《采用分凝器和二異丙苯吸收塔的異丙苯合成工藝設(shè)計》12000字（論文）

采用分凝器和二異丙苯吸收塔的異丙苯合成工藝設(shè)計TOC\o"1-3"\h\u4189緒論 691421異丙苯概述 652071.1異丙苯簡介 6125771.2異丙苯的生產(chǎn)與發(fā)展情況 66881.2.1國外異丙苯生產(chǎn)現(xiàn)狀 6313461.2.2國內(nèi)異丙苯生產(chǎn)現(xiàn)狀 7249131.2.3異丙苯價格預(yù)測分析 8184181.3異丙苯生產(chǎn)工藝及選取 8289951.3.1異丙苯生產(chǎn)工藝概況 843271.3.2工藝選擇 1014461.4研究內(nèi)容和意義 11309991.4.1研究內(nèi)容 119371.4.2研究意義 11264792異丙苯工藝流程模擬與優(yōu)化 12233242.1Aspenplus流程模擬的建立 12263172.1.1物性方法（properties）的選擇 1211512.1.2原料組成（components） 12190142.2苯塔T0101的研究 13145412.2.1苯塔T0101的模擬 1362302.2.2苯塔T0101的優(yōu)化 14307972.3異丙苯塔T0102的研究 1773932.3.1異丙苯塔T0102的模擬 17248752.3.2異丙苯塔T0102的優(yōu)化 18163662.4多異丙苯塔T0103的研究 2070862.4.1多異丙苯精餾塔T0103的模擬 20285452.3.1多異丙苯塔T0103的優(yōu)化 2144183異丙苯精餾塔的設(shè)備設(shè)計 2574253.1Aspenplus模擬計算的工藝參數(shù) 2532493.2實際塔板數(shù)及塔高的確定 2648733.2.1實際塔板數(shù) 2654373.2.2塔高的計算 27201233.3浮閥塔塔盤工藝設(shè)計 2890863.3.1塔盤液流形式 2879483.3.2氣液流動參數(shù) 2815803.3.3氣體流通截面積 29107843.3.4塔盤的尺寸 29159333.3.5塔盤的布置 3077233.4塔板流動性能校核 3153803.4.1液沫夾帶大量校核 32271973.4.2塔板阻力的計算和校核 3210753.4.3降液管液泛校核 32216623.4.4停留時間校核 3317673.5主要接管尺寸計算 34189743.5.1進料接管 34256463.5.2塔頂回流液接管 34217763.5.3塔頂蒸汽出口接管 35180863.5.4釜液排出口接管 35248023.5.5塔底回流液接管 3521028四、總結(jié) 3622448參考文獻 37緒論異丙苯概述1.1異丙苯簡介異丙苯是一種重要的有機化工原料，主要用來作苯酚、丙酮的原料。其他用作過氧化物、氧化促進劑的原料，硝基噴漆稀釋劑，或與航空汽油混合使用。還用于生產(chǎn)苯酚和丙酮、－-甲基苯乙，,以及氫過氧化異丙基苯，,也可用作提高燃料油辛烷值的添加劑、合成香料和聚合引發(fā)劑的原料。是生產(chǎn)除草劑異丙（(N-－-異丙基苯－-N',N－-二甲基）)的中間，,也是制造苯酚的重要中間體。異丙苯又名異丙基苯；枯烯，無色油狀液體，有芳香氣味，不溶于水，溶于乙醇及乙醚，異丙烷是一種重要的基本有機化工原料。用于生產(chǎn)苯酚和丙酮、－-甲基苯乙，,以及氫過氧化異丙基苯等。異丙苯可作麻醉劑和抑制劑。毒性較強，蒸氣能刺激皮膚及呼吸系統(tǒng)，刺激眼部可引起結(jié)膜炎，液體經(jīng)皮膚吸收，進入體內(nèi)扣除緩慢，可新產(chǎn)生積蓄作用，造成嚴(yán)重毒害。異丙苯用稀硝酸或鉻酸氧化生成苯甲酸。在乙酸酐或乙酸存在下與發(fā)煙硝酸發(fā)生硝化反應(yīng)，生成2,4－二硝基異丙苯。與濃硫酸作用時主要在對位發(fā)生磺化反應(yīng)。在紫外線照射下，85℃通入氧氣或在90~130℃、0.1~1MPa下，通入氧氣氧化生成過氧化氫異丙苯。在硫酸或酸性離子交換樹脂催化下，過氧化氫異丙苯分解為苯酚和丙酮。異丙苯在硅酸鋁催化下，400~500℃時分解成苯與丙烯。1.2異丙苯的生產(chǎn)與發(fā)展情況1.2.1國外異丙苯生產(chǎn)現(xiàn)狀我國的異丙苯生產(chǎn)始于1957年，50年代在吉林、蘭州和太原等地建成了以煤或焦炭為原料來生產(chǎn)甲醇的裝置。60年代建成了一批中小型裝置，并在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上開發(fā)了聯(lián)產(chǎn)法生產(chǎn)異丙苯的工藝。70年代四川維尼綸廠引進了一套以乙炔尾氣為原料的95kt/a低壓法裝置，采用英國ICI技術(shù)。1995年12月，由化工部第八設(shè)計院和上?；ぴO(shè)計院聯(lián)合設(shè)計的200kt/a異丙苯生產(chǎn)裝置在上海太平洋化工公司順利投產(chǎn)，標(biāo)志著我國異丙苯生產(chǎn)技術(shù)向大型化和國產(chǎn)化邁出了新的一步。2000年，杭州林達公司開發(fā)了擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的JW低壓均溫異丙苯合成塔技術(shù)，打破長期來被ICI、Lurgi等國外少數(shù)公司所壟斷擁的局面，并在2004年獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎。2005年至2014年底，該技術(shù)成功應(yīng)用于國內(nèi)首家焦?fàn)t氣制異丙苯裝置上。國內(nèi)主要的研究單位有南華集團研究院、西南化工研究院、齊魯石化公司研究院等。1.2.2國內(nèi)異丙苯生產(chǎn)現(xiàn)狀UOP公司于20世紀(jì)80年代以超穩(wěn)γ—沸石（USY）開發(fā)了第一代異丙苯液相烷基化催化劑4.5。