【正文】 其熱量變化為 23 66 .4 83 ( 19 55 .9 83 36 7. 63 77 ) 33 4. 69H? ? ? ? ? ? ? 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 27 頁 共 61 頁 驗證模擬過程 （ 1） 建立新模型，選擇 “ Radfrac” 模塊，連接物流并修改名稱； （ 2）全局規(guī)定與組分規(guī)定同上； （ 3） “ Properties” 中選擇 “ Global” ，規(guī)定物性方法為 “ NRTL” （ 4） “ Streams”中規(guī)定 “ FEED” 進料狀況，具體同設(shè)計過程物流規(guī)定，此處不再綴余； （ 5） “ Blocks” 中對 “ MONITA” 進行規(guī)定， “ configuration”中數(shù)據(jù)來源于上述設(shè)計結(jié)果，具體如下： 塔板數(shù)： 8； 冷凝器類型：全凝 回流比： 氣相份率： “ Sreams”中規(guī)定進料位置為 5 “ Pressure” 中規(guī)定塔頂壓力為 100Kpa，全塔壓降為 10Kpa； （ 6） 輸入完畢，保存并運行程序，結(jié)果匯總?cè)缦拢? 總物料和熱量 衡 算和如下： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 28 頁 共 61 頁 物料結(jié)果如下： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 29 頁 共 61 頁 脫甲醇 塔設(shè)計驗證模擬 塔 2 設(shè)計過程同塔 1，此處不再贅述，塔 2 設(shè)計結(jié)果如下： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 30 頁 共 61 頁 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 31 頁 共 61 頁 由模擬結(jié)果可知，其塔板數(shù)為 8，第一層為冷凝器，從第四層進料，由于其進出 口物料狀況與工藝要求相符，故該模擬過程正確合理，可用于后續(xù)設(shè)計。一般需使用兩種不同的模塊分別進行設(shè)計和驗證，并反復(fù)修改操作參數(shù)，反復(fù)運行，以達到最優(yōu)操作條件，使設(shè)計結(jié)果更加優(yōu)化。 據(jù)本設(shè)計要求，規(guī)定甲醛的轉(zhuǎn)化率為 點擊 “ N→” 規(guī)定副反應(yīng)方程式以及反應(yīng)程度，輸入如下表 規(guī)定用于副反應(yīng)的甲醛轉(zhuǎn)化率為 （ 8）輸入完畢，運行程序，結(jié) 果如下表： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 22 頁 共 61 頁 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23 頁 共 61 頁 物料和熱量平衡如下表： 由結(jié)果可知，過程熱量變化為 Q = (+5 ) (+6 )– (+6) = KW 結(jié)果分析可知，其物料進出情況與前物料衡算情況基本一致，故本模擬過程模塊選擇和物性方法選擇基本正確，由結(jié)果可直接得出熱量變化情況，故可省去熱量衡算的求算過程，使設(shè)計步驟變得簡單準(zhǔn)確。 （ 5）點擊進入 “ Properties” 界面，完成物性規(guī)定，選擇 物性方法為 “ PKSOAVE” ； （ 6） 進入 “ Sream” 界面規(guī)定物流，依次輸入進料甲醛溶液、乙炔混合氣體的進料狀況。 在熱量收支平衡時， LI0+1,122 ?? WWiCG ?+Q0=LI2+ 222 ?CG +QL 式中各項分別為 LI0= 122 ?CG ])1[( 22 ?????? ws CwCw 其中， C2為產(chǎn)品的比熱， CS為 丁炔二醇 的比熱，為 2 )Ckj/(kg ?? 1,?WWi=? = 222 ?CG ])[( ???????? QL常以 Q0的 倍計算，則干燥器的熱量衡算方程為 +++ Q0=LI2++ 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁 共 61 頁 即 =+ 又 I2=（ Q1+） 2+2492H2 I2=+ 又 LI2=LI0+CH（ t2t0） +2,tvWi=LI0+(Cg+CwH0)(t2t0)+2,tvWi= +(+ 5 6 50 5 )2737)(0 0 ???? 