10万吨年粗苯加氢精制纯苯塔设计

1、 本 科 毕 业 设 计 题 目10万吨/年粗苯加氢精制纯苯塔设计 系 别 化学工程系 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 指导教师 10万吨/年粗苯加氢精制纯苯塔设计 毕业设计共32页图纸共 2张说明书共30页完成日期： 辩论日期： 摘 要本设计为粗苯的加氢精制纯苯塔设计。本设计确定用溶剂萃取低温加氢工艺作为工艺生产方法。整个设计主要包括产品介绍、国内外现状及开展的介绍、工艺技术的介绍与比拟、工艺流程设计、精馏工艺和设备计算五局部内容。设计处理能力：10万吨/年，一年按330天计算，即7920小时。最终产品苯的纯度：苯99。通过对精馏塔设备计算出塔径精馏段1.62m，提馏段1.63m，板间距

2、都为0.45m，共35块塔板，总塔高20.55m。本次设计是在母老师指导下完成的设计实践研究。同时利用毕业实习的时机，学习研究与课题有关的知识。通过实践与理论相结合更好地完成最终设计。关键词：粗苯；加氢；苯；甲苯目录1总论11.1 设计指导思想和原那么11.2 设计的意义11.2.1 纯苯11.2.2 甲苯11.2.3 二甲苯11.3 设计依据12 生产方法和工艺流程确实定12.1 工艺技术的比拟与选择12.1.1 主要生产工艺技术简介12.1.2 工艺技术的比拟12.1.3 本设计采用的方法22.2 工艺加氢催化剂及萃取剂的选择22.2.1 加氢催化剂的选择22.2.2 萃取溶剂的选择23

3、工艺计算与设备选型33.1 系统物料衡算33.1.1 操作条件.63.1.2 原料粗苯处理量33.1.3 预精馏塔进出料33.2 纯苯塔的设计计算43.2.1 纯苯塔的作用43.2.2 操作条件43.2.3 物料衡算43.2.4 塔径83.2.5 理论塔板数计算103.2.6 塔内件设计113.2.7 塔板流体力学验算143.2.8 塔板负荷性能图163.2.9 纯苯塔热量衡算193.2.10 常压塔主要尺寸确定203.3 辅助设备设计和选型233.3.1再沸器.26 3.3.2 冷凝器.233.3.3 储罐的选择24致谢25参考文献26附录271 总论1.1 设计指导思想和原那么本设计以产出

4、高纯度产品为原那么，力求符合经济政策和技术指标，做到工艺上可靠，经济上合理；同时力求技术先进，经济效益最大化，环境污染最小化。1.2 设计的意义本设计产品有纯苯、甲苯、二甲苯、非芳烃、重苯，其中最主要的产品是纯苯、甲苯和二甲苯。现将各种主要产品的重要作用介绍如下：1.2.1 纯苯纯苯是重要的化工原料，广泛用作合成树脂、合成纤维、合成橡胶、染料、医药、农药的原料和有机溶剂。消费领域主要在化学工业，主要产品有苯乙烯、苯酚、己内酰胺等。在炼油行业中用作提高汽油辛烷值的掺和剂。1.2.2 甲苯甲苯是一种无色有芳香味的液体，广泛应用于农药、树脂等行业，具有优异的有机物溶解性能，是一种有广泛用途的有机溶剂

5、。1.2.3 二甲苯二甲苯主要衍生物为对二甲苯，邻二甲苯等。对二甲苯主要生产PTA以及聚酯等。邻二甲苯主要用于生产苯酐等。1.3 设计依据与以石油为原料生产的石油苯相比，焦化苯加氢精制有着很大的利润空间。根据设计任务，粗苯的年生产能力为10万吨/年。全年生产时间为330天即7920小时，那么每小时的生产能力为：100000÷工艺设计原料粗苯要求：甲苯含量：78%，苯含量：18%，二甲苯：4%，冷却水温度：20。2 生产方法和工艺流程确实定2.1 工艺技术的比拟与选择2.1.1 主要生产工艺技术简介目前已工业化的粗苯加氢工艺有莱托(Litol)法、萃取蒸馏低温加氢(K.K)法和溶剂萃取

