1、120000 吨乙胺装置分离系统工艺设计辛 清 炜 1， 李 强 2 (1.东 北 电 力 大 学 化 学 工 程 学 院 ,吉 林 吉 林 132012; 2.东 北 电 力 大 学 化 学 工 程 学 院 ,吉 林 吉 林132012)摘要：本设计的内容是年产 20000 吨乙胺装置分离系统装置工艺设计，工艺采用连续精馏的方式，使用四个精馏塔，将乙醇和液氨混合加氢精馏成纯度大于 99.5%的乙胺产品。本设计主要对 T103 塔所给的各个组分的质量分数并经过 ASPEN 软件模拟，得出各个塔的理论板数和回流比以及工艺条件，得出本套工艺装置的初步数据。同时完成物料衡算、热量衡算、并对乙胺精馏塔
2、进行严格设备计算。对塔的冷凝器、再沸器、回流罐、接塔管和进料泵进行了详细计算和选型。关键词：乙胺；精馏；ASPEN 软件；工艺设计Process Design of Separation System of 20000t Ethylamine PlantXIN Qing-wei1 ,LI Qiang2(1.Chemical Engineering College, Northeast Dianli University, Jilin Jilin 132012;2.Chemical Engineering College, Northeast Dianli University, Jilin J
3、ilin 132012)Abstract;The present design is 20000 tons per year ethylamine separation system means plant process design, continuous distillation process using manner, using four distillation column, ethanol and ammonia mixing hydrogenation rectification into purity of more than 99.5% of amine product
4、s.The design of the main T103 tower to the various components of the quality score and through the ASPEN software simulation, the theoretical plate of each column and reflux ratio and process conditions, the set of process equipment, the preliminary data. At the same time to complete the material ba
5、lance, heat balance, and the rectification of the column for strict equipment calculation. The calculation and selection of the condenser, the re boiling device, the reflux tank, the connecting pipe and the feed pump of the tower are calculated in detail. And draw the process flow chart of the contr
6、ol point, the material map, equipment layout and piping layout. 2Key Words：Ethylamine；Distillation；ASPEN；Process planning1 绪论乙胺（Ethylamine） ，无色极易挥发液体，有氨的气味，本品高毒，呈碱性具有强烈刺激性 1，能刺激眼、肺、气管、皮肤和排泄系统，能与水、乙醇、乙醚混溶,其蒸气与空气可形成爆炸性的混合物，遇热源和明火都会有燃烧爆炸危险。与氧化剂接触会猛烈反应,其蒸气比空气要重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇到火源会着火回燃。用于生产医药、染料、表面活性剂 2
