副：CH3CH=CH2+H2→CH3CH2CH31.3.2丁醛加氫反應(yīng)工段圖4-3丁醛加氫反應(yīng)工段模擬示意圖丁醛加氫反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式如下主：CH3CH2CH2CHO+H2→CH3CH2CH2CH2OH（CH3）2CHCHO+H2→（CH3）2CHCH2OH副：2C4H8O→C8H16O21.4各項(xiàng)參數(shù)及物料衡算表4-1羰基合成反應(yīng)工段物流情況表由表4-1可知，在羰基合成反應(yīng)器中原料丙烯和CO、H2合成氣反應(yīng)生成了正丁醛和異丁醛，同時(shí)少量的丙烯和H2反應(yīng)生成了副產(chǎn)品丙烷，得到的產(chǎn)品冷卻后在穩(wěn)定塔中靜置，同時(shí)將未反應(yīng)的氣體去除，剩余正異丁醛和丙烷和混合液體在精餾塔中將丙烷去除，在出口處得到了正丁醛和異丁醛，出口處的總質(zhì)量流量為36848.03Kg/Hr。表4-2丁醛加氫反應(yīng)工段物流情況表由表4-2可知，在丁醛加氫反應(yīng)器中，上一個(gè)工段得到的丁醛與H2反應(yīng)生成正丁醇與異丁醇，同時(shí)又有少量丁醛縮合生成丁酸丁酯、異丁酸丁酯等副產(chǎn)物。將得到的物質(zhì)經(jīng)過(guò)脫輕組分塔脫除過(guò)量的氣體在脫重組分塔將副產(chǎn)物丁酸丁酯等去除，排出。最后正異丁醇混合溶液通過(guò)正異丁醇分離精餾塔將正異丁醇分離，得到所需的產(chǎn)品正丁醇。排出的輕組分和重組分以及分離的正丁醇和異丁醇總的質(zhì)量流量為32933.41kg/hr。對(duì)物料情況進(jìn)行核算：按年工時(shí)8000小時(shí)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。由表4-2得最終得到正丁醇得質(zhì)量流量為29222.4kg/hr，約合年產(chǎn)23萬(wàn)噸，達(dá)到生產(chǎn)要求。主反應(yīng)方程式：CH3CH=CH2+CO+H2→CH3CH2CH2CHOCH3CH=CH2+CO+H2→（CH3）2CHCHOCH3CH2CH2CHO+H2→CH3CH2CH2CH2OH（CH3）2CHCHO+H2→（CH3）2CHCH2OH已知出口速率正丁醇的摩爾流量為391.26kmol/hr,異丁醇的摩爾流量為41.35kmol/hr。忽略副產(chǎn)物丁酸丁酯理論上羰基合成工段得到的丁醛流量為436.61kmol/hr。進(jìn)口速率：CH3CH=CH2+CO+H2→C4H8OCH3CH=CH2+H2→CH3CH2CH3進(jìn)料比合成氣:丙烯=2.24:1丙烯進(jìn)料速率：436.61÷1+19.8+32.9=489.31kmol/hr合成氣進(jìn)料速率：489.31×2.24=1096.0544kmol/hr與Aspen模擬結(jié)果基本一致。1.5熱量衡算能量衡算式為：Q－過(guò)程的換熱之和。W－輸入系統(tǒng)的總的機(jī)械能?！艸out－離開(kāi)設(shè)備的各物料的焓?！艸in－進(jìn)入設(shè)備的各物料的焓。根據(jù)上式，對(duì)各主要設(shè)備進(jìn)行熱量衡算。1、丙烯羰基合成反應(yīng)工段熱量衡算表4-4羰基合成反應(yīng)工段流股焓變計(jì)算表項(xiàng)目數(shù)據(jù)E-1熱負(fù)荷/Gcal·hr-12.456539R-1熱負(fù)荷/Gcal·hr-1-16.044E-2熱負(fù)荷/Gcal·hr-1-0.81646V-1熱負(fù)荷/Gcal·hr-1-1.16609P-1功耗/Gcal·hr-10T-1塔頂冷凝器熱負(fù)荷/Gcal·hr-1-0.31521T-1塔底再沸器熱負(fù)荷/Gcal·hr-11.861684ΣQ/Gcal·hr-1-11.0235表4-5羰基合成反應(yīng)工段輸入功和熱負(fù)荷計(jì)算表項(xiàng)目數(shù)據(jù)ΣHout-ΣHin/Gcal·hr-1-11.023ΣQ/Gcal·hr-1-11.0235error0.0005表4-6羰基合成反應(yīng)工段熱量衡算表2、丁醛加氫反應(yīng)工段熱量衡算表4-7丁醛加氫反應(yīng)工段流股焓變計(jì)算表項(xiàng)目數(shù)據(jù)E-3熱負(fù)荷/Gcal·hr-13.72663813R-2熱負(fù)荷/Gcal·hr-1-6.2217924E-4熱負(fù)荷/Gcal·hr-1-1.5969692T-2熱負(fù)荷/Gcal·hr-1-7.2806119T-2熱負(fù)荷/Gcal·hr-13.97945305E-5熱負(fù)荷/Gcal·hr-1-0.0