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英文题目：Design and Numerical Simulation of Industrial Cyclohexane Production Process
选题要求：环己烷，又名“六氢化苯”，为无色有刺激性气味的液体。不溶于水，易溶于有 机溶剂，极易燃烧，是一种重要的有机化工原料。主要用于生产环己醇、环己酮等有机物， 同时又是树脂、石蜡、沥青、橡胶等物质的优良溶剂及常用的色谱分析标准物质。工业上 生产环己烷的方法分为苯加氢法和石油烃分馏精制法，而苯加氢法是环己烷的主要合成方 法，目前世界上环己烷的年产量已超过200万吨，因此对环己烷的工业生产过程进展争论具 有重要实践意义。本课题借助Aspen Plus 软件对环己烷的生产过程进展设计，通过数值模拟，确定最优流程，并对单元设备进展设计，为实际工业供给参考。
名目
综述 3
环己烷简介 3
环己烷生产方法及现状概述 3
苯加氢法简介及其现状 3
石油烃分馏精制法简介及其现状 5
Aspen Plus 软件概述 5
本文争论内容 5
设计内容 5
设计依据 5
设计的优化点 6
工艺设计及流程 6
工艺设计方案简介 6
工艺流程图 7
Aspen 模拟确定工艺参数 7
反响系统 9
反响方程式 9
反响器简介 9
反响设备图 11
Aspen 系统模拟反响系统的物料及能源衡算 13
物料衡算 13
能源衡算 13
总结与展望 14
总结设计结果 14
展望方向 14
参考文献 14
综述
环己烷简介
环己烷是一种很重要的有机化工原料，主要用于合成聚酰胺纤维类、环己醇、聚己内酰胺和聚拢二酰己二胺等产品，同时他也是一种应用广泛的有机溶剂，适用于溶解纤维素醚、树脂、蜡、沥青、和橡胶。目前环己烷的总产量的90%均用在生产聚酰胺维的原料上。随着经济的进展，社会尤其是我国对环己烷的需求正在逐年增加。所以模拟出最优的技术路线，对进展我国环己烷的生产是有益的。
环己烷生产方法及现状概述
工业生产中，环己烷的生产方法分为苯加氢法和石油烃馏分的分馏精制法[1] 苯加氢法是环己烷的主要生产方法，可分为液相法和气相法，即在催化剂的作用下对苯进展加氢反响。石油蒸馏分别法是蒸馏并提取环烷烃汽油中沸点为
—℃之间的馏分组分，产量中其他物质的含量低于 5%以下。所以，苯加氢法制备的环己烷的纯度比石油馏分分别法的纯度要高。
20 世纪 60 年月以来，随着聚酰胺工业生产的发张，对高质量的环己烷的需求量日益增长，以石油为原料经过分馏法获得的环己烷首先在产量上不能到达工业的需求，其次，在产品的纯度上亦不能到达工 也的要求，因此，促进了苯加氢生产环己烷方法的快速高效进展。目前，世界上仅有15%-20%左右的环己烷是由石油直接蒸馏馏分获得的，大局部的工业所需的环己烷均是由苯加氢所制得的。
苯加氢法简介及其现状
苯加氢反响是在催化剂的存在下，通过氢气与苯环中的 C-Cπ健发生加成反响，使苯环中的不饱和分子键到达加氢饱和，从而生成环己烷。
苯加氢法分为液相法和气相法，其中液相苯加氢的工艺特点是反响稳定、平和，转化率和收率也很高，但必需要有后反响，能耗也较高，氢气的利用率仅为85%，典型的工艺有 BP 法、IFP 法和 AROSAT 法。
液相法的工艺流程一般为：①将氢气与液体苯分别通入到填装了催化剂的主反响塔中于肯定的条件下进展反响；②主反响塔的产物未经冷却处理，再次参加到装有相应催化剂的固定床补充反响塔中，进展再次加氢催化反响，以便能提高反响物的转化率和产物的纯度；③对反响的产物进展有效的分别处理，既可以得到环己烷产品。液相法反响中通常使用的是镍催化剂，%，相对于气相法，液相法的生产力量更大，反响的条件比较温顺，对设备的要求较低，对氢气原料的要求比较低并且无氢气循环体系，反响过程比较简洁掌握，但是存在着以下缺点：反响过程中反响物的转化率和所需生成产物的收率比较低；反响后氢气不易回收利用等。
