1、2.3.1 产品82.3.2 原料82.3.3 半成品82.3.4 催化剂82.3.5 阻聚剂82.4 生产方式的选取93 生产工艺计算103.1 物料衡算103.1.1 生产能力的计算103.1.2 质量守恒定律113.1.4物料流程图153.2 热量衡算153.2.1 热量衡算153.2.2热量衡算表184 设备设计计算与选型194.1 苯甲苯精馏塔的设计计算194.1.1精馏塔的数据确定194.1.2精馏塔的物料衡算194.1.3塔板数的确定194.1.5精馏塔的塔体工艺尺寸计算254.1.6塔板主要工艺尺寸的计算264.1.7塔版流体力学验算284.1.8塔板负荷性能图294.2冷凝器
2、的设计324.3 油水分离器324.4过热蒸汽炉335 设备一览表及公用工程345.1 设备345.2 公用工程规格345.2.1 电345.2.2 冷却水355.2.3 加热蒸汽356 车间布置设计366.1 车间布置设计重要性366.2 车间生产要求366.3 车间安全要求366.4 车间发展要求367 “三废”处理和安全事项377.1 废水377.2 废气377.3 废渣377.4 副产品处理一览表377.5 废物处理一览表387.6 安全事项38结论39参 考 文 献40谢辞4140攀枝花学院本科毕业设计 1 绪论1 绪论1.1 苯乙烯的性质和用途 苯乙烯，分子式，结构式,是不饱和芳烃
3、最简单、最重要的成员，广泛用作生产塑料和合成橡胶的原料。如结晶型苯乙烯、橡胶改性抗冲聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三聚体（ABS）、苯乙烯-丙烯腈共聚体（SAN）、苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚体（SMA）和丁苯橡胶（SBR）。苯乙烯（SM）是含有饱和侧链的一种简单芳烃，是基本有机化工的重要产品之一。苯乙烯为无色透明液体，常温下具有辛辣香味，易燃。苯乙烯难溶于水，25时其溶解度为0.066%。苯乙烯溶于甲醇、乙醇、乙醚等溶剂中1-3。作为合成高分子工业的重要单体，苯乙烯不但能自聚为聚苯乙烯树脂，也易与丙烯腈共聚为AS塑料，与丁二烯共聚为丁苯橡胶，与丁二烯、丙烯腈共聚为ABS塑料，还能与顺丁烯二酸酐
4、、乙二醇、邻苯二甲酸酐等共聚成聚酯树脂等。由苯乙烯共聚的共聚物可加工成为各种日常生活用品和工程塑料，用途极为广泛。目前，全世界苯乙烯生产总量的三分之二用于生产聚苯乙烯，三分之一用于生产各种塑料和橡胶。世界苯乙烯生产能力在1996年已达1900万吨，目前全世界苯乙烯产能约为3000万吨左右4-5。苯乙烯在空气中允许浓度为0.1ml/L，有毒，浓度过高、接触时间过长则对人体的呼吸道造成危害。苯乙烯在高温下容易裂解和燃烧。苯乙烯蒸汽与空气混合能形成爆炸性混合物，其爆炸范围为1.16.01%（体积分数）。1.2 苯乙烯常见生产方法6-91.2.1 环球化学鲁姆斯法以乙苯为原料，采用脱氢反应器，由开始的
