【文章內(nèi)容簡介】 子進行示蹤的方法，獲得脫氫催化劑中晶格氧參與反應的確鑿證據(jù)，從而制定增加 晶格氧活潑性的方案，促進氧轉移脫氫反應的快速進行。 對稀土元素在脫氫催化劑中的應用研究 對稀土促進的 Fe 2O3— K2O 系脫氫催化劑而言，在 Fe2O3微晶的相邊界發(fā)生了氧化還原反應如： Fe3++X3+==Fe2++X4+，促進了 Fe3+/Fe2+電子傳遞更頻繁地進行，加速了氧化 還原 反應 周期， 從 而使催化劑脫氫活性增加，脫氫溫度降低。目前國內(nèi)外催化劑中均采用部分稀土元素作為促進劑。我國作為世界上的稀土大國，稀土資源十分豐遼寧石油化工大學畢業(yè)設計（論文）用紙 6 富，以往脫氫催化劑研究中對稀土種類的選擇范圍太窄，復合稀土的應用尚未涉及，應加強此類工作的研 究。 充分認識催化劑的結構對性能的影響 催化劑的結構決定催化劑的性質(zhì)。脫氫催化劑中存在的多鐵酸鉀 11 17KFe 0 具有23K Al 0?? 型結構，鉀離子隱藏在 Fe— O 骨架形成的尖晶石層狀結構中，且可在其中自由移動以傳輸電子。 國內(nèi)這些年對 Fe2O3與 K2O 相互作用形成的多鐵酸鉀 11 17KFe 0 尖晶石結構逐步有了認識，對尖晶石結構對催化劑活性、穩(wěn)定性、機械強度、耐水性能的影響有了初步了解，然而對該結構的 形成機理以及影響它形成的因素缺乏系統(tǒng)認識，缺少在催化劑獲得大量 11 17KFe 0 尖晶石結構的有效手段。 重視催化劑制備技術的研究 根據(jù)乙苯脫氫反應動力學模型，催化劑的外形、尺寸等脫氫反應性能均存在明顯影響。除常見的圓柱型催化劑外，國內(nèi)有關單位 還研制了三葉型、車輪型催化劑。為脫氫催化劑的性能提高開辟了新的研究途徑。然而，隨著研究的深入，突出的是催化劑的機械強度問題。低強度的催化劑在應用過程中可能會產(chǎn)生粉化，使得催化劑的床層阻力降明顯提高，導致裝置停車。因此應同時對催化劑的 成型、焙燒等手段進行同步研究。 開展催化劑應用技術的研究 催化劑的裝填、開車乃至于拆卸都會對催化劑使用效果產(chǎn)生影響。改變目前人工裝填催化劑對催化劑損傷大、勞動強度高、裝填均勻性差的狀況，改用機械裝置真空裝填的方法，要對裝填技術和裝填機械進行研究。對催化劑的拆卸技術進行專門研究，形成專門的燒焦技術，以達到保護關鍵設備反應器的目的。還應對催化劑開車初期活化條件進行研究，使得催化劑中 Fe3+/Fe2+之間實現(xiàn)轉化并盡快達到平衡，遼寧石油化工大學畢業(yè)設計（論文）用紙 7 以降低催化劑初始使用溫度，為催化劑使用壽命的延長贏得寶貴的時間。此外，從環(huán)境保護的角度 出發(fā)，為廢棄催化劑的利用尋找新途徑，為實現(xiàn)綠色工藝奠定基礎。 苯乙烯生產(chǎn)方法概述 乙苯脫氫法 乙苯脫氫法是目前生產(chǎn)苯乙烯的主要方法。在工業(yè)上，乙苯的來源主要采用烷基化法，苯和乙烯在催化劑的作用下生成苯乙烯，其次從煉油廠的重整油、烷烴裂解過程中的裂解汽油和煉焦廠的煤焦油中通過精餾分離出來。 此法分兩步進行，第一步是苯和乙烯反應，生成乙苯；第二步是乙苯脫氫生成苯乙烯，其反應式為： 乙苯共氧化法 乙苯共氧化法，又稱哈康法，該法分三步進行，首先是生成乙苯過氧化氫，然后將乙苯過氧化氫與丙烯反應，生成 ? ?甲 基 苯 甲 醇 和環(huán)氧丙烷，然后使前者脫水生成苯乙烯。 遼寧石油化工大學畢業(yè)設計（論文）用紙 8 甲苯為原料合成苯乙烯 以甲苯為原料合成苯乙烯共有兩種方法。