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苯与丙烯乙烯烷基化反应精馏的模拟

作　者: 陈宁
导　师: 彭璇
学　校: 北京化工大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 苯乙烯丙烯烷基化反应精馏稳态动态
分类号: TQ028.13
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

反应精馏技术是近些年来迅速发展起来的一种特殊的精馏形式,其将反应和分离过程置于一个塔中实现。与传统工艺相比,反应精馏技术具有很多优点,更符合绿色、经济的要求,因此成为化工过程分离领域的重要研究方向。苯与烯烃的烷基化反应广泛应用于工业中,其生产方法包括汽相法、液相法和催化精馏法,而采用催化精馏技术利用干气制乙苯和异丙苯,可降低能耗,减少污染,因此具有良好的应用前景。本文对苯与乙烯丙烯的反应精馏过程进行了模拟,主要工作如下：首先,采用平衡级模型分别对苯单独与乙烯或丙烯烷基化反应的精馏过程进行模拟。采用Fortran程序进行泡点法编程计算,并与实验和非平衡级模拟进行了对比。结果表明,塔内温度和液相组成分布与已有实验和非平衡级模拟吻合较好,表明平衡级方法能够准确有效地描述此非均相催化反应精馏过程。其次,对以上两个烷基化反应精馏过程的各操作参数和主要变量进行了定性分析,主要包括进料苯烯比、塔内操作压力、反应段级数、回流比、苯质量空速、进料位置和催化剂的装填分率,讨论了其对烯烃的转化率以及设备操作TAC的影响,从而可对优化操作具有一定指导作用。再次,由于炼油厂干气为含乙烯和丙烯的混合物,因此本文设计了苯与乙烯丙烯混合进料时的反应精馏和将其釜液产物乙苯和异丙苯进行精馏分离的工艺。并对此工艺进行了正交试验设计,以烯烃转化率和TAC来衡量工艺条件的优劣,确定了最优设计方案。结果表明,所设计的工艺不仅能够达到转化率和TAC的要求,也能到达分离目标。第四,由于反应速率模型的复杂性,使得反应精馏的动态过程的模拟难度较大；而且,工业过程中苯与烯烃反应精馏工艺现先经过反应器之后,再进行精馏分离。因此,对釜液分离的精馏塔进行了动态模拟,并考察了在进料流率和组成为±10%的扰动情况下的响应过程。结果表明,在经过一系列变化后,最终可达到另一稳态值,符合平稳操作的要求。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
第一章绪论  15-27
  1.1 反应精馏技术发展概况  15-19
    1.1.1 反应精馏技术工艺及其特点  15-17
    1.1.2 反应精馏技术的应用领域  17-19
  1.2 反应精馏过程的模拟  19-24
    1.2.1 反应精馏的数学模拟  19-22
    1.2.2 反应精馏过程的优化  22-23
    1.2.3 反应精馏的控制  23-24
  1.3 乙烯丙烯烷基化反应概况  24-26
    1.3.1 烷基化反应原理及应用  24
    1.3.2 催化剂的发展  24-25
    1.3.3 烷基苯合成工艺的进展  25-26
  1.4 本文工作  26-27
第二章反应精馏模型及算法介绍  27-41
  2.1 数学模型  27-31
    2.1.1 平衡级模型  27-29
    2.1.2 相平衡方程  29
    2.1.3 宏观动力学方程  29-31
  2.2 泡点法介绍  31-37
    2.2.1 方程解离方法  31-33
    2.2.2 三对角矩阵的托马斯解法(追赶法)  33-34
    2.2.3 泡点法(BP法)介绍  34-37
  2.3 进行优化的指标  37-41
    2.3.1 转化率和选择性  37-38
    2.3.2 每年总成本TAC(Total Annual Cost)  38-41
第三章丙烯、乙烯与苯反应精馏的稳态模拟  41-55
  3.1 丙烯与苯烷基化反应精馏稳态模拟  41-45
    3.1.1 工艺过程  41
    3.1.2 数学模型  41-43
    3.1.3 模型求解  43
    3.1.4 结果与讨论  43-45
  3.2 乙烯与苯烷基化反应精馏稳态模拟  45-48
    3.2.1 工艺过程  45-46
    3.2.2 数学模型及求解  46-47
    3.2.3 结果与讨论  47-48
  3.3 稳态操作参数分析  48-55
    3.3.1 进料苯烯比的影响  49-50
    3.3.2 塔内压力的影响  50
    3.3.3 反应段级数的影响  50-51
    3.3.4 回流比的影响  51-52
    3.3.5 苯质量空速的影响  52-53
    3.3.6 烯烃进料位置的影响  53-54
    3.3.7 催化剂装填分率的影响  54-55
第四章烷基化反应精馏的稳态模拟以及优化设计  55-71
  4.1 正交化设计方法概述  55-57
    4.1.1 正交表  55-56
    4.1.2 正交试验的操作方法  56
    4.1.3 正交试验分析结果  56-57
  4.2 正交化选择较优化工艺过程  57-64
    4.2.1 制定因素-水平表4-1  57
    4.2.2 选择正交表  57
    4.2.3 设计表头  57
    4.2.4 确定模拟方案并进行模拟  57-60
    4.2.5 结果分析  60-63
    4.2.6 综合权衡五个指标,得到优化条件  63-64
  4.3 苯反应精馏稳态模拟  64-67
    4.3.1 工艺过程  64-65
    4.3.2 数学模型及求解  65-66
    4.3.3 结果与讨论  66-67
  4.4 烷基化反应精馏塔釜产品的精馏稳态模拟  67-71
    4.4.1 工艺优化过程  67-68
    4.4.2 数学模型与求解  68
    4.4.3 结果与讨论  68-71
第五章精馏过程的动态模拟  71-79
  5.1 精馏塔的动态数学模型  71-72
  5.2 动态模型的求解过程  72-74
  5.3 釜液精馏过程的动态模拟  74-76
    5.3.1 动态平衡值与稳态值的对比  74
    5.3.2 精馏过程的动态响应曲线  74-76
  5.4 扰动下的动态响应  76-79
    5.4.1 进料流率扰动±10%时的响应过程  76
    5.4.2 进料苯的组成扰动±10%时的响应过程  76-79
第六章结论与展望  79-81
  6.1 结论  79-80
  6.2 研究展望  80-81
参考文献  81-85
附录  85-89
致谢  89-91
研究成果及发表的学术论文  91-93
导师与作者简介  93-95
硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  95-96

苯与丙烯乙烯烷基化反应精馏的模拟

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