1、 毕 业 设 计 论 文 题 目： 3 万吨每年粗苯精制工艺设计 学 院： 化学与材料工程学院 专 业： 煤炭深加工与利用 完成时间： 2013 年 5 月 27 日 河南城建学院专科毕业设计 设计说明I设计说明粗苯精制工艺，是将粗苯经化学加工转换为气体，液体和固体产物，并将气体和液体产物进一步加工成一系列化学产品的过程。目前粗苯精制工艺过程有：酸洗精制法和加氢精制法。酸洗精制法工艺简单，该法在我国焦化厂得到广泛应用。加氢精制法工艺复杂，对设备材质和自动控制要求高，该法在我国也得到一定的应用。本设计采用酸洗精制对粗苯精制工艺进行了设计计算，着重设计计算了粗苯精制过程的关键设备。主要包括物料衡算
2、，主要塔设备的工艺尺寸计算，并对关键设备进行了机械强度校核。通过物料衡算得到苯每小时产量为 4.17 t/h；按清晰分割计算得：轻苯进料量为 5.796 t/h；酸洗反应器进料量为 5.723 t/h；吹苯塔进料量为 5.715 t/h；按非清晰分割计算得：纯苯塔进料量为 5.4863 t/h 甲苯塔进料量为 1.3125 t/h；二甲苯塔进料量为 0.5302 t/h。通过对关键设备工艺尺寸计算得到：吹苯塔塔高 H=27.45m；纯苯塔塔高为 17.966m，塔径为 1.1m。通过对关键设备机械强度校核得到：纯苯塔质量载荷为 7942.18Kg；风载荷：1-1 截面为 84503.059 N
3、m。关键字：粗苯、精制、苯通过设计计算，得到以下主设备图纸 2河南城建学院专科毕业设计 设计说明IIDesign specificationCrude benzol refining process, is the chemical processing of crude benzol is converted into a gas, liquid and solid products, and the gas and liquid product is further processed into a series of chemical products . Crude Benzol cu
4、rrently refining process are: Pickling and refined method of hydrogenation. Pickling refined method of simple, but there are liquid waste. The law in Chinas coke plant is widely used. Hydrogenation process of complex, material and equipment for automatic control requirements. The law in China has be
5、en applied. This design uses pickling crude benzol refining process of refining a design, the focus on design and calculation of the process of refining crude benzol key equipment. Including material balance, the main tower of the size of equipment, and key equipment to check the mechanical strength
6、. Get through the material balance for the production of benzene 4.17 per hour; Calculated in accordance with a clear division: benzene into the light feed traffic to 5.796; pickling reactor feed traffic to 5.723; benzene tower blown the feed traffic to 5.715; On non-clear segmentation in the calcul
7、ation: Refining benzene tower into the feed traffic to 5.4863 toluene tap into feed traffic to 1.3125; xylene tower into the feed traffic to 0.5302. Through the key equipment of size calculated: high winds benzene high tower H = 26.35m; Refining benzene high tower as 27.45 m, Tower Drive for 1.1 m.
