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1、2011届本科毕业论文 4万吨/年1,3丁二烯生产装置第一萃取精馏塔工艺设计 1 绪论21.1设计依据21.2 设计的目的及意义21.3 1，3-丁二烯的物化性质21.4 原辅材料介绍31.4.1 原料规格31.4.2 二甲基甲酰胺（DMF）性质32 1，3-丁二烯的生产32.1 1，3-丁二烯的生产方法32.2 生产原理42.3 工艺技术路线43 主要设备的工艺设计及计算53.1 基础数据53.1.1 C4组分53.1.2 相对挥发度的计算63.2 塔设备的工艺设计及计算93.2.1第一萃取精馏塔的计算93.3 3.3塔板主要工艺尺寸的计算度133.3.1 溢流装置的计算133.3.2 溢流
2、堰高度133.3.3 弓形降液管宽度Wd和截面积133.3.4 降液管底隙高度143.4 塔板布置143.4.1 塔板的分布143.4.2 边缘区宽度的确定143.4.3 开孔区面积计算153.5 流体阻力计算153.5.1 干板阻力的计算153.5.2 气体通过液层阻力计算153.5.3 液体表面张力的阻力h计算153.5.4 漏液163.5.5 液泛163.6 塔板负荷性能图163.6.1 漏液线16漏液线由漏液点气速来标绘出对应的 VS-LS.163.6.2 液相负荷下限线163.6.3 液相负荷上限线173.6.4 液泛线17塔体设计总表18参考文献20致 谢21201 绪论1.1设计
3、依据（1）年产1，3-丁二烯：5.0万吨/年（2）原料来源：由乙烯裂解送来的C4混合烃（3）年操作时间：7800小时（4）本装置能在设计能力为50%的负荷下运行。（5）全流程采用萃取精馏、精馏两段流程，其中包括了丁二烯回收、溶剂精制等部1.2 设计的目的及意义丁二烯抽提装置的生产目的是从来自乙烯装置的裂解碳四及其它混合碳四中抽提出高纯度的1，3-丁二烯。工业生产中大量用到1，3-丁二烯，作为合成橡胶的重要单体，是工业急需化工原料产品。同时还是生产合成蒽醌的首要原料。也是体现对乙烯生产中产生的C4原料再生产的利用，以提高石油原料的利用价值，充补石油产品多衍生物的发展2。1.3 1，3-丁二烯的物
4、化性质表1.1 1,3丁二烯的物化性质分子式C4H6分子量54.088外观有芳香气味的无色气体沸点-4.4130C分子键共价键化学活泼性很大，在催化剂作用下能起加成反应；易起氧化反应，能和臭氧反应，生成易爆炸的臭氧化物；易起聚合反应，生成二聚物和高分子化合物。1.4 原辅材料介绍1.4.1 原料规格表2.1 C4进料组分规格名称序号成分含量混合C41C30.0052C50.00531，3-C4H60.450.524H2O0.00051.4.2 二甲基甲酰胺（DMF）性质表2.2 二甲基甲酰胺（DMF）性质名称二甲基甲酰胺分子式C3H7NO分子量73.09外观无色、有特殊气味二甲胺0.001kg
