【正文】 化工過程模擬與優(yōu)化課程設(shè)計(jì)報(bào)告苯乙烯生產(chǎn)過程的設(shè)計(jì)與優(yōu)化指導(dǎo)教師： 錢 宇 教授 陸恩錫 教授學(xué) 生： 周 章 玉學(xué) 號： B 9 8 0 9 9專 業(yè)： 化 學(xué) 工 程1 9 9 9 年 8 月 設(shè)計(jì)任務(wù)乙烯 4 . 3 . 5 , 5 . 4 . 6 , 6 . 8 . 5 → → → → → → 乙苯 → → → → → 苯乙烯苯 1. 3. 5 7. 6. 2, 8. 1 1. 1 , 9. 5 . 1 苯乙烯生產(chǎn)過程的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 過程設(shè)計(jì)分析 ? 乙苯生產(chǎn)過程設(shè)計(jì) – 反應(yīng)系統(tǒng) – 分離系統(tǒng)設(shè)計(jì) – 換熱網(wǎng)絡(luò)合成 – 乙苯過程流程 ? 乙苯制苯乙烯過程設(shè)計(jì) – 反應(yīng)系統(tǒng) – 分離系統(tǒng)設(shè)計(jì) – 換熱網(wǎng)絡(luò)合成 – 苯乙烯過程流程 ? 由苯制苯乙烯全過程設(shè)計(jì) ? 全流程經(jīng)濟(jì)衡算 ? 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià) 過程設(shè)計(jì)分析 1. 乙苯生產(chǎn)過程的分析 ? 乙苯合成 ? 本設(shè)計(jì)擬采用苯和乙烯進(jìn)行 FriedelCrafts烷基化反應(yīng)合成乙苯 。 – 苯 + C2H2 乙苯 Δ H298 = 114 kJ/mol ? 在芳烴烷基化中的主要問題在于：開始得到的烷基芳烴還可能發(fā)生多烷基化反應(yīng) 。 其主要反應(yīng)如下： – 苯 + C2H2 乙苯 – 乙苯 + C2H2 二乙苯 – 二乙苯 + C2H2 三乙苯 – 2乙苯 苯 + 二乙苯 過程設(shè)計(jì)分析 ? 1. 1 乙苯生產(chǎn)過程的分析 – 乙苯產(chǎn)品分離過程分析 ? 在乙苯合成過程中 ， 由于適宜的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較低 ， 反應(yīng)器出口含大量未反應(yīng)的原料；而且反應(yīng)過程中伴有多烷基化反應(yīng)副反應(yīng) ， 生成多烷基苯衍生物 。 因此 ，必須對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離 ， 將反應(yīng)產(chǎn)物中的多烷基苯衍生物和未轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物 （ 主要是過量苯 ） 分離出來 。 過程設(shè)計(jì)分析 ? 2 苯乙烯生產(chǎn)過程的分析 ? 苯乙烯合成 ? 苯乙烯的工業(yè)生產(chǎn)目前幾乎全采用乙苯催化脫氫方法。 ? 乙苯 苯乙烯 + H2 Δ H873 = 125 kJ/mol ? 乙苯催化脫氫在溫度高達(dá) 600℃ 左右進(jìn)行。由于脫氫為吸熱過程，根據(jù) Le Chatelier’ s原理，高溫和低壓（現(xiàn)代工業(yè)裝置中壓力小于 ）有利于反應(yīng)進(jìn)行，但在高溫時(shí)苯乙烯和乙苯熱分解顯著，使苯乙烯收率減低。其主要反應(yīng)如下： ? 乙苯 苯乙烯 ＋ H2 ? 乙苯 苯 ＋ C2H4 ? 乙苯 ＋ H2 甲苯 ＋ CH4 乙苯生產(chǎn)過程設(shè)計(jì) ? 反應(yīng)系統(tǒng) ? 反應(yīng)物和產(chǎn)物分布 ? 反應(yīng)物為苯和乙烯 ? 產(chǎn)物為乙苯 （ 主產(chǎn)物 ） 和二乙苯及三乙苯 ? 設(shè)反應(yīng)進(jìn)料組成為乙烯和苯的摩爾比為 x0 ? 反應(yīng)產(chǎn)物的分布 （ 摩爾組成 ） 如下： ? 苯的摩爾分率 =++ ? 乙苯的摩爾分率 =++ ? 二乙苯的摩爾分率 =++ ? 三乙苯的摩爾分率 =++ 乙苯生產(chǎn)過程設(shè)計(jì) ? 反應(yīng)系統(tǒng) ? 反應(yīng)條件 – 氣相連續(xù)反應(yīng) – 反應(yīng)溫度： 820oF， 等溫 – 反應(yīng)壓力： 300psia， 等壓 – 催化劑： ZSM5沸石催化劑 020300203001 ??????????xxxxxxxx乙苯生產(chǎn)過程設(shè)計(jì) 反應(yīng)的選擇性 s1可表示為產(chǎn)物組成的函數(shù)：三乙苯分率二乙苯分率產(chǎn)物中乙苯分率產(chǎn)物中乙苯分率選擇性???由式 （ 21 ）至式 （ 24 ）可得：02030020301?????????xxxxxxs 反應(yīng)系統(tǒng) 2 . 1. 3 反應(yīng)選擇性和轉(zhuǎn)化率 乙苯生產(chǎn)過程設(shè)計(jì) ? 反應(yīng)系統(tǒng) ? 反應(yīng)的循環(huán)結(jié)構(gòu) ? 未反應(yīng)的苯和多乙苯 ? 苯 ? 乙烯 乙苯 ? 圖 21 乙苯合成的循環(huán)結(jié)構(gòu)圖 反應(yīng) 系統(tǒng) 分離 系統(tǒng) 2 . 乙苯生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)2 .1 反應(yīng)系統(tǒng)2. 1. 