50万吨年产量的苯乙烯生产工艺设计【附设备装配图】7500字【论文】

Ⅱ50万吨年产量的苯乙烯生产工艺设计摘要苯乙烯作为一种基本的化工原料，具有非常广泛的用途。本设计着重介绍了处理量为50万吨苯乙烯的工艺生产，简单讨论了国内外苯乙烯的发展以及对国内外生产苯乙烯的方法进行了比较，重点简述了苯乙烯的工艺生产与流程。采用了乙苯催化脱氢法制备苯乙烯，工艺流程主要是由两个工段组成：脱氢反应工段和精制工段。反应器选用三段绝热式反应器，对于多段绝热式反应器来说，三段式中苯乙烯的单程转化率比一段式、二段式要高大概10%，苯乙烯的选择性达到了96.5%，从而使整个装置的能耗得以降低。精馏塔采用的是板式精馏塔，通过对整个工艺流程进行的初步物料衡算，再利用Aspenplus模拟软件，得出了精馏塔合理的进料板和理论塔板数，并建立了苯乙烯生产工艺的全流程模拟模型。关键词：乙苯脱氢；苯乙烯；绝热式；精制；物料衡算；Aspenplus; 目录TOC\o"1-2"\h\z\u1前言 前言1.1苯乙烯发展现状与前景自50年代以来，由于我国人口过多，在苯乙烯生产方面发展起步过晚，各项消费指标也在逐年的增强，因此我国更应该大力度的发展苯乙烯的生产能力。随着时间的飞逝，令人惊讶的是，在国内苯乙烯的消耗量也同样在不停的增长，从最开始的3603kt上升到了4503kt。一直以来，我国苯乙烯的生产量就太低，满足不了我国的发展，从2001-2006年起，我国进口的苯乙烯就达到了2343～2661kt。虽然我国在不停的发展，苯乙烯的产量也不断的在增加，但是需求量并未减少，也一直在增加，因为苯乙烯在世界的欢迎度也是非常高的。据许多专家预测和统计，2022年可达到3920kt/a。以下是我国苯乙烯近几年的产量及产能利用率【1】：图1.1苯乙烯产量及产能利用率1.2苯乙烯的性质与用途苯乙烯又称SM，它的化学式是C8H8，是一种溶于某些有机溶剂，但不溶于水的无色透明油状液体，比如：乙醇以及乙醚等。作为油脂化合物的苯乙烯，若长期暴露在空气中，可能会发生一些副反应，比如：氧化反应和聚合反应。由于纯的苯乙烯是无色液体，若发生了聚合则会变成带有辛辣味的淡黄色液体，那么它的黏度也会变得很大，所以我们在进行保存时要低温保存【2】。苯乙烯具有十分广泛的用途，不仅可以通过自聚反应生成聚苯乙烯树脂(PS)，通过与丙烯晴（AN）发生共聚反应生成丙苯树脂（AS），与丁二烯共聚生成丁苯橡胶和丁苯胶乳(SBR/SBR胶乳)，与丁二烯和AN生成ABS塑料等。而且苯乙烯还可以用于制药，制造一些西药的原料配料，用于农药的生产。根据近年来的数据，世界上能生产苯乙烯的国家有50多个，并且这些国家苯乙烯的生产能力已经达到了30000kt/a。在世界上合成苯乙烯的方法有很多，所用到的原料也有很多，其中最广泛的就是乙苯【3】。1.3原料乙苯的性质与用途乙苯作为具有芳香性气味的液体，可以溶于乙醇，苯，四氯化碳等物质，而且乙苯易溶易爆，具有刺激性，尤其是对眼睛和皮肤是非常不友好的。乙苯作为一种中间体，不仅可以用于生产苯乙烯，而且可以充当制药工业的原料【4】，以下图是乙苯的其他性质：图1.2原料乙苯的性质1.4生产方法的比较与选择目前生产苯乙烯的方法多种多样，分别有Halcon法，乙苯脱氢法，裂解汽油萃取分离法，丁二烯合成法，等【5】，以下将对这几种方法进行比较，从而选出本设计所需要用到的方法。1.4.1乙苯脱氢法乙苯催化脱氢法此方法是以乙苯为原料，通过过热蒸汽炉加热，进入到绝热式反应器中进行脱氢反应，所生产的初产品再经过油水分离器进行分离，然后进入苯乙烯精馏塔得到苯乙烯和其他副产品。其中温度在600℃上下浮动，压力为1.01Mpa，乙苯/水为1：1.3，空速为0.6-1h-1，转化率为40%-50%，选择性为90%-95%。其中蒸汽经过过热蒸汽炉加热到800℃，再进入反应器进行反应【6】。整个工艺过程中，随着温度的升高，转化率也随之在增加，但缺点是副反应也在增加。反应流程图如下：图1.3乙苯催化脱氢工艺流程乙苯氧化脱氢法在乙苯催化脱氢法中加入氧气，从而使得苯乙烯的转化率进一步得到提高。