6、低温加氢法，第一种为高温加氢，后两种为低温加氢。(1) Litol法粗苯加氢Litol工艺是典型的高温催化加氢工艺，操作温度为600-650左右。主要进行加氢脱除不饱和烃，另外还要进行脱硫、脱氮、脱氧的反响，对加氢油的处理可采用一般精馏方法，最终得到苯产品。2 萃取蒸馏低温加氢(K.K)法和溶剂萃取低温加氢法萃取蒸馏加氢(K.K法)和溶剂萃取低温加氢工艺是低温催化加氢的典型工艺，操作温度为300-370，压力2.5-3.0Mpa。主要进行加氢脱除不饱和烃，使之转化为饱和烃；与高温加氢类似，也要进行脱硫、脱氮、脱氧反响。由于在加氢的过程中加氢温度低，所以一般不发生加氢裂解和脱烷基的深度加氢反响。

7、因此低温加氢的产品有苯、甲苯、二甲苯。萃取蒸馏低温加氢法可生产苯、甲苯、二甲苯，3种苯对原料中纯组分的收率及总精制率设计值见表2-1：表2-1萃取蒸馏低温加氢苯、甲苯、二甲苯收率及总精制率苯/%甲苯/%二甲苯/%总精制率/%98.12.1.2 工艺技术的比拟Litol法粗苯加氢工艺的加氢反响温度、压力较高，又存在氢腐蚀，对设备的材质、工艺、结构要求较高，设备制造难度大，只能生产1种产品，总精制率较低。与Litol法相比，萃取蒸馏低温加氢方法和溶剂萃取低温加氢方法的优点是可以直接对粗苯进行精制，氢耗量较低，加氢反响温度、压力较低，设备制造难度不大，能耗也较少，能够生产3种产品，生产操作更容易。制

8、氢工艺采用变压吸附法，以甲醇为原料制氢，制氢工艺简单，产品质量好。2.1.3 本设计采用的方法在本设计的预选加氢工艺中，低温加氢工艺的加氢温度、压力较低，产品质量好，同时萃取蒸馏低温加氢和溶剂萃取低温加氢这两种工艺是比拟成熟的工艺，已被广泛运用，因此本设计采用低温加氢精制工艺。萃取蒸馏低温加氢法属于中温、中压、不脱烷基的加氢技术，其操作温度为340370、压力为2.83.0MPa。所以，该工艺对加氢设备材质要求相应降低。萃取蒸馏低温加氢法和溶剂萃取低温加氢法同属于低温加氢法，两者相比拟，前者工艺简单，可直接对粗苯加氢精制，但在生产过程中容易发生结焦堵塞；与前者相比拟后者工艺较复杂，粗苯要先经过

9、精馏分成轻苯和重苯，然后才能对轻苯进行加氢精制，但该工艺所得产品质量较高。综合考虑，本设计采用溶剂萃取低温加氢工艺。2.2 工艺加氢催化剂及萃取剂的选择2.2.1 加氢催化剂的选择加氢系统的核心为选择反响器中的催化剂，无论采取何种低温加氢技术，催化剂一般都采用以A12O3为载体的Ni-Mo、Co-Mo系列金属催化剂。装填量主要和原料中全硫含量有关，由工艺计算核定。2.2.2 萃取溶剂的选择目前在萃取工艺中应用最广的溶剂有环丁砜和N-甲酰吗啉，二者都可以很好地改变非芳烃和芳烃之间的相对挥发度，使芳烃的别离更容易，苯纯度可以到达99.9以上，无毒、无腐蚀和化学稳定性好，对设备和环境影响较小。采用环

