【正文】 39。39。 86km52k河北聯(lián)合大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院32 塔尺寸的計算 初餾塔尺寸的計算1). 塔徑的計算① 精餾段塔徑計算按Smith 法計算最大空塔速度： ，其中maxLVWC????????????C式中——計算物料的負(fù)荷系數(shù)，C?——液體表面張力為 時物系的Smith 系數(shù)。?????液相重度： ，??39。..2 設(shè)計內(nèi)容31進(jìn)料層氣相壓力： ?????進(jìn)頂?shù)?底 實(shí)NP式中：——進(jìn)料板層數(shù)。 kcalg?℃故， 39。139。故RsR2 設(shè)計內(nèi)容29回流狀態(tài)參數(shù)： ??21????rtc式中：—工業(yè)萘汽化勢 ，rkcalg—塔頂氣相溫度，℃，2t—工業(yè)萘回流溫度，℃，1， —工業(yè)萘分別在 0～ ℃和 0～ ℃的平均比熱c2 1t2tkcalg?℃查手冊知r=84kcal/kg。2???dt查手冊知己進(jìn)料混合餾分在20℃的比重 ，式中，系數(shù) ?故， ??39。N進(jìn)——總塔板數(shù)。 ，39。???rct式中：—入塔原料的平均汽化熱 ，39。 39。270℃ ℃ x?表 212 塔底組成組分名稱 0iP?x萘 硫雜茚 二甲酚 喹啉 β甲基萘 二甲基萘 苊 合計 ― ― 河北聯(lián)合大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院24下萘的相平衡常數(shù) ，而 ，270℃ ????誤差為: ，%.???為 。00451P?、 P根據(jù)拉烏爾定律列出相平衡關(guān)系式為：河北聯(lián)合大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院220001211PyxyPxyPx???、由于相平衡常數(shù) ，故 ，因此，對任一組分而言 。?② 最小回流比 mR根據(jù)物料數(shù)據(jù)可知： ， ， ，.3DX?Ⅰ .49%fⅠ ?Ⅱ %f?Ⅱ根據(jù)柯爾本法計算公式，計算最小回流比 ????????????????????????????????平 均平 均（3）實(shí)際板數(shù)的確定2 設(shè)計內(nèi)容21操作回流比取為： ???則， ???查吉利蘭圖得： .42mN解得： ，?39?取塔板效率 ，則初餾塔實(shí)際塔板數(shù)為 。%.6??②塔底溫度根據(jù)；液相等溫線方程來確定塔底溫度，設(shè)塔底壓力為 P，由于， 000121.niPxPx???2 設(shè)計內(nèi)容19選萘為基準(zhǔn)，設(shè)萘在塔底溫度下的蒸汽壓力為 ，則用 除上式即可得：??將液相視為理想溶液、氣相為理想氣體，則： 。0021P?、 P根據(jù)拉烏爾定律列出相平衡關(guān)系式為： 0001211yxyPxyx???、由于相平衡常數(shù) ，故 ，因此，對任一組分而言 。表 24 物料衡算表組分 進(jìn)料 餾出液 di 釜液 wi四氫化萘 ―萘 硫雜茚 * *河北聯(lián)合大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院14二甲酚 * *喹啉 * *β甲基萘 二甲基萘 ― 苊 ― 合計 D W物料衡算式為：………………①?????…………②?解得： ，.7Dkmolh?.7kmolh?由此得， ， ，5126d5014w，根據(jù)芬斯克方程知： ..lldwN??????????????????????????????????由 值求中間組分的餾出量的釜液量：m ..???????????????????????? .????????????????????????2 設(shè)計內(nèi)容15 . kmolh????????????????????????由于與初定值偏差較大，故直接迭代重做物料衡算見表 25。