1.8万吨年苯乙烯精馏工段工艺设计-职业学院毕业论文

抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 I 摘摘 要要 本设计为 1 8 万吨 年乙苯脱氢制苯乙烯精馏工段工艺设计 工艺采用具有低活性 高选择性的 氧化铁系列催化剂 参照鲁姆斯公司 Lummus 公司生产苯乙烯的技术 以乙苯脱氢法生产苯乙烯 乙苯催化脱氢法是目前生产苯乙烯的主要方法 目前世界上大约 90 的苯乙烯采用该方法生产 它 以乙苯为原料 在催化剂的作用下脱氢生成苯乙烯和氢气 设计内容主要包括 工艺流程设计 工艺计算 设备设计等 本设计主要是精馏工序的设计 原料来自乙苯生产装置或原料采购部门 循环水 冷冻水 电 和蒸汽来由公用工程系统提供 生产出的苯乙烯产品到成品库 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馏苯乙烯和焦油 关关 键键 词词 苯乙烯 精馏装置 工艺设计 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 II Abstract The design for the unnual production capacity of 1 8 Ethylbenzenne Dehydrogena tion to Styrene process technology used with a law activity high selectivity of the iron oxide catalyst in the light of Lummus styrene production technology to ethylbenzene from Styrene production of hydrogen Design elements include process design process calculation equipment design Designed for use mainly by the dehydrogenation reaction and distillation systems composed of two processes Dehydrogenation of ethylbenzene in adiabatic fixed bed reactor the reactant to the distillation process Fist by ethylbenzene tower isolated ethylbenzene styrene benzene toluene and the crude styrene with the reorganization of sub and tar Ethylbenzene benzene distillate delivery Tap into toluene benzene toluene ethylbenzene distillate and recovery the recoveryprocess of ethylbenzene dehydrogenation to return Send crude distillation column is divided into fine styrene and styrene tar Keywords ethylbenzene dehydrogenation Design element 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 III 目目 录录 前言 1 一 绪论 2 1 原料的主要性质和用途 2 2 苯乙烯的性质和用途 3 3 苯乙烯生产的各种比较 3 4 本设计说明 5 二 生产工艺说明 8 1 原料 成品及半成品 8 2 主 副化学反应反应 8 3 生产步骤 8 4 原理 化学组成及化学化学性质 8 5 反应器设计依据 11 6 主要工艺变量 参数 的选择与控制 11 7 流程叙述 12 三 工艺计算及设备设计 16 一 物料衡算 16 1 粗苯乙烯塔 16 2 精苯乙烯塔 16 3 循环乙烯塔 17 4 苯 甲苯塔 17 二 热量衡算 18 1 粗苯乙烯塔 18 2 循环乙苯塔 19 3 精苯乙烯塔 20 4 苯 甲苯塔 21 四 粗苯乙烯塔的一些物性参数 22 1 塔的操作压力及温度 22 2 最小回流比 Rmin 23 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 IV 3 最小理论板数 23 4 理论板数 N 的确定 24 5 全塔平均板效率及实际塔板数 N实 24 6 确定加料板的位置 24 五 设备计算 25 一 精馏段 25 1 操作气速 25 2 塔板的设计 26 3 塔板适宜操作区的计算和分析 28 二 提馏段 31 1 操作气速 31 2 塔板的设计 32 3 塔板适宜操作区的计算和分析 34 六 谢辞 37 七 参考文献 38 八 附图 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 