90年代開發(fā)了以苯和煉廠級或化學(xué)級丙烯為原料的液相固定床多段進料的“Q-Max工藝”技術(shù)。該工藝采用MgAPS0-31沸石催化劑（牌號為QZ-2000)，該催化劑孔體積大小適中，具有特殊的三維孔結(jié)構(gòu)，再生性能良好，使用周期為18個月，總壽命超過5年，可以完全再生，各催化劑床層采用相同的催化劑，可同時用于烷基化和烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，無專門的烷基化和烷基轉(zhuǎn)移催化劑之分。采用Q-Max工藝投資和操作費用均較低，產(chǎn)品異丙苯中芳烴含量、溴價指數(shù)均低于固體磷酸傳統(tǒng)工藝，采用固體磷酸催：化劑的異丙苯裝置僅需要稍加改造就可以。異丙苯產(chǎn)品純度的質(zhì)量分數(shù)可以達到99.96%-99.97%，收率接近化學(xué)計量值99.7%。Q-Max工藝技術(shù)于1996年8月首次實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。美國JLM化學(xué)公司采用Q-Max工藝投運了一－套6.6萬噸/年異丙苯生產(chǎn)裝置。雪佛龍公司采用Q-Max工藝改造了其在美國得克薩斯州阿瑟港（PortArthur）的固體磷酸法異丙苯生產(chǎn)裝置，使生產(chǎn)能力由原來的22.7萬噸/年擴增到45.4萬噸/年。陶氏化學(xué)公司也采用該工藝對荷蘭特紐贊地區(qū)的固體磷酸法異丙苯生產(chǎn)裝置進行了改造。1999年，我國上海高橋石化公司投運的12萬噸/年苯酚/丙酮裝置中異丙苯生產(chǎn)單元也采用了“Q-Max”工藝，氧化精餾采用凱洛格技術(shù)。2012年我國異丙苯總生產(chǎn)能力為386.4萬噸/年。加上近年來國內(nèi)異丙苯的產(chǎn)量和市場流通量均很大。世界異丙苯需求量正以3.5~4%（其中亞洲7.5~8%.美國2~2.5%）的速率增長。90、91年我國異丙苯產(chǎn)量各為111.6萬噸.104.8萬噸，日本2010年為62.91萬噸，91年為57.94萬噸，銷售量為41.41萬噸和36.65萬噸。93年我國環(huán)己烷消耗量將達到104.5~106.8萬噸。我國無商品異丙苯裝置，它只是生產(chǎn)異丙苯的中間產(chǎn)品，91年商品量817.29噸，其中供生產(chǎn)熱塑性彈性體SBS作溶劑807.61噸，其他用途商品量僅9.68噸；92年1~8月商品量為1218.94噸，作SBS溶劑642.18噸，其他用途商品量576.76噸.這主要是進一步加工制化學(xué)試劑，國內(nèi)2011年進口異丙苯850噸，耗資90.5萬美元。2011年國外環(huán)乙烷售價450美元/噸，國內(nèi)5000元/噸。生產(chǎn)成本約為3000元/噸。自20世紀(jì)50年代以來，隨著石油化工、合成纖維及塑料工業(yè)的發(fā)展，異丙苯的生產(chǎn)工藝也得以開發(fā)，已形成很大的生產(chǎn)能力。1.2.3異丙苯價格預(yù)測分析在2009年到2013年之間，國際石化產(chǎn)品的市場價格起伏不定，異丙苯作為其中之一，情況類似。在2009年，異丙苯價格上漲，是因為石油的需求量增大。從2月初，異丙苯價格由5000元每噸躍至4月的9500元每噸。到了2010年，國內(nèi)異丙苯價格一開始降低，但是又出現(xiàn)反轉(zhuǎn)而有所回升，呈現(xiàn)“V”字形，價格也在10500至8300元每噸之間不斷振蕩，又遭遇了2011年的“A”字形發(fā)展。到了2012年漲幅又達到30%，最后達到13600元每噸的最高價位。隨后的幾年價格一直小幅波動。異丙苯價格受到很多方面的影響，最重要的是受到苯的價格的影響。另外還包括丙烷的影響。預(yù)計到2020年，異丙苯價格依舊處于高位，但是波動幅度會小于2009到2013年間。1.3異丙苯生產(chǎn)工藝及選取1.3.1異丙苯生產(chǎn)工藝概況異丙苯生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展在于固體酸催化劑的開發(fā)。近年來開發(fā)成功的分子篩催化劑有脫鋁絲光沸石、Y－沸石及β－沸石等，它們用于合成異丙苯時，活性高、壽命長、無腐蝕、無污染，以這些催化劑開發(fā)的新工藝，只需對傳統(tǒng)工藝中的反應(yīng)器部分加以改造即可投入使用，而且還可以提高裝置的生產(chǎn)能力，從而具備投資省、操作成本低、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點。自1994年開發(fā)成功以來，這些工藝正在迅速取代傳統(tǒng)的以AlCl3或固體磷酸為催化劑的工藝。目前，美國主要的異丙苯生產(chǎn)裝置幾乎都被沸石催化的技術(shù)取代，而國外擬建或擴建的大型裝置均將采用沸石催化工藝。國外已開發(fā)應(yīng)用成功固定床和催化蒸餾新工藝。1）Dow／Kellog工藝該工藝的催化劑為高性能的脫鋁絲光沸石，絲光沸石的晶體結(jié)構(gòu)屬于單斜晶系，含有十二元環(huán)直孔道和八元環(huán)孔口。該催化劑可使丙烯幾乎100％轉(zhuǎn)化，且具有擇形性，能阻止鄰二異丙苯和三異丙苯的生成，只生成少量的對位和間位的二異丙苯。烷基轉(zhuǎn)移反映在較低溫度下進行，提高了平衡轉(zhuǎn)化率。副產(chǎn)物正丙苯在產(chǎn)品中的質(zhì)量分數(shù)小于0.01％。該工藝特別適合于固體磷酸法工藝的改造，可明顯降低生產(chǎn)成本。1992年首次在荷蘭的一套340kt／a裝置上運轉(zhuǎn)成功。到1995年初，Kellog公司采用此工藝已經(jīng)設(shè)計8套裝置，總能力達2Mt／a以上。2）Mobil／Badger工藝該工藝采用Mobil公司開發(fā)的MCM－22沸石催化劑，具有雙孔的十元環(huán)和一些十二元環(huán)的大超籠。