12萬年產量的噸粗苯加氫精制工藝設計研究摘要:在當今的工業技術水平下，國內外已經有多種對粗苯加氫精制獲得苯、甲苯等原料的方法。由于粗苯原料成分復雜，要想得到能夠作為基礎化工原料苯、甲苯等，需對其進行加氫、加氫脫硫、加氫脫氮反應，去除其中雜質。經相對性能比較研究，本設計通過采取低溫加氫法精制裝置工藝，了解原料、產物、催化劑、萃取劑等物化性質，對粗苯原料質量加工設計，整個工藝過程進行理論計算，例如物料衡算，熱量衡算。分析產品產率數據，掌握整個工藝裝置控制參數，選擇最優方案，催化劑預處理，改善裝置，優化操作，充分認識污染物的種類，再確定工藝裝備，最后對該原料和成品的經濟成本估算，從而論證該工藝設計的效益。此工藝設計特點：工藝流程簡單易操作，提高粗苯加氫精制裝置的整體效率和產品質量，經濟效益好。關鍵詞：粗苯加氫；精制；工藝；年產目錄TOC\o"1-3"\h\u引言 引言隨著焦炭的生產蓬勃發展，產物粗苯大量增加，粗苯不能直接利用于工業生產，需通過一系列工藝操作將含有以苯為主的苯系化合物轉換為高純度的有機化工、醫藥、農藥等基礎化工原料。粗苯是可以制取得到苯、甲苯等基礎化工原料，目前苯用于塑料、橡膠、纖維、農藥等方面生產，甲苯可以作為制取染料醫藥、香料等中間體[1]，合理利用粗苯資源，降低成本，減少污染。由于粗苯精制包括酸洗、加氫、精餾分離，初餾分中的加工、其他高沸點化合物的深加工等工藝操作[2]，而且粗苯主要是苯、甲苯、等苯族烴不飽和化合物和少量的硫、氮和氧化合物組成，蒸汽極容易與空氣混合發生爆炸[3]，所以基于粗苯的組成和性質，產物性質和質量要求,通過國內外粗苯加氫精制工藝實例，比較多種方法性能，此設計選擇低溫加氫法優化的粗苯精制進行工藝設計。此次粗苯加氫精制工藝設計可以提高反應的產率，簡單且容易操作處理過程的雜質處理，最大限度地降低環境污染問題，提高工藝的生產效益，降低成本，符合綠色環保生產標準，操作簡便，便于工業大規模生產。1產品及原料介紹1.1苯、甲苯苯英文名：Benzene分子式：C6H6CAS號：71-43-2分子量：78.11表1苯的物化性質名稱內容名稱內容外觀無色透明液體蒸氣密度1.74氣味有強烈的芳香氣味蒸氣壓4.89kp（3.7mmHg30℃）熔點5.5℃閃點-11℃（136℉）沸點80.1°C儲存條件儲存于陰涼、通風，遠離火種、熱源。折光率1.49792溶解性難溶于水，易溶于有機溶劑。密度0.88g/mL（20℃,100kPa）溶解度參數δ=9.2折射率n20/D1.501爆炸上下限（體積分數）1.2%-8.0%甲苯英文名：methylbenzene分子式：C6H6CAS號：108-88-3分子量：92.13表2甲苯的物化性質名稱內容名稱內容外觀無色透明液體蒸氣密度3.14氣味帶特殊芳香氣味蒸氣壓4.1kpa（3.7mmHg25℃）熔點-94.9℃閃點4℃（136℉）沸點110.4°C儲存條件密封保存，保持通風折光率1.496溶解性能與乙醇、乙醚、丙酮等混溶，極微溶于水密度0.886g/m（20℃,100kPa）溶解度參數δ=8.9折射率n20/D1.4961爆炸上下限（體積分數）1.2%-7.0%1.2苯、甲苯用途苯是石油化工的基本原料，其生產和生產技術水平是國家石化開發水平的象征之一?？捎糜谙懔稀⑷玖?、塑料、醫藥、炸藥、橡膠纖維,去污劑,殺蟲劑等工藝生產，并且也可以合成一系列苯衍生物,用于其它化工生產[4]。甲苯是一種非常好的溶劑，作為纖維素、涂料、清漆、油、樹脂、天然橡膠、合成橡膠、焦油、瀝青等等材料的溶劑。甲苯也是有機合成的重要原料，尤其是用于氯化苯、許多染料的制取[5]。1.3原料介紹1.3.1粗苯粗苯是煤炭熱解產物之一,經脫氨化的焦爐煤氣中回收以苯含量為主的苯系化合物[6]。