②由于以三混餾分制取萘的質(zhì)量指標(biāo)范圍為 95～98%（工業(yè)產(chǎn)品） ，該工藝取精餾塔蒸出萘的回收率大于 95%。物質(zhì)結(jié)晶分離法在許多場合下比其它化學(xué)工藝的分離方法優(yōu)越，此外當(dāng)需要高純度的最終產(chǎn)品或當(dāng)凈化熱不穩(wěn)定性物質(zhì)時，使用結(jié)晶法更有利。多余的另一部分殘油打入洗油冷卻 20，被水冷卻后的洗油放入油庫。工業(yè)萘不合格時，可由汽化冷凝冷卻器后窺視鏡切換至中間槽。在萘塔排氣冷卻器16冷凝的萘液流入回流槽。冷凝液在經(jīng)初餾塔第二凝縮器6而進(jìn)入初餾塔回流槽2。精餾法生產(chǎn)工業(yè)萘有許多優(yōu)點(diǎn)，在我國以得到普遍推廣，技術(shù)上也有不少創(chuàng)興。以含萘餾分為原料采用精餾法制取工業(yè)萘的工藝有雙爐雙塔連續(xù)精餾、單爐單塔連續(xù)精餾和單爐雙塔加壓連續(xù)精餾等工藝。常壓和減壓等。該工藝由一臺加熱爐控制兩臺蒸餾塔塔底溫度，操作難度較大。即在初餾塔內(nèi)切取酚油餾份，在精餾塔內(nèi)切取工業(yè)萘和甲基萘油餾份，兩臺蒸餾塔分別有兩臺加熱爐供熱。根據(jù)國家海關(guān)總署的統(tǒng)計，自 1996 年以來，工業(yè)萘進(jìn)口量逐年增加，1996～2022 年，年均增長率高達(dá) 20%以上。20 世紀(jì) 70 年代，以鄰二甲苯代替萘氣相催化氧化制造苯酐的工藝開發(fā)成功且在當(dāng)時具有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)競爭力，用鄰二甲苯為原料生產(chǎn)的苯酐，產(chǎn)量最高時曾達(dá)到世界苯酐總產(chǎn)量的 80%。在石油煉制過程中，利用催化裂化、重整等餾分為原料，經(jīng)過加氫精制、催化脫烷基、脫氫等工藝也可獲得萘，通稱石油萘。大多數(shù)焦油加工企業(yè)受規(guī)模、技術(shù)和資金的限制，只能生產(chǎn)少量的輕油、酚油、工業(yè)萘、洗油、蒽油及瀝青等幾種低端產(chǎn)品。甲基萘用亞硫酸氫鈉等氧化制得的亞硫酸氫鈉甲萘醌(別名維生素 K3)。設(shè)備也采用靜態(tài)混合器。洗滌設(shè)備有空氣攪拌、機(jī)械攪拌、泵混合、靜態(tài)混合器、噴射混合器等型式。缺點(diǎn)為：常減壓蒸餾比其他兩種焦油蒸餾工藝增加了蒸餾塔的數(shù)量，并且減壓塔負(fù)壓操作對設(shè)備要求較高。目前我國大型煤焦油加工企業(yè)有 50 家，已形成一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和存量優(yōu)勢。作為煉焦的化工副產(chǎn)品，煤焦油產(chǎn)率約占煉焦干煤的 3%～4%，是一種組分復(fù)雜的有機(jī)混合物，所含有機(jī)物可達(dá)上萬種，僅目前查明的就有500 多種，其中蒽、苊、芘等一些化工產(chǎn)品具有不可替代性。煤焦油是煉焦工業(yè)煤熱解生成的粗煤氣中的產(chǎn)物之一，煤焦油是煤在干餾和汽化過程中獲得的液體產(chǎn)品，其產(chǎn)量約占裝爐煤氣的 3%～4%，在常溫常壓下其產(chǎn)品呈黑色粘稠液狀，煉焦生產(chǎn)的高溫煤焦油密度較高，密度通常在 ～，閃點(diǎn) 100℃具有特殊臭味。其中以萘油為原料制取工業(yè)萘及進(jìn)一加工成精萘有良好的發(fā)展前景，萘在焦油中的含量約是710%，是一種十分重要的有機(jī)化工原料，主要用于生產(chǎn)苯酐、各種萘酚、萘胺、減水劑等，是生產(chǎn)合成樹脂、增塑劑、橡膠防老劑、表面活性、合成纖維、染料、農(nóng)藥、醫(yī)藥和香料等的原料。并在15/?此基礎(chǔ)上畫出主要設(shè)備裝配圖、工藝流程圖及車間設(shè)備平面布置圖。本文結(jié)合單爐雙塔工藝對年處理 12 萬噸焦油加工廠工業(yè)萘制取工段進(jìn)行了設(shè)計，首先由泡點(diǎn)法確定初餾塔和精餾塔的塔頂、塔底的操作壓力和溫度。