化工过程分析和概念设计甲苯加氢脱烷基化制苯院 系： 化工学院专 业： 化学工程学 生：李荷华指导教师 ：钱 宇 教授陆恩锡 教授2001．6．1概念设计概念设计是依据开发性基础研究的结果、文献的数据、现有类似装置的操作数据和工程 经验，按照所开发的新技术工业化规模而做出的预想设计其目标是寻找最佳工艺流程和估 算最佳设计条件由于任何过程都可提出许多方案，而并非所有的方案都可行，所以在那么 多方案中找到可行方案是一件很困难的任务分层次决策就是针对这个问题提出的，它能从 众多方案中排除大量无意义的方案分层次决策法的做法是把设计问题简化为多层次的决 策，借助这种方式可以把一个庞大而复杂的问题分解成许多小问题，处理起来回简单的多 注意力集中在每一层次里所必须做的决策上，就可以辨明可用于解决该问题的已有技术，而 无须排除某些新技术或许能提供的更好解决方法此外，通过列举我们所能提出的每一决策 方案，就可以系统地产生出一张工艺替代的清单这种方法的要点是运用某种手段区分问题空间的重要信息和细节，借助于抽象空间的分 层次规划法，逐级引入不同的细节，可以显著提高解决问题的能力此概念随时可以延伸到 分层次的空间，每一级所处理的细节对只它下面的是层空间为少，又都比它上面的空间为多。
只有在较高层次的空间里，成功的规划充分地证明了它的重要性时，才考虑它的细节，这种 分层次的搜索过程可以大大减少所需搜索空间的份额案例分析本例是甲苯的加氢脱烷基化制苯，有关的化学反应：甲苯+ H 苯+ CH242苯 ＜一＞ 联苯+ H2反应条件：反应器进口的温度变化范围是1150°F（低于此温度时反应速度太慢）到1300oF（高 于此温度时会产生大量的加氢裂化），而且反应器的压力=500psia需要用过量的氢（比值 为5/1）来防止结焦，而且反应后的气体必须迅速冷至1150oF，以免反应器后续的换热器内 的结焦首先考虑该反应的选择性问题，所谓选择性指的是每转化一摩尔的甲苯能生成的苯的量，我 们将选择性记为 S由文献知，该反应过程的选择性和转化率的关系如下表HDA 过程的选择性S0.990.9850.9770.970.93X0.50.600.700.750.851. 用回归的方法处理以上这些数据，可得到转化率X与选择性S之间的关系:0.0036（1 一 x） 1.544条件：气相、无催化剂2. 产量=265mol/h的苯3．产品纯度：XD、O'99974. 原料：室温条件下的纯苯；100°F和550psia下的95%的H和5%的CH。
245. 制约条件：在反应器进口处H2/芳烃=5（以防结焦）；反应器出口温度〈1300°F（以防 加氢裂解）；反应器出料骤冷到1 1 50 F （以防结焦）6. 需要时再给出其它装置和场地的数据针对该案例的特点，以及一般的过程设计的系统方法，可以开发出针对本案例的分层次 的决策步骤，这种设计方法的一个很大优点是，随着我们通过该分级系统的个层次时， 可以计算设备的尺寸和估算其费用再则，如果在某一层次上发现潜在效益成为负值， 就可以寻找替代方案，或者终止该设计项目，而无须再寻找该问题的全部解答该方法 的另一个优点来自下述事实：当在不同层次做出关于流程图结构的决策时，我们知道只 要改变这些决策，就将产生过程的替代方案这样有了鉴别不同方案的系统设计方法， 就可在很大程度上避免漏掉某些重要的方案选择的情况，概念设计的目标就是寻找“最 佳”方案一般决策层次可分为五个部分：间歇对连续、流程图的输入-输出结构、流 程图的循环结构、分离系统的总体结构（蒸气回收系统、液体回收系统）、热交换系统 我们将运用以上提出的层次分析法来解决该案例A.间歇对连续连续过程是设计成每个装置可以每天操作台4小时，每周7天，几乎全年都在基本不变 的条件下运行，由于我们的所要生产的苯，比较典型的有机化工产品，而且流程中所涉及的 容器较多，一般选择连续过程。
所以我们也选择连续生产过程B.输入-输出的结构为了解决流程图的输入-输出结构所需做出的决策，我们只要围绕全过程画一个方框这 样，注意力集中于那些输入过程的原料和从过程中出来的产品和副产品主要应该考虑的问 题有：进料物流在进入过程前需要净化吗？应该移出或是循环可逆的副产物？需要采用气体 循环和放空物流吗？是否值得回收并且循环某些反应物？有多少股产品物流？输入-输出设 计的变量是什么？与这些变量有关的经济权衡是什么？针对案例的特点，考虑以上提出的问 题，得出以下结论：1. 进料物流的净化：原料在进入过程前先净化的决策相当于设计一个预净化系统的决策， 考虑本案例的特点及有关经验规则，我们采用以下原则：由于甲苯进料物流是纯的，氢 进料物流也不用净化，因为杂质甲烷不多且甲烷也是此反应的副产物，何况气体的分 离很昂贵2. 可逆的副产品：如果循环可逆副产品，我们必须加大回路的所有设备的尺寸，已容纳可 逆副产品的平衡流量，然而，如果将副产品从过程中移走，则将由于增加了转化为可逆 副产品的反应物原料费用而付出经济代价，即为甲苯的原料费用减去联苯的燃料价值 所以没有简单的设计准则可循同时此结果对于副产品反应的平衡常数也敏感。
