DMF法萃取精馏分离C5馏分中异戊烷的模拟 毕业论文.doc

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1、1 DMFDMF 法萃取精馏分离法萃取精馏分离 C5C5 馏分中异戊烷的模拟馏分中异戊烷的模拟 Simulation of Separating Ipentane from C5 Fraction by Extractive Distillation with DMF. 摘要摘要 介绍碳五主要馏分的综合利用。设计过程中学习了 PROII 软件相关模块的应 用方法；采用 PROII 软件对 DMF 法萃取精馏分离 C5 馏分中异戊烷的萃取精馏塔进行模拟。 考察了回流比、溶剂比(溶剂 DMF 与进料 C5 的质量比) 、理论板数等因素对分离异戊烷 的影响。模拟结果表明,萃取精馏塔的最佳工艺条件为:

2、理论板数为 50 块，原料进料位置 为第 30 块理论板,溶剂比 0.6,回流比 3,溶剂进料温度 50 ,溶剂进料位置在 20 块左右。 塔顶采出量 1236.06kg / h。理论板数的选择由实际工程放大或投资资金综合分析。并对 优化后的工艺进行了物料守恒和能量守恒的校核。就此对主物料物性进行了简要阐述。 确定了流程图并结合有关的数据对工程中节能措施进行了简要分析。 关键词关键词 碳五馏分；PROII 软件；异戊烷；萃取蒸馏；模拟 AbstractAbstract Introduced the comprehensive utilization of the main fraction f

3、rom C5. In the design process I have studied PROII software correlation module application method; The extractive distillation with MEK and NMF as extractant for separating i-pentane from C5 fraction were set up , process of separation of C5 fraction with DMFwas optimized by PROII process simulating

4、 software. The model is considered to be re liable.Effects of column trays, refluxratio, extractant ratio (mass ratio of DMF to feed C5) on separation were under observation. The optimized process parameters are as follows: the theoretical tray number is 50,feed tray 30th tray, extractant ratio 0.6,

5、 ref luxratio3.0, feed input temperature 50 . feed input tray about 20th tray. and top product out put1236.06 kg / h. The choice of theoretical plate number of the actual works by the amplification or a comprehensive analysis of investment funds. And optimized the process of conservation and energy

6、conservation materials in check. In this connection the main physical properties of materials are briefly described. Had determined the flow chart and the union related data conserved energy the measure to the project in to carryon the brief analysis. Key Words C5 fraction; PROII software; isopentan

7、e; extractive distillation; 2 目录 1 前言 .1 2 文献综述 .2 2.1 裂解碳五馏分的性质和用途 .2 2.2 异戊烷简介.3 2.3 国内外 C5 资源的这利用现状及发展趋势 4 2.3.1 碳五馏分的组成 .4 2.3.2 全球 C5 资源量4 2.3.3 国内外 C5 资源利用现状5 2.4 裂解碳五分离的工艺简介 .5 2.5 实现工业化的一些碳五分离技术 .6 2.5.1 上海石化 2.5 万吨工业简介.6 2.5.2 玉皇聚合级异戊二烯生产方法 .7 3 化工工艺模拟计算软件 PRO/II 简介 8 3.1 用户界面.8 3.2 组分及其物性

8、.9 3.3 热力学模型 .9 3.4 单元操作 10 3.5 流程控制与优化 10 4 工艺说明 12 4.1 原料组成以及工艺指标12 5 操作条件的确定 13 5.1 初始操作条件的确定 13 5.2 操作条件的改变对分离效果的影响 13 5.2.1 溶剂比对工艺指标的影响.13 5.2.2 回流比对工艺指标的影响 17 5.2.3 溶剂进料位置对工艺指标的影响 19 5.2.4 回流比和溶剂比的选择 20 6 优化后工艺条件以及指标 21 6.1 萃取精馏塔主要工艺设计参数 21 6.2 物料流程图21 6.3 物料衡算和能量衡算21 6.3.1 物料衡算 21 6.3.2 能量衡算2

9、4 6.4 物料物性汇总25 7 工艺的优化节能 29 7.1 工艺过程中热能的充分利用 .29 7.1.1 高温物料显热和潜热的利用29 3 7.1.2 改进热的利用.29 7.1.3 加强保温保冷29 7.2 减少精馏过程本身对能量的需要 .29 7.3 加强管理 .31 8 结语 32 9 致谢 33 参考文献 .34 附图： .35 1 1 前言 碳五分离工业技术是以裂解乙烯的副产碳五馏分为原料，经萃取精馏等方法制得异 戊二烯、环戊二烯和间戊二烯、异戊烷等。 裂解碳五是指以石脑油、汽油、轻柴油、加氢汽油等为原料，经高温裂解生产乙烯 过程中得到副产物，其主要成分为二烯烃、单烯烃和烷烃。我