5、单级轴向反应器，中间经历开发了双级轴向反应器到双径向反应器再到双级径向反应器的各种组合优化的多种反应器；反应器的操作压力有开始的正压发展到今天的负压；汽油比有开始的2.5:1发展到今天1.3：1；蒸汽消耗由开始的10kgkgSM发展到今天的4kgkgSM。UOPLummus的Classic SM流程中乙苯脱氢工艺装置主要有蒸汽过热炉、绝热型反应器、热回收器、气体压缩机和乙苯苯乙烯分离塔。过热炉将蒸汽过热至800而作为热引入反应器。乙苯脱氢的工艺操作条件为550650，常压或减压，蒸汽乙苯质量比为1.02.5。UOPLummus的“SMART” SM工艺是在Classic SM工艺基础上发展的一
6、项新工艺，即在工艺Classic SM工艺的脱氢反应中引入了部分氧化技术。可提高乙苯单程转化率达80%以上。“SMART”技术的优点在于，通过提高乙苯转化率， 减少了未转化乙苯的循环返回量，使装置生产能力提高，减少了分离部分的能耗和单耗；以氢氧化的热量取代中间换热，节约了能量；甲苯的生成需要氢，移除氢后减少了副反应的发生；采用氧化中间加热，由反应物流或热泵回收潜热，提高了能量效率，降低了动力费用，因而经济性明显优于传统工艺。该技术可用于原生产装置改造，改造容易且费用较低。目前采用“SMART”工艺SM装置有3套在运行。水气体压缩机油水分离器循环乙苯粗馏塔乙苯塔苯乙烯精馏塔焦油甲苯苯阻聚剂燃料气
7、蒸汽氧化脱氢反应器氧气+蒸汽脱氢反应器过热蒸汽炉乙苯图1.1Lummus的SMART乙苯脱氢工艺流程图表1.1“SMART”与 Classic比较反应条件和结果Classic“SMART”工艺苯乙烯选择性%95.6乙苯转化率%69.885水比1.71.3蒸汽苯乙烯tt2.3燃烧油苯乙烯kgt114.069.01.2.2 FinaBadger法Badger工艺采用绝热脱氢，蒸汽提供脱氢需要的热量并降低进料中乙苯的分压和抑制结焦。蒸汽过热至800900，与预热的乙苯混合再通过催化剂，反应温度为650，压力为负压，蒸汽乙苯比为1.5%2.2%。1.2.3 巴斯夫法巴斯夫法工艺特点是用烟道气加热的方法
8、提供反应热，这是与绝热反应的最大不同。1.2.4 Halcon法Halcon法又称POSM联产法。Halcon法公司开发，于1973年在西班牙实现工业化。反应过程中乙苯在液相反应器中用氧化成过氧化物，反应条件为压力0.35MPa，温度141，停留时间4h，生成的乙苯过氧化物经提浓度到17%后，进入环氧化工序。环氧化温度为110、压力为4.05MPa。环氧化反应液经蒸馏得环氧丙烷。环氧化另一产物甲基苄醇在260、常压下脱水得苯乙烯。1.2.5 裂解汽油萃取分离法日本日本东丽公司开发了Stex法裂解汽油萃取分离苯乙烯技术，同时还开发了专用萃取剂，可分离出纯度大于99.7%的苯乙烯，同时可生产对二甲
9、苯，并降低裂解汽油加氢负荷，生产成本仅为乙苯脱氢法的一半。1.2.6 环氧丙烷联产法环氧烷联产法是先将乙苯氧化成乙苯氢过氧化物，再使之在Mo、W催化剂存在下与丙烯反应生成环氧丙烷和苯乙醇，后者脱水可得到苯乙烯。其优点是克服了法有污染、腐蚀和需要氯资源的特点；缺点是流程长、投资大，对原料质量要求较高，操作条件严格，联产品多，每吨苯乙烯联产0.45t左右的环氧丙烷，因此不适宜建中小型装置。目前世界上拥有该技术的有阿尔科化学、壳牌和德士古化学。攀枝花学院本科毕业设计 2 生产工艺2 生产工艺2.1 本工艺设计说明2.1.1 生产任务年产25万吨精苯乙烯，纯度99.8%。2.1.2 生产方法鲁姆斯（U
