年产2.0万吨苯乙烯脱氢工段工艺设计

毕业论文题目年产20万吨乙苯脱氢制苯乙烯工艺脱氢工段工艺设计系别化工系姓名班级有机化工生产技术班学号抚顺职业技术学院化学工程系届毕业论文题目年产20万吨乙苯脱氢制苯乙烯工艺脱氢工段工艺设计姓名班级有机化工生产技术班学号指导教师完成日期成绩毕业论文（设计）任务书题目年产20万吨乙苯脱氢制苯乙烯工艺脱氢工段工艺设计一目的与要求二主要内容（或技术要求与数据）三主要参考文献、资料四进度计划五论文（设计）工作起止日期自年月日起，至年月日止。指导教师教研室主任年月日指导意见时间内容指导教师时间内容指导教师时间内容指导教师指导评语指导成绩指导教师年月日评阅评语评阅成绩评阅教师年月日答辩记录自述部分答辩部分答辩成绩答辩时间年月日时分至时分委员主任委员记录年月日摘要本设计为20万吨/年乙苯脱氢制苯乙烯工艺脱氢工段工艺设计，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，以乙烯脱氢法生产苯乙烯。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。本设计主要是脱氢工段工艺设计。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。关键词苯乙烯精馏装置工艺设计ABSTRACTTHEDESIGNFORTHEUNNUALPRODUCTIONCAPACITYOF20ETHYLBENZENNEDEHYDROGENATIONTOSTYRENEPROCESS,TECHNOLOGYUSEDWITHALAWACTIVITY,HIGHSELECTIVITYOFTHEIRONOXIDECATALYST,INTHELIGHTOFLUMMUSSTYRENEPRODUCTIONTECHNOLOGYTOETHYLBENZENEFROMSTYRENEPRODUCTIONOFHYDROGENDESIGNELEMENTSINCLUDEPROCESSDESIGN,PROCESSCALCULATION,EQUIPMENTDESIGNDESIGNEDFORUSEMAINLYBYTHEDEHYDROGENATIONREACTIONANDDISTILLATIONSYSTEMSCOMPOSEDOFTWOPROCESSESDEHYDROGENATIONOFETHYLBENZENEINADIABATICFIXEDBEDREACTOR,THEREACTANTTOTHEDISTILLATIONPROCESSFRIST,BYETHYLBENZENETOWERISOLATEDETHYLBENZENESTYRENEBENZENE,TOLUENEANDTHECRUDESTYRENEWITHTHEREORGANIZATIONOFSUBANDTARETHYLBENZENEBENZENEDISTILLATEDELIVERYTAPINTOTOLUENEBENZENE,TOLUENEETHYLBENZENEDISTILLATEANDRECOVERY,THERECOVERYPROCESSOFETHYLBENZENEDEHYDROGENATIONTORETURNSENDCRUDEDISTILLATIONCOLUMNISDIVIDEDINTOFINESTYRENEANDSTYRENETARKEYWORDSETHYLBENZENE,DEHYDROGENATION,DESIGNELEMENT目录前言1一绪论211原料的主要性质与用途2111乙苯的主要性质2112乙苯的主要用途212苯乙烯的性质和用途313各种苯乙烯生产工艺及比较314本工艺设计说明5二生产工艺说明821原料、成品及半成品822主、副化学反应式823生产步骤824原理、化学组成及化学性质825反应器设计依据1126主要工艺变量（参数）的选择与控制11261对反应器系统而言，主要控制工艺参数是11262苯乙烯（SM）的蒸馏与贮存1127流程叙述12271脱氢反应总述12272苯乙烯蒸馏总述13三工艺计算及设备设计1531物料衡算15311乙苯蒸发器15312乙苯过热器15313反应器物料衡算16314循环水冷却器18315油水分离器1832热量衡算18321脱氢反应器的热量衡算18322乙苯过热器的热量横算及选型21323废热锅炉的热量衡算及选型22324乙苯蒸发器的热量衡算及选型23325水冷却器的热量衡算及选型25326冷凝器的热量衡算及选型25四粗苯乙烯塔的一些物性参数2841塔的操作压力及温度2842最小回流比RMIN2943最小理论板数2944理论板数N的确定3045全塔平均板效率及实际塔板数N实3046确定加料板的位置30参考文献31谢辞32总结33前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20万吨/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。一绪论11原料的主要性质与用途111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。表11乙苯的其它性质序号常数名称计量单位常数值备注1分子量1061672液体比重088203沸点1362101325PA4熔点944101325PA5液体热容量KJ/（KGK）175429815K6蒸汽热容量KCAL/（KGK）0285277蒸发热KJ/MOL3559正常沸点下8液体粘度104KGSEE/M20679209生成热KCAL/MOL2982010在水中溶解度11燃烧热KCAL/MOL11011气体12闪点1513自然点553014爆炸范围体积2374112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。12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0066。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01ML/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11601（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。