甲苯甲醇烷基化法年产30万吨对二甲苯车间设计概述doc 72页docWord格式文档下载.docx

1、 此次工艺设计目的为年产30万吨对二甲苯，采用的方法为甲苯甲醇烷基化法。所采用的方法相比于其他方法具有“产率高、污染小、成本低”的优点。设计是采用通过Aspen Plus、CUP-TOWER、Sw6等专业化工软件，对生产工艺进行模拟、设计，最终获得甲苯甲醇烷基化法年产30万吨PX生产车间设计资料。设计资料主要包括：设备材料的选取、设备选型、设备成本估算以及部分设备的设计图纸。除单个设备的设计外，还进行了热集成网络的简单说明。在完成设备设计后，还对车间布置作了简单说明。关键词 对二甲苯 甲苯 甲醇 Aspen Plus 烷基化 毕业设计说明书外文摘要Title The workshop desi

2、gn of an annual output of 300000 tons of paraxylene with alkylation of toluene with methanol method AbstractThe process is designed to produce 300000 tons of paraxylene with Alkylation of toluene with methanol method. Compared with other methods, the adopted method has the advantages of higher produ

3、ction rate, less pollution and lower cost. Design is used by professional chemical software Aspen Plus, CUP-TOWER, Sw6 etc., on the production process of simulation, design, and ultimately won the alkylation of toluene with methanol method of annual production capacity of 3 million tons of PX produc

4、tion workshop design. The design material mainly includes: equipment material selection, equipment selection, equipment cost estimation and design drawings of some equipment. In addition to the design of a single device, a brief description of the thermal integration network is also carried out. Aft

5、er the design of the equipment, the workshop layout is simply explained.Keyword xylene toluene methanol Aspen Plus alkylation1概况1.1课题简介对二甲苯（p-xylene，对二甲苯）在化工行业内是合成纤维、树脂、制备农药、合成塑料的重要原料。随着国内化工行业的快速发展，对二甲苯的需求量也是不断增加的。然而国内的PX产量不能满足国内对PX的需求，且国内PX的生产工艺未能跟上世界一线，因此本课题的重要性不言而喻。目前国内工业上制备PX的方式主为采用甲苯、C9芳烃及混合二甲苯

6、的歧化或异构化。而本次设计是使用改性ZSM-5分子筛催化剂催化，在400下平推流固定床反应器中使甲苯与甲醇进行烷基化反应从而生成PX的工艺。此工艺的优点有：（1）产物PX选择性高，副产物少，目标产物浓度高；（2）原料的转化率高，未反应原料大部分可以回收重新利用，减少了物料浪费，降低了生产成本；（3）副产物主要为H2O，邻、间位二甲苯污染小，属于环境友好型生产工艺，满足绿色生产的要求。1.2 课题要求本设计拟采用Aspen Plus、CUP-TOWER、Sw6等专业化工软件以及AutoCAD制图软件对采用甲苯甲醇烷基化法年产30万吨PX的生产车间进行模拟、分析，并进行设备选型和设计，对生产过程进

7、行工程优化，最后获得整套的车间设计说明书。在此基础上对生产过程的经济、环保等性能进行计算分析。1.3 设计依据（1）化工工艺设计手册（第5版） ；（2）化工设计设备、材质相关国家标准；（3）化工原理（第2版） ，钟秦等编著；（4）化工流程模拟实训-Aspen Plus教程 ，孙兰义主编；（5）化工设备机械设备基础 ，董大勤主编；（6）化学反应工程（第三版） ，陈甘棠主编；（7）国家经济、建筑、环保等相关政策。（8）化工工厂初步设计文件内容深度规定（2001年6月1日国家石油和化学工业局发布）。1.4 设计原则（1）设计从实际出发，保证质量过关的同时尽量减少经济支出；（2）设备设计应服从国家标准

8、，做到设备能够国产化；（3）主张主体工程与环境保护，消防措施齐全，安全设备配套完整，提供一个良好的人文环境。（4）充分依托现有社会公共设施，以降低投资，加快项目建设进度，采取切实可行的措施节约用水；（5）贯彻主体工程与环境保护、劳动安全和工业卫生、消防同时设计、同时建设、同时投产；（6）消防、卫生及安全设施的设置必须贯彻国家关于环境保护、劳动安全的法规和要求，符合石油化工行业的相关标准；（7）所选择的产品方案和技术方案应是优化的方案，以最大程度减少投资，提高项目经济效益和抗风险能力。科学论证项目的技术可靠性、项目的经济性，实事求是地做出研究结论。2 生产工艺2.1 工艺简介2.1.1 课题背景