1 前前言言 苯乙烯作为化工生产的基本原料 在国民经济中起到了越来越大的作用 苯乙烯的 工业生产包括乙苯氧化脱氢法和乙苯催化脱氢法 乙苯氧化脱氢法是目前尚处于研究阶 段生产苯乙烯的方法 此设计的内容为 1 8 万吨 年乙苯脱氢制苯乙烯装置 包括工艺流程设计 工艺计 算 设备设计等 本设计的依据是采用低活性 高选择性催化剂 参照鲁姆斯 Lummus 公司生产苯乙烯的技术 以乙苯脱氢法生产苯乙烯 苯乙烯单体生产工艺技术 深度减 压 绝热乙苯脱氢工艺 乙苯脱氢反应在绝热式固定床反应器中进行 其特点是 转化率高 选择性好 特 殊的脱氢反应器系统 在低压 深度真空下 下操作以达到最高的乙苯单程转化率和最 高的苯乙烯选择性 该系统是由蒸汽过热器 过热蒸汽输送管线和反应产物换热器组成 设计为热联合机械联合装置 整个脱氢系统的压力降小 以维持压缩机入口尽可能高压 同时维持脱氢反应器尽可能低压 从而提高苯乙烯的选择性 同时不损失压缩能和投资 费用 所需要的催化剂用量和反应器体积较小 且催化剂不宜磨损 能在高温高压下操作 内部结构简单 选价便宜 在苯乙烯蒸馏中采用一种专用的不含硫的苯乙烯阻聚剂 它 经济有效且能使苯乙烯焦油作为燃料清洁地燃烧 工业设计的优化和设备的良好设计 可使操作无故障 从而可减少生产波动 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 2 一 绪一 绪 论论 1 1 原料的主要性质与用途 原料的主要性质与用途 1 乙苯的主要性质 乙苯是无色液体 具有芳香气味 可溶于乙醇 苯 四氯化碳和乙醚 几 乎不溶于水 易燃易爆 对皮肤 眼睛 粘膜有刺激性 在空气中最大允许 浓度为 100PPM 乙苯侧链易被氧化 氧化产物随氧化剂的强弱及反应条件的 不同而异 在强氧化剂 如高锰酸钾 或催化剂作用下 用空气或氧气氧化 生成苯甲酸 若用缓和氧化剂或温和的反应条件氧化 则生成苯乙酮 乙苯的其它性质如下表所示 表 1 序号常数名称计量单位常数值备注 1分子量106 167 2液体比重0 8820 3沸点 136 2101325Pa 4熔点 94 4101325Pa 5液体热容量kJ kg K 1 754298 15K 6蒸汽热容量Kcal kg K 0 28527 7蒸发热kJ mol35 59正常沸点下 8液体粘度104kgSee M20 67920 9生成热Kcal mol2 9820 10在水中溶解度 11燃烧热Kcal mol1101 1气体 12闪点 15 13自然点 553 0 14爆炸范围 体积 2 3 7 4 2 乙苯的主要用途 乙苯是一个重要的中间体 主要用来生产苯乙烯 其次用作溶剂 稀释 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 3 剂以及用于生产二乙苯 苯乙酮 乙基蒽醌等 同时它又是制药工业的主要 原料 2 2 苯乙烯的性质和用途 苯乙烯的性质和用途 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 1 6 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 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 3 3 各种苯乙烯生产工艺及比较 各种苯乙烯生产工艺及比较 目前苯乙烯主要由乙苯转化而成 可通过如下四条工艺路线进行 1 苯乙酮法 较早采用苯乙酮法生产苯乙烯 其步骤主要分为氧化 还原和脱水三步 方 程式如下 C6H5C2H5 O2 C6H5COCH3 H2O C6H5COCH3 H2 C6H5CHOHCH3 C6H5CHOHCH3 C6H5CHCH2 H2O 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 4 该法苯乙烯产率为 75 80 略低于乙苯脱氢法的产率 但中间副产物苯乙 酮产值较高 苯乙烯的精制分离较容易 故此法在国外仍有采用 2 乙苯和丙烯共氧化法 本法首先在碱性催化剂作用下 使乙苯液相氧化成过氧化氢乙苯 然后与 丙烯进行环氧化反应生成环氧丙烷 乙苯过氧化物则变为 苯乙醇 再经 脱水得到苯乙烯 即 C6H5C2H5 O2 C6H5CHOOHCH3 C6H5CHOOHCH3 CH3CHCH2 C6H5CHOHCH3 C3H6O C6H5CHOHCH3 C6H5CHCH2 H2O 本过程以乙苯计的苯乙烯产率约为 65 低于乙苯脱氢法的产率 但它还 能生产重要的有机化工原料环氧丙烷 综合平衡仍有工业化的价值 故目 前国外也有采用此法生产的 3 乙苯氧化脱氢法 乙苯氧化脱氢法是目前尚处于研究阶段生产苯乙烯的方法 在催化剂和过 热蒸汽的存在下进行氧化脱氢反应的 即 2C6H5C2H5 O2 2C6H5CHCH2 2H2O 此方法可以从乙苯直接生成苯乙烯 还可以利用氧化反应放出的热量产 生蒸汽 反应温度也较催化脱氢为低 研究的催化剂种类较多 如氧化镉 氧化锗 钨 铬 铌 钾 锂等混合氧化物 钼酸铵 硫化钼及载在氧化 镁上的钴 钼等 但这些催化剂在多处于研究阶段 尚不具备工业化条件 有待进一步研究开发 4 