毕业设计（论文）-20000吨年乙胺装置分离系统工艺设计.pdf

毕业设计说明书 作者：辛清炜学号：201330450133 院系：化学工程学院 专业：能源化学工程 题目： 20000 吨/年乙胺装置分离系统工艺设计 指导者：李强实验师 评阅者： 2017 年 6 月吉 林 摘要 I 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 模拟软件， 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。并绘制出带控制 点的工艺流程图、设备布置图以及管道布置图。 关键词：乙胺；精馏；ASPEN 软件；工艺设计 东北电力大学学士学位论文 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 products. 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 balance, 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 control point, the material map, equipment layout and piping layout. Key Words：Ethylamine；Distillation；ASPEN；Process planning 目录 III 目录 摘要I Abstract.II 目录.III 第一篇设计说明书.1 第 1 章绪论.1 1.1乙胺性质概述1 1.2乙胺的用途2 1.3国内外研究现状2 1.3.1国内现状.2 1.3.2国外现状.2 1.4储存注意事项2 1.5防护措施3 1.6原料规格3 1.7生产制度3 第 2 章乙胺的生产工艺.4 2.1乙胺的生产方法4 2.2乙醇氨解法4 2.2.1乙醇加压氨解.4 2.2.2乙醇常压加氢氨解.5 第 3 章工艺流程叙述.6 3.1乙胺生产、分离工艺概述6 3.1.1生产工艺.6 3.1.2分离工艺.6 3.2乙胺工艺流程叙述7 3.2.1合成工段.7 3.2.2分离工段.7 东北电力大学学士学位论文 3.3主要工艺流程简图8 第 4 章生产工艺中的三废.10 4.1工业三废概述10 4.2三废处理10 第 5 章厂址选择.11 5.1概要11 5.2吉林市的自然条件11 5.3建厂位置12 第 6 章公用工程指标.14 第 7 章经济评价.15 7.1化工技术经济评价分析的意义15 7.2乙胺项目经济评价15 7.3建设投资估算15 7.4流动资金15 7.5建设项目总投资16 7.6总成本费用16 7.7利润总额16 7.8经济评价结果16 7.9企业及社会效益17 第二篇设计计算书.18 第 1 章物料衡算.18 1.1物料衡算概述18 1.2计算依据18 1.3物料衡算模拟方法19 1.4设计任务要求19 1.5反应器物料衡算20 1.5.1计算中物质的分子量和已知条件.20 1.5.2进料量的计算.21 1.5.3循环量的计算.22 目录 V 1.5.4利用 aspen 进行模拟22 第 2 章热量衡算.33 2.1热量衡算应遵循原则33 2.2反应器热量衡算33 2.3分离工段热量衡算35 第 3 章二乙胺塔 T103 设备计算.41 3.1二乙胺塔工艺设计41 3.1.1产品浓度的计算.41 3.1.2平均相对挥发度的计算.42 3.1.3最小回流比的计算和适宜回流比的确定.42 3.1.4物料衡算.43 3.1.5操作线方程.43 3.1.6实际塔板数及实际加料位置.44 3.1.7物性参数计算.44 3.2精馏塔的塔体工艺尺寸计算46 3.3溢流装置的计算48 3.4塔板布置50 3.5塔板流体力学计算52 3.6淹塔53 3.7雾沫夹带54 3.8塔板负荷性能55 第 4 章塔附件设计.60 4.1塔体总体高度设计60 4.2塔顶封头60 4.3塔顶部空间高度61 4.4塔底部空间高度62 4.5进料板处间距62 4.6人孔62 4.7裙座62 东北电力大学学士学位论文 4.8塔体总高度63 4.9除沫器63 4.10其他塔塔高的确定64 第 5 章塔顶冷凝器选型计算.65 5.1列管换热器选择形式65 5.1.1脱氨塔 T101 塔顶冷凝器选型计算.65 5.1.2一乙胺塔 T101 塔顶冷凝器选型计算.67 5.1.3二乙胺塔 T103 塔顶冷凝器选型计算.69 5.2对冷凝器选型是否合理性进行检验计算71 5.2.1管程流动阻力.71 5.2.2冷凝器内流体的流动阻力.73 第 6 章塔底再沸器的计算选型.77 6.1列管换热器选择形式77 6.1.1脱氨塔 T101 塔釜再沸器选型计算.77 6.1.2一乙胺塔 T102 塔釜再沸器选型计算.79 6.1.3二乙胺塔 T103 塔釜再沸器选型计算.81 第 7 章塔顶回流罐选型.84 7.1T101 脱氨塔的塔顶回流罐的选型.84 7.2T102 一乙胺塔的塔顶回流罐的选型.84 7.3T103 二乙胺塔的塔顶回流罐的选型.85 第 8 章泵的选型.86 8.1泵的选型依据86 8.2泵的选型原则86 8.3进料泵的选型87 8.3.1T101 脱氨塔进料泵中流体流动状态87 8.3.2进料管阻力系数.87 8.3.3进料泵的选择.89 第 9 章塔接管选型.90 9.1T101 脱氨塔的塔接管选型.90 目录 VII 9.2T102 一乙胺塔的塔接管选型.91 9.3T103 二乙胺塔的塔接管选型.93 结论.95 参考文献.96 附录 A主要符号说明. 