年產(chǎn)3萬噸甲苯工藝設(shè)計(jì)年產(chǎn)3萬噸甲苯生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u前言 [15]進(jìn)行改進(jìn)，選用輕烴芳構(gòu)化法作為生產(chǎn)甲苯的工藝方法，即：C5餾分中的粗正戊烷加氫得到輕烴，再和甲醇芳構(gòu)化耦合制取芳烴，最后從芳烴中分離出甲苯。整個(gè)工藝流程分為C5餾分加氫工段、芳構(gòu)化反應(yīng)工段、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工段、芳烴分離工段四個(gè)工段。甲苯工藝流程見圖1。圖1甲苯工藝流程圖 2.1C5餾分加氫工段C5餾分加氫工段的主要任務(wù)是：C5餾分中的粗正戊烷進(jìn)行加氫反應(yīng)得到輕烴，為后續(xù)反應(yīng)做準(zhǔn)備。正戊烷提純工段主要包括二段加氫單元和高純正戊烷精制單元。其中，二段加氫單元為：C5餾分經(jīng)加壓后進(jìn)入反應(yīng)器在催化劑間進(jìn)行二段催化加氫，二段加氫反應(yīng)器均為絕熱反應(yīng)器，輸入流股溫度為150℃，壓力位3100kPa，產(chǎn)出主要為正丁烷、正戊烷、異戊烷和氫氣的混合氣。高純正戊烷精制單元為：反應(yīng)器（R0101）和反應(yīng)器（R0102）來的反應(yīng)產(chǎn)物粗正戊烷經(jīng)氣液分離器（V0101），利用氫氣與碳四碳五烷烴的沸點(diǎn)差異，將多余的氫氣通過循環(huán)流股返回氫氣輸入流股，進(jìn)行循環(huán)使用。其余分離出來的正丁烷、正戊烷和異戊烷則進(jìn)入氣液分離器（V0102），進(jìn)一步進(jìn)行分離。分離出的正戊烷與異戊烷混合物進(jìn)入脫正丁烷精餾塔（T0101），分離出殘余的正丁烷。隨后，進(jìn)入脫異戊烷精餾塔（T0102）得到純度較高的正戊烷。C5餾分加氫工段工藝流程見圖2。圖2C5餾分加氫工段工藝流程圖2.2芳構(gòu)化反應(yīng)工段芳構(gòu)化反應(yīng)工段的主要任務(wù)是：利用來自C5餾分加氫工段的粗正戊烷和甲醇在反應(yīng)器中進(jìn)行耦合芳構(gòu)化反應(yīng)生成二甲苯。粗正戊烷首先通過換熱器（E0201），加熱后進(jìn)入儲(chǔ)罐（V0201），并與儲(chǔ)罐（V0202）出來的甲醇分別加壓到1201.3kPa，然后通過混合器（B0201）混合經(jīng)過一系列換熱達(dá)到550℃，進(jìn)入平推流芳構(gòu)化反應(yīng)器（R0201）與化學(xué)計(jì)量芳構(gòu)化反應(yīng)器（R0202），反應(yīng)所的流股經(jīng)過一系列換熱循環(huán)及壓力處理進(jìn)入下一工段進(jìn)行進(jìn)一步的提純。芳構(gòu)化反應(yīng)工段工藝流程見圖3。圖3芳構(gòu)化反應(yīng)工段工藝流程圖2.3吸收穩(wěn)定工段吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工段的主要任務(wù)是：吸收塔將二甲苯吸收到吸收劑中，然后從穩(wěn)定塔的塔底采出。芳構(gòu)化反應(yīng)工段的反應(yīng)產(chǎn)物依次進(jìn)入吸收塔（T0301）、解析塔（T0302）和穩(wěn)定塔（T0303），提純反應(yīng)工段的產(chǎn)物，提高產(chǎn)品質(zhì)量，隨后進(jìn)入產(chǎn)品分離工段。吸收穩(wěn)定工段工藝流程見圖4。圖4吸收穩(wěn)定工段工藝流程圖2.4芳烴分離工段吸收穩(wěn)定工段的產(chǎn)品流股從穩(wěn)定塔（T0303）塔底流出進(jìn)入分離工段的甲苯精餾塔（T0401），由于甲苯與二甲苯的沸點(diǎn)不同，可將其分離。塔頂分離出符合要求的產(chǎn)品—甲苯，剩余的流股進(jìn)入分離工段的二甲苯精餾塔（T0402），分離出符合要求的產(chǎn)品—二甲苯。芳烴分離工段工藝流程見圖5。圖5芳烴分離工段工藝流程圖3物料衡算及能量衡算3.1物料衡算工藝設(shè)計(jì)中，確定好工藝流程之后才可以進(jìn)行物料衡算。物料衡算是根據(jù)原料與產(chǎn)品之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，來計(jì)算原料的消耗量，各種中間產(chǎn)品、產(chǎn)品和副產(chǎn)品的產(chǎn)量，生產(chǎn)過程中各階段的消耗量以及組成。系統(tǒng)的物料衡算以質(zhì)量守恒為理論基礎(chǔ)，研究某一系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)出物料量及組成的變化。