其次，對塔進(jìn)行機(jī)械校核塔的設(shè)計，使其滿足當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件和設(shè)計條件。煤焦油是煤干餾的產(chǎn)物之一，焦油化學(xué)至今已有三百年的歷史，1822 年英國建立世界上第一個煤焦油蒸餾加工廠。本設(shè)計從能耗的角度出發(fā)采用單爐雙塔工藝流程。提高工業(yè)萘收率的途徑是制定合理的焦油蒸餾和工業(yè)萘蒸餾工藝制度，降低酚油、洗油中含萘量，提高混合份中萘集中度，減少萘在焦油其他餾份中的損失的過程。在我國，幾乎所有大中型城市都建有焦化廠，在提供煤氣的同時，副產(chǎn)煤焦油。此工藝的缺點(diǎn)為：由于增加了一套真空裝置，減壓蒸餾對設(shè)備的要求較為嚴(yán)格，裝置的投資高，并且真空系統(tǒng)易腐蝕。一般是先脫酚、后脫喹啉，也可只脫酚、不脫喹啉。其輕油脫酚對酚鈉鹽起到凈化的作用。用它們可以比較簡單地轉(zhuǎn)化為高價值的新型材料。 我國煤焦油加工業(yè)業(yè)目前存在的主要問題 目前，我國焦油加工企業(yè)一是生產(chǎn)規(guī)模小，2022 年統(tǒng)計的 37 家大中型加工企業(yè)的焦油加工量僅為 308 萬噸，平均 8 萬噸多一點(diǎn)。萘按生產(chǎn)原料不同分為煤焦油萘和石油萘，目前無論國內(nèi)外，煤焦油萘都占大多數(shù)。由于苯酐是重要的有機(jī)化工原料，需求量巨大，因而很快成為萘的最大用戶并造成了 20 世紀(jì)四五十年代焦油萘的供不應(yīng)求。其中 95%以上采用煤焦油為原料，大多數(shù)企業(yè)是冶金系統(tǒng)的焦化廠，生產(chǎn)規(guī)模較大的企業(yè)有上海寶鋼化工有限公司、鞍鋼實(shí)業(yè)化工公司、武漢鋼鐵集團(tuán)焦化有限責(zé)任公司、首都鋼鐵公司焦化廠、攀枝花鋼鐵集團(tuán)煤化工公司、北京焦化廠、上海焦化廠等。 工業(yè)萘蒸餾技術(shù) 目前，大規(guī)模的工業(yè)萘生產(chǎn)裝置多采用管式爐加熱連續(xù)精餾法。該工藝設(shè)備簡單，投資少，由于在一臺蒸餾塔內(nèi)要同時保證酚油、工業(yè)萘和甲基萘油三種產(chǎn)品質(zhì)量都合格，所以比雙爐雙塔工藝難于調(diào)節(jié)，適用于原料含萘較高的情況。對一些中、小規(guī)模工廠,當(dāng)不回收喹啉時 ,僅有堿洗一種工序。另外，生產(chǎn) 95 %工業(yè)萘的原料也有不同：窄餾分(即萘油餾分)、四混餾分(輕、酚、萘、洗)，三混餾分(酚、萘、洗) ，兩混餾分(萘、洗) 等。這些工藝都具有各自的特點(diǎn)，主要從投資、能耗、方便操作等方面加以區(qū)別。1 文獻(xiàn)綜述7 單爐雙塔連續(xù)精餾的工藝流程因采用的原料餾分不同，各廠具備的條件不同，單爐雙塔加工工藝有所不同，對于以萘油餾分為原料，且有氮?dú)夤┙o條件的加工廠所用工藝流程. 其特點(diǎn)是，精餾塔（萘塔）在加壓條件下操作，以萘蒸汽冷凝冷卻器作為初餾塔的再沸器——被稱之為雙效精餾。從萘塔頂逸出的萘蒸汽經(jīng)初餾塔重沸器8，冷卻后入萘回流槽17。成品洗油含萘量應(yīng)小于 10%，供粗苯工段煤氣洗苯用。原料中所含的萘油和洗油餾分以液態(tài)混入熱循環(huán)油，一起流入初餾塔底貯槽，再由初餾塔熱油循環(huán)油泵 7 抽出，一部打入初餾塔管式爐 6，被燃料燃燒加熱至 265270℃部分氣化后，再回到初餾塔下部，供作初餾塔的熱量，另一部分則以 230—235℃的溫度打入精餾塔 5。進(jìn)行壓榨之前先將萘油結(jié)晶送入帶攪拌機(jī)的料斗內(nèi)，在其中間接蒸汽加熱到 50~55℃，并混合均勻在此溫度下壓榨，油黏度不大，易于分離，同時可以最大限度的脫出萘中含的有害物質(zhì)硫雜茚。