张生银
摘要
粗苯精制工艺，是以粗苯为原料，经化学加工转换为气体，液体和固体产物，并将气体和液体产物进一步加工成一系列化学产品的过程。目前粗苯精制工艺过程有：酸洗精制法和加氢精制法。酸洗精制法工艺简单，该法在我国焦化厂得到广泛应用。加氢精制法工艺复杂，对设备材质和自动控制要求高，该法在我国也得到一定的应用。
本设计采用酸洗精制对粗苯精制工艺进行了设计计算，着重设计计算了粗苯精制过程的关键设备。主要包括物料衡算，主要塔设备的工艺尺寸计算，并对关键设备进行了机械强度校核。
通过物料衡算得到苯每小时产量为4.17 t/h；按清晰分割计算得：轻苯进料量为5.796 t/h；酸洗反应器进料量为5.723 t/h；吹苯塔进料量为5.715 t/h；按非清晰分割计算得：纯苯塔进料量为5.4863 t/h甲苯塔进料量为1.3125 t/h；二甲苯塔进料量为0.5302 t/h。通过对关键设备工艺尺寸计算得到：吹苯塔塔高H=27.45m；纯苯塔塔高为17.966m，塔径为1.1m。通过对关键设备机械强度校核得到：纯苯塔质量载荷为7942.18Kg；风载荷：1-1截面为84503.059 N·m。
通过设计计算，得到对于设计要求的轻苯处理量，纯苯塔的塔高，塔径及机械强度计算结果表明，本设计符合要求。
关键字：粗苯、精制、苯
Crude benzol refining process is crude benzol as raw materials, chemical processing converted to gas, liquid and solid products, liquid and gas products and further processed into a series of chemical process. Crude Benzol currently refining process are: Pickling and refined method of hydrogenation. Pickling refined method
of simple, but there are liquid waste. The law in China's coke plant is widely used. Hydrogenation process of complex, material and equipment for automatic control requirements. The law in China has been applied.
This design uses pickling crude benzol refining process of refining a design, the focus on design and calculation of the process of refining crude benzol key equipment. Including material balance, the main tower of the size of equipment, and key equipment to check the mechanical strength.
Get through the material balance for the production of benzene 4.17 per hour; Calculated in accordance with a clear division: benzene into the light feed traffic to 5.796; pickling reactor feed traffic to 5.723; benzene tower blown the feed traffic to 5.715; On non-clear segmentation in the calculation: Refining benzene tower into the feed traffic to 5.4863 toluene tap into feed traffic to 1.3125; xylene tower into the feed traffic to 0.5302. Through the key equipment of size calculated: high winds benzene high tower H = 26.35m; Refining benzene high tower as 27.45 m, Tower Drive for 1.1 m. Through the mechanical strength of key equipment check by Refining benzene tower load for the quality of 7942.18 Kg; wind load: a cross-section of 84503.509N m
.
Through the design, by the light of benzene capacity refining benzene tower and the tower high mechanical strength Tower Drive and the results surface, the design to meet the requirements.
