aspen认识实习——环己烷生产

作业3 环己烷生产过程
2011011743 分1 黄浩
问题叙述：
1.创建一个流程来模拟环己烷生产过程：C6H6 + 3H2 = C6H12
2.用灵敏度分析研究环己烷流程中循环流率的变化对反应器负荷的影响。

(a)在精馏塔环己烷摩尔回收率为0.9999的前提下(使用塔自身的设计规定，通过Bottom rate在97到101 kmol/hr之间改变来满足要求)，当LFLOW中的循环分流分率从0.1到0.4改变时，绘制反应器负荷(模块REACT)随之变化的曲线。

(b)除改变循环分流分率外, 把苯转化率从0.9 改变到1.0，制成反应器负荷表，绘制参数图，显示反应器负荷对循环分流分率和苯转化率的依赖关系。

3.对于环己烷用流程，采用设计规定，通过改变循环流率确定反应器热负载：围绕反应器的冷却系统能够处理的最大负荷为
4.7 MMkcal/hr。

确定所需的循环环己烷量以保证该反应器的冷却负荷为该量。

解答过程：
第一小问：
使用aspen绘制流程图如下：
流程分析：反应物氢气和苯经预热后，进入反应器，以99.8%的转换率（以苯计）反应生成环己烷。

粗产物经闪蒸装置分为气液两相：其中气相以氢气为主，92%的气相作为循环物料进入反应器，其余放空；而液相以环己烷为主，30%的液相作为循环物料进入反应器，以辅助控制温度，剩余的液相在第8层进入精馏塔（共12层），进一步脱出轻气体，最后在重相中得到较纯的环己烷。

第2小问：
本小问要求精馏塔中环己烷的摩尔回收率1为0.9999，这是一个设计规定问题，在没有灵敏度分析时，我们可以先求出物料COLFD 中环己烷的摩尔流量，并依此为基准得到PRODUCT 中环己烷的规定流量。

这是因为Bottom rate 是精馏塔的输出参数，不会影响它的输入状态，但如果有灵敏度分析，那么参数“LFLOW 中的循环分流分率”却会显著影响输入流量，即COLFD 中环己烷的摩尔流量不是恒定的。

经过参阅aspen 帮助文档，我找到了回收率的选项——recovery ，以此来定义设计规定。

设置Bottom rate 在97到101 kmol/hr 之间变动，以满足设计规定，在不使用灵敏度分析的条件下（使用题中预设参数），所得结果为，Bottom rate = 99.4569 kmol/hr
在此基础上，使用灵敏度分析，当LFLOW 中的循环分流分率从0.1到0.4改变时，绘制反应器热负荷随之变化的曲线，如下所示：
1
个人认为回收率是指PRODUCT 中的环己烷占COLFD 中环己烷的比例，而不是指PRODUCT 中环己烷纯度。

VAP
H2RCY
PURGE
COLFD
LTENDS
PRODUCT
LIQ
RXOUT
RXIN
H2IN
BZIN
VFLOW
COLUMN
LFLOW
HP-SEP
REACT
FEEDMIX
CHRCY
1
该图说明，在设计规定——环己烷的摩尔回收率为0.9999的条件下，随着LFLOW模块向反应器中回流的液相增加，反应器的热负荷绝对值变小2，热负荷值增大，即吸热量减小。

然后，继续添加一个灵敏度分析的变量——苯的转化率，设置在0.9到1之间变动，然后与LFLOW中的循环分流分率一起作用，观察对反应器热负荷的影响，结果如下：
上表中，行标签为苯的转化率，列标签为回流分率。

将上表绘制成曲线，可更直观地看出反应器负荷对循环分流分率和苯转化率的依赖关系：
该图说明，反应器负荷同时受循环分流分率和苯转化率的影响：
2注意此处热负荷为负值，即反应器需对体系吸热
一方面，随着苯的转化率增加，反应器热负荷值减小（吸热量增加），这是因为，随转化率增加，反应放热增多，维持反应器温度所需吸收的热量自然会增多。

