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生产苯酚
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ASPEN Plus过程模拟

对于苯酚生产过程的ASPEN模拟,我们将使用沸石催化剂。 该材料在该过程中离解成离子并因此溶解。 EPNRTL属性方法用于整个报告中的模拟实施。

假设

  • 催化剂溶解度
  • 使用的沸石催化剂没有很好地定义。 因此,需要做出有意义的假设。 这是因为催化剂的溶解度将影响该方法的分离部分,即可能导致管道和蒸馏塔盘的堵塞。 根据IUPAC分析,大多数催化剂部分是可溶的。

  • 丙酮最小化
  • 必须对该过程所需的溶剂进行假设。 根据反应器中水,丙酮和苯混合物的分析,有必要将可混溶的单相溶液保持在22 psi。

  • 过氧化氢质量
  • 商业上获得的过氧化氢具有添加剂以增强其稳定性。 随着过氧化氢强度的增加,稳定剂的量总是增加。 该分析假定过氧化氢不含稳定剂,以避免它们存在于体系中。

    .
  • 废物处理
  • 该项目将假设废物处理已经存在或将包括在内,因为所进行的化学过程的性质。

ASPEN加模拟

讨论

因此,反应器是丙烯和苯反应的主要过程必须按组分清单中的规定建模的地方。 烷基化和反式烷基化反应器分开建模。 采用300-400 oC的温度范围和25 atm的压力。

使用平衡条件压力不被认为是在平衡压力下发生的反应,而是取决于温度和苯/丙烯比率。 ASPEN Plus有七种反应器型号可供选择。

平衡依赖的RGIBBS反应器是在物质的成分中进行的,其中产物的自由焓处于低位。

实施每个反应的温度方法,同时进料流摩尔流速保持在1千摩尔/小时的值,进料流包含丙烯和苯。 反应器的温度设定为350℃,压力设定为25 atm。 监测温度变化和转化选择性的影响。

进行的计算基于以下公式

异丙苯的选择性= Fcumeneproduct /(Fpropylenefeed-Fpropyleneprod)x 100%

丙烯转化率=(FpropylenefeedFpropyleneprod)/ Fpropylenefeed x 100%

m-DIPB的选择性%= Fmdipb产品/(Fpropylenefeed-Fpropyleneprod)x 100%

p-DIPB的选择性%= Fpdipb产品/(Fpropylenefeed-Fpropyleneprod)x 100%

其中,

Fcumeneproduct =产品中异丙苯的摩尔流速

Fpropylenefeed =进料中丙烯的摩尔流速

Fpropyleneprod =产物中丙烯的摩尔流速

Fmdipb产物=产物中m-DIPB的摩尔流速

Fpdipb产物=物质中p-DIPB的摩尔流速。

RSTOIC反应器模型适用于寻找各种反应的标准反应热

反应数 标准反应热
1 -0.02
2 -0.02
3 0
4 0.649
5 0.649
6 -0.02
7 -0.02

温度和苯/丙烯浓度对反应的影响。

在给定温度下,随着苯/丙烯浓度的增加,丙烯的转化率增加。 这是由于进料中丙烯的比例降低。 发现丙烯的转化率随着反应放热而每次加入恒定的苯/丙烯浓度加热而降低。 最后,在给定温度下,随着苯/丙烯浓度的每次升高,异丙基苯的选择性增加,因为由于过量的苯,聚烷基化反应减少。 温度的升高增加了异丙基苯对任何静态苯/丙烯浓度的选择性,如在高温下发生的吸氢反式烷基化反应。

  • 温度升高/降低和苯:丙烯浓度对丙烯转化率的影响。
  • 温度升高/降低和苯:丙烯浓度对异丙苯选择性的影响
  • 温度升高/降低和苯:丙烯浓度对m-DIPB和p-选择性的影响

该苯酚生产方法涉及纯化或回收的异丙苯被氧化。 将异丙苯以流的形式加入氧化容器中,该容器保持在110-115℃,pH范围为6.0至8.0。 将该混合物保持暴露于压缩空气中,直至至少20-25%的异丙苯转化为氢过氧化枯烯。

