年处理24万吨焦油常减压蒸馏车间设计书

1 年处理 24 万 吨 焦油常减压蒸馏车间设计书 第 1 章 绪论 计目的和意义 业设计的目的和意义： 毕业设计是教学计划中最后一个综合性实践教学环节，是学生在教师的指导下，独立从事化工设计工作的初步尝试，其基本目的是培养学生综合运用所学的基础理论、专业知识、基本技能应对和处理问题的能力。是学生对四年所学知识和技能进行系统化、综合化运用、总结和深化的过程。通过考察、立题、收集素材、设计方案、工艺制作等过程，检查学生的思维能力、创造能力、实践能力和掌握工艺的深度。通过毕业答辩、毕业 设计和实习工作，来考核教学质量，对深化教学改革，提高人才培养工作水平具有重要的意义。 设计的目的和意义： 无论现在还是将来，煤焦油蒸馏都将是化学工业的先导，目前全世界煤焦油总产量约 2000 万 t,加工煤焦油的数量有 1600 万 t/a, 其中前苏联有 280万 t,美国 200 万 t,日本 180 万 t,德国 160 万 t,全世界产煤焦油有五分之一被烧掉。 尽管近 30年来受到石油化工的激烈竞争 ,焦油加工非但未失去其存在价值 , 且仍具发展潜力 , 在经济上仍具重要地位 ,如煤焦油化学品有一定不可替 2 代性 , 蒽 、苊、芘 ,全世界萘的需求上 ,生产碳素电极的电极沥青年消耗 250万t,咔唑、喹啉、噻吩 , 它们几乎全部来量约 100万 t ,目前 90%以上仍来自煤焦油 ,作为染料原料的精蒽年需求量 3万 煤焦油加工业再度引起人们的重视是由于随着经济和技术的发展，不仅传统工业的焦油加工产品如萘、蒽、苊、芴和酚类及沥青开发出了新的用途，而且应用新技术提取和进一步加工出的煤焦油产品更具市场竞争力。 焦油蒸馏是对煤焦油进行初步分离，一半可得到萘油、酚油、洗油、轻油、蒽油和沥青六种馏分。萘用来制取邻苯二甲酸酐，供生产树脂、工程 塑料、染料油漆及医药等用；蒽用来制蒽醌染料、合成糅剂及油漆；沥青是焦油蒸馏残夜，为多种多环高分子的混合物，用于制屋顶涂料、防潮层和筑路、生产沥青焦和电炉电极等。 煤焦油是一个组分上万种的复杂混合物，其中很多有机物是生产塑料、合成纤维、染料、橡胶、医药、耐高温材料的重要材料。所以在 21世纪，煤焦油加工在化工业有着不可替代的重要位置。 品的组成和成分及物性参数 煤焦油蒸馏的产品组成成分及物性如表 1 1品的物性参数 馏分 名称 沸点 范围 平均含量 %（质量） 所含主要化合物 烃类 非烃类 轻油 170 轻毗咤、毗咯 、唆吩等 酚油 170 210 阶、甲酚、二甲酚重毗吮、古马隆等 萘油 210 230 、甲基萘、二甲基萘 三甲酚、四甲基毗蔡、哇琳等 洗油 230 300 、芴 茹、古马隆的烃基衍生物 , 哩琳衍生物等 蒽油 300 360 、菲、萤菲 喳琳衍生物、咔哇及其衍生物等 沥青质 360 3 品的质量指标、价格 煤焦油蒸馏一般按其中所含不同组 分的沸点分割成：轻油馏分 (170以前 )，酚油馏分 (170 210 )，萘油馏分 (210 230 )，洗油馏分 (230300 )，一蒽油馏分 (300 330 )，二蒽油馏分 (330 360 )及沥青 (大于360 )。 轻油馏分是煤焦油蒸馏时切取的馏程为 170前的馏出物。其产率为无水煤焦油的 主要组分为苯及其同系物。如表 1表 1密度 (20 )/ 初馏点 / 95 酚含量 /% 90 酚油馏分是煤焦油蒸馏时切取的馏程为 170 210的馏出物。其产率为无水煤焦油的 煤焦油中的酚 40 50集中在这段馏分中。如表 1表 1密度（ 20） / 初镏点 / 170 酚含量 /% 28 200前馏出量 /% 80 萘含量 /% 95 萘油馏分是煤焦油蒸馏时切取的馏程为 210 230的馏出物。其产率为无水煤焦油的 10% 3%。煤焦油中的萘 80% 85%集中在萘油馏分中。如表 1表 1密度（ 20） / 初镏点 / 205 萘含量 /% 75 230前馏出量 /% 85 酚含量 /% 95 洗油馏分是煤焦油蒸馏时切取的馏程为 230 300。 