工业萘精馏毕业设计说明书

双炉双塔工业萘连续精馏工艺系统设计双炉双塔工业萘连续精馏工艺系统设计 摘摘 要要 精萘是有机化学工业主要的芳香族原料，广泛应用于生产合成纤维、橡胶、树脂、 染料以及制取炸药、农药等工业部门，是一种重要的化工原料。而精萘又是经过对工 业萘的精制得到的，目前，除少数厂家根据需要生产精萘外，大部分厂家均生产工业 萘产品，广泛的用途及用量使工业萘的高效生产显得尤为重要。工业萘生产是采用精 馏方法将含萘馏分进行分馏，提取出工业萘产品。精馏方式分为间歇式和连续式两种 工艺流程。原料年处理量决定精馏方式，本套设计将采用与年原料处理量为万吨10.8 已洗酚萘洗三混馏分装置相配套的连续式生产工艺，即双炉双塔工业萘连续精馏工艺 系统。下面的设计过程将对工业萘的双炉双塔连续式精馏工艺流程进行详细的叙述并 对工艺系统中所使用的主体设备工业萘初馏塔和工业萘汽化冷凝冷却器进行全面 的设计选型及校核计算。 关键词：关键词：工业萘；双炉双塔连续精馏工艺；工业萘初馏塔；工业萘汽化冷凝冷却器 Design of two-furnace towers continuous distillation process of industrial naphthalene Abstract Naphthene is the major aromatic industrial raw materials in organic chemistry industry, widely used in production of synthetic fiber, rubber, resins, dyes and the production of explosives, pesticides and other industrial sectors,as the fine naphthalene is produced by refining industry naphthalene. At present, in accordance with the exception of a few manufacturers need to produce the fine naphthalene, most manufacturers have production of industrial naphthalene products, a wide range of industrial uses and the large demands of the naphthalene make it particularly important to efficient production. Industrial naphthalene production is the use of naphthalene distillation method for fine naphthalene of naphthalene distillates. The common distillation method is divided into two,that are intermittent and continuous process. The way of distillation will be decided by the handling capacity of raw materials,and this set of design Chooses the continuous production process supporting the devices producing the materials which will be used for the handling capacity of 10,800 tons mixed three fractions: washed phenol naphthalene and washed oil, that is, two-furnace towers continuous distillation process of industrial naphthalene. The fellowing design process will focus on a detailed description of two-furnace towers naphthalene continuous