10、丁砜气液相萃取蒸馏工艺时，参加少量水作为助溶剂，以提高萃取的选择性，参加单乙醇胺调节循环溶剂的pH值。由于使用N-甲酰吗啉，使产品中含有少量溶剂，溶剂水解而使产品显酸性，降低了产品的应用价值。综合评价，本设计选用环丁砜。3 工艺计算与设备选型3.1 系统物料衡算本章开始对本设计进行工艺及设备计算，本设计根本流程见图3-1。 图3-1 物料衡算图 3.1.1 操作条件生产能力：10万吨/年(料液) 年工作日：330天原料中含有：苯 78% ，甲苯18% ，二甲苯4%3.1.2 原料粗苯处理量3.1.3 预精馏塔进出料从两苯塔出来的BTXS经过加氢脱轻后直接进入预精馏塔，所以进入预精馏塔的流量就是

11、W1预精馏塔顶出料为BT, 其流量为：W2=W××预精馏塔塔底出料为XS，其流量为：W2=W-W23.2 纯苯塔的设计计算 精馏工段主要有四个塔，即预精馏塔，萃取精馏塔，纯苯塔，二甲苯塔。这里只对纯苯塔进行计算。3.2.1 纯苯塔的作用别离产品苯、甲苯、二甲苯使产品纯度到达99wt，甲苯98wt%，二甲苯98wt%，在此目标下对该塔进行计算，寻找到达该别离要求的最正确操作条件。3.2.2 操作条件 具体工艺参数如下： 料液组成： 78% 苯，18%甲苯4%二甲苯质量分率，下同产品组成纯苯塔)： 馏出液99%苯， 釜液1%苯 操作压力：常压塔顶：100.5 kPa 进料：10

12、1.3 kPa 塔底：133 kPa 进料温度：泡点进料状况：泡点加热方式：间接蒸汽加热3.2.3 物料衡算 全塔物料衡算 苯的摩尔质量：MA=78kg/kmol甲苯的摩尔质量：MB=92kg/kmol纯苯塔的原料处理量：F=×kg/h原料中苯的质量分数：那么其摩尔分数为：塔顶产品苯的质量分数：=0.99 那么其摩尔分数为塔底产品甲苯的质量分数：=0.02 那么其摩尔分数为总物料衡算：F=D+W 苯的物料衡算：F×=D×+W× 联立原料液的平均摩尔质量 kg/kmol塔顶产品的平均摩尔质量kg/kmol塔液产品的平均摩尔质量kg/kmol 温度确实定An

13、toine方程1： lg=6.02232-1206.350/(t+220.237) lg=6.07826-1343.943/(t+219.377) 泡点方程：根据以上三个方程，运用试差法可求出,当 x=0.813 时，假设t=84 ，=Pa，=44.496 kPa 当 x=0.9 时，假设t=80 ，=100.524 kPa，=38.826 kPa 当 x2 时，假设t=120，=298.735 kPa，=131.29 kPa, t=84，既是进料口的温度， t=80是塔顶蒸汽需被冷凝到的温度，t=120是釜液需被加热的温度。 平均相对挥发度：80时，苯的饱和蒸汽压=100.524 kPa甲苯

14、的饱和蒸汽压=38.826 kPa 120时，苯的饱和蒸汽压=298.735 kPa 甲苯的饱和蒸汽压=131.29 kPa,由=得：80时，80=120时，120=所以平均相对挥发度：= 最小回流比 Rmin由于泡点进料，那么xq= xfRmin= =回流比Rmin 根底数据整理=所以平衡方程为 Y1=xD1= <1> 精馏段液相平均温度：(80+84)=82在平均温度下查得 kg/m3， kg/m3液相平均密度为：其中，平均质量分数所以， =kg/m3精馏段的液相质量流量×精馏段的液相体积流量m33/s精馏段气相质量流量 V(R+1)D× Kg/h， 平均压

15、力：(101.3+100.5)=100.9 kPa,标准状况下的体积：V0=m³/h操作状况下的体积：m3/h气体负荷：m3/s气体密度： kg/m3<2> 提馏段平均温度：(84+120)=102在平均温度下查得 kg/m3，kg/m3液相平均密度为：其中，平均质量分数所以， =kg/m3 因为泡点进料，所以进料热状态 q=1 所以，提馏段液相质量流量 ：L'L+qF=11597.39+1×提馏段液相体积流量m³³/h提馏段气相质量流量 V'V-(1-q)F平均压力：(101.3+133)=kPa标准状况下的体积：m

