【正文】 本設(shè)計(jì) 是在 我的指導(dǎo)教師封瑞江老師的悉心指導(dǎo)下完成的，封老師 對(duì)我學(xué)業(yè)的發(fā)展一直給予極大 的關(guān)心和支持。 s) T 溫度 K 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 49 致謝 本設(shè)計(jì)方案 的完成，標(biāo)志著我的本科生階段的學(xué)習(xí)已經(jīng)完成。 （ 3）本設(shè)計(jì)用工藝流程模擬軟件 Aspen Plus 建立了苯乙烯生產(chǎn)流程的數(shù)學(xué)模型，模擬結(jié)果與物料衡算出的理論數(shù)據(jù)較為一致，為苯乙烯生產(chǎn)的操作提供了一定的依據(jù)。 通過采用 Aspen Plus 流程模擬軟件對(duì)流程內(nèi)的所用設(shè)備進(jìn)行模擬和優(yōu)化，對(duì)裝置內(nèi)各工藝參 數(shù)的相互關(guān)系有了深入的了解，并得到了較為適宜的工藝參數(shù) 。供水壓力：考慮到回水壓力加上熱交換阻力和管道系阻力，因此取 (G)。 2）正常照明用 220/380 伏交流電，事故照明用 220 伏直流電。 表 3 3 反應(yīng)器工藝參數(shù) 設(shè)備名稱 長(zhǎng)度 /m 直徑 /m 停留時(shí)間 /h 總 轉(zhuǎn)化率 /% 總 選擇性 /% 第一反應(yīng)段 12 6 第二 反應(yīng)段 12 6 第三反應(yīng)段 12 6 精餾分離部分 表 2 14 精餾部分操作參數(shù)表 名稱 乙苯 — 苯乙烯塔 甲苯 — 乙苯塔 苯 — 甲苯塔 苯乙烯精餾塔 塔板數(shù) 78 19 29 27 進(jìn)料板 34 9 15 15 塔頂采出量（ kmol/h） / / 塔底采出量（ kmol/h） / 回流比 公用工程一覽 加熱蒸汽 根據(jù)生產(chǎn)需求 決定蒸汽壓力和溫度，蒸汽壓力取低壓 (G),進(jìn)反應(yīng)器溫度為 720℃，出反應(yīng)器溫度為 600℃。之后，利用初步模擬的結(jié)果，通過 RadFrac 模塊進(jìn)行詳細(xì)模擬，確定分離部分的工藝參數(shù)，并進(jìn)行精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與核算。 反應(yīng)器用 RPlug 模塊；精餾塔用RadFrac 模塊；換熱器用 HeaterX 模塊；泵用 Pump 模塊；油水分離器用 Dcanter 模塊；精餾塔的塔頂冷凝器采用 HeaterX 與 FSplit 模塊的組合形式；氣液 分離裝置用Flash2 模塊。塔頂產(chǎn)品進(jìn)入甲苯 — 乙苯塔，以甲苯為輕關(guān)鍵組分，以乙苯為重關(guān)鍵組分進(jìn)圖 3 1 乙苯脫氫制苯乙烯工藝流程圖 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 43 行分離，并于塔底得到未反應(yīng)的乙苯。反應(yīng)結(jié)束后，初產(chǎn)品經(jīng)換熱后在用水分離器中進(jìn)行分離，從油水分離器頂排除不凝氣，并在其底部排除廢水。 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 42 3 設(shè)計(jì)結(jié)果與討論 苯乙烯工藝流程圖 及流程概述 本設(shè)計(jì)方案采用乙苯三段催化脫氫的方法制備苯乙烯，現(xiàn)對(duì)工藝流程進(jìn)行描述如下。 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 37 進(jìn)料板為第 34 塊塔板 塔頂壓力 。 完成上述兩步后，利用過程模擬軟件 Aspen Plus 特有的靈敏度分析工具對(duì)各個(gè)精餾塔 進(jìn)料板位置與其所在精餾塔塔頂輕關(guān)鍵組分 摩爾分率的關(guān)系進(jìn)行靈敏度分析，以幫助我們確定合理的進(jìn)料板位置。 K 校正后的對(duì)數(shù)平均溫差 (LMTD corrected)： ℃ 換熱器分區(qū) 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 30 反應(yīng)器 單元模塊參數(shù)：化學(xué)動(dòng)力學(xué)平推流絕熱反應(yīng)器，長(zhǎng) 12m，直 徑 6m。 