1.3.2氫氣在甲醇制造過程中，不能充分利用生產原料，甲醇弛放氣體大量排出，其中組成氫氣占75%，直接排放浪費了很多資源，可以分離用于氫化。表3氫氣的物化性質名稱內容名稱內容物態無色氣體氣味無味冰點-259℃沸點-253℃密度0.07g/L爆炸上下限（體積分數）4.0%-74.2%臨界溫度-239.96℃臨界壓力1.3MPa1.3.3萃取溶劑的選擇經查閱相關資料與文獻,由于在氣液相提取蒸餾法中使用N-甲酰嗎啉會在水中將N-甲酰嗎啉分解成甲酸和嗎啡，所以甲苯部分堿度和純苯部分酸性的質量問題必然存在[7]。N-甲酰嗎啉的分解會使產品質量稍差，但使用環丁砜萃取劑會優于N-甲酰嗎啉，則選擇環丁砜作為萃取劑。2工藝設計2.1設計項目及原理2.1.1設計項目年產12萬噸粗苯加氫精制工藝設計2.1.2設計原理在溫度為300～370℃、壓力2.5～3.0MPa條件下催化加氫。通過循環氫氣加氫除去不飽和碳氫化合物，轉化為苯和甲苯的混合物，并且其中進行脫硫、脫氮反應，轉換成H2S、NH3、H2O，然后將混合物通過使用溶劑環丁砜萃取分離苯、甲苯，得到產物[8]。2.2工藝流程簡述粗苯通過輸送泵進入兩苯塔，進行脫重，得到產物輕苯。輕苯則進行氫化處理，在加氫過程中，輕苯與從甲醇馳放氣分離出的氫氣進入反應器，發生脫硫、脫氮、脫氧等反應，再將混合物通過預熱器加熱到氣泡點后，用泵輸送到精餾塔，得到產物苯、甲苯[9]。流程圖如下：圖1粗苯加氫精制工藝方框圖圖2粗苯加氫精制工藝流程圖3工藝計算3.1反應工藝條件表4進料組成初餾分純苯甲苯二甲苯輕溶劑油純苯殘渣精制殘渣重質苯萘溶劑油洗滌損失精制損失共計占粗苯%170100占輕苯%0.9762.00.8//2.01.4100處理量：12萬噸／年操作壓力：4KPa產品要求：塔頂餾出液含苯99.6%，塔底釜液含苯0.4%回流比：R=1.6R生產總時間為7200小時，則每小時的生產能力為：120000÷7200=16667kg/h3.2物料衡算苯、甲苯進料量：F'=120000=1200007200×89.8%×=13260.47Kg/h進料中含苯量：xF進料中甲苯含量：1?x料液的摩爾分率：xF塔頂的摩爾分率：xD塔底的摩爾分率：xW進料的平均摩爾質量：MF塔頂的平均摩爾質量：MD塔底的平均摩爾質量：MW進行物料衡算：FF得：D'W'將F＇、D＇、W＇轉化為物質的量可得F=13260.47D=11413.094W=1847.3763.3回流比的確定表5苯、甲苯在某些溫度下的蒸汽壓PAot/℃80.184889296100104108110.4PA101.3114.1128.4144.1161.3180.0200.3222.4237.7PB39.044.550.857.865.674.283.694101.3α=2.602.562.532.492.462.432.402.372.35苯、甲苯的相對揮發度α=2.6?2.35則相平衡方程：y=αxxQyq=最小回流比：Rmin取操作回流比:R=1.6R3.4理論板數精餾段操作線方程：yn+1提餾段操作線方程斜率：K=y提餾段操作線方程：由ym+1?yym+1?0.004715=ym+1=1.0797交替使用相平衡方程和操作線方程可得表6氣液相摩爾組成項目數據yxyxyxyxyxyxyxyyxyxyx11y12x12y13x13y14x14y15x15y16x16yx17yx18yx19yx20由于x9=又因為x20=0.003291<0.004715，3.5全塔總效率E由相關數據查表，塔的溫度為85.0℃，則該溫度下進料液相平均粘度μmμm=0.8768×0.2993+=0.2998mpa.sET3.6實際塔板數N精N提4塔的工藝條件及計算[10]