16、9;/h 操作状况下的体积：m³/h气体负荷：m³/s气体密度：kg/m³ 操作线方程精馏段操作线方程提馏段操作线方程3.2.4 塔径本设计采用F1重阀浮阀塔，设全塔选用标准结构，板间距HT=0.45 m，溢流堰高hc m。 <1> 精馏段1求操作负荷系数C精馏段功能参数：塔板间有效高度H0=HT-HC=0.45-0.05=0.40m查斯密斯图2得负荷系数：C20=0.067。又查得82时，苯N/m 甲苯的外表张力为：22.19 mN/m精馏段苯甲苯溶液的平均组成为：苯：()=wt那么含甲苯为：1-wt所以外表张力：=×× mN/m

17、 所以：C= C20 = 最大流速UmaxUmax= C =0.87 m/s空塔气速u=0.7Umax=×0.7=0.609 m/s 求塔径D D=m<2> 提馏段1求操作负荷系数C 提馏段功能参数：查斯密斯图2得C20 =662又得102时，苯mN/m甲苯mN/m 提馏段苯甲苯混合平均组成：苯：2+)=甲苯：1-= 平均外表张力：=××=mN/m所以C= C20 652求提馏段U´maxmax= m/s空塔气速= m/s3求塔径=m对全塔，圆整后塔径D=1800 mm塔截面积为 m2实际空塔气速 m/s 3.2.5 理论塔板数计算 <

18、1> 求最小理论塔板数Nm：根椐芬斯克公式：Nm= = <2> 求实际理论板数 由 =0.146查吉利兰图3得：=0.49那么：=0.49所以：N<3> 进料板位置84时，84=所以精馏段的平均相对挥发度：所以：Nm，1= =那么：=0.49所以：<4> 实际板数全塔效率：60%所以实际板数为：=34.3块=35块实际精馏段板数：=12.7块=13块实际提馏段板数：Ne2=35-13=22块3.2.6 塔内件设计 <1> 溢流堰设计塔板上的堰是为了保持塔板上有一定的清液层高度，假设过高那么雾沫夹带严重，过低气液接触时间短，都会降低板效。根椐

19、经验，取清液层高度hL，本设计选用单溢流弓形降液管，不设进口堰。堰长取Lw1800=1188mm堰高：hw=hl-how采用平直堰，堰上液层高度how how=E 表3-1提馏段及精馏段计算结果精馏段提馏段溢流强度i，i=L/Lw,m3/(h.m)i=12i=i=5-25适合要求适合要求 求E，由L/Lw查图=9 堰上液层高度howhow=×122/3how=1.0292/3how152249堰高h153=347hw=圆整到h5h26 <2> 降液管设计Lw=1188mm，查阅?化工原理?(下)3，得到：=0.12，69Wd降液管弓形宽度mAf降液管弓形面积m2AT塔截面

20、积m2Wd=×=mAT=D2=(1.8)2=m2Af=.069=m2降液管容积与液体流量之比为液体在降液管中的停锱时间t，一般大于5S，即：t=精馏段：t=>5S提馏段：t=>5S故降液管底隙高度H0，对弓形降液管，管口面积等于底隙面积，即有：H0=，取，那么：精馏段：H0=m提馏段：H0=m <3>.塔板布置及浮阀数目与排列： 塔板布置因D故塔板采用分块板式塔板，查表3-2：表3-2塔径与塔板分块数塔径/mm800-12001400-16001800-20002000-2400分块数3 4 56 得塔板分为五块。 浮阀数目与排列取阀孔动能因子F0=10，计算

21、见表3-3：表3-3浮法数目计算结果精馏段提馏段U0=每层浮阀数245225取边缘高度泡沫区宽度 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一横排的孔心距t=75mm=0.075m,因塔板采用分块式，各分块板的支承与衔接也要占去一局部鼓区面积，因此排间距取=65mm=0.065m,按t=75mm,=65mm.以等腰三角形叉排方式作图。排得阀数250。排列方式见图3-2。 图3-2 浮阀孔排列图排得阀数为250个，按N=250个重新换算F，计算结果见表3-4：表3-4浮法动能因素计算结果精馏段提馏段U0=F0=U0阀孔动能因素变化不大，仍在9-12之间。塔板开孔率： 一般 1014，符合要求。3.2.

22、7 塔板流体力学验算 <1> 气相通过浮阀塔的压降 Hp=Hc+Hl+H 干板阻力干板阻力计算结果见表3-5。表3-5干板阻力计算结果 精馏段 提馏段Uoc=m/sm/s因为U0>UocU0>Uoc29 板上充气液层阻力。取充气系数0 hl=1hL 液体外表张力所造成的阻力很小，可以忽略。 所以hp=hc+hL 对精馏段：hp=0.025+0.029=0.054 对提馏段：hp31=0.056<2> 淹塔 为防止淹塔，要求严格控制降流管中液层高度。 Hd(HT+hw)Hd=hp+hL+hdA 气体通过塔板的压降相当的液降高度hp精馏段hp=0.056m 提馏

23、段hp7m B 液体通过降液管的压头损失。 因为不设进口堰： 精馏段：hd=0.153()2()274 提馏段：hd()2()2117 C 板上液层高度：hL 所以Hd=hp+hL+hd精馏段：Hd7434m提馏段：Hd=0.05+0.057117=m取=0.5 选定HT5 hw5那么：HT+hw×5+0.035=0.2425所以Hd(HT+hw)即可防止淹塔。<3> 雾沫夹带。 泛点率按下二式计算泛点率=100% A泛点率=100% B板上液体流经长度:ZL=D-2Wd=1.8-20.216=板上泛液面积：Ab=AT-2Afm2苯甲苯系统属无泡沫系统，物性系数K，查表得

24、 K1 表3-6泛点率计算结果CF CF CF由A式得%由B式得%由A、B算出的泛点率都小于70%，那么满足雾沫夹带evg液/kg气的要求3.2.8 塔板负荷性能图 <1> 雾沫夹带线泛点率=对于一定的物系和一定的塔板v，l，Ab，K，G及Zl，相对于的泛点率上限可确定，得V-L关系式，按泛点率=70%计算：精馏段： n+n=即：Vn=-Ln提馏段： 化简得：826Vm+1.5667Lm=0.1397即：Vm=-m由上可知，雾沫夹带线为直线。<2> 液泛线 (HT+HW)=Hp+Hl+Hd=Hc+Hl+H+HL+Hd忽略掉H，有：(HT+HW+0.153()2+(1+0

25、) HW+E()1/3因塔板结构一定，物系一定，那么HT，HW，H0，Lw，v，l，0和定值，U0=式中d0，N也是定值，故：上式可简化为：精馏段：9=Vn2+Ln2+Ln2/3提馏段：99=Vm2+112Lm2+Lm2/3 此即常压塔的泛点率。 <3> 液相负荷上限液体在降液管中停锱时间不低于5S为停留时间的上限。由=有：L=那么精馏段：Ln(max)=158 提馏段：Lm(max)=158 <4> 漏液线对F1重阀，以F0=5为规定气体最小负荷由F0=U05，得U0由V=d0NU0=所以：精馏段：Vn(min)=2=0.668m3/s 提馏段：Vm(min)=2=0

26、.638m3/s<5> 液相负荷下限取板上液层高度，作为液相负荷下限条件。L(min)=精馏段：Ln(min)=提馏段：Lm(min)=常压塔工艺计算至此全部结束，结算结果汇总见表3-7。表3-7常压塔工艺计算结果汇总工程数值及说明备注塔径D/mm1800板间距HT:m0.45塔板形式单溢流弓形降液管分块式塔板堰长Lw：m堰高Hw：m板上液层高度HL：m精馏段提馏段降液管底隙高度h0：m67344浮阀个数N:个250等腰三角形叉排阀孔气速U0：m/S阀孔动能因素临界阀孔气速Uoc：m/S孔心距：m排间距：m单位压降P：mH2O46降液管液体停留时间t：s降液管内流液层高度Hd：m3

27、4187泛点率%液相负荷上限Ls(max)：m3/s0.0158158雾沫夹带控制液相负荷下限Ls(min)：m3/s 漏液线控制操作弹性3.2.9 纯苯塔热量衡算 塔底热量衡算 塔底苯蒸汽的摩尔潜热= 373 KJ/Kg， 塔底甲苯蒸汽的摩尔潜热=361 KJ/Kg； 所 以 塔 底 上 升 蒸 汽 的 摩 尔 潜 热 =上升蒸汽量为: V(R+1)D所以再沸器的热流量'=因为加热蒸汽的潜热= 2177.6 KJ/Kg (t=130)， 所以需要的加热蒸汽的质量流量= 塔顶热量衡算 塔顶上升苯蒸汽的摩尔潜热=379.3 KJ/Kg塔顶上升甲苯蒸汽的摩尔潜热=367.1 KJ/Kg所

28、以 塔 顶 上 升 蒸 汽 的 摩 尔 潜 热= 精馏段上升蒸汽量为: V(R+1)D所以冷凝器的热流量 Qc=V*rv= 因为水的定压比热容=4.174 KJ/(Kg.K)，冷却水的进口温度 t1=20，冷却水的出口温度 t2=70， 所以需要的冷却水的质量流量 Gc= 3.2.10 常压塔主要尺寸确定<1> 壁厚塔筒体选用Q235-A钢为材料,由于是双面焊接,焊接系数为0.85,查得480-120范围内Q235-A钢的需用应力为=113Mpa,那么筒体计算厚度操作压力为P=101.325kPa,那么=1.07m,经圆整到标准厚度3mm考虑地震，风力，腐蚀，钢板负偏差等因素需加上

29、厚度附加两C，双面腐蚀裕量取4mm,钢板负偏差取0.22mm,由此得实际壁厚=7.22mm,综合考虑,取10mm,型材为Q235-A标准钢材。<2> 封头采用标准椭圆封头，材料为Q235-A钢，壁厚与塔体相同，即：Sn=10mm，由于采用标准椭圆封头，那么标准封头形状系数K=1，由计算得到=1400mm，选取h0=50mm图3-3 标准椭圆封头<3> 裙座以Q235-A钢为裙座材料，壁厚为10mm，内径等于塔内径D=1800mm，高度为2m，裙座与简体的连接采用对焊不校核强度。<4> 塔高设计精馏塔有效高度计算：Z =(Ne -1) HT=(35-1)开5个

30、人孔，开人孔处塔板间距增加为 0.7m,共有3人孔处于塔板间。塔两端空间,上端头留 m ，下端留 m, 所以，最后的塔体高为：15.3+1.5+3.0+0.7-0.45×3<5> 根底环设计根底环用Q235-A钢，内径取900mm，外径为1500mm，根底环高取40mm，螺栓选用M36螺栓20颗。<6> 接管尺寸设计 塔顶蒸汽出口管塔顶上升蒸汽的体积流量：V=取适宜速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)5，规格：实际管内流速： 回流液进口管回流液体积流量 =利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)5

31、，规格：实际管内流速： 进料管进料液体密度为那么查得84时kg/m3 , kg/m3代人:所以：进料体积流量取适宜的输送速度，故经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)5，规格：实际管内流速： 釜残液出料管查得120时kg/m3 , kg/m3代人得釜残液的体积流量：取适宜的输送速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)5，规格：实际管内流速：3.3 辅助设备设计和选型3 再沸器 因为蒸汽温度 ts=140，釜液进口温度=110，釜液出口温度=120， 所以传质温差因为传质系数 K1=300 W/m2/K， 所以传质面积 3 冷凝器 因为蒸汽进口温度 T1=100，蒸汽出口温度 T2=80，冷却水的进口温度t1=25, 冷却水的出口温度 t2=