苯、甲苯、二甲苯分离过程工艺设计说明书

1化工过程及CAD课程设计任务书项目一、CAD1.题目化工单元操作设备CAD图（以化工原理课程设计手工图纸为基础）2.提交材料1）电子版图纸（图幅：A1；文件格：*.dwg；CAD版本：2010及以前的版本）2）纸质材料：将电子版A1图纸用A3制进行打印。项目二、化工过程设计（工作间：330d/a）题目4）苯、甲苯、二甲苯分离过程设计（进料：苯含量20‐40%；甲苯：15‐30%；分离后苯的纯度不小于98%；甲苯纯度不小98%；二甲苯纯度不小97%）。2.要求1）查阅文献资料，完成工艺流程设计，按化工制图中对流程图的要求绘制工艺流程图；2）采用流程模拟软件，进行全流程流程模拟；3）编辑得到流程模拟的物料平衡表、热量平衡表；4）对其中一个精馏塔进行塔体工艺尺寸计算，以及敏感性分析；5）编制工艺设计报告应报包括：文献调研情况，设计依据——年工作时间、原料规格、加热蒸汽机冷却水规格等、工艺流程设计——工艺流程图及工艺流程简述，全流程模拟结果——物料平衡与热量平衡，塔设备工艺尺寸结果，塔设备敏感性分解结果图表。6）格式与排版要求：见附件2年处理量18.86万吨三苯分离项目工艺设计说明书第一章总论1.1项目概况本项目为在任务书的要求下设计一个简单的三苯分离工艺。由于苯、甲苯、二甲苯之间沸点温差相差明显，存在较大温差，故可用传统精馏操作即可分离，无需太过复杂的工艺要求。对于三元混合物的分离，应采用连续精馏流程。连续精馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点。采用全凝器为主，以使于准确的控制回流比。利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分的分离。1.2设计依据化工过程及CAD课程设计任务书；1.3生产工艺及全厂总流程1.3.1生产工艺蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发的不同并借助于多次不分汽化和部分冷凝达到轻，重组分分流的方法。蒸馏操作在化工，石油化工，轻工等工业生产中占有重要的地位。蒸馏过程按蒸馏方式可分为简单蒸馏，平衡蒸馏，精馏和特殊精馏等。本设计采用连续精馏工艺。设计中采用泡点进料，将原料通过预加热至泡点送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分冷却后送至储罐。1.3.2精馏原理及其在工业生产中的应用精馏是利用混合物中各组分挥发度的不同将混合物进行分离。在精馏塔中，再沸器或塔釜产精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。因此可是混合物得到几乎完全的分离。精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。精馏操作广泛用于分离纯化各种混合物，是化工、医药、食品等工业中尤为常见的单元操作。进行精馏操作的设备叫做精馏塔。在精馏塔中生的蒸汽沿塔逐渐上升，来自塔顶冷凝器的回流液从塔顶逐渐下降，气液两相在塔内实现多次接触，进行传质、传热，重组分下降，使混合液达到一定程度的分离。如果离开某一块塔板（或某一段填料）分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计的气相和液相的组成达到平衡，则该板（或该段填料）称为一块3理论板或一个理论级。然而，在实际操作的塔板上或一段填料层中，由于气液两相接触时间有限，气液两相不到平衡状态，即一块实际操作的塔板（或一段填料层）的分离效果常常达不到一块理论板或一个理论级的作用。要想达到一定的分离要求，实际操作的塔板数总要比理论的板数多，或所需的填料层高度要比理论上的要高。1.3.3精馏操作的特点及其对塔设备的要求精馏操作的特点从上述对精馏过程的简单介绍可知，常见的精馏塔的两端分别为汽化成分的冷凝和液体的沸腾的传热过程，精馏塔也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，精馏操作又有如下特点：1)沸点升高精馏的溶液中含有沸点不同的溶剂，在相同的压力下溶液的蒸汽压较同温度下纯溶剂的汽化压低，使溶液的沸点高于醇溶液的沸点，这种现象称为沸点的升高。