单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,南京工业大学 包宗宏,化工计算与软件应用,第五章 工业装置流程模拟,1,第五章 工业装置流程模拟,化工工业装置除了包含主要设备外，还要包含真实的管道、阀门、管件、仪表、以及采样、放净、排空、连通等设施。,除了主生产流程，还包含开车、停车、事故时的备用设备与管线。所以，反映真实化工流程的管道及仪表流程图(Piping and Instrument Diagram，PID图)看上去密密麻麻，繁复特殊。,实际的工艺流程图是表示过程单元的图标和进出单元的物料流线条的集合，强调的是化工过程中的物料流和能量流。模拟流程图是描述模拟过程单元和流股信息的计算机程序模拟单元的集合，强调的是信息流。,2,第五章 工业装置流程模拟,用化工流程模拟软件模拟一真实化工流程，有可能在PID图完成之前，也可能在PID图完成之后。在化工设计之初，常用Aspen Plus软件进展化工流程的物料衡算与能量衡算，由此产生工艺物料流程图(Process Flowsheet Diagram，PFD图)，进而产生PID图，这是设计型模拟计算。,在对一现实化工流程进展核算时，则是在PID图完成之后，模拟人员要从PID图抽象出模拟流程，要把实际的工艺流程图转化为模拟软件中的模拟流程图，这是核算型模拟计算。,3,第五章 工业装置流程模拟,不管是设计型模拟计算，或核算型模拟计算，模拟人员首要任务是充分理解根本工艺路线，明确本流程的主干与枝干，选择软件中适宜的模块、或模块组合构成流程，以反映流程的模拟需求。,对于设计型模拟计算，其计算结果对工艺流程的设计有重要影响。因此，模拟人员要依据工艺流程设计的原则，从技术、经济、社会、安全和环保等多方面进综合考虑，确定模拟计算的流程。,对于核算型模拟计算，流程是确定的，模拟人员要认真阅读流程图，理解原设计思路，搞清晰原流程中各设备的功能，删繁就简，抽象出模拟流程。,4,5.1 混酸过程,苯硝化工艺中使用的硝化剂是混合酸，由硫酸和硝酸按确定比例配置而成。,在试验室中，可以用两个烧杯和一根玻璃棒搅拌完成。,在工业上，为保证混酸装置能够连续、稳定、安全地生产，为循环利用硝化反响后分别出来的稀硫酸，为削减混酸过程中产生的NOx废气的污染，需要对混酸装置配置较多的设备、管道管件、仪表等，如图5-1所示。,5,5.1 混酸过程,在图5-1中，除了硫酸、硝酸、稀硫酸储罐外，还设置了混合酸循环罐、混合酸储罐、换热器、流体泵、气体吸取文丘里设备和相应的管道管件。,6,5.1 混酸过程,在做物料衡算与热量衡算时，设计人员关心的是三股原料酸与混合产品酸的流率与组成、换热器的热负荷。因此，基于图5-1的混酸过程，在用AspenPlus 进展稳态过程模拟时，抽象出的模拟流程如图5-2所示。,模拟完毕后，在满足混合酸流率与质量指标的前提下，可以知道各种原料酸的流率、混合酸的流率、换热器的热负荷，由此可以编制PFD图。进一步地，可以计算管道管件尺寸、储罐大小、换热器选型与核算，为编制PID图和设备一览表供给数据。对图5-2混合过程的具体计算可看其次章的例2-1混酸过程。,7,5.2 环己烷、环己酮、环己醇混合物的高效分别过程,环己酮是重要的有机化工原料和工业溶剂，广泛应用于医药、油漆、涂料、农药和橡胶等工业领域，主要用于生产己内酰胺和己二酸。,工业上合成环己酮的工艺路线主要有苯酚加氢法和环己烷空气氧化法。其中较经济的工艺路线是环己烷空气氧化法。该方法又分为无催化氧化法和催化氧化法包括钴盐催化法和硼酸催化法。目前，工业生产的环己酮有90%是通过环己烷空气氧化法获得的。,环己烷空气氧化法生产环己酮的主要特点是低转化率、大循环量。环己烷单程氧化的转化率只有5%左右，约95%的环己烷需要通过精馏操作与产物环己酮、环己醇分别后再循环再利用，这种工艺将导致较大的分别能耗本钱，因此该分别工序的能耗凹凸直接影响到环己酮生产本钱的大小。,8,5.2 环己烷、环己酮、环己醇混合物的高效分别过程,例5-1.环己烷、环己酮、环己醇混合物三效精馏流程模拟。,原始工艺条件。某工厂承受的环己烷、环己酮、环己醇混合物三效顺流精馏组合的工艺流程见图5-3。原料组成见附表1，原精馏工艺设计参数和塔设备设计参数见附表2。