化工工艺设计 年产54万吨苯乙烯(北京理工大学珠海学院).doc

北京理工大学珠海学院课程设计任务书 20122013 学年第 2 学期学生姓名： hb 专业班级：10化学工程与工艺1班 指导教师： 王淑波 工作部门： 化工与材料学院 一、课程设计题目 年产54万吨苯乙烯精馏工段工艺设计 二、课程设计内容1文献检索、分析、综述设计项目的目的和意义；2工艺方法选择及其论证；3工艺流程设计及论证；4. 物料衡算、热量衡算；5. 部分设备的选型及管路设计；6. 绘制工艺流程图、车间平面布置图、车间设备布置图；7撰写、排版设计说明书。三、进度安排第10周：课程设计动员，下达任务书；第11周（业余时间）：查阅文献、综述设计项目的目的和意义；确定生产方法和生产工艺流程，结合实际工程内容，收集所需资料及相关技术与法律规范标准，从技术可行性和经济合理性两方面确定设计思路。第12周（业余时间）：物料衡算；第13周（业余时间）：热量衡算；第14周（业余时间）：部分设备的选型及管路计算；第15周（业余时间）：按相应工艺设计要求，依据资料、方案、估算等资料与指标着手正式编设计书，具体参照化工设计相关内容中的要求。第16-17周（业余时间）在设计基础上进行车间工艺平面设计流程图和绘制平面布置图，带控制点的流程图等。第18周：整理说明书，并提交。第19周（1整天）：答辩。四、基本要求1学生要刻苦钻研，勇于创新，独立完成课程设计任务，不准弄虚作假、抄袭别人的成果，保质保量地完成课程设计的任务。2严格遵守纪律，在指定的地点进行课程设计，不得擅自带离学校。3自觉遵守教室使用的相关规则，定期打扫课程设计工作现场的卫生，保持良好的工作环境。4课程设计成果及资料按时提交。5. 认真准备答辩。 教研室主任签名： 2013年5月9日年产54万吨苯乙烯车间乙苯精馏工段的工艺设计摘要 本设计是以年产54万吨苯乙烯为生产目标，采用乙苯脱氢制得苯乙烯的工艺方法，对整个工段进行工艺设计和设备选型。本文针对设计要求对整个工艺流程进行物料衡算，热量衡算，然后根据物料平衡分别对循环苯塔、乙苯塔的进料量，塔顶、塔底出料量进行物料衡算。根据热力学定律，对乙苯塔进行热量衡算，求得泡点、露点，理论塔板数、实际塔板数以及最小回流比。并根据设计要求，对乙苯塔的塔径，塔高、塔顶冷凝器、塔底再沸器，理论上进行了尺寸计算及选择。并且分别对精馏段、提馏段进行了校核。满足设计要求，达到所需要的工艺条件。本着理论联系实际的精神。本文对整个工艺流程及车间生产进行了经济技术分析，其中包括各部件的材质、用料量的选择的经济评价、设备投机及投资回收期的计算。本设计主要由脱氢反应和精馏两个工序系统所组成。乙苯脱氢反应在绝热固定床反应器中进行，反应物送至精馏工序。先经乙苯苯乙烯塔分离出乙苯（含苯、甲苯）和粗苯乙烯（带重组分及焦油）。乙苯馏分送苯-甲苯塔分成苯、甲苯馏分和回收乙苯，回收乙苯返回脱氢工序。粗苯乙烯送精馏塔分成精苯乙烯和焦油。关键词：乙苯塔；物料衡算；热量衡算；精馏WITH AN ANNUAL PRODUCTION CAPACITY OF 540，000TONS OF STYRENE ETHYLBENZENE DISTILLATIONPROCESS DESIGN PROCESSABSTRACT The design is based on an annual output of 540，000 tons for the production of styrene ethylbenzene dehydrogenation using styrene in the process，Process for the whole process design and equipment selectionBased on the design requirements of the entire process of the materialbalance and energy balanceAccording to the material balance were circulating tower benzene，ethylbenzene feeding tower，the tower bottom out feed material accountancyAccording to the laws of thermodynamics，right ethylbenzene