10、国乙烯生产中碳五组分可 占乙烯产量得 11%-14%。随着乙烯工业得快速发展和对合成橡胶及合成树脂得需求增大， 裂解碳五馏分得分离和用途愈来愈引起人们得重视，碳五馏分中的主要组分异戊二烯、 间戊二烯；双环戊二烯、异戊烷他们都是高附加值得化工和精细化工产品。目前，我国 乙烯的生产能力已达到 800 多万吨，裂解碳五馏分已达到 100 多万吨，仅兰州石化每年 就有约 20 万吨的碳五资源。因此，有效利用乙烯工业的碳五已成为合理使用石油资源和 提高乙烯裂解装置综合效益的重要途径。 为了合理有效的利用碳五资源，美国联德公司研究员委托烟台大学，对美国联德公 司提供的裂解碳五分离工艺进行模拟和实验研究，要

11、求如下： 分离异戊烷的工艺实验研究； 要求异戊烷收率在 92%以上； 要求异戊烷纯度在 95%以上。 根据国内外裂解碳五馏分分离技术得研究发展，叙述萃取精馏法分离异戊二烯、热二 聚法分离环戊二烯等工艺，并根据美国联德公司提供碳五原料，应其要求采用 proII 软 件进行筛选异戊烷模拟，所选溶剂为 DMF 溶剂，通过大量计算机软件模拟确定了各工艺 操作条件，基本实现了碳五分离工艺实验得研究目标现将该项目得研究工作全面汇报如 下。 2 2 文献综述 C5 馏分的组成与所采用的生产工艺和原料有关。作为石脑油蒸汽裂解制乙烯所得的 副产物的 C5 馏分，其主要成分为二烯烃、单烯烃和烷烃。一般以石脑油和轻

12、柴油为原料 生产乙烯时，C5 收率可达乙烯产量的 10%14%。 随着我国乙烯装置产能的快速发展和 C5 资源量的增长，如何提高 C5 资源的利用率 成为我国石油化工行业目前亟待解决的问题1，2，3。 我国碳五分离研究开始较晚，起初应用最广的主要产品馏分为异戊二烯，间戊二烯， 环戊二烯，双环戊二烯等。随着技术的改进以及市场的需求，研究人员逐步进行分离碳 五筛选异戊烷的研究。 2.1 裂解碳五馏分的性质和用途 碳五馏分组成复杂，含有 20 多种组分，主要为各类双烯烃，单烯烃及饱和烃。而且 组分间可能形成多种共沸物。不同溶剂存在下 C5 烃的相对挥发度如下表4： 表 2-1 不同溶剂存在下 C5

13、烃的相对挥发度如下： 组成沸点无溶剂DMF乙腈N-MNP 异戊烷27.851.2003.1132.923.00 正戊烷36.070.9352.4042.372.40 1-戊烯29.971.1351.9361.891.86 3-甲基-1- 丁烯 20.061.5332.6802.582.65 2-甲基-1- 丁烯 31.161.1001.7461.711.75 反-2-戊烯36.350.9301.0051.561.56 2-甲基-2- 丁烯 18.570.8671.3961.381.46 2-甲基- 1，3-丁二 烯 34.071.0001.0001.001.00 顺-2-戊烯36.940.91

14、31.5651.491.53 环戊烯44.240.7190.914 反间戊二烯42.030.7750.7630.770.78 环戊二烯42.500.8110.6230.620.62 3 表 2-2 裂解 C5 馏分的化工利用途径： 组分产品 异戊二烯 香料(40 种以上)、维生素（A，E，K） 、异叶绿醇、农药(二氯苯醚菊 脂，氯氰菊脂，溴氰菊脂等)、高档化妆品、角鲨烷、角鲨烯、香叶醇、 薄荷醇、玫瑰醚、香芹酮、麝香 DDHI、柠檬腈、甜橙醛、异戊二烯橡 胶、丁基橡胶、反式异戊橡胶、液休异戊橡胶、SIS、润滑油粘度指数 添加剂等。 环戊二烯 石油树脂、聚双环戊二烯树脂、不饱和聚脂树脂、乙丙橡胶

