1、毕业设计 第 1 页 一、 总论 1.1 粗苯的组分简介 粗苯是由多种芳烃和其他化合物组成的复杂混合物。粗苯的主要组分是苯、甲苯、二甲苯及三甲苯等。此外，还含有一些不饱和化合物、硫化物及少量的酚类和吡啶碱 类。当用洗油回收煤气中的苯族烃时，在所得粗苯中尚含有少量的洗油轻质馏分。 粗苯中各组分的含量常因配煤质量和组成以及炼焦工艺条件的不同而有较大的波动。 1.2 粗苯的性质 粗苯是淡黄色的透明液体，比水轻，不溶于水。在贮存时，由于轻质不饱和化合物的氧化和聚合所形成的树脂状物质能溶解于粗苯中，使其着色并很快地变暗。 粗苯易燃，闪点为 11.1。 粗苯蒸汽在空气中的浓度在 1.2- 7.0% （体积
2、） 范围 内时，能形成爆炸性混合物。 粗苯是易流动、不溶于水的淡黄色色透明液体混合物，极易燃烧，其蒸汽与空气混合能生成爆炸性混合物。 毕业设计 第 2 页 二、 精制原理与方法选择 2.1 粗苯的质量指标 粗苯的各主要组分均在 180 前馏出， 145-180 的馏出物称为溶剂油。在测定粗苯中各组分的含量和计算产量时，通常将 180 前的馏出量来计算，故以其180 前的馏出量作为鉴别粗苯质量的指标之一。粗苯在 180 前的馏出量取决于粗苯工段的工艺流程和操作制度。 180 前 馏出量越多，粗苯的质量就越好。一般要求粗苯的 180 前馏出量为 93-95%（生产一种粗苯时）。 2.2 粗苯精制的
3、目的 粗苯精制的目的是将粗苯加工成苯、甲苯、二甲苯等产品，这些产品是宝贵的化工原料。 2.3 精制的方法 粗苯精制的方法主要有酸洗精制法和加氢精制法。目前我国焦化厂广泛采用酸洗 精制法，加氢精制法也将得到采用。 2.4 精制原理 粗苯主要是由苯、甲苯、二甲苯和三甲苯等苯族烃所组成，此外，还有不饱和化合物及少量含硫、氮、氧的化合物。粗苯中各组分的含量常因配煤质量和组成以及炼焦工艺条件的不同而有 较大的波动。 粗苯精制的主要产品为苯、甲苯、二甲苯及三甲苯（溶剂油）。为了得到合格的苯类产品，首先需将粗苯分离为轻苯和重苯。苯、甲苯和二甲苯的绝大部分（约 95%以上），硫化物的大部分和近 50% 的不饱
4、和化合物都集中于轻苯中；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。轻苯和重苯须分别进行加工。 轻苯需经初步精馏，把初馏分与苯、甲苯、二甲苯的混合馏分分离开来，然后对混合馏分进行净化处理。经过净化的混合馏分用碱中和，再进行最终精馏，以制取各类产品。 为净化轻苯，首先要尽量清除轻苯中的低沸点不饱和化合物 及硫化物。轻苯中低沸点的二硫化碳、环戊二烯、戊烯等化合物与苯族烃的沸点相差较大，可通毕业设计 第 3 页 过初步精馏加以分离。将原料轻苯连续送入初馏塔系统，由塔顶连续提取初馏分，塔底则连续排出混合馏分送去酸洗。初馏塔底部温度控制在 9095 ，塔底压力低于 0.35公斤。由塔底排出的混
5、合馏分经冷却器冷却至 2535 后，自流入混合馏分中间槽，作为酸洗净化的原料。 轻苯经初步精馏后所得的苯、甲苯，二甲苯的混合馏分中，含有的不饱和化合物及硫化物的沸点与苯类的沸点相差甚小，不能用精馏方法将其分开，因此在提取纯产品之前，需加以净化处理，以 除去其中的不饱和化合物及硫化物。 混合馏分在用浓硫酸洗涤时，其中所含的不饱和化合物及硫化物会生成很复杂的产物。其中呈黑褐色的深度聚合物称为酸焦油，比重较大，可从混合物中分离出来；聚合程度较轻的产物，可溶于混合馏分及硫酸中，在对已洗混合馏分精馏时，可与苯类产品分开。 在酸洗过程中，混合馏分中的吡啶碱类呈硫酸吡啶分离出来，而酚类则在以碱液中和的过程中
6、呈酚盐分离出来。 带微碱性的已洗混合馏分首先需进行吹苯（简单蒸吹），然后对吹出苯（苯族烃混合物）进行最终精馏。大、中型焦化厂的精苯车间按生产规模的不同采用半连续或全 连续精馏系统进行已洗混合馏分的最终精馏 对年处理轻苯 2 万吨以上的精苯车间，可采用连续精馏系统。即以吹出苯为原料一直连续精馏到提取出二甲苯，对于较大规模的精苯车间，还可以从二甲苯残油再提取三甲苯。全连续流程具有产品产率高、质量好、操作简单、投资省、便于自控等优点。 我国大型焦化厂目前采用的全连续精制轻苯的系统主要有两种： 热油连料连续精馏： 是将未经冷却的纯苯残油和甲苯残油直接用热油泵送到下一精馏塔作精馏原料。吹出苯经纯苯塔开停