tower of the heat balanceThrough on the driver,and seek bubble point，dew point，the theory of plate numbers，the actual plate number and the minimum reflux ratioAnd based on the design requirements of ethylbenzene Tower is high to the tower path，tower condenser and reboiler bottom，theoretical calculation of the size and choiceRespectively distillation of the right，stripper of the checkAs far as possible to meet the design requirements to achieve the required conditions In theory with practical spiritIn this paper,the whole production process and conduct workshops on economic and technical analysis，which includes parts of the material，feed with the choice of economic evaluation，equipment and speculative investment payback period calculationsKEY WORDS：ethylbenzene tower；material balance；energy balance；Distillation目录摘要1ABSTRACT21 绪论11.1 苯乙烯的介绍11.2 苯乙烯性质及用途12 生产流程的选择32.1主要生产工艺32.1.1环球化学鲁姆斯（ABB Lummus/UOP）法32.1.2 FinaBadger法42.1.4 Halcon法52.2本设计采用的工艺62.3产品规格62.3.1苯乙烯用途72.4苯乙烯国内外市场分析72.4.2国外市场83工艺流程设计93.1反应工艺93.1.1反应历程93.2生产过程103.2.1脱氢过程103.2.2冷凝过程103.2.3油水分离过程103.2.4多塔分离过程103.2.5催化剂的选取103.2.6具体操作103.3 原料、产品及半成品113.3.1 产品113.3.2 原料113.3.3 半成品113.3.4 阻聚剂113.4 生产方式的选取123.5工艺流程方块图124 物料衡算和热量衡算134.1生产能力的计算134.2质量守恒定律134.3物料衡算134.3.1脱氢反应器物料衡算174.3.2乙苯蒸出塔物料衡算204.3.3 苯、甲苯回收塔物料衡算204.3.4 苯、甲苯分离塔物料衡算214.3.5 苯乙烯精馏塔物料衡算214.4热量衡算224.4.1脱氢反应器热量衡算224.4.2乙苯蒸出塔及苯乙烯塔热量衡算245主要设备的选型255.1 泵的设计与选型255.1.1理论压头计算和泵的选型255.1.2管内流速的计算265.1.3直管阻力和局部阻力降计算265.2换热器设计275.2.1塔顶冷凝器276 自动化控制和优化296.1乙苯合成反应器温度控制方案296.2进料比例控制307 公用工程317.1电气317.2给排水318安全防护与环境保护328.1废水处理328.2废气328.3废渣338.4安全防护339厂区布置3310经济预算3510.1设备经济预算3510.2生产班制定员3610.3 固定资产投资3610.4 流动资金3611现存问题37结束语38参考文献39附录40I 北京理工大学珠海学院2010级化学工艺流程设计说明书 1 绪论1.1 苯乙烯的介绍 苯乙烯(SM)是一种重要的基本有机化工原料，主要用于生产聚苯乙烯(PS)树脂、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)树脂、苯乙烯丙烯腈共聚物树脂(sAN)、丁苯橡胶(SBR)和丁苯胶SL(SBR胶乳)、离子交换树脂、不饱和聚酯以及苯乙烯系热塑性弹性体(如sBs)等。