乙苯脫氫制苯乙烯脫氫工段工藝設(shè)計(jì)

1、乙苯脫氫制苯乙烯脫氫工段工藝設(shè)計(jì) 摘 要 本設(shè)計(jì)是以年產(chǎn)5萬(wàn)噸苯乙烯為生產(chǎn)目標(biāo)，采用乙苯脫氫制得苯乙烯的工藝方法，本文針對(duì)設(shè)計(jì)要求對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行物料衡算，熱量衡算，對(duì)整個(gè)工段進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型。然后根據(jù)物料平衡分別對(duì)進(jìn)出脫氫反應(yīng)器和氣提塔進(jìn)行物料衡算。根據(jù)熱力學(xué)定律對(duì)工藝中的第一預(yù)熱器第二預(yù)熱器，熱交換器和反應(yīng)器進(jìn)行了能量衡算。對(duì)油水分離器，物料泵，熱交換器理論上進(jìn)行了尺寸計(jì)算及選擇。為滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到所需要的工藝條件，本設(shè)計(jì)本著理論聯(lián)系實(shí)際的精神，用現(xiàn)行的乙苯脫氫制取苯乙烯的方法為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，主要對(duì)乙苯脫氫工段進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化。關(guān)鍵詞： 乙苯 脫氫 苯乙烯 物料衡算 能量衡算 工藝

2、 ABSTRACTThe design is based on an annual output of 50,000 tons of styrene production target of dehydrogenationof ethylbenzene to styrene process,Processfor the whole process design and the main equipment selection.Based on the design requirements of the entire process of the material balance and en

3、ergy balance.According to the material balance were circulating oil-water separator,material pumps,heateexchangers and dreacters.According to the laws of thermodynamics the energy balance of the process preheater preheaters,heat exchangers and dreactor operator.As far as possible to meet the design

4、requirements to achieve the required conditions.Key word：ethylbenzene; styrene; material balance; energy balance; distillation; 第一章 文獻(xiàn)綜述1.1 苯乙烯的性質(zhì)及用途1.1.1苯乙烯的性質(zhì) 苯乙烯的分子式為C8H8分子量為104.14，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：CH=CH2CH=CH2 或者 苯乙烯又名乙烯基苯，系無(wú)色至黃色的油狀液體。具有高折射性和特殊芳香氣味。熔點(diǎn)-30.6。C，沸點(diǎn)為1450C，凝固點(diǎn) 30.40C，相對(duì)密度（水的為1）0.91，閃點(diǎn)34.4oC。性質(zhì)

5、比較穩(wěn)定，不可與陽(yáng)光接觸，難溶于水，能溶于甲醇、乙酸及乙醚等醇醚等多數(shù)有機(jī)溶劑。 苯乙烯在高溫下容易裂解和燃燒，生成苯、甲苯、甲烷、乙烷、碳、一氧化碳、二氧化碳和氫氣等。苯乙烯蒸氣與空氣能形成爆炸混合物，其爆炸范圍為11601。 苯乙烯具有乙烯基烯烴的性質(zhì)，反應(yīng)性能極強(qiáng)，如氧化、還原、氯化等反應(yīng)均可進(jìn)行，并能與鹵化氫發(fā)生加成反應(yīng)。苯乙烯暴露于空氣中，易被氧化成醛、酮類。苯乙烯易自聚生成聚苯乙烯（PS）樹(shù)脂。也易與其他含雙鍵的不飽和化合物共聚1,2。1.1.2苯乙烯的用途 苯乙烯是一種重要的基本有機(jī)化工原料，主要用于生產(chǎn)聚苯乙烯和共聚樹(shù)脂、離子交換樹(shù)脂不飽和聚酯以及苯乙烯系熱塑性彈性體SBS等和

6、其他樹(shù)脂的生產(chǎn)，此外還可用于紡織，制藥和涂料，農(nóng)藥及選礦等工業(yè)。其應(yīng)用廣泛，本設(shè)計(jì)采用乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯，具有較好的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 苯乙烯最大用途是生產(chǎn)聚苯乙烯，另外苯乙烯與丁二烯、丙烯腈共聚，其共聚物可用以生產(chǎn) ABS工程塑料；與丙烯腈共聚可得AS樹(shù)脂；與丁二烯共聚可生成丁苯乳膠或合成丁苯橡膠。此外，苯乙烯還廣泛被用于制藥、涂料、紡織等工業(yè)1,2。1.2苯乙烯生產(chǎn)方法1.2.1 常見(jiàn)的生產(chǎn)方法 目前，世界上工業(yè)生產(chǎn)苯乙烯的方法除傳統(tǒng)乙苯脫氫的方法外，出現(xiàn)了乙苯和丙烯共氧化聯(lián)產(chǎn)苯乙烯和環(huán)氧丙烷工藝、乙苯氣相脫氫工藝等新的工業(yè)生產(chǎn)路線，同時(shí)積極探索以甲苯和裂解汽油等新的原料路線。迄今工業(yè)上

7、乙苯直接脫氫法生產(chǎn)的苯乙烯占世界總生產(chǎn)能力的 90，仍然是目前生產(chǎn)苯乙烯的主要方法。它又包括乙苯催化脫氫和乙苯氧化脫氫兩種生產(chǎn)工藝，乙苯催化脫氫是工業(yè)上生產(chǎn)苯乙烯的傳統(tǒng)工藝3,4。 工業(yè)上,乙苯脫氫反應(yīng)除采用低壓或負(fù)壓外,還采用惰性氣體作稀釋劑來(lái)降低烴的分壓,以提高平衡轉(zhuǎn)化率。常用的稀積劑是水蒸氣,它不僅提高了乙苯脫氫反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率,還可消除催化劑表面的碳。有時(shí)也用作載熱體,供給乙苯脫氫所需的熱量。脫氫反應(yīng)器是乙苯脫氫工藝的核心,整個(gè)工藝是圍繞它來(lái)展開(kāi)的.1.2.2 乙苯脫氫制苯乙烯的工藝原理以乙苯為原料，按1:31:8水比加入過(guò)熱水蒸汽，在軸徑向反應(yīng)器內(nèi)，高溫、負(fù)壓條件下，催化劑床層進(jìn)行乙

