【化學(xué)工程與工藝專業(yè)】【畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告文獻(xiàn)綜述】利用二氧化碳生產(chǎn)甲醇的工藝流程設(shè)計(jì)(可編輯)

1、精品（20屆 ）畢業(yè)設(shè)計(jì)利用二氧化碳生產(chǎn)甲醇的工藝流程設(shè)計(jì)welcome摘要 : 本文介紹了二氧化碳加氫合成甲醇的反應(yīng)機(jī)理,設(shè)計(jì)出二氧化碳生產(chǎn)甲醇的工藝流程,并采用Aspen plus 流程模擬系統(tǒng)模擬出工藝流程圖。再不斷優(yōu)化模擬數(shù)據(jù),并打通各個(gè)循環(huán),得到工藝流程中的物料衡算、熱量衡算以及主要設(shè)備選型的數(shù)據(jù)結(jié)果。關(guān)鍵詞 : 二氧化碳 ; 甲醇;工藝流程;Aspen-plus 。Abstract: In this paper, the synthesis of carbon dioxide hydrogenation reaction mechanism of methanol was intr

2、oduced. The process flow of the synthesis of methanol with carbon dioxide was designed,and use the Aspen plus process simulation system simulates, the process flow diagram. Constantly optimize the simulation data again,and get through each cycle,the process materials calculation, heat calculation,an

3、d major equipment selection of the data were gained Keywords: Carbon dioxide ;methanol ;Process design ;Aspen-plus 目錄摘要 IAbstract II1. 緒論 11.1 選題的背景、意義11.2 相關(guān)研究的最新成果及動(dòng)態(tài)21.2.1 國內(nèi)外研究二氧化碳生產(chǎn)甲醇的工藝研究21.2.2 Aspen plus 軟件的相關(guān)介紹21.2.3 反應(yīng)機(jī)理41.2.4 催化劑的研究51.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容52. 主要設(shè)計(jì)過程62.1 初值估算62.2 采用RadFrac 進(jìn)行嚴(yán)格精餾驗(yàn)證103. 設(shè)計(jì)

4、結(jié)果153.1 主要工藝流程圖的設(shè)計(jì)結(jié)果153.2 物料衡算163.3 熱量衡算233.4 主要設(shè)備選型294. 結(jié)論與展望33致謝 34參考文獻(xiàn)351 .緒論1.1 選題的背景、意義二氧化碳是工業(yè)的主要排放物,是引起全球溫室效應(yīng)的氣體之一,更是一種重要的碳資源。二氧化碳的活化及利用引起了人們越來越強(qiáng)烈的關(guān)注。1 除了提高資源使用效率（低碳經(jīng)濟(jì)）外，二氧化碳的捕集、封存及再利用（CCS）技術(shù)受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)不僅可以減少大氣中二氧化碳的濃度,降低溫室氣體的排放和減少環(huán)境污染,而且可以得到高純度二氧化碳并成為制造化學(xué)品的含碳原料,變廢為寶,增加經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)是控制溫室氣體排放,實(shí)現(xiàn)含碳資源循

5、環(huán)利用的應(yīng)用途徑之一。針對世界石油儲(chǔ)備量的減少,這越來越涉及到碳?xì)浠衔锖吞荚系冗@些源頭,例如,天然氣在工業(yè)加工2-4, 有效地取代石油,必須開發(fā)高度評價(jià)的生產(chǎn)技術(shù) ,在此基礎(chǔ)上5-6 生產(chǎn)的主要產(chǎn)品是化學(xué)產(chǎn)品、石油化工合成產(chǎn)品和清潔汽車燃料。各種以二氧化碳作為原料或中間體的新產(chǎn)品和新技術(shù)正不斷被研發(fā)出,也進(jìn)一步拉動(dòng)了二氧化碳的捕集技術(shù)的發(fā)展。可以預(yù)見,二氧化碳的捕集將配合二氧化碳的再利用成為降低成本的普遍方法。甲醇是重要的有機(jī)化工原料,是Cl 化學(xué)的基礎(chǔ)物質(zhì),甲醇產(chǎn)量僅次子合成氨、乙烯、丙烯和苯,居第5 位 ,在我國其即將躍為第1 位。 7 隨著能源結(jié)構(gòu)的改變 ,甲醇有未來燃料的候補(bǔ)燃料之

6、稱,甲醇易傳輸,可以單獨(dú)或與汽油混合作為汽車燃料 ,用它作為汽油添加劑可起節(jié)約芳烴、提高辛烷值的作用,甲醇將成為21世紀(jì)有競爭力的可選清潔燃料8-10 。從甲醇出發(fā)生產(chǎn)的化工產(chǎn)品達(dá)數(shù)百種。隨著節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境上升為基本國策,以及節(jié)能減排工作的進(jìn)一步深入,可持續(xù)發(fā)展日益重要,甲醇將再次被研究人員重視,以致于有關(guān)甲醇的下游產(chǎn)品及技術(shù)發(fā)展的更加透徹,從而甲醇的市場會(huì)變的更大。化工流程模擬軟件出現(xiàn)于上世紀(jì)50 年代末 ,現(xiàn)已成為進(jìn)行化工過程設(shè)計(jì)的強(qiáng)大工具。這類軟件包含強(qiáng)大的熱力學(xué)和單元操作模塊,并配有龐大的物性數(shù)據(jù)庫,既可進(jìn)行單個(gè)的設(shè)備計(jì)算,也可計(jì)算整個(gè)化工生產(chǎn)流程?，F(xiàn)在化工過程模擬軟件已經(jīng)廣泛地被