5、/kg用途用于丁二烯装置做萃取剂，萃取抽提裂解碳四中的丁二烯。2 1，3-丁二烯的生产2.1 1，3-丁二烯的生产方法国内外丁二烯的来源主要有两种，一种是从乙烯裂解装置副产的混合C4馏分中抽提得到，另一种是从炼油厂C4馏分脱氢得到。上个世纪60年代之后，以石脑油为原料裂解制乙烯技术的迅速发展，在裂解制得乙烯和丙烯约同时可分离得到副产C4馏分,为抽提丁二烯提供价格低廉的原料，经济上占优势，因而成为从乙烯裂解装置副产的混合C4馏分中抽提生产丁二烯，根据所用溶剂的不同，该生产方法又可分为乙腈法(ACN法)、二甲基甲酰胺法(DMF法)和N-甲基吡咯烷酮法(NMP法)三种。本设计采用GPB工艺，以二甲基
6、甲酰胺（DMF）作为溶剂，从裂解C4馏分中提取高纯度1，3-丁二烯。二甲基甲酰胺法(DMF法)又名GPB法,由日本瑞翁公司于1965年实现工业化生产，并建成一套4.5万吨/年生产装置。该生产工艺包括四个工序，即第一萃取蒸馏工序、第二萃取蒸馏工序、精馏工序和溶剂回收工序。DMF法工艺的特点是：(1)对原料C4的适应性强，丁二烯含量在 15%-60%范围内都可生产出合格的丁二烯产品；(2)生产能力大，成本低，工艺成熟，安全性好、节能效果较好，产品、副产品回收率高达97%；(3)由于DMF对丁二烯的溶解能力及选择性比其他溶剂高，所以循环溶剂量较小，溶剂消耗量低；(4)无水DMF可与任何比例的C4馏分
7、互溶，因而避免了萃取塔中的分层现象；(5)DMF与任何C4馏分都不会形成共沸物，有利于烃和溶剂的分离，但由于其沸点较高，溶剂损失小；(6)热稳定性和化学稳定性良好；(7)由于其沸点高，萃取塔及解吸塔的操作温度都较高，易引起双烯烃和炔烃的聚合；(8)无水情况下对碳钢无腐蚀性，但在水分存在下会分解生成甲酸和二甲胺，因而有一定的腐蚀性。C4馏分中各组分的沸点极为接近（见表3.6），有的还与丁二烯形成共沸物。无论是乙烯裂解装置副产C4馏分还是丁烯氧化脱氢所得的C4馏分，要从其中分离出高纯度的丁二烯，用普通精馏的方法是十分困难的，一般须采用特殊的分离方法，目前工业上广泛采用萃取精馏和普通精馏相结合的方法
8、。2.2 生产原理C4馏分中各组分沸点接近，相对挥发度差值小。因此，工业上很难用普通精馏的方法将之分离开来，而需要采用一般精馏与特殊精馏相结合的方法才能经济合理地将它们分离开，本工艺采用萃取精馏的方法，即当在C4原料中加入一定量极性溶剂即萃取剂（萃取剂不与任何一个组分形成共沸物）后，各组分的相对挥发度差值增大，以达到将目的组成分离出来的目的6。2.3 工艺技术路线GPB工艺采用两段萃取精馏和两段普通精馏的流程。如图2.1，其生产工序原则上溶剂DMF中与1，3-丁二烯相比，相对挥发度大于1的组分（即比1，3-丁二烯难溶于DMF的组分）在第一萃取精馏部分脱除，而相对挥发度小于1的组分（即比1，3-
9、丁二烯易溶于 DMF的组分）在第二萃取精馏部分中脱除。在原料中只有那些与1，3-丁二烯的沸点相差较大的杂质，才能在普通精馏部分脱除5。3 主要设备的工艺设计及计算3.1 基础数据3.1.1 C4组分表3.1 C4组分的含量及相对分子量序号组分名称含量（%）相对分子量1丁烷1.38958.12.21-丁烯40.65456.1032-顺丁烯5.81656.1142-反丁烯4.59756.1151，3-丁二烯46.8554.0886乙烯基乙炔0.3252.047丙炔0.0640.068甲基乙炔0.154.0993-甲基-1-丁烯0.0270.14101，2-丁二烯0.1954.09设计进料值为10.
