化工过程开发设计

1、 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61 概述61.1 原料与产品概述61.1.1 原料概述61.1.2 产品概述61.1.3 产品用途62 苯乙烯的市场分析62.1 世界市场分析62.2 国内市场分析及发展趋势73 苯乙烯生产工艺流程73.1 苯乙烯主要生产工艺73.2 苯乙烯生产工艺流程的选择73.3 生产工艺流程简图83.4 工艺流程的叙述84 设计任务书95 工艺计算95.1 物料衡算95.2 能量衡算135.3 主要设备选型16 5.3.1 苯乙烯精馏塔操作条件16 5

2、.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216 生产事故预防及发展建议226.1 生产事故预防226.2 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

3、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

4、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

5、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

6、.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

7、，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

8、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，2002-20

9、12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

10、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

11、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

12、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3.4 工艺流程的叙述反应过程主要反应：C6H5C2H5  C6H5CHCH2+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  C6H6 +C2H4           

13、  (3-2)C6H5C2H5 + H2  C6H5CH3 + 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

14、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<0.4%，塔底甲苯<0.5%（W%）苯乙烯精馏塔：常压操作，塔顶苯乙烯<0.65%，塔底乙苯<0.45%（W%）。操作压力为101kPa，泡点进料q=1，单板压降0.7kPa；全塔效率。苯/甲苯塔：常压操作，塔顶甲苯<0.3%，苯<0.2%（W%）。冷凝器：水进口温度为293K，出口温度323K，t=30K。

15、5 工艺计算5.1 物料衡算物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即进入的物料与流出的物料平衡没有积累量。质量守恒定律可用下式表示：G进=G出+G损+G积式中： G进进入的总物料量； G出输出的总物料量； G损总的损失量；G积系统中积累量。（1） 反应器的物料衡算：乙苯脱氢反应方程式为：主反应 C6H5C2H5   C6H5CHCH2 + H2       (1)副反应  C6H5C2H5  C6H6 +C2H4      

16、60;       (2)C6H5C2H5 + H2  C6H5CH3 + CH4          (3)物料衡算相关技术条件：(1)式选择性为95%，其转化率为60%；(2)、(3)选择性分别为1%、3%。 苯乙烯年产8万吨。为了充分利用设备，要合理控制生产时间，尽量尽可能多的生产时间，同时又要虑到设备的维修和生产调试以及保养等情况。因此除去这些时间65天，则真正生产的时间为300天。可知每批料的生产能力为：，投入乙苯量为：20000kg/h

17、。反应器出料为：则剩余的乙苯：反应器进出料组成：表5-1 反应器进出口组成进料组成kg/h出料组成kg/h乙苯20000乙苯7788.679苯乙烯11184.906甲苯520.755苯147.17乙烯52.83氢气215.094甲烷90.566合计20000合计20000（2）冷凝器的物料衡算冷凝器进出口组成：表5-2 进料组成为组分乙苯苯乙烯甲苯苯乙烯氢气甲烷合计kg/h7788.67911184.906520.755147.1752.83215.09490.56620000冷凝器顶口出料气体为：乙烯52.83kg/h、氢气215.094kg/h、甲烷90.566kg/h，冷凝器底物料组成：

18、表5-3 冷凝器底物料组成为组分乙苯苯乙烯甲苯苯kg/h7788.67911184.906520.755147.17（3）甲苯/乙苯塔的物料衡算甲苯/乙苯塔塔顶：乙苯<0.4%；塔底甲苯<0.5%。在甲苯/乙苯塔中其进料组成及平均操作条件下各组分对关键组分的相对挥发度如下表：表5-4组分苯甲苯乙苯苯乙烯合计kg/h147.17520.7557788.67911184.90619641.51相对挥发度5.722.2610.62对于精馏塔的物料衡算本设计采用清晰分割7，即若两关键组分的挥发度差异较大，且两者为相邻组分，此时可认为比重关键组分还重的组分全部在塔底产品中，比轻关键组分还轻的

19、组分全部在塔顶产品中。塔顶： 塔底： 甲苯/乙苯塔物料衡算表如下：表5-5 甲苯/乙苯塔塔顶塔底组成组分苯甲苯乙苯苯乙烯塔顶组成kg/h147.17518.15131.1550塔底组成kg/h02.6047757.52411184.906总计：（4）苯/甲苯塔的物料衡算苯/甲苯塔：甲苯<0.3%；苯<0.2%。苯/甲苯塔进料组成： 进料量总计m=147.17+518.151+31.155=696.476塔顶： 塔底： 全塔出口总计m=146.876+1.554+31.155+0.294+516.597=696.476（5）苯乙烯精馏塔的物料衡算苯乙烯精馏塔：塔顶苯乙烯<0.6

20、5%；乙苯<0.45%。苯乙烯精馏塔进料组成为：苯乙烯11184.906kg/h、乙苯7757.524kg/h、甲苯2.604kg/h，进料总物料量m=18945.034kg/h。塔顶： 塔底： 全塔出口总物料量为：m=7722.615+2.604+72.702+11112.204+34.909=18945.034表5-6 苯乙烯精馏塔物料衡算进料组成kg/h出料组成kg/h苯乙烯11184.906（塔顶）乙苯7722.615乙苯7757.524 甲苯2.604甲苯2.604 苯乙烯72.702（塔底）乙苯34.909 苯乙烯11112.204总计18945.03418945.034（6