穩(wěn)定狀態(tài)過程時(shí)，可以簡化為：輸入=輸出-生成+消耗；對(duì)無反應(yīng)的過程，可以簡化為：輸入=輸出。3.1.1甲苯精餾塔在AspenPlus軟件中輸入甲苯精餾塔（T0401）進(jìn)口物料組成參數(shù)，見圖6。圖6甲苯精餾塔（T0401）進(jìn)口物料組成流程模擬運(yùn)行通過后，甲苯精餾塔（T0401）的物料衡算結(jié)果見表3。表3甲苯精餾塔（T0401）的物料衡算表項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出口塔底出口相態(tài)液相液相液相溫度（℃）238.85121.65160.40壓力（kPa）1001.32131.32161.40體積流量（cum/hr）20.91466.3011.37質(zhì)量流量（kg/hr）13194.604848.148346.46N-C4H100001-C5H10000C-C5H10000T-C5H100002-M-1-B0002-M-2-B000I-C5H12000N-C5H120001，4-C5H8000H2000C1000H2O000C2H4000C2H6000C3H6000C3H8000C4H8000I-C4H10000C6H61.541.540C6H12000C6H14000C7H84843.334843.290.04C7H16000C8H107049.923.317046.61C8H18000CO000CO2000CH3OH000C9H121070.3001070.30C10H14229.510229.513.1.2C5餾分加氫反應(yīng)器在AspenPlus軟件中輸入C5餾分加氫反應(yīng)器（R0101）進(jìn)口物料組成參數(shù)，見圖7。圖7C5餾分加氫反應(yīng)器（R0101）進(jìn)口物料組成流程模擬運(yùn)行通過后，C5餾分加氫反應(yīng)器（R0101）的物料衡算結(jié)果見表4。

表4C5餾分加氫反應(yīng)器（R0101）物料衡算表項(xiàng)目進(jìn)料出料相態(tài)汽相汽相溫度（℃）150186.68壓力（kPa）31003100體積流量（cum/hr）4452.064783.98質(zhì)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芳烴分離工段換熱器在AspenPlus軟件中輸入芳烴分離工段換熱器（E0404）進(jìn)口物料組成參數(shù)，見圖8。圖8芳烴分離工段換熱器（E0404）流程模擬運(yùn)行通過后，芳烴分離工段換熱器（E0404）的物料衡算結(jié)果見表5。

表5芳烴分離工段出料降溫?fù)Q熱器（E0404）物料衡算表項(xiàng)目進(jìn)料出料相態(tài)液相液相溫度（℃）121.6540壓力（kPa）131.32131.32體積流量（cum/hr）6.315.70質(zhì)量流量（kg/hr）4848.144848.14N-C4H10001-C5H1000C-C5H1000T-C5H10002-M-1-B002-M-2-B00I-C5H1200N-C5H12001，4-C5H800H200C100H2O00C2H400C2H600C3H600C3H800C4H800I-C4H1000C6H61.541.54C6H1200C6H1400C7H84843.294843.29C7H1600C8H103.313.31C8H1800CO00CO200CH3OH00C9H1200C10H14003.2能量衡算在全工藝段中隨著物料在單元或體系中的轉(zhuǎn)移，質(zhì)量傳遞的同時(shí)能量也在消耗、釋放和轉(zhuǎn)化。從能量衡算中的可以求得能量變換數(shù)量關(guān)系，對(duì)于新設(shè)計(jì)的車間可以通過能量衡算來確定設(shè)備的熱負(fù)荷。再根據(jù)所處理物料的性質(zhì)和算出的設(shè)備熱負(fù)荷大小、及工藝要求選擇最適合的設(shè)備。依據(jù)化工設(shè)計(jì)中關(guān)于能量衡算的基本要求和思想，秉承著規(guī)范與實(shí)際工藝相結(jié)合的原則來編制能量衡算書。編制中最主要依據(jù)是熱量平衡方程：其中，——表示輸入設(shè)備熱量的總和；——表示輸出設(shè)備熱量的總和；——表示損失熱量的總和。對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)：其中，——設(shè)備的熱負(fù)荷；——輸入系統(tǒng)的機(jī)械能；——離開設(shè)備的各物料焓之和；——進(jìn)入設(shè)備的各物料焓之和。3.2.1甲苯精餾塔在AspenPlus軟件中輸入圖6所示參數(shù)并運(yùn)行，流程模擬運(yùn)行通過后，甲苯精餾塔（T0401）的能量衡算結(jié)果見表6。