Keywords: Crude benzol、Benzene 、Refining
1.1概述
粗苯精制的生产工艺，是以粗苯为原料，经化学加工转换为气体，液体和固体产物，并将气体和液体产物进一步加工成一系列化学产品的过程。目前粗苯精制的方法主要有酸洗精制法和加氢精制法。酸洗精制法工艺简单，但有液体废物产生。该法在我国焦化厂得到广泛应用。加氢精制法工艺复杂，对设备材质和自动控制要求高，所得产品质量好，没有液体废物产生，有利于环境保护。该法在我国也得到了应用。
1.1.1粗苯的主要组分及性质
粗苯中的苯、甲苯和二甲苯含量约占90%以上，是粗苯精制的主要产品。此外，还有不饱和化合物及少量含硫、氮、氧的化合物。苯类产品是易流动，几乎不溶于水，而溶于乙醇、乙醚等多种有机溶剂的无色透明液体，极易燃烧，其蒸汽与空气能形成爆炸性混合物。粗苯中所含的不饱和化合物的含量主要取决于炭化温度，温度越高，不饱和化合物的含量就越低。不饱和化合物在粗苯馏分中的分布不均匀。粗苯中所含的不饱和化合物主要是带有一个或两个双键的环烯烃和直链烯烃，它们、极易聚合，易和空气中的氧形成深褐色的树脂状物质，并能溶于苯内产品，使之变成棕色。故在生成过程中，需将不饱和化合物除去。粗苯中的硫化物主要是二硫化碳、噻吩及其同系物。此外还有硫醇、硫化氢等，但含量一般很少。硫化氢在粗苯储存过程中，逐渐被氧化成单体硫。硫化物在粗苯精制过程中作为有害杂质脱除。粗苯中尚含有吡啶碱类和酚类，因含量甚少，不作为产品提取。
1.1.2粗苯精制产品及用途
为了得到合格的苯类产品，首先将粗苯分离为轻苯和重苯。苯、甲苯、二甲苯的绝大部分、硫化物的大部分和近一半的不饱和化合物则集中于轻苯中。苯乙烯、古马隆及茚等高沸点不饱和化合物则集中于重苯中。轻苯和重苯需分别加工。本次设计中是利用粗苯中分离出来的轻苯进行加工，最终得到所需产品。
苯的最大用途是作为生产苯乙烯的单体原料。环已烷和苯酚也是苯重要消费领域。此外，苯也是染料、塑料、合成橡胶、合成树脂、合成纤维、合成药物和
农药等的重要原料，也是涂料、橡胶、胶水等的溶剂，也可以作为燃料。甲苯用于制造糖精、染料、药物和炸药等，并用作溶剂。二甲苯广泛用于有机溶剂和合成医药、涂料、树脂、染料、炸药和农药等。
精制在145-180℃范围内馏出的混合产品称为溶剂油。溶剂油主要用作油漆和颜料工业中的溶剂。溶剂油经分离所得的二甲苯同分异构体及三甲苯同分异构体可分别用于生产树脂、染料和药物。以粗苯的初馏分为原料，经热馏和热聚合得二聚环戊二烯，可用于制取单体环戊二烯。二聚物和单体物可制取合成树脂、农药、香料和杀菌剂。古马隆和茚制取的树脂可用于制造油漆、塑料和绝缘材料。苯乙烯经过聚合可制成用于生产绝缘材料的无色树脂。二硫化碳可用作溶剂、硫化促进剂，还可用以生产农药和磺酸盐。噻吩可用于生产染料、医药、耐急冷急热塑料、高活性溶剂、生物活化物质、增亮剂及化妆品等。
1.1.3粗苯精制的意义
资源、环境和人口是当前困扰人类社会发展的三大突出问题，这三大问题与能源都有密切关系。能源本身就是资源，而且是重要的资源；能源大量和非洁净的消费造成了环境的破坏；人口的增长势必增加对能源的需求。我国是一个煤炭储量丰富而石油和天然气相对贫乏的国家。迄今为止，我国能源一直是以煤为主的多元化结构。预计在今后相当长的一段时间内，这一格局也不会改变。利用我国丰富的煤炭资源，实施“以煤造油”和“以煤代油”是优化终端能源，实现石油供应多元化和保证能源安全的重大决策，符合我国国情和可持续发展的需要。而粗苯是煤造油中主要的附属产品。因此粗苯的精制具有重要的意义。
1.2文献综述