4.1

操作壓力塔頂壓力：P取每層塔板壓降:?P=1.0KPa則進料板壓力：P塔底壓力：PW=123.3+21×1計算平均操作壓力得：Pm,精Pm,提=123.3+144.3Antoine方程：lglg根據操作壓力PF=123.3KPa，查得在此壓力下，苯：t=86.56℃，甲苯：t設tF=88.5℃，按上述苯：PAo=130.3KPa，KAKBKixi=1.0568×0.876189×(1設tF=89.5℃，按苯：PAo=134.36KPa，KAKBKi則塔頂溫度tF=90℃，同理，塔底溫度tW在PD=105.3KPa查得在此壓力下，苯：t=81.3℃，甲苯：t設tD=81.3℃，按苯：PAo=105.29KPa，KAKByi則塔頂溫度tD==81.3℃，計算平均溫度得：tm,精tm,提4.3平均摩爾質量由塔頂：y1=MVDMLD=0.9916×78.11+(1?0.9916)×92.13進料板：yF=0.9371MVF=0.9371×78.11+(1?0.9371)×92.13=78.9919MLF塔底：yW=0.004715MVW=0.004715×78.11+(1?0.004715)×92.13=92.0639MLW=0.004715×78.11+(1?0.004715)×92.139=2.0639計算平均摩爾質量得：MV,精ML,精MV,提ML,提4.4平均密度表7苯、甲苯的液相密度Kg/m3溫度/℃20406080100120140苯877.4857.3836.6815.0792.5768.9744.1甲苯867.0848.2829.3810.0790.3770.07液相密度1塔頂：11ρL，MρL，M=進料板：WA,=F1ρρLF，M=塔底：1ρLW，M=計算平均液相密度得：ρLM,精=809.0736+807.1001ρLM,提=769.9956+807.10014.4.2氣相密度ρV，M精=PMρV，M提=PM4.5液相表面張力σm,Dσm,Fσm,W計算平均液相表面張力得：σm,精=21.1006+20.3596σm,提=20.3596+17.30124.6液相粘度μL,DμL,FμL,W計算平均液相粘度得：μL,m,精μL,m,提4.7氣液負荷計算4.7.1精餾段氣液負荷計算V=R+1Vs=VL=RD=1.1579×146.026=169.0835Kmol/hLs=L4.7.2提餾段氣液負荷計算V'=V=315.110Kmol/hVs'=V'MV,提L'=L+F=169.0835+166.093=335.1765Kmol/hLs'=4.8塔和塔板主要工藝尺寸計算[10]4.8.1塔徑計算初設板間距：HT=0.5m取上液層高度：hL故HT?HL=0.5-0.07=0.43m(LsVs)(ρLρv)圖3史密斯關聯圖根據史密斯關聯圖，液氣氣相負荷，因C20=0.1校正到物系表面張力為20.731×10-3N/s時的C，即液氣氣相負荷因子：C=C20(σ20)0.2泛點氣速：UfCρL?ρvρv=0.101808.0869?2.99172.9917=1.66m/s

取安全系數為0.70,則

空塔氣速：un=0.70，u4.8.2塔板詳細計算溢流裝置：由塔徑D=1.6m可知，可以選用單流型溢流延長lw取堰長lw=0.7D=0.7×1.6=2、出口堰高?由LwD=0.7，則圖4液流收縮系數圖根據液流收縮系數圖查得E=1.01則how=2.841000E故堰高m3、弓形，降液管的寬度Wd與降液管的面積由LwD=0.7，根據弓形降液管的參數查得WdD=0.14故Wd=0.14D=0.14×1.6Af=0.09π4D2=0.09×τ=AfHTLs=0.181×0.50.005=18.1S（>5S符合要求）則?o=L?w??o=0.052?0.0故假設合理

4.8.3塔板布置

1、由經驗可知安全區一般取

Ws=50-100nm

而小塔的

Wc=30-50mm

大塔的

Wc=50-75nm

所以取邊緣區寬度Wc=0.035m安全區寬度

2、開孔區面積A因為X=DR=D則A=24.8.4篩孔數和開孔率取篩孔的孔徑do=5mm，正三角形排列，取

故孔中心距

t=3×5=15mm塔板上的篩孔數：n=1158×103φ=A0Aa%=0.907tdo2氣體通過縮孔的氣速uo4.8.5精餾段高度為Z=故由以上計算可得該工藝設計下的精餾塔的塔高為8.5m，塔徑為1.6m

5設備設計和選型5.1壁厚精餾塔可以視為內壓容器，設計壓力：1.5MPa，設計溫度：

200℃，許用應力：σ'=159MPa，焊縫系數：Φ＝0.85，由苯和甲苯對筒體腐蝕較小，腐蝕裕量C2取

2mm，鋼板負偏差

C取

0.8mm。

則壁厚的確定精餾段：δ提餾段：δ故取

δn＝14mm

5.2封頭

可以采用標準橢圓封頭，材料為

16MnR

，則上封頭：δ=8.51，下封頭：δ=9.46

取封頭壁厚δ=14mm，則精餾段：?1=450mm?o=40mm

提餾段：?2=500mm?o=40mm

5.3裙座

塔底可以5.4人孔

設計四個人孔，開人孔處塔板間距為0.7m，每個孔直徑為0.45m，另外裙座上應開兩個人孔，直徑為0.45m。

5.5

塔高設計

塔頂空間高度距離為500mm,塔頂部空間高度為1200mm,塔底空間高度距離1.5m。所以塔體高為:H=H=19.3+1.50+3+0.49+1.2+1.732=26.022m5.6變徑段因其為常壓操作,故取其設計壓力仍為1.5MPa,半頂角取α=30°。錐殼大端壁厚計算：δ考慮到腐蝕裕量與鋼板負偏差δ錐殼大端壁厚計算δ考慮到腐蝕裕量與鋼板負偏差δ塔筒體壁厚為14mm，故錐殼壁厚取14mm，半頂角為α=30°,計算其高度為173.2mm。

