化工系統(tǒng)模擬與優(yōu)化

化工系統(tǒng)模擬與優(yōu)化丁二烯和二氧化硫合成丁二烯砜的案例研究徐國(guó)想指導(dǎo)教師：錢宇教授華南理工大學(xué)化工研究所一九九九年八月

目錄序言0．輸入信息間歇對(duì)連續(xù)流程圖的輸入－輸出結(jié)構(gòu)2．1．流程圖的輸入－輸出結(jié)構(gòu)2．2．設(shè)計(jì)變量和物料衡算的步驟流程圖的循環(huán)結(jié)構(gòu)3．1．過(guò)程循環(huán)結(jié)構(gòu)的決策3．2．流程的物料衡算別離系統(tǒng)4．1．別離序列的綜合4．2．別離系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)丁二烯制備丁二烯砜過(guò)程的全流程模擬5．1．丁二烯制備丁二烯砜過(guò)程的全流程圖5．2．丁二烯制備丁二烯砜過(guò)程的全流程經(jīng)濟(jì)衡算參考文獻(xiàn)附錄PRO/ⅡKEYWORD輸入文件

序言概念設(shè)計(jì)是依據(jù)開(kāi)發(fā)性根底研究的結(jié)果、文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)、現(xiàn)有類似裝置的操作數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)，按照所開(kāi)發(fā)的新技術(shù)工業(yè)化規(guī)模而做出的預(yù)想設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是尋找最正確工藝流程和估算最正確設(shè)計(jì)條件，用以指導(dǎo)過(guò)程研究及提出對(duì)開(kāi)發(fā)性根底研究進(jìn)一步的試驗(yàn)要求，所以，它是根底研究與過(guò)程研究的指南，是整個(gè)開(kāi)發(fā)研究過(guò)程中十分關(guān)鍵的一個(gè)步驟。經(jīng)驗(yàn)指出，如果要考慮所有的可能性，那么對(duì)任何過(guò)程的流程圖一般都可以提出許多方案〔經(jīng)常是104~109個(gè)〕，采用分層次決策的方法，就可以在很大程度上防止了漏掉某些重要方案選擇的情況。概念設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是尋找最正確“方案〞，所以，需要盡快降低要予以考慮的方案數(shù)目，而基于數(shù)量級(jí)分析法的簡(jiǎn)捷算法常常精確得足以消去90％左右無(wú)效益的方案。采用簡(jiǎn)捷算法和分層次決策方法也可以盡快地把信息反響給正致力于開(kāi)發(fā)該過(guò)程的化學(xué)家手中，將有助于化學(xué)家去收集那些有可能獲取最大效益操作范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，并且終止掉那些在有效益操作范圍之外的實(shí)驗(yàn)。分層次決策方法就是把設(shè)計(jì)問(wèn)題簡(jiǎn)化為分層次的決策，其步驟如下：1.間歇對(duì)連續(xù)；2.流程圖的輸入輸出結(jié)構(gòu)；3.流程圖的循環(huán)結(jié)構(gòu)；4.別離系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；5.熱交換器網(wǎng)絡(luò)。

輸入信息反響信息a.可逆反響：丁二烯＋SO2丁二烯砜丁二烯＋SO2丁二烯砜HR=－48,000Btu/mol,Keq×10-11)exp[-36,940/T(0R)],k1×1015)exp[-52,200/T(0R)],k1=k-1Keq[mol/(ft3·h)],反響速率符合化學(xué)計(jì)量關(guān)系，并且采用CSTR反響器。b.反響條件：反響溫度900F,反響器壓力=150psia。c.假設(shè)反響的選擇性為1：d.反響動(dòng)力學(xué)：反響在產(chǎn)品沸點(diǎn)下有顯著的逆反響速率，這時(shí)應(yīng)選擇適宜的反響溫度、二氧化硫與丁二烯的摩爾比，不僅要求轉(zhuǎn)化率高，還要求生產(chǎn)控制穩(wěn)定、產(chǎn)品本錢低，一般選擇二氧化硫與丁二烯的摩爾比r，丁二烯的轉(zhuǎn)化率為40%e.液相，無(wú)催化劑2.丁二烯砜產(chǎn)量：P丁二烯砜=80mol/h3.丁二烯砜的產(chǎn)品純度：xD4.物化數(shù)據(jù)：一般需要的信息是分子量、沸點(diǎn)、蒸汽壓、熱容、汽化熱、反響熱、液體密度和逸度系數(shù)〔或狀態(tài)方程〕。5.費(fèi)用數(shù)據(jù)：SO2＝0.064$/mol，丁二烯＝6.76$/mol，丁二烯砜＝8.50$/mol，反響器的年均建設(shè)費(fèi)是3150[$/(ft3·a)]。

