【文章內(nèi)容簡介】 至 90 年代初，隨著國內(nèi)乙烯工業(yè)的發(fā)展，才相繼建成幾套苯乙烯裝置。截至 2020 年，國內(nèi)苯乙烯企業(yè)有 14 家，生產(chǎn)能 力約 1Mt／ a，產(chǎn)量 。其中中石化產(chǎn)量占 %，中石油占 40%，其余 %[7]為地方投資。 我國現(xiàn)有的苯乙烯生產(chǎn)裝置除了 揚(yáng)子巴斯夫苯乙烯公司和吉林石化公司規(guī)模相對較大外，其余均較小 . 產(chǎn)品供需現(xiàn)狀及預(yù)測 石化 (Sinopec)合資在上海漕涇化學(xué)工業(yè)區(qū)建設(shè) 500kt／ a 的苯乙烯裝置， 已 于 2020年投產(chǎn) ； 殼牌化學(xué)公司也與中海油 (中國海洋石油總公司 )合資在廣東惠州建設(shè)環(huán)氧丙烷／苯乙烯裝置，苯乙烯能力為 560kt／ a， 2020 年第四季度投產(chǎn) ； 此外，其他一些新建和擴(kuò)建項(xiàng)目也將陸續(xù)進(jìn) 行，如 汕頭海洋公司 400kt／ a 苯乙烯項(xiàng)目計(jì)劃于 2020年 底 建成投產(chǎn) 。目前，我國約 60%的苯乙烯用于生產(chǎn)聚苯乙烯（ PS）和發(fā)泡聚苯乙烯（ EPS）， 17%用于生產(chǎn) ABS， 23%用于生產(chǎn)其他產(chǎn)品。未來幾年由于終端產(chǎn)品的合理化和 PS 替代產(chǎn)品的出現(xiàn)，我國主要的苯乙烯下游行業(yè) PS 和 EPS 消費(fèi)增速將有所放緩，而 ABS 樹脂和丁苯橡膠（ SBR）的需求增長迅速，將成為推動苯乙烯消費(fèi)增長的新動力。進(jìn)入本世紀(jì)以來，我國苯乙烯的表觀需求量逐年增長， 2020— 2020 年，由 220 萬噸增加到 548 萬噸， 7 年累計(jì)增加了 150％。國內(nèi)苯乙烯產(chǎn)量在 20202020 年變化不大，自 2020 年開始，隨著上海賽科、中海殼牌、江蘇雙良、常州東昊等裝置的建成投產(chǎn)，產(chǎn)量出現(xiàn)了較大增長。與此相對應(yīng)的是進(jìn)口量增長開始下降， 20 2020 連續(xù)兩年出現(xiàn)了負(fù)增長，國內(nèi)苯乙烯的進(jìn)口依存度由 2020 年高點(diǎn)時的 ％降到了 2020 年的 51％。苯乙烯長期處于短缺狀態(tài)，一直依賴進(jìn)口產(chǎn)品來滿足國內(nèi)市場需求。據(jù)調(diào)查， 2020 年之前，國內(nèi)新建或者擬建的苯乙烯項(xiàng)目大約有 10 個，有約 250 萬噸的產(chǎn)能于 2020 年建成。預(yù)計(jì)到 2020 年，國內(nèi)將新增309 萬噸苯乙烯產(chǎn)能，比 2020 年的 291 萬噸的產(chǎn)能翻一番還多。 2020 年國內(nèi)苯乙烯的總生產(chǎn)能力達(dá)到約 ，以 88%的開工率計(jì)算，產(chǎn)量將達(dá)到 ， 2020 年生產(chǎn)能力達(dá) 8 到約 [8]。我國苯乙烯主要用于生產(chǎn) PS、 ABS 樹脂、 SAN 樹脂、不飽和聚酯樹脂、丁苯橡膠、丁苯膠乳以及苯乙烯系熱塑性彈性體等，其中 PS 是苯乙烯最重要的消費(fèi)領(lǐng)域。 隨著我國建材、家電和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對 PS、 ABS 樹脂以及苯乙烯系列橡膠SBR、 SBS 等需求將繼續(xù)保持較快增速，尤其是未來幾年我國 PS 市場需求將以年 均 %的速度增長，相對應(yīng)苯乙烯的需求量也將不斷增加。預(yù)計(jì) 2020 年我國對苯乙烯的需求量將達(dá)到 780 萬 t，而屆時我國苯乙烯產(chǎn)能為 550萬 t/a 左右，市場缺口為 230 萬 國經(jīng)濟(jì)保持高速發(fā)展和世界經(jīng)濟(jì)走出低谷逐漸提速，以及世界經(jīng)濟(jì)一體化趨勢的不斷進(jìn)展和中國加入 WTO 后市場的日益開放，中國經(jīng)濟(jì)作為世界經(jīng)濟(jì)的一個組成部分正日益融入全球經(jīng)濟(jì)大循環(huán)，中國日漸成為一個理想的全球商品供應(yīng)基地，這為苯乙烯需求提供了廣闊的市 。 