年产20万吨乙苯脱氢制苯乙烯装置工艺设计毕业论文设计.docx

1、年产20万吨乙苯脱氢制苯乙烯装置工艺设计毕业论文设计(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)毕业设计20万吨年乙苯脱氢制苯乙烯装置工艺设计摘 要苯乙烯是最重要的基本有机化工原料之一。本文介绍了国内外苯乙烯的现状及发展概况，苯乙烯反应的工艺条件，乙苯脱氢制苯乙烯催化剂，苯乙烯的生产方法和生产工艺。本设计以年处理量20万吨乙苯为生产目标，采用乙苯三段催化脱氢制苯乙烯的工艺方法，对整个工段进行工艺设计和设备选型。根据设计任务书的要求对整个工艺流程进行了物料衡算，并利用流程设计模拟软件Aspen Plus对整个工艺流程进行了全流程模拟计算，选用适宜的操作单元模块和热力学方法，建立过程模型进行

2、稳态模拟计算并绘制了带控制点的工艺流程图。在设计过程中对整个工艺流程进行了简化计算，将整个流程分为了反应和精馏分离两个部分，利用计算机模拟计算结果对整个工艺流程进行了模拟优化，并确定了整套装置的主要工艺尺寸。 由于本设计方案使用计算机过程模拟软件Aspen Plus进行仿真设计，减少了实际设计中的大量费用，对现有工艺进行改进及最优综合具有重要的实际意义。关键词：乙苯，苯乙烯，脱氢，Aspen Plus，模拟优化AbstractStyrene Monomer（SM）is one of the most important organic chemicals. This article descr

3、ibes the present situation and development of styrene at conditions, catalyst for ethylbenzene dehydrogenation to styrene, styrene production methods and production processes.This design is based on the annual targets, ethylbenzene three-stage dehydrogenation using styrene in the process, the entire

4、 section in the process design and equipment selection. According to the requirements of the design of the mission statement of the entire process the material balance, process design simulation software Aspen Plus simulation of the whole process of the entire process, choose the appropriate operati

5、ng unit module and thermodynamic methods, process model for steady-state simulation and draw the P&ID diagram. The entire process in the design process, simplify the calculation, the whole process is divided into reaction and distillation to separate the two parts, the use of computer simulation res

6、ults on the entire process flow simulation and optimization, and determine the size of the main process of the entire device .This design using computer simulation software Aspen Plus simulation designed to reduce the substantial costs of the actual design, to improve the existing process and optima

7、l synthesis ，Aspen Plus，Simulation and optimization1 前言 11.1 苯乙烯现状及发展概况 21.2 乙苯脱氢制取苯乙烯反应工艺条件研究 21.2.2 温度 21.2.3 进料比 31.2.4 压力 31.3 乙苯脱氢制苯乙烯催化剂研究 31.3.1 国内外苯乙烯催化剂研究现状 41.3.2 国内催化剂研发的建议 51.4 苯乙烯生产方法概述 71.4.1 乙苯脱氢法 71.4.2 乙苯共氧化法 71.4.3 甲苯为原料合成苯乙烯 81.4.4 乙烯和苯直接合成苯乙烯 81.4.5 乙苯氧化脱氢 81.5 乙苯脱氢制苯乙烯工艺方法概述 91.

8、5.1 LummusUOP乙苯脱氢工艺 91.5.2 FinaBadger乙苯脱氢工艺 91.5.3 乙苯脱氢选择性氧化工艺（Smart工艺） 101.6 Aspen Plus软件及功能简介 101.7 本设计方案主要内容及意义 122 设计部分 132.3 设计任务书 132.3.1 乙苯催化脱氢主、副反应 132.3.2 乙苯脱氢催化剂 132.3.3 乙苯脱氢反应条件 132.3.4 乙苯脱氢工艺流程 142.4 物料衡算 142.4.1 脱氢绝热反应器 152.4.2 油水分离器 172.4.3 乙苯苯乙烯精馏塔 202.4.4 甲苯乙苯精馏塔 212.4.5 苯甲苯精馏塔 212.4

9、.6 苯乙烯精馏塔 222.5 Aspen Plus模拟工艺流程设计 222.3.1 状态方程及模块的选择 222.3.2 动力学方程选择 232.3.3 反应部分操作参数和关键控制 242.3.4 精馏部分操作参数 343 设计结果与讨论 423.1 苯乙烯工艺流程图及流程概述 423.2 Aspen Plus软件模拟流程及其简述 433.2.1 反应部分概述 433.2.2 分离部分模拟 443.3 主要设备工艺参数汇总 443.3.1 换热器组 443.3.2 反应器 443.3.3 精馏分离部分 453.4 公用工程一览 453.4.1 加热蒸汽 453.4.2 生产用电 453.4.