6其他方面6.1三廢處理

廢氣可以采用N2氣體密封法、水封液檢測口等很容易普及并應用一般使用的處理方法，可以有效降低污染物,防止直接排放造成的大氣污染。生產污水可以通過中央集成處理的市營管網提供給城市污水處理廠，在裝置內部設置必要的防滲結構層，以減少生產廢水的外排量及污染物濃度[11]。產生的固體廢棄物可收集后作為建筑材料或修路路基填充物。6.2安全問題近年來化工廠爆炸問題日漸成為一個焦點，由此在本設計實體操作過程中，需要考慮實際操作壓力，并且深刻了解原料、產物的物化性質，對于在儲存物料時，必須避免火源接觸，靜電火花。設備運用規則必須嚴格遵守，機器的材料選擇應達到標準，機器應定期進行試驗和維修。危險廢物裝置及處理場所必須設置危險標識，提醒作業人員做好安全防范[12]。7成本估算及經濟估算7.1原料消耗表8原料消耗表名稱消耗（按一小時算）粗苯16.667t甲醇馳放氣0.44t萃取溶劑0.25t電1600Kw·h7.2成本估算[13]經調查，截止目前粗苯價格每噸2150元，甲醇馳放氣價格每噸3500元，萃取溶劑價格每噸9000元.所以主要原料每小時花費：元假設工人工資5000元/月，共150人，則每月工人總開支：5000×150=750000元每小時人工開支：750000/(30×24)=1041.7元產品苯目前價格為每噸7250元，生產11.45t，甲苯價格為每噸5600元，生產1.85t，那么收入：7250×11.45+5600×1.85=93372.5元結合目前企業，估算每小時耗電1600千瓦，企業用電1.78元每千瓦時，那么：元另外，再計車間每小時耗費300元，后續處理150元，其余因循環可忽略。所以粗略估算該工藝每小時共需成本：元每小時利潤：元每月利潤：元表9消耗明細名稱單價合計（一小時）粗苯2150元/噸35834.05元甲醇馳放氣3500元/噸1540元萃取溶劑10800元/噸2700元電1.78分/千瓦時28.48元人工1041.7元/時1041.70元車間300元/時300.00元后續處理150元/時150.00元苯7250元/噸83012.5元甲苯5600元/噸10360元剩余——51778.42元8結論綜上所述，此次設計工藝目標是年產12萬噸粗苯加氫精制工藝設計，通過在圖書館書籍和知網等渠道查閱相關資料完成了這篇設計。粗苯加氫的生產在國內外早已大規模生產，但目前多數企業生產還會有生產效率低、產品質量次、污染大的缺點，所以本設計基于目前已有生產研究的基礎上，對催化劑、工藝流程和污染處理做了一定的優化，萃取劑采用環丁砜，重視三廢處理問題和排放方式，嚴格遵守排放標準，合理利用反應熱，加強對裝置的檢查和定期維修。在設計過程中，每一步嚴格參照已有工序進行改進，在溫度、壓力和流量方面必須嚴格控制。查閱資料時發現新型催化劑的使用將會是一個研究方向，三廢處理所有工業設計注重考慮的一個重點問題，有一個好的工藝生產會為給人們帶來更幸福的生活，這些再之后會出現更好的處理方法。參考文獻[1]李亞芳.分析粗苯加氫精制工藝的改造實踐.石化技術,2020,8(27):178-179[2]ArindrajitChowdhury,PardonKKuipa,DavidJSimbi.Pyrolysischaracteristicsandkineticsofacidtarwastefromcrudebenzolrefining:Athermogravimetry–massspectrometryanalysis[J].2016(7):37-39[3]高鵬娜.粗苯回收系統提產增效技術的研究與應用[J].化工設計通訊,2018,44(12):7-8ChidoHChihobo,ArindrajitChowdhury,PardonKKuipa,DavidSimbi.Pyrolysischaracteristicsandkineticsofacidtarwastefromcrudebenzolrefining:Athermogravimetry-massspectrometryanalysis[J].2016,12(13):73-79[5]QingYuanMa,XuZang,DaLiLin.Energy-savingOptimizationofCrudeBenzolPretreatinginHydrotreatingProcess[J].2011.7(31):112-118[6]陶帥江.加氫催化劑預硫化技術進展[J].鞍鋼技術.

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