粗苯加氢精制.docx
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粗苯加氢精制
课程设计说明书
题目:
15万吨/年粗苯加氢精制工艺设计
系别:
化学化工系
专业:
化学工程与工艺
姓名:
苗俊艳
学号:
111407116
指导教师:
杜灵枝丁明洁
河南城建学院
2010年01月04日
1114071班《煤化工工艺学》课程设计
设计任务书
学生:
苗俊艳指导教师:
杜玲枝丁明洁
化学化工系化工教研室2010年12月
《煤化工工艺学》课程设计任务书
一、课程设计的目的
通过课程设计,旨在使学生了解煤化工工艺基本原理、重要工艺过程、设备的构造及工程设计基本内容,初步掌握化工工艺设计的主要程序及方法,锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力、收集和查阅文献资料的能力、分析和解决工程实际问题的能力、独立工作和创新能力。
课程设计的任务是:
学生能综合运用所学理论知识和所掌握的各种技能,通过独立思考和锐意创新,在规定的时间内完成指定的化工工艺的设计任务,并通过设计说明书及设计图形式正确表述。
二、设计任务及要求1、设计题目
粗苯加氢精制工艺设计;
2、设计条件
1生产能力:
15万吨/年
2操作压力常压、纯苯塔塔顶温度80C0
、塔釜温度120C0
3运行时间:
全年生产时间为7500小时4设备选型:
浮阀塔4、设计任务
通过化工计算,绘制工艺流程图和主设备结构图,编制设计说明书（设计过程的评述及主要问题讨论。
三|、设计时间进程表
课程设计时间原则上为2周,时间分配大致如下:
序号内容时间（天
1接受设计任务0.5
2查阅、借阅文献;收集资料1.
03制定设计方案0.5
4设计计算3.0
5设计图纸绘制3.0
6编制说明书1.0
7答辩1.0
8合计10.0
四、设计指导教师及设计纪律要求
1、指导教师:
2、纪律要求:
1按时到教室,有事请假;
2不得在设计时间内做与设计无关事情;
3到图书馆查阅资料,须在教室黑板上注明去向及时间;
4保持教室卫生。
不得妨碍他人设计。
五、课程设计说明书格式要求
1、总论
1概述
2文献综述
3设计任务的依据
2、生产工艺流程或生产方案确定
3、生产工艺流程说明
4、工艺计算书（物料和热量衡算
5、主要设备的工艺计算和设备选型计算
6、设计体会与收获
7、主要参考文献
六、成绩评定办法及评分标准
1、成绩评定:
1、正常情况下的学生的课程成绩应按学生的设计方案、设计说明书、设计图纸、答辩四项综合评定,各项所占比列情况见下表。
项目设计方案设计说明书设计图纸答辩
百分比%10303030
2、课程设计成绩按优、良、中、及格、不及格平定,标准如下:
A、优:
综合成绩91—100分;
B、良:
综合成绩81—90分;
C、中:
综合成绩71—80分;
D、及格:
综合成绩61—70分;
E、不及格:
综合成绩60分以下。
3有下列情况之一者,没有课程设计成绩或成绩不及格。
A、不参加答辩者;
B、设计说明书和设计图纸成绩均低于50分者;
C、没有完成课程设计任务者;
六、答辩形式与时间安排
1、答辩形式:
学生扼要介绍设计内容,并回答教师提出的问题。
2、时间安排:
答辩安排在设计的最后,每位学生答辩时间不超过10分钟。
七、设计时主要参考书及手册
1、现代煤化工技术手册
2、化工工艺设计手册
3、化工设备设计
4、煤化工工艺学
5、煤化学
6、炼焦学
7、新型煤焦化技术
目录（5
摘要（6
一、总论（8
1.1、设计指导思想和原则（8
1.2、设计的意义（8
1.3、设计依据（9
二、生产方法和工艺流程的确定（10
2.1、工艺技术的比较与选择（10
三、生产流程叙述（13
3.1、技术路线（13
3.2、流程叙述（15
四、工艺计算与设备选型（15
4.1、系统物料衡算（15
4.2、纯苯塔的设计计算（16
4.3、辅助设备设计和选型（37
五、设计的体会和收获（39
5.1、结论（39
5.2、心得体会（40
六、参考文献（41
15万吨/年粗苯加氢精制工艺设计
【摘要】粗苯为中间体产品,本身用途极为有限,仅作为溶剂使用,但是精制后的焦化苯、焦化甲苯、焦化二甲苯等产品,是有机化工、医药和农药等的重要原料,在国内、国际上都有很好的市场,目前精苯产品价格持续上涨,市场潜力巨大。