21、）全程物料衡算反应总投入物料量反应后经冷凝器、分离塔分离出的各物料量为：乙烯、氢气、甲烷流量分别为：52.83kg/h、215.094kg/h、90.566kg/h，输出物料总流量： 5.2 能量衡算由于反应过后反应液的温度较高需要降低温度后再进行精馏分离，所以反应液需得进入冷凝器进行冷凝。即将反应液温度由500降到100，其流量为20000kg/h。冷却介质采用20，选择冷却水的温升为30，则出口温度，定性温度下 kJ/(kg·)（1）对冷凝器的热量衡算：表5-7 各物系的平均比热容组分苯乙苯苯乙烯甲苯乙烯甲烷氢气水比热容/（）1.7071.7171.731.701.221.77.

22、2434.1878 (5-1)则冷凝器进料口的热量： 冷凝器出料口的热量： 所以热负荷 冷却水用量：（2）对甲苯/乙苯塔的热量衡算：进料温度为100塔顶出口温度89，塔底出口温度为105。塔的进料热量如下表：表5-8 甲苯/乙苯塔进料热量 塔顶输出热量： 塔底输出热量： 所以再沸器的热负荷为：（3）苯/甲苯塔的热量衡算塔进料液为89，塔顶出料平均温度设为85塔底平均温度为102。 进料热量如下： 塔顶输出热量： 塔底输出热量： 热负荷为表5-9 苯/甲苯塔热量衡算表进料热量kJ/h出料热量kJ/h（塔顶） （塔底） 热负荷合计合计（4）苯乙烯精馏塔的热量衡算塔进料热量：表5-10 苯乙烯精馏塔

23、进料热量组分苯乙烯乙苯甲苯合计热量（kJ/h）塔顶： 塔底： 热负荷：表5-11 苯乙烯精馏塔出料热量进料组分热量kJ/h出料组分热量kJ/h苯乙烯（塔顶）乙苯 乙苯 甲苯甲苯 苯乙烯（塔底）乙苯苯乙烯热负荷总计总计5.3 主要设备选型5.3.1 苯乙烯精馏塔操作条件苯乙烯精馏塔进料组成为：苯乙烯11184.906kg/h、乙苯7757.524kg/h、甲苯2.604kg/h。操作压力为101kPa，泡点进料q=1，单板压降0.7kPa；全塔效率， ，由于塔中甲苯量很少因此可以忽略不计。平衡方程为： (5-2)塔顶： 塔底： 因为泡点进料： (5-3)所以取5.3.2 理论板数计算在精馏塔的设

24、计型计算中，为了进行技术经济分析，确定适宜回流比可采用吉利兰图进行简捷计算。根据芬斯克方程： (5-4)则已知 (5-5)得： 即 ，求得实际塔板数（不含再沸器）故实际塔板数取整N=535.3.3 进料板位置的确定 ，即从塔顶往下第14块板为进料板。操作压力： 塔顶操作压力塔底操作压力进料操作压力饱和蒸汽压计算公式(安托尼方程)：lnP=AB/(t+C) 乙苯：A=16.0195 B=3279.47 C=59.95 苯乙烯：A=19.0193 B=3328.57 C=63.72 依据操作压力，由泡点方程透过试差法计算出泡点温度，其中乙苯、甲苯的饱和蒸气压由安托尼方程计算。计算结果如下

25、：塔顶温度进料板温度塔底温度5.3.4 塔径及塔高的计算平均温度：()精馏段平均压力因为则精馏塔的液气相负荷：塔顶平均摩尔质量：有，由平衡方程可得，则进料板平均摩尔质量：有，可得，则精馏段平均摩尔质量：为便于计算塔顶以乙苯为主且101kPa，89时，。 其中C20有化工原理中的史密斯关联图查得，图的横坐标为选塔板间距HT=0.40m，查图得C20=0.0825 m/s，则相负荷因子为：泛点气速为：取安全系数为0.7，则气速取实际塔径D为2m塔高：精馏段的有效高度：提馏段的有效高度：安装2个人孔，孔径600mm，则塔的有效高度：裙座取1m，塔釜1m，第一块板到塔顶取1.0m，板间距HT=0.4m

26、，所以塔高： 5.3.5 塔板主要工艺尺寸的计算（1）溢流装置计算因塔径为D=2m，可选单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：堰长取=0.66D=0.66×2=1.32(m)溢流堰高度取选用平直堰，堰上液层高度由下式计算即， (5-6)近似取E=1，则取板上清液层高度：=80mm 故 =0.08-0.0234=0.0566(m)弓形降液管宽度和截面积：由 依下式验算液体在降液管中提留时间，即>5s故降液管设计合理。降液管底隙高度h0： (5-7)取 则 ，故合理的设计降液管底隙高度。选用凹形受液盘，深度为（2）塔板布置塔板的分块因D800mm，故塔板采用分块式。查表得

27、塔板分为5块。边缘区宽度确定取。开孔区面积计算，开孔区面积Aa按下式计算，即 (5-8)其中： 故 （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：t=3d=3×5=15(mm)筛孔数目n为：(个)开孔率为： 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： (5-9)式中 -流体的平均比热容kJ/(kg·)； t冷流体的

28、温度，。kJ/(kg·) 冷却水用量： 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 查得，取K=470W/（m2·），所以故选用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