10、946/h。根据如上表格中的各组分的百分含量，可得到进料中各组分的摩尔百分数：表3.2 C4进料的摩尔分数组分进料量（t/h）摩尔数（kmol）摩尔分数（%）丁烷0.1522.6150.01311-丁烯4.45079.3230.39802-顺丁烯0.63711.3530.05692-反丁烯0.5038.9650.04501，3-丁二烯5.12894.8080.4758乙烯基乙炔0.0350.6730.0073丙炔0.0070.1750.0008甲基乙炔0.0110.2030.00113-甲基-1-丁烯0.0020.0290.00011，2-丁二烯0.0210.0390.00203.1.2 相对
11、挥发度的计算根据威尔逊方程计算活度系数，从而回归得出相对挥发度。威尔逊方程： 过剩自由焓： 31活度系数：两元系： 32将上式中的下标1和2交换可得的计算式。对于多元体系有： 33其中：参数,参数；为组分i和j间的两元交互作用能量参数；、分别为纯液体i和j 的摩尔体积。仅需用两元参数就能预计多元系的活度系数。查文献4得到关于C4组分的威尔逊参数表3.3。表3.3 威尔逊参数123456710.009148.426563.097043.366953.994950.442368.68226920.000.000.000.000.000.003835.80.000.000.000.000.000.0
12、0412440.000.000.000.000.000.00513330.000.000.000.000.000.006-4630.000.000.000.000.000.007-21460.000.000.000.000.000.00由威尔逊参数计算公式得的值如表3.4表3.4 威尔逊参数序号123456711.00.000060.004990.000590.000480.011450.000521.090.1651912.9007410.18706107.77171.658360.031.00.200490.158321.674870.025770.00.041.01.3049113.80
13、4980.212430.00.0371.3978651.018.124260.278890.00.0487.6151.3686961.00.012760.00.022.312926.9267410.3132071.00.00.0735.18637228.2284339.8087364.2005注：1-DMF, 2-丁烷，3-丁烯-1，4-顺丁烯-2，5-反丁烯-2，6-1，3-丁二烯， 7-乙烯基乙炔从而由威尔逊方程计算得活度系数如表3.1950.9923.1091.2993.0131.8010.081表3.5 活度系数再根据公式： 34 35计算出各组分的相对挥发度及在溶剂DMF中各组分的相
14、对挥发度7列表如表3.6及表3.7。表3.6 C4馏分的沸点及相对挥发度组分沸点（）相对挥发度异丁烷-11.71.20异丁烯-6.901.082-丁烯-6.261.032-丁二烯-4.541.00正丁烷-0.500.862-反丁烯0.880.842-顺丁烯3.700.78乙烯基乙炔5.100.74乙基乙炔8.700.67 表3.7 在DMF溶剂中，C4馏分各组分的相对挥发度 组分在DMF中与1，3-丁二烯的相对挥发度在DMF中溶解度（l/l）（20）难溶物丙烷20.904.0丙烯10.208.2丙二烯2.0840异丁烯-正丁烷5.0616.51-丁烯3.3924.6异丁烯3.39 2-反丁烯2
15、.3535.52-顺丁烯1.65511，3-丁二烯1.00 易溶物1，2-丁二烯0.522160甲基乙炔0.98285乙基乙炔0.30-乙烯基乙炔0.239350C5-3.2 塔设备的工艺设计及计算3.2.1第一萃取精馏塔的计算计算时取两个关键组分进行计算，分别是：1，3-丁二烯 1-丁烯塔顶控制1，3-丁二烯含量小于0.01kg/kg,塔底控制1，3-丁二烯含量大于0.96kg/kg。转化成摩尔分数为：1) 相关控制条件如表3.8。表3.8 控制条件序号关键组分11，3-丁二烯1.000.010.960.475821-丁烯3.390.880.010.39802) 根据恩德伍德方程进行计算：
16、3 6 37分别将上表中的数据代入方程中：()3) 取回流比：由此得出：根据吉利兰图，查的：4) 再由芬斯克方程： 38计算得出：块即为全塔最少理论板数。根据吉利兰图所查到的与的关系式得出：块即为全塔理论板数。5) 对全塔进行物料衡算（扣除溶剂S部分）：F=198.183kmol/h 39 310代入数据可以得出：6) 进料板的确定根据工业中现有1，3-丁二烯生产装置的设计经验，确定第一萃取精馏塔A塔的第94块板进料，溶剂S从第10块板进入塔内，A塔顶端10块板作为抽余液区，A塔共有95块板；确定B塔第2块板进料，B塔共有106块板。7) 塔径的计算：塔顶气相平均摩尔质量: 311气相负荷：
17、气相平均密度： 312汽相体积流率： m3/s塔底液相平均摩尔质量： 313 液相负荷：液相平均密度液相体积流率：由式中C在史密斯关联图上查得为0.07，则：空塔气速：塔径： 圆整后取2.3m8) 板间距的确定 为了满足塔径与塔板间距的关系，当塔径处于2.0至2.4m之间时，板间距为500至800mm。本设计中取板间距500mm,即为0.5m。9) 塔高的估算第一萃取精馏塔A塔的塔高： 其中-塔顶空间高度，m-封头高度，m。根据公称直径查封头的手册获得封头的深度以及直边高度。-塔底空间高度，m。塔底液面到最下层踏板之间要留有1至2m的间距，本设计中取1.8m,以保证釜液能在塔底停留3至5s的时
