化工过程开发设计

题 目： 年产 10 万吨苯乙烯工艺设计 学 院： 化学化工学院 姓 名： 吴若舒 班 级： 14 应化二班 学 号：目 录 摘要 3 引言 6 1 概述6 1.1 原料与产品概述6 1.1.1 原料概述 6 1.1.2 产品概述 6 1.1.3 产 品 用 途 6 2 苯乙烯的市场分析6 2.1 世界市场分析 6 2.2 国内市场分析及发展趋势 7 3 苯乙烯生产工艺流程 7 3.1 苯乙烯主要生产工艺 7 3.2 苯乙烯生产工艺流程的选择7 3.3 生产工艺流程简图 8 3.4 工艺流程的叙述 8 4 设计任务书 9 5 工艺计算9 5.1 物料衡算 9 5.2 能量衡算 13 5.3 主要设备选型 16 5.3.1 苯乙烯精馏塔操作条件 16 5.3.2 理论板数的计算 17 5.3.3 进料板位置的确定 17 5.3.4 塔径及塔高的计算 18 5.3.5 塔板主要工艺尺寸的计算 20 5.3.6 冷凝器的设计 21 6 生产事故预防及发展建议22 6.1 生产事故预防 22 6.2 发展建议 23 年产 10 万吨苯乙烯工艺设计 摘要：以年产 10 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。设计对整个工艺流程进行了物料衡 算，热量衡算，对设备理论上进行了尺寸计算及选择，使设备满足设计要求， 达到所需要的工艺条件。设计还附带一张带控制点的工艺流程图和一张化工设 备图。 关键词：苯乙烯；乙苯脱氢；工艺计算；乙苯苯乙烯精馏 引 言 苯乙烯最早发现于苏合香脂，是一种天然香料。直到 19 世纪三四十年代才 被应用于工业生产，是由法本公司和陶瓷化学公司采用乙苯脱氢法进行小规模 生产。但由于精馏技术未有大的发展而得到限制。直到道化学公司和 BASF 公 司才在精馏技术上有突破，得到高纯度苯乙烯单体并聚合生成稳定、透明、无 色塑料。第二次世界大战过后，不仅是苯乙烯产量快速上升，而且也出现了一 些新的生产技术，先后有美国的乙苯共氧化法和日本的裂解汽油抽提法，之后 实现了大规模的工业生产。 近年来我国在建筑材料、家庭电器、汽车行业等方面取得飞快的发展，这 无疑刺激了苯乙烯类树脂的消费水平，我国苯乙烯行业都是处于供求不足的状 态，每年都需要依靠世界市场来满足国内市场的需求。因此必然导致国内苯乙 烯的价格上升。70 多年来，不断提高苯乙烯的生产技术水平，成熟于五六十年 代的工艺，后期又由于受市场上能源、原料价格及国家绿色环保政策等因素的 影响，使得苯乙烯的生产做到低耗能、原料的重复利用以及对工业上的“三废” 优化处理，逐渐取代了传统的工艺，使得苯乙烯的生产技术水平得到进一步提 高，更能跟得上时代的发展脚步。 本文主要根据生产设计任务书进行物料衡算和能量衡算以及对设备理论上进行 了尺寸计算及选择，使设备满足设计要求，达到所需要的工艺条件，同时分析 了国内外苯乙烯的生产和供需情况，并对生产苯乙烯过程中所发生的危险事故 的发生及工艺上的问题作了介绍，提出了一些对未来市场上有用的生产新技术。 结合实际生产与事故，对苯乙烯生产中存在的一些危险进行了预防。不断的在 生产设备规模和新的技术水平上提高，能够做到苯乙烯从产量及质量达到新的 高度，让我国苯乙烯市场具有高的竞争力。设计过程中涉及到有机、化工原理 以及化工分离工程、化工热力学等多门学科的知识。通过本次设计让我更清晰 的掌握了这些学科的一些基本知识，更加巩固了曾经在课堂上所学的。 