乙苯催化脱氢法 这是目前生产苯乙烯的主要方法 目前世界上大约 90 的苯乙烯采用 该方法生产 它以乙苯为原料 在催化剂的作用下脱氢生成苯乙烯和氢气 反应方程式如下 C6H5C2H5 C6H5CHCH2 H2 同时还有副反应发生 如裂解反应和加氢裂解反应 C6H5C2H5 H2 C6H5CH3 CH4 C6H5C2H5 H2 C6H6 CH3CH3 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 5 C6H5C2H5 C6H6 CH2CH2 高温裂解生碳 C6H5C2H5 8C 5H2 在水蒸汽存在下 发生水蒸汽的转化反应 C6H5C2H5 2H2O C6H5CH3 CO2 3H2 此外还有高分子化合物的聚合反应 如聚苯乙烯 对称二苯乙烯的衍生 物等 4 4 本工艺设计说明 本工艺设计说明 1 生产任务 年产 1 8 万吨苯乙烯 2 生产方法 参照鲁姆斯 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 深度减压 绝热苯 脱氢工艺 鲁姆斯 孟山都 UOP 经典苯乙烯单体生产工艺简介 该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 A 工艺流程 从乙苯 EB 生产苯乙烯的经典流程如附图 1 所示 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 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 6 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 典型苯乙烯单体产品性能如表 2 表 2 典型苯乙烯单体产品性能 性能指标 苯乙烯 99 7 颜色 APHA 10 聚合物 10ppm W 硫 1ppm W 苯乙炔 30ppm W 过氧化物 20ppm W 粘度 25 0 7mm2 s 目前现代化工艺装置中生产的苯乙烯纯度已可达 99 8 W 以上 B 工艺特点和优点 a 特殊的脱氢反应器系统 在低压 深度真空下 下操作以达到最高的乙苯单程转化率和最高的 苯乙烯选择性 该系统是由蒸汽过热器 过热蒸汽输送管线和反应产物 换热器组成 设计为热联合机械联合装置 整个脱氢系统的压力降小 以维持压缩机入口尽可能高压 同时维持脱氢反应器尽可能低压 从而 提高苯乙烯的选择性 同时不损失压缩能和投资费用 b 低蒸汽 油 EB 比的设计方案 鲁姆斯公司设计的苯乙烯装置是在低蒸汽 油比下操作 可降低苯乙 烯生产成本 已在工业化装置的操作中证明在低蒸汽 油比的情形下 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 7 新催化剂的稳定性良好 c 能量回收 鲁姆斯公司在苯乙烯装置上已实现了低品位能量 500 大卡 公斤苯 乙烯 的回收工艺 利用乙苯 苯乙烯蒸馏塔顶产物的冷凝热来汽化乙 苯和水的共沸物 并直接送至脱氢反应器 而不需要任何压缩设备 d 安全 一旦仪表系统发现有任何严重误操作或故障时 脱氢反应的自动联锁 系统即启动 无需任何操作员工即可将装置自动转入安全操作状态或安 全停工 e 操作容易 利用该技术的工业化装置已证明它具有很高的可靠性 工业设计的优 化和设备的良好设计可使操作无故障 从而可减少生产波动和损失 f 催化剂寿命长 根据操作经验 脱氢催化剂的使用寿命是 18 24 个月 随着乙苯装 置上催化剂寿命的延长 乙苯和苯乙烯装置更换催化剂的停工时间也可 适应尽量减少总停车时间的需求 g 加入阻聚剂 在苯乙烯蒸馏中采用一种专用的不含硫的苯乙烯阻聚剂 它经济有效且 能使苯乙烯焦油作为燃料清洁地燃烧 本设计装置主要由脱氢反应和精馏两个工序系统所组成 原料来自乙苯 生产装置或原料采购部门 循环水 冷冻水 电和蒸汽来由公用工程系统 提供 生产出的苯乙烯产品到成品库 由销售部门销售 本装置采用 24 小时连续运行 年运行 7920 小时 330 天 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 8 二 生产工艺说明二 生产工艺说明 1 1 原料 成品及半成品 原料 成品及半成品 乙苯的沸程为 135 8 136 5 为了减少副反应发生 保证生产正 常进行 要求原料乙苯中二乙苯的含量 0 04 因为二乙苯脱氢后生成的 二乙烯基苯容易在分离与精制过程中生成聚合物 堵塞设备和管道 影响 生产 另外 要求原料中乙炔 10ppm V 硫 以 H2S 计 2ppm V 氯 以 HCl 计 2ppm 水 10ppm 以免对催化剂的活性 和寿命产生不利的影响 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 2 2 主 副化学反应式 主 副化学反应式 乙苯在脱氢反应器中主要发生下列反应 主反应 C6H5C2H5 C6H5CHCH2 H2 副反应 C6H5C2H5 H2 C6H5CH3 CH4 C6H5C2H5 H2 C6H6 CH3CH3 C6H5C2H5 C6H6 CH2CH2 3 3 生产步骤 生产步骤 