苯、甲苯、二甲苯混合物中甲苯的回收装置设计 摘要：目前国内采用传统颗粒活性炭装置，吸附能力低，资源浪费严重，本文采用了性能优越的吸附材料和先进的工艺设计，使甲苯的回收率达到95%以上，而且甲苯的品质好，可以直接作为原料使用，实现了清洁生产和废弃资源化，收到了很好的环境效益和经济效益。为此本文设计了一个吸附柱，柱高为4.5m，底面直径为0.6m，选用活性炭作为吸附剂。该吸附柱可用于甲苯的回收，处理能力为10000cm3/h。 关键词：吸附柱； 活性炭 ；甲苯回收；废物资源化
Benzene, toluene, xylene, toluene mixture design recovery
Yang Wei Wei (Mechanical and Electrical Engineering machine from 10-3 classes 0310967) Abstract: At present, the traditional granular activated carbon unit, the adsorption capacity is low, serious waste of resources, this article uses the superior performance of adsorption materials and advanced process design, toluene recovery rate of 95%, and toluene of good quality, can be directly as a raw material used to achieve cleaner production and waste recycling, received a very good environmental and economic benefits. This paper designs an adsorption column, column height of 4.5m, bottom diameter of 0.6m, use activated carbon as adsorbent. The toluene adsorption column can be used for the recovery, processing capacity of 10000cm3 / h. Keywords: adsorption column; activated carbon; toluene recovery; waste recycling
0. 前言 芳烃是石油化工工业的重要基础原料，在总数约为800万种的已知有机化合物中，芳烃化合物占了约30%，其中BTX芳烃（苯、甲苯、二甲苯）被称为一级基本有机原料。BTX芳烃主要来自石油馏分催化重整生成油和裂解汽油，少部分来自煤焦油。近年来通过轻质烃类芳构化及重芳烃轻质化来生产BTX芳烃的技术得到了较快的发展。由于科学技术的飞速进步以及人们对生活和文化的需求日益提高，促进了以芳烃为基础原料的化学纤维、塑料、橡胶等合成材料以及品种繁多的有机溶剂、农药、医药、染料、香料、涂料、化妆品、添加剂、有机合成中间体等生产的迅猛发展。苯最大的用途是生产苯乙烯、环己烷和苯酚。其次是硝基苯、顺酐、氯苯、直链烷基苯等；甲苯大部分用作汽油组分，它的化工利用主要是生产硝基甲苯（TNT）、苯甲酸、异氰酸酯等；二甲苯中用量最大的是对二甲苯，是生产聚酯纤维和薄膜的主要原料，邻二甲苯是制造增塑剂、醇酸树脂、不饱和聚酯树脂的原料。 二战期间甲苯被大量用于制作TNT，作为炸药原料；战后甲苯用于制作TNT的比例减小，而大部分用作汽油的掺和组分和溶剂，用作化工原料的比例较小，C9芳烃则大都用作汽油的掺和组分，作为燃料烧掉了。为了充分利用甲苯和C9芳烃资源，解决苯和二甲苯的需求，人们将直接用途较少相对过剩的甲苯和C9芳烃通过甲苯歧化或甲苯与C9芳烃烷基转移反应生成用途广泛、供不应求的苯和二甲苯，满足市场需求。 传统的甲苯回收装置存在很多缺点和回收装置设计上的问题，使得甲苯的回收成本较高，回收率较低，品质差，大都不能直接作为配胶原料继续使用。在甲苯歧化与烷基转移反应生产苯和二甲苯的过程中，未转化的甲苯需要从产品中回收后，从新作为原料循环使用，以提高甲苯的最终转化率。本文设计了一固定床吸附住可用于上述过程中，甲苯的回收和再利用。
