青岛科技大学化工学院化学工程与工艺专业《化工工艺模拟与计算》大作业题目10000 kg/h气体分馏装置工艺模拟与优化研究指导老师钟立梅班级及组别化工实验131班第4组姓名及学号王瑞 1301010603刘新瑶 1301090103卢建兴 1302020402 所选题号 22016年6月 23 日第一章（王瑞）题目1脱乙烷流程简捷设计与校核 (3)题目2脱乙烷流程严格计算 (8)题目3脱乙烷流程优化 (12)题目6脱丙烷流程塔类型设计 (19)第二章（卢建兴）题目4脱丙烷流程 (22)题目9换热器设计及CAD图 (24)题目11能量及换热网优化 (26)第三章（刘新瑶）题目5较优流程的水、热力学分析和N-Q曲线 (29)题目8泵设计选型及CAD图 (31)题目10脱乙烷PFD和PID图 (35)第四章题目7塔设备校核及CAD图（三人共做一人一张图） (37)丙烯是一个重要的化工产品，用于生产多种重要有机化工原料、生成合成树脂、合成橡胶及多种精细化学品等等，而丙烯主要来源于石油裂解。
若从石油裂解获取丙烯，则从石油中分离出高纯度的丙烯是一个重要的化工生产问题。
本次作业通过气体分馏装置的工艺模拟与优化研究来得到纯度达到99.5%的丙烯。
本次研究性实验的气体分馏装置工艺模拟与优化研究主要是对进料量为10000千克/小时的混合气体进行丙烯分离。
通过Aspen plus软件模拟，从石油裂解的众多产物中分离提纯出高纯度的乙烷。
我们组员共同努力，通过不断调节塔底流量、回流比、塔板数等各个参数来模拟流程，并进一步优化了设计，最终得到高纯度的乙烷，而且对整个工艺流程做出公用工程的计算，对耗能大小及操作费用做出了估算，为达到节能从而提高工程效益的目的，本设计还采用了热泵循环的手段对工艺流程进行了节能改进，大大减少了能耗，将提高了效益。
在模拟过程中，由于软件及分析方法存在局限性，分析结果仍可以继续优化。
AbstractPropylene is an important chemical product, used to produce a variety of important organic chemical raw materials, generating synthetic resin, synthetic rubber and a variety of fine chemicals and so on, and the propylene is mainly derived from petroleum cracking. The high purity propylene is an important chemical production problem if it gets the propylene from the petroleum cracking. The operation of the gas fractionation device by the process simulation and optimization of the purity reached 99.5% of the propylene. The research experiment of gas fractionation unit process simulation and optimization of mainly to feed for 10000 kg / hour composition (mole fraction) Plus Aspen software simulation, the separation of high purity ethane from many products of petroleum cracking. Our team joint efforts, by adjusting the tower bottom flux, reflux ratio, plate number and other parameters to simulate the process, and further optimize the design, the final oxide of high purity, and the whole process make public engineering calculation, on energy consumption size and operating expense makes an estimation, to achieve energy saving so as to improve the benefits of engineering. The design also uses the means of the heat pump cycle of the process for the improvement of energy saving, greatly reducing the energy consumption, will improve efficiency. In the process of simulation, the analysis results can be optimized because of the limitations of the software and analysis method.题目原料组成(摩尔分数)：甲烷6%，乙烷3.38%，丙烷7.43%，丙烯41.62%，异丁烷12.40%，正丁烷3.01%，丁烯15.47%，异丁烯6.59%，反二丁烯4.09%进料条件：T=30℃，P=1100kPa第一章（王瑞）题目1 脱乙烷流程简捷设计与校核流程如下流程说明：首先塔一塔顶出混合C2，塔底出混合C3+C4，塔二塔顶出混合，塔底出混合C4，塔三塔顶出丙烯产品，塔底出丙烷产品，最后分离的丙烯含量99.5%（质量分数）达到题目规定要求。