此外，还可用于制药、染料、农药以及选矿等行业，用途十分广泛。1.2 苯乙烯性质及用途 苯乙烯(SM)是一种重要的基本有机化工原料，分子式，结构式,是不饱和芳烃最简单、最重要的成员，广泛用作生产塑料和合成橡胶的原料。如结晶型苯乙烯、橡胶改性抗冲聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三聚体（ABS）、苯乙烯-丙烯腈共聚体（SAN）、苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚体（SMA）和丁苯橡胶(SBR)。苯乙烯（SM）是含有饱和侧链的一种简单芳烃，是基本有机化工的重要产品之一。苯乙烯为无色透明液体，常温下具有辛辣香味，易燃。苯乙烯难溶于水，25时其溶解度为0.066%。苯乙烯溶于甲醇、乙醇、乙醚等溶剂中。此外，还可用于制药、染料、农药以及选矿等行业，用途十分广泛。苯乙烯（SM）是含有饱和侧链的一种简单芳烃，是基本有机化工的重要产品之一。苯乙烯为无色透明液体，常温下具有辛辣香味，易燃。苯乙烯难溶于水，25时其溶解度为0.066%。苯乙烯溶于甲醇、乙醇、乙醚等溶剂中。 苯乙烯在空气中允许浓度为0.1ml/l。浓度过高、接触时间过长则对人体有一定的危害。苯乙烯在高温下容易裂解和燃烧。苯乙烯蒸汽与空气混合能形成爆炸性混合物，其爆炸范围为1.16.01%（体积分数）。 苯乙烯（SM）具有乙烯基烯烃的性质，反应性能极强，苯乙烯暴露于空气中，易被氧化而成为醛及酮类。苯乙烯从结构上看是不对称取代物，乙烯基因带有极性而易于聚合。在高于100时即进行聚合，甚至在室温下也可产生缓慢的聚合。因此，苯乙烯单体在贮存和运输中都必须加入阻聚剂，并注意用惰性气体密封，不使其与空气接触。50年来，苯乙烯生产技术不断提高，到50年代和60年代已经成熟，70年代以后由于能源危机和化工原料价格上升以及消除公害等因素，进一步促进老工艺以节约原料、降低能耗、消除三废和降低成本为目标进行改进，取得了许多显著成果，使苯乙烯生产技术达到新的水平。除传统的苯和乙烯烷基化生产乙苯进而脱氢的方法外，出现里Halcon乙苯共氧化联产苯乙烯和环氧丙烷工艺，其中环球化学鲁姆斯法的UOPLummus的“SMART” SM工艺是最先进的，通过提高乙苯转化率，减少了未转化乙苯的循环返回量，使装置生产能力提高，减少了分离部分的能耗和单耗；以氢氧化的热量取代中间换热，节约了能量；甲苯的生成需要氢，移除氢后减少了副反应的发生；采用氧化中间加热，由反应物流或热泵回收潜热，提高了能量效率，降低了动力费用，因而经济性明显优于传统工艺。 苯乙烯（SM）是合成高分子工业的重要单体，它不但能自聚为聚苯乙烯树脂，也易与丙烯腈共聚为AS塑料，与丁二烯共聚为丁苯橡胶，与丁二烯、丙烯腈共聚为ABS塑料，还能与顺丁烯二酸酐、乙二醇、邻苯二甲酸酐等共聚成聚酯树脂等。由苯乙烯共聚的塑料可加工成为各种日常生活用品和工程塑料，用途极为广泛。目前，其生产总量的三分之二用于生产聚苯乙烯，三分之一用于生产各种塑料和橡胶。世界苯乙烯生产能力在1996年已达1900万吨，目前全世界苯乙烯产能约为21502250万吨。2 生产流程的选择2.1主要生产工艺2.1.1环球化学鲁姆斯（ABB Lummus/UOP）法以乙苯为原料，采用脱氢反应器，由开始的单级轴向反应器，中间经历开发了双级轴向反应器到双径向反应器再到双级径向反应器的各种组合优化的多种反应器；反应器的操作压力有开始的正压发展到今天的负压；汽油比有开始的2.5:1发展到今天1.3：1；蒸汽消耗由开始的10kgkgSM发展到今天的4kgkgSM。UOPLummus的Classic SM流程中乙苯脱氢工艺装置主要有蒸汽过热炉、绝热型反应器、热回收器、气体压缩机和乙苯苯乙烯分离塔。过热炉将蒸汽过热至800而作为热引入反应器。乙苯脱氢的工艺操作条件为550650，常压或减压，蒸汽乙苯质量比为1.02.5。 图2-1 UOPLummus的Classic SM工艺流程UOPLummus的“SMART” SM工艺是在Classic SM工艺基础上发展的一项新工艺，即在工艺Classic SM工艺的脱氢反应中引入了部分氧化技术。可提高乙苯单程转化率达80%以上。 “SMART”技术的优点在于，通过提高乙苯转化率， 减少了未转化乙苯的循环返回量，使装置生产能力提高，减少了分离部分的能耗和单耗；以氢氧化的热量取代中间换热，节约了能量；甲苯的生成需要氢，移除氢后减少了副反应的发生；采用氧化中间加热，由反应物流或热泵回收潜热，提高了能量效率，降低了动力费用，因而经济性明显优于传统工艺。