《化工过程分析和合成设计》课程设计报告
《Analysis, synthesis, and Design of Chemical Processes》Design
Report
10万吨/年乙醇装置 生产流程设计
Process Flow Design of 100,000 Tons Ethanol Production
彭绍洪
周继亮
陈立军
指导教师 专业名称 年级 单位名称
钱
宇
教授 博 士
陆恩锡
教授
化 学 工 程 2003 化 工 学 院
完成日期: 2004年 3 月
I
乙醇生产过程设计
本部分主要是根据现有的参数数据结合文献数据进行反应器设计 1 与生产相关信息 1.1 反应方程式:主反应:C2H5 + H2O→C2H5OH 副反应:C2H5 + C2H5→C2H5OC2H5+H2O C2H5OH→C2H4O+H2 1.2 反应条件:温度:280℃~300℃ 压力:6.08~7.1MPa 水稀比:0.6 1.3 催化剂选择:磷酸-膨润土催化剂 1.4 反应为气固催化反应 1.5 乙醇浓度:95%;乙醇产率:10 万吨/年;每年生产时间以 300 天计算 1.6 原料:99%乙烯 1.7 采用连续操作 2 设备工艺技术参数设计 2.1 水合器参数设计 乙烯水合生成乙醇是在催化剂表面进行的非均相反应, 其机理较为复杂, 反应动力学方 程式与催化剂的选择有关,很难根据反应速度方程式确定反应器的容积及几何尺寸.这里, 我们根据实际生产中一定生产能力下的空速和这一空速下所需催化剂的体积来设计水合器 的尺寸.10 万吨乙醇生产装置乙烯的空速约为 1100h-1,于是催化剂容积为:
V =
式中 V — 催化剂容积,米3
v0 v = 0 U 1100
v 0 — 标准状态下乙烯的容积流率,米3/小时
U— 空速,标米3乙烯/米3催化剂h-1 乙烯转化为乙醇的单程转化率约为 4%-5%,因此根据设计生产能力计算乙烯的容积流 率 v 0 约为 169000m3/h.计算得到所需催化剂容积V约为 160m3,为保证生产能力,设计催化 剂容积为 180 m3.取高径比H/D =3-4 确定水合器直径. 2.1.1 水合器设计:内径为 4.0m,外径 4.2m,高度为 13.5m. 设计压力:8.5MPa 设计温度:350℃ 水合器顶部设气体再分布器合磷酸喷淋装置. 采用碳钢做筒体,再以铜做衬里防止磷酸对筒体的腐蚀. 催化剂:采用磷酸-鹏润土做催化剂. 2.2 热交换器参数设计 用superpro进行模拟,采用列管式换热器,假定没有热损失,冷热流体充分接触,需要 换热面积为 98.03m2. 在实际选型中要考虑热量损失,换热不充分的问题,选择换热面积约为 110m2. 2.3 热器参数设计
由于从换热器流出的物流还没有达到 290℃的反应温度,考虑用电加热器进行加热. 假定没有热量损失,Superpro 模拟得到加热器功率须 198.27kW/h.考虑到热量损失,实际 选型中选择电加热器功率为 220kW/h. 3 分离系统设计 含乙烯 99 %的原料气经原料气压缩机压到 7.0MPa,与循环压缩机出口的循环气汇合. 乙烯气经换热后与高压蒸汽混合加热,合成气终温达到 290℃进水合器,大约有 7%的乙烯 反应,物料温升大约 20℃.反应后的气体经过一系列换热器换热冷却,温度降到 50℃左右 进入分离系统. 设计的分离系统大致分为三个部分:反应产物预处理,粗醇精馏,乙醇精制. 3.1 反应产物预处理 由于乙烯的转化率很低, 反应后的物料大部分是未反应的乙烯气体和水, 因此我们选用 一个高压分离器把不凝气和水,乙醇等产物分开,高压分离器的压力为 6.5-7.0MPa.从高压 分离器顶部流出的气体再送入一个醇洗塔, 把随气体排出的乙醇用水吸收. 从醇洗塔出来的 气体做循环气和进料气混合再参加反应. 部分循环气排出系统以防止惰性气体积累, 从高压 分离器合醇洗塔底部流出的液相进入下一级粗醇精馏. 3.1.1 醇洗塔 对于稀溶液等温吸收,溶剂和溶质的关系可满足 Y*=mX,可以 Kremser 方程来计算气体 吸收塔所需要的理论塔板数:
y mx i 1 N T + 1 = ln1 + ( A 1) i y o mx i ln A
式中 NT— 吸收塔理论板数
x i — 溶剂中溶质的摩尔分率 y i , y o — 进出塔气体中的溶质摩尔分率
A=
L mG
N T + 2 = 6 log yi yo
用"便捷"近似法,可以将上方程简化为
对于 99%的回收率,预计塔板数是 10,取总板效率为ET=0.4. 则所需要的真实塔板数是 25.根据实际板数进而可求得塔高.板间距取 0.5m,两端共加上 2m,则塔的高度为:25×0.5 + 2 = 14.5m.塔径由处理气量Vs(m3/h)和空塔气速u来确定, 设定空塔气速为 2880m/h.塔径 D =
4VS ,计算得D然后按标准塔径圆整为 2.2m.溶剂 πu
用蒸馏系统的废水,不用消耗公用工程. 3.2 精馏段 蒸馏塔顺序选择的原则为: 将毒性组分优先移出流程. 优先移出化学性质活泼和热敏性物质. 优先移出腐蚀性组分,以免增加设备制造费用.