乙苯脱氢反应在固定床反应器中进行 同时伴随三个副反应 反应产物 经循环水冷凝器和盐水冷凝器冷却后 降温到 8 左右 苯 甲苯 乙苯 苯乙烯 水和重组分全部冷凝 甲烷和乙烯不冷凝 冷凝液经油水分离器分 离成水和有机混合物 将水分离 在有机混合物中添加阻聚剂 2 4 二硝基 邻 二 丁基酚 DNBP 有机混合物送精馏工序 先经乙苯 苯乙烯塔分离 成乙苯 及苯 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 4 4 原理 化学组成及化学性质 原理 化学组成及化学性质 苯乙烯 SM 是乙苯 EB 经过高吸热脱氢反应而生成 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 9 EB SM H2 反应深度由平衡控制 1 汽态平衡常数为 KP PSM PH2 PEB PT YSM YH2 YEB 其中 PT 系统总压 PSM H2 EB 各对应组分分压 YSM H2 EB 各对应组分摩尔分率 2 对于所有吸热气相反应 平衡常数随着温度的提高而增加 这时反 应平衡关系如下 lnKP A B T T K KP atm 其中 A 16 0195 B 3279 47 因此 温度升高 EB 转化为 SM 的转化率亦随之升高 EB SM 混合物还进行一些不受平衡控制的初级反应 副反应 其中首 要的是脱烃反应 特性如下 C6H5C2H5 C6H6 C2H4 乙苯苯乙烯 C6H5C2H5 H2 C6H5CH3 CH4 乙苯氢气甲苯甲烷 其他反应生成少量的 甲基苯乙烯 AMS 和其他高沸物 甲烷和乙烯亦参与蒸汽重整反应 主要是甲烷反应 CH4 2H2O CO2 4H2O 我们还观察到 水 汽转换反应在反应温度下接近平衡 CO2 H2 CO H2O 通常 在苯和甲苯的生成中 甲烷和乙烯的量总是比预期的要少 一氧 化碳通常是二氧化碳的 10 摩尔 在反应器的设计中应该记住 在接近 反应平衡时 SM 停止生成 而苯和甲苯却继续生成 实际上并没有限度 另外 因为 SM 的生成部分地受到扩散的控制 因此 随着温度的上升 苯和甲苯的 生成率要比 SM 的生成快得多 EB 脱氢的主要操作和设计变量 a 温度b 催化剂量及催化剂c 压力d 蒸汽稀释 因为 EB 脱氢生成 SM 的反应是吸热反应 所以反应混合物的温度随反应 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 10 加深而降低 反应速率降低的原因其一是反应越来越接近平衡 反应推动力 越来越小 其二在反应速率常数的降低 在一般设计中 在第一个三分之一 的催化剂床层上 约有 80 的温降产生 在基于这样的原理基础上 有一个 很高的入口反应温度当然是很理想的 然而 与促进催化脱氢相比 高温更 会增加非选择热反应和脱烃反应的速度而生成苯和甲苯 因此 要达到很好 的选择性 需要有效的入口温度上限 相对于 EB 进料而言 催化剂数量对优化操作起着重要的作用 催化剂太 少 则不会接近平衡 而催化剂太多 则还没有完全通过催化剂床层 EB 转化 就达到平衡并停止转化 而副反应继续进行 反应转化率和选择性降低 从 物料平衡和装置生产率 目前有很多种 EB 脱氢催化剂 这些催化剂一般分为两类 a 高活性 低选择性 b 低活性 高选择性 采用低活性 高选择性催化剂的设计有比 较好的效益 本设计装置拟采用的正是此种催化剂 如果在将来相当长的一 段时间内想要提高生产率而又允许有一定的损失的话 高活性 低选择性催 化剂可在同样的设备中装填使用 平衡常数有压力的范围 因为转化一个摩尔 EB 会生成两个摩尔的产物 所以 较高的系统压力会使脱氢反应的平衡左移 即抑制 EB 的转化 从而 降低 EB 的转化率 较低的压力将使 EB 转化较高 同时选择性也不受太大的 影响 蒸汽稀释能减少 EB SM 和氢气的分压 其效果与降低压力一样 蒸汽 稀释还有其他等同的重要作用 首先 蒸汽向反应混合物提供热量 其结果 是对于一定的 EB 转化而言 温度降低很多 在同样的入口温度下 EB 转化更 多 第二 少量的蒸汽表现为能使催化剂保持在所需的氧化状态 具有很高 的活性 此蒸汽量随催化剂的使用情况而有所不同 第三 蒸汽能抑制高沸 物沉积在催化剂上 如果允许超过一定的限度 这些结焦生成物最终会污染 催化剂 使其活性降低而无法使用 由于上述作用 单程 EB 转化率在温度 压力 催化剂 蒸汽稀释等方 面受到限制 对实际的单级反应器来讲 EB 转化率只有 40 50 但是 如果 出料被再加热到第一级入口温度 混合物便无法平衡 如果再加热的混合物 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 11 被送到第二个催化剂床层 那么 它又可以进一步转化为 SM 直至再次接近 平衡 由于受到其他变量因素的影响 EB 转化总量可达到 70 85 再加热 和增加级数的过程可视经济效益多次重复 每增加一级 转化率和选择性便 逐渐降低 因此 本设计采用两级反应器以获得较好的经济效益 5 5 反应器设计依据 反应器设计依据 反应器设计的首要任务之一是根据所需的处理量及原料组成 计算达到 规定的转化率所需的反应体积 