另一方面，循环分流分率对热负荷的影响却同时与转化率有关：当苯的转化率较小时（如转化率为0.9），随着LFLOW模块向反应器中回流的液相增加，反应器热负荷逐渐减小（吸热量增加）；当苯的转化率中等时（如转化率为0.95），LFLOW模块向反应器中回流的液相比例，基本不影响反应器热负荷；当苯的转化率很高时（如转化率为1），随着LFLOW模块向反应器中回流的液相增加，反应器热负荷增加（吸热量减小）。

其原因可能是，循环分流分率增加时，由于RXIN的物料增加，致使比热增加，这样就能抵消掉反应放热带来的温度增加，有利于降温，但这也会有另一个效应，即循环物料中剩余的苯和氢气也会继续发生反应，造成反应热的增加，不利于降温。

因此，若苯的转化率较小，那么循环物料中的反应热所占比例较大，因此反应热的因素为主导，体现为随循环物料的增加，热负荷减小（吸热量增加）；若苯的转化率较大，那么循环物料所产生的反应热所占比例较小，于是比热的因素成为主导，体现为随循环物料的增加，热负荷增加（吸热量减小）。

当苯的转化率适中时，比热的因素和反应热的因素相互抵消，体现为热负荷不随回收分率而变化。

第3小问：
该小问仍然是一个设计规定问题，但与之前的问题的不同之处在于，该设计规定是针对全流程而言，即设计规定的变量是位于两个不同的设备中，因此要在Flowsheeting Options中进行设置。

设置反应器规定热负荷为-4.7 Gcal/hr(MMcal/hr),容差为0.001个单位，以LFLOW模块向反应器中的回流比例为变量，在0.1到0.5之间变动。

其他参数与第1小问相同，精馏塔本身的设计规定也包含在内。

对于进行该设计规定的原因，在实验前我有这样一个猜想：在第2小问中，我们知道了，在苯的转化率为0.998时，随着回流比例的增加，反应器热负荷值增加（吸热量减小），但是增加回流比例也会使得PRODUCT中的环己烷分流量大幅减少，收益自然下降，于是我们需要充分地利用反应器自身的最大吸热量，这样PRODUCT中的环己烷分流量可以达到约束下的最大值，回流量达到最小值。

经过计算，所得结果为：
该结果说明，按照反应器热负荷的设计规定，LFLOW的回流分率最少为0.1923，相应的环己烷回流分量为23.642 kmol/hr。

但与之前的猜想的不同在于，PRODUCT中环己烷的分流量基本没有变化，更确切地说，是下降了，这说明猜想是错误的。

通过查看其它streams的物流信息，我发现，当回流分率较小时（即设计规定后），反应器的输出物料RXOUT中的环己烷分流量也相应减小，这使得PRODUCT中环己烷的分流量并没有因回流的减少而相应增加。

其实，通过观察流程图，并结合质量守恒，我们不难想到，输入的苯的流量，应该与输出的苯和环己烷分流量之和相等，又因为从其他途径排放的苯和环己烷微乎其微，于是，不管LFLOW的回流分率如何变化，PRODUCT中的环己烷分流量应该基本不变。

这便解释了上表中的现象，也能驳倒之前的猜想。

得出结论：
1.流程模拟及流程分析见“解答过程”
2.在精馏塔环己烷摩尔回收率为0.9999的前提下，当LFLOW中的循环分流分率从0.1到0.4改变时，随着回流分率的增加，反应器热负荷值增加（或其绝对值减小，吸热量减小）。

而如果同时变化苯的转化率，则当转化率在0.95以下时，热负荷随着回流分率的增加而减小（吸热量增加），当转化率在0.95以上时，热负荷随着回流分率的增加而增加（吸热量减小），当转化率在0.95左右时，热负荷基本不随回流分率而改变。

3.当反应器的热负荷绝对值达到最大，即
4.7 Gcal/hr时，要求LFLOW模块的回流分率为0.1923，其中环己烷的回流分流量为23.642kmol/hr，调整回流分率不会显著影响PRODUCT 中环己烷的收率。