1. 吸附剂的选择 由于活性碳是比较非极性的物质，对有机质具有很强的亲和性；即使在有水分的存在，吸附性能下降的也不大；而且比较廉价等原因，它在有机溶剂类的吸附中用的很多。特别是回收溶剂中常用的成型颗粒活性炭，它是以煤、石油、木材、椰子壳等为原料，经过炭化、粉碎、成型、烧成（炭化）及水蒸气活化，制成的粒度为2-5mm的产物。此外，也使用将原料炭化、破碎、筛分以后，用水蒸汽活化过的、粒度为1mm以下的破碎状活性炭。纤维状活性炭是将再生纤维素、聚丙烯酯、酚醛树脂及沥青系纤维等，经过炭化、活化处理制成的。 活性炭的吸附性能由孔隙大小与比表面积决定。可以认为，孔隙的大小决定对吸附质的选择性，而比表面积的大小决定吸附容量。活性炭的特点是比表面积及比孔容积大，单位重量的吸附量也大。 根据活性炭吸附剂的上述特点及本设计中拟采用固定床吸附柱，因此本设计中，拟采用以石油沥青为原料，制造的耐磨性能好的直径0.5-1mm的球形活性炭作为吸附剂。使用这种活性炭，回收装置的吸附、脱附操作能够连续进行。
2. 吸附时间的确定 在间歇操作装置，吸附器吸附床层和再生设备需要配套使用，整套装置一般需要有两个吸附柱，一个在使用，一个再生，外加一个加热器和冷却器，冷凝器等附属设备。这套设备要能经济地连续操作使用，必须使 吸附操作时间≥加热时间＋冷却时间 吸附时间τs:
wBwsMCuAVG00
式中Vw-吸附器的工作容器 G0-不计吸附质的吸附剂用量 加热时间τh
''0hpfMhpfMwhpshtCthCGMtGC
式中 G-吸附剂重量加吸附相当量和贮器当量之和； Cpc－吸附剂的比热； Cps－吸附相的比热； Cpw－贮器的比热； Δt－再生时，床层温度升高的差值； Gc－贮器的重量； τh－加热时间 Δth’－加热时，再生气入口和出口之间的平均温度差。 冷却时间τc
0'0pccwscMpfcw
GCtCMGCtV Δtc－冷却后，床层的温度降； Δth‘－冷却时，再生气体进口和出口的平均温度差。 虽然可以通过必要的理论计算获得吸附时间、加热时间、冷却时间以确定为满足连续操作所需的条件，但工作量较大，在本设计中实际意义并不大。根据经验，一般吸附剂的活化过程（包括加热脱附、冷却）的时间一般不会超过12小时，以及工厂中实际安排工作的需要，本设计中假定单个吸附柱的吸附操作时间为12小时，即每12小时切换一次为一周期。
3．饱和吸附床层高度的计算 3．1有效吸附容量 根据文献（1）中的数据可知，活性炭的物性参数如下，其吸附容量为0.153Kg甲苯/Kg活性炭，同时假定循环使用中吸附剂不发生劣化，残余量为0。
表1活性炭物性参数 规格 比表面积 a1/m2/g 孔隙率 ξ 空隙率 Є 几何因子 m 大孔率 βa 堆积密度 ρb
φ2.39 979 0.41 0.33 2.03 0.5 640
3．2甲苯总量W1
1100.867120.9WKg＝93.6 3．3饱和吸附床层高度L0 吸附剂用量
93.6611.80.153WGq甲苯
床层容积 2611.80.96640bGVm
如空塔线速为0.1cm/s，吸附塔的截面积 21
100000.280.103600VAmu
塔的直径 40.60tADm
饱和吸附床层高度
00.963.430.28VLmA
4．吸附传质区的长度和吸附柱高度的确定 从吸附等温线计算吸附传质区的长度[2] 0.9*0.111.17aF
udCLmKaCC
吸附柱高度 01.173.434.0222aLLLm
安全计取4.5m。 4.结论与新装置的高性能分析 理论计算表明，欲回收处理量为10000cm3/h的甲苯，吸收塔的高度约为4.50m，塔的底面直径为0.6m。 吸附材料的优劣，直接关系到回收率的高低，回收品质和运行成本。工业上对吸附材料的要求是，必须有大的比表面积，高的空隙率，均匀的孔径，而且要求脱附后污染物的残留量尽可能的少。 颗粒活性炭比表面积一般为700-1000 m2/g，其直径多为几毫米甚至十几毫米，微孔孔道长，而且孔径大小不一，除小孔外，还有0.01-0.1um的中孔和0.5-5um的大孔。 活性炭纤维比表面积达1000-2500 m2/g.由于其中微孔都开在纤维细丝的表面，因孔道极端，与颗粒活性炭都相差2个数量级。同时，孔径均一，绝大多数为特别适合气体吸附的小孔，因而具有更大的有效比表面积。由于活性炭纤维孔道极短，使得活性炭纤维吸附容量大，吸附和脱附速度高，它的吸附容量是普通活性炭的1-40倍，吸附速率是颗粒活性炭的10-100倍。许多工程实践也都证明，活性炭纤维的吸附率可达92%-98%,而且使用寿命长大大延长了吸附剂的更换周期，从而使设备的年均投资也大为降低。 参考文献 1胡怀修等.五氟脲嘧啶生产过程中甲醇、甲苯的回收研究.环境科学与技术1995/02 .
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