【《苯乙烯生产工艺中的精馏塔计算案例》5700字】

1绪论苯乙烯生产工艺中的精馏塔计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u16945苯乙烯生产工艺中的精馏塔计算案例 1233701绪论 2173422精馏塔 5103882.1精馏原理 5131022.1.1板式精馏塔 7279002.1.2筛板塔 7255872.1.3连续精馏计算 8159632.2设计方案的确定 8112402.2.1设计任务及操作条件 8319762.2.2设计内容 9197493精馏塔工艺计算 987433.1精馏塔的物料衡算 9255103.1.1产品原料液，塔顶及塔底产品的摩尔分率 9267573.1.2产品原料液，塔顶及塔底的平均摩尔质量 1074233.1.3物料衡算 1063363.2塔板数的确定 11293453.2.1理论板层数NT的求取 11295673.2.2求精馏塔的气、液相负荷 1191043.3精馏塔的工艺尺寸及有关物性数据的计算 1383993.3.1操作压力计算 13205933.3.2操作温度计算 1372593.3.3平均摩尔质量计算 14300413.3.4塔顶塔底液相平均密度的计算 1432303.3.5液体的平均表面张力 1658303.3.6液体平均粘度计算 1793073.4精馏塔的工艺尺寸计算 17255083.4.1塔径的计算 17269113.4.2塔高计算 19236403.4.3溢流装置计算 19201293.5塔板的流体力学的验算 22202483.5.1塔板压降 22220643.6塔板负荷性能计算及负荷性能图 23153933.6.1雾沫夹带线 2368063.6.2液泛线 2321873.6.3漏液线（气相负荷下限线） 24133413.6.4液相负荷上限线与下限线 251绪论图1.4苯乙烯的生产方法（1）环氧丙烷−苯乙烯联产法：此方法的别名又叫做共氧化法，反应的温度区间应该在130℃到160℃之间，压力0.3－0.5MPa，乙苯在反应器内同氧气发生反应，得到乙苯过氧化物，温度和压力分别定在110℃和4.05MPa，同丙烯相互反应，生成环氧基苄醇[14]。通过蒸馏的方式让环氧化反应液产生环氧丙烷，压力无需过多干预，在正常数值即可，温度控制在260℃，脱水最终得到苯乙（2）裂解汽油抽提法：苯乙烯是可以通过一定方式回收利用的，依靠石脑油和瓦斯油蒸汽得到热解汽油，后通过蒸馏方式就可实现苯乙烯的回收[15]。世界上最优秀的裂解装置可以通过一系列操作回收大约2.6万t/a和7.6万t/a混合C8H10。通过这种方式在汽油中收回苯乙烯。收回后再进行后续加工处理，最终可以得到高纯度的苯乙烯产品，后续加氢步骤中的氢气损耗可以一定程度进行控制，还能够让整个工艺的安全程度更上一个台阶，避免工作人员中毒，所得苯乙烯的量也有所提高，优点多多。（3）乙苯脱氢法：这种方法其背后原理是依靠低温背景下的放热反应取代高温背景的吸热反应，把能耗控制在最优的界限内，让效率大幅增高。乙苯脱氢法是目前国内外生产苯乙烯的主要方法，其生产能力约占世界苯乙烯总生产能力的90%[16]。此方法包括乙苯催化脱氢与乙苯氧化脱氢两种。乙苯脱氢法主要解决以往乙苯脱氢所用的催化剂中铈含量较高导致催化剂成本较高，而直接降低铈含量又导致催化剂活性下降的技术问题。影响乙苯脱氢法的因素：①温度的影响；②压力的影响；③空速的影响；该环节的工作设备包括四个精馏装置和一个蒲膜蒸发器组成。首先将粗苯乙烯进入乙苯−苯乙烯分馏塔，进行分离过程，让装置塔顶得到未反应的乙苯和轻组分（苯−甲苯）作为乙苯回收塔的加料。乙苯−苯乙烯分离塔是可以随时加入反应物的，让苯乙烯尽可能不发生自身的凝聚过程，而分离完成后塔底主要是苯乙烯与一部分焦油，将其送回苯乙烯塔，同样能够随时加入反应物，压力条件也与前者一致。塔顶生成物为高纯度的苯乙烯，塔底的焦油用作蒸汽过热器的燃料。再将焦油中存在的苯乙烯提取出来，而剩余部分可以用于反应热量的提供。(该环节的详细过程见图1.5)。图1.5工艺流程图（4）世界上苯乙烯单体的需求和生产能力（Mt）如下表1-3和1-4所示：表1-3全球苯乙烯的需求量地区2009年2010年2011年2012年2013年美国5.8245.4025.6966.0017.52欧洲5.6125.3035.5635.6426.11中东0.3480.3510.3680.3740.5亚洲9.2089.5539.91910.51611.8全球需求合计20.99220.60921.54622.53325.98表1-4全球苯乙烯的实际生产能力地区2009年2010年2011年2012年2012年美国7.327.2757.3177.4278.63欧洲6.1166.1116.1516.4017.18中东0.9451.1951.1951.1952.99亚洲8.7008.8698.9149.3039.608全球需求合计23.2523.49523.96524.64130.09全球苯乙烯的生产能力最快的就是亚洲地区，表1-4的需求量大于表1-3。