97 附录 B主要设备表. 98 致谢.100 第 1 章绪论 1 第一篇设计说明书 第 1 章绪论 乙胺，密度比水小1；是透明无色的液体；气味与氨类似；有毒；PH 大于 8， 是碱性液体；有强烈刺激性，能刺激眼睛、皮肤等各个身体器官。主要作为农药、 医药、染料的中间体，然而在我国乙胺主要用在农药方面，用途还非常单一，发 展乙胺的其他用途行业。 1.1乙胺性质概述 乙胺是无色、透明液体，其蒸汽在空气中会与其他气体形成爆炸物，当温度 过高或有火星时会爆炸。与氧化剂接触会产生剧烈反应，密度大于空气。 外观和性质：无色、液体易挥发。 在光下不稳定，被 139201紫外线照射，会发生分解，生成氢、氯、氨等物 质。其中一乙胺是无色透明或浅黄色易挥发性液体，能与水互溶。 表 1-1 乙胺化学性质 项目性质 熔点-81 沸点17 相对密度相对密度 0.81 g/mL at 20 C 蒸汽压874 mm Hg （ 20 C） 折射率n20/D 1.384 闪点48 溶解性溶于水、乙醇、乙醚 危险性本品易燃，具刺激性 东北电力大学学士学位论文 2 1.2乙胺的用途 乙胺在我国主要用于农药生产2。 其一乙胺、 二乙胺和三乙胺， 主要用途如下： 一乙胺：主要用于医药、农药和油脂提炼的萃取剂、表面活性剂的中间体、 洗涤剂、抗氧剂、和化妆品等物质。二乙胺：作为有机合成中间体：可制取药物 普鲁卡因、氯喹、尼可刹米、可拉明及磺胺类要，也可用于农药、染料、塑料、 选矿、橡胶促进剂、纺织助剂、金属防腐剂、乳化剂、阻聚剂、杀菌剂、共轭乳 液聚合时的活化剂及抗冻剂等一系列精细化学品3。 三乙胺本身是燃料，用于胺等化合物制备；作为高能染料也在国防上有较广 泛作用。 1.3国内外研究现状 1.3.1国内现状 我国乙胺在 1958 年开始进行规模化生产，但由于当时社会环境，导致无法大 规模生产，以至于到 1989 年产量还是非常少。 1.3.2国外现状 美国在 1977 年乙胺年产量为 17100 吨，33300 吨是 1986 年的乙胺产量。美国 1987 年乙胺的消费所占比:农药占 44%、医药 16%、橡胶助剂 14%、油漆 14%、其 它 12%。欧美等国家主要用乙醇加压加氢的方法，所用催化剂有铜、镍、钴、铂 等金属联产下,在氢气中，于 180 260下进行反应，可制得一乙胺 30.9% 、二 乙胺 57.4% 、三乙胺 11.6% 的产品。 1.4储存注意事项 储存于温度低、通风条件好的库房。远离火星，电火花等火种。 第 1 章绪论 3 1.5防护措施 身体防护：穿胶布防毒衣 手部防护：戴橡胶手套 其他防护：工作地方禁止吸烟。工作完毕，淋浴更衣 食入：用清水漱口。 1.6原料规格 表 1-2 原材料规格 名称指标名称指标% 工业乙醇乙醇含量94.5 H2氧含量99.9 NH3氨含量99.9 1.7生产制度 本车间每年工作是 300 天，约 7200h，放假 30 天。 由于乙胺生产采用连续生产工艺操作，需要长时间不间断的生产，为此工作 采用四班三倒制度，每班员工约为 11 人，其中有一班的单独负责车间维修和卫生 维护等。 车间平面为生产区，包含工段生产、控制室和办公生活区。 第 2 章乙胺的生产工艺 4 第 2 章乙胺的生产工艺 2.1乙胺的生产方法 （1）乙烯氨化法 C2H4+ NH3（C2H5）2NH+ （C2H5）3N 此法在 1947 后未被报道。 （2）卤代烷氨解法 CH3CH2Cl+ NH3C2H5NH2+ （C2H5）2NH+ （C2H5）3N 此法主要受到原料约束，难于发展。 （3）乙腈氢化法 CH3CN+ H2C2H5NH2+ （C2H5）2NH+ （C2H5）N 乙腈为丙烯腈的副产物,但未有相关报道,其主要原因是乙腈来源有限。 （4）乙醛氨化法 CH3CHO+ NH3C2H5NH2+ （C2H5）2NH+ （C2H5）3N 主要是日本在用。 （5）乙醇氨解法 C2H5OH+ NH3C2H5NH2+ （C2H5）2NH+ （C2H5）3N 此法又分为乙醇常压氨解、乙醇加压加氢氨解和乙醇加压不加氢氨解三条路 线2。 2.2乙醇氨解法 2.2.1乙醇加压氨解 在催化剂作用下，以乙醇和液氨为原料，加压反应，得乙胺混合物。并且由 于加压和高温（400）反应导致副反应较多， “三废”量较大，得到的产品乙胺 含量最高只能达到 98%纯度。 