第一種方法分為兩步，第 一步為采用23/P bO M gO A l O? 為催化劑，在水蒸氣存在下使用苯脫氫縮合生成苯乙烯基苯；第二步將苯乙烯基苯與乙烯在 22/WO K O SiO? 催化劑作用下生成苯乙烯。 另一種方法為甲苯和甲醇直接合成苯乙烯，此方法正在研究之中，未進行工業(yè)化生產(chǎn)。 乙烯和苯直接合成苯乙烯 采用貴金屬催化劑，可在液相，也可以在氣相中進行反應，副產(chǎn)品有乙烯、乙醛、二氧化碳等。此技術正處于研究之中，有一定的發(fā)展前景 [7]。 乙苯氧化脫氫 此種方法的特點是不受乙苯脫氫平衡的限制，也不采用水蒸氣。目前尚在研究階段，是一個極有發(fā)展前景的生產(chǎn)路線 [8]。 212O遼寧石油化工大學畢業(yè)設計（論文）用紙 9 乙苯脫氫制苯乙烯工藝方法概述 在國內(nèi)的苯乙烯裝置中， 主要采用乙苯脫氫制苯乙烯法進行 生產(chǎn)主 ，其主要工藝方法為 Lummus／ UOP 乙苯脫氫工藝、 Fina／ Badger 乙苯脫氫工藝和乙苯脫氫選擇性氧化工藝（ Smart 工藝）。 Lummus／ UOP 乙苯脫氫工藝 該工藝的脫氫反應在脫氫反應器中進行，反應溫度為 600~640℃，反應壓力為400kPa(A)左右，同時向反應器中 加入蒸汽以降低苯乙烯分壓，蒸汽／乙苯質(zhì)量 為~， 乙苯轉化率 60%以上，苯乙烯選擇性達 95%以上。 反應器內(nèi)設有約翰遜網(wǎng)，氣體在徑向 上分布均勻，壓降較低 [9]。 第二脫氫反應器出口的反應產(chǎn)物首先將乙苯／蒸汽預熱，然后產(chǎn)生兩個壓力等級的低壓蒸汽。 脫氫液先經(jīng)過乙苯／苯乙烯塔，從塔頂分離 苯、 甲苯、乙苯等比苯乙烯輕的組份去乙苯回收塔及苯／甲苯分離塔，從塔底采出的粗苯乙烯去苯乙烯塔，然后得到苯乙烯產(chǎn)品。 脫氫液的分離采用四塔流程，苯乙烯經(jīng)歷二次加熱。乙苯／苯乙烯塔采用高真空低釜溫的工藝，操作壓力為 12~40kPa(A)，焦油生成量少。 Fina／ Badger 乙苯脫氫工藝 該工藝同樣采用絕熱脫氫方法，高溫蒸汽提供脫氫需要的熱量并降低進料中乙苯的分 壓和抑制結焦。蒸汽過熱至 800~890℃，與預熱器內(nèi)的乙苯混合后再通過催化劑，反應溫度為 580~650℃，壓力為負壓，蒸汽 /乙苯質(zhì)量比為 ~。反應器材質(zhì)為鉻鎳，反應產(chǎn)物在冷凝器中冷凝 [10]。 212O遼寧石油化工大學畢業(yè)設計（論文）用紙 10 反應系統(tǒng)、脫氫液分離、尾氣壓縮及洗滌等部分與 Lummus／ UOP 的乙苯脫氫工藝基本相同，但廢熱回收換熱器的型式及流程與 Lummus／ UOP 乙苯脫氫工藝不同。 在 Fina／ Badger 工藝中，第二脫氫反應器出口的反應產(chǎn)物首先在第一個換熱器中將乙苯／蒸汽預熱，然后進入第二換熱器產(chǎn)生高壓蒸汽，最后進入第三個換熱器中，利用反應產(chǎn)物的余熱將脫氫單元的乙苯汽化。 Fina／ Badger 工藝的苯乙烯精餾工藝與 Lummus／ UOP 工藝差別較大，脫氫液先經(jīng)過苯／甲苯塔，從塔頂分離出苯、甲苯等比乙苯輕的組份，從塔底得到乙苯、苯乙烯等比乙苯重的組份；苯／甲苯塔底物料進入乙苯回收塔，在乙苯回收塔頂?shù)玫交厥找冶?，塔底為含有重組份的苯乙烯；乙苯回收塔底的物料進入苯乙烯塔，去除重組份后在苯乙烯塔塔頂?shù)玫奖揭蚁┊a(chǎn)品。 