化工装备技术专业论文

E1, E2, E3, E4—换热器F1, F2, F3—闪蒸罐EX1—膨胀装置T1—精馏塔R1—反应罐FEED1—初始混合气体FEED2—苯PRODUCT1—主要产品甲烷PRODUCT2—主要产品枯烯BOTTOMS—尾气罐中出来的上部气体S10中主要为甲烷、乙烷和未反应完全的丙烯, 进一步冷凝后作两相分离, 气体尾气BOTTOMS 中主要为乙烷和丙烷, 液体S12中含有丙烯回流进入反应罐。2热力学方法的选择在化工流程模拟软件PRO / II中, 需要通过不多的已知物性数据对物系的热力学性质和传递性质进行估算, 估算的准确与否将直接影响模拟结果的准确性。选择适当的物性方法经常是决定模拟结果的精确度的关键步骤, 选用不恰当的物性方法将得到错误的计算结果。对于绝大多数炼油和石化装置, 所处理的物系均为烃类系统和石油馏分, 其中可能含有一些非烃气体, 如氢气、空气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等。这些都可以认为是非极性物质。对于非极性物质, 可以选用状态方程来计算热力学性质。迄今为止, 文献上发表的状态方程已上百个, 但是经常使用的方程只有十来个, 而最重要、最符合本模型的仅仅2～3个。现选用不同的热力学方法进行估算。211Soave - Redliofi - Kwong状态方程( SRK方程)该方程是Georgi Soave在1972年发表的,其计算公式如下:P =RTV - b-a ( T)V (V + b)式中b = Σixi bibi = 0108664RTci /PciTci、Pci ———成分i的临界温度和临界压力a ( T) = ΣiΣjXiXj ( ai aj ) 1 /2 (1 - Kij )ai = aciαiaci = 0142747 (RTci ) 2 /Pciαi015 = 1 +mi (1 - Tci015 )mi = 01480 + 11574ωi - 01176ωi2ωi ———成分i的离心因子Kij ———成分i和j的二元交互作用参数希腊字母α的导入是为了改善纯组分蒸汽压力的预测, 而联合公式通过Kij的导入来计算a ( T)是为了改善混合物的压力预测。使28 化工流程模拟在蒸馏与反应流程中的应用用Soave公式预测混合物包括两个步骤: 第一, 这个组分的偏心因子ωi 对每个组分都是已调谐的, 这样组分的蒸汽压力可以精确预测; 第二, 字母Kij是组分i和j的二元交互系统的实验数据所确定的, 以便相平衡能够匹配。输入各单元参数和原工艺条件后运算结果见表1。表1 选用SRK方程模拟运算后结果流体名称FEED1 FEED2 PRODUCT1 PRODUCT2 BOTTOMS流量kmol·h - 1 1300197 350 759104 403132 172147成分甲烷01576 01000 01986 01000 01005乙烷01077 01000 01011 01026 01535丙烷01057 01000 01000 01057 01293丁烷01009 01000 01000 01015 01030丙烯01281 01000 01003 01034 01136枯烯01000 01000 01000 01784 8107 ×10 - 6苯01000 11000 01000 01840 01001212Peng - Robinson状态方程( PR方程)该方程于1976 年由Peng和Robinson 提出, 这是另一个立方型状态方程:P =RTV - b-a ( T)V (V + b)式中b = Σixi bibi = 0107780RTci /PciTci、Pci ———成分i的临界温度和临界压力a ( T) = ΣiΣjXiXj ( ai aj ) 1 /2 (1 - Kij )ai = ac iαiaci = 0145724 (RTci ) 2 /Pciαi015 = 1 + ni (1 - Tci015 )ni = 01480 + 11574ωi - 01176ωi2ωi ———成分i的离心因子Kij ———成分i和j的二元交互作用参数代入与SRK方程相同的数据运算模型, 结果见表2。表2 选用PR方程模拟运算后结果流体名称FEED1 FEED2 PRODUCT1 PRODUCT2 BOTTOMS流量kmol·h - 1 1300197 350 749125 405101 170155成分甲烷01576 01000 01982 01000 01005乙烷01077 01000 01013 01028 01478丙烷01057 01000 01000 01059 01292丁烷01009 01000 01000 01015 01029丙烯01281 01000 01005 01035 01195枯烯01000 01000 01000 01780 915 ×10 - 6苯01000 11000 01000 01830 01001213Benedict - Webb - Rubin - Starling状态方程(BWRS方程)该方程于1973年由Starling提出, 计算公式为:P =ρRT + (B0 RT -A0 C0T2 -E0T4 )ρ2+ ( bRT - a -dT)ρ3 +α( a +dT)ρ6+cρ3T2 (1 + rρ2 ) exp ( - rρ2 )对此方程进行运算, 所得结果为模型运行错误。根据两种方法计算结果与实际情况的比较, SRK热力学方法比PR热力学方法在本模型中更接近实际, 故优先选用。3工艺优化运用化工流程模拟软件可以很方便地修改工艺参数, 从而得出更好的工艺。