9、PX中文名称对二甲苯，又称1，4-二甲苯 ，分子式：C8H10或C6 H4 （CH3），分子量106.17，属于易燃类液体，其蒸汽与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸，与氧化剂能发生强烈反应。流速过快，容易产生和积聚静电。其蒸汽比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。常温常压下为无色透明液体，有类似甲苯的气味。因此贮运时既要远离火种、热源，避免阳光直晒，又要有保温设施，并防止泄漏。目前PX在中国主要用于生产PTA、DMT以及制药领域。并且对二甲苯是石化工业的基础有机原料，在化纤、合成树脂、农药、塑料、医药等众多化工生产领域有着广泛的用途。它主要用于生产对苯二甲

10、酸二甲脂和纯的对苯二甲酸1。PX还可用作溶剂以及作为香料、油墨等生产原料，用途十分广泛。并且其作为最重要的化工原料之一，在过去几年内的需求有着强烈增长的趋势。通过对PX的产能、产量、需求量以及近年来市场情况进行分析，得出由于产能增长不及需求增长，预计到2020年国内对二甲苯 （PX）仍存在供应缺口，发展对二甲苯 （PX）具有良好的前景和盈利空间。根据统计数据显示，每年用于生产DMT的PX仅为几万吨，制药领域所消耗的 PX也仅为 PX总消费量的5左右，它们对PX需求的影响微乎其微；而PTA每年消耗的PX约占PX总消费量的90，因此PTA的消费增长是拉动PX需求增加的直接因素。对二甲苯 （PX）是

11、用于生产精对苯二甲酸（PTA）的基本原材料。目前芳烃主要来自石油化工工业中的催化重整 、石脑油裂解 、低碳烃类芳构化和芳烃类转化工艺，仅有少部分来自煤化工中的煤焦油。利用替代原料 ，如甲醇、液化气 （LPG）和生物质，生产包括PX在内的芳烃新技术正在脱颖而出2。上世纪70年代，Yashima等首先注意到各种阳离子交换的Y沸石催化剂上甲苯与甲醇的烷基化反应，可得到45%50%相对高含量的对位异构体，突破了该温度下的热力学平衡值，呈现出一定的对位选择性。目前，Mobil公司的Chen等以ZSM-5为催化剂，进行了甲苯甲醇选择性烷基化的系统研究，发现采用大晶粒HZSM-5催化剂得到的液体产物中，对二

12、甲苯的含量比以往要高很多。自此以后，一系列使ZSM-5分子筛催化剂在甲苯烷基化反应中产生高对位选择性的处理技术相继见诸报道，改性ZSM-5的相关文献也很多。综合分析发现，ZSM-5是甲苯甲醇烷基化反应合成对二甲苯较合适的择形催化材料。目前，国内外甲苯甲醇烷基化催化剂研究都是围绕ZSM-5沸石展开。甲苯甲醇烷基化合成PX（简称MTX）是一条新工艺路线。与传统的甲苯歧化工艺相比，该工艺技术的最大优势是以甲苯和低成本的甲醇作为原料，生产出高浓度的PX，而仅有很少量的副产物苯和C9。新工艺中，甲醇的引入提高了甲苯利用率，理论上每生产1吨PX只需要耗用1吨的甲苯，而传统的甲苯歧化工艺，每生产1吨PX需要

13、耗用约25吨的甲苯，且副产物较多。因此新工艺收率高，成本低。2000年以前，发展比较缓慢，但供需关系相对平衡，2000年国内自给率为88%；2000年到2010年，中国PX项目迅速发展，生产能力一跃成为世界第一；2010年至2013年，国内市场需求持续走高，而PX建设却步伐放缓，产能开始无法满足需求3。资料显示，2012年，中国对PX的实际需求为1385万吨，已经成为全球最大的PX消费国，占全球消费量的32%，但中国PX总产能仅为880万吨，自给率只有63%。这是由于近年来产业链发展不均衡，才会导致出现了原料PX发展速度相对缓慢。然而下游PTA产业发展仍然呈迅猛的态势，导致产业链上下游产品布局

