年产1万吨焦化厂粗苯工段的设计.docx
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年产1万吨焦化厂粗苯工段的设计
年产120万吨焦化厂粗苯工段的设计
中国矿业大学2009届进修生毕业设计第1页共31页 第六章主要设备的工艺计算和选型 设备的选型和计算是根据前述的粗苯工段工艺流程中提出的要求进行的。
计算过程中对一些参数的选择,要求考虑实际操作,选型要求考虑实际操作需要外,还需考虑设备的型号是否为国内大量生产的系列,以便检修和更换零件。
另外,该工段大部分是定型设备计算只能作为选择的参考。
并且计算过程中选择了许多设计定额中的数据。
终冷洗苯部分的工艺计算及设备选型 计算依据 煤气量 320Nm3/t煤煤气密度 /Nm3H2S产率(占装煤量) % H2S密度 /Nm3 粗苯的回收率(占装煤量) % 3洗苯塔后煤气含苯 2g/Nm粗苯蒸汽密度kg/Nm3 煤气量 45000Nm3/h 煤气温度 硫铵工段来的煤气温度58℃饱和温度52℃ 终冷温度 22℃ 计算过程1)煤气流量 装炉干煤量 G煤=n?
N?
V炭化室?
?
干煤/?
中国矿业大学2009届进修生毕业设计第2页共31页 =2?
60?
/=/h 式中 n——炉组焦炉个数 N——炭化室孔数 ——单孔装煤量,即V炭化室?
?
干煤,m3?
——焦炉周转时间,h 干煤气量 V煤气?
G煤?
?
煤气 =×320 =59904Nm3/h G煤气=59904×=/h 2)煤气中含H2S量 GH2S?
G煤?
H2S产率 =×1000×%=/hVH2S=GH2S/?
H2S =/ =/h 3)煤气中粗苯含量 G粗笨=G煤×粗苯的回收率+V煤气×塔后煤气含苯量 =×1000×%+59904× =/h V粗笨=G粗笨/?
粗笨=/=/h 上述三种气体流量之和V总?
V煤气?
VH2S?
V粗苯=59904++=/h 4)塔前煤气中水蒸气量塔前煤气温度T1=58℃,煤气露点T01=53℃ 露点下的水蒸汽压力P01=13582Pa 中国矿业大学2009届进修生毕业设计第3页共31页 煤气绝对总压力=大气压+煤气总压 =101300+10000=111300Pa?
P01/(P?
P01) =?
13582/111300?
13582 V塔前=/hG塔前=V塔前?
18/ =×18/=Kg/h 5)塔后煤气中水蒸汽量塔后煤气温度T2=22℃露点T02=22℃ 露点下水蒸汽压力P02=2638Pa塔后煤气绝对总压力:
P2=大气压+塔后煤气压力 =101300+8500 =109800Pa V塔后?
P02/(P2?
P02) =×2638/(109800-2638)=/h G塔后=V塔后×18/ =×18/=Kg/h 横管终冷洗萘塔的计算
(一)热量衡算 1.带入热量Q入 干煤气带入热量 q1=V煤气×干煤气在58℃下的焓 =59904×=/hH2S带入热量 q2=GH2S×H2S在塔前温度下的比热×塔前温度 =××58=/h (3)粗苯带入热量:
中国矿业大学2009届进修生毕业设计第4页共31页 q3=G粗笨×IKJ/hI=×(103+ct)式中 c=(+)/MKcal/(kg℃)M——粗苯平均分子量,可取为t——煤气塔前温度,℃则c=(+×58)/ =/kg℃ I=×(103+×58)=/kgq3=G粗笨×I =×=/h (4)水蒸气带入热量:
q4=G塔前×水蒸气塔前温度下的焓=×=/h 故带入热量为:
Q入?
q1?
q2?
q3?
q4 =+++=/h 2.带出热量Q出:
干煤气带出热量 ?