东北电力大学学士学位论文 5 2.2.2乙醇常压加氢氨解 其反应式如下： OHNHHCNHOHHC 2252352 催化剂 OHNHHCOHHCNHHC 225252252 催化剂 OHNHCOHHCNHHC 25252252 催化剂 液氨与乙醇、在催化剂作用下反应，这是我国主要生产乙胺的方法。 第 3 章工艺流程叙述 6 第 3 章工艺流程叙述 3.1乙胺生产、分离工艺概述 3.1.1生产工艺 图 3-1 乙胺的生产工艺 工艺技术特点:采用常压连续催化合成工艺技术,其流程简单,设备材料、 结构无 特殊要求,易于普遍推广; 采用连续萃取蒸馏分离流程,可节约能耗4。 3.1.2分离工艺 图 3-2 乙胺的分离工艺 东北电力大学学士学位论文 7 乙胺合成粗产物中，含有 H2、CH4、NH3等气体和一乙胺、二乙胺、乙醇、 三乙胺、水等液体，其沸点依次慢慢升高,三乙胺、乙醇和水会形成共沸物。 3.2乙胺工艺流程叙述 乙胺流程主要包括生产和分离流程。现将流程叙述如下: 3.2.1合成工段 原料乙醇由外管网来，经 V-101 计量后，由原料计量泵 P-101 送往醇预热器 E-101 用中压蒸汽预热到 200，液氨经 V-102 计量后，由进料泵 P-102 送往氨换 热器 E-102 加热到 41.2，换热后的乙醇及液氨与来自循环压缩机 C-101 的循环 氢混合，然后进反应进料汽化器 V-106 进行汽化，最后原料以 176进入反应器 R-101 催化剂床层，反应压力为 1.9Mpa，反应后反应器 R-101 的反应出口温度为 240。 反应产物从反应器下部排出，氢气和氨气体从 R-101 顶部排出后，返回循环 氢缓冲罐 V-0101， 氢气经循环氢压缩机 C-101A/B 升压， 与外来新鲜氢汇合去混和 器 M-101。 3.2.2分离工段 产品分离部分:采用四塔连续操作流程，产品为一乙胺、二乙胺、三乙胺，其 中液氨和乙醇胺可循环利用。 M-101 中液相产物进入过滤器 X-201 过滤渣液后由脱氨塔进料泵 P201A/B 进 入脱氨塔 T101。 脱氨塔 T101:反应产物以 80首先进入分离工段脱氨塔（T-201） ，塔顶经 E-201、V-201 和脱氨塔回流泵回收过量的氨，氨从塔顶蒸出温度为 43.3，之后 这部分氨可以作为原料新鲜氨的补充再次进入合成工段，循环进入反应合成部分 的合成器。其中部分液氨回流再次进塔。塔底反应温度为 166.2压力 1.6Mpa 塔 第 3 章工艺流程叙述 8 底混合物料进入缓冲罐 V-202，压力将至常压后进入一乙胺塔。塔底作为气相回流 部分经过再沸器 E-202 返回塔。 一乙胺塔 T102： 在一乙胺塔中塔顶蒸出的一乙胺经 E-204、 V-203 和 P-203A/B 部分采出部分回流进塔， 塔顶采出一乙胺 55.9经换热将至 50直接去产品储罐。 塔底混合物由一乙胺塔进料泵 P-204A/B 进入二乙胺塔。塔底作为气相回流部分经 过再沸器 E-203 返回塔。 二乙胺塔 T103:在二乙胺塔中塔顶蒸出的二乙胺经 E-205、V-204 和 P-205A/B 部分采出部分回流进塔，塔顶采出的二乙胺为 98经换热将至 50直接去产品储 罐。塔底混合物由二乙胺塔进料泵 P-206A/B 进入乙醇回收塔。塔底作为气相回流 部分经过再沸器 E-206 返回塔。 乙醇回收塔 T104：在乙醇回收塔中塔顶蒸出的三乙胺经 E-207、V-205 和 P-207A/B 部分采出部分回流进塔，塔顶采出的乙醇返回合成系统。塔底的三乙胺 泵 P-208A/B 进入三乙胺成品罐。 塔底作为气相回流部分经过再沸器 E-208 返回塔。 3.3主要工艺流程简图 （1）合成工段 图 3-3 合成工段工艺流程简图 东北电力大学学士学位论文 9 （2）分离工段见下页图 3-4 图 3-4 乙胺分离工段 第 4 章 生产工艺中的三废 10 第 4 章生产工艺中的三废 4.1工业三废概述 工业三废中排放到环境中，会污染环境，并且会影响人民身体健康。 废气指是：CO2、SO2、H2S 和氟化物、雾状硫酸、烟尘及生产产生的粉尘。 固体的废弃物处理不好，也会对环境产生很大的危害。 工业三废大量排放会严重污染环境。1973 年我国公布了“三废”排放标准， 用法令的形式把工业“三废”排出量限制在一定程度之内，使这些污染物在空气、 水等环境中的含量，不超过危害人群、生物、资源、设施的程度，以保护人民的 身体健康，促进国民经济的顺利发展。 4.2三废处理 本设计要坚持环境治理，努力把“三废”消灭在工业生产过程中，经处理后 “三废”要达标才能排放5。 废气控制：生产过程中产生的废气有放空气体。 废水控制：对生产污水进行生化处理。 噪音控制：调节设备，置于单独的生产空间，装隔音板。 第 5 章厂址选择 11 第 5 章厂址选择 5.1概要 厂址选择的基原则： 厂址适宜选在原料供应充足和产品销售方便的地区； 厂址附近水源水量充足而且水质好， 能够满足工人生活用水和工厂生产用水 需要，下游要有污水处理工厂，满足工厂污水排放处理要求，保证三废处理； 厂址交通的方便； 造厂要节约用地，并在工厂中适当留有未被使用的余地； 造厂要关注注自然环境条件，对工厂的生产地方和工人居住地的建设地要 同时选定； 厂址不能布置在下地区。