产率为无水焦油的 主要组分有甲基萘、二甲基萘、苊 (e)、联苯、芴、氧芴、喹啉、吲哚和好高沸点酚等。 如表 1表 1 4 密度（ 20） / 初镏点 / 230 萘含量 /% 85 酚含量 /% 22 72 205 230前 85%， 270前 95% - 洗油馏分 20 230 300前 88% - 一蒽油馏分 5 270 300前 10%， 360前50 60% - 二蒽油馏分 3 - 360前 20% - 萘油混合分 - - 1 轻油 5 - 90 180前 90% - 25 续表 3目 闪蒸重油 二蒽油 一蒽油 脱酚酚油 轻油 甲苯不溶物 含量 /% 含萘 /% 30 含酚 /% 5 180 前馏出量（体积分数） / % 90 注：一蒽油水分 ，只作计量依据，超出技术要求规定部分扣量计算，水分大于 报废。 表 3减压蒸馏主要操作指标 沥青换热器煤焦油出口温度 120130 脱水塔顶部温度 100110 脱水塔管式炉煤焦油出口温度 250260 常压塔顶部温度 170185 萘油馏分侧线温度 200210 常压塔管式炉煤焦油出口温度 360370 减压塔顶部压力 艺存在问题 原料焦油的主要问题是水分不稳定，乳化时有发生，脱水较为困难，且焦油渣较多。焦油渣被带入焦油蒸馏系统，可造成管式炉、馏分塔堵塞。 管式炉的辐射段炉管沿炉壁圆周均匀分布，可兼受对流及辐射两种传热方式的作用。由于长时间高温加热，管式炉辐射段炉管出现结焦现象，严重时甚至会堵塞整个炉管，造成非正常停产。 馏分塔采用泡罩塔盘，容易引起塔盘和降液管堵塞。清塔时发现，一 般 26 馏分塔油汽入口下 3 层塔板降液管易堵，经过化验堵塞物， 60%为铁锈，其余为高温聚合物。馏分塔清理难度大，用时长，费用高。 焦油在加热过程中会产生腐蚀性物质，相关工艺管道长时间在高温腐蚀性液体流速快、压力相对较高的环境下会逐渐被侵蚀、冲刷变薄而泄漏，导致非正常停工。 27 第 4 章 工艺计算 备选择要点 筒管式炉 （ 1）合理确定一段（对流段）和二段（辐射段）加热面积比例，应满足正常条件下，二段焦油出口温度 400 410 时，一段焦油出口温度在 120130 之间的要求。 （ 2）蒸汽过热管可设置预一段或二段，要合理确定加热面积。当蒸气量为焦油量的 4%时，应满足加热至 400 450 的要求。 （ 3）辐射管热强度实际生产波动在 18000 26000 千卡 /米 2时，设计宜采用 18000 22000 千卡 /米 2时，对小型加热炉，还可取低些。当选用光管时，对流段热强度一般采用 6000 10000 千卡 /米 2时。 （ 4）保护层厚度宜大于 200 毫米，是散热损失控制在 3%以内。 （ 5）火嘴能力应大于管式炉能力的 。火嘴与炉管净距宜大于 900 毫米，以免火焰添烧 炉管。 （ 6）辐射管和遮蔽管宜采用耐热钢（如 ）。 分塔 （ 1）根据不同塔径确定塔板间距，见表 4 表 4板间距 塔径（ 800 900 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 板距（ 350 350 350 350 400 400 450 450 450 450 400 400 450 450 500 500 500 500 （ 2）进料层的闪蒸空间宜采用板距的 2 倍。 （ 3）降液管截面宜按停留时间不低于 5 秒考虑 。 （ 4）塔板层数应结合流程种类、产品方案、切取制度及其他技术经济指标综合确定。 28 料衡算 原始数据： 年处理量 24 万 t/a 原料煤焦油所含水分 4% 年工作日 330 日， 半年维修一次 每小时处理能力 w 按 30303 算 表 4煤焦油馏分产率 % 馏分 轻油 酚油 萘油 洗油 一蒽 油 二蒽 油 苊油 沥青 产率 2 5 17 5 3 56 个流程的物料衡算 表 4整个流程的物料衡算 输入 (kg/h) 输出 (kg/h) 共计 煤焦油水分： 水煤焦油： 0303 轻油： 油： 油： 3% 油： 12% 油： 5% 蒽油： 17% 蒽油： 5% 青： 56% 脱水塔蒸出的煤焦油的水分： 30303 4% 0303 输入物料量等于输出物料量，故满足物料衡算的要求。 