单元15 Aspen概念设计

第15讲化工过程概念设计

田文德

青岛科技大学化工学院

TEL: 0532-********

Email: tianwd@https://www.wendangku.net/doc/5712971353.html,

本节主要内容

概念设计定义

总物料衡算

物料衡算优化

模拟实例

概念设计

※概念设计是化工过程设计的开始，其目的是按照规定的化工系统生产的要求，寻求所需的系统结构及其各子系统的性能，并是系统按规定的目标进行最优组合。※概念设计最终获得的一个最优的化工系统，应包括：

①由相互作用单元之间的拓扑和特性而规定的各种结

构替换方案的选择；②对组成该系统的各操作单元的替换方案的设计。

※概念设计的目标是多样化的，如系统的经济性指标、操作性、可控性、安全性与可靠性等。

※概念设计的这要内容包括反应、分离、循环、换热、公用工程等。

反应器网络的设计问题可表述为：为制造所要求的产品，对于给定的化学反应路径以及主、副反应的速率数据，确定一个反应器系统的最优拓扑结构和操作条件，以便在给定产率下总生产成本最小。

分离序列的设计问题可表述为：给定义进料流股，已知它的状态（流量、温度、压力和组成），系统化地设计出能从进料中分离出所要求产品的过程，并使总费用最小。

换热网络的设计就是确定出这样的换热网络，它具有最小的设备（换热器、加热器和冷却器）投资费和操作（公用工程加热和冷却）费用，并满足把每一过程物流由初始温度达到指定的目标温度。

※大型的化工过程系统通常由三个相互联系的部分组成，即化学加工过程，热回收网络和公用工程系统。

公用工程的概念设计问题可表述为：化工厂需要一定数量驱动机、泵等设备的动力，高、中、低压蒸汽，脱氨水，以及冷却水等；设计的目标是在满足上述要求的前提下确定系统的流程结构和操作条件，使系统总费用最小。

※过程操作方式：

化工过程的操作方式分为间歇和连续两种。连续过程设计成每个装置可以几乎全年都在基本不变的操作下进行，直至因为检修或事故而停车为止。而间歇过程一般是几套或所有装置都设计成经常的加料、开车、停车、放料、清理，直到重复开始下一个周期。间歇和连续过成之间的区别有时是模糊的。

模拟实例:甲苯加氢脱烷基生产苯（HDA）

反应条件反应方程式

C7H8（甲苯）+H2（氢气）→C6H6（苯）+CH4（甲烷）

2C6H6（苯）?C12H10（联苯）+H2（氢气）

反应温度>621℃（以获得合理的反应速率）

反应压力 3.40MPa（绝压）

选择性S与转化率x的

关系

S=1-0.0036×(1-x)-1.544

其他条件气相，无催化剂，氢气过量

生产规模120kmol苯/h 产品苯的纯度0.9997mol/mol

原料3.8MPa和25℃下的纯甲苯

3.8MPa和38℃下的H2物流（含95%H2和5%CH4，摩尔百分数）

制约条件在反应器进口处H

2

/芳烃=5（以防结焦）反应器出口温度<704℃（以防加氢裂解）反应器出料骤冷到621℃（以防结焦）

产品分布关系式中的x<0.97

总物料衡算※搭建流程图：

指定单位制

指定组分

※输入组分氢气、甲烷、苯、甲苯和联苯，如图：

指定热力学方法※选择SRK为热力学计算方法，如图：

查看二元交互参数

※输入氢气进料温度、压强、流量、组成，如图：

※输入甲苯的进料温度、压强、流量、组成，如图：

此处输入两个进料的流量，只是作为后面物料衡算的初值来使用，后面将根据设计规定进行准确计算。

输入反应器参数※输入反应器操作压强、温度，如图：

输入反应式

H8+H2->C6H6+CH4，2C6H6<->C12H10+H2如图：※C

7

※物流5对氢气和甲烷的分割值均为1，如图：

※物流3对苯的分割值为1，如图：

※在Data Browser的Flowsheeting Options/Design Spec中点击NEW创建一个新的设计规定：