10、3 冷却用水 463.5 讨论 46符号说明 48致谢 49参考文献 501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

11、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LummusUOP乙苯脱氢工艺、FinaBadger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。As

12、pen Plus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。Aspen Plus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”（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。1982年为了将其商品化，成立了Aspen Tech公司，并称之为Aspen Plus。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。1.1苯乙烯现状及发展

13、概况苯乙烯（SM）作为不饱和芳烃中最简单的成员，是一种广泛用于生产苯乙烯系列树脂及丁苯橡胶的重要有机化工原料。在世界五大合成材料的产量中，苯乙烯系列树脂的产量仅次于聚乙烯和聚氯乙烯，名列第三位。此外，苯乙烯还可用于制药、染料、农药和选矿等行业，用途十分广泛。据统计，目前世界上已有4O多个国家可以生产苯乙烯，生产能力已经超过了21000kta。我国苯乙烯生产始于五十年代末期，至2000年生产能力已达922 kta。2003-2006年，我国苯乙烯产量由948kt增至2166kt。与此同时，我国苯乙烯消费最也由3603kt增至4503kt。长期以来，我国苯乙烯产量不能满足我国需求，2003-200

14、6年我国苯乙烯进口量为23432661kt。虽然我国苯乙烯产量不断增加，但是需求量也在逐年增加，苯乙烯对外依存度依然很高1。据预测，2010年可达到3920kta。新增生产能力主要是新疆独山子、上海赛科、南海壳牌、镇海炼化、惠州壳牌和广州石化等数套规模达300至600kta的大型苯乙烯装置。1.2乙苯脱氢制取苯乙烯反应工艺条件研究乙苯脱氢的主反应为：1.2.2温度乙苯脱氢反应是可逆吸热反应，温度升高有利于平衡转化率的提高，也有利于反应速率的提高。而温度提高同时加快了乙苯的裂解和加氢裂解，即随着温度的升高，乙苯转化率增加，而苯乙烯的选择性降低。若温度降低时，副反应虽然减少，苯乙烯的选择性提高，但

15、反应速率也相应降低，产率也不高。故乙苯收率随温度变化存在一个最高点，其对应温度为最适宜温度。1.2.3进料比由热力学原理可知，用水蒸气作为脱氢反应的稀释剂可以提高乙苯脱氢的平衡转化率，增加乙苯收率，抑制催化剂表面结焦同时有消炭作用，并提供热量，利于分离。但是，水蒸气用量不是越多越好，超过一定比值后平衡转化率的提高就不明显了，其水蒸气用量与平衡转化率的关系如图1-2所示。1.2.4压力 从热力学原理看，提高温度、降低体系压力有利于平衡，在工业生产中由于安全因素通常不采用负压，故大都加入水蒸气，作为稀释原料气。加入水蒸气不仅可以降低乙苯的反应压力，促使平衡向右移动以提高苯乙烯收率；而且水蒸气经冷凝

16、后变为水，易与苯乙烯分离，来源易得，价格相对便宜，比热容大，并且可以通过水煤气反应不断排除催化剂上的积炭，使催化剂再生2。1.3乙苯脱氢制苯乙烯催化剂研究对于乙苯脱氢制苯乙烯这一重要的石油化工过程，所用催化剂的研究开发及更新换代，从2O世纪3O年代以来持续发展。以催化剂为中心的工艺条件的优化，反应器类型的结构设计也常有改进36。乙苯脱氢反应是一个强吸热的分子数增加的反应，从热力学上看，提高温度、降低压力有利于平衡，因此目前工业上大多数采用负压工艺。又因为过高的温度不仅易导致乙苯裂解而产生苯，甲苯，二氧化碳等副产物，而且增加能耗，使得经济上不合理，故使反应温度的提高受到了很大的限制。因此，必须依

