【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 為 。 利用甲苯和水、甲苯和醋酸共沸的性質(zhì) ,輕組分分離塔塔頂富集甲苯、水、醋酸組分 ,利用甲苯和水的非均相共沸性質(zhì) ,在塔頂?shù)膬A析器中冷卻分層 ,不凝氣進(jìn)一步處理 ,液相分為水相和油相 ,水相中含有大部分水及少量醋酸等組分 ,油相主要組分為甲苯 ,可以作為共沸劑回流到輕組分分離塔循環(huán)使用。塔釜富集重組分 ,形成較高純度的丙稀酸溶液。圖 為輕組分分離塔的模擬流程。 圖 輕組分分離塔的模擬流程圖 采用嚴(yán)格收斂方式 RadFrac 塔模塊模擬輕組分分離塔 ,因?yàn)樗敵隽现杏姓羝突ゲ?相溶的甲苯和水溶液 ,故采用傾析器來(lái)分離氣相、甲苯相和水相?？紤]氣液液相平衡。物流 TOL 中的共沸劑是來(lái)自?xún)A析器中物流 TOL+的全部物流和少量新鮮高純甲苯。來(lái)自急冷塔的物流 product 流入輕組分分山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 丙烯酸生產(chǎn)的工藝流程設(shè)計(jì) 12 離塔 ,物流 TOL 組分為共沸劑甲苯 ,由塔頂進(jìn)入。塔 T1 中餾出液由物流 2排出 ,進(jìn)入傾析器 V1 中 ,傾析器 V1 中少量的氣體由物流 GAS 排出 ,液體分層 ,分為油相物流 TOL+和水相物流 WATER,物流 TOL+大部分為甲苯 ,作為共沸劑回流到塔中 ,水相進(jìn)一步處理。塔的參數(shù)為塔板數(shù)為 第三塊板進(jìn)料、共沸劑塔頂加入、塔頂壓力為 1atm。 醋酸塔主要是為了脫除醋酸，輕組分分離塔的產(chǎn)物進(jìn)入醋酸分離塔分離醋酸，塔頂物流主要為醋酸、丙烯酸、水，塔底物流主要為丙烯酸和馬來(lái)酸。首先利用間捷法精餾設(shè)計(jì)來(lái)模擬醋酸塔，得到塔的參數(shù)結(jié)果為最小回流比 ，實(shí)際回流比 ，理論板數(shù) 14，實(shí)際板數(shù) 20，進(jìn)料位置是第6 塊板，再沸器所需熱量 ，冷凝器所需冷量 。再采用 RadFrac 法進(jìn)行核算和確定，輕關(guān)鍵組分、重關(guān)鍵組分在塔頂?shù)幕厥章示_(dá)到要求。 回收塔的作用 是回收醋酸塔塔頂餾出的部分丙烯酸溶液 ,以減少產(chǎn)品損失。 采用普通精餾的原理 ,將醋酸和水由塔頂蒸出 ,塔底富集較高純度的丙烯酸 ,再回流到醋酸塔中進(jìn)一步分離。來(lái)自醋酸塔塔頂?shù)漠a(chǎn)物 ,加入到回收塔中 ,輕組分由塔頂物流排出 ,主要組分是水和醋酸 。重組分由塔底物流排出回流進(jìn)入醋酸塔 ,主要組分為丙烯酸。 同醋酸塔相同首先利用間捷法精餾設(shè)計(jì)來(lái)模擬回收塔，得到塔的參數(shù)如表 23，再采用 RadFrac 法進(jìn)行核算和確定，輕關(guān)鍵組分、重關(guān)鍵組分在塔頂?shù)幕厥章示_(dá)到要求。 提純塔的作用是除去溶液中的重組分 ,采用普通精 餾的原理 ,將丙稀酸山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 丙烯酸生產(chǎn)的工藝流程設(shè)計(jì) 13 由 塔頂蒸出。 醋酸塔的塔底產(chǎn)物 ,加入到提純塔中 ,輕組分主要是丙稀酸 ,由塔頂物流作為產(chǎn)品流出。重組分由塔底物流排出 ,進(jìn)行下一步處理。同醋酸塔相同首先利用間捷法精餾設(shè)計(jì)來(lái)模擬回收塔 ，得到塔的參數(shù)結(jié)果為最小回流比 ，實(shí)際回流比 ，理論板數(shù) 4，實(shí)際板數(shù) 10，進(jìn)料位置是第4 塊板，再沸器所需熱量 ，冷凝器所需冷量 。再采用 RadFrac 法進(jìn)行核算和確定，輕關(guān)鍵組分、重關(guān)鍵組分在塔頂?shù)幕厥章示_(dá)到要求。 