业内专家认为,粗苯加氢精制技术代表了粗苯加工精制的发展方向,这一技术在我国的推广使用,不仅可使宝贵的苯资源得到充分利用,还可有效改善粗苯精制的面貌,提高清洁生产的水平。
在本设计加氢工艺中,低温加氢工艺的加氢温度、压力较低,产品质量好,低温加氢工艺包括萃取蒸馏低温加氢工艺和溶剂萃取低温加氢工艺,这两种工艺在国内外是比较成熟的工艺,已被广泛用于石油重整油、高温裂解汽油、焦化粗苯为原料的加氢生产中,因此本粗苯精制采用低温加氢精制工艺。
纯苯精度可达99.9%以上,甲苯也在99%以上,产品纯度均优于其他方法。
本设计的产品有纯苯、甲苯、二甲苯、非芳烃、重苯,其中最主要的产品是纯苯、甲苯和二甲苯。
【关键词】粗苯加氢苯甲苯
TheTechenologyDesignforannualyieldof150thousands
toncrudebenzene
【Abstract】CrudeBenzolforintermediateproducts,theirusesareextremelylimited,onlyuseasasolvent,butafterrefiningcokingbenzene,coketoluene,xyleneandothercokingproducts,organicchemicals,pharmaceuticalsandpesticides,suchastheimportantrawmaterials,inthedomesticandinternationalmarketshaveaverygood,thecurrentpricesofrefinedbenzeneproductcontinuedtorise,themarkethasgreatpotential.Industryexpertsbelievethatcrudebenzenehydrogenationtechnologyforrefiningcrude
benzenerepresentsthedirectionofdevelopmentofthistechnologyinChinatopromotetheuseofbenzeneisnotonlyvaluableresourcescanbefullyutilized,caneffectivelyimprovetheappearanceofrefinedcrudebenzene,improvehygieneThemiddlelevel.Duringthedesignprocessofhydrogenation,thehydrogenationoflow-temperaturehydrogenationprocesstemperature,lowpressure,productquality,low-temperaturehydrogenationprocess,includinglow-temperaturehydrogenationofextractivedistillationandsolventextractionprocesslow-temperaturehydrogenationprocess,thesetwoprocessesinthedomesticoutsideisarelativelymaturetechnology,hasbeenwidelyusedintheoilre-oil,hightemperaturepyrolysisgasoline,cokingcrudebenzenehydrogenationfortheproductionofrawmaterials,sotheuseoflow-temperaturecrudebenzenehydrogenationrefiningprocess.Accuracyof99.9%purebenzenethantoluenearemorethan99%purityofproductarebetterthanothermethods.
Thedesignoftheproductsarepurebenzene,toluene,xylene,non-aromatics,heavybenzene,themostimportantproductsarepurebenzene,tolueneandxylene.