15、、聚环戊 烯橡胶、聚将冰片烯橡胶、反式环戊二烯橡胶、环氧树脂固化剂、香 料(十多种)、农药硫丹、杀那特、增效胺、草完隆、阻燃剂全氯戊环 葵烷、1，5-双氯菌环辛烷、氯菌酸、氯菌酸酐、降冰片烯、乙叉 降冰片烯、降冰片二烯、戊二醛、三环葵烯醇、金刚烷系列产品、二 茂铁、戊二醇、戊二酸、吡啶、高能燃料、双环戊二烯二羧酸、双环 戊二烯多元醇、医药 LU253、安克痉等。 间戊二烯 固化剂、甲基甲氢苯酐、甲基六氢苯酐、四酸二酐、香料叶醇、B-大 马酮、不饱和醇、不饱和脂间戊二烯树脂、间戊二烯与丁二烯共聚物、 间戊二烯与苯乙烯共聚物、间戊二烯与其它烯烃共聚物等。 戊烷溶剂、EPS 发泡剂、载溶剂(CARR

16、IER) 。 异戊烷溶剂、发泡剂。添加到汽油中做燃料 异戊烯 甲基叔戊基醚(TAME)、戊二醛、香料、增香剂、保护剂、抗氧剂、分 散剂、感光材料、染料、混凝土减水剂、农药粉锈宁。 正戊烯与乙烯制共聚物、制增塑剂。 环戊烯 聚戊橡胶、戊二酸、戊二醛、烷基环戊基苯、环戊基酚、抗氧剂、光 稳定剂、环氧环戊醇。 由上表看出，从 C5 单组分出发，可生产出许多高附加值的化工和精细化工产品，因 此，开发碳五分离技术可为碳五化工开拓广阔的发展前景和市场空间，并可提高原油的 利用率及企业的经济效益。 2.2 异戊烷简介 异戊烷不溶于水，可混溶于乙醇、乙醚等多数有机溶剂。 异戊烷有麻醉及轻度刺激作用。 对眼和呼

17、吸道的轻度刺激 ，可引起眼和呼吸道 的刺激症状，重者有麻醉症状，甚至意识丧失。皮肤长期接触可发生轻度皮炎。并 且异戊烷极其易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸。 与氧化剂接触发生强烈反应 , 甚至引起燃烧。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相 当远的地方，遇火源会着火回燃。若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。 所以对于化工中的异戊烷的各项操作要特别注意安全。 4 戊烷原料主要来源于炼油厂。戊烷产品用途广泛,可用作发泡剂、溶剂、化工原料等。 异戊烷是提高“无铅化“汽油辛烷值的掺合剂。也是生产异戊二烯的重要原料;经脱氢 可制异戊烯和异戊二烯，经氯化和水解而成异戊醇，

18、是有机合成的原料和溶剂。用于可 发性聚苯乙烯和软质聚氨酯生产工艺中作发泡剂，也可作化工原料或试验溶剂 国内戊烷供大于求,但高档产品供应不足。所以,要采用国内外较为先进的工艺技术,采用 较廉价的原料气,确保产品质量,最大限度的降低生产成本,同时加强市场开发,提高产品 的市场竞争力。 2.3 国内外 C5 资源的这利用现状及发展趋势 2.3.1 碳五馏分的组成 石脑油高温裂解制乙烯副产的 C5 中，很多组分沸点相近，其中异戊二烯环戊二烯和 间戊二烯 3 中双烯烃约占 C5 总量的 40%-50%。此外，C5 中还含有 15%-25%的单烯烃。C5 中各组分含量主要取决于石脑油的裂解深度（裂解温度和

19、停留时间） 。随着裂解深度的增 加，C5 中 3 种双烯烃的含量也将增加，中毒裂解时烷烃和单烯烃的含量最高。下表为石 脑油在不同裂解深度时所产生的 C5 的组成5 表 2-3 不同裂解深度时所产生的 C5 的组成6 裂解深度组分 浅度中度深度 （双）环戊二烯16.7015.9724.91 异戊二烯14.2018.0023.25 间戊二烯10.909.4019.46 正戊烯5.156.604.21 异戊烯6.959.175.76 环戊烷/环戊烯4.403.305.76 戊烷26.7034.3614.12 其他15.003.202.53 2.3.2 全球 C5 资源量 2000 年全球由石脑油裂解

20、制取的乙烯量为 42.020Mt，石脑油的供应相对不足，乙烯 裂解原料中石脑油所占比例将有所下降，2010 年将降至 43.7%。下表为世界乙烯裂解装 置副产的 C5 资源量7。 5 表 2-4 世界乙烯裂解装置副产的 C5 资源量 由上表看出，若 C5 的产量以乙烯产量的 10%计，2005 年世界 C5 资源总量约为 7200kt, 到 2010 年世界 C5 资源量将接近 9000kt. 2.3.3 国内外 C5 资源利用现状 由于在 C5 资源的利用途径中，无论是混合 C5 的利用，还是 C5 单组分的化工利用， 通常都需要将环戊二烯分离出来，因此通过对环戊二烯产能和产量分析，可以推测

