乙苯制苯乙烯.docx
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乙苯制苯乙烯
南京工业大学
化学化工学院
《化工过程与工艺设计》
设计题目乙苯脱氢制苯乙烯装置工艺设计
学生姓名吴美妍班级、学号化工100704
指导教师姓名林陵
设计时间2013年6月27日-2013年7月12日
课程设计成绩：
设计说明书、计算书及设计图纸质量，70%
独立工作能力、综合能力及设计过程表现，20%
设计答辩及回答问题情况，10%
设计最终成绩（百分制转换为五级分制）
指导教师签字
第一部分设计说明书
前言错误!
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第一章概述错误!
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工艺路线与产品错误!
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错误!
未定义书签。
错误!
未定义书签。
错误!
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第二章原料与产品的性质错误!
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原料性质错误!
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产品性质错误!
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第四章安全和工业卫生错误!
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第五章三废排放及治理方案错误!
未定义书签。
第七章主要设备一览表错误!
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表一非定型设备一览表
（一）错误!
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表二非定型设备一览表
（二）错误!
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第八章原料、动力消耗及排出一览表错误!
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第二部分设计计算书
第一章物料衡算错误!
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第二章主要设备物料衡算、热量衡算和设备计算错误!
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进料泵错误!
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液体汽化器H1错误!
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反应器R1错误!
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气气换热器H2错误!
未定义书签。
第三章设备计算程序及说明错误!
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反应器计算程序错误!
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回流比与塔板数作图错误!
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第三部分附录
附录1符号说明错误!
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附录2参考文献错误!