單爐雙塔的工藝路線與雙爐雙塔生產(chǎn)工藝相比，工藝流程簡單，減少了設(shè)備，減少了能量消耗，但操作要求較高，此工藝既需要保證工業(yè)萘合格又要降低洗油含萘量，萘的回收率比單爐單塔高，流程比較成熟，生產(chǎn)穩(wěn)定，已被普遍采用。則物料平衡關(guān)系式為：………………………………………………①??……………………………②0..0349?解得：塔頂餾出物物量： ，釜液量：??表 22 初餾塔的物料平衡原料 餾出物 殘液組分 kmol/h 摩爾分?jǐn)?shù)% kmol/h 摩爾分?jǐn)?shù)% kmol/h 摩爾分?jǐn)?shù)%1,2,4三甲苯 ― ―茚 ― ―對甲酚 ― ―四氫化萘 32 萘 硫雜茚 ― ― 二甲酚 ― ― 2 設(shè)計內(nèi)容13喹啉 ― ― β甲基萘 ― ― 二甲基萘 ― ― 苊 ― ― 合計 100 100 100餾出物中含四氫化萘的量： ??餾出物中含萘的量： .????（ ）釜液中萘的量： 沸點(diǎn)低于四氫化萘的各組分可以認(rèn)為全部蒸出，沸點(diǎn)高于萘的各種餾分可以認(rèn)為全部留在殘液中，即嚴(yán)格滿足清晰分割，則初餾塔的物料平衡見表 2 精餾塔物料衡算由于 β甲基萘含量多且與萘含量接近故取萘為輕關(guān)鍵組分，β 甲基萘為重關(guān)鍵組分，該工藝要求提取含萘量大于 95%的產(chǎn)品，因此規(guī)定殘液中輕關(guān)鍵組分含量為 2%（摩爾分?jǐn)?shù)） ，重關(guān)鍵組分在餾出液中含量為 %（摩爾分?jǐn)?shù)） 。(2) 操作溫度的確定① 塔頂溫度： 塔頂溫度的確定采用泡點(diǎn)法。個組分的 （取以萘為基準(zhǔn)，去其 ）則各組分的 ?1??值列于表 7。以上求得的溫度同雙塔流程初餾塔的實(shí)際操作溫度基本相符，滿足要求。（2） 操作溫度的確定① 塔頂溫度：塔頂溫度的確定采用泡點(diǎn)法。則 。???????????????Ⅱ ⅠⅠ Ⅱ1nN??代入數(shù)據(jù)即得：? ?????? ?????????? ?n?將上式聯(lián)立解得： ，精餾段實(shí)際塔板數(shù)為 ，加料板位置為從上往下數(shù) 30 層塔板。39。c39。 39。 86..719...64830???????sF kg② 提餾段液相負(fù)荷液相負(fù)荷按下式計算： 39。 kg6kgm液相流量 、sL39。240kt?℃因此，進(jìn)料狀態(tài)參數(shù) ，??39。2， —分別為混合餾分在在 0~240℃,0~235℃的平均比熱 。2139。 339。 氣相重度 、?39。39。39。 . .024LVWCms????????設(shè)計采用空塔氣速為： ，max(~85)0..89W精餾塔徑： 4134..9sVD????因此選用初餾塔徑 60則，塔截面積： 則實(shí)際空塔速度：精餾段： ????河北聯(lián)合大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院34提餾段： ????將精餾段、提餾段的工藝計算值列于下表，見表215。???????酚359. 3dn?萘 ??因此原料在235℃下的表面張力：39。39。 ?精餾段、提餾段的氣液相負(fù)荷見下表214。 . mhs????氣相重度為： ????39。?℃????39。rkcalg， —分別為進(jìn)料塔板和入塔物料的溫度 ℃，39。1????sVF式中：—入塔原料量 ，F(xiàn)kmolh—進(jìn)料狀態(tài)參數(shù)39。表213 不同區(qū)域的的氣相、液相計算值名稱 精餾段 提餾段氣相流量 、sV39。39。39。2， —分別為混合餾分在 0~235℃，0~210℃的平均比熱 。235kt?℃因此，進(jìn)料狀態(tài)參數(shù) ，??39。?Ⅰ ?Ⅰ重關(guān)鍵組分在餾出物和釜液的濃度為： ，?Ⅱ ?Ⅱ設(shè) 一 β甲基萘在 塔頂、塔底相對揮發(fā)度平均值?平 均則： ==?平 均根據(jù)芬斯克方程計算最小理論板數(shù)（不包括再沸器）： +1 ?????????????????????????