地震断列度 9 度以上的地震区。厚度较大级自 重湿陷性黄土地方。易遭受洪水、泥石流、滑坡等危害的山地； 要在居民住区的下风方向建厂，最好在开发区内建工厂； 厂址要靠近热电供应所，尽量满足工厂供电供热等要求； 厂址选择要综合考虑建设成本和运营成本问题。 5.2吉林市的自然条件 （1）本设计的厂址选择在吉林省吉林市，一般天气条件如下 平均气压745.66mmHg 最高温度36.6 最低温度-38.1 平均相对温度71 最大冻土深度174cm 最大雪深度420cm 平均风速2.7m/s 松花江水温15.0 东北电力大学学士学位论文 12 最高江水温度25.5 （2）水速及水向 最大月平均水速：5.8m/s（4 月） 最大水速：28 m/s 全年平均水速：4.4 m/s （3）工艺用水标准 工艺用水的质量要求达到或接近城市自来水标准。 （4）厂址的选择方案 综上所述，本设计项目厂址选在吉林市。 因为吉林市地处松花江畔，水利资源较为丰富，同时原料交通运输便利。 （5）交通运输条件 当较大型工厂的建设时，如年生产量在 510 万吨以上时可考虑申请铁路专 用线， 或于临时合用。 涉及公路运输时， 可将公路运输委托给专业运输公司承担6。 （6）原料、辅料的供应条件 确定乙胺工厂的厂址时要考虑原料、动力和包装材料的配套供应，一般将厂 建在丙烯生产厂，有利于配套、生产、综合利用和降低成本。 采用园区统一供水，由松花江江水提供，可为本项目提供充足的工业用水。 园区内已经铺设完备的自来水管路，可为本项目提供所需的生活用水。另外，内 部循环使用水节约了大量用水量。 5.3建厂位置 本装置将建于吉林省吉林市龙潭区，详情见下面图 5-1 图 5-1 厂区位置 该厂地处松花江畔，水源充足，水质非常好，同时各处均有多条铁路能贯通 第 5 章厂址选择 13 全国的大江南北，交通便利。并且这里是中国最大的化工生产基地，有生产乙烯、 芳香族化合物的大型车间，原料来源广、充足。旁边有丰满水电站，可以提供电 力和蒸汽；更为重要的是该地位于吉林市东北方向，其主导风向为西南、西北风， 不会影响市区居民的生活环境和附近的工农业生产；在下游方向还有污水处理厂， 能将工业污水进行处理，此地建工厂为最佳。 第 6 章公用工程指标 14 第 6 章公用工程指标 公用工程包含有水（循环水、新鲜水、脱盐水、消防水、生活水） 、电（6KV、 380V、220V） 、汽（4.0、3.0、1.3、0.9、0.35、0.21、0.04） 、风（氮气、压缩空气、 仪表风）系统；密排系统；火炬系统；污水系统；具体规格见表 6-1、6-2、6-3。 （1）蒸汽 表 6-1 蒸汽规格 a）0.8MPa175 b）2.5MkPa225 （2）循环冷却水 表 6-2 循环冷却水规格 名称压力 Map温度 上水0.430 回水0.433 其他0.440 （3）电 表 6-3 电规格 名称参数名称 动力电交流 380v动力电 照明电交流 220v照明电 仪表电源交流 110v仪表电源 第 7 章经济评价 15 第 7 章经济评价 7.1化工技术经济评价分析的意义 企业的决策者，对于新产品的开发、新技术及新设备的采用，并确定最优方 案，分析、论证其主要的经济指标，都的先进行经济评价7。 对于从事化工生产工业生产技术人员来说，在化工产品研究，设计和生产运 营过程，不单单要考虑技术方案优越性，对于化工科研选择方向、现有企业技术 备用方案的制定等，均有重要的作用和意义，有利于把化工科研成功转化为生产 力，取得较好社会效益。 7.2乙胺项目经济评价 依托石油化工企业，年产 20000 吨乙胺项目，主要包括乙胺合成工段、乙胺 精馏工段、原料和催化剂循环利用、工艺水再生工段及相应的辅助设施。 7.3建设投资估算 建设投资费用由以下费用组成。详情估算见表 7-1。 表 7-1 建设投资费用 设备购置费建筑工程费安装工程费主材料费其他费用总计 资金（万元）380010004503503005900 7.4流动资金 按销售收入估算：流动资金=销售收入流动资金率年销售收入。 由物料衡算： 产品一乙胺产量为：11000 吨/年 产品二乙胺产量为：6000 吨/年 东北电力大学学士学位论文 16 产品三乙胺产量为：3000 吨/年 一乙胺市场售价格为：7000 元/吨 二乙胺市场售价格为：8000 元/吨 三乙胺市场售价格为：9000 元/吨 年销售收入为=110007000+60008000+30009000=15200 万元 则流动资金=1520020%=3040 万元 7.5建设项目总投资 设贷款利率为 8.1%，则总投资=建设投资+建设期利息+流动资金 约为 5900（1+8.1%）+3040=9412 万元 7.6总成本费用 总成本费用=原材料费+燃料及动力费+工资及福利费+维修费+折旧费+摊销费 +财务费+其他费用 原料乙醇市场售价格为 1400 元/吨，需要 28000 吨 原料液氨市场售价格为 1200 元/吨，需要 13000 吨 原料氢气市场售价格为 1000 元/吨，需要 0.6 吨 预估总成本费用约为 7000 万元。 