以下是乙苯氧化脱氢法的优点：减少了苯乙烯的剩余量，使未反应的苯乙烯较少的进行再次利用；能够提高装置的生产能力，使得分离部分的能耗降低；能够使能量效率提高，从而降低了各方面的费用，使产生的经济效益远远大于传统工艺【7】。反应流程图如下：图1.4乙苯氧化脱氢工艺流程1.4.2Halcon法Halcon法又称环氧丙烷-苯乙烯联产法，此方法是乙苯为原料和加入的氧气发生反应，再与丙烯发生反应生成环氧丙烷和甲基苄醇。此方法的特点是可以同时生成两种重要有机化工原料，不需要高温加热，成本低，污染少，同时是除了乙苯脱氢法之外，唯一一个可以大规模投入生产的方法，但是工艺复杂，费用高【8】。反应流程图如下：图1.5Halcon法1.4.3热解汽油抽提蒸馏法此方法是原料通过裂解反应从而生成中间产物热解汽油，再将热解汽油抽提蒸馏得到产物苯乙烯。通过此方法的提取，苯乙烯的纯度达到了99.9%。并且此方法有以下三种优点：一是整个过程中苯乙烯可以通过抽提技术进行回收，使得加氢过程中氢气的消耗量降低；二是可以防止苯乙烯发生聚合反应而产生的中毒现象；三是整个工艺的产量得到了提高【9】。1.4.4丁二烯合成法此方法以丁二烯为原料，在固定床反应器中进行的，所使用的催化剂为以负载在γ-沸石上的铜，整个工艺的操作条件为：反应温度为100℃，反应压力为1.8Mpa。其中整个流程中丁二烯具有较高的转化率【10】。通过上述5种方法的比较，可以看出第一种方法即乙苯催化脱氢法，成本低、流程简单、具有较高的经济效益，所以本设计在第一种方法的基础上进行苯乙烯的工艺设计。2苯乙烯的工艺生产2.1工艺方案简介2.1.1反应原理（1）主反应C（2）副反应CCCCC其中苯乙烯纯度为99%，乙苯脱氢转化率为75%，苯乙烯损失量为2%。2.1.2催化剂的选取催化剂选择铁系催化剂，d=3mm，h=13mm。F其中Fe2O3为主cat；Gr22.1.3操作条件反应温度：560~660℃压力：常压，乙苯/水为1：1.3。稀释剂：水蒸气，若整个反应中采用水蒸气作为稀释剂，这样有利于反应的分离，从而提高乙苯的平衡转化率。空速：乙苯液态空速0.6~1.0h-1。图2.1脱氢反应温度变化图（左）转化率与进料比关系图（右）2.2工艺流程2.2.1工艺流程简介本设计在传统的乙苯催化脱氢制苯乙烯方法的基础上，采用三段绝热式反应器来制备苯乙烯，提高苯乙烯的产率，以下是工艺流程的叙述。（1）脱氢反应工段：首先，原料乙苯经过输送泵进入到换热器中与反应器中所得到的物料进行换热，经过换热的乙苯，通过蒸汽过热炉加热到630℃，与此同时，作为稀释剂的水蒸气通过蒸汽过热炉，加热到720℃与加热后的乙苯汇合依次分为三股物料进入到绝热式反应器中。其中反应器采用的是三段绝热式反应器（1），进而使反应更加充分，其中绝热式反应器的每段都是相同的尺寸。反应结束后再进入换热器中与乙苯进行换热，随后进入油水分离器（2）中进行分离，其中油水分离器的顶部排出不凝汽，而废水则从底部排出。分离结束后将所得的物料送至下一工段（精制工段）。（2）精制工段：由精制工段输送来的物料首先进入乙苯-苯乙烯塔（3）进行分离，其中乙苯为轻组分，苯乙烯为重组分，塔顶产品乙苯进入甲苯-乙苯塔（4）进行分离。在甲苯-乙苯塔中，甲苯为轻组分，乙苯为重组分，塔底产品乙苯进行回收利用，而塔顶得到的甲苯进入苯-甲苯塔（5）再次进行分离。在苯-甲苯塔中，苯为轻组分，甲苯为重组分，塔顶和塔底分别得到苯和甲苯，储存在储罐中。最后乙苯-苯乙烯塔塔底产品苯乙烯进入苯乙烯精制塔（6）进行分离，苯乙烯精制塔的塔顶得到最终的产品苯乙烯，塔底则得到副产品焦油，并储存在储罐中。