《化工工艺与设备设计》第一次小作业_化82_王靖.pdfVIP

乙醇制乙烯进料及反应单元热集成方案 化82 王靖 2007011873 一、问题的提出 在乙醇脱水制取乙烯的工艺中，温度为 30℃的乙醇液体需要加热汽化到300℃，然 后进入常压反应器，反应后乙烯和水蒸气的 混合气的温度为275℃，该混合气需要降温 到40 ℃以便进入后续处理阶段。 初步分析的结果表明，乙醇原料的汽化及过热所需加热功率为 18.796KW， 产品气冷却所需冷却功率为-17.043KW （乙醇进料以1kmol/hr 计）。这一数据说 明了产品气用于原料预热的可行性。 二、流程分析 首先可以得知乙醇脱水是一个吸热反应，反应产物（乙烯、水混合气，在此 假定反应完全转化）的温度低于反应器进料温度，因此，乙醇在进反应器前，需 要在加热炉中通过燃料燃烧供热升温到300℃，加热炉的使用是不可避免的。但 在乙醇蒸汽进入加热炉前，可以利用产品气对其加热，同时，产品气得到初步冷 却。下文进一步的分析表明，利用产品气将乙醇蒸汽加热到250-255℃再进入加 热炉是比较合适的，此时，产品气温度降至110℃左右。 为了操作上的合理，乙醇原料从30℃升温到250℃宜采用预热——汽化—— 过热的方式。在常压下，乙醇在78.3℃时汽化，而产品气在与汽化的乙醇换热后， 温度降至110℃左右，正好可以作为乙醇汽化器再沸器的热源。然而，计算表明 乙醇汽化是一个强吸热过程，产品气的热只能汽化部分乙醇，必须使用低压蒸汽 用于乙醇汽化。因此可以考虑为乙醇汽化器设置两个再沸器。 产品气用于乙醇汽化后，温度进一步降至85 度左右，又可用于乙醇原料的 预热，但原料预热所需热量较少，产品气在与原料换热后不能得到充分冷却，需 要使用冷却水完成产品气最后一级冷却。 综合以上分析，可以得到原料预热及产品气冷却的路线： 原料：预热——汽化——过热——加热炉加热 产品气：与乙醇蒸汽换热——乙醇汽化器热源——原料预热——冷却水泠却 三、流程设计及计算 按照上文确定的原料预热及产品气冷却的路线，可以设计如下的热集成方案： 乙醇脱水反应器 加热炉 产品气冷却器 乙烯产品去后续工段 燃料 冷却水上水 气液分离罐 产品气冷凝器 乙醇原料罐 乙醇预热器 乙醇汽化器 乙醇输送泵 冷却水回水 水产品去处理 低压蒸汽 乙醇汽化器再沸器1# 乙醇汽化器再沸器2# 蒸汽凝液 在该流程中，乙醇蒸汽与产品气换热是一个关键的环节。反应器出口产品气 的温度为275℃，考虑到气体换热传热系数较小，可规定换热器一端的最小温差 为10℃，则乙醇蒸汽最多只能被产品气过热到265℃。实际上，乙醇的过热温度 值对产品气初步冷却后的温度以及后续流程均会产生影响。通过模拟计算可得到 乙醇过热温度与几个相关参数的关系： （认为乙醇汽化器再沸器2#的一端至少有5℃的温差，在下表计算中，均规定乙 醇汽化器再沸器2#出口产品气温度为83.3℃，比乙醇汽化温度高5 度） 乙醇过热温度 产品初步冷却 乙醇汽化器再 乙醇汽化器再 产品气冷却器 / ℃ 后温度/