=V煤气×干煤气在22℃下的焓q1=59904×=/h 式中——22℃下干煤气的焓,KJ/h H2S带出热量:
?
=GH2S×H2S在塔后温度下的比热×塔后温度q2=××22=/h 粗苯带出热量:
?
=G粗笨×i?
,KJ/hq3i?
=×(103+t?
c?
) 中国矿业大学2009届进修生毕业设计第5页共31页 式中c?
=/M,kcal/(kg℃) M——粗苯平均分子量,可取为t?
——煤气塔后温度℃ c?
=(+×22)/=/(kg.℃)i?
=×(103+×22)=KJ/kg 故粗苯产品带出热量 ?
=×q3=/h 水蒸气带出热量:
q’4=G塔前×水蒸气塔前温度下的焓=×=/h 故带出热量为:
Q出?
q’1?
q2?
q3?
q4 =+++ =/h
(二)冷却面积的计算 冷却水采用18℃的地下水出塔温度为28℃左右冷却水量 W=/【××1000】=(—)/【××1000】=/h 传热系数的计算:
1K= 1?
11?
2b?
?
?
?
?
1?
1?
2?
2?
1)?
1是煤气至管外璧的对流传热系数J/㎡·S·K ㏑?
1=+ 式中:
x—每m3饱和煤气中水蒸气的平均含量 ’’’
中国矿业大学2009届进修生毕业设计第6页共31页 查得:
塔前露点58℃时煤气水蒸气含量x1=/Nm3塔后露点22℃时煤气水蒸气含量x2=/Nm3 xx(273?
t01)(273?
t02)?
2?
?
X=【1?
?
27318273】18×100÷2=% ㏑?
1=+ =×+ = 故:
?
1=J/㎡·S·K 2)?
2是管内壁至冷却水对流传热系数J/㎡·S·K n?
管数为342,根据前面计算得冷却水量为m3/h管内水速为 WuS= S= ?
?
?
?
36004 =/s在冷却水的平均温度为:
28?
18=23℃时水的物性参数如下:
2比热:
Cp=KJ/Kg·k导热系数:
?
=J/m·s·k 黏度:
?
=×10?
4pa密度:
?
=kg/m3则:
du?
Re=iS ?
= ?
?
?
?
10= 中国矿业大学2009届进修生毕业设计第7页共31页 Pr=故?
2=?
Re=?
?
?
?
?
?
di =/m2?
S?
K 3)管壁厚b=,钢的导热系数?
?
/m2?
S?
K,b/λ=/=×10?
5㎡·S·K/J(管壁热阻)查手册得:
管内壁污垢热阻RSI= 管外壁污垢热阻RSO= ?
2=×10?
4㎡·S·K/J?
2?
1=×10?
4㎡·S·K/J?
1则:
11b1?
?
RSO?
?
RSi?
K?
1?
?
2=1/+×10?
4+×10?
5+×10?
4+1/ =×10?
3㎡·S·K/J 故:
K=J/㎡·S·K冷却面积的计算:
1)求平均温差?
Tm:
煤气:
58℃?
22℃冷却水:
28℃?
18℃ ————————————————△T:
30℃4℃则平均温差为:
?
Tm= ?
t1?
?
t230?
4==℃?
t130lnln?
t242)冷却面积F:
Q公式F?
得:
?
Tm?
KF=×1000/(××3600) =㎡ 中国矿业大学2009届进修生毕业设计第8页共31页 (三)高度计算 管箱高度 管间距为32mm,正△布管,则行间距为㎜可取25mm塔体采用边长为2米的长方形制造,每排可布57根水管,每组管束含6排,则一组共有57×6=285根水管,组间距取60㎜,则一个管箱高度为32×10+20×2+60=420㎜,箱间距取200mm。
计算有效管长 管子的倾斜度约为3℃,形状如图:
于每侧的管箱间距 为200mm,则每根水管的纵向倾斜距离为100mm,如图:
x1002000 则有效管长为:
x=2000?