气相苯加氢的工艺特点是工艺气体混合比较均匀，转化率和收率也很高，但是反响剧烈，易消灭飞温现象，其中典型的工艺有 BRXANE 法,ARCO 法,UOP
法等。
气相法的工艺流程通常为：①反响发生之前，苯和氢按肯定的物质摩尔比
〔-〕进展混合，通入到热交换器中进展汽化；②将肯定温度的混合气体通入到填装有催化剂的固定床反响器中，在特定的条件下苯环发生催化加氢饱和；③反响后的产物通入到冷却器中，苯和环己烷等一些副产物为低沸点的物质会冷凝为液体状态的物质，混合物质经过气液分别器，沸点不同的物质就将发生分别，气体由分别器上的管子排出，剩余的液体状物质则流入储料罐中，即可得到环己烷产品和一些副反响产物[3]。气相苯加氢工艺一般承受负载型镍或铂系催化剂，填装在连续的固定床列管式反响器中，产物中环己烷的含量高于90%，同时催化剂具有很高的选择性，几乎不发生生成其它杂物的反响，具有广泛使用和推广的价值。
苯加氢常用的催化剂有镍系和铂系 2 大类[2]催化剂中镍系催化剂的价格偏低，但是耐硫、耐热性能差，使用寿命短〔1 年左右〕，环己烷的选择性差，副产蒸汽压力低等。与镍系催化剂比，铂系催化剂的价格偏高，但是铂系催化剂的耐硫性能好，中毒后可再生，耐热性好，环己烷的选择性能好，产品不需要分别， 可副产中压蒸汽，适用寿命长，一般可达 5 年以上。
苯加氢制备环己烷的工艺流程有很多，各有利弊，在全面的总结以往的操作阅历的根底上可以得到如下的结论，在实际生产中掌握好以下的三个因素对于生产过程至关重要：
催化剂的选择
选择适宜的催化剂，不但可以使催化反响条件苛刻的反响得以进展，而且他能加快正反响的速率，更有甚者，能使化学反响的速率提高到几百万倍以上。对于苯加氢制备环己烷的催化反响来说，从本钱及反响活性上考虑，在液相生产过程中通常选用的是镍系催化剂，假设从耐用性上考虑，则会选择铂系催化剂。
反响温度
反响的温度对大局部的催化反响均有影响。对于苯加氢的过程反响而言，反响温度对加氢过程中催化剂的活性影响巨大，温度过高或者过低都对催化剂有负面的影响：当反响温度过高时，催化剂的活性高，在催化过程中简洁烧结聚拢， 使得催化剂的活性中心的分散性减低，从而降低催化剂的活性局部的比外表积， 甚者导致失活；反响温度过低，则催化剂的活性降低，导致反响速率减慢，反响物的转化率降低，减低了生产速率。一般的催化反响均为可逆反响，全部温度对反响的平衡有重要影响，选择适宜的反响温度对催化反响有着格外重要的意义。
单位氢耗
在气相法苯加氢生产环己烷的过程中，我们通常选择比较大的氢苯摩尔比或增加反响过程中氢气的压力，用来增大反响物的转化率和产物中环己烷的含量。这是由于在苯加氢制环己烷的反响中反响速率与氢气的浓度对应着一级指数的 关系，增大反响过程中的氢气空速和分压能使平衡常数朝正反响既主反响的方向移动。
综述所述，在苯加氢制备环己烷的反响过程中，只有实现对以上三个因素进
行合理的调控，才能到达最正确的反响效果并得到相对纯洁的环己烷的产品[4]。
石油烃分馏精制法简介及其现状
石油蒸馏分别法是蒸馏并收取含环烷烃汽油中沸点为 ～85。3 摄氏度之间的馏分，所收取馏分中的主要成分为环己烷和甲基环戊烷，甲基环戊烷经过异构化处理后能转化为环己烷，产物中其它的物质含量低于 5%以下。
随着工业的进展，人们对环己烷产品的质量和数量的都有了较高的要求，随着能源的日益紧急，以原油为原料的石油烃分馏精制法制备环己烷的方法已经满足不了社会的需求。目前，仅有少数的环己烷是有该方法获得的。
Aspen Plus 软件概述
Aspen pius 流程模拟软件起源于 20 世纪 70 年的后期，美国人制造，在化工模拟、优化、经济评价等方面拥有强大的功能，是一款功能强大的化工设计、模拟及各类计算的软件。他几乎能满足大多数的化工设计及计算的要求，同时他得到了化工行业的广泛认可[5,6]，该软件能用于指导和优化生产，是工程技术人员进展生产和设计的有利工具；该软件与 1983 年进入中国市场，现在已经拥有了多家大型企业为客户，为中国的工业高效、节能等方面均作出了突出的奉献。