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附录3ASPENPLUS模拟计算结果错误!
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附录4PFD图
附录5PID图
附录5平面布置图
附录6立面布置图（可选）
第一部分设计说明书
前言
苯乙烯是一种重要的石油化工基本原料，是除聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、环氧乙烷（EO）以外的第四大乙烯衍生产品。
其主要用于生产和制备聚苯乙烯（PS）、丁苯橡胶（SBR）、丙二烯—丁二烯—苯乙烯（ABS）树脂、苯乙烯—顺丁烯—苯乙烯嵌段共聚物（SBS）、苯乙烯—丙烯腈（SAN）树脂和不饱和聚酯等，并广泛用在电子、汽车、建筑、包装、日用轻工等领域中。
在世界上，苯乙烯的主要生产方法为乙苯脱氢法、乙苯共氧化法、甲苯为原料合成苯乙烯法、乙烯和苯直接合成苯乙烯法和乙苯氧化脱氢法等。
其中，工业化的生产方法为乙苯催化脱氢法和乙苯共氧化法，两种方法所生产的苯乙烯分别占苯乙烯总产量的85%和15%。
目前，国内外生产苯乙烯的主要方法是乙苯脱氢法，它又包括Lummus/UOP乙苯脱氢工艺、Fina/Badger乙苯脱氢工艺和乙苯脱氢选择性氧化工艺（Smart工艺）3种工艺。
化工流程模拟（过程模拟）技术是以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，通过应用计算机辅助计算手段，进行过程物料衡算、热量衡算、设备尺寸估算和能量分析并做出环境和经济评价的一门新兴技术。
它是化学工程、化工热力学、系统工程、计算方法以及计算机应用技术等学科相互结合的产物，在近几十年中发展迅速，并广泛应用于化工过程的设计、测试、优化和过程的整合领域。
AspenPlus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。
AspenPlus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。
该项目被命名为“过程工程的先进系统”（AdvancedSystemforProcessEngineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。
1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为AspenPlus。
该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。
第一章概述
生产方法
苯乙烯的工业生产方法有：
①烯和苯烷基化生成乙苯，乙苯经催化脱氢制苯乙烯；
②乙苯氧化生成生成乙苯过氧化氢，然后与丙烯反应生成α—甲基苯甲醇和环氧丙烷，α—甲基苯甲醇脱水生成苯乙烯；
目前，乙苯催化脱氢法制苯乙烯约占世界苯乙烯总产量的90%；乙苯过氧化氢法是70年代后越来越多采用的新工艺，其优点是联产环氧丙烷。
本设计计算采用乙苯脱氢法生产工艺。
工艺流程
生产流程示意如下：
图1-2乙苯脱氢制苯乙烯流程图
乙苯脱氢生产方法
乙苯催化脱氢采用氧化铁（Fe2O3）作为催化剂，这种催化剂一般含有Cr2O3,并以KOH或K2O3为助催化剂，脱氢反应温度600℃左右。
巴斯夫法（等温过程）催化剂装在列管式反应器中，由外部可燃气体为反应器供热；绝热反应过程则直接加入过热水蒸汽于反应器中，为脱氢反应提供所需的热量。
为了减少副反应，用掺入水蒸汽的方法来降低乙苯分压，以增加乙苯转化率。
副产物是甲苯、苯和少量的焦油状物等，为了防止苯乙烯聚合，在反应产物中加入少量阻聚剂。
反应产物经精馏分离出轻组分得到苯乙烯产品，未转化的乙苯循环回反应继续反应。
第二章原料与产品性质
原料
化学名称：
乙苯
序号
常数名称
计量单位
常数值
备注
1
分子量
2
液体比重
3
沸点
℃
101325Pa
4
熔点
℃
101325Pa
5
液体热容量
