利用ASPEN-PLUS模拟与分析异丙苯的制备与分离..doc

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利用ASPEN-PLUS模拟与分析
异丙苯的制备与分离

Simulation and analysis by ASPEN-PLUS
preparation and separation of the isopropyl benzene

一级学科：化学工程与技术
学科专业：化学工程与工艺
学 生：胡清清
学 号：
指导教授：王水

北京化工大学化学工程学院
二零一五年七月十七日

目录
异丙苯制备及分离流程模拟...................................................................................................1
一、设计任务与要求...............................................................................................................3
1、设计任务.....................................................................................................................3
二、流程设计...........................................................................................................................4
2.1 物质特性...................................................................................................................5
2.2 设计思路....................................................................................................................5
三、完成输入设定......................................................................................................................5
3.1 setup设置...................................................................................................................5
3.2 输入组分....................................................................................................................5
3.3 物性方法的选择........................................................................................................6
3.4 Streams的输入...........................................................................................................6
3.5 BLOCK的输入..........................................................................................................7
3.5.1 反应器模块的输入.........................................................................................7
3.5.2 换热器模块输入.............................................................................................9
3.5.3 精馏塔模块输入...........................................................................................10
3.5.4 闪蒸罐模块输入...........................................................................................10
3.5.5 泵的输入.......................................................................................................11
四、模拟运行.........................................................................................................................13
五、灵敏性分析.....................................................................................................................16
5.1 换热器出口温度的灵敏度分析..............................................................................18
5.2 闪蒸罐温度的灵敏度分析......................................................................................20
5.3闪蒸罐压力的灵敏度分析.......................................................................................21
5.4精馏塔回流比的灵敏度分析............................................................................22
六、确定工艺参数.............................................................................................................24
七、心得体会.........................................................................................................................25

一、设计任务与要求
1、设计任务
异丙苯制备与分离：
学号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
分子
异丙苯
丙烯
丙烷
正丁烷
正戊烷
甲苯
丙醇
甲烷
正戊烷
苯

因为我的学号是2012011084，，包含数字0、1、2、4、8，由，该反应流程含有物质 苯、丙烯、异丙苯及杂质 正丁烷、甲烷。所以由题目可知：
进料：苯C6H6 、丙烯C3H6-2 、正丁烷C4H10-1 、甲烷CH4
反应式：C3H6-2 + C6H6 = C9H12-2
反应产物：异丙苯C9H12-2

由已知条件知：（1）进口物料：压力1.1atm 温度120 ℃
流量：苯和丙烯各6kmol/s，其他组分分别为0.5kmol/s
（2）反应器：丙烯转化率0.9，压力降、热负荷为：0
（3）换热器：压力降 -0.1 atm
（4）精馏塔：塔釜苯摩尔含量为0.001

二．流程设计

2.1物质特性

物质
分子式
基本性质
熔点
沸点
丙烯
C3H6-2
无色、无臭、稍带有甜味的气体，不溶于水
-192℃
-47.4℃
苯
C6H6
无色透明液体，有芳香气味
5.51 ℃
80.1 ℃
异丙苯
C9H12-2
无色有特殊芳香气味的液体
-96.0℃
152.4℃
甲烷
CH4
无色、无味、可燃和微毒的气体
-182.5℃
-161.5℃
正丁烷
C4H10-1
无色气体，不溶于水
-138.4℃
-0.5℃

2.2 设计思路
根据合成及分离要求设计流程如下图1所示：

图1：异丙苯制备及分离工艺流程图

组成：整个流程包含五个部分:反应器（REACTOR）、换热器（HEATER）、闪蒸罐（FLASH）、泵（PUMP）及精馏塔（DSTWU）。
物料流程：将原料投入反应器中进行反应 甲烷和正丁烷则不参与反应，丙烯和苯在反应器的条件下反应生成异丙苯 产物连同未反应的物质一同进入换热器中进行冷凝 经过冷凝器降温后的混合物进入闪蒸罐中进行闪蒸 闪蒸后的气相主要是杂质甲烷和正丁烷，通过塔顶进入其他工序，液相则经泵加压后进入精馏塔中进行分离 塔顶轻组分苯循环回到反应器中继续反应，重组分异丙苯由塔釜作为产品排出。

三.完成输入设定
3.1 setup设置
在aspen plus界面中点击Next按钮，进入图2的设置页面，命名为2012011084，选择米制工程单位，其余均为默认值，不做修改。

图2：SETUP设置界面
3.2 输入组分
点击Next按钮，进入如图3所示界面，输入甲烷，丙烯，正丁烷，异丙苯，苯五种物质的化学分子式和对应的简称。

图3：组分输入

点击NEXT，再点击ok，进入下一个操作步骤。

图4：完成组分输入

3.3 物性方法的选择
点击Next按钮，进入Properties输入界面，选择ALL，选择PENG-ROB物性方法。
(此张忘记截图了)