7、應(yīng)用于化工過程的設(shè)計(jì)、測試、 優(yōu)化和過程的整合。其主要代表作是由美國ASPEN TECH 公司于上世紀(jì)80 年代推向市場的大型通用流程模擬系統(tǒng)？?Aspen Plus。該軟件具有完備的物性數(shù)據(jù)庫，備有全面、廣泛的化工單元操作模型,能方便地構(gòu)成各種化工生產(chǎn)流程,提供一套功能強(qiáng)大的模型分析工具它用嚴(yán)格和最新的計(jì)算方法,進(jìn)行化工單元和全流程的模擬運(yùn)算?；み^程模擬或流程模擬是根據(jù)化工過程的數(shù)據(jù),諸如物料的壓力、溫度、流量、組成和有關(guān)的工藝操作條件、工藝規(guī)定、產(chǎn)品規(guī)格以及一定的設(shè)備參數(shù)如蒸餾板的板數(shù)、進(jìn)料位置等,采用適當(dāng)?shù)哪M軟件,將一個(gè)由許多個(gè)單元過程組成的化工流程用數(shù)學(xué)模型描述,用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際的

8、生產(chǎn)過程,并在計(jì)算機(jī)上通過改變各種有效條件得到所需要的結(jié)果。其中包括原材料消耗、公用工程消耗和產(chǎn)品、副產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量等重要數(shù)據(jù)。1.2 相關(guān)研究的最新成果及動(dòng)態(tài)1.2.1 國內(nèi)外研究二氧化碳生產(chǎn)甲醇的工藝研究CO?本身呈現(xiàn)極大的化學(xué)惰性，要在較溫和的條件下實(shí)現(xiàn) CO?加氫的高效 轉(zhuǎn)化，關(guān)鍵在于開發(fā)高活性的催化劑。國外已經(jīng)開發(fā)出了成熟的CO?加氫合成甲醇的催化劑，國內(nèi)還處于研究階段。CO?加氫合成甲醇過程中H?的來源是一個(gè)大 問題，如果通過化石資源生產(chǎn)氫氣必定副產(chǎn)大量的CO?達(dá)不到本質(zhì)利用 CO?目的。如果工廠有多余的氫氣和 CO?可以采用該合成方法合成甲醇。由于受到熱 力學(xué)的限制，CO?加氫

9、合成甲醇反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率很低，生產(chǎn)工藝中必須考慮原料氣循 環(huán)利用的問題。采用CO?和H?合成甲醇的流程包括原料精制、甲醇合成、甲醇 精儲(chǔ)這3個(gè)主要的步驟。由于CO?和H?合成甲醇反應(yīng)生產(chǎn)的水量較大，所以甲醇 的精餾過程能耗會(huì)偏高。目前研究CO?加氫合成甲醇工藝的單位較多，均處于對催化荊和反應(yīng)條件 的研究。該工藝CO?的轉(zhuǎn)化率較低.甲醇的產(chǎn)率低，限制了其工業(yè)化生產(chǎn)裝置的建 設(shè)。今后應(yīng)加強(qiáng)提高 CO?的括性、增大甲醇的選擇性、新型催化劑及裝置工業(yè) 化等關(guān)鍵技術(shù)的研究。超細(xì)負(fù)載型催化劑園具有比表面積大、分散度高和熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn),將成為一種發(fā)展苊勢,是今后研究的方向。CO?加氫制甲醇的工藝流程和設(shè)備與傳

10、統(tǒng)甲醇合成工藝相比差別不大，投資、成本較低。國內(nèi)僅有一家以 CO?為原料生產(chǎn)甲醇的廠家，但不是直接加氧，國 外已有多家二氧化碳催化加氫直接轉(zhuǎn)化為甲醇工業(yè)化的實(shí)倒。CO?制甲醇既可緩解溫室效應(yīng),又可節(jié)約能源,無論從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境還是社會(huì)角度,都具有十分美好的前景 ,因此,國內(nèi)更應(yīng)該加強(qiáng)這方面的研究工作。1.2.2 Aspen plus 軟件的相關(guān)介紹1 .Aspen Plus 的介紹Aspen Plus 是 Aspen Tech 公司最早開發(fā)的穩(wěn)態(tài)模擬軟件。在20 世紀(jì)80 年代初商品化,到目前經(jīng)過20 多年的不斷增補(bǔ)完善,已成為世界級標(biāo)準(zhǔn)流程模擬軟件和功能最強(qiáng)的商品化流程模擬軟件。該軟件包括50