催化劑選擇性很高，美國GeorgialGulf公司采用煉廠級原料，生產(chǎn)的異丙苯純度達99.97％，而固體磷酸法工藝只能達到99.9％；乙苯、正丙苯和丁苯等雜質(zhì)均比固體磷酸法低得多。催化劑壽命長達5年，再生周期為2年，再生方便可在原地或移出再生。收率接近化學(xué)計量，與固體磷酸法相比，苯的實際利用率提高了5％。苯烯摩爾比為5，而固體磷酸法的苯烯摩爾比為8，因此，裝置運轉(zhuǎn)效率高，生產(chǎn)能力顯著提高。此工藝維護要求較低，操作費用少，對環(huán)境無污染，對設(shè)備無腐蝕。該技術(shù)適合于兩種傳統(tǒng)工藝的改造。在美國現(xiàn)有4套裝置采用這種工藝，生產(chǎn)能力總計達1.691Mt／a。3）UOP工藝UOP公司于80年代中期開始研究用于異丙苯生產(chǎn)的新催化劑，以替代該公司過去開發(fā)的固體磷酸催化劑，于90年代初期開發(fā)成功了Q－Max的異丙苯生產(chǎn)工藝。Q－Max工藝使用一種牌號為MgA PSO－31的沸石催化劑，此催化劑的特點是孔體積大小適中、酸強度適宜、硅鋁比合適及特殊的三維孔結(jié)構(gòu)。該催化劑再生性能良好，循環(huán)使用周期為18個月，總壽命超過5年。另外，該工藝的催化劑可同時用于烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)與烷基化反應(yīng)。據(jù)UOP公司介紹，該催化劑于1996年用于工業(yè)生產(chǎn)，對原固體磷酸法工藝裝置僅需做最低程度的改造即可使用，投資和操作費用均較低，產(chǎn)品質(zhì)量好，純度可達99.95％，產(chǎn)品中正丙苯、丁苯及溴指數(shù)均比固體磷酸法低。該技術(shù)在美國現(xiàn)有兩套裝置，總生產(chǎn)能力為311kt／a。4）EniChem工藝該工藝采用的是一種含質(zhì)量分數(shù)為60％～80％的β－沸石催化劑。β－沸石是一種高硅沸石，具有十二元環(huán)交叉孔結(jié)構(gòu)，孔徑在0.66nm以上。催化劑可通過空氣加熱再生，經(jīng)過5個周期使用，僅比新鮮催化劑的活性降低5％。采用固定床液相法工藝，工藝條件為n（苯）／n（丙烯）＝7.4，溫度150℃，壓力3.0MPa。1996年3月，在PortoTorres地區(qū)，有一套265kt／a采用此工藝的異丙苯裝置開始運轉(zhuǎn)。由于苯與丙烯的烷基化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且反應(yīng)物與產(chǎn)物的沸點相差較大，因此，CD Tech于1985年開始將催化蒸餾技術(shù)用于生產(chǎn)異丙苯的技術(shù)開發(fā)上，所開發(fā)的工藝稱CDTech工藝。該工藝的催化劑用玻璃纖維或不銹鋼篩網(wǎng)捆包，在反應(yīng)區(qū)的塔板上有規(guī)律地排列。已在100t／a中試裝置上運轉(zhuǎn)了21000h，其中的6000h是連續(xù)運轉(zhuǎn)。異丙苯收率達99.6％，產(chǎn)物純度大于99.95％，溴指數(shù)為2。所用催化劑有兩種，用于烷基化反應(yīng)的是Ω－沸石，用于烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)的是Y－沸石。1995年臺灣化纖公司擬采用此技術(shù)建設(shè)270kt／a的異丙苯生產(chǎn)裝置。該工藝的優(yōu)點是：1.反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)段操作可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；2.節(jié)能，所耗熱量約為傳統(tǒng)方法的3／4；3.用來改造固體磷酸法工藝，可使裝置增容幾乎1倍；4.產(chǎn)品質(zhì)量高，收率比傳統(tǒng)法高5％～6％。但是，CDTech工藝和固定床工藝相比，存在以下不足：1.雖然工藝流程中省去了苯分離塔，但為了使催化劑床層具備反應(yīng)和分餾雙重功能，反應(yīng)塔的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)比固定床復(fù)雜；2.催化劑需要捆包處理才能使用，催化劑失活后，要拆包后才能再生，整個過程裝卸不便；3.操作工藝比固定床復(fù)雜，操作技術(shù)水平要求高。所以，CDTech技術(shù)不如固定床液相法工藝推廣快。1.3.2工藝選擇目前工業(yè)上合成異丙苯所用的催化劑不盡相同，但其工藝流程基本相同。原料丙烯經(jīng)過預(yù)處理后送到烷基化反應(yīng)器，原料苯經(jīng)過預(yù)處理送到苯塔，在苯塔中進行脫水后由側(cè)線采出送到烴化和反烴化反應(yīng)器進行反應(yīng)，反應(yīng)液混合后送入分離系統(tǒng)，即依次送到苯塔、異丙苯塔、二異丙苯塔進行分離，在苯塔塔頂脫出污苯、水等組分，在異丙苯塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品異丙苯，二異丙苯塔側(cè)線得到二異丙苯送回反烴化反應(yīng)器，副產(chǎn)物重芳烴由二異丙苯塔釜采出（流程見圖1)。異丙苯合成過程中存在的問題是：二異丙苯由二異丙苯塔側(cè)線采出返回芳烴化反應(yīng)器進行反應(yīng)，而烴化反應(yīng)生成的重芳烴三異丙苯?jīng)]有經(jīng)過任何處理直接由塔釜排出，既造成了重組分的排放也增加了單位產(chǎn)品的原料消耗和能量消耗；采用烴化反應(yīng)時采用較大的苯烯比從而增大了分離負荷。針對這些問題，本文提出了優(yōu)化流程，用于異丙苯合成工藝的節(jié)能改造。圖1異丙苯生產(chǎn)工藝流程圖1.4研究內(nèi)容和意義1.4.1研究內(nèi)容（1）主要設(shè)備反應(yīng)器、穩(wěn)定塔的工藝設(shè)計計算：包括裝置參數(shù)的選定、物料衡算、熱量衡算、設(shè)備的裝置尺寸計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計。