1、精品 料推薦化工系統(tǒng)模擬與優(yōu)化丁二烯和二氧化硫合成丁二烯砜的案例研究徐 國 想指導(dǎo)教師：錢宇教授華南理工大學(xué)化工研究所一九九九年八月0精品 料推薦目錄序言0輸入信息1間歇對連續(xù)2流程圖的輸入輸出結(jié)構(gòu)21流程圖的輸入輸出結(jié)構(gòu)22設(shè)計變量和物料衡算的步驟3流程圖的循環(huán)結(jié)構(gòu)31過程循環(huán)結(jié)構(gòu)的決策32流程的物料衡算4分離系統(tǒng)41分離序列的綜合42分離系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)5丁二烯制備丁二烯砜過程的全流程模擬51丁二烯制備丁二烯砜過程的全流程圖52丁二烯制備丁二烯砜過程的全流程經(jīng)濟衡算參考文獻附錄 pro/ keyword 輸入文件1精品 料推薦序言概念設(shè)計是依據(jù)開發(fā)性基礎(chǔ)研究的結(jié)果、文獻的數(shù)據(jù)、現(xiàn)有類似裝置的

2、操作數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗，按照所開發(fā)的新技術(shù)工業(yè)化規(guī)模而做出的預(yù)想設(shè)計。概念設(shè)計的目標就是尋找最佳工藝流程和估算最佳設(shè)計條件，用以指導(dǎo)過程研究及提出對開發(fā)性基礎(chǔ)研究進一步的試驗要求，所以，它是基礎(chǔ)研究與過程研究的指南，是整個開發(fā)研究過程中十分關(guān)鍵的一個步驟。經(jīng)驗指出，如果要考慮所有的可能性，則對任何過程的流程圖一般都可以提出許多方案（經(jīng)常是104109個），采用分層次決策的方法，就可以在很大程度上避免了漏掉某些重要方案選擇的情況。概念設(shè)計的目標就是尋找最佳“方案”，所以，需要盡快降低要予以考慮的方案數(shù)目，而基于數(shù)量級分析法的簡捷算法常常精確得足以消去90左右無效益的方案。采用簡捷算法和分層次決策方法

3、也可以盡快地把信息反饋給正致力于開發(fā)該過程的化學(xué)家手中，將有助于化學(xué)家去收集那些有可能獲取最大效益操作范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，并且終止掉那些在有效益操作范圍之外的實驗。分層次決策方法就是把設(shè)計問題簡化為分層次的決策，其步驟如下：1. 間歇對連續(xù)；2. 流程圖的輸入 輸出結(jié)構(gòu)；3. 流程圖的循環(huán)結(jié)構(gòu)；4. 分離系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；5. 熱交換器網(wǎng)絡(luò)。2精品 料推薦0 輸入信息1. 反應(yīng)信息 a. 可逆反應(yīng)：丁二烯 so2丁二烯砜h r = 48,000btu/mol ,keq=(6.84610-11)exp-36,940/t( 0r),11501-1keq3 h),k =(8.17210)exp-52,200

4、/t( r),k =kmol/(ft反應(yīng)速率符合化學(xué)計量關(guān)系，并且采用cstr 反應(yīng)器。b. 反應(yīng)條件：反應(yīng)溫度90 0f , 反應(yīng)器壓力 =150psia 。c.假設(shè)反應(yīng)的選擇性為1：丁二烯轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化的丁二烯摩爾數(shù)x反應(yīng)器進料中丁二烯摩爾數(shù)d. 反應(yīng)動力學(xué)：反應(yīng)在產(chǎn)品沸點下有顯著的逆反應(yīng)速率，這時應(yīng)選擇適宜的反應(yīng)溫度、二氧化硫與丁二烯的摩爾比，不僅要求轉(zhuǎn)化率高，還要求生產(chǎn)控制穩(wěn)定、產(chǎn)品成本低，一般選擇二氧化硫與丁二烯的摩爾比r =1.0，丁二烯的轉(zhuǎn)化率為 40%e. 液相，無催化劑2. 丁二烯砜產(chǎn)量： p 丁二烯砜 = 80mol/h3. 丁二烯砜的產(chǎn)品純度： xd 0.9854. 物化數(shù)據(jù)

