3萬噸每年粗苯精制工藝設計

畢業(yè)設計[論文]題目：3萬噸每年粗苯精制工藝設計學院：化學與材料工程學院專業(yè)：煤炭深加工與利用姓名：學號：指導老師：完成時間：2013年5月27日設計說明粗苯精制工藝，是將粗苯經(jīng)化學加工轉(zhuǎn)換為氣體，液體和固體產(chǎn)物，并將氣體和液體產(chǎn)物進一步加工成一系列化學產(chǎn)品的過程。目前粗苯精制工藝過程有：酸洗精制法和加氫精制法。酸洗精制法工藝簡單，該法在我國焦化廠得到廣泛應用。加氫精制法工藝復雜，對設備材質(zhì)和自動控制要求高，該法在我國也得到一定的應用。本設計采用酸洗精制對粗苯精制工藝進行了設計計算，著重設計計算了粗苯精制過程的關鍵設備。主要包括物料衡算，主要塔設備的工藝尺寸計算，并對關鍵設備進行了機械強度校核。通過物料衡算得到苯每小時產(chǎn)量為4.17t/h；按清晰分割計算得：輕苯進料量為5.796t/h；酸洗反應器進料量為5.723t/h；吹苯塔進料量為5.715t/h；按非清晰分割計算得：純苯塔進料量為5.4863t/h甲苯塔進料量為1.3125t/h；二甲苯塔進料量為0.5302t/h。通過對關鍵設備工藝尺寸計算得到：吹苯塔塔高H=27.45m；純苯塔塔高為17.966m，塔徑為1.1m。通過對關鍵設備機械強度校核得到：純苯塔質(zhì)量載荷為7942.18Kg；風載荷：1-1截面為84503.059N·m。關鍵字：粗苯、精制、苯通過設計計算，得到以下主設備圖紙

DesignspecificationCrudebenzolrefiningprocess,isthechemicalprocessingofcrudebenzolisconvertedintoagas,liquidandsolidproducts,andthegasandliquidproductisfurtherprocessedintoaseriesofchemicalproducts.CrudeBenzolcurrentlyrefiningprocessare:Picklingandrefinedmethodofhydrogenation.Picklingrefinedmethodofsimple,butthereareliquidwaste.ThelawinChina'scokeplantiswidelyused.Hydrogenationprocessofcomplex,materialandequipmentforautomaticcontrolrequirements.ThelawinChinahasbeenapplied.Thisdesignusespicklingcrudebenzolrefiningprocessofrefiningadesign,thefocusondesignandcalculationoftheprocessofrefiningcrudebenzolkeyequipment.Includingmaterialbalance,themaintowerofthesizeofequipment,andkeyequipmenttocheckthemechanicalstrength.Getthroughthematerialbalancefortheproductionofbenzene4.17perhour;Calculatedinaccordancewithacleardivision:benzeneintothelightfeedtrafficto5.796;picklingreactorfeedtrafficto5.723;benzenetowerblownthefeedtrafficto5.715;Onnon-clearsegmentationinthecalculation:Refiningbenzenetowerintothefeedtrafficto5.4863toluenetapintofeedtrafficto1.3125;xylenetowerintothefeedtrafficto0.5302.Throughthekeyequipmentofsizecalculated:highwindsbenzenehightowerH=26.35m;Refiningbenzenehightoweras27.45m,TowerDrivefor1.1m.ThroughthemechanicalstrengthofkeyequipmentcheckbyRefiningbenzenetowerloadforthequalityof7942.18Kg;windload:across-sectionof84503.509.Keywords:Crudebenzol、Benzene、Refining目錄3288設計說明 I4996Designspecification I31020主要符號說明 iv3231引言 1142761設計總論 2215151.1概述 2316191.1.1粗苯的主要組分及性質(zhì) 2204521.1.2粗苯精制產(chǎn)品及用途 2295191.1.3粗苯精制的意義 3257491.2文獻綜述 316931.3設計任務的依據(jù) 3260231.3.1反應溫度 3176821.3.2硫酸濃度 434301.3.3酸化反應時間 4112961.4主要原材料及公用工程情況 498622生產(chǎn)流程確定 5149813生產(chǎn)流程說明 682304物料衡算 7186524.1初餾塔物料衡算 7180764.2酸洗反應器物料衡算 860504.3吹苯塔物料衡算 8286564.4純苯塔物料衡算 10180034.4.1純苯塔產(chǎn)品產(chǎn)量核算 1184394.4.2吹苯塔產(chǎn)品產(chǎn)量核算 12175544.4.3酸洗塔產(chǎn)品產(chǎn)量核算 1462434.5甲苯塔物料衡算 1554974.6二甲苯塔物料衡算 17223475能量衡算 20160056塔設備計算 20150936.1吹苯塔計算 20181046.1.1吹苯塔塔徑的計算 2066316.1.2吹苯塔塔高的計算 2140666.2純苯塔的計算 2198676.2.1回流比的計算 