distillation process and the main equipment used in the system - the primary industrial naphthalene distilled tower and industrial naphthalene vaporization condensation cooler conducts a comprehensive Selection and Verification calculation. Key words: industrial naphthalene; two-furnace towers continuous distillation process of industrial naphthalene; primary distillation tower for the industrial naphthalene; industry naphthalene vaporization condensation cooler 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第一章 引 言.1 1.1 概述 .1 1.2 设计依据 .6 1.3 技术来源 .6 1.4 设计任务及要求 .6 第二章 双炉双塔工业萘连续精馏工艺系统主体设备之一初馏塔.7 2.1 初馏塔的选型 .7 2.2 初馏塔全塔物料衡算 .7 2.2.1 原料处理量.7 2.2.2 原料组成及各组分的含量.7 2.2.3 初馏塔物料平衡.8 2.3 初馏塔操作条件的确定 .9 2.3.1 操作压力.9 2.3.2 操作温度.10 2.3.3 进料状态.13 2.3.4 加热方式.13 2.4 初馏塔所需理论塔板层数及回流比的确定 .13 2.4.1 求最小理论塔板数.13 2.4.2 求最小回流比 Rmin.14 2.4.3 求实际塔板数.14 2.4.4 加料板位置的确定.15 2.5 初馏塔F1 型浮阀（重阀）精馏塔主题工艺尺寸的计算 .16 2.5.1 塔径.16 2.5.2 塔高.18 2.5.3 溢流装置单溢流弓形降液管的堰长.19 2.5.4 弓形降液管的出口堰高.19 2.5.5 弓形降液管宽度和面积.20 2.5.6 降液管底隙高度.20 2.6 塔板布置及浮阀数目与排列 .21 2.7 塔板流体力学验算 .23 2.7.1 干板阻力 .23 2.7.2 板上充气液层阻力.23 2.7.3 液体表面张力所造成的阻力.23 2.7.4 气体通过浮阀塔板的压强降(单板压降).23 2.7.5 淹塔（降液管液泛）校核.24 2.7.6 雾沫夹带验算泛点率.25 2.7.7 严重漏液校核.26 2.8 塔板负荷性能图 .27 2.8.1 雾沫夹带线.27 2.8.2 液泛线.27 2.8.3 液相负荷上限线.28 2.8.4 漏液线.29 2.8.5 液相负荷下限线.29 2.8.6 初馏塔的塔板负荷性能图及操作弹性.30 2.8.7 初馏塔（F1 型浮阀塔）工艺设计计算结果.30 2.9 初馏塔塔体及裙座的强度和稳定校核 .32 2.9.1 材料的选择.32 2.9.2 筒体和封头壁厚计算.32 2.9.3 塔体的强度和稳定校核.32 2.9.4 裙座的强度和稳定校核.33 2.10 各接管尺寸的确定及相应的开孔补强计算 .34 2.10.1 进料管.34 2.10.2 釜残液出料管.37 2.10.3 回流液管.37 2.10.4 塔顶馏出物蒸气上升管.38 2.10.5 循环热油蒸气进口管.38 第三章 双炉双塔工业萘连续精馏工艺系统主体设备之二工业萘汽化冷凝冷却器.39 3.1 工业萘汽化冷凝冷却器的工作原理 .39 3.2 工业萘汽化冷凝冷却器的结构及工作流程 .39 3.3 工业萘汽化冷凝冷却器的关键操作参数及设计条件 .39 3.4 筒体校核 .40 3.4.1 筒体的校核计算.40 3.4.2 水压试验.41 3.5 管箱的选型与校核 .42 3.5.1 封头的选型及校核计算.42 3.5.2 管箱法兰的选型标准.43 3.5.3 垫片的选型及应力校核.44 3.5.4 等头双头螺栓的选型.44 3.6 法兰的选型及校核(以管箱法兰为例) .45 3.6.1 垫片的选型与校核.45 3.6.2 螺栓的选型与应力校核.46 3.6.3 法兰的选型及应力校核计算（以管箱法兰为例）.48 