化工過程開發(fā)設計

1、 題 目： 年產10萬噸苯乙烯工藝設計學 院： 化學化工學院 姓 名： 吳若舒 班 級： 14應化二班學 號：目 錄摘要3引言61 概述61.1 原料與產品概述61.1.1 原料概述61.1.2 產品概述61.1.3 產品用途62 苯乙烯的市場分析62.1 世界市場分析62.2 國內市場分析及發(fā)展趨勢73 苯乙烯生產工藝流程73.1 苯乙烯主要生產工藝73.2 苯乙烯生產工藝流程的選擇73.3 生產工藝流程簡圖83.4 工藝流程的敘述84 設計任務書95 工藝計算95.1 物料衡算95.2 能量衡算135.3 主要設備選型16 5.3.1 苯乙烯精餾塔操作條件16 5

2、.3.2 理論板數(shù)的計算17 5.3.3進料板位置的確定17 5.3.4 塔徑及塔高的計算18 5.3.5塔板主要工藝尺寸的計算20 5.3.6冷凝器的設計216 生產事故預防及發(fā)展建議226.1 生產事故預防226.2 發(fā)展建議23 年產10萬噸苯乙烯工藝設計摘要：以年產10萬噸苯乙烯為生產目標，采用乙苯脫氫制得苯乙烯的工藝方法，對整個工段進行工藝設計和設備選型。設計對整個工藝流程進行了物料衡算，熱量衡算，對設備理論上進行了尺寸計算及選擇，使設備滿足設計要求，達到所需要的工藝條件。設計還附帶一張帶控制點的工藝流程圖和一張化工設備圖。關鍵詞：苯乙烯；乙苯脫氫；工藝計算；乙苯苯乙烯精餾引 言苯乙

3、烯最早發(fā)現(xiàn)于蘇合香脂，是一種天然香料。直到19世紀三四十年代才被應用于工業(yè)生產，是由法本公司和陶瓷化學公司采用乙苯脫氫法進行小規(guī)模生產。但由于精餾技術未有大的發(fā)展而得到限制。直到道化學公司和BASF公司才在精餾技術上有突破，得到高純度苯乙烯單體并聚合生成穩(wěn)定、透明、無色塑料。第二次世界大戰(zhàn)過后，不僅是苯乙烯產量快速上升，而且也出現(xiàn)了一些新的生產技術，先后有美國的乙苯共氧化法和日本的裂解汽油抽提法，之后實現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)生產。近年來我國在建筑材料、家庭電器、汽車行業(yè)等方面取得飛快的發(fā)展，這無疑刺激了苯乙烯類樹脂的消費水平，我國苯乙烯行業(yè)都是處于供求不足的狀態(tài)，每年都需要依靠世界市場來滿足國內市場

4、的需求。因此必然導致國內苯乙烯的價格上升。70多年來，不斷提高苯乙烯的生產技術水平，成熟于五六十年代的工藝，后期又由于受市場上能源、原料價格及國家綠色環(huán)保政策等因素的影響，使得苯乙烯的生產做到低耗能、原料的重復利用以及對工業(yè)上的“三廢”優(yōu)化處理，逐漸取代了傳統(tǒng)的工藝，使得苯乙烯的生產技術水平得到進一步提高，更能跟得上時代的發(fā)展腳步。本文主要根據生產設計任務書進行物料衡算和能量衡算以及對設備理論上進行了尺寸計算及選擇，使設備滿足設計要求，達到所需要的工藝條件，同時分析了國內外苯乙烯的生產和供需情況，并對生產苯乙烯過程中所發(fā)生的危險事故的發(fā)生及工藝上的問題作了介紹，提出了一些對未來市場上有用的生產

5、新技術。結合實際生產與事故，對苯乙烯生產中存在的一些危險進行了預防。不斷的在生產設備規(guī)模和新的技術水平上提高，能夠做到苯乙烯從產量及質量達到新的高度，讓我國苯乙烯市場具有高的競爭力。設計過程中涉及到有機、化工原理以及化工分離工程、化工熱力學等多門學科的知識。通過本次設計讓我更清晰的掌握了這些學科的一些基本知識，更加鞏固了曾經在課堂上所學的。1 概述1.1 原料與產品概述1.1.1 原料概述乙苯分子式為C6H5C2H5 ，相對分子質量為106，是生產苯乙烯的中間體，無色有芳香氣味，熔點（）：-94.9 ，沸點（）：136.2，易燃具有毒性。原料中乙苯：>99.95%（w%）1.1

