甲苯加氫脫烷基化制苯

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1、化工過程分析和概念設(shè)計(jì)甲苯加氫脫烷基化制苯院系：化工學(xué)院專業(yè)：化學(xué)工程學(xué)生：李荷華指導(dǎo)教師：錢宇教授陸恩錫教授2001．6．114概念設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)是依據(jù)開發(fā)性基礎(chǔ)研究的結(jié)果、文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)、現(xiàn)有類似裝置的操作數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)，按照所開發(fā)的新技術(shù)工業(yè)化規(guī)模而做出的預(yù)想設(shè)計(jì)。其目標(biāo)是尋找最佳工藝流程和估算最佳設(shè)計(jì)條件。由于任何過程都可提出許多方案，而并非所有的方案都可行，所以在那么多方案中找到可行方案是一件很困難的任務(wù)。分層次決策就是針對(duì)這個(gè)問題提出的，它能從眾多方案中排除大量無意義的方案。分層次決策法的做法是把設(shè)計(jì)問題簡化為多層次的

2、決策，借助這種方式可以把一個(gè)龐大而復(fù)雜的問題分解成許多小問題，處理起來回簡單的多。注意力集中在每一層次里所必須做的決策上，就可以辨明可用于解決該問題的已有技術(shù)，而無須排除某些新技術(shù)或許能提供的更好解決方法。此外，通過列舉我們所能提出的每一決策方案，就可以系統(tǒng)地產(chǎn)生出一張工藝替代的清單。這種方法的要點(diǎn)是運(yùn)用某種手段區(qū)分問題空間的重要信息和細(xì)節(jié)，借助于抽象空間的分層次規(guī)劃法，逐級(jí)引入不同的細(xì)節(jié)，可以顯著提高解決問題的能力。此概念隨時(shí)可以延伸到分層次的空間，每一級(jí)所處理的細(xì)節(jié)對(duì)只它下面的是層空間為少，又都比它上面的空間為多。只有在

3、較高層次的空間里，成功的規(guī)劃充分地證明了它的重要性時(shí)，才考慮它的細(xì)節(jié)，這種分層次的搜索過程可以大大減少所需搜索空間的份額。案例分析本例是甲苯的加氫脫烷基化制苯，有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)：反應(yīng)條件：反應(yīng)器進(jìn)口的溫度變化范圍是1150℉（低于此溫度時(shí)反應(yīng)速度太慢）到1300oF(高于此溫度時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的加氫裂化)，而且反應(yīng)器的壓力=500psia。需要用過量的氫（比值為5/1）來防止結(jié)焦，而且反應(yīng)后的氣體必須迅速冷至1150oF，以免反應(yīng)器后續(xù)的換熱器內(nèi)的結(jié)焦。首先考慮該反應(yīng)的選擇性問題，所謂選擇性指的是每轉(zhuǎn)化一摩爾的甲苯能生成的苯的量

4、，我們將選擇性記為S。由文獻(xiàn)知，該反應(yīng)過程的選擇性和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如下表：HDA過程的選擇性S0.990.9850.9770.970.93X0.50.600.700.750.851．用回歸的方法處理以上這些數(shù)據(jù)，可得到轉(zhuǎn)化率X與選擇性S之間的關(guān)系：條件：氣相、無催化劑。2．產(chǎn)量=265mol/h的苯。3．產(chǎn)品純度：141．原料：室溫條件下的純苯；100℉和550psia下的95%的H2和5%的CH4。2．制約條件：在反應(yīng)器進(jìn)口處H2/芳烴=5（以防結(jié)焦）；反應(yīng)器出口溫度<1300℉（以防加氫裂解）；反應(yīng)器出料驟冷到1150℉（

5、以防結(jié)焦）3．需要時(shí)再給出其它裝置和場(chǎng)地的數(shù)據(jù)。針對(duì)該案例的特點(diǎn)，以及一般的過程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方法，可以開發(fā)出針對(duì)本案例的分層次的決策步驟，這種設(shè)計(jì)方法的一個(gè)很大優(yōu)點(diǎn)是，隨著我們通過該分級(jí)系統(tǒng)的個(gè)層次時(shí)，可以計(jì)算設(shè)備的尺寸和估算其費(fèi)用。再則，如果在某一層次上發(fā)現(xiàn)潛在效益成為負(fù)值，就可以尋找替代方案，或者終止該設(shè)計(jì)項(xiàng)目，而無須再尋找該問題的全部解答。該方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)來自下述事實(shí)：當(dāng)在不同層次做出關(guān)于流程圖結(jié)構(gòu)的決策時(shí)，我們知道只要改變這些決策，就將產(chǎn)生過程的替代方案。這樣有了鑒別不同方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，就可在很大程度上避免漏掉某

6、些重要的方案選擇的情況，概念設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是尋找“最佳”方案。一般決策層次可分為五個(gè)部分：間歇對(duì)連續(xù)、流程圖的輸入-輸出結(jié)構(gòu)、流程圖的循環(huán)結(jié)構(gòu)、分離系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)（蒸氣回收系統(tǒng)、液體回收系統(tǒng)）、熱交換系統(tǒng)。我們將運(yùn)用以上提出的層次分析法來解決該案例。A．間歇對(duì)連續(xù)連續(xù)過程是設(shè)計(jì)成每個(gè)裝置可以每天操作臺(tái)4小時(shí)，每周7天，幾乎全年都在基本不變的條件下運(yùn)行，由于我們的所要生產(chǎn)的苯，比較典型的有機(jī)化工產(chǎn)品，而且流程中所涉及的容器較多，一般選擇連續(xù)過程。所以我們也選擇連續(xù)生產(chǎn)過程。B．輸入-輸出的結(jié)構(gòu)為了解決流程圖的輸入-輸出結(jié)構(gòu)所需做

7、出的決策，我們只要圍繞全過程畫一個(gè)方框。這樣，注意力集中于那些輸入過程的原料和從過程中出來的產(chǎn)品和副產(chǎn)品。主要應(yīng)該考慮的問題有：進(jìn)料物流在進(jìn)入過程前需要凈化嗎？應(yīng)該移出或是循環(huán)可逆的副產(chǎn)物？需要采用氣體循環(huán)和放空物流嗎？是否值得回收并且循環(huán)某些反應(yīng)物？有多少股產(chǎn)品物流？輸入-輸出設(shè)計(jì)的變量是什么？與這些變量有關(guān)的經(jīng)濟(jì)權(quán)衡是什么？針對(duì)案例的特點(diǎn)，考慮以上提出的問題，得出以下結(jié)論：1.進(jìn)料物流的凈化：原料在進(jìn)入過程前先凈化的決策相當(dāng)于設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)凈化系統(tǒng)的決策，考慮本案例的特點(diǎn)及有關(guān)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，我們采用以下原則：由于甲苯進(jìn)料物流是純

8、的，氫進(jìn)料物流也不用凈化，因?yàn)殡s質(zhì)甲烷不多。且甲烷也是此反應(yīng)的副產(chǎn)物，何況氣體的分離很昂貴。2.可逆的副產(chǎn)品：如果循環(huán)可逆副產(chǎn)品，我們必須加大回路的所有設(shè)備的尺寸，已容納可逆副產(chǎn)品的平衡流量，然而，如果將副產(chǎn)品從過程中移走，則將由于增加了轉(zhuǎn)化為可逆副產(chǎn)品的反應(yīng)物原料費(fèi)用而付出經(jīng)濟(jì)代價(jià)，即為