5、：一般需要的信息是分子量、沸點、蒸汽壓、熱容、汽化熱、反應(yīng)熱、液體密度和逸度系數(shù)（或狀態(tài)方程）。5. 費用數(shù)據(jù)： so2 0.064$/mol，丁二烯 6.76$/mol，丁二烯砜 8.50$/mol，反應(yīng)器的年均建設(shè)費是 3150vr0.558 $/(ft 3 a)。3精品 料推薦1 間歇對連續(xù)采用間歇操作頗為有利的因素1產(chǎn)率：6a當(dāng)產(chǎn)率低于 1010 lb/a時，有時采用間歇；6b如果產(chǎn)率低于 110 lb/a時，一般采用間歇；c多產(chǎn)品裝置。2市場的力量：a季節(jié)性生產(chǎn)；b產(chǎn)品的生存期短。3放大問題：a反應(yīng)的時間非常長；b要處理低流速的漿料；c快速結(jié)垢性的物料。產(chǎn)率較低，約為0.17 106

6、lb/a （操作時數(shù)按 8150 h/a 計），一般采用間歇，但根據(jù)反應(yīng)的特點，決定選擇一個連續(xù)的過程，操作費用和物流費用以年為基準，操作時數(shù)為8150 h/a 。4精品 料推薦2 流程圖的輸入輸出結(jié)構(gòu)2.1 流程圖的輸入輸出結(jié)構(gòu)1. 凈化進料物流情況：不需凈化進料物流。2. 可逆的副產(chǎn)品情況：無可逆副產(chǎn)物。3. 氣相循環(huán)。4. 產(chǎn)品物流的數(shù)目。所有組分的去向在表 2.1 中給出，只有一股產(chǎn)品物流。表 2.1 反應(yīng)工段各組分去向組 分去 向so2循環(huán)c4h6循環(huán)c4h6so2產(chǎn)品初步的流程圖見圖2.1：c4h 6，so2c4h 6c4h6so2so2圖 2.1丁二烯制備丁二烯砜過程的輸入輸出結(jié)

7、構(gòu)2.2. 設(shè)計變量和物料衡算的步驟可能出現(xiàn)在第 2 層次上的設(shè)計變量：對復(fù)雜反應(yīng)有反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)物摩爾比，反應(yīng)溫度 /或壓力等；過量反應(yīng)物的情況，過量反應(yīng)物是指既不回收，又不是氣體循環(huán)和放空的反應(yīng)物。正常情況下，可由設(shè)計變量開發(fā)總物料平衡的公式，而根本不必考慮任何循環(huán)流量。只要總方程式定義不足，就必須尋找一個或多個設(shè)計變量來完善該問題的定義，而這些設(shè)計變量總是對應(yīng)于“主要的過程優(yōu)化”問題。因此，最初的分析總是應(yīng)該只集中于輸入輸出的流量。5精品 料推薦開發(fā)總物料平衡的步驟：1從規(guī)定的產(chǎn)率入手2由化學(xué)計量關(guān)系求出副產(chǎn)物流量和原料需用量（以設(shè)計變量表示）3在反應(yīng)物需要全部回收和循環(huán)的場合，計算

8、進料物流內(nèi)雜質(zhì)的進口流率和出口流率4在反應(yīng)物既不回收也不循環(huán)的場合（循環(huán)和放空或是空氣或是水），以規(guī)定的過剩量表示，計算各反應(yīng)物的出口流率5計算隨第四步中的反應(yīng)物流帶入的雜質(zhì)的進口流率和出口流率。6精品 料推薦3 流程圖的循環(huán)結(jié)構(gòu)3.1 過程循環(huán)結(jié)構(gòu)的決策：1、需采用一套反應(yīng)器系統(tǒng)只有一個主反應(yīng)，只需要一個反應(yīng)器系統(tǒng)。由于反應(yīng)轉(zhuǎn)化率不可能達到100%，故原料要循環(huán)回反應(yīng)器。2、采用一股氣相循環(huán)物流全流程有一個回到反應(yīng)器去的循環(huán)物流。其流程圖見圖2. 3。3、在反應(yīng)器入口處無需過量反應(yīng)物4、配置氣體壓縮機一臺反應(yīng)在高壓下進行，需要一臺進料氣壓縮機。5、反應(yīng)器采用預(yù)熱方式進料6、通過改變反應(yīng)器的停

