顺酐法制1,4-丁二醇——Aspen模拟

Aspen学习，参考书可以选择：化工过程模拟实训—Aspen Plus教程（第二版）孙兰义主编-化学工业出版社，b站也有一些教学视频

直接从顺酐得到1,4-丁二醇有酯化和加氢两种方法，本文采用加氢法。反应体系如下：

但顺酐价格贵，因此查找上层原料。顺酐生产主要是苯氧化法、正丁烷氧化法。本文采用正丁烷氧化。反应体系如下：

即本文顺酐法大致工艺图如下。

关于工艺部分选择请多看文献、报告等进行抉择。选定后查找流程图，看看实际工艺是如何考虑分离。

开始Aspen模拟。首先是组分输入，最好弄个简称，要不然找起来麻烦，排序按沸点即可。

关于物性方法选择，本文只采用了最偷懒的NRTL。对于本工艺前一部分大多为非极性组分（可查看Aspen纯组分物性中偶极矩MUP），后一部分大多为极性组分可自行选择NRTL-RK等模型，对于氢等气体难以完全分离时可以采用UNIQUAC等模型，可自行在模块—B1（模块名称）—模块选项处更换。当流程含不同物性模型时，在两个物性转换处加入一个过渡的任意模块（实际工艺上并无此设备，仅模拟用）。

本文使用UNIFAC估算也是最偷懒的方法，关于重要组分最符合实际的二元交互参数可自行查找文献添加进Aspen，在此不再赘述。

将其重置—运行，无报错即可进入模拟。

原料成分如下：

空气：79%氮气（1%稀有气体并入）、21%氧气（如果考虑深入一点可以加入二氧化碳组分，其对第一步氧化动力学可能会有影响）。本文常温按照25℃，常压按照1.1bar计算，可根据选址地点年平均计算。关于量的确定，是根据产量来大致估算，本文所选数据仅为运行选用。

正丁烷：

杂质按照原料厂的生产工艺与标准来选择，杂质一般主要为异丁烷。本文偷懒选择无杂质。其次正丁烷有储罐，其为气态，为高压保存，由此初始流股压力应大于常压，本文选定1.5bar。

氢气由于小厂无储罐，因此为管路运输（几MPa），通过缓冲罐减压后进入流程。本文在Aspen中直接采用最终流股为5bar。

工艺搭建部分：

空气无储罐，肯定直接从大气中通过压缩机进行输送。本文选择简单的等熵压缩机，出口压力选择尽量不要太大。

流股汇合

相态选择一定要符合工艺流股，否则会出现如下报错

流股汇合经过换热器升高到反应所需温度，注意添加压降（0.1~0.4bar）。这个过程也可以先预热再汇合，最后一起升温。本文工艺搭建时只带有简单换热，对于换热处理这部分为后续优化过程。

反应器：

虽然评分细则中只要求详细设计一个反应器，本工艺中含有两个反应器，最好是两个反应都采用动力学，对于副反应的动力学能找到就用，没找到就采用设定转化率的方法。对于动力学，本文采用的不一定是最优的，请多查找文献对比，选择最符合实际的。

动力学输入，对于反应R3因现在无循环流股，初始进料中无MA，因此当加入R3时会报错，本文在此不加入R3。

点击反应——新建

该动力学为气固相吸附朗格缪尔形式，其在Aspen中为LHHW。

R1动力学的输入。动力学因子为Arrhenius形式本文采用kK=36039exp(-70.71/RT)(见动力学)，推动力即y(BT)y(O2)^0.42，下方输入指数。

吸附项。Aspen中是以ln(A)（除浓度外的系数）的形式输入的，即对于R1中1+Ky分别为ln(1)、ln(K)即0、3.377587516。吸附表达式指数为浓度的指数，本文为1。中间部分选择为y组分，第一项为1，即y^0;第二项为Ky，即y^1。

对于R2同理。

反应器设定，本文未加换热

反应器选择列管式固定床，此处可以设备创新，选用双流床等换热和反应转化率更高的设备（具体选用要依据参考文献或者用Fluent进行对比计算）。反应器体积不宜过大，应小于40~60m^3，本文选定该反应器为20m^3。