2精馏塔2.1精馏原理精馏是一种目前使用广泛的用于分离液体混合物的方法[18]。它主要是通过利用需要液体中的物质按其挥发度的不同，在塔中同时多次精馏进行部分的冷凝，实现和提高所有的需要液体物质的精纯度的。尽管精馏通常可以用于液体的分离，但是通过直接改变气体的实际温度或气体压力，它可以被转变成液体并被分离出来；精馏塔可以分为连续精馏和间歇精馏[19]。按实际操作时的压强可分为常压、加压和减压三种精馏。（1）连续精馏：在连续精馏过程中，物料不断进入塔内。它的主要特点之一是处理量大，是最常见的一种操作系统类型。我们主要用这种精馏的方式。（2）间歇精馏：当混合液的精馏分离精度要求相对较高，而且进料液的种类或组成经常发生变化时采用间歇精馏，它同时具有设备操作灵活的特点[20]。区别：两种方式有区别，间歇精馏方式处理量较少的情况下可以采用。最常见的操作类型就是连续精馏，连续精馏特点是处理量较大，所以大部分的设计采用连续精馏方式。本设计也是采用的是连续精馏。精馏段，提馏段：精馏塔中料液加入板称为加料板，加料板以上的部分称为精馏段，加料板以下的部分称为提馏段[21]。间歇精馏只有精馏段而没有提馏段。间歇精馏在工业生产中的应用范围不如连续精馏的应用范围[22]。按塔内填充物的类型分为：①板式塔：从塔顶下来的液体和从塔底上来的气体在塔盘上相互接触，进行各种物质和热量的交换，从而直接实现分离。②填料塔：蒸气和液体之间在填料的表面进行接触，实现分离。图2.1精馏塔流程图精馏的主要设备及它们的作用[23]：（1）精馏塔：将两组接近挥发分分为不同成分的上、下产物；（2）回流泵：由两部分第一部分产品输送泵，第二部分回流泵；（3）冷凝器：产品将从塔顶出口来时为了降温冷凝液相；（4）再沸器：在精馏塔底部安装，为了保持精馏塔底部的热量；（5）回流罐：存储精馏塔塔顶产品；（6）分离罐：液体经过过滤和冷却，循环使用而分离；2.1.1板式精馏塔在精馏操作过程中，常用的是板式精馏塔，板式精馏塔的压降比较大，空塔板的气速较大，塔板精馏效率相对比较稳定，效率高[22]。液-液油气比应用范围较大，常用金属材料。而压降填料塔按空塔尺寸压降，小跨度尺寸压降填料，大跨度尺寸压降填料较小。板式精馏塔又分为弹性溢流和无弹性溢流两大类。溢流方式包括错流式和喷射式两大类，逆流塔板的应用广泛，塔板整体结构单一，板上易产生液面差，生产能力弱。板式塔的结构，关键在于板式塔类型上的不同，结构也不同[23]。板式精馏塔优点：（1）适价低，结构简单；（2）生产能力大；（3）塔板效率高；（4）板上液面落差小，气体压力降低；2.1.2筛板塔孔筛板塔的特点主要是塔板上开很多均匀的筛孔，筛板塔根据孔径的大小而分为两类，分别是小孔径筛板和大径筛板。工业上目前使用比较广泛的筛板是小孔径筛板，大孔径筛板主要使用于某些特殊应用场合或是比如物料分离粘度大，容易产生结焦的物料体系。操作的进行过程中，液体从平台塔顶基板进入，经溢流管逐板下降，并在板上积存液体涂层。气体或者水蒸气从高压塔底进入，经高压筛孔快速上升后穿过冷凝液层，鼓泡的液体形式而排出，因此两相液体能充分互相接触，并相互作用[24]。目前在工业上实际需要应用的各种筛板塔中，气-液两相相互接触的就是鼓泡喷射时的状态。筛板塔优点：（1）结构简单，造价低康；（2）生产量高；（3）所有气体的分散均匀；（4）传质的输送效率高；2.1.3连续精馏计算连续精馏塔的工艺设计的计算，通常按照原料的组成、流量及分离要求，需要确定和计算内容有[25]：（1）根据指定分离要求，确定产品的流量或组成；（2）选择操作条件，选择操作压力、回流比和加料状态等；（3）计算精馏塔的塔板层数、最优的加料位置；（4）使用的精馏塔的型号，确定塔径、塔高及其它塔的构造和操作参数；（5）测定并计算冷凝器和再沸器的热负荷，并确实两者的类型和尺寸；2.2设计方案的确定2.2.1设计任务及操作条件处理量能力：15万吨/年年操作日：330天操作条件：连续精馏塔操作压力：常压设备型式：筛板式本设计产品采用连续精馏流程，饱和的液体蒸汽进行精馏原料。