7、工槽用泵连续送入纯苯塔，塔顶纯苯蒸汽经冷凝冷却、油水分离后，一部分用泵送至塔顶作回 流，其余作产品采出。在各塔正常运转情况下，纯苯残油不经冷却而直接用热油泵送至甲苯塔。甲苯残油同样直接用热油泵送至二甲苯塔。二甲苯残油则经套管冷却器后入二甲苯残油贮槽。 热油连续工艺要求各塔的原料组成、进料量、回流比、蒸汽压力、塔顶温度及塔底液面相对稳定。若三塔中出现一个产品不合格时，须进行大循环重蒸，同时适当减少吹苯塔进料量或停塔，以免造成物料不平衡。 毕业设计 第 4 页 气相串联连续精馏： 目前，国内一些焦化厂已实现了吹苯塔和纯苯塔之间的汽相串联生产，即从吹苯塔出来的吹出苯蒸汽直接进入纯苯塔作为精馏原料，纯
8、苯塔以后仍按热油连料进行连续精馏。 汽相串联精馏操作尚存在一些有待解决的问题，但具有操作稳定简单、设备少及水、电、蒸汽消耗省等优点。 毕业设计 第 5 页 三、 设计题目与要求 3.1 设计题目 五万吨 /年粗苯精制纯苯塔设计 3.2 经过初馏、酸洗、吹苯后原料的组成 序号 1 2 3 4 5 6 组分 初馏分 苯 甲苯 二甲苯 三甲苯 溶剂油 含量 0.01 0.75 0.139 0.033 0.02 0.048 表 3 1 原料组成 序号 1 2 3 4 5 组分 二硫化碳 环戊二烯 不饱和化合物 苯 饱和 化合物 质量分数 35% 20% 25% 15% 5% 表 3-2 其中初馏分组成
9、 3.3 质量要求 要求精苯塔塔顶苯含量大于 99.5%，塔底甲苯含量大于 99.0%（摩尔分数）。 3.4 操作条件确定 操作温度：料液经过预热至 95时进料。 操作压力： 有设计经验知芳烃混合物操作压力一般低于 70KPa，所以选择常压 101.325Kpa 为操作压力。 进料热状况选择：由进料温度及压力确定进料热状况为气液混合进料。 加热剂选择：由给定的条件用 0.4Mpa 的过热蒸汽作为加热剂。 毕业设计 第 6 页 冷却剂：选择循环冷却水作为冷却剂。 四、 全塔的物料衡算 4.1 轻重关键组分的确定 由所给的原料组成及分离要求，按多组分精馏确定关键组分。可分析出挥发度高的苯为轻关键组
10、分，挥发度低的甲苯为重关键组份从塔底馏出。 4.2 摩尔组成计算 此设计按年运行 330 天进行设计，留一个月时间进行规划检修和进行意外检修。 由： n=m/M 得 组分名称 苯 甲苯 二甲苯 三甲苯 溶剂油 分子量 78 92 106 120 - 质量分数 0.75 0.139 0.033 0.02 0.048 摩尔分数 0.8294 0.1382 0.0268 0.0143 - 进料量（ mol） 66.9326 11.1527 2.1628 1.1616 - 表 4 1 物料组成 进料量 = m/330=50000（ 30 24） 0.012784=80.7kmol/h 4.3 塔顶塔底
11、物料组成及塔顶塔底温度确定。 1) K 值的计算 因为操作压力取为标准大气压 101.325kpa，所以可按理想流体计算平衡常数K。 由： 0ipK p和 0lg i BpA TC （安托尼 方程） 毕业设计 第 7 页 由化工热力学附表查出相关参数如下表： 组分 A B C 苯 6.06832 1236.034 -48.99 甲苯 6.05043 1327.62 -55.526 二甲苯 6.09789 1458.076 -60.109 三甲苯 6.1711 1598.241 -65.53 二氧化碳 7.52161 1384.861 74.84 表 4 2 安托尼方程参数 2) 塔顶塔底物料组
12、成的确定 苯 甲苯 二甲苯 三甲苯 Zi 0.8294 0.1382 0.0208 0 fi 66.9326 11.1527 1.6786 0.9966 di 66.5979 0.5476 0 0 Xdi 0.9954 0.0046 0 0 Wi 0.3346 11.0969 1.6786 0.01235 Xwi 0.0256 0.9074 0.1273 0.00937 表 4 3 由上表可知 dhx =0.6% 0.5% wlx =1.8% 1% 均小于规定浓度 值符合要求。 (d/w)i 轻重组分的相对挥发度。 Fi 各组分进料的物质的量 di 塔顶各组分物质的量 wi 塔底各组分物质的量
13、 dhx 塔顶重关键组分的摩尔量 wlx 塔底轻关键组分的摩尔量 3)试差法计算塔顶温度 由气液相间平衡关系式 yi=ki*xi。 及露点方程式 xi=1 进行试差计算。 毕业设计 第 8 页 先按照清晰分割法对塔顶温度和塔底温度进行假设，假设塔顶温度为 353.15K，对切割的组分进行计算。 A B C lgPs/kPa Ps ki 苯 6.06832 1236.034 -48.99 2.0045 101.0549 0.9974 甲苯 6.05043 1327.62 -55.525 1.5897 38.8741 0.3836 二甲苯 6.09789 1458.076 -60.109 1.19
