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1、化工系统模拟与优化丁二烯和二氧化硫合成丁二烯砜的案例研究徐 国 想指导教师：钱宇教授华南理工大学化工研究所一九九九年八月目 录 序言0输入信息1 间歇对连续2 流程图的输入输出结构21流程图的输入输出结构22设计变量和物料衡算的步骤3 流程图的循环结构 31过程循环结构的决策 32流程的物料衡算4 别离系统41别离序列的综合42别离系统的总体结构5 丁二烯制备丁二烯砜过程的全流程模拟51丁二烯制备丁二烯砜过程的全流程图52丁二烯制备丁二烯砜过程的全流程经济衡算参考文献附录 PRO/ KEYWORD输入文件序 言概念设计是依据开发性根底研究的结果、文献的数据、现有类似装置的操作数据和工程经验，按
2、照所开发的新技术工业化规模而做出的预想设计。 概念设计的目标就是寻找最正确工艺流程和估算最正确设计条件，用以指导过程研究及提出对开发性根底研究进一步的试验要求，所以，它是根底研究与过程研究的指南，是整个开发研究过程中十分关键的一个步骤。经验指出，如果要考虑所有的可能性，那么对任何过程的流程图一般都可以提出许多方案经常是104109个，采用分层次决策的方法，就可以在很大程度上防止了漏掉某些重要方案选择的情况。概念设计的目标就是寻找最正确“方案，所以，需要尽快降低要予以考虑的方案数目，而基于数量级分析法的简捷算法常常精确得足以消去90左右无效益的方案。采用简捷算法和分层次决策方法也可以尽快地把信息
3、反响给正致力于开发该过程的化学家手中，将有助于化学家去收集那些有可能获取最大效益操作范围内的数据，并且终止掉那些在有效益操作范围之外的实验。分层次决策方法就是把设计问题简化为分层次的决策，其步骤如下： 1. 间歇对连续； 2. 流程图的输入-输出结构； 3. 流程图的循环结构； 4. 别离系统的总体结构； 5. 热交换器网络。0 输入信息1. 反响信息 a. 可逆反响： 丁二烯SO2 丁二烯砜 DH R =48,000Btu/mol , Keq10-11)exp-36,940/T(0R), k11015)exp-52,200/T(0R), k1=k-1Keqmol/(ft3h),反响速率符合化
4、学计量关系，并且采用CSTR反响器。b. 反响条件：反响温度=90 0F , 反响器压力=150psia 。c.假设反响的选择性为1： d. 反响动力学：反响在产品沸点下有显著的逆反响速率，这时应选择适宜的反响温度、二氧化硫与丁二烯的摩尔比，不仅要求转化率高，还要求生产控制稳定、产品本钱低，一般选择二氧化硫与丁二烯的摩尔比r ，丁二烯的转化率为40% e. 液相，无催化剂2. 丁二烯砜产量：P丁二烯砜 = 80mol/h3. 丁二烯砜的产品纯度：xD 4. 物化数据：一般需要的信息是分子量、沸点、蒸汽压、热容、汽化热、反响热、液体密度和逸度系数或状态方程。5. 费用数据：SO20.064$/m
5、ol，丁二烯6.76$/mol，丁二烯砜8.50$/mol，反响器的年均建设费是3150$/(ft3a)。1 间歇对连续 采用间歇操作颇为有利的因素1 产率：a当产率低于10106lb/a时，有时采用间歇；b如果产率低于1106lb/a时，一般采用间歇；c多产品装置。2 市场的力量：a季节性生产；b产品的生存期短。3 放大问题：a反响的时间非常长；b要处理低流速的浆料；c快速结垢性的物料。106lb/a操作时数按8150 h/a计，一般采用间歇，但根据反响的特点，决定选择一个连续的过程，操作费用和物流费用以年为基准，操作时数为8150 h/a 。2 流程图的输入输出结构2.1 流程图的输入输出
6、结构 1. 净化进料物流情况：不需净化进料物流。 2. 可逆的副产品情况：无可逆副产物。 3. 气相循环。4. 产品物流的数目。所有组分的去向在表2.1中给出，只有一股产品物流。 表2.1 反响工段各组分去向组 分去 向SO2循环C4H6循环C4H6SO2产品初步的流程图见图2.1：C4H6，SO2C4H6 C4H6SO2图2.1 丁二烯制备丁二烯砜过程的输入-输出结构 SO22.2. 设计变量和物料衡算的步骤可能出现在第2层次上的设计变量：对复杂反响有反响器转化率，反响物摩尔比，反响温度/或压力等；过量反响物的情况，过量反响物是指既不回收，又不是气体循环和放空的反响物。正常情况下，可由设计变
