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0.5
1.0
工艺条件:
吸收前焦油煤气中含苯族烃45g/m3;
吸收塔操作压力:
0.4MPa;
入塔气体温度:
25℃。
进料原料气流量根据粗苯产量进行物料衡算计算。
设计目标:
回收后苯族烃含量≤3g/m3。
指导教师(签名):
年月日
第一章设计条件及设计方案的确定…………………8
第二章设计方案………………………………………15
第三章物料衡算和热量衡算…………………………17
第四章填料塔工艺尺寸计算…………………………22
第五章填料塔附属设备的设计与选型………………27
第六章填料塔高度……………………………………29
第七章计算结果概览…………………………………30
第八章主要参考文献…………………………………30
第九章结束语…………………………………………31
第一章设计条件及设计方案的确定
一、设计条件
表1原料组成
(含乙基笨)
7.0
10.0
1.0
吸收前焦炉煤气中含苯族烃45g/m³
;
吸收塔操作压力:
0.4MPa;
入塔气体温度:
25℃.
回收后苯族烃含量=3g/m³
.
二、设计方案的依据
粗苯中主要含有苯、甲苯、二甲苯和三甲苯等芳香烃,此外还含有不饱和化合物、硫化物、饱和烃、酚类和吡啶碱类。
当用洗油吸收焦炉煤气中的苯族烃时,粗苯中尚有少量的洗油轻质馏分,粗苯的组成取决于炼焦配煤的组成及煤焦产物在炭化室内热解的程度。
粗苯是黄色透明的液体,比水轻,微溶于水。
在贮存时由于低沸点不饱和化合物的氧化和聚合所形成的树脂状物质能溶解于粗苯中,使其着色变暗。
粗苯易燃,闪点为12℃。
粗苯蒸气在空气中的体积浓度为1.4~7.5%时,能形成爆炸性混合物。
粗苯的各主要组分均在180℃前馏出,180℃后的馏出物成为溶剂油。
在测定粗苯中各组分的含量和计算产量时,通常将180℃前的馏出量当做100%来计算,故以其180℃前的馏出量作为鉴别粗苯质量的指标之一。
粗苯在180℃前的馏出量取决于粗苯工段的工艺流程和操作制度。
180℃前馏出量愈多,粗苯质量就愈好。
一般要求粗苯的180℃前馏出量为93~95%。
表2粗苯各组分的平均含量
组分
分子式
质量含量/%
备注
三甲苯和乙基甲苯
不饱和化合物
饱和物
C6H6
C6H5CH3
C6H4(CH3)2
C6H3(CH3)3
C2H5C6H4CH3
55~80
11~22
2.5~6
1~2
7~12
0.3~1.8
0.6~2.0
同分异构物和乙基苯总和
同分异构物总和
按硫计
图1.从煤气中吸收苯族烃的工艺流程
1-洗苯塔;
2-新洗油槽;
3-贫油槽;
4-贫油泵;
5-半富油泵;
6-富油泵
煤气经最终冷却器冷却到25~270C后,依次通过两个洗苯塔,塔后煤气中苯族烃含量一般为2g/m3,温度为27~300C的脱苯洗油(贫油)用泵送至顺煤气流向最后一个洗苯塔的顶部。
与煤气逆向沿着填料向下喷洒,然后经过油封流入塔底接收槽,由此用泵送至下一个洗苯装置,脱苯后的贫油经冷却后回到贫油槽循环使用。
用洗油吸收煤气中的苯族烃是物理吸收过程,服从亨利定律和道尔顿定律。
煤气中苯族烃的分压Pg可根据道尔顿定律计算:
Pg=P•y
式中,P——煤气的总压力,kPa;
y——煤气中苯族烃的摩尔分数。
通常苯族烃在煤气中的含量以g/m³
表示。
若已知苯族烃在煤气中的含量为a,则换算成体积浓度为:
式中为粗苯的平均相对分子质量。
则有
Pg=
用洗油吸收苯族烃所得的稀溶液可视为理想溶液,其液面上粗苯的平衡蒸汽压可按拉乌尔定律确定:
