第一定律。能量守恒表达式如下：

∑Q入 = ∑Q出 + ∑Q损 即 输入=输出+损失

式中 ∑Q入：输入设备热量的总和；

∑Q出：输出设备热量的总和； ∑Q损：损失热量的总和。

对于连续系统：

Q + W = ∑Hout - ∑Hin 式中 Q：设备的热负荷; W：输入系统的机械能;

∑Hout：离开设备的各物料焓之和; ∑Hin：进入设备的各物料焓之和。

利用Aspen Plus软件对精馏塔进行能量核算，所得具体参数如表2.15所示。 塔名 甲醇精馏塔 甲苯精馏塔

Q -5.345 0.010

∑Hout 9.583 5.254

∑Hin 5.980 4.023

从上述表格中，我们可以看出甲醇、甲苯精馏塔所需能量值均在合理范围内。

2.5 自控系统设计说明

本厂遵循“运行可靠、操作方便、技术先进、经济合理”的原则，根据工艺装置的生产规模、流程特点、产品质量、工艺操作要求，并参考国内外类似装置的自动化水平，对主要生产装置实施集中监视和控制；对辅助装置实施岗位集中监视和控制。设置全厂中央控制室，采用集散控制系统（DCS）和紧急停车系统（ESD）对全厂的生产装置及与工艺生产装置相配套的公用工程部分进行监控[13]。

现场仪表选型原则如下：

1) 选用符合工艺控制精度、灵敏度要求的高性能智能型仪表；

2) 为节约人力成本，减少维护强度，应选用高稳定性、免维护的智能仪表； 3) 现场变送器须选择带现场显示的，以方便现场检修；

4) 仪表的选择应考虑环境的适应性，特别是各种传感器。因此应尽量选择非接触式的、

无阻塞隔膜式、电磁式及可清洗式的传感器；

5) 尽量选用不用断流拆卸式和维护周期较长的仪表．方便维护管理； 6) 易燃易爆场合，严格按照有关标准，选择具有防爆性能的产品。 主要仪表的选择： 1. 温度仪表

就地温度指示仪表选用玻璃温度计或双金属温度计，表盘直径为150mm；集中检测和控制用测温元件一般采用热电偶，分度号K。温度较低的采用热电阻，分度号为Pt100。 2. 压力仪表

就地指示压力仪表，根据不同工况选用“波登管”、膜盒压力表或差压表；对于易发生堵塞及强腐蚀性场合，选用隔膜压力表。压力表刻度盘直径一般为150mm。 3. 流量仪表

金属或玻璃转子流量计用于液体流量测量。 4. 物位仪表

集中液位测量一般选用差压式液位变送器，对腐蚀的介质采用隔膜密封型。现场储罐的液位测量可采用玻璃液位计和浮球式液位计。

2.6 三废处理

本次设计主要产生的废弃物主要为：催化剂残渣和水。

废水中主要含有少量的苯、二甲苯、甲醇，杂质总含量大约在0.1%左右，经吸附脱除之后可以除去大部分杂质。通过处理后的废水，必须要达到国家标准。

3 主要设备介绍

3.1 烷基化反应器（固定床平推流）

3.1.1 概论

本次设计甲苯甲醇烷基化反应器的参数来自于Aspen反应模拟。Aspen Plus根据反应条件、反应参数等等的不同，供提供了七种不同的反应器模型。如下表3.1所示：

表3.1 反应器单元模块简介

Model Stoichiometry Kinetics Rigorous Feed RSTOIC Yes No No Any RYIELD No No No Any REQUIL No No No Any RGIBBS No No No Any RBATCH Yes Yes Yes 1 RCSTR Yes Yes Yes Any RPLUG Yes Yes Yes 1

查阅资料，我们知道平推流反应器是指物料的流动状况满足平推流的假定，即通过反应器的物料沿同一方向上以相同速率向前流动，在流动方向上没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间都是相同的。在定态下，同一截面上的物料组成不随时间而变化。实际生产上，对于管径较小、长度较长、流速较大的管式反应器、列管固定床反应器等，常可按平推流反应器处理。因此最适合本次设计的反应器是平推流反应器（即RPLUG）[14]。在整个工艺中反应器无疑是最关键的环节。化学上反应器的定义是将反应物通过化学的方式转化成所需要的目标物质的装置，在化工行业甚至在工业领域都是极其重要的关键设备。因此，需要不同类型的反应来适应不同的化学反应方式。而选择反应则成为设计师考虑生产工艺设备的一个重要的环节[15]。对反应器的设计则更为重要，其不但能影响化学反应的进行程度、方式，还影响了物料进出反应器的处理方式，如：提前预热、产物冷却。因此，反应器的选型设计环节是应该从整个工艺的多方面考虑的。

根据经验我们知道设计反应器最先是选择反应的类型以及操作的方式。接着是根据工艺

要求确定化学反应以及进料的特点。最后才是计算环节，来确定各个参数如：物料流速、反应温度和压力等等。确定外在参数后，根据国标选定反应的材质以及反应器各个装置的标准尺寸 。此外，我们还应本着节约成本和环境友好的原则，做额外的考虑。 3.1.2 设计重点

在对反应进行设计时，我们不但要满足传统意义上的“合理、先进、安全、经济”四大原则，还要充分考虑到化学反应的特点来进行设计，其重点如下：

（1）物料停留时间，反应温度压强的范围；

（2）部件的材质、规格应按照国标来选取，方便规格生产；

（3）考虑物料的混合，反应温度的变化，添加辅助部件，如：搅拌器，保温装置。 3.1.3 设计计算

易知：反应所需体积=反应停留时间×体积流量

本次设计年产量为30万吨，从理论上分析所需原料进料量为甲苯和甲醇都为353.77kmol/h,换成体积流量总流量为541204.98m3/h，反应停留时间1.74s，则反应体积为35.12m3。

取催化剂装填空隙率为0.46，考虑上催化剂在反应器内所占体积，则反应器的总体积为V0=35.12/（1-0.46）=65.037m3。

对于列管式固定床反应器，首先应根据传热要求选定选择32×3.5mm的不锈钢管作为反应器的反应管规格，再求出反应管根数n。

反应管内径：di=32-3.5*2=25mm=0.025m 反应管根数

n??4VR?d2i?H?A?4

由公式可得n=200

?d2i经圆整可得，反应管根数为200根。

带入Aspen Plus模拟软件可得到反应器产物组成，带入数据主要为反应器总长10m，管道数200，管径0.02m，管道采用正三角排列方式。此外反应温度为400℃，则需要保温装置。

反应管采用正三角形排列，如图所示

图3.2 反应器列管排列示意图

列管间距为t=1.368d0 式中的do为列管的外径；

a=(1/6)*(12n-3)0.5-0.5 式中的n为列管数；

b=2a+1

式中的b为六边形层数；

e=1~1.5d0

式中的e为最外层列管到壳体的距离；

D=t*(b-1)+2e

式中的D为反应器的壳体直径； 带入数据可得t=1.368*4=5.472 b=16.33*2+1=33.66 e=1.1d0=1.1*0.082=0.0902m D=t*(33.6-1)+2*0.0902=3.844m

故反应器的直径为4.0m，催化剂的填充高度为5.6m，取管长为13.2m，考虑封头的高度h=1.1m，可得反应器的长度为H=14.3m