8-变温吸附装置设计说明书

广西科技大学光熙大学科学与技术学院(1999年1999年)的science and technology of science and technology(科学与技术学院)2018年“同化技术陕西鼓杯”第12届全国大学生化学设计竞赛变温吸附装置设计手册中国石化化工分公司10万吨/年甲基丙烯酸甲酯项目设计团队：GKD团队团队成员：罗生生李继良曾高康黄天丰郭平指导教师：黄成都郭彦谢庆罗张昆明2018年8月2018年8月GKD中国石化化工分公司10万吨/年甲基丙烯酸甲酯工程温度吸附装置设计指南列表第一章吸附工艺概述31.1吸附的基本原理31.2吸附概念31.3化学吸附41.4物理吸附41.5离子吸附41.6变压吸附51.7温度吸附51.7.1常用温度变化吸附工艺51.7.2再生任务6第二章脱水技术82.1工业气体脱水82.2气体脱水方法分类82.2.1加压冷却和制冷82.2.2膜分离82.2.3吸收分离方法92.2.4吸附分离92.3分钟自身工序(以双塔工序为例)10第三章变温吸附的设计基础113.1吸附剂的选择113.1.1沸石123.1.2沸石的吸附性能123.1.3沸石品种模型123.1.4 3A分子筛性能参数133.1.5 4A分子筛性能参数143.1.6 5A分子筛性能参数153.1.7这个项目使用分钟本身163.2选择过渡期163.2.1吸附剂劣化163.2.2平衡吸附163.3确定再生温度163.4吸附器和隔热设计173.5分钟选择自己的工序173.5.1两个塔式进程任务173.5.2 3塔式操作183.5.3塔式和3塔式比较18第四章吸附设计计算194.1甲基丙烯酸甲酯吸附器计算条件194.1.1吸附器19用于原料气体成分和气体处理4.2计算吸附剂要求194.3确定吸附器大小204.3.1降低床阻P214.3.2再生计算224.4异丁烯尾气吸附计算244.4.1吸附器直径计算244.4.2吸附器长宽比计算254.4.3吸附塔压降计算254.4.5再生气体计算274.4.6冷却气体计算28第五章设备选择305.1分钟自吸附器选择305.2设计准则305.3选择材质305.4气缸和磁头厚度计算305.4.1 MMA分子筛气缸计算厚度：315.4.2 MMA分子筛头厚度计算：315.4.3 MMA分子筛气缸计算厚度：315.4.4 MMA分子筛头厚度计算：315.5工艺设备315.6导热油的选择32第六章吸附塔控制和模拟336.1准备发货336.2吸附阶段336.3双塔转换过程336.4再生步骤3331第一章吸附工艺概述1.1吸附的基本原理吸附是指固体表面对气体或液体的吸入现象，这种对气体或液体有一定吸附作用的固体材料是吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。吸附剂与吸附剂长时间充分接触后，系统平衡，此时吸附剂吸附量称为平衡吸附量。吸附剂对吸附剂的平衡吸附量首先取决于吸附剂的化学组成和物理结构，同时与系统的温度和压力、系统中的吸附材料成分和其他成分的浓度或分压有关。指示特定温度下吸附质的平衡吸附量与浓度或分压的函数关系的曲线图线，称为吸附等温线。同一系统的吸附等温线随温度变化，一般温度越高，平衡吸附量越小。1.2吸附概念流体与多孔固体接触时，流体中的一个或多个成分在固体表面产生积累，这种现象称为吸附。吸附也指物质(主要是固体物质)表面从周围介质(液体或气体)吸收分子或离子的现象。在液体或气体表面产生原子或分子层的现象。根据吸附类型，可分为化学吸附和物理吸附两种类型，目前物理吸附中最广泛使用的技术是离子吸附、变压吸附、变温吸附。1.3化学吸附化学吸附，吸附分子和吸附表面的原子化学反应，产生表面复合体。因此，化学吸附具有一定的选择性。化学吸附容量的大小取决于吸附分子和吸附剂表面原子之间吸附化学结合力的大小。