間歇對(duì)連續(xù)采用間歇操作頗為有利的因素產(chǎn)率：a．當(dāng)產(chǎn)率低于10×106lb/a時(shí)，有時(shí)采用間歇；b．如果產(chǎn)率低于1×106lb/a時(shí)，一般采用間歇；c．多產(chǎn)品裝置。市場(chǎng)的力量：a．季節(jié)性生產(chǎn)；b．產(chǎn)品的生存期短。放大問(wèn)題：a．反響的時(shí)間非常長(zhǎng)；b．要處理低流速的漿料；c．快速結(jié)垢性的物料?！?06lb/a〔操作時(shí)數(shù)按8150h/a計(jì)〕，一般采用間歇，但根據(jù)反響的特點(diǎn)，決定選擇一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，操作費(fèi)用和物流費(fèi)用以年為基準(zhǔn)，操作時(shí)數(shù)為8150h/a。

流程圖的輸入－輸出結(jié)構(gòu)2.1流程圖的輸入－輸出結(jié)構(gòu)1.凈化進(jìn)料物流情況：不需凈化進(jìn)料物流。2.可逆的副產(chǎn)品情況：無(wú)可逆副產(chǎn)物。3.氣相循環(huán)。4.產(chǎn)品物流的數(shù)目。所有組分的去向在表2.1中給出，只有一股產(chǎn)品物流。表2.1反響工段各組分去向組分去向SO2循環(huán)C4H6循環(huán)C4H6SO2產(chǎn)品初步的流程圖見(jiàn)圖2.1：CC4H6，SO2C4C4H6C4H6SO2圖2.1丁二烯制備丁二烯砜過(guò)程圖2.1丁二烯制備丁二烯砜過(guò)程的輸入輸出結(jié)構(gòu)2.2.設(shè)計(jì)變量和物料衡算的步驟可能出現(xiàn)在第2層次上的設(shè)計(jì)變量：對(duì)復(fù)雜反響有反響器轉(zhuǎn)化率，反響物摩爾比，反響溫度/或壓力等；過(guò)量反響物的情況，過(guò)量反響物是指既不回收，又不是氣體循環(huán)和放空的反響物。正常情況下，可由設(shè)計(jì)變量開(kāi)發(fā)總物料平衡的公式，而根本不必考慮任何循環(huán)流量。只要總方程式定義缺乏，就必須尋找一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)變量來(lái)完善該問(wèn)題的定義，而這些設(shè)計(jì)變量總是對(duì)應(yīng)于“主要的過(guò)程優(yōu)化〞問(wèn)題。因此，最初的分析總是應(yīng)該只集中于輸入－輸出的流量。

開(kāi)發(fā)總物料平衡的步驟：從規(guī)定的產(chǎn)率入手由化學(xué)計(jì)量關(guān)系求出副產(chǎn)物流量和原料需用量〔以設(shè)計(jì)變量表示〕在反響物需要全部回收和循環(huán)的場(chǎng)合，計(jì)算進(jìn)料物流內(nèi)雜質(zhì)的進(jìn)口流率和出口流率在反響物既不回收也不循環(huán)的場(chǎng)合〔循環(huán)和放空或是空氣或是水〕，以規(guī)定的過(guò)剩量表示，計(jì)算各反響物的出口流率計(jì)算隨第四步中的反響物流帶入的雜質(zhì)的進(jìn)口流率和出口流率。