（2）繪制帶控制點的工藝流程圖。（3）主要設(shè)備工藝條件圖：包括設(shè)備的主要工藝尺寸。（4）利用AspenPlus對異丙苯裝置工藝進行分單元和全流程的模擬，對其中的關(guān)鍵單元設(shè)備參數(shù)進行分析及優(yōu)化。1.4.2研究意義異丙苯作為重要的有機化工原料，在化工生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用，但目前產(chǎn)量遠遠不能滿足市場需求，采用化工軟件對異丙苯全流程模擬不僅能夠降低實際生產(chǎn)過程的操作費用，降低生產(chǎn)成本，提高分離的純度和生產(chǎn)效率，還能為同類裝置的構(gòu)建提供良好的理論基礎(chǔ)。異丙苯工藝流程模擬與優(yōu)化2.1Aspenplus流程模擬的建立2.1.1物性方法（properties）的選擇本次模擬中主要采用NRTL（non-randomtowliquid）模型，該方法為溶液理論中非隨機（局部）雙液體模型方程。NRTL方程最擅長計算幾種液相相互交合的情況，是其他物性方法所不能相比的。相對于一般的局部模型來說，NRTL方程有更好的實用性，所以在對一般物系可以嘗試先用NRTL模型。2.1.2原料組成（components）以從異丙烷和苯作為異丙苯合成的原料，將采樣分析的組成作為進料組成，其組成的結(jié)果見表2-1。表2-1苯規(guī)格項目質(zhì)量指標(biāo)外觀透明液體，無不溶水及機械雜質(zhì)密度（20℃），kg/m3878—881流程范圍，℃—酸洗比色酸層顏色不深于1000ml稀酸中含0.2g重鉻酸鉀的標(biāo)準(zhǔn)溶液總硫含量ppm≤2中性實驗中性結(jié)晶點（干基）℃≥5.35蒸發(fā)殘余物mg/ml≤5顏色不深于20表2-2丙烯規(guī)格項目質(zhì)量指標(biāo)丙烯的體積分數(shù)/%≥99.2烷烴的體積分數(shù)/%余量乙烯的含量/（ml/m3）≤100乙炔的含量/（ml/m3）5甲基乙炔和丙二烯的含量/（ml/m3）20丁烯和丁二烯的含量/（m1/m3）20硫的含量/（mg/kg）5水的含量/（mg/kg）≤10甲醇的含量/（mg/kg）≤102.2苯塔T0101的研究2.2.1苯塔T0101的模擬苯塔T0101的作用是將原料苯進行第一步的初步分離，得到粗產(chǎn)物，為下一步的抽提提供更好的進料。該塔是個精餾，先選用簡單塔模型DSTWU模塊進行模擬，得到初步的操作條件，再使用復(fù)雜精餾塔進行精算。初步的進料條件和操作條件見表2-2。項目名稱設(shè)定值進料溫度FeedTemperature/℃20壓力Pressure/bar1.78質(zhì)量流量Massflow/kg/hr1000塔板數(shù)Numberofstage26回流比Refluxratio20采出與進料比Distillatetofeedratio0.3進料位置35塔頂壓力Condenserpressure/bar0.2全塔壓降Columnpressuredrop/bar0.02表2-3苯塔T0101的模擬條件經(jīng)過模擬，無警告和錯誤，塔頂PRE-D流股餾出輕組分，塔底PRE-W流股餾出重組分。結(jié)果詳細見表2-4。項目名稱FEEDPRE-DPRE-WTemperatureC35.894177Pressurebar251.781.78MassFlowkg/hr344.2362.77083113.834C6H6229.153226.78790.00C3H81.709160.4057730.00ISOPR-01107.7045.55269107.664C12H185.283911.06485.28391C15H244.4357657.688674.435765根據(jù)結(jié)果可知，C6H6從塔頂PRE-D流股被分離出去。異丙苯的大部分和其他組分從塔底PRE-W流股流出，進入下一步的異丙苯塔T0102中分離處理。2.2.2苯塔T0101的優(yōu)化為了不讓異丙苯在預(yù)分離過程中有過多的損失，需要對苯塔T0101的Radfrac模型進行初步精餾后再進行靈敏度分析。由于預(yù)分離塔的主要作用是苯被分離去除的基礎(chǔ)上，盡可能地讓異丙苯少點損失，因此只對異丙苯的質(zhì)量流量進行分析就可以了。選擇模型分析工具欄中的靈敏度，其中Flowsheetvariable設(shè)定為塔底異丙苯的質(zhì)量流量Massflow，首先對回流比進行靈敏度分析，其中操作變量的變化值可以選擇模塊變化中的摩爾回流比作為自變量參數(shù)。最終結(jié)果見圖2-2。圖2-2苯塔T0101回流比的靈敏度分析不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回流比大約在0.3左右的時候，塔底的異丙苯采出增加變得緩慢。因為在塔板數(shù)等其他條件一定時，增加回流比會使得塔頂?shù)妮p組分增加、質(zhì)量變好，但是由于全塔熱平衡的限制，過大的回流比會增加塔釜負荷，造成不必要的浪費。因此最終確定回流比為0.3。再對塔板數(shù)進行分析，其結(jié)果見圖2-3圖2-3苯塔T0101塔板數(shù)的靈敏度分析由上圖可知，在第22塊塔板以后，苯的質(zhì)量流量變化逐漸緩慢。因此確定塔板數(shù)為24塊。對進料板位置進行分析，其結(jié)果見圖2-4圖2-4苯塔T0101進料板位置的靈敏度分析可以看出曲線的最高點在14附近，最終確定苯塔T0101的進料從第14塊板進入。最終根據(jù)靈敏度分析的結(jié)果，將模擬條件修改后得出的結(jié)果如下表：表2-5苯塔T0101最終優(yōu)化結(jié)果項目名稱FEEDPRE-DPRE-WTemperatureC35.92398.082177.56Pressurebar251.781.78MassFlowkg/hr342.997229.692113.304C6H6229.202229.2020.00C3H80.405750.405750.00ISOPR-01107.6680.0849107.58C12H185.284828.12425.2848C15H240.435991.30770.4359根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果可知，苯幾乎完全從上方流出，損失量大大減少。