表 23 回收塔的工藝參數(shù) 名稱(chēng) 參數(shù) Minimum reflux ratio: Actual reflux ratio: Minimum number of stages: Number of actual stages: 20 Feed stage: 14 Number of actual stages above feed: 13 Reboiler heating required: kJ/hr Condenser cooling required: kJ/hr Distillate temperature: k Bottom temperature: k Distillate to feed fraction: 工藝流程的優(yōu)化 模擬的最終目的是為了優(yōu)化流程，以達(dá)到某方面的效益最佳，如經(jīng)濟(jì)效益最好、節(jié)能效果最佳等。 在建立全流程模擬的過(guò)程中已經(jīng)對(duì)局部可以尋優(yōu)的參數(shù)進(jìn)行了尋求最優(yōu)的求解，這些參數(shù)包括各精餾塔的塔板數(shù)、回流比、采出率、進(jìn)料板位置以及萃取劑劑用量等。而一些反應(yīng)參數(shù)是根據(jù)文獻(xiàn)所述確定的最佳操作條件，這些參數(shù)無(wú)需進(jìn)行優(yōu)化。下面我們將舉例說(shuō)明在建立流程時(shí)一些典山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 丙烯酸生產(chǎn)的工藝流程設(shè)計(jì) 14 型設(shè)備操作參數(shù)優(yōu)化的過(guò)程。 （ 1）物流 BYCL 回流板位置的確定 隨著整個(gè)世界對(duì)環(huán)境的日趨重視 ,國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)制度越來(lái)越嚴(yán)茍 ,應(yīng)盡量減少向空氣中排放污染物 ,目標(biāo)函數(shù)為塔頂物流中丙煉酸的摩爾分?jǐn)?shù)最小?？疾煳锪?BYCL 在不同的回流進(jìn)料板位置對(duì)塔頂物流 D 中丙稀酸摩爾分?jǐn)?shù)的影響。當(dāng)塔頂物流 D 中丙稀酸的摩爾分?jǐn)?shù)最小時(shí) ,進(jìn)料板位置為最佳回流板位置。 在一定的理論板數(shù)條件下 ,改變進(jìn)料板位置 ,依次從塔頂?shù)牡谝粔K板移到塔底最后一塊板進(jìn)行模擬 ,記錄在不同的進(jìn)料板位置時(shí)塔頂物流 D 中丙稀酸摩爾分?jǐn)?shù)。塔頂物流 D 中丙烯酸摩爾分?jǐn)?shù)最小時(shí) ,即對(duì)環(huán)境污染最小、產(chǎn)品損失最小 ,為最佳進(jìn)料板位置。分別通過(guò)模擬確定總理論板數(shù)為 1 2 的最佳回流板位置 ,記錄 結(jié)果并作圖。由圖 可以看出 ,最佳回流板位置在靠近塔底的某一個(gè)位置 ,隨著回流板位置從塔頂依次下移到塔底 ,塔頂物流 D中丙烯酸的摩爾分?jǐn)?shù)出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì) ,出現(xiàn)一個(gè)最小值 ,即最佳回流板位置。以 15 塊理論板為例 ,當(dāng)進(jìn)料板位置從第 1 到第 11 塊理論板時(shí) ,塔頂物流 D 中丙稀酸的摩爾分?jǐn)?shù)從 減少到,這是因?yàn)楫?dāng)回流板位置在第 1塊到第 11 塊理論板時(shí) ,回流液體和混合氣體有充分的接觸時(shí)間 ,回流液中丙烯酸的濃度較高 ,隨著回流進(jìn)料板位置逐板下移 ,混合氣體和純水吸收劑接觸的時(shí)間不斷增加 ,即塔頂丙烯酸的 濃度越來(lái)越低。當(dāng)回流進(jìn)料板位置從第 11 塊到第 15 塊理論板時(shí) ,塔頂物流 D 中丙稀酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 增加到 ,其原因是隨著回流進(jìn)料板位置的不斷下移 ,回流液和混合氣體接觸時(shí)間不斷減少 ,混合氣體和回流液及純水吸收劑接觸的總體時(shí)間不斷減少 ,吸收效果越來(lái)越差 ,導(dǎo)致塔山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 丙烯酸生產(chǎn)的工藝流程設(shè)計(jì) 15 頂丙烯酸摩爾濃度的增加。 