将该粗混合物浓缩至80%,然后注入反应器中,其中氢过氧化枯烯在约70和大气压下裂解成苯酚和丙酮。 该反应需要少量的硫酸才能发生。

然后将该物流导入分离过程,但首先,将其在水中洗涤,并将丙酮作为第一塔中的塔顶馏出物除去。 然后通过连续蒸馏纯化混合物。 在第一塔中,未反应的枯烯转移到循环物流中。 该异丙苯在将其送回原料流之前进行处理。

纯化过程是将甲基苯乙烯催化加氢制异丙苯; 这通过仔细分馏实现,其中甲基苯乙烯作为副产物获得。

苯酚的反应分两步进行。 第一反应是通过两种原料即异丙苯和氧气生产异丙苯过氧化氢。 反应在氧化塔中在110-115 oC和pH范围6.0至8.0下进行。 将氢过氧化枯烯的中间产物用作第二反应器中的反应物,打算使用的反应器是连续搅拌釜反应器(CSTR)。 大多数转换发生在这里,即大约90%。 在分离过程中,除去副产物和废物以得到初级产物,即苯酚。

基本流程图和背景

图5:苯酚过程的方框图

为了进行模拟,苯酚生产过程由两个过程组成,即异丙苯的氧化和裂解

Hock过程(异丙苯的氧化)

C 6H 5CH(CH 3) 2+O 2C 6H 5C(CH 3) 2OOH

C 6H 5CH(CH 3) 2+ 1.5O2→(CH 3) 2C 6H 3CH 2OH

裂解反应

(CH 3) 2C 6H 3CH 2OH→C 6H 4(C 2H 3)CH 3+ H 2O

C 6H 5C(CH 3) 2OOH→C 6H 5OH + CH 3COCH 3

Aspen流程图

馏分表在各个阶段

从图中可以看出该过程有六个步骤

  • 异丙苯氧化得到氢过氧化物
  • 异丙苯过氧化氢浓度
  • 裂解(氢过氧化枯烯的分解)
  • 废水中和
  • 纯化
  • 污水处理

ASPEN加报告

  • 泵(p-201)
  • 增加苯进料压力至3000 kPa

  • 泵(p-202)
  • 将丙烯进料的压力增加至3000 kPa

  • 加热器
  • 将进料混合物蒸发并过热至350 oC

  • 反应堆
  • 在限制性反应物的转化发生的地方。

    C 3H 6+C 6H 6- > C. 9H 12
  • 闪光灯
  • 热交换器和闪光鼓的组合。 旨在降低温度和压力以从异丙苯和苯中分离惰性丙烷和未反应的丙烯。

手动计算反应器中的反应物。

物质和能量平衡

第一反应器中的反应显示出1千摩尔的C 6H 5CH(CH 3) 2和一公里的O. 2将产生一公里的C 6H 5C(CH 3) 200H。 还存在硫酸(H 2SO 4),一公里的C 6H 5C(CH 3) 2OOH将裂解一公里的C 6H 5OH和1千摩尔CH 3COCH 3。 使用以下标准关系,我们可以计算苯酚生产中涉及的质量。

质量输入率=质量输出率

一年的苯酚产量= 136363.64吨/年

= 15.56663吨/小时

= 15566.63 kg / h

= 165.6 kmole / h

在第一反应器中的混合物中异丙苯过氧化氢中产物的组成分数

X3cumene = 0.6

X3cumene hydro peroxide = 0.3

X3oxygen = 0.1

转换因子:

X反应堆2 = 90%

为了获得反应器1中的摩尔比率,我们首先计算出

反应器2(酸化剂)上的分子平衡。

苯酚平衡:

N3X3phenol = N4X4phenol - ar2 N4X4phenol

=> 165.6 kmole / h

a = 1

0 = N4X4phenol - r2 r2

= 165.6 Kmole / h

丙酮平衡:

N3X3acetone = N4X4acetone–ar2

N4X4acetone = 165.6 kmole / h

过氧化异丙苯平衡:

N3X3cumene hydro peroxide = -ar2 / Xreactor2

= - (-1)(165.6)/(0.9)