9、留時間來調(diào)節(jié)平衡轉(zhuǎn)化率。二氧化硫丁二烯二氧化硫丁二烯反應(yīng)器分離系統(tǒng)丁二烯砜圖 2.3 丁二烯制備丁二烯砜過程循環(huán)結(jié)構(gòu)3.2 流程的物料衡算初期物料衡算是基于所有有價值物流全部回收的假設(shè)，衡算結(jié)果將為用pro/ii 作流程模擬提供初值。嚴格的物料衡算待確定分離系統(tǒng)的細節(jié)后由pro/ii 流程模擬結(jié)果給出。1. 設(shè)計變量。將產(chǎn)物分布關(guān)聯(lián)為有限反應(yīng)物的單程轉(zhuǎn)化率的函數(shù)，即設(shè)計變量為丁二烯的單程轉(zhuǎn)化率。2. 物料衡算。從圖 2.3 看到，所有進入該過程的丁二烯都轉(zhuǎn)化了（沒有丁二烯離開系統(tǒng)），這是基于丁二烯完全回收的假設(shè)，即忽略掉產(chǎn)品物流中有任何丁7精品 料推薦二烯的損失。當(dāng)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為x、反應(yīng)選擇性為

10、 s、丁二烯砜產(chǎn)率為 p 丁二烯砜 時，該過程的丁二烯新鮮進料量ff c4h6 必須為ffc4 h 6pc 4 h 6so2(2-1)s令進入反應(yīng)器的丁二烯流率為fc4h6 ，當(dāng)轉(zhuǎn)化率是 x 時，離開反應(yīng)器的丁二烯量是 fc4h6 (1-x)。對于完全回收的分離系統(tǒng)，離開反應(yīng)器的流率將等于循環(huán)流率。在反應(yīng)器前的混合器作一衡算，則有ffc4h6+ fc4h6 (1-x) = f c4h6(2-2)于是反應(yīng)器的進料量為c4h6fff c4h6/x(2-3)8精品 料推薦4 分離系統(tǒng)4.1 分離序列的綜合選用探試法選擇簡單塔塔序。探試法的搜索速度一般比數(shù)學(xué)規(guī)劃法要高得多，如果探試法則使用得當(dāng)，不需要

11、過多的計算便可迅速獲得接近最優(yōu)的分離序列。 nadgir 和 liu 提出的有序探試法，就是一種較好的分離序列綜合的探試法。nadgir 和 liu 把探試法則分為四大類：分離方法探試（ m 探試）法則；設(shè)計探試（ d 探試）法則組分探試（ s 探試）法則；組成探試（ c 探試）法則。這四類探試法則中包括如下探試法則，這些探試法則必須依次順序采用，不可顛倒：規(guī)則 1（ m1 法則），盡量采用直接分離法（只用能量分離劑的分離方法，如普通精餾），避免采用間接分離法（需要用質(zhì)量分離劑的分離方法）。但當(dāng)關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度（或分離系數(shù)）小于1.05 1.10 時，不推薦用普通精餾，該采用質(zhì)量分離劑，但

12、分離劑應(yīng)在下一個分離器中分離出來。規(guī)則 2（ m2 法則），避免溫度和壓力過于偏離環(huán)境條件。如果必須偏離，也寧可向高溫或高壓方向偏離，而盡量不向低溫、低壓方向偏離。如不個、得不采用真空蒸餾，可以考慮用液液萃取來代替。如果需要冷凍，可以考慮吸收等替代方案。規(guī)則 3（ d1 法則），傾向于產(chǎn)生的產(chǎn)品個數(shù)最少的分離序列，也就是避免分離那些在同一目標產(chǎn)物組中的組分。規(guī)則 4（ s1 法則），優(yōu)先分離具有腐蝕性或毒性的成分。規(guī)則 5（ s2 法則），難于分離的組分最后分離。特別是關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度接近于 1.0 時，應(yīng)當(dāng)在沒有非關(guān)鍵組分存在的條件下進行分離。規(guī)則 6（ c1 法則），在相對揮發(fā)度允許的