kJ/（kgK）
6
蒸汽热容量
Kcal/（kgK）
27℃
7
蒸发热
kJ/mol
正常沸点下
8
液体粘度
104kgSee/M2
20℃
9
生成热
Kcal/mol
20℃
10
燃烧热
Kcal/mol
气体
11
闪点
℃
15
12
自然点
℃
13
爆炸范围
%（体积）
～
主要性质：
乙苯是无色液体，具有芳香气味，可溶于乙醇、苯、四氯化碳和乙醚，几乎不溶于水，易燃易爆，对皮肤、眼睛、粘膜有刺激性，在空气中最大允许浓度为100PPM。
乙苯侧链易被氧化，氧化产物随氧化剂的强弱剂（如高锰酸钾）或催化剂作用下，用空气或氧气氧化，生成苯甲酸；若用缓和氧化剂或温和的反应条件氧化，则生成苯乙酮。
产品
化学名称：
苯乙烯英文名称：
styrol
规格：
含量≥%分子量：
沸点：
145.2℃熔点：
－30.6℃
折光率：
（25℃）结构式：
CH=CH2
主要性质：
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%。
苯乙烯溶于甲醇、乙醇、乙醚等溶剂中。
苯乙烯在空气中允许浓度为l。
浓度过高、接触时间过长则对人体有一定的危害。
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～%（体积分数）。
苯乙烯（SM）具有乙烯基烯烃的性质，反应性能极强，苯乙烯暴露于空气中，易被氧化而成为醛及酮类。
苯乙烯从结构上看是不对称取代物，乙烯基因带有极性而易于聚合。
在高于100℃时即进行聚合，甚至在室温下也可产生缓慢的聚合。
因此，苯乙烯单体在贮存和运输中都必须加入阻聚剂，并注意用惰性气体密封，不使其与空气接触。
第三章主要设备选型
生产苯乙烯需要的设备及其规格如表1所示：
表1主要生产设备一览表
序号
项目
规格
数量
1
过热蒸汽炉
选用HS201或HS219
1
2
脱氢反应器
选用标准
2
3
氧化脱氢反应器
选用标准
1
4
冷凝器
G273I-16-5
1
5
气体压缩机
选用标准
1
6
油水分离机
选择标准
1
7
粗馏塔
填料塔Z=8.8m，D=1.8m
1
8
乙苯塔
1
9
苯乙烯精馏塔
1
10
甲苯与苯塔
1
11
动力泵
IS50-32-160A
8
注：
另需配套管道阀门若干；100～150吨风冷水塔2个，作为冷却水循环使用装置。
第四章安全措施与劳动保护
安全标准
根据生产所用原料，中间产品和成品性质，对生产的各部分防爆、防火标准规定为甲级防火，Q-2级防爆。
本生产的卫生标准为一级，电气负荷类别为二级，厂房避雷等级为二级。
主要物料参数见表8-3
表4-1主要介质性质
Table4-1ofthemajormediaproperties
乙烯
氢气
苯
甲苯
乙苯
苯乙烯
沸点℃
闪点℃
无
7
4
15
自燃点℃
425
无
535
432
490
爆炸范围％（V）
最大允许浓度ppm
100
安全管理规定和劳动保护
（1）安全规定
中华人民共和国国家职业卫生标准工作场所有害因素职业接触限制化学有害因素。
苯乙烯的时间加权平均容许浓度PC-TWA50mg/m3,短时间接触容许浓度PC-SETL100mg/m3。
中华人民共和国国家标准恶臭污染物排放标准GB14554-93恶臭污染物厂界标准值是对无组织排放源的限制，1994年6月1日起立项的新、扩、改建设项目及其建成后投产的企业执行二级、三级标准中相应的标准值。
化工生产中必须防燃烧防爆炸。
（2）劳动保护
该项目生产属于甲级防火，注意跑、冒、漏、滴等现象发生，在生产区内动火要先做好安全防护工作，酸、碱乃至强腐蚀物，操作时要有防护面具。
苯是有毒物质，要注意作好贮存及其污染治理工作。
化工生产中，须严格按照《石油化工企业设计防火规范》GB50160-92（1999年版）和《建筑设计防火规范》GBJ16-87（2001年版）及《石油化工静电接地设计规范》SH3097-2000之规定进行设计。
按照劳动法必须给员工购买保险，以保障员工的利益。
同时规定进厂的员工必须佩带劳保用品，如工作服,安全头盔等。
第五章三废排放与治理方案