10、OPLummus）经典苯乙烯单体生产工艺是全世界生产苯乙烯（SM）单体中最成熟和有效的技术，所以本次参照鲁姆斯（Lummus）公司生产苯乙烯的技术，以乙苯脱氢法生产苯乙烯。鲁姆斯（Lummus）公司经典苯乙烯单体生产工艺技术采用深度减压，绝热乙苯脱氢等几个常见工艺。蒸汽在脱氢反应中占有很重要的地位，蒸汽的热量可使并维持催化剂处于适当的氧化状态。蒸汽既加热反应进料、减少吸热反应的温度降，同时蒸汽也降低产品的分压使反应平衡向着苯乙烯方向进行，且又可以连续去除积炭以维持催化剂的一定活性。为达到较好的平衡曲线，系统应该在高温、高压蒸汽稀释和低反应系统压力下进行，对乙苯转化为苯乙烯有利，为了提高转化率，
11、采用两个绝热反应器进行反应，由此乙苯的总转化率可达到70%85%。新鲜乙苯和循环乙苯先与一部分蒸汽混合，然后在一个用火加热的蒸汽过热器内进行过热，再与过热蒸汽相混合，在一个两段、绝热的径向催化反应系统内进行脱氢。热反应产物在一个热交换器内冷却以回收热量并冷凝。不凝气（主要是氢气）压缩后，经回收烃类后再用作蒸汽过热器的燃料，而冷凝液体分为冷凝水和脱水有机混合物（DM）。为了减少聚合而损失苯乙烯（SM）单体，在脱水有机混合物（DM）（苯乙烯、未反应乙苯、苯、甲苯和少量高沸物）中加入了一种不含硫的阻聚剂（NSI），然后在乙苯/苯乙烯单体（EB/SM）分馏塔进行分离，塔顶轻组分（EB及轻组分（苯/甲苯
12、）从塔顶取得）去乙苯分离塔，从而从乙苯分离出苯和甲苯，回收的乙苯返回脱氢反应器原料中。EB/SM塔底物（苯乙烯单体和高沸物）在最后苯乙烯分馏塔内进行分馏，塔顶产品即为苯乙烯（SM）单体产品，少量的塔底焦油用作蒸汽过热器的燃料，蒸汽过热器所需大部分燃料来自脱氢废气和苯乙烯焦油6-9。2.1.3 生产控制参数及具体操作1 投料配比水蒸气:乙苯=3:1（质量比）2 温度、压强和时间脱氢温度控制在600左右，负压；多塔分离控制在常温，常压。3 具体操作在脱氢反应器600条件下，加入定量的水蒸气、乙苯和氧气混合气体，反应完全后；排除多余的蒸汽；通到冷凝器进行冷凝、降温；输送到气体压缩机油水分离器将有机相
13、和无机相分离，氢气等可燃气体排出成为燃料气；保持恒温20左右；和阻聚剂一起加到粗馏塔中，初步分离，塔顶为乙苯、苯和甲苯，塔底为苯乙烯、焦油；将其送至乙苯塔和苯乙烯精制塔，乙苯塔分离出乙苯和甲苯、苯，把乙苯送回脱氢反应器，还将甲苯和苯送到苯甲苯塔分离，分离出甲苯和苯。生产工艺流程见Lummus的“SMART”乙苯脱氢工艺流程图。Lummus的SMART乙苯脱氢工艺流程图2.2 生产工艺的反应历程2.2.1 反应方程式（1）脱氢主反应乙苯（EB）通过强吸热脱氢反应生成苯乙烯（SM）： 乙苯 苯乙烯 氢气（2）副反应乙苯/苯乙烯混合物还会发生某些不受平衡限制的一次反应。这些反应主要是脱烷基反应，反应
14、式为：乙苯 苯 乙烯 乙苯 氢 甲苯 甲烷其它反应生成少量的-甲基苯乙烯和高沸物。为了减少在催化剂上的结炭，需要在反应器进料中加入高温水蒸气，从而发生下述反应：脱氢反应式1mol乙苯生成2mol产品（苯乙烯和氢气），因此加入蒸气也可使苯乙烯在系统中的分压降低，有利于提高乙苯的转化率。催化剂以三氧化二铁为主，加上氧化铬、氧化铜、氧化钾等助催化剂涂于氧化铁或碳酸钾等载体上，投料比为水蒸气:乙苯=23:1（质量比），反应所得的气体混合物经冷凝、油水分离、多塔分离和精制，制得苯乙烯10-12。2.2.2 生产过程1预处理过程蒸汽和乙苯按一定的质量比混合。在脱氢反应器中，水蒸气用量和反应温度对苯乙烯的产