17、靠催化剂研制技术的提高和工艺的改进加以解决。1.3.1国内外苯乙烯催化剂研究现状国外脱氢催化剂的研究始于20世纪3O年代，至今已有7O年的历史。在苯乙烯生产工业化初期，使用的是锌系催化剂和镁系催化剂。由于需要很复杂的再生，所以到2O世纪4O年代又开发了在水蒸气的存在下有可能自身再生的氧化铁一氧化钾系催化剂。之后，含有结构稳定剂铬的FeK-Cr系催化剂占主导地位，并得到广泛应用。进入2O世纪60年代，人们在FeKCr系催化剂中，添加钒等元素以提高苯乙烯选择性。20世纪7O年代，随着全球环保意识的加强，各国逐渐淘汰了含铬量较大的FeKCr系脱氢催化剂，开发了含有铯、钼氧化物的FeKCeMo系催化剂

18、，该类催化剂因具有高选择性而被广泛用于绝热型反应器中。2O世纪8O年代，UCI公司开发出G84C脱氢催化剂，不久又有G84C改进型即G84D、G84E、G84F系列催化剂问世。与此同时，美国标准催化剂公司也开发成功了C035、C045等新型乙苯脱氢催化剂。近年来，德国南方化学公司又先后开发成功了Stryomax 14型苯乙烯催化剂，该类催化剂以其优良的反应性能被许多国家的苯乙烯生产厂家所采用。目前，苯乙烯催化剂市场基本被四大集团所垄断，它们是Sad Chemie Group南方化学集团，Criterion催化剂公司，BASF公司和DOW 公司。我国最早开发的铁系催化剂是兰化公司合成橡胶厂研制的

19、315型催化剂，厦门大学从2O世纪7O年代中期先后研制过11#和210型无铬催化剂。近年来，上述两单位又推出了345、355型和XH-02、XH一03和XH一04系列催化剂。大连化物所在氧化铁基础上，引入碱性促进剂和添加金属氧化物助剂，并开发成功了DC系列催化剂。 上海石化院在1984年至今的十多年中，先后开发成功了Gs01GsO8系列催化剂，并成功应用于国内多套绝热或等温反应器。GS-O5、GS一06B、GS-08催化剂多次在引进的大型装置上应用并获得成功。国产化催化剂的成功开发和应用，极大地提高了该类催化剂在我国的研究水平，推动了苯乙烯制造技术全面国产化的进程，同时产生了良好的经济效益和社

20、会效益。国内外催化工作者在努力提高苯乙烯催化剂的催化活性的同时，还根据乙苯脱氢反应动力学模型，对催化剂的外形、尺寸等进行了研究，除常见的圆柱型催化剂外，还研制了三叶型、车轮型及拉西环型等异型催化剂，从多方面全方位提高催化剂的性能。1.3.2国内催化剂研发的建议1.3.2.1深入研究乙苯脱氢反应的机理乙苯脱氢制苯乙烯反应属典型的碱催化反应。文献上报道了在Fe 2O3K2O系催化剂上乙苯脱氢可能同时存在着两种反应过程，即直接脱氢和氧转移脱氢。要通过对脱氢催化剂中氧原子进行示踪的方法，获得脱氢催化剂中晶格氧参与反应的确凿证据，从而制定增加晶格氧活泼性的方案，促进氧转移脱氢反应的快速进行。1.3.2.

21、2对稀土元素在脱氢催化剂中的应用研究对稀土促进的Fe 2O3K2O系脱氢催化剂而言，在Fe2O3微晶的相边界发生了氧化还原反应如：Fe3+X3+=Fe2+X4+，促进了Fe3+Fe2+电子传递更频繁地进行，加速了氧化还原反应周期，从而使催化剂脱氢活性增加，脱氢温度降低。目前国内外催化剂中均采用部分稀土元素作为促进剂。我国作为世界上的稀土大国，稀土资源十分丰富，以往脱氢催化剂研究中对稀土种类的选择范围太窄，复合稀土的应用尚未涉及，应加强此类工作的研究。1.3.2.3充分认识催化剂的结构对性能的影响催化剂的结构决定催化剂的性质。脱氢催化剂中存在的多铁酸钾具有型结构，钾离子隐藏在FeO骨架形成的尖晶

22、石层状结构中，且可在其中自由移动以传输电子。国内这些年对Fe2O3与K2O相互作用形成的多铁酸钾尖晶石结构逐步有了认识，对尖晶石结构对催化剂活性、稳定性、机械强度、耐水性能的影响有了初步了解，然而对该结构的形成机理以及影响它形成的因素缺乏系统认识，缺少在催化剂获得大量尖晶石结构的有效手段。1.3.2.4重视催化剂制备技术的研究根据乙苯脱氢反应动力学模型，催化剂的外形、尺寸等脱氢反应性能均存在明显影响。除常见的圆柱型催化剂外，国内有关单位 还研制了三叶型、车轮型催化剂。为脱氢催化剂的性能提高开辟了新的研究途径。然而，随着研究的深入，突出的是催化剂的机械强度问题。低强度的催化剂在应用过程中可能会产