7、、除草剂、橡胶硫化促进剂和离子交换树脂等。2 生产工艺原理乙醇与氨气，氢气进行催化反应，生成乙胺的生产方法。化学反应方程式： OHC52+ 3N 催 化 剂 25NHC+ O+ 52催 化 剂 + 235252 催 化 剂3 物料衡算物料衡算是化工设计的计算中最基本、最重要内容之一。在解决设计设备尺寸前要定出所处理的物料量。整个过程或其某一步骤中原料、产物、副产物之间的关系可通过物料衡算确定。因此进行工艺设计时，首先要进行物料衡算，物料衡算3物料衡算的理论依据是质量守恒。化工生产基本采用连续化生产，其特点是不间段、稳定的向反应系统或设备投入物料，同时产出相应的物料，设备中某一区域的反应参数（如
8、温度、压力、浓度、流量）不随时间而改变，局部反应条件可以不一致，但总条件不随时间变化。物料衡算采用的是定量的方法，计算出流程中计入与离开每一过程或设备的各物流的数量，组成及各组分的含量。为进行能量衡算，设备选型或工艺设计，确定原料消耗定额等提供依据。依照质量守恒定律可以得到，进入任何过程的物料质量应该等于从该过程离开物料质量与积存于该过程中的物料质量的和。得到物料衡算式：进入系统的物料量=流出系统的物料量+系统内累计的物料量对于连续生产过程，累计=0，此时进=出。根据质量守恒定律，对一个体系内质量流动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则为物料平衡方程 3。物料平衡方程基本表达式为：F0=D+
9、A+ B式中：F0输入体系的物料质量；D离开体系的物料质量；A体系内积累的物料质量；B过程损失的物料质量。由下表数据可知：一乙胺纯度为：99.7%，二乙胺纯度为：99.6% ，三乙胺纯度为 99.5%；一乙胺流量 1526.7kg/h，二乙胺流量 832.7kg/h，三乙胺流量 420.7kg/h。表 1-1 T102 塔顶组成表组分 质量分率 wt% 质量流量 kg/h 摩尔分率% 摩尔流量 kmol/h4乙醇 4.20E-13 6.43E-10 4.11E-13 1.40E-11水 6.45E-13 9.88E-10 1.61E-12 5.48E-11氨气 0.000916556 1.40
10、3368637 0.002424563 0.082402965氢气 0 0 0 0一乙胺 0.997081788 1526.663979 0.996342476 33.86241556二乙胺 0.002001655 3.064797842 0.00123296 0.04190427三乙胺 1.58E-09 2.42E-06 7.03E-10 2.39E-08表 1-2 T103 塔顶组成表组分 质量分率 wt% 质量流量 kg/h 摩尔分率% 摩尔流量 kmol/h乙醇 1.98E-07 0.000165771 3.14E-07 3.60E-06水 1.55E-08 1.29E-05 6.27
11、E-08 7.19E-07氨气 0 0 0 0氢气 0 0 0 0一乙胺 0.003990483 3.336043571 0.006457529 0.07399565二乙胺 0.996009303 832.6637776 0.993542094 11.38481866三乙胺 9.18E-11 7.67E-08 6.62E-11 7.58E-10表 1-3 T104 塔釜组成表5组分 质量分率 wt% 质量流量 kg/h 摩尔分率% 摩尔流量 kmol/h乙醇 0 0 0 0水 0.003457731 1.461675382 0.019107942 0.081135313氨气 0 0 0 0氢气
12、 0 0 0 0一乙胺 3.18E-09 1.34E-06 7.02E-09 2.98E-08二乙胺 0.001239963 0.524165378 0.00168783 0.007166792三乙胺 0.995302303 420.74093 0.97920422 4.157854329一乙胺产量： 年吨 /10/1092472.156akg二乙胺产量： 年吨 /6/5.83k三乙胺产量： 年吨 /30/302947.420akg各项条件均满足设计要求，因此分离工段设计合理4 热量衡算在生产过程中，能量的消耗是非常重要的指标，它可以衡量化工生产、操作方法是否合理。既能稳定成产操作，又能合理利
13、用热量。因此热量衡算是化工设计中很重要的一部分。热量衡算是能量衡算的一种，在能量衡算中占有主要地位。需要进行热量衡算有两种情况：其中一种是对单元设备做热量衡算，当各个单元设备之间没有热量交换时，只需对个别设备做计算；而另一种则是整个过程的热量衡算，当各个工序或者单元操作之间有热量交换的时候，因此必须做热量衡算。6通过对热量衡算，可以得到耗能的指标，比较设计方案，对比先进水平，去寻找存在的问题；为设备的选型和确定尺寸提供了主要依据；更加有利于组织管理，技术革新，降低所需能量4.1 热量衡算应遵循原则物流的焓的基准状态包括物流的基准压强、基准温度、基准相状态，热量衡算的文字表达式为：输入系统的能量