7、量开发总物料平衡的公式，而根本不必考虑任何循环流量。只要总方程式定义缺乏，就必须寻找一个或多个设计变量来完善该问题的定义，而这些设计变量总是对应于“主要的过程优化问题。因此，最初的分析总是应该只集中于输入输出的流量。开发总物料平衡的步骤：1 从规定的产率入手2 由化学计量关系求出副产物流量和原料需用量以设计变量表示3 在反响物需要全部回收和循环的场合，计算进料物流内杂质的进口流率和出口流率4 在反响物既不回收也不循环的场合循环和放空或是空气或是水，以规定的过剩量表示，计算各反响物的出口流率5 计算随第四步中的反响物流带入的杂质的进口流率和出口流率。3 流程图的循环结构过程循环结构的决策：1、
8、需采用一套反响器系统 只有一个主反响，只需要一个反响器系统。由于反响转化率不可能到达100%，故原料要循环回反响器。2、 采用一股气相循环物流全流程有一个回到反响器去的循环物流。其流程图见图2. 3。3、 在反响器入口处无需过量反响物4、 配置气体压缩机一台反响在高压下进行，需要一台进料气压缩机。5、 反响器采用预热方式进料6、 通过改变反响器的停留时间来调节平衡转化率。二氧化硫丁二烯反响器二氧化硫丁二烯丁二烯砜 别离系统 图2.3 丁二烯制备丁二烯砜过程循环结构3.2 流程的物料衡算 初期物料衡算是基于所有有价值物流全部回收的假设，衡算结果将为用PRO/II作流程模拟提供初值。严格的物料衡算
9、待确定别离系统的细节后由PRO/II流程模拟结果给出。1. 设计变量。将产物分布关联为有限反响物的单程转化率的函数，即设计变量为丁二烯的单程转化率。2. 物料衡算。从图2.3看到，所有进入该过程的丁二烯都转化了没有丁二烯离开系统，这是基于丁二烯完全回收的假设，即忽略掉产品物流中有任何丁二烯的损失。当反响转化率为x、反响选择性为S、丁二烯砜产率为P丁二烯砜时，该过程的丁二烯新鲜进料量FFC4H6必须为 (2-1)令进入反响器的丁二烯流率为FC4H6，当转化率是x时，离开反响器的丁二烯量是FC4H6 (1-x)。对于完全回收的别离系统，离开反响器的流率将等于循环流率。在反响器前的混合器作一衡算，那
10、么有FFC4H6+ FC4H6 (1-x) = FC4H6 (2-2)于是反响器的进料量为 FC4H6FFC4H6/x (2-3)4别离系统 别离序列的综合 选用探试法选择简单塔塔序。探试法的搜索速度一般比数学规划法要高得多，如果探试法那么使用得当，不需要过多的计算便可迅速获得接近最优的别离序列。Nadgir和Liu提出的有序探试法，就是一种较好的别离序列综合的探试法。 Nadgir和Liu把探试法那么分为四大类： 别离方法探试M探试法那么； 设计探试D探试法那么 组分探试S探试法那么； 组成探试C探试法那么。 这四类探试法那么中包括如下探试法那么，这些探试法那么必须依次顺序采用，不可颠倒：
11、规那么1M1法那么，尽量采用直接别离法只用能量别离剂的别离方法，如普通精馏，防止采用间接别离法需要用质量别离剂的别离方法。但当关键组分的相对挥发度或别离系数小于时，不推荐用普通精馏，该采用质量别离剂，但别离剂应在下一个别离器中别离出来。 规那么2M2法那么，防止温度和压力过于偏离环境条件。如果必须偏离，也宁可向高温或高压方向偏离，而尽量不向低温、低压方向偏离。如不个、得不采用真空蒸馏，可以考虑用液液萃取来代替。如果需要冷冻，可以考虑吸收等替代方案。 规那么3D1法那么，倾向于产生的产品个数最少的别离序列，也就是防止别离那些在同一目标产物组中的组分。 规那么4S1法那么，优先别离具有腐蚀性或毒性
12、的成分。 规那么5S2法那么，难于别离的组分最后别离。特别是关键组分的相对挥发度接近于时，应当在没有非关键组分存在的条件下进行别离。 规那么6C1法那么，在相对挥发度允许的条件下，进料组成最大的组分优先别离。 规那么7C2法那么，在进料组分的组成相差不大，且相对挥发度允许的条件下，倾向于将进料一分为二的别离，即将进料等摩尔地分成塔顶和塔底产品。假设难以判断哪一种别离最接近一分为二，那么可以把易别离系数(CES)值最大的别离点优先别离。易别离系数定义如下： (3-1)其中f为产品摩尔流率比，定义为 (3-2)式中 D塔顶出料摩尔流率； B 塔底出料摩尔流率。式3-1中D为 (3-3)或 (3-4)式3-3表示轻重关键组分间沸点差，式3-4中a为轻重关键组分相对挥发度。易别离系数越大，表示轻、重关键组分越易被别离，所需别离费用一般也较低。4.2 别离系统的总体结构从反响器的操作条件90 0F ，150psia下出来的液相混合物，温度大约在90 0F，经过换热器进行间接升温至340 0F进入别离系统，再通过分别设计蒸汽回收系统和液体别离系统来实现相的最终别离。丁二烯制备丁二烯砜过程的别离系统总体结构如图4.2.1所示：蒸汽别离系统循环去反响器液体 蒸汽进料相别离器反响器系统过程别离系统的总体结构0F，再经过换热器降温至90 0F