6、.2 產品概述苯乙烯（SM）是通過苯取代乙烯分子上的一個氫原子所形成的具有無色、有特殊香氣的油狀有機化合物。分子式C8H10，相對分子量104。苯環(huán)可與乙烯基形成共軛電子對，其不溶于水，溶于乙醇、乙醚等有機溶劑中；有毒，在空氣中允許濃度為0.1mg/L。該物質會對地表水、土壤、大氣和飲用水造成污染，甚至造成水體污染，嚴重影響水下生物的生存和人的生活健康。由于其具有強的揮發(fā)性和易被光解，故在儲存時切不可暴露的大氣中，但其也可以被一些微生物降解，即能被特異的菌叢所破壞，亦能被空氣中的氧所氧化成苯甲醚、甲醛及少量苯乙醇，且易燃，遇明火、強氧化劑有引起燃燒爆炸的危險，其氣體形態(tài)與空氣能形成爆炸性混合物

7、，爆炸極限1.1%6.1%（氣體體積分數(shù)）。1.1.3 產品用途苯乙烯主要用來生產生活中所熟知的各種家電、包裝材料、建筑材料以及一些高性能的樹脂和彈性體的原料。其中苯乙烯需求量最大的當屬聚苯乙烯（PS），聚苯乙烯又包括通用聚苯乙烯（GPPS）、高抗聚苯乙烯（HIPS）、可發(fā)性聚苯乙烯（EPS）。生產的其他的材料有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹脂（ABS）、苯乙烯-丙烯腈樹脂（SAN）、不飽和聚酯樹脂（UPR）、丁二烯-苯乙烯橡膠（SBR）以及丁二烯苯乙烯乳液等。這些產品廣泛應用于工業(yè)裝飾、照明指示、電絕緣材料以及光學儀器零件、透明模型、玩具、日用品、汽車制造、家用電器、造紙、紡織、制鞋等工業(yè)部門。不

8、僅如此，它還可作為醫(yī)藥、農藥、染料及選礦劑的中間體，用途十分廣泛。2 苯乙烯市場分析2.1 世界市場分析世界苯乙烯產能主要分布在北美、西歐及東北亞地區(qū)。世界苯乙烯產能穩(wěn)步增長，2002-2012年年均增長3.3%，2012年底世界總產能約3260萬t/年。2012年世界苯乙烯消費量達到2735萬噸，2012年的產量年均增長2.1%，2012年總產量約2760萬噸，2012-2017年均增速3.5% ，未來世界苯乙烯的消費將保持增長，2017年達到3250萬噸。目前為止世界上生產的苯乙烯已供過于求，世界苯乙烯的生產都將趨于緩和。2.2 國內市場分析及發(fā)展趨勢中國苯乙烯產能增長迅速，2002-20

9、12年的年均增長率達到13%；2013年，中國苯乙烯擬在建項目的產能約為340萬噸/年； 2012年中國苯乙烯表觀消費量達到800萬噸，同比增長4.8%；中國聚苯乙烯產能增長迅速，2012年的年均增長率達到13%；中國ABS樹脂生產能力較快增長，2002-2012年的年均增長率達到14%；幾年來中國苯乙烯缺口較大，自給率逐年提升2010年自給率首次超過50%，2012年已超過55% 2017年中國苯乙烯缺口仍較大，預計將保持在目前水平。全球苯乙烯的生產能力已經出現(xiàn)了過剩的態(tài)勢，在亞洲當中中國所占有的苯乙烯消費比例不斷增加，這樣我國就需要從世界市場滿足需求。雖然目前我國苯乙烯的生產還有很大的進步

10、空間，但隨著我國各個行業(yè)的發(fā)展迅速就會導致苯乙烯的需求量增加，這樣就會刺激生產苯乙烯的各個企業(yè)之間的競爭，將使得這些企業(yè)不斷擴大生產，帶動了苯乙烯生產設備的投資快速增長。又由于聚苯乙烯和ABS樹脂等苯乙烯的產品保持增長的態(tài)勢。苯乙烯需求增大就要擴大規(guī)模來生產，帶動周圍國家和企業(yè)去挑戰(zhàn)機遇。這樣一定程度上能夠緩和苯乙烯生產能力。因此，國內苯乙烯市場發(fā)展?jié)摿^大。3 苯乙烯生產工藝流程3.1 苯乙烯主要生產工藝目前，工廠規(guī)?；a苯乙烯工藝路線3：乙苯催化脫氫、環(huán)氧丙烷聯(lián)產、裂解汽油抽提三種方法。其中工藝路線生產苯乙烯乙苯脫氫占79%，裂解汽油抽提法占2%，環(huán)氧丙烷聯(lián)產法占19%。雖然環(huán)氧丙烷聯(lián)產