8、苯脫氫反應(yīng)，生成苯乙烯主產(chǎn)品，副反應(yīng)生成苯、甲苯、甲烷、乙烷、氫氣和二氧化碳。主反應(yīng)： C6H5CH2CH3 C6H5CHCH2 H2 這是一個(gè)強(qiáng)吸熱可逆增分子反應(yīng)。副反應(yīng)是熱裂解、氫化裂解和蒸汽裂解反應(yīng)：C6H5CH2CH3 C6H6 C2H4 C6H5CH2CH3 H2 C6H5CH3 CH4C6H5CH2CH3 H2 C6H6 C2H6C 2H2O 2H2 CO2C2H4 2H2O 2CO 4H2水蒸汽變換反應(yīng)： CO H2O H2 CO2在水蒸汽濃度很高時(shí)，生成苯、甲苯的反應(yīng)式可能被下列反應(yīng)所代替：C6H5CH2CH3 2H2O C6H5 CH3 CO2 3H2C6H5CH2CH3 2

9、H2O C6H6 CH4 CO2 2H2 在乙苯脫氫反應(yīng)中，原料乙苯中的化學(xué)雜質(zhì)也發(fā)生反應(yīng)，生成物還會(huì)進(jìn)一步發(fā)反應(yīng)，為此，最終生成物中還含有另一些副產(chǎn)物，如二甲苯、異丙苯、焦油等3,4。1.3 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀 目前，世界上生產(chǎn)苯乙烯的方法主要有環(huán)氧丙烷苯乙烯聯(lián)產(chǎn)法、熱解汽油抽提蒸餾回收法，乙苯脫氫法以及丁二烯合成法等。乙苯脫氫法是目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)苯乙烯的主要方法，有乙苯催化脫氫和乙苯氧化脫氫兩種生產(chǎn)工藝，乙苯催化脫氫是工業(yè)上生產(chǎn)苯乙烯的傳統(tǒng)工藝。2000年，世界上共生產(chǎn)苯乙烯2930萬(wàn)噸/年，其中美國(guó)600萬(wàn)噸/年，中國(guó)55萬(wàn)噸/年。由于PS和ABS樹(shù)脂等下游產(chǎn)品消費(fèi)的強(qiáng)勁拉動(dòng)，近年來(lái)世界

10、苯乙烯的生產(chǎn)發(fā)展很快。世界苯乙烯的消費(fèi)構(gòu)成為：聚苯乙烯是苯乙烯最大的下游衍生物，氣消費(fèi)量約占總消費(fèi)量的63.2%。苯乙烯需求的巨大缺口和持續(xù)強(qiáng)勁增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，是我國(guó)苯乙烯生產(chǎn)不斷擴(kuò)大的原動(dòng)力。我國(guó)苯乙烯的工業(yè)生產(chǎn)始于20世紀(jì)50年代中期，自蘭州石油化工公司合成橡膠廠采用傳統(tǒng)的三氯化鋁液相烷基化工藝，建成一套5000噸年苯乙烯生產(chǎn)裝置以來(lái)，我國(guó)苯 乙烯的生產(chǎn)得到了飛速發(fā)展。2003年我國(guó)苯乙烯的生產(chǎn)廠家有12家，總生產(chǎn)能力達(dá)到105萬(wàn)噸，其中有8套為引進(jìn)生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)能力合計(jì)為72.9萬(wàn)噸年，約占國(guó)內(nèi)苯乙烯總生 產(chǎn)能力的69.4。揚(yáng)子巴斯夫苯乙烯系列有限公司的14.5萬(wàn)噸年裝置是目前國(guó)內(nèi)最大的苯乙烯

11、生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)能力約占國(guó)內(nèi)苯乙烯總生產(chǎn)能力的13.8；其次是吉林石化公司，生產(chǎn)能力為14.0萬(wàn)噸，約占國(guó)內(nèi)總生產(chǎn)能力的13.3。隨著我國(guó)苯乙烯生產(chǎn)能力的不斷增加，產(chǎn)量也不斷增加。1995年我國(guó)苯乙烯的產(chǎn)量只有2558萬(wàn)噸，1998年增至56.30萬(wàn)噸，2000年增加到76.38萬(wàn)噸，1995-2000年產(chǎn)量的年均增長(zhǎng)率達(dá)到24.5。2002年我國(guó)苯乙烯的產(chǎn)量進(jìn)一步增加到89.56萬(wàn)噸，比2001年增長(zhǎng)13.8，1997-2005年產(chǎn)量的年均增長(zhǎng)率為18.5。2003年我國(guó)苯乙烯產(chǎn)量達(dá)到94.82萬(wàn)噸，比2002年增長(zhǎng)5.87，其中中國(guó)石化集團(tuán)公司的產(chǎn)量為45.20萬(wàn)噸，約占總產(chǎn)量的47.67；

12、中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司的產(chǎn)量為37.89萬(wàn)噸，約占總產(chǎn)量的39.96。中國(guó)石油吉林石化公司的產(chǎn)量最大，達(dá)至15.98萬(wàn)噸，約占我國(guó)苯乙烯總產(chǎn)量的16.85，位居全國(guó)第一；其次是揚(yáng)予巴斯夫苯乙烯系列有限公司，產(chǎn)量達(dá)至2.34萬(wàn)噸，約占國(guó) 內(nèi)總產(chǎn)量的13.01；再次是中石化茂名石化公司，產(chǎn)量達(dá)10. 7萬(wàn)噸，約占國(guó)內(nèi)總產(chǎn)量的10.975-7。第二章 工藝流程設(shè)計(jì)2.1乙苯脫氫制苯乙烯工藝乙苯脫氫工藝主要分為烴化工段，乙苯精餾工段，乙苯脫氫工段和苯乙烯精餾工段，以下分別進(jìn)行簡(jiǎn)述。2.1.1烴化工段來(lái)自中間倉(cāng)庫(kù)的干苯和來(lái)自乙烯車間的乙烯和苯以0.4-0.5:1的配比，從塔底送入反應(yīng)器。同時(shí)，將配好的催