23、生粉化，使得催化剂的床层阻力降明显提高，导致装置停车。因此应同时对催化剂的成型、焙烧等手段进行同步研究。1.3.2.5开展催化剂应用技术的研究催化剂的装填、开车乃至于拆卸都会对催化剂使用效果产生影响。改变目前人工装填催化剂对催化剂损伤大、劳动强度高、装填均匀性差的状况，改用机械装置真空装填的方法，要对装填技术和装填机械进行研究。对催化剂的拆卸技术进行专门研究，形成专门的烧焦技术，以达到保护关键设备反应器的目的。还应对催化剂开车初期活化条件进行研究，使得催化剂中Fe3+Fe2+之间实现转化并尽快达到平衡，以降低催化剂初始使用温度，为催化剂使用寿命的延长赢得宝贵的时间。此外，从环境保护的角度出发，

24、为废弃催化剂的利用寻找新途径，为实现绿色工艺奠定基础。1.4苯乙烯生产方法概述1.4.1乙苯脱氢法乙苯脱氢法是目前生产苯乙烯的主要方法。在工业上，乙苯的来源主要采用烷基化法，苯和乙烯在催化剂的作用下生成苯乙烯，其次从炼油厂的重整油、烷烃裂解过程中的裂解汽油和炼焦厂的煤焦油中通过精馏分离出来。此法分两步进行，第一步是苯和乙烯反应，生成乙苯；第二步是乙苯脱氢生成苯乙烯，其反应式为：1.4.2乙苯共氧化法乙苯共氧化法，又称哈康法，该法分三步进行，首先是生成乙苯过氧化氢，然后将乙苯过氧化氢与丙烯反应，生成和环氧丙烷，然后使前者脱水生成苯乙烯。1.4.3甲苯为原料合成苯乙烯以甲苯为原料合成苯乙烯共有两种

25、方法。第一种方法分为两步，第一步为采用为催化剂，在水蒸气存在下使用苯脱氢缩合生成苯乙烯基苯；第二步将苯乙烯基苯与乙烯在催化剂作用下生成苯乙烯。另一种方法为甲苯和甲醇直接合成苯乙烯，此方法正在研究之中，未进行工业化生产。1.4.4乙烯和苯直接合成苯乙烯采用贵金属催化剂，可在液相，也可以在气相中进行反应，副产品有乙烯、乙醛、二氧化碳等。此技术正处于研究之中，有一定的发展前景7。1.4.5乙苯氧化脱氢此种方法的特点是不受乙苯脱氢平衡的限制，也不采用水蒸气。目前尚在研究阶段，是一个极有发展前景的生产路线8。1.5乙苯脱氢制苯乙烯工艺方法概述在国内的苯乙烯装置中，主要采用乙苯脱氢制苯乙烯法进行生产主，其

26、主要工艺方法为LummusUOP乙苯脱氢工艺、FinaBadger乙苯脱氢工艺和乙苯脱氢选择性氧化工艺（Smart工艺）。1.5.1LummusUOP乙苯脱氢工艺该工艺的脱氢反应在脱氢反应器中进行，反应温度为600640，反应压力为400kPa(A)左右，同时向反应器中加入蒸汽以降低苯乙烯分压，蒸汽乙苯质量为1.31.5，乙苯转化率60%以上，苯乙烯选择性达95%以上。反应器内设有约翰逊网，气体在径向上分布均匀，压降较低9。第二脱氢反应器出口的反应产物首先将乙苯蒸汽预热，然后产生两个压力等级的低压蒸汽。 脱氢液先经过乙苯苯乙烯塔，从塔顶分离苯、甲苯、乙苯等比苯乙烯轻的组份去乙苯回收塔及苯甲苯分

27、离塔，从塔底采出的粗苯乙烯去苯乙烯塔，然后得到苯乙烯产品。脱氢液的分离采用四塔流程，苯乙烯经历二次加热。乙苯苯乙烯塔采用高真空低釜温的工艺，操作压力为1240kPa(A)，焦油生成量少。1.5.2FinaBadger乙苯脱氢工艺该工艺同样采用绝热脱氢方法，高温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800890，与预热器内的乙苯混合后再通过催化剂，反应温度为580650，压力为负压，蒸汽乙苯质量比为1.01.2。反应器材质为铬镍，反应产物在冷凝器中冷凝10。反应系统、脱氢液分离、尾气压缩及洗涤等部分与LummusUOP的乙苯脱氢工艺基本相同，但废热回收换热器的型式及流