100?
管箱数:
共需要管束个数为 ?
?
?
35取m=36 285?
?
?
d?
x285?
?
?
?
组,而每个管箱含2组管束,则共需36组管束,18个管箱,分两段,一段为9个管箱,二段为9个。
塔高计算:
有效管板高度为:
H?
=350+420×18+200×17+350=11660mm=两段喷洒高度共取1m,煤气出口2m,煤气入口1m,底部油槽高5m,则实际塔高为:
H=H?
+1+2+1+4= 洗苯塔的计算:
原始数据:
塔前煤气温度22℃,塔后煤气温度26℃, 入塔贫油温度30℃ 塔前煤气压力8500Pa,塔后煤气压力5880Pa, 中国矿业大学2009届进修生毕业设计第9页共31页 从煤气中吸收的粗苯量为:
G?
=G煤×粗苯回收率 =×%×1000=/h 出塔煤气含粗苯量为=/h 入塔湿煤气量:
V,(Nm3/h) G,(Kg/h) 煤气 硫化氢 粗苯蒸汽 水蒸汽 共 计 出塔湿煤气量:
V,(Nm3/h) G,(Kg/h) 煤气 64896 硫化氢 粗苯蒸汽 水蒸汽 共 计 煤气的实际流量 273?
22101325?
V1=?
=Nm3/h273101325?
8500273?
26101325?
V2=?
=Nm3/h273101325?
5880煤气平均流量V的计算:
V=/2=Nm3/h1.洗油循环量W的计算:
油气比取为/m3煤气,油密度取γ=/L,则油W=V×油气比×γ 油=××=Kg/h2.贫油粗苯含量的计算:
中国矿业大学2009届进修生毕业设计第10页共31页
(1)塔前煤气含粗苯量:
?
1?
G粗笨前?
1000V 1=×1000/ =g/Nm3 式中:
V1——塔前煤气实际流量,Nm3/h
(2)塔后煤气含粗苯量:
?
2?
G粗笨后?
1000V 2=×1000/ =g/Nm3 式中:
V21——塔后煤气实际流量,Nm3/h(3)贫油允许含粗苯量:
与?
2相平衡的允许贫油含苯量按下式计算(用于焦油洗油):
(x/Mb)Pb?
?
Mbx/Mb?
(100?
x)/Mm按规定塔后煤气含量不大于2g/Nm3式中:
?
——为苯族烃的浓度 Mm——洗油的平均分子量,取160Mb——粗苯的平均分子量,取P——煤气总压力 Pb——回收温度下粗苯的饱和蒸汽压,㎜Hg Pb?
?
?
?
?
㎜HgPb?
、Pt、Px、Ps分别是纯苯、甲苯、二甲苯、萘溶剂油 的饱和蒸气压,查《焦化设计参考资料》下册得:
Pb?
=㎜Hg,Pt=㎜Hg, 求得pb=㎜Hg 将已知数据带入方程,即可求出洗油含萘量x:
X=% 入塔贫油实际含苯量为:
C1=x/n =/=% 即取平衡偏离系数n=出塔富油含苯量:
C2=C1+回收的苯量/
中国矿业大学2009届进修生毕业设计第11页共31页 =%+/(+) =% 3.塔径和塔高的确定;根据《燃料化工》1998:
36提供的参数,塑料花环填料的空塔气速?
在~/s之间;花环填料表面定额在~㎡/Nm3·h,本设计取?
=/s,花环填料表面定额值为㎡/Nm3·h D= 4V4?
=m?
?
u?
?
?