Aspen Plus 经过 30 多年的不断改善，在指导工业生产和试验争论方面都取得了格外满足的成果，。Aspen 流程模拟可以正确反响出试验时的各个操作参数的变化状况，本论文在前期的苯加氢环己烷试验争论工作[7,10]的根底上，通过调整操作参数可建立起与试验吻合较好的流程模拟。因此，用 Aspen 流程模拟来争论苯加氢制备环己烷的操作参数的变化状况，完成对环己烷的生产过程的设 计，通过数值模拟，确定最优流程，通过对单元设备进展设计，也可为实际工业供给参考和借鉴。
本文争论内容
本次论文选择以苯加氢方法制备环己烷，苯加氢生产环己烷分为气相法、液相法。本论文是承受 Aspen 软件模拟苯加氢气相法生产环己烷的工艺流程，在本次模拟中，承受 Aspen 软件的 Rstoic 模块，通过承受苯的两段加氢、优化多床层的的稀释铂系催化剂比〔其中铂系稀释剂需要稀释，催化剂与三氧化铝按肯定的配比使用，具体的配比需要用 Aspen 软件模拟优化〕，配置苯枯燥和脱硫反响器〔延长铂催化剂的使用寿命〕来优化最优流程，并对单元设备进展设计，为实际工业供给参考。
设计内容
设计依据
原料苯经过进料热交换器至
在此次模拟过程中，枯燥的苯参加蒸馏塔顶部，氢气通过两座塔器逆流参加， 塔器中填加待模拟的铂系催化剂，该工艺过程的压力为 ～，温度为149～200℃。固定床方法的操作条件为：压力为 ～,温度为 260℃。在工艺流程的分别塔中设定苯-环己烷二元共沸物系中环己烷的质量分数为 45%，
原谅进料量设为 200g，进料温度设为 20℃，塔顶的流出速率 V 为 ，
D
塔顶的操作压强为 ×105Pa。[11]
本模拟在常压下进展，该工艺过程的汽相符合抱负气体定律。
设计的优化点
一般的苯加氢制备环己烷的工艺为一段加氢法，本次设计承受的为两段加氢法，这样可以提高催化剂的使用效率，增大环己烷的收率。
本次设计承受了型的铂系催化剂[12]，提高催化效率，并且承受了的是多床层的设计，通过 Aspen 模拟出催化效率最高的催化剂比，得到最优的工艺。
设备的设计选型应与生产规模的大小相全都，本设计在以下几种设备的选择上有所优化： 首先是与氢化器配套使用的回流冷凝器的冷却面积和效率是制约氢化器内反响温度凹凸的关键，在承受循环水为冷却剂的时候，回流冷凝器的面积适当的增大了，使其具备了肯定的调整余力[13]。
其次，反响后生产的环己烷气体和过量的氢气需要经过冷却器。经过Aspen 软件的模拟得出其温度降低为 5℃左右，所以最终一个冷却塔的冷却剂温度我们设置为 5 摄氏度，此冷却塔的换热面积也得到了适当的放大，是用来确保生产的气态环己烷能够全部的冷凝下来，在后续的气液分别器中能够实行分别。
第三，氢气气柜是保证环己烷安全稳定生产的设备，本设计中氢气气柜设计时拥有了能储存满足维持装置正常运行 20-30min 的量，并且保证气柜内的浮桶能上下自如的滑动，避开失灵。
第四，本设计环己烷所用的储罐承受的是带锥形底和玻璃管液位计，以使环己烷生产过程中产生的水和原料带入的少量水能充分的沉降分别出来，提高环己烷的质量，该储罐也用的是不锈钢材料和内衬不锈钢板材的碳钢材料制备[14]。
工艺设计及流程
工艺设计方案简介
将原来两套苯加氢流程稍加改造串联组合成的工艺流程，苯和低含量氢在接近理论氢苯比条件下通过由加料泵、汽化器、冷凝分别器组成的第一段加氢。苯在此大局部已转化成烷而得到苯烷混合物，然后与高含量氢通过由加料泵、汽化器、氢化器、冷凝分别器、尾气循环压缩机、尾气水封组成的其次段加氢而制的的环己烷。第一段加氢必需掌握小于或接近理论氢苯比条件下进展加氢的反 应。低含量氢的流量变化范围为 300-650Nm3/hr。
催化反响的反响速率与反响温度有很大的关系，一般而言，温度每上升10℃，反响速度则增快 1-2 倍。苯加氢的催化反响温度一般需掌握在 150℃以下。多床层的催化剂床能避开催化剂反响温度过高导致催化剂失活，同时能提高催化剂的活性[15]。催化剂床承受分段填充反响器床层的方法来实现，分段充填的方法是：总高 的床层，上部物料入口填充 的之前更换下来的废催化剂，下部充填 的催化剂。
