苯加氫合成環(huán)己烷過程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

PAGEPAGE11******華南理工大學(xué)2000級(jí)博士研究生學(xué)位課程******《化工過程模擬和優(yōu)化》課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱：苯加氫合成環(huán)己烷過程設(shè)計(jì)專業(yè)：化學(xué)工程指導(dǎo)教授：學(xué)生：目錄1概述………………31.1設(shè)計(jì)任務(wù)………………………31.2生產(chǎn)方式的選擇………………31.3工藝流程方塊圖………………31.4原料質(zhì)量要求與產(chǎn)品規(guī)格……………………42工藝流程…………………………42.1工藝流程圖……………………42.2流程敘述………………………42.3流程特點(diǎn)………………………53反應(yīng)系統(tǒng)…………………………53.1反應(yīng)方程式……………………53.2反應(yīng)器型式……………………53.3反應(yīng)條件…………………53.4產(chǎn)量與進(jìn)料……………63.5催化劑…………………63.6反應(yīng)系統(tǒng)物料衡算……………………64分離系統(tǒng)…………………74.1分離次序原則…………74.2分離方案………………84.3分離條件的確定………………………84.4分離系統(tǒng)的物料衡算…………………85能量衡算…………………95.1能量衡算結(jié)果…………95.2能量衡算分析與討論…………………96參考文獻(xiàn)…………………107附錄………………………107.1Aspen計(jì)算流程圖………………………107.2Aspen輸入輸出文件………………………10年產(chǎn)47700噸環(huán)己烷過程設(shè)計(jì)1概述1.1設(shè)計(jì)任務(wù)項(xiàng)目名稱：環(huán)己烷生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)產(chǎn)品名稱：環(huán)己烷產(chǎn)品規(guī)格：純度99.9%生產(chǎn)能力：47700噸/年（與50000噸/年己內(nèi)酰胺廠配套）產(chǎn)品用途：環(huán)己烷是用于生產(chǎn)環(huán)己醇、環(huán)己酮和己二酸的原料，也可用作有機(jī)溶劑等。環(huán)己酮進(jìn)一步生產(chǎn)己內(nèi)酰胺、聚酰胺6纖維（尼龍6）。尼龍6具有廣泛用途，民用：可純紡和混紡作衣料、針織品、地毯等；工業(yè)：作輪胎的簾子線、帳篷、繩索、降落傘等。1.2生產(chǎn)方式的選擇工業(yè)上生產(chǎn)環(huán)己烷有石油餾分分離法和苯加氫法兩種。1.2.1石油餾分分離法原油中一般含有0.5~1%的環(huán)己烷，而粗汽油中約含有5~15%。將以環(huán)己烷為基本組分的汽油進(jìn)行分離，分出65.6~85.3℃餾分，其中主要含環(huán)己烷及甲基環(huán)戊烷，然后在80℃，用三氯化鋁作催化劑進(jìn)行處理，此時(shí)甲基環(huán)戊烷異構(gòu)化為環(huán)己烷.異構(gòu)化后的產(chǎn)物，再經(jīng)過蒸餾、高溫裂解（除去烷烴）、溶劑處理（除去芳烴和烯烴）等一系列操作，最后可得到純度為95%以上的環(huán)己烷。1.2.2苯加氫法以鎳為催化劑，于150~250℃和23~53大氣壓，苯加氫生成環(huán)己烷：利用此法生產(chǎn)環(huán)己烷產(chǎn)率接近100%，且產(chǎn)品純度很高，是目前生產(chǎn)環(huán)己烷的主要方法。本設(shè)計(jì)采用此法。1.3工藝流程方塊圖由反應(yīng)系統(tǒng)和分離系統(tǒng)兩大部分組成：1.4原料質(zhì)量要求與產(chǎn)品規(guī)格1.4.1原料質(zhì)量要求氫氣：H2O<50ppmCO<10ppmCO2<10ppmS<0.2ppmCl-<0.1ppm苯：H2O<50ppmCO<10ppmO2<10ppmS+CL-<1ppm1.4.2產(chǎn)品環(huán)己烷技術(shù)規(guī)格比重（20℃）0.778~0.779g/cm3;顏色≤10（7%CO標(biāo)度）;餾程80.0~81.0℃;芳烴含量≤0.1（wt%）;非揮發(fā)物≤10mg/kg;凝固點(diǎn)≥6.0℃;總硫≤2mg/kg;環(huán)烷烴≤1000mg/kg;甲基環(huán)己烷≤300；正烷烴(C7或C7以上)≤50mg/kg2工藝流程2.1工藝流程圖本設(shè)計(jì)以法國(guó)IFP工藝為基礎(chǔ)，是工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際工藝，工藝流程圖如下：2.2流程敘述氫氣進(jìn)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入主反應(yīng)器，原料苯經(jīng)進(jìn)料泵加壓后由氫氣進(jìn)料口的上方進(jìn)入主反應(yīng)器。本加氫反應(yīng)是強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，放出的熱量用于加熱反應(yīng)物料、蒸發(fā)環(huán)己烷產(chǎn)品和產(chǎn)生低壓蒸汽供本裝置使用。主反應(yīng)器是鼓泡式反應(yīng)器，反應(yīng)物料與催化劑由其底部經(jīng)環(huán)己烷循環(huán)泵送入鍋爐給水換熱器進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)。苯在主反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化率可達(dá)95%以上。主反應(yīng)器蒸發(fā)出的氣體混合物進(jìn)入后反應(yīng)器（固定床），剩余部分在此全部轉(zhuǎn)化。由外界來的鍋爐給水經(jīng)鍋爐給水預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入汽包，在進(jìn)入鍋爐給水換熱器中，與主反應(yīng)器的循環(huán)物料進(jìn)行熱交換。鍋爐給水以熱虹吸方式進(jìn)行循環(huán)、汽化，汽化混合物在汽包中分離后，蒸汽送至管網(wǎng)作為后續(xù)系統(tǒng)的熱源。從后反應(yīng)器出來的氣體混合物經(jīng)鍋爐給水預(yù)熱器降溫后，進(jìn)入中溫冷卻器冷卻冷凝，然后去第一分離器進(jìn)行分離。其中氣相中未被冷凝的環(huán)己烷、氫氣及其它惰性氣體進(jìn)入尾氣換熱器冷卻到40℃后再進(jìn)入低溫冷卻器，用低溫冷卻水進(jìn)一步冷卻冷凝到8℃，然后再第二分離器中氣液再次分離，液相部分回流至第一分離器，氣相部分作為冷劑進(jìn)入尾氣換熱器，換熱后排至燃料氣管網(wǎng)。第一分離器中被冷凝的環(huán)己烷為本系統(tǒng)的產(chǎn)品。2.3流程特點(diǎn)3.2.1由于本流程采用均相催化劑。它與傳統(tǒng)的液相法苯加氫采用的非均相催化劑（雷尼鎳）相比有如下優(yōu)點(diǎn)：均相催化劑不自燃。徹底排除了雷尼鎳（自燃）給生產(chǎn)帶來的不安全因素。確保了安全生產(chǎn)。這是均相催化劑最突出的優(yōu)點(diǎn)。均相催化劑為液相?？捎糜?jì)量泵連續(xù)地將催化劑注入主反應(yīng)器?？筛鶕?jù)苯的進(jìn)料量和原料中的雜質(zhì)含量。隨時(shí)間調(diào)整催化劑的進(jìn)料速度。操作靈活又方便。由于催化劑為液相。對(duì)環(huán)已烷循環(huán)泵磨損大大減少。因此使泵的維修工作量顯著減少（由每月維修一次減少至少每年維修一次）。由于去掉雷尼鎳的加入系統(tǒng)。減少了部份設(shè)備。節(jié)省了投資。使用雷尼鎳時(shí)。裝置從停車到開車至少需48小時(shí)。而使用均相催化劑時(shí)。則只需8小時(shí)，這樣裝置每年可多運(yùn)轉(zhuǎn)150小時(shí)以上，即多產(chǎn)1000噸環(huán)已烷。裝置因故停車時(shí)。不必將反應(yīng)液全部排除。催化劑不會(huì)損失。3.2.2本設(shè)計(jì)充分利用反應(yīng)放出的熱量生產(chǎn)低壓蒸汽。此蒸汽作為脫庚烷塔再沸器的熱源。同時(shí)又用此蒸氣冷凝液加熱脫庚烷塔的入料——環(huán)已烷。從而使低位能得到了充分利用。3反應(yīng)系統(tǒng)3.1反應(yīng)方程式這是一個(gè)體積縮小和產(chǎn)生大量熱的平衡反應(yīng)。因此，低溫、高壓有利于生成環(huán)己烷。3.2反應(yīng)器型式反應(yīng)在兩串聯(lián)的反應(yīng)器(主反應(yīng)器和后反應(yīng)器)中進(jìn)行。