脫氫液的精餾雖然也采用四塔流程，但苯乙烯經(jīng)歷了三次加熱。 乙苯脫氫選擇性氧化工藝（ Smart 工藝） 乙苯脫氫選擇性氧化工藝主 要是向脫氫反應器的出口物流中加入定量的氧氣及蒸汽，然后進入氧化／脫氫反應器，該反應器中裝有高選擇性氧化催化劑及脫氫催化劑，氧與氫反應產(chǎn)生的熱量使反應物流升溫，同時使反應物中的氫分壓降低，打破了傳統(tǒng)脫氫反應的熱平衡，反應向生成苯乙烯的方向移動。選擇氧化催化劑活性很高，對氫具有高選擇性，同時烴損失很少 [11]。 此工藝將乙苯單程轉化率提高至 70%以上，同時有效地利用了氫氣氧化反應所放出的熱量，適用于對常規(guī)苯乙烯裝置改造，可使生產(chǎn)能力提高 30%~50%。 Aspen Plus 軟件 及 功能簡介 Aspen Plus 作 為目前通用的大型化工過程模擬軟件，提供了豐富的物性數(shù)據(jù)，熱力學模型和單元操作模型，用于化工過程的模擬和優(yōu)化。其計算結果得到許多同行的認可，該軟件也和其他軟件一樣在不斷地升級。在化工、煉油、石油化工、氣遼寧石油化工大學畢業(yè)設計（論文）用紙 11 體加工、煤炭、醫(yī)藥、食品等許多工業(yè)領域被廣泛使用。在化工工程設計中運用Aspen Plus 模擬，不僅大大縮短了工 程設計時間，也很方便的進行工藝方案的優(yōu)化。 化工系統(tǒng)工程主要包括模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和系統(tǒng)綜合等，其中模擬是基礎，也是最重要的環(huán)節(jié)。 Aspen Plus 因為具有工業(yè)上最適用且完備的物性系統(tǒng)，作為計 算機輔助性軟件能精確模擬出實際化工過程而得到廣泛應用。 Aspen Plus 具有以下特點： (1)擁有一套完整的單元操作模型，用于模擬各種操作過程，從單個操作單元到整個工藝流程的模擬。 (2)具有工業(yè)上最適用而完備的物性系統(tǒng)。同時還提供靈活的數(shù)據(jù)回歸系統(tǒng)，使用實驗數(shù)據(jù)來求物性參數(shù)，可以回歸實際應用中的任何類型的數(shù)據(jù)，計算任何模型參數(shù)。同時物性常數(shù)估算系統(tǒng) (PCES)能夠通過輸入分子結構和易測性質(zhì)來估算短缺的物性參數(shù)，對于模擬流程中含有的新產(chǎn)品往往運用此功能非常有用。 (3)提供流程模擬所需的多種功能，快速而可靠地收 斂流程，便于快速準確的進行流程優(yōu)化計算。 (4)作工藝計算的同時進行經(jīng)濟評價，用戶能夠估算基建費用和操作費用，進行過程的技術經(jīng)濟評價。經(jīng)濟評價可以應用于任何階段，從工藝過程的研究開發(fā)、設計、工廠建設以及工廠操作過程等 [12~14]。 Aspen Plus 模擬軟件在化工生產(chǎn)過程中的精餾、蒸餾、吸收等常規(guī)單元操作裝置設計開發(fā)和應用上已經(jīng)取得顯著成果，并取得了運用模擬解決實際生產(chǎn)中遇到的問題及為節(jié)能降耗進行的工藝設備改進的經(jīng)驗。化工是一個復雜龐大的系統(tǒng)，針對一些復雜工藝操作過程往往很難單一的利用 AspenOne 模擬軟件準確模擬工藝過程，應尋求與其他軟件結合起來達到最佳的模擬優(yōu)化效果。同時以后應進一步擴大應用范圍結合工程設計做更深入的開發(fā)和應用，特別是將裝置設計、工藝操作、基礎建設成本投資、經(jīng)濟評價及效益分析結合起來，使 Aspen Plus 在工程應用中更加有效地發(fā)揮其功能。 