年产5万吨丙烯直接水合制备异丙醇工艺Aspen模拟

1.流程描述1.1异丙醇合成工段图1-1异丙醇合成工段异丙醇合成单元主要分为原料缓冲单元，原料混合单元，原料反应单元。原料缓冲单元：液态丙烯从罐区来，进入到缓冲罐V0103，除盐水直接来自除盐水站，进入到缓冲罐V0101，缓冲罐使反应物有一个10-15min的停留时间，这为后续工段提供一个稳定的进料状况，保证后续工段的正常进行。原料混合单元：从缓冲罐V0103出来的液态丙烯和未完全反应的循环回来的气态丙烯在罐V0104中混合，从缓冲罐V0101出来的除盐水和循环回来的除盐水在V0102当中混合，混合后的丙烯流股和除盐水流股在MG0101液动式微界面发生器当中混合，该发生器可以将流股当中的气态丙烯破碎成微米级的气泡，使其变成气液乳化物，强化丙烯和水的传质和混合效果。充分混合后的丙烯和水经过E0101进行一次流股间换热之后进入反应器。原料反应单元：丙烯和水在R0101反应器当中进行反应，催化剂为磷酸/硅藻土。该反应为放热反应，反应会生成异丙醇和少量正丙醇，二异丙醚。1.2原料回收工段图1-2原料回收工段原料气回收工段主要包括透平能量回收单元、丙烯气初分离单元、倾析单元、丙烯气再分离单元。透平能量回收单元：从R0101反应器出来的反应产物流股为高压高温流股，压力19bar，温度291℃，之后我们需要将该产品流股进行一个冷凝倾析，以使得大部分水分离开来，因此对该流股进行降温。为了充分回收流股能量，我们在这里使用透平膨胀机（TG0201）来回收流股当中的能量，高压蒸汽通过推动汽轮转动来发电，气体的压力能和热能转化为透平机输出的电能，气体因此获得压降和温度降，气体通过后温度降为155℃，压力为11bar，更低的压力减少了后续设备的制造费用，并且温度和压力被转化为电力输出。丙烯气初分离单元：从透平机出来的粗异丙醇流股，经过两次换热冷凝，为了节约后续冷凝所需要的能量，我们首先对该产品流股进行一次气液分离，使得产品流股中丙烯不凝气被分离出一部分进入到M0201混合气中。倾析单元：从气液分离罐V0201出来的产品流股经过一次冷凝完全变为液态，该液态产品流股进入倾析器当中进行分离，在倾析器当中，异丙醇溶于丙烯，二异丙醚等有机相，有机相在倾析器上层，水相在倾析器下层，从而完成有机相和水相的分离。丙烯气再分离单元：完成粗脱水的产品流股进入T0201脱丙烯精馏塔，在脱丙烯精馏塔当中，丙烯和粗产品流股完成分离，丙烯气循环回M0201混合器中。1.3异丙醇精制工段（1）精制工段-1图1-3异丙醇精制单元-1异丙醇精制工段-1分为脱二异丙醚单元、脱正丙醇单元。脱二异丙醚单元：产品流股进入T0301脱二异丙醚塔，在脱二异丙醚塔中，粗二异丙醚从塔顶采出，实现粗二异丙醚和产品流股的分离。脱正丙醇单元：完成二异丙醚的脱除之后，产品流股进入脱正丙醇单元，在无热泵技术的情况下，对该工艺流程进行能量分析，从组合曲线中可以得知，在85℃左右存在热平台且能量较大，通过分析知道该平台处为脱正丙醇精馏塔T0302塔顶塔底温差为15℃，且存在较大的相变热，可以采用热泵技术。我们将脱正丙醇精馏塔T0302的冷凝器取消，直接引出塔顶气相，通过压缩机加压，提高塔顶采出气体温度，作为热源送至至塔釜再沸器换热，放出热量冷凝部分气体，再经节流阀减压，由于本项目对塔顶产品纯度有一定要求，故在节流后继续通过较为经济的二次冷凝用冷却水降温至泡点，冷凝后的流股一部分送往下一单元继续精制，另一部分返回塔顶回流。在整个过程中，塔顶流股经过了流股间换热，减少了二次冷凝时冷却水得用量，塔釜则在换热过程中已经达到再沸负荷的要求，做到了节能降耗。