13、化劑溶液經(jīng)復(fù)合體加料泵加入反應(yīng)器，在此反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行烷基化反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物自烴化反應(yīng)器上部各自流至冷卻器，冷卻650C后進(jìn)行烴化液沉降槽沉降分離，分離出的Alc13絡(luò)合物自槽底部返回?zé)N化反應(yīng)器底部，上層烴化液自流至水解塔。沒(méi)反應(yīng)的乙烯氣體和苯蒸汽等從烴化反應(yīng)器頂部出來(lái)經(jīng)冷卻器用循環(huán)水使大部分蒸汽冷凝后進(jìn)入尾氣吸收塔，用二乙苯吸收未凝蒸汽和HCl氣后，未凝氣放空，二乙苯吸收液反烴化，烴化液自上部直接流至中間倉(cāng)庫(kù)烴化液罐中。2.1.2 乙苯精餾工段1干燥苯塔8,9 來(lái)自中間倉(cāng)庫(kù)原料苯罐經(jīng)原料泵送來(lái)的含水900ppm的原料苯，進(jìn)入回流罐油相區(qū)；來(lái)自循環(huán)苯塔的含水量2500ppm的循環(huán)苯，與苯干燥塔頂蒸出

14、的經(jīng)過(guò)冷凝的苯冷卻后進(jìn)入回流罐分相區(qū)塔頂氣相溫度810C經(jīng)預(yù)熱器與進(jìn)料換熱器后，進(jìn)入冷凝器用循環(huán)水冷凝，冷凝后循環(huán)苯塔回流泵送來(lái)的循環(huán)苯一起進(jìn)入冷卻器用循環(huán)水冷卻器用循環(huán)水冷卻后進(jìn)入回流罐分層區(qū)，上層脫水苯溢流至油相區(qū)，下層水相從集水包間斷排入管線塔釜為干燥苯，采出送至中間倉(cāng)庫(kù)干燥苯罐。2循環(huán)苯塔來(lái)自中間倉(cāng)庫(kù)的烴化液進(jìn)入循環(huán)苯塔加料區(qū)塔頂氣相餾分冷凝回流后冷卻進(jìn)入苯干燥塔回流罐分層區(qū)。塔釜液(主要是乙苯和二乙苯)用釜液泵送至乙苯塔。3精乙苯塔由循環(huán)苯塔釜液泵送出的釜液，進(jìn)入精乙苯塔加料層，塔頂氣相餾分乙苯經(jīng)冷凝回流采出至精乙苯塔，塔釜液送至二乙苯塔。4二乙苯塔來(lái)自精乙苯塔釜液的料液根據(jù)不同組成

15、進(jìn)入二乙苯塔不同進(jìn)料板塔頂?shù)枚冶剑玫蕉嘁冶健?.1.3 乙苯脫氫來(lái)自中間倉(cāng)庫(kù)乙苯泵送來(lái)的乙苯與管網(wǎng)來(lái)的蒸汽進(jìn)入乙苯蒸發(fā)器，乙苯與蒸汽量比為1：1.4，經(jīng)過(guò)過(guò)熱器殼程與脫氫反應(yīng)器出來(lái)的6500C煙氣過(guò)熱至5800C后，配料氣進(jìn)入脫氫反應(yīng)器進(jìn)行脫氫反應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)空冷，水冷，鹽冷后進(jìn)入沉降槽，分離后加入阻聚劑阻止聚合，然后進(jìn)入粗苯乙烯塔。2.1.4 苯乙烯精餾工段 1粗苯乙烯塔爐油自中間倉(cāng)庫(kù)送來(lái)，進(jìn)入粗苯乙烯塔由再沸器加熱精餾，塔頂產(chǎn)物苯，甲苯，乙苯輕組分進(jìn)入循環(huán)乙苯塔的底部產(chǎn)物苯乙烯和苯乙烯焦油。 2精苯乙烯塔精苯乙烯塔加料為粗苯乙烯塔經(jīng)過(guò)冷卻后的釜液，由再沸器加熱進(jìn)行精餾。塔頂產(chǎn)品苯乙烯

16、，純度99.6(重量)，塔釜苯乙烯焦油(廢渣之一)。 3循環(huán)乙苯塔粗笨乙烯塔塔頂餾分由回流泵送出，經(jīng)循環(huán)乙苯塔進(jìn)料預(yù)熱器，用循環(huán)乙苯塔釜液進(jìn)行預(yù)熱后，進(jìn)入循環(huán)乙苯塔，由再沸器用16MPa蒸汽加熱精餾，塔頂苯，甲苯餾分，送至中間倉(cāng)庫(kù)苯，甲苯罐。塔釜即循環(huán)乙苯，進(jìn)入循環(huán)乙苯塔冷卻器，送到中間倉(cāng)庫(kù)循環(huán)乙苯罐9。2.2工藝影響因素分析本設(shè)計(jì)用現(xiàn)行的乙苯脫氫制取苯乙烯的方法為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，主要對(duì)乙苯脫氫工段進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化。影響脫氫反應(yīng)的因素主要有：反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力和水蒸汽/乙苯比（簡(jiǎn)稱水比）。此外，該反應(yīng)還受到反應(yīng)物通過(guò)催化劑床層的液體體積時(shí)空速度（LHSV）、催化劑性能、原料乙苯中含雜質(zhì)情況等影響。

17、2.2.1水蒸汽/乙苯比（水比）在恒定的反應(yīng)溫度和壓力下，較高的水比可使乙苯轉(zhuǎn)化率提高。因?yàn)?，蒸汽降低了反?yīng)組分的分壓，達(dá)到類似于降低反應(yīng)壓力的效果。水蒸汽可與催化劑上生成的碳發(fā)生反應(yīng)，起到減少催化劑表面結(jié)焦的作用；水蒸汽還可防止催化劑的活性組份還原為金屬，有利于延長(zhǎng)催化劑壽命。在相同的乙苯液體空速和反應(yīng)壓力下，隨著水比的降低，為維持一定的苯乙烯單程收率，就需要升高反應(yīng)溫度，爐油中副產(chǎn)苯和甲苯明顯增加乙烯選擇性下降。 盡管加入水蒸汽有許多好處，但水蒸汽加入量受到反應(yīng)系統(tǒng)允許壓力降和能耗二個(gè)因素的制約。由于高溫過(guò)熱水蒸汽的比容很大，過(guò)多加入水蒸汽必增大反應(yīng)物流的體積流量，從而增加系統(tǒng)壓力降，不利

