实例-醋酐数学建模和工艺改进1.ppt
1醋酐精馏工艺的数学建模醋酐精馏工艺的数学建模和工艺改进和工艺改进中国化工学会培训中心中国化工学会培训中心 中国石油和化学工业协会培训中心中国石油和化学工业协会培训中心20112011年年1111月月 成都成都Aspen Plus 流程模拟培训实例2Content一、背景和目的一、背景和目的二、精馏工艺二、精馏工艺Aspen Plus模型的建立模型的建立三、工艺分析及优化三、工艺分析及优化分馏塔操作参数影响精制塔操作参数影响精馏工艺优化四、改进方案和应用情况四、改进方案和应用情况一、研究背景和目的乙烯酮法生产醋酐，醋酸和醋酐相对挥发度小，精馏工艺存在产品浓度偏低(99.0 wt.%)和精制塔分凝器工作不正常等问题；实验室精馏小试过程中体系易液泛；Aspen Plus 中Rad Frac 模块可对精馏工艺进行严格计算；Aspen Plus内置的物性数据库中醋酐和醋酸等物质的物性数据完整且可信度高；采用Aspen Plus模拟和实验室小试方法解决醋酐装置精馏工艺中存在的问题并提出改进方案。3二、Aspen Plus模型的建立乙烯酮法醋酐工艺过程精馏工艺流程 见下页图4醋 酸裂 解吸收精馏产品醋酐4060%醋酐纯醋酸乙烯酮88-92%醋 酐高聚物精馏工艺流程图5V204分馏塔高位槽；E204分馏塔汽化器；T203分馏塔；E205分馏塔塔釜再沸器；V205分馏塔塔顶回流罐；E206分馏塔塔顶冷凝器；T204精制塔；E207精制塔再沸器；E210精制塔塔顶分凝器；E208精制塔塔顶冷凝器；E209成品醋酐冷凝器。Aspen Plus模拟流程6u 工艺查定，得到流程模拟所需要的工艺参数；FEED物料工况 常温，常压，流速260L/h，组成(wt)：醋酸(HOAc)9.8%、醋酐(Ac2O)90%、低沸还原物质(X2)0.05%、双乙烯酮(DK)0.1%、高沸物(X3)：0.05%。单元操作参数见下页表操作单元模型和操作参数7操作单元单元操作模型工艺参数值E204Flash2气相分率0.9975T203Rad Frac塔板数34塔顶采出速率(Kg/h)55回流比3.5进料板位置18全塔压降(Kpa)18塔顶冷凝器冷凝温度()40Murphree 效率(%)70T204Rad Frac塔板数28塔釜采出速率(Kg/h)1蒸发速率(Kg/h)268.2全塔压降(Kpa)4塔顶气相采出分率(wt.%)10物性方法的选取（关键点）气相，醋酸分子的强缔合效应，需采用Hayden-OConnel 方程。也可以采用第二系数维里方程（HYSYS）；液相为一高度非理想体系，可以使用NRTL和WILSON；模拟过程发现NRTL-HOC易收敛，采用；相关参数及纯组分的性质均采用Aspen 数据库中的数据；使用物性分析工具比较文献和Aspen Plus内置的VLE数据，见下页。89Wilson-HOC和文献值的x-y相图NRTL-HOC和文献值的x-y相图Tips：x,y分别为汽液两相中醋酸的质量含量常压条件下，醋酸-醋酐二元相图三、工艺分析和优化1、T203回流比和塔顶采出量对产品浓度、塔釜热负荷的影响；2、T204塔顶分凝器气相分率的影响；3、精馏工艺优化，目标热单耗最低。103.1 T203回流比和塔顶采出量影响敏感度分析不同采出量（D）和回流比（R）对精馏的影响11nD一定，R增加，产品纯度和再沸器热负荷增加；nR相同，D越大，产品纯度和再沸器热负荷越大；n要保证产品合格（99.0%），存在不同的操作状态。3.2 T204塔顶分凝器气相分率的影响脱色和部分脱除不凝性气体、对分离要求不高；生产中，通过控制蒸汽流量来保证正常操作。12气相分率产品浓度wt/%气相温度/)分凝器热负荷/KW0.050.976138.3929.430.100.977138.4428.420.150.978138.4927.410.200.978138.5326.400.250.979138.5625.390.300.980138.6024.383.2 塔顶分凝器不能正常工作的原因分析生产中，开启循环水，导致塔顶无气相采出。原因:分凝器换热量Q=KAtm;换热器:4501500mm；换热管：252.5mm,126根；A=14m2；工况下热负荷Qc=30KW,tm=101；HTFS（EDR）模拟计算出最大污垢系数下：K约为180W/(m2k),工况下所需要的传热面积为1.7m2。换热面积较大，说明分凝器的热交换能力大于正常工作时所需要的热交换量；133.2 T204塔顶分凝器改进方案减小A；减小tm，减小冷却水流量，工艺对出口水温有要求。(能作为塔处理量波动时调整参数)14改造前改造后工艺优化目的：使精馏工序热单耗最小；约束：产品合格99.0wt.%；热单耗计算公式：使用优化（Optimization）工具；Fortran语言计算出产品热单耗，并要求值最小；T203回流比和塔顶采出率为变量。15优化结果操作参数：1）T203回流比R=4.07；2）T203的D:F=0.25，3）塔顶温度126.6，塔釜温度144.6 4）其他操作参数同前。产品纯度99.0 wt.%，产品流率Fp=158.20kg/h，得率为73.8%。产品的热单耗qp=(679340KJ/h+1065631 KJ/h)/158.20kg/h=110.30KJ/kg Tray Rating校核计算，在优化操作条件下，最大液泛系数为23.5%,最大降液管液位/板间距为0.267。16四、结论T203回流比和采出量增大使产品的浓度和再沸器的热负荷增大，且影响显著；T204塔顶分凝器气相分率不同对产品的浓度影响较小，但塔顶分凝器的热负荷变化较大，在整改过程中需要减小分凝器的传热面积来保证分凝器正常工作。确保产品质量达标且单耗最小的操作参数：T203塔回流比R=4.07，采出率58.16kg/h，T204塔顶分凝器气相质量分率0.1。热单耗最小为110.30KJ/kg。17四、改进方案应用情况实验室条件下，改进方案可行；产品质量改善：u纯度合格（99.0%）；u高锰酸钾还原指数明显降低。T204塔顶分凝器能正常工作。19