（2）精制工段-2图1-4异丙醇精制工段-2异丙醇精制工段-2分为萃取及溶剂回收单元、有机朗肯循环单元。萃取剂及溶剂回收单元：完成正丙醇脱除之后，产品流股进入T0303塔，因为异丙醇和水在80.14℃，87.7wt%（水的质量分数）的组成下会形成共沸物，因此常规难以将两者分离开来，在此我们使用乙二醇作为萃取剂，乙二醇的加入可以改变异丙醇和水的相对挥发度，使得异丙醇可以和水分离开来，异丙醇从T0303塔顶采出。乙二醇和水进入T0304塔进行乙二醇的回收，水的沸点高于乙二醇，因此水从T0304的塔顶采出，乙二醇从T0304的塔底采出，采出的乙二醇循环回萃取塔。有机朗肯循环单元：在T0303塔顶采出的异丙醇流股温度为82℃，我们在此使用有机朗肯循环技术来回收这部分能量，在有机朗肯循环单元中，正丁烷为循环有机工质，正丁烷液体在换热器E0308当中换热汽化，推动TG0302透平机转动发电，将气体的高压能量和热量转化为电量，释放完能量的工质经过冷凝，再次循环。2.Aspen模拟设计过程2.1组分的输入在“Properties”—“components”中输入该流程涉及到的相关参数，丙烯、水、异丙醇、正丙醇、等组分。2.2物性参数的选择在“Properties”—“Methods”中选择物性参数为“NRTL”，因为NRTL能处理任意极性和非极性的混合物，甚至强非理想性混合物。2.3流程模拟在“simulation”界面搭建流程，该流程可分为三个部分，异丙醇合成工段、原料回收工段和异丙醇精制工段。2.4流程参数的设置2.4.1进料参数的设置异丙醇合成工段主要包括丙烯和水原料的进料参数设置。原料水的参数设置：流股“0101”的进料参数设置：工业水的进料温度为25℃，进料压力为13bar，进料量为129.767kmol/h。原料丙烯的参数设置：流股“0106”的进料参数设置：丙烯的进料温度为35℃，进料压力为18bar，进料量为144.977kmol/h，进料组成为0.996的丙烯和0.004的丙烷。异丙醇精制工段的进料主要是萃取剂的进料参数设置流股“0204”的进料参数设置：乙二醇萃取剂的进料温度为85.5436℃，进料压力为1.2bar，进料量为0.007kmol/h。2.4.2设备参数的设置2.4.2.1异丙醇合成工段的参数设置（1）丙烯原料处理丙烯经过储罐V0103由泵P0102输送至混合器V0104，然后进入混合器M0101中与原料水混合。其中涉及到的参数设置如下:储罐V0103：采用的模型Flash2，温度为35℃，压力为18bar。泵P0102：采用的模型为Pump，加丙烯原料加压至22bar混合器V0104：采用的模型是Mixer模型，压降为0.5bar。（2）工业水原料处理工业水从储罐V0101由泵P0101输送至混合器V0102，然后进入混合器M0101中与原料丙烯混合。其中涉及到的参数设置如下:储罐V0101：采用的模型Flash2，温度为35℃，恒压。泵P0101：采用的模型为Pump，加丙烯原料加压至22bar混合器V0104：采用的模型是Mixer模型，压降为0.5bar。（3）反应单元原料混合液依次精馏E0101和E0102加热后进入反应器R0101中参与反应。换热器E0101选用的模块是HeatX，将原料混合液加热至181℃，即将冷流股的出口温度设置为181℃。换热器E0102选用的模块是Heater，将原料混合液加热至190℃，压降为0.5bar。反应器R0101选用的模型是“RPlug”模型，采用嵌套式。其中R0101用RPlug模型用来模拟主反应，采用的是动力学方程，R0102采用的模型是Rstoic，转化率反应器用来模拟副反应。（主要是因为副反应的动力学参数在文献上比较难找，甚至就没有）R0101的参数设置：长度为6.4米，直径为1.8米。R0102的参数设置：恒压（0bar），绝热（duty为0kW）2.4.2.2原料回收工段的参数设置（1）反应产物蒸汽透平膨胀机TQ0201的参数设置：选用的模型是turbine膨胀压力为11bar。