3600圆整后,取D=m 式中VS——煤气平均体积流量,Nm3/S花环填料面积,用量及塔高的计算:
于花环填料表面定额值为㎡/Nm3·h得花环填料面积:
F=×=㎡ 洗苯塔吸收段内填Z型花环填料,填料层的结构采用多段填充,塔顶部设一层高的捕雾层,充填X型花环填料,采用6个叶式喷头,在塔的适当部位设再分布器。
三种花环填料规格见下表;型号X Z D填充分数个/m33250080003000比表面积㎡/Nm318512794空隙率 % 88 89 90容重Kg/m3111 120 88上表可查出:
Z型花环的比表面积为127㎡/Nm3。
秒年里则:
填料总体积V=/127=m3 故填料高度为:
h===mπr2?
?
2因此洗苯塔可分为5层填料,每层高度为2m,填料层间距为1m,捕雾层高,再分布器段,煤气入口段2m,煤气出口段2m,洗苯塔底部槽高为5m,喷淋高度为,第二层与第三层填料间设再分布器,则洗苯塔内填料高度为:
H,=5×2++3×1= 中国矿业大学2009届进修生毕业设计第12页共31页 塔高可取为:
H=++2+2+5+++=30m 蒸馏脱苯部分设备计算和选型 计算依据:
粗苯产量为kg/h,其中 苯 ×76%=kg/h甲苯 ×15%=kg/h二甲苯 ×5%=kg/h萘溶剂油 ×4%=kg/h 贫油量 kg/h 贫油密度γ=1050Kg/m3 W则:
V==122747/1050=m3/h ?
贫油中粗苯的含量为×%=/h粗苯的密度取860kg/m3,则 粗苯量为 ×860=Kg/h其中含苯 %×=Kg/h甲苯%×=Kg/h 二甲苯 %×=Kg/h萘溶剂油%×=Kg/h富油量=贫油量+粗苯产量+贫油中含粗苯量=++=Kg/h 富油中水量=富油量×=×% =Kg/h 富油中萘量=富油量×5%=×5%=/h 洗油量=贫油量-富油中萘量=–=Kg/h 则进入脱苯工序的富油量如下:
中国矿业大学2009届进修生毕业设计第13页共31页成分洗油萘苯甲苯二甲苯溶剂油水共计 Kg/h Kg/hKmol/h 分子量16012878105.912018管式炉:
管式炉出口富油温度为180℃,压力为920mmHg。
180℃时各种组分的饱和蒸汽压分别为:
苯:
7668;甲苯:
3875;萘:
295;溶剂油:
1100;洗油:
110。
从管式炉出来的富油进入脱苯塔时,闪蒸后与闪蒸前液相中各组分比率计算如下:
苯的比率:
假设?
B= ?
7668甲苯:
?
T== ?
7668?
?
3875二甲苯:
?
溶剂油:
?
洗油:
?
X= ?
7668= ?
7668?
?
2060S= ?
7668= ?
7668?
?
?
7668= ?
7668?
?
295=M中国矿业大学2009届进修生毕业设计第14页共31页 萘 :
?
N= ?
7668= ?
7668?
?
110水 :
?
W=0 闪蒸后留在液相中各组分的数量如下成分苯甲苯二甲苯溶剂油萘洗油共计验算?
BKmol/h×=×=×=×=×=×=Kg/h :
P?
?
A= ?
iGiMi Gi?
iGi?
?
M?
?
920=?
= ?
B=A/== ?
7668与假设值?