图2.2工艺流程图2.2.2全流程模拟在Aspenplus流程模拟软件中选择乙苯、苯乙烯、甲苯、水等物质的物性参数，再进行主工艺流程图的模拟绘制，其中过热蒸汽炉选择的是Heater模块、脱氢反应器选择RPlug模块、换热器选择的是HeateX模块、塔设备选择的是RadFrac模块、油水分离器选择的是Dcanter模块，剩下的装置都是一些基础模块，模拟结束后，再进行数据的填写，最后进行运行，以下为流程模拟图：图2.3全流程模拟图3工艺计算3.1生产能力的计算乙苯为原料，根据每年有300天的工作日，由于机器是24小时不间断生产，所以每天的工作时间为24小时，即乙苯的处理量为【12】:50×13.2各设备的物料衡算3.2.1脱氢绝热式反应器=1\*GB3①反应器进料乙苯的进料量69444.44kg/h=655.14kmol/h水蒸气的进料量655.14×18=11792.45kmol/h=212264.1kg/h=2\*GB3②反应器出料乙苯反应量655.14×0.75=491.35kmol/h剩余乙苯量655.14×苯乙烯生成量491.5×0.9=442.21kmol/h=45989.84kg/h甲苯生成量491.35×0.03=14.74kmol/h=1356.08kg/h苯生成量491.35×乙烷生成量491.5×0.015=7.37kmol/h=221.10kg/h乙烯生成量491.35×0.04=19.65kmol/h=550.31kg/h甲烷生成量491.35×0.03=14.74kmol/h=235.84kg/h残炭量491.35×0.01=4.91kmol/h=58.96kg/h水蒸汽消耗量491.35×0.005×16=39.3kmol/h=707.5kg/h水蒸气剩余量212264.1−707.5=211556.6kg/h=11753.14kmol/h二氧化碳生成量491.35×0.005×8=19.65kmol/h=864.776kg/h氢气生成量491.35×氢气消耗量491.35×氢气总量1036.74−44.22=992.52kg/h=496.26kmol/h反应器物料衡算见表3.1。表3.1反应器的物料衡算表入口出口流率kg/h占比流率kg/h占比乙苯655.1469444.4424.65%163.7817360.686.17%水11792.45212264.175.35%11753.14211556.675.21%苯乙烯000442.2145989.8416.35%甲苯00014.741356.080.48%苯00027.032107.890.75%乙烷0007.37221.100.079%乙烯00019.65550.310.20%甲烷00014.74235.840.084%氢气000496.26992.520.35%二氧化碳00019.65864.7760.31%残炭0004.9158.960.021%总计124475.9281708.54100%12963.48281294.596100%3.2.2油水分离器油水分离器出料组成乙苯17360.68−27.48=17333.19kg/h=163.52kmol/h苯乙烯45989.84−72.81=45917.03kg/h=441.5kmol/h甲苯1356.08−2.147=1353.93kg/h=14.71kmol/h苯2107.89−3.33=2104.55kg/h=26.98kmol/h表3.2油水分离器出料组成kmol/hkg/h%(Wt)乙苯163.5217333.1925.98%苯乙烯441.5145917.0368.83%甲苯14.711353.932.03%苯26.982104.553.15%总计646.7266708.7100%3.2.3乙苯—苯乙烯精馏塔为了防止苯乙烯发生聚合反应，在进行反应时需要加入阻聚剂，其中阻聚剂为有机混合物的0.03%【13】。加入阻聚剂量66708.7×0.0003=20.01kg/h=0.109kmol/h表3.3乙苯-苯乙烯塔进料组成乙苯苯乙烯甲苯苯阻聚剂总计kmol/h163.52441.5114.7126.980.109646.82%（mol）25.28%68.26%2.28%4.17%0.017%100%D=163.52×表3.4乙苯-苯乙烯塔塔顶产品组成乙苯苯乙烯甲苯苯总计kmol/h163.520.6114.7126.98205.82%（mol）79.20%0.53%7.15%13.10%100%则塔顶为W=F−D=646.82−205.82=441.01kmol/h表3.5乙苯-苯乙烯塔塔底产品组成乙苯苯乙烯阻聚剂总计kmol/h0.35441.510.109441.9%（mol）0.11%99.87%0.025%100%3.