年产1万吨甲苯的精馏装置设计 1
1 绪论
1.1 设计背景
一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的液
体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。精馏操作按不同方法进行分类。根据操作方式，可分为连续精馏和间歇精馏；根据混合物的组分数，可分为二元精馏和多元精馏；根据是否在混合物中加入影响汽液平衡的添加剂，可分为普通精馏和特殊精馏（包括萃取精馏、恒沸精馏和加盐精馏）。若精馏过程伴有化学反应，则称为反应精馏。精馏就是利用物质中各组分沸点的不同，用连续或间隙精馏设备把各组分一一分离开来!根据各混合气体的汽化点（或沸点）的不同，控制塔各节不同温度，达到分离提纯的目的。
精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型.精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。
1.2 甲苯的性质及用途
1.2.1甲苯的物理性质
甲苯(Toluene）是最简单，最重要的芳烃化合物之一。在空气中，甲苯只能不完全燃烧，火焰呈黄色。甲苯的熔点为-95 ℃，沸点为111 ℃。甲苯带有一种特殊的芳香味（与苯的气味类似），在常温常压下是一种无色透明，清澈如水的液体，密度为0.866 g／cm³，对光有很强的折射作用（折射率：1.4961）。甲苯几乎不溶于水(0,52 g/l)，但可以和二硫化碳，酒精，乙醚以任意比例混溶，在氯仿，丙酮和大多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。甲苯的粘性为0.6 mPa·s，也就是说它的粘稠性弱于水。甲苯的热值为40.940 kJ/kg，闪点为4 ℃，燃点为535 ℃。 1.2.2甲苯的化学性质
甲苯，（分子式：C7H8）系苯的同系物，亦名“甲基苯”、“苯基甲烷”，是一种
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无色，带特殊芳香味的易挥发液体。 甲苯是芳香族碳氢化合物的一员，在空气中，甲苯只能不完全燃烧，火焰呈黄色。它的很多性质与苯很相像，具有类 似苯的芳香气味，在现今实际应用中常常替代有相当毒性的苯作为有机溶剂使用。甲苯几乎不溶于水(0.52g/l)，但可以和二硫化碳 ，酒精，乙醚以任意比例混溶，在氯仿，丙酮和大多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。蒸气和空气形成爆炸 性混合物，爆炸极限1.2～7.0％（体积）。如甲苯溶解溴后，在光照条件下，甲基上的氢原子被溴原子取代（与甲烷 相似）而在铁作催化剂条件下，苯基上的氢原子被溴原子取代（与苯相似）；但甲苯分子中存在着甲基和苯基的相互 影响，使得甲苯又具有不同于苯和甲烷的性质，如苯环上的取代反应（卤化、硝化等），甲苯比苯容易进行，甲苯分 子中的甲基可以被酸性高锰酸钾溶液氧化。
甲苯容易发生氯化，生成苯—氯甲烷或苯三氯甲烷，它们都是工业上 很好的溶剂；它可以萃取溴水中的溴，但不能和溴水反应；它还容易硝化，生成对硝基甲苯或邻硝基甲苯。
1.2.3甲苯的用途
甲苯是有机化合物，属芳香烃，分子式为C6H5CH3。在常温下呈液体状，无色、易燃。它的沸点为110．8℃，凝固点为－95℃，密度为0．866克／厘米3。甲苯温度计正是利用了它的凝固点比水很低，可以在高寒地区使用；而它的沸点又比水的沸点高，可以测110．8℃以下的温度。因此从测温范围来看，它优于水银温度计和酒精温度计。另外甲苯比较便宜，故甲苯温度计比水银温度计也便宜。