该技术可用于原生产装置改造，改造容易且费用较低。目前采用“SMART”工艺SM装置有3套在运行。图2-2 Lummus的SMART乙苯脱氢工艺流程图2.1.2 FinaBadger法Badger工艺采用绝热脱氢，蒸汽提供脱氢需要的热量并降低进料中乙苯的分压和抑制结焦。蒸汽过热至800900，与预热的乙苯混合再通过催化剂，反应温度为650，压力为负压，蒸汽乙苯比为1.5%2.2%。图2-3 FinaBadger法乙苯脱氢工艺生产流程示意图 2.1.3 巴斯夫法 巴斯夫法工艺特点是用烟道气加热的方法提供反应热，这是与绝热反应的最大不同。其流程如下图所示：图2-4 巴斯夫法工艺流程示意图2.1.4 Halcon法 Halcon法又称POSM联产法。Halcon法公司开发，于1973年在西班牙实现工业化。反应过程中乙苯在液相反应器中用氧化成过氧化物，反应条件为 , 压力0.35MPa, 温度141, 停留时间4h, 生成的乙苯过氧化物经提浓到 17% 后, 进入环氧化工序。环氧化温度为110、压力为4.05MPa。环氧化反应液经蒸馏得环氧丙烷。环氧化另一产物甲基苄醇在260、常压下脱水得苯乙烯。反应流程如图2-4所示。图2-5 Halcon法工艺流程示意图2.2本设计采用的工艺通过比较上述方法，可以看出方案2.1.1工艺流程简单，工艺条件合理，生产成本低，最适合工业化生产，并且具有很高的经济效益，所以最终确定按照方案2.1.1环球化学鲁姆斯（ABB Lummus/UOP）法进行工艺设计。鲁姆斯(Lummus)公司生产苯乙烯的技术，以乙苯脱氢法生产苯乙烯。鲁姆斯(Lummus)公司经典苯乙烯单体生产工艺技术具有深度减压，绝热乙苯脱氢工艺。鲁姆斯（UOPLummus）经典苯乙烯单体生产工艺是全世界生产苯乙烯（SM）单体中最成熟和有效的技术，自1970年实现工业化以来，目前大约有55套装置在运转。乙苯(EB)脱氢是在蒸汽存在下，利用蒸汽来使并维持催化剂处于适当的氧化状态。蒸汽既加热反应进料、减少吸热反应的温度降，同时蒸汽也降低产品的分压使反应平衡向着苯乙烯(SM)方向进行，且又可以连续去除积炭以维持催化剂的一定活性。高温、高压蒸汽稀释和低反应系统压力能提供良好的反应平衡曲线，对乙苯(EB)转化为苯乙烯(SM)有利，在有两个绝热反应器的工业生产装置中，乙苯(EB)的总转化率可达到70%85%。新鲜乙苯和循环乙苯先与一部分蒸汽混合，然后在一个用火加热的蒸汽过热器内进行过热，再与过热蒸汽相混合，在一个两段、绝热的径向催化反应系统内进行脱氢。热反应产物在一个热交换器内冷却以回收热量并冷凝。不凝气（主要是氢气）压缩后，经回收烃类后再用作蒸汽过热器的燃料，而冷凝液体分为冷凝水和脱水有机混合物（DM）。在脱水有机混合物(DM)（苯乙烯、未反应乙苯、苯、甲苯和少量高沸物）中加入一种不含硫的阻聚剂(NSI)以减少聚合而损失苯乙烯（SM）单体，然后在乙苯/苯乙烯单体（EB/SM）分馏塔进行分离，塔顶轻组分(EB及轻组分(苯/甲苯)从塔顶取得)去乙苯分离塔，从而从乙苯分离出苯和甲苯，回收的乙苯返回脱氢反应器原料中。EB/SM塔底物（苯乙烯单体和高沸物）在最后苯乙烯分馏塔内进行分馏，塔顶产品即为苯乙烯（SM）单体产品，少量的塔底焦油用作蒸汽过热器的燃料，蒸汽过热器所需大部分燃料来自脱氢废气和苯乙烯焦油。2.3产品规格 苯乙烯产品规格：(外观：无色透明液体，无机械杂质，无游离水) 表2-1 苯乙烯产品规格一级二级色度号1550苯乙烯含量%99.699.0（wt）聚合物PPm1050(wt)二乙烯基苯%0.0030.005(wt)总芳烃%0.51.0(wt)苯甲醛%0.020.4(wt) 2.3.1苯乙烯用途苯乙烯（SM） 是合成高分子工业的重要单体，它不但能自聚为聚苯乙烯树脂，也易与丙烯腈共聚为AS塑料，与丁二烯共聚为丁苯橡胶，与丁二烯、丙烯腈共聚为ABS塑料，还 能与顺丁烯二酸酐、乙二醇、邻苯二甲酸酐等共聚成聚酯树脂等。由苯乙烯共聚的塑料可加工成为各种日常生活用品和工程塑料，用途极为广泛。目前，其生产总量 的三分之二用于生产聚苯乙烯，三分之一用于生产各种塑料和橡胶。2.4苯乙烯国内外市场分析 2.4.1国内市场 进入本世纪以来，我国苯乙烯的表观需求量逐年增长，2001-2007年由220万吨增加到548万吨，七年累计增加了150%。