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利用ASPEN-PLUS模拟与分析异丙苯的制备与分离


利用 ASPEN-PLUS 模拟与分析 异丙苯的制备与分离
Simulation and analysis by ASPEN-PLUS preparation and separation of the isopropyl benzene

一级学科:化学工程与技术 学科专业:化学工程与工艺 学 学 生:胡清清 号:

指导教授:王水

北京化工大学化学工程学院 二零一五年七月十七日

目录
异丙苯制备及分离流程模拟...................................................................................................1 一、设计任务与要求...............................................................................................................3 1、设计任务.....................................................................................................................3 二、流程设计...........................................................................................................................4 2.1 物质特性...................................................................................................................5 2.2 设计思路....................................................................................................................5 三、完成输入设定......................................................................................................................5 3.1 setup设置...................................................................................................................5 3.2 输入组分....................................................................................................................5 3.3 物性方法的选择........................................................................................................6 3.4 Streams的输入...........................................................................................................6 3.5 BLOCK的输入..........................................................................................................7 3.5.1 反应器模块的输入.........................................................................................7 3.5.2 换热器模块输入.............................................................................................9 3.5.3 精馏塔模块输入...........................................................................................10 3.5.4 闪蒸罐模块输入...........................................................................................10 3.5.5 泵的输入.......................................................................................................11 四、模拟运行.........................................................................................................................13 五、灵敏性分析.....................................................................................................................16 5.1 换热器出口温度的灵敏度分析..............................................................................18 5.2 闪蒸罐温度的灵敏度分析......................................................................................20 5.3闪蒸罐压力的灵敏度分析.......................................................................................21 5.4精馏塔回流比的灵敏度分析 ............................................................................22 六、确定工艺参数.............................................................................................................24 七、心得体会.........................................................................................................................25

一、设计任务与要求
1、设计任务
异丙苯制备与分离: 学号 分子 1 异丙苯 2 丙烯 3 丙烷 4 正丁烷 5 正戊烷 6 甲苯 7 丙醇 8 甲烷 9 正戊烷 0 苯

因为我的学号是2012011084, ,包含数字0、1、2、4、8,由,该反应流程含有物质 苯、丙 烯、异丙苯及杂质 正丁烷、甲烷。所以由题目可知: 进料:苯C6H6 、丙烯C3H6-2 、正丁烷C4H10-1 、甲烷CH4 反应式:C3H6-2 + C6H6 = C9H12-2 反应产物:异丙苯 C9H12-2 由已知条件知:(1)进口物料:压力1.1atm 温度120 ℃ 流量:苯和丙烯各6kmol/s,其他组分分别为0.5kmol/s (2)反应器:丙烯转化率0.9,压力降、热负荷为:0 (3)换热器:压力降 -0.1 atm (4)精馏塔:塔釜苯摩尔含量为0.001

二.流程设计

2.1 物质特性 物质 丙烯 分子式 C3H6-2 基本性质 无色、无臭、稍带有 甜味的气体,不溶于 水 无色透明液体,有 芳香气味 无色有特殊芳香气 味的液体 无色、无味、可燃 和微毒的气体 无色气体,不溶于 水 熔点 -192 ℃ 沸点 -47.4℃

苯 异丙苯 甲烷 正丁烷

C6H6 C9H12-2 CH4 C4H10-1

5.51 ℃ -96.0 ℃ -182.5 ℃ -138.4 ℃

80.1 ℃ 152.4 ℃ -161.5 ℃ -0.5 ℃

2.2 设计思路 根据合成及分离要求设计流程如下图1所示:

图 1:异丙苯制备及分离工艺流程图 组成: 整个流程包含五个部分:反应器 (REACTOR) 、 换热器 (HEATER) 、 闪蒸罐 (FLASH) 、 泵(PUMP)及精馏塔(DSTWU) 。 物料流程: 将原料投入反应器中进行反应 甲烷和正丁烷则不参与反应, 丙烯和 苯在反应器的条件下反应生成异丙苯 产物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闪蒸罐中进行闪蒸 闪蒸 后的气相主要是杂质甲烷和正丁烷, 通过塔顶进入其他工序, 液相则经泵加压后进入精馏塔 中进行分离 塔顶轻组分苯循环回到反应器中继续反应, 重组分异丙苯由塔釜作 为产品排出。

三.完成输入设定
3.1 setup设置
在aspen plus界面中点击Next按钮,进入图2的设置页面,命名为2012011084,选择米制工程 单位,其余均为默认值,不做修改。

图2:SETUP设置界面

3.2 输入组分
点击Next按钮,进入如图3所示界面,输入甲烷,丙烯,正丁烷,异丙苯,苯五种物质的化 学分子式和对应的简称。

图 3:组分输入 点击 NEXT,再点击 ok,进入下一个操作步骤。

图 4:完成组分输入

3.3 物性方法的选择
点击Next按钮,进入Properties输入界面,选择ALL,选择PENG-ROB物性方法。 (此张忘记截图了)

