【正文】 題目年產(chǎn)10萬(wàn)噸苯乙烯工藝設(shè)計(jì) 姓 名 所在系部 化學(xué)工程 專業(yè)班級(jí) 有機(jī)化工 指導(dǎo)老師 2006 年 3月 前 言 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容為10萬(wàn)噸/年乙苯脫氫制苯乙烯裝置，包括工藝設(shè)計(jì)，設(shè)備設(shè)計(jì)及平面布置圖。 本設(shè)計(jì)的依據(jù)是采用低活性、高選擇性催化劑，參照魯姆斯(Lummus)公司生產(chǎn)苯乙烯的技術(shù)，以乙苯脫氫法生產(chǎn)苯乙烯。苯乙烯單體生產(chǎn)工藝技術(shù)：深度減壓，絕熱乙苯脫氫工藝乙苯脫氫反應(yīng)在絕熱式固定床反應(yīng)器中進(jìn)行，其特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)化率高，可達(dá)55%， 選擇性好，可達(dá)90%。特殊的脫氫反應(yīng)器系統(tǒng)：在低壓（深度真空下）下操作以達(dá)到最高的乙苯單程轉(zhuǎn)化率和最高的苯乙烯選擇性。該系統(tǒng)是由蒸汽過(guò)熱器、過(guò)熱 蒸汽輸送管線和反應(yīng)產(chǎn)物換熱器組成，設(shè)計(jì)為熱聯(lián)合機(jī)械聯(lián)合裝置。整個(gè)脫氫系統(tǒng)的壓力降小，以維持壓縮機(jī)入口盡可能高壓，同時(shí)維持脫氫反應(yīng)器盡可能低壓，從 而提高苯乙烯的選擇性，同時(shí)不損失壓縮能和投資費(fèi)用。所需要的催化劑用量和反應(yīng)器體積較小，且催化劑不宜磨損，能在高溫高壓下操作，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，選價(jià)便宜。在苯乙烯蒸餾中采用一種專用的不含硫的苯乙烯阻聚劑。它經(jīng)濟(jì)有效且能使苯乙烯焦油作為燃料清潔地燃燒。工業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和設(shè)備的良好設(shè)計(jì)可使操作無(wú)故障，從而可減少生產(chǎn)波動(dòng).本設(shè)計(jì)裝置主要由脫氫反應(yīng)和精餾兩個(gè)工序系統(tǒng)所組成。原料來(lái)自乙苯生產(chǎn)裝置或原料采購(gòu)部門，循環(huán)水、冷凍水、電和蒸汽來(lái)由公用工程系統(tǒng)提供，生產(chǎn)出的苯乙烯產(chǎn)品到成品庫(kù)。 此設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了計(jì)算方便，忽略了一些計(jì)算過(guò)程，故有一定的誤差，另由于計(jì)算時(shí)間比較倉(cāng)促，有些問(wèn)題不能夠直接解決。設(shè)計(jì)中有不少錯(cuò)誤之處，請(qǐng)指導(dǎo)老師予以批評(píng)指正，多提出寶貴意見(jiàn)。 苯乙烯設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)10萬(wàn)噸苯乙烯的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)原始條件：原料組成（質(zhì)量%）組別乙苯甲苯苯∑399%%%100%698%%%100%操作條件：年工作日：300天，每天24小時(shí)，乙苯總轉(zhuǎn)化率為55%%配料比：原料烴/水蒸汽=1/（質(zhì)量比）溫度T：第一反應(yīng)器進(jìn)口溫度630℃，出口溫度580℃ 第二反應(yīng)器進(jìn)口溫度630℃，出口溫度600℃壓力P： * 105 Pa（絕）選擇性：C8H10→C8H8+H2 （1）C8H10→C6H6+C2H4 （2）C8H10+H2→C7H8+CH4 （3）3（1）90%（2）3%（3）7%6（1）92%（2）3%（3）5%催化劑條件：（1）采用11氧化鐵催化劑，d=3mm，h=13mm（2）允許通入乙苯空速為：（~）Nm3乙苯/(m3Cat．