主反應(yīng)器為鼓泡床反應(yīng)器，有利于利用均相催化劑進(jìn)行液相苯加氫反應(yīng)；后反應(yīng)器為固定床反應(yīng)器，有利于利用LD143催化劑進(jìn)行氣相苯加氫反應(yīng)。由于為強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)器形式的選擇應(yīng)考慮有利于散熱。3.3反應(yīng)條件：氫/苯（分子比）：3.46,氫氣過量以使苯100%轉(zhuǎn)化為環(huán)己烷;主反應(yīng)器溫度：180~200℃；主反應(yīng)器壓力：2.68Mpa；后反應(yīng)器溫度：190~231℃;后反應(yīng)器壓力：2.60Mpa.3.4產(chǎn)量與進(jìn)料由產(chǎn)品產(chǎn)量和反應(yīng)條件確定進(jìn)料量和進(jìn)料條件。該設(shè)計(jì)為與年產(chǎn)5萬噸的己內(nèi)酰胺廠配套。每噸己內(nèi)酰胺需原料環(huán)己烷954公斤,年產(chǎn)5萬噸己內(nèi)酰胺需原料環(huán)己烷4.77萬噸，年生產(chǎn)8000小時(shí)，每小時(shí)產(chǎn)環(huán)己烷5.9625噸，環(huán)己烷分子量84.16,所以要求生產(chǎn)環(huán)己烷70.85kmol/h.考慮到損耗，實(shí)際生產(chǎn)中：環(huán)己烷產(chǎn)量：47700噸/年苯進(jìn)料量：71.441kmol/h氫氣進(jìn)料量：氫：247.186kmol/h，氮：8.282kmol/h,甲烷：18.786kmol/h（氮和甲烷為原料氫氣中所含雜質(zhì)）苯進(jìn)料條件：3500Kpa,40℃,液相氫氣進(jìn)料條件：2910Kpa,65℃,氣相3.5催化劑 均相催化劑(Zieglar-Natta金屬絡(luò)合物)：外觀黑色均勻液體；含鎳量%（wt）≥1.6;轉(zhuǎn)化率%(10小時(shí))≥99.5;選擇性%（10小時(shí)≥99.8LD143催化劑：外觀球形Ф2~4毫米；組成載有鎳的高純度氧化鋁;Ni含量14.35%(wt);表觀密度0.87g/cm3;抗碎強(qiáng)度10kg;總孔容0.45±0.06cm3/g;比表面223（210±23）m2/g3.6反應(yīng)系統(tǒng)物料衡算反應(yīng)系統(tǒng)物料衡算結(jié)果：分子式分子量沸點(diǎn)密度(1)℃kg/Nm3kmol/hmol%kg/hwt%H22.016-252.750.0898247.18690.13498.3348.30N228.02-195.781.25078.2823.02231.9822.49CH416.03-161.490.715618.7866.85301.3329.21C6H678.1180.1879C6H1284.1680.7779H2O18.021001000H2O18.021000.60合計(jì)274.254100.001031.64100.00溫度℃密度kg/m3狀態(tài)243.15g壓力MPa粘度Pas1.90（續(xù)一）(2)(3)kmol/hmol%kg/hwt%kmol/hmol%kg/hwt%247.18690.13498.3348.308.2823.02231.9822.4918.7866.85301.3329.2171.441100.005580.26100.0071.441100.005580.26100.00274.254100.001031.64100.0040857l654.16g3.52.91（續(xù)二）(4)(11)kmol/hmol%kg/hwt%kmol/hmol%kg/hwt%32.86225.0166.251.008.2826.30231.983.5118.78614.30301.334.5671.441100.005580.26100.0071.44154.386012.4790.9371.441100.005580.26100.00131.371100.006612.03100.00l6011.64/741g/l2.474分離系統(tǒng)4.1分離次序原則反應(yīng)產(chǎn)物中還存在未反應(yīng)的氫、氮、甲烷和一些輕組分、重組分雜質(zhì)，必須將其從產(chǎn)物流中分離出來。理論上分離次序的確定依據(jù)下述原則：1、流量最大的組分先分離。2、輕組分先分離。3、分離困難的組分最后分離。4、等摩爾分割優(yōu)先。4.2分離方案由前面所給的進(jìn)料條件和反應(yīng)條件可以計(jì)算得出反應(yīng)器的出口物流組成.