15、率有较大影响。水蒸气用量太少或反应温度太低，会导致反应不完全，产率低；水蒸气用量过多或反应温度过高，催化剂会炭化而降低产率。将原料中的水蒸气（按比例过量）有助于反应向右移，也要严格控制反应温度。2 脱氢过程乙苯和蒸汽在脱氢反应器中完成脱氢过程，同时少量的发生其他副反应。3 冷凝过程在冷凝器中，将脱氢反应的产物冷凝，降低其温度。4 油水分离过程冷凝后，因反应中的水蒸气变为水，通过气体压缩机和油水分离器，将有机相和水分离。5 多塔分离过程油水分离的有机相进入粗馏塔，并加入阻聚剂防止苯乙烯聚合，还要进入乙苯塔、苯乙烯精馏塔、苯甲苯塔，将依次它们分离出来，把分离出来的乙苯送回脱氢反应器，使其循环。2.
16、3 原料、产品及半成品2.3.1 产品化学名称：苯乙烯 英文名称：styrol规 格：含量99.8% 分 子 量：104.15沸 点：145.2 熔 点：30.6折 光 率：1.5439（25） 结 构 式：2.3.2 原料乙苯 结构式：分 子 量：106.16 沸 点：136.2折光指数：1.4959（25） 密 度：0.8671g/cm32.3.3 半成品乙苯经脱氢反应器反应后，反应生成物送乙苯苯乙烯塔分离成乙苯（苯和甲苯）及粗苯乙烯（带重组分及焦油）。2.3.4 催化剂催化剂以三氧化二铁为主，加上氧化铬、氧化铜、氧化钾等助催化剂涂于氧化铁或碳酸钾等载体上，使反应更好的发生，有利于苯乙烯的
17、生成。2.3.5 阻聚剂在苯乙烯生产工艺中，阻聚剂主要在两个地方起重要作用：一是苯乙烯精馏系统，二是苯乙烯产品贮存系统。在精馏塔中，苯乙烯处于120的高温，阻聚剂主要用来防止单体的聚合；在苯乙烯贮存系统中，温度一般为20以下，聚合率较低，阻聚剂的主要用途之一是防止苯乙烯氧化。由于温度存在着很大的不同，阻聚剂发挥的主要作用不同，对阻聚剂的要求也不一样，所以，在蒸馏塔中使用无硫阻聚剂（2、4-二硝基-邻-二-丁基酚（DNBP）俗称NSI），在苯乙烯贮存系统中使用4-叔丁基邻苯二酚（TBC）。2.4 生产方式的选取 全间歇与半间歇（统称间歇式操作）的优点是设备简单，改变生产品种容易；其缺点是原料消耗
18、定额高，能量消耗大，劳动生产率低，产品质量不稳定。连续式操作，原料及能量消耗低，劳动生产率高，因此比较经济；但总投资较大，占地面积较大，一般单线生产能力为210万吨/年。半连续操作与连续操作相比设备费用较少，操作较简单，改变生产品种较容易，但产品质量不如连续操作稳定，与间歇操作相比，生产规模更大，劳动生产率也更高，用与较大规模的品种生产，一般为12万吨/年。由于苯乙烯用量很大，需连续化大生产。采用连续式操作比较有利。苯乙烯生产能力根据设计任务规定为年产25万吨。取年工作日为300天，每日生产能力为苯乙烯，每小时生产能力为这样的规模采用连续操作是比较合理的。攀枝花学院本科毕业设计 3 生产工艺计