圖 物流 BYCL 最佳回流板位置 (注 :Xaa 表示物流 D中丙稀酸的摩爾分?jǐn)?shù) 。N表示理論板數(shù) 。NF表示進(jìn)料板位置 ) 由圖 23 可以得出不同理論板的最佳回流進(jìn)料位置如表。 表 24 不同理論板的最佳進(jìn)料 位置 理論板數(shù)（ N） 最佳回流位置（ NF） 塔頂丙烯酸摩爾分?jǐn)?shù)（ Xaa） 15 11 20 17 25 22 30 26 由表 24 可知 ,理論板數(shù)越多 ,吸收效果越好 ,即隨著理論板數(shù)的增加 ,塔頂丙烯酸的質(zhì)量濃度不斷減小 ,但減小到一定值后 ,變化趨勢(shì)越來(lái)越緩慢。 （ 2） 吸收主要因素的模擬 影響吸收塔吸收效果的主要因素還有吸山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 丙烯酸生產(chǎn)的工藝流程設(shè)計(jì) 16 收劑流量、理論板數(shù)。對(duì)這兩種因素進(jìn)行模擬 ,找出最優(yōu)組合 ,確定最佳工藝參數(shù)。首先確定理論板數(shù)為 15 塊 ,且在塔底物流 BYCL 的 最佳回流板位置處 ,即在第 11 塊理論板回流進(jìn)料。其次規(guī)定吸收劑物流 WATER 的摩爾流量為 200Kmol/h,記錄塔頂塔底物流中丙烯酸的摩爾分?jǐn)?shù)。然后再調(diào)節(jié)吸收劑物流 WATER 的摩爾流量分別為 150Kmol/h、 250Kmol/h。以 15 塊理論板為例 ,考察不同理論板數(shù)分別在 1 2 30 塊理論板下 ,記錄結(jié)果如表 25。在不同理論板的最佳回流進(jìn)料板位置處 ,吸收劑摩爾流量分別在150Kmol/h、 200Kmol/h 和 250Kmol/h 的條件下 ,塔頂丙稀酸的摩爾濃度結(jié)果如圖 。 表 25 不同理論板數(shù)和吸 收劑流量下的吸收效果 吸收劑流量 理論板數(shù) 15 20 25 30 150 200 250 圖 理論板數(shù)和吸收劑流量對(duì)吸收效果的影響 由圖 24可以得出 ,對(duì)吸收效果影響最大的是吸收劑用量 ,最后是理論山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 丙烯酸生產(chǎn)的工藝流程設(shè)計(jì) 17 板數(shù)。噴淋水摩爾流量越小 ,塔頂丙烯酸的摩爾濃度越大。理論板數(shù)越多 ,塔頂丙稀酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小。吸收塔 的理論板數(shù)應(yīng)控制在 2530 比較合適 ,當(dāng)理論板小于 25 時(shí) ,理論板數(shù)太少 ,氣液接觸時(shí)間短 ,不利于吸收 ,塔頂丙烯酸濃度難易達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)理論板數(shù)超過(guò) 30 時(shí) ,塔頂丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨塔板數(shù)的增加變化不大 ,且理論板數(shù)太多 ,會(huì)增加設(shè)備成本。綜上所述 ,考慮吸收劑用量的影響 ,吸收劑用量確定在 200250Kmol/h較為合適 ,吸收劑量過(guò)小 ,液體不易在填料塔內(nèi)均勻分布 ,影響效果 ,吸收劑用量過(guò)大 ,增加塔底含水量 ,進(jìn)而增大后續(xù)精制能耗。故選擇最佳工藝條件是理論板數(shù)為25,物流 BYCL 的回流進(jìn)料板位置為第 22 塊理論板 ,吸收劑的摩 爾流量為200Kmol/h。