3
最大含量的组分优先分离. 最轻组分优先分离. 最困难的组分最后分离. 经过预处理后的粗醇组成主要是水,乙醇,乙醚,乙醛,其他杂质如正丁醇和辛烯,乙 烯和其它气体.它们的含量大致为 乙烯和其他气体 含量,(wt) % 正常沸点 1.63 小于 0℃ 乙醛 0.07 20.16℃ 乙醚 0.6 34.48℃ 乙醇 19 78.32℃ 水 78.1 100.0℃ 其他物质 0.6 大于 110℃
由于乙醚和乙醛是轻组分,因此先在乙醚塔中分离它们. 3.3 乙醚塔 根据Aspenplus 的模拟结果(详见附录2),塔采用严格计算有: 回流比R= 0.51617, 塔板数N= 20, 进料塔板位置11, 冷凝器热负荷Q 冷凝器= 18,848.8 cal/s, 再沸器热负荷Q 再沸器= 266,621 cal/s, 实际设计的过程中,取塔板效率E=0.5,则有实际的塔板数为N 实际=20/0.5=40,板间距 取0.5m,两端共加上2m,则塔的高度为: H = 40 × 0.5 + 2 = 22m 此塔的塔径可由下式计算: D=(4V/uπ)0.5 =1.206m, 3.4 粗醇浓缩塔 根据Aspenplus 的模拟结果(详见附录3),塔采用严格计算有: 回流比R= 2.4, 塔板数N= 26, 进料塔板位置12, 冷凝器热负荷Q 冷凝器= 926450 cal/s, 再沸器热负荷Q 再沸器= 953941 cal/s, 实际设计的过程中,取塔板效率E=0.5,则有实际的塔板数为N 实际=26/0.5=52,板间距 取0.6m,两端共加上2m,则塔的高度为: H = 52 × 0.6 + 2 = 33.2m, 此塔的塔径可由下式计算: D=(4V/uπ)0.5 =1.02m2. 3.5 萃取精馏塔 难于精馏除去的羰基化合物再催化剂存在下处理后, 进入萃取精馏塔处理, 萃取剂为水. 根据Aspenplus 的模拟结果(详见附录4),塔采用严格计算有: 回流比R= 3.0, 塔板数N= 28, 进料塔板位置13, 冷凝器热负荷Q 冷凝器= 1,072,110 cal/s, 再沸器热负荷Q 再沸器= 1,362,820 cal/s, 4
实际设计的过程中,取塔板效率E=0.5,则有实际的塔板数为N 实际=28/0.5=56,板间距 取0.6m,两端共加上2m,则塔的高度为: H = 56 × 0.6 + 2 = 35.6m, 此塔的塔径可由下式计算: D=(4V/uπ)0.5 =0.98 m2. 3.6 乙醇精制塔 将多级萃取精馏脱杂质的乙醇液再进行精馏,得到95%乙醇.根据Aspenplus 的模拟结 果(详见附录5),塔采用严格计算有: 回流比R= 4.4, 塔板数N= 26, 进料塔板位置15, 冷凝器热负荷Q 冷凝器= 959,779 cal/s, 再沸器热负荷Q 再沸器= 1,671,070 cal/s, 实际设计的过程中,取塔板效率E=0.5,则有实际的塔板数为N 实际=26/0.5=52,板间距 取0.6m,两端共加上2m,则塔的高度为: H = 52 × 0.6 + 2 = 33.2m, D=(4V/uπ)0.5 =1.11 m2. 附录 1
S-103 P-3 / EH-101 Electric Heating S-105 S-111 S-108 S-104 P-4 / V-101 PF Stoich Rxn S-122 S-101 / MX-101 P-1 Mixing P-2 / HX-101 Heat Exchanging S-109 S-107 P-5 / V-102 Flash P-6 / C-101 Absorption S-110 S-106
