【正文】 .................................................................................... 33 I 年產(chǎn) 15 萬噸乙苯工藝設(shè)計 摘要 ： 乙苯是一個重要的中間體 ，國內(nèi)大多苯與烯烴烷基化法生產(chǎn)。根據(jù) 熱力學(xué)定律，對乙苯精餾塔進行熱量衡算，求得理論塔板數(shù)、實際塔板數(shù)以及最小回流比。 本論文中對精餾工段的設(shè)備進行設(shè)計選型，最終采用塔徑 2200mm ，塔高為 的 浮閥精餾塔。 關(guān)鍵 詞： 乙苯 ；烷基化；工藝設(shè)計； 設(shè)備選型 II With an Annual Output of 150 Thousand Tons of Ethylbenzene Technology Design Abstract： Ethylbenzene is an important anic intermediary。 alkylaction。 type selection calculation 1 引 言 乙苯是一個重要的中間體，主要用來生產(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；同時它又是制藥工業(yè)的主要原料。 此次設(shè)計以年產(chǎn) 15萬噸乙苯為生產(chǎn)目標，用無水 3AlCl 作催化劑， HCl 作助催化劑，通過催化絡(luò)合物的配置、烷基化反應(yīng)、絡(luò)合物的沉淀與分離、中和除酸、粗乙苯的精制與分離等工序得到精制乙苯。采用理論計算的方法來對乙苯精餾工段的工藝進行設(shè)計，求得理論塔板數(shù)為 13 塊、實際塔板數(shù)為 28 塊以及最小回流比為 。并根據(jù)設(shè)計要求，對乙苯塔的塔徑，塔高、裙座、封頭在理論上進行了尺寸計算及選擇并且分別對精餾段、提餾段進行了校核，滿足設(shè)計要求，達到所需要的工藝條件。 乙苯側(cè)鏈易被氧化，氧化產(chǎn)物隨氧化劑的強弱及反應(yīng)條件的不同而異。乙苯的側(cè)鏈在一定條件下，可從相鄰的兩個碳原子脫去 1mol氫而形成 C=C 雙鍵，生成苯乙烯 [2]。盡管在原油里存在少量的乙苯，但大批量生產(chǎn)仍然是在酸催化苯與乙烯反應(yīng)。乙苯也存在與某些顏料中。當前，全世界乙苯產(chǎn)量已達約萬噸，其中的乙苯用于生產(chǎn)苯乙烯。目前，乙苯負壓脫氫制苯乙烯是生產(chǎn)苯乙烯生產(chǎn)最常用的方法。隨著我國國民經(jīng)濟快速增長，乙苯作為有機合成中間體的市場需求量將大幅提高。而整體上我國的乙苯生產(chǎn)能力及產(chǎn)量并不能滿足市場的需求 [3]。目前，我國大都采用兩大類中幾種方法 來生產(chǎn)乙苯。 由 C8芳烴分離乙苯 石油裂解制乙烯、丙烯時副產(chǎn)的裂解汽油，催化裂化制得的裂化汽油以 及鉑重整制得的重整油中所得的 8C 餾分中都含有一定量的乙苯，將此餾分用超精餾塔進行精餾，可制得純度達 %的 乙苯，該法生產(chǎn)乙苯的操作費用相對低廉，但產(chǎn)量太少，而且設(shè)備操作費用高。苯烷基化法生產(chǎn)乙苯就是采用苯為原料，乙烯為烷基化劑的生產(chǎn)方法，該法在具體生產(chǎn)過程中由于采用的催化劑不同，又可分為以下幾種方法： 此法是國內(nèi)外普遍采用的生產(chǎn)乙苯的方法。該反應(yīng)原料來源廣泛，反應(yīng)條件溫和，轉(zhuǎn)化率高，產(chǎn)品純度高，廢料少，但是催化劑中含有 HCl ，對設(shè)備腐蝕嚴重，催化劑量消耗大。有催化劑廉價且方便、對設(shè)備要求不高、操作方便的優(yōu)點。為防止高沸點物質(zhì)生成而使催化劑活性降低，須使用過量苯。 