粗苯精制的方法是根据苯的组成、性质、产品的品种和质量要求而制定的。粗苯的主要成分苯、甲苯、二甲苯等由于相邻的二组分之间的沸点温度相差较大，可用精馏方法进行分离。而有些不饱和化合物及硫化物的沸点与苯类产品之间的沸点温度相差很小，不能用精馏的方法把它们分开，要用化学的方法分离。按除去不饱和化合物和硫化物的方式不同，粗苯精制的方法主要有酸洗精制法和加氢精制法。酸洗精制法具有工艺流程简单、操作灵活、设备投资少、材料易得，常温、常压下运行，但有液体废物产生。该法在中国焦化厂广泛采用。加氢精制法工艺复杂，对设备材质要求较高所得产品质量好，用途广，售价较高，没有液体
废物产生，有利于环境保护，宜在粗苯集中加工厂采用。该法在中国焦化厂也有采用。考虑到酸洗精制法的优点，本次设计采用酸洗精制法提取苯类产品。1.3设计任务的依据
对混合馏分进行酸洗净化的工艺操作，不仅要求尽可能除去其中所含的硫化物和不饱和化合物，而且要求硫酸含量低、苯族烃损失小，并使反应尽量向形成能溶解于已洗混合馏分中的聚合物方向进行。为此，应对下列因素加以控制：1.3.1反应温度
噻吩与不饱和化合物反应的活化能比苯族烃与不饱和化合物反应的活化能小。因此，反应控制在35-45℃比较低的温度，即保证了噻吩的净化效果，又减少了苯族烃因磺化反应及与不饱和化合物的共聚反应而引起的损失。酸洗反应是放热反应，其放出的热量取决于未洗混合馏分中不饱和化合物的含量及组成。考虑到酸洗过程的热效应，未洗混合馏分温度可取为25~30℃。
1.3.2硫酸浓度
硫酸浓度的影响可用酸洗甲苯和二甲苯混合物的试验数据说明：随着硫酸浓度的增加，苯族烃与不饱和化合物的共聚反应与磺化反应加剧。但与共聚反应相比，磺化反应仅属于从属地位。
在实际生产中，应根据轻苯的组成和质量来确定适宜的硫酸浓度。通常采用硫酸为93 wt%-95 wt%，耗量为5%。
1.3.3酸化反应时间
延长反应时间，可改善洗涤效果，但同时会加剧磺化反应，增加酸焦油的生成量及苯族烃的损失。尤其对酸焦油的生成量显著。一般反应时间为10min 左右。
组成（质量含量）：初馏分1%；苯75%；甲苯13.9%；二甲苯3.3%；溶剂油6.8%。
纯苯产品组成（质量含量）：苯99.5%；甲苯<0.5%。
纯苯残油组成（质量含量）：苯<0.5%。
1.4主要原材料及公用工程情况
主要原材料为粗苯。粗苯是煤热解生成的粗煤气中的产物之一,经脱氨后的
焦炉煤气中含有苯系化合物，其中以苯含量为主，称之为粗苯。粗苯主要含苯、甲苯、二甲苯和三甲苯等芳香烃。此为还含有不饱和化合物、硫化物、饱和烃、酚类和吡啶碱类。粗苯的组成取决于炼焦配煤的组成及炼焦产物在碳化室类热解的程度。粗苯使黄色透明液体，比水轻微溶于水。在储存时，由于低沸点不饱和化合物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℃。粗苯蒸汽在空气中的体积浓度为1.4%-7.5%时，能形成爆炸性混合物。
粗苯主要用于深加工制苯、甲苯、二甲苯等产品，苯、甲苯、二甲苯都是宝贵的基本有机化工原料。
2 生产流程确定
粗苯精制主要有两种方法：一种是加氢精制，另一种时酸洗精制。加氢精制发工艺复杂，对设备材质和自动控制要求高。因此，此次设计采用第二种方法，即酸洗精制。在酸洗精制法中，轻苯需先经初步精馏，把初馏分与苯、甲苯和二甲苯的混合馏分分离开来，然后对混合馏分进行净化处理。经过净化的混合馏分用碱中和后，在进行最终精馏，以制取各类产品。
3 生产流程说明
轻苯在储槽中静止脱水后，用原料泵送入初馏塔进行精馏，由塔顶逸出的初馏分蒸汽经冷凝冷却、油水分离后分为两部分，一部分作为产品采出，另一部分用作回流。塔底排出的混合馏分经冷却器自流至中间槽，作为硫酸洗涤的原料。轻苯初馏得到的未洗混合馏分先经预热，然后与连洗泵前连续加入的浓硫酸混合，经泵送往混合器。液体在泵和混合器类呈现充分的湍流状态，以进行酸洗反应。液体在混合器内停留1min后，送入酸洗反应器内进一步反应。
酸洗反应器后的混合馏分及硫酸进入加水混合器，连续加入占未洗混合馏分质量3%-4%的水以停止反应并产生了再生酸。然后在酸油分离器中停留约1h，经澄清分离后，再生酸和酸焦油沉积下来，混合馏分由酸油分离器上部排至碱油混合器，再碱油混合器前连续加入质量浓度为12%-16%的碱液进行中和，使已洗混合馏分呈弱碱性。