在加热汽化温度一定的情况下，汽化溶液时的传热温差必定小于加热纯溶剂的纯温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。2)物料的工艺特性精馏溶液本身具有某些特性，如某些物料在加入到溶液中时可与溶液中的某一组分或几组分形成恒沸液等。如何利用物料的特性和工艺要求，选择适宜的精流流程和设备是精馏操作彼此需要知道和必须考虑的问题。3)节约能源精馏汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸汽。如何充分利用热量提高加热蒸汽的利用率是精馏操作需要考虑的另一个问题精馏操作对塔设备的主要要求1：生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。2：效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。3：流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时易于达到所要求的真空度。4：有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而不会使效率发生较大的变化。5：结构简单，造价低，安装检修方便。6：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。41.3.4设计总流程本设计采用连续精馏工艺。设计中采用泡点进料，将原料通过预加热至泡点送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分冷却后送至储罐。图1-1工艺总流程1.4建设规模和产品方案1.4.1建设规模本项目为年处理20万吨三苯混合物的精馏分离。1.4.2产品方案本设计采用连续精馏工艺，根据任务书要求以及流程模拟，本设计得到的产品规格如下表:表1-1产品规格产品规格纯度（mole百分含量）产量（万吨/年）苯优等品99.99甲苯优等品98.04二甲苯优等品98.6351.5主要原料、燃料规格及消耗本设计采用连续精馏工艺，根据任务书要求以及流程模拟，本设计原料消耗及其组成如下表：表1-2原料消耗名称成分及其含量（mole百分含量）消耗量（万吨/年）三苯混合物苯35%18.86甲苯18%邻二甲苯13%间二甲苯24%对二甲苯10%本设计内部设备换热量较大，内部物流换热后，不足热量采用公用工程补助，公用工程规格如下表：表1-3公用工程消耗序号公用工程名称规格1冷凝水25-30℃2低压蒸汽125℃6第二章工艺流程2.1工艺方案2.1.1工艺流程概述本项目为三元混合物的分离，对于三元混合物的分离，采用连续精馏流程，设计中采用泡点进料，将原料通过预加热至泡点送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分冷却后送至储罐。本采用连续精馏流程，在T0401中分离出苯产品，塔底物流换热后进入T0402分离甲苯与二甲苯，设计全流程图如下图所示：图2-1三苯分离全流程图2.1.2工艺流程模拟在模拟过程中，原料由原料泵P0401进入进料加热器E0401加热到107.5℃后由甲苯塔进料泵P0202鼓入甲苯塔T0401进料，经过调试优化得到T0401的模拟参数：表2-1苯分离塔操作参数塔板数进料位置回流比采出率塔顶全凝器压强全塔压降30181.80.4150.137MPa0.0124MPa模拟得到塔顶苯产品的纯度达到99.37%，苯的分离率接近100%；塔顶苯产品经冷却器E0402冷却后进入储罐，塔底物流进入冷却器E0403冷却至128℃。由甲苯塔进料泵P0403抽入甲苯塔T0402进料。调试优化得到甲苯塔的模拟参数：表2-2甲苯分离塔操作参数塔板数进料位置回流比采出率塔顶全凝器压强全塔压降40214.050.3030.134MPa0.019MPa7模拟之后得到塔顶甲苯产品纯度99.26%，甲苯分离率达到99.9%。模拟流程图如下：图2-2三苯分离模拟流程2.1.3工艺流程优化模拟的最终目的是为了优化流程，以达到某方面的效益最佳，如经济效益最好、节能效果最佳等。在建立全流程模拟的过程中已经对局部可以寻优的参数进行了寻求最优的求解，这些参数包括各精馏塔的塔板数、回流比、采出率、进料板位置以及萃取剂用量等。