14、=输出系统的能量+系统积累的能量对于连续生产，系统积累的能量为 0，所以有：Q + W = Hout - HinQ系统的换热量，即与加热剂或冷却剂的换热量W输入系统的机械能Hin进入系统的物料的焓Hout离开系统的物料的焓以 T103 为例，进行热量衡算。通过 aspen 模拟得出 T103 的热量横算如下表 1-4 脱氨塔 T101 物料热量数据进料 塔顶 塔底温度 C 124.0437725 91.04595147 114.4037565压力 bar 5 3 47摩尔气化率 0 0 0摩尔流量 kmol/hr 106.1002178 11.45881862 94.64139916质量流量
15、kg/hr 3150.050369 836 2314.050369热焓 Gcal/hr -6.3269487 -0.247007869 -6.108423556由 Aspen 模拟二乙胺塔 T101 设备：塔顶热负荷为：1.87094e07KJ/h=4.47 Gcal/hr，塔釜热负荷为：1.85901e07KJ/h=4.44Gcal/hr，所以 al/hr1.8694Gc.432698.537010得出二乙胺塔 T103 热量达到守恒5 二乙胺塔工艺设计塔设备时化工、炼油生产中的重要设备类型之一。在化工生产中一般所处理的原料都是由多种组分组成的混合物，其中大部分为均相混合物，精馏是分离液体混
16、合物最常用的一种单元操作。在此次分离设计中，涉及了多个分离塔，而其中最为重要的是二乙胺塔T103 设备，它主要分离是二乙胺，该塔分离效果的好坏，直接影响后续乙醇回收塔的回收。而且通过该塔进料组分，可以看出上一塔分离是否彻底。为此我选用此塔作为主要分析计算。它有典型代表作用。塔附件设计，塔体总高度 ,m60,45,154PTFHN，8m2140H,150,m50H40Bd21 ， 2(1) =5.4.87.63.539.7FPTFPDnn6 设备选型（1）对于冷凝器，再沸器，等通过算温差，传热面积，传热管束，管程排列计算分析，并以此作为选型依据（2）对于回流罐的通过冷凝液停留时间以及填充系数，计
17、算罐的容积再进行选型（3）对于泵选型依据，是通过液体输送量、装置扬程、液体性质多个方面考虑之后再进行选择。（4）塔接管选型在乙胺分离装置中，我们需要对 T101 脱氨塔、T102 一乙胺塔、T103 二乙胺塔的塔的进料管、回流管、出料管、蒸汽进料管、蒸汽出料管等进行选型计算，确定各管直径，壁厚。7 结论本设计以乙醇、液氨、氢气为原料，用乙醇氨化法生产乙胺，总产量为 20000 吨/年，分别生产一乙胺 11000 吨/年，二乙胺 6000 吨/ 年，三乙胺 3000 吨/年，对其装置和工艺的设计进行了设计模拟。先对整个工艺精心设计，然后用 Aspen 进行全流程模拟，用 CAD绘制了工艺流程图、
18、车间平立面布置图和管道布置图，用其他化工软件做了塔的设计选型和泵的设计选型，应用所学专业知识做了产品精馏塔，换热器，泵等设备进行了设计计算，最后经过经济核算分析设计建厂可以盈利。参考文献1李海.乙胺, 异丙胺生产技术简介J. 化工科技,1998,(02):67.2唐振周. 关于我国二乙胺的生产技术及其发展J. 湖南化工 , 1996,(02):8-10+18.3申桂英.乙胺或异丙胺生产装置J. 精细与专用化学品,1995,(09):15.4高昌禄, 王琴 , 徐东升. 乙腈加氢制乙胺类化合物J. 石化技术与应用,2001, 19(5):293-296.5宋岩,张吉波,张启忠. 乙腈加氢制乙胺的
19、合成工艺研究J. 吉林化工学院学报,2003,(04):17-19.6周奇杰. 300t/a 一乙胺联产工艺技术总结J. 精细化工中间体 ,2003,(04):36-37+55-56.97王拥军,石香玉. 复杂样品的多步分离系统的初步设计J. 焦作大学学报,2009,(03):85-86.8.石宝忠. 乙胺调研报告J. 化工科技市场,2003,(08):24-25.9.王静康.化工过程设计M. 化学工业出版社，2006，5.10.尹先清.化工设计M.石油工业出版社， 2006，11.11李群生, 陈文. 乙基胺分离系统各塔的设计和模拟计算J. 北京化工大学学报, 2010, 39(4): 36-48.12MayankshaB.deHaan.Optimal Design of a Reactive Distillation ColumnJ.CHEMLCAL ENGINEERING TRANSACTIONS Volume24，2011：295-300