国内苯乙烯产量在2001-2004年变化不大，自2005年开始，随着上海申科，中海壳牌，江苏双良，常州东吴等装置的建成投产，产量出现了较大的增长。以此对应的是进口量开始下降，05-06连续两年出现了负增长。国内苯乙烯进口依存度由04年74.5%下降到51%，但还是很大程度上长期处于短缺状态一直以进口来满足国国内市场需求据调查，2012年之前，国内将新建或拟建苯乙烯项目大约有十个，总产量达到250万吨，但随着国外苯乙烯产能逐步向中国转移，国内苯乙烯产业将面临着越来越大的挑战，尤其是中东国家苯乙烯的几口比重将明显增加，鉴于其低成本优势，国内苯乙烯市场将面临更加激烈的竞争。2.4.2国外市场目前，全球苯乙烯的产量不断的增大，根据美国析迈（CMAI）公司2008年9月的分析预测，鉴于低成本的中东生产商对市场的较大影响，全球到2013年的苯乙烯市场将会供过于求高达250万吨/年同时，CMAI称，由于经济增速放慢，全球苯乙烯的需求增长率预计会降低。3工艺流程设计3.1反应工艺3.1.1反应历程 催化剂C2H5 CH=CH2 + H2 500600 除脱氢反应外，同时发生一系列副反应，副产物甲苯、甲烷、乙烷、焦油、二聚体等； 为了减少在催化剂上的结炭，需要在反应器进料中加入高温水蒸气，从而发生下述反应： 脱氢反应式1mol乙苯生成2mol产品（苯乙烯和氢气），因此加入蒸气也可使苯乙烯在系统中的分压降低，有利于提高乙苯的转化率。催化剂以三氧化二铁为主，加上氧化铬、氧化铜、氧化钾等助催化剂涂于氧化铁或碳酸钾等载体上，投料比为水蒸气：乙苯=23：1（质量比），反应所得的气体混合物经冷凝、油水分离、多塔分离和精制，制得苯乙烯。3.2生产过程3.2.1脱氢过程在脱氢反应器中，苯乙烯的产率与水蒸气用量和反应温度有关。水蒸气用量太少或反应温度太低，反应不完全，产率低；水蒸气用量过多或反应温度过高，催化剂结炭而降低产率。将原料中的水蒸气（按比例过量）有助于反应向右移，也要严格控制反应温度。3.2.2冷凝过程在冷凝器中，将脱氢反应的产物冷凝，降低其温度。3.2.3油水分离过程 冷凝后，因反应中的水蒸气变为水，通过气体压缩机和油水分离器，将有机相和水分离。3.2.4多塔分离过程油水分离的有机相进入粗馏塔，并加入阻聚剂防止苯乙烯聚合，还要进入乙苯蒸出塔、苯乙烯精馏塔、苯和甲苯回收塔、蒸馏塔等，将依次它们分离出来。3.2.5催化剂的选取催化剂以三氧化二铁为主，加上氧化铬、氧化铜、氧化钾等助催化剂涂于氧化铁或碳酸钾等载体上，使反应更好的发生，有利于苯乙烯的生成。3.2.6具体操作在脱氢反应器600条件下，加入定量的水蒸气、乙苯和氧气混合气体，反应完全后；通到冷凝器进行冷凝，降温；输送到气体压缩机油水分离器将有机相和无机相分离，保持恒温20左右；和阻聚剂一起加到粗馏塔中，初步分离，塔顶为乙苯、苯和甲苯，塔底为苯乙烯、焦油；将其送至乙苯塔和苯乙烯精制塔，乙苯塔分离出乙苯和甲苯、苯，把乙苯送回脱氢反应器，还将甲苯和苯送到苯甲苯塔分离，分离出甲苯和苯。生产工艺流程见Lummus的SMART乙苯脱氢工艺流程图。3.3 原料、产品及半成品3.3.1 产品化学名称：苯乙烯 英文名称：styrol规 格：含量99.5% （wt%） 分 子 量：104.15沸 点：145.2 熔 点：30.6折 光 率：1.5439（25） 结 构 式：3.3.2 原料化学名称：乙苯 结构式：分 子 量：106.16 沸 点：136.2折 光 率：1.4959（25） 密 度：0.86713.3.3 半成品乙苯经脱氢反应器反应后，反应生成物送乙苯苯乙烯塔分离成乙苯（苯和甲苯）及粗苯乙烯（带重组分及焦油）。3.3.4 阻聚剂在苯乙烯工艺中，需要阻聚剂的有两个地方：一是苯乙烯精馏系统，二是苯乙烯产品贮存系统。在精馏塔中，苯乙烯处于120的高温，阻聚剂主要用来防止聚合物的生成；在苯乙烯贮存系统中，温度一般为20以下，聚合率较低，阻聚剂的主要用途之一是防止苯乙烯氧化。由于温度存在着很大的不同，对阻聚剂的要求也不一样，所以，在蒸馏塔中使用无硫阻聚剂（2、4-二硝基-邻-二-丁基酚（DNBP）俗称NSI），在苯乙烯贮存系统中使用4-叔丁基邻苯二酚（TBC）。3.4 生产方式的选取 化工生产的操作可分为全间歇、半间歇、连续和半连续四种：在全间歇操作中，整批物料投在一个设备单元中处理一定时间，然后整批输送到下一个工序；半间歇操作过程是间歇操作过程的连续操作过程。