丙烯酸生產(chǎn)工藝流程模擬與優(yōu)化分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9449丙烯酸生產(chǎn)工藝流程模擬與優(yōu)化分析案例 1200281.1工藝流程設(shè)計 1137591.2丙烯酸生產(chǎn)工藝流程的模擬 275971.1.1物性方法的選擇 3285891.1.2輸入組分 3278411.1.3單元操作模塊選擇 3110011.3丙烯酸合成工段流程模擬 4255721.1.1丙烯酸合成工段流程模擬 4252431.1.2丙烯酸粗分工段流程模擬 575551.1.3丙烯酸精制工段流程模擬 6279861.4丙烯酸常壓塔T304的操作參數(shù)優(yōu)化 8192651.4.2進料位置 873141.4.3最佳回流比 9116971.4.4優(yōu)化結(jié)果 10在工藝流程模擬設(shè)計中，通常以AspenPlus,Pro-Ⅱ，ChemCAD為主要的模擬軟件進行模擬，這些工藝仿真軟件是整個設(shè)計的基礎(chǔ)，它可進行物料衡算以及能量衡算，通過衡算可以得到具有建設(shè)性和可靠性的物性條件，同時可提供后續(xù)物性參數(shù)等信息。在此基礎(chǔ)上，本次工藝生產(chǎn)流程通過利用AspenPlus軟件進行了工藝設(shè)計和各工段物料衡算，不僅優(yōu)化了各設(shè)備的運行參數(shù)，還得到了最佳的運行條件。1.1工藝流程設(shè)計丙烯酸合成的工藝流程方框圖如圖3-1所示。圖3-1丙烯酸合成的工藝流程方框圖將原料丙烯氣體經(jīng)蒸發(fā)器后與預(yù)熱器內(nèi)的空氣混合，并通向裝有催化劑的第一氧化反應(yīng)器中進行氧化反應(yīng)，在反應(yīng)器中丙烯氣體發(fā)生氧化反應(yīng)生成丙烯醛，同時伴有CO2、CO等副產(chǎn)物氣體生成，從一級氧化反應(yīng)器出來的丙烯醛氣體經(jīng)過冷卻器冷凝后進入到第二氧化反應(yīng)器，在反應(yīng)器中，丙烯氣體進一步氧化生成丙烯酸氣體，同時產(chǎn)生醋酸、馬來酸、甲醛等副產(chǎn)物。出來的丙烯酸氣體中由于含有較多副產(chǎn)物以及未反應(yīng)完全的原料丙烯和丙烯醛，將其打入水洗塔進行吸收，洗滌劑為來自精制工段中分離出來的噴淋水。通過吸收操作后，CO2、CO等副產(chǎn)物氣體以及未反應(yīng)完全的原料氣體自塔頂采出，將其打入氣液分離器進行氣液分離操作后回收原料氣體，CO2、CO等廢氣則送至尾氣焚燒處理，而丙烯酸、醋酸等易溶于水的氣體吸收后生成溶液自塔底流出進入下一精制工段。來自水洗塔的粗丙烯酸溶液中含有較多的水，將其打入到脫水塔進行共沸精餾從而將水脫去，共沸劑采用甲苯。經(jīng)過共沸精餾操作后，大部分的水以及部分甲苯、部分馬來酸等自塔頂采出，由于采出為水油混合物，將其通入水油分離器進行水油分離操作，分離出的油相中主要為共沸劑甲苯，將其打回脫水塔內(nèi)循環(huán)利用。水相中含有較多沸點較高的產(chǎn)物，將其打入高沸塔進行分離操作，其中的高沸物為馬來酸。自脫水塔塔底流出的主要含有丙烯酸、部分甲苯、部分馬來酸，送至甲苯分離塔進行甲苯脫除。經(jīng)過甲苯分離操作后，甲苯自塔頂采出，作為共沸劑重新通入水油分離器循環(huán)回至脫水塔。塔底則只含有丙烯酸和馬來酸，進入丙烯酸常壓精餾塔進行最后一步精制操作，馬來酸自塔頂采出送至進一步處理，丙烯酸產(chǎn)品則從塔底流出，送至儲罐。1.2丙烯酸生產(chǎn)工藝流程的模擬1.1.1物性方法的選擇在本次丙烯酸工藝中，主要使用的原料是丙烯、水、空氣等，系統(tǒng)中的氣相都符合理想氣體的氣體定律和亨利定律，同時液相是非理想體系；通過查閱文獻，確定選擇NRTL-RK熱力學(xué)計算模型。1.1.2輸入組分以丙烯為主要原料合成生產(chǎn)丙烯酸過程中主要涉及的組分有丙烯、水、空氣、丙烯醛、丙烯酸等。