苯乙烯课程工艺设计说明书

I北京理工大学珠海学院课程设计任务书20102011 学年第 2 学期学生姓名： 黄妃四 专业班级：08 化学工程与工艺 1 班 指导教师： 王淑波 工作部门： 化工与材料学院 一、课程设计题目 年产 83 万吨苯乙烯工艺设计二、课程设计内容1文献检索、分析、 综 述设计项目的目的和意义；2工艺方法选择及其论证；3工艺流程设计及论证；4. 物料衡算、热量衡算；5. 部分设备的选型及管路设计；6. 绘制工艺流程图、车间平面布置图、车间设备布置图；7撰写、排版设计说明书。三、进度安排第 15 周：课程设计动员，下达任务书；第 15-17 周（业余时间）：查阅文献、综述设计项 目的目的和意义；确定生产方法和生产工艺流程。第 18 周（4 整天）：物料衡算、热量衡算；第 19 周（业余时间）：部分设备的选型及管路计算，整理说明书；第 20 周（4 整天）：绘图和答辩。四、基本要求1学生要刻苦钻研，勇于创新，独立完成 课程设计任务，不准弄虚作假、抄袭别人的成果，保质保量地完成课程设计的任务。2严格遵守纪律，在指定的地点进行课程设计，不得擅自带离学II校。3自觉遵守教室使用的相关规则，定期打扫课程设计工作现场的卫生，保持良好的工作环境。4课程设计成果及资料按时提交。5. 认真准备答辩。教研室主任签名： 2011 年 6 月 1 日III摘 要本书重点介绍化工生产工艺设计的流程及工艺设计的所有必要部分。设计的主要内容包括一下六个部分：进行国内外市场分析、生产工艺方法选定、物料和能量衡算、生产设备的设计、车间布置设计、利润评估。本设计题目为年产 83 万吨苯乙烯工艺设计，主要根据中科院发明的稀乙烯合成乙苯和参照鲁姆斯公司生产苯乙烯的技术，以乙苯脱氢法生产苯乙烯工艺，其具有以下优势：高能量回收；操作简单方便；安全性能高 ；低耗能；高经济效益等本设计注重理论联系实际，并突出化工工艺的概念。在设计过程中以“低耗能、低污染、低成本、切实可行”的设计理念进行设计，在现有的生产工艺基础上，参考中国科学院的先进乙苯合成工艺进行设计，设计方案现实可靠，且又不失创新性。本设计书由初学者所编而且时间比较仓促，有些设计因素被忽略，设计思路不够严谨，但其影响有限，所以基本能满足化工工艺生产设计的要求。本设计尚有不足之处，请各位读者和指导老师提出您的宝贵意见。关键词：工艺设计 市场分析 衡算 催化脱氢 可靠IVAbstractionThis book is mainly about the necessary parts of the design for theprocess of chemic production and process planning. The main content ofdesign consists of six parts: to analyze the market of styrene of domestic and abroad ,to choose the way of produce ,the calculation of energyand material ,to design the equipment , to dispose the equipment and to evaluate the profit.The subject of design is “to produce 830 hundred tons of styrene”，mainly based on the Chinese Academy of Sciences technology to produce ethylbenzene and James, company technology to produce styrene ,which has flowing advantages:large energy to recover ,simple operation ,safe ,low energy exhaust and high profit.This book was edited by a beginner so that some points may be ignored and the ideal may not be strict with limit effect , so the design should Be able to satisfy the requirement of design .I am