29 要设备的物料衡算 输入物料量： 无水煤焦油 30303 (1 4%) 29090.9 kg/h 输出物料量： 轻油 h 焦油 h 共计 29090.9 kg/h 输 入物料量等于输出物料量，故满足物料衡算定律。 输入物料量： 从一段蒸发器来的焦油量 29018.2 kg/h 输出物料量： 轻油 h 馏分 (1 h 共计 29018.2 kg/h 输入物料量等于输出物料量，故满足物料衡算定律。 输入物料量： 来自二段蒸发器顶部的馏分 28945.4 kg/h 输出物料量： 酚油 h 萘油 12% h 馏分蒸汽 (1 12% h 共计 h 输入物料量等于输出物料量，故满足物料衡算定律。 30 输入物料量： 来自蒽塔的馏分蒸汽 25018.2 kg/h 输出物料量： 一蒽油 17% h 二蒽油 5% h 沥青 56%=h 洗油 5% h 苊油 3% 872.7 kg/h 共计 h 输入物料量等于输出物料量，故满足物料衡算定律。 要设备计算 式炉 已知条件： 焦油温度 一段入口 85 一段出口 125 二段入口 110 二段出口 405 过热蒸汽出口 450 焦油含水量 一段，按焦油量的 3%计 30303 3% h 二段，按焦油量的 30303 91kg/h 过热蒸汽量，按焦油量的 4%计 30303 4% 1212.1 kg/h 经管式炉一段后轻油蒸发量，按无水煤焦油的 72.8 kg/h 一段焦油加热 加热焦油耗热量： 30303 96% ( ( 2199272kJ/h 31 式中 原料煤焦油 125时的热焓， kJ/ 原料煤焦油 85时的热焓， kJ/ 加热及蒸发一段焦油水分耗热量（按二段焦油含水量为零计）： ( (357) h 式中 水蒸气 125时的热焓， kJ/ 357 水 85时的热焓， kJ/ 蒸发轻油耗热量： h 式中 轻油蒸发量， kg/h 轻油汽化热， kJ/段焦油加热总耗热量： 2199272+2150039+h 过热蒸汽加热量 加热蒸汽耗热量： ( 744229.4 kJ/h 式中 6kg/压）饱和水蒸气过热至 450时热焓： kJ/ 6kg/压）饱和水蒸气热焓： kJ/ 二段洗油加热 加热焦油耗热 量： ( (966 168) h 式中 966 焦油 380（即一次蒸发温度）时热焓， kJ/ 168 焦油 110， kJ/ 加热二段焦油中水分耗热量： 91 h 式中 3285 405水蒸气热焓， kJ/ 110水蒸气热焓， kJ/ 32 二段 焦油总耗热量： h 管式炉有效热负荷 Q h 加热焦油单位耗热量： 30303 941.7 kJ/负荷比例： 一段热负荷 Q 21 过热蒸汽热负荷 二段热负荷 5 82% 耗煤气量 设管式炉热效率为 75%，则耗煤气量为： Q=h 式中 17640 煤气热值， 吨焦油耗煤气量为： =用有效负荷为 6270MJ/h(350 万千卡 /时 )的标准圆筒式管式炉两台。 350 万 千卡时的管式炉规格性能见表 4 一段蒸发器 已知条件： 塔顶温度 105 塔顶压力（绝对压力） 顶出来的物料 33 轻油 h 水分 h 汽相负荷 ： 3 9 3 0 3 1 0 52 7 318 81 0 5 V m3/s 设空塔气速为 0.2 m/s，则蒸发器直径为： 9 3 VD m 故选用 一段蒸发器一台。 表 4350 万千卡 /时焦油蒸馏圆筒管式炉规格性能 项 目 公称能力 项 目 公称能力 热负荷分布，万千卡 /时 热强度，千卡 /米2 时 辐射段 射段 18200 对流段 流段 8270 过热蒸汽段 热蒸汽段 8820 加热面积，米 2 设备重量，吨 辐射段 属 49 对流段 72 保温材料 40 过热蒸汽段 14 段蒸发器 已知条件： 直接汽量，按焦油量的 1%计算 kg/h 焦油含水量，按焦油量的 算 91kg/h 小计 h 塔顶压力（绝对压力） kg/顶温度 370 34 气相负荷 3 6 0 3 13 7 02 7 318 42 0 9 1 51 8 9 5 11 7 0 91 3 3 1 3 61 2 0 41 0 5 V= s 式中 分别是轻油、酚油、萘油、苊油、一蒽油、二蒽油等馏分产量及水气量， kg/h； 105、 120、 133、 170、 189、 209、 18 分别是轻油、酚油馏分、萘油混合馏分、苊油馏分、一蒽油馏分、二蒽油馏分及水气的分子量。 