2.4甲苯-乙苯精馏塔进料F=206.16kmol/h塔顶D=14.74×(1−0.004)+163.78×0.001+27.03=41.87kmol/h表3.6甲苯-乙苯塔塔顶产品组成乙苯甲苯苯总计kmol/h0.114.7126.9841.87%（mol）0.39%35.11%64.53%100%塔底W=F−D=206.16−41.87=164.29kmol/h表3.7甲苯-乙苯塔塔底产品组成乙苯苯乙烯总计kmol/h163.520.77164.29%（mol）99.5%0.5%100%3.2.5苯-甲苯精馏塔进料F=41.87kmol/h塔顶D=26.98×(1−0.002)+14.71×0.005=26.99kmol/h表3.8苯-甲苯塔塔顶产品组成苯甲苯总计kmol/h26.980.0126.99%（mol）99.72%0.27%100%塔底W=F−D=41.87−26.99=14.88kmol/h表3.9苯-甲苯塔塔底产品组成乙苯甲苯苯总计kmol/h0.114.710.0714.88%（mol）1.10%98.65%0.37%100%3.2.6苯乙烯精馏塔进料F=441.9kmol/h塔顶D=0.20+441.51×0.95=419.63kmol/h表3.10苯乙烯塔塔顶产品组成乙苯苯乙烯总计kmol/h0.35419.28419.63%（mol）0.12%99.88%100%若苯乙烯得质量分数为Wt=99.88%>99%【14】。苯乙烯的最终产量为419.63×(1−0.02)=411.23kmol/h3.3热量衡算热量衡算与物料衡算的计算基准是类似的，其中应该注意的是传热面积要以1小时为基准，下面我们将根据以下公式进行热量衡算Q其中Q1表示的是进料的总热量，Q2表示的是加热或冷却的传递热量，Q3表示放热或吸热的热效率，Q4表示反应器出料热，若要计算以上Q值，则需利用以下公式计算：Q=∈QQQ相比之下Q6Q=∈A×α其中A=104.926，α=11QQ其中QqQQG=4设备设计与选型4.1脱氢反应器的设计4.1.1设计依据在整个工艺流程中，反应器作为核心设备，在进行反应器的设计过程中我们要遵守“安全、合理、经济、先进”这些原则。由于一个生产工艺的成功与否与反应器有极大的关系，因此反应器的选型与设计应更加细心，精确，不容错误，而在进行选型与设计之前，反应器应该满足以下条件：反应器的结构完整，反应器材料符合腐蚀要求，反应器使得转化率进一步提高，并使整个过程的副反应减少，反应器的温度，压力以及传热能力要符合指标等【15】。4.1.2设计条件（1）反应器类型由于乙苯催化脱氢生成苯乙烯为强吸热反应，则选用三段绝热式反应器，对于多段绝热式反应器来说，三段式中苯乙烯的单程转化率比一段式、二段式要高大概10%，苯乙烯的选择性达到了96.5%，从而使整个装置的能耗得以降低。（2）催化剂通过文献查阅，最终选择以氧化铁作为催化剂。（3）温度在保证高的选择性条件下，本设计选择的是500-660℃作为反应温度。反应器出口物料温度为591℃，但经换热器换热后，物料温度降低到125℃。4.1.2Aspen模拟结果（1）R1反应器图4.1第一段反应器物料结果（2）R2反应器图4.2第二段反应器物料结果（3）R3反应器图4.3第三段反应器物料结果4.1.3设备装配图通过CAD制图软件，绘画出该工艺所用到的三段式绝热反应器的设备装配图，见附录。4.2换热器的设计4.2.1设计依据换热器作为在化工、石油、食品等行业中经常使用到的装置，它起着基础作用，而且是工业生产中的常用设备。然而随着全球处于能源紧张的状况下，换热器作为一种节能技术，同样发挥着巨大作用，它不仅可以使整个工艺流程中的能耗降低，而且还可以回收工艺生产中的工业余热，使该工艺的热效率提高【16】。4.2.2设计条件（1）热负荷Q=式中Cp-流体的平均比热容，t-冷流体的温度，℃。Q=2674335184.6KJ（2）对数平均温差∆式中∆t2∆查得∆φ=0.89所以∆故S=4.2.2Aspen模拟以下是通过Aspenplus软件进行模拟，所得出的换热器的各项数据：图4.4换热器物料结果图4.5换热器热结果4.2.3设备装配图通过CAD制图软件，绘画出该工艺所用到的列管式换热器的设备装配图，见附录。