21、 C5 资 源处理能力和处理量的基本情况8。 2002 年日本、西欧、美国 C5 的处理量分别为 500.3kt、490.1kt、460kt。实际利用 率分别为 54%-63%、19%-27%、35%-44%。装置开工率分别为 72%、86%、63%。在国外，单 套 C5 装置处理能力基本上介于 70-200kt/a 之间9。 20 世纪 90 年代以前，国内除中国石化上海石油化工股份有限公司外乙烯副产物 C5 主要作为燃料使用，C5 的化工利用率小于 10%，由其产生的附加效益也很低，造成了资 源的浪费。但 90 年代以来，随着国内石油树脂、双环戊二烯改性不饱和聚酯树脂等装置 的相继投产，国

22、内 C5 化工利用率提高很快。目前，国内 C5 利用率约为 40%。至 2007 年 7 月，国内已有上海石化、山东东明石化、山东鲁华 3 套 C5 全分离装置10。 2.4 裂解碳五分离的工艺简介 国内裂解 C5 馏份的分离技术开发较晚，由于乙烯装置所用裂解原料有差异，裂解 C5 馏份中二烯烃的含量也各不相同，分离和利用的工艺也不相同，综合利用裂解 C5 的途 径也有很多种，但目前技术可行、经济效益较佳的有部分芳构化、脱环碳五石油树脂及 6 碳五的萃取精馏分离方案。早期 C5 馏分的分离技术开发主要产品是二烯烃，如异戊二烯， 间戊二烯，环戊二烯等。随着化工的发展单烯烃或饱和烃的使用价值也得到

23、提高，并且 饱和烃的分离比二烯烃更易的符合要求。 根据兰州石化研究院委托烟台大学进行 C5 分离工艺研究的合同内容要求，进行从碳 五原料中分离浓缩间戊二烯、异戊二烯及双环戊二烯的工艺技术开发，并探索热二聚的 工艺条件。按照合同约定，本实验研究的流程如下图所示： 碳五原料 碳四 重组分精双环浓间 烷烃、 单烯烃 炔烃轻组分精IP 重组分 脱C4单元 脱双环单元 粗双环精制单元 预分 异戊二烯萃取精馏单元 异戊二烯精制单元 溶剂 废水 水 图 3-1 碳五分离工艺实验研究流程示意图 实验中，将整个流程进行了分割，分为以下六个单元： 1脱 C4 单元：将 C5 中的 C4 分离出来 2脱双环单元：先

24、进行环戊二烯二聚，然后将双环戊二烯与其它 C5 组分分离 3粗双环精制单元：先脱 C5，然后进行分解，分离出环戊二烯后再进行二聚 4浓缩间戊二烯与异戊二烯分离单元（预分）：精密精馏分离间戊二烯与异戊二烯 5异戊二烯萃取精馏单元：包括第一萃取精馏、第二萃取精馏和溶剂解析三部分，分别 除去异戊二烯中的碳五烷烃+单烯烃以及炔烃等组分 6异戊二烯精制单元：水洗、脱轻、脱重 2.5 实现工业化的一些碳五分离技术 2.5.1 上海石化 2.5 万吨工业简介 上海石化股份公司 C5 馏份分离装置的规模原为 25000t/a，2003 年扩产为 350000t/a，2005 年扩至 150000t/a。该项目

25、 1984 年上报项目建议书，是国家计委批准的 重点工业性试验项目，先后进行了微型中试、工程研发，修正了数学模型，做了基础设 计，又在此基础上做了工程设计，于 1994 年 11 月进行了技术鉴定，1995 年 8 月进行了 竣工验收，前后历时 10 年12。 。这项分离技术是以裂解 C5 馏份为原料，以二甲基甲酰胺 （DMF）为溶剂，采用二聚、二次萃取精馏和常压、减压精馏的方法分离出双烯烃产品 11。 7 2.5.2 玉皇聚合级异戊二烯生产方法 1 脱轻塔 2 一萃塔 3 一萃解析塔 4 一萃精馏塔 5 二萃塔 6 二萃解析塔 7 二萃精馏脱炔烃塔 图 2-4 玉皇聚合级异戊二烯生产流程简图