13、條件下，進料組成最大的組分優(yōu)先分離。9精品 料推薦規(guī)則 7（ c2 法則），在進料組分的組成相差不大，且相對揮發(fā)度允許的條件下，傾向于將進料一分為二的分離，即將進料等摩爾地分成塔頂和塔底產(chǎn)品。若難以判斷哪一種分離最接近一分為二，則可以把易分離系數(shù) (ces)值最大的分離點優(yōu)先分離。易分離系數(shù)定義如下：(3-1)其中 f 為產(chǎn)品摩爾流率比，定義為(3-2)式中 d塔頂出料摩爾流率；b 塔底出料摩爾流率。式（ 3-1）中為(3-3)或(3-4)式（ 3-3）表示輕重關(guān)鍵組分間沸點差，式（ 3-4）中 為輕重關(guān)鍵組分相對揮發(fā)度。易分離系數(shù)越大，表示輕、重關(guān)鍵組分越易被分離，所需分離費用一般也較低。4

14、.2 分離系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)從反應(yīng)器的操作條件（ 900，）下出來的液相混合物，溫度大約在90f150psia0f，經(jīng)過換熱器進行間接升溫至340 0 f 進入分離系統(tǒng)，再通過分別設(shè)計蒸汽回收系統(tǒng)和液體分離系統(tǒng)來實現(xiàn)相的最終分離。丁二烯制備丁二烯砜過程的分離系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4.2.1 所示：蒸汽分離系統(tǒng)循環(huán)去反應(yīng)器蒸汽進料反應(yīng)器系統(tǒng)相分離器液體圖 4.2.1 丁二烯制備丁二烯砜過程分離系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)10精品 料推薦根據(jù) pro/ii 的模擬計算知，可采用兩個串聯(lián)的閃蒸器來分割反應(yīng)器的出料，氣相循環(huán)到反應(yīng)器入口處和新鮮進料混合，經(jīng)過氣體壓縮機壓縮至150psia、477.40f，再經(jīng)過換熱器降溫至9

15、0 0f 進反應(yīng)器。丁二烯制備丁二烯砜過程分離系統(tǒng)的初步結(jié)構(gòu)如圖4.2.2 所示：循環(huán)去反應(yīng)器90 0f3400f進料反應(yīng)器150psia150psia閃蒸器 1閃蒸器 2系統(tǒng)323.70f15psia減壓閥產(chǎn)品液體分離系統(tǒng)圖 4.2.2 丁二烯制備丁二烯砜過程分離系統(tǒng)的初步結(jié)構(gòu)該分離系統(tǒng)可采用各種替代方案：1升高混合物的溫度或降低它的壓力，利用閃蒸器來實現(xiàn)相的分離。2 升高混合物的溫度，采用精餾塔來分割物流。3 升高混合物的溫度，采用穩(wěn)定塔來分割物流。以上各種替代方案按照費用遞增的順序排列，故希望采用排列靠前的方案。11精品 料推薦5 丁二烯制備丁二烯砜過程的全流程模擬5.1 丁二烯制備丁二

16、烯砜過程的全流程圖在以上分析的基礎(chǔ)上，可進行全流程的模擬，利用pro/ii 軟件進行模擬計算，其流程如圖5.1 所示。118m11新鮮進料2f1c1937v1f2reactor6e110412e2e3135圖 5.1 丁二烯制備丁二烯砜過程的全流程圖12精品 料推薦5.2 丁二烯制備丁二烯砜過程的全流程經(jīng)濟衡算5.2.1 過程的經(jīng)濟潛力以年操作時數(shù)8150 小時為基準，過程的經(jīng)濟潛力為：ep=產(chǎn)品的價值 - 原料費用 - 設(shè)備費用1原料及產(chǎn)品費用so2 0.064$/mol，丁二烯 6.76$/mol，丁二烯砜 8.50$/mol2反應(yīng)器的費用模型采用 cstr 反應(yīng)器，反應(yīng)器的年均建設(shè)費可按