1 概述 1.1 原料与产品概述 1.1.1 原料概述 乙苯分子式为 C6H5C2H5 ，相对分子质量为 106，是生产苯乙烯的中间体， 无色有芳香气味，熔点（）：-94.9 ，沸点（ ）：136.2，易燃具有毒性。 原料中乙苯：99.95%（w% ） 1.1.2 产品概述 苯乙烯（SM）是通过苯取代乙烯分子上的一个氢原子所形成的具有无色、 有特殊香气的油状有机化合物。分子式 C8H10，相对分子量 104。苯环可与乙烯 基形成共轭电子对，其不溶于水，溶于乙醇、乙醚等有机溶剂中；有毒，在空 气中允许浓度为 0.1mg/L。该 物 质 会 对 地 表 水 、 土 壤 、 大 气 和 饮 用 水 造 成 污 染 ， 甚 至 造 成 水 体 污 染 ， 严 重 影 响 水 下 生 物 的 生 存 和 人 的 生 活 健 康 。 由 于 其 具 有 强 的 挥 发 性 和 易 被 光 解 ， 故 在 储 存 时 切 不 可 暴 露 的 大 气 中 ， 但 其 也 可 以 被 一 些 微 生 物 降 解 ， 即 能 被 特 异 的 菌 丛 所 破 坏 ， 亦 能 被 空 气 中 的 氧 所 氧 化 成 苯 甲 醚 、 甲 醛 及 少 量 苯 乙 醇 ， 且易燃，遇明火、强氧化剂有引起燃烧爆炸的危 险，其气体形态与空气能形成爆炸性混合物，爆炸极限 1.1%6.1%（气体体积 分数） 。 1.1.3 产品用途 苯乙烯主要用来生产生活中所熟知的各种家电、包装材料、建筑材料以及 一些高性能的树脂和弹性体的原料。其中苯乙烯需求量最大的当属聚苯乙烯 （PS） ，聚苯乙烯又包括通用聚苯乙烯（GPPS ） 、高抗聚苯乙烯（ HIPS） 、可发 性聚苯乙烯（EPS ） 。生产的其他的材料有丙烯腈 -丁二烯 -苯乙烯树脂（ABS） 、 苯乙烯- 丙烯腈树脂（SAN） 、不饱和聚酯树脂（UPR ） 、丁二烯 -苯乙烯橡胶 （SBR）以及丁二烯苯乙烯乳液等。这些产品广泛应用于工业装饰、照明指示、 电绝缘材料以及光学仪器零件、透明模型、玩具、日用品、汽车制造、家用电 器、造纸、纺织、制鞋等工业部门。不仅如此，它还可作为医药、农药、染料 及选矿剂的中间体，用途十分广泛。 2 苯乙烯市场分析 2.1 世界市场分析 世界苯乙烯产能主要分布在北美、西欧及东北亚地区。世界苯乙烯产能稳 步增长，2002-2012 年年均增长 3.3%，2012 年底世界总产能约 3260 万 t/年。 2012 年世界苯乙烯消费量达到 2735 万吨，2012 年的产量年均增长 2.1%，2012 年总产量约 2760 万吨，2012-2017 年均增速 3.5% ，未来世界苯乙烯的消费将 保持增长，2017 年达到 3250 万吨。目前为止世界上生产的苯乙烯已供过于求， 世界苯乙烯的生产都将趋于缓和。 2.2 国内市场分析及发展趋势 中国苯乙烯产能增长迅速，2002-2012 年的年均增长率达到 13%；2013 年， 中国苯乙烯拟在建项目的产能约为 340 万吨/年； 2012 年中国苯乙烯表观消费 量达到 800 万吨，同比增长 4.8%；中国聚苯乙烯产能增长迅速，2012 年的年均 增长率达到 13%；中国 ABS 树脂生产能力较快增长，2002-2012 年的年均增长 率达到 14%； 几年来中国苯乙烯缺口较大，自给率逐年提升 2010 年自给率首次 超过 50%，2012 年已超过 55% 2017 年中国苯乙烯缺口仍较大，预计将保持 在目前水平。 全球苯乙烯的生产能力已经出现了过剩的态势，在亚洲当中中国所占有的 苯乙烯消费比例不断增加，这样我国就需要从世界市场满足需求。