式中,——在回收温度下苯族烃的饱和蒸汽压,kPa;
——洗油中粗苯的摩尔分数。
通常洗油中粗苯的含量以C(质量百分数)表示,换算为摩尔分数为:
式中为洗油的相对分子质量。
当煤气中苯族烃的分压Pg大于洗油液面上苯族烃的平衡蒸汽压时,煤气中的苯族烃即被洗油吸收。
Pg与之间的差值愈大,则吸收过程进行得愈容易,吸收速率也愈快。
洗油吸收苯族烃过程的极限为气液两相达成平衡,此时Pg=,即
由于洗油中粗苯的浓度很小,则有
因此在平衡状态下a与C之间的关系为
或
煤气中的苯族烃在洗苯塔内被吸收的程度称为回收率。
回收率是评价洗苯操作的重要指标,可用下式表示:
式中,——粗苯回收率,%;
、——洗苯塔入口煤气和出口煤气中苯族烃的含量,g/m³
。
回收率的大小取决于下列因素:
吸收温度系指洗苯塔内气液两相接触面的平均温度,它取决于煤气和洗油的温度,也受大气温度的影响。
吸收温度是通过吸收系数和吸收推动力的变化而影响粗苯回收率的。
提高吸收温度,可使吸收系数略有增加,但不显著,而吸收推动力却显著减小。
总的来说,吸收温度不宜过高,但液不宜过低。
在低于150C时,洗油的黏度将显著增加,使洗油输送及其在塔内均匀分布和自由流动都发生困难。
当洗油温度低于100C时,还可以从油中析出固体沉淀物。
因此适宜的吸收温度为250C左右,实际操作温度波动于20~300C之间。
操作中洗油温度应略高于煤气温度,以防止煤气中的水汽冷凝而进入洗油中。
一般规定洗油温度在夏季比煤气温度高20C左右,冬季高40C左右。
为保证适宜的吸收温度,自硫酸铵工序来的煤气进洗苯塔前,应在最终冷却器内冷却至18~280C,贫油应冷却至低于300C。
由式可见,当其他条件一定时,洗油的相对分子质量减小将使洗油中粗苯含量C增大,即吸收能力提高。
同类液体吸收剂的吸收能力与其相对分子质量成反比,吸收剂与溶质的相对分子质量愈接近,则愈易相互溶解,吸收得愈完全。
在回收等量粗苯的情况下,如洗油的吸收能力强,使富油的含苯量高,则循环洗油量也可相应减少。
但洗油的相对分子质量也不宜过小,否则洗油在吸收过程中挥发损失较大,并在脱苯蒸馏时不易与粗苯分离。
送往洗苯塔的循环洗油量可根据下式求得:
式中,V——煤气量,/;
——洗苯塔进、出口煤气中苯族烃含量,/;
L——洗油量,/;
——贫油和富油中粗苯的含量,%。
由上式可见,增加循环洗油量,可降低洗油中粗苯的含量,增加吸收推动力,从而可提高粗苯回收率。
但循环洗油量也不宜过大,以免过多地增加电、蒸汽的耗量和冷却水用量。
在塔后煤气含苯量一定的情况下,随着吸收温度的升高,所需要的循环洗油量也随之增加。
实际的循环洗油量可按理论最小量计算确定。
——理论最小循环洗油量,kg/h;
——入塔煤气压力,kPa;
——纯苯的饱和蒸汽压,kPa;
——不包括苯族烃的入塔煤气体积,m³
/h
——洗油相对分子质量;
——要求达到的苯族烃的实际回收率;
——当吸收面积为无限大时苯族烃的回收率。
实际循环洗油量可取的1.5~1.6倍。
贫油含苯量是决定塔后煤气含苯族烃量的主要因素之一。
由式可见,当其他条件一定时,入塔贫油中粗苯含量愈高,则塔后损失愈大。
如果塔后煤气中苯族烃含量为2/,设洗苯塔出口煤气压力p=100.00kPa,洗油相对分子质量M=160,250C时粗苯的饱和蒸气压=13.00kPa,将有关数据代入上式,即可求出与此相平衡的洗油中粗苯含量:
%
计算结果表明,为使塔后损失不大于2/,贫油中的最大粗苯含量为0.22%.为了维持一定的吸收推动力,值应除以平衡偏移系数n,一般n=1.1~1.2。
入取n=1.14,则允许的贫油含苯量。