然后以此为依据作进一步的设计 确定催化 反应器为完成一定的生产任务所需的催化剂量是反应器设计的基本内容之 一 反应器系统应该获得尽可能高的转化率 而且不增加操作成本 也不超 出经济优化的范围 较高的转化率减少了对稀释蒸汽 蒸馏蒸汽和过热器燃 料的要求 同样重要的是 尽管反应器成本可能略增加一些 但在初步设计 中 较高的转化率可从总体上减少装置投资 在获得较高转化率的同时 催 化剂的选择性将会降低 因此任何 SM 装置的设计都必须在反应 热回收和 蒸馏方面比较所有因素 考虑经济平衡 6 6 主要工艺变量 参数 的选择与控制 主要工艺变量 参数 的选择与控制 一 对反应器系统而言 主要控制工艺参数是 1 温度 第一 第二级反应器入口温度 2 蒸汽 油 EB 比 重量比 3 EB 进料率 通过控制第一和第二级入口温度来使转化率接近生产率的设计值 这两 级的温度应该一样 但是如果第二级入口温度略高于第一级入口温度 选择 性会更好一些 当然 EB 进料率是生产率的基本决定因素 蒸汽 油 EB 比的设计值 在较高的蒸汽 油 EB 比下 特别是在降 低生产率的情况下操作有助于降低操作成本 因为转化率 相对于给定的温 度 选择性和蒸馏蒸汽方面的少许改进都将胜过增加稀释蒸汽的成本 EB 的转化率主要由反应器进口温度控制 随着催化剂老化 这些温度要逐渐提 高以维持催化剂的活性和 EB 转化率 以保持在给定的 EB 进料率下的生产运 行 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 12 二 苯乙烯 SM 的蒸馏与贮存 苯乙烯即使在常温环境温度之下也会发生液相聚合 虽然缓慢 聚 合速率受浓度 温度 时间的影响而增加 使用合适的阻聚剂可减缓聚合 因此 在蒸馏系统中通常出现的温度下 必须使用有效的阻聚剂以防聚合 而引起较大的损失 阻聚剂的选择取决于以下一些因素 在操作温度下可 接受的聚合物产生的数量 基于这样的聚合物产量所需要的阻聚剂数量 阻聚剂成本 阻聚剂对苯乙烯终端使用的影响 最好是没有影响 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 在蒸馏系统中 蒸馏塔中产生的聚合物为高沸物 作为重组分 苯乙 烯焦油 离开本系统 不构成苯乙烯的污染物 产生的聚合物表示苯乙烯 收率的损失 应尽可能减少 NSI 阻聚剂的汽化压力很低 所以它同蒸馏系 统中的重组分离开 在产品苯乙烯中数量不多 产品苯乙烯中的 NSI 在苯 乙烯最终使用中会产生质量问题 苯乙烯产品中只允许有少量的聚合物 一 般低于 10ppm 7 7 流程叙述 流程叙述 1 脱氢反应总述 EB 蒸汽 蒸汽混合物与 EB 蒸汽过热器二级反应器流出物进行热交换 而产生过热 并进入一级反应器进口 在这里与主过热蒸汽混合 以便达 到理想的一级反应器的进口温度 EB 和蒸汽混合物径向从内向外地进入催 化剂床层 一部分 EB 反应生成 SM 由于进行吸热反应 温度降低 混合 流出物与过热蒸汽进行换热而得到重新加热并径向通过第二个催化剂床 层 大部分 EB 反应生成 SM 受平衡限制 和少量副产品 反应器系统的流出物由于两个压力等级的蒸汽再生而进行冷却 冷却 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 13 的反应器产品与部分未汽提的工艺冷凝液被过热降温 并在主冷凝器中冷 凝 冷凝液因重力作用自动流至有机混合物 水分离器 而未冷凝的蒸汽 进一步得到冷却并在调节冷却器中冷凝 调节冷凝器中的冷凝液也流向有 机混合物 水分离器 在有机混合物 水分离中 芳烃和工艺冷凝液构成两 个相位 被称之为 脱氢混合物 DM 的芳烃相流进有机物分隔间 随 后进行 SM 产品精馏和对未反应的 EB 及副产物苯 甲苯和高沸物进行回 收 水相因重力在有机混合物 水分离器的主分离室中分离 工艺冷凝液用泵压送至用来除去夹带有机物的撇沫罐 一部分冷凝液 被过滤 以除去催化剂尘末 然后用来对冷却的反应器流出物进行降温 净工艺冷凝液通过汽提除去溶解的有机物 冷凝液首先由汽提塔的塔顶液 进料内部换热器进行预热 然后通过蒸汽喷射器的直接蒸汽加热至工艺 冷凝液汽提塔操作温度 以把塔中汽提过程中的损失降低到最低程度 从 调节冷却器出来的未冷凝气体为脱氢废气 含有氢 二氧化碳 甲烷和大 量的芳烃 气体通过压缩机入口罐 然后送往废气压缩机 压缩气体通过 一个分离罐 然后再进入废气冷却器 冷却气体中的芳烃通过循环半柏油 的洗涤而减少 并经冷却后返回吸收塔 废气则通过一个密封罐进入燃料 补充系统而用作蒸汽过热器的燃料 2 苯乙烯蒸馏总述 苯乙烯蒸馏的目的是将从脱氢反应系统出来的液态芳烃混合物分馏成 a 一种高纯度的苯乙烯产品 苯乙烯聚合物最小损失 b 循环至脱氢反应系统的 EB 物料流 c 苯乙烯焦油物料流 含有苯乙烯聚合物 重馏分和少量苯乙烯 d 适合作为 EB 装置进料的苯物料流 e 甲苯副产品物料流 从有机混合物 水分离器出来的水饱和有机混合物被送入 EB SM 分离 塔 从分离塔出来的塔顶产品流被送入 EB 回收塔 含有甲苯的 EB 回收塔 塔底产品循环至脱氢反应系统 EB 回收塔塔顶产品 即苯 甲苯混合物被 送入苯 甲苯分离塔 