根據(jù)我國各消費(fèi)領(lǐng)域?qū)Ρ揭蚁┑男枨箢A(yù)測合計(jì)，預(yù)計(jì)到 2020 年，我國苯乙烯的消費(fèi)量將達(dá)到約 4Mt， 2020 年達(dá)到 5Mt。苯乙烯在我國目前仍處于 產(chǎn)不足需 的狀態(tài) ， 我國 每年仍需 從國外 大量進(jìn)口，因此，苯乙烯工業(yè)在我國發(fā)展前景仍十分樂觀。 目前國內(nèi)所采用的苯乙烯生產(chǎn)工藝多為乙苯催化脫氫工藝，單套裝置的年產(chǎn)量較小，未來關(guān)于苯乙烯生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)方向主要集中在提高單套裝置的年生產(chǎn)能力。本設(shè)計(jì)用現(xiàn)行的乙苯催化脫氫制取苯乙烯的方法為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行再設(shè)計(jì)，提高單套裝置的年生產(chǎn)能力，緩解我國苯乙烯供不足需的狀況，進(jìn)一步提高我國苯乙稀在國內(nèi)外的競爭力 .本設(shè)計(jì)選取的是粗苯乙烯精餾工段，通過對該工段進(jìn)行物料衡算、熱量衡 算，以及對粗苯乙烯精餾塔的設(shè)備的計(jì)算與選型，基本上完成了粗苯乙烯精餾工段的課程設(shè)計(jì)。 9 第 3章 生產(chǎn)工藝的反應(yīng)歷程 反應(yīng)方程式 催化劑 C2H5 CH=CH2 + H2 500～ 600℃ 除脫氫反應(yīng)外，同時發(fā)生一系列副反應(yīng)，副產(chǎn)物甲苯、苯、焦油等； 42665256 HCHCHCHC ?? 425625256 CHCHHCHHCHC ??? 626625256 HCHCHHCHC ??? 25256 58 HCHCHC ?? 2225256 21816 HCOOHHCHC ??? 為了減少在催化劑上的結(jié)炭，需要在反應(yīng)器中進(jìn)料中加入高溫水蒸氣，從而發(fā)生下述反應(yīng)： 222 2 HCOOHC ??? 脫氫 反應(yīng)式 1mol 乙苯生成 2mol 產(chǎn)品（苯乙烯和氫氣），因此加入蒸汽也可使苯乙烯在系統(tǒng)中的分壓降低，有利于提高乙苯的轉(zhuǎn)化率 [9]。催化劑以三氧化二鐵為主，加上氧化鉻、氧化銅、氧化鉀等助催化劑涂于氧化鐵或碳酸鉀等載體上，投料比為水蒸氣 :乙苯 =2～3:1（質(zhì)量比） [10]， 反應(yīng)所得的氣體混合物經(jīng)冷凝 、油水分離、多塔分離和精制，制得苯乙烯 . 生產(chǎn)過程 油水分離的有機(jī)相進(jìn)入粗餾塔，并加入阻聚劑防止苯乙烯聚合，還要進(jìn)入乙苯塔、苯乙烯精餾塔、苯∕甲苯塔，將依次它們分離出來，把分離出來的乙苯送回脫氫反應(yīng)器，使其循環(huán)。而本設(shè)計(jì)主要針對的是粗苯乙烯精餾工段，即苯乙烯和焦油的分離過程的設(shè)計(jì)。 精餾原理及目的 精餾塔是進(jìn)行精餾的一種塔式汽液接觸裝置 [11]，又稱為蒸餾塔。有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據(jù)操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。 10 蒸汽 由塔底進(jìn)入，與 下降液進(jìn)行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā) (低沸點(diǎn) )組分不斷地向蒸氣中轉(zhuǎn)移，蒸氣中的難揮發(fā) (高沸點(diǎn) )組分不斷地向下降液中轉(zhuǎn)移，蒸氣愈接近塔頂，其易揮發(fā)組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，達(dá)到組分分離的目的。