B=非常接近,故以上计算正确。
在脱苯塔进口各组分蒸发量如下:
成分苯Kg/h= 中国矿业大学2009届进修生毕业设计第15页共31页甲苯二甲苯4溶剂油萘洗油水共计== === 粗苯在管式炉中的蒸发率:
/×100%=35%1.管式炉输入热量QR:
从洗苯塔来的富油经分缩器,贫富油换热器后进入管式炉,带入热量Q1:
①洗油带入热量:
q1=洗油量×125℃洗油的比热×温度=××125× =KJ/h 式中——含萘洗油125℃时的比热,KcaL/Kg·℃②粗苯带入热量:
q2=粗苯量×比热×温度,KJ/h。
粗苯125℃的比热 C=+=KcaL/Kg·℃则q2=××125× =KJ/h ③水带入热量:
q3=水量×比热×温度 =××125× =KJ/h
中国矿业大学2009届进修生毕业设计第16页共31页 式中——水在125℃下的比热,KcaL/Kg·℃ 故带入热量 Q1=q1+q2+q3 =++=KJ/h 入管式炉对流段低压蒸汽带入热量Q2:
查《焦化设计参考资料》下册,得:
每千克粗苯的直接蒸汽耗量为千克,则蒸馏用直接蒸汽耗量为:
G=×=/h 故:
Q2=×=KJ/h 式中——表压)饱和蒸汽热焓,KJ/h④管式炉加热用煤气供热量Q3;则输入热量为:
QR=Q1+Q2+Q32、管式炉输出热量Qc 出管式炉富油180℃时带走的热量Q4含萘洗油带走热量 ,q1=洗油量×比热×温度 =××180 =KJ/h 式中——含萘洗油180℃时的比热,KJ/Kg·℃粗苯带入热量:
’q2=粗苯量×比热×温度,KJ/h。
粗苯比热 C=+ =+×180=KcaL/Kg·℃ 则q2,=××180×=KJ/h 故:
Q4=q1,+q2, =+=KJ/h 中国矿业大学2009届进修生毕业设计第17页共31页 粗苯蒸汽和油气带出热量Q5 ①洗油蒸汽带走热量 ,q3=含萘洗油蒸汽量×热焓=×=KJ/h 式中——180℃含萘洗油蒸汽热焓,KJ/Kg②粗苯蒸汽带出热量 q4’=粗苯蒸汽量×热焓 =×=KJ/h 式中——180℃粗苯蒸汽热焓,KJ/h③水蒸汽带出热量 ’q5=水蒸汽量×热焓 =×=/h 式中——/㎝2180℃水蒸汽热焓,KJ/Kg④粗苯蒸汽和油气带出热量Q5 Q5=q3+q4’+q5 =++ =KJ/h 400℃过热蒸汽带出热量Q6Q6=×3272=KJ/h 式中3272——4Kgf/㎝2400℃过热蒸汽热焓,KJ/Kg 散热损失Q7 Q7= 3、管式炉加热面积:
供给富油的热量:
Qm=Q4+Q5-Q1 =+=KJ/h 供给蒸汽的热量:
QV=Q6-Q2 = ,’中国矿业大学2009届进修生毕业设计第18页共31页 =KJ/h 设Qm的95%辐射段供给,5%对流供给,辐射段强度为105000KJ/㎡·h,则辐射段加热面积为:
95%?
QmF1==㎡ 105000取对流段加热强度为21000KJ/㎡·h,则对流段加热面积为:
蒸汽F2==㎡ 210005%?
Qm?
21000F2?
F3?
?
?
设管式炉加热效率为80%,煤气热值为17800KJ/Nm3.则煤气消耗量为:
QV?
QmVg= 80%?
17800=Nm3/h 煤气在管式炉中燃烧产生热量为:
Q,=×17800 =万KJ/h=万Kcal/h 根据《焦化设计参考资料》选热负荷为270万千卡/时和热负荷为420万千卡/时的管式炉各一台,其各项参数如下:
型号:
255-25-Φ127/Φ127/89 直径:
3442mm总高:
19572mm总热负荷:
270万千卡/时,加热面积富油F3?
对流段油管:
60㎡对流段气管㎡ 辐射段油管:
㎡辐射段气管㎡ 设备总重:
金属重:
耐火材料重:
型号:
420-25-φ114/φ152 直径:
4254mm;总高:
28564mm;总热负荷:
420万千卡/时 加热面积 对流段油管:
50㎡ 对流段气管:
--㎡ 辐射段油管:
175㎡ 辐射段气管:
--㎡ 中国矿业大学2009届进修生毕业设计第19页共31页 设备总重 金属重:
耐火材料重:
再生器计算 进入再生器的富油中的各组分的蒸发率按下式计算:
l1?