11、多種單元設(shè)備嚴(yán)格模型組成的模型庫及5000 種化合物的物性數(shù)據(jù)庫,在科研開發(fā)、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理各個(gè)階段均有廣泛的應(yīng)用。在科研開發(fā)上用該軟件可以減少中試層次及實(shí)驗(yàn)次數(shù) ,加速產(chǎn)品上市過程;在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用該軟件可以快速篩選各種流程方案,迅速確定物料及能量衡算,自動(dòng)形成PFD 圖 ;在生產(chǎn)中使用它可模擬診斷生產(chǎn)裝置不正常運(yùn)行工況并優(yōu)化操作參數(shù),節(jié)能降耗,也可以標(biāo)定生產(chǎn)流程各部位的能力,找出“瓶頸”位置及增產(chǎn)方案。Aspen B-JAC 是用于列管式換熱器和空冷器等設(shè)備設(shè)計(jì)的嚴(yán)格計(jì)算程序。它包括Aspen Hetran ,Aspen Teams ,Aspen Aerot ran 等 3 個(gè)組件 ,

12、其中Aspen Het ran 和 Aspen Aerot ran 主要用于換熱器和空冷器等設(shè)備的熱力學(xué)設(shè)計(jì),而 Aspen Teams 則主要用于設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)、造價(jià)估算以及生成設(shè)計(jì)簡圖等方面。Aspen Dynamics 是一種界面軟件,是為了將穩(wěn)態(tài)-動(dòng)態(tài)模擬集成起來,為動(dòng)態(tài)計(jì)算提供穩(wěn)態(tài)初值的工具。使用Aspen Dynamics 可以真正將包括控制器的 Aspen Plus 與 Aspen Custom Modeler 結(jié)合成一體,從穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)到模擬控制特性、參數(shù)整定等可以一氣呵成。Aspen Custom Modeler 是一套建立在聯(lián)立微分-代數(shù)方程組求積分解基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)。它有

13、一套單元操作的動(dòng)態(tài)模型庫并使用和Aspen Plus一樣的物性數(shù)據(jù)庫,這樣可使穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果保持一致性。Aspen Custom Modeler 常用的幾個(gè)方面是:1 提高可操作性,包括開車方案、正常操作規(guī)程;2 改進(jìn)安全性,包括釋放系統(tǒng)、事故分析; 3 改進(jìn)過程控制方案,測試可能的控制方案,研究先進(jìn)控制方案; 4 開發(fā)用戶模型及優(yōu)化過程操作。Aspen Pinch 是一個(gè)基于過程綜合與集成的夾點(diǎn)技術(shù)計(jì)算軟件。它采用工廠現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)或Aspen Plus 模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)為輸入,來設(shè)計(jì)能耗最小、操作成本最低的化工廠和煉油廠過程流程。此外 ,Aspen Tech 公司針對一些具體的工藝過程

14、開發(fā)了一些專用的過程模擬系統(tǒng),如 Polymer sPlus 是一個(gè)模擬聚合物制造過程的通用聚合過程模擬系統(tǒng) ,Batch Plus 是關(guān)于制藥企業(yè)的全方位解決方案,Aspen OL I 是一個(gè)電解質(zhì)溶液嚴(yán)格模擬工具,Aspen Split 是非理想共沸物系精餾過程綜合分析工具。2 .Aspen 在工程開發(fā)中的應(yīng)用和探索基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和使用:為了今后較準(zhǔn)確地開展相關(guān)工藝流程模擬的研究,利用Property Plus 模塊開展了聚酯、PTA、 PIA 工藝主要物系的基本物性數(shù)據(jù)比對工作。將直接從數(shù)據(jù)庫中提取或分析工具計(jì)算得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及交互參數(shù)與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果大致吻合,可

15、以用于工藝流程模擬的計(jì)算。概念設(shè)計(jì)方面應(yīng)用的探索:利用Aspen Plus 提供的 50 多種單元設(shè)備的模型庫 ,可以開展不同設(shè)備如塔器、分流器、混合器、換熱器、變壓單元等的工藝設(shè)計(jì) ,進(jìn)而完成單元操作的概念設(shè)計(jì)。如針對PTA、 PIA 工藝中催化劑回收效果不能令人滿意的情況,提出通過萃取回收催化劑的新方案,并利用 Aspen Plus完成了初步流程模擬。隨后通過對模擬結(jié)果的分析,確定了將催化劑回收系統(tǒng)與溶劑脫水系統(tǒng)進(jìn)行整合的思路, 據(jù)此充分利用Aspen Plus 中 FlowsheetOptions 和 Model AnalysisTools 囊括的 DesignSpec ,Calcula

16、2tor ,Sensitivity ,Optimization 和 CaseSt udy 等工具調(diào)整流程及模型參數(shù),基本確定了流程方案,并得到了關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)、流程控制指標(biāo)、物料能量衡算及公用工程耗量等數(shù)據(jù),完成了本單元工藝的概念設(shè)計(jì)工作。3 .在工程化設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用利用 Aspen Plus 提供的單元設(shè)備的嚴(yán)格模型,可以對一些設(shè)備進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)。如 PTA 和 PIA 工藝中的氧化反應(yīng)器塔頂換熱系統(tǒng)多組分相變過程,換熱器是整個(gè)工藝流程中極為關(guān)鍵的設(shè)備,不僅設(shè)備復(fù)雜龐大,而且副產(chǎn)蒸汽的品級與產(chǎn)量對工藝空氣壓縮系統(tǒng)的蒸汽透平設(shè)備有著至關(guān)重要的影響。劉保柱 ,于鳳文,朱菊香等通過對流程模

17、擬參數(shù)的不斷調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了對各級副產(chǎn)蒸汽的優(yōu)化控制,同時(shí)利用B-JAC 模塊對各個(gè)換熱器進(jìn)行了嚴(yán)格計(jì)算,計(jì)算出的換熱器設(shè)備參數(shù)與已知工程數(shù)據(jù)吻合良好,并已實(shí)際應(yīng)用于設(shè)計(jì)項(xiàng)目中。B-JAC 模塊對換熱器的嚴(yán)格計(jì)算廣泛應(yīng)用于包括聚酯、PTA、PIA、聚乳酸等的工程設(shè)計(jì)中。1.2.3 反應(yīng)機(jī)理CO?加氫合成甲醇的反應(yīng)機(jī)理目前尚存在一些未解決的問題 ：一是合成甲 醇反應(yīng)的中間物種；二是CO?與氫是直接合成甲醇還是通過 CO間接合成；三是對 研究得多的銅基催化劑的反應(yīng)活性中心說法不一。隨著人們對CO?加氫合成甲醇反應(yīng)研究的不斷深入，愈來愈多的人認(rèn)為CO?加氫合成甲醇不需經(jīng)CO的中間 過程,而是由CO?直接

18、與氫作用合成甲醇。11CO?加氫合成甲醇通常會(huì)發(fā)生以下兩個(gè)平行反應(yīng)：CO?+3H?CH3OH+H2OA H-49.143kJ/molCO?+H?CO+H?O A H-41.112kJ/mol而 CO 加氫合成甲醇的主要反應(yīng)為:CO+2H?CH3OH A H-90kJ/mol可見,CO?加氫合成甲醇的反應(yīng)熱約為 CO的一半,因此,CO?加氫合成甲醇 可在較低的溫度下進(jìn)行。CO?加氫合成甲醇為放熱反應(yīng)，降低溫度對反應(yīng)有利。 但考慮到反應(yīng)速度和 CO?的化學(xué)惰性，適當(dāng)提高反應(yīng)溫度，可以幫助活化CO?分 子 ,提高合成甲醇的反應(yīng)速率。另外,增大反應(yīng)體系的壓力,有利于反應(yīng)向生成甲醇的方向進(jìn)行。因此,適當(dāng)

19、提高反應(yīng)溫度和選擇適宜的操作壓力,可使反應(yīng)在熱力學(xué)許可的情況下進(jìn)行。1.2.4 催化劑的研究用于CO?加氫合成甲醇反應(yīng)的催化劑開發(fā)尚未成熟，多數(shù)是將CO加氫合成甲醇所用催化劑加以改進(jìn)而制得,國內(nèi)外相關(guān)報(bào)導(dǎo)也多局限于實(shí)驗(yàn)室研究領(lǐng)域,研究重點(diǎn)大多集中在反應(yīng)機(jī)理,活性組分、載體的選擇以及制備方法和反應(yīng)條件對催化劑性能的影響。目前催化劑研究雖取得了一定的進(jìn)展,但要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化仍有很大的難度。CO?加氫合成甲醇的催化劑大致可分為三類：一類是銅基催化劑，一類是以 貴金屬為主要活性組分的負(fù)載型催化劑,還有一類是其他類催化劑。采用 ZnO-CrO?、ZnO-Cr?O?、ZnO-Cr?O?-CuO 等為催化劑，C

20、O?轉(zhuǎn)化 率最高達(dá)29% 。 Denise 等人采用CuO-ZnO-Al?O? 催化劑 ,在反應(yīng)溫度為498K時(shí) ,甲醇選擇性最高達(dá)98% 。 國內(nèi)江蘇石油化工學(xué)院用CuO-ZnO 作催化劑 ,CO?轉(zhuǎn)化率接近12%, 甲醇選擇性達(dá)89% 。Edwin 等人考察了再 Pd/SiO?、Al?O?、ThO?、La?O?和 Li-Pd/SiO?催 化劑作用下CO?加氫合成甲醇反應(yīng)。貴金屬彳S化劑Pd/CeO2經(jīng)500 c氫還原后， 對 CO2 加氫合成甲醇顯示出高活性和長壽命。Shao 等人的研究結(jié)果表明,使用PtW/SiO2 、 PtCr/SiO2 催化劑,甲醇選擇性較高,尤其是PtCr/SiO2