19、算3 生产工艺计算3.1 物料衡算乙苯脱氢反应方程式为：主反应C6H5C2H5C6H5CH=CH2+H2 （式3-1）副反应C6H5C2H5C6H6+C2H4 （式3-2）C6H5C2H5+H2C6H5CH3+CH4 （式3-3）物料衡算相关技术条件：水蒸汽作稀释剂，水蒸汽和乙苯质量比为1.5：1反应压力为150KPa（绝），反应温度为580，反应器进口温度630,乙苯总转化率为80%，各反应选择性分别为：（4-1）96%、（4-2）1%、（4-3）3%。原料组成：乙苯，99.6%（ W% ）。水蒸汽为惰性组分，不发生水蒸汽转化反应，并且无结焦反应。冷凝液经油水分离器分离成水和有机混合物，水中
20、夹带芳烃量为500mg/L，夹带芳烃组成同有机混合物相同。有机混合物中水量很少可忽略。阻聚剂加入量为有机混合物量的0.03（W%）。精馏塔塔顶苯乙烯回收率大于95%。精馏塔真空操作，塔顶压力50mmHg。乙苯苯乙烯塔真空操作，塔顶压力200mmHg。塔顶苯乙烯含量0.25%，塔釜乙苯0.3%。苯甲苯塔塔顶压力160mmHg，塔顶甲苯0.5%，塔釜苯0.2%。乙苯回收塔，塔顶乙苯0.1%，塔釜甲苯0.4%。3.1.1 生产能力的计算根据设计任务，苯乙烯的年生产能力为25万吨/年。开工因子=生产装置开工时间/年自然时间。为了充分利用设备，开工因子应取的较大，接近1，但又不能等于1。因为还要考虑到设
21、备的检修以及开停车等情况。开工因子一般取为0.70.8。全年365天，则年生产250300天；因此除去季保养、月保养、修理、放假等总计65天，则年工作日为（365-65）天=300天。定昼夜生产为3班，每天连续生产。可知每天的生产能力为（250000103/300）Kg/天=833.3103Kg/天。以此作为物料衡算的标准。3.1.2 质量守恒定律质量守恒定律是“进入一个系统的全部物料量，必须等于离开这个系统的全部物料量，再加上过程中损失量和在系统中累计量”。依据质量守恒定律，对研究系统做物料衡算，可用下式表示：G进=G出+G损+G积G进输入物料量总和；G出离开物料量总和；G损总的损失量；G积
22、系统中积累量。（1）进出脱氢反应器的物料衡算1）对连续生产可确定计算基准为Kg/天，则需计算每天产量及原料投料量乙苯的脱氢反应其中原料规格：乙苯（99.6%）水蒸气（95%）原料乙苯含甲苯0.2%、含苯0.14%，含焦油0.06%。原料水蒸气含5%的杂质气体。每天产苯乙烯：G8=8.333105Kg（折算为100%）每小时产苯乙烯：Gh=3.4721104Kg投料比：水蒸气/乙苯 =1.5/1（质量比）乙苯总转化率：为80%转化率：脱氢过程为96% 分离率：多塔分离过程为98%每小时理论投料乙苯量：G1=（3.472104106.15）/（104.1580%96%99%99%）=4.702每班
23、理论投水蒸气量：G2=1.54.702104=7.053每小时原料实际投入量：=（4.702104/0.996）Kg=4.721G2=（7.053104/0.95）Kg=7.453杂质：G3=（4.721-4.702）104Kg+（7.081-7.053） 104Kg=0.470103Kg催化剂的量：G4=（4.721+7.453） 0.3%Kg=0.3652）脱氢过程计算转化率为：80%苯乙烯的产量G5=（G1104.1596%）/106.16Kg=3.543氢气的产量：G6=G1（96%-3%）2/106.15Kg=0.659氧气的加入量：G7=（0.5320.659103）/2=5.273103 Kg乙苯剩余量：G1