【Keywords】CrudeBenzenehydrogenationbenzeneToluene
一、总论
1.1、设计指导思想和原则
本设计本着充分运用国家资源,产出高纯度有价值产品的原则,力求符合国家的经济政策和技术政策,达到工艺上可靠,经济上合理;要尽可能吸收最新科技成果,力求技术先进,经济效益更大,不造成环境污染;符合国家工业安全与卫生要求,达到国家生产技术标准并达到环保要求。
既要考虑到技术可靠,经济合理,又要最大限度地保护环境不受污染,且利于国民经济的全面发展。
1.2、设计的意义
本设计的产品有纯苯、甲苯、二甲苯、非芳烃、重苯,其中最主要的产品是纯苯、甲苯和二甲苯。
现将各种主要产品的重要作用介绍如下:
纯苯是重要的化工原料,广泛用作合成树脂、合成纤维、合成橡胶、染料、医药、农药的原料,也是重要的有机溶剂。
我国纯苯的消费领域主要在化学工业,以苯为原料的化工产品主要有苯乙烯、苯酚、己内酰胺、尼龙66盐、氯化苯、硝基苯、烷基苯和顺酐等。
在炼油行业中用作提高汽油辛烷值的掺和剂。
甲苯是一种无色有芳香味的液体,广泛应用于农药、树脂等与大众息息相关的行业中,国际上其主要用途是提高汽油辛烷值或用于生产苯以及二甲苯,而在我国其主要用途是化工合成和溶剂,其下游主要产品是硝基甲苯、苯甲酸、氯化苄、间甲酚、甲苯二异氰酸酯等,还可生产很多农药和医药中间体。
另外,甲苯具有优异的有机物溶解性能,是一种有广泛用途的有机溶剂。
二甲苯的主要衍生物为对二甲苯,邻二甲苯等。
混合二甲苯主要用作油漆涂料的溶剂和航空汽油添加剂,此外还用于燃料、农药等生产。
对二甲苯主要生产PTA以及聚酯等。
邻二甲苯主要用于生产苯酐等。
1.3、设计依据
焦化粗苯精制是煤化工的基础技术之一,粗苯通过进一步加工精制后,可以获得如纯苯、甲苯、二甲苯和重苯等多种产品。
由于近年来油价大幅上涨,与以石油为原料生产的石油苯相比,焦化苯有着很大的利润空间,因此粗苯精制产业引起了业界的广泛关注。
根据设计任务,粗苯的年生产能力为150,000吨/年（折算为100%Q。
全年生产时间为7500小时,剩余时间为大修、中修时间,则每小时的生产能力为:
150000÷7500=20,000kg/h
工艺设计原料粗苯要求:
甲苯含量:
小于14.2%
苯含量:
大于70%
二甲苯:
小于4.0%
三苯含量:
大于88%
萘:
小于3.0%
密度:
小于0.885
纯苯塔塔顶温度80℃
塔釜温度120℃
二、生产方法和工艺流程的确定
2.1、工艺技术的比较与选择
目前已工业化的粗苯加氢工艺有莱托（Litol法、萃取蒸馏低温加氢（K.K法和溶剂萃取低温加氢法,第一种为高温加氢,后两种为低温加氢。
（1、Litol法粗苯加氢
高温催化加氢的典型工艺是Litol工艺,在温度为600-650℃,压力6.0MPa条件下进行催化加氢反应。
主要进行加氢脱除不饱和烃,加氢裂解把高分子烷烃和环烷烃转化为低分子烷烃,以气态分离出去;加氢脱烷基,把苯的同系物最终转化为苯和低分子烷烃。
故高温加氢的产品只有苯,没有甲苯和二甲苯,另外还要进行脱硫、脱氮、脱氧的反应,脱除原料有机物中的S、N、O,转化成H2S、NH3、H2O的形式除去,对加氢油的处理可采用一般精馏方法,最终得到苯产品。
Litol法发生的主要反应
①脱硫反应+4H2→C4H10+H2S可使噻吩脱到0.3±0.2ppm
②脱烷基反应C6H5R+H2→C6H6+RH
③饱和烃加氢裂解烷烃与环烷烃几乎全部裂解成低分子烷烃