18、于降低反應(yīng)區(qū)域壓力。此外，增加水蒸汽加入量，必將增加成本，一旦水蒸汽加入量增加到在經(jīng)濟(jì)上得不償失的程度，那么提高水比將是沒(méi)有意義的。目前，先進(jìn)的乙苯脫氫工藝均追求以較低的水比獲得較高的苯乙烯收率。降低水蒸汽單耗已成為衡量一個(gè)乙苯脫氫工藝路線是否先進(jìn)的重要判別指標(biāo)。 乙苯轉(zhuǎn)化率隨水蒸氣用量加大而提高。當(dāng)水蒸氣用量增加到一定程度時(shí)，如乙苯與水蒸氣之比等于16時(shí)，再增加水蒸氣用量，乙苯轉(zhuǎn)化率提高不顯著。在工業(yè)生產(chǎn)中，乙苯與水蒸氣之比一般為l:1.21.6（質(zhì)量比）10-12。2.2.2反應(yīng)溫度乙苯脫氫生成苯乙烯的反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，升溫對(duì)脫氫反應(yīng)有利，故乙苯轉(zhuǎn)化率隨著反應(yīng)溫度的升高而增加。當(dāng)溫度升高后

19、，不但生成苯乙烯的正反應(yīng)增加，而且消耗苯乙烯的逆反應(yīng)以更高的速度增加。另外，當(dāng)反應(yīng)溫度提高后，雖然乙苯轉(zhuǎn)化率提高，但副反應(yīng)（指吸熱的副反應(yīng)）也將加劇，故生成苯乙烯的選擇性將降低，因而反應(yīng)溫度不宜過(guò)高。從降低能耗和延長(zhǎng)催化劑壽命出發(fā)，希望在保證苯乙烯單程收率的前提下，盡量采用較低的反應(yīng)溫度。但是，由于烴類物質(zhì)在高溫下不穩(wěn)定，容易發(fā)生許多副反應(yīng)，甚至分解成碳和氫，所以脫氫適宜在較低溫度下進(jìn)行。然而，低溫時(shí)不僅反應(yīng)速度很慢，而且平衡產(chǎn)率也很低。所以脫氫反應(yīng)溫度的確定不僅要考慮獲取最大的產(chǎn)率，還要考慮提高反應(yīng)速度與減少副反應(yīng)。在高溫下，要使乙苯脫氫反應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，除應(yīng)選擇具有良好選擇性的催化劑，同時(shí)還必須

20、注意反應(yīng)溫度下催化劑的活性。2.2.3反應(yīng)壓力對(duì)于給定的反應(yīng)溫度和水比，乙苯的轉(zhuǎn)化率隨著反應(yīng)壓力的降低而顯著增加。在相同的乙苯液體空速和水比下，隨著反應(yīng)壓力降低，可相應(yīng)降低反應(yīng)溫度，而苯乙烯的單程收率維持不變，苯乙烯選擇性提高。這一特性是由乙苯脫氫生成苯乙烯系增分子反應(yīng)所決定的。此外，苯乙烯是容易聚合的物質(zhì)。反應(yīng)壓力高，將有利于苯乙烯自聚，生成對(duì)裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)十分不利的聚合物，它會(huì)造成管道、設(shè)備的堵塞。降低系統(tǒng)壓力，則在一定程度上可抑制苯乙烯聚合。乙苯脫氫反應(yīng)是體積增大的反應(yīng)，降低壓力對(duì)反應(yīng)有利，其平衡轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)壓力的降低而升高。反應(yīng)溫度、壓力對(duì)乙苯脫氫平衡轉(zhuǎn)化率的影響如表21所示。表2-1溫

21、度和壓力對(duì)乙苯脫氫平衡轉(zhuǎn)化率的影響Table2-1Temperature and pressure of ethylbenzene dehydrogenation equilibrium conversion0.1MPa溫度，0.01MPa溫度，轉(zhuǎn)化率，0.1MPa溫度，0.01MPa溫度，轉(zhuǎn)化率，5655856204504755003040506456755305606070由表可看出，達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率，如果壓力降低，溫度也可以采用較低的溫度操作，或者說(shuō)，在同樣溫度下，采用較低的壓力，則轉(zhuǎn)化率有較大的提高。所以生產(chǎn)中就采用降低壓力操作。為了保證乙苯脫氫反應(yīng)在高溫減壓下安全操作，在工業(yè)生產(chǎn)中常

22、采用加入水蒸氣稀釋劑的方法降低反應(yīng)產(chǎn)物的分壓，從而達(dá)到減壓操作的目的。2.2.4催化劑我國(guó)乙苯脫氫催化劑的開(kāi)發(fā)始于60年代，已開(kāi)發(fā)成功的催化劑有蘭州化學(xué)工業(yè)公司315型催化劑；1976年，廈門(mén)大學(xué)與上海高橋石油化工公司化工廠合作開(kāi)發(fā)了XH-11催化劑，隨后又開(kāi)發(fā)了不含鉻的XH-210和XH-02催化劑。80年代中期以后，催化劑開(kāi)發(fā)工作變得較為活躍，出現(xiàn)了一系列性能優(yōu)良的催化劑，例如：上海石油化工研究院的GS-01和GS-05、廈門(mén)大學(xué)的XH-03，XH-04、蘭州化學(xué)工業(yè)公司的335型和345型及中國(guó)科學(xué)院大連化物所的DC型催化劑等。脫氫反應(yīng)是乙苯在催化劑床層中，于600 左右高溫下發(fā)生的催化