14、88 15.807 0.1568 三甲苯 6.1711 1598.241 -65.32 0.61834 4.0531 0.04049 用试差法计算塔顶温度，设塔顶温度为 353.15K 苯 甲苯 求和 di 66.5979 0.5476 67.1455 ydi 0.9950 0.0050 1 ki 0.9974 0.3836 xi 0.9975 0.00383 1.0005 由试差结果 xi-1 0.01符合要求，故设塔顶温度为 353.15K di 塔顶物质的量 ki 平衡常数 xi 塔顶液相摩尔分数 毕业设计 第 9 页 3) 用试差法计算塔底温度 由气液相间平衡关系式 yi=ki*xi。
15、 及泡点方程式 yi=1 进行试差计算。 假设塔底温度为 376.15K 按理想切割的组成 进行计算。 苯 甲苯 二甲苯 三甲苯 求和 117 Xwi 0.0255 0.8456 0.1279 0.0009 0.9999 Ki 1.2326 1.5713 0.1817 0.5999 Xwi*Ki 0.03143 1.066 0.02324 0.0005 1.1211 105 Xwi 0.0255 0.8456 0.1279 0.0009 Ki 2.0220 1.126 0.3213 0.1132 Xwi*Ki 0.051 0.9522 0.0411 0.000102 1.0400 103 Xw
16、i 0.0255 0.8456 0.1279 0.0009 Ki 2.012 1.062 0.320 0.112 Xwi*Ki 0.051 0.898 0.041 0.0001 0.991 表 4 4 塔底温度计算 由试差结果 yi-1 0.01符合要求，所以塔底设温度 376.15K 正确。 wi 塔底各组分物质的量 Xwi 塔底液相各组分的摩尔分数 Ki 塔底各组分的平衡常数 Xwi*Ki 塔底各组分的气相摩尔分数 4) 按理想清晰分割法确定塔顶塔底产品 分布量 塔顶量： D=69.1313 Kmol/h 塔底量： W=80.70（ 0.1382+0.0268+0.0143） =14.47
17、 Kmol 为避免计算后关键组分浓度超过限度值， dh和 wl 采用的计算浓度值应略 于规定值，分别取规定值的 0.9 倍。 dh=1%0.966.9326=0.6024kmol/h wh=14.47-0.6024=13.8676 kmol/h wl=1%0.914.47=0.1302 kmol/h 毕业设计 第 10 页 dl=66.9326-0.1302=66.8024 kmol/h 所以 ： （ d/w） h=0.6024/13.8676=0.0434 （ d/w） l=66.8024/0.1302 =513.08 5) 求以重关键组分甲苯为对比组分，各组分的平均相对挥发度，用泡点方程
18、计算列表如下： 组分 苯 甲苯 二甲苯 三甲苯 Kdi 0.99979 0.38476 0.13117 0.04075 ihd 2.59843 1 0.34091 0.10591 Kwi 2.82975 1.23258 0.48937 0.18169 ihw 2.29575 1 0.39703 0.14741 ih 2.44241 1 0.36790 0.12495 表 4 5 泡点方程计算 代入汉斯特别克公式，解下列方程 l og( / ) l og( / ) l og / l og l og( / ) l og( / )1.47 6 ( 2.29 8 1.47 6) l og / 0.38
19、 8i h i l hid w d w h lh d w d wh Kdi 塔顶各组分的平衡常数 ih 相对挥发度 kwi 塔底 各组分的平衡常数 ih 代入上式，求出（ d/w） i 进一步求出 di， wi， xDi， xWi。列表如下： 组分 苯 甲苯 二甲苯 三甲苯 求和 aih 2.4424 1 0.3679 0.1249 （ d/w)i 198.584 0.03341 0 0 fi 66.9326 11.1527 2.1628 1.1616 81.4097 di 62.815 0.3994 0 0 63.2143 wi 0.3163 11.9524 2.9778 1.0521 80.7043 xdi 0.9936 0.0063 0 0 1 xwi 0.0281 0.6833 0.1902 0.0901 1 表 4 6 物料横算