21253996.2.2塔板層數(shù)的確定 23112416.3精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算 2450246.3.1操作壓力計算 2474956.3.2操作溫度計算 24274846.3.3平均摩爾質(zhì)量的計算 24306386.3.4進料板平均摩爾質(zhì)量計算 2420356.3.5平均密度計算 25114256.3.6液體平均表面張力計算 2678246.3.7液相平均粘度的計算 27183176.4精餾塔的塔體工藝尺寸計算 27133566.4.1塔徑計算 27193866.4.2精餾塔有效高度得計算 28287386.5塔板主要工藝尺寸的計算 29304056.5.1溢流裝置計算 2996906.5.2塔板布置 30132926.6篩板的流體力學驗算： 31200146.6.1塔板壓： 31119556.6.2液面落差 31187426.6.3液沫夾帶 31101506.6.4漏液 3271356.6.5液泛 3210976.7塔板負荷性能圖 32247666.7.1漏液線 3270316.7.2液沫夾帶線 3319066.7.3液相負荷下限線 3324916.7.4液相負荷上限線 3482236.7.5液泛線 34300567設備穩(wěn)定性及機械強度校核計算 3870707.1塔高估算 38103637.2筒體強度計算 38282487.2.1精餾塔壁厚 38221597.2.2封頭的選取 39130417.3塔設備所承受的各種載荷計算 39223767.3.1質(zhì)量載荷 3948937.3.2風載荷 408929設計結(jié)果 4212380主要參數(shù)一覽表 42323物料衡算數(shù)據(jù)一覽表 4221369塔設備計算數(shù)據(jù)一覽表 4315176附錄 458434主要參考文獻 4512130致謝 46

主要符號說明項目符號單位平均壓強PmmmHg平均溫度Tm℃流量氣相VSKmol/s液相LSm3/s實際塔板數(shù)N塊板間距HTm塔的有效高度Zm塔徑Dm空塔氣速um/s堰長lwm堰高hwm溢流堰寬度wdm管底與受液盤距離h0m板上清液層高度hlm孔徑d0mm孔間距tmm孔數(shù)n個開孔面積Aam2篩孔氣速u0m/s塔板壓降hpKPa液體在降液管中停留時間S降液管內(nèi)清液高度Hdm霧沫夾帶kg液/kg氣氣相最大負荷LS,maxm3/s液相最大負荷LS,maxm3/s引言粗苯是煤煉焦過程的副產(chǎn)品，其中含有苯、甲苯、二甲苯等工業(yè)原料和大量雜質(zhì)，粗苯精制就是通過物理或化學方法去除這些雜質(zhì)，得到高純度的苯類產(chǎn)品的過程。我國傳統(tǒng)的粗苯精制的方法是酸洗法，由于酸洗精制法工藝簡單，該法在我國焦化廠得到廣泛應用。焦化粗苯加工和分離是一個極其復雜的工藝過程，粗苯中除含有苯、甲苯、二甲苯等主要成分外，可定量的其余組分就有九十多種。焦化粗苯經(jīng)初步預精餾得到的輕苯餾分中含有的不飽和化合物及硫化物的沸點與苯、甲苯的沸點相差很小，不能通過精餾法進行分離。當前脫除不飽和化合物及硫化物的主要方法有硫酸精制法和催化加氫精制法。硫酸精制法的優(yōu)點是試劑便宜、過程設備簡單和操作方便等，在早期的國內(nèi)外焦化粗苯加工中應用十分廣泛，工藝比較成熟。酸洗法就是混合餾分（BTX）用含量為93%~95%的硫酸洗滌時不飽和化合物及硫化物發(fā)生化學反應，生成復雜的產(chǎn)物。不飽和烴在硫酸作用下發(fā)生聚合反應，生成酸式酯，此反應還可以深度進行，生成三聚物和和深度聚合物。聚合物呈現(xiàn)黑褐色，簡稱酸焦油，密度較大，可從混合物中分離。噻吩能與硫酸發(fā)生磺化反應，但是苯，甲苯，二甲苯的磺化反映速率很慢。同時噻吩還能與其他不飽和化合物反應生成穩(wěn)定的烷基化噻吩，其沸點畢本的沸點高60~70℃。噻吩主要集中在苯餾分中，其中不飽和化合物較少，故其中噻吩很難除去。這時可以對苯、甲苯、二甲苯的混合餾分進行酸洗，其中不飽和化合物的含量為4%~1設計總論1.1概述粗苯精制的生產(chǎn)工藝，是以粗苯為原料，經(jīng)化學加工轉(zhuǎn)換為氣體，液體和固體產(chǎn)物，并將氣體和液體產(chǎn)物進一步加工成一系列化學產(chǎn)品的過程。目前粗苯精制的方法主要有酸洗精制法和加氫精制法。酸洗精制法工藝簡單，但有液體廢物產(chǎn)生。該法在我國焦化廠得到廣泛應用。加氫精制法工藝復雜，對設備材質(zhì)和自動控制要求高，所得產(chǎn)品質(zhì)量好，沒有液體廢物產(chǎn)生，有利于環(huán)境保護。該法在我國也得到了應用。1.1.1粗苯的主要組分及性質(zhì)粗苯中的苯、甲苯和二甲苯含量約占90%以上，是粗苯精制的主要產(chǎn)品。此外，還有不飽和化合物及少量含硫、氮、氧的化合物。苯類產(chǎn)品是易流動，幾乎不溶于水，而溶于乙醇、乙醚等多種有機溶劑的無色透明液體，極易燃燒，其蒸汽與空氣能形成爆炸性混合物。粗苯中所含的不飽和化合物的含量主要取決于炭化溫度，溫度越高，不飽和化合物的含量就越低。不飽和化合物在粗苯餾分中的分布不均勻。粗苯中所含的不飽和化合物主要是帶有一個或兩個雙鍵的環(huán)烯烴和直鏈烯烴，它們、極易聚合，易和空氣中的氧形成深褐色的樹脂狀物質(zhì)，并能溶于苯內(nèi)產(chǎn)品，使之變成棕色。故在生成過程中，需將不飽和化合物除去。粗苯中的硫化物主要是二硫化碳、噻吩及其同系物。此外還有硫醇、硫化氫等，但含量一般很少。硫化氫在粗苯儲存過程中，逐漸被氧化成單體硫。硫化物在粗苯精制過程中作為有害雜質(zhì)脫除。粗苯中尚含有吡啶堿類和酚類，因含量甚少，不作為產(chǎn)品提取。1.1.2粗苯精制產(chǎn)品及用途為了得到合格的苯類產(chǎn)品，首先將粗苯分離為輕苯和重苯。苯、甲苯、二甲苯的絕大部分、硫化物的大部分和近一半的不飽和化合物則集中于輕苯中。苯乙烯、古馬隆及茚等高沸點不飽和化合物則集中于重苯中。輕苯和重苯需分別加工。本次設計中是利用粗苯中分離出來的輕苯進行加工，最終得到所需產(chǎn)品。