模拟过程说明1.首先完成feed进料编辑2.确定各塔的分离要求塔一的重组分是丙烷，轻组分是乙烷，目的脱出乙烷，设置回流比是最小回流比的1.2倍塔二的重组分是丁烷，轻组分是丙烷，目的是获得丙烷和丙烯，设置回流比是最小回流比的1.2倍塔三重组分为丙烷，轻组分为丙烯，目的获得高纯丙烯，设置回流比是最小回流比的1.2倍3.运行模拟，得要求的产品组成由图可知丙烯质量分数接近100%满足题意要求4.初步设计得到塔板数进料位置，并绘制回流比与塔板数的关系曲线塔一以上是进料和出料，初步分离达到要求，之后得到最小回流比、塔板数、进料位置、热负荷，进行做回流比随塔板数的变化图实际回流比为1.4,理论板数为73，进料板为34，最小回流比为1.17,再沸器热负荷0.7582 Gcal/hr，冷凝器热负荷0.0685 Gcal/hr，再沸器温度104℃下图为回流比随塔板数的增加而变化的情况由图可知当塔板数增大到45块以后，回流比减小趋势不明显。
故而最佳塔板数为45.故而确定了严格计算的各变量初值塔二回流比为0.608,理论板数为39，进料板为17，最小回流比为0.5069，再沸器热负荷0.2223 Gcal/hr，冷凝器热负荷0.6576 Gcal/hr，再沸器温度87℃下图为回流比随塔板数的增加而变化的情况由图可知当塔板数增大到33块以后，回流比减小趋势不明显。
故而最佳塔板数为33. 故而确定了严格计算的各变量初值塔三回流比为10.3,理论板数为195，进料板为113，最小回流比为8.6，再沸器热负荷3.8688 Gcal/hr，冷凝器热负荷3.8449 Gcal/hr，再沸器温度53℃下图为回流比随塔板数的增加而变化的情况由图可知当塔板数增大到115块以后，回流比减小趋势不明显。
故而最佳塔板数为115. 故而确定了严格计算的各变量初值由以上塔的基础数据作为初始值进行第二题的严格计算题目2严格计算经过一系列调整参数，最后在保证分离纯度的条件下，得到以下模拟数据塔一理论板数对回流比的影响由上图可知塔板数大于43以后，回流比随塔板数目的增加而减少，回流比越小操作费用约小，但设备费用越高，故可以找到总费用最小所对应的回流比，但在满足分离的纯度要求下，回流比只能确定为6，此时塔板数为73，进料板为40下图为塔一进料板位置对塔底热负荷的影响进料位置越高，塔釜的热负荷越大，故而在满足分离条件的情况下，尽可能使进料搬位置低一些，最后得到塔一热负荷为0.6414 Gcal/hr塔二理论板数对回流比的影响由上图可知塔板数大于6以后，回流比随塔板数目的增加而减少，回流比越小操作费用约小，但设备费用越高，故可以找到总费用最小所对应的回流比，但在满足分离的纯度要求下，回流比只能确定为3，此时塔板数为38，进料板为17 下图为塔二进料板位置对塔底热负荷的影响进料位置越高，塔釜的热负荷越大，当进料板超过26时，此时热负荷不随进料板增加而变化，故在小于26时，尽可能使进料搬位置低一些，当高于27时便无影响，最后得到塔二热负荷为1.124 Gcal/hr塔三理论板数对回流比的影响由上图可知塔板数大于190以后，回流比随塔板数目的增加而减少，回流比越小操作费用约小，但设备费用越高，故可以找到总费用最小所对应的回流比，但在满足分离的纯度要求下，回流比只能确定为15，此时塔板数为200，进料板为160下图为塔三进料板位置对塔底热负荷的影响进料位置越高，塔釜的热负荷越大，当进料板超过160时，此时热负荷随进料板再增加而跃进，故尽可能使进料搬位置低一些，而且尽最大可能不使其高于160，最后得到塔三热负荷为4.57 Gcal/hr热负荷为4.5698 Gcal/hr题目3脱乙烷优化下图为脱乙烷流程以三个塔热负荷总和最小优化定义Q1为塔一C1的再沸器热负荷而且Q2,Q3同理Q=Q1+Q2+Q3，求Q的最小值最初值为 0.6414 1.124 4.5698 总和为 6.3347 GCL/HR优化值为 0.42118 1.1649 4.7046 总和为 6.2906 GCL/HR由Q值的大小对回流比进行分析，得其最适合的值，同样的，塔板数和进料位置也可以这样确定优化后各塔的操作条件塔一优化后温度随塔板数的变化温度随塔板数增加而升高先快后慢，最后随塔板数变化不大塔一优化后气相组成随塔板数的变化塔一优化后气液相流率随塔板数的变化塔一优化后气液K值随塔板数的变化K值甲烷最高，戊烷最低塔二优化后温度随塔板数的变化温度随塔板数增加先慢后快再慢，塔板数为19时增长最快塔二优化后气相组成随塔板数的变化塔二优化后气液相流率随塔板数的变化塔二优化后气液K值随塔板数的变化塔三优化后温度随塔板数的变化塔三优化后气相组成随塔板数的变化塔三优化后气液相流率随塔板数的变化塔三优化后气液K值随塔板数的变化最优流程的确定流程的比较主要比较塔数量和塔操作和塔的设计由卢建兴同学做的脱丙烷和我做的脱乙烷进行各项指数的比较来确定最优的流程，脱丙烷流程详见第二章由以上两表对比可知，脱丙烷的流程更好更节能，先脱丙烷流程能耗较低题目6各塔的设计与校核如下塔一得到塔径4.6m，液泛因子为0.0424，部分压力降为0.177bar塔二得到塔径4.6m，液泛因子为0.026605塔三得到塔径4.6m，液泛因子为0.1139继续对其他变量进行分析，最后综合后，各塔的塔板类型、塔高、塔径、设计情况如下第二章（卢建兴）题目4 脱丙烷流程脱丙烷流程经简捷设计和严格计算后得，流程说明：首先塔一塔顶出混合C2C3，塔底出混合C4，塔二塔顶出混合C2，塔底出混合C3，塔三塔顶出丙烯产品，塔底出丙烷产品，最后分离的丙烯含量99.5%（质量分数）达到题目规定要求简捷设计塔一回流比随塔板数的变化塔二回流比随塔板数的变化塔三回流比随塔板数的变化严格计算塔一不同理论板数条件下的塔底再沸器热负荷随进料搬位置的变化塔二不同理论板数条件下的塔底再沸器热负荷随进料搬位置的变化塔三不同理论板数条件下的塔底再沸器热负荷随进料搬位置的变化三塔热负荷最小优化题目9 换热器设计及CAD图首先确定冷物流及热物流料的进出料和温度运行得到模拟结果得到压力、热负荷、温度等一系列数据如下图示，是换热器的CAD图形设计题目11换热网络优化利用Aspen Eeergy Analyzer 对先脱乙烷流程进行换热网络优化，结果如下：首先列出换热网的各项物流信息确定各股物流的能量以便对能量进行很好分配，使得能量最大化在输入各项数据后，利用Aspen的exchanger进行换热网的绘制工作，得到到如下的结果。