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 物料衡算與能量衡算 18 第三章 物料衡算與能量衡算 物料衡算 物料衡算的意義 在化學(xué)工程中，設(shè)計(jì)或改造工藝流程和設(shè)備，了解和控制生產(chǎn)操作過(guò)程，核算生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益，確定原材料消耗定額，確定生產(chǎn)過(guò)程的損耗量，對(duì)現(xiàn)有的工藝過(guò)程進(jìn)行分析，選擇最有效的工藝路線(xiàn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)以及確定最佳操作條件等都要進(jìn)行物料衡算。而且，化學(xué)工程的開(kāi)發(fā)與放大都以物料衡算為基礎(chǔ)的。物料衡算是質(zhì)量守恒定律的一種表現(xiàn)形式。凡引入某一設(shè)備的物料成分、質(zhì)量或體積比等于操作后所得產(chǎn)物的成分、質(zhì)量或體積加上物料損失。 物料衡算的原理 系統(tǒng)的物料衡算以質(zhì)量守恒為理論基礎(chǔ)，研究某一系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)出物料量及組成的變化，即： 系統(tǒng)累計(jì)的質(zhì)量 =輸入系統(tǒng)的質(zhì)量 輸出系統(tǒng)的質(zhì)量 +反應(yīng)生成的質(zhì)量 反應(yīng)消耗的質(zhì)量 假設(shè)系統(tǒng)無(wú)泄漏，有： dF/dt=FINFOUT+GRCR （ 31） 當(dāng)系統(tǒng)無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，有： dF/dt=FINFOUT （ 32） 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 物料衡算與能量衡算 19 在穩(wěn)定狀態(tài)下，有： dF/dt=FINFOUT=0， FIN=FOUT （ 33） 注： FIN—進(jìn)入系統(tǒng)的物料流率； FOUT—流出系統(tǒng)的物料流率； GR—反應(yīng)產(chǎn)生物料速率； CR—反應(yīng)消耗物料速率。 物料衡算任務(wù) 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)整體以及部分主要單元的詳細(xì)物料衡算，得到主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原料的消耗量，“三廢”的排放量以及最后產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)等關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)所選工藝路線(xiàn)、設(shè)計(jì)流程進(jìn)行定量評(píng)述，為后階段的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 系統(tǒng)物料衡算 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 物料衡算與能量衡算 20 1. 第一段反應(yīng)器（ R0101） 表 31 一段反應(yīng)器的物料衡算表 流入 流出 Temperature K Pressure atm Vapor Frac 1 1 Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume Flow l/min Enthalpy MMBtu/hr Mass Flow kg/hr C3H6 O2 N2 H2O C3H4O 0 C3H4O2 0 C2H4O2 0 CO2 0 C4H4O4 0 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 物料衡算與能量衡算 21 2 第二段反應(yīng)器（ R0102） 表 32 二段反應(yīng)器的物料衡算表 流入 流出 Temperature K Pressure atm Vapor Frac 1 1 Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume