年产0W吨粗苯精制工艺设计设计

年产0W吨粗苯精制工艺设计设计济源职业技术学院毕业设计（论文）(冶金化工系)题目年产10万吨粗苯精制工艺设计专业应用化工技术班级化工xxx班完成日期2011.05.08—2011.10.10目录摘要 1第一章粗苯精制的综述 21.1粗苯的性质和用途 21.2粗苯精制原理 21.3初步精馏 31.4设计的依据 4第二章工艺流程的说明 62.1化学精制工艺的选择 62.2粗苯的精制 62.3生产设备的选择 72.3.1精馏塔类型的选择 7第三章粗苯精制的物料衡算 103.1初步精馏计算 103.1.1初馏塔全塔的平均温度 103.2化学精制 113.3纯苯塔的物料衡算 12 13第四章热量衡算 144.1冷凝器的热量衡算 14第五章粗苯精制中的危害因素与防护 165.1防火 165.2原料、产品、及中间产品的储存 165.3废气的处理 17第六章粗苯精制的发展方向 186.1现状 186.2展望 18致谢 19参考文献 20附图1 21粗苯精制工艺流程图 21附图2 22精馏塔设备图 22摘要粗苯中主要成分是苯，是纯苯的主要来源。苯的用途很多，是有机合成的基础原料，可制成苯乙烯、苯酚、丙酮、环己烷、硝基苯、顺丁烯二酸酐等，进一步可制合成纤维、合成橡胶、合成树脂以及染料、洗涤剂、农药、医药等多种产品。本设计首先是先介绍粗苯的组成、性质以及制得粗笨之后的用途。之后又介绍工艺流程，使得我们更清晰地了解到本设计的原理与目的。经过设备的对比选择最适合本设计的设备，最后经过物料衡算与热量衡算，得出本设计所需要的原料与热量。本设计的产品有纯苯、甲苯、二甲苯、不饱和化合物及少量含硫、氮、氧的化合物。其中最主要的产品是纯苯、甲苯和二甲苯。关键词：粗苯精制酸洗精制法粗苯第一章粗苯精制的综述粗苯精制目的是得到苯、甲苯、二甲苯等产品，它们都是宝贵的基本有机化工原料。粗苯精制包括酸洗或加氢、精馏分离、初馏分中的环戊二烯加工以及高沸点馏分中的茚与古马隆的加工利用。1.1粗苯的性质和用途粗苯产率以干煤计约为0.9～1.1%。其中含苯及其同系物为80～95%；不饱和化合物为5～15主要集中于79℃以前低沸点馏分和140℃以上的高沸点馏分中，它们主要为环戊二烯、茚、古马隆及苯乙烯等；硫化物含量为0.2～2.0%；饱和烃为0.3～2.0%。此外，粗苯中还含有来自洗油的轻馏分、萘、酚和吡啶等成分。粗苯中主要成分是苯，是纯苯的主要来源。苯的用途很多，是有机合成的基础原料，可制成苯乙烯、苯酚、丙酮、环己烷、硝基苯、顺丁烯二酸酐等，进一步可制合成纤维、合成橡胶、合成树脂以及染料、洗涤剂、农药、医药等多种产品。甲苯和二甲苯也是有机合成的重要原料。1.2粗苯精制原理粗苯中主要成分为苯、甲苯、二甲苯，它们在101Kpa压力下的沸点如下：苯80.1℃；间二甲苯139.1℃；甲苯110.6℃；对二甲苯138.4℃；邻二甲苯144.9℃；乙苯136.2℃。由上述数据可见，沸点有差别，即挥发度不同，可以很容易分离出苯和甲苯、二甲苯的三种异构体和乙苯的沸点差甚小，难于利用精馏方法进行分离。粗苯中与苯的沸点相近的有硫化物和不饱和化合物，故欲得纯苯较难。例如，噻吩和环己烷的沸点分别为84.07℃和81℃，精馏时分不开。由于以苯为原料进行催化加工时。硫化物能使催化剂中毒，不饱和化合物在储存时能聚合或产生暗色物，在催化加工时，易使催化剂结焦。所以要求从苯中必须除掉这些杂质。由于精馏方法不能脱除本中噻吩和不饱和化合物，所以在精馏之前采用化学净化方法。为此，可采用加入化学试剂或催化加氢，使之生成易于分离的产物，达到净化目的。采用化学净化办法，需要消耗化学试剂和损失原料，所以仅对精馏分离不掉的硫化物和不饱和化合物，采用化学净化方法。不同沸点馏分中不饱和化合物和硫化物含量不同，在低于苯沸点的初馏分中含量高。在二甲苯高沸点馏分中不饱和化合物含量很高，很明显分出高沸点馏分不用化学净化方法，而只对沸点较低的馏分进行化学净化，这不仅减少了化学净化消耗，而且可以分别利用个馏分。例如初馏分低于苯沸点馏分含有环戊二烯，是合成橡胶、药品和合成树脂的原料，此外，还有二硫化碳。高沸点馏分富集有茚、古马隆、苯乙烯，可作为古马隆茚树脂原料，该树脂可制造油漆、颜料和绝缘材料等。粗苯精制流程包括下述过程：（1）初步精馏使低沸点化合物、高沸点含硫化合物和不饱和化合物分开。（2）化学精制把粗苯主要组分沸点范围内所含的硫化物和不饱和化合物脱除。（3）最终精馏得到合乎标准的纯产品。1.3初步精馏粗苯初步精馏可由两个精馏塔完成，粗苯在第一个初馏塔顶分出初馏分；在第二个苯、甲苯、二甲苯(BTX)混合馏分塔顶分出BTX馏分,塔底分出重苯。假如粗苯回收工段把粗苯已分成轻苯和重苯，则不在需要第二个塔。初馏塔很重要，初馏分要分离的很干净，否则二硫化碳进入BTX馏分中，进一步留在苯中。此外，使BTX馏分的化学净化难度增大。环戊二烯反应能力大，粘度高，能形成高分子聚合物。初馏分塔采用效率足够高的精馏塔，塔板数为30-50。回流比为40-60，空塔气速为0.6-0.9m/s。轻苯的初馏分产率为1.0-1.2%，其组成约为:环戊二烯等50-60%；二流化碳为25-35%；苯为5-15%。纯苯中含二硫化碳不应超过1-50ppm。初馏塔的再沸器易堵塞，这是低沸点不饱和化合物发生聚和，堵塞物主要是胶状游离碳。应防止进料和回流带水，否则不仅塔操作不稳，而且增加堵塞再沸器的可能性。1.4设计的依据经查资料，获得以下参数：表1-1粗苯各组分的平均含量组分分子式含量（质量百分数）/%苯55—80甲苯11—22二甲苯2.5—8三甲苯1—2不饱和化合物、7—12硫化物0.3—1.8饱和物0.6—2.0初馏塔初馏组分的要求：表1-2初馏分组成原料粗苯初馏分组成/%轻苯初馏分组成/%15—2525—40、10—1520—3030—505—15其他不饱和化合物10—1515—25连续精馏塔操作条件：表1-3连续精馏塔操作条件塔名纯苯塔甲苯塔二甲苯塔塔顶温度/℃80左右110左右89左右塔底温度/℃124—128150—155140—150塔压/KPa30左右30左右30左右已知：10万吨粗苯全年生产时间：300天，其余时间为维修时间。设计任务：苯的纯度：99.5%甲苯的纯度：98%二甲苯的纯度：98%第二章工艺流程的说明2.1化学精制工艺的选择由于不饱和化合物与苯类产品之间的沸点温度相差很小，不能用精馏的方法把它们分开，要用化学的方法分离。工业上有两种方法：酸洗精制法和加氢精制法。酸洗精制法具有工艺流程简单、操作灵活、设备投资少，材料易得，常温常压下运行，但有液体废物产生。该方法在中国焦化厂已经广泛采用。加氢精制法工艺复杂，对设备材质要求较高。本设计采用酸洗精制法。2.2粗苯的精制粗苯的精制包括下面三个过程：（1）初步精馏：将低沸点的二硫化碳和戊烯等不饱和化合物与苯烃进行分离，得到初馏分和苯，甲苯，二甲苯等苯类混合馏分。（2）化学精制：把经过初步精馏得到的苯类混合馏分中含有沸点与苯族烃相近的不饱和化合物及硫化物除去。（3）最终精馏：经过连续精馏得到合乎标准的纯产品。粗苯经初馏塔初步精馏，塔顶得到初馏分低沸点的二硫化碳和戊烯等不饱和化合物，塔底得到苯，甲苯，二甲苯等苯类混合馏分。初馏塔由重沸器供热，由于塔底含有不饱和化合物形成的聚合物，进入重沸器之前需经过过滤器滤出聚合物，以减轻设备的堵塞。初步精馏得到的苯类混合物中含有沸点与苯族烃相近的不饱和化合物及硫化物，不能用精馏法把它们除去，为了制取合格产品，必需将它们预先除去，除去这些杂质要用硫酸进行洗涤。经过硫酸洗涤的混合馏分带有酸性，然后进行中和，最后进入吹苯塔，把苯，甲苯，二甲苯吹出。吹出苯由泵送入纯苯塔。纯苯塔的蒸汽温度控制在80℃左右，在此温度下逸出的蒸汽经冷凝器冷却把油和水分离，所得到的纯苯一部分作为回流送入塔顶，一部分作为产品采出。塔底纯苯残液温度为124-128℃，由塔底排除，送入纯苯残油槽。纯苯残油积累到一定量后，用泵连续送入甲苯塔进行精馏。蒸汽经冷凝器冷却把油和水分离，所得到的甲苯一部分作为回流送入塔顶，一部分作为产品采出。塔底甲苯残液由塔底排除，送入纯苯残油槽。甲苯残液要求不含甲苯。处理甲苯残液，用泵连续送入二甲苯塔进行精馏。塔顶逸出的蒸汽经冷凝器冷却把油和水分离，所得到的二甲苯一部分作为回流送入塔顶，其余部分作为产品采出。2.3生产设备的选择2.3.1精馏塔类型的选择气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：(１)结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。(２)处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。(３)塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。(４)压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。筛板塔的缺点是：(１)塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。(２)操作弹性较小(约2～3)。(３)小孔筛板容易堵塞。浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点：(１)处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20～40％，而接近于筛板塔。(２)操作弹性大，一般约为5～9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。(３)塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。(４)压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400～660N/m2。(５)液面梯度小。(６)使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。(７)结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的60～80％,为筛板塔的120～130％据此本课程设计选取浮阀塔。粗苯精制工艺流程图如图2-1图2-1粗苯精制工艺流程图第三章粗苯精制的物料衡算3.1初步精馏计算初步精馏塔如图3-1：图3-1初馏塔表3-1原料各组分数据汇总组分0.010.040.740.130.040.030.011.0076707892104106120134.6538.49960.41749.8538.4403.8134.6134601.777.69127.7019.025.183.811.12166.290.010.050.770.110.030.020.011.000分离要求苯的纯度：99.5%甲苯的纯度：98%二甲苯的纯度：98%3.1.1初馏塔全塔的平均温度（1）用露点方程计算初馏塔塔顶温度为40℃。（2）用泡点方程计算初馏塔塔底温度为84.7℃。所以初馏塔全塔的平均温度为：℃。3.2化学精制粗苯初步精制得到的苯类混合物馏分中，含有沸点与苯族烃相近的不饱和化合物如戊烯和苯乙烯。不能用精馏法将它们除去，为了制取合格的产品，必须将它们预先除去，除去这些杂质的方法就是用硫酸处理。用硫酸精制具有工艺流程简单，操作灵活，设备投资少，材料易得，常温常压下进行。该法在中国的焦化厂得到广泛的应用。用硫酸洗涤时，同时进行多种化学反应，其中主要的反应如下（清除不饱和化合物反应）：不饱和化合物反应;不饱和化合物在浓硫酸的作用下很容易发生聚合作用，生成各种复杂的聚合物。聚合反应的第一阶段是生成酸式酯，聚合反应的第二阶段是酸式酯不饱和化合物生成二聚物。酸洗工艺流程图3-2图3-2酸洗流程图为了得到比较纯净的苯系化合物，不饱和化合物通过酸洗，消耗的硫酸的量为：则：选用93%的浓硫酸洗，则消耗的酸的质量为：吨所以消耗93%的浓硫酸为9764.6吨。3.3纯苯塔的物料衡算经查资料获得粗苯中组分的组成以及精制要求如下：已知：10万吨粗苯全年生产时间：300天，其余时间为维修时间。10万吨/年=13.89吨/h轻苯：96.9%轻苯质量F:吨/h13460千克/h原料处理量：13460千克/h轻苯组成（质量分数）：苯78%；甲苯16%；二甲苯4%；溶剂油2%纯苯产品组成：苯99.5%；甲苯小于0.5%纯苯残油组成：苯小于0.5%物料衡算式为：将相应的数值代入上式，并和全塔物料衡算式求解：D+W=134600.995D+0.005W=13460×0.78得：D=10537;W=2923表3-2纯苯塔的物料衡算：组成名称物料原料塔顶产品塔底产品单位kg/hkmol/h摩尔分数kg/hkmol/h摩尔分数kg/hkmol/h摩尔分数苯10498.8134.60.8210484.4134.40.9914.40.20.01甲苯2153.623.40.1452.61.00.01210122.90.75二甲苯538.45.10.03538.45.10.17溶剂油269.22.20.01269.22.20.07合计13460165.31.0010537134.91.00292330.41.00纯苯的质量为：第四章热量衡算4.1冷凝器的热量衡算冷凝器体系选取如图4-1：图4-1冷凝器1Kcal=4.184KJQp=(1.3+1)×134.9×(518.9290-175.8410)=106449.9138(KJ/h)第五章粗苯精制中的危害因素与防护车间内的所有原料、生产的产品及中间馏分均为易燃、易爆、有毒、易挥发的气体，因此精苯车间要特别注意防火、防爆、防雷电、防毒等安全措施，所以人员要牢固树立“安全第一”的意识，熟练掌握安全防护，消防知识，具备处理这类事故的能力。5.1防火精苯车间的安全防火措施如下：（1）车间严禁有明火和火花。（2）防止静电火花引起燃烧。（3）车间内一切电器设备及照明均应为防爆设备，且符合防火防爆的特殊要求。（4）苯类产品为有毒的化工产品，设备应严密，防止泄漏。（5）由于二氧化硫沸点低易挥发，为了减少挥发损失和污染环境，为防火灾的发生，应将二氧化硫储存在储槽的水封的下面。（6）车间各个岗位要配备完善的防护用品，且都应符合安全防火的要求。（7）车间内应设有泡沫灭火器和蒸汽灭装置，精苯车间发生火灾时，严禁用水灭火。（8）车间内应有完整的安全防火制度和严密的消防组织。5.2原料、产品、及中间产品的储存（1）原料均匀化。（2）储槽放水及污水控制分离。（3）减少挥发损失的工艺措施。①各储槽外壁应进行保温。②储存顶部连续或间断喷洒冷水。5.3废气的处理无论是酸洗精制法，还是加氢法，都有含苯废气的处理问题。一般采用的处理方法有：N2气封法；接煤气负压系统；采用浮顶储槽；水封式检液口等，可因地制宜选用。从国内实践看，N2气气封法、低温冷凝法、采用浮顶储槽与水封式检液口等交易广泛推广应用。第六章粗苯精制的发展