14、不同步。目前我国PTA企业大多依赖进口解决PX的供应 ，我国现有和未来新增的PTA装置仍主要集中在华东、华南沿海地区，该地区的PX供需缺口将进一步扩大，尤其是浙江、江苏和福建地区。国内新建 PX装置，要从有利于促进下游 PTA产业发展的角度考虑，在解决原料供应的前提下，应优先考虑在贴近下游 PTA市场布局的 PX项目，如沿江、沿海等省市，发挥项目的区域优势，在局部地区形成上下游一体化的产业链，增加 PX-PTA-聚酯产业链的整体竞争力。由于国内煤资源丰富，煤制甲醇产能过剩。而且目前市场上甲醇价格约2800元/吨，而甲苯则高达l万元/吨。因此，甲苯甲醇烷基化合成PX技术的开发和应用，实现了煤化工

15、与石油化工的有机结合，将有效缓解国内甲醇产能过剩的问题。一个国家的化工水平有几个指标可以大致概括一下，一个是它的炼油能力，还有一个是乙烯的产量，PX即二甲苯的产量也是一个国家化工化学水平的重要指标。PX即二甲苯的产量也是反映一个国家化工水平的标志性产品，这就说明PX是一个非常重要的战略物品。2012年l2月27日，国内首套甲苯甲醇烷基化工业装置在扬子石化完成工业运行试验。运行结果表明，装置满负荷运行平稳，各项技术指标优于设计值，工艺技术方案可行。这标志着中国石化成为拥有甲苯甲醇烷基化专有技术的公司，而且为今后芳烃装置的增产扩能和芳烃生产过程中原料和产品结构调整，实现芳烃生产原料的多元化，提供了

16、强有力的技术支撑，具有较好的经济效益和重要的战略意义。而本设计拟采用Aspen Plus等专业化工软件对采用甲苯甲醇烷基化法年产30万吨PX的生产车间进行模拟、分析，并进行设备选型和设计，对生产过程进行工程优化。在拥有更高的转化率的同时更加的经济环保。因此，对甲苯甲醇烷基化法年产30万吨对二甲苯车间的设计具有非常重大的意义。2.1.2 原料选取以及产物标准本项目的产品方案以国家的行业政策和行业的发展规划为依据进行确定，并充分考虑国内国际的市场前景和市场容量4。因此，本项目一期工程产品方案为联产高纯度对二甲苯（PX）、乙烯和苯。在生产过程中副产的其他产品可以继续利用，仍然具有经济价值，从而提高企

17、业的经济效益，促进企业产品结构的提升。本项目的主要产品为PX，年产量30万吨，含量99.7%，属于优等品。石油化工行业标准如表2.1所示。表2.1 中华人民共和国石油化工行业标准（SH/T 1486.1-2008工业对二甲苯）项目一等品纯度%99.799.5非芳烃含量%0.10甲苯含量%EB含量%0.200.30MX含量%OX含量%总硫含量%2.0颜色（铂一钴色号）10酸洗比色酸层颜色应不深于重铬酸钾含量为0.10g/L标准比色液的颜色溴指数（mgBr/100g）200本厂选用进口的甲苯和厂家直销的甲醇及工艺软水为原料，甲苯的价格为8000元/吨。甲苯规格见下表2.2。通过下表我们知道进料甲苯

18、浓度在95%左右。表2.2 甲苯规格（符合GB3406-1990 石油甲苯优级品指标）优级品 实验方法外观透明液体，无不溶水机械杂质 目测颜色（Hazen单位铂钴色号）不深于20 GB/T 3143密度（20）kg/m865868 GB/T 2013苯含量%（m/m）0.05 GB/T 3144C8含量%（m/m）非芳烃含量%（m/m）0.20 GB/T 3144总硫含量mg/kg 2 SH/T 0253蒸发残余物mg/kg 5 GB/T 3209本厂选择国内厂家直销的甲醇为原料。甲醇的价格为2500元/吨。详细数据见表2.3所示。通过下表我们知道甲醇的浓度在99%左右。表2.3 甲醇规格（符

19、合GB3406-1990 工业用甲醇项目 优等品色度（铂钴色号） 5 791792沸程 0.8高锰酸钾试验/min 50水溶性试验 通过试验水的质量分数% 0.10酸的质量分数 0.0015羰基化合物的质量分数（以HCHO计）% 0.002蒸发残渣的质量分数% 0.001硫酸洗涤试验/Hazen单位（铂钴色号） 502.1.3 制备工艺的选取PX是发展化纤的主要原料来源，其主要用途是作为PTA或DMT（对酚酞二甲酯）的原料，二者是聚酯纤维和各种塑料产品的重要原料。生产PX的途径，一是从重整混合二甲苯中通过吸附分离等物理过程将其中的PX组份分离出来，是一个物理过程；二是将不含PX的混合二甲苯通过