（2）冷却器E0201的参数设置：选用的模型是Heater，冷凝温度为105℃（3）冷却器E0202的参数设置：选用的模型是Heater，在恒压条件下，将产物冷却至气液两相，其中气相分率为0.02。（4）冷却器V0202的参数设置：选用的模型是Flash2，在恒压条件下，将产物冷却至气液两相，其中气相分率为0.02。（5）混合器M0101：采用的模型是Mixer模型，压降为0.5bar。（6）多级压缩机C0201：选用的级数为两级（7）换热器E0201的参数设置：换热器E0201选用的模块是HeatX，保证冷流股出口状态为液态。（8）冷却器E0203的参数设置：选用的模型是Heater，冷却温度为30℃，压降为0.5bar。（9）水粗分析器V0202：采用的模型是组分分离器Decanter的模型，在压降为0.5bar，温度为30℃的条件下，将流股中的水分进行分离。（10）泵P0202的参数设置：Pump，加压至2bar（11）原料回收塔T0201的参数设置：选用的模型是RadFrac，T0201的塔板数为9，采用部分冷凝，精馏量为1.5kmol/h，摩尔回流比为0.723381，进料位置为第3块塔板。塔顶压力为9.5bar，第2块塔板的压降为0.5bar，全塔的压降为0.5bar。2.4.2.3异丙醇精制工段的参数设置（1）精馏塔T0301的参数设置精馏塔T0301选用的模型是RadFrac，T0301的塔板数为32，采用部分冷凝，精馏量为7.5kmol/h，摩尔回流比为0.125，进料位置为第17块塔板。塔顶压力为9.2bar，第2块塔板的压降为0.5bar，全塔的压降为0.5bar。（2）水轮机TG0301的参数设置：采用的模型为Pump，加丙烯原料加压至1.5bar。（3）热泵精馏塔单元1）精馏塔T0302的参数设置精馏塔T0301选用的模型是RadFrac，T0302的塔板数为35，没有冷凝器与再沸器设置。进料位置为第23块塔板、塔顶进料和塔底进料。塔顶压力为1.2bar，全塔的压降为0.05bar。2）压缩机C0301的参数设置：选用模型为Compressor，压缩压力为2.64bar。3）分离器V0302的参数设置：选用的模型为FSplit，流股0313的分离率为0.0007057874）冷却器E0303的参数设置：选用的模型是HeatX，保证冷流股的为气相。5）节流阀VA0301的参数设置：选用的模型为Value，压力为1.2bar。6）冷却器E0304的参数设置：选用的模型是HeatX，保证流股出口的为液相。7）分离器V0303的参数设置：选用的模型为FSplit，流股0322的分离率为0.383678（4）朗肯循环的参数设置1）储罐E0303：采用的模型Mixer不进行参数设置。2）精馏塔T0303的参数设置精馏塔T0303选用的模型是RadFrac，T0303的塔板数为17，全冷凝。精馏量与进料量的比值为0.20，摩尔回流比为1.04041，进料位置为第13块塔板和4块塔板。塔顶压力为1bar，全塔的压降为0.2bar。3）精馏塔T0304的参数设置精馏塔T0304选用的模型是RadFrac，T0304的塔板数为12，全冷凝。精馏量与进料量的比值为0.244003，摩尔回流比为7