制苯车间分离序列综合设计制苯车间分离序列综合设计.doc

一 前言 多组分分离顺序的选择是化工分离过程常遇到的问题。用塔系分离多组分混合物时，涉及到先分离哪个组分，后分离哪个组分的问题，因而除了分离方法的选择外，还必须对分离塔的排列顺序做出决策。选择最合理的分离方法，确定最优的分离序列，以降低其各项费用，是分离序列综合的主要目的。 分离序列的综合可定义如下： 给定已知条件（组成、流量、温度、压力）的一股进料物流，要求系统的合成某个分离序列，使得它能以最小的费用将这股进料分离而得到预先规定规格的产品。即 式中　 I—S的字集； 　　—某个可行的分离器； —分离器的年总费用； S—可以产生规定规格产品所有可能的分离序列； N—欲分离混合物的组分数； —分离器的设计变量； X—的可行域； Φ—总费用。 上述问题属于非线性混合整数规划问题，这是一方面要对由S产生的所有子集I做出离散决策，另一方面要对在连续范围内变化的设计变量做出连续决策。因此合成分离序贯问题是一个两水平决策问题，其中高水平决策问题是找出最优分离序贯及各个分离器的特点。低水平决策问题是找出每个分离器设计变量的最优值。 为简化问题，假设所讨论的分离过程只局限在采用简单塔进行蒸馏操作的情况。所谓简单塔，是指：（1）一个进料分离为两个产品；（2）每一个组分只出现在一个产品中，即锐分离；（3）塔底采用再沸器，塔顶采用全凝器。在讨论分离序列的综合方法时，需要采用顺序表把进料的组分按照一定的规律排列起来。蒸馏操作中一般按照组分的相对挥发度大小排列各轻重组分。 二 问题的提出及模型的建立、简化 A 工程背景： 我们所分析的对象是燕山石化化工一厂的制苯车间，重点是制苯装置。制苯装置是乙烯装置的配套工程，每年消耗乙烯装置的副产品裂解汽油30.02万吨，经国家氢和抽提两个单元，年产出7万吨，为化工一厂苯乙烯装置，化工二厂苯酚丙酮和化工三厂的间甲酚等装置提供原料。 制苯装置包括加氢单元和抽提单元两部分。在加氢单元，鉴于以裂解汽油中除去双烯烃、单烯烃和硫、氧、氮有机化合物的条件不同，国内外普遍采用两段加氢法。虽然所用原料因各厂具体情况而异，但必须先经过预分馏分以及馏分，只选取—馏分作为两段加氢进料。抽提单元是采用四甘醇作为溶剂的芳烃抽提装置，将加氢后的—先进行切割塔分馏，然后经过抽提系统及苯塔精馏，主产品为纯苯，副产品有—馏分，抽余油等，当苯—甲苯抽提工况时副产品为甲苯。 B 分离序列模型 本文讨论的制苯装置是用乙烯装置的副产品裂解汽油作为原料的，裂解汽油中除含苯，甲苯，二甲苯外，还有单烯烃，双烯烃，饱和烃（直链烷烃，环烷烃）以及含硫，氧，氮的有机化合物，根据色谱分析有200多种组分，组成相当复杂。这种油的特点为稳定性差，存放过程中易聚合生成低聚度产物（胶质），故在应用中必须先经过加氢工艺处理。其具体组成见下表： 组分 质量分数（%） 所含物质 摩尔分数（%） 0.15 正丁烷，异丁烷 0.7658 19.31 正、异、新戊烷，环戊烷 23.8 12.52 的烯烃和环烷烃 11.37 苯 24.34 苯 27.72 苯乙烯 2.16 苯乙烯 1.84 乙苯 3.88 乙苯 3.26 对二甲苯 1.80 对二甲苯 1.51 间二甲苯 1.70 间二甲苯 1.42 邻二甲苯 1.50 邻二甲苯 1.26 甲苯 13.22 甲苯 12.8 19.25 芳烃，NA,苯乙烯 14.25 其它 0.17 硫、氧、氮、金属等有机化合物 0.0042 其中，和硫、氧、氮、金属的有机化合物在进料中的摩尔分数很少。首先用加氢的方法分解除去进料中的硫、氧、氮、金属等有机化合物，分解为，金属及相应的烃，有机金属化合物分解后，金属沉积在催化剂上，然后用精馏原理，将反应过程生成的，轻质烃等以稳定塔顶分离。由于苯乙烯，乙苯，对二甲苯，间二甲苯，邻二甲苯同属于芳烃，性质相似，故将其归为一个大的组分。整理后的表格如下： 编号 组分 质量分数 所含物质 摩尔分数 A 19.31 正丁烷，异丁烷 23.8 B 苯 24.34 苯 27.72 C 12.52 的烯烃和环烷烃 11.37 D 甲苯 13.22 甲苯 12.8 E 11.04 苯乙烯，乙苯，对二甲苯，间二甲苯，邻二甲苯 9.29 F 19.25 芳烃，NA,苯乙烯 14.25 查资料得到各组分物性值如下（其中 E组分的物性值是由各纯组分的物性值加权平均计算得出）： 编号 组分 摩尔分数 沸点/K A 23.8 305.0 25.10 B 苯 27.72 353.3 30.76 C 11.37 360.0 30.00 D 甲苯 12.8 383.8 33.18 E 9.29 413.4 36.2