26、 一种聚合级异戊二烯的生产方法，其特征在于：包括以下步骤： （1）反应聚合步骤：碳五组分进入热二聚反应罐进行聚合，聚合反应温度 120， 时间保持 4 小时； （2）脱轻步骤：物料经泵进入脱轻塔，塔顶物料进一萃塔，塔釜物料进入双环戊二 烯精制单元；塔顶分离出异戊二烯、单烯烃、烷烃、炔烃，环戊二烯含量l%，塔釜分 离出双环戊二烯和其他重组分； （3）一次萃取步骤：步骤（2）得到的轻组分进入一萃塔，溶剂 DMF 从塔中上部加 入，塔顶分离出单烯烃、烷烃，控制异戊二烯含量l%，直接送进油品轻油罐，塔釜物 料去解析塔； （4）一萃解析步骤：上述步骤（3）塔釜物料去一萃解析塔，塔顶出异戊二烯、环 戊二烯

27、，解析塔釜物料经脱焦再生系统，循环使用； （5）一萃精馏步骤：上述步骤（4）塔顶物料进入一萃精馏塔，塔釜物料进入间戊 二烯精制单元； （6）二次萃取步骤：上述步骤（5）塔顶物料进入二萃塔，溶剂 DMF 从塔中上部加 入，塔釜进入二萃解析塔； （7）二萃解析步骤：上述步骤（6）塔釜物料进入二萃解析塔，塔顶物料进入异戊 二烯回收塔，塔釜物料经脱焦再生系统，循环使用； （8）精馏脱炔烃步骤：上述步骤（6）塔顶物料进入二萃精馏脱炔烃塔，塔釜得到 聚合级异戊二烯。 8 3 化工工艺模拟计算软件 PRO/II 简介 PRO/II 是一个历史最久的、通用性的化工稳态流程模拟软件，最早起源于 1967 年 S

28、imSci 公司开发的世界上第一个蒸馏模拟器 SP05，1973 年 SimSci 推出基于流程图模拟 器，1979 年又推出基于 PC 机的流程模拟软件 Process（即 PRO/II 的前身） ，很快成为该 领域的国际标准，自此，PRO/II 获得了长足的发展，客户遍布全球各地。 PRO/II 可广泛应用于各种化学化工过程的严格的质量和能量平衡计算，从油气分离 到反应精馏，PRO/II 提供了最全面的、最有效、最易于使用的解决方案。 PRO/II 拥有完善的物性数据库、强大的热力学物性计算系统，以及 40 多种单元操作 模块。它可以用于流程的稳态模拟、物性计算、设备设计、 费用估算/经济

29、评价、环保 评测以及其它计算。现已可以模拟整个生产厂从包括管道、阀门到复杂的反应与分离过 程在内的几乎所有装置和流程，广泛用于油气加工、炼油、化学、化工、聚合物、精细 化工/制药等行业. 3.1 用户界面 PRO/II 的图形界面十分友好、灵活、易用。其主要特点如下： 灵活的流程制图和数据输入 - 基于颜色的输入向导 - PRO/II 使用颜色标识您模拟的状态，如物流、单元过程和相关参数的数据是否输 入完整 - 当前每个单元的模拟运算的实时状态等等. - 用户可配置的缺省值 - 单元操作和物流的搜索功能 - 数据查看窗口 - 数据查看窗口使用户能直接在界面上查看物流和单元操作的结果，查看内容可

30、根 据需要进行配置。 - 先进的报表功能 - 制图功能 您可以生成和查看多种图形，PRO/II 可为下列输出结果作图： - 塔单元的内部流量负荷、温度、压力和组成等 - 塔的分离因子 - 换热器夹点分析 - 相包络图 - 加热、冷却曲线 - 油品评价曲线 9 3.2 组分及其物性 PRO/II 拥有强大的纯组分库，其组分数超过 1750 种。所有可能形成气液相行为的组 分均有充分的数据和信息，能用于 K 值和密度等性质的计算。大多数组分都有内置的传 递性质关联式。大多模拟都只需要库中的数据即可完成计算，而无需另外的纯组分数据。 PRO/II 程序用工业标准的方法处理石油组分，通过分子量、中沸点

31、或密度中的至少两个 量预估其它需要的组分性质数据。PRO/II 通过粒子尺寸分布和用户定义的属性处理固体 物。 烃类物流可根据油品评价数据定义。一般这些评价会包括蒸馏数据（实沸点、ASTM D86、ASTM D1160, ASTM D2887） 、密度数据和分子量、轻组分数据和炼油性质如倾点、 硫含量等数据。PRO/II 用这些输入数据生成一个或多个离散的虚拟组分序列，用于代表 此类物流的组成。 用户允许定义或覆盖所有组分的性质。亦可自己定义库中没有的组分，自定义组分 的性质可以通过多种途径得到或生成，如可以从在线组分库中获取，用 UNIFAC 法以分 子结构估算，或输入为“non-libra