23、脫氫反應(yīng)。所用催化劑的性能除了脫氫活性之外，特別重要的是對(duì)于生成苯乙烯的選擇性要高，并且在高溫和水蒸汽存在條件下的穩(wěn)定性要好，使用壽命要長(zhǎng)，這些都是至關(guān)重要的。脫氫催化劑的毒物是氯離子，必須控制進(jìn)料中的氯離子含量，以防催化劑中毒失效，更重要的是在催化劑床層中不能有游離水。催化劑床層進(jìn)水，則催化劑結(jié)塊和有效成份流失，導(dǎo)致床層阻力上升，最終影響轉(zhuǎn)化率、選擇性指標(biāo)。2.2.5原料乙苯中雜質(zhì)的影響 原料乙苯的質(zhì)量，應(yīng)符合SH/t 1140中的一級(jí)品的指標(biāo)，此時(shí)，即能滿足催化劑對(duì)原料乙苯中氯離子含量的要求。為了減少副反應(yīng)發(fā)生，保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，要求原料乙苯中二乙苯的含量0.04%。因?yàn)槎冶矫摎浜笊傻?/p>

24、二乙烯基苯容易在分離與精制過(guò)程中生成聚合物，堵塞設(shè)備和管道，影響生產(chǎn)。另外，要求原料中乙炔10ppm（體）、硫（以H2S計(jì)）2ppm(體)、氯（以HCl計(jì)）2ppm(質(zhì))、水10ppm（體），以免對(duì)催化劑的活性和壽命產(chǎn)生不利的影響。在乙苯中所含的異丙苯對(duì)脫氫反應(yīng)也產(chǎn)生一定的影響。異丙苯在乙苯脫氫工藝條件下同樣發(fā)生脫氫反應(yīng)，生成-甲基苯乙烯。它的反應(yīng)必定占據(jù)一些催化活性中心。乙苯異構(gòu)化脫氫也生成-甲基苯乙烯，故副產(chǎn)物-甲基苯乙烯的生成量既與原料乙苯中異丙苯含量有關(guān)，也與乙苯異構(gòu)化脫氫反應(yīng)有關(guān)。2.2.6乙苯液體空速（LHSV）在不考慮返混的前提下，可把乙苯液體空速理解為催化劑床層中反應(yīng)物在1 小

25、時(shí)內(nèi)被置換的次數(shù)?？账俚牡箶?shù)具有“時(shí)間”因次，稱為“空時(shí)”?？纱致缘赜盟鼇?lái)衡量反應(yīng)物料在催化劑床層中停留時(shí)間的長(zhǎng)短（相對(duì)值）。因此，空速反映了停留時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響。對(duì)于乙苯脫氫反應(yīng)，在相同的反應(yīng)壓力和水比條件下，隨著乙苯投料量的增大，即乙苯液體空速增大，欲維持苯乙烯單程收率不變，就得相應(yīng)提高反應(yīng)溫度。液體空速是催化劑性能的重要標(biāo)志之一。液體空速大，意味著反應(yīng)器單位體積的生產(chǎn)能力大。因此，在相同的反應(yīng)條件（溫度、壓力、水比）下，在工藝允許范圍內(nèi)，追求用較大的液體空速進(jìn)行生產(chǎn)13-15。2.3工藝流程簡(jiǎn)圖 圖2-1工藝流程簡(jiǎn)圖工藝流程簡(jiǎn)圖如圖2-1所示，由苯及乙烯發(fā)生烷基化反應(yīng)得到粗乙苯，進(jìn)入乙苯

26、分離塔將重組分二乙苯，三乙苯及焦油從塔釜回收循環(huán)，塔頂?shù)玫奖脚c乙苯的混合物，進(jìn)入乙苯精餾塔，塔頂?shù)玫降谋竭M(jìn)行回收，在烷基化反應(yīng)塔中再次進(jìn)行反應(yīng)。在精餾塔中制得的乙苯，進(jìn)入乙苯脫氫反應(yīng)器，得到苯乙烯粗產(chǎn)品及其他雜質(zhì)。進(jìn)入乙苯/苯乙烯分離塔，將粗苯乙烯從塔頂進(jìn)入苯乙烯蒸餾塔，通過(guò)苯乙烯蒸餾塔，得到符合產(chǎn)品要求的精制苯乙烯，塔底有焦油等雜質(zhì)排出。乙苯/苯乙烯分離塔塔頂?shù)玫降氖谴忠冶剑M(jìn)入甲苯/乙苯分離塔，可以從其塔底得到較高純度的乙苯，通過(guò)循環(huán)回收乙苯，讓乙苯重新進(jìn)入脫氫反應(yīng)器。甲苯/乙苯塔塔頂?shù)玫郊妆?，進(jìn)入苯/甲苯進(jìn)行分離，塔頂?shù)玫奖剑椎玫郊妆?6-18。第三章 工藝計(jì)算3.1物料衡算3.1.

27、1 物料衡算原始數(shù)據(jù) 外購(gòu)乙苯質(zhì)量應(yīng)符合SH/t 1140標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)項(xiàng)目指標(biāo)19-22： 表3-1外購(gòu)乙苯原料質(zhì)量指標(biāo)Table 3-1 purchased ethylbenzene quality indicators of raw materials分 析 項(xiàng) 目質(zhì) 量 指 標(biāo)分 析 方 法優(yōu) 級(jí) 品一 級(jí) 品外觀無(wú)色透明均勻液體，無(wú)機(jī)械雜質(zhì)和游離水目 測(cè)純度 %99.7099.50SH/t 1148二甲苯 %0.100.15SH/t 1148異丙苯 %0.030.05SH/t 1148二乙苯 %0.0010.001SH/t 1148硫 %0.0003不測(cè)定不 測(cè) 定 表3-2 互供乙苯原