产品上升到塔釜，塔顶的饱和蒸汽由全冷凝器冷凝，部分饱和冷凝物在产品的沸点返回后上升到塔顶，其余部分由安装在产品顶部的冷却器进行冷却后将产品送至储罐。由于本系统设计产品拆卸方便，最小的回流比较小，故操作产品的回流比为最小回流比的一半。塔釜由底部的饱和液体蒸汽间接进入储加热，底部的产品进行冷却后送至储水箱。2.2.2设计内容（1）对苯乙烯的概述生产方法综述；（2）确定设计方案的选择和流程；（3）塔板数的工艺计算；（4）主体设备选型；3精馏塔工艺计算3.1精馏塔的物料衡算（1）产品原料及产品原料：乙苯−苯乙烯乙苯含量≥35%，苯乙烯≤65%产品：苯乙烯进料：35%；塔顶组成>98%3.1.1产品原料液，塔顶及塔底产品的摩尔分率乙苯的摩尔质量：MA苯乙烯的摩尔质量：MBkg/kmolkg/kmolkg/kmol3.1.2产品原料液，塔顶及塔底的平均摩尔质量MfMdMdXW=0.0196×106.16+（1－0.0196）×104.15XW=105.19kg/kmol3.1.3物料衡算F=1000×150000/（330×24）=18939.39kg/h/104.15总物料衡算式：F=D+W易挥发组分的物料衡算：由上面两个公式：kmol/hkmol/h表3-1物料衡算表名称摩尔流量kmol/h名称摩尔流量kmol/hF182.10XF0.345D61.67XD0.9W120.43XW0.01963.2塔板数的确定3.2.1理论板层数NT的求取利用计算相对挥发度，利用公式表3-2苯乙烯精馏塔气液平衡数据表温度/℃110.8115120125130136.2α2.5332.192.0451.8851.8651.842x10.99800.99600.99400.99200.990y10.99910.99800.99680.99570.9945回流比参数R的确定将上表中数据作图的曲线及曲线。在x~y图上，因q=1[3]；=0.9984，=0.9979最小回流比计算如下：取操作回流比：3.2.2求精馏塔的气、液相负荷精馏段的液相流量：L=RDL=4.6×61.67提馏段的液相流量：L1=L+FL1=336.28+182.10=514.38kmol/h提馏段的气相流量：V=(R+1)DV=(4.6+1)×61.67=345.352kmol/h提馏段的液相流量：V1图3.1吉利兰关联应用图3.1用简洁法求理论板层数相对挥发度取其平均值全回流下的最小理论板层数：代入数据解得：Nmin=15.47塔板效率可用噢康奈尔公式：Er=0.49(αμ)-0.245=0.62由图得Y=0.545827－0.591422y+0.002743/X式中：X=(R－Rmin)/(R+1)Y=(N－N带入数据得：X=0.363，NT=25.45，Er=0.62实际的塔板数为：N实=NTEr=25.45/0.62=45块由精馏段的平均相对挥发度算得NT=19，即第193.3精馏塔的工艺尺寸及有关物性数据的计算3.3.1操作压力计算塔顶压力：PD=101.3+4=105.3KPa每层塔板的压降：∆P=0.7KPa进料塔板的压力：PF=101.3+0.7×41=130KPa精馏段的平均压力：Pm=(105.3+130)/2=117.65KPa进料板：PF=105.3+0.7×41=134KPa塔底：PW=130+0.7×21.24=144.84KPa提馏段的平均压力：Pm=(130+144.84)/2=137.42KPa3.3.2操作温度计算塔顶温度：tD=136℃进料温度：tW=145℃进料口温度：tF=141℃精馏段的平均温度：Tm=(136+141)/2=138℃提馏段的平均温度：Tm=(141+145)/2=143℃全塔平均温度：3.3.3平均摩尔质量计算塔顶：y1=XD=0.9796，通过相平衡方程得=0.974MVD·m=0.9796MLD·m=0.974×106.16+（1－0.974）×104.15=106.14kg/kmol进料板：通过计算得到XF=0.345，用相平衡方程得yF=0.453MVF·m=0.453×106.16+（1－0.453）×104.15=105kg/kmolMLF·m=0.345×106.16+（1－0.345）×104.15=104.92kg/kmol塔底：XW=0.0196，yW=0.025Mvw·m=0.025×106.16+（1－0.025）×104.15=104.3kg/kmolMLw·m=0.0196×106.16+（1－0.0196）×104.15=104.22kg/kmol精馏段：Mv·m=（106.15+105）/2=105.5kg/kmolML·m=（106.14+104