虽然目前我 国苯乙烯的生产还有很大的进步空间，但随着我国各个行业的发展迅速就会导 致苯乙烯的需求量增加，这样就会刺激生产苯乙烯的各个企业之间的竞争，将 使得这些企业不断扩大生产，带动了苯乙烯生产设备的投资快速增长。又由于 聚苯乙烯和 ABS 树脂等苯乙烯的产品保持增长的态势。苯乙烯需求增大就要扩 大规模来生产，带动周围国家和企业去挑战机遇。这样一定程度上能够缓和苯 乙烯生产能力。因此，国内苯乙烯市场发展潜力较大。 3 苯乙烯生产工艺流程 3.1 苯乙烯主要生产工艺 目前，工厂规模化生产苯乙烯工艺路线 3：乙苯催化脱氢、环氧丙烷联产、 裂解汽油抽提三种方法。其中工艺路线生产苯乙烯乙苯脱氢占 79%，裂解汽油 抽提法占 2%，环氧丙烷联产法占 19%。虽然环氧丙烷联产法生产不仅有苯乙 烯产品，还有环氧丙烷，但其工艺流程复杂且又长，在设备上就有大量的投资， 流程长又易造成能源耗损大，而裂解汽油抽提在原料方面获得较困难。相比之 下乙苯脱氢目前更具有优势，目前我国大概有 90%的采用此工艺方法。其中乙 苯催化脱氢法又可分为（1）多管等温脱氢工艺；（2）绝热催化脱氢工艺。 3.2 苯乙烯生产工艺流程的选择 在工艺流程的选择上要遵从“技术上先进和经济上合理”的原则来考虑问 题，绝热催化脱氢所用反应器结构简单且装置费用可观，也有很强的生产力。 而多管等温脱氢流程较复杂且等温条件难控制。在绝热反应器中单段反应器生 产能力还行，但由于其低的转化率和选择性且高能耗，不满足技术先进和经济 合理。采用两段反应器很好解决以上缺点而应用。故采用的工艺为两段绝热催 化脱氢。 3.3 生产工艺流程图 3.4 工艺流程的叙述 反应过程主要反应： C6H5C2H5 C 6H5CHCH2+H2 (3-1) 生成苯乙烯和氢气，反应的选择性为 95%转化率为 60%；发生的副反应有： C6H5C2H5 C 6H6 +C2H4 (3-2) C6H5C2H5 + H2 C 6H5CH3 + CH4 (3-3) 两反应的选择性分别为 1%、3%，反应过程中产生苯、甲苯、乙烯和甲烷。 苯乙烯生产工艺设计过程分为催化脱氢和精馏分离阶段。首先原料乙苯通过加 热变成乙苯蒸气与水产生的水蒸汽在有催化剂的反应器中反应之后进入冷却器 和分离器，气体则通过收集处理或直接排放，分离出的液体产物则进入甲苯/乙 反 应 器 甲苯/乙苯塔 苯 甲苯 苯乙烯 苯 / 甲苯塔 苯乙烯精馏塔 循环 乙苯 冷凝器 图 3-1 工艺流程简图 尾气 乙苯 水 预热器 压缩机 分离器 苯塔进行初步分离，塔顶得到甲苯和苯，进入苯/甲苯塔进行精馏富集苯和甲苯， 塔底得到乙苯和苯乙烯进入到苯乙烯精馏塔进一步分离，分离得到塔顶出产品 苯乙烯，塔底分离得到乙苯则进入循环乙苯重新利用。 4 设计任务书 原料：99.95%( W% )的乙苯，视为纯物质。 产品：苯乙烯：99.7%（W% ） 生产量为：11111kg/h 的苯乙烯生产。 开工时间为 7200 小时 甲苯/乙苯塔：常压操作，塔顶乙苯5sfh6036.41.63(s)087TAHL 故降液管设计合理。 降液管底隙高度 h0： (5-7)h036lW 取 0.2m/s 则 87h.28(m)361.0 ，故合理的设计降液管底隙高0.530.6W 度。 选用凹形受液盘，深度为 h3mW （2）塔板布置 塔板的分块因 D800mm，故塔板采用分块式。查表得塔板分为 5 块。 边缘区宽度确定取 。