C6H12+3H2→3C2H6
C7H16+2H2→2C2H6+C3H8
④环烷烃脱氢→+3H2
⑤不饱和烃加氢+H2→+H2→+C2H6
⑥脱氧和脱氮C5H5N+5H2→C5H12+NH3
该法的工艺过程大致为:
粗苯→预蒸馏、获得轻苯→预加氢→主加氢→稳定塔→白土塔→精馏。
可见,加氢用原料实质上是轻苯,这里的预蒸馏相当于国内的两苯塔。
国内回收苯族烃广为采用生产两苯（轻苯与重苯的工艺,因此,Litol加氢技术应用于我国,应以轻苯直接作为加氢原料比较合理。
Litol加氢工艺的特点是能够将苯环上的烷基脱除,故只能获得一种产品:
纯苯,但产率高达114%。
预蒸馏采用减压操作,旨在降低温度,以避免不饱和化合物在蒸馏过程中发生聚合。
预加氢采用Co-Mo系催化剂,但必须先硫化,以适当降低催化剂的活性、并提高不饱和化合物加成反应的选择性。
该工序的作用是先将易发生聚合的物质除去,有利于后续主加氢的操作。
主加氢采用Cr2O3-Al2O3系催化剂,反应温度为610~630℃、操作压力
5.88MPa。
能将轻苯中的不饱和化合物与含硫化合物几乎全部加氢脱除,获得的加氢油只需要采用普通的精馏方法就能分离,稳定塔实质是一个精馏塔,且采用加压操作,旨在提高苯的沸点、以减少苯的损失;同时使具有不同沸点的饱和烃与苯分离。
白土塔是起吸附作用的装置,能将尚未反应的微量不饱和烃除去,为后续精馏工序获得优质苯创造条件。
为了循环利用氢气,粗苯加氢后的尾气必须经过一系列处理,包括脱硫（MEA法、甲苯洗净、改质变换与变压吸附等工序,最终获得99.9%的氢气返回系统供加氢之用。
（2、萃取蒸馏低温加氢（K.K法和溶剂萃取低温加氢法
低温催化加氢的典型工艺是萃取蒸馏加氢（K.K法和溶剂萃取加氢。
在温度为300-370℃,压力2.5-3.0MPa条件下进行催化加氢反应。
主要进行加氢脱除不饱和烃,使之转化为饱和烃;另外还要进行脱硫、脱氮、脱氧反应,与高温加氢类似,转化成H2S、NH3、H2O的形式。
但由于加氢温度低,故一般不发生加氢裂解和脱烷基的深度加氢反应。
因此低温加氢的产品有苯、甲苯、二甲苯。
对于加氢油的处理,萃取蒸馏低温加氢工艺采用萃取精馏方法,把非芳烃与芳烃分离开。
而溶剂萃取低温加氢工艺是采用溶剂液液萃取方法,把非芳烃与芳烃分离开,芳烃之间的分离可用一般精馏方法实现,最终得到苯、甲苯、二甲苯。
萃取蒸馏低温加氢法是石家庄焦化厂于20世纪90年代由国外引进的第一套粗苯低温加氢工艺,并在国内得到推广应用。
萃取蒸馏低温加氢法可生产苯、甲苯、二甲苯,3种苯对原料中纯组分的收率及总精制率设计值见下表:
萃取蒸馏低温加氢苯、甲苯、二甲苯收率及总精制率
苯/%甲苯/%二甲苯/%总粗制率/%
98.598.011799.8
二甲苯收率超过100%是由于在预反应器中,苯乙烯被加氢转化成乙苯,而二甲苯中含有乙苯,总精制率达99.8%,比莱托法的要高。
Litol法粗苯加氢工艺的加氢反应温度、压力较高,又存在氢腐蚀,对设备的制造材质、工艺、结构要求较高,设备制造难度较大,只能生产1种苯,制氢工艺较复杂,采用转化法,以循环气为原料制氢,总精制率较低。
与Litol法相比,萃取蒸馏低温加氢方法和溶剂萃取低温加氢方法的优点是以粗苯或焦油蒸馏的脱酚轻油为原料,氢耗较低,加氢反应温度、压力较低,设备制造难度小,很多设备可国内制造,能耗也较少,能够生产3种苯一纯苯、甲苯、二甲苯,生产操作容易。
