【《基于轻烃芳构化法的年产5.7万吨量二甲苯工艺设计》7900字（论文）】

[15]。综上所述，轻烃芳构化法具有流程简单；安全性能高，具有可控性；设备投资少，能量消耗低，本质环保；转化率高，选择性高，能得到理想的产物分布。因此，本设计选择轻烃芳构化法作为二甲苯的生产方法。1.3原料的组成在轻烃芳构化生产二甲苯合工艺中，以C5馏分中5.68万吨以及C5馏分加氢后的1.75万吨，共计74325吨的粗正戊烷为原料。粗正戊烷组成见表1。表1粗正戊烷组成组分含量（wt.%）C40.29正戊烷37.88异戊烷24.511-戊烯8.211，4-戊二烯3.86顺-2-戊烯2.58反-2-戊烯5.232-甲基-1-丁烯14.532-甲基-2-丁烯2.911.4产品的性质二甲苯,分子式为C10H8，是苯环上两个氢被甲基取代的产物，存在邻、间、对三种异构体，无色且透明的液体，具有刺激性气味，密度小于水，易燃、易流动，可与有机溶剂互溶。二甲苯在涂料，树脂，染料和油墨等行业中广泛用作溶剂REF_Ref74256272\r\h[16]。二甲苯化学性质与苯相似，易取代，难加成，可被高锰酸钾氧化。2生产工艺流程本设计选用轻烃芳构化生产二甲苯的工艺流程，对Nano-forming低碳烃芳构化工艺进行改进，最后得到总工艺流程为C5馏分中的粗正戊烷在催化剂Ni-Mo/Al2O3作用下加氢得到轻烃，再和甲醇芳构化（放热）耦合制取芳烃，最后从芳烃中分离出二甲苯。整个工艺流程分C5馏分加氢工段，芳构化反应工段、吸收稳定系统工段、芳烃分离工段四个工段。二甲苯工艺流程图见图1。图1二甲苯工艺流程图2.1C5馏分加氢工段C5馏分加氢工段的主要任务C5馏分中的粗正戊烷进行预处理为后续反应做准备。正戊烷提纯工段主要包括二段加氢单元，高纯正戊烷精制单元。二段加氢单元：来自C5馏分经加压后进入反应器在催化剂间进行二段催化加氢，二段加氢反应器均为绝热反应器，输入流股温度为150℃，压力位3100kPa，产出主要为正丁烷、正戊烷、异戊烷和氢气的混合气。高纯正戊烷精制单元：由反应器（R0101）和反应器（R0102）来的反应产物粗正戊烷先经过气液分离器（V0101）利用氢气与碳四碳五烷烃的沸点差异将多余的氢气通过循环流股返回氢气输入流股进行循环使用，其余分离出来的正丁烷、正戊烷、异戊烷则进入气液分离器（V0102）进一步进行分离。分离出的正戊烷与异戊烷混合物进入脱正丁烷精馏塔（T0101）分离出残余的正丁烷，随后流股进入脱异戊烷精馏塔（T0102）得到较纯的正戊烷流股进入下一工段。C5馏分加氢工段流程图见图2。图2抽余C5加氢工段2.2芳构化反应工段芳构化反应工段的主要任务是利用来自C5馏分加氢工段的粗正戊烷和提供的甲醇在反应器中进行耦合芳构化反应生成二甲苯。来自上一工段的粗正戊烷首先通过换热器（E0201），换热后进入储罐（V0201）与从储罐（V0202）出来的甲醇分别加压后通过混合器（B0201）混合经过一系列换热进入平推流芳构化反应器（R0201）与化学计量芳构化反应器（R0202），反应所的流股经过一系列换热循环及压力处理进入下一工段进行进一步的提纯。芳构化反应工段流程图见图3。图3芳构化反应工段2.3吸收稳定工段吸收稳定系统工段的主要任务是为了二甲苯集中在稳定塔的塔底采出。来自芳构化反应工段的反应产物进入吸收稳定工段，依次进入吸收塔（T0301）、解析塔（T0302）、稳定塔（T0303），提纯反应工段的产物，提高产品质量，随后进入产品分离工段。吸收稳定工段流程图见图4。图4吸收稳定工段2.4芳烃分离工段通过吸收稳定工段的产品流股从稳定塔（T0303）塔底流出进入分离工段的甲苯精馏塔（T0401），通过甲苯与二甲苯的沸点不同进行分离，由塔顶分离出符合产品要求的甲苯，剩余的流股进入分离工段的二甲苯精馏塔（T0402）分离出符合产品要求的二甲苯。