由塔頂上升的 蒸汽 進(jìn)入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進(jìn)入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，熱蒸發(fā)后， 蒸汽 返回塔中，另一部分液體作為釜?dú)堃喝〕觥? 精餾原理 (Principle of Rectify)[12]蒸餾的基本 原理是將液體混合物部分氣化 ,利用其中各組份揮發(fā)度不同（相對揮發(fā)度， α ）的特性，實(shí)現(xiàn)分離目的的單元操作。蒸餾按照其操作方法可分為：簡單蒸餾、閃蒸、精餾和特殊精餾等。 本節(jié)以兩組分的混合物系為研究對象，在分析簡單蒸餾的基礎(chǔ)上，通過比較和引申，講解精餾的操作原理及其實(shí)現(xiàn)的方法，從而理解和掌握精餾與簡單蒸餾的區(qū)別（包括：原理、操作、結(jié)果等方面 ） 。 精餾實(shí)驗(yàn)是一種汽液傳質(zhì)的過程，是一種化工生產(chǎn)上常用的液體混合物分離達(dá)到提純或回收有用組分的方法。是基于液體混合物中各組分揮發(fā)度的差異。 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)具有深度減壓，絕熱乙苯脫氫工藝。 魯姆斯（ UOP∕ Lummus）經(jīng)典苯乙烯單體生產(chǎn)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，目前大約有 55 套裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)。 乙苯 (EB)脫氫是在蒸汽存在下，利用蒸汽來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，對乙苯 (EB)轉(zhuǎn)化為苯乙烯 (SM)有利，在有兩個絕熱反應(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，然后在一個用火加熱的蒸汽過熱器內(nèi)進(jìn)行過熱，再與過熱蒸汽相混合，在一個兩段、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)混合物 (DM)（苯乙烯、未反應(yīng)乙苯、苯、甲苯和少量高沸物）中加入一種不含硫的阻聚劑 (NSI)以減少聚合而損失苯乙烯（ SM）單體，然后在乙苯 /苯乙烯單體 11 （ EB/SM）分餾塔進(jìn)行分離，塔頂輕組分 (EB)及輕組分 (苯 /甲苯 )（從塔頂取得 )去乙苯分離塔，從而從乙苯分離出苯和甲苯，回收的乙苯返回脫氫反應(yīng)器原料中。 EB/SM 塔底物（苯乙烯單體和高沸物）在最后苯乙烯分餾塔內(nèi)進(jìn)行分餾，塔頂產(chǎn)品即為苯乙烯（ SM）單體產(chǎn)品，少量的塔底焦油用作蒸汽過熱器的燃料，蒸汽過熱器所需大部分燃料來自脫氫廢氣和苯 乙烯焦油。 生產(chǎn)控制參數(shù)及具體操作 水蒸氣 :乙苯 =3:1（質(zhì)量比） 轉(zhuǎn)化率：脫氫過程為 90% 、壓強(qiáng)和時間 脫氫溫度控制在 600℃左右，負(fù)壓； 多塔分離控制在常溫，常壓。 在脫氫反應(yīng)器 600℃條件下，加入定量的水蒸氣、乙苯和氧氣混合氣體，反應(yīng)完全后；通到冷凝器進(jìn)行冷凝、降溫；輸送到氣體壓縮機(jī)油水分離器將有機(jī)相和無機(jī)相分離，保持恒溫 20℃左右；和阻聚劑一起加到粗餾塔中，初步分離，塔頂為乙苯、苯和甲苯，塔底為苯乙烯、焦油；將其送至乙苯塔和苯乙烯精制塔，乙 苯塔分離出乙苯和甲苯、苯，把乙苯送回脫氫反應(yīng)器，還將甲苯和苯送到苯∕甲苯塔分離，分離出甲苯和苯。苯乙烯精制塔中分離出純度極高的苯乙烯和含量極少的焦油。 12 第 4章 工藝計(jì)算 生產(chǎn)能力的計(jì)算 化工生產(chǎn)的操作可分為全間歇、半間歇、連續(xù)和半連續(xù)四種；在全間歇操作中，整批物料投在一個設(shè)備單元中處理一定時間，然后整批輸送到下一個工序；半間歇操作過程是間歇操作過程的連續(xù)操作過程。