20、二甲苯异构化反应转化成PX平衡物后再通过吸附分离技术进行分离；三是将C7A及C9A等非二甲苯组份通过歧化与烷基转移转化成含有PX的混二甲苯平衡物过程，其中途径二和三是化学过程。分离混二甲苯四种异构体的工业方法中，其物理过程主要有深冷结晶法、络合分离法、吸附分离法，其次还有共晶、磺化等方法，其中以吸附分离法最为先进（目前世界上主要有美国UOP的PAREX工艺和法国IFP的ELUXYL工艺）5。Y沸石通过阳离子交换的方式催化甲醇和甲苯发生烷基化反应的原理是在上个世纪七八十年代被Yashima等人最先发现的。通过Y沸石的这种催化方式可以得到对二甲苯含量高达45%-50%的混合二甲苯，比之前其他的反应

21、方式的热力学平衡值都要高出很多，表现出了相对较高的对位选择性。最近，利用ZSM-5作为催化剂对甲苯甲醇发生烷基化反应的选择性进行系统化研究的人员是以来自美国Mobil的Chen等人为首的。研究人员发现利用较大晶粒化的HZSM-5作为催化剂得到的最终产物混合二甲苯中，PX的选择性明显提高，且转化率也有明显提升6。在此次研究之后，利用ZSM-5催化甲苯甲醇烷基化法来制备PX的处理技术不断被研究，其相关资料报道也日渐增多。综合目前的研究发现，甲醇甲苯烷基化反应合成PX选择性较高的催化剂就是ZSM-5。就目前而言，国内化工行业甲苯甲醇烷基化反应所使用的催化剂都是在ZSM-5催化剂基础上展开的。本次课题

22、采用的制备方法和美国Mobil公司提出的是一致的。这是一条新兴的生产工艺。其与国内传统的通过甲苯歧化或者混合二甲苯异构化来制备PX的方法相比，最大优点是以低价的甲苯和甲醇通过较高的转化率生产出高浓度的PX，而且只含有极少量的污染低的副产物7。从理论上分析，每生产1份的PX所需要的甲苯量也只要1份，其效率要远远高于国内传统的制备方式。2.1.4 厂址选择原则（1）厂址位置必须符合国家工业布局，城市或地区的规划要求，尽可能靠近城市或城镇原有企业，以便于生产上的协作，公用工程的供应，生活上的方便。厂址宜选在原料、公用工程供应和产品销售便利的地区，并在储运、机修、公用工程和生活设施等方面有良好基础和协

23、作条件的地区。（2）厂址应靠近水量充足的水质良好的水源地，当有城市供水，地下水和地面水三种供水条件时，应该进行经济技术比较后选用。（3）厂址应尽可能靠近原有交通线（水运、铁路、公路），即应有便利的交通运输条件。以避免为了新建企业需修建过长的专用交通线，增加新企业的建厂费用和运营成本。在有条件的地方，要优先采用水运。对于有超重、超大或超长设备的工厂，还应注意沿途是否具备运输条件。（4）厂址应尽可能靠近热电供应地，一般地讲，厂址应该考虑电源的可靠性（中小型工厂尤其如此），并应尽可能利用热电站的蒸汽供应，以减少新建工厂的热力和供电方面的投资。（5）厂址应尽量考虑劳动力来源丰富、人力成本低、人口素质较

24、高的地点。（6）选厂应注意节约用地，不占或少占良田、好地、菜园、果园等。厂区的大小、形状和其它条件应满足工艺流程合理布置的需要，并应有发展的可能性。（7）选厂应注意当地自然环境条件，并对工厂投产后对于环境可能造成的影响做出评价。工厂的生产区、排渣场和居民区的建设地点应同时选择。（8）散发有害物质的工业企业厂址，应位于城镇相邻工业企业和居住区全年最小频率风向的上风侧，且不应位于窝风地段。（9）有较高洁净度要求的生产企业厂址，应选择在大气含尘量低，含菌浓度低，无有害气体，自然环境条件良好的区域，且应远离铁路、码头、机场、交通要道，以及散发大量粉尘和有害气体的工厂、储仓、堆场等有严重空气污染、水质污