采用空塔气速为 0.2 m/s，则蒸发器直径为： D= V =选用 二段蒸发器一台。 油塔 酚油塔采用酚油进行回流。 已知条件： 从二段蒸发器来的直接蒸汽量 h 塔顶压力（绝对压力） kg/顶温度 257 回流量 30303 =h 回流温度 85 酚油馏分汽化热 321.3 kJ/油馏分平均比热 085 kJ/ 0257 kJ/ 蒸发回流所需要的热量： Q= 5 1 3 =kJ/h 35 内回流量： 1 6 3 2 3 1 Q=h 塔顶汽相负荷： 1 1 51 8 9 5 118 71 7 0 7 7 91 3 3 1 3 61 2 04 5 4 . 5 0 2 7 3 2 5 72 7 3 =s=h 汽相重度 ： V=相重度 ： 202 5 70 0 0 90 kg/中 计算系数； 苊油馏分 20时的比重。 液相负荷： 3600189010778 s 空塔气速： m a x= =s 式中 系数，根据不同板间距求得（当板间距是 400，求得 1）。 适宜空塔气速按 36 空W m/s 计算塔径： D=空 4-5 酚油塔的规格与技术特性 项 目 规 格 项 目 规 格 高度， 重量， t 塔板层数 精馏段 提馏段 泡罩形式 泡罩个数 泡罩齿缝高度， 每层塔板齿缝面积 降液管截面积， 3m 16000 4 19 5 条形 10 25 距，毫米 馏分侧线的踏板编号（由下往上） 萘油 酚油 操作重量， t 450 16、 18 塔顶 58 分塔 已知条件： 直接蒸汽量 从二段蒸发器来的 h 进入馏分塔的，按焦油量的 h 小计 871.7 kg/h 塔顶压力（绝对压力） 顶温度 105 冷回流量 30303 %40 h 37 回流温度 30 洗油馏分汽化热 395.2 kJ/油馏分平均比热 0110 030 蒸发回流所需要的热量： k J / 7 7 2 0 1 2 1 Q 内回流量： 塔顶汽相负荷： 汽相重度 ： V kg/相重度 ： 12 kg/中 计算系数； 轻油馏分 20时的比重。 液相负荷： 36001812 6 4 2 s 空塔气速： m a x 38 = =s 式中 0C 系数，根据不同板间距求得（当板间距是 450，求得 0C = 适宜空塔气速按 空W m/s 计算塔径： D= 空120设备系列，故选用 200馏分塔， 表 4项目 规格 项目 高度，毫米 29000 板距，毫米 450 重量，吨 蒽油 34 塔板层数 47 苊油 7 精馏段 42 洗油 塔顶 提馏段 5 一蒽油 25 39 段轻油冷凝冷却器 已知条件： 物料量 轻油 h 水蒸气（按一段蒸发器底焦油含水量为零计） h 物料温度 入口 105 出口 30 轻油平均比热 冷凝阶段放出的热量： 7 4 6 5 5 aQ kJ/h 式中 水蒸气汽化热； 轻油汽化热。 冷却阶段放出的热量： 0105(h 热量小计： Q=b=h 冷却水（入口 25，出口 40）用量 t/h 冷却段水温升高至： 6 0 7 1 2 925 对数平均温度差 t ： 油汽， 105 30105 冷却水， 4 0 2 6 . 8 8 2 5 40 65 5 冷凝段： 17 8 . 1 2 6 5 7 1 . 47 8 . 1 22 . 3 l 冷却段： 27 8 . 1 2 5 2 6 . 67 8 . 1 22 . 3 l 需要换热面积 F： 50h，即 630kJ/h； 100 h，即 420 kJ/h 冷凝段： 0 7 4 6 5 61 F 却段： 0 7 1 2 92 F 21 选用的 1 75凝冷却器 段轻油冷凝冷却器 已知条件： 物料量 轻油 1632=h 水蒸气（按一段蒸发器底焦油含水量为零计） h 物料温度 入口 105 出口 30 轻油平均比热 30110 冷凝阶段放出的热量： 9 1 3 9 5 7 0 4 aQ kJ/h 41 式中 水蒸气汽化热； 轻油汽化热。 