21、 催化劑,甲醇選擇性可達(dá)92.2%, 但 CO2 轉(zhuǎn)化率低。有研究表明,在 0.95MPa 下 ,在低分散度Pd 上的主要產(chǎn)物是甲醇,根據(jù)其固有的活性,證明 Pd/TiO2 是 CO2 加氫反應(yīng)最有效的催化劑11 。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為,通過Aspen-plus 軟件模擬出二氧化碳加氫合成甲醇的工藝流程圖,以及計(jì)算出本工藝相關(guān)的物料衡算、熱量橫衡算以及主要設(shè)備的選型。2. 主要設(shè)計(jì)過程2.1 初值估算(1)建立模塊,在流程圖窗口,左鍵單擊Columns 按鈕選擇DSTWU 模塊 ,對于 DSTWU 模塊里面有三個(gè)不同的樣式,沒有本質(zhì)區(qū)別,只是流程圖里面的畫法不同而已,在實(shí)際計(jì)算

22、中采用同樣的計(jì)算方法。然后,單擊Material STREAM 并拖入流程圖中,連接精餾塔的進(jìn)料、塔頂采出、塔底產(chǎn)品物流。注意,塔頂采出物流應(yīng)該連接在液體蒸出物部分,而不是氣體部分(這表明使用的是全凝器)。更改Blocks名稱為DSTWU,進(jìn)料名稱更改為F頂部出料名稱更改為D,底部出料名稱 更改為W(圖2-1)。圖 2-1 建立模塊(2)使用 Next 按鈕,直到輸入進(jìn)料的窗口,進(jìn)入Specifications 輸入窗口,正常情況下需要規(guī)定所有的全局信息,在Setup Specification Global 頁上當(dāng)你創(chuàng)建一個(gè)新運(yùn)行時(shí)所選擇的Application Type 將對 Global

23、 頁設(shè)定缺省值。ASPEN PLUS 專家系統(tǒng)帶你到Global 頁以便你在需要時(shí)瀏覽缺省值并對它們進(jìn)行修改或增補(bǔ)。對大多數(shù)模擬來說不必要在其它Setup 頁上改變?nèi)笔≈?。Accounting 頁中需要輸入用戶名等信息,否則無法運(yùn)行。(3)單擊圖標(biāo),進(jìn)行組分?jǐn)?shù)據(jù)輸入,組分?jǐn)?shù)據(jù)的輸入可以進(jìn)行查找。通過查找方式找到所需的組分,單擊find now 確認(rèn) (圖 2-2) 。圖 2-2 組分?jǐn)?shù)據(jù)輸入(4)輸入完所有的組分?jǐn)?shù)據(jù)后,單擊進(jìn)入物性方法的輸入。物性方法的選擇按照如下方法進(jìn)行。根據(jù)甲醇的化學(xué)性質(zhì)以及已知條件,選擇NRTL 物性方法。（5） 單擊進(jìn)入規(guī)定物流的輸入。在Specifications

24、規(guī)定欄中規(guī)定三個(gè)State Variables 狀態(tài)變量中的任意兩個(gè)就可以設(shè)置物流的熱狀態(tài)。根據(jù)已知條件輸入數(shù)據(jù)如下（圖 2-3）:圖 2-3 物流的輸入（6）單擊進(jìn)入Blocks 操作單元模型的輸入。在Reflux ratio 輸入欄里面,負(fù)數(shù)表示實(shí)際回流比與最小回流比的比值,根據(jù)要求輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)（圖 2-4） 。 至此 ,所有數(shù)據(jù)已經(jīng)全部輸入完畢,點(diǎn)擊,在彈出窗口中選擇Display Run-Statusresults form, 點(diǎn)擊確認(rèn),進(jìn)行模擬計(jì)算。圖 2-4 操作單元模型輸入點(diǎn)擊可查看具體模擬運(yùn)行結(jié)果,物流運(yùn)行結(jié)果（圖2-5）, 從中可以看出進(jìn)料物料和塔頂塔底產(chǎn)品的溫度,流量等參

25、數(shù):圖 2-5 物流運(yùn)行結(jié)果塔模塊運(yùn)行結(jié)果（圖2-6）, 從結(jié)果可看出塔的最小回流比,實(shí)際回流比,最小理論板數(shù),實(shí)際理論板數(shù),進(jìn)料板以及冷凝器、再沸器的熱負(fù)荷等數(shù)據(jù):圖 2-6 塔模塊運(yùn)行結(jié)果2.2 采用 RadFrac 進(jìn)行嚴(yán)格精餾驗(yàn)證（1） 建立模塊,在流程圖窗口,左鍵單擊Columns 按鈕選擇RadFrac 模塊 ,然后,單擊Material STREAM 并拖入流程圖中,連接精餾塔的進(jìn)料、塔頂采出、塔底產(chǎn)品物流。按初值估算的方法完成流程圖（圖 2-7） 。圖 2-7 建立模塊（2） 單擊圖標(biāo),根據(jù)其指引輸入已知的數(shù)據(jù),物流輸入與初值估算一致圖2-8 。圖 2-8 物流的輸入(3)單擊