下表列出了主要反應(yīng)產(chǎn)物的流量和沸點(diǎn)。反應(yīng)產(chǎn)物的流量和沸點(diǎn)組分氫氮甲烷環(huán)己烷流量（kmol/h）32.8628.28218.78671.441沸點(diǎn)（℃）-252.8-195.8-161.580.7由表可知，氫、氮和甲烷的沸點(diǎn)和環(huán)己烷相差很大，應(yīng)該最先分離；然后除輕組分雜質(zhì)，最后除重組分雜質(zhì)。所以可選擇的分離方案流程如下：4.3分離條件的確定為了提高環(huán)己烷的收率，實(shí)際工藝中閃蒸分兩級(jí)進(jìn)行，第二級(jí)采用低溫。根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物各組分濃度和沸點(diǎn)，脫輕組分塔和脫重組分塔采用常壓操作，泡點(diǎn)進(jìn)料。冷凝分離器采用低溫水作冷凝劑。根據(jù)分離精度要求，用Apsen可以得到塔板數(shù)，塔內(nèi)溫度和壓力分布，回流比，塔頂和塔底產(chǎn)品流率，塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負(fù)荷。4.4分離系統(tǒng)的物料衡分子式分子量沸點(diǎn)密度分離系統(tǒng)進(jìn)料物流（11）℃kg/Nm3kmol/hmol%kg/hwt%H22.016-252.750.089832.86225.0166.251.00N228.02-195.781.25078.2826.30231.983.51CH416.03-161.490.715618.78614.30301.334.56C6H678.1180.1879C6H1284.1680.777971.44754.386012.4790.93合計(jì)131.371100.006612.03100.00溫度℃密度kg/m3狀態(tài)6011.64/741g/l壓力MPa粘度Pas2.475能量衡算5.1能量衡算結(jié)果（能量單位：×１０６ｋＪｈ）_設(shè)備名稱熱負(fù)荷熱損失輸入電能苯進(jìn)料泵０－１６２０氫氣壓縮機(jī)０－７１２６主反應(yīng)器１０－６６００環(huán)己烷循環(huán)泵０－１０８０鍋爐給水換熱器１０－６６００汽包１０－６６０００－３９２３１０－４３％后反應(yīng)器鍋爐給水預(yù)熱器１－１９３２中溫冷卻器３－２２３８３－２２３８８５－７４％第一分離器第二分離器尾氣換熱器０－０５９５０－０５９５１－５８％低溫冷卻器０－０８４６０－０８４６２－２５％合計(jì)３－７１０３１００％０－９８２5.2能量衡算分析與討論5.2.1主反應(yīng)器能量平衡結(jié)果，忽略散熱損失時(shí)，主反應(yīng)器沒有能量損失；而有效能分析結(jié)果表明，主反應(yīng)器有效能損失為６－７５％，占較高比例。分析其損失的原因有：由內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)不可逆性所引起，化學(xué)過程中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，使能量的質(zhì)量降低，造成有效能損失。這是熱化學(xué)反應(yīng)所固有的損失，目前的技術(shù)尚無法使之減少。由鼓泡式反應(yīng)器內(nèi)液相物料及催化劑通過環(huán)己烷循環(huán)泵，經(jīng)鍋爐給水換熱器冷卻后，再循環(huán)進(jìn)入反應(yīng)器這一過程而引起，這部分損失所占比例較小，無需在這方面采取過多措施來節(jié)能。5.2.2中溫冷卻器、鍋爐給水換熱器能量平衡結(jié)果，中溫冷卻器熱損失最大，占全系統(tǒng)的８５－７４％，忽略散熱損失時(shí)，鍋爐給水換熱器熱損失為零。但由有效能衡算結(jié)果表明，兩者有效能損失之和占全系統(tǒng)有效能損失的１２－１８％。這是由于傳熱過程中冷熱兩流體間的溫差較大而引起的，可通過縮小溫差來減少有效能損失。此外，電動(dòng)設(shè)備由于大馬拉小車，也造成一些損失，可通過更換機(jī)泵的電機(jī)等措施減少這部分損失；后反應(yīng)器由于散熱及內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)不可逆性等原因，也損失了部分有效能，其比例不高，可通過加強(qiáng)保溫等措施減少這部分損失。