h)（3）=1050kg/m3 =1500kg/m3參考數(shù)據(jù)：（1）反應(yīng)器直徑D=2 m（2）取熱損失為反應(yīng)熱為4%（3）k=exp()（4）K=exp()（5）Cat的有效系數(shù) η1= η2=（6）填料情況：取瓷環(huán)為2525的拉西環(huán)，所填高度為250mm，錐形高度為250mm，錐角取900（7）壓力： * 105 Pa， * 105 Pa， * 105 Pa，壓降ΔP= * 105 Pa。（8）再沸器：取熱損失為水蒸汽放出熱量的3%，Q蒸汽=Q吸/（13%）（9）傳熱面積A： 取K=* kJ 目 錄一、緒論……………………………………………………………………………………… 5原料的性質(zhì)和用途………………………………………………………………………… 5苯乙烯的性質(zhì)和用途……………………………………………………………………… 5苯乙烯各種生產(chǎn)工藝及比較……………………………………………………………… 6本工藝設(shè)計(jì)說(shuō)明…………………………………………………………………………… 6二、生產(chǎn)工藝說(shuō)明…………………………………………………………………………… 8原料、成品及半成品……………………………………………………………………… 8主副化學(xué)反應(yīng)式…………………………………………………………………………… 8生產(chǎn)步驟…………………………………………………………………………………… 8原理、化學(xué)組成及化學(xué)性質(zhì)……………………………………………………………… 9反應(yīng)器設(shè)計(jì)依據(jù)…………………………………………………………………………… 10主要工藝變量（參數(shù)）的選擇與控制…………………………………………………… 10流程敘述…………………………………………………………………………………… 11工藝設(shè)計(jì)物性參數(shù)………………………………………………………………………… 13三、物料及熱量衡算………………………………………………………………………… 13計(jì)算依據(jù)…………………………………………………………………………………… 13物料衡算…………………………………………………………………………………… 14熱量衡算…………………………………………………………………………………… 22四、乙苯—苯乙烯精餾塔的計(jì)算…………………………………………………………… 24乙苯—苯乙烯塔操作條件的確定………………………………………………………… 24理論板數(shù)的計(jì)算…………………………………………………………………………… 25五、乙苯—苯乙烯塔附屬設(shè)備計(jì)算………………………………………………………… 31六、乙苯—苯乙烯塔主要工藝條件一覽表………………………………………………… 35七、原材料消耗綜合表、排出物表………………………………………………………… 36八、生產(chǎn)控制………………………………………………………………………………… 37九、產(chǎn)品消耗定額…………………………………………………………………………… 37十、三廢處理………………………………………………………………………………… 37十一、原料、中間產(chǎn)品的分析方法………………………………………………………… 38十二、參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………… 38一、 緒論原料的主要性質(zhì)與用途（1）乙苯的主要性質(zhì)乙苯是無(wú)色液體，具有芳香氣味，可溶于乙醇、苯、四氯化碳和乙醚，幾乎不溶于水，易燃易爆，對(duì)皮膚、眼睛、粘膜有刺激性，在空氣中最大允許濃度為100PPM。乙苯側(cè)鏈易被氧化，氧化產(chǎn)物隨氧化劑的強(qiáng)弱及反應(yīng)條件的不同而異。