= 184 kmole / h

进料反应器中的摩尔总数2,N3

N3X3cumene hydro peroxide = 184 kmole / h

X3cumene hydro peroxide = 0.3 N3(0.3)= 184 kmole / h

N3 = 613.3 kmole / h

找到反应器2中进料的质量流速。

F3 = N3X3 异丙苯(先生 异丙苯)+ N3X3 异丙苯过氧化氢(Mr 异丙苯过氧化氢)+ N3X3oxygen(先生 氧气)

=>(613.33)(0.6)(120)+(613.33)(0.3)(150)+(613.33)(0.1)(32)= 73722.26 kg / h

所得值表明反应器2需要73722.26 kg / h的异丙苯过氧化氢和枯烯和氧以15566.63%的转化率产生90kg / h的苯酚。

为了在系统(hysys)中完全执行材料和能量平衡,需要绘制转换腔室及其各自的输入和输出流。

ASPEN加上结果与手工计算结果的比较

根据ASPEN plus报告中提供的数据,我们可以得出结论,手动计算可以清楚地表明要使用的物质。 模拟提供了项目的理想条件。

预期的输入和输出

设计过程的主要目标是每年分析100000公吨碳酸的生产成本和基本原则。 从化学书中,异丙苯的分子量为120.20 g mol-1,密度为862 kg / m3。 苯的密度为876 kg / m3,分子量为78.11 g / mol。 最后,丙烯的密度为1.81kg / m3,分子量为42.08g / mol。 最终苯酚的密度为1070kg / m3,而其摩尔质量为94.11g / mol [9]。 考虑到这些密度和摩尔质量,将需要满足以下输入要求:255050公吨异丙苯,728545吨丙烯和392490吨苯制造。 这些值估计为最接近的五公吨。

经济成本分析

在评估替代方案时,我们根据经济标准的数量进行盈利能力分析,即投资回收期,现金流量分析和内部收益率。 我们在分析中应用等效的年度运营成本

盈利能力分析

EAOC = - (产品价值 - 饲料成本 - 其他运营成本 - 资本成本年金)

当EAOC的值为负时,表示盈利能力。 Cumene nad苯的成本来自化学品营销记者。 资本成本年金(年度成本)是一次性固定成本,主要需要建设工厂。 它被定义为

资本成本年金= FCI((i(1 + i)) n/(1 + i) n-1)

其中,

FCI是所有设备的安装成本;

我是利率,i = 0.15;

n是用于会计目的的植物生命,n = 10。

盈利能力讨论

对于工业应用,该计划可以近似消耗固定成本的25百万美元加上直接资本支出的127.6百万美元[7]。 静态成本将通过购买设备来累积; 锅炉,预热器,反应器,加热器,冷却器,回流器,压缩机,冷凝器,柱子和附件[7]。 大部分直接资本成本将来自购买原材料。 对于异丙苯,丙烯,苯和DIPB,预计每千克的成本为1.37,$ 1.12,$ 1.20和$ 3.30,预计基本材料的年度支出为133419932 $ 45552468,$ 79919133和$ 12521737逐字逐句列出。

原材料 每公斤成本($) 年费($)
异丙苯 1.37 133419932
丙烯 1.12 45552468
1.20 79919133
二异丙苯 3.30 12521737

生产目标

土地建筑和机械

产品详情 测量/数量 成本
覆盖区域 平方米。 英尺。 500
露天区域 平方米。 英尺。 500
总面积 平方米。 英尺。 1000
租用房屋 2000
电抗器 1 34255.03
搅拌机 1 34255.03
分离机器 1 34255.03

每年估计费用

每年的经常性费用总额 26951.26
机器和设备折旧 372.34
总投资利息@ 10% 595.74
27919.34
买卖
项目 数量 价值($)
苯酚 100,000 34255.03
总计 34255.03

盈利

年度毛利润 6335.69
销售利润百分比 18.50%
年固定成本 8668.01
年度销售 34255.03
年度可变成本 18283.25
盈亏平衡点 54.27%

安全问题和危险

健康与安全

存在易燃和有毒物质,因此需要进行安全管理。 该过程应考虑控制过程质量和过程中的偏差。

过程安全文档

吸入这种化学物质非常危险。 它对皮肤和眼睛都有刺激性。 当溢出大量时,应防止其与热源或点火源接触。 保护装置应该像防溅护目镜,实验室外套和手套一样佩戴。 它也被认为是致癌的。