11、法生產不僅有苯乙烯產品，還有環(huán)氧丙烷，但其工藝流程復雜且又長，在設備上就有大量的投資，流程長又易造成能源耗損大，而裂解汽油抽提在原料方面獲得較困難。相比之下乙苯脫氫目前更具有優(yōu)勢，目前我國大概有90%的采用此工藝方法。其中乙苯催化脫氫法又可分為（1）多管等溫脫氫工藝；（2）絕熱催化脫氫工藝。3.2 苯乙烯生產工藝流程的選擇在工藝流程的選擇上要遵從“技術上先進和經濟上合理”的原則來考慮問題，絕熱催化脫氫所用反應器結構簡單且裝置費用可觀，也有很強的生產力。而多管等溫脫氫流程較復雜且等溫條件難控制。在絕熱反應器中單段反應器生產能力還行，但由于其低的轉化率和選擇性且高能耗，不滿足技術先進和經濟合理。采

12、用兩段反應器很好解決以上缺點而應用。故采用的工藝為兩段絕熱催化脫氫。3.3 生產工藝流程圖反應器 甲苯/乙苯塔苯甲苯苯乙烯苯/甲苯塔苯乙烯精餾塔循環(huán)乙苯冷凝器圖3-1 工藝流程簡圖尾氣乙苯水預熱器壓縮機分離器3.4 工藝流程的敘述反應過程主要反應：C6H5C2H5  C6H5CHCH2+H2  (3-1)生成苯乙烯和氫氣，反應的選擇性為95%轉化率為60%；發(fā)生的副反應有：C6H5C2H5  C6H6 +C2H4           

13、  (3-2)C6H5C2H5 + H2  C6H5CH3 + CH4         (3-3) 兩反應的選擇性分別為1%、3%，反應過程中產生苯、甲苯、乙烯和甲烷。苯乙烯生產工藝設計過程分為催化脫氫和精餾分離階段。首先原料乙苯通過加熱變成乙苯蒸氣與水產生的水蒸汽在有催化劑的反應器中反應之后進入冷卻器和分離器，氣體則通過收集處理或直接排放，分離出的液體產物則進入甲苯/乙苯塔進行初步分離，塔頂?shù)玫郊妆胶捅剑M入苯/甲苯塔進行精餾富集苯和甲苯，塔底得到乙苯和苯乙烯進入到苯乙烯精餾塔進一步分離，分離得到塔頂出

14、產品苯乙烯，塔底分離得到乙苯則進入循環(huán)乙苯重新利用。4 設計任務書原料：99.95%( W% )的乙苯，視為純物質。產品：苯乙烯：>99.7%（W%）生產量為：11111kg/h的苯乙烯生產。開工時間為7200小時甲苯/乙苯塔：常壓操作，塔頂乙苯<0.4%，塔底甲苯<0.5%（W%）苯乙烯精餾塔：常壓操作，塔頂苯乙烯<0.65%，塔底乙苯<0.45%（W%）。操作壓力為101kPa，泡點進料q=1，單板壓降0.7kPa；全塔效率。苯/甲苯塔：常壓操作，塔頂甲苯<0.3%，苯<0.2%（W%）。冷凝器：水進口溫度為293K，出口溫度323K，t=30K。

15、5 工藝計算5.1 物料衡算物料衡算的理論依據是質量守恒定律，即進入的物料與流出的物料平衡沒有積累量。質量守恒定律可用下式表示：G進=G出+G損+G積式中： G進進入的總物料量； G出輸出的總物料量； G損總的損失量；G積系統(tǒng)中積累量。（1） 反應器的物料衡算：乙苯脫氫反應方程式為：主反應 C6H5C2H5   C6H5CHCH2 + H2       (1)副反應  C6H5C2H5  C6H6 +C2H4      

16、60;       (2)C6H5C2H5 + H2  C6H5CH3 + CH4          (3)物料衡算相關技術條件：(1)式選擇性為95%，其轉化率為60%；(2)、(3)選擇性分別為1%、3%。 苯乙烯年產8萬噸。為了充分利用設備，要合理控制生產時間，盡量盡可能多的生產時間，同時又要慮到設備的維修和生產調試以及保養(yǎng)等情況。因此除去這些時間65天，則真正生產的時間為300天?？芍颗系纳a能力為：，投入乙苯量為：20000kg/h