sincerely hope the reader point out the error when you find and give your precious suggestions.Key words: process planning , market analysis ,entropy balance，catalytic dehydrogenation , reliableV目录北京理工大学珠海学院 .I摘 要 .IIAbstraction.III第一章 绪论 .1第二章 物料衡算 .62.1、计算依据 .6第三章 热量衡算 .143.1、热量衡算图 .143.2、各物质热系数 .143.3 热量计算 .15第四章 主要设备的计算与选型 .174.1 、乙苯 苯乙烯精馏塔计算 .174.2、泵的计算和选择 .204.3 接管选择 .224.4、换热器设计 .24第五章 自动化控制和优化 .275.1 乙苯合成反应器温度控制方案 .275.2 进料比例控制 .27第六章 经济概算 .28第七章 存在问题和建议 .29结束语 .30参考文献 .311第一章 绪论1.1 设计依据根据北京理工大学珠海学院下发的化工工艺课程设计书以及中科院大连化物所、抚顺石 化 公司石油二厂、洛阳石化工程公司联合开发的稀乙烯工艺，鲁姆斯(Lummus)公司生产苯乙烯的技术进行设计1.2 产品规格、性质、用途及市场分析苯乙烯产品规格：(外观：无色透明液体，无机械杂质，无游离水)表 1-1 苯乙烯产品规格一级 二级色度号 15 50苯乙烯含量% 99.6 99.0（wt）聚合物 PPm 10 50(wt)二乙烯基苯% 0.003 0.005(wt)总芳烃% 0.5 1.0(wt)苯甲醛% 0.02 0.4(wt)苯乙烯性质苯乙烯是含有饱和侧链的一种简单芳烃，是有机化工重要产品之一，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 摄氏度时其溶解度为 0.066%，能溶于甲醇，乙醇，乙醚等溶剂中苯乙烯用途苯乙烯（SM） 是合成高分子工业的重要单体，它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、乙二醇、邻苯二甲酸酐等共聚成聚酯树脂等。由苯乙烯共聚的塑料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，其生产总量 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。苯乙烯国内外市场分析国内市场进入本世纪以来，我国苯乙烯的表观需求量逐年增长，2001-2007 年由 220 万吨增加到 548 万吨，七年累计增加了 150%。国内苯乙烯产量在 2001-2004 年变化不大，自 2005 年开始，随着上海申科，中海壳牌，江苏双良，常州东吴等装置的建成投产，产量出现了较大的增长。以此对应的是进口量开始下降，05-06 连续两年出现了负增2长。国内苯乙烯进口依存度由 04 年 74.5%下降到 51%，但还是很大程度上长期处于短缺状态一直以进口来满足国国内市场需求据调查，2012 年之前，国内将新建或拟建苯乙烯项目大约有十个，总产量达到 250万吨，但随着国外苯乙烯产能逐步向中国转移，国内苯乙烯产业将面临着越来越大的挑战，尤其是中东国家苯乙烯的几口比重将明显增加，鉴于其低成本优势，国内苯乙烯市场将面临更加激烈的竞争。国外市场目前，全球苯乙烯的产量不断的增大，根据美国析迈（CMAI）公司 2008 年 9 月的分析预测，鉴于低成本的中东生产商对市场的较大影响，全球到 2013 年的苯乙烯市场将会供过于求高达 250 万吨/年同时，CMAI 称，由于经济增速放慢，全球苯乙烯的需求增长率预计会降低。1.3 工艺路线论证本次设计是以苯和乙烯为原料进行合成生产苯乙烯，其过程主要包括两部分:乙烯和苯合成乙苯；乙苯进一步合成苯乙烯A 乙烯和苯合成乙笨目前以乙烯和苯为原料合成乙苯主要有纯乙烯法和稀乙烯法纯乙烯工艺纯乙烯工艺主要有气相分子筛法、液相分子筛法和催化精馏法。稀乙烯工艺中科院大连化物所、抚顺石 化 公司石油二厂、洛阳石化工程公司联合开发的稀乙烯工艺，在沸石催化剂存在下和苯进行烃化反应，烃化反应过程采用干气和或低温气相苯取热，减少反应温升；烃化反应产物汽液分离后，尾气经低温吸收排出装置，中间副产物二乙苯与苯混合进入反烃化反应器在分子筛催化剂上进行反烃化反应进一步转化为乙苯。