表6甲苯精餾塔（T0401）焓變計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料出料相態(tài)液相液相液相溫度（℃）238.85121.66160.40壓力（kPa）10.011.311.613焓流量（kW）118.7421.82-38.90摩爾流量（kmol/hr）129.60352.61576.988質(zhì)量流量（kg/hr）13194.64848.148346.46體積流量（cum/hr）20.9156.30511.3663.2.2C5餾分加氫反應(yīng)器在AspenPlus軟件中輸入圖7所示參數(shù)并運(yùn)行，流程模擬運(yùn)行通過后，C5餾分加氫反應(yīng)器（R0101）的能量衡算結(jié)果見表7。表7C5餾分加氫反應(yīng)器（R0101）焓變計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料出料相態(tài)汽相汽相溫度（℃）150186.683壓力（kPa）3131焓流量（kW）-2786.78-2786.78摩爾流量（kmol/hr）3874.983832.06質(zhì)量流量（kg/hr）26828.626828.7體積流量（cum/hr）4452.074783.983.2.3芳烴分離工段換熱器在AspenPlus軟件中輸入圖8所示參數(shù)并運(yùn)行，流程模擬運(yùn)行通過后，芳烴分離工段換熱器（E0404）的能量衡算結(jié)果見表8。表8芳烴分離工段換熱器（E0404）焓變計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料出料相態(tài)液相液相溫度（℃）121.6540壓力（kPa）131.32131.32焓流量（kW）421.82221.98摩爾流量（kmol/hr）52.6152.61質(zhì)量流量（kg/hr）4848.144848.14體積流量（cum/hr）6.315.704芳烴分離工段換熱器計(jì)算及選型4.1芳烴分離工段換熱器工藝參數(shù)4.1.2流股參數(shù)確定流股參數(shù)見表9。表9流股參數(shù)一覽表名稱壓力/（bar）溫度/（℃）質(zhì)量流量（kg/s）氣相分率介質(zhì)管程入口1.31121.651.34670甲苯產(chǎn)品管程出口1.26401.34670甲苯產(chǎn)品殼程入口4304.79050冷卻水殼程出口3.88404.79050冷卻水4.1.3設(shè)計(jì)溫度以工作溫度為設(shè)計(jì)溫度依據(jù)，工作溫度一般為15℃-30℃。殼程設(shè)計(jì)溫度這里取140℃，管程設(shè)計(jì)溫度這里取60℃。4.1.4設(shè)計(jì)壓力該換熱器的殼程操作壓力為1.31bar，管程操作壓力為4bar。設(shè)計(jì)溫度下的最大工作壓力為換熱器的設(shè)計(jì)壓力，是一般正常工作壓力的1.1倍。殼程設(shè)計(jì)壓力這里取1.44bar，管程設(shè)計(jì)壓力這里取4.4bar。根據(jù)出口絕壓小于0.1MPa（真空條件），壓降必須小于或等于進(jìn)口壓強(qiáng)的40%；根據(jù)出口絕壓大于0.1Mpa，壓降必須小于或等于進(jìn)口壓強(qiáng)的20%REF_Ref74257330\r\h[16]，可知?dú)こ痰淖畲笤试S壓降為0.26bar，管程的最大允許壓降為0.8bar。4.1.5傳熱系數(shù)該換熱器是段間換熱器，殼程介質(zhì)基本上是鹽溶液；管程介質(zhì)是冷卻水。由此可確定本換熱器殼程介質(zhì)污垢熱阻和管程的介質(zhì)污垢熱阻均為0.000172m2·K/W。4.1.6流體空間選擇殼程走冷流體，管程走熱流體REF_Ref74257347\r\h[17]。4.1.7EDR數(shù)據(jù)輸入將流股信息、允許壓力、污垢系數(shù)等數(shù)據(jù)導(dǎo)入EDR，EDR輸入結(jié)果見圖9。圖9EDR輸入結(jié)果4.2換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.1換熱器結(jié)構(gòu)形式選擇該換熱器選擇工業(yè)上最常見的管殼式換熱器，并選擇其中的固定管板式換熱器。（1）前端管箱的確定為了便于清潔選用D型前端管箱。（2）殼體型式選擇換熱器的殼體選用E型殼體。（3）后端管箱確定后端管箱采取工業(yè)上常用的M型管箱。