苯 甲苯分离塔将其分离为塔顶甲苯产品和塔底甲苯 产品 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 14 从 EB SM 分离器出来的塔底液物料流 含有塔进料中的几乎所有苯乙烯 沸点高于 SM 的复合物 NSI 聚合阻聚剂 另外送入分离塔 少量 EB 和 分离塔中生成的苯乙烯聚合物被送入 SM 塔 SM 塔顶产品为的苯乙烯产品 回流中加入 TBC 以抑制塔中的聚合反应 含有约 50 W 挥发物 SM AMS 和焦油 低粘度 的 SM 塔底液被 送至薄膜蒸发器 蒸发器蒸发挥发物并将其送回到 SM 塔底 蒸发器部分塔 底液 塔底总量的 2 3 被泵送至 EB SM 分离塔进行 NSI 循环 含有约 5 4 W 残存苯乙烯的净塔底液送至贮罐 作为燃料使用 为把苯乙烯聚合物生成降低到最低限度 EB SM 分离塔 SM 塔和薄膜蒸 发器都减压运行 这样可以降低工作温度 A 乙苯 苯乙烯分离塔 T101 EB SM 分离塔是一台筛板塔塔 在真空下 塔顶绝压为 180 200mmHg 运行操作 其目的是分离乙苯与苯乙烯 生产出一种塔釜产品 它含有苯乙 烯 甲基苯乙烯 聚合物 高沸物以及少量可精制成合格苯乙烯的 EB 同时 塔顶产出产品 它含有基本上全部的 EB 苯和甲苯并带有约 1 0 W 苯乙烯 该塔的第二个目的是在分离时最大程度地减少苯乙烯转换成聚合物 的损失 有机混合物进料从有机混合物 水分离器由泵送至 EB SM 分离塔 进料在 49 塔板上进入该塔 NSI 溶液随进料进入该塔 来自薄膜蒸发器底 部的循环 NSI 溶液在 SM 柏油混合器的上游加入至 EB SM 分离塔进料 为取 得理想的分离效果 EB SM 分离塔在高回流比下操作 设计回流比为 10 0 12 通往再沸器的蒸汽流量根据使塔产生理想的回流比来确定 该塔再沸器 所需的热能由 350kPa 的压力的蒸汽所提供 在生产中保持理想的苯乙烯纯 度的关键是正确操作 EB SM 分离塔 作为苯乙烯里的主要杂质 EB 一旦离开 分离塔塔底后总是进入 SM 分离塔塔顶 在苯乙烯塔里的实际分离是在苯乙 烯和 甲基苯乙烯之间进行 进行分离的关键是要有足够的蒸汽流入再沸 器 B SM 精馏塔 T301 SM 精馏塔是一座在真空下进行操作 其目的是将来自 EB SM 分离塔的塔 釜液中的进料进行分离 以便从塔顶产出苯乙烯产品物流 该塔的第二个目 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 15 的是将该塔釜液经薄膜蒸发器汽提后 可生产出苯乙烯焦油 其中 苯乙烯 和 甲基苯乙烯含量相加不超过16 W 在SM分离塔的进料中含有苯乙烯 一些高沸点化合物 聚合物 甲基苯乙烯及其他物料 一些低沸点物 料 EB 以及 NSI 阻聚剂 TBC 叔丁基邻苯二酚 在苯乙烯单体里以 2 W 溶液的形式被注入回流管线以抑制塔内苯乙烯的聚合 设计回流比为 0 8 1 0 C 甲苯 乙苯回收塔 T201 EB 回收塔是一座有 40 层塔板的带压塔 其目的是分离从 EB SM 分离塔 的塔顶来料 在设计回流比为 8 0 10 的操作下 进入第 28 层塔板 获得塔 顶产物 苯 甲苯物流 塔底产物 含甲苯以及苯乙烯的 EB 物流 塔釜液循 环至脱氢反应系统 D 苯 甲苯分离塔 T401 EB 回收塔的塔顶物流送入该塔 在设计回流比为 2 0 3 0 的操作下 分离出甲苯的苯塔顶产品和苯的甲苯塔釜产品 本塔使用的填料是碳钢鲍尔 环 为避免液体分布的不均匀 该塔再在每层顶部装有一台液体分布器 此 达到最大限度 该温度可以通过重新设定进入再沸器的蒸汽流量控制来进行 调整 回流比可以通过产品规格的需要来控制 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 16 三 工艺计算及设备设计三 工艺计算及设备设计 1 1 物料衡算 物料衡算 1 1 粗苯乙烯塔 粗苯乙烯塔 由于各组分结构相似 因此有相似相容原理 所以采用沸点差法将它 们分离 由于苯乙烯易聚合 所以优先分出 进料中夹 TBC 用清晰分割法 选轻关键组分 乙苯收率 99 9 重关键组分 苯乙烯 收率 95 39 粗苯乙烯塔物料衡算表 组成进料塔顶塔釜 kg hWt kg hWt kg hWt 苯100 931 961100 933 70800 甲苯106 3322 085106 3223 94200 乙苯2377 39346 6212375 0688 0512 3770 099 苯乙烯2515 13749 322115 9484 2992399 18999 880 二乙苯0 5160 010000 5160 0215 合计5099 3911002697 3091002402 082100 2 2 精苯乙烯塔 精苯乙烯塔 选轻关键组分 苯乙烯收率 97 4 重关键组分二乙苯收率100 精苯乙烯塔物料横算表 组成进料塔顶塔釜 kg hWt kg hWt kg hWt 乙苯2 3770 09902 3770 10200 苯乙烯2399 18999 8802336 81099 89862 37999 180 二乙苯0 5160 0215000 