17、。反應器出料為：則剩余的乙苯：反應器進出料組成：表5-1 反應器進出口組成進料組成kg/h出料組成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氫氣215.094甲烷90.566合計20000合計20000（2）冷凝器的物料衡算冷凝器進出口組成：表5-2 進料組成為組分乙苯苯乙烯甲苯苯乙烯氫氣甲烷合計kg/h7788.67911184.906520.755147.1752.83215.09490.56620000冷凝器頂口出料氣體為：乙烯52.83kg/h、氫氣215.094kg/h、甲烷90.566kg/h，冷凝器底物料組成：

18、表5-3 冷凝器底物料組成為組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/乙苯塔塔頂：乙苯<0.4%；塔底甲苯<0.5%。在甲苯/乙苯塔中其進料組成及平均操作條件下各組分對關鍵組分的相對揮發(fā)度如下表：表5-4組分苯甲苯乙苯苯乙烯合計kg/h147.17520.7557788.67911184.90619641.51相對揮發(fā)度5.722.2610.62對于精餾塔的物料衡算本設計采用清晰分割7，即若兩關鍵組分的揮發(fā)度差異較大，且兩者為相鄰組分，此時可認為比重關鍵組分還重的組分全部在塔底產品中，比輕關鍵組分還輕的

19、組分全部在塔頂產品中。塔頂： 塔底： 甲苯/乙苯塔物料衡算表如下：表5-5 甲苯/乙苯塔塔頂塔底組成組分苯甲苯乙苯苯乙烯塔頂組成kg/h147.17518.15131.1550塔底組成kg/h02.6047757.52411184.906總計：（4）苯/甲苯塔的物料衡算苯/甲苯塔：甲苯<0.3%；苯<0.2%。苯/甲苯塔進料組成： 進料量總計m=147.17+518.151+31.155=696.476塔頂： 塔底： 全塔出口總計m=146.876+1.554+31.155+0.294+516.597=696.476（5）苯乙烯精餾塔的物料衡算苯乙烯精餾塔：塔頂苯乙烯<0.6

20、5%；乙苯<0.45%。苯乙烯精餾塔進料組成為：苯乙烯11184.906kg/h、乙苯7757.524kg/h、甲苯2.604kg/h，進料總物料量m=18945.034kg/h。塔頂： 塔底： 全塔出口總物料量為：m=7722.615+2.604+72.702+11112.204+34.909=18945.034表5-6 苯乙烯精餾塔物料衡算進料組成kg/h出料組成kg/h苯乙烯11184.906（塔頂）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總計18945.03418945.034（6

21、）全程物料衡算反應總投入物料量反應后經冷凝器、分離塔分離出的各物料量為：乙烯、氫氣、甲烷流量分別為：52.83kg/h、215.094kg/h、90.566kg/h，輸出物料總流量： 5.2 能量衡算由于反應過后反應液的溫度較高需要降低溫度后再進行精餾分離，所以反應液需得進入冷凝器進行冷凝。即將反應液溫度由500降到100，其流量為20000kg/h。冷卻介質采用20，選擇冷卻水的溫升為30，則出口溫度，定性溫度下 kJ/(kg·)（1）對冷凝器的熱量衡算：表5-7 各物系的平均比熱容組分苯乙苯苯乙烯甲苯乙烯甲烷氫氣水比熱容/（）1.7071.7171.731.701.221.77.

22、2434.1878 (5-1)則冷凝器進料口的熱量： 冷凝器出料口的熱量： 所以熱負荷 冷卻水用量：（2）對甲苯/乙苯塔的熱量衡算：進料溫度為100塔頂出口溫度89，塔底出口溫度為105。塔的進料熱量如下表：表5-8 甲苯/乙苯塔進料熱量 塔頂輸出熱量： 塔底輸出熱量： 所以再沸器的熱負荷為：（3）苯/甲苯塔的熱量衡算塔進料液為89，塔頂出料平均溫度設為85塔底平均溫度為102。 進料熱量如下： 塔頂輸出熱量： 塔底輸出熱量： 熱負荷為表5-9 苯/甲苯塔熱量衡算表進料熱量kJ/h出料熱量kJ/h（塔頂） （塔底） 熱負荷合計合計（4）苯乙烯精餾塔的熱量衡算塔進料熱量：表5-10 苯乙烯精餾塔