另外對其他組分的分離效果也有了顯著提高。2.3異丙苯塔T0102的研究2.3.1異丙苯塔T0102的模擬異丙苯塔T0102的作用是產(chǎn)物異丙苯進行分離，得到產(chǎn)物，同時將三異丙苯等其他產(chǎn)物分離，送進下一個塔進行回收。該塔先選用簡單塔模型DSTWU模塊進行模擬，得到初步的操作條件，再使用復(fù)雜精餾塔進行精算。初步的進料條件和操作條件見表2-6。表2-6異丙苯塔T0102進料條件項目名稱P-OUTTemperatureC57Pressurebar1.4MoleFlowkmol/hr5.976C6H60.00C3H80.00ISOPR-01107.664C12H185.284C15H240.435同于苯塔，異丙苯塔也需要利用模型進行初步的估算。下表就是初步設(shè)定的結(jié)果：表2-7異丙苯塔T0102模擬條件項目名稱設(shè)定值進料溫度FeedTemperature/℃57壓力Pressure/bar1.4質(zhì)量流量Massflow/kg/hr720.00塔板數(shù)Numberofstage28回流比Refluxratio1采出與進料比Distillatetofeedratio0.58塔頂壓力Condenserpressure/bar1.4全塔壓降Columnpressuredrop/bar0.1經(jīng)過模擬，無警告和錯誤，塔頂PRE-D流股餾出輕組分，塔底PRE-W流股餾出重組分。結(jié)果詳細見表2-8。項目名稱FEEDPRE-DPRE-WTemperatureC177.5681165.491224.121Pressurebar1.781.41.4MassFlowkg/hr113.383107.5505.833C6H60.000.000.00C3H80.000.000.00ISOPR-01107.663107.5490.114C12H185.28390.00125.2826C15H240.4350.000.4357表2-8異丙苯塔T0102模擬結(jié)果根據(jù)結(jié)果可知，異丙苯從塔頂PRE-D流股被分離出去。其他重組分從塔底PRE-W流股餾出，進入下一步的多異丙苯塔T0103中分離處理。2.3.2異丙苯塔T0102的優(yōu)化理論塔板數(shù)（Nstage）的優(yōu)化圖2-5異丙苯塔T0102塔板數(shù)的靈敏度分析由圖可知，在塔板數(shù)為28以后異丙苯的質(zhì)量流率不再增加，再增大塔板數(shù)只會帶來費用的浪費。而且另一方面，因為分流的影響，流程的后段流量逐漸減小，塔板數(shù)也在逐漸減少，說明設(shè)計的合理性。最終確定塔板數(shù)為28塊。進料塔板（Feedstage）的優(yōu)化圖2-6異丙苯塔T0102進料塔板的靈敏度分析因為異丙苯塔T0102是為了獲得更高純的異丙苯，所以需要對異丙苯在最終產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)（Mass-Frac）進行靈敏度分析。由圖可知，進料板的位置在第19塊比較合適?；亓鞅鹊膬?yōu)化圖2-7異丙苯塔T0102回流比的靈敏度分析對上圖進行分析可知最大數(shù)值可以確定為0.58。最終根據(jù)靈敏度分析的結(jié)果，將模擬條件修改后得出的結(jié)果如下表：表2-9異丙苯塔T0102最終優(yōu)化結(jié)果項目名稱FEEDPRE-DPRE-WTemperatureC177.570165.491224.331Pressurebar1.781.41.4MassFlowkg/hr13877.66012918.700958.96C6H60.000.000.00C3H80.000.000.00ISOPR-01107.583107.4800.103C12H185.28530.005.2841C15H240.43590.000.4359根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果可知，異丙苯幾乎完全從上方流出，損失量大大減少。另外重組分的回收利用率也顯著提高。2.4多異丙苯塔T0103的研究2.4.1多異丙苯精餾塔T0103的模擬多異丙苯塔的目的是讓剩余的三異丙苯等重組分得到分離，實現(xiàn)回收利用。這部分的工藝主要是二異丙苯從精餾塔的塔頂REC-D流股流出，其余重組分從側(cè)線流出。其進料條件如下表：表2-10多異丙苯塔T0103進料條件項目名稱P-OUTTemperatureC224.12Pressurebar1.6MoleFlowkmol/hr5.3823C6H60.00C3H80.00ISOPR-010.1145C12H185.2826C15H240.4357同苯塔，多異丙苯塔也需要利用模型進行初步的估算。下表就是初步設(shè)定的結(jié)果：表2-11多異丙苯塔T0103模擬條件項目名稱設(shè)定值進料溫度FeedTemperature/℃22.412壓力Pressure/bar1.6質(zhì)量流量Massflow/kg/hr960.067塔板數(shù)Numberofstage30回流比Refluxratio1.3采出與進料比Distillatetofeedratio0.58塔頂壓力Condenserpressure/bar1.6全塔壓降Columnpressuredrop/bar0.1經(jīng)過模擬，無警告和錯誤，塔頂PRE-D流股餾出輕組分，塔底PRE-W流股餾出重組分。結(jié)果詳細見表2-12。