工艺流程图
图 1 两段加氢工艺流程简图
；；；；；；；；；；11. 二段加氢沸水冷凝器；；；；；
依据工艺流程图将各化工装置之间用工艺管道连接成工艺流程，工艺管道与化工装置之间承受法兰连接，管道中的管件如弯头、三通等承受焊接连接，管道中的阀门依据所承受的阀门种类分别承受焊接或螺纹连接，管路中的化工仪表依据所选用的不同种类的仪表分别承受焊接或者焊接或者螺纹连接[16]。
Aspen 模拟确定工艺参数
选定的 ASPEN 软件为 Rstoic 模块 [17]，此模块适用于化学计量数的转化反响器。
首先用 Aspen 系统模拟出来的反响床层分布的最优温度为：
上层〔1M〕
160-220℃
中层〔2M〕
140-180℃
下〔3M〕
95-110℃
表 1 反响床层分布的最优温度
铂系催化剂主要集中在反响器的中上层，用 Aspen 软件模拟确定在其他条件均一样的状况下不同温度时苯的转化率：
温度〔℃〕
140
160
180
200
220
240
转化率%
表 2 不同温度下苯的转化率
图 2 温度对苯转化率的影响
由上图可以看出，在温度为 200℃左右时，苯的转化率到达最高，综合反响器的设计力量，本次设计选定的反响温度为 180℃。综合前人的争论我们知道当氢化比 6：1[7]时，苯的转化率最高。在氢化比为 6：1 时，选定空速为 -1 时苯的转化率最高。这是应为在较低的空速范围内，产物得不到准时的排出，致使反响不能正常的朝正方向进展，降低了苯的转化率，液体的空速增加到肯定的数值时，反响会渐渐向生产环己烷的方向进展，提高苯的转化率。但是当液体的空速到达肯定值时〔本次设计的顶峰值为 -1 〕，空速会过大，过大的空速会加快物料的流淌速度，缩短物料的停留时间，降低苯的转化率。
选择用 Aspen 软件模拟的反响条件为：反响温度：160℃，氢化比为 6：1.
空速为 -1，此时选定不同的催化剂比例，模拟出苯的转化率如下：
催化剂：Al Q
2 3
苯转化率，%
反响带长度 mm
环己烷选择性%
纯催化剂
31
1：2
80
1：4
82
1：9
60
表 3 不同催化剂比例下苯的转化率
由于铂系催化剂的价格因素，及催化剂的活性、寿命、反响带长度等因素综合考虑，本次设计的最终选定催化剂比例为 1：3。
反响系统
反响方程式
苯加氢生产环己烷的化学反响过程中伴随着大量热量的放出，在反响过程中需要肯定的压力条件，反响过程中的主反响为[18]：
C H +3H
6 6
=C H
2 6
- 〔1-1〕
12
副反响主要包括：
C H +3H =C H CH - 〔1-2〕
6 6 2 5 9 3
C H +3H =3C+3CH - 〔1-3〕
6 6 2 4
主反响〔1-1〕是生成所需要产物环己烷产物的反响，反响〔1-2〕和〔1-3〕 为主要的副反响，其生成产物为甲基环戊烷、甲烷等，这些产物的存在降低了环己烷的纯度。从反响式〔1-1〕、〔1-3〕可以看出苯加氢反响为猛烈放热反响，热量假设不能准时得到集中，大量热量聚拢产生高温会烧坏催化剂，而且活性很难得以复原，所以适当的掌握反响过程中的温度，使得反响朝着正反响的方向进展， 进而提高转化率，同事抑制副反响的发生程度。而且副反响中发生的单质碳是以固态存在的，活性中心发生碳的聚拢后会减低参与反响活性中心的比外表积，影响催化的加氢活性甚至失去催化作用[19]。
反响器简介
氢化器材质：钢 10
本体 Dg1400×8×7984mm 列管 Db51×
L=2025×4 毫米，377 根，6 角形排列热交换面积 F：416M2
每立方米催化剂的热交换面积： 工作温度：120-200℃
工作压力：4MPa
加氢承受一段四床层稀释铂催化剂，原来的一般床层加氢用的催化剂用于苯加氢时活性太强，尤其是反响列管Φ51×，长 8m，反响带过窄，反响热不易导出，限制了加苯量，也就是说设备的反响力量被限制了。本设计中我们将列管全程分为四层，每层高 2m，分别装入不同配比的铝粒稀释铂催化剂[20]。