3.4 Streams的输入
点击Next按钮，进入Stream输入界面，按照设计要求输入进口无聊的温度，压力以及各组分的流率。具体输入情况如图5所示。

图5：Stream（FEED）的输入

3.5 BLOCK的输入
3.5.1 反应器模块的输入
点击Next，进入各BLOCK的输入界面，根据题目要求，反应器为绝热的，所以Heat Duty为0，压降为0。输入情况如图6所示

图6：反应器（REACTOR）模块输入

点击Next进入Reaction选项卡，在界面中点击New…,新建名称为1的反应，反应方程式为：
𝐶3𝐻6+𝐶6𝐻6=𝐶9𝐻12
关键组分为𝐶3𝐻6，转化率为0.9。具体输入情况如图7所示：

图7 反应方程式的输入

3.5.2 精馏塔模块输入
在精馏塔模块中，确定全塔压降均为1atm，回流比设定为1.8，并根据任务确定塔顶轻组分苯和重组分异丙苯的摩尔分率分别为0.999和0.001，输入情况如图8所示：

图8：精馏塔（DSTWU）模块输入

3.5.3 闪蒸罐模块输入
根据分离要求，最终确定闪蒸罐压力为0.1atm，温度为22℃，输入情况如图9所示

图9：闪蒸罐（FLASH）的输入情况

3.5.4 换热器模块输入
设定换热器的压力降及出口温度，出口温度为30℃，压力降为0.1atm，输入情况如图10所示：

图10：换热器（HEATER）模块输入
3.5.5 泵的输入

图11：泵（PUMP）的输入情况

四、模拟运行
所有输入完成之后，点击Next按钮确定输入全部完成，然后运行模拟程序，确定模拟结果没有错误，但有2个警告（经过一整天的调试，这已是我调试出来最好的结果了，非常抱歉！）。程序运行结果如图12所示：

图12：运行结果
换热器模拟

图13：换热器（HEATER）模块结果

反应器模拟

图14：反应器（REACTOR）模块结果
精馏塔模拟

图15：精馏塔（DSTWU）模块结果

闪蒸罐（FLASH）模拟

图16：闪蒸罐（FLASH）模块结果
离心泵模拟

图17：离心泵（PUMP）模块结果

五、灵敏性分析
根据工艺流程的要求，需要对过程的热负荷进行灵敏性分析。下面从换热器（HEATER）出口温度、闪蒸罐（FLASH）温度、压力和回流比四个方面对其进行灵敏性分析。

首先，从Date菜单上单击Model Analysis Tool，然后选择Sensitivity，创建S-1灵敏性分析。
定义目标变量：HEAT（换热器所需热量）、FLASH（闪蒸罐所需冷量）、REC（精馏塔再沸器热量）、CON（精馏塔冷凝器所需热量）。如下图所示：

5.1 换热器出口温度的灵敏度分析

在Vary选项卡中定义灵敏性分析自变量，自变量TEMP为HEATER的一个模块变量，设定其变量最小值20℃（293K）和最大值50℃（323K），并且均分为30等份。如下图所示:

点击Tabulate标签，进入表格定制页面，确定表格，输出在第2列，结果为换热器、闪蒸器和精馏塔的总能耗。如下图所示：

运行后查看结果，如下图：

对上面结果进行作图，如下所示：

5.2 闪蒸罐温度的灵敏度分析
按照前面的步骤进行，接下来新建S-2分析， Define与Tabulate标签与S-1设置相同，如下：

Vary设置如下：

运行后，查看结果如下：

对作图作图，如图所示：

5.3 精馏塔回流比的灵敏性分析
同前面一样，接下来新建S-3分析，Define与Tabulate标签与S-1设置相同，如下：

Vary设置如下：

运行成功后，查看结果，如下图：

5.4 闪蒸罐压力的灵敏性分析
同理，接下来新建S-4分析，Define与Tabulate标签与S-1设置相同，如下：

Vary设置如下：

由于上述区间太大，作图不够精确。所以，我后来将区间改成0.7到1.5atm。此处忘记截图了，请见谅。

运行成功后，查看结果，如下图:

对结果进行作图，如下：

六．确定工艺参数：
根据灵敏度分析，尽可能节省能量，同时保证产品的质量，综合考虑，选换热器出口温度为30℃，闪蒸罐压力为0.1atm，温度为22℃，精馏塔回流比为1.8。

七．心得体会
为期一周的软件设计课程已经结束了，我花费了一整天的时间呆在机房里，越不成功，我就越想成功。虽然只有一个星期的学习时间，我却慢慢爱上了aspen这个软件。这段期间有喜有忧，有欢呼声，有叹息声，有烦闷，有惊喜。在这样一次又一次的模拟运行中，我得到的不仅仅是知识，更多的是对于所学知识的综合运用。
在设计模拟流程的过程中，遇到了很多的问题，一个不小心都会使运行结果造成巨大的偏差，而如果是在现实生产中，就可能是一个大事故了。在这个过程中也发现了自己的不足，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过这次课程设计，我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能发挥它整整的价值。
最后，感谢两位老师的讲授，尤其是王水老师，每次我找不到你所说的地方时，你都会耐心帮我，让原本有些担心你会批评我的心，慢慢温暖开来。谢谢老师带我走入aspen，我会继续钻研它，因为它让我有了学习的快乐！

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