在流程模擬中，輸入的組分如表3-1所示：表3-1輸入組分分子式組分分子式或簡稱組分分子式C3H6丙烯C3H6H2O水H2OO2氧O2N2氮N2C3H4O丙烯醛C3H4OC3H4O2丙烯酸C3H4O2HAC醋酸C2H4O2C7H8甲苯C7H8C2H4O乙醛C2H4OCH2O甲醛CH2OMAACID馬來酸C4H4O4D2CO2二氧化碳CO2CO一氧化碳CO1.1.3單元操作模塊選擇在工藝流程設(shè)計中，模塊的選擇起著關(guān)鍵作用，選擇合適的模塊能夠使工藝流程在同等的參數(shù)條件下獲得最佳的產(chǎn)率以及轉(zhuǎn)化率。而且不同的單元操作所使用的模塊是不同的，在本次丙烯氧化制備丙烯酸的工藝流程中涉及到的單元操作過程有氧化反應(yīng)、普通精餾、共沸精餾還有氣液分離等操作。采用的塔、反應(yīng)器、分離器等模塊如表3-2所示。表3-2單元操作模塊表設(shè)備位號設(shè)備名稱Aspen模塊設(shè)備位號設(shè)備名稱Aspen模塊E101汽化器HeaterP302水相進料泵PumpE102工藝氣冷卻器HeaterP303丙烯酸進料泵PumpE103工藝氣冷卻器HeaterC101空氣壓縮機ComprE104氣體冷凝器HeaterC102循環(huán)氣壓縮機ComprE201氣體冷凝器HeaterV101氣液分離器SepE301工藝氣冷卻器HeaterV102氣液分離器SepE302液體冷卻器HeaterV301水油分離器SepR101一級反應(yīng)器RStoicT201水洗塔RadFracR102二級反應(yīng)器RStoicT301脫水塔RadFracP101丙烯進料泵PumpT302甲苯分離塔RadFracP301共沸劑進料泵PumpT303常壓塔RadFracM101混合器MixerM201混合器MixerM102混合器MixerF101分配器FSplitM103混合器MixerF102分配器FSplitM301混合器MixerF301分配器FSplit1.3丙烯酸合成工段流程模擬圖3-2為丙烯酸生產(chǎn)工藝全流程的模擬圖。丙烯酸生產(chǎn)工藝全流程可劃分為丙烯酸合成工段、丙烯酸粗分工段以及丙烯酸精制工段。圖3-2丙烯酸生產(chǎn)工藝全流程模擬1.1.1丙烯酸合成工段流程模擬丙烯酸合成工段可分為丙烯氧化單元以及原料回收單元。1.丙烯氧化單元通過AspenPlus對丙烯酸合成工段進行流程模擬，該工段的工藝流程模擬圖如圖3-3所示。圖3-3丙烯酸合成工段工藝流程圖將高純度的丙烯（99.5%）經(jīng)汽化器E101預(yù)熱氣化后與部分經(jīng)過壓縮的空氣、水汽按一定配比充分混合后，送入裝有Mo-Bi-Fe-Co系復(fù)合氧化物催化劑的氧化反應(yīng)器R101中，進行第一步氧化反應(yīng)，控制反應(yīng)條件在370℃，操作壓力為1bar。反應(yīng)后生成丙烯醛、以及副產(chǎn)物醋酸、CO2等，經(jīng)過冷卻器降溫送入裝有Mo-V-Cu系復(fù)合催化劑的氧化反應(yīng)器R102中進行第二階段的氧化反應(yīng)，同時添加少量氧氣。控制反應(yīng)條件在360℃，操作壓力為1bar。反應(yīng)后生成丙烯酸以及大量副產(chǎn)物，送至下一工段進行粗分處理。1.原料回收單元原料回收單元如圖3-3所示。圖3-3原料丙烯回收單元自水洗塔T201塔頂采出的氣體經(jīng)過冷凝器E201冷凝后進入氣液分離器V101進行分離，分離出含有少量產(chǎn)品的液相與水洗塔T201塔底產(chǎn)品溶液一起打入下一脫水單元。分離出的氣相則通過冷凝器E104冷凝后進入氣液分離器V102再一次進行氣液分離，該單元分離出的液相送回上一級氣液分離器V101中，氣相則作為原料送回合成工段。1.1.2丙烯酸粗分工段流程模擬丙烯酸粗分工段如圖3-4所示。圖3-4丙烯酸粗分單元如3-4圖所示，來自合成工段的丙烯酸氣體中含有未反應(yīng)完的丙烯、丙烯醛以及副產(chǎn)物CO2、N2等，將其通入水洗塔T201中，以來自精制工段中的且經(jīng)過處理的噴淋水作為吸收水吸收其中的丙烯、CO2、N2等不溶水氣體。其中來自合成工段的丙烯酸氣體流率為2371.59kmol/h,循環(huán)水流率為1571.44kmol/h。通過吸收后，原料丙烯、CO2等氣體自塔頂采出，塔頂流率為2415.54kmol/h，進入原料回收工段從而回收丙烯。