甲苯不溶于水，但溶于乙醇和苯的溶剂中。甲苯容易发生氯化，生成苯—氯甲烷或苯三氯甲烷，它们都是工业上很好的溶剂；它还容易硝化，生成对硝基甲苯或邻硝基甲苯，它们都是染料的原料；它还容易磺化，生成邻甲苯磺酸或对甲苯磺酸，它们是做染料或制糖精的原料。甲苯的蒸汽与空气混合形成爆炸性物质，因此它可以制造梯思梯炸药。甲苯与苯的性质很相似，是工业上应用很广的原料。但其蒸汽有毒，可以通过呼吸道对人体造成危害，使用和生产时要防止它进入呼吸器官。
1.3．苯的国内外现状
1.3.1.国内现状
2008年我国甲苯表观消费量为219.6万t，主要集中在制苯、二甲苯和溶剂等领域。未来几年，由于国内对二甲苯生产将快速增长，甲苯歧化制成纯苯、对二甲苯以及深加
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工制得甲苯二异氰酸酯的精细化产业链是当前国内甲苯消费的新增热点，符合国内未来经济结构调整思路，甲苯作为歧化原料的消费会增加；丙酮、环己酮、甲乙酮、醋酸酯类等非芳烃溶剂将逐渐替代作为溶剂的甲苯，甲苯在溶剂领域的消费量将逐渐下降。鉴于以上原因，预计到2012年国内甲苯年需求量将达到250万t左右，届时国内甲苯将处于供过于求的局面。
近几年，随着我国大型石油化工装置的相继投产和对二甲苯需求的增长，甲苯的生产能力快速增长。2007年国内甲苯的生产能力和产量分别为343.5万t／a及289.6万t，甲苯市场自给率已上升到82.6%。国内甲苯的生产能力主要集中在中国石化和中国石油两大公司，占国内甲苯总生产能力的95.1%。2008年我国新增甲苯生产能力约50万t／a左右，总生产能力达到398.6万t／a。新增产能主要来自金陵石化的20万t／a甲苯生产装置和宁波中金集团公司的18.6万t／a的甲苯生产装置、山西煤化工有限公司新建3.3万t／a甲苯生产装置等。 1.3.2国外情况
2008年世界石油甲苯生产能力约为2846.0万t／a，平均开工率为74%。从产能分布看，亚洲甲苯生产能力位居世界第一，占世界甲苯总产能的47.6%；其次是北美，占25.6%；西欧、中东欧、中东所占比例较少，各占11.2%、5.9%、6.0%。从2002-2008年世界各地区甲苯产能的增长率来看，亚洲地区甲苯产能年均增长率最快，为6.1%，远远大于世界年均增长率(世界年均增长率为2.9%)；其他地区的增长率都低于世界平均增长率，东欧为1.7%，中东为1.5%，南美、西欧各为0.7%和0.4%，北美、非洲、大洋洲均未增长。
2002-2008年，世界范围内各地区甲苯生产商的开工率为66%-76%，保持较高水平，供应充足，市场需求较旺，市场供需基本平衡。2008年世界石油甲苯消费量为2062.9万t，其中，亚洲甲苯消费量最多为1090.3万t，占世界甲苯总消费量的52.9%；其次是北美地区，甲苯消费量为591.6万t，占世界甲苯总消费量的8.3%。2002-2008年世界平均甲苯产量增长率为5.9%，其中亚洲的增长率最快为8.1%，其次是中东地区为6.2%。
预计2008-2012年，世界甲苯下游产品的需求增长比较快，纯苯的需求增长率为3.7%、己内酰胺的需求增长率为6.9%、TDI的需求增长率为6.8%。据上述甲苯下游产品的需求估算，世界甲苯需求增长率为1%-2%，到2012年世界甲苯年需求量将达到2224.2万t。其中，中东的甲苯需求增长率最快为5.1%，需求量为140.2万t；亚洲甲苯需求
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增长率为3.9%，需求量为1204.4万t，亚洲仍是需求量最大的地区
1.4．精馏原理
化工生产过程中需要进行液体混合物的分离达到提纯或回收有用组分的目的。互溶液体混合物的分离有多种方法，精馏是其中最常用的一种。
精馏过程的实质就是利用混合物中各组分挥发度的不同，及在同一温度下各组分蒸汽压的不同这一性质，是液相中的轻组分转移到汽相中，而汽相中的重组分转移到液相中，从而实现精馏的目的。各液 体的挥发度能力不同，因此液体混合物挥发后所生成的蒸汽组成与原来液体的组成是有差别的，蒸馏酒是借液体混合物中各组分挥发性的差异而惊醒分离的一种操作。