本发明有效降低稀乙烯制乙苯过程的苯耗和能耗，乙烯转化率不低于 99，生成乙苯的总选择性不低于 99，尾气携带苯回收率不低于 99.5，乙苯中二甲苯含量在 800以下。目前国内外比较多地采用纯乙烯工艺，但本次设计考虑到要经过中间反应才能得到目的产物，故要求乙烯和苯合成的乙苯具有高纯度，这样可以减少中间的分离能耗和设备投资，从而减少经济成本，故采用稀乙烯法，采用惰性气体纯乙烯混合，对乙烯进行稀释，其反应过程如下方程式苯 + C2H2 乙苯 乙苯 + C2H2 二乙苯二乙苯+苯 乙苯此过程的中间主要副产物二乙苯和笨能够发生反烃化反应进一步转化为乙苯，这样既能生产出高纯度的乙苯，又不需要在这道生产工艺中设置精馏系统，大大降低了生产成本B 乙苯进一步合成苯乙烯目前苯乙烯主要由乙苯转化而成，可通过如下四条工艺路线进行（1） 苯乙酮法这种方法是较早以前采用的，其步骤主要为氧化，还原和脱水三步，方程式：C6H5C2H5 + O2 C6H5COCH3 + H2OC6H5COCH3+ H2 C6H5CHOHCH3C6H5CHOHCH3 C6H5CHCH2 + H2O3该法苯乙烯产率为 75-80%，略低于苯乙烯脱氢法的产率，但中间副产物苯乙酮的产值较高，苯乙烯的精制部分分离较容易，故此法在国外仍有采用（2）乙苯和丙烯共氧化法本法在碱性催化剂作用下，使乙苯液相氧化成过氧化氢乙苯，然后和苯乙烯进行环氧化反应生成环氧丙烷，一本过氧化物则变为乙苯乙醇，乙苯过氧化物则变为乙苯乙醇，再经脱水变成苯乙烯C6H5C2H5 + O2 C6H5CHOOHCH3C6H5CHOOHCH3 + CH3CHCH2 C6H5CHOHCH3+ C3H6OC6H5CHOHCH3 C6H5CHCH2 + H2O本方法产率约为 65%，低于脱氢法的差率，但他能生产有机重要原料环氧丙烷，综合平衡仍有工业化价值，故目前国外也有采用此法生产（3）乙苯氧化脱氢法乙苯氧化脱氢法是目前尚处于研究阶段的生产苯乙烯的方法，在催化剂和过热蒸汽的存在下进 2C 6H5C2H5 + O2 2C6H5CHCH2 + 2H2O（4）乙苯催化脱氢法这是目前生产苯乙烯的主要方法，目前世界上大约 90%的苯乙烯采用该方法生产。它以乙苯为原料，在催化剂的作用下脱氢生成苯乙烯和氢气。反应方程式如下：主反应 C 6H5C2H5 C6H5CHCH2 + H2副反应 C 6H5C2H5 + H2 C6H5CH3+ CH4C6H5C2H5+ H2 C6H6 + CH3CH3C6H5C2H5 C6H6 + CH2CH2本设计就采用乙烯和苯为原料，采用稀乙烯工艺和乙苯催化脱氢法结合生产苯乙烯工艺特点和优点：（a） 高产率高纯度的乙笨生产工艺采用干气合成，高转化率和高选择率（b） 低耗能在合成乙苯后不需要进行蒸馏分离，直接作为合成苯乙烯的原料（c） 特殊的脱氢反应器系统：在低压（深度真空下）下操作以达到最高的乙苯单程转化率和最高的苯乙烯选择性。（d）高能量回收：利用乙苯/苯乙烯蒸馏塔顶产物的冷凝热来汽化乙苯和水的共沸物，并直接送至脱氢反应器进行供热，而不需要任何压缩设备。（e）操作简单方便：该设计生产流程简单，生产设备比较先进和成熟，稳定性比较好（f）高选择性和高稳定性催化剂（g）安全性能高利用自动化连锁系统，当在任何一个环节出问题时，整个生产系统将会自动进入停车状态，从而保证生产的安全（f）加入阻聚剂阻聚剂能阻止苯乙烯在生产和保存过程中集合成集苯乙烯，从而保证了产品质量41.4 工艺流程设计1.5 生产工艺与流程叙述本次工艺流程主要包括三个部分：乙苯合成、乙苯催化脱氢、苯乙烯精制将原料乙烯干气进过预热器进行预热，然后和笨一起经过泵打进烷基化反应器，反应器温度控制在 3804200C，得到纯度为 98%乙苯（纯度较高，不需经过分离），经过与过热水蒸气混合预热，然后打入一个两段、绝热的径向催化反应系统内脱氢反应器进行脱氢，出来的混合液经过冷凝使甲烷，氢气等轻组分分离，甲烷和氢气等回收作为燃料用，利用冷凝器的热量生产水蒸气，苯乙烯、未反应乙苯、苯、甲苯和少量高沸物中加入一种不含硫的阻聚剂(NSI)以减少聚合而损失苯乙烯（SM）单体，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)从塔顶取得)去乙苯分离塔，从而从乙苯分离出苯和甲苯，甲苯返回乙苯合成段作为原料，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