18、间。第一萃取精馏塔B塔的塔高： 3.3 3.3塔板主要工艺尺寸的计算度3.3.1 溢流装置的计算因塔径为2.3m，选用双溢流，弓形降液管，各项计算如下：堰长lW=0.55D=1.265m3.3.2 溢流堰高度由 8 314选用平直堰，堰上液层高度由计算 315由得：hW=0.043m3.3.3 弓形降液管宽度Wd和截面积由,查弓形降液管的宽度与面积图得：Wd/D=0.092, A/A=0.042 Wd=0.092D=0.192m A=0.042 A=0.1743m2故降液管设计合理3.3.4 降液管底隙高度 由（其中=0.07m/s） 316=0.0095/(1.4950.77)=0.0910
19、.006m又塔径大于0.6m选用凹形受液盘3.4 塔板布置3.4.1 塔板的分布因D=800mm,故塔板采用分块式，查表3。表3 塔径与塔板分块对应表塔径mm8001200140016001800200022002400塔板分块数3456所以，塔板分为4块。3.4.2 边缘区宽度的确定一般入口安定区宽度Ws为50100mm,本设计取75 mm一般出口安定区宽度WS为50100mm, 本设计取75 mm边缘区宽度与塔径有关，一般小塔可取2550mm,大塔取5070mm,所以本设计取WC=50 mm 3.4.3 开孔区面积计算开孔区面积按式计算，即3.5 流体阻力计算3.5.1 干板阻力的计算=(
20、73v)11.875=6.6011本设计无明显漏液3.5.5 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度Hd应服从关系故本设计不会发生液泛现象。3.6 塔板负荷性能图3.6.1 漏液线漏液线由漏液点气速来标绘出对应的 VS-LS. VS=d02F0n/4(v)0.5 其中F0=5 318 m/s3.6.2 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度how=0.006m作为最小液体负荷标准。 E=1.03 =1.495 L3/s据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3.3.6.3 液相负荷上限线以=4s作为液体在降液管中停留时间的下限据此可作出气体流量无关的垂直液相负荷上限线4.3.6.4 液
21、泛线 319 320式中 其中=0.5-1.0 代入数据得：=1.804，=0.207，=8.266，=0.788整理得：=242.94-241.37 -1538.12在操作范围内，任意取几个LS值，依上式计算出VS值，可作出液泛线塔体设计总表所设计的筛板的主要结果汇总于表4：表4 筛板塔设计计算结果序号项目数值11.3丁二烯在DMF中相对挥发度1.002回流比3.63气体流量VS,m3/s3.154液体流量LS,m3/S0.00955理论塔板数2016塔H,m50.287塔径，m2.38板间距，m0.59溢流形式双溢流10降液管形式弓形11堰长，m1.49512堰高，m0.04313板上液层
22、高度，m0.0714堰上液层高度，m0.02715降液管底隙高度，m0.09117边缘区宽度,m0.0518开孔面积区，m20.26319阀孔直径，mm3920阀孔数目39321开孔率，%11.322空塔气速，m/s0.9523阀孔气速，m/s6.86624稳定系数1.369425负荷上限液泛控制26负荷下限漏液控制参考文献1 扬子化工设计院丁二烯分离（内部资料），20072 江文丁二烯生产应用与技术发展开发指南（精细化工原料及中间体），2008，2（3）：163 孙淑伟，赫晓军，任宪梅等丁二烯生产技术及发展趋势河北化工，2008，31（16）：484 丁二烯抽提技术调研（内部资料）国内外石油
23、化工快报，2006，36（1）：15 兰州化工设计院石油化工技术参考资料，19736 雷志刚，周荣琪，段占庭萃取精馏分离C4的流程优化高校化学工程学报，2000，14（6）：5437 YANG Xiaojian,YIN Xuan，OUYANG PingkaiSimulation of 1,3-Butadiene Production Process by Dimethylfomamide Extractive DiestillationChinese Journal of Chemical Engineering，2009,17（1）：27-358 夏清. 化工原理. 天津大学出版社 , 2005 157-1719 贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计M.天津大学出版社，天津，2002，37-71， 101-133致 谢 本论文是在胡小明的精心指导下完成的，从论文的选题、设计、课题实施到论文的完成都得到了老师的悉心指导和帮助。老师对我的教诲和各方面的帮助，我将永远充满感激之情。在此，谨向尊敬的老师致以最诚挚的谢意！ 感谢化学化工学院老师及同学的指导、关心和帮助。 衷心感谢各位老师在百忙之中莅临指导。