化学吸附的吸附热接近化学反应的反应热，因此比物理吸附大得多，一般在数十kcal/mol上，化学吸附需要一定的活化能，在相同条件下吸附(或解吸)的速度比物理吸附慢1.4物理吸附物理吸附，即由范德华力产生的吸附称为物理吸附，吸附质分子和吸附剂表面分子之间的吸入机制类似于气体的液化和蒸汽的冷凝，在吸附剂表面形成单层或多层分子吸附时，吸附热较低，接近液体的汽化热或气体的冷凝热通常不超过数百cal/mol中的最大数千cal/mol。物理吸附和气体的凝聚现象相似，不需要活化能(需要也很小)，吸附和分析速度快。严格定义的物理吸附是特定成分的集合体。物理吸附的作用力是固体表面和气体分子之间，以及已经吸附的分子和气体分子之间的范德瓦尔斯重力，包括静电力和分散力。物理吸附过程不会产生化学反应，也不会发生电子传递、原子重排和化学键的破坏和生成。由于分子间引力的作用比较弱，吸附质分子的结构几乎没有变化。在吸附过程中，物质不会改变原来的性质，因此吸附力小，吸附的物质像用活性炭吸附气体一样容易再次逸出，提高温度可以将吸附的气体从活性炭表面排出。在气体分离过程中，大部分是物理吸附。上载铜的吸附剂，如活性炭(或活性氧化铝)，具有物理吸附剂的化学吸附特性的吸附性CO或C2H4的特性很强。1.5离子吸附离子吸附(ion absorption)，固体吸附剂在强电解质中吸附到溶质离子上，等于药剂以离子形式吸附到矿物表面。离子吸附分为离子选择和离子交换吸附。吸附剂从电解质溶液中选择性吸附与其组成相关的离子称为离子选择吸附。例如，在KBr溶液中添加过多的agNO3会在AgBr沉淀溶液中产生过剩的Ag和NO3-，AgBr优先吸附带正电荷的Ag，因为Ag是与AgBr组成相关的离子，NO3-是半离子。相反，在AgNO3溶液中加入过多的KBr，生成AgBr沉淀后，如果溶液中有过多的k和Br-，则先吸附AgBr中的Br-，然后带负电，k聚集在AgBr表面附近的溶液中。其中Br-是potentiome，k是半离子。1.6变压吸附压力摆动吸附(Pressure Swing Adsorption)。简单地说，PSA)是一种新的气体吸附分离技术。用简单的技术进一步去除多种杂质成分，产品纯度、工作弹性、自动化水平、低工作成本、长吸附剂寿命、投资性、维护方便性等优点迅速发展，成为空气干燥、氢气精炼、中小型空气分离和其他混合气体分离、精制的主要技术之一。变压吸附实际上是一种通过减压分析可再生吸附剂的吸附方法，循环在室温下完成，压力变化很快，因此循环通常在几分钟，甚至几秒钟内完成。吸附容量不是很高，但吸附剂的利用率高，处理容量大，设备可以少用。变压吸附也成为无热吸附或等温吸附，因为该技术不需要在吸附剂的再生中添加热。此外，吸附剂的感应热泵数一般很小，接近绝热操作的过程，变压吸附的周期很短，吸附热未及时消失，可用于解吸，由于吸附热和吸热，床层的温度变化大体不大，大致可以看作是等温过程。产品纯度高的优点。一般在室内温度和不高的压力下工作，床层再生时不加热，产品纯度高。设备简单，操作方便，维护方便；完全自动化的连续循环作业。所以随着这种新技术的出现，受到各国行业的关注，竞争开发，快速发展，越来越成熟。1.7温度吸附温度变化吸附是利用吸附剂平衡吸附量随温度升高而降低的特性，采用常温吸附、加热解吸操作方式。除了吸附和解吸外，整体变暖吸附工作还包括解吸吸附剂的干燥、冷却等辅助环。温度变化吸附用于大气压力气体及空气水分减少，空气中溶剂蒸汽回收等。如果吸附质是水，可以作为热气体加热吸附剂解吸。如果吸附质是有机溶剂，那么吸附量高时可以加热水蒸气，解吸后冷凝回收。吸附量低的话，将热空气解吸燃烧，或二次吸附后回收。1.7.1常用温度变化吸附工艺固定床温度吸附工艺经常用于煤气干燥、原料气体净化、低浓度溶剂的去除或回收、环流中使用的废气处理等。(1)煤气干燥在石油化工生产中，气体的干燥往往是重要的预处理过程之一。水分经常以催化毒物降低产品质量和产量。天然气在加压下运输时，微量水分和像烷烃、烯烃等有机化合物形成白色的坚硬微晶水合物，阻止管道和磨损压缩机。原材料通过吸附装置后，要求出口气体达到高干燥度，选择吸附剂时要考虑吸附容量、物理机械特性、价格、再生温度、寿命等多种因素。