流程圖的循環(huán)結(jié)構(gòu)過(guò)程循環(huán)結(jié)構(gòu)的決策：需采用一套反響器系統(tǒng)只有一個(gè)主反響，只需要一個(gè)反響器系統(tǒng)。由于反響轉(zhuǎn)化率不可能到達(dá)100%，故原料要循環(huán)回反響器。采用一股氣相循環(huán)物流全流程有一個(gè)回到反響器去的循環(huán)物流。其流程圖見(jiàn)圖2.3。在反響器入口處無(wú)需過(guò)量反響物配置氣體壓縮機(jī)一臺(tái)反響在高壓下進(jìn)行，需要一臺(tái)進(jìn)料氣壓縮機(jī)。反響器采用預(yù)熱方式進(jìn)料通過(guò)改變反響器的停留時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)平衡轉(zhuǎn)化率。二氧化硫丁二烯二氧化硫丁二烯反響器二氧化硫丁二烯反響器二氧化硫丁二烯丁二烯砜別離系統(tǒng)圖2.3丁二烯制備丁二烯砜過(guò)程循環(huán)結(jié)構(gòu)3.2流程的物料衡算初期物料衡算是基于所有有價(jià)值物流全部回收的假設(shè)，衡算結(jié)果將為用PRO/II作流程模擬提供初值。嚴(yán)格的物料衡算待確定別離系統(tǒng)的細(xì)節(jié)后由PRO/II流程模擬結(jié)果給出。1.設(shè)計(jì)變量。將產(chǎn)物分布關(guān)聯(lián)為有限反響物的單程轉(zhuǎn)化率的函數(shù)，即設(shè)計(jì)變量為丁二烯的單程轉(zhuǎn)化率。2.物料衡算。從圖2.3看到，所有進(jìn)入該過(guò)程的丁二烯都轉(zhuǎn)化了〔沒(méi)有丁二烯離開(kāi)系統(tǒng)〕，這是基于丁二烯完全回收的假設(shè)，即忽略掉產(chǎn)品物流中有任何丁二烯的損失。當(dāng)反響轉(zhuǎn)化率為x、反響選擇性為S、丁二烯砜產(chǎn)率為P丁二烯砜時(shí)，該過(guò)程的丁二烯新鮮進(jìn)料量FFC4H6必須為(2-1)令進(jìn)入反響器的丁二烯流率為FC4H6，當(dāng)轉(zhuǎn)化率是x時(shí)，離開(kāi)反響器的丁二烯量是FC4H6(1-x)。對(duì)于完全回收的別離系統(tǒng)，離開(kāi)反響器的流率將等于循環(huán)流率。在反響器前的混合器作一衡算，那么有FFC4H6+FC4H6(1-x)=FC4H6(2-2)于是反響器的進(jìn)料量為FC4H6＝FFC4H6/x(2-3)