表2-12多異丙苯塔T0103模擬結(jié)果項目名稱FEEDPRE-DPRE-WTemperatureC224.121139.441167.713Pressurebar6MassFlowkg/hr960.066868.59991.4674C6H60.000.000.00C3H80.000.000.00ISOPR-0113.772113.77210.00C12H18857.243854.7832.460C15H2489.0510.043989.0071根據(jù)結(jié)果可知，二異丙苯從塔頂PRE-D流股被分離出去。其他重組分從塔底PRE-W流股流出。2.3.1多異丙苯塔T0103的優(yōu)化1）理論塔板數(shù)（Nstage）的優(yōu)化圖2-5多異丙苯塔T0103塔板數(shù)的靈敏度分析由圖可知，在塔板數(shù)為23以后異丙苯的質(zhì)量流率不再增加，再增大塔板數(shù)只會帶來費用的浪費。而且另一方面，因為分流的影響，流程的后段流量逐漸減小，塔板數(shù)也在逐漸減少，說明設(shè)計的合理性。最終確定塔板數(shù)為30塊。2）進料塔板（Feedstage）的優(yōu)化圖2-8多異丙苯塔T0103進料塔板的靈敏度分析由圖可知，進料板的位置在第19塊比較合適?；亓鞅鹊膬?yōu)化圖2-9多異丙苯塔T0103回流比的靈敏度分析對上圖進行分析可知最大數(shù)值可以確定為0.3。最終根據(jù)靈敏度分析的結(jié)果，將模擬條件修改后得出的結(jié)果如下表：表2-12多異丙苯塔T0103最終優(yōu)化結(jié)果項目名稱FEEDPRE-DPRE-WTemperatureC224.331139.676168.587Pressurebar6MassFlowkg/hr958.960869.08889.871C6H60.000.000.00C3H80.000.000.00ISOPR-0112.384112.3840.00C12H18857.4788856.6450.8338C15H2489.09710.059389.037根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果可知，二異丙苯幾乎完全從上方流出，損失量大大減少。另外重組分的回收利用率也顯著提高。異丙苯精餾塔的設(shè)備設(shè)計精餾一種重要的用來分離液相物質(zhì)單元操作，在石油化工領(lǐng)域中有著大量的實踐操作。沸點較低的組分從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，沸點較高的組分則由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，從而使得原料里的不同組分分離。3.1Aspenplus模擬計算的工藝參數(shù)精餾塔是分離工藝的核心，根據(jù)待分離混合物的流量、溫度、壓力、物性及工藝最終確定，選擇精餾的類型。本次設(shè)計利用Aspenplus軟件中TraySizing功能對異丙苯精餾塔進行簡單的結(jié)構(gòu)模擬計算。其設(shè)計結(jié)果見下表：表3-1Aspenplus模擬計算的精餾塔設(shè)計參數(shù)項目名稱數(shù)值類型TraytypeNutterFloatValveSectionstartingstage2Sectionendingstage27Numberofstages28Stagewithmaximumdiameter11Columndiameter/(meter)0.80967714Downcomerarea/Columnarea0.1Sidedowncomervelocity/(m/sec)0.05774342Sideweirlength0.47994134Distillaterate(kg/hr)170Refluxrate/(kmol/hr)61Feedstage19Condenserpressure/(atm)1.0異丙苯精餾塔工藝模擬計算結(jié)果見表3-2表3-2異丙苯精餾塔各板流量及主要數(shù)據(jù)塔板溫度壓力液相流量（摩爾）氣相流量（摩爾）Cbarkmol/hrkmol/hr1165.4911.462.339202165.4931.462.3377169.8213165.4941.462.3355169.8194165.4961.462.3323169.8175165.51.462.3276169.8146165.5051.462.321169.8097165.5111.462.3115169.8028165.5211.462.2978169.7939165.5351.462.2783169.77910165.5561.462.2503169.7611165.5851.462.2103169.73212165.6261.462.1535169.69213165.6851.462.0729169.63514165.7681.461.9589169.55415165.8861.461.7986169.4416166.0531.461.5731169.2817166.2871.461.2546169.05518166.6181.460.7959168.73619167.0811.4165.109159.35320167.1521.4164.879159.28621167.4151.4164.048159.05622168.3531.4161.322158.22523171.4951.4154.23155.49924180.1191.4143.491148.40725195.5781.4138.093137.66826210.9171.4141.209132.2727220.0121.4145.387135.38628224.3321.45.82314139.5643.2實際塔板數(shù)及塔高的確定3.2.1實際塔板數(shù)要確定異丙苯精餾塔的實際塔板數(shù)NP，就要知道其理論塔板數(shù)NT和塔板效率ET。但是實際上，每塊塔板實際上塔板效率是不同的，為了計算的方便，常常取塔板平均效率。而塔板的平均效率可以根據(jù)生產(chǎn)中的經(jīng)驗值進行估算。這里確定異丙苯精餾塔的平均塔板效率為70%。