4 —— 巴杰爾法（ Mobil— Badger） 1975 年莫比爾公司和巴杰爾公司聯(lián)合開發(fā)了采用 ZSM— 5 催化劑 [4]（改性沸石分子篩 ） 使苯與乙烯氣相烷基化制乙苯的新工藝，新鮮苯與循環(huán)苯經(jīng)預(yù)熱、蒸發(fā)后與烷基芳烴循環(huán)液和新鮮乙烯混合，進入莫比爾公司開發(fā)的固定床多相催化反應(yīng)器（兩臺、其中一臺運轉(zhuǎn)、另一臺再生），在 435～ 4500C ， ～ 下進行乞相反應(yīng)，反應(yīng)氣體經(jīng)三塔分離后可得生產(chǎn)苯乙烯的單體乙苯。 通過以上對各法的論述和比較及根據(jù)我國的具體情況，我采用苯的烷基化法中的氣液相法生產(chǎn)乙苯。所以，該法目前還是我國生產(chǎn)乙苯的主要方法。 kJ/(kg K)? ， kJ/(kg K)? ， kJ/(kg K)? ? ?33 1 . 6 4 6 9 0 . 7 1 . 6 8 8 0 0 . 2 0 1 . 7 4 7 4 0 . 1 0 4 0 2() 5 2 4 . 9 7 8 k JQm ? ? ?? ? ? ? ? t? =0，則 4Q =0 將二乙苯以及多乙苯按二乙苯處理，用二乙苯的熱容代替多乙苯，查得 3AlCl 的熱容為 kJ/(kg K)? 二乙苯的熱容為 kJ/(kg K)? tpiQ mC??? 得到 56Q +Q 93 15 93 .1 20 kJ? 為了簡化計算，烷基化反應(yīng)均按生成乙苯計算 查化工手冊得到，乙烯、苯、乙苯標準生成熱為： kJ/mol ， ， 反應(yīng)焓 =生成物 焓 反應(yīng)物焓 ==? ?7 1 0 6 9 . 7 1 7 2 1 0 4 3 . 7 7 2 5 8 4 . 6 7 1 2 9 4 . 5 1 6 2 3 4 5 1 3 6 . 9 3 k JQ ? ? ? ? ? 因此帶入熱量總計為： 1 2 3 4 5 6 37+ + + + + + 24382955. 05 24. 978 kJQ Q Q Q Q Q Q Q m? ? ??入 物料帶出熱的計算 尾氣中組分的 pC ~t為 3 6 9 3( ) 1 0 1 0 1 0pC f t a b c d T? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?中的系數(shù)如下 12 表 幾種氣體熱容與溫度表 24CH 4CH 26CH 38CH 66CH 6 5 3CHCH 6 5 2 5CHCH HCl a b c 1..088 2T d / 求得平均溫度為： 9 5 2 5 2 7 3 . 1 5 3 3 3 . 1 52 o C?? ?（ ） ，帶入上式計得 p piiC yC?? (33) 塔頂平均摩爾熱容為 ? ?? ? ?8 8 8 0 9 2 2 7 4 .7 4 k JpQ n C t t? ? ? 查的苯甲苯乙苯的正常沸點，正常沸點下的蒸發(fā)熱機臨界溫度： 表 組分 (kJ/ mol)vbH? ( C)odt ( C)obt 25 (kJ/ mol)ocH? 苯 甲苯 乙苯 由 Waston公式 [7] 2 1 2 1/ (1 ) / (1 )v v r rH H T T? ? ? ? ? (34) 計算 250C 各自的汽化潛熱為： ， ， （ kJ/kmol ） ? ? ? ?0 i 9 02 5 c= pn n H n C t t? ? ? ?回尾帶 出 熱 量 =+3 3m 甲帶出熱量 =+ 3m 乙苯帶出熱量 =+ 3m 13 9Q =+ 3m 10Q 苯： 1 3 2 6 37 . 2 7 3 2 9 7 . 0 7 0 5 4 1 1 0 1 . 6 4 8 1 8 1 0 1 . 8 9 7 9 4 1 0T T T? ? ?? ? ? ? ? ? ? 甲苯： 1 3 2 6 31 . 8 0 8 2 6 8 . 1 2 2 3 1 0 1 . 5 1 2 6 7 1 0 1 . 6 3 0 0 1 1 0T T T? ? ?? ? ? ? ? ? 乙苯： 1 3 2 6 31 4 . 0 6 7 3 8 . 7 0 2 4 6 1 0 1 . 4 7 7 3 3 1 0 1 . 5 1 1 9 3 1 0T T T? ? ?? ? ? ? ? ? 將平均溫度為 ，得： 苯的平均熱容為 kJ/(kmol k)? kJ/(kg k)? 甲苯的平均熱容 kJ/(kmol k)? kJ/(kg k)? 乙苯的熱容 kJ/(kmol k)? kJ/(kg k)? 