4別離系統(tǒng)別離序列的綜合選用探試法選擇簡(jiǎn)單塔塔序。探試法的搜索速度一般比數(shù)學(xué)規(guī)劃法要高得多，如果探試法那么使用得當(dāng)，不需要過(guò)多的計(jì)算便可迅速獲得接近最優(yōu)的別離序列。Nadgir和Liu提出的有序探試法，就是一種較好的別離序列綜合的探試法。Nadgir和Liu把探試法那么分為四大類：別離方法探試〔M探試〕法那么；設(shè)計(jì)探試〔D探試〕法那么組分探試〔S探試〕法那么；組成探試〔C探試〕法那么。這四類探試法那么中包括如下探試法那么，這些探試法那么必須依次順序采用，不可顛倒：規(guī)那么1〔M1法那么〕，盡量采用直接別離法〔只用能量別離劑的別離方法，如普通精餾〕，防止采用間接別離法〔需要用質(zhì)量別離劑的別離方法〕。但當(dāng)關(guān)鍵組分的相對(duì)揮發(fā)度〔或別離系數(shù)〕小于～時(shí)，不推薦用普通精餾，該采用質(zhì)量別離劑，但別離劑應(yīng)在下一個(gè)別離器中別離出來(lái)。規(guī)那么2〔M2法那么〕，防止溫度和壓力過(guò)于偏離環(huán)境條件。如果必須偏離，也寧可向高溫或高壓方向偏離，而盡量不向低溫、低壓方向偏離。如不個(gè)、得不采用真空蒸餾，可以考慮用液液萃取來(lái)代替。如果需要冷凍，可以考慮吸收等替代方案。規(guī)那么3〔D1法那么〕，傾向于產(chǎn)生的產(chǎn)品個(gè)數(shù)最少的別離序列，也就是防止別離那些在同一目標(biāo)產(chǎn)物組中的組分。規(guī)那么4〔S1法那么〕，優(yōu)先別離具有腐蝕性或毒性的成分。規(guī)那么5〔S2法那么〕，難于別離的組分最后別離。特別是關(guān)鍵組分的相對(duì)揮發(fā)度接近于時(shí)，應(yīng)當(dāng)在沒(méi)有非關(guān)鍵組分存在的條件下進(jìn)行別離。規(guī)那么6〔C1法那么〕，在相對(duì)揮發(fā)度允許的條件下，進(jìn)料組成最大的組分優(yōu)先別離。規(guī)那么7〔C2法那么〕，在進(jìn)料組分的組成相差不大，且相對(duì)揮發(fā)度允許的條件下，傾向于將進(jìn)料一分為二的別離，即將進(jìn)料等摩爾地分成塔頂和塔底產(chǎn)品。假設(shè)難以判斷哪一種別離最接近一分為二，那么可以把易別離系數(shù)(CES)值最大的別離點(diǎn)優(yōu)先別離。易別離系數(shù)定義如下：(3-1)其中f為產(chǎn)品摩爾流率比，定義為(3-2)式中D—塔頂出料摩爾流率；B—塔底出料摩爾流率。式〔3-1〕中為(3-3)或(3-4)式〔3-3〕表示輕重關(guān)鍵組分間沸點(diǎn)差，式〔3-4〕中為輕重關(guān)鍵組分相對(duì)揮發(fā)度。易別離系數(shù)越大，表示輕、重關(guān)鍵組分越易被別離，所需別離費(fèi)用一般也較低。4.2別離系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)從反響器的操作條件〔900F，150psia〕下出來(lái)的液相混合物，溫度大約在900F，經(jīng)過(guò)換熱器進(jìn)行間接升溫至3400F進(jìn)入別離系統(tǒng)，再通過(guò)分別設(shè)計(jì)蒸汽回收系統(tǒng)和液體別離系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)相的最終別離。丁二烯制備丁二烯砜過(guò)程的別離系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4.2.1所示：蒸汽別離蒸汽別離系統(tǒng)循環(huán)去反響循環(huán)去反響器液體蒸汽進(jìn)料相別離器反響器系統(tǒng)液體蒸汽進(jìn)料相別離器反響器系統(tǒng)過(guò)程別離系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)0F，再經(jīng)過(guò)換熱器降溫至900F進(jìn)反響器。丁二烯制備丁二烯砜過(guò)程別離系統(tǒng)的初步結(jié)構(gòu)如圖4.2.2所示：循環(huán)去循環(huán)去反響器3400F150psia0F15psia903400F150psia0F15psia900F150psia進(jìn)料閃蒸器2減壓閥反響器系統(tǒng)閃蒸器1減壓閥反響器系統(tǒng)閃蒸器1產(chǎn)品液體產(chǎn)品液體別離系統(tǒng)圖4.2.2丁二烯制備丁二烯砜過(guò)程別離系統(tǒng)的初步結(jié)構(gòu)該別離系統(tǒng)可采用各種替代方案：升高混合物的溫度或降低它的壓力，利用閃蒸器來(lái)實(shí)現(xiàn)相的別離。升高混合物的溫度，采用精餾塔來(lái)分割物流。升高混合物的溫度，采用穩(wěn)定塔來(lái)分割物流。以上各種替代方案按照費(fèi)用遞增的順序排列，故希望采用排列靠前的方案。

5丁二烯制備丁二烯砜過(guò)程的全流程模擬過(guò)程的全流程圖在以上分析的根底上，可進(jìn)行全流程的模擬，利用PRO/II軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，其流程如圖5.1所示。811811M1M121新鮮進(jìn)料C1F121新鮮進(jìn)料C1F19910412763V1F2REACTOR10412763V1F2REACTOR135E3E2E1135E3E2E1過(guò)程的全流程圖