4.2.2換熱管的選擇結(jié)合JB/T4715-92要求規(guī)定，選擇管子外形為光滑管，本設(shè)計(jì)的換熱器中的換熱管內(nèi)徑確定為25mm，管厚確定為2mm。常選擇的正三角形為換熱管排列方式，確定管心距為32mm。管長6000mm，56根換熱管。殼程公稱直徑（內(nèi)徑）295mm，壁厚8.4mm。本換熱器污垢熱阻較大為了提高傳熱系數(shù)，且不改變壓力降，選擇單弓形折流板REF_Ref74257371\r\h[18]，56mm間距，22塊折流板數(shù)，圓缺率為25%。4.2.3選型結(jié)果用EDR進(jìn)行校核，換熱器選型結(jié)果見圖10。圖10換熱器（E0404）選型結(jié)果由上述計(jì)算結(jié)果可以看到，設(shè)計(jì)余量為34%，本設(shè)計(jì)換熱器的換熱面積為26.4m2，符合設(shè)計(jì)要求；0.17-0.19m/s的殼程流速，0.51m/s的管程流速，滿足無氣液混合進(jìn)出料；流態(tài)分布合理，經(jīng)濟(jì)流速范圍；當(dāng)殼程壓降為0.05615bar時(shí)，壓力降低4.3%，當(dāng)管程壓降為0.12435bar時(shí)，壓力降低3.1%，壓降都在可接受范圍內(nèi)?？倐鳠嵯禂?shù)（含污垢熱阻）為149W/(m2·K)。此外，換熱器管程與殼程的流體的雷諾數(shù)Re>6000，說明湍流為本設(shè)計(jì)的流體形態(tài)，符合設(shè)計(jì)要求。根據(jù)選型結(jié)果得出，換熱器（E0404）型號(hào)為BEM295-1.0-25-6/25-2I。4.3芳烴分離工段換熱器換熱器強(qiáng)度校核通過SW6軟件對(duì)芳烴分離工段換熱器（E0404）強(qiáng)度校核，校核結(jié)果見表10。表10芳烴分離工段換熱器（E0404）強(qiáng)度校核結(jié)果4.4芳烴分離工段換熱器選型匯總換熱器（E0404）計(jì)算與校核匯總見表11.表11換熱器計(jì)算以及校核匯總表換熱器E0404殼程管程設(shè)計(jì)壓力Ps0.144MPa設(shè)計(jì)壓力Ps0.44MPa設(shè)計(jì)溫度Ts140℃設(shè)計(jì)溫度Ts60℃殼程直徑Di295mm換熱器換熱管詳情換熱管直徑Φ25×2mm管心距32mm管長6000mm管子排列方式正三角形管數(shù)目56折流板間距56mm計(jì)算結(jié)果前端管箱筒體名義厚度δn=12mm后端管箱筒體名義厚度δn=12mm殼程圓筒名義厚度δn=12mm前端管箱封頭名義厚度δn=12mm后端管箱封頭名義厚度δn=12mm管板厚度δn=48mm校核結(jié)果校核合格接管尺寸水平

5總結(jié)本設(shè)計(jì)是基于解決甲苯需求快速增長和供給不足的問題，利用乙烯裝置副產(chǎn)的C5餾分中的粗正戊烷為原料，在實(shí)現(xiàn)資源合理化利用的同時(shí)，真正實(shí)現(xiàn)綠色、創(chuàng)新、節(jié)能地生產(chǎn)甲苯。設(shè)計(jì)的內(nèi)容具體概括如下：通過查閱文獻(xiàn)，了解了甲苯的用途和生產(chǎn)價(jià)值，由國內(nèi)外甲苯生產(chǎn)現(xiàn)狀的研究可知，甲苯的利用價(jià)值高，產(chǎn)品多樣化。通過分析比較典型甲苯生產(chǎn)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，該設(shè)計(jì)采用輕烴芳構(gòu)化法生產(chǎn)甲苯。確定了采用輕烴芳構(gòu)化生產(chǎn)甲苯的工藝流程，運(yùn)用Aspen

Plus軟件，對(duì)C5餾分加氫工段、芳構(gòu)化反應(yīng)工段、吸收穩(wěn)定工段、芳烴分離工段四個(gè)工段進(jìn)行了流程模擬。分別對(duì)甲苯精餾塔、C5餾分加氫反應(yīng)器、芳烴分離工段換熱器進(jìn)行了物料衡算與能量衡算。本設(shè)計(jì)共消耗了7.4萬噸粗正戊烷、甲醇10.5萬噸、氫氣1824噸，最終生產(chǎn)出3萬噸純度為99.99%的甲苯。各工段設(shè)備基本符合物料守恒、能量守恒。（4）對(duì)芳烴分離工段換熱器（E0404）進(jìn)行設(shè)備計(jì)算與選型，并進(jìn)行強(qiáng)度校核得到具體設(shè)計(jì)結(jié)果：芳烴分離工段換熱器為固定管板式換熱器，管數(shù)56;管徑Φ25×2mm：管子呈正三角形排列。運(yùn)用SW6-2011對(duì)該換熱器、筒體、封頭等進(jìn)行校核，得到芳烴分離工段換熱器（E0404）強(qiáng)度校核結(jié)果合格。

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