遼寧石油化工大學畢業(yè)設計（論文）用紙 12 本設計方案主要內(nèi)容 及意義 本設計 方案為 20 萬噸 /年乙苯脫氫制苯乙烯裝置進行 了 詳細 的設計。對反應器和精餾塔進行物料衡算，選擇適宜的操作條件和進料組成。通過計算機流程模擬軟件 Aspen Plus 對反應器和精餾分離部分進行了模擬運算，得到了反應 器與精餾塔的工藝尺寸。并對所 需相關輔助設備的溫度、壓力、物料的摩爾組成 進行了 計算，經(jīng)過反復調(diào)整，并確定比較理想的生產(chǎn)工藝。 本設計方案的最大特點是利用了計算機流程模擬軟件 Aspen Plus 對 20 萬噸 /年乙苯脫氫制苯乙烯裝置進行了模擬優(yōu)化，通過計算機的反復驗算得到了更為合理的工藝尺寸。 該套苯乙烯裝置的模擬優(yōu)化為國內(nèi)同類裝置的流程優(yōu)化提供了經(jīng)驗。 遼寧石油化工大學畢業(yè)設計（論文）用紙 13 2 設計部分 設計任務書 設計題目： 20 萬噸 /年乙苯脫氫制苯乙烯裝置工藝設計 處理量：乙苯 20 萬噸 /年 乙苯催化脫氫主、副反應 主反應及反 應熱如下： 選擇性： 90% 副反應主要有乙苯的裂解、加氫裂解、水蒸汽轉化、聚合和縮合反應 等。 苯乙烯純度 99%（質(zhì)量），苯乙烯損失量 2%（質(zhì)量） ，乙苯脫氫轉化率為 75%（絕熱）。 乙苯脫氫催化劑 采用 11氧化鐵催化劑， d=3mm， h=13mm 乙苯脫氫反應條件 反應溫度： 600~660℃ (8 7 3 ) 1 2 5 /H K k J m o l??(8 7 3 ) 1 0 2 /H K kJ m o l? ? ? 選擇性： 4% (8 7 3 ) 6 4 .4 /H K k J m o l?? 選擇性： 3% ( 2 9 8 ) 4 1 .8 /H K k J m o l??選擇性： % (8 7 3 ) 1 .7 2 /H K k J m o l?? 選擇性： 1% (87 3 ) 79 3 /H K k J m ol??選擇性： % 遼寧石油化工大學畢業(yè)設計（論文）用紙 14 壓力：常壓，加入水蒸氣來稀釋原料氣，以降低乙苯的分壓，提高乙苯的平衡轉化率。水蒸氣與乙苯摩爾比 16~20。 空速：乙苯液態(tài)空速 ~。 乙苯脫氫工藝流程 原料氣與反應尾氣經(jīng)熱量交換后，再經(jīng)預熱進入脫氫絕熱反應器，熱量靠過熱蒸氣（ 720℃）帶入，入口溫度達 610~660℃，催化劑床層分三段，段與段之間加入過熱蒸氣，全部蒸氣與乙苯的摩爾比為 14:1。反應產(chǎn)物經(jīng)冷凝器冷卻后，分離為氣液兩相，氣相產(chǎn)物中含有大量的 H2 及少量的 CO、 CO2，可作燃料使用。冷凝液經(jīng)一系列精餾后將其中的苯、甲苯、乙苯分離出來，在苯乙烯精餾塔中得到苯乙烯，塔底產(chǎn)物為焦油。 物料衡算 乙苯脫氫制苯乙烯裝置包括脫氫和精餾兩個單元 。為簡化計算，根據(jù)設計任務書，做出如下假定： (1) 反應原料組成為純乙苯，年工作日為 300 天，每天 24 小時， 即裝置處理量為：乙苯 圖 2 1 苯乙烯流程示意圖 ； ； 、乙苯分離塔； ； 、甲苯分離塔； 432 0 1 0 1 0 2 7 7 7 7 . 7 8 / 2 6 2 . 0 5 /3 0 0 2 4 k g h k m o l h?? ???遼寧石油化工大學畢業(yè)設計（論文）用