芳烃分离工段流程图见图5。图5芳烃分离工段3物料衡算及热量衡算3.1物料衡算工艺设计中，物料衡算根据原料与产品之间的转化关系，计算原料的消耗量，各种中间产品、产品和副产品的产量，生产过程中各阶段的消耗量以及组成。系统的物料衡算以质量守恒为理论基础，研究某一系统内进出物料量及组成的变化。稳定状态过程时，可以简化为：输入=输出-生成+消耗对不稳定过程，又可表示为：输入=输出3.1.1二甲苯精馏塔在Aspen内，输入进料组成后运行流程模拟，二甲苯精馏塔（T0402）进口物料组成见图6。图6二甲苯精馏塔（T0402）进口物料组成流程模拟运行通过后，二甲苯精馏塔（T0402）的物料衡算结果见表2。表2二甲苯精馏塔（T0402）的物料衡算表项目进料塔顶出口塔底出口相态液相液相液相温度（℃）160.92150.42205.00压力（kpa）600131.325191.325体积流量（cum/hr）11.3710.450.80质量流量（kg/hr）8346.467767.431579.02N-C4H100001-C5H10000C-C5H10000T-C5H100002-M-1-B0002-M-2-B000I-C5H12000N-C5H120001,4-C5H8000H2000C1000H2O000C2H4000C2H6000C3H6000C3H8000C4H8000I-C4H10000C6H6000C6H12000C6H14000C7H80.040.040C7H16000C8H107046.617045.960.65C8H18000CO000CO2000CH3OH000C9H121070.30720.66349.63C10H14229.510.76228.75TOTAL11209.9411209.943.1.2C5馏分加氢反应器在Aspen内，输入进料组成后运行流程模拟，芳构化反应器（R0101）进口物料组成见图7。图7C5馏分加氢反应器（R0101）进口物料组成流程模拟运行通过后，C5馏分加氢反应器（R0101）的物料衡算结果见表3。表3C5馏分加氢反应器（R0101）物料衡算表项目进料出料相态汽相汽相温度（℃）150186.68压力（kpa）31003100体积流量（cum/hr）4452.064783.98质量流量（kg/hr）26828.6326828.67N-C4H1066.54366.541-C5H101539.5320.10C-C5H10483.80483.80T-C5H10980.72980.722-M-1-B2724.652724.652-M-2-B543.80543.80I-C5H125029.545029.54N-C5H127478.209808.011,4-C5H8723.820H27258.017171.49C100H2O00C2H400C2H600C3H600C3H800C4H800I-C4H1000C6H600C6H1200C6H1400C7H800C7H1600C8H1000C8H1800CO00CO200CH3OH00C9H1200C10H14003.1.3吸收稳定工段出料降温换热器在Aspen内，输入进料组成后运行流程模拟，吸收稳定工段出料降温换热器（E0304）进口物料组成见图8。图8吸收稳定工段出料降温换热器（E0304）进口物料组成流程模拟运行通过后，吸收稳定工段出料降温换热器（E0304）的物料衡算结果见表4。