全間歇與半間歇（統(tǒng)稱間歇式操作）的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，改變生產(chǎn)品種容易；其缺點(diǎn)是原料消耗定額高，能量消耗大，勞動生產(chǎn)率低，產(chǎn)品 質(zhì)量不穩(wěn)定。連續(xù)式操作，原料及能量消耗低，勞動生產(chǎn)率高，因此比較經(jīng)濟(jì)；但總投資較大，占地面積較大，一般單線生產(chǎn)能力為 2～ 10萬噸 /年。半連續(xù)操作與連續(xù)操作相比設(shè)備費(fèi)用較少，操作較簡單，改變生產(chǎn)品種較容易，但產(chǎn)品質(zhì)量不如連續(xù)操作穩(wěn)定，與間歇操作相比，生產(chǎn)規(guī)模更大，勞動生產(chǎn)率也更高，用與較大規(guī)模的品種生產(chǎn)，一般為 1～ 2萬噸 /年。由于苯乙烯用量很大，需連續(xù)化大生產(chǎn)。采用連續(xù)式操作比較有利。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，苯乙烯的年生產(chǎn)能力為 30 萬噸 /年。開工因子 =生產(chǎn)裝置開工時間 /年自然時間。為了充分利用設(shè)備，開工因子應(yīng)取的較大 ，接近 1，但又不能等于 1。因?yàn)檫€要考慮到設(shè)備的檢修以及開停車等情況。開工因子一般取為 ～ 。全年 365 天，則年生產(chǎn) 250～ 300 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（ 36565）天 =300 天。定每天生產(chǎn)為 1 批料，每小時生產(chǎn)一批。 可知每批料的生產(chǎn)能力為（ 300000 103/300） Kg/天 =1000 103Kg/天 =，以此作為物料衡算的標(biāo)準(zhǔn)。 質(zhì)量守恒定律 質(zhì)量守恒定律是“進(jìn)入一個系統(tǒng)的全部物料量，必須等于離開這個系統(tǒng)的全部物料量，再加上 過程中損失量和在系統(tǒng)中累計(jì)量”。依據(jù)質(zhì)量守恒定律，對研究系統(tǒng)做物料衡算，可用下式表示： G = G + G + G? ? ? ?進(jìn) 出 損 積 式中 G?進(jìn) — 輸入物料量總和； G?出 — 離開物料量總和； G?損 — 總的損失量； G?積 — 系統(tǒng)中積累量。 13 苯乙烯精餾塔的物料衡算 投料量計(jì)算 對連續(xù)生產(chǎn) 可確定計(jì)算基準(zhǔn)為 Kg/批，則需計(jì)算每批產(chǎn)量及原料投料量。乙苯的脫氫反應(yīng) (見反應(yīng)歷程 ) 其中原料規(guī)格：乙苯（ %） 水蒸氣（ 95%） 原料乙苯含甲苯 %、含苯 %，含焦油 %[13]。原料水蒸氣含 5%的雜質(zhì)氣體。 每批產(chǎn)苯乙烯： G8 =1000Kg 投料比：水蒸氣 :乙苯 =3:1（質(zhì)量比） [14] 轉(zhuǎn)化率：脫氫過程為 90% 分離率：多塔分離過程為 98% 每班理論投料乙苯量： G1 =(1000/24 310 )/( 90% 98% 98%)= 410 Kg 每班理論投水蒸氣量： G2 =3 410 = 410 Kg 每批原料實(shí)際投入量： G1 =( 410 /)Kg= 410 Kg G2 =( 410 /)Kg= 410 Kg 雜質(zhì)： G3 =（ ） 410 Kg+() 410 Kg= 410 Kg 催化劑的量： G4 =(+) 410 %Kg= 310 Kg 脫氫過程計(jì)算 轉(zhuǎn)化率為： 90% 苯乙烯的產(chǎn)量 5G =( 410 1 90%)/= 410 Kg 氫氣的產(chǎn)量： 6G =（ 410 90% 2） /= 310 Kg 氧氣的加入量： 7G =（ 32 310 ） /2= 310 Kg 乙苯剩余量： 8G = 410 （ 1－ 90%） = 310 Kg