P-11 / MX-102 Mixing
S-121
S-114 S-112 S-113
S-115
S-118
S-119
S-117 P-8 / C-103 S-116 Distillation
P-7 / C-102 Distillation
P-12 / V-103 PF Stoich Rxn
P-9 / C-104 Distillation
P-10 / C-105 S-120 Distillation
附录 2 5
BLOCK: B1 MODEL: RADFRAC ------------------------------INLETS -1 STAGE 11 OUTLETS - 2 STAGE 1 3 STAGE 20 PROPERTY OPTION SET: UNIFAC ***
UNIFAC / REDLICH-KWONG
MASS AND ENERGY BALANCE *** IN OUT
RELATIVE
DIFF. TOTAL BALANCE MOLE(KMOL/HR ) MASS(KG/HR ) ENTHALPY(CAL/SEC )
1306.00 30735.5 -0.243002E+08
1306.00 30735.5 -0.240525E+08
0.000000E+00 -0.196484E-13 -0.101964E-01
********************** **** INPUT DATA **** ********************** **** INPUT PARAMETERS **** 22 NEWTON AZEOTROPIC NO SIMULT 25 50 0.00010000
NUMBER OF STAGES ALGORITHM OPTION INITIALIZATION OPTION HYDRAULIC PARAMETER CALCULATIONS DESIGN SPECIFICATION METHOD MAXIMUM NO. OF NEWTON ITERATIONS MAXIMUM NUMBER OF FLASH ITERATIONS FLASH TOLERANCE COLUMN EQUATIONS CONVERGENCE TOLERANCE 0.100000-06 **** COL-SPECS ****
MOLAR VAPOR DIST / TOTAL DIST MOLAR REFLUX RATIO MOLAR DISTILLATE RATE **** P-SPEC PROFILES **** STAGE 2 1
KMOL/HR
1.00000 0.10000 4.00000
PRES, ATM
1.00000 1.00000
6
******************* **** RESULTS **** *******************
***
COMPONENT SPLIT FRACTIONS
***
2
OUTLET STREAMS -------------3
COMPONENT: METHA-01 1.0000 .14034E-16 ETHAN-01 1.0000 .46826E-15 ETHAN-02 .10000E-02 .99900 DIETH-01 .99900 .10000E-02 WATER .11874E-04 .99999 ACETA-01 .16764 .83236