而丙烯酸氣體水洗后生產(chǎn)丙烯酸溶液自塔底采出，塔底流率為1528.49kmol/h。同時伴有副產(chǎn)物醋酸、馬來酸和大量的水等，進入下一精制工段進行脫除。1.1.3丙烯酸精制工段流程模擬丙烯酸精制工段可分為丙烯酸脫水單元、副產(chǎn)物馬來酸回收單元及丙烯酸精制單元。丙烯酸精制工段的工藝流程模擬圖如圖3-5所示。如圖3-5丙烯酸精制工段工藝流程圖1.丙烯酸脫水及馬來酸回收單元丙烯酸脫水單元如圖3-6所示。圖3-6丙烯酸脫水及馬來酸回收單元自水洗塔T201塔底采出的粗丙烯酸溶液送入脫水塔T301，以甲苯作為共沸劑進行共沸精餾，從而將大部分水和部分馬來酸脫除。水、醋酸、少量丙烯醛以及部分馬來酸自塔頂采出，丙烯酸、部分甲苯、少量馬來酸自塔底采出。塔頂采出送至水油分離器V301進行水油兩相分離，水相含有水、醋酸、馬來酸，用泵送至分配器FS301分成兩股，一股作為吸收水回流至水洗塔進行吸收，另一股則送至高沸塔T303進行精餾，回收其中的馬來酸。自水油分離器中V301出來液相中由于含有共沸劑甲苯，送回脫水塔T301重新利用。2．丙烯酸常壓精餾單元丙烯酸精制單元如圖3-7所示。圖3-7丙烯酸精制單元自脫水塔T301塔底流出的丙烯酸溶液還含有部分共沸劑甲苯，送至甲苯分離塔T302進行甲苯脫除。經(jīng)過普通精餾后，甲苯、馬來酸以及剩余的醋酸從分離塔T302的塔頂采出。由于共沸劑甲苯含量較多，需補充定量的新鮮甲苯再通過混合器M301后送至水油分離器進行分離。甲苯分離塔T302塔底出料為丙烯酸溶液，送至丙烯酸常壓塔T304進行常壓精餾將剩余的少量甲苯脫除。最后，輕組分少量廢甲苯從塔頂采出，重組分99.7%的丙烯酸產(chǎn)品從塔底采出，丙烯酸產(chǎn)品流率為138.75kmol/h。1.4丙烯酸常壓塔T304的操作參數(shù)優(yōu)化在本次全流程模擬分析中，利用AspenPlus中的靈敏度分析模塊對塔設(shè)備的塔板數(shù)量、回流比、加料板位置參數(shù)進行了參數(shù)優(yōu)化，并對關(guān)鍵塔設(shè)備進行了靈敏性分析。本設(shè)計只對丙烯酸常壓塔T304的操作參數(shù)進行了優(yōu)化，并得出最優(yōu)的操作條件。本次靈敏度分析以保證產(chǎn)品純度的前提下，對該塔進行熱負荷分析以及優(yōu)化。1.4.1塔板數(shù)做總塔板數(shù)與釜液中丙烯酸的質(zhì)量分數(shù)(X)、冷凝器負荷(CONDUTY)、再沸器負荷(REBDUTY)、塔總負荷（冷凝器負荷+再沸器負荷）的靈敏度分析，得到圖3-7。圖3-7總塔板數(shù)對塔T304釜液產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)、冷凝器負荷、再沸器負荷、塔總負荷的影響由圖3-7丙烯酸精餾模擬結(jié)果可見，當(dāng)釜液中丙烯酸質(zhì)量分數(shù)≥0.997時，就能滿足下游工段的需求。從靈敏度分析結(jié)果可知，當(dāng)塔板數(shù)=29塊時，丙烯酸純度滿足要求，且在所有滿足丙烯酸純度條件下塔的總負荷最低，所以選在總塔板數(shù)=29塊。1.4.2進料位置做進料位置與釜液中丙烯酸的質(zhì)量分數(shù)(X)、冷凝器負荷(CONDUTY)、再沸器負荷(REBDUTY)、塔總負荷（冷凝器負荷+再沸器負荷）的靈敏度分析。圖3-8進料位置對塔T304釜液產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)、冷凝器負荷、再沸器負荷、塔總負荷的影響由圖3-7丙烯酸精餾模擬結(jié)果可見，當(dāng)釜液中丙烯酸質(zhì)量分數(shù)≥0.997時，就能滿足下游工段的需求。由分析結(jié)果可知，當(dāng)進料位置=11塊時，丙烯酸純度≥0.997，且精餾塔總負荷在所有滿足丙烯酸純度條件下最低。因此就選擇進料位置=11塊。1.4.3最佳回流比做最佳回流比與釜液中丙烯酸的質(zhì)量分數(shù)(X)、冷凝器負荷(CONDUTY)、再沸器負荷(REBDUTY)、塔總負荷（冷凝器負荷+再沸器負荷）