.92）/2=105.53kg/kmol提馏段：Mv·m=（105+104.3）/2=104.6kg/kmolkg/kmol3.3.4塔顶塔底液相平均密度的计算（1）液相平均密度表3-3组分的液相密度参数表温度/℃100120140160795.2776.2756.7736.4838820801781表3-4基础数据表温度/℃136.32℃141.5℃145.19℃ρ760.3755.2751.43ρ804.5799.5795.8由数据表3-4如：塔顶：kg/m3，kg/m3（136℃）塔顶平均温度：kg/m3进料板kg/m3，kg/m3（141℃）进料板平均温度：kg/m3塔底：kg/m3，kg/m3（145℃）精馏段：kg/m3提馏段：kg/m3（2）塔顶塔底气相平均密度：精馏段：kg/m3提馏段：kg/m3mN/m3.3.5液体的平均表面张力液体平均表面张力依下式计算，即：塔顶液相平均表面张力的计算：由136℃，mN/mmN/mmN/m进料口平均表面张力的计算：由141℃mN/m，mN/mmN/m塔底：mN/m，mN/mmN/m精馏段液相平均表面张力为：=(22.24+20.55)/2=21.39mN/m提馏段液相平均表面张力为：=(20.55+22.15)/2=21.35mN/m3.3.6液体平均粘度计算塔顶：136℃表3-5组分的液相密度参数表温度/℃80100120140160μ0.3440.40.2690.2270.2μ0.3870.3230.2740.2350.205MPa·s加料板：MPa·s塔底：MPa·s精馏段：MPa·s提馏段：MPa·s3.4精馏塔的工艺尺寸计算3.4.1塔径的计算（1）精馏段：汽相摩尔流率：V=(R+1)D=(1+3.41)×61.67=325.48kmol/h汽相体积流量：m3/s=9.62m3/s=31212m3/h液相回流摩尔流率：L=RDL=3.41×61.67=251.93kmol/h液相体积流量：m3/s=0.038m3/s=40.32m3/初选塔板间距HT=600mm，板上层高度hL=60mmHT－hL=0.6－0.06=0.54mm3/s精馏段：C20=0.113m/s精馏段负荷因子为：m/s泛点气速：m/s取安全系数为0.8，ɥ=0.8ɥmax=1.2696m/s，m（2）提馏段：m3/sm3/s=0.036×3600=129.6m3/h取板间距HT=0.6m，板上层高度hL=0.006mHT－hL=0.6－0.06=0.54mC20=0.113m/s提馏段负荷因子为：m/s泛点气速：m/s取安全系数为0.8，空塔气速为：ɥ=0.8ɥmax=0.8×3.4.2塔高计算对于精馏段，则为：m对于提馏段，则为：m将人孔开设于进料板的上部区域，它的高取0.8m，因此精馏塔所对应有效高度的值计算如下：=10.3+7+0.8=18.2m一般而言，塔顶间距取值如下(1.5－2.0)HT。HT=0.6m，那么就有HD=1.21m通过分析塔底空间的组成，则可得到HB=2m。而封头高度H1=1.5m此处可加速裙座高H2=3m那么，塔高H=20.6m3.4.3溢流装置计算（1）溢流装置由液负荷与流形关系知:采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不设进口内堰。①溢流堰长（出口堰长）tw：取tw=0.7Dtw=0.7×2.3=1.19m堰上溢流强度：th/tw=42.39/1.19=35.62m3/(m·h)<100~130m3(m·h)满足筛板塔的堰上溢流强度要求。②出口堰高hw：hw=hL－how对平直堰how=0.0028FW(Lh/tw)2/3由tw/D=0.7mLh/tw2.5=42.39/1.192.5=24.78m图3.2液体收缩系数计算图FW=1.053，于是：how=0.00284×1.053(38.39/1.19)2/3=0.0302>0.006mhw=hL－howhw=0.06－0.0301=0.0299m③降液管的宽度Wd和降液管的面积Af由tw/D=0.7，Wd/D=0.14，Af/Af=0.09，即Wd=0.238Af=0.204m2液体在降液管内的停留时间：>5④降液管的底隙高度h液体通过降液管底隙的流速一般为0.07~0.25m/s，取液体通过降液管底隙的流速μ0m（2）塔板布置①边缘区宽度Wc与安定区宽度WS边缘区宽度Wc：一般为50~75mm，D>2m时，Wc可达100mm安定区宽度WS：规定D<1.5m时Wc=75mm；D>1.5m时WS=100mm本设计取Wc=75mm，W