28、料質(zhì)量指標(biāo)Table 3-2 interaction for ethylbenzene quality indicators of raw materials序 號(hào)項(xiàng) 目質(zhì) 量 指 標(biāo)分 析 方 法1外 觀無(wú)色透明均勻液體，無(wú)機(jī)械雜質(zhì)和游離水目 測(cè)注2純度， % 99.5SH/t 11483二甲苯， % 0.20SH/t 11484異丙苯， % 0.05SH/t 11485二乙苯（含正丁苯），% 0.001SH/t 1148根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，苯乙烯的年生產(chǎn)能力為5萬(wàn)噸/年。開(kāi)工因子=生產(chǎn)裝置開(kāi)工時(shí)間/年自然時(shí)間。為了充分利用設(shè)備，開(kāi)工因子應(yīng)取的較大，接近1，但又不能等于1。因?yàn)檫€要考慮到設(shè)備的檢修

29、以及開(kāi)停車等情況。開(kāi)工因子一般取為0.70.8。全年365天，則年生產(chǎn)250300天；因此除去季保養(yǎng)、月保養(yǎng)、修理、放假等總計(jì)65天，則年工作日為（365-65）天=300天共計(jì)7200小時(shí)。按年工作日300天計(jì)算,單程轉(zhuǎn)化率42%選擇性92%乙苯原料純度99%全車間進(jìn)料中：苯：0.995（wt） 乙烯：0.997（wt）每小時(shí)精苯乙烯（100%）的量:其中年產(chǎn)量：5萬(wàn)噸=50000000 kg 生產(chǎn)時(shí)間：7200h則苯乙烯產(chǎn)量50000000/7200=6944.445kg/h純苯乙烯量6944.445×99.5%=6909.722 kg/h每小時(shí)產(chǎn)量中純苯乙烯量/(1-3%)，苯

30、乙烯生成量6909.722/(1-3%)=7123.425 kg/h所需新鮮苯乙烯的量7123.425×106/(90%×99%×104)=8148.613 kg/h所需乙苯總量7123.425×106/(42%×92%×99%×104)=18979.688 kg/h循環(huán)乙苯量18979.688-8148.613=10831.075 kg/h水蒸氣所需量18979.688×1.5=28469.532 kg/h新鮮乙苯中含二甲苯的量8148.613×1%=814.861 kg/h循環(huán)乙苯中含二甲苯量及苯乙烯

31、量10831.075×0.5%=54.155 kg/h表3-3新鮮乙苯組成Table 3-3 fresh ethylbenzene組成乙苯二甲苯Wt%991100Kg/hr8067.12781.4868148.613已知各反應(yīng)轉(zhuǎn)換率：C6H5CH2CH3 C6H5C2H3+ H2 92%C6H5CH2CH3 C6H6 C2H4 2.5%C6H5CH2CH3 H2 C6H5CH3 CH4 4.7%C6H5CH2CH3 C16H18 H2 0.5%C 2H2O 2H2 CO2 0.3%反應(yīng)后各種產(chǎn)物的生成量計(jì)算結(jié)果如下：表3-4各種產(chǎn)物的生成量Table 3-4 the formatio

32、n of various products組分分子量進(jìn)料量出料量Kg/hrKmol/hrKg/hrKmol/hrYi%乙苯10618979.688177.26310898.136102.8135.602二甲苯106135.6521.280135.6521.2800.069苯乙烯10454.1550.5217123.42568.4503.732氫氣200140.11670.0583.817乙烯280052.1151.8610.101甲烷160055.9853.4990.191甲苯9200321.9243.4990.191二氧化碳440078.6191.7870.097水1828469.53158

33、1.64128423.8681579.85486.078苯7800145.1791.8620.101二聚體2100078.1730.37230.02047449.2371760.70447466.6921835.37899.9993.1.2物料衡算(1)油水分離器水油組成表3-5各物質(zhì)在水中溶解度Table 3-5 substances in the water solubility名稱苯甲苯乙苯苯乙烯聚苯乙烯二甲苯溶解度g/100gH2O0.180.050.02170.040.10計(jì)算油水分離器加入量，并計(jì)算出油層水層總量及其組成：Li=Li水冷+Li鹽冷被溶解量=溶劑量×溶解度未

34、溶解量= Li-被溶解量如：乙苯Li水冷=10886.147kg/hrLi鹽冷=10.182 kg/hrLi=10886.147+10.182=10896.329kg/h被溶解量=28430.926×0.0217/100=6.170 kg/hr未溶解量=10896.329-6.170 =10890.159 kg/hr計(jì)算結(jié)果列表如下：表3-6油層水層總量及其組成Table 3-6 reservoir of total water layer and its components組分Li水冷kg/hrLi鹽冷kg/hrLi kg/hr被溶量kg/hr未容量kg/hrXi水wt%Xi油w

35、t%乙苯10886.14710.1820896.3296.17010890.1590.021658.5893苯乙烯7118.0724.6177122.68911.3737111.3170.039838.2591水28356.89474.03228430.92614215.463099.60890二甲苯133.8251.202135.0270135.02700.7264甲苯320.9880.790321.67814.216307.4630.04981.6541苯143.5981.144144.74251.17693.5660.17930.5034二聚體78.173078.17328.43149.

36、7420.09960.267647037.69791.86647129.56328542.289018587.27399.999999.9999(2)對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行物料衡算表3-7反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行物料衡算結(jié)果Table 3-7 Response System for the material balance results組分進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)kg/hr鹽水冷凝器放空量kg/hr被溶量kg/hr未溶量kg/hr乙苯18789.8901.7966.17010890二甲苯135.6520.6000135.027苯乙烯54.1660.73911.3737111.317氫氣0140.116/乙烯051.15/甲

37、烷055.987/甲苯00.23014.216307.463二氧化碳078.619/水28469.536.43828430.9230苯00.45651.16693.561二聚體0028.43149.74247449.237337.09628542.29018587.273計(jì)算總進(jìn)出物料量進(jìn)料=18789.890+135.652+54.166+28469.530=47449.237 kg/hr出料=337.096+28542.290+18587.273=47466.659kg/hr19,203.2能量衡算 3.2.1蒸發(fā)器原料：為計(jì)算方便，把原料全部看成乙苯已知:乙苯常壓下 沸點(diǎn)為136.2oC

