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苯气相加氢制取环己烷过程的模拟与分析

更新时间:2011-6-22:  来源:毕业论文

苯气相加氢制取环己烷过程的模拟与分析
本课程设计是在学完“化学反应工程”和“化工系统工程”课程之后,集中安排的重要实践性教学环节。在教师指导下,结合苯加氢制取环己烷工艺过程独立地开展工艺流程的模拟与分析,旨在培养和提高综合分析和模拟实际生产过程的能力。它是高等学校化学工程与工艺类专业的学生必须进行的一种综合性训练。

  课程设计主要是围绕一门课程的内容所做的综合练习,一般没有固定的答案。由于生产工艺比较简单、定型,又不是真实的生产、科研任务,所以基本上能有章可循,完成起来并不困难。这里的着眼点是让学生从理论学习的轨道上逐步引向实际方面来,把过去熟悉的定性分析、定量计算逐步和工程估算等手段结合起来,掌握用化学反应工程和化工系统工程的原理解决实际问题的方法。这对今后从事生产技术工作会起到启蒙训练的作用。

  二、模拟与分析

  苯加氢工艺通过加氢脱除所含S、N、O和不饱和化合物,经过萃取单元精制,得到高质量的纯苯、甲苯和二甲苯产品。环己烷是一种重要的有机化工原料。它主要用于生产环己醇、环己酮及用来制造尼龙-66 和尼龙-6的单体己内酰胺、己二酰、己二胺等产品,并且能溶解多种有机物,毒性比苯小,是纤维素醚、树脂、蜡、沥青和橡胶的优良溶剂。环己烷存在于原油中,工业上生产环己烷的方法主要有石油馏分分离法和苯催化加氢法。石油馏分分离法是将含环烷烃的汽油分出沸程65.6~85.3 ℃的馏分,其中主要含有环己烷和甲基环戊烷,然后进行异构化处理,使甲基环戊烷转化为环己烷。处理后的产物经分离提纯,可得纯度为95%以上的环己烷。而苯加氢法是目前普遍采用的生产环己烷的方法,即在催化剂的作用下对苯进行加氢反应,所得环己烷的纯度比石油馏分分离法要高。

  苯加氢生产环己烷的方法,根据反应条件的不同可分为气相法和液相法。气相苯加氢法由于气体混合均匀,转化率和收率都较高;但反应激烈,较难控制,易出现“飞温”现象。气相法工艺一般为:将一定摩尔比的新鲜氢气和苯混合后加热蒸发为气相,或将苯加热蒸发后与氢气混合,在高温下通入装有催化剂的第一段反应器,之后再通入装有催化剂的第二段反应器,反应热由管外冷却剂除去。反应结束后,将产物冷凝,经分离器除去未反应的氢气可得产品环己烷。典型的气相法工艺有Brxane 法、ARCO 法、UOP 法、Houdry 法、Hytoray 法[2]。

  因气相法要求高温高压,条件苛刻较难控制,能耗较高,目前人们研究较多的是液相法催化苯加氢制环己烷,希望尽量简化反应条件。液相法工艺一般为:将氢气与液体苯分别送入装有固体催化剂的主反应塔,主反应塔的流出产物通入装有催化剂的固定床补充反应塔,然后经冷凝、闪蒸,最后将闪蒸液送入稳定塔(闪蒸气体可循环回主反应塔),塔底产物即为环己烷。与气相法相比,液相苯加氢反应较稳定,易控制,但反应的转化率和收率总体来说不如气相法,还存在氢气的利用率较低的问题。液相法典型工艺有IFP 法、BP 法和Arosat 法。从节能降耗、保护环境的角度出发,液相法是未来苯加氢生产环己烷的发展趋势。

  根据给出的苯气相加氢制取环己烷过程的工艺流程结构,对工艺过程进行模拟与分析。

  1 查阅有关资料,综合分析苯气相加氢制取环己反应过程的热力学和动力学。

  2 画出结构单元图(信息流程图),写出邻接矩阵,进行系统分解并确定序贯模块法求解的计算顺序,确定切断流股和迭代变量。

  3 过程系统结构

  苯和氢气混合(FEED-MIX)后通过预热器(FEED-HTR),进入反应器(REACT)进行化学反应,产品进入高压分离器(HP-SEP),将未反应的氢气回收循环。液体产品部分进入精馏塔(COLUMN),将反应中生成的轻组分副产品从塔顶分离出去,而在塔底得到环己烷产品。液体产品部分循环至预热器。

  4 具体工艺技术指标

  C6H6 + 3H2 == C6H12

  假设没有副反应,苯加氢反应的宏观动力学方程:

  入口氢气:流量330 kmol/h;组成:H2 0.975,N2 0.05,CH4 0.02,温度50℃;压力25 bar。

  入口新鲜纯苯:流量100 kmol/h,温度40℃;压力1 bar。

  预热器温度150℃;压力23 bar。

  反应器温度200℃;压降1 bar;苯转化率0.998。

  高压闪蒸罐温度50℃;压降0.5 bar。

  高压闪蒸后的氢气循环气与驰放气的比例为92:8。高压闪蒸后的液体循环量与进入精馏塔的液体量的比例为30:70。 毕业论文http://www.lwfree.cn

  5 流程工况模拟及灵敏度分析(Model Analysis Tool--Sensitivity):改变入口进料条件分析对各个流股组成的影响。分析CHRCY从0.1到0.4变化,苯转化率从0.9到1.0变化,计算反应器的热负荷变化情况;

  三、课程设计要求:

  本课程设计的教学目的和任务主要是使学生围绕化学反应工程和化工系统工程课程的内容所做的综合练习。要求掌握过程系统模拟和分析方法和步骤。在课程设计工作中,要求能综合应用各学科的理论知识与技能,去分析和解决工程实际问题,使理论深化,知识拓宽,专业技能得到进一步延伸。要求在一周的时间内合作完成,让学生们体会到团队的力量,并培养合作意识。

  四、课程设计进度安排

  周一到周五上午在二教202教室集体课程设计并辅导,下午自由活动查阅资料,分小组开展课程设计活动。周日下午交课程设计报告。

  五、考核与评分

  根据每个学生所做设计的深度和精度酌情评分。深度是指模拟和分析计算的复杂程度;精度是指模拟和分析计算的正确性。

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