5.1.1化工“三废”的处理
化工设计中必须依照《化工建设项目环境保护规定》HG/T20667-2005和《石油化工污水处理设计规定》SH3095-200、《石油化工噪声控制设计规定》SH/T3146-2004，使排放物达到国家《污水综合排放标准》GB8978-1996和《大气污染物综合排放标准》GB16297-1997的规定要求。
5.1.2废气
化学工业中大气污染物的特点是：
有的是有毒物质，有的是对人类有威胁的致癌物质，有的是有强腐蚀性的，有的是易燃易爆气态物。
本工艺生产过程中主要是氢气，可以作补充填料使用。
5.1.3废渣
化学工业固体工业废弃物属工业固体废弃物的一种，主要指硫酸烧渣、铬渣、制碱废渣和磷肥工业废渣。
本工艺主要是焦油，残渣，残渣可以掩埋处理，焦油作为涂料原料出厂。
5.1.4废液
化工废水是指化学工业生产中产生的废水，其中含有随水流失的化工原料，中间产物，产品以及生产过程中产生的污染物。
本工艺生产过程中的工业废水主要来源式缩合反应中生成的水，经多次中和洗涤后的水，脱酮、脱苯时气体蒸汽的冷却水，废水中含有钠盐，苯等。
治理办法首先从工艺上减少废水的排放量，用沉降法分离废水中的悬浮物质，苯为有毒物质可以考虑用活性分离或膜分离等处理方法将其分离，也可用连续萃取的方法将其做回收处理，经处理的废水达标后方可排放或做循环利用。
油水分离污水符合国家标准后排入下水道。
5.1.5副产品处理一览表
表副产品处理一览表
TablebyproductList
名称处理方法
苯、甲苯作为有机溶剂出厂
焦油作为涂料原料出厂
5.1.6废物处理一览表
表废物处理一览表
TableWasteDisposalList
名称状态毒性处理方法
触媒残渣固体有挖坑掩埋
脱氢尾气气体微作补充燃料
油水分离器污水液体微符合国家标准排入下水道
第六章原料、中间产品和产品分析方法及频率
粗苯乙烯用折光法，采用4位数字折光仪；中间产物及精苯乙烯应用色谱法。
中间控制建议采用下列分析频率：
表45
名称
控制项目
控制指标
采样地点
分析方法和频率
乙苯塔
炉焦油
S：
40-50%
T-101
色谱每班一次
炉焦油中含阻量
微量
T-101
NaOH每班一次
塔顶馏出液
S<%
T-102
折光每小时一次
釜液成分
S：
75-85%
T-103
折光每小时一次
釜液折光指数
>=
T-103
折光每小时一次
釜液残渣
<%
T-101
蒸馏每天一次
精馏塔
苯乙烯含量
>=%
T-302
折光每小时一次
苯乙烯聚合物
无
T-302
甲醇每小时一次
苯乙烯阻聚剂
无
T-302
NaOH每小时一次
苯、甲苯塔
苯甲苯贮槽
S<%
F-302
色谱每班一次
塔顶馏出液
无E
G-202
色谱每小时一次
釜液
T<3%
G-203
色谱每小时一次
第七章生产班制定员
本工艺采用连续操作，每天三班，劳动定员配置参照国家有关企业劳动定员，定额标准进行编制。
对于混合整套工艺，公司定员32名，生产装置工人为三班倒，维修及行政岗位为长白班，具体定员如下：
行政岗位3人，过热3人，脱氢3人，冷凝3人气体压缩3人，油水分离3人，多塔分离5人，三废处理3人，分析实验2人，销售人员2人，车间维修2人，仓库管理1人。
第二部分设计计算书
第一章物料衡算
计算依据
乙苯脱氢制苯乙烯装置包括脱氢和精馏两个单元，是具有循环物流的复杂化工过程，其流程框图见图1-2。
乙苯脱氢反应在装有铁系催化剂的列管反应器中进行，反应方程式为：
主反应：
C6H5C2H5→C6H5CHCH2+H2
副反应：
C6H5C2H5→C6H6+CH2CH2
C6H5C2H5+H2→C6H5CH3+CH4
物衡数据见表一：
表一各物流的已知及未知条件
组分
物流
B（苯）
Wi%
EB（乙苯）
Wi%
T（甲苯）
Wi%
S（苯乙烯）
Wi%
二聚物
Wi%
阻聚剂
Wi%
1
/
/
/
/
2
/
/
3
/
4
5
/
/
6
（B，T）
（B，T）
0
/
/
7
<2（B，T）
<2（B，T）
/
/
8
0
9
0
12
0
表中“”为待求量；“/”为不考虑的量。
设计条件及任务：
生产能力t/a