我们所 采用的方法是回收联苯3. 循环与放空只要轻反应物和轻进料杂质或轻副产品的沸点低于丙烯就采用气体循环和 驰放气体根据这一原则，来考虑我们的反应物和轻进料，进料氢和进料杂质（甲烷） 与反应副产物（甲烷），这三者的沸点都低于丙烯，所以需要一股循环气流和一股放空物 流，也就是说，要循环氢气，但是甲烷将会在循环回路中积累起来，所以必须放空有 一种能分离氢与甲烷的膜分离过程，或许比放空物流中的氢损失更便宜一些然而，遗 憾的是找不到适用于膜分离器的设计方法或费用关系式，所以我们的设计是基于气体循 环与放空物流4. 不要回收和循环某些反应物：因为事例中所有有价值的物料转化率达到 99%以上，而且 过程中也没有水和空气，所以不用循环和回收反应物H+CH +甲苯4* 工艺过程 苯 联苯HDA过程的输入-输出结构 物料平衡和物流的费用取P =265mol/h 苯，x=0.75, y =0.4B PH0.0036S = 1 - = 0.9694(1 - x J1.544新鲜甲苯进料:(4)F = P = 273.4mol / hf S 0.9694生成的联苯(5)D补充气p = (I- S )/2S = 265(1 - 0.9694) 2(0.9694) = 4」6 * 8H :2P 1 - (1 - y )(1 - S)/2〕2651 - (1 - 0.4)(1 - 0.9694) / 2〕—b ph = = 492.5S(yFH - yPH)0.9694(0.95 - 0.4)过量H :2F 二 yEF = 0.4(492.5) = 197.0PH GPP已反应的H =「b -「(1-S)2 S 2S= 273.4 - 4.18 = 269.2(12)5. 产品物流的数目。
这些组分的沸点和去向在表3-2中给出组分正常沸点（NBP）°F去向H2—423气体循环和放空CH4—259气体循环和放空苯776.2主要产品甲苯231.1循环联苯496.4副产品物流的费用(15)(16)(20)(21)(19)热值：苯的价值=0.85$/ gal = 9.04$/ mol = CB甲苯=0.50$ / gal = 6.40$ / mol = C进料 H = 1.32$/ mol = C2 H 2H = 0.123 x 106 Btu / mol = AH2 C ,HCH = 0.383 x 106 Btu / mol = AH 4 C ,M苯=1.41 x 106 Btu / mol = AHC,B甲苯=1.68 x 106 Btu / mol = AHC,T联苯=2.69 x 106 Btu / mol = AHC,D 假定联苯的燃料价值是 5.38$/mol)经济潜力：(22)EP = C P - C F + C P +Lh y +AH (1 - yB B T P F C,D D C,H PH C,M PH ) Gc.流程的循环结构我们已经决定了流程图的输入-输出结构，现在该添加下一层次的细节了，从前面的讨 论中得知，产品的分布将主宰该设计，所以我们增加了反应器体系的细节。
同时，由于 气体压缩机是最昂贵的加工设备，只要必须采用它，就得加上它的年均投资与操作费用， 然而，在合成和分析步骤的这一层次上，仍然把分离系统作为一个黑箱来处理，然后才 去讨论系统的细节而设计反应系统的细节主要包括以下决策：需要多少反应器系统？反应器系统之间有分 离问题吗？需要多少循环物流？在反应器的进口处是否要用某个过量的反应物？是否 需要气体压缩机？费用多少？反应器应是绝热操作、或用直接加热或冷却，或需要稀释 剂或载热体？是否想要改变平衡转化率？如何改变？反应器的费用对经济潜力影响如 何？根据以上要求来设计我们的方案设计的决策1. 只需要一台反应器（这些反应都在相同的温度和压力下进行）2. 有两股循环物流，一股循环（和放空）的H+CH气体，和一股循环甲苯液体物流243. 根据条件，在反应器的入口，氢和芳烃的比例必须用5比 14. 需要一台循环气压缩机在决定反应器的热效应之前，必须计算循环的物料平衡循环的流程图见图4-1：HDA， 液体循环一、循环的物料平衡令进入反应器的甲苯流率为Ft，当转化率是X时，离开反应器的甲苯量将是Ft(1-x) 对于完全回收的分离系统，离开反应器的流率将等于循环流率。
如果在反应器前的混合点处 作一衡算，则新鲜甲苯进料量与循环甲苯量之和将等于流入反应器的甲苯量，于是，反应器 的甲苯进料量是：在估算出有限反应物的流率后，我们用规定的反应器进口处的摩尔比来计算其它组分的 循环流量进入反应器的总氢量就是新鲜氢进料量yFHFG与循环氢量RGyPH之和若令反应器FH G G PH进口处氢对甲苯的摩尔比是mr,贝y：或循环气体的流率(23)y F + y R = MRFH G PH G(F )—fTI x丿R =-PB—G SxyPHMR y ) PH y - y 丿FH PH24)2650.950.9694 x 0.4 J 0.75 0.95 - 0.4 丿二 3376、反应器的热效应该反应器的热负荷和Q =AH F =AH P / S = -21530( 265 'R R FT R B0.9694 丿=5.836 x 106 Btu /h(25)并且由下式给出绝热过程的出口温度：(26)Q = AH P = {7.16F +by +10.1(1 -y )]r + 48.7F 如 -1150)R R S G PH PH G T R ,出三、循环压缩机的费用此反应器的压力给定为500psia。
猜测在相分割器处的压力四465 psia，而且循环压缩 机必须把压力增高到555 psia这将允许在整个循环气体回路中有90 psia的压力降需 要估计设计对此猜测值改变的敏感性气体压缩机的设计方程是：hp =3.03 x 10-5 )。