32、ry”组分。您可以用 PRO/II 中的 DATAPREP 程序查看 和操作纯组分的性质数据，也可以用它生成自定义组分（即 non-library 组分）的性质数 据，当然，还可以通过 DATAPREP 生成您自己的纯组分库。 3.3 热力学模型 PRO/II 提供了一系列工业标准的方法计算物系的热力学性质，如 K 值、焓值、熵值、 密度、气相和固相在液相中的溶解度以及气体逸度等等。这些方法包括： 一般关联式，如：CS K 值算法、API 液相密度算法 状态方程，如 SRK、PR 计算 K 值、焓值、熵值和密度 液相活度系数模型，如 NRTL 计算 K 值 气相逸度方法，如 Hayden-OC

33、onnell 法计算二元缔合 特殊组分系统的计算方法，如醇类、甘醇类、酸水系统、气体脱硫系统等 等 固液平衡方法，如 Vant Hoff 法计算固相在液相中的溶解度。 PRO/II 将根据用户的要求计算下列传递性质：液相粘度、液相热传导率、液相扩散 率以及气相粘度、气相热传导率等。另外，还可以计算物流的气液相界面张力。PRO/II 中包含了很多关联式，用于预测混合物的上述传递性质。 对于过程模拟来说，准确预测物系的物性合相行为是十分关键的。PRO/II 带有数据 回归功能，可以将测量的组分或混合物的性质数据回归为 PRO/II 可以使用的形式。回归 选项如下： 性质关联：您可以输入一系列温度下

34、某个与温度相关性质的数据，将其回归为任意 一种方程的形式，用于 PRO/II 性质的关联。回归过程中将计算方程的系数。 10 相平衡：将多组分平衡数据用于回归产生液相活度系数模型或状态方程的二元交互 作用参数。使用这些二元参数可以确保相应的热力学方法能再现这些测量的平衡数据。 混合性质：您还可以回归多组分混合热或混合体积数据，用于生成 Redlich-Kister 二元交互作用参数。 这些数据的回归需要复杂的非线性数值算法。PRO/II 中应用的算法包括美国国家标准局 NIST 开发的正交距离回归算法和非线性最小平方关联等。 3.4 单元操作 PRO/II 有全面的单元操作，不仅包括一般模型，

35、如闪蒸、阀、压缩机、膨胀机、管 道、泵、混合器和分离器，而且包括更复杂的模型如：蒸馏塔、换热器、严格管壳式换 热器（包括整合的 HTRI 模型） 、加热炉、空冷器、冷箱模型、反应器、固体处理单元等 等。 塔 对于塔，PRO/II 提供了一系列蒸馏算法、初始值生成算法和模拟选项，能为任意蒸馏 问题建立模型。在塔单元操作中共有四种类型的蒸馏算法供您选择。一般对于某个问题 不止一种算法合适：一般情况下，IO 算法适合于绝大多数情况和操作条件。CHEMDIST 算 法适合于非理想物系和两个液相的物系。烃类物系的蒸馏如果带中断回流以及含自由水 时则更适合于用 SURE 算法。对于这些算法，您可以选择是否

36、对板式塔和填料塔的水力学 方面进行设计和核算。另外，PRO/II 还支持简洁塔模型，让您能快速对多种塔操作的分 离特征进行分析。除此之外，LLEX 单元操作则是一个专门用于液液萃取塔的模型，这样， PRO/II 中的蒸馏计算就十分完整。 换热器 简单换热器单元可以用于模拟单股物流的加热冷却、两股工艺物流的换热、或一个工 艺物流和一个公用工程物流间的换热。另外，换热器的任意一侧均可链接到蒸馏塔的某 一块理论板上（包括冷凝器和再沸器） ，用于模拟与塔内部物流的换热工况。 而严格的换热器则是管壳式换热器的核算和设计模型，将严格的热力学模型和鲁棒的 收敛算法进行有机结合。该模型支持几乎所有的 TEMA

37、 管壳式换热器的结构。严格计算 通过换热器的热量传递和压降。可正确处理所有可能发生的相变情况，包括物流的冷凝 和汽化过程。可选的气液液平衡 VLLE 热力学方法则对换热器任意一侧的三相分布进行 严格计算。另外，与 HTRI 换热器模型的整合则使得您可以在 PRO/II 中直接激活 HTRI XIST 管壳式换热器的计算程序。 3.5 流程控制与优化 PRO/II 拥有解算特大型和复杂流程的能力，允许在流程中包括反馈控制器和多变量 控制器。这些单元可通过调整上游参数而逐步达到用户定义的工艺单元或物流的参数。 反馈控制器适合于处理控制变量和规定的一对一关系，而对于要同时处理多个规定和约 束时，则需