,9,5.2 环己烷、环己酮、环己醇混合物的高效分别过程,10,5.2 环己烷、环己酮、环己醇混合物的高效分别过程,例5-1解。,流程模拟。,环己烷、环己醇、环己酮三效精馏模拟计算流程图,11,5.2 环己烷、环己酮、环己醇混合物的高效分别过程,计算结果：,三效精馏计算结果1,-原料与产品组成,12,5.2 环己烷、环己酮、环己醇混合物的高效分别过程,为进一步提高能量利用率，降低环己烷精馏工段的能耗，可以考虑以节能为目标的两个进一步优化方案流程。,优化方案一,13,5.2 环己烷、环己酮、环己醇混合物的高效分别过程,优化方案一,计算结果1,-原料与产品组成,四效精馏流程能耗节省28.9%。,14,5.2 环己烷、环己酮、环己醇混合物的高效分别过程,优化方案二,15,5.2 环己烷、环己酮、环己醇混合物的高效分别过程,优化方案二,计算结果1,-原料与产品组成,热泵流程能耗节省：,1-5.912/6.53=9.46%,16,5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程,丙烯腈生产装置的工艺废水主要来自两段急冷塔和脱氰组分塔的废水。,在一段急冷塔，用水洗去反响气中的聚合物和催化剂粉尘。该段污水经催化剂沉降后，产生高浓度含氰废水。该废水含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、丙烯醛、乙醛、丙腈及大量聚合物等。,二段急冷废水含有20%左右的硫酸铵，另外含有同一段急冷废水相近的污染物，只是污染物浓度低。,丙烯腈生产废水属于公认的难降解高浓度有机废水，其中丙烯腈属于我国确定的58 种优先把握和美国EPA 规定的114 种优先把握的有毒化学品之一。,17,5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程,随着各国对于工业废水排放要求的不断提高，丙烯腈废水的达标排放已经成为制约丙烯腈生产企业进展的重要因素。,目前，丙烯腈装置三废处理是依据污染物不同形态，实行高处排放、燃烧、四效蒸发、掩埋等措施进展处理。,目前，大型丙烯腈生产装置都承受四效蒸发方法处理废水，不仅提浓了原料液，使其满足后续工序的要求，而且节省了大量的水源和确定量的蒸汽，对系统的节能减排具有实际意义。,丙烯腈废水经四效蒸发预处理后，废水量大大削减，燃烧单元负荷操作相对简洁。四效蒸发方法削减了蒸汽用量，做到了节能减排，在丙烯腈工业废水处理中应用广泛。,18,5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程,例5-2.75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发流程模拟。,某260 kt/a丙烯腈生产装置产生的废水温度113，压力600 kPa，流率75148.1 kg/h，其中含有丙烯腈聚合物(以C6H8N2O计算)816 kg/h。丙烯腈装置的运行需要大量的水，为了节省新颖水，并削减污水处理系统的负荷，必需大大浓缩工艺污水。承受四效蒸发器系统可回收大局部工艺水，只有少局部废水送至燃烧炉或生化处理系统。,丙烯腈装置四效蒸发器系统承受并流加料法，工艺流程如图5-33所示。工艺污水(物流号70)进入第一效蒸发器(V-5001)，蒸发所需热量由加热器(E-5001)供给。液体被泵强制循环加热后局部蒸发，在汽液分别器中分相后一局部液体被送到其次效蒸发器，一局部液体被泵强制循环入加热器的进口进展加热闪蒸。第一效蒸发器的热源是0.37 MPag的饱和蒸汽，来自蒸汽管网。,19,5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程,其次效蒸发器进料(物流号72)是一效蒸发器来的未蒸发的残液，液量由一效蒸发器液位调整器把握，蒸发所需热量由一效蒸发器顶部蒸汽(物流号71)供给。进入其次效蒸发器的液体连续进展循环加热、闪蒸汽化、汽液分别、液液安排的过程。,第三效蒸发器进料(物流号74)是二效蒸发器未蒸发的残液，进料量由二效蒸发器液位调整器把握，蒸发所需热量由二效蒸发器顶部蒸汽(物流号73)供给。