38、，蒸發(fā)器出口溫度140 oC把乙苯從20 oC加熱到140 oC所需熱量計(jì)算如下:（1）求所需熱量Q把乙苯從20 oC加熱到136.2 oC（液到液）所需熱量Q1：先求平均溫度噸m再查tm下的乙苯的Cpm，最后計(jì)算Q1=GCPm (t2-t1)由石油化工計(jì)算圖表查得tm=（136.2+20）/2=78.1 oCCPm=36kcal/kg oC即Q1= GCPm(t2-t1)= 47449.237×36×（136.2-20）=198489646.127 kcal把乙苯從136.2 oC（液）轉(zhuǎn)化為136.2 oC（氣）所需熱量Q2先查136.2 oC乙苯氣化潛熱，H=82 k

39、cal/kg oC再計(jì)算Q2=GH=47449.237×82=3890837.434 kcal把乙苯從136.2 oC（氣）加熱到140 oC（氣）所需熱量Q3先求平均溫度再查tm下的乙苯的Cpm，tm=（136.2+140）/2=138.1 oCCpm=40.7 kcal/kg oC最后計(jì)算Q3=GCPm (t2-t1)= 47449.237×40.7(140-136.2)=733848.917kcal把乙苯從20 oC（液）加熱到140 oC（氣）所需的熱量Q總：Q總=Q1+Q2+Q3=198489646.127+3890837.434+733848.917=20971

40、8982.4kcal（2）加熱所需蒸氣量：配比水蒸氣所放出的熱量Q蒸:已知配比水蒸氣的蒸氣壓力6kg/cm2(表)先求出平均溫度噸m,再查噸m下的水蒸氣的cpm,tm=（164.2+140）/2=152.1 oCCPm=8.12 kcal/kg oC最后計(jì)算Q蒸=GCPm (t2-t1)= 28469.53×8.12×(164.2-140)=594376.523kcal加熱所需水蒸汽量G蒸氣：把乙苯從20 oC（液）加熱到140 oC（氣）實(shí)際所需的熱量Q實(shí)際：即Q實(shí)際=Q總-Q蒸=209718982.4-594376.523=209124605.9kcal查蒸氣壓力為7k

41、g/cm2下的水蒸氣氣化潛熱，H=493.774kcal/kg即G蒸氣=Q實(shí)際/H=209124605.9/493.774=423552.084kg3.2.2第一預(yù)熱器（1）把原料乙苯從140 oC（氣）加熱到300 oC（氣）所需熱量Q1先求出平均溫度tm,再查tm下的乙苯(氣)的Cpm,tm=（300+140）/2=220 oCCpm=46.11 kcal/kg oC最后計(jì)算Q1=GCPm t2-t1)= 47449.237×46.11(300-140)=350061487.203kcal（2）把水蒸氣從140 oC（氣）加熱到300 oC（氣）所需熱量Q2先求出平均溫度tm=2

42、20 oC,再查tm下的水蒸氣(氣)的Cpm=8.3 kcal/kg oC（3）最后計(jì)算Q2=GCpm t2-t1)= 413396.829×8.3(300-140)=548990988.5kcal第一預(yù)熱器把乙苯和水蒸氣混合物從140 oC（氣）加熱到300 oC（氣）所需熱量Q總=Q1+Q2=350061487.203+548990988.5=899052475.703kcal3.2.3熱交換器利用反應(yīng)器出來(lái)的高溫氣體把物料從300 oC（氣）加熱到430 oC（氣），計(jì)算如下：（1）把原料乙苯從300 oC（氣）加熱到430 oC（氣）所需熱量Q1先求出平均溫度tm=365 o

43、C,再查tm下的乙苯(氣)的Cpm=57.7 kcal/kg oC最后計(jì)算Q1=GCpm t2-t1)=47449.237×57.7(430-300)=355916723 kcal（2）把水蒸氣從300 oC（氣）加熱到430 oC（氣）所需熱量Q2先求出平均溫度tm=365 oC,再查tm下的水蒸氣(氣)的Cpm=8.3 kcal/kg oC最后計(jì)算Q2=GCpm (t2-t1)=413396.829×8.3(430-300)=446592594.384kcal熱交換器把乙苯和水蒸氣混合物從300 oC（氣）加熱到430 oC（氣）所需熱量Q總Q總=Q1+Q2=35591

44、6723+446592594.384=802509317.36kcal3.2.4第二預(yù)熱器（1）把原料乙苯從430 oC（氣）加熱到550 oC（氣）所需熱量Q1先求出平均溫度tm=490 oC,再查tm下的乙苯(氣)的Cpm=65.5 kcal/kg oC最后計(jì)算Q1=GCpm (t2-t1)=47449.237×65.5(550-430)=372950998.89kcal（2）把水蒸氣從430oC（氣）加熱到550 oC（氣）所需熱量Q2先求出平均溫度tm=490 oC,再查tm下的水蒸氣(氣)的Cpm=8.51 kcal/kg oC最后計(jì)算Q2=GCpm (t2-t1)= 41

45、3396.829×8.51(550-430)=422160841.775kcal第二預(yù)熱器把乙苯和水蒸氣混合物從430 oC（氣）加熱到550 oC（氣）所需熱量Q總Q總=Q1+Q2=372950998.89+422160841.775=795111840.665kcal3.2.5反應(yīng)器（1）原料從550 oC（氣）加熱到580 oC（氣）所需熱量Q加把原料乙苯從550oC（氣）加熱到580 oC（氣）所需熱量Q1先求出平均溫度tm=565 oC,再查tm下的乙苯(氣)的Cpm=67.7 kcal/kg oC最后計(jì)算Q1=GCpm (t2-t1)= 47449.237×67

46、.7(580-550)=96369399.332 kcal（2）把水蒸氣從550oC（氣）加熱到580 oC（氣）所需熱量Q2先求出平均溫度tm=565 oC,再查tm下的水蒸氣(氣)的Cpm=8.65 kcal/kg oC（3）最后計(jì)算Q2=GCpm (t2-t1)=413396.829×86.5(580-550)=107276477.126kcal第二預(yù)熱器把乙苯和水蒸氣混合物從550 oC（氣）加熱到580 oC（氣）所需熱量Q加Q加=Q1+Q2=96369399.332+107276477.126=203645876.457kcal(2)計(jì)算各反應(yīng)器所需熱量Q反25 oC下反