5.2.3尾氣換熱器能量平衡結(jié)果，尾氣換熱器熱量損失僅占全系統(tǒng)的１－５８％；而由有效能衡算結(jié)果表明，其有效能損失占全系統(tǒng)的７６－５０％，這主要是由尾氣排空引起的。尾氣中少量的苯和環(huán)己烷隨尾氣排空的損失，不僅使加氫系統(tǒng)的收率降低，而且由于其化學(xué)有效能很大（見表３），它們的損失導(dǎo)致有效能損失也較大。因此，減少尾氣排空量及降低尾氣中環(huán)己烷含量均可減少這一損失。減少尾氣排空量是降低有效能損失最主要的途徑。采用較高純度的氫氣，可以減少尾氣排空量；在保證產(chǎn)品合格的前提下盡量降低氫苯比，也可以減少尾氣排空量。理論上，氫氣純度為１００％，氫苯分子比為３∶１（等于化合比）時(shí)，尾氣排空量為零，此時(shí)，這部分有效能損失為零。本系統(tǒng)采用氫苯比為３。４６∶１，這個(gè)比例較高，因此有效能損失較大。由此可知，嚴(yán)格控制小的氫苯比對(duì)于節(jié)能是必要的。鑒此，開發(fā)、使用高選擇性的優(yōu)質(zhì)苯加氫催化劑，使反應(yīng)在氫苯比接近化合比的條件下生產(chǎn)，可以盡量減少有效能損失。采用較高的加氫系統(tǒng)壓力，或盡量降低低溫冷卻器出口冷凝液的溫度，均可降低尾氣中苯和環(huán)己烷含量，從而減少尾氣排空的有效能損失。排空的尾氣中含大量氫氣，可將其排入燃料氣管網(wǎng)用作它用（工廠現(xiàn)已用于分子篩再生系統(tǒng)），這樣可回收部分有效能，從而達(dá)到節(jié)能的目的。6參考文獻(xiàn)[1]〔美〕道格拉斯著，將楚生、夏平譯，化工過程的概念設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，1994[2]RichardTurtonetc.Analysis,synthesisandDesignofChemicalProcess[3]王靜康化工設(shè)計(jì)化學(xué)工業(yè)出版社，1995[4]楊平輝、曾令平，苯加氫合成環(huán)己烷系統(tǒng)有效能分析化工設(shè)計(jì)，1999，9（3）7附錄7.1Aspen計(jì)算流程圖：7.2Aspen輸入輸出文件：ASPENPLUSVER:WIN32REL:10.0-105/14/2010PAGEICYCLHEXANESYNTHESISASPENPLUS(R)ISAPROPRIETARYPRODUCTOFASPENTECHNOLOGY,INC.(ASPENTECH),ANDMAYBEUSEDONLYUNDERAGREEMENTWITHASPENTECH.RESTRICTEDRIGHTSLEGEND:USE,REPRODUCTION,ORDISCLOSUREBYTHEU.S.GOVERNMENTISSUBJECTTORESTRICTIONSSETFORTHIN(i)FAR52.227-14,Alt.III,(ii)FAR52.227-19,(iii)DFARS252.227-7013(c)(1)(ii),or(iv)THEACCOMPANYINGLICENSEAGREEMENT,ASAPPLICABLE.FORPURPOSESOFTHEFAR,THISSOFTWARESHALLBEDEEMEDTOBE"UNPUBLISHED"ANDLICENSEDWITHDISCLOSUREPROHIBITIONS.CONTRACTOR/SUBCONTRACTOR:ASPENTECHNOLOGY,INC.TENCANALPARK,CAMBRIDGE,MA02141.TABLEOFCONTENTSRUNCONTROLSECTION1RUNCONTROLINFORMATION1FLOWSHEETSECTION2FLOWSHEETCONNECTIVITYBYSTREAMS2FLOWSHEETCONNECTIVITYBYBLOCKS2CONVERGENCESTATUSSUMMARY2CONVERGENCEBLOCK:$OLVER012COMPUTATIONALSEQUENCE3OVERALLFLOWSHEETBALANCE3PHYSICALPROPERTIESSECTION5COMPONENTS5U-O-SBLOCKSECTION6BLOCK:COMPMODEL:COMPR6BLOCK:COOL-1MODEL:HEATER7BLOCK:COOL-2MODEL:HEATER8BLOCK:EX-1MODEL:HEATER9BLOCK:EX-2MODEL:HEATX10BLOCK:PUMP1MODEL:PUM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