()n/2Ki?
i?
ln/2?
11?
()Ki式中?
i——组分蒸发率 n——提留段塔板层数 Ki——组分平衡常数;Ki=pi/ppi——组分的饱和蒸汽压力,mmHgP——再生器内总压力,mmHgl——油分子数与水分子数之比,?
?
GmMS; GSMmGm,GS——油量和水蒸气量,Kg/h; MS,Mm——油和水蒸气的分子量,分别为160和18; 再生器内设7层多孔折流板,设其相当于两层泡罩塔板,n=2。
油在再生器内被加热至200℃,该温度下萘和洗油的饱和蒸汽压力分别为496mmHg和200mmHg。
再生器油气出口处油气压力为980mmHg,则组分的平衡常数Ki为:
萘KN=496/980=洗油Km=200/980= 进入再生器内的油量Gm为管式炉后富油量的%,即×%=/h,其中气相Kg/h,液相Kg/h, 气相包括洗油Kg/h,萘Kg/h,粗苯Kg/h,水蒸气Kg/h; 液相包括洗油Kg/h,萘Kg/h,粗苯Kg/h,水蒸气量GS为Kg/h。
设在再生器内粗苯全部蒸发,则油分子数与水蒸汽分子数之比为:
L=×18/(×160)=将上述各值代入公式,得各组分蒸发率为:
中国矿业大学2009届进修生毕业设计第20页共31页 1?
/?
1?
?
?
?
V= =Nm3/h ?
3600?
?
1取D=1600mm的塔径,此再生器规格为:
取空塔气速为m/s,则直径为D= 直径1600全高塔 板加热面重 量形式板数积设备操作7000弓形5网板2×14--所用流程管式炉脱苯 脱苯塔计算:
提馏段 洗油与萘在提馏段的蒸发率按下式计算
中国矿业大学2009届进修生毕业设计第21页共31页 1?
(l/ki)n/2?
i?
1?
(l/ki)1?
(n/2)提馏段塔板数n=14,脱苯塔底压力为970mmHg,塔底贫油温度为178℃,该温度下洗油和萘的饱和蒸汽压为和105mmHg,则组分的平衡常数为:
萘KN=/970=洗油Km=105/970= 再生器进入脱苯塔的水蒸气量为Kg/h,进入脱苯塔内富油液相量如下:
洗油=Kg/h萘 =/h粗苯=/h共计 Kg/h则油分子数与水蒸汽分子数之比为:
L=×18/(×160)=将上述各值代入公式,得洗油与萘蒸发率为:
(/)7?
1萘?
N?
?
8(/)?
1洗油?
M(/)7?
1?
?
8(/)?
1洗油与萘在提馏段的蒸发量:
洗油×=Kg/h萘 ×=/h精馏段物料平衡 粗苯产量为/h,设在脱苯塔中全部蒸发 180℃前馏出量为93%,故实际粗苯量为 /=/h粗苯蒸汽中含油量为 =/h其中洗油:
20%,即Kg/h 萘:
80%,即/h 根据富油在脱水塔内的蒸发量、在脱苯塔进口的闪蒸量、再生器进入脱 苯塔的气体量、脱苯塔提馏段的蒸发量以及塔顶粗苯带走的油量,得 到在精馏段冷凝而流到提馏段的洗油量和萘量如下:
中国矿业大学2009届进修生毕业设计第22页共31页 洗油++=/h 萘++=Kg/h即 /160+/128=Kmol/h脱苯塔塔顶逸出的水蒸气量和粗苯量计算:
塔顶压力:
820mmHg; 塔顶温度:
95℃;该温度下水的饱和蒸汽压力:
水蒸气的分子数为/820=则粗苯的分子数为粗苯产量为 ?
?
?
?
?
?
设水全部蒸发。
精馏段物料平衡 输入管式炉来的气相,
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