7.7利润总额 利润总额=销售收入-总成本费用-税金-其他支出=15200-7000-1500-300=6400 万 7.8经济评价结果 经济评价结果如表 7-2 见下页。 第 7 章经济评价 17 表 7-2 主要经济评价表 序号项目单位数额 1建设投资万元5900 2建设期利息万元472 3税金万元1500 4销售收入万元15200 5总成本费用万元7000 6折旧费万元500 7利润总额万元6400 7.9企业及社会效益 本设计生产的乙胺产品，市场供不应求，拉动市场内需，带动地方经济发展， 取得良好的经济效益和社会效益。 第 1 章物料衡算 18 第二篇设计计算书 第 1 章物料衡算 1.1物料衡算概述 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8。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。 随着世界工业的不断发展，生产过程变得越来越复杂，对于衡量生产过程的 经济性，合理性等问题，便成为组织生产中的重要问题，化工产品的生产也是如 此，生产过程的各项技术指标，例如产品产量，原料消耗量，公用工程的水、电、 气的消耗量，联产品和副产品的数量等都是十分重要的工艺指标，为了衡量其先 进性、经济性、合理性，就要进行化工生产中的局部或全部的物料衡算和热量衡 算。 物料衡算是三算中最基本的，因此进行工艺设计时，首先要进行物料衡算， 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，其特点是连续、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。 物料衡算用定量计算方，计算出流程中进入与离开每一装置设备物流信息。 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。 1.2计算依据 依照质量守恒定律，进入物料质量等于离开物料质量加上积存在设备物料质 量的。得物料衡算式： 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。 东北电力大学学士学位论文 19 根据质量守恒定律，对体系内质量流动与变化的情况用数学式描述物料平衡 方程7。物料平衡方程基本表达式为： F0=D+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 1.3物料衡算模拟方法 本设计为年产 20000 吨乙胺装置分离系统工艺设计，故选择模拟方法关乎整 个设计。本设计中选择了利用 Aspen 进行模拟计算，其好处在于 Aspen 流程模拟 能够严格控制化学过程中质量和能量平衡，Aspen 模拟相比计算更为简单，模拟结 果更容易看懂，故对于本次设计选择 Aspen 进行设计。 1.4设计任务要求 生产原料：工业乙醇（94.5%） 、液氨、氢气 生产规模：20000 吨/年，产品结构一乙胺、二乙胺、三乙胺分别为 11000 吨/年、6000 吨/年和 3000 吨/年。 年生产时间：7200h 合成过程条件：新鲜乙醇原料操作空速 0.22h-1，循环气操作空速 1250h-1， 循环气中液氨含量不低于 25%；热点温度 205，压力 1.6MPa；胺化过程热效应 为-42.37kJ/mol，乙醇单程转化率 88%，一乙胺、二乙胺、三乙胺在粗产品中比例 为 55:30:15（没有副反应） 。 分离过程操作条件： 脱氨塔 1.6MPa、 乙胺产品塔 0.4MPa。 除按要求生产外， 其余二乙胺、三乙胺循环返回合成系统。 公用工程条件： 蒸汽：0.8MPa（G） ，175；2.5MPa（G） ，225； 第 1 章物料衡算 20 冷却循环水：上水 0.4MPa，30；回水 0.4MPa，33（脱氨塔、合成水冷却 器） 、40（其它） 。 工艺技术指标要求：三种产品纯度99.5%。6、公用工程条件： 蒸汽：0.8MPa（G） ，175；2.5MPa（G） ，225； 冷却循环水：上水 0.4MPa，30；回水 0.4MPa，33（脱氨塔、合成水冷却 器） 、40（其它） 。 1.5反应器物料衡算 1.5.1计算中物质的分子量和已知条件 （1）各物质分子的量见表 1-1： 表 1-1物质分子量 物质名称分子量 C2H5OH46 3 NH 17 OH2 18 2 H 2 NHC 72 45 NHC 114 73 NHC 156 101 （2）化学反应方程式： 乙胺生产反应式： C2H5OH+ NH3C2H7N+ H2O 2C2H5OH+ NH3C4H11N+ 2H2O 3C2H5OH+ NH3C6H15N+3 H2O 东北电力大学学士学位论文 21 1.5.2进料量的计算 （1）乙醇胺新鲜进料量： 根据化学反应方程式可得乙醇有三部分消耗计算得： 3 m m1100010 Q=1526.8kg/h T7200 一 乙 胺 一 乙 胺 ： 