论文总字数：40704字

摘 要

化学工业是将原料进行化学和物理方法加工而获得产品的工业，它不仅是工业、农业和国防的重要生产资料，同时也是人们日常生活中的重要生活资料^[4]。随着科学技术的发展，化学工业的地位不断提高，逐步发展为多行业、多品种的生产部门，而且，近年来传统的化学工业向石油化工业、精细化工、生物化工、环境、医药、食品、冶金等工业领域延伸与结合，可见其在经济发展中的重要地位。

现代工业的生产中，由于生产要求不断提高，过程控制显得越为重要。在化工工业生产中，运用过程控制，将课本上学到的理论知识具体运用到工程设计中，对于一名自动化学生讲师一个很大的提高。运用化工软件进行工艺流程模拟控制，对工艺过程进行设计、改造、调优等，对于实际工业生产是很重要的。

本文基于化工工业生产中用甲苯加氢脱烷基热解法制苯（HDA）工艺，应用化工软件Aspen plus和Aspen HYSYS，对包含三个精馏塔等装置在内的HDA连续化工过程中的分离和提纯段建立流程模拟模型，并进行稳态和动态模拟仿真。HDA过程主要分为反应段和分离提纯段两个生产过程，完成分离提纯段的模拟后需要与反应段工艺流程进行联调，完成一个完整的HDA连续化工过程控制的工艺流程，在联调动态模拟中探讨扰动对系统的影响。

关键词： 化工过程，HDA，分离提纯，工艺流程，稳态，动态，仿真，扰动

THE dynamic and static simulation of separation purification of HDA process

Abstract

Chemical industry is the raw materials chemical and physical methods for processing. It is not only important means of production in industry, agriculture and national defense, but also in people's daily life of subsistence ^[4]. With the development of science and technology, continuously improve the status of chemical industry, and gradually developed for multi industry, multi species production department and in recent years the traditional chemical industry to the oil of industry, fine chemical, biological and chemical industry, environment, medicine, food, metallurgy etc. industry domain extension and combination, so, chemical industry shows its important position in economic development in.

In the production of modern industry, because of the production requirement need continue to improve, the process control becomes more and more important. In the chemical industry production, use process control, the theoretical knowledge of the specific application to engineering design, for an automated student lecturer a great improvement. It is very important for actual industrial production to design, transform and adjust the process by using the chemical software to simulate the process flow.

In this paper, based on the production of chemical industry of HDA process,I use Aspen Plus and Aspen HYSYS to do steady-state and dynamics simulations.The process simulation model is established for the separation and purification of HDA continuous chemical process including three distillation columns and other devices.The HDA process is divided for reaction and separation purification section two production process, we need to complete the separation purification section and the reaction process,completed a full HDA process control process, then add disturbance effect on the system.

KEYWORDS: chemical process, HDA, separation purification, Process flow, steady state, dynamic, simulation, disturbance