全间歇与半间歇（统称间歇式操作）的优点是设备简单，改变生产品种容易；其缺点是原料消耗定额高，能量消耗大，劳动生产率低，产品质量不稳定。连续式操作，原料及能量消耗低，劳动生产率高，因此比较经济；但总投资较大，占地面积较大，一般单线生产能力为210万吨/年。半连续操作与连续操作相比设备费用较少，操作较简单，改变生产品种较容易，但产品质量不如连续操作稳定，与间歇操作相比，生产规模更大，劳动生产率也更高，用与较大规模的品种生产，一般为12万吨/年。由于苯乙烯用量很大，需连续化大生产。采用连续式操作比较有利。苯乙烯生产能力根据设计任务规定为年产54万吨。取年工作日为300天，则每昼夜生产能力为1800吨。每日生产能力同样为1800吨苯乙烯，这样的规模应采用连续操作。原料脱氢反应器油水分离水乙苯蒸出塔苯乙烯精馏塔苯、甲苯回收塔苯、甲苯分离塔苯乙烯焦油 乙苯 苯 甲苯3.5工艺流程方块图 图3-1 工艺流程方块图4 物料衡算和热量衡算4.1生产能力的计算根据设计任务，苯乙烯的年生产能力为54万吨/年。开工因子=生产装置开工时间/年自然时间。因为还要考虑到设备的检修以及开停车等情况。开工因子一般取为0.70.8。全年365天，则年生产250300天；因此除去季保养、月保养、修理、放假等总计65天，则年工作日为（365-65）天=300天=7200小时。可知生产能力为（540000103/7200）kg/h=75000kg/h，即720.0kmol/h。以此作为物料衡算的标准。4.2质量守恒定律质量守恒定律是“进入一个系统的全部物料量，必须等于离开这个系统的全部物料量，再加上过程中损失量和在系统中累计量”。依据质量守恒定律，对研究系统做物料衡算，可用下式表示：G进=G出+G损+G积式中 G进输入物料量总和； G出离开物料量总和； G损总的损失量； G积系统中积累量。4.3物料衡算表4-1乙苯和苯乙烯的饱和蒸气压温度136.2137138139140乙苯kPa70.4379.2188.2696.44112.1苯乙烯kPa60.270.1680.1484.2588.15利用计算相对挥发度，用平均相对挥发度表示气液平衡关系，。t136.21371381391401.1631.1291.1011.1451.272x0.7800.5810.4120.2580.130y0.8280.6530.4880.3210.169温度为20进料利用平衡数据，在直角坐标图上绘出平衡曲线及对角线，如图所示。在图上定点a()、点e（）和点c（）三点。精馏段操作线方程截距=,在y轴上定出点b。连接ab，即得精馏段操作线。先按下法计算q值。原料液的汽化热为 koml查出进料组成时溶液的泡点为136，平均温度为（136+202=78.由物性书册查得78下乙苯和苯乙烯的比热容为1.87kJ（kg），故原料液的平均比热容为 kJ（kg）所以再从点e作斜率为2.81的直线，即得q线。连接cd，即为提馏段操作线。自点a开始在操作线和平衡线之间绘梯级，图解得理论板层数10（包括再沸器），自塔顶往下数第五层为加料板，如图5.1所示。Z=100.4+100.4+0.8=8.8m空塔气速为U=1ms sD= 取1m塔截面积为 图4-1图解法求理论板层数表4-2甲苯和乙苯的饱和蒸气压温度110.8115120125 130136.2甲苯kPa 101.33124.2131.3163.2 184.1200.1乙苯kPa40.156.164.2186.6 98.7108.6利用计算相对挥发度，用平均相对挥发度表示气液平衡关系，。t110.8115120125130136.22.5332.192.0451.885 1.865x1.0000.8200.6420.5320.412 0y1.0000.90890.79700.71340.60540温度为20进料利用平衡数据，在直角坐标图上绘出平衡曲线及对角线，如图所示。在图上定点a()、点e（）和点c（）三点。精馏段操作线方程截距=,在y轴上定出点b。连接ab，即得精馏段操作线，先按下法计算q值。原料液的汽化热为 koml查出进料组成时溶液的泡点为110，平均温度为（110+202=65.由物性书册查得78下甲苯和乙苯的比热容为1.86kJ（kg），故原料液的平均比热容为 kJ（kg）所以再从点e作斜率为3.237的直线，即得q线。连接cd，即为提馏段操作线。