38、使用多变量控制器。 11 PRO/II 能自动对流程进行分析，找出循环物流和装置的回路，并由此决定“撕裂物 流”和解算序列。当然用户也可覆盖这些计算并定义自己的计算序列。有些类型的循环 物流和回路较难收敛，速度忙，PRO/II 提供了 2 种加速算法以加速收敛过程：即 Wegstein 和 Broyden 法。 上述这些机制和方法确保了 PRO/II 解算大型和复杂流程的能力，而且收敛性能卓越。 流程优化 所谓流程优化，是从一组设计或操作条件中自动选择出其中最佳的方案。大多数的 设计或操作决定都涉及到优化问题，即您希望通过选择某一组的设计或操作变量，而使 得另一些变量最大化或最小化。比如，对于

39、一个精馏塔来说，您可以选择一个合适的进 料位置，使得塔釜热负荷消耗最小，当然一个更全局一些的方法则是调整工厂所有的操 作条件，使得整个效益或产量最大化，等等。 很明显，完全手动在大量操作条件中找出最佳条件而使得效益最大化这样的问题绝 非简单。为帮助您轻松完成这些任务，PRO/II 提供了优化器单元操作，该优化器无需评 价所有可能的工况，就可以非常聪明地得到最佳方案。PRO/II 优化器采用 SQP 算法求算 非线性优化问题，不仅只是单个装置操作条件的优化，而是可以优化整个工艺流程。 PRO/II 优化器中您需要定义一个目标函数（最大化或最小化）和最少一个操作变量。 另外，每个操作变量都应定义一

40、个上下限。约束的数量与变量的数量无直接关系。并且 该优化器对优化问题的大小本身并没有硬性的限制。 12 4 工艺说明 4.1 原料组成以及工艺指标 本模拟原料成分组成来自于美国联德公司，具有代表性的原料关键组分见下表： 表 4-1 原料组成 组分组分含量% 1-BUTENE1-丁烯2.0013 BUTANE正丁烷0.4749 TR2-BUTENE反-2 丁烯3.9707 CIS2-BUTENE顺-2 丁烯5.7167 1.3-BUTADIENE1，3-丁二烯7.1423 1,2 -BUTADIENE1，2-丁二烯1.5564 IPENTANE异戊烷53.7954 PENTANE正戊烷1.028

41、6 1-PENTENE1-戊烯7.7584 3-M-1-BUTEN3-甲基-1-丁烯1.5209 2-M-1-BUTEN2-甲基-1-丁烯7.4602 TR2-PENTEN反-2-戊烯0.0393 2-M-2-BUTEN2-甲基-2-丁烯0.0086 ISOPRENE2-甲基-1，3-丁二烯2.9279 CIS2-PENTEN顺-2-戊烯0.0137 CYPENTEN环戊烯0.0009 TPND反间戊二烯0.0013 CD13环戊二烯1.0392 DMACETYLENE二丁炔3.5433 应美国联德公司要求，要求异戊烷收率为 92%以上，异戊烷纯度在 95%以上。 13 5 操作条件的确定 5

42、.1 初始操作条件的确定 由于烟台大学丁烯提浓技术已实现工业化，而且分离效果也是目前碳四分离技术中 效果最好的，根据这些经验，对进行的碳五分离筛选异戊烷的研究提供很大的帮助，一 些工艺条件的确定可有经验确定在这里不一一进行模拟分析。例如精馏塔温度，压力， 进料位置的确定。一般情况下压力确定后温度也随之确定，并且压力对本实验模拟结果 影响不大，进料位置也有经验而定，一般在塔的中部，因为本实验模拟要求的产品纯度、 收率都不是很高。本化工模拟温度压力以及进料位置如下： 表 5-1 模拟试验初始操作条件 脱碳四塔萃取精馏塔溶剂回收塔 理论板数305030 回流比223 溶剂比-1- 塔顶压力 （KPa

43、） 500200200 塔釜压力 （KPa） 500200200 5.2 操作条件的改变对分离效果的影响 5.2.1 溶剂比对工艺指标的影响 工艺流程的各项操作条件不变，选定溶剂为 DMF，确定每一个回流比，纪录溶剂比对 各个工艺指标的变化情况，如下表 表 5-2 回流比为 2 时溶剂比与工艺指标的数据 回流比溶剂比纯度收率杂质含量 0.894.583991.72070.0108 1.095.353092.46650.01192.0 1.596.017793.11110.0108 由表 5-2 绘出溶剂比比对各个工艺指标的影响如下图： 14 94.40 94.60 94.80 95.00 95