換熱器 單元模塊參數(shù)：逆 流，簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)計(jì)算，熱物流出口溫度 125℃。 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 26 設(shè)定全局特性 輸入化學(xué)組分信息 根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，對(duì)整個(gè)反應(yīng)過程進(jìn)行簡(jiǎn)化，并輸入化學(xué)組分為乙苯、苯乙烯、甲苯、苯、蒸氣、乙烯、甲烷和氫氣。 新建文件，對(duì)乙苯脫氫制苯乙烯工藝流程中的反應(yīng)部分進(jìn)行全流程模擬。 反應(yīng)部分模擬流程如圖所示： 圖 2 2 反應(yīng)部分模擬圖 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， 反應(yīng)器的直徑保持不變?yōu)?6m，其長(zhǎng)度從 8m 變化到 14m，且其他變量保持一致。 s 動(dòng)力學(xué)方程選擇 本模擬裝置采用國(guó)內(nèi)研制的催化劑，根據(jù)該催化劑在絕熱固定床反應(yīng)器中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，副產(chǎn)物只 考慮苯和甲苯，苯 直接由乙苯脫烷基 得到， 甲苯由乙苯加氫得到，并 與苯乙烯構(gòu)成平行反應(yīng)網(wǎng)絡(luò) [15~16]。 進(jìn)料 16 .72 /F kmol h? 塔頂 10 .7 9 ( 1 0. 00 2) 5. 87 0. 00 5 10 .8 0 /D k m ol h? ? ? ? ? ? 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 22 表 2 10 苯 — 甲苯精餾塔塔頂產(chǎn)品組成 苯 甲苯 總計(jì) kmol/h %（ mol） % % 100% 塔底 16 .72 10 .80 2 /W F D k mol h? ? ? ? ? 表 2 11 苯 — 甲苯精餾塔塔底產(chǎn)品組成 乙苯 甲苯 苯 總計(jì) kmol/h %（ mol） % % % 100% 苯乙烯精餾塔 選輕關(guān)鍵組份為苯乙烯，重關(guān)鍵組份為焦油 。 1 1 2 6 8 1 . 9 8 1 1 2 5 1 7 . 2 9 1 0 0 % 0 . 1 5 %1 1 2 6 8 1 . 9 8? ?? ? ?遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 18 油水分離器頂 排出 不凝氣的組成 乙烷 / /k m ol h k g h? 乙烯 / /k m ol h k g h? 甲烷 / /k m ol h k g h? 氫氣 19 8 .5 1 / 39 7. 02 /k mol h k g h? 二氧化碳 / /k m ol h k g h? 表 2 2 油水分離器頂不凝氣組成 kmol/h kg/h %(Wt) 乙烷 % 乙烯 % 甲烷 % 氫氣 % 二氧化碳 % 總計(jì) 100% 油水分離器底排出廢水組成 及出 料量 在油水分離器中，液相分為兩層：有機(jī)層與無(wú)機(jī)層（水）。塔頂苯乙烯含量 %，塔釜乙苯 %。 (4) 阻聚劑加入量為有機(jī)混合物量的 %（ 質(zhì)量） 。 物料衡算 乙苯脫氫制苯乙烯裝置包括脫氫和精餾兩個(gè)單元 。 空速：乙苯液態(tài)空速 ~。 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 13 2 設(shè)計(jì)部分 設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)題目： 20 萬(wàn)噸 /年乙苯脫氫制苯乙烯裝置工藝設(shè)計(jì) 處理量：乙苯 20 萬(wàn)噸 /年 乙苯催化脫氫主、副反應(yīng) 主反應(yīng)及反 應(yīng)熱如下： 選擇性： 90% 副反應(yīng)主要有乙苯的裂解、加氫裂解、水蒸汽轉(zhuǎn)化、聚合和縮合反應(yīng) 等。通過計(jì)算機(jī)流程模擬軟件 Aspen Plus 對(duì)反應(yīng)器和精餾分離部分進(jìn)行了模擬運(yùn)算，得到了反應(yīng) 器與精餾塔的工藝尺寸?