带微碱性的已洗混合馏分首先进行吹苯（简单蒸吹），然后对吹出苯（苯族烃混合物）进行最终精馏。
吹出苯经开停工槽用泵连续送入纯苯塔，塔顶苯蒸汽经冷凝冷却、油水分离后，一部分用苯送至塔顶作回流，其余作产品采出。塔底纯苯残油用热油泵送至甲苯塔，塔顶甲苯蒸汽经冷凝冷却、油水分离后，一部分用泵送至塔顶作回流，其余作产品采出。塔底甲苯残油同样用热油泵送至二甲苯塔，塔顶二甲苯汽经冷凝冷却、油水分离后，一部分用泵送至塔顶作回流，其余作产品采出，塔底二甲苯残油经冷却后入二甲苯残油贮槽。
4物料衡算
4.1初馏塔物料衡算
原料：处理量F=100/t h
组成：
初馏分组成：
精馏出塔初馏分为1.2%
在下面计算中以序号代表组分，根据题意1号关键组分（初馏分）为轻关键组分。2号组分（苯）为重关键组分。有精馏塔初馏分为1.2%可知，在精馏后初馏分完全为塔顶产品。
塔顶产品中苯的流量：
D=100?1.2%?1.5%=0.18/t h
h
塔底产品中苯的流量为：
h W =h F -h D =100?75%-0.18=74.82/t h
对于清晰分割，即：比重关键组分还重的组分在塔顶产品不出现，比轻关键
组分还轻的组分在塔底产品中不出现，故对全塔作各组分的物料衡算。即：
i i i F D W =+
各组分在两产品中组成分别为：
i Di D a D =
及 i Wi W a W
= 计算结果如下表：
4.2酸洗反应器物料衡算
取初馏塔出来的溶剂油及残渣成分： 噻吩0.5%，不饱和化合物2%。 溶剂油及残渣流量为：6.8/t h 其中噻吩流量为：6.8?0.5%=0.034/t h 不饱和化合物流量为：6.8?2%=0.136/t h
经酸洗后余噻吩0.11%，流量为：6.8?0.11%=0.00748/t h 余不饱和化合物0.11%，流量为：6.8?0.11%=0.00748/t h 噻吩反应速率为：0.034-0.00748=0.02652/t h
不饱和化合物反应速率为：0.136-0.00748=0.12852/t h
所以共余溶剂油及残渣流量为：6.8-0.02652-0.12852=6.64496/t h 计算结果如下：
4.3吹苯塔物料衡算
因为BTX 产率为97.5%，残渣产率为2.5%。 则由上表可列新表得：
按清晰分割计算
在下面计算中以序号代表组分，根据题意1号关键组分（BTX ）为轻关键组分，2号组分（溶剂油及残渣）为重关键组分。
塔顶产品中BTX 流量为：L D =92.02?97.5%=89.72/t h 。 塔底产品中BTX 流量为：L W =L F -L D =92.02-89.72=2.3/t h 。 塔底产品中残渣流量为：h W =6.64496?0.025=0.166/t h 。 塔顶产品中残渣流量为：h D =h F -h W =6.64496-0.166=6.48/t h 。
对于清晰分割，即：比重关键组分还重的组分在塔顶产品不出现，比轻关键组分还轻的组分在塔底产品中不出现，故对全塔作各组分的物料衡算。即：
i i i F D W =+
各组分在两产品中组成分别为：
i Di D a D =
及 i Wi W a W
= 计算结果如下：
BTX组成
吹苯塔塔顶初馏分组成。即：纯苯塔进料成分如下：
4.4纯苯塔物料衡算
计算得纯苯塔进料组成及查得有关数据如下：
其中F=96.20156/t h。
在下面计算中以序号代表组分，根据题意1号关键组分（苯）为轻关键组分。2号组分（甲苯）为重关键组分。其中纯苯产品组成为：苯>99.5% 甲苯<0.5%，残油组成中：苯<0.5%。
塔顶产品中苯流量为：
L D =96.20156?0.765?0.995=73.2025/t h 塔底产品中苯流量为：