苯的最大用途是作為生產(chǎn)苯乙烯的單體原料。環(huán)已烷和苯酚也是苯重要消費領域。此外，苯也是染料、塑料、合成橡膠、合成樹脂、合成纖維、合成藥物和農(nóng)藥等的重要原料，也是涂料、橡膠、膠水等的溶劑，也可以作為燃料。甲苯用于制造糖精、染料、藥物和炸藥等，并用作溶劑。二甲苯廣泛用于有機溶劑和合成醫(yī)藥、涂料、樹脂、染料、炸藥和農(nóng)藥等。精制在145-180℃范圍內(nèi)餾出的混合產(chǎn)品稱為溶劑油。溶劑油主要用作油漆和顏料工業(yè)中的溶劑。溶劑油經(jīng)分離所得的二甲苯同分異構(gòu)體及三甲苯同分異構(gòu)體可分別用于生產(chǎn)樹脂、染料和藥物。以粗苯的初餾分為原料，經(jīng)熱餾和熱聚合得二聚環(huán)戊二烯，可用于制取單體環(huán)戊二烯。二聚物和單體物可制取合成樹脂、農(nóng)藥、香料和殺菌劑。古馬隆和茚制取的樹脂可用于制造油漆、塑料和絕緣材料。苯乙烯經(jīng)過聚合可制成用于生產(chǎn)絕緣材料的無色樹脂。二硫化碳可用作溶劑、硫化促進劑，還可用以生產(chǎn)農(nóng)藥和磺酸鹽。噻吩可用于生產(chǎn)染料、醫(yī)藥、耐急冷急熱塑料、高活性溶劑、生物活化物質(zhì)、增亮劑及化妝品等。1.1.3粗苯精制的意義資源、環(huán)境和人口是當前困擾人類社會發(fā)展的三大突出問題，這三大問題與能源都有密切關系。能源本身就是資源，而且是重要的資源；能源大量和非潔凈的消費造成了環(huán)境的破壞；人口的增長勢必增加對能源的需求。我國是一個煤炭儲量豐富而石油和天然氣相對貧乏的國家。迄今為止，我國能源一直是以煤為主的多元化結(jié)構(gòu)。預計在今后相當長的一段時間內(nèi)，這一格局也不會改變。利用我國豐富的煤炭資源，實施“以煤造油”和“以煤代油”是優(yōu)化終端能源，實現(xiàn)石油供應多元化和保證能源安全的重大決策，符合我國國情和可持續(xù)發(fā)展的需要。而粗苯是煤造油中主要的附屬產(chǎn)品。因此粗苯的精制具有重要的意義。1.2文獻綜述粗苯精制的方法是根據(jù)苯的組成、性質(zhì)、產(chǎn)品的品種和質(zhì)量要求而制定的。粗苯的主要成分苯、甲苯、二甲苯等由于相鄰的二組分之間的沸點溫度相差較大，可用精餾方法進行分離。而有些不飽和化合物及硫化物的沸點與苯類產(chǎn)品之間的沸點溫度相差很小，不能用精餾的方法把它們分開，要用化學的方法分離。按除去不飽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氫精制法。酸洗精制法具有工藝流程簡單、操作靈活、設備投資少、材料易得，常溫、常壓下運行，但有液體廢物產(chǎn)生。該法在中國焦化廠廣泛采用。加氫精制法工藝復雜，對設備材質(zhì)要求較高所得產(chǎn)品質(zhì)量好，用途廣，售價較高，沒有液體廢物產(chǎn)生，有利于環(huán)境保護，宜在粗苯集中加工廠采用。該法在中國焦化廠也有采用?？紤]到酸洗精制法的優(yōu)點，本次設計采用酸洗精制法提取苯類產(chǎn)品。1.3設計任務的依據(jù)對混合餾分進行酸洗凈化的工藝操作，不僅要求盡可能除去其中所含的硫化物和不飽和化合物，而且要求硫酸含量低、苯族烴損失小，并使反應盡量向形成能溶解于已洗混合餾分中的聚合物方向進行。為此，應對下列因素加以控制：1.3.1反應溫度噻吩與不飽和化合物反應的活化能比苯族烴與不飽和化合物反應的活化能小。因此，反應控制在35-45℃比較低的溫度，即保證了噻吩的凈化效果，又減少了苯族烴因磺化反應及與不飽和化合物的共聚反應而引起的損失。酸洗反應是放熱反應，其放出的熱量取決于未洗混合餾分中不飽和化合物的含量及組成。考慮到酸洗過程的熱效應，未洗混合餾分溫度可取為25~30℃。1.3.2硫酸濃度硫酸濃度的影響可用酸洗甲苯和二甲苯混合物的試驗數(shù)據(jù)說明：隨著硫酸濃度的增加，苯族烴與不飽和化合物的共聚反應與磺化反應加劇。但與共聚反應相比，磺化反應僅屬于從屬地位。在實際生產(chǎn)中，應根據(jù)輕苯的組成和質(zhì)量來確定適宜的硫酸濃度。通常采用硫酸為93wt%-95wt%，耗量為5%。1.3.3酸化反應時間延長反應時間，可改善洗滌效果，但同時會加劇磺化反應，增加酸焦油的生成量及苯族烴的損失。尤其對酸焦油的生成量顯著。一般反應時間為10min左右。組成（質(zhì)量含量）：初餾分1%；苯75%；甲苯13.9%；二甲苯3.3%；溶劑油6.8%。純苯產(chǎn)品組成（質(zhì)量含量）：苯99.5%；甲苯<0.5%。純苯殘油組成（質(zhì)量含量）：苯<0.5%。1.4主要原材料及公用工程情況主要原材料為粗苯。粗苯是煤熱解生成的粗煤氣中的產(chǎn)物之一,經(jīng)脫氨后的焦爐煤氣中含有苯系化合物，其中以苯含量為主，稱之為粗苯。粗苯主要含苯、甲苯、二甲苯和三甲苯等芳香烴。此為還含有不飽和化合物、硫化物、飽和烴、酚類和吡啶堿類。粗苯的組成取決于煉焦配煤的組成及煉焦產(chǎn)物在碳化室類熱解的程度。粗苯使黃色透明液體，比水輕微溶于水。在儲存時，由于低沸點不飽和化合物氧化和聚合所形成的樹脂狀物質(zhì)能溶解于粗苯中，使其著色變暗。粗苯易燃，閃點為12℃。粗苯蒸汽在空氣中的體積濃度為1.4%-7.5%時，能形成爆炸性混合物。粗苯主要用于深加工制苯、甲苯、二甲苯等產(chǎn)品，苯、甲苯、二甲苯都是寶貴的基本有機化工原料。2生產(chǎn)流程確定粗苯精制主要有兩種方法：一種是加氫精制，另一種時酸洗精制。加氫精制發(fā)工藝復雜，對設備材質(zhì)和自動控制要求高。因此，此次設計采用第二種方法，即酸洗精制。在酸洗精制法中，輕苯需先經(jīng)初步精餾，把初餾分與苯、甲苯和二甲苯的混合餾分分離開來，然后對混合餾分進行凈化處理。經(jīng)過凈化的混合餾分用堿中和后，在進行最終精餾，以制取各類產(chǎn)品。3生產(chǎn)流程說明輕苯在儲槽中靜止脫水后，用原料泵送入初餾塔進行精餾，由塔頂逸出的初餾分蒸汽經(jīng)冷凝冷卻、油水分離后分為兩部分，一部分作為產(chǎn)品采出，另一部分用作回流。塔底排出的混合餾分經(jīng)冷卻器自流至中間槽，作為硫酸洗滌的原料。輕苯初餾得到的未洗混合餾分先經(jīng)預熱，然后與連洗泵前連續(xù)加入的濃硫酸混合，經(jīng)泵送往混合器。液體在泵和混合器類呈現(xiàn)充分的湍流狀態(tài)，以進行酸洗反應。液體在混合器內(nèi)停留1min后，送入酸洗反應器內(nèi)進一步反應。酸洗反應器后的混合餾分及硫酸進入加水混合器，連續(xù)加入占未洗混合餾分質(zhì)量3%-4%的水以停止反應并產(chǎn)生了再生酸。然后在酸油分離器中停留約1h，經(jīng)澄清分離后，再生酸和酸焦油沉積下來，混合餾分由酸油分離器上部排至堿油混合器，再堿油混合器前連續(xù)加入質(zhì)量濃度為12%-16%的堿液進行中和，使已洗混合餾分呈弱堿性。帶微堿性的已洗混合餾分首先進行吹苯（簡單蒸吹），然后對吹出苯（苯族烴混合物）進行最終精餾。吹出苯經(jīng)開停工槽用泵連續(xù)送入純苯塔，塔頂苯蒸汽經(jīng)冷凝冷卻、油水分離后，一部分用苯送至塔頂作回流，其余作產(chǎn)品采出。塔底純苯殘油用熱油泵送至甲苯塔，塔頂甲苯蒸汽經(jīng)冷凝冷卻、油水分離后，一部分用泵送至塔頂作回流，其余作產(chǎn)品采出。塔底甲苯殘油同樣用熱油泵送至二甲苯塔，塔頂二甲苯汽經(jīng)冷凝冷卻、油水分離后，一部分用泵送至塔頂作回流，其余作產(chǎn)品采出，塔底二甲苯殘油經(jīng)冷卻后入二甲苯殘油貯槽。4物料衡算4.1初餾塔物料衡算原料：處理量F=100組成：序號12345組分初餾分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣0.010.750.1390.0330.068初餾分組成：序號12345組分二硫化碳環(huán)戊二烯二聚環(huán)戊二烯其它不飽和化合物苯飽和化合物0.350.20.250.150.05精餾出塔初餾分為1.2%在下面計算中以序號代表組分，根據(jù)題意1號關鍵組分（初餾分）為輕關鍵組分。2號組分（苯）為重關鍵組分。有精餾塔初餾分為1.2%可知，在精餾后初餾分完全為塔頂產(chǎn)品。塔頂產(chǎn)品中苯的流量：=1001.2%1.5%=0.18塔底產(chǎn)品中苯的流量為：=-=10075%-0.18=74.82對于清晰分割，即：比重關鍵組分還重的組分在塔頂產(chǎn)品不出現(xiàn)，比輕關鍵組分還輕的組分在塔底產(chǎn)品中不出現(xiàn)，故對全塔作各組分的物料衡算。即：各組分在兩產(chǎn)品中組成分別為：及

計算結(jié)果如下表：組分1234517513.93.36.810010.180001.180.8470.1530001.00074.8213.93.36.898.9700.7570.1410.0330.0691.004.2酸洗反應器物料衡算取初餾塔出來的溶劑油及殘渣成分：噻吩0.5%，不飽和化合物2%。溶劑油及殘渣流量為：6.8其中噻吩流量為：6.80.5%=0.034不飽和化合物流量為：6.82%=0.136經(jīng)酸洗后余噻吩0.11%，流量為：6.80.11%=0.00748余不飽和化合物0.11%，流量為：6.80.11%=0.00748噻吩反應速率為：0.034-0.00748=0.02652不飽和化合物反應速率為：0.136-0.00748=0.12852所以共余溶劑油及殘渣流量為：6.8-0.02652-0.12852=6.64496計算結(jié)果如下：序號1234組成苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣質(zhì)量74.8213.93.36.6449698.664960.7580.1420.0330.0671.0004.3吹苯塔物料衡算因為BTX產(chǎn)率為97.5%，殘渣產(chǎn)率為2.5%。則由上表可列新表得：序號12組分BTX溶劑油及殘渣流量92.026.6449698.664960.9330.0671.00按清晰分割計算在下面計算中以序號代表組分，根據(jù)題意1號關鍵組分（BTX）為輕關鍵組分，2號組分（溶劑油及殘渣）為重關鍵組分。塔頂產(chǎn)品中BTX流量為：=92.0297.5%=89.72。塔底產(chǎn)品中BTX流量為：=-=92.02-89.72=2.3。塔底產(chǎn)品中殘渣流量為：=6.644960.025=0.166。塔頂產(chǎn)品中殘渣流量為：=-=6.64496-0.166=6.48。對于清晰分割，即：比重關鍵組分還重的組分在塔頂產(chǎn)品不出現(xiàn)，比輕關鍵組分還輕的組分在塔底產(chǎn)品中不出現(xiàn)，故對全塔作各組分的物料衡算。即：各組分在兩產(chǎn)品中組成分別為：及計算結(jié)果如下：組成BTX溶劑油及殘渣92.026.6449698.6649689.726.4896.20.9330.0671.002.30.1662.4660.9330.0671.00BTX組成序號123組分苯甲苯二甲苯0.8200.1500.0301.000吹苯塔塔頂初餾分組成。即：純苯塔進料成分如下：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣74.8213.93.36.6449698.6649673.570413.4582.693166.4896.201560.7650.1400.0280.0671.0004.4純苯塔物料衡算計算得純苯塔進料組成及查得有關數(shù)據(jù)如下：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣0.7650.1400.0260.0671.0014.485.822.41其中F=96.20156。在下面計算中以序號代表組分，根據(jù)題意1號關鍵組分（苯）為輕關鍵組分。2號組分（甲苯）為重關鍵組分。其中純苯產(chǎn)品組成為：苯>99.5%甲苯<0.5%，殘油組成中：苯<0.5%。塔頂產(chǎn)品中苯流量為：=96.201560.7650.995=73.2025塔底產(chǎn)品中苯流量為：=-=96.201560.765-73.2025=0.3679塔頂產(chǎn)品中甲苯流量為：=96.201560.1400.005=0。0673塔底產(chǎn)品中甲苯流量為：=96.201560.140-0.0673=13.3907非清晰分割的初餾分流量在兩產(chǎn)品中的組成由上面計算可得：=將有關數(shù)據(jù)代入式：得：對于組分3（二甲苯）可求：則=0.0027其它各組分的值列于下表：產(chǎn)品中各組分流量和可根據(jù)分配比和物料衡算求得，計算結(jié)果亦列于下表，以苯為例計算如下：=198.97F=D+W=96.201560.765=73.5704t/h聯(lián)立上式解得：=73.20256=0.3679序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣73.570413.4582.693166.4896.2015614.485.822.41198.970.0050.0002773.20250.06730.0007073.27050.99910.0009001.00000.0367913.39172.69246.4822.9320.01600.58400.1170.2831.00004.4.1純苯塔產(chǎn)品產(chǎn)量核算年產(chǎn)苯3萬噸，一年按300天計算,則每小時苯產(chǎn)量為：則由塔頂產(chǎn)品與塔底產(chǎn)品成比例得：代入數(shù)據(jù)得：可求得：=0.0210同理可求得純苯塔中其它成分流量及組成如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣4.1910.77030.15360.37144.170.0038004.17380.99910.0009001.00000.02100.76650.15360.37141.31250.0160.5840.1170.2831.00004.4.2吹苯塔產(chǎn)品產(chǎn)量核算同理,可求得吹苯塔進料流量及組成。結(jié)果如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣4.26220.79560.18820.32555.57154.1910.77030.15360.31745.43230.77150.14180.02830.05841.00000.07120.02530.03460.00810.13920.51150.18170.24860.05821.0000所以BTX總流量為5.246，占94.16%。溶劑油及殘渣流量為0.3255，占5.84%。由吹苯塔塔頂BTX產(chǎn)率為97.5%，塔底殘渣產(chǎn)率為2.5%。則由此可求得吹苯塔進料量流量及組成如下表：序號12組成BTX溶劑油及殘渣5.3810.3345.7155.2460.32555.57150.94160.05841.00000.1350.00850.14350.94080.05921.0000

由最初吹苯塔進料可知。BTX組成如下：序號123組分苯甲苯二甲苯0.8310.1510.0361.000吹苯塔出料BTX組成如下：序號123組分苯甲苯二甲苯0.820.150.031.000則吹苯塔進料量，即：酸洗塔出料量及組成如下：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣4.3740.8130.1940.3345.7154.26220.79560.18820.32555.57150.7650.1430.0340.0581.0004.4.3酸洗塔產(chǎn)品產(chǎn)量核算在酸洗反應器中進行核算：設：進入酸洗塔之前，溶劑及殘渣的流率為x。其中含噻吩0.5%，含不飽和化合物2%。經(jīng)酸洗后余噻吩0.11%，余不飽和化合物0.11%。則由上述可列質(zhì)量守恒方程：解得x=0.342所以酸洗塔進料，即初餾塔出料塔底產(chǎn)品組成如下：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣流量4.3740.8130.1940.3425.7230.7640.1420.0340.0601.00

4.4.4初餾塔產(chǎn)品產(chǎn)量核算由以上數(shù)據(jù)可求得初餾塔進料量，組成及各組分含量如下表：序號12345組成初餾分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣0.0624.3850.8130.1940.3425.7960.0110.7570.1400.0330.0591.0000.0620.0110000.0730.850.150001.00004.3750.8130.1940.3425.72300.7640.1420.0340.0601.000所以由上可知，每年欲得3萬噸苯，則：輕苯的進料量及組成如下：F=5.796序號12345組成初餾分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣0.0110.7570.1400.0330.0591.0004.5甲苯塔物料衡算在此進料時，純苯塔塔底出料量及組成，即：甲苯塔進料量如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣0.02100．76650．15360．37141．31250.01600.58400.1170.2831.0000甲苯塔在110℃時各組分相對揮發(fā)度如下：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油11.735.292.31

即：甲苯塔進料量組成相關數(shù)據(jù)如下表:序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣0.02100.76650.15360.37141.31250.01600.58400.1170.2831.0000平均相對揮發(fā)度11.735.292.31其中塔頂甲苯收率大于99.2%，二甲苯含量小于0.6%。在下面計算中以序號代表組分，根據(jù)題意2號關鍵組分（甲苯）為輕關鍵組分，3號組分（二甲苯）為重關鍵組分。塔頂產(chǎn)品中甲苯流量為：塔底產(chǎn)品中甲苯流量為：塔頂產(chǎn)品中二甲苯流量為：塔底產(chǎn)品中二甲苯流量為：非清晰分割的餾出液流量及各組分在兩產(chǎn)品中的組成由上面計算可得：=將有關數(shù)據(jù)代入式得：則=1698243.6其它各組分列于下表：產(chǎn)品中各組分流量和可根據(jù)分配比和物料衡算求得，計算結(jié)果亦列于下表：下面以苯為例，計算如下：苯=1698243.6F苯=D苯+W苯=1.31250.0160=0.0210則D=0.0210序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣0.02100.76650.15360.37141.312511.735.292.311698243.6124.660.00590.02100.76040.016200.79760.02630.95370.020001.00000.00610.15270.37140.530200.01150.28800.70051.00004.6二甲苯塔物料衡算二甲苯塔在145℃時各組分相對揮發(fā)度如下表：序號123組分甲苯二甲苯溶劑油及殘渣平均相對揮發(fā)度5.722.21即：二甲苯塔進料組成相關數(shù)據(jù)如下表：序號123組分甲苯二甲苯溶劑油及殘渣0.00610.15270.37140.5302質(zhì)量分數(shù)0.01150.28800.70051.00005.722.21其中塔頂二甲苯收率大于99%，殘渣含量小于0.8%。在下面計算中，以序號代表組分，根據(jù)實際設計要求，2號關鍵組分（二甲苯）為輕關鍵組分，3號組分（溶劑油及殘渣）為重關鍵組分。塔頂產(chǎn)品中二甲苯流量為：t/h塔底產(chǎn)品中二甲苯流為：t/h塔頂產(chǎn)品中溶劑油及殘渣流量為：t/h塔底產(chǎn)品中溶劑油及渣：t/h非清晰分割的餾出液流量及各組分在兩產(chǎn)品中的組分由上面計算可得：將有關數(shù)據(jù)代入式：得：對于組分1(甲苯)可求得則=742.25其它各組分列于下表：產(chǎn)品中各組分流量和可根據(jù)分配比和物料衡算求得，計算結(jié)果亦列于下表：以甲苯為例，計算如下：=742.25F甲苯=D甲苯+W甲苯=0.53020.0115=0.0061聯(lián)立上式解得：D=0.0061序號123組分甲苯二甲苯溶劑油及殘渣0.00610.15270.37140.53025.722.21742.25100.80.00080.00610.15120.00300.16030.03810.94320.01871.00000.00150.36840.369900.0040.9961.00005能量衡算因數(shù)據(jù)不全無法計算。6塔設備計算6.1吹苯塔計算6.1.1吹苯塔塔徑的計算吹苯塔實際上只是一個閃蒸塔，由物料衡算可得吹苯塔中原料液中氣相和液相產(chǎn)品質(zhì)量流量及組成如下：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣4.26220.79560.18820.32555.57154.1910.77030.15360.31745.43230.76390.14040.02800.06771.00000.07120.02530.03460.00810.13920.51150.18170.24860.05821.0000查《化學工程手冊》得各組分相對分子量如下表：經(jīng)單位換算后結(jié)果亦如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣7892106108895.5139.524.1748.83110871.225.334.68.1139.2

由設計條件可知氣體，液體均可按常況下計算，查得各組分密度如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣8798678801030由于物料在吹苯塔中共閃蒸5分鐘，以苯為例計算則5分鐘內(nèi)共流過苯的體積為：其余各組分計算結(jié)果如下表：對氣相來說，可按標況下進行計算，以苯為例。則5分鐘內(nèi)共流過氣相苯的體積為：其余各組分計算結(jié)果亦如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣100.29615.6242.7075.469124.0960.0070.0020.0030.0010.013所以5分鐘流過氣相液相總體積，即：閃蒸塔的總體積為：取閃蒸塔直徑D=2.4m6.1.2吹苯塔塔高的計算由則閃蒸塔塔高為：m6.2純苯塔的計算6.2.1回流比的計算對于純苯塔進料，出料流量及組成如下：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣4.1910.77030.15360.37145.48364.170.0038004.17380.02100.76650.15360.37141.3125純苯塔塔頂溫度℃。純苯塔塔底溫度124~128℃。則查得各物質(zhì)相對揮發(fā)度及相對分子量如下表：經(jīng)單位換算結(jié)果亦如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣789210610853.738.371.453.4466.990.8020.1250.0220.0511.00053.460.040053.50.99930.0007001.0000.278.331.453.4413.490.020.6170.1080.2551.00014.485.822.41取q=3.7則可由恩德伍德公式估算[2]最小回流比。先用試差法求下式中的值：當=6時

計算結(jié)果表明，初設值偏小，再設若干個值。計算結(jié)果列于下表：假設的值66.16.00016.000005-2.69708-1.23669-2.69482-2.69697由以上數(shù)據(jù)可知=6.000005 最小回流比有下式計算，即：則R=1.5=1.50.68=1.026.2.2塔板層數(shù)的確定最小理論板層數(shù)由芬斯克方程式[2]計算，即：理論板層數(shù)：由吉利蘭圖[2]查得解得N=22.46（不包括再沸器）精餾段理論板層數(shù)用及代入芬斯克方程[2]便可求得精餾段所需最小理論板層數(shù)。即：由于不變，則縱坐標讀數(shù)亦不變，即：解得=12.31故加料板為從塔頂往下數(shù)第13層理論板，故精餾段塔板數(shù)為13層，提餾段塔板數(shù)為11層。

6.3精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算6.3.1操作壓力計算塔頂操作壓力：KPa每層塔板壓降：=0.7KPa進料板壓力：KPa精餾段平均壓力：KPa6.3.2操作溫度計算依據(jù)操作壓力計算操作溫度，結(jié)果如下：塔頂溫度：℃進料板溫度：℃精餾段平均溫度：℃6.3.3平均摩爾質(zhì)量的計算塔頂平均摩爾質(zhì)量的計算：查的數(shù)據(jù)及液相摩爾分率如下表：用計算液相分率，以苯為例：結(jié)果亦如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣2.4910.410.170.99930.0007001.00000.99970.0007001.00046.3.4進料板平均摩爾質(zhì)量計算氣相，液相分率計算：

方法同計算塔頂?shù)姆致史椒ǎ嬎憬Y(jié)果如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣78921061082.4910.410.170.8020.1250.0220.0511.0000.9100.1250.0090.0091.053精餾段平均摩爾質(zhì)量：6.3.5平均密度計算氣液平均密度計算：由理想氣體狀態(tài)方程計算，即：塔頂液相平均密度的計算：由℃查手冊得：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣712.5722.5733.3856.7進料板液相平均密度的計算：

由℃，查手冊得：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣657.7666.9676.9790.8進料板的質(zhì)量分率如下表:序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣4.1910.77030.15360.37145.48630.76390.14040.02800.06771.000解之得：精餾段液相平均密度為：6.3.6液體平均表面張力計算液相平均表面張力依下式計算，即：塔頂液相平均表面張力的計算：℃，查手冊得各組分表面張力如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣21.221.722.231mN/cm進料板液相平均表面張力的計算：由℃查手冊的各組分表面張力如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣17.618.519.628.9mN/cm精餾段液相平均表面張力為：mN/cm6.3.7液相平均粘度的計算塔頂液體平均粘度依下式計算：即：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣0.99930.000700由℃查手冊得各組分粘度如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣0.3180.3180.3262.25解出：進料板液體平均粘度的計算：由℃查手冊得各組分粘度如下表：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣0.250.250.2621．5解出：精餾段液相平均粘度為：6.4精餾塔的塔體工藝尺寸計算6.4.1塔徑計算精餾段的氣，液相的體積流率為：由式中C由式計算其中的由史密斯關聯(lián)圖查取[2]，圖中的橫坐標為：取板間距，板上液層高度。則：查史密斯關聯(lián)圖[2]，得：=0.075取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為：按標準塔徑圓整后為D=1.1m塔截面積為：實際空塔氣速為：6.4.2精餾塔有效高度得計算精餾塔有效高度為：提餾段有效高度為：在進料板上方開一個人孔，其高度為0.8m故精餾塔得有效高度為：6.5塔板主要工藝尺寸的計算6.5.1溢流裝置計算因為塔徑D=1.1m，可選用單溢流弓形降液管采用凹形受液盤，各項計算如下：（1）堰長（）取=0.66D=0.661.1=0.726m（2）溢流堰高度（）：由選用平直堰，堰上液層高度可用佛蘭西斯公式[2]計算，即：E值可由液流收縮系數(shù)計算圖[2]查取，圖中橫坐標為：查得E=1.03，所以取板上清液層高度為故：（3）弓形降液管寬度和截面積由=0.66查弓形降液管的參數(shù)圖[2]得:故依式驗液體在降液管中停留時間。即：故降液管設計合理。（4）降液管底隙高度：取則故降液管底隙高度設計合理。選用凹形受液盤，深度6.5.2塔板布置（1）塔板的分塊：因為。故塔板采用分塊式，查塔板分塊數(shù)表[2]得塔板分為3塊。（2）邊緣區(qū)寬度的確定：取（3）開孔區(qū)面積計算：開孔區(qū)面積按下式計算，即：其中故（4）篩孔計算及其排列：本設計所處理的物系無腐蝕性，可選用mm碳鋼板。取mm。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為：mm。篩孔數(shù)目n為：6.6篩板的流體力學驗算：6.6.1塔板壓：（1）干板阻力的計算：干板阻力可由下式計算，即：由查干篩孔的流量系數(shù)圖[2]得：故液柱（2）氣體通過液層的阻力計算：氣體通過液層的阻力可由下式計算：查充氣系數(shù)關聯(lián)圖[2]，得：。故液柱（3）液體表面張力的阻力計算：液體表面張力所產(chǎn)生的阻力可由下式計算，即：液柱氣體通過每層塔板的液柱高度可按下式計算：液柱氣體通過每層塔板的壓降為：KPa(設計允劉值)6.6.2液面落差對于篩板塔液面落差很小且本設計的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。6.6.3液沫夾帶液沫夾帶量由下式計算，即：故在本設計中液沫夾帶量在允劉范圍內(nèi)。6.6.4漏液對篩板塔取漏液量10%時的氣相動能因子，則：實際孔速穩(wěn)定系數(shù)為：故無明顯漏液。6.6.5液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛降液管內(nèi)液層高應服從下式，即：苯-甲苯-二甲苯-溶劑油及殘渣系屬一般物系，取。則而，板上不設進口堰，可由下式計算，即：液柱液柱故在本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。6.7塔板負荷性能圖6.7.1漏液線由得：在操作范圍內(nèi)，任取幾個依上式計算出值，計算結(jié)果列于下表：0.00060.00150.00300.00450.3170.3270.3400.350由上表數(shù)據(jù)可做出漏液線1。6.7.2液沫夾帶線以為限，求關系如下：由m故：在操作范圍內(nèi)，任取幾個依上式計算出值，計算結(jié)果列于下表：0.00060.00150.00300.00451.6471.5691.4681.384由上表數(shù)據(jù)即可做出液沫夾帶線2。6.7.3液相負荷下限線對平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準由弗蘭西斯公式[2]可得：因為：E=1.03則：據(jù)此可做出與氣體流量無關垂直液相負荷下限線3。6.7.4液相負荷上限線以作為液體在降液管中停留時間得下限，由下式得：故：據(jù)此可做出與氣體流量無關得垂直液相負荷上限線4。6.7.5液泛線聯(lián)立得：將有關數(shù)據(jù)代入得：由即：在操作范圍內(nèi)，任取幾個依上式計算出值，計算結(jié)果列于下表：0.00060.00150.00300.00451.3401.2581.1321.008由上表數(shù)據(jù)即可做出液泛線5。根據(jù)以上各線方程，可做出篩板塔負荷性能圖；如下：精餾段塔板負荷性能圖在負荷性能圖上，做出操作點A連接OA，即做出操作線。由圖可知，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制，由圖查得：故操作彈性為：

所設計篩板得主要結(jié)果匯總于下表：篩板塔設計計算結(jié)果序號項目數(shù)值1平均溫度℃95.252平均壓力KPa140．853氣相流量0.654液相流量0.00175實際塔板數(shù)246有效高度，m9.67塔徑，m1.18板間距，m0.49溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長，m0.72612堰高，m0.04813板上液層高度，m0.0614堰上液層高度，m0.01215降液管底隙高度，m0.02916安定區(qū)寬度,m0.0717邊緣區(qū)寬度，m0.0518開孔區(qū)面積0.66919篩孔直徑,m0.00520篩孔數(shù)目358921孔中心距，m0.01522開孔率，%、10.123空塔氣速m/s0.6824篩孔氣速m/s9.6225穩(wěn)定系數(shù)1.8626每層塔板壓強Pa54827負荷上限液泛控制28負荷下限漏液控制29液沫夾帶，0.00930氣相負荷上限1.1231氣相負荷下限0.32532操作彈性3.4467設備穩(wěn)定性及機械強度校核計算7.1塔高估算n=24塔底液相的平均密度由℃查手冊得：序號1234組分苯甲苯二甲苯溶劑油及殘渣21766.5153.6371.41312.50.0160.5840.1170.2831.000596.3548.2613.7717.01.000停留時間5分鐘，則：將進料所在板的板間距增至0.7m，人孔所在板的板間距增至0.8m，此處在考慮塔頂端及釜液上方的氣液分離空間均取1.5m，裙座取5m，選用兩個標準橢球形封頭高為0.275m，封頭直邊取0.025m。7.2筒體強度計算選用鋼號為Q235-A的鋼板制造精餾塔，則在℃下的劉用應力為：。7.2.1精餾塔壁厚采用雙面對接焊縫100%探傷，則取，又因為雙面腐蝕，取考慮鋼板厚度負偏差及沖壓減薄量，圓整后取厚的Q235-A的鋼板制作精餾塔。7.2.2封頭的選取采用標準橢圓形封頭，雙面對接焊縫，100%探傷設計壁厚按下式計算：考慮鋼板厚度負偏差及沖壓減薄量，圓整后取厚的Q235-A的鋼板制作封頭。所以由上可知，塔體及封頭壁厚均取8mm。校核塔體與封頭水壓試驗強度由下式計算，即：即：水壓試驗滿足要求。7.3塔設備所承受的各種載荷計算7.3.1質(zhì)量載荷注：：塔體和群座質(zhì)量，kg；：內(nèi)件質(zhì)量，kg；：保溫材料質(zhì)量，kg；：平臺、扶梯質(zhì)量，kg；：操作時她內(nèi)物料流量，kg；：入孔、接管、法蘭等附件質(zhì)量，kg；：偏心質(zhì)量，kg；其中：采用籠式扶梯，扶梯長度?。海瑒t：所以：=7942187.3.2風載荷（1）水平風力：其中查得：所以：（2）風彎矩：則：其中各截面如下圖所示：風彎矩計算簡圖設計結(jié)果主要參數(shù)一覽表物料衡算數(shù)據(jù)一覽表初餾塔物料衡算計算結(jié)果序號項目數(shù)值1初餾分t/h12苯t/h753甲苯t/h13.94二甲苯t/h3.35溶劑油及殘渣t/h6.86合計100酸洗反應器物料衡算計算結(jié)果序號項目數(shù)值1苯t/h74.822甲苯t/h13.93二甲苯t/h3.34溶劑油及殘渣t/h6.644965合計98.66496吹苯塔物料衡算計算結(jié)果序號項目數(shù)值1BTXt/h92.022溶劑油及殘渣t/h6.644963