25、染、振动或噪声干扰的区域。如不能远离有严重空气污染区时，则应位于其最大频率风向上风侧，或全年最小频率风向的下风侧。（10）厂址应避离低于洪水位或在采取措施后仍不能确保不受水淹的地段；厂址的自然地形应有利于厂房和管线的布置，内外交通联系和场地的排水。（11）厂址附近应有可靠的污水处理设施，如工厂自建污水处理厂，且处理达标后的污水要直接排入厂址附近的自然水体，则其排污点需得到环评报告的论证和相关部门的批准。（12）厂址应不妨碍或破坏农业水利工程，应尽量避免拆除民房或建、构筑物，砍伐果园和拆迁大批墓穴等。（13）厂址应具有满足建设工程需要的工程地质条件和水文条件。（14）厂址应避免布置在下列地区：地

26、震断层带地区和基本烈度为9度以上的地震区；土层厚度较大的级自重湿陷性黄土地区；易受洪水、泥石流、滑坡、土崩等危害的山区；有卡斯特、流砂、游泥、古河道、地下墓穴、古井等地质不良地区；有开采价值的矿藏地区；对机场、电台等使用有影响的地区；有严重放射性物质影响的地区及爆破危险区；国家规定的历史文物，如古墓、古寺、古建筑等地区；园林风景和森林自然保护区、风景游览地区；水土保护禁垦区和生活饮用水源第一卫生防护区；自然疫病区和流行病地区。上述是工厂选址的基本要求，为满足这些要求，我们可以选择江苏南京化工工业园区内。2.2 工艺路线说明2.2.1 甲苯甲醇烷基化工段图2.4 甲苯甲醇烷基化工段示意图本次工艺

27、设计采用的原材料为甲醇和甲苯，催化剂为ZSM-5，反应容器为平推流反应器。（利用ZSM-5作为催化剂对甲苯甲醇发生烷基化反应的选择性进行系统化研究的人员是以来自美国Mobil的Chen等人为首的8。研究人员发现利用较大晶粒化的HZSM-5作为催化剂得到的最终产物混合二甲苯中，PX的选择性明显提高，且转化率也有明显提升。在此次研究之后，利用ZSM-5催化甲苯甲醇烷基化法来制备PX的处理技术不断被研究，其相关资料报道也日渐增多9。）整个甲苯甲醇烷基化工段大致流程为：来自甲醇储存罐的温度为25、压力为1bar的甲醇和来自甲苯储存罐的温度为25、压力为1bar的甲苯在混合容器M1中进行充分的混合后进入

28、换热器H1。换热器H1内部压力设置为33bar,出口温度400。反应物料经加热后进入平推流反应器R1，在平推流反应器用ZSM-5作催化剂、反应温度为400，反应方程式如下：图2.5 主反应反应方程式结构示意图由基本反应式我们知道，实质是甲基取代了甲苯上甲基对位的氢原子，从而生产对二甲苯的过程10。该过程的反应转化率约为30%，PX的选择率约为80%。通过对反应器的计算，我们可以知道反应的主要参数（详细计算见下文）。利用这些参数，并带入到Aspen Plus中，我们可以得到反应结果数据。其主反应器即平推流固定床反应器在Aspen Plus中的设计参数如下图2.6：图2.6 反应器设计参数示意图2

29、.2.2 水分离工段由上一工段反应方程式中我们知道，反应产物有大量无污染的产物H2O产生。此工段目的为将水从反应产物中分离出去。图2.7 水分离工段示意图来自上一工段的高温产物经换热器H2将温度降低至50后，进入倾析器D1。由于水在有机相甲苯、PX中溶解度极低，所以采用简单的倾析器就可以将水分离出去。水相经管道G5流向水-甲醇分离器，有机相则流入下一工段。经过此工段后有机相含水量可以忽略不计，分离效果较好，设备简单经济，充分满足了设计原则与要求。2.2.3 甲醇提纯工段本工段采用的是简单闪蒸罐来提高未反应甲醇在水中的浓度。由于甲醇和水是共沸的，所以简单闪蒸不能完全将甲醇从水中分离出来。而且水的量比较大又是反应的产物。所以将甲醇的浓度提高到主反应所需最低浓度即可。这样既降低了生产成本，又满足了工艺的要求。其在Aspen中的简单示意图如下：图2.8 甲醇简单提纯工段示意图通过倾析器分离出来的甲醇溶液起始浓度较低，通过简单闪蒸可达50%左右，基本满足反应需求。闪蒸罐的参数设置在Aspen文件PX30.2.apwz中可查阅。2.2.4 产物脱甲醇精馏工段本次工艺设计中甲醇和产物中水以