1 Q Q =M1560.7kg / h M 一乙胺 乙醇 一乙胺 乙醇消耗流量： 2 Q Q =2M1049.8kg / h M 二乙胺 乙醇 二乙胺 乙醇消耗流量： 3 m m3000 10 Q =416.7kg/h T7200 三乙胺 三乙胺： 3 Q Q =3M528.1kg / h M 三乙胺 乙醇 三乙胺 乙醇消耗流量： 乙醇总消耗量：kg/h5 .31381 .5288 .10497 .1560 在生产实际中，乙醇不可能反应完全，为了保证生产量，乙醇的比实际计算 量多，乙醇进料量取值为：3627.63kg/h 所需工业乙醇： Q3627.03 Q=3838.13kg/h n94.5% 实 工业乙醇 纯度 水的含量:3838.13-3627.03=211.1kg/h （2）氨气新鲜进料量： 根据化学反应方程式同理可得，氨气消耗量： kg/h9 .8401 .700 .1948 .576 为了保持乙醇尽可能反应彻底，氨气的过量，由经验可得氨气进料量因是计 算的 2 倍左右，氨气进料量取：1783.54kg/h，氨气进料的实际值往往远大于理论 值。 3 m m6000 10 Q =832.7kg/h T7200 二乙胺 二乙胺： 第 1 章物料衡算 22 （3）氢气进料 氢气为反应助剂，加入少量氢气有助于反应进行，氢气进料取：0.08467kg/h 1.5.3循环量的计算 进过文献查询得到所需乙醇密度为 0.7893kg/l， 则，乙醇的体积流量为： /h66.48627893. 01 .3838L 由新鲜异乙醇原料操作空速 0.22h-1，原料乙醇的体积为： 33 1 .222210322. 066.4862mdm 由循环气操作空速 1250h-1 循环气总量为： hm /2762512501 .22 3 由氨气密度为 0.7710kg/cm3，循环气液氨含量不低于 25% 则，循环氨气的质量流量为： hkg /72.53247710. 025. 027625 由氢气密度为 0.0899kg/cm3 则，循环氢气的质量流量为： hkg /62.18620899. 075. 027625 1.5.4利用 aspen 进行模拟 （1）乙胺合成工段物料衡算 混合器 V101 物料衡算，混合器主要作用是混合乙醇进料，氨气进料，使其 混合，让乙醇和氨气充分接触。在生产实际中，乙醇与氨气反应速度过慢，可以 通过改接触面积，加快其反应速度，混合器的作用主要就是用来增加接触面积。 此次设计的混合器为 V101。 混合器进料图如下页图 1-1。 东北电力大学学士学位论文 23 图 1-1 混合器进出物料图 表 1-2V101 新鲜进料组成表 组分质量分率 wt%质量流量 kg/h摩尔分率%摩尔流量 kmol/h 氢气1.49404E-050.084670.0002151460.042 乙醇0.6452158543627.630.40329839878.7303 水0.0375460372110970.06002428111.7177 氨气0.3172231691783.540.536462175104.726 表 1-3V101 循环回料组成 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0.00218315117.779404550.000305880.385929565 水0.00591867548.201211980.0021206042.675573845 氨气0.6537389765323.997110.248005785312.9098366 氢气0.2287122971862.6143680.735487786927.9677198 一乙胺0.083254722678.01969070.01191953715.03892463 二乙胺0.020014611162.99736490.0017663622.228625155 三乙胺0.00617756850.309613190.0003940470.497170653 第 1 章物料衡算 24 表 1-4V101 出料组成 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0.2647752453644.8094010.05430377679.11624381 水0.01883658259.29819590.00987922414.39323707 氨气0.5163234397107.5395360.286656718417.6358366 氢气0.1353147831862.6990350.63696694928.0097198 一乙胺0.049254381678.01969070.01032241115.03892463 二乙胺0.011840857162.99736490.0015296832.228625155 三乙胺0.00365471550.309613190.0003412480.497170653 反应器 R101 物料衡算，如下表 图 