精馏在化工，炼油、石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程是在能量计的驱动下，使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相挥发度不同，是挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分向液相转移。实现原料混合物组分分离该过程是同时进行传质传热的过程。
1.5 主要设备
塔设备是化工、石油化工、炼油化工和炼油等生产中重要的设备之一，它可以使
汽-汽或液-液相紧密接触，达到相际传热及船只的目的。塔设备中常见的塔设备为板式塔和填料塔两大类。作为主要传质过程的塔设备，首先必须使汽（气）液两相能充分接触，已获得高的传质效率。此外，为满足工业生产的需要，塔设备还必须满足以下要求：1.生产能力大；2.操作稳定，弹性大；3.流体流动阻力小；4.结构简单，材料耗用少，制造和安装容易；5.耐磨蚀和不易阻塞，操作方便，调节和检修容易。
因为板式塔处理量大，效率高，清洗检修方便且造价低，故工业上多采用板式塔。 工业上常见的几种板式塔机器优点：
Ⅰ．浮法塔：在塔板开孔上方安装可浮动的阀片，浮阀可随气体流量的变化自动调节开度，可避免漏液，操作弹性大，造价低，且安装检修方便，但对抗腐蚀性能要求高。
Ⅱ．筛板塔：结构简单，造价低廉，筛板塔压降小，液面落差小，生产能力及塔板效率都比泡罩塔高，故应用广泛。
Ⅲ．泡罩塔：其气体通道是升气管和泡罩，由于气管道高出塔板，即使在气体负荷很低时也不会发生严重漏液，操作弹性大，升气管为气液两相提供了大量传质界面。但泡罩塔版结构复杂，成本高，安装检修不方便，生产能力小。
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1.5.1 浮阀塔 (1)优点：
1、浮阀塔可以根据气速大小自由升降、关闭或开启。当气速变化时开启大小可以自动调节，因此它的操作“弹性”大,适于生产量波动和变化情况。 2、浮阀塔生产能力较大，比泡罩塔高20%～40%，与筛板塔相近。 3、气液两相接触充分，因此塔板效率较高，一般比泡罩塔高15%左右。
4、气体沿阀片周边上升时只经过一次收缩、转弯和膨胀，因此比泡罩塔的塔板压力降小。
5、浮阀塔与泡罩塔相比结构较简单，制造容易，检修方便，因此制造费用仅是泡罩塔的60%～80%。 (2)缺点：
因为阀片活动，在生产过程中有可能松脱或被卡住，造成阀孔处的气液通过状况失常，为了避免阀片生锈后与塔板粘连以盖到阀孔而不能浮动，浮阀及塔板都用不锈钢制成。但是，对于较粘性蔽体或液体中有固体颗粒介质都不宜采用浮阀塔，因为这类介质易将阀片粘住或使阀片被架起导致阀孔盖不上。 1.5.2再沸器
优点：结构简单、坚固。取材范围广，处理能力大，适应性强，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中使用更为普遍。
作用：将塔内最下面的一块塔板流下的液体进行加热，使其中一部分液体发生汽化变成蒸汽而重新回流入塔以提供塔内上升的气流，从而保证塔内板上气液两相的稳定传质。 1.5.3冷凝器
作用：将塔顶上升的蒸汽进行冷凝使其成为液体，之后将一部分冷凝液从塔顶回流进塔内以提供塔内下降的液流，使其与上升气流进行逆流传质接触。
1.6.操作条件
1.6.1操作条件的确定
确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指
标。例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、加料方式、进料热状态、塔顶蒸