***
SUMMARY OF KEY RESULTS
*** 313.683 386.215 6.59339 1,293.23 12.7738 99.0017 0.51617 0.076554 -18,848.8 266,621.
TOP STAGE TEMPERATURE K BOTTOM STAGE TEMPERATURE K TOP STAGE LIQUID FLOW KMOL/HR BOTTOM STAGE LIQUID FLOW KMOL/HR TOP STAGE VAPOR FLOW KMOL/HR BOTTOM STAGE VAPOR FLOW KMOL/HR MOLAR REFLUX RATIO MOLAR BOILUP RATIO CONDENSER DUTY (W/O SUBCOOL) CAL/SEC REBOILER DUTY CAL/SEC
****
MANIPULATED VARIABLES
**** BOUNDS
CALCULATED LOWER VALUE MOLAR REFLUX RATIO MOLAR DISTILLATE RATE 12.774 0.00000E+00 0.00000E+00 UPPER 200.00 0.51617 0.10000E+06
KMOL/HR
7
****
DESIGN SPECIFICATIONS QUALIFIERS
**** UNIT SPECIFIED VALUE 0.99900 VALUE
NO SPEC-TYPE CALCULATED 1 MOLE-RECOV 0.99900
STREAMS: 2
COMPS: DIETH-01 BASE-STREAMS: 1 2 MOLE-RECOV STREAMS: 3 0.99900 COMPS: ETHAN-02 BASE-STREAMS: 1 附录 3 BLOCK: B1 MODEL: RADFRAC ------------------------------INLETS -1 STAGE 12 OUTLETS - 2 STAGE 1 3 STAGE 26 PROPERTY OPTION SET: UNIFAC ***
0.99900
UNIFAC / REDLICH-KWONG
MASS AND ENERGY BALANCE *** IN OUT
RELATIVE
DIFF. TOTAL BALANCE MOLE(KMOL/HR ) MASS(KG/HR ) ENTHALPY(CAL/SEC )
1306.00 30489.2 -0.242094E+08
1306.00 30489.2 -0.214603E+08
0.000000E+00 0.354248E-10 -0.113556
********************** **** INPUT DATA **** ********************** **** INPUT PARAMETERS **** 21 STANDARD NO STANDARD NO BROYDEN
NUMBER OF STAGES ALGORITHM OPTION ABSORBER OPTION INITIALIZATION OPTION HYDRAULIC PARAMETER CALCULATIONS INSIDE LOOP CONVERGENCE METHOD
8
DESIGN SPECIFICATION METHOD MAXIMUM NO. OF OUTSIDE LOOP ITERATIONS MAXIMUM NO. OF INSIDE LOOP ITERATIONS MAXIMUM NUMBER OF FLASH ITERATIONS FLASH TOLERANCE OUTSIDE LOOP CONVERGENCE TOLERANCE **** COL-SPECS ****
NESTED 25 10 50 0.00010000 0.00010000
MOLAR VAPOR DIST / TOTAL DIST MOLAR REFLUX RATIO MOLAR DISTILLATE RATE **** P-SPEC PROFILES **** STAGE 2 1
KMOL/HR
1.00000 3.20000 4.00000
PRES, ATM
1.00000 1.00000
******************* **** RESULTS **** *******************
***
COMPONENT SPLIT FRACTIONS
***
2 COMPONENT: WATER .70000 ETHAN-01 1.0000
OUTLET STREAMS -------------3 .30000 .24660E-20
***
SUMMARY OF KEY RESULTS
*** 365.869 403.168 33,866.6 317.358 988.642 35,242.2 34.2556 111.049 -0.926450+06
TOP STAGE TEMPERATURE K BOTTOM STAGE TEMPERATURE K TOP STAGE LIQUID FLOW KMOL/HR BOTTOM STAGE LIQUID FLOW KMOL/HR TOP STAGE VAPOR FLOW KMOL/HR BOTTOM STAGE VAPOR FLOW KMOL/HR MOLAR REFLUX RATIO MOLAR BOILUP RATIO CONDENSER DUTY (W/O SUBCOOL) CAL/SEC
9
REBOILER DUTY 附录 4 BLOCK: B1 MODEL: RADFRAC ------------------------------INLETS -1 STAGE 13 OUTLETS - 2 STAGE 1 3 STAGE 28 PROPERTY OPTION SET: UNIFAC
CAL/SEC
0.953941+06
UNIFAC / REDLICH-KWONG
*********************************************************************** * * * ERRORS IN BLOCK CALCULATIONS * * * * * * *********************************************************************** * COLUMN NOT CONVERGED IN MAX ITERATIONS
***
MASS AND ENERGY BALANCE *** IN OUT
RELATIVE
DIFF. TOTAL BALANCE MOLE(KMOL/HR ) MASS(KG/HR ) ENTHALPY(CAL/SEC )
1306.00 30503.4 -0.244697E+08
1306.00 30503.4 -0.241790E+08
0.522298E-15 0.596324E-15 -0.118801E-01
********************** **** INPUT DATA **** ********************** **** INPUT PARAMETERS **** 20 NEWTON AZEOTROPIC NO SIMULT 25
NUMBER OF STAGES ALGORITHM OPTION INITIALIZATION OPTION HYDRAULIC PARAMETER CALCULATIONS DESIGN SPECIFICATION METHOD MAXIMUM NO. OF NEWTON ITERATIONS
10
MAXIMUM NUMBER OF FLASH ITERATIONS FLASH TOLERANCE COLUMN EQUATIONS CONVERGENCE TOLERANCE 0.100000-06 **** COL-SPECS ****