根據(jù)公式：NP=NT/ET（3-1）本次設(shè)計，Aspen中設(shè)置的理論板數(shù)為28，因為塔頂冷凝器和塔釜再沸器都不包含在內(nèi)，因此最終理論板數(shù)為26塊。NP=NT/ET=26/0.6=43.3（塊）取整為43塊。Aspen中進料塔板為第19塊，那么精餾段理論板數(shù)為19塊，因此可以算得精餾段的實際板數(shù)為28塊。從而提餾段為47塊。3.2.2塔高的計算塔高包括有效高度、頂部和底部空間，以及裙座的高度。塔的有效高度指實際塔板數(shù)NP與塔板間距HT乘積的高度。對于進料、出料接管和人孔位置的塔板間距還需要做特殊考慮。比如，在人孔處的HT不小于600mm。并且選取人孔直徑D，=500mm。一共三個人孔，分別在塔頂、進料接管位置、塔釜。塔板間距對塔高有著顯著的影響，一定的塔徑選擇合適的塔板間距顯得十分重要。下表為塔板間距與塔徑關(guān)系的經(jīng)驗值。表3-4塔板間距HT與塔徑D關(guān)系經(jīng)驗值塔徑D/m0.3~050.5~0.80.8~1.61.6~2.0塔板間距HT/m0.2~0.30.3~0.350.35~0.450.45~0.6本次設(shè)計，根據(jù)Aspen中估計得塔徑為0.80m，故而選擇精餾段的板間距：HT1=0.34m，提餾段的板間距：HT2=0.34m，再加上中間人孔所加高度，則塔的有效高度Z1為：頂部空間指塔頂封頭到第一塊塔板的垂直距離。設(shè)置頂部空間的目的在于減小塔頂出口氣體中液體夾帶量。高度一般在1.2~1.5米之間。另外還可以設(shè)置除沫器來增加除沫效率。這里取Z2=1.2m。底部空間是指塔底封頭到最后一塊塔板之間的垂直距離。該空間高度包含釜液高度和上方氣液相分離高度兩部分。釜液高度是通過釜液在塔內(nèi)停留時間確定出空間容積，然后根據(jù)該容積和塔釜直徑計算出高度。對于沒有緩沖容量的塔釜停留時間一般為20~30min，這里取20min。而根據(jù)Aspenplus軟件計算出的塔釜質(zhì)量流量（Massflow）為958.96kg/hr，塔釜容積流率（Volumeflow）為0.801cum/hr。則塔液高度：Z3=Qvh/A=0.801/（π×0.80962）=0.4m（3-2）氣相高度算作0.44m裙座的高度，指塔本體的最低面到基座底部螺栓孔的距離。其中包含1m高的塔釜高度，該設(shè)計取Z4=2m。因此塔的總高度可以計算出：H=Z1+Z2+Z3+Z4=1.2+23.76+0.4+0.44+2=27.8m3.3浮閥塔塔盤工藝設(shè)計異丙苯精餾塔選用的是浮閥塔，浮法塔的類型有F1型、V-4型等。浮閥塔有很多的優(yōu)勢，有以下幾點：結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、價格低、處理量大、彈性大、效率高。然而最大的其缺點是易產(chǎn)生結(jié)焦。除此之外，閥片容易呈現(xiàn)出現(xiàn)零落的景象，從而造成性能的降低。3.3.1塔盤液流形式由Aspenplus中運算提供的結(jié)果可知，液體的平均體積流量5.833cum/hr，根據(jù)板上液流型的分類在7~50cum/hr范圍內(nèi)，因此可以選擇單流型。3.3.2氣液流動參數(shù)求得FLV=0.063塔板間距已經(jīng)由前面確定為HT=0.34m。常壓塔的hL可以在50~100mm范圍內(nèi)選取，這里取60mm。所以（HT-hL）=0.34-0.06=0.28m當(dāng)FLV及（HT-hL）確定之后，就可以查Smith關(guān)聯(lián)圖取得氣體負荷因子C20。查得約為0.06，與在Aspen中算出的液相表面張力25mN/m有所出入。因此用以下關(guān)系式計算氣體負荷因子C。求得C=0.0627再計算液泛氣速uf：求得uf=1.0256m/s液泛氣速不可以小于設(shè)計氣速，對于一般液體，設(shè)計的泛點率可取0.6~0.8，這里取0.6。那么設(shè)計氣速則為U=0.6×uf=0.615m/s3.3.3氣體流通截面積其中qVVS=2299.39cum/hr，要換算成cum/s，求得A=1.04m2。3.3.4塔盤的尺寸式中：lw—降液管堰長；Ad—降液管面積；AT—塔截面積；D—塔盤直徑；由Aspenplus中運算提供的結(jié)果可知，該塔直徑為0.80m，根據(jù)規(guī)范圓正后取D=1.0m。再由推薦值可以查得相應(yīng)數(shù)值見下表：表3-5直徑為1m的單流板參數(shù)推薦值塔徑D/mm塔截面積AT/m2（Ad/AT）/%lW/D弓形降液管降液管面積Ad/m2堰長lw/mm堰寬bD/mm底隙hb/mm10000.78549.80.714714150350.0770求得氣體流通面積：A=AT(1-Ad/AT)=0.708m2氣體速度：U=qVVS/A=2299.4/(3600×0.708)=0.902m/s泛點率：U/uf=0.902/1.0256=0.8796底隙流速：Ub=qVLS/(lw×hb)=8.8387/(0.714×0.035×3600)=0.098m/s3.3.5塔盤的布置塔板一般情況被分為整塊式和分塊式，整塊式適用于直徑小于0.8~0.9m的塔。但是本次設(shè)計的塔直徑為1m，如果使用整塊式，則塔板的剛性差，且安裝不方便，于是為了便于拆裝，故多采用分塊式塔板。除考慮經(jīng)濟性之外，主要考慮塔板的剛性和耐腐蝕性。單流型塔盤通?？煞譃閹讉€區(qū)域：受液區(qū)和降液區(qū)Ad、入口安定區(qū)和出口安定區(qū)（寬度為bs）、邊緣區(qū)（寬度為bc）、有效傳質(zhì)區(qū)，還剩下一部分給開浮閥孔的區(qū)域。有效傳質(zhì)面積計算如下：取bs=60mm，bc=55mm。則x=0.29m，r=0.445m。求得有效傳質(zhì)面積Aa=0.47m23.3.6浮閥數(shù)及排列方式選取閥孔尺寸為d0=39mm的F1重型浮閥。