表4吸收稳定工段出料降温换热器（E0304）的物料衡算表项目进料出料相态温度（℃）49.9640压力（kpa）2831.322831.32体积流量（cum/hr）613.45590.31质量流量（kg/hr）19858.3619858.36N-C4H10001-C5H100.890.89C-C5H1000T-C5H10002-M-1-B002-M-2-B00I-C5H1200N-C5H12212.95212.951,4-C5H800H2973.45973.45C1634.22634.22H2O301.99301.99C2H400C2H62537.512537.51C3H600C3H8770.10770.10C4H800I-C4H10966.83966.83C6H6704.83704.83C6H1200C6H1400C7H84557.164557.16C7H1600C8H106830.146830.14C8H1800CO27.8927.89CO251.3351.33CH3OH00C9H121060.201060.20C10H14228.83228.833.2能量衡算在全工艺段中随着物料从一个体系或单元进入另一个体系或单元，在发生质量传递的同时也伴随着能量的消耗、释放和转化。其中的能量的变换数量关系可以从能量衡算求得。其中能量衡算一个主要依据是热量平衡方程：其中，——表示输入设备热量的总和；——表示输出设备热量的总和；——表示损失热量的总和。对于连续系统：其中，——设备的热负荷；——输入系统的机械能；——离开设备的各物料焓之和；——进入设备的各物料焓之和。3.2.1二甲苯精馏塔在Aspen内，输入图6所示参数并运行，流程模拟运行通过后，二甲苯精馏塔（T0402）的能量衡算结果见表5。表5二甲苯精馏塔（T0402）焓变计算表项目进出流股041104190421相态液相液相液相温度（℃）160.921150.425205.001压力（kpa）60013131913焓流量（kw）-35.7525-32.042-36.9434摩尔流量（kmol/hr）76.987872.36854.61927质量流量（kg/hr）8346.467767.43579.03体积流量（cum/hr）11.374910.45190.809433.2.2C5馏分加氢反应器在Aspen内，输入图7所示参数并运行，流程模拟运行通过后，C5馏分加氢反应器（R0101）的能量衡算结果见表6。表6C5馏分加氢反应器（R0101）焓变计算表项目进出流股01050106相态汽相汽相温度（℃）150186.683压力（kpa）3131焓流量（kw）-2786.78-2786.78摩尔流量（kmol/hr）3874.983832.06质量流量（kg/hr）26828.626828.7体积流量（cum/hr）4452.074783.983.2.3吸收稳定工段出口降温换热器在Aspen内，输入图8所示参数并运行，流程模拟运行通过后，吸收稳定工段出口降温换热器（E0304）的能量衡算结果见表7。表7吸收稳定工段出口降温换热器（E0304）焓变计算表项目进出流股03110312温度（℃）49.964740压力（kpa）28.3128.31焓流量（kw）-5508.47-5671.32摩尔流量（kmol/hr）769.143769.143质量流量（kg/hr）19858.419858.4体积流量（cum/hr）613.454590.3084二甲苯精馏塔的计算及选型4.1设计条件4.1.1.设计温度与设计压力 对于二甲苯精馏塔（T0402）而言，设计压力为1.31bar。安全阀安装在塔顶，安全阀的设定压力必须为正常工作压力的1.05至1.1倍，因此取设计压力为P=1.1×Pw=1.44bar塔顶温度为149℃，设计温度为220℃，根据该操作条件，选择S30408来作为本塔的材料。4.1.2总板数与加料板的确定Aspen模拟中理论板数优化见图9。图9二甲苯精馏塔理论板数优化结果Aspen模拟中进料板优化见图10。图10二甲苯精馏塔进料板优化结果由Aspen模拟结果得出理论板数为20块，理论加料板位置在第9块。4.1.3二甲苯精馏塔塔型与填料的选择二甲苯精馏塔（T0402）采用规整填料的填料塔。因为规整填料具有空塔气速大；压降小的特点REF_Ref74256340\r\h[17]。