23、進料熱量組分苯乙烯乙苯甲苯合計熱量（kJ/h）塔頂： 塔底： 熱負荷：表5-11 苯乙烯精餾塔出料熱量進料組分熱量kJ/h出料組分熱量kJ/h苯乙烯（塔頂）乙苯 乙苯 甲苯甲苯 苯乙烯（塔底）乙苯苯乙烯熱負荷總計總計5.3 主要設備選型5.3.1 苯乙烯精餾塔操作條件苯乙烯精餾塔進料組成為：苯乙烯11184.906kg/h、乙苯7757.524kg/h、甲苯2.604kg/h。操作壓力為101kPa，泡點進料q=1，單板壓降0.7kPa；全塔效率， ，由于塔中甲苯量很少因此可以忽略不計。平衡方程為： (5-2)塔頂： 塔底： 因為泡點進料： (5-3)所以取5.3.2 理論板數(shù)計算在精餾塔的設

24、計型計算中，為了進行技術經濟分析，確定適宜回流比可采用吉利蘭圖進行簡捷計算。根據芬斯克方程： (5-4)則已知 (5-5)得： 即 ，求得實際塔板數(shù)（不含再沸器）故實際塔板數(shù)取整N=535.3.3 進料板位置的確定 ，即從塔頂往下第14塊板為進料板。操作壓力： 塔頂操作壓力塔底操作壓力進料操作壓力飽和蒸汽壓計算公式(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 依據操作壓力，由泡點方程透過試差法計算出泡點溫度，其中乙苯、甲苯的飽和蒸氣壓由安托尼方程計算。計算結果如下

25、：塔頂溫度進料板溫度塔底溫度5.3.4 塔徑及塔高的計算平均溫度：()精餾段平均壓力因為則精餾塔的液氣相負荷：塔頂平均摩爾質量：有，由平衡方程可得，則進料板平均摩爾質量：有，可得，則精餾段平均摩爾質量：為便于計算塔頂以乙苯為主且101kPa，89時，。 其中C20有化工原理中的史密斯關聯(lián)圖查得，圖的橫坐標為選塔板間距HT=0.40m，查圖得C20=0.0825 m/s，則相負荷因子為：泛點氣速為：取安全系數(shù)為0.7，則氣速取實際塔徑D為2m塔高：精餾段的有效高度：提餾段的有效高度：安裝2個人孔，孔徑600mm，則塔的有效高度：裙座取1m，塔釜1m，第一塊板到塔頂取1.0m，板間距HT=0.4m

26、，所以塔高： 5.3.5 塔板主要工藝尺寸的計算（1）溢流裝置計算因塔徑為D=2m，可選單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下：堰長取=0.66D=0.66×2=1.32(m)溢流堰高度取選用平直堰，堰上液層高度由下式計算即， (5-6)近似取E=1，則取板上清液層高度：=80mm 故 =0.08-0.0234=0.0566(m)弓形降液管寬度和截面積：由 依下式驗算液體在降液管中提留時間，即>5s故降液管設計合理。降液管底隙高度h0： (5-7)取 則 ，故合理的設計降液管底隙高度。選用凹形受液盤，深度為（2）塔板布置塔板的分塊因D800mm，故塔板采用分塊式。查表得

27、塔板分為5塊。邊緣區(qū)寬度確定取。開孔區(qū)面積計算，開孔區(qū)面積Aa按下式計算，即 (5-8)其中： 故 （3）篩孔計算及其排列選用正三角形排列的碳鋼板，篩孔取直徑d=5mm。孔中心距t為：t=3d=3×5=15(mm)篩孔數(shù)目n為：(個)開孔率為： 5.3.6 冷凝器的設計本冷凝器設計是通過在原有工藝條件確定換熱面積，冷凝器可分為水冷式，空氣冷卻式和蒸發(fā)式三種，而所采用的為水冷式。假設熱損失可忽略，則由能量守恒可得放熱量與流體吸熱量數(shù)值相等。設進口水溫為293K，出口水溫323K，溫度變化t=30K。熱負荷Q為： (5-9)式中 -流體的平均比熱容kJ/(kg·)； t冷流體的

28、溫度，。kJ/(kg·) 冷卻水用量： 設計任務的熱流體為反應過后的混合液，冷流體為水，為了使混合液通過殼壁面向空氣中散熱，提高冷卻效果，令混合液走殼程，水走管程。管殼式換熱器的對數(shù)平均溫度按逆流計算，則 查得，取K=470W/（m2·），所以故選用JB/T 4715-92，列管公稱直徑450mm；管心距為25mm；管程數(shù)為2；管子總根數(shù)為126個；中心排管數(shù)為12個；管程流通面積為0.0198m2；列管長度4500mm，實際換熱面積43.5m2，需要1個這樣的換熱器。6 生產中事故預防及發(fā)展建議6.1 生產中事故預防（1）苯乙烯生產過程的物料 苯乙烯生產過程中涉及到的物料乙苯、苯乙烯、多