聚丙烯装置流程模拟模型的开发和应用
来源:[中国化工学会信息技术应用专业委员会] 作者:[ 张小京] 发布日期:[2010-5-27 13:51:31]
10万吨/年聚丙烯装置流程模拟模型的开发和应用
张小京 武汉石化聚丙烯二车间
摘要:文章介绍了武汉石化100kt/a液相环管法聚丙烯装置采用Aspen Plus和Polymer plus开发PP装置流程模拟模型的过程。
关键词: 流程模拟、聚丙烯、模型 1引言
Aspen Plus和Polymer plus是美国Aspen Tech公司研制开发的流程模拟软件。该软件基于严格的聚合反应机理模型来建模,并采用序贯模块法来求解,广泛应用于化工过程
的研究开发、设计、生产操作的控制与优化、技术改造等
2装置工艺简介
武汉石化聚丙烯装置采用Spheripol液相本体法工艺,于1998年6月建成投产,原设计能力为70kt/a,2004年3月经技术改造扩能至100kt/a,实际生产量已经超过120kt/a。
具体工艺流程简述如下:
催化剂在预接触罐D201中经助催化剂TEAL活化后进入预聚反应器R200与丙烯在较低的温度下进行反应,使催化剂表面包裹一层聚合物保护膜,然后进入R201环管反应器。各股原料以恒定流量和适当比例加入环管反应器,使聚合物产品达到所要求的各项性能指标。聚丙烯粉料随同未反应的丙烯单体一起经过闪蒸过滤脱除未反应的丙烯后,进入汽蒸罐D501用蒸汽去活,再进入干燥罐D502用热氮干燥,干燥后的聚丙烯粉料通过粉料输送系统PK801用氮气送至粉挤压造粒。未反应的丙烯单体经过洗涤后回到丙烯进料罐循环。
3、建模目标
建模的主要目标是建立生产过程的流程模拟模型,并通过模型计算以满足以下要求:
? 设计最优的工艺参数和操作条件,最大程度的提高各种牌号的聚丙烯产率,降低生产成本; ? 开发新牌号和确定新催化剂的操作条件;
? 预测产品质量,有助于更好的监测和控制装置无法在线测定的产品质量; ? 寻找装置瓶颈,为装置扩容提供技术支持; ? 进行工艺过程的能量和质量平衡计算 ; ? 预测物流的流率、组成和性质; ? 预测操作条件、设备尺寸;
? 缩短装置设计时间,允许设计者快速地测试各种装置的配置方案 ; ? 帮助改进当前工艺;
4模型的开发 4.1 基础数据的采集
建模前根据模型的需要我们对一些基础参数进行了采集,具体采集数据如下: a. 反应器丙烯进料
温度:25℃ 压力:4.45Mpag 质量流量:27200kg/hr
b. 三剂进料
组分名称 质量流量( Kg/hr) 温度(℃) 压力(MPag) Cat TEAL 0.6 3.0 10 25 3.8 3.5 组分名称 质量分率 C3H6 C3H8 0.9456 0.0528 DONOR
c. 氢气进料 温度:20℃ 压力:4.8MPag 质量流量: 0.5kg/hr
d. 反应器参数
0.08 25 3.5 设备名称 直径(mm) 容积(m3) 温度(℃) 压力(MPag) 停留时间(min) R200 R201
e. 丙烯精镏塔参数 设备名 T301 f. 采样聚合物的GPC解析数据
4.2 建立操作流程图
应用Aspen Plus/Polymers Plus自带的模型库绘制出聚丙烯装置操作流程图,对部分不能详细表达的复杂操作流程采取了简化或变通,力争模拟结果与实际相符。具体模拟流程
图如图1、2所示:
图1 聚丙烯装置反应系统模型流程图 图2 聚丙烯装置分离系统模型流程图
4.3 建立模型
流程图建立以后就要对模型进行定义,以及对模型运行所需的一些数据进行输入,主要工作如下: 1) 组分的定义;
定义整个模型反应部分所涉及的各个组分,具体定义如下:
其中C3-SEG为反应聚合链段,是聚丙烯反应的最基本单位,本身是不存在的,为虚拟组分;给电子体DONOR在纯组分数据库中没有,请教ASPEN专家后用C9H20-1替代;其
塔板数 21 回流比 0.45 塔压降(MPa) 0.1 进料位置 21 塔顶放空比 0.005 塔釜采出( Kg/hr) 1200 150 581.6 0.44 59.55 20 69.5 3.32 3.4 8 72 它组分均可在纯组分数据库中找到。
2) 物性方法的选择:
由于是模拟的聚合反应过程,所以过程方法选POLYMER;反应部分状态方程选择适合于聚烯烃的POLYPCSF方法;后续分离系统选择适用于一般分离的RK-SOAVE方法。 3) 涉及反应如下: 4)反应动力学参数的确定
调整活性中心反应速率常数,然后运行模拟,查看各个活性中心上的聚合物产率与数均分子量是否与GPC解析的结果相同,如果误差在允许范围之内,则单牌号多活性中心的稳态动力学模型开发完成,否则继续调整动力学参数,运行模型,查看结果,直到每个活性中心上的计算数据与实际数据之差均在误差允许范围之内。
5模型运算结果
实际产量:15400kg/hr 计算产量:15398.44kg/hr 相对误差:-0.01011%
item 1 site 2 site 3 site 解析MN 计算MN Error% 解析MW 计算MW Error% 90811.58 90953.46 0.156229 181623.2 181911.3 0.158653 313651.3 313899.2 0.079043 627302.4 627782.9 0.07661 16325.25 16362.65 0.229061 32650.5 32692.5 0.12863 composite 79994.93 80194.28 0.249197 347607.7 347943.3 0.09655 从计算结果来看,单一牌号的模型各活性中心数据和解析数据拟合的比较准确。但由于没有拟合多牌号的模型数据,模型要定量准确反映装置的生产情况还需进一步完善。 由于aspen plus以及polymers plus数据库模型中没有气固分离设备,本次反应后续分离以及干燥流程设备均选的是两项闪蒸模型,因此这里聚丙烯作为液体处理,物料平衡数据拟合得比较准确,模型是否能用于武汉石化聚丙烯装置的生产指导,有待在实践中验证。 6模型分析
6.1 改变反应器R201温度,分析对聚合物产量及产品质量的影响
反应器温度对聚合反应至关重要,但反应温度对聚合物产量及产品质量的具体影响我们并不十分清楚,因此模型建立后我们做了一个灵敏度分析,以反应器R201的温度为变量,变化范围从69.5℃到70℃。让模型计算该变化对聚合物产量及产品质量的影响。计算结果如下表所示:
反应器温度(℃) 产量(Kg/hr) 熔融指数(g/10min) 等规度(%) 69.5 15398.5 3.054095 96.04219
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