3.7 管板及热管的选型与校核 .53 3.7.1 管板（管板的厚度及布管圆直径的确定）.53 3.7.2 换热管（管子的排列方式及管间距的确定）.56 3.8 应力校核 .59 3.8.1 管板组合应力校核.59 3.8.2 换热管拉脱应力的校核计算.62 3.8.3 壳程圆筒轴向应力校核.64 3.9 工业萘汽化冷凝冷却器附件（折流板）的选型 .64 3.10 工业萘汽化冷凝冷却器各接管的尺寸及相应的开孔补强结果 .66 第四章 双炉双塔工业萘连续精馏工艺系统的其它主要设备转鼓结晶机、管式加热 炉及酚油冷凝冷却器.67 4.1 转鼓结晶机 .67 4.2 管式加热炉 .67 4.3 酚油冷凝冷却器 .68 第五章 双炉双塔生产工业萘的主要操作过程.69 5.1 双炉双塔生产工业萘的开车操作过程 .69 5.1.1 开车前的准备.69 5.1.2 开工和正常操作.69 5.2 双炉双塔生产工业萘的停车操作过程 .70 5.2.1 正常停车.70 5.2.2 紧急停车与暂时停车.70 5.3 双炉双塔生产工业萘的正常操作过程 .71 5.4 双炉双塔生产工业萘过程中的不正常现象及其处理办法（见表 5-1）.72 结束语.73 参 考 文 献.74 致 谢 .76 第一章第一章 引引 言言 1.1 概述概述 萘是有机化学工业主要的芳香族原料，广泛应用于生产合成纤维、橡胶、树脂、 染料以及制取炸药、农药等的工业部门。 萘的资源主要来自焦化萘和石油萘，就其质量来说石油萘大大超过目前的焦化萘， 但从资源量上来说，焦化萘具有优异条件。目前，除少数厂根据需要生产精萘外，大 部分厂均生产工业萘产品。 工业萘一般是指结晶点不小于，萘含量不小于，其他指标符合国家77.595.13% 质量指标的萘产品。我国生产的工业萘主要用于生产苯酐，再以苯酐为原670086GB 料制取各种纤维、塑料、增塑剂、树脂和油漆，例如，聚酯树脂和聚酯纤维、塑料薄 膜形成物和橡胶增塑剂、清漆和磁漆的醇酸树脂等。 含萘馏分富集焦油中的萘是作为工业萘生产的原料。在原料馏分中含有极复杂的 多种组分，有酸性（主要是酚类）中性及碱性（吡啶碱类） ，每类组分又都含有多种单 一组分。为了提高工业萘产品质量及提取这些产品，原料馏分在精馏时，需要进行碱 洗和酸洗。为了脱除酚类化合物，需要进行碱洗，为了脱除吡啶碱类需要用浓度为 的硫酸进行酸洗。由于目前工业萘大部分用于制取邻苯二甲酸酐（苯酐） ，15% 17% 随着苯酐生产工艺的改进，含有少量不饱和化合物的工业萘，对苯酐产品质量及催化 剂性能均无不良影响。因此，现在许多焦化厂都用只经碱洗的原料馏分提取工业萘。 工业萘生产是采用精馏方法将含萘馏分进行分馏，提取出产品工业萘。精馏方式 分为间歇式和连续式两种工艺流程。原料年处理量决定精馏方式，与年处理量为 万吨原料焦油馏分装置相配合的工业萘精馏装置采用连续式生产工艺。10.8 以焦油蒸馏提取出的含萘馏分作为工业萘生产原料，到完成工业萘的生产过程， 一般分为 个阶段，即原料的预处理，初馏和精馏。原料的预处理即将含萘馏分在馏分3 洗涤工段中用碱液或酸液进行化学洗涤处理，脱除原料中的酚类或吡啶类化合物，经 化学处理后的馏分称为已洗萘油馏分或已洗萘洗二混馏分或已洗酚萘洗三混馏分。这 些已洗馏分均可作为工业萘生产的原料进入初馏装置进行精馏。本套设计是将原料已 洗酚萘洗三混馏分中比萘轻的较低沸点组分，如四氢化萘、三甲苯、对甲酚、12 4， 茚等组分作为酚油馏分蒸出。初馏塔残油富集了萘及沸点比萘高的组分，如硫杂茚、 二甲酚、喹啉、甲基萘、二甲基醇、苊等化合物。初馏残油作为精馏阶段的原料， 在萘精馏段，采出工业萘产品，并将比萘重的组分作为精馏残油产品，称为低萘洗油。 随着焦油加工的集中化和大型化趋向，工业萘加工工艺也相应采用大型化和连续 精馏工艺流程。我国大多采用双炉双塔式工业萘连续精馏工艺流程。 双炉双塔工业萘连续精馏工艺流程（如图 1-1 所示）： 图图 1-1 双炉双塔工业萘连续精馏工艺流程双炉双塔工业萘连续精馏工艺流程 1初馏塔管式炉；初馏塔管式炉；2精馏塔管式炉；精馏塔管式炉；3初馏塔；初馏塔；4精馏塔；精馏塔；5酚油冷凝冷却器；酚油冷凝冷却器；6工业工业 萘换热器；萘换热器；7工业萘汽化冷凝冷却器；工业萘汽化冷凝冷却器；8酚油油水分离器；酚油油水分离器；9酚油回流槽；酚油回流槽；10工业萘回流槽；工业萘回流槽； 11工业萘高置槽；工业萘高置槽；12转鼓结晶机；转鼓结晶机；13低萘洗油冷却器；低萘洗油冷却器；14原料油泵；原料油泵；15酚油回流泵；酚油回流泵；16 工业萘回流泵；工业萘回流泵；17初馏塔循环油泵；初馏塔循环油泵；18精馏塔循环油泵；精馏塔循环油泵；19低萘洗油泵；低萘洗油泵；20原料油槽；原料油槽； 21酚油槽；酚油槽；22低萘洗油槽；低萘洗油槽；23残油（低萘洗油）冷却器残油（低萘洗油）冷却器 所谓双炉双塔，是指该流程中采用了两台管式炉、两座精馏塔（初馏塔和精馏塔） 。 