311改变S4的进料位置S4为初始混合流体冷凝闪蒸后的液态混合物, 改变其进入蒸馏塔塔板的位置, 综合比较各产品和剩余气体的流量、浓度, 从而得到最佳进料点。模拟运算结果见表3。从表3可以看出, 根据产品甲烷的浓度和尾气枯烯的含量对比, 物料S4的最佳进料位置为蒸馏塔塔板的第4层。312改变蒸氨后换热器E3、E4的换热温度换热器E3、E4的换热温度改变后, 产品《化工装备技术》第28卷第4期2007年29表3 选用PR方程模拟运算后结果进料塔板位置甲烷流量kmol·h - 1甲烷浓度%枯烯流量kmol·h - 1枯烯浓度%尾气枯烯含量×10 - 6第1层74813022 98153 31519965 77178 810865第2层74813057 98155 31611300 78138 810683第3层74813071 98157 31611293 78138 810557第4层74813073 98157 31611291 78138 810547第5层74813075 98156 31611290 78137 810551第6层74813074 98156 31611289 78137 810556第7层74813072 98155 31611287 78137 810552和尾气中枯烯的流量和浓度及回流进入反应罐的回流流量也相应改变, 运算后结果见表4、表5, 综合比较可得最佳温度控制点。表4 换热器E3换热温度的改变温度℃产品枯烯流量kmol·h - 1产品枯烯浓度%尾气流量kmol·h - 1尾气枯烯含量×10 - 6S12回流流量kmol·h - 78138 17212960 810547 71429040 31614791 79147 17710329 810236 101454045 31618976 80147 18019907 810753 141356650 31714018 81139 18413300 811881 191354355 31719984 82104 18710697 813625 251656560 31813206 82155 18912116 816035 3814790从表4可以看出, 随着换热器E3换热温度的升高, 产品枯烯的产量和浓度增加, 尾气中枯烯的浓度也升高, 但变化不是很大, 只是回流流量增加较快, 选择换热温度为50℃。表5 换热器E4换热温度的改变温度℃产品枯烯流量kmol·h - 1产品枯烯浓度%尾气流量kmol·h - 1尾气枯烯含量×10 - 6S12回流流量kmol·h - 1- 25 31714018 81139 18413300 811881 1913543- 28 31716092 81119 18218178 410633 3415521- 29 31717248 81108 18119248 310836 4416888- 30 31718947 80194 18017796 212878 6011557- 31 31811412 80177 17911549 116735 8319138- 32 31815234 80158 17619915 112163 12117759分析表5的数据可以得到, 温度越高, 虽然产品中枯烯的浓度越高, 但尾气中枯烯的含量也越高, 当温度过低时, 在产品浓度降低的同时, 回流量也加大了, 回流管线的负荷也就较大。所以综合考虑, 选择换热器E4的冷却出口温度为- 30℃。313调节苯的加入量根据蒸馏后塔底流体的丙烯含量, 再考虑回流流体中的丙烯及苯的含量, 调节苯的加入量。从表6可以看出, 随着原料苯的增多, 产品丙烯的产量有所提高, 其浓度变化不大, 尾气中丙烯的含量也增加了。根据表6数据, 苯的加入量控制在365kmol/h左右为最好。表6 调节苯的加入量苯流量kmol·h - 1产品枯烯流量kmol·h - 1产品枯烯浓度%尾气流量kmol·h - 1尾气枯烯含量×10 - 6S6回流流量kmol·h - 1350 31718947 80194 18017796 212878 6011557360 32616796 81109 17119535 215423 4910288365 33110751 81117 16715021 216837 4411746370 33514825 81125 16311646 218253 3919938380 34413002 81143 15414345 311396 3216252390 35311362 81161 14518579 314811 2616930314优化前后数据对比比较优化前后产品的流量和浓度, 以及尾气中有毒气体枯烯的含量, 从表7 中可以看出, 优化后产品中枯烯的浓度得到提高, 尾气中枯烯的含量也降低到规定的标准之下。表7 优化前后数据比较甲烷流量kmol·h - 1甲烷浓度%枯烯流量kmol·h - 1枯烯浓度%尾气流量kmol·h - 1尾气中枯烯含量×10 - 6优化前74813057 98155 31611300 78138 17214739 810683优化后74813073 98157 33110751 81117 16715021 2168374结束语(1 ) 选择了最符合本模型的热力学方法, 对工艺流程进行了优化。(2) 提高了产品的浓度和流量, 尾气中枯烯的含量也控制在规定范围以内。(3) 为工艺控制提供理论依据, 实际生产中还可以通过调节换热器(E3、E4)的换热温

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