5160 820 合计2402 0821002339 18710062 895100 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 17 3 3 循环乙烯塔 循环乙烯塔 选轻关键组分 甲苯收率 91 01 重关键组分 乙苯收率 99 82 循环乙苯塔物料衡算表 组成进料塔顶塔釜 kg hWt kg hWt kg hWt 苯100 0133 708100 01349 74300 甲苯106 3323 94296 77348 1319 5590 383 乙苯2375 01688 0514 2752 1262370 74194 972 苯乙烯115 9484 29900115 9484 645 合计2697 309100201 0611002496 248100 4 4 苯 甲苯塔 苯 甲苯塔 选轻关键组分 苯收率 95 43 重关键组分 甲苯 收率 95 21 苯 甲苯塔物料衡算表 组成进料塔顶塔釜 kg hWt kg hWt kg hWt 苯100 1347 48595 44294 9344 5714 153 甲苯106 33250 4855 0935 066101 23991 964 乙苯4 2752 030004 2753 883 合计210 620100100 535100110 085100 2 2 热量横算 热量横算 计算换热时有基准温度和基准状态 基准温度 25 Cp a bT cT 2 dT3cal mol 基准状态 气态 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 18 1 1 粗苯乙烯塔 粗苯乙烯塔 塔顶冷凝器 R 6 7流量 Fi R 1 F 粗苯乙烯塔塔顶冷凝器的热量衡算表 组成Hv56 3FiHvCp56 3 48CpiFi 苯7649 2973330 6733 60322 11 甲苯8650 8874755 0639 78343 75 乙烯9671 091620097 1546 387769 56 苯乙烯9941 2282865 5043 32361 10 合计H1 1851048 38H2 73011 12 H H1 H2 1924059 5Kcal h 设备选型 Q KA tmK 115Kcal h tm t1 t2 1n t1 t2 18 A Q K tm 929 5 查化工工艺手册选型 G1000 25 350 塔底再沸器 H R 1 DhvXwi 塔底再沸器热量衡算表 组成乙苯苯乙烯 R 1 DHvXwi Hv1069024 89354 R 1 DHvXwi1751 171813235 111814986 28 设备选型 Q KA tmK 520Kcal h tm t1 t2 1n t1 t2 26 8 A Q K tm 130 24 查 化工工艺手册 选型 G1000IV 16 170 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 19 2 2 循环乙苯塔 循环乙苯塔 塔顶冷凝器 R 16 6 塔顶冷凝器热量衡算表 组成苯甲苯乙苯 R 1 FHv Hv6935 887949 648937 68 FiHv151980 568142902 0376160 051301042 656 H1 Cp109 10125 37031 66938 840 R 1 CpiFi t CpiFi555 913569 27926 769 9906 865 H2 H H1 H2 310949 52Kcal h 设备选型 Q KA tmK 396Kcal h tm t1 t2 1n t1 t2 71 3 A Q K tm 11 01 查 化工工艺手册 选型 G400I 16 12 塔底再沸器 塔底再沸器热量衡算表 组成甲苯乙苯苯乙烯 R 1 DHvXwi H78775 3 R 1 DHvXwi1350 027323485 95616832 728341668 711 设备选型 Q KA tmK 664Kcal h tm t1 t2 1n t1 t2 10 9 A Q K tm 47 21 查 化工工艺手册 选型 G400I 16 50 3 3 精苯乙烯塔 精苯乙烯塔 塔顶冷凝器 R 0 5 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 20 塔顶冷凝器热量衡算表 组成乙苯苯乙烯 R 1 FHv Hv64 99580 799848 1 FiHv312 912322290 814322603 726 H1 Cp64 9 5034 09332 226 R 1 CpiFi t CpiFi1 1131054 63415730 630H2 设备选型 Q KA tmK 458Kcal h tm t1 t2 1n t1 t2 23 4 A Q K tm 31 57 查 化工工艺手册 选型 G500IV 25 70 塔底再沸器 塔底再沸器热量衡算表 组成苯乙烯 Hv859737 R 1 DHvXwi318969 514 设备选型 Q KA tmK 500 h tm t1 t2 1n t1 t2 47 8 A Q K tm 13 35 