制氢工艺采用变压吸附法,以甲醇为原料制氢,制氢工艺简单,产品质量好。
在本设计加氢工艺中,低温加氢工艺的加氢温度、压力较低,产品质量好,低温加氢工艺包括萃取蒸馏低温加氢工艺和溶剂萃取低温加氢工艺,这两种工艺在国内外是比较成熟的工艺,已被广泛用于石油重整油、高温裂解汽油、焦化粗苯为原料的加氢生产中,因此本粗苯精制采用低温加氢精制工艺。
纯苯精度可达99.9%以上,甲苯也在99%以上,产品纯度均优于其他方法。
K-K法粗苯加氢属于中温、中压、不脱烷基的加氢技术,其操作温度为340~370℃、压力为2.8~3.0MPa。
显然,该技术对加氢设备的材质要求相应较低。
萃取蒸馏低温加氢方法和溶剂萃取低温加氢方法两种低温加氢方法相比较,前者工艺简单,可对粗苯直接加氢,不需先精馏分离成轻苯和重苯,但粗苯在预蒸发器和多级蒸发器中容易结焦堵塞;后者工艺较复杂,粗苯先精馏分成轻苯和重苯,然后对轻苯加氢,但产品质量较高。
经过综合比较考虑,本设计采用溶剂萃取低温加氢工艺
三、生产流程叙述
3.1、技术路线:
本设计通过低温加氢工艺把粗苯中以噻吩为主的各种杂质除去,其中硫化物转换成硫化氢,氮化物转变成氨气,氧化物转化成水,不饱和烃加氢饱和,从而得到较纯净的苯甲苯和二甲苯。
其中:
原料粗苯经过两苯塔实现轻重组分分离,其中塔釜重质苯做为产品回收,塔顶轻苯在加氢反应器中进行加氢反应后进入脱轻塔脱除硫化氢,氨气等低沸物,然后依次进入预精馏塔萃取精馏塔纯苯塔和二甲苯塔,最终得到纯净合格的产品。
3.2、流程叙述
粗苯首先经原料输送泵进入两苯塔,在其中实现轻重苯分离,重质苯作为产品输送至罐区,塔顶轻苯被送至加氢工序,在加氢工序中,轻苯与高纯氢气混合后进入预反应器,预反应器的作用主要是除去二烯烃和苯乙烯,催化剂为Ni-Mo,预反应器产物经管式炉加热后,进入主反应器,在此发生脱硫、脱氮、脱氧、烯烃饱和等反应,催化剂为Co-Mo,预反应器和主反应器内物料状态均为气相。
从主反应器出来的产物经一系列换热器、冷却器被冷却,在进入分离器之前,被注入软水,软水的作用是溶解产物中沉积的盐类。
分离器把主反应器产物最终分离成循环氢气、液态的加氢油和水,循环氢气经预热器,补充部分氢气后,由压缩机送到预蒸发器前与原料粗苯混合。
加氢油经预热器预热后进入脱轻塔,脱轻塔由中压蒸汽进行加热,脱轻塔实质就是精馏塔,把溶解于加氢油中的氨、硫化氢以尾气形式除去,含H2S的尾气可送入焦炉煤气脱硫脱氰系统,脱轻塔出来的苯、甲苯、二甲苯混合馏分进入预蒸馏塔,在此分离成苯、甲苯馏分（BT馏分和二甲苯馏分（XS馏分,二甲苯馏分进入二甲苯塔,塔顶采出少量C8非芳烃和乙苯,侧线采出二甲苯,塔底采出二甲残油即C9馏分,由于塔顶采出量很小,所以通常塔顶产品与塔底产品混合后作为二甲残油产品外卖。
苯、甲苯馏分与部分补充的甲酰吗啉溶剂混合后进入萃取蒸馏塔,萃取蒸馏塔的作用是利用萃取蒸馏方式,除去烷烃、环烷烃等非芳烃,塔顶采出非芳烃作为产品外卖,塔底采出苯、甲苯、N-甲酰吗啉的混合馏分,此混合馏分进入溶剂再生塔。
溶剂再生塔在真空下操作,把苯、甲苯馏分与溶剂N-甲酰吗啉分离开,溶剂再生塔顶部采出苯、甲苯馏分,苯、甲苯馏分进入纯苯塔精馏分离成苯、甲苯产品。
溶剂再生塔底采出的贫N-甲酰吗啉溶剂经冷却后循环回到萃取精馏塔上部,一部分贫溶剂被间歇送到溶剂再生器,在真空状态下排出高沸点的聚合产物,再生后的溶剂又回到萃取蒸馏塔。
工艺流程图见CAD附图
四、工艺计算与设备选型