而一些操作参数是根据文献所述确定的最佳操作条件，这些参数无需进行优化。由于本设计只包含两个常规精馏塔，故对两个塔都进行操作参数的优化。下面以苯分离塔为例对优化过程进行说明。对苯分离塔塔板气液相组成分别作图：图2-3苯分离塔塔板液相组成分布图8图2-4苯分离塔塔板气相组成分布图对于苯分离塔的操作参数优化包括：回流比、理论塔板数、进料板位置以及采出率四个参数的优化。（1）回流比优化Aspenplus中采用灵敏度分析模块，分别设置再沸器热负荷、塔顶产物中苯的mole百分含量、苯的分离率作为分析目标对象，以回流比为分析变量；根据简介计算结果得到的回流比作为参考，设置回流比变化区间为1.2~3，变化频率取0.05。对分析结果作图：图2-5苯分离塔回流比对塔分离效果影响由图中曲线分析，当回流比为1.8之后曲线变化趋于平缓，苯纯度为99.40%，分离率为99.998%，随着回流比变化，这两参数几乎不发生变化。而再沸器热负荷一直呈线性变化，综合考虑，最优回流比取1.8。（2）理论塔板数优化同回流比优化一样，采用灵敏度分析模块，分别设置再沸器热负荷、塔顶产物中苯的mole百分含量、苯的分离率作为分析目标对象，以理论塔板数为分析变量；将塔设置中回流比更改为刚刚优化得到的最优回流比1.8；塔板数更改为40块之后，设置变化区间为20~40，变化频率为1。9对分析结果作图：图2-6苯分离塔理论塔板数对塔分离效果影响由图分析，当理论塔板数为30块板之后，苯纯度、苯分离率以及再沸器热负荷均趋于水平，几乎不再变化。此时苯纯度为99.33%；苯分离率为99.92%，再沸器热负荷也为最低。最终取最优理论塔板数为30.（3）进料板位置优化分别设置再沸器热负荷、塔顶产物中苯的mole百分含量、苯的分离率作为分析目标对象，以进料板位置为分析变量；将塔设置中回流比更改为刚刚优化得到的最优回流比1.8；塔板数更改为优化得到的最优塔板数30块，设置进料板变化区间为15~25，变化频率为1；对分析结果作图：图2-7苯分离塔进料板位置对塔分离效果影响10在18块板位置之后，可以看到苯分离率与塔顶产物苯纯明显下降，再沸器热负荷明显上升；在第18块板进料时，苯分离率为：99.95%；苯纯度为99.36%。且再沸器热负荷也较低，故选择第18块板为最佳进料位置。（3）采出率优化分别设置再沸器热负荷、塔顶产物中苯的mole百分含量、苯的分离率作为分析目标对象，以采出率为分析变量；将塔设置中回流比更改为刚刚优化得到的最优回流比1.8；塔板数更改为优化得到的最优塔板数30块，设置进料板位置设置为18，设置采出率变化区间为0.35~0.45，变化频率为0.005；对分析结果作图：图2-8苯分离塔采出率对塔分离效果影响由图线可直接看出，为同时考虑到苯纯度与分离率都要达到设计要求，取采出率为0.415为最优采出率。此时苯分离率为：99.95%；苯纯度为99.36%。再沸器热负荷也较低。甲苯塔优化方式与此相同，就不予详细说明，优化结果见表2-2。第三章物料衡算与能量衡算3.1概述本设计采用连续精馏工艺。设计中采用泡点进料，将原料通过预加热至泡点送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分冷却后送至储罐。设计过程中利用AspenPlus对全流程进行模拟，并在此基础上完成物料衡算、能量衡算，Aspenplus模拟流程如图4-1所示。11图4-1三苯分离模拟流程本流程为连续生产过程，所需主要设备有、泵、换热器、和普通精馏塔等，涉及到的物料主要有苯、甲苯、二甲苯、以及公用工程的冷却水、加热蒸汽等，输入整个生产系统的能量主要有电能、加热介质带入的能量和进入物料的焓，输出的能量有冷却剂带走的能量和输出物料的焓。3.2物料衡算3.2.1物料衡算基本原理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，即：系统累计的质量=输入系统的质量-输出系统的质量+反应生成的质量-反应消耗的质量假设系统无泄漏，有：dF/dt=FIN-FOUT+CR-CR当系统无化学反应发生时，有：dF/dt=FIN-FOUT在稳定状态下，有：dF/dt=FIN-FOUT=0，FIN=FOUT注：FIN—进入系统的物料流率；FOUT—流出系统的物料流率；