過(guò)程的全流程經(jīng)濟(jì)衡算以年操作時(shí)數(shù)8150小時(shí)為基準(zhǔn)，過(guò)程的經(jīng)濟(jì)潛力為：EP=產(chǎn)品的價(jià)值-原料費(fèi)用-設(shè)備費(fèi)用1．原料及產(chǎn)品費(fèi)用SO2＝0.064$/mol，丁二烯＝6.76$/mol，丁二烯砜＝8.50$/mol2．反響器的費(fèi)用模型采用CSTR反響器，反響器的年均建設(shè)費(fèi)可按下式計(jì)算：3150[$/(ft3·a)]3．閃蒸器的費(fèi)用模型一般閃蒸器的停留時(shí)間為15min左右〔0.25h〕，故閃蒸器的體積可按下式計(jì)算：式中V是閃蒸器的體積〔ft3〕，Qv是進(jìn)入閃蒸器物流的體積流率〔ft3/h〕。取閃蒸器的L/D=1.5，那么閃蒸器的直徑和長(zhǎng)度為：；L=12D在引入投資歸還因子1/3后，閃蒸器的年度建設(shè)費(fèi)用可按下式計(jì)算：在本設(shè)計(jì)中M&S取792，F(xiàn)c=3.67*1.0。換熱器的費(fèi)用模型換熱器的熱負(fù)荷均由PRO/II計(jì)算得到，換熱所需傳熱面積由下式計(jì)算：式中Qc為換熱器的熱負(fù)荷〔Btu/hft20F〕，Uc為傳熱系數(shù)100Btu/hft20F，△Tm是換熱器的對(duì)數(shù)溫差，Ac為換熱器所需換熱面積〔ft2〕。在引入投資歸還因子1/3后，換熱器的年度建設(shè)費(fèi)用可按下式計(jì)算：在本設(shè)計(jì)中M&S取792，當(dāng)采用碳鋼制造的浮頭式換熱器時(shí)Fc=1.0。另外，換熱器的年度操作費(fèi)用〔消耗的冷卻水費(fèi)用〕可按下式計(jì)算：式中冷卻水的價(jià)格為0.06$/1000gal，△Tc是冷卻水的進(jìn)出口溫差，年操作時(shí)數(shù)為8150小時(shí)。換熱器年度費(fèi)用=換熱器年度建設(shè)費(fèi)用+換熱器年度操作費(fèi)用壓縮機(jī)的費(fèi)用模型對(duì)于初期設(shè)計(jì)，假定壓縮機(jī)效率為90%，壓縮機(jī)理論功率hp由PRO/II流程模擬結(jié)果給出，那么制動(dòng)馬力為用Guthrie關(guān)聯(lián)式計(jì)算壓縮機(jī)的建設(shè)費(fèi)用操作費(fèi)用按壓縮機(jī)電機(jī)效率為90%和電費(fèi)為35$/kWh計(jì)算式中bhp單位為kW。一、費(fèi)用數(shù)據(jù)二氧化硫費(fèi)用$/kmol丁二烯費(fèi)用$/kmol丁二烯砜?jī)r(jià)值8．50$/kmol電價(jià)35$/kWh冷卻水×10-4$/kmol設(shè)備費(fèi)用估算價(jià)格指數(shù)M&S=792,并引入投資歸還因子1/3年，以便把建設(shè)費(fèi)用置于年度的基準(zhǔn)上。二、經(jīng)濟(jì)潛力估算以反響轉(zhuǎn)化率x為例1．原料二氧化硫費(fèi)用=(0.064$/mol)(80mol/h)(8150h/a)=104$/a原料丁二烯費(fèi)用=(6.76$/mol)(80mol/h)(8150h/a)=106$/a產(chǎn)品丁二烯砜?jī)r(jià)值=(8.50$/mol)(80mol/h)(8150h/a)=106$/a2．反響器費(fèi)用反響器進(jìn)料體積流率v0=km3/h反響的速度常數(shù)k=1.045s-1(T=900F)×10-4h反響器容積V=0.065m3反響器年度費(fèi)用＝3150[$/(ft3·a)]×35.315ft3/m3104$/a3．閃蒸器費(fèi)用××35.315=2.709ft3式中V是閃蒸器的體積〔ft3〕，Qv是進(jìn)入閃蒸器物流的體積流率〔ft3/h〕。取閃蒸器的L