L W =L F -L D =96.20156?0.765-73.2025=0.3679/t h 塔顶产品中甲苯流量为：
h D =96.20156?0.140?0.005=0。0673/t h 塔底产品中甲苯流量为：
h h h W F D =-=96.20156?0.140-0.0673=13.3907/t h
非清晰分割的初馏分流量在两产品中的组成由上面计算可得：
(
)L D W =73.2025
198.970.3679= 0.0673()0.00513.3907h D W == 将有关数据代入式：
(
)()()()g L g h g i g h g Lh g hh g ih g hh
D D D D
l l l l W W W W l a l a l a l a --=-- 得： (
)()198.980.005
5.89014.49 2.4
g L g h g
g g Lh g hh g g D D
l l l l W W l a l a l l --==--
对于组分3（二甲苯）可求：
3(
) 5.890( 2.4 5.82)0.0052 4.5669g g g g D
l l l l W =-+=- 则3()D
W
=0.0027 其它各组分的()i D
W 值列于下表：
产品中各组分流量i D 和i W 可根据分配比和物料衡算求得，计算结果亦列于下表，以苯为例计算如下：
(
)D
W 苯
=198.97 F=D+W=96.20156?0.765=73.5704 t/h
联立上式解得：D 苯=73.20256 /t h W 苯=0.3679 /t h
4.4.1纯苯塔产品产量核算
年产苯3万吨，一年按300天计算,则每小时苯产量为：
'310000
4.17/30024
D t h ?=
=?
则由塔顶产品与塔底产品成比例得：
''D W D W =代入数据得： 4.17'
73.20250.3679
W =
可求得：'W =0.0210/t h
''' 4.170.0210 4.191/F D W t h =+=+=
同理可求得纯苯塔中其它成分流量及组成如下表：
4.4.2吹苯塔产品产量核算
同理,可求得吹苯塔进料流量及组成。结果如下表：
所以BTX总流量为5.246/t h，占94.16%。
溶剂油及残渣流量为0.3255/t h，占5.84%。
由吹苯塔塔顶BTX产率为97.5%，塔底残渣产率为2.5%。则由此可求得吹苯塔进料量流量及组成如下表：
由最初吹苯塔进料可知。BTX组成如下：
吹苯塔出料BTX组成如下：
则吹苯塔进料量，即：酸洗塔出料量及组成如下：
4.4.3酸洗塔产品产量核算
在酸洗反应器中进行核算：
设：进入酸洗塔之前，溶剂及残渣的流率为x /t h。其中含噻吩0.5%，含
不饱和化合物2%。经酸洗后余噻吩0.11%，余不饱和化合物0.11%。则由上述可列质量守恒方程：
----=
(0.0050.0011)(0.020.0011)0.334
x x x x x
解得x=0.342/t h
所以酸洗塔进料，即初馏塔出料塔底产品组成如下：
4.4.4初馏塔产品产量核算
由以上数据可求得初馏塔进料量，组成及各组分含量如下表：
所以由上可知，每年欲得3万吨苯，则：轻苯的进料量及组成如下：
F=5.796/t h
4.5甲苯塔物料衡算
在此进料时，纯苯塔塔底出料量及组成，即：甲苯塔进料量如下表：
甲苯塔在110℃时各组分相对挥发度如下：
即：甲苯塔进料量组成相关数据如下表:
其中塔顶甲苯收率大于99.2%，二甲苯含量小于0.6%。
在下面计算中以序号代表组分，根据题意2号关键组分（甲苯）为轻关键组分，3号组分（二甲苯）为重关键组分。
塔顶产品中甲苯流量为：
1.31250.58400.9920.7604/L D t h =??= 塔底产品中甲苯流量为：