17、下式計算：3150vr0.558 $/(ft 3a)3閃蒸器的費用模型一般閃蒸器的停留時間為15min 左右（ 0.25h ），故閃蒸器的體積可按下式計算：v0.25qv式中 v 是閃蒸器的體積（ ft 3）， qv 是進入閃蒸器物流的體積流率（ft 3/h）。取閃蒸器的 l/d=1.5，則閃蒸器的直徑和長度為：d ( 4v ) 13 ；l=12d6在引入投資償還因子1/3 后，閃蒸器的年度建設(shè)費用可按下式計算：1(m & s)101.9d 1.066 h 0 .802 (2.18 fc )3280在本設(shè)計中 m&s 取 792，fc=3.67*1.0。4換熱器的費用模型換熱器的熱負荷均由pr

18、o/ii 計算得到，換熱所需傳熱面積由下式計算：acqcu ctm式中 qc 為換熱器的熱負荷（ btu/h ft 2 0f）， uc 為傳熱系數(shù) 100btu/h ft 2 0f， tm 是換熱器的對數(shù)溫差， a c 為換熱器所需換熱面積（ ft 2）。在引入投資償還因子1/3 后，換熱器的年度建設(shè)費用可按下式計算：1 ( m & s)101.3ac0.65 (2.29 fc )328013精品 料推薦在本設(shè)計中 m&s 取 792，當(dāng)采用碳鋼制造的浮頭式換熱器時fc=1.0。另外，換熱器的年度操作費用（消耗的冷卻水費用）可按下式計算：( 0.06$ )( 1gal)( qc ) 81501

19、000 gal 8.34lbtc式中冷卻水的價格為0.06$/1000gal ， tc 是冷卻水的進出口溫差，年操作時數(shù)為 8150 小時。換熱器年度費用 =換熱器年度建設(shè)費用 +換熱器年度操作費用5壓縮機的費用模型對于初期設(shè)計，假定壓縮機效率為 90% ，壓縮機理論功率 hp 由 pro/ii 流程模擬結(jié)果給出，則制動馬力為用 guthrie 關(guān)聯(lián)式計算壓縮機的建設(shè)費用操作費用按壓縮機電機效率為90%和電費為 0.035 $ / kwh 計算年度操作費用bh p0.035 81500.9式中 bhp 單位為 kw 。5.2.2 全流程經(jīng)濟衡算一、費用數(shù)據(jù)二氧化硫費用0.064$ / kmol

20、丁二烯費用6.76$ / kmol丁二烯砜價值8 50$ / kmol電價0.035 $ / kwh冷卻水1.42710 - 4 $ / kmol設(shè)備費用估算價格指數(shù) m&s = 792 , 并引入投資償還因子 1/3 年，以便把建設(shè)費用置于年度的基準上。二、經(jīng)濟潛力估算以反應(yīng)轉(zhuǎn)化率 x = 0.4 為例1原料二氧化硫費用 = (0.064$/mol)(80 mol / h)(8150h/a) = 4.173104$/a原料丁二烯費用 = (6.76$/mol)(80 mol / h)(8150 h/a) = 4.408 106$/a產(chǎn)品丁二烯砜價值 = (8.50$/mol)(80 mol

21、/ h)(8150 h/a) = 5.542106$/a2 反應(yīng)器費用14精品 料推薦反應(yīng)器進料體積流率03v = 0.384 km /h反應(yīng)的速度常數(shù)k=1.045 s-1 (t =90 0f)v11 0.95 ln10.4 0.95 =0.592 s =1.64610- 4hv01.04510.4反應(yīng)器容積 v = 0.065 m3反應(yīng)器年度費用 3150vr0 .558 $/(ft 3 a) 35.315 ft3/ m3=2.420 104$/a3閃蒸器費用v 0.25qv =0.25 0.30735.315=2.709 ft3式中v 是 閃蒸 器的 體積 （ ft 3 ） ， qv 是進入閃蒸 器物 流的 體積流率（ft 3/h）。取閃蒸器的l/d=1.5，則閃蒸器的直徑和長度為：1d ( 4v ) 3 =0.831 ft6l=1.5d=1.247 ft閃蒸器的年度建設(shè)費用 = 1( m & s)101.9d1 .066 h 0.802 (2.18