那么 10 1628238. 697 kJpiQ m C t? ? ?? 4. 烷基化液中三氯化鋁絡(luò)合物帶出熱 11Q (二乙苯、三乙苯以同樣的恒壓摩爾熱容處理，少量的 3()AlOH 以 3AlCl 計算 ) 查得二乙苯、3AlCl 的恒壓熱容分別為： 、 kJ/(kg k)? 11Q =[(++)+(+++) ] (95－ 25)= 5. 反應(yīng)器熱損失 12Q 已知損失熱量為輸出總熱量 10% 12Q =10%( 8 9 10 11Q Q Q Q? ? ?) = 38 1 1 9 8 2 .0 5 3 5 3 .6 9 4 )m?（ kJ 3Q 8 9 3 1 8 0 2 .5 8 1 5 5 9 0 .6 3 4 m??出 由熱平衡 Q =Q入 出 出得： + 3m =+ 3m 解之得： 3m = 所以塔頂蒸出的芳烴中苯、甲苯、乙苯分別為： 、 、 所以帶入、帶出的各部分熱為： 3Q = kJ 9Q = J 12Q = J 14 表 輸入 `(kJ/h ) 輸出 熱量 (kJ/h ) 原料乙烯帶入熱 1Q 0 塔頂尾氣帶出熱 8Q 新鮮苯帶入熱 2Q 0 蒸發(fā)熱及蒸汽帶出熱 9Q 回流苯帶入熱 3Q 循環(huán)苯帶入熱 4Q 0 烷基化液苯乙苯帶出熱 10Q 3Al Cl 絡(luò) 合 物 帶 出 熱11Q 新絡(luò)合物帶入熱5Q 熱損失12Q 循環(huán)絡(luò)合物帶熱 6Q 烷基化反應(yīng)熱 7Q 總計 總計 由于等卻尾氣溫度為 400C ，則利用 C~p t 的關(guān)系， 將 T=(65+20)+=： 尾氣平均熱容為 kJ/(kmol k)? Q尾 氣 =? ? (6520)= 8 9 3Q = ( + ) ( ) = 1 4 2 0 7 5 1 1 . 8 4 k JQ Q Q Q?? 尾 氣負 荷 Q =mCp t?負 荷 (35) 查得 nCp = 11J mol k???? pC水 = 11J mol k???? 則 m= 烷基化液冷卻器及冷卻水 查的 25~650C 苯 (l)甲苯 (l)乙苯 (l)的平均恒壓熱容 為： ， ， ? ?kJ/ kg k? ，三氯化鋁，二乙苯的平均熱容為 ， ，則 : Q液 =[ + +(++600) 15 + ] (65－ 25)= k J Q廢 =[(+)? +(+) ] (65－ 25)= k J 1 0 1 1 6= + + +Q Q Q Q Q Q 液負 荷 廢（ ） =+(++) = k J ? ?/ = 1 6 6 .3 4 8 t/hpm Q C t?? 取乙苯為輕關(guān)鍵組分，二乙苯等為重關(guān)鍵組分 已知塔頂乙苯 %? 壓力 ? ?1P = 1 0 0 m m H g = 8 7 . 8 k P a絕 對 壓 力 塔底乙苯 =% 壓力 ? ?1P = 3 0 0 m m H g = 6 1 . 5 3 k P a絕 對 壓 力 表 組分 苯 乙苯 二乙苯? ?=16638pCt?水乙苯 多乙苯 合計 kg/h %? kmol/h n% 39。D +W = 39。??D 9 9 . 5 % + W 0 . 5 % = 2 0 9 3 0 . 9 3 1 那么 39。W= 16 表 塔頂 塔底 組分 苯 乙苯 二乙苯 合計 乙苯 二乙苯 三乙苯 合計 kg/h %? 100 kmol/h n% 100 17 第四章 苯精餾塔的設(shè)計表 表 組分 苯 乙苯 二乙苯 三乙苯 總計 kg/h %? kmol/h n% 對全塔進行物料衡算，要求 (質(zhì)量比 )： 塔頂 乙苯 % ，塔底苯 % D+W= D? (%) +W? %= 解得： D= kg/h W= kg/h 假設(shè)塔頂溫度 0t 81 C ?? ， ? 苯、乙苯的飽和蒸汽壓公式 (安托因方程 )[8]： lnP =A－ B/(T+C) (41) 、 kPa ii Dpk p? ， Dii iyx k?[9] 苯、乙苯的ix 為 ， 表 塔頂?shù)膮?shù)表 組分 塔頂摩爾 % ix ik ij? 苯 乙苯 1 合計 \ \ 因 ix? 近似等于 100，故塔頂溫度可認為 81℃ . 18 溫度確定 假設(shè)塔底溫度為