,四效蒸发器进料(物流号76)是三效蒸发器未蒸发的残液，进料量由三效蒸发器液位调整器把握，蒸发所需热量由三效蒸发器顶部蒸汽(物流号75)供给，蒸发残液(物流号84)送燃烧炉处理。,20,5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程,第四效蒸发器顶部蒸汽依次通过两个串联的冷凝器(E-5005、E-5006)冷凝冷却，约90%的蒸汽在冷凝器 E-5005中冷凝，不凝汽相由真空泵抽至火炬总管。四效蒸发器的操作压力由第四效蒸发器顶部的压力把握器调整真空泵出口气体返回入口的量来把握。,冷凝器E-5005用循环冷却水CWS，进口33，400 kPa，出口43作为冷凝冷却介质。冷凝器E-5006用循环冷冻水RWS，进口0，400 kPa，出口10作为冷凝冷却介质。,21,5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程,第一、二、三、四效蒸发器的二次蒸汽冷凝液汇总后(物流号80)在换热器E-5007内与汽提塔(T-5001)的一股釜液(物流号83)换热升温，然后送入汽提塔进展汽提处理，以脱去冷凝液中残存的轻组分。,汽提塔有30块实际塔板，塔顶操作压力0.08 MPag，塔釜再沸器用0.37 MPag的饱和蒸汽加热。约占进料15.3%质量分数的液体从塔顶被汽提蒸出，这股含轻组分的汽相(物流号85)入回收塔T-3001下一单元冷凝回收。,汽提后的釜液分成两局部，55%质量分数釜液(物流号83)被进塔冷凝液换热回收热量后送回丙烯腈装置循环利用，45%质量分数的釜液(物流号82)用循环冷却水进口33，400 kPa冷却至50后送至生化系统进一步处理。,22,5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程,分别要求。,要求通过四效蒸发流程把废水中的水份蒸出83%，冷凝后的净化水作为工艺循环水使用，使浓缩液中的丙烯腈聚合物质量浓度到达5.9%以上。多效蒸发器的最终压力不低于20 kPa，求四效蒸发流程的直接蒸汽消耗量。,23,5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程,例5-2解。,绘制模拟计算流程图。,参考例3-3，用汽液闪蒸器、换热器、安排器三个模块组合构成一台强制外循环蒸发器，把图5-33丙烯腈装置废水四效蒸发系统工艺流程转化为模拟计算流程图，如图5-34所示。,24,5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程,25,5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程,工艺模拟结果：最终浓缩液 中丙烯腈聚合物的质量分数为0.060.059，蒸发水分74332.1-12401.4=61930.7 kg/h。,四效蒸发过程消耗直接蒸汽 为15500 kg/h，单位质量直接蒸汽蒸发水分61930.7/15500=4.00。与单效蒸发相比，四效蒸发时直接蒸汽的利用效率增加了3倍。,26,5.4 300 kt/a规模硫磺制酸过程,硫酸作为重要的工业原料，随化肥工业、石油化工、有色冶金、纺织和轻工业、国防工业及其它有关工业的进展而不衰。化肥中的硫酸铵、过磷酸钙等产品需消耗大量的硫酸。目前，国内化肥消耗硫酸量约占硫酸总消耗量的70%以上。,硫酸装置工程设计因承受的原料不同其形式各异。,硫铁矿制酸技术简洁，装置建设投资较高，再加上矿山的勘探、采选和建设等的投资，进展硫铁矿制酸的总投入较大。,以重有色冶金工业的冶炼烟气生产硫酸，是我国硫酸工业的重要组成局部。,随着硫磺供给的增加，愈来愈多的新建工程从环境治理、生产简便和经济角度考虑，选用以硫磺为原料生产硫酸。硫磺制酸具有工艺流程简洁、投资少、热能利用率高、环境效益好等优点，一样规模的硫磺制酸装置的投资约为硫铁矿制酸的50%，且动力消耗和公用工程费用低，无废渣、废水排放，装置建设周期短，操作治理便利。,27,5.4 300 kt/a规模硫磺制酸过程,例5-3.300 kt/a规模硫磺制酸装置的工艺模拟。,装置规模。,生产力气为300 kt/a工业硫酸质量浓度98%