26、進(jìn)入Blocks 操作單元模型的輸入,選擇全凝器和塔釜再沸(見圖 2-9), 與初值估算不同的是這里要輸入塔板數(shù),蒸出率以及回流比。圖 2-9 模塊數(shù)據(jù)輸入(4)點(diǎn)擊,直到輸入模塊的壓力窗口,輸入塔頂壓力為101300 Pa, 每塊塔板的壓降為100 Pa(圖2-10)。至此，所有數(shù)據(jù)已經(jīng)全部輸入完畢，點(diǎn)擊，在彈出窗口中選擇 Display Run-Status results form, 點(diǎn)擊確認(rèn),進(jìn)行模擬計(jì)算。圖 2-10 輸入壓力數(shù)據(jù)(5)點(diǎn)擊可查看具體模擬運(yùn)行結(jié)果,物流運(yùn)行結(jié)果(圖2-11), 從中可以看出進(jìn)料物料和塔頂塔底產(chǎn)品的溫度,流量等參數(shù):圖 2-11 物流運(yùn)行結(jié)果在左邊出現(xiàn)的

27、窗口中找到模塊,點(diǎn)擊進(jìn)入ResultsSummary 窗口,可看到冷凝器和再沸器的溫度、熱負(fù)荷、蒸出流率、回流比等數(shù)據(jù)(圖2-12 和圖 2-13) 。圖 2-12冷凝器數(shù)據(jù)圖 2-13再沸器數(shù)據(jù)點(diǎn)擊進(jìn)入Profiles 窗口 ,使用 Aspen 作圖工具中的Plot Wizard 作每層塔板的液相組成圖。作圖步驟如下,點(diǎn)擊Plot Wizard, 出現(xiàn)一個(gè)對話框,點(diǎn)擊Next按鈕,在出現(xiàn)的窗口中選擇組成圖2-14圖 2-14 選擇圖形參數(shù)繼續(xù)點(diǎn)擊Next 按鈕,出現(xiàn)一個(gè)對話框,操作如下圖所示,完成后點(diǎn)擊Finish鍵 ,得到每層塔板液相組成圖（圖 2-15）圖 2-15 選擇組分3. 設(shè)計(jì)結(jié)

28、果3.1 主要工藝流程圖的設(shè)計(jì)結(jié)果本設(shè)計(jì)擬利用二氧化碳去合成甲醇,主要流程圖見圖3-1 。圖 3-1 二氧化碳合成甲醇工藝的Aspen 模擬流程圖流程介紹:壓縮后的二氧化碳和氫氣混合后進(jìn)入SieSR 蒸汽轉(zhuǎn)化爐,生成合成氣。轉(zhuǎn)化后的氣體經(jīng)過高壓廢鍋,產(chǎn)生10 MPa 和 0.2 MPa 的蒸汽。分別回收不同能位的熱量。然后,合成氣進(jìn)入抽汽凝汽式合成氣壓縮機(jī),在壓力為7.28.0MPa 下進(jìn)行低壓甲醇合成,合成塔采用CASALE 臥式合成塔。反應(yīng)后的氣體冷凝后 ,粗甲醇溶液進(jìn)行了雙塔精餾。未反應(yīng)氣體除了循環(huán)外,分出一部分氣體進(jìn)入膜分離器 ,回收合成弛放氣中的氫氣。該工藝具有以下特點(diǎn):本工藝采用的

29、是低壓法生成甲醇的工藝,目前是在只蒸出少量甲醇的情況下 ,使大部分未進(jìn)行合成的氣體閃蒸出去,便于后面的甲醇的精餾。與一氧化碳相比 ,二氧化碳生成甲醇要多消耗0.7mol 的氫氣,所以為了提高甲醇的產(chǎn)率,我們采取氫氣過量,過量的氫氣閃蒸出來后回到壓縮機(jī)重新進(jìn)行反應(yīng)。3.2 物料衡算甲醇合成工段物料衡算書包括了反應(yīng)釜（表3-1） 、 風(fēng)機(jī) （表 3-2） 、 分流器（表3-3） 、閃蒸罐（表3-4） 、換熱器（表3-5） 、冷卻器（表 3-6） 、精餾塔 （表 3-7） 的物料衡算。表 3-1 反應(yīng)釜物料衡算表1 2 34Temperature CPressure kPaVapor Frac 1M

30、ole Flow kmol/hr2248.70996Mass Flow kg/hr 7951.56561Volume Flow l/min25169.2277Enthalpy MMkcal/hr-5.1502917Mass Flow kg/hrCO2 2686.7832951501106.8430755150112329.895037951.5939224429.6967-4.99064782686.783292305101.3252555101.3252329.895037951.5939232163.0435-2.9410393900.338216129.3121652248.709967