塔效率高；液气比范围大，耐腐蚀，但持液量较小。4.2二甲苯精馏塔结构设计4.2.1塔径的确定当塔径大于800mm时，增长区间习惯取100mm，所以塔径圆整为1.5mREF_Ref74256380\r\h[18]。填料尺寸不变，Aspen中二甲苯精馏塔设置参数见图11。图11二甲苯精馏塔设置参数4.2.2填料高度的确定如图11所示，各段填料层的高度分别为4.05m、4.95m，故总填料高度为9.00m。4.2.3塔顶空间设计塔顶高HD：HD=1.0m4.2.4塔底空间设计塔底高HB：HB=1.0m4.2.5总高度的确定塔的总高度通过上述部件的高度确定，最后算得塔的总高度为：H=4.2.6接管设计（一）进料接管设计根据Aspen的模拟结果，进料的体积流量为11.37m3/h，取流体经济流速为0.084m/s。则管道内径为：d=根据GB/T8163-2008，选择Φ219×6mm规格的无缝钢管，且该开孔接管在两填料段段段间。（二）塔顶蒸气接管设计根据Aspen的模拟结果，可以得到塔顶蒸汽出口进入冷凝器的流量为9.4m3/h，取气体经济流速为0.10m/s则塔顶蒸汽接管内径为：d根据GB/T8163-2008,选择Φ219×12mm规格的无缝钢管，材料为16Mn，该开孔接管在上封头处。（三）塔底至再沸器液体接管设计根据Aspen的模拟结果，可以得到塔底液体进入再沸器的流量为2.47m3/h,取液体经济流速为0.084m/s。则塔底再沸器液体接管内径为：d根据GB/T8163-2008，选择Φ108×3mm规格的无缝钢管，材料为16Mn，该开孔接管在塔底富余空间筒体处。（四）塔顶回流接管设计根据Aspen的模拟结果，可以得到冷凝器回流进入塔的流量为0.84m3/h，取液体经济流速为0.084m/s。则塔顶回流接管内径为：d=根据GB/T8163-2008，选择Φ57×6mm规格的无缝钢管，材料为16Mn，该开孔接管在第一填料段与塔顶富余空间处。（五）塔底蒸气接管设计根据Aspen的模拟结果，可以得到再沸器气体出口的流量6.36m3/h，取气体经济流速为0.10m/s则塔底蒸气接管内径为：d=根据GB/T8163-2008，选择Φ159×4.5mm规格的无缝钢管，材料为16Mn，该开孔接管设计在下封头处。4.3二甲苯精馏塔的机械设计二甲苯精馏塔的机械设计由SW6软件设计计算。计算结果见图8图8二甲苯精馏塔SW6强度校核5总结本设计为年产5.7万吨二甲苯的工艺设计，通过综合比较，采用以C5馏分中的粗正戊烷为原料，轻烃芳构化生产二甲苯的工艺。根据设计要求，模拟工艺流程并进行工艺计算。同时，绘制了工艺流程图和设备装配图。具体总结如下：（1）通过查阅文献，了解了二甲苯的用途和生产价值。由国内外二甲苯发展情况可知，二甲苯具有良好的发展前景，国内二甲苯消费量呈上升趋势。二甲苯的典型生产方法有催化重整法、轻烃芳构化法、甲苯甲醇烷基化法、甲苯歧化及烷烃转移。通过比较分析，该设计采用轻烃芳构化法生产二甲苯。（2）确定了采用轻烃芳构化生产二甲苯的工艺流程，以粗正戊烷为原料，经过C5馏分加氢工段、芳构化反应工段、吸收稳定工段、芳烃分离工段，最终生产出5.7万吨/年高纯度二甲苯。（3）在此设计中，以二甲苯精馏塔、C5馏分加氢反应器、吸收稳定工段出料降温换热器进行了物料衡算与能量衡算。本设计共消耗了7.4万吨粗正戊烷、甲醇10.5万吨、氢气1824吨，热负荷为-455.71kw。（4）使用Aspen以及SW6软件对二甲苯精馏塔进行了计算与选型。二甲苯精馏塔为规整填料的填料塔，塔径1.5m；塔高15.525m；总塔板数为20，进料板为第9块塔板。（5）最后，绘制了二甲苯合成工艺流程图及二甲苯精馏塔的设备装配图。

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