年工作时间h
消耗定额kgEB/kgS
物料损失wt/wt
12000
8000
物料衡算
F9=18000*1000/8000=1500kg/h
F1=**=1930.5kg/h
设F7=x，则F3=F2=F1+F7=2832+x
F13=%F3，则F4=%F3
由苯乙烯守恒：
F5Xs，5=F7Xs，7，F5=2.52F7=
F8=F4-F5=%（2832+x）=，4=F5Xs，5+F8Xs，8解得x=
则F2=F3=
F4=4530.64kg/h，F5=2681.95kg/h，F6=F5-F7=83.16kg/h
F8=F4-F5=1848.7kg/h
F12=F8-F9=348.7kg/h
根据物料平衡守则，FiXj，i=FkXj，k计算得各段各组分的质量百分含量及各段总流量（kg/h）：
查的各组分分子量：
BTEBS二聚物208阻聚物184
各段组分的摩尔百分含量及总流量kmol/h：
第二章乙苯塔的热量衡算及塔板数计算
通过简捷法，利用DSTWU模块，由已知的物料关系进行模拟，根据计算机模拟的结果，确定工艺参数。
乙苯塔模拟流程如图所示：
图2-1乙苯塔模拟流程图
设定全局特性
输入化学组分信息
化学组分为苯、乙苯、甲苯和苯乙烯。
选用物性计算方法和模型为“PENG-ROB”
输入进料流股信息
苯12.68kg/h，乙苯3509.84kg/h，甲苯192.92kg/h，苯乙烯2700.23kg/h。
进料温度30℃，泡点进料。
确定DSTWU模型参数：
回流比为最小回流比的，塔顶冷凝器的压力，塔底再沸器压力，塔顶轻关键组分为乙苯（，w%），塔底重关键组分为苯乙烯（，w%）。
模拟结果（乙苯塔概况）
有模拟结果可知：
塔顶温度为132.7℃，塔底温度为151.4℃。
最小回流比为，最小理论板数为块。
塔顶冷凝器的热负荷为，塔釜再沸器的热负荷为kW。
第三章乙苯塔的设计
填料的选择
填料是填料塔的核心构件，它提供了气液两相相接触传质与传热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性质。
目前，填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整填料两个方面进行。
本设计选用规整填料，金属板波纹250X型填料。
规整填料是一种在塔内按均匀几何图形排布、整齐堆砌的填料，规定了气液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小，同时还可以提供更大的比表面积，在同等溶剂中可以达到更高的传质、传热效果。
与散装填料相比，规整填料结构均匀、规则、有对称性，当于散装填料有相同的比表面积时，填料孔隙率更大，具有更大的通量，单位分离能力大。
250X型波纹填料是最早研制并应用于工业生产的板波填料，它具有以下特点：
1.比表面积与通用散装填料相比，可提高近一倍，填料压降较低，通量和传质效率均有较大幅度提高。
2.与各种通用板式塔相比，不仅传质面积大幅度提高，而且全塔压降及效率有很大改善。
3.工业生产中气液质均可能带入“第三项”物质，导致散装填料及某些板式塔无法完成操作。
鉴于250X型填料整齐的几何结构，显示出良好的抗堵性能，因而能在某些散装填料塔不适宜的场合使用，扩大了填料塔的应用范围。
鉴于以上250X型的特点，本设计本设计塔中压力很低，采用Mellapok-250X型填料。
乙苯塔塔径和填料层高度的计算
利用DSTWU模型所得到的结果，通过RadFrac模型进行填料塔的模拟，从而得到乙苯塔的塔径和填料层高度等数据。
首先进行塔径的计算。
在“Blocks-B1丨PackSizing”文件夹中，建立一个填料计算文件“1”，在此文件的“Specifications”页面填写填料位置、选用的填料型号等信息。
填料位置为2-54块，填料为250X型金属板片波纹型填料，HETP=0.3m。
如图3-1，计算结果见图3-2。
图3-1填料塔信息设置
图3-2填料塔计算结果
可见模拟的填料塔塔径是1.75m，压降为。
其次进行塔径核算。