实际上,由于贫油中粗苯的组成里,苯和甲苯含量少,绝大部分为二甲苯和溶剂油,其蒸气压仅相当于同一温度下煤气中所含苯族烃蒸气压的20%~30%,故实际贫油含粗苯量可允许达到0.4%~0.6%,此时仍能保证塔后煤气含苯族烃在2/以下。
如进一步降低贫油中的粗苯含量,虽然有助于降低塔后损失,但将增加脱苯塔蒸馏时的水蒸气耗量,使粗苯产品的1800C前馏出率减少,并使洗油的耗量增加。
近年来,国外有些焦化厂,塔后煤气含苯量控制在4/左右,甚至更高。
这一指标对大型焦化厂的粗苯回收是经济合理的。
另外一般粗苯和从回炉煤气中分离出的苯族烃的性质可以看出,由回炉煤气中得到的苯族烃,硫含量比一般粗苯高3.5倍,不饱和化合物含量高1.1倍。
由于这些物质很容易聚合,会增加粗苯回收和精制操作的困难,故塔后煤气含苯量控制高一些也是合理的。
为了洗油充分吸收煤气中的苯族烃,必须使气液两相之间有足够的接触表面积(即吸收面积)。
填料塔的吸收表面积即为塔内填料表面积。
填料表面积愈大,则煤气与洗油接触的时间愈长,回收过程进行得也愈完全。
根据生产实践,当塔后煤气含苯量要求达到2/时,对于木格填料洗苯塔,每小时1煤气所需的吸收面积一般为1.0~1.1;
对于钢板网填料塔,则为0.6~0.7。
当减少吸收面积时,粗苯的回收率将显著降低。
为满足从煤气中回收和制取粗苯的要求,洗油应具有如下性能:
(1)常温下对苯族烃有良好的吸收能力,在加热时又能使苯族烃很好地分离出来;
(2)具有化学稳定,即在长期使用中其吸收能力基本稳定;
(3)在吸收操作温度下不应析出固体沉淀物;
(4)易与水分离,且不生成乳化物;
(5)有较好的流动性,易于用泵送并能在填料上均匀分布。
焦化厂用于洗苯的主要有焦油洗油和石油洗油。
焦油洗油是高温煤焦油中230~300℃的馏分,容易得到,为大多数焦化厂所采用。
其质量指标如下:
表3焦油洗油质量指标
`
指标
指标名称
密度(20℃)/(g/mL)
流程
230℃前馏出量/%(体积)
300℃前馏出量/%(体积)
酚含量/%(质量)
1.04~1.07
≤3
≥90
≤0.5
萘含量/%(质量)
黏度/E25
水分/%(质量)
15℃结晶物
≤13
2
≤1
无
要求洗油的萘质量含量小于13%,苊质量含量不大于5%,以保证在10~15℃时无固态沉淀物。
萘因熔点高,在常温下易析出固体结晶,因此应控制其含量。
但萘与苊、芴、氧芴及洗油中其他高沸点组分混合时,能生成熔点低于有关各组分的共熔点混合物,因此在洗油中存在一定数量的萘,有助于降低从洗油中析出沉淀物的温度。
洗油中甲基萘含量高,洗油黏度小,平均相对分子质量小,吸奔能力较大。
所以在采用洗油脱萘工艺时,应防止甲基萘成分随之切出。
洗油含酚量高易与水形成乳化物,破坏洗苯操作,另外酚的存在还易使洗油变稠。
因此应严格控制洗油中的含酚量。
第二章设计方案
一、富油脱苯
富油脱苯按其加热方式分为预热器加热富油的脱苯法和管式炉加热富油的脱苯法。
前者是利用列管式换热器用蒸汽间接加热富油,使其温度达到135~1450C后进入脱苯塔;
后者是利用管式炉用煤气间接加热富油,使其温度达到180~1900C后进入脱苯塔。
该法由于富油预热温度高,与前者相比具有以下优点:
脱苯程度高,贫油中苯质量含量可达0.1%左右,粗苯回收率高;
蒸汽耗量低,每生产1t1800C前粗苯为1~1.5t,仅为预热器加热富油脱苯蒸汽耗量的1/3;
产生的污水量少;
蒸馏和冷凝冷却设备的尺寸小。
因此,目前广泛采用管式炉加热富油的脱苯工艺。
二、富油脱苯工艺流
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