自点a开始在操作线和平衡线之间绘梯级，图解得理论板层数12（包括再沸器），自塔顶往下数第六层为加料板，如图所示。Z=110.4+60.4+0.8=7.6m空塔气速为U=1ms sD= 取0.6m塔截面积为 图4-2图解法求理论板层数4.3.1脱氢反应器物料衡算催化剂C2H5 CH=CH2 + H2 106.16 104.15 2 85716.92 74625 1433.03苯乙烯每小时产量：75000kg/h每小时产量中纯苯乙烯量：（苯乙烯每小时产量苯乙烯纯度为99.5%） 75000kg/h99.5%=74625kg/h乙苯实际投料量：（单程转化率为90%、纯度为98.6%） 74625106.16/104.15/0.9/98.6%=85716.92kg/h氢气产量：746252/104.15=1433.03kg/h水蒸气所需量：（乙苯实际投料量水蒸汽稀释比） 85716.921.5=128575.38kg/h副反应： C8H10 C6H6 + C2H4 转化率： 2.5% 106.16 78 28 85716.92 1552.45 557.29副反应中苯的生成量：85716.92782.5%98.6%/106.16=1552.45kg/h副反应中乙烯的生成量：85716.92282.5%98.6%/106.16=557.29kg/h C8H10 + H2 C7H8 + CH4 转化率： 4.7% 106.16 2 92 16 85716.92 74.84 3442.45 598.69氢的消耗量：85716.9224.7%98.6%/106.16=74.84kg/h甲苯的生成量：85716.92924.7%98.6%/106.16=3442.45kg/h甲烷的生成量：85716.92164.7%98.6%/106.16=598.69kg/h C8H10 8C + 5H2 转化率： 0.3% 106.16 96 10 85716.92 234.06 23.88焦的生成量：85716.92960.3%98.6%/106.16=234.06kg/h氢气的生成量：85716.92100.3%98.6%/106.16=23.88kg/h C + H2O CO2 + 2H2 12 18 44 4 234.06 351.09 858.22 78.02水的消耗量：234.0618/12=351.09kg/h二氧化碳的生成量：234.0644/12=858.22kg/h氢气的生产量：234.064/12=78.02kg/h C8H10 C16H18 + 2H2 转化率： 0.5% 106.16 210 4 85716.92 156.347 1.489二聚体的生产量：85716.9221098.6%0.5%/106.16=835.93kg/h氢气的生产量：85716.92498.6%0.5%/106.16=15.92kg/h计算结果列表如下：表4-3 脱氢反应器物料衡算结果 组分 分子量 进料量 出料量 kg/h kmol/h kg/h kmol/h mol%乙苯106.1685716.92807.431028.69.690.11甲苯92003442.4537.420.43苯乙烯104.1500 75000720.128.28氢气2001433.03716.528.24乙烯2800557.2919.90.23甲烷1600598.6937.420.43二氧化碳440078.021.770.02水18128575.387143.08128224.297123.5781.95苯78001552.4519.90.23二聚体21000835.933.980.05焦9600234.062.440.03214292.37950.51212984.818692.73100其中进料的乙苯中含1.4%的杂质，并随出料口出料，其量为： 85716.921.4%=1200.4kg/h故实际总出料量为212984.81+1200.4=214185.21kg/h物料量损失为107.49kg/h，损失率为0.5%.4.3.2乙苯蒸出塔物料衡算脱氢反应物料进入乙苯蒸出塔进行分离，其中轻关键组分为乙苯，轻组分中含苯、甲苯、乙烯等，重关键组分为苯乙烯，重组分主要含焦油。