3.4 Streams的输入
点击Next按钮,进入Stream输入界面,按照设计要求输入进口无聊的温度,压力以及各组分 的流率。具体输入情况如图5所示。

图5:Stream(FEED)的输入

3.5 BLOCK的输入
3.5.1 反应器模块的输入
点击Next, 进入各BLOCK的输入界面, 根据题目要求, 反应器为绝热的, 所以Heat Duty为0, 压降为0。输入情况如图6所示

图6:反应器(REACTOR)模块输入

点击Next进入Reaction选项卡,在界面中点击New…,新建名称为1的反应,反应方程式为: 36+66=912 关键组分为36,转化率为0.9。具体输入情况如图7所示:

图7 反应方程式的输入

3.5.2 精馏塔模块输入
在精馏塔模块中,确定全塔压降均为1atm,回流比设定为1.8,并根据任务确定塔顶轻组分 苯和重组分异丙苯的摩尔分率分别为0.999和0.001,输入情况如图8所示:

图 8:精馏塔(DSTWU)模块输入

3.5.3 闪蒸罐模块输入
根据分离要求,最终确定闪蒸罐压力为0.1atm,温度为22℃,输入情况如图9所示

图9:闪蒸罐(FLASH)的输入情况

3.5.4 换热器模块输入
设定换热器的压力降及出口温度, 出口温度为30℃, 压力降为0.1atm, 输入情况如图10所示:

图 10:换热器(HEATER)模块输入

3.5.5 泵的输入

图11:泵(PUMP)的输入情况

四、模拟运行
所有输入完成之后,点击Next按钮确定输入全部完成,然后运行模拟程序,确定模拟结果没 有错误,但有2个警告(经过一整天的调试,这已是我调试出来最好的结果了,非常抱歉! ) 。 程序运行结果如图12所示:

图12:运行结果

换热器模拟

图13:换热器(HEATER)模块结果

反应器模拟

图14:反应器(REACTOR)模块结果

精馏塔模拟

图15:精馏塔(DSTWU)模块结果

闪蒸罐(FLASH)模拟

图16:闪蒸罐(FLASH)模块结果

离心泵模拟

图17:离心泵(PUMP)模块结果

五、灵敏性分析
根据工艺流程的要求,需要对过程的热负荷进行灵敏性分析。下面从换热器(HEATER)出 口温度、闪蒸罐(FLASH)温度、压力和回流比四个方面对其进行灵敏性分析。 首先,从Date菜单上单击Model Analysis Tool,然后选择Sensitivity,创建S-1灵敏性分析。 定义目标变量:HEAT(换热器所需热量) 、FLASH(闪蒸罐所需冷量) 、REC(精馏塔再沸 器热量) 、CON(精馏塔冷凝器所需热量) 。如下图所示:

5.1 换热器出口温度的灵敏度分析

在 Vary 选项卡中定义灵敏性分析自变量,自变量 TEMP 为 HEATER 的一个模块变量,设定 其变量最小值 20℃(293K)和最大值 50℃(323K) ,并且均分为 30 等份。如下图所示:

点击Tabulate标签,进入表格定制页面,确定表格,输出在第2列,结果为换热器、闪蒸器和 精馏塔的总能耗。如下图所示:

运行后查看结果,如下图:

对上面结果进行作图,如下所示:

5.2 闪蒸罐温度的灵敏度分析
按照前面的步骤进行,接下来新建S-2分析, Define与Tabulate标签与S-1设置相同,如下:

Vary 设置如下:

运行后,查看结果如下:

对作图作图,如图所示:

5.3 精馏塔回流比的灵敏性分析
同前面一样,接下来新建S-3分析,Define与Tabulate标签与S-1设置相同,如下:

Vary 设置如下:

运行成功后,查看结果,如下图:

5.4 闪蒸罐压力的灵敏性分析
同理,接下来新建S-4分析,Define与Tabulate标签与S-1设置相同,如下:

Vary 设置如下:

由于上述区间太大,作图不够精确。所以,我后来将区间改成 0.7 到 1.5atm。此处忘记截图 了,请见谅。

运行成功后,查看结果,如下图:

对结果进行作图,如下:

六.确定工艺参数:
根据灵敏度分析,尽可能节省能量,同时保证产品的质量,综合考虑,选换热器出口温度为 30℃,闪蒸罐压力为0.1atm,温度为22℃,精馏塔回流比为1.8。

七.心得体会
为期一周的软件设计课程已经结束了,我花费了一整天的时间呆在机房里,越不成功, 我就越想成功。虽然只有一个星期的学习时间,我却慢慢爱上了aspen这个软件。这段期间 有喜有忧,有欢呼声,有叹息声,有烦闷,有惊喜。在这样一次又一次的模拟运行中,我得 到的不仅仅是知识,更多的是对于所学知识的综合运用。 在设计模拟流程的过程中, 遇到了很多的问题, 一个不小心都会使运行结果造成巨大的 偏差, 而如果是在现实生产中, 就可能是一个大事故了。 在这个过程中也发现了自己的不足, 对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。通过这次课程设计,我懂得了理论 与实际相结合是很重要的, 只有理论知识是远远不够的, 只有把所学的理论知识与实践相结 合起来,才能发挥它整整的价值。 最后,感谢两位老师的讲授,尤其是王水老师,每次我找不到你所说的地方时,你都会 耐心帮我,让原本有些担心你会批评我的心,慢慢温暖开来。谢谢老师带我走入aspen,我 会继续钻研它,因为它让我有了学习的快乐!


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