4.1、系统物料衡算
生产能力:
15万吨/年（料液
年工作日:
7500小时计
原料中含有:
苯70.8%,甲苯14.2%,二甲苯3.5%
苯乙烯1.5%重质苯10%（质量分率,下同
根据工艺的操作条件可知:
根据设计任务,料液的年生产能力为150,000吨/年（折算为100%Q。
全年生产时间为7500小时,剩余时间为大修、中修时间,则每小时的生产能力为:
150000/7500=20,000kg/h
由图可知,进入两苯塔的料液量即为20,000kg/h
两苯塔塔顶出料为轻苯（BTXS,其流量为:
W1=W*（70.8%+14.2%+3.5%+1.5%=20000*90%=18000kg/h
两苯塔塔底出料为重苯,其流量为:
W1’=W*10%=2000kg/h
从两苯塔出来的BTXS经过加氢脱轻后直接进入预精馏塔,所以进入预精馏塔的流量就是W1=18000kg/h
预精馏塔顶出料为BT,其流量为:
W2=W*（70.8%+14.2%=20000*85%=17000kg/h
预精馏塔塔底出料为XS,其流量为:
W2’=W*（3.5%+1.5%=20000*5%=1000kg/h
4.2、纯苯塔的设计计算
精馏工段主要有四个塔,即预精馏塔,萃取精馏塔,纯苯塔,二甲苯塔。
这里只对纯苯塔进行计算。
具体工艺参数如下:
料液组成:
70.8%苯,14.2%甲苯（质量分率,下同
产品组成（纯苯塔:
馏出液99.9%苯,釜液1%甲苯
操作压力:
常压（塔顶:
100.5kPa进料:
101.3kPa塔底:
133kPa
进料温度:
泡点进料状况:
泡点
加热方式:
间接蒸汽加热回流比:
R=（1.2~2Rmin
苯的摩尔质量:
MA=78kg/kmol甲苯的摩尔质量:
MB=92kg/kmol
纯苯塔的原料处理量F=20000*（70.8%+14.2%=17000kg/h原料中苯的质量分数:
fx=70.8/（70.8+14.2=0.83则其摩尔分数为Fx=
（852.092
/83.0178/83.078
/83.0=-+=
+B
AAnnn
塔顶产品苯的质量分数:
dx=0.999则其摩尔分数为Dx=0.999塔底产品甲苯的质量分数:
wx=0.01则其摩尔分数为Wx=0.012总物料衡算:
F=D+W①苯的物料衡算:
F*fx=D*dx+W*wx②联立①②式得:
D=14095.05kg/hW=2904.95kg/h原料液的平均摩尔质量
M
=66.456+13.616=80.072kg/kmol
塔顶产品的平均摩尔质量
M
=78.014kg/kmol
塔液产品的平均摩尔质量
2、温度的确定
Antoine方程:
lg*
AP=6.02232-1206.350/（t+220.237
lg*
BP=6.07826-1343.943/（t+219.377泡点方程:
*
*--=
B
AB
aPPPPx
根据以上三个方程,运用试差法可求出*
AP,*
BP
当xa=0.83时,假设t=84℃,*
AP=114.066kPa,*
BP=44.496kPa当xa=0.999时,假设t=80℃,*
AP=100.524kPa,*
BP=38.826kPa当xa=0.01时,假设t=120℃,*
AP=298.735kPa,*
BP=131.29kPa,t=84℃,既是进料口的温度,
t
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