31、951.5656132873.4208-3.1006831900.338216H2 4516.398494516.39849CH4 88.976450988.9764509N2 343.567334343.567334CH4O 284.323497284.323497H2O 31.544857631.54485764270.912874270.9128788.971494888.9714948343.545983343.5459831584.976661584.97666762.820383762.820383Mass FracCO2 0.337892420.337892420.1132277

32、90.11322779H2 0.567986560.567986560.537115970.53711597CH4 0.011189760.011189760.011189180.01118918N2 0.043207350.043207350.043204820.04320482CH4O 0.035756790.035756790.199328880.19932888H2O 0.003967110.003967110.095933350.09593335表 3-2 風(fēng)機(jī)物料衡算表Temperature C35106.84320140Pressure kPa3051.32551504851.3

33、25Vapor FracMole Flow kmol/hr189.9471142329.894012139.94689Mass Flow kg/hr2105.557951.5665 5846.0165Volume Flow l/min2685.3886224429.693719675.6656Enthalpy MMkcal/hr -3.8344897-4.9906362-2.2701047Mass Flow kg/hrCO2 18002686.78123886.781226H2 3004516.398614216.39861CH4 1.1588.971514887.8215148N2 4.4

34、343.546954339.146954CH4O 0284.323363284.323363H2O 031.544829431.5448294Mass FracCO20.854883520.337893320.15168983H2 0.142480590.567988540.72124302CH40.000546170.011189180.01502245N2 0.002089710.043204940.05801334CH4O 00.035756890.0486354H2O 00.003967120.00539595表 3-3 分流器物料衡算表1 2 3Temperature C 40 40

35、 40Pressure kPa 4851.3254851.3254851.325Vapor Frac 111Mole Flow kmol/hr 2167.583582139.94689Mass Flow kg/hr 5921.515825846.01649Volume Flow l/min19929.770219675.6656Enthalpy MMkcal/hr-2.2994223-2.270104727.636690675.4993267254.10457-0.0293176Mass Flow kg/hrCO2 898.233706886.78122611.4524797H2 4270.8

36、51974216.3986154.4533626CH4 88.955699987.82151471.13418517N2 343.526922339.1469544.37996825CH4O 287.995304284.3233643.67194012H2O31.952220231.54482940.40739081Mass FracCO20.151689830.151689830.15168983H2 0.721243020.721243020.72124302CH40.015022450.015022450.01502245N2 0.058013340.058013340.05801334

37、CH4O 0.0486354 0.0486354 0.0486354H2O 0.005395950.005395950.00539595表 3-4 閃蒸罐物料衡算表Temperature C40 4040Pressure kPa4851.3254851.3254851.325Vapor Frac0.96392317Mole Flow kmol/hr2248.7099681.1263262Mass Flow kg/hr7951.565612030.04795Volume Flow l/min19970.327340.5566639Enthalpy MMkcal/hr-7.4075524-5.10

38、812762167.583645921.5176519929.7707-2.2994248Mass Flow kg/hrCO2 900.3382162.10442732898.233789H2 4270.912870.060895784270.85198CH4 88.97149480.0157941 88.9557007N2 343.5459830.01905973343.526923CH4O 1584.976661296.97943287.997218H2O 762.820383730.86833631.9520424Mass FracCO2 0.113227790.001036630.15

39、168979H2 0.537115973.00E-050.7212428CH4 0.011189187.78E-060.01502245N2 0.043204829.39E-060.05801332CH4O 0.199328880.638891040.04863571H2O 0.095933350.360025160.00539592表 3-5 換熱器物料衡算表Temperature C106.843075230255129.312165Pressure kPa515051505101.3255101.325Vapor FracMole Flow kmol/hr2329.895032329.8

40、95032248.709962248.70996Mass Flow kg/hr7951.593927951.593927951.565617951.56561Volume Flow l/min24429.696732163.043532873.420825169.2277Enthalpy MMkcal/hr-4.9906478-2.9410393-3.1006831-5.1502917Mass Flow kg/hrCO22686.783292686.78329900.338216H2 4516.398494516.398494270.91287CH488.976450988.976450988

41、.9714948N2 343.567334343.567334343.545983CH4O 284.323497284.3234971584.97666H2O 31.5448576Mass FracCO2 0.3378924231.54485760.33789242762.8203830.11322779H2 0.567986560.567986560.53711597CH4 0.011189760.011189760.01118918N2 0.043207350.043207350.04320482CH4O 0.035756790.035756790.19932888H2O 0.003967

42、110.003967110.09593335表 3-6 冷卻器物料衡算表1 2900.3382164270.9128788.9714948343.5459831584.97666762.8203830.113227790.537115970.011189180.043204820.199328880.09593335Temperature C 129.31229140Pressure kPa 5101.3254851.325Vapor Frac 10.96392317Mole Flow kmol/hr2248.709962248.70996Mass Flow kg/hr 7951.565617