5 產(chǎn)量和進(jìn)料量反應(yīng)器出口乙苯流率 1211yFyPfmaaP??反應(yīng)器出口二乙苯流率020300203011??????????xxxxxxPPab反應(yīng)器出口三乙苯流率020300203011??????????xxxxxxPPac 當(dāng)反應(yīng)進(jìn)料組成為乙烯和苯的摩爾比 x0取 0 . 5 時(shí)，由式 25 和式 26 可得： x1=0. 4027 s1=0. 7752由式 27 至式 29 可得： P1a=327. 4m ol / h P1b=83. 49m ol / h P1c=1 1. 46m ol / h由物料平衡和反應(yīng)產(chǎn)物可知反應(yīng)器進(jìn)料： 新鮮苯進(jìn)料量 111sPFaf? （式 210 ） 循環(huán)進(jìn)料量 ???????? ??11111xxFFfr （式 21 1 ） 新鮮乙烯進(jìn)料量 ? ?rffFFxF1100??? （式 212 ） 總進(jìn)料量 frftFFFF0111??? （式 213 ） F1f=422. 3m ol / h F0f=524 . 4m ol / h F1r=619. 3m ol / h F1t=1566m ol / h 2 . 乙苯生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)2 .1 反應(yīng)系統(tǒng)2. 1. 6 反應(yīng)器的確定根據(jù)反應(yīng)條件，本設(shè)計(jì)擬采用固定床反應(yīng)器。反應(yīng)器容積： 進(jìn)料體積流率0001PTTVPFGt?? 反應(yīng)器容積 ??? GVR當(dāng)反應(yīng)進(jìn)料組成 x0取 0 . 5 時(shí)，反應(yīng)器容積 VR= 0 . 749m3。 2 . 乙苯生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)2 . 2 分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)2. 2. 1 分離序列由于反應(yīng)產(chǎn)物中存在未反應(yīng)的苯 、 產(chǎn)物乙苯和副產(chǎn)物多乙苯，必須將產(chǎn)物乙苯分離出來作為生產(chǎn)苯乙烯的原料，同時(shí)將未反應(yīng)的苯和多乙苯循環(huán)使用。因此，存在著分離序列的選擇。本設(shè)計(jì)采用啟發(fā)—試探法進(jìn)行排序。排定塔序的推理法則如下：1 流量最大的組分最先分離；2 最輕的組分最先分離；3 高收率的組分最后分離；4 分離困難的組分最后分離；5 等摩爾分割優(yōu)先；6 下一個(gè)分離應(yīng)該是最便宜的。 2 . 乙苯生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)2 . 2 分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)2. 2. 1 分離序列當(dāng)反應(yīng)進(jìn)料組成 x0取 0 . 5 時(shí)，反應(yīng)器出口組成見表 21 ： （此時(shí)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為0. 4027 。經(jīng)查數(shù)據(jù)手冊，得各物質(zhì)的沸點(diǎn)如下表 21 ：表 2 1 反應(yīng)產(chǎn)物的流量和沸點(diǎn)物質(zhì) 苯 乙苯 二乙苯 三乙苯流量 （ m o l / h ） 553. 41 340. 9 0 86. 93 1 1. 93沸點(diǎn) （ ? F ） 176. 2 277. 1 361. 0 412. 1 2 . 乙苯生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)2 . 2 分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)2. 2. 1 分離序列 苯 循環(huán)進(jìn)料 多乙苯 反應(yīng)產(chǎn)物 0 產(chǎn)品乙苯圖 2 2 產(chǎn)品乙苯分離序列苯塔乙苯塔 2 . 乙苯生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)2 . 2 分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)表 2 2 分離系統(tǒng)操作條件理論板數(shù) NT回流比 R 溫度 T( ? F)最小 實(shí)際 最小 實(shí)際壓力 P( P s i a ) 進(jìn)料 塔頂 塔底苯塔 8. 8 20 0. 45 0. 54 15 20 6 .8 177. 1 290. 9乙苯塔 1 1. 7 26 0. 60 0. 72 15 290. 9 278. 6 367. 7物流流量 ( m o l / h) 熱負(fù)荷 ( M M B t u)進(jìn)料位置Nf 進(jìn)料 塔頂 塔底 塔頂冷凝器 塔釜再沸器苯塔 10 946. 7 524. 5 422. 3 3. 70 1 1. 94乙苯塔 15 422. 3 327. 4 94. 8 3. 62 8. 95 2 . 乙苯生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)2 . 2 分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)表 2 3 各股物流的流量及組成塔 物流 流量(