s c0.650.35， 开孔区面积计算，开孔区面积 Aa 按下式计算，即 (5-8) 221arsin8rxAx（ ） 其中： ds10.32.650.71(m)2DxW（ ） （ ）r.59()C 故 12 221 22 2a 3.140965.7=rsin=(0.671.50.67sin)=.36(m)80r 8xAx （ ） （3）筛孔计算及其排列 选用正三角形排列的 碳钢板，筛孔取直径 d=5mm。孔中心距 t 为：3m t=3d=35=15(mm) 筛孔数目 n 为： (个)221.53615t0aA 开孔率为： %.015.97.td97.02 20）（ 5.3.6 冷凝器的设计 本冷凝器设计是通过在原有工艺条件确定换热面积，冷凝器可分为水冷式， 空气冷却式和蒸发式三种，而所采用的为水冷式。假设热损失可忽略，则由能 量守恒可得放热量与流体吸热量数值相等。设进口水温为 293K，出口水温 323K，温度变化 t=30K 。 热负荷 Q 为： 3954.816TW (5-9),2=()mcpqt 式中 -流体的平均比热容 kJ/(kg)；pc t冷流体的温度，。 kJ/(kg) 4.17pc 冷却水用量： , 321 )().0954.6173.621(kg/s()TmcpQqt 设计任务的热流体为反应过后的混合液，冷流体为水，为了使混合液通过 壳壁面向空气中散热，提高冷却效果，令混合液走壳程，水走管程。 管壳式换热器的对数平均温度按逆流计算，则 o o212 12504(C)=08(C)tTt tT o128)tlnl .7(m 125013.TRt210.6525tPT 查得 ，取 K=470W/（m 2） ，所以.96 o0.964.175.48(C)mtt 故 2 .()t47025.831TQSK 选用 JB/T 4715-92，列管公称直径 450mm；管心距为 25mm；管程数为 2；管子总根数为 126 个；中心排管数为 12 个；管程流通面积为 0.0198m2；列 管长度 4500mm，实际换热面积 43.5m2，需要 1 个这样的换热器。 6 生产中事故预防及发展建议 6.1 生产中事故预防 （1）苯乙烯生产过程的物料 苯乙烯生产过程中涉及到的物料乙苯、苯乙 烯、多乙苯、氢气等都具有易燃、易爆、有毒、有害的特性，有些具有强腐蚀 性，如氢化氢，催化剂络合物等，因此必须慎重处理这些副产物。 （2）脱氢反应系统要严格控制反应器入口温度、尾气压缩机入口压力、进 料蒸汽，尽量减少开、停车次数，防止催化剂破碎，还要正确对反应器、蒸汽 加热炉、尾气压缩机的串联系统的使用，并定期校验和记录。对过热炉火嘴要 经常调整火焰，不要直接接触炉管和炉墙。反应系统由正压变为负压操作应缓 慢进行，防止负荷突然加大，过热炉管骤冷损坏炉管。应 正 确 使 用 劳 动 用 品 ， 保 护 皮 肤 、 眼 睛 与 之 正 面 接 触 ， 防 治 吸 食 。 （ 3） 有 害 产 物 为 一 氧 化 碳 、 二 氧 化 碳 的 燃 烧 。 应 尽 可 能 将 容 器 远 离 生 产 车 间 或 移 至 空 旷 处 ， 再 采 用 灭 火 措 施 。 灭 火 剂 ： 泡 沫 、 干 粉 、 二 氧 化 碳 、 砂 土 ， 用 水 灭 火 无 效 。 （ 4） 苯 乙 烯 泄 漏 应 急 处 理 迅 速 撤 离 至 安 全 区 ， 并 进 行 隔 离 ， 严 格 限 制 出 入 ， 防 止 流 入 下 水 道 、 排 洪 沟 而 对 其 造 成 污 染 。 小 量 泄 漏 ： 用 活 性 炭 或 其 它 惰 性 材 料 吸 收 。 大 量 泄 漏 ： 挖 坑 掩 埋 或 用 泡 沫 覆 盖 ， 降 低 蒸 气 灾 害 。 （ 5） 在 操 作 时 应 注 意 密 闭 操