43、951.56561Volume Flow l/min25169.235419970.3273Enthalpy MMkcal/hr-5.1502896-7.4075524Mass Flow kg/hrCO2 900.338216900.338216H2 4270.912874270.91287CH4 88.971494888.9714948N2 343.545983343.545983CH4O 1584.976661584.97666H2O 762.820383762.820383Mass FracCO2 0.113227790.11322779H2 0.537115970.53711597CH

44、4 0.011189180.01118918N2 0.043204820.04320482CH4O 0.199328880.19932888H2O 0.095933350.09593335表 3-7 精餾塔物料衡算表1 2 3Temperature C 40 144.83138 102.949554Pressure kPa 4851.325400400Vapor Frac 0 0 140.64125761300.04979Mole Flow kmol/hr 81.126380140.4851224Mass Flow kg/hr 2030.04979730.000004Volume Flow l

45、/min40.556704814.01519815022.57375Enthalpy MMkcal/hr-5.1081305-2.6924695-1.9221222Mass Flow kg/hrCO2 2.104510312.17E-182.10451031H2 0.060898296.94E-300.06089829CH4 0.015794844.43E-250.01579484N2 0.019060818.72E-290.01906081CH4O 1296.981361.482965221295.4984H2O 730.868164728.5170392.35112542Mass Frac

46、CO2 0.001036672.97E-210.00161879H2 3.00E-059.51E-334.68E-05CH4 7.78E-066.06E-281.21E-05N2 9.39E-061.19E-311.47E-05CH4O 0.6388914 0.002031450.99649906H2O 0.360024750.997968540.001808483.3 熱量衡算根據(jù)能量守恒定律,進(jìn)出系統(tǒng)的能量衡算式為:輸入系統(tǒng)中的能量-從系統(tǒng)輸出的能量= 系統(tǒng)中積累的能量,即Q:過程的換熱之和。W: 輸入系統(tǒng)的總的機(jī)械能。EHout:離開設(shè)備的各物料始之和EHin:進(jìn)入設(shè)備的各物料始之和。在

47、穩(wěn)定流動(dòng)中,系統(tǒng)內(nèi)積累的能量為零。在無機(jī)械能形式能量的交換時(shí)過程所需吸收或放出的熱量等于其焓變。熱量衡算就是對過程進(jìn)行焓衡算,即 :甲醇合成工段能量衡算書包括了CO2 甲醇合成工段整體能量衡算表（表3-8） 、反應(yīng)釜（表3-9） 、風(fēng)機(jī)（表 3-10） 、分流器（表 3-11） 、閃蒸罐（表 3-12） 、換熱器（表 3-13 、 14）、冷卻器（表 3-15） 、精餾塔 （表 3-16） 的能量衡算。表 3-8 CO2 甲醇合成工段整體能量衡算表進(jìn)料 出料Stream NO: 19 Stream NO: 19Temperature C 35 40 Temperature C3540Press

48、ure kPa 3051.3254851.325 Pressure kPa 3051.3254851.325Vapor Frac 11 Vapor Frac 11Mole Flow kmol/hr 189.94711427.6366906 MoleFlowkmol/hr 189.94711427.6366906Mass Flow kg/hr 2105.5575.4993267 Mass Flow kg/hr2105.5575.4993267Volume Flow l/min 2685.38862254.10457 Volume Flow l/min2685.38862254.10457Enth

49、alpy MMkcal/hr -3.8344897-0.0293176 EnthalpyMMkcal/hr -3.8344897-0.0293176EHout- EHinMMkcal/hr-0.8094196W（ 功率）MMkcal/hr-0.80868754999999963558誤差 0.00073205000000036442表 3-9 反應(yīng)釜能量衡算表進(jìn)料 出料Stream NO: 12 Stream NO:Temperature C 230255 Temperature CPressure kPaPressure kPa 51505101.325Vapor Frac11 Vapor

50、FracMole Flow kmol/hr2329.895032248.71113 MoleFlowkmol/hrMass Flow kg/hr 7951.593927951.59404 Mass Flow kg/hrVolume Flow l/min 32163.043432873.438 Volume Flow l/minEnthalpy MMkcal/hr -2.9410393-3.1006904 EnthalpyMMkcal/hrEHout- EHin MMkcal/hr -0.1596511W（功率）MMkcal/hr-0.1596511誤差 0表 3-10 風(fēng)機(jī)能量衡算表進(jìn)料 出料

51、Stream NO: 18 Stream NO:Temperature C 35 40 Temperature CPressure kPa 3051.3254851.325 Pressure kPaVapor Frac 11 Vapor FracFlowMole Flow kmol/hr 189.9471142139.94689 Mole kmol/hrMass Flow kg/hr 2105.555846.0165 Mass Flow kg/hrFlowVolume Flow l/min 2685.3886219675.6656 Volume l/minEnthalpy MMkcal/hr -3.8344897-2.2701047 EnthalpyMMkcal/hrEHout- EHin MMkcal/hr 1.1139582W（功率）MMkcal/hr 1.11468795誤