该工艺是以经碱洗后温度为的已洗酚萘洗三混馏分作为原料，经静置脱80 90 水后，由原料油泵从原料油槽中抽出，打入原料与工业萘换热器，与从精馏塔14206 顶部来的温度为的萘蒸汽进行换热交换使温度升至，再进入初馏塔4218210 215 。3 原料在初馏塔中的初步分馏，是靠初馏塔管式炉 提供热量产生沿塔上升的蒸汽，1 原料中所含的酚油以气态从初馏塔顶部逸出，进入酚油冷凝冷却器 被水190 2005 冷凝冷却至，再进入酚油油水分离器 ，冷凝液中的分离水从分离器底部排30 358 入酚水槽（以待脱酚） ，冷凝液中的酚油则从分离器上部满流入酚油回流槽 ，由酚油9 回流泵抽出，打入初馏塔 的顶部，以控制塔顶温度，其余酚油从回流槽上部满流153 入酚油槽，送洗涤工序回收加工。21 原料中所含的已洗酚萘洗三混馏分以液态混入热循环油，一起流入初馏塔底储槽， 再由初馏塔热油循环泵抽出，一部分打入初馏塔管式炉 ，被燃料燃烧加热至171 部分气化后，再回到初馏塔下部，供做初馏的热量，另一部分则以270 275 的温度打入精馏塔。230 2354 精馏塔中的已洗酚萘洗三混馏分靠精馏塔管式炉循环加热而进行分馏，其中的2 萘以的气态从精馏塔顶部逸出，经工业萘换热器进行热交换后，再进入工业萘2186 汽化冷凝冷却器被水冷却至，以液态进入工业萘回流槽，部分工业萘7100 11010 由回流槽底部被工业萘回流泵抽出，打入精馏塔的顶部，以控制塔顶温度，其余164 工业萘从回流槽上部满流入工业萘高置槽，再放入转鼓结晶机，便得到含萘1112 的工业萘。95% 流入精馏塔底储糟的残油为温度，被精馏塔热油循环泵抽出，一部分245 250 打入精馏塔管式炉，被加热至部分气化后，又回入精馏塔内部，供做精2275 282 馏的热量。多余的另一部分残油则打入低萘洗油冷却器，被水冷却后的洗油放入油13 库（流程简化图如图 1-2 所示）。 图图 1-2 双炉双塔工业萘连续精馏工艺流程简化示意图双炉双塔工业萘连续精馏工艺流程简化示意图 双炉双塔工业萘实际生产流程中典型的控制环节： TRB，TRR：分别为对通入工业萘初馏管式炉和精馏管式炉煤气流量的调节，目 的是控制管式炉物料的出口温度，同时也为了稳定塔底温度。该环节采用串级控制， 炉膛温度为内环，物料出口温度为外环（如图 1-3 所示）。 图图 1-3 管式炉出口温度控制原理方框图管式炉出口温度控制原理方框图 TU1，TU2：分别为初馏塔顶温度调节和精馏塔顶温度调节，通过调节塔顶回流量 来调节顶部温度，合适的塔顶和塔底温度有利于塔内传质和传热过程的顺利进行。 LR1，LR2：分别为初馏塔低液位调节和精馏塔底液位调节，通过合适的液位调节， 可防止塔底液位过高而淹塔或液位过低中断蒸馏过程的进行（如图 1-4 所示）。 图图 1-4 双炉双塔工业萘实际生产流程中的主控画面双炉双塔工业萘实际生产流程中的主控画面 该工艺流程的特点是：采用两座管式炉分别为初馏塔和精馏塔循环油加热，以控 制塔底的温度。两座塔的塔顶温度均靠调节其回流量来控制，有各自独立的温度制度， 故操作方便，易控制，初馏、精馏操作相互不干扰。但原料质量与组分的稳定性，初 馏和精馏过程中物料流动的稳定性及平衡和温度控制的稳定是工业萘双炉双塔工艺正 常运行的重要条件。当因某一因素不稳定而造成两塔操作紊乱时，需要花上几个小时 的时间进行调整，建立双炉、双塔的物流平衡和使温度稳定。 为了稳定管式炉的操作和工业萘的质量，需注意以下几点： 进料量要均匀稳定。 原料水分稳定并小于，为了减少水分，操作中尽量避免停泵换槽。0.5% 初馏塔和精馏塔残液应连续稳定排放，保持塔底液位稳定，排放量不宜频繁改 变，一般为原料量的。若排放量过少，塔底液位上升，会造成物料和热量20% 25% 不平衡；反之亦然。 严格控制初馏塔温度。若塔顶、塔底温度偏低，则酚油切割不尽，影响精馏塔 操作，若塔顶、塔底温度偏高，则酚油中含萘量增加，既降低了萘的精制率，又容易 堵塞酚油管道，一般由初馏塔切割的酚油含萘量应小于。