1-2 反应器进出物料图 表 1-5R101 进料组成表 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0.2647752453644.8094010.05430377679.11624381 水0.01883658259.29819590.00987922414.39323707 氨气0.5163234397107.5395360.286656718417.6358366 氢气0.1353147831862.6990350.63696694928.0097198 一乙胺0.049254381678.01969070.01032241115.03892463 二乙胺0.011840857162.99736490.0015296832.228625155 三乙胺0.00365471550.309613190.0003412480.497170653 东北电力大学学士学位论文 25 表 1-6R101 出料组成 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0.032457136446.79431020.0066567599.698363808 水0.1096844851509.8807410.05752624183.81111707 氨气0.4549108886262.1544590.252585315367.9965366 氢气0.1353147831862.6990350.63696694928.0097198 一乙胺0.1606696652211.7260410.03367209849.05754463 二乙胺0.072743491001.3630860.00939750113.69140515 三乙胺0.034219553471.05516470.0031951464.655070653 气液分离器 V102 物料衡算，如下表 图 1-3 气液分离器物料进出图 表 1-7V102 进料组成表 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0.032457136446.79431020.0066567599.698363808 水0.1096844851509.8807410.05752624183.81111707 氨气0.4549108886262.1544590.252585315367.9965366 氢气0.1353147831862.6990350.63696694928.0097198 一乙胺0.1606696652211.7260410.03367209849.05754463 二乙胺0.072743491001.3630860.00939750113.69140515 三乙胺0.034219553471.05516470.0031951464.655070653 第 1 章物料衡算 26 表 1-8V102 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0.00218322317.780915640.0003058920.385962365 水0.00591887648.205346640.0021206872.675803353 氨气0.6537353095324.2437430.248005777312.9243184 氢气0.228710811862.6989930.735486993928.0096987 一乙胺0.083258393678.08480030.01192012915.04036881 二乙胺0.020015575163.0136830.0017664572.228848268 三乙胺0.00617781450.314232290.0003940650.4972163 表 1-9V102 塔底组成表 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0.076318826429.01339460.0477173549.312401443 水0.2600230021461.6753940.41574265181.13531371 氨气0.166848509937.91071660.28219364655.07221821 氢气7.56149E-094.25E-051.08118E-072.11E-05 一乙胺0.272825281533.64124001717583 二乙胺0.149137168838.34940260.05873489111.46255689 三乙胺0.074847207420.74093240.0213051174.157854353 （2）脱氨工段物料衡算 脱氨塔 T101 物料衡算，如下表 图 1-4 脱氨塔物料进出图 东北电力大学学士学位论文 27 表 1-10T101 进料组成表 