目录

Abstract II

第1章 绪论 5

1.1 项目背景及意义 5

1.1.1 目标 5

1.1.2 运行环境 5

1.1.3 HDA研究意义 5

1.2 数据描述 5

1.2.1 稳态数据 5

1.2.2 动态数据 5

1.3 苯、甲苯在工业生产中的重要地位及用途 6

1.3.1 苯（Benzene,） 6

1.3.2 甲苯（Toluene,） 6

1.4 甲苯脱烷基制苯工艺 6

1.4.1 工艺原理 6

1.4.2 典型工艺方法 7

1.5 Aspen plus和Aspen HYSYS简介及在化工生产中的运用 9

1.5.1 Aspen plus 9

1.5.2 Aspen HYSYS 10

第2章 稳态仿真 13

2.1 HDA分离提纯段Aspen Plus仿真设计 13

2.1.1 物性方法选择 13

2.1.2 使用模块介绍 15

2.1.3 工艺流程设计 16

2.1.4 稳态仿真数据及分析 18

2.1.5 与反应工段联调 21

2.2 HDA分离提纯段Aspen HYSYS仿真设计 23

2.2.1 工艺流程设计 23

2.2.2 稳态仿真数据及分析 24

2.2.3 与反应工段联调 26

2.2.4 与用Aspen Plus静态仿真的对比 28

第3章 Aspen HYSYS动态仿真 29

3.1 从稳态模拟到动态模拟 29

3.1.1 动态模拟的必要性 29

3.1.2 稳态模拟和动态模拟的区别 29

3.1.3 从稳态切换到动态 29

3.2 HDA分离提纯段动态仿真设计 30

3.2.1 在稳态基础上需要添加的量及模块 30

3.2.2 精馏塔控制结构 32

3.2.3 工艺流程控制结构图及控制器面板 35

3.2.4 分离提纯段动态仿真曲线及分析 36

3.2.5 小结 38

3.3 与反应工段联调动态仿真 38

3.3.1 HDA完整工艺流程控制结构及控制器面板 38

3.3.2 仿真结果与分析 40

3.3.3 小结 43

第4章 添加扰动 45

4.1 添加温度扰动 45

4.1.1 200 min时反应器进料温度由1150 F增加5 F为1155 F 45

4.1.2 200 min时反应器进料温度由1150 F减小10 F为1140 F 46

4.1.3 反应器进口温度200 min时先降低9 F为1141 F，500 min时再恢复到1150 F 47

4.2 添加流量扰动 53

4.3 小结 59

第5章 结论 61

参考文献 62

致谢 63

绪论

项目背景及意义

目标

对HDA连续化工过程中分离提纯段进行稳态模拟和动态模拟，并在动态中对整个工艺添加扰动，并对扰动进行分析。了解并初步学会应用控制系统理论知识对连续化工过程进行控制，设计出安全又经济，且满足环保和质量要求的过程控制系统。

运行环境

Windows 7, Aspen plus 8.0, Aspen HYSYS 8.0

HDA研究意义

苯和甲苯来源于很多芳香烃原料中，可以从煤焦油和石油中提取等，而往往在重整法生产芳烃原料中和煤液化法或者煤气化合成的芳烃原料中，苯的含量还有产率都要低于甲苯的含量和产率，但是苯的用途远远超过甲苯的用途，这样就导致了供需不平衡。所以在化工工业生产中，能够合理的运用过剩的甲苯资源增加苯的产量是至关重要的。HDA连续化工过程就是利用化学反应甲苯加氢生成苯，然后通过精馏将苯分离提纯出来，达到生产目的。

数据描述

稳态数据

通过稳态仿真，输入稳定流量和成分的进料，各个装置工作条件不随时间改变，始终保持一个稳定的状态，各精馏塔塔板温度及精馏塔物流出口，无论是流量还是产品产量也是一定的，从而得到我们需要的稳态数据。

动态数据

在稳态的基础上，根据所要控制的变量安装PID控制器，所需要的PID控制器有压力控制器、液位控制器以及温度控制器等，然后进入动态模块，在一个动态的过程，设备工作条件会随时间而改变，通过控制器调节阀门的开度来控制压力、液位以及温度，最终完成对工艺流程的控制，以达到设定要求。绘制仿真曲线，更为清晰的了解连续化工过程中各变量的变化，包括设备工作条件、管道流量和物质成分等。得到这些曲线图和动态数据，我们就能更好的理解这一连续化工过程中的控制过程。

苯、甲苯在工业生产中的重要地位及用途

苯（Benzene,）

苯是一种石油化工的基本原料，它的产量和生产的技术水平是衡量一个国家石油化工发展水平的标志之一。苯在工业上最重要的用途是做化工原料，可以合成一系列苯的衍生物。以苯为原料可合成250种以上的有机化学品，主要是生产乙烯、环己烷、苯酚、硝基苯、顺酐、氯苯和直链烷基苯等。苯作为原料可生成很多化合物，这些化合物有很多用途，比如可以作为杀虫剂、去污剂、制取塑料等的原料。

苯与乙烯生成乙苯，后者可以用来生产制聚苯乙烯、丁苯橡胶、ABS树脂等的苯乙烯；苯与丙烯生成异丙苯，后者可以经异丙苯法来生产丙酮与生产酚醛树脂、苯胺、壬基酚醛的苯酚，苯酚可制树脂和粘合剂； 苯加氢生成环己烷，环己烷可用来制尼龙；苯加十二烯生成十二烷基苯，后者可用来合成洗涤剂；苯氯化生成氯苯，氯苯可做染料的中间体，多用于农药；苯氧化生成顺丁烯二酸酐，后者可制四氢呋喃和1,4-丁二醇，用于医药；苯硝化后得制苯胺的硝基苯，苯胺可用于制二苯基甲烷二异氰酸酯和用于橡胶助剂、染料、医药、农药等。

甲苯（Toluene,）

甲苯也是石油化工工业的重要原料，甲苯大量用作溶剂和高辛烷值汽油添加剂，同时也是优良的溶剂，但与同时从煤和石油得到的苯和二甲苯相比，目前的产量相对过剩，因此相当数量的甲苯用于脱烷基制苯或岐化制二甲苯。

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