既 LI2=+ 又 ???? HHH WL 聯(lián)立求得 H2=I2=L= 絕干氣 /s Q0=180kJ 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁 共 61 頁 3 Aspen 模擬部分 本操作旨在將化工流程模擬軟件應(yīng)用于化工設(shè)計，使設(shè)計過程更加快捷準(zhǔn)確，進一步提高 Aspen plus 軟件的簡單應(yīng)用能力。 設(shè)絕干空氣的消耗量為 L， kg 絕干氣 /s，則干燥系統(tǒng)的熱量衡算匯總見下表 表 14熱量衡算匯總 收入 支出 進口空氣帶入熱 LI0 出口廢空氣帶出熱 LI2 濕物料帶入熱1θW,122 WiθCG ? 產(chǎn)品帶出熱222 θCG 干燥系統(tǒng)加入熱 Q0 裝置的散熱損失 QL 注：熱量計算時，時間經(jīng) 1s，溫度以 0OC 為基準(zhǔn)。 蒸發(fā)釜進料即為塔 1 出料，組分含量見表 6，物料經(jīng)蒸發(fā)釜蒸發(fā)后，水以蒸汽形式從頂部排出，冷凝回收，丁炔二醇留在底部，輸出到包裝工序 [19]。 假設(shè)物料在自反應(yīng)器出口到精餾塔的輸送及中和過程中損失率為 %，則各項進料情況為： N 丁炔二醇 = % = kmol/h N 丙炔醇 = % = kmol/h N 甲醇 = % = kmol/h N 水 = % = kmol/h 對塔 1： F = D1 + W1 FXF1 = DXD1 + WXW1 基于衡摩爾流假設(shè)，當(dāng)選定回流比 R 后即可計算精餾段、提餾段的上升蒸汽和下降液體的 摩爾流率： V = (R + 1)D ； L = RD V′ = V + (q – 1)F； L′ = L+qF 對塔 2 D1 = D2 + W2 D1XD1 = D2XD2 + W2XW2 據(jù)工藝要求 XD2 = 98%。規(guī)格如下表： 表 10 電石 規(guī)格 表 組分 CaC2 CaO C R2O3 S P SiO2 MgO 含量 w% % % % % % % % 合成工段需要乙炔體積為： V = 1000 = 12O288 L 電石發(fā)氣量為 285 L/kg，故所需電石質(zhì)量為 : 120288m = = kg/h (1)主反應(yīng)消耗情況 主反應(yīng)方程式如下： CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + HC≡ CH 1 2 1 1 由質(zhì)量守恒求的主反應(yīng)消耗水量為 M1 = 2 18 = kg/h 主反應(yīng)生成 Ca(OH)2質(zhì)量為 74 = kg/h （ 2）副反應(yīng)消耗情況 主要副反應(yīng)方程式如下： CaO + 2H2O → Ca(OH)2 56 18 74 % X Y 解得 X= kg/h Y= kg/h 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁 共 61 頁 （ 3）已知電石中 S,P 雜質(zhì)分別與水反應(yīng)生成 H2S， PH3，則據(jù)元素守恒可知其 消耗水量為： S: 4 2 2 1 .1 0 .1 8 % 1 8 0 .4 332?? ? kg/h P: 4 2 2 .1 0 .0 8 % 1 8 0 .1 730?? ? kg/h 綜上，反應(yīng)消耗水總量為 m = + + + = kg/h 生成 Ca(OH)2總量為 m = + = kg/h 炔化反應(yīng)器進出口物料平衡表如表 10 表 10 乙 炔反應(yīng)器物料平衡表 輸入 輸出 名 稱 質(zhì)量流率kg/h 組 成 % 組 分 含 量 名 稱 質(zhì)量流率 kg/h 組 成 % 組 分 含 量 電 石 CaC2 % CaO % C % R2O3 % 其它 2% 343 乙 炔 氣 乙炔 99% 氧 % PH3 % H2S % 水 206． 1 其 它 Ca(OH)2 C R2O3 其它 合計 精餾塔物料 衡 算 據(jù)工藝要求，從合成工段反應(yīng)器輸出的溶液需經(jīng)過一系列分離除雜過程方可得到成品 [18]，故設(shè)置分離工段以得到目標(biāo)產(chǎn)物，本設(shè)計采用精餾塔對中間產(chǎn)品進行分離，反應(yīng)器出料經(jīng)過中和作為精餾塔進料，進入脫輕組分塔（塔 1），甲醇 、 丁炔醇從塔頂 餾 出進入脫甲醇塔（塔 2），經(jīng)過提純的丁炔二醇溶液從塔釜流出。