查化工工艺手册选型 G273 25 14 4 4 苯 苯 甲苯塔甲苯塔 组成苯甲苯 R 1 FHv Hv7301 78429 6 FiHv56152 5074174 94360327 45 H1 Cp83 8 80 523 81129 848 R 1 CpiFi t CpiFi183 11414 783653 060 H2 H H1 H2 60980 51 Kcal 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 21 tm t1 t2 1n t1 t2 48 07 A Q K tm 6 75 查 化工工艺手册 选型 G273 25 7 塔底再沸器热量衡算表 组成苯甲苯乙烯 R 1 DHvXwi Hv117 86809 97825 98854 12 R 1 DHvXwi3006 68258415 5192473 99763896 198 tm t1 t2 1n t1 t2 40 1 K 569 Kcal h A Q K tm 2 80 查 化工工艺手册 选型 G273 25 3 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 22 四 粗苯乙烯塔的一些物性参数四 粗苯乙烯塔的一些物性参数 粗苯乙烯塔物性参数为 塔顶温度 56 塔底温度 105 平均温度 80 5 塔顶压力 50mmHg 塔底压力 230mmHg 平均压力 140mmHg 在平均温度 压力下查图 PM RT 平均分子量 M 104 456 组成 L g cm 3 v kg cm 3 粘度 苯21 270 81500 49520 3080 甲苯21 090 81000 58410 3110 乙苯22 920 81360 67300 3540 苯乙烯24 820 85560 66030 3860 平均值22 93130 8210 66290 365 1 1 塔的操作压力及温度 塔的操作压力及温度 根据气液相平衡理论 泡点方程 yi kixi 1 露点方程 xi yiki 1 操作压力的确定 选用塔顶油气冷凝 冷凝后温度根据回流缸内物料温度 塔顶物料冷却 冷凝为液相 则回流时回流缸内压力为塔顶物料的泡点压力 用泡点方程 yi kixi 1 精算 在本设计中取参考现场情况下的 压力 50mmHg 0 006666mpa 回归符合 塔顶温度 在即定的操作压力下塔顶温度是塔顶层板 则用 露点方程 xi yiki 1 进行精算 取温度 56 回归基本符合 塔釜温度 1 在塔底操作压力下 塔底物料处于泡点状态 其温度即他的泡点温度 用泡方程 yi kixi 1 进行精算 现场温度取 105 回归基本符合 进料温度 由于物料是泡点进料即饱和液体进料 用现场温度进行回归 进料温度取 83 回归基本符合 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 23 2 2 最小回流比最小回流比 R Rmin min ixFi i 1 qRmin ixDi i 1 因为泡点进料q 1所以 ixFi i 0 组分xFi vi mmHg 83 进料 i 以乙苯为基准 iFi i 苯2 61836 6045 8670 15315 014 甲苯2 36325 8662 2950 05421 442 乙苯45 72142 59310 45720 147 苯乙烯49 31104 6190 7340 3604 0 119 设 0 85 值在轻重关键组分相对挥发度之间 值应使 ixFi i 0 成立 组分苯甲苯乙苯苯乙烯 XDi 4 944 4586 354 30 ixDi0 28980 10210 86350 016 i 5 0141 4420 147 0 119 Rmin ixDi i 1 4 737 检验 1 1 6 72 Rmin 2 0所以正确 3 3 最小理论板数最小理论板数 Nmin 1 lg X1 Xh D Xh X1 w lg D w 1 2 在塔顶温度为 50 P 50mmHg 条件下 Pr 乙苯 47 332mmHgPr 苯乙苯 33 143mmHg D 1 428 在塔釜温度为 105 p 230 mmH 条件下 Pr 乙苯 306 035mmHgPr 苯乙苯 231 525mmHg w 1 322 D w 1 2 1 374 塔顶 XF 0 0430Xl 0 8635 塔釜Xl 0 0010Xh 0 9985 Nmin 31 17 因为采用热虹吸在再沸器 4 4 理论板数 理论板数 N N 的确定的确定 R Rmin R 1 6 7 4 56 6 7 1 0 25 抚顺职业技术学院高职毕业论文 设计 24 查吉利兰图 N Nmin R 2 0 4 所以理论板数 N 52 62 5 5 全塔平均板效率及实际塔板数 全塔平均板效率及实际塔板数 N N 实实 Et N N 实 Et 0 49 cp L 0 245 cp 1 377 组分xFi Li LiFi 苯2 610 3080 00804 甲苯2 360 3110 00734 乙苯45 720 3540 162 苯乙烯49 310 3860 190 Et 0 49 cp L 0 245 0 579 N实 N Et 90