本文压降选择0.4bar

催化剂数据根据产品来定，本文为随意输入的数据。

出口进行降温，一般反应器前后流股是采用流股间换热，充分利用热能，为后续优化的工作。刚开始搭建工艺不建议直接使用流股间换热，会有一些报错难以处理。

降温后进行气液分离（依据沸点，液相产物MA中仅有水一种杂质。当然考虑复杂的话，比如原料杂质、更多的副反应也会有其他杂质），这时运行会发现会有气体被液体吸收。

这时的参数可以通过改用更符合的物性或者灵敏度优化完全分离。

此时可重置——运行看一看有无错误。出现这种提示，此时无错误，可进行下一步流程处理。

上述流程优化：

反应器的选择性与转化率，要符合实际工艺。这就涉及到反应温度、压力、反应器尺寸、催化剂量的确定。

采用灵敏度分析（模型分析工具——灵敏度——新建）。变化即自变量，激活相信大家都知道，可以多变量分析。

变量可以直接复制粘贴过来。操纵变量是指该自变量的基本信息，右边是变量从200开始等距为1变化到400。

定义是因变量，也可直接复制粘贴（Aspen V11中文对于一些数据有bug，不可直接粘贴，会提示。改成英文就可以，或者根据操纵变量进行选择。

）。

进行填充

运行无报错之后得到结果

自行选择想要的数据

绿色是所需产物，蓝色是副产物，即温度选择应在280~360之间选择。

对于压力、反应器体积等都可以通过这种方式得到最优参数。

通过设计规范得到想要的选择性与转化率。可以通过工艺流程选项——设计规范——新建，或者对部分设备也可在设备界面进行设定，如精馏塔。

定义的变量是与你所要求的设定值相关的数据（如设定转换率为50%=1-生成的MA/初始的BT，即添加两个变量。如果要求生成MA的量=50kmol/h,即只需一个变量即可）

如设定MA生产60kmol/h，误差0.01。

变化即自变量，从200开始每次变化1直到400度为止

得到结果为304.781度时达到要求。

对于转化率多变量采用Fortran，转化率=1-MA/BT，即定义（A不需要在定义里输入）

设定30%转化率，误差为0.001

运行结果

对于以下一些报错，可自行翻译解决

关于工艺优化部分，这两个工具大部分要求都可以满足，其他工具可自行学习。

流程中气液分离的气体（过量氧气，此时任然有少量BT，如果操作时难以分离循环可直接送入尾气处理）中含有一氧化碳，可以进一步氧化转换为二氧化碳排放或者液化空分得到副产氮气、二氧化碳（肯定要多级压缩，设备费用大）。

对于液相，由泵加压送入精馏塔。

对于精馏分离，首先查看分离体系有无共沸。

选定组分后点击共沸物

即水和顺酐MA无共沸，简单精馏即可分离。

精馏塔先选择简洁模块DSTWU，-1.2是指选择为最小回流比的1.2倍。

运行后得到实际回流比、实际塔板数、进料板。

此时采用严格模块RadFrac进行计算，初始参数采取简洁模块DSTWU计算结果。

本文压降选择0.2bar

运行无误即可进行优化，一般精馏设定参数为回流比、馏出物进料比（如初始流股为

则馏出物进料比选定115.791/(115.791+53.411)=0.6843）

一般优化回流比或者塔板数（一般简洁模块DSTWU计算结果就比较合理），给予塔设计规定为纯度要求（如塔顶或塔底产品要求99.5%）

关于后续流程未找到合适动力学。林川, 吴指南. 顺酐在负载型镍钼催化剂上高压液相加氢合成1,4-丁二醇本征动力学的研究[J]. 催化学报, 1990, V11(2):83-91.该文献并未说明清楚，建议多找一找外文文献。

后续流程搭建，就和去年丙酮加氢类似，反应后氢气回流循环少量驰放，先分离轻组分MA循环，再连续精馏分离BDO。体系共沸请自行查找文献选择共沸、萃取精馏。反应中可以通过转化率添加副产THF，将其他副反应转化率降低。塔的压力并不一定要常压，适合体系为好。

换热部分，热泵肯定是要弄一个的。关于连续精馏分离BDO如果有多塔的话，可以考虑双效精馏。共沸、萃取精馏的话，流股难以换热，可以多看文献（如去年有一个队伍，精馏塔分离时加入了离子，使得冷热能耗降低）。

公用工程设定（可参考往年作品）
一部分是任务书规定的

冷却水，温度选择为常温，依据厂址来判断，一般20~40均可。压力由于为泵，压力可适当高一点。

低压蒸汽，如要选择温度请自行查找水蒸气对应压力下温度

价格可自行换算

如需更低或更高温度流股进行换热，可自行查找厂所在化工园区内信息。例如

低温可采用乙烯、异丙醇等。关于注释建议使用英文，中文有时会有bug。

关于报错部分，一般都是搭一个设备运行一次，报错先看设定数据有无问题、是否完整，再看流股是否正确，大部分都能得以解决。

循环流股的收敛可在此查看，其在第几次收敛结束。

收敛方法大赛并无要求，可自行选择

收敛次数默认为30，可以加大为200或者更高，但过高无意义，因为此时收敛肯定为非线性，此时应当调整参数。

关于Aspen还有很多有趣的部分，如南工大用的子项父项等，可自行查找资料学习。

Aspen部分本文虽然讲解了一些基础部分，但更多的还需自己不断尝试。对于工艺流程，要考虑全面、不同方案模拟对比，没有最好只有最优。