44、.20 95.40 95.60 95.80 96.00 96.20 0.500.700.901.101.301.501.70 溶剂比 纯度 图 5-1 溶剂比与纯度的关系曲线 0.9160 0.9180 0.9200 0.9220 0.9240 0.9260 0.9280 0.9300 0.9320 0.500.700.901.101.301.501.70 溶剂比 收率 图 5-2 溶剂比与收率的关系曲线 15 0.0106 0.0108 0.0110 0.0112 0.0114 0.0116 0.0118 0.0120 0.500.700.901.101.301.501.70 溶剂比 DMF

45、含量 图 5-3 溶剂比与产品中 DMF 含量的关系曲线 表 5-3 回流比为 3 时溶剂比与工艺指标的数据 由表 5-3 绘 出溶剂比比对各个工艺指标的影响如下图： 回流比溶剂比纯度（%）收率（%） 杂质含量 （%） 0.594.540391.67840.0069 0.695.662792.76680.0086 0.796.232193.3190.0093 3.0 0.896.568893.64550.0095 16 94.00 94.50 95.00 95.50 96.00 96.50 97.00 0.400.450.500.550.600.650.700.750.800.85 溶剂比 纯

46、度 图 5-4 溶剂比与纯度的关系曲线 0.92 0.92 0.93 0.93 0.94 0.94 0.400.450.500.550.600.650.700.750.800.85 溶剂比 收率 图 5-5 溶剂比与收率的关系曲线 17 0.0060 0.0065 0.0070 0.0075 0.0080 0.0085 0.0090 0.0095 0.0100 0.400.500.600.700.800.90 溶剂比 DMF含量 图 5-6 溶剂比与产品中 DMF 含量的关系曲线 由表 5-3 和图 5-4.5-5.5-6 看出，在一定回流比下，溶剂比加大纯度和收率均承上 升趋势。而 DMF

47、在产品中的含量随溶剂比的变化不大。实验和工业上希望溶剂比越小越 好，可以节省溶剂。 5.2.2 回流比对工艺指标的影响 工艺流程的各项操作条件不变，选定溶剂为 DMF.在一定溶剂比条件下，回流比的改 变对工艺指标的影响。如下表 表 5-4 溶剂比为 1 时回流比对工艺指标的影响 溶剂比回流比纯度（%）收率（%）DMF 含量（%） 1.594.526891.66530.0226 2.095.351792.46530.0119 2.596.598393.67410.0112 3.096.9914 94.05530.0060 1.0 3.597.178094.23630.0082 由表 5-4 绘出

48、回流比比对各个工艺指标的影响如下图： 18 回流比对收率的影响 91.50 92.00 92.50 93.00 93.50 94.00 94.50 1.001.502.002.503.003.504.00 回流比 收率 图 5-7 回流比与收率的关系曲线 回流比对纯度的影响 94.00 94.50 95.00 95.50 96.00 96.50 97.00 97.50 1.001.502.002.503.003.504.00 回流比 纯度 图 5-8 回流比与纯度的关系曲线 19 回流比对产品中DMF含量的影响 0.0000 0.0050 0.0100 0.0150 0.0200 0.0250

49、 1.001.502.002.503.003.504.00 回流比 DMF的含量 图 5-9 回流比与产品中 DMF 含量的关系曲线 由表 5-4 和图 5-7.5-8.5-9 可以看出，相同溶剂比下，回流比加大纯度和收率均承 上升趋势。而在回流比为 3 时，产品中 DMF 的含量最少。完成工艺指标（纯度为 95%以上， 收率为 92%以上）最小回流比随溶剂比的加大而减小，实验和工业上希望回流比越大越好， 但是回流比加大会加大设备操作费用，回流比的选择应综合考虑。 5.2.3 溶剂进料位置对工艺指标的影响 因为本实验模拟用 DMF 做溶剂，产品异戊烷中含有少量 DMF。而且很难将他们分离， 所以产品采出时 DMF 的含量应越少越好。 下表是溶剂比为 0.6，回流比为 3，理论板数为 50 时溶剂进料位置不同对产品采出时 DMF 在总采出量中含量的影响： 表 5-5 溶剂进料位置对产品的影响 溶剂进料位置产品含量（质量百分数）DMF 含量（ppm） 596.32701275 1095.662786 1595