；な且粋€(gè)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，針對(duì)一些復(fù)雜工藝操作過程往往很難單一的利用 AspenOne 模擬軟件準(zhǔn)確模擬工藝過程，應(yīng)尋求與其他軟件結(jié)合起來達(dá)到最佳的模擬優(yōu)化效果。 (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(zhǔn)確的進(jìn)行流程優(yōu)化計(jì)算。 Aspen Plus 具有以下特點(diǎn)： (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(gè)操作單元到整個(gè)工藝流程的模擬。在化工、煉油、石油化工、氣遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 11 體加工、煤炭、醫(yī)藥、食品等許多工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用。選擇氧化催化劑活性很高，對(duì)氫具有高選擇性，同時(shí)烴損失很少 [11]。 在 Fina／ Badger 工藝中，第二脫氫反應(yīng)器出口的反應(yīng)產(chǎn)物首先在第一個(gè)換熱器中將乙苯／蒸汽預(yù)熱，然后進(jìn)入第二換熱器產(chǎn)生高壓蒸汽，最后進(jìn)入第三個(gè)換熱器中，利用反應(yīng)產(chǎn)物的余熱將脫氫單元的乙苯汽化。 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(jìn)料中乙苯的分 壓和抑制結(jié)焦。 第二脫氫反應(yīng)器出口的反應(yīng)產(chǎn)物首先將乙苯／蒸汽預(yù)熱，然后產(chǎn)生兩個(gè)壓力等級(jí)的低壓蒸汽。目前尚在研究階段，是一個(gè)極有發(fā)展前景的生產(chǎn)路線 [8]。 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(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。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。對(duì)催化劑的拆卸技術(shù)進(jìn)行專門研究，形成專門的燒焦技術(shù)，以達(dá)到保護(hù)關(guān)鍵設(shè)備反應(yīng)器的目的。低強(qiáng)度的催化劑在應(yīng)用過程中可能會(huì)產(chǎn)生粉化，使得催化劑的床層阻力降明顯提高，導(dǎo)致裝置停車。 重視催化劑制備技術(shù)的研究 根據(jù)乙苯脫氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，催化劑的外形、尺寸等脫氫反應(yīng)性能均存在明顯影響。我國(guó)作為世界上的稀土大國(guó)，稀土資源十分豐遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 6 富，以往脫氫催化劑研究中對(duì)稀土種類的選擇范圍太窄，復(fù)合稀土的應(yīng)用尚未涉及，應(yīng)加強(qiáng)此類工作的研 究。文獻(xiàn)上報(bào)道了在 Fe 2O3— K2O 系催化劑上乙苯脫氫可能同時(shí)存在著兩種反應(yīng)過程，即直接脫氫和氧轉(zhuǎn)移脫氫。 GSO GS 一 06B、 GS08催化劑多次在引進(jìn)的大型裝置上應(yīng)用并獲得成功。 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 5 我國(guó)最早開發(fā)的鐵系催化劑是蘭化公司合成橡膠廠研制的 315 型催化劑，廈門大學(xué)從 2O 世紀(jì) 7O 年代中期先后研制過 11和 210 型無(wú) 鉻 催化劑。 2O 世紀(jì) 8O 年代， UCI 公司開發(fā)出 G84C 脫氫催化劑，不久又有 G84C 改進(jìn)型即G84D、 G84E、 G84F 系列催化劑問世。由于需要很復(fù)雜的再生，所以到 2O 世紀(jì) 4O 年 代又開發(fā)了在水蒸氣 的存在下有可能自身再生的 氧化鐵一氧化鉀系催化劑。