4.3精馏塔的设计4.3.1设计依据塔设备作为化工、石油化工等工艺过程中的重要设备，它的存在可以使得气液或液液两相进而接触，从而达到传热和传质的目的。总所周知，塔设备中可以进行的操作有：精馏、吸收等。而在设备选型与设计中要根据具体的操作条件来决定塔的回流比、塔板数等数据【17】。4.3.1设计计算通过前期的计算可知D=205.82kmol/h，F=646.82kmol/h，因此设计计算如下：（1）塔板数图4.6理论塔板数因为由图可以看出yq=0.667和RLVLV精馏段操作线方程为y=提馏段操作线方程为y最终经过计算得出该塔的理论板数为78，进料板为34。（2）塔径精馏段的气、液相体积流率为VLυmax=CL若取HT=0.40m，则HL=0.060m，C=vUD=则最终计算结果为D=1.2mAvZZZ（4）溢流装置首先可以根据以下公式计算出Lhhh则hL=60mm再进行Wd和A因为l根据文献查阅得【18】AfA所以Af=0.0567m又因为停留时间θ=3600AfH由于μ01=0.08m/shh塔板布置WA由于χ=得出r=A取δ=3mm,d=5mm,则t=3n=φ=0.907υ（5）塔板压降ℎ由于d得出ℎ又因为ℎ1=βℎL，其中β=0.61【19】所以ℎℎℎ最终压降为Δ（6）液沫夹带、漏液、液泛情况eℎ所以eυ其中υ0=11.56m/sH其中ϕ=0.5，则ϕ（而HℎHH通过计算最终可知液沫夹带、漏液、液泛情况都不会出现。4.3.2Aspenplus软件模拟由于本设计以乙苯-苯乙烯塔为例，因此以下是该塔Aspenplus的模拟结果：图4.7乙苯-苯乙烯塔模拟结果4.3.3设备装配图通过CAD制图软件，绘画出该工艺所用到的板式精馏塔的设备装配图，见附录。5典型设备选型一览表及主要公用工程5.1典型设备选型一览表通过前文的叙述、计算与设计，我们最终可以得出典型设备的选型表。表5.1典型设备选型一览表5.2主要公用工程公用工程主要包括供电系统，蒸汽系统、冷却系统、空气压缩系统，污水处理系统等由于本设计中所涉及到的反应为强吸热反应，采用的是蒸汽过热炉来加热蒸汽，但只有通过整个工艺生产才能得出蒸汽的操作条件以及用量。并且在供电系统中，要使用专用电力网中的电力才能进行供电，不管是供电系统、蒸汽系统、冷却系统都必须使用连续供应的方式【20】。公用工程数据如下表：表5.2主要公用工程

结论1、本设计介绍了年产50万吨苯乙烯的工艺生产，得出苯乙烯作为一种精细化工产品以及有机化工原料，具有较好的经济效应，市场前景以及发展前景都极其宽广。2、本设计对国内外生产苯乙烯的方法进行了比较，最终采用了乙苯催化脱氢法制备苯乙烯，工艺流程主要是由两个工段组成：脱氢反应工段和精制工段。以乙苯为原料，其中稀释剂为水蒸气，通过绝热式反应器发生脱氢反应，再经过油水分离器，进入精制工段收集苯乙烯，其中精制工段所得的乙苯还可以循环回收利用。总的来说，整个工艺流程不仅提高了乙苯的转化率还增加了苯乙烯的产率。3、本设计的操作条件为温度560~660℃，压力：常压，乙苯/水为1：1.3，稀释剂采用水蒸气，空速为0.6-1.0h-1，催化剂选择铁系催化剂。在整个工艺过程中，温度高和压力底都有利于反应的进行。其中反应器选用三段绝热式反应器，对于多段绝热式反应器来说，三段式中苯乙烯的单程转化率比一段式、二段式要高大概10%，苯乙烯的选择性达到了96.5%，从而使整个装置的能耗得以降低。精馏塔采用的是板式精馏塔，并得出了精馏塔合理的回流比、进料板和理论塔板数。4、本设计利用了Aspenplus模拟软件，通过严格且精准的计算方法和模型，对装置内各工艺参数的相互关系有了深入的了解，并得到了较为适宜的工艺参数。建立了苯乙烯生产工艺的全流程模拟模型，并对整个工艺流程进行了物料衡算。在化工设计中运用模拟软件省时省力，减少了在实验室进行模拟所带来的损失，通过将软件模拟的结果与初步计算的结果进行比较，可以得出该工艺是可以投入生产的。

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