在“Blocks-B1丨PackRating”文件夹中，建立一个填料计算文件“1”，在此文件的“Specifications”页面填写填料位置、选用的填料型号等信息。
填料位置为2-54块，填料为250X型金属板片波纹型填料，HETP=0.3m，塔径为1.8m，填料高度15m（填料高度=HETP*级数=*50=15m）如图3-3，计算结果见图3-4。
图3-3填料核算参数设置
图3-4填料核算计算结果
有模拟结果可知，塔径1.8m、填料高度15m时塔压降为。
塔顶冷凝器和塔釜再沸器
3.3.1塔顶冷凝器
冷凝器适用于精馏塔顶物流的冷凝或者反应器的冷凝循环回流的设备，包括冷凝器和分凝器。
分凝器用于多组分的冷凝，当最终冷凝温度高于混合组分的泡点，仍有一部分组分未冷凝，已达到再一次分离的目的。
另一种为含有惰性气体的多组分的冷凝，排出的气体含有惰性气体和未冷凝组分。
全凝器的最终冷凝温度等于或低于混合组分的泡点，所有组分全部冷凝。
一般的，冷凝器水平布置，气相通过冷凝器的壳程，冷却介质（最常见是循环冷却水）通过冷凝器的壳程。
本设计中的乙苯塔所采用的为全凝器。
模拟流程图如3-5。
进入冷凝器的汽相物流来自于精馏塔塔顶上升蒸汽，相当于模拟精馏塔第二块塔板上升汽相。
为把此股物流引入冷凝器，可以从精馏塔中部引出一股虚拟物流并移动到冷凝器顶部，后对虚拟物流定义后最为塔顶汽相物流。
图3-5冷凝器模拟流程图
选择“HeatX”模块置于精馏塔顶，把虚拟物流与“HeatX”的热端入口相连接，然后接冷却水，如图3-5。
精馏塔C1的参数设置与第二章乙苯塔模拟参数相同。
选择物性方法：
进入换热器的冷凝水选择STEAM-TA物性计算模型。
设置流股信息：
1、对虚拟物流进行定义，选择第二块塔板上的汽相，如图3-6。
图3-6对虚拟物流进行定义
2、进入冷凝器的冷却水流率定为10000kg/h，温度20℃，压力。
设置换热器模块信息：
换热器采用简捷设计型计算，设置蒸汽冷凝液汽化分率为零，如图3-7。
图3-7冷凝器简捷设计参数
模拟计算：
结果见图3-8~图3-10。
图3-8显示了两股流体温度、压力、相态的变化，冷凝器的热负荷。
图3-9显示需要的冷凝器换热面积为32m2。
图3-10显示冷凝水出口温度为44.2℃。
图3-8冷凝器简捷设计结果1
图3-9冷凝器简捷设计结果2
图3-10冷凝器简捷设计结果3
根据简捷计算结果，进行冷凝器的选型。
查化工工艺设计手册，从JB/T4715-1992《固定管板式换热器》中选标准系列换热器，单管程、单壳程。
壳径600mm，换热面积36.5m2，换热管Φ25×2mm，管长2000mm，管数245根，三角型排列，管心距32mm。
3.3.2塔釜再沸器
再沸器用于使精馏塔底物料部分汽化，从而实现精馏塔内汽液两相间的热量及质量传递、为精馏塔正常操作提供动力的设备。
主要有立式热虹吸式，卧式热虹吸式，强制循环式，釜式，内置式。
本设计所采用的为釜式再沸器。
模拟流程图如3-11。
进入再沸器的液相物流来自于精馏塔塔底下降的液体，相当于模拟精馏塔倒数第二块塔板下降液相。
为把此股物流引入再沸器，可以从精馏塔中部引出一股虚拟物流并移动到再沸器，后对虚拟物流定义后最为塔底液相物流。
选择“HeatX”模块置于精馏塔底，把虚拟物流与“HeatX”的冷端入口相连接，然后接水蒸汽，如图3-11。
图3-11再沸器模拟流程图
精馏塔B1数设置与第二章乙苯塔模拟参数相同。
选择物性方法：
进入换热器的水蒸气选择STEAM-TA物性计算模型。
设置流股信息：
1、对虚拟物流进行定义，选择第54块塔板的液相，如图3-12。
图3-12对虚拟物流进行定义
2、进入再沸器的水蒸气流率定为10000kg/h，温度200℃，饱和蒸汽进料。
设置换热器模块信息：
换热器采用简捷设计型计算，根据物料衡算结果，设置再沸器热负荷为，如图3-13。
图3-13再沸器简捷设计参数
模拟计算：
结果见图3-14~图3-15。
图3-14显示了两股流体温度、压力、相态的变化。
图3-15显示需要的再沸器换热面积为78m2。
图3-14再沸器简捷设计结果1
图3-1
升级会员 