冷却阶段放出的热量： 1 9 2 4 7301 0 9301 0 59 7 7 0 4 bQ kJ/h 热量小计： Q=b=kJ/h 冷却水（入口 25，出口 40）用量 81 0 0 1 0 6 4 5 t/h 冷却段水温升高至： 1 9 2 4 725 对数平均温度差 t ： 油汽， 105 30105 冷却水， 65 5 冷凝段： t 冷却段： t 需要换热面积 F： 50 h，即 630h； 00 h，即 420 h 冷凝段： 9 1 3 9 71 F 42 冷却段： F 21 33.6 萘油冷凝冷却器 已知条件： 物料量 h 物料温度 入口 185 出口 70 物料比热 物料放出热量 (185h 对数平均温度差 t = 换热面积（取 K=420 h） 0 8 1 9 0 F 却水（入口 32，出口 45）用量 0 8 1 9 0 t/h 选用换热面积为 2301 m 冷却器一台。 油冷凝冷却器 已知条件： 物料量 h 物料温度 入口 185 出口 70 物料比热 43 物料放出热量 (185h 对数平均温度差 t = 换热面积（取 K=420 h） 5 9 4 4 F 却水（入口 32，出口 45）用量 0 5 9 4 4 t/h 选用换热面积为 2151 m 浸没式冷却器一台。 44 第 5章 主要设备的计算及选型 板数的计算 将全塔分为三段，每段取三个组分 为计算方便，同时考虑到萘在焦油中的特殊地位，馏分塔的三段分配组成及平均相对分子质量分别如下表： 表 5分塔三段分 配组成 K 段分布 组分 相对分子质量 组分 相对分子质量 组分 相对分子质量 上段 洗油馏分 135 苊油馏分 170 蒽油 192 苊油馏分侧线以上部分 中段 洗油 + 苊油馏分 146 蒽油 192 甲基苯的同分异构体 201 两侧线之间 下段 洗 +蒽 +苊油馏分 177 蒽油 192 沥青 212 蒽油馏分侧线至加料板之间 表 5量流量 流入 /（ kg/h) 流出 萘含量占无水焦油百分数 组分 质量流量 /（ kg/h) 油馏分 5% 苊油馏分 % 11% 蒽油馏分 6400 22% 20% 沥青馏分 5% 45 表 5尔流量 组分 相对分子质量 摩尔分数 /% 洗油馏分 135 35=油馏分 170 70=油馏分 192 6400/192=青馏分 212 12=计 00 洗油 馏分 +苊油 M 轻油 +酚油 +萘油馏分 M 段的计算 表 5段物料衡算 流入 流出 质量流率（ kg/h) 顶 底 尔流率（ h) 顶 底 青中，萘的含量取为沥青质量 10%，萘为轻组分（ 记为组分 A。根据沥青的主要成分，取苊为重组分（ 记为组分 B，含量为洗油量的10%。进料中萘的含量取为进料的 23%，苊的含量取为无水焦油的 3%。则质量守恒： 萘： 23%=10% 16290.9+ 46 解得 苊： 3% 10%+ 解得 表 5键组分 萘（ A M=128 苊 （ B M=154 进料 kg/h h w% kg/h h w% 3% % 出料 塔顶 塔底 0% 0% 进料板温度 220，塔顶温度 199，塔底温度 230 根据饱和蒸汽压计算 萘： t ( T完全理想体系 3321 计算结果如下 表 5对挥发度 萘苊 塔顶 料板 底 47 ()( 由于假设误差太大则理论板数取为 3 块，塔板效率取 实际板数为 N P 进料板位置 的确定 21,馏段 得 x=为 6 故进料板为从下向上数第 6 块板 段的计算 相当于在塔底进料，只有精馏段 表 5段物料衡算 流入 流出 质量流率（ kg/h) 顶 底 6400 摩尔流率（ h) 顶 底 取 甲酚为 为 C，萘为 为 D。 48 进料中：甲酚的含量为无水焦油的 萘的含量为进料的 25% 出料中：塔顶甲酚的含量占出料的 20%，塔底萘的含量占出料的 7% 质量守恒： 甲酚： 6 4 0 2 7% 0 9 0% 萘： 2 76 4 0 0% 2 7%25, 表 5键组分 甲酚（