又 因?yàn)?過高的溫度不僅易導(dǎo)致乙苯裂解而產(chǎn)生苯，甲苯， 二氧化碳等副產(chǎn)物，而且增加能耗， 使得 經(jīng)濟(jì)上不合理，故使 反應(yīng)溫度的提高受到 了 很大的限制 。加入水蒸氣不僅可以降低乙苯的反應(yīng)壓力，促使平衡向右移動(dòng)以提高苯乙烯收率；而且水蒸氣經(jīng)冷凝后變?yōu)樗?，易與苯乙烯分離，來源易得，價(jià)格相對(duì)便宜，比熱容大，并且可以通過水煤氣反應(yīng)不斷排除催化劑上的積炭，使催化劑再生 [2]。故乙苯收率隨溫度變化 存在一個(gè)最高點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)溫度為最適宜溫度。新增生產(chǎn)能力主要是新疆獨(dú)山子、上海賽科、南海殼牌、鎮(zhèn)海煉化、惠州殼牌和廣州石化等數(shù)套規(guī)模達(dá) 300 至 600kt/a 的大型苯乙烯裝置。與此同時(shí)，我國(guó)苯乙烯消費(fèi)最也由 3603kt 增至 4503kt。此外，苯乙烯還可用于制藥、染料、農(nóng)藥和選礦等 行業(yè)，用途十分廣泛。 1982 年為了將其商品化，成立了 Aspen Tech 公司，并稱之為 Aspen 遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙 2 Plus。它是化學(xué)工程、化工熱力學(xué)、系統(tǒng)工程、計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等學(xué)科相互結(jié)合的產(chǎn)物，在近幾十年中發(fā)展迅速，并廣泛應(yīng)用于化工過程的設(shè)計(jì)、測(cè)試、優(yōu)化和過程的整合領(lǐng)域。 在世界上，苯乙烯的主要生產(chǎn)方法為乙苯脫氫法、乙苯共氧化法、甲苯為原料合成苯乙烯法、 乙烯和苯直接合成苯乙烯法和乙苯氧化脫氫法等。 由于本設(shè)計(jì)方案使用計(jì)算機(jī)過程模擬軟件 Aspen Plus 進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，減少了實(shí)際設(shè)計(jì)中的大量費(fèi)用， 對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)及最優(yōu)綜合具有重要的實(shí)際意義。本文介紹了國(guó)內(nèi)外苯乙烯的現(xiàn)狀及發(fā)展概況，苯乙烯反應(yīng)的工藝條件，乙苯脫氫制苯乙烯 催 化劑，苯乙烯的生產(chǎn)方法和生產(chǎn)工藝 。 本設(shè)計(jì) 以年處理量 20 萬(wàn)噸乙苯 為生產(chǎn)目標(biāo)，采用乙苯 三段 催化脫氫制 苯乙烯的工藝方法，對(duì)整個(gè)工段進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型。 關(guān)鍵詞： 乙苯，苯乙烯，脫氫， Aspen Plus，模擬優(yōu)化 Abstract Styrene Monomer（ SM） is one of the most important anic chemicals. This article describes the present situation and development of styrene at home and abroad, styrene reaction conditions, catalyst for ethylbenzene dehydrogenation to styrene, styrene production methods and production processes. This design is based on the annual handling capacity of 200,000 tons of ethylbenzene production targets, ethylbenzene threestage dehydrogenation using styrene in the process, the entire section in the process design and equipment selection. According to the requirements of the design of the