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0.076318826429.01339460.0477173549.312401443 水0.2600230021461.6753940.41574265181.13531371 氨气0.166848509937.91071660.28219364655.07221821 氢气7.56149E-094.25E-051.08118E-072.11E-05 乙胺0.272825281533.64124001717583 二乙胺0.149137168838.34940260.05873489111.46255689 三乙胺0.074847207420.74093240.0213051174.157854353 表 1-11T101 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1.23E-151.15E-124.55E-162.51E-14 水8.36E-127.86E-097.93E-124.36E-10 氨气0.996126933936.5073480.99853305354.98981525 氢气4.52E-084.25E-053.83E-072.11E-05 一乙胺0.0038730223.6412160590.0014665640.080764578 二乙胺2.31E-102.18E-075.40E-112.97E-09 三乙胺2.16E-152.03E-123.64E-162.01E-14 表 1-12T101 塔釜组成 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0.091646372429.01339460.0664758719.312401443 水0.3122449061461.6753940.57917828381.13531371 氨气0.0002997891.4033686370.0005882270.082402965 氢气5.48E-1622.57E-1589.08E-1611.27E-158 一乙胺0.3268404981530.0000240.24225249833.93641125 二乙胺0.179089236838.34940230.08182459311.46255688 三乙胺0.089879198420.74093240.0296805284.157854353 第 1 章物料衡算 28 （3）分离工段物料衡算 一乙胺塔 T102 物料衡算，见下表 图 1-5一乙胺塔物料进出图 表 1-13T102 进料组成表 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0.091646372429.01339460.0664758719.312401443 水0.3122449061461.6753940.57917828381.13531371 氨气0.0002997891.4033686370.0005882270.082402965 氢气5.48E-1622.57E-1589.08E-1611.27E-158 一乙胺0.3268404981530.0000240.24225249833.93641125 二乙胺0.179089236838.34940230.08182459311.46255688 三乙胺0.089879198420.74093240.0296805284.157854353 表 1-14T102 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4.20E-136.43E-104.11E-131.40E-11 水6.45E-139.88E-101.61E-125.48E-11 氨气0.0009165561.4033686370.0024245630.082402965 氢气0000 一乙胺0.9970817881526.6639790.99634247633.86241556 二乙胺0.0020016553.0647978420.001232960.04190427 三乙胺1.58E-092.42E-067.03E-102.39E-08 东北电力大学学士学位论文 29 表 1-15T102 塔釜组成表 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0.136192551429.01339460.0877698629.312401443 水0.4640165151461.6753940.76470449781.13531372 氨气2.11E-216.64E-183.68E-213.90E-19 氢气0000 一乙胺0.0010590453.3360449150.0006974130.07399568 二乙胺0.265165476835.28460450.10764023711.42065261 三乙胺0.133566413420.740930.0391879914.