閥孔因子F0取值范圍是8~12，這里取10，由此可知閥孔氣速u0為求得u0=5.65m/s因此浮閥個數(shù)n為求得n=95（個）所以浮閥塔開孔所占面積A0為求得A0=0.114m2閥孔一般按正三角形排列，通常的中心距有75、100、125、150（mm）等等，它又分為順排和錯排兩種。一般情況下錯排使兩相接觸情況更好，這里便采用錯排。按下式計算其孔心距t求得t=0.0754m，按照標(biāo)準(zhǔn)可以選擇75mm的中心距。因此開孔率為=nA0/AT=14.4%3.4塔板流動性能校核以上設(shè)計主要是為了不讓液泛現(xiàn)象的出現(xiàn)，設(shè)計中使用了大量的經(jīng)驗值，因此設(shè)計的是否合理還需要進一步的校核。3.4.1液沫夾帶大量校核液沫夾帶量會影響塔板效率和正常操作，一般要求單位質(zhì)量氣體夾帶的液體質(zhì)量（mole）ev≦0.1。對于塔徑比較大的情況，泛點率F1一般要小于0.8~0.82。并按照下式計算F1式中：qVVs、qVLs為氣相、液相體積流量，m3/s；ZL為液體橫過塔板的行程，m；對于單流型ZL=D-2bd=1-2×0.15=0.7；K為物性系數(shù)，假設(shè)無泡沫，正常系統(tǒng)，則K=1；CF為泛點負荷因子，查閱《泛點負荷因數(shù)圖》可知CF=0.12求得F1=0.81，所以液沫夾帶量不會過大。3.4.2塔板阻力的計算和校核（一）干板阻力的計算浮閥的臨界孔速（(73/3.1358)1/1.825=5.61（m/s）<u0=5.65m/s由于u0c<u0，所以計算干板的阻力應(yīng)該在浮閥全開的情況下。5.34×3.1358×5.652/(842.4×2×9.81)=0.0323(m)（二）塔板清液層阻力的計算0.5×0.06=0.03（m）（三）為克服表面張力時所造成的阻力1.85×10-4（m）根據(jù)公式算得塔板阻力為0.0323+0.03+1.85×10-4=0.062485（m）3.4.3降液管液泛校核流體流過降液管底隙的阻力0.00148（m）液面落差忽略，降液管內(nèi)清液層高度為Hd=hL+hf+hd=0.06+0.062485+0.00148=0.124(m)Φ為降液管中泡沫層的相對密度，取0.60.21（m）因為HT+hW=0.3+0.0761=0.376>0.21，所以比較難出現(xiàn)液泛情況。3.4.4停留時間校核為了讓傳質(zhì)性能增加，就需要讓液體通過降液管的時間達到足夠長，從而可以保證液體內(nèi)的所夾帶氣體可以釋放，停留時間>5s3600×0.35×0.077/8.838=11s>5s，所以有足夠的停留時間。當(dāng)F0<5時有嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象發(fā)生，故而取F0=5，計算漏液點的孔速：2.82（m/s）穩(wěn)定系數(shù)k的計算5.65/2.82=2.01K大于1.5~2，所以不會出現(xiàn)嚴(yán)重漏液現(xiàn)象。表3-7異丙苯精餾塔設(shè)計結(jié)果匯總項目名稱 塔板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)塔板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)塔徑D1.0m流動形式單流型閥孔數(shù)95個液體流量8.8387m3/h堰長0.714m氣體流量2299.391m3/h堰寬0.15m液泛氣速1.0256m/s堰高0.006m0.1815入口堰高無空塔氣速0.902m/s底隙0.035mE10.0877底隙流速0.098m/s塔截面積0.7854m2泛點率0.81降液管面積0.077m2排列方式錯排有效傳質(zhì)區(qū)0.47m2堰上液頭高度0.089m氣相流通面積0.708m2塔板阻力0.062485m開孔面積0.114m2降液管液體停留時間11s閥孔直徑0.039m降液管內(nèi)清液層高度0.124m精餾/提餾板塔板間距0.35/0.45m降液管內(nèi)液沫層高度Hd/0.206開孔率14.4%閥孔氣速5.65m/s孔心距0.075m閥孔動能因子10邊緣區(qū)寬0.055m穩(wěn)定系數(shù)1安定區(qū)寬0.060m最小氣相流量5750.00m3/h塔板厚0.003m最大氣相流量1158.78m3/h實際塔板數(shù)：28塊；進料板位置：第19塊全塔總高度：27.8m3.5主要接管尺寸計算3.5.1進料接管由Aspenplus數(shù)據(jù)可知，進料流股P-out的體積流量（VolumeFlow）為0.908m3/h，取管內(nèi)流速uf=0.5m/s則進料管直徑：=0.025m查表取進料管尺寸為Φ32×3.5，使用無縫熱軋鋼管，規(guī)格GB/T8163-99；根據(jù)管材的標(biāo)準(zhǔn)，取進料管尺寸為Φ32mm×3.5mm，其內(nèi)徑為0.025m，則可以計算出實際流速：u=0.5m/s3.5.2塔頂回流液接管塔頂經(jīng)過冷凝器的質(zhì)量流量為6525kg/hr，第一塊塔板的液體密度為786.47kg/cum。則計算可知體積流量為8.3m3/hr，取液體流速u=0.5m/s則可以計算得，回流液接管直徑為=0.0766m選取回流接管尺寸規(guī)格為：Φ89×4.5則實際流速為：u=8.3/(3600×0.785×0.082)=0.46m/s3.5.3塔頂蒸汽出口接管塔頂蒸汽出口體積流量為2144.52m3/h，取蒸汽流速u=10m/s，則塔頂蒸汽出口接管直徑為：=0.275m選取塔頂蒸汽接管規(guī)格為：Φ325×13.5則實際流速為：u=2144.52/(3600×0.785×0.32)=8.4m/s3.5.4釜液排出口接管釜液排出流量為0.801m3/h，取液體流速u=0.5m/s，則釜液排出接管直徑為=0.0238m選取釜液排出接管規(guī)格為：Φ32×3.5則實際流速為：u=0.801/(3600×0.785×0.0252)=0.45m/s3.5.5塔底回流液接管塔底經(jīng)過再沸器后液體；流量為6.3868m3/h，取液體流速u=0.5m/s，則塔底回流接管