50 0.00010000
MOLAR VAPOR DIST / TOTAL DIST MOLAR REFLUX RATIO MOLAR DISTILLATE RATE **** P-SPEC PROFILES **** STAGE 2 1
KMOL/HR
1.00000 3.00000 400.000
PRES, ATM
1.00000 1.00000
******************* **** RESULTS **** *******************
***
COMPONENT SPLIT FRACTIONS
***
2 COMPONENT: WATER .47970E-04 ETHAN-01 .99999E-03 ACETA-01 1.0000
OUTLET STREAMS -------------3 .99995 .99900 .70718E-16
***
SUMMARY OF KEY RESULTS
*** 431.151 556.404 1,199.97 1,305.16 842.41 1,251.78 1,424.45 959.10 -1,072,110. 1,362,820.
TOP STAGE TEMPERATURE K BOTTOM STAGE TEMPERATURE K TOP STAGE LIQUID FLOW KMOL/HR BOTTOM STAGE LIQUID FLOW KMOL/HR TOP STAGE VAPOR FLOW KMOL/HR BOTTOM STAGE VAPOR FLOW KMOL/HR MOLAR REFLUX RATIO MOLAR BOILUP RATIO CONDENSER DUTY (W/O SUBCOOL) CAL/SEC REBOILER DUTY CAL/SEC
11
****
MANIPULATED VARIABLES
**** BOUNDS
CALCULATED LOWER VALUE MOLAR DISTILLATE RATE 0.84242 MOLAR REFLUX RATIO KMOL/HR 0.00000E+00 0.00000E+00 UPPER 10000. 200.00 1409.2
附录 5 BLOCK: B1 MODEL: RADFRAC ------------------------------INLETS -1 STAGE 15 OUTLETS - 2 STAGE 1 3 STAGE 26 PROPERTY OPTION SET: UNIFAC ***
UNIFAC / REDLICH-KWONG
MASS AND ENERGY BALANCE *** IN OUT
RELATIVE
DIFF. TOTAL BALANCE MOLE(KMOL/HR ) MASS(KG/HR ) ENTHALPY(CAL/SEC )
992.640 24844.5 -0.183561E+08
992.640 24844.5 -0.176448E+08
0.229060E-15 0.483219E-14 -0.387495E-01
********************** **** INPUT DATA **** ********************** **** INPUT PARAMETERS **** 20 NEWTON AZEOTROPIC NO SIMULT 25 50
NUMBER OF STAGES ALGORITHM OPTION INITIALIZATION OPTION HYDRAULIC PARAMETER CALCULATIONS DESIGN SPECIFICATION METHOD MAXIMUM NO. OF NEWTON ITERATIONS MAXIMUM NUMBER OF FLASH ITERATIONS
12
FLASH TOLERANCE COLUMN EQUATIONS CONVERGENCE TOLERANCE 0.100000-06 **** COL-SPECS ****
0.00010000
MOLAR VAPOR DIST / TOTAL DIST MOLAR REFLUX RATIO MOLAR DISTILLATE RATE **** P-SPEC PROFILES **** STAGE 2 1
KMOL/HR
1.00000 4.40000 260.000
PRES, ATM
1.00000 1.00000
******************* **** RESULTS **** *******************
***
COMPONENT SPLIT FRACTIONS
***
2 COMPONENT: WATER .12220E-01 ETHAN-01 .99905
OUTLET STREAMS -------------3 .98778 .00095
***
SUMMARY OF KEY RESULTS
*** 351.470 361.887 364.000 732.640 260.000 611.633 1.40000 0.83483 -959,779. 1,671,070.
TOP STAGE TEMPERATURE K BOTTOM STAGE TEMPERATURE K TOP STAGE LIQUID FLOW KMOL/HR BOTTOM STAGE LIQUID FLOW KMOL/HR TOP STAGE VAPOR FLOW KMOL/HR BOTTOM STAGE VAPOR FLOW KMOL/HR MOLAR REFLUX RATIO MOLAR BOILUP RATIO CONDENSER DUTY (W/O SUBCOOL) CAL/SEC REBOILER DUTY CAL/SEC
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