28、程与LummusUOP乙苯脱氢工艺不同。在FinaBadger工艺中，第二脱氢反应器出口的反应产物首先在第一个换热器中将乙苯蒸汽预热，然后进入第二换热器产生高压蒸汽，最后进入第三个换热器中，利用反应产物的余热将脱氢单元的乙苯汽化。FinaBadger工艺的苯乙烯精馏工艺与LummusUOP工艺差别较大，脱氢液先经过苯甲苯塔，从塔顶分离出苯、甲苯等比乙苯轻的组份，从塔底得到乙苯、苯乙烯等比乙苯重的组份；苯甲苯塔底物料进入乙苯回收塔，在乙苯回收塔顶得到回收乙苯，塔底为含有重组份的苯乙烯；乙苯回收塔底的物料进入苯乙烯塔，去除重组份后在苯乙烯塔塔顶得到苯乙烯产品。脱氢液的精馏虽然也采用四塔流程，但苯乙

29、烯经历了三次加热。1.5.3乙苯脱氢选择性氧化工艺（Smart工艺）乙苯脱氢选择性氧化工艺主要是向脱氢反应器的出口物流中加入定量的氧气及蒸汽，然后进入氧化脱氢反应器，该反应器中装有高选择性氧化催化剂及脱氢催化剂，氧与氢反应产生的热量使反应物流升温，同时使反应物中的氢分压降低，打破了传统脱氢反应的热平衡，反应向生成苯乙烯的方向移动。选择氧化催化剂活性很高，对氢具有高选择性，同时烃损失很少11。此工艺将乙苯单程转化率提高至70%以上，同时有效地利用了氢气氧化反应所放出的热量，适用于对常规苯乙烯装置改造，可使生产能力提高30%50%。1.6Aspen Plus软件及功能简介Aspen Plus作为目

30、前通用的大型化工过程模拟软件，提供了丰富的物性数据，热力学模型和单元操作模型，用于化工过程的模拟和优化。其计算结果得到许多同行的认可，该软件也和其他软件一样在不断地升级。在化工、炼油、石油化工、气体加工、煤炭、医药、食品等许多工业领域被广泛使用。在化工工程设计中运用Aspen Plus模拟，不仅大大缩短了工程设计时间，也很方便的进行工艺方案的优化。化工系统工程主要包括模拟、优化、灵敏度分析和系统综合等，其中模拟是基础，也是最重要的环节。Aspen Plus 因为具有工业上最适用且完备的物性系统，作为计算机辅助性软件能精确模拟出实际化工过程而得到广泛应用。Aspen Plus具有以下特点：(1)

31、拥有一套完整的单元操作模型，用于模拟各种操作过程，从单个操作单元到整个工艺流程的模拟。(2)具有工业上最适用而完备的物性系统。同时还提供灵活的数据回归系统，使用实验数据来求物性参数，可以回归实际应用中的任何类型的数据，计算任何模型参数。同时物性常数估算系统(PCES)能够通过输入分子结构和易测性质来估算短缺的物性参数，对于模拟流程中含有的新产品往往运用此功能非常有用。(3)提供流程模拟所需的多种功能，快速而可靠地收敛流程，便于快速准确的进行流程优化计算。(4)作工艺计算的同时进行经济评价，用户能够估算基建费用和操作费用，进行过程的技术经济评价。经济评价可以应用于任何阶段，从工艺过程的研究开发、

32、设计、工厂建设以及工厂操作过程等1214。Aspen Plus 模拟软件在化工生产过程中的精馏、蒸馏、吸收等常规单元操作装置设计开发和应用上已经取得显著成果，并取得了运用模拟解决实际生产中遇到的问题及为节能降耗进行的工艺设备改进的经验。化工是一个复杂庞大的系统，针对一些复杂工艺操作过程往往很难单一的利用AspenOne 模拟软件准确模拟工艺过程，应寻求与其他软件结合起来达到最佳的模拟优化效果。同时以后应进一步扩大应用范围结合工程设计做更深入的开发和应用，特别是将装置设计、工艺操作、基础建设成本投资、经济评价及效益分析结合起来，使Aspen Plus 在工程应用中更加有效地发挥其功能。1.7本设计方案主要内容及意义