8、Through the mechanical strength of key equipment check by Refining benzene tower load for the quality of 7942.18 Kg; wind load: a cross-section of 84503.509 .NmKeywords: Crude benzol、Benzene 、Refining 2河南城建学院专科毕业设计 主要符号说明i目 录设计说明 .IDesign specification.I主要符号说明 .iv引言 .11 设计总论 .21.1 概述 .21.1.1 粗苯的主要组分
9、及性质 .21.1.2 粗苯精制产品及用途 .21.1.3 粗苯精制的意义 .31.2 文献综述 .31.3 设计任务的依据 .31.3.1 反应温度 .31.3.2 硫酸浓度 .41.3.3 酸化反应时间 .41.4 主要原材料及公用工程情况 .42 生产流程确定 .53 生产流程说明 .64 物料衡算 .74.1 初馏塔物料衡算 .74.2 酸洗反应器物料衡算 .84.3 吹苯塔物料衡算 .84.4 纯苯塔物料衡算 .104.4.1 纯苯塔产品产量核算 .114.4.2 吹苯塔产品产量核算 .124.4.3 酸洗塔产品产量核算 .144.5 甲苯塔物料衡算 .154.6 二甲苯塔物料衡算
10、.175 能量衡算 .206 塔设备计算 .206.1 吹苯塔计算 .206.1.1 吹苯塔塔径的计算 .206.1.2 吹苯塔塔高的计算 .216.2 纯苯塔的计算 .216.2.1 回流比的计算 .216.2.2 塔板层数的确定 .236.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 .246.3.1 操作压力计算 .246.3.2 操作温度计算 .246.3.3 平均摩尔质量的计算 .246.3.4 进料板平均摩尔质量计算 .246.3.5 平均密度计算 .25河南城建学院专科毕业设计 主要符号说明ii6.3.6 液体平均表面张力计算 .266.3.7 液相平均粘度的计算 .276.4 精馏
11、塔的塔体工艺尺寸计算 .276.4.1 塔径计算 .276.4.2 精馏塔有效高度得计算 .286.5 塔板主要工艺尺寸的计算 .296.5.1 溢流装置计算 .296.5.2 塔板布置 .306.6 筛板的流体力学验算： .316.6.1 塔板压： .316.6.2 液面落差 .316.6.3 液沫夹带 .316.6.4 漏液 .326.6.5 液泛 .326.7 塔板负荷性能图 .326.7.1 漏液线 .326.7.2 液沫夹带线 .336.7.3 液相负荷下限线 .336.7.4 液相负荷上限线 .346.7.5 液泛线 .347 设备稳定性及机械强度校核计算 .387.1 塔高估算
12、.387.2 筒体强度计算 .387.2.1 精馏塔壁厚 .387.2.2 封头的选取 .397.3 塔设备所承受的各种载荷计算 .397.3.1 质量载荷 .397.3.2 风载荷 .40设计结果 .42主要参数一览表 .42物料衡算数据一览表 .42塔设备计算数据一览表 .43附录 .45主要参考文献 .45致谢 .46河南城建学院专科毕业设计 主要符号说明ii主要符号说明项目 符号 单位平均压强 Pm mmHg平均温度 Tm 气相 VS Kmol/s流量 液相 LS m3/s实际塔板数 N 块板间距 HT m塔的有效高度 Z m塔径 D m空塔气速 u m/s堰长 lw m堰高 hw m
13、溢流堰宽度 wd m管底与受液盘距离 h0 m板上清液层高度 hl m孔径 d0 mm孔间距 t mm孔数 n 个开孔面积 Aa m2筛孔气速 u0 m/s塔板压降 hp KPa液体在降液管中停留时间 S降液管内清液高度 Hd m雾沫夹带 Vekg 液/kg 气气相最大负荷 LS,max m3/s液相最大负荷 LS,max m3/s河南城建学院专科毕业设计 引言1引言粗苯是煤炼焦过程的副产品，其中含有苯、甲苯、二甲苯等工业原料和大量杂质，粗苯精制就是通过物理或化学方法去除这些杂质，得到高纯度的苯类产品的过程。我国传统的粗苯精制的方法是酸洗法，由于酸洗精制法工艺简单，该法在我国焦化厂得到广泛应用
14、。焦化粗苯加工和分离是一个极其复杂的工艺过程，粗苯中除含有苯、甲苯、二甲苯等主要成分外，可定量的其余组分就有九十多种。焦化粗苯经初步预精馏得到的轻苯馏分中含有的不饱和化合物及硫化物的沸点与苯、甲苯的沸点相差很小，不能通过精馏法进行分离。当前脱除不饱和化合物及硫化物的主要方法有硫酸精制法和催化加氢精制法。硫酸精制法的优点是试剂便宜、过程设备简单和操作方便等，在早期的国内外焦化粗苯加工中应用十分广泛，工艺比较成熟。酸洗法就是混合馏分（BTX）用含量为 93%95%的硫酸洗涤时不饱和化合物及硫化物发生化学反应，生成复杂的产物。不饱和烃在硫酸作用下发生聚合反应，生成酸式酯，此反应还可以深度进行，生成三
15、聚物和和深度聚合物。聚合物呈现黑褐色，简称酸焦油，密度较大，可从混合物中分离。噻吩能与硫酸发生磺化反应，但是苯，甲苯，二甲苯的磺化反映速率很慢。同时噻吩还能与其他不饱和化合物反应生成稳定的烷基化噻吩，其沸点毕本的沸点高 6070。噻吩主要集中在苯馏分中，其中不饱和化合物较少，故其中噻吩很难除去。这时可以对苯、甲苯、二甲苯的混合馏分进行酸洗，其中不饱和化合物的含量为 4%6%，已将噻吩及其同系物除去，切硫酸耗量少，焦油生成量也少。河南城建学院专科毕业设计 设计总论21 设计总论1.1 概述粗苯精制的生产工艺，是以粗苯为原料，经化学加工转换为气体，液体和固体产物，并将气体和液体产物进一步加工成一系
16、列化学产品的过程。目前粗苯精制的方法主要有酸洗精制法和加氢精制法。酸洗精制法工艺简单，但有液体废物产生。该法在我国焦化厂得到广泛应用。加氢精制法工艺复杂，对设备材质和自动控制要求高，所得产品质量好，没有液体废物产生，有利于环境保护。该法在我国也得到了应用。1.1.1 粗苯的主要组分及性质粗苯中的苯、甲苯和二甲苯含量约占 90%以上，是粗苯精制的主要产品。此外，还有不饱和化合物及少量含硫、氮、氧的化合物。苯类产品是易流动，几乎不溶于水，而溶于乙醇、乙醚等多种有机溶剂的无色透明液体，极易燃烧，其蒸汽与空气能形成爆炸性混合物。粗苯中所含的不饱和化合物的含量主要取决于炭化温度，温度越高，不饱和化合物的
17、含量就越低。不饱和化合物在粗苯馏分中的分布不均匀。粗苯中所含的不饱和化合物主要是带有一个或两个双键的环烯烃和直链烯烃，它们、极易聚合，易和空气中的氧形成深褐色的树脂状物质，并能溶于苯内产品，使之变成棕色。故在生成过程中，需将不饱和化合物除去。粗苯中的硫化物主要是二硫化碳、噻吩及其同系物。此外还有硫醇、硫化氢等，但含量一般很少。硫化氢在粗苯储存过程中，逐渐被氧化成单体硫。硫化物在粗苯精制过程中作为有害杂质脱除。粗苯中尚含有吡啶碱类和酚类，因含量甚少，不作为产品提取。1.1.2 粗苯精制产品及用途为了得到合格的苯类产品，首先将粗苯分离为轻苯和重苯。苯、甲苯、二甲苯的绝大部分、硫化物的大部分和近一半
18、的不饱和化合物则集中于轻苯中。苯乙烯、古马隆及茚等高沸点不饱和化合物则集中于重苯中。轻苯和重苯需分别加工。本次设计中是利用粗苯中分离出来的轻苯进行加工，最终得到所需产品。苯的最大用途是作为生产苯乙烯的单体原料。环已烷和苯酚也是苯重要消费领域。此外，苯也是染料、塑料、合成橡胶、合成树脂、合成纤维、合成药物和农药等的重要原料，也是涂料、橡胶、胶水等的溶剂，也可以作为燃料。甲苯用于制造糖精、染料、药物和炸药等，并用作溶剂。二甲苯广泛用于有机溶剂和合成医药、涂料、树脂、染料、炸药和农药等。精制在 145-180范围内馏出的混合产品称为溶剂油。溶剂油主要用作油漆和颜料工业中的溶剂。溶剂油经分离所得的二甲
19、苯同分异构体及三甲苯同分异构河南城建学院专科毕业设计 设计总论3体可分别用于生产树脂、染料和药物。以粗苯的初馏分为原料，经热馏和热聚合得二聚环戊二烯，可用于制取单体环戊二烯。二聚物和单体物可制取合成树脂、农药、香料和杀菌剂。古马隆和茚制取的树脂可用于制造油漆、塑料和绝缘材料。苯乙烯经过聚合可制成用于生产绝缘材料的无色树脂。二硫化碳可用作溶剂、硫化促进剂，还可用以生产农药和磺酸盐。噻吩可用于生产染料、医药、耐急冷急热塑料、高活性溶剂、生物活化物质、增亮剂及化妆品等。1.1.3 粗苯精制的意义资源、环境和人口是当前困扰人类社会发展的三大突出问题，这三大问题与能源都有密切关系。能源本身就是资源，而且
20、是重要的资源；能源大量和非洁净的消费造成了环境的破坏；人口的增长势必增加对能源的需求。我国是一个煤炭储量丰富而石油和天然气相对贫乏的国家。迄今为止，我国能源一直是以煤为主的多元化结构。预计在今后相当长的一段时间内，这一格局也不会改变。利用我国丰富的煤炭资源，实施“以煤造油”和“以煤代油”是优化终端能源，实现石油供应多元化和保证能源安全的重大决策，符合我国国情和可持续发展的需要。而粗苯是煤造油中主要的附属产品。因此粗苯的精制具有重要的意义。1.2 文献综述粗苯精制的方法是根据苯的组成、性质、产品的品种和质量要求而制定的。粗苯的主要成分苯、甲苯、二甲苯等由于相邻的二组分之间的沸点温度相差较大，可用
21、精馏方法进行分离。而有些不饱和化合物及硫化物的沸点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。按除去不饱和化合物和硫化物的方式不同，粗苯精制的方法主要有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。该法在中国焦化厂广泛采用。加氢精制法工艺复杂，对设备材质要求较高所得产品质量好，用途广，售价较高，没有液体废物产生，有利于环境保护，宜在粗苯集中加工厂采用。该法在中国焦化厂也有采用。考虑到酸洗精制法的优点，本次设计采用酸洗精制法提取苯类产品。1.3 设计任务的依据对混合馏分进行酸洗净化的工
22、艺操作，不仅要求尽可能除去其中所含的硫化物和不饱和化合物，而且要求硫酸含量低、苯族烃损失小，并使反应尽量向形成能溶解于已洗混合馏分中的聚合物方向进行。为此，应对下列因素加以控制：1.3.1 反应温度噻吩与不饱和化合物反应的活化能比苯族烃与不饱和化合物反应的活化能小。河南城建学院专科毕业设计 设计总论4因此，反应控制在 35-45比较低的温度，即保证了噻吩的净化效果，又减少了苯族烃因磺化反应及与不饱和化合物的共聚反应而引起的损失。酸洗反应是放热反应，其放出的热量取决于未洗混合馏分中不饱和化合物的含量及组成。考虑到酸洗过程的热效应，未洗混合馏分温度可取为 2530。1.3.2 硫酸浓度硫酸浓度的影
23、响可用酸洗甲苯和二甲苯混合物的试验数据说明：随着硫酸浓度的增加，苯族烃与不饱和化合物的共聚反应与磺化反应加剧。但与共聚反应相比，磺化反应仅属于从属地位。在实际生产中，应根据轻苯的组成和质量来确定适宜的硫酸浓度。通常采用硫酸为 93 wt%-95 wt%，耗量为 5%。1.3.3 酸化反应时间延长反应时间，可改善洗涤效果，但同时会加剧磺化反应，增加酸焦油的生成量及苯族烃的损失。尤其对酸焦油的生成量显著。一般反应时间为 10min 左右。组成（质量含量）：初馏分 1%；苯 75%；甲苯 13.9%；二甲苯 3.3%；溶剂油6.8%。纯苯产品组成（质量含量）：苯 99.5%；甲苯0.5%。纯苯残油组
24、成（质量含量）：苯0.5%。1.4 主要原材料及公用工程情况主要原材料为粗苯。粗苯是煤热解生成的粗煤气中的产物之一,经脱氨后的焦炉煤气中含有苯系化合物，其中以苯含量为主，称之为粗苯。粗苯主要含苯、甲苯、二甲苯和三甲苯等芳香烃。此为还含有不饱和化合物、硫化物、饱和烃、酚类和吡啶碱类。粗苯的组成取决于炼焦配煤的组成及炼焦产物在碳化室类热解的程度。粗苯使黄色透明液体，比水轻微溶于水。在储存时，由于低沸点不饱和化合物氧化和聚合所形成的树脂状物质能溶解于粗苯中，使其着色变暗。粗苯易燃，闪点为 12。粗苯蒸汽在空气中的体积浓度为 1.4%-7.5%时，能形成爆炸性混合物。粗苯主要用于深加工制苯、甲苯、二甲苯等产品，苯、甲苯、二甲苯都是宝贵的基本有机化工原料。