47、應(yīng)熱H0298=(niH0i)產(chǎn)-(niH0j)反,Cp=a+bt+ct2 a=(niai)產(chǎn)-(njaj)反 b=(nibi)產(chǎn)-(njbj)反 c=(nici)產(chǎn)-(njcj)反H0噸2=H0噸1+噸1噸2niCpdt=H0噸1+噸1噸2(a+b+c)dt= H0298+a(t2-t1)+1/2 b (t22-t12)+1/3 c (t23-t13)各物質(zhì)25 oC標(biāo)準(zhǔn)生成焓H0298一律查基本有機(jī)化學(xué)工程下冊(cè)，比熱Cp查基本有機(jī)化學(xué)工程上冊(cè)，查得結(jié)果列表如下：表3-8各物質(zhì)25 oC標(biāo)準(zhǔn)生成焓Table 3-8 substance at 25 oC, the standard entha

48、lpy of formation組分 H0298kcal/kg oCCp=a+bt+ct2 kcal/kg oCab×10-3c×10-6乙苯7150-8.77144160.295-100.798苯乙烯35300-6.7462147.119-96.0684氫06.4241.039-0.07804乙烯125002.83028.601-8.726苯19810-0.40977.621-26.429甲苯119900.57693.493-31.227甲烷-178903.38118.044-4.300碳04.11.02主反應(yīng)所需熱量H0噸主主反應(yīng)：C6H5CH2CH3 C6H5C2H3

49、+ H2 92%H0298 7150 35300 0H0298 =(niH0i)產(chǎn)-(niH0j)反 =35300×68.474-7150×68.474=192810601kcala=(6.424-6.746+8.77144) ×68.474=578.722b=(1.039+147.119-160.295) ×10-3×68.474=-0.8315c=(-0.07804-96.0684+100.798) ×10-6×68.474=3.186×10-4H0噸主=192810601+578.722×(580-

50、25)+1/2×(-0.8315)×(5802-252)+1/3×3.186×10-4(5803-253)=2130415.817kcalQi=GiH0噸iQ1=7260.414×2130415.817=1.547×1010kcal副反應(yīng)所需熱量H0噸副的計(jì)算如主反應(yīng)所示C6H5CH2CH3 C6H6 C2H4 2.5% Q2C6H5CH2CH3 H2 C6H5CH3 CH4 4.7% Q3C 2H2O 2H2 CO2 0.3% Q4反應(yīng)所需熱量：Q2=197.294×48795.722=9.628×106kcal

51、 Q3=-370.913×48745.772=-1.774×107kcal Q4=23.68×3506.7954=8.3×104kcal則 Q總= Q1 +Q2+ Q3+ Q4=1.546× 1010kcal第四章 設(shè)備的計(jì)算與選型4.1熱交換器根據(jù)能量守恒原理，假設(shè)熱損失可忽略不計(jì)，則單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出的熱量等冷流體吸收的能量21。熱負(fù)荷Q為：式中 KJ/(Kg·)； t冷流體的溫度，。其中Q=37614633.69kJ 管殼式換熱器的對(duì)數(shù)平均溫度按逆流計(jì)算，即 查得，所以故換熱面積為查<<化工原理>>上冊(cè)

52、得，選用TB4715-92,列管尺寸為直徑19mm；管心距為25mm；管程數(shù)為1；管子總根數(shù)1267個(gè)；中心排管數(shù)為39個(gè)；管程流通面積為0.2239m2列管長(zhǎng)度6000mm，換熱面積446.2 m2，所以需要2個(gè)這樣的換熱器。4.2脫氫反應(yīng)器乙苯脫氫制苯乙烯反應(yīng)器有兩種，一種是外加熱列管式等溫反應(yīng)器，另一種是絕熱式反應(yīng)器。目前兩種反應(yīng)器在國(guó)內(nèi)外大型生產(chǎn)中均有使用。本設(shè)計(jì)是以外加熱列管式等溫反應(yīng)器為主。4.2.1反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的計(jì)算（1）催化劑的填充量根據(jù)空速算得催化劑的填充量為： VR =VON/ SVVR 催化劑的填充量，m 3 S V 體積空速，h 1VoN 原料氣體體積標(biāo)流量VON = 2

53、1888.696×273/（ 273+ 600）×（100 /101.325）=6755.409 m 3 / hVR = 6755.409 /1000=6.755m 3（2）反應(yīng)管長(zhǎng)度的計(jì)算取空床速度為 1.4m/s，則床層截面積為：AR =Vo/ uo= 21888.696 /(1.4×3600) =4.34m 2則催化劑床層高度為：HR =VR/ AR AR =6.755/ 4.34= 1.556m根據(jù)化工原理取床層空隙率為 0.4，則反應(yīng)管長(zhǎng)為:H= 1.556+ 1.556×0.4= 2.179m（3）管束尺寸和反應(yīng)管的排列選取工業(yè)上所用的35&

54、#215;2.5 的列管，則單管催化劑體積為：V1=0.25××Ld 2= 0.785× 0.032× 1.556 =1.099 ×10-3 m 3 則管數(shù)為：n =VR /Vo = 6.755/1.099 ×10-3 m 3= 6146根則反應(yīng)器管數(shù)為6146 根，反應(yīng)器采用正三角形排列采用正三角形排列，反應(yīng)器列管的布置與普通換熱器有很大不同。首先，管束中央水循環(huán)受阻，傳熱惡化，溫度分布不均，故此區(qū)域不布管；其次反應(yīng)管的排管把整個(gè)管板按 30劃分為12個(gè)區(qū)間，整個(gè)管板由一個(gè)30°區(qū)間陣 列而成。取中央不布管區(qū)域直徑為 200mm。 按正三角形排列，取管心距為 t= 1.25do= 0.04375m ，采用三角形排列，則單管所占的面積為s