該反應(yīng)器 中進料為甲醛和乙炔，從塔底同向向上，催化劑同溶液一起加入系統(tǒng)，經(jīng)氣體鼓泡懸浮于溶液之中，反應(yīng)產(chǎn)物為丁炔二醇和少量丁炔二醇。 原料來源 甲醛外購，乙炔由電石生產(chǎn)，內(nèi)部解決，電石外購，用水由地下水提供，公用蒸汽由本廠鍋爐提供。生產(chǎn)成本主要取決于原料乙炔的來源，其工藝簡易 ，技術(shù)成熟。淤漿床反應(yīng)器改善了反應(yīng)熱的導(dǎo)出，甲醛進料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到 37%，以甲醛計轉(zhuǎn)化率為 98%，選擇性為 95%,這種淤漿床工藝的炔化技術(shù)能避免滴流床易出現(xiàn)的床層熱點及催化劑結(jié)塊堵塞現(xiàn)象。 Schoenmann 介紹的 10 萬噸級裝置，用四個攪拌釜串聯(lián)，每一個的體積為 75m3，采用攪拌、氣體分散等多種方式，以排除傳質(zhì)傳熱限制 [16]。 該工藝物料混合方式有機械攪拌、氣體鼓泡攪拌、聲波混合等。原料甲醛濃度為 2035%，反應(yīng)器為攪拌釜，生產(chǎn)可間歇進行，也可連續(xù)進行，即讓甲醛水溶液依次通 過幾個串聯(lián)的反應(yīng)器，在每個反應(yīng)器中都通入乙炔，離開最后一個反應(yīng)器的反應(yīng)液進入催化劑分離器，使催化劑與反應(yīng)液分離。 所謂淤漿床工藝，是甲醛水溶液和催化劑混合形成淤漿，乙炔從液面下導(dǎo)入催化體系中。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁 共 61 頁 2 工藝計算 生產(chǎn)制度和生產(chǎn)方法 (1)生產(chǎn)制度 本車間的年工作天數(shù)為 300 天，全天連續(xù)生產(chǎn)，總工作時間是 7200 小時。我國有豐富的煤炭資源，電石產(chǎn)量占世界電石總產(chǎn)量的三分之一左右，因此以電石為原料生產(chǎn)丁炔二醇具有得 天獨厚的條件和優(yōu)勢 [15]。 丁炔二醇是生產(chǎn) BDO 的主要原料，隨著丁炔二醇下游產(chǎn)品的快速發(fā)展，國內(nèi)市場上對丁炔二醇的需求也越來越大，目前，我國的丁炔二醇很大程度上還依賴從美國、日本等國進口，因此，國內(nèi)丁炔二醇需求量存在 很大缺口。有資料顯示， 2021～ 2021 年國中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁 共 61 頁 內(nèi) BDO 消費增長最快的領(lǐng)域為 PU、 PBT、 GBL,年均增長率分別達 18%、 15%、%。 國內(nèi)消費需求 我國 BDO 的產(chǎn)量一直以丁炔二醇標(biāo)準(zhǔn)為計算，我國 BDO 消費主要集中在 PB、PU、 THF、 GBL 等領(lǐng)域。國內(nèi)還有許多單位計劃建設(shè) BDO 裝置，如錦西煉化總廠、吐哈油田天然氣化工總廠、儀征精細(xì)化工總公司等。由于生產(chǎn) BDO 成本高 ,故目前大多數(shù)生產(chǎn)廠家僅生產(chǎn)丁炔二醇 ,導(dǎo)致 BDO 產(chǎn)量較少 ,國內(nèi)市場所需 BDO 主要依賴進口。此外 ,湖北荊門化工總廠的丁炔二醇 700 t/a、 BDO 300t/a 裝置規(guī)模較大 ,生產(chǎn)較正常 [13]。新建裝置投產(chǎn)后 ,供需關(guān)系將出現(xiàn)變化：2021 年美國和歐洲將從出口國轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)需基本平衡；日本由于消費增加卻沒有新的建設(shè)計劃 ,將成為純進口國；東亞 (不包括中國 )雖然有新的 BDO 裝置在建 ,并在2021 年前投入生產(chǎn)，但每年的消費需求增長近 %，將繼續(xù) 是純進口地區(qū)；中東由于新裝置的投產(chǎn)，將成為純出口地區(qū)。因為以順酐和丁烷為原料的 BDO生產(chǎn)裝置可聯(lián)產(chǎn) THF 和 GBL, 因此