13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C6H5C2H5O2C6H5COCH3H2OC6H5COCH3H2C6H5CHOHCH3C6H5CHOHCH3C6H5CHCH2H2O该法苯乙烯产率为7580，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C6H5C2H5O2C6H5CHOOHCH3C6H5CHOOHCH3CH3CHCH2C6H5CHOHCH3C3H6OC6H5CHOHCH3C6H5CHCH2H2O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2C6H5C2H5O22C6H5CHCH22H2O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C6H5C2H5C6H5CHCH2H2同时还有副反应发生，如裂解反应和加氢裂解反应C6H5C2H5H2C6H5CH3CH4C6H5C2H5H2C6H6CH3CH3C6H5C2H5C6H6CH2CH2高温裂解生碳C6H5C2H58C5H2在水蒸汽存在下，发生水蒸汽的转化反应C6H5C2H52H2OC6H5CH3CO23H2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。14本工艺设计说明1生产任务年产20万吨苯乙烯。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7085。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。表12目前现代化工艺装置中生产的苯乙烯纯度已可达998W以上性能指标苯乙烯颜色，APHA聚合物硫苯乙炔过氧化物粘度（25）9971010PPMW1PPMW30PPMW20PPMW07MM2/S。典型苯乙烯单体产品性能如表12B、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，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1824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）。二生产工艺说明21原料、成品及半成品乙苯的沸程为13581365。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PAV该气体可被冷凝由上表可知氢，甲烷，乙烯的PIPAV，但经过盐冷而被凝出转为液态乙苯，苯乙烯的PIPAV可转为液态。QA（G）108A（G）108A（G）TBA（L）TBQ2QQ1Q2Q3由于二乙苯含量较少，计算可忽略不计。表312冷凝器的热量衡算组成沸点CP108TBCPIFITQVFIQVCPTB40CPIFIT氢气693116908951甲烷9149882737乙烯116611446542苯8032462684927373539154579340301707422甲苯1106319799331079398909543415823294577乙苯136340422249122868595518718906949980104817037苯乙烯1453384193370612895421026135846700115474908水10081874653292029942127406010009426717567QQ17908701Q2436788609Q3652011511QQ1Q2Q31096708821KCAL/H换热器的选型QKATMQ1096708821KCAL/HK264KCAL/HTM（T1T2）/1NT1/T2286AQ/KTM14525查化工工艺手册选型G800IV10170四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805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M104456表41参数组成LG/CM3VKG/CM3粘度苯2127081500495203080甲苯2109081000584103110乙苯2292081360673003540苯乙烯2482085560660303860平均值229313082106629036541塔的操作压力及温度根据气液相平衡理论泡点方程YIKIXI1露点方程XIYIKI1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YIKIXI1精算，在本设计中取参考现场情况下的压力50MMHG0006666MPA，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XIYIKI1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YIKIXI1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42最小回流比RMINIXFI/I1QRMINIXDI/I1因为泡点进料Q1所以IXFI/I0表42参数组分XFIVIMMHG83进料I以乙苯为基准IFII苯2618366045867015315014甲苯2363258662295005421442乙苯45721425931045720147苯乙烯49311046190734036040119设085值在轻重关键组分相对挥发度之间值应使IXFI/I0成立表43参数组分苯甲苯乙苯苯乙烯XDI4944458635430IXDI0289801021086350016I5014144201470119RMINIXDI/I14737检验11672/RMIN20所以正确43最小理论板数NMIN1LGX1/XHDXH/X1W/LGDW1/2在塔顶温度为50,P50MMHG条件下,PR乙苯47332MMHGPR苯乙苯33143MMHGD1428在塔釜温度为105,P230MMH条件下,PR乙苯306035MMHGPR苯乙苯231525MMHGW1322DW1/21374塔顶XF00430XL08635塔釜XL00010XH09985NMIN3