10% 15% 严格控制精馏塔温度。从塔顶切割工业萘中萘含量应大于，从塔底侧线切95% 割而得低萘洗油中含萘量应小于，从塔底排出的残油含萘量应小于。5%2% 1.2 设计依据设计依据 本设计依据于教科书及煤化工专业相关参考文献的设计实例，对所提出的题目进 行实际工艺分析并做出相应的理论校核计算。 1.3 技术来源技术来源 目前，双炉双塔工业萘连续精馏工艺系统的设计方法大多以严格计算为主，也有 一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏是最常采用的，我们此次所做的校核 计算也采用严格计算法。 1.4 设计任务及要求设计任务及要求 将已洗酚萘洗三混馏分作为精馏工业萘的原料。按年工作日天，每天开动设备300 小时计算，年原料处理量为。具体工艺过程为饱和液体进料（泡点进料）2410.8万吨年 下的双炉双塔连续精馏工艺系统。 第二章第二章 双炉双塔工业萘连续精馏工艺系统主体设备之一双炉双塔工业萘连续精馏工艺系统主体设备之一初馏塔初馏塔 2.1 初馏塔的选型初馏塔的选型 根据设计要求下的生产任务，若按年工作日天，每天开动设备小时计算，30024 年原料处理量为，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产10.8万吨年 过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，则工业萘初馏塔和精馏塔宜选用 浮阀塔（F1 型浮阀（重阀）塔） 。 2.2 初馏塔全塔物料衡算初馏塔全塔物料衡算 2.2.1 原料处理量原料处理量 已洗酚萘洗三混馏分。15000/kg h 2.2.2 原料组成及各组分的含量原料组成及各组分的含量 为计算塔板数，根据相关资料确定的，非现场实际分析数据，列于表 2-1 中： 表表 2-1 已洗酚萘洗三混馏分的组成已洗酚萘洗三混馏分的组成 含 量/% 组 分分子式沸点/相对分子质量 质量摩尔分数hkg /hkmol/ 三甲苯12 4， 129H C161.21021.291.36193.51.53 茚 89H C181.81162.813.244213.64 对甲酚OHC 87 191.51080.150.18522.50.208 四氢化萘 1210H C2071323.453.495173.92 萘 810H C21812852.2754.5784061.3 硫杂茚SHC 68 231.51341.221.36183.51.53 二甲酚OHC 108 2251220.190.2128.80.236 喹啉NHC 79 237.51290.400.415600.465 甲基萘1011H C24314224.6723.543702.726.1 二甲基醇 1212H C26315610.679.15160010.25 苊 1012H C2731542.942.554412.87 合计 10010015000112.1 2.2.3 初馏塔物料平衡初馏塔物料平衡 按表 2-1 所列原料组成，取四氢化萘为轻关键组分，萘为重关键组分，则： 原料中（四氢化萘摩尔分数） ；（萘摩尔分数） 。 1 3.49% f X 2 54.5% f X 借鉴相关资料可设：轻关键组分在馏出物中的浓度为（摩尔分数）0.32 轻关键组分在釜残液中的浓度为（摩尔分数）0.01 对轻关键组分： （2-1）0.320.01112.1 0.0349PW 根据总物料衡算： （2-2） 112.1PW 求解得：馏出物量9/Pkmol h 釜残液量103.1/Wkmol h 馏出物中含四氢化萘量：9 0.322.88/kmol h 馏出物中含萘量：91.533.640.2082.880.742/kmol h 沸点低于四氢化萘的各组分可以认为全部被蒸出，沸点高于萘的各种馏分可以认 为全部留在釜残液中（实际上也接近此种情况） ，则可以列出初馏塔的物料平衡表，见 表 2-2： 表表 2-2 初馏塔的物料平衡表初馏塔的物料平衡表 原 料馏出物（塔顶产品）釜残液（塔底产品） 组分/kmol h摩尔分数/%/kmol h摩尔分数/%/kmol h摩尔分数/% 三甲苯12 4， 1.531.361.5317.000 茚3.643.243.6440.400 对甲酚0.2080.1850.2082.3100 四氢化萘3.923.492.8832.01.041.0 萘61.354.50.7428.24