(2)溶剂回收溶剂回收可以在溶剂浓度高的情况下用冷应变法或吸收法回收，吸附法适合低浓度气体(溶剂含量在1-20g/m3范围内)，常用的药物滥用机作为活性炭，具有价格低廉、性质稳定、腐蚀性开吸附能力大的优点。(3)有机溶剂脱水有机溶剂中使用的脱水大部分属于液体吸附，活性氧化铝、分子筛、离子交换树脂等用于吸附剂。(4)废气废水处理工厂废液和生活污水处理都用活性炭、沸石等吸附剂吸附处理。1.7.2再生操作在变温吸附过程中，吸附工作结束的吸附床通过热再加热分析吸附材料后，吸附床冷却到吸附温度，完成循环工作。吸附床的有效吸附容量是在吸附阶段结束时床负载的吸附容量和剩余吸附量的差异，如果有效吸附容量大，则可以减少吸附剂的使用量。温度变化吸附是实现工业化的第一个循环吸附过程，循环运行在两个平行固定层吸附器上。其中一种在环境温度附近吸附溶质，另一种在高温下解吸溶质，使吸附剂床再生。吸附剂吸附希望在常温或低温下吸附的物质，提高温度使吸附的物质从吸附剂中脱出，吸附剂本身同时再生，然后冷却到吸附温度，进入下一个吸附周期。图1-1显示了吸附剂再生方法平衡等温线图例a:温度变化b:变压c:热惰性空气吹扫掠比较变温吸附和变压吸附，变压吸附适用于小型化工企业，该项目以10万/年甲基丙烯酸甲酯为中等规模，用变压吸附装置难以实现大量MMA生产。综合比较的团队最终确定本项目采用温度变化吸附技术，脱水MMA溶液，制造聚合级MMA产品。利用温度变化吸附法处理废气中的异丁烯，可以有效地使用原料异丁烯。第二章脱水技术2.1工业气体脱水如果在工业生产中经常使用多种气体，则气体的水分往往会对气体传递或化学反应等使用过程和结果产生不利影响，也会影响生产设备的安全生产。因此，气体的含水量指标往往严格控制为气体纯度指标以外的重要指标。气体脱水干燥工艺根据不同的气体特性、不同条件的物性、脱水干燥的具体工艺指标综合选择。对煤气脱水过程的正确选择不仅保证了生产装置的安全平稳运行，而且在控制工艺指标的前提下，保持了高效、低消耗的运行，具有良好的经济特性。因此，在工业生产中，必须根据不同的工作条件选择合适的煤气脱水过程。2.2气体脱水方法的分类目前工业中使用的气体水分去除方法主要包括加压冷却、冷冻冷却分离、膜分离、吸收、物理吸附等。2.2.1加压冷却和制冷加压冷却和冷冻冷却分离的相同原理是气体的水蒸气分压超过当时温度下的饱和压力，水蒸气凝结成液态水，然后机械分离液态水，降低气体的水分含量。两者的区别在于加压冷却使用压缩机将气体压力提高到合适的值，将压缩后的气体再次冷却到接近常温。水蒸气的分压超过其温度下的饱和压力，水蒸气的一部分凝结成液体。随着气体水分子的凝结，水蒸气分压降低到等于该温度下的饱和压力，气体中的水蒸气分子不再凝结。然后，用机械方法去除凝结水，然后将气体减压到所需压力，气体就会干燥。冷冻冷却分离使用冷冻机冷却气体，当温度降低时，水蒸气的饱和压力也逐渐降低，水蒸气凝结成液体，排出系统，直到水蒸气的分压以下。气体温度越低，水蒸气凝结的液态水就越多，气体变得越干燥。冷冻冷却方法只适用于压缩空气等干燥度不高的工业气体。2.2.2膜分离膜分离是以有机高分子膜内气体成分的渗透性、扩散速度不同的压力或化学位置能量作为推动力，以水分或特定成分的分离为目的。膜干燥器可以将当前气体的水露点减少到20 30 。气体通过中空油膜时，水分子或特定成分会降低分子的渗透性和扩散速度，从而实现分离，因此不需要消耗电能。膜分离目前主要用于压缩空气干燥及化学领域的气体分离。2.2.3吸收分离方法吸收分离主要利用间醇的吸水性，以洗涤等方法吸收气体水分，达到干燥气体的目的，将气体水分点减少到28 42 ，适合大流量、水分含量高的气体干燥。2.2.4吸附分离吸附分离是在非相变状态下吸附剂的微孔表面积累的成分，不同分子间作用力和主体分子间作用力不同，因此在相界面上流体分子密度与主体密度不同，产生吸附作用。多孔材料颗粒吸附剂有大量比表面积(400 10