在強(qiáng)氧化劑（如高錳酸鉀）或催化劑作用下，用空氣或氧氣氧化，生成苯甲酸；若用緩和氧化劑或溫和的反應(yīng)條件氧化，則生成苯乙酮。乙苯的其它性質(zhì)如下表所示：表1序號(hào)常數(shù)名稱計(jì)量單位常數(shù)值備注1分子量 2液體比重 0℃3沸點(diǎn)℃101325Pa4熔點(diǎn)℃101325Pa5液體熱容量kJ/（kg K）6蒸汽熱容量Kcal/（kg K）27℃7蒸發(fā)熱kJ /mol正常沸點(diǎn)下8液體粘度104kgSee/M220℃9生成熱Kcal/mol20℃10在水中溶解度 11燃燒熱Kcal/mol氣體12閃點(diǎn)℃15 13自然點(diǎn)℃ 14爆炸范圍%(體積)～ （2）乙苯的主要用途乙苯是一個(gè)重要的中間體，主要用來(lái)生產(chǎn)苯乙烯，其次用作溶劑、稀釋劑以及用于生產(chǎn)二乙苯、苯乙酮、乙基蒽醌等；同時(shí)它又是制藥工業(yè)的主要原料。苯乙烯的性質(zhì)和用途　　苯乙烯（SM）是含有飽和側(cè)鏈的一種簡(jiǎn)單芳烴，是基本有機(jī)化工的重要產(chǎn)品之一。苯乙烯為無(wú)色透明液體，常溫下具有辛辣香味，易燃。苯乙烯難溶于水，25℃%。苯乙烯溶于甲醇、乙醇、乙醚等溶劑中。濃度過(guò)高、接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則對(duì)人體有一定的危害。苯乙烯在高溫下容易裂解和燃燒。苯乙烯蒸汽與空氣混合能形成爆炸性混合物，～%（體積分?jǐn)?shù)）。苯乙烯（SM） 具有乙烯基烯烴的性質(zhì)，反應(yīng)性能極強(qiáng)，苯乙烯暴露于空氣中，易被氧化而成為醛及酮類。苯乙烯從結(jié)構(gòu)上看是不對(duì)稱取代物，乙烯基因帶有極性而易于聚合。在高 于100℃時(shí)即進(jìn)行聚合，甚至在室溫下也可產(chǎn)生緩慢的聚合。因此，苯乙烯單體在貯存和運(yùn)輸中都必須加入阻聚劑，并注意用惰性氣體密封，不使其與空氣接觸。苯乙烯（SM） 是合成高分子工業(yè)的重要單體，它不但能自聚為聚苯乙烯樹(shù)脂，也易與丙烯腈共聚為AS塑料，與丁二烯共聚為丁苯橡膠，與丁二烯、丙烯腈共聚為ABS塑料，還 能與順丁烯二酸酐、乙二醇、鄰苯二甲酸酐等共聚成聚酯樹(shù)脂等。由苯乙烯共聚的塑料可加工成為各種日常生活用品和工程塑料，用途極為廣泛。目前，其生產(chǎn)總量 的三分之二用于生產(chǎn)聚苯乙烯，三分之一用于生產(chǎn)各種塑料和橡膠。世界苯乙烯生產(chǎn)能力在1996年已達(dá)1900萬(wàn)噸，目前全世界苯乙烯產(chǎn)能約為 2150～2250萬(wàn)噸。各種苯乙烯生產(chǎn)工藝及比較目前苯乙烯主要由乙苯轉(zhuǎn)化而成，可通過(guò)如下四條工藝路線進(jìn)行。 (1)苯乙酮法較早采用苯乙酮法生產(chǎn)苯乙烯，其步驟主要分為氧化、還原和脫水三步，方程式如下：C6H5C2H5 + O2 C6H5COCH3 + H2OC6H5COCH3+ H2 C6H5CHOHCH3C6H5CHOHCH3 　 C6H5CHCH2 + H2O該法苯乙烯產(chǎn)率為75～80%，略低于乙苯脫氫法的產(chǎn)率，但中間副產(chǎn)物苯乙酮產(chǎn)值較高，苯乙烯的精制分離較容易。故此法在國(guó)外仍有采用。 (2)乙苯和丙烯共氧化法本法首先在堿性催化劑作用下，使乙苯液相氧化成過(guò)氧化氫乙苯，然后與丙烯進(jìn)行環(huán)氧化反應(yīng)生成環(huán)氧丙烷，乙苯過(guò)氧化物則變?yōu)椋揭掖迹俳?jīng)脫水得到苯乙烯，即：C6H5C2H5 + O2 C6H5CHOOHCH3C6H5CHOOHCH3 + CH3CHCH2 C6H5CHOHCH3+ C3H6OC6H5CHOHCH3 C6H5CHCH2 + H2O本過(guò)程以乙苯計(jì)的苯乙烯產(chǎn)率約為65%，低于乙苯脫氫法的產(chǎn)率。但它還能生產(chǎn)重要的有機(jī)化工原料環(huán)氧丙烷，綜合平衡仍有工業(yè)化的價(jià)值，故目前國(guó)外也有采用此法生產(chǎn)的。 (3)乙苯氧化脫氫法 乙苯氧化脫氫法是目前尚處于研究階段生產(chǎn)苯乙烯的方法。在催化劑和過(guò)熱蒸汽的存在下進(jìn)行氧化脫氫反應(yīng)的，即： 2C6H5C2H5 + O2 2C6H5CHCH2 + 2H2O此 方法可以從乙苯直接生成苯乙烯，還可以利用氧化反應(yīng)放出的熱量產(chǎn)生蒸汽，反應(yīng)溫度也較催化脫氫為低。研究的催化劑種類較多，如氧化鎘，氧化鍺，鎢、鉻、 鈮、鉀、鋰等混合氧化物，鉬酸銨、硫化鉬及載在氧化鎂上的鈷、鉬等。但這些催化劑在多處于研究階段，尚不具備工業(yè)化條件，有待進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。 (4)乙苯催化脫氫法 這是目前生產(chǎn)苯乙烯的主要方法，目前世界上大約90%的苯乙烯采用該方法生產(chǎn)。它以乙苯為原料，在催化劑的作用下脫氫生成苯乙烯和氫氣。反應(yīng)方程式如下： C6H5C2H5 C6H5CHCH2 + H2同時(shí)還有副反應(yīng)發(fā)生，如裂解反應(yīng)和加氫裂解反應(yīng)： C6H5C2H5 + H2 C6H5CH3+ CH4 C6H5C2H5+ H2 C6H6 + CH3CH3 C6H5C2H5 C6H6 + CH2CH2高溫裂解生碳： C6H5C2H5 8C + 5H2在水蒸汽存在下，發(fā)生水蒸汽的轉(zhuǎn)化反應(yīng)： C6H5C2H5 + 2H2O C6H5CH3 + CO2 + 3H2此外還有高分子化合物的聚合反應(yīng)，如聚苯乙烯、對(duì)稱二苯乙烯的衍生物等。本工藝設(shè)計(jì)說(shuō)明(1)生產(chǎn)任務(wù)：年產(chǎn)100000噸精苯乙烯，純度≥%。(2)生產(chǎn)方法：采用低活性、高選擇性催化劑，參照魯姆斯(Lummus)公司生產(chǎn)苯乙烯的技術(shù)，以乙苯脫氫法生產(chǎn)苯乙烯。魯姆斯(Lummus)公司經(jīng)典苯乙烯單體生產(chǎn)工藝技術(shù)：深度減壓，絕熱乙苯脫氫工藝；魯姆斯（孟山都/UOP）經(jīng)典苯乙烯單體生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介：該工藝是全世界生產(chǎn)苯乙烯（SM）單體中最成熟和有效的技術(shù)，自1970年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來(lái)，目前大約有55套裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)。A、工藝流程從乙苯(EB)生產(chǎn)苯乙烯的經(jīng)典流程如附圖1所示。乙苯(EB)脫氫是在蒸汽存在下，利用蒸汽來(lái)使并維持催化劑處于適當(dāng)?shù)难趸癄顟B(tài)。蒸汽既加熱反應(yīng)進(jìn)料、減少吸熱反應(yīng)的溫度降，同時(shí)蒸汽也降低產(chǎn)品的分壓使反應(yīng)平衡向著苯乙烯(SM)方向進(jìn)行，且又可以連續(xù)去除積炭以維持催化劑的一定活性。高溫、高壓蒸汽稀釋和低反應(yīng)系統(tǒng)壓力能提供良好的反應(yīng)平衡曲線，對(duì)乙苯(EB) 轉(zhuǎn)化為苯乙烯(SM)有利，在有兩個(gè)絕熱反應(yīng)器的工業(yè)生產(chǎn)裝置中，乙苯(EB)的總轉(zhuǎn)化率可達(dá)到70%～85%。新鮮乙苯和循環(huán)乙苯先與一部分蒸汽混合， 然后在一個(gè)用火加熱的蒸汽過(guò)熱器內(nèi)進(jìn)行過(guò)熱，再與過(guò)熱蒸汽相混合，在一個(gè)兩段、絕熱的徑向催化反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行脫氫。熱反應(yīng)產(chǎn)物在一個(gè)熱交換器內(nèi)冷卻以回收 熱量并冷凝。不凝氣（主要是氫氣）壓縮后，經(jīng)回收烴類后再用作蒸汽過(guò)熱器的燃料，而冷凝液體分為冷凝水和脫水有機(jī)混合物（DM）。在脫水有機(jī)混合