分离要求：馏出液乙苯XD=99%，XW=1%（wt%）阻聚剂随物料进入蒸出塔，加入阻聚剂的量为：（1028.6+3442.45+75000+1552.45+557.29）0.3%=244.74Kg/h表4-4乙苯蒸出塔物料衡算结果进料出料序号物料名称kg/h物料名称 塔顶kg/h塔釜kg/h 1乙苯1028.6乙苯1018.3110.292苯1552.45苯1552.4503甲苯3442.45甲苯3442.4504氢气1433.03氢气1433.0305乙烯557.29乙烯557.2906甲烷598.69甲烷598.6907苯乙烯75000苯乙烯0750008焦油234.06焦油0234.06总计83846.57总计8602.2275224.354.3.3 苯、甲苯回收塔物料衡算乙苯蒸出塔馏出液物料进入到苯、甲苯回收塔中，进行分离。其中氢气、甲烷、乙烯等富气首先分离集中处理。回收塔中有苯、甲苯、乙苯，其中轻关键组分为甲苯，苯随甲苯从塔顶馏出液流出进入苯、甲苯蒸馏塔分离，塔釜为乙苯。分离要求：塔顶中甲苯XD=99.8%，XW=0.2%（wt%）。塔釜釜液为乙苯。表4-5 苯、甲苯回收塔物料衡算结果进料出料序号物料名称kg/h物料名称 塔顶kg/h塔釜kg/h1乙苯1018.31乙苯01018.312苯1552.45苯1552.4503甲苯3442.45甲苯3435.576.88总计6013.21总计4988.021025.194.3.4 苯、甲苯分离塔物料衡算苯、甲苯进入苯、甲苯蒸馏塔分离，其中轻组分为苯，重组分为甲苯。分离要求：塔顶苯XD=99.8%，XW=0.2%（wt%）。表4-6苯、甲苯塔物料衡算结果进料出料序号物料名称kg/h物料名称 塔顶kg/h塔釜kg/h1苯1552.45苯1549.363.192甲苯3435.57甲苯03435.57总计4988.02总计1549.363438.764.3.5 苯乙烯精馏塔物料衡算乙苯蒸出塔中塔釜重组分为苯乙烯、焦油，在苯乙烯精馏塔中进行蒸馏分流，其中要求塔顶苯乙烯XD=99.5%，XW=0.2%（wt%）表4-7苯、甲苯塔物料衡算结果进料出料序号物料名称kg/h物料名称 塔顶kg/h塔釜kg/h1苯乙烯75000苯乙烯746253752焦油234.06焦油0234.06总计75234.06总计74625609.064.4热量衡算4.4.1脱氢反应器热量衡算查化工热力学，安托尼计算公式：Cp/R=A+BT+CT2 （kJ/kmol K）表4-8 热力学系数序号物质名称ABC1甲烷1.7029.081-2.1642乙烯1.42414.394-4.3923苯乙烯2.05050.192-16.6624苯-0.20639.064-13.3105甲苯0.29047.052-15.716表4-9汽化潜热（ kJ/mol）名称甲苯乙苯苯苯乙烯乙烯数值37.9942.2633.8540.83017.14 表4-10各物质 hfi（ kJ/mol）名称甲烷乙烯苯乙烯苯甲苯乙苯氢气HF0-74.8552.26103.982.950.0025.790 热量衡算按能量守恒定律“在无轴功条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡”，在实际中对传热设备的衡算可由下式表示 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 式中： Q1所处理的物料带入设备总的热量，KJ;Q2加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“-”），KJ;Q3过程的热效率，（符号规定过程放热为“+”；过程吸热为“-”）Q4反应终了时物料的焓（输出反应器的物料的焓）Q5设备部件所消耗的热量，KJ;Q6设备向四周散失的热量，又称热损失,KJ;热量衡算的基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以以每日或每批处理物料基准。（计算传热面积的热负荷必须以每小时作为基准，而该时间必须是稳定传热时间）热量衡算温度基准，一般规定25。热量衡算式中各项计算从上式中可得： Q2 =Q 4+Q5+Q6-Q1-Q3 式中各项可用以下计算方法（1）Q1和Q4的计算Q1和Q4均可以用下式计算：Q=miciT1(T2)式中： mi反应物体系中组分I的质量，Kg;ci组分i在0T时的平均比热容，KJ/(Kg*)或KJ/(Kmol);T1(T2)反应物系反应前后的温度，Q1=()373=(85716.921.738)+(128575.384.2)373 =（148976.01+540016.6）3