过氧化氢

它具有皮肤和眼睛刺激作用。 在接触的情况下,它还对皮肤和眼睛有腐蚀性。 它还可能导致组织和呼吸道损伤。 可引起燃烧并提供氧气以维持火灾。 应穿戴个人防护装备,如手套,面罩,靴子,蒸汽呼吸器和全套服装。

苯酚

接触或吸入会有危险。 它对皮肤和眼睛都有刺激性。 暴露还可能导致肺,肾和中枢神经系统损害。 个人防护应包括合成围裙,蒸气,防溅护目镜,手套和防尘口罩。

易燃性限制

苯的可燃性限制为1.2%至11.5氧气体积百分比。 存在于废水蒸气中的苯需要控制机制以避免火灾。 一种受控的天然气进料

Hazop分析

苯酚生产过程是放热的,因此提供冷却系统。 冷却系统的中断会增加反应器的温度。 温度的这种变化可能导致失控的反应,最终可能使血管破裂。 所关注的点是冷却水管线,单体进料管线,反应器容器和搅拌电动机。 从Hazop分析中我们可以得到以下修改:

  • 引入高温监控系统以提醒操作员
  • 安装冷却水表和报警器,以便在冷却水损失时立即显示。
  • 提供高温停机,在反应堆过热时关闭系统。
  • 安装止回阀以防止冷却水反向流动。

Hazop报告可以表示为:

环境问题

必须考虑几个生产要素,使工厂对环境友好。 应包括喇叭口以防止有机化合物释放到空气中。 将任何产生的气体流出物合并,纯化并通过火炬以过滤有机化合物。 包含甲烷作为受控进料以降低系统的可燃性。

苯酚生产中涉及的化学过程对环境有几个影响。 这对环境的影响是由于整个过程中产生的不同种类的废物。 这些废物是

  • 苯乙酮
  • 酸化水

这些废物是在该过程的各个阶段产生的,并对环境产生不同的影响。 苯乙酮是整个系统的主要副产品。

酸化水从分离室中发生的过程中释放出来。 当水的PH降低并且通过沉淀沉积时产生这种废物。 水破坏了生态系统和显着的养分流,导致淡水鱼和植物死亡,这取决于PH条件。

酸化水的性质包括:

物理性能 数据
化学式 H2O
室温下的物理状态 液体
气味 -
外观 无色液体
沸点 100℃,
熔点 0℃,
相对密度 1g / cm3
摩尔质量 X
可溶性 无限
粘性 8.90 x 10-4 Pa.s
pH 3.0

从这些环境条件来看,显然该设备需要大量的水用于回收过程,因此建议位于水源附近。 这个位置也得到了这样一个事实的支持:水路将使国际市场的运输变得容易。 废水用于确保富含燃料的操作并使燃烧成为可能。

工厂的地面布局

布局设计为允许材料进入并以方便的方式离开产品。 工厂位于布局的中心,可以从校园的所有部分进入。

参考文献

[1] ncfb信息, “苯酚,” 美国国家医学图书馆,罗克维尔派克。

[2] c。 冰雹, “用于生产苯酚和丙酮的Hock工艺的FT-NIR分析,” Thermo fisher scientific inc,麦迪逊,2008。

[3] a。 焦化, “苯酚,丙酮,异丙苯,” nexant,2012。

[4] L. Pellegrini,S。Bonomi和G. Biardi, “用于安全分析的苯酚工厂开裂部分的动态模拟” 米兰,米兰,2001的化学,材料和化学工程系Politecnico。

[5] M. Ceasar, “使用沸石催化剂的PEP工艺模块” 1999.

[6] WH组织, “异丙苯” 世界卫生组织,纽约市,1999。

[7] e。 加拿大, “苯酚,” 加拿大环境部,渥太华,2000。

[8] e。 博鲁, “浸没式液体培养中白腐真菌生产酚氧化酶”, 麦吉尔大学,2003。

[9] Wolfgang Schmidt “过程模拟 - 环境技术中一种高效且功能强大的工具” chemstations Deutschland GmbH。

[10] NIRLIPT MAHAPATRA “使用白杨的异丙苯植物的设计和模拟

“国家技术学院Rourkela 2010

压住他
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