1.31250.5840.76040.0061/L L L W F D t h =-=?-= 塔顶产品中二甲苯流量为：
1.31250.1170.0060.0009/h D t h =??= 塔底产品中二甲苯流量为：
1.31250.1170.00090.1527/h h h W F D t h =-=?-=
非清晰分割的馏出液流量及各组分在两产品中的组成由上面计算可得：
(
)L D W =0.7604124.660.0061= 0.0009()0.00590.1527h D W == 将有关数据代入式
(
)()()()g L g h g i g h g Lh g hh g ih g hh
D D D D
l l l l W W W W l a l a l a l a --=--得： (
)()124.660.0059
11.9545.29 2.3
g L g h g
g g Lh g hh g g D D
l l l l W W l a l a l l --==--
1(
)11.954(11.73 2.3)0.0059 6.23g g g g D
l l l l W =-+= 则1()D
W
=1698243.6 其它各组分()j D
W 列于下表：
产品中各组分流量i D 和i W 可根据分配比和物料衡算求得，计算结果亦列于下表：
下面以苯为例，计算如下：
(
)D
W
苯=1698243.6 F 苯=D 苯+W 苯=1.3125?0.0160=0.0210
则D=0.0210/t h 72.210/W t h -=?
4.6二甲苯塔物料衡算
二甲苯塔在145℃时各组分相对挥发度如下表：
即：二甲苯塔进料组成相关数据如下表：
其中塔顶二甲苯收率大于99%，残渣含量小于0.8%。
在下面计算中，以序号代表组分，根据实际设计要求，2号关键组分（二甲苯）为轻关键组分，3号组分（溶剂油及残渣）为重关键组分。
塔顶产品中二甲苯流量为：
0.53020.28800.990.1512
D=??=t / h
L
塔底产品中二甲苯流为：
0.53020.28800.15120.0015L L L W F D =-=?-=t / h 塔顶产品中溶剂油及残渣流量为：
0.53020.70050.0080.0030h D =??=t / h 塔底产品中溶剂油及渣：
0.53020.70050.00300.3684h h h W F D =-=?-=t / h
非清晰分割的馏出液流量及各组分在两产品中的组分由上面计算可得：
0.1512(
)100.80.0015L D W == 0.0030
()0.0080.3684h D W =
= 将有关数据代入式：
(
)()()()g L g h g i g h g Lh g hh g ih g hh
D D D D l l l l W W W W l a l a l a l a --=--得： (
)()100.80.008
11.972.2
g L g h g
g g Lh g hh g D D
l l l l W W l a l a l --==-
对于组分1(甲苯)可求得
1(
)11.97( 5.72 2.2)0.008 2.8706g g g g D
l l l l W =-+= 则1()D
W
=742.25 其它各组分()j D
W 列于下表：
产品中各组分流量i D 和i W 可根据分配比和物料衡算求得，计算结果亦列于下表：
以甲苯为例，计算如下：
D
W 甲苯
（
） =742.25 F 甲苯=D 甲苯+W 甲苯=0.5302?0.0115=0.0061/t h 联立上式解得：
D=0.0061/t h 68.2110/
W t h -=?
5 能量衡算
因数据不全无法计算。
6 塔设备计算
6.1吹苯塔计算
6.1.1吹苯塔塔径的计算
吹苯塔实际上只是一个闪蒸塔，由物料衡算可得吹苯塔中原料液中气相和液相产品质量流量及组成如下：