年产8万吨苯乙烯工艺设计 毕业设计

1、本科生毕业论文（2014届）题 目： 年产8万吨苯乙烯工艺设计 学 院： 化学化工学院 专 业： 化学工程与工艺 学生姓名： 柳传红 学号： 21007051036 指导教师： 詹益民 职称（学位）： 讲师 合作导师： 詹益民 职称（学位）： 讲师 完成时间： 2014 年4月25日 成 绩： 学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在指导老师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。声明人（签名）：柳传红2012年4月25日目 录中文摘要3外文摘要4引言61 概述61.1 原料与产品概述6

2、1.1.1 原料概述61.1.2 产品概述61.1.3 产品用途62 苯乙烯的市场分析62.1 世界市场分析62.2 国内市场分析及发展趋势73 苯乙烯生产工艺流程73.1 苯乙烯主要生产工艺73.2 苯乙烯生产工艺流程的选择73.3 生产工艺流程简图83.4 工艺流程的叙述84 设计任务书95 工艺计算95.1 物料衡算95.2 能量衡算135.3 主要设备选型16 5.3.1 苯乙烯精馏塔操作条件16 5.3.2 理论板数的计算17 5.3.3进料板位置的确定17 5.3.4 塔径及塔高的计算18 5.3.5塔板主要工艺尺寸的计算20 5.3.6冷凝器的设计216 生产事故预防及发展建议2

3、26.1 生产事故预防226.2 发展建议237 副产品及废弃物处理23参考文献25致谢26年产8万吨苯乙烯工艺设计化学化工学院 化学工程与工艺 柳传红（21007051036）指导老师：詹益民 摘要：以年产8万吨苯乙烯为生产目标，采用乙苯脱氢制得苯乙烯的工艺方法，对整个工段进行工艺设计和设备选型。设计对整个工艺流程进行了物料衡算，热量衡算，对设备理论上进行了尺寸计算及选择，使设备满足设计要求，达到所需要的工艺条件。设计还附带一张带控制点的工艺流程图和一张化工设备图。关键词：苯乙烯；乙苯脱氢；工艺计算；乙苯苯乙烯精馏the process design of annual output 80,

4、000 tons styreneliuchuanhong director：zhan yi min （college of chemistry and chemical engineering，huangshan university, huangshan, anhui, 245041）abstract：the design is based on an annual output of 80,000tons for the production of styrene, using ethylbenzene dehydrogenation of styrene to process metho

5、d, process for the whole process design and equipment selection. the design of the whole process flow is the material balance, heat balance calculations, theory of equipment size calculation and choose, make the equipment to meet the design requirements, to need process conditions. the design includ

6、es an auxiliary take control of the process flow chart and diagram of chemical equipment.key words: styrene；ethylbenzene；dehydrogenation process calculation；ethyl benzene and styrene distillation引言苯乙烯最早发现于苏合香脂，是一种天然香料。直到19世纪三四十年代才被应用于工业生产，是由法本公司和陶瓷化学公司采用乙苯脱氢法进行小规模生产。但由于精馏技术未有大的发展而得到限制。直到道化学公司和basf公司

7、才在精馏技术上有突破，得到高纯度苯乙烯单体并聚合生成稳定、透明、无色塑料。第二次世界大战过后，不仅是苯乙烯产量快速上升，而且也出现了一些新的生产技术，先后有美国的乙苯共氧化法和日本的裂解汽油抽提法，之后实现了大规模的工业生产。近年来我国在建筑材料、家庭电器、汽车行业等方面取得飞快的发展，这无疑刺激了苯乙烯类树脂的消费水平，我国苯乙烯行业都是处于供求不足的状态，每年都需要依靠世界市场来满足国内市场的需求。因此必然导致国内苯乙烯的价格上升。70多年来，不断提高苯乙烯的生产技术水平，成熟于五六十年代的工艺，后期又由于受市场上能源、原料价格及国家绿色环保政策等因素的影响，使得苯乙烯的生产做到低耗能、原

8、料的重复利用以及对工业上的“三废”优化处理，逐渐取代了传统的工艺，使得苯乙烯的生产技术水平得到进一步提高，更能跟得上时代的发展脚步。本文主要根据生产设计任务书进行物料衡算和能量衡算以及对设备理论上进行了尺寸计算及选择，使设备满足设计要求，达到所需要的工艺条件，同时分析了国内外苯乙烯的生产和供需情况，并对生产苯乙烯过程中所发生的危险事故的发生及工艺上的问题作了介绍，提出了一些对未来市场上有用的生产新技术。结合实际生产与事故，对苯乙烯生产中存在的一些危险进行了预防。不断的在生产设备规模和新的技术水平上提高，能够做到苯乙烯从产量及质量达到新的高度，让我国苯乙烯市场具有高的竞争力。设计过程中涉及到有机

9、、化工原理以及化工分离工程、化工热力学等多门学科的知识。通过本次设计让我更清晰的掌握了这些学科的一些基本知识，更加巩固了曾经在课堂上所学的。1 概述1.1 原料与产品概述1.1.1 原料概述乙苯分子式为c6h5c2h5，相对分子质量为106，是生产苯乙烯的中间体，无色有芳香气味，熔点（）：-94.9 ，沸点（）：136.2，易燃具有毒性。原料中乙苯：99.95%（w%）1.1.2 产品概述苯乙烯（sm）是通过苯取代乙烯分子上的一个氢原子所形成的具有无色、有特殊香气的油状有机化合物。分子式c8h10，相对分子量104。苯环可与乙烯基形成共轭电子对，其不溶于水，溶于乙醇、乙醚等有机溶剂中；有毒，在

10、空气中允许浓度为0.1mg/l。该物质会对地表水、土壤、大气和饮用水造成污染，甚至造成水体污染，严重影响水下生物的生存和人的生活健康。由于其具有强的挥发性和易被光解，故在储存时切不可暴露的大气中，但其也可以被一些微生物降解，即能被特异的菌丛所破坏，亦能被空气中的氧所氧化成苯甲醚、甲醛及少量苯乙醇，且易燃，遇明火、强氧化剂有引起燃烧爆炸的危险，其气体形态与空气能形成爆炸性混合物，爆炸极限1.1%6.1%（气体体积分数）。1.1.3 产品用途苯乙烯主要用来生产生活中所熟知的各种家电、包装材料、建筑材料以及一些高性能的树脂和弹性体的原料。其中苯乙烯需求量最大的当属聚苯乙烯（ps），聚苯乙烯又包括通用

11、聚苯乙烯（gpps）、高抗聚苯乙烯（hips）、可发性聚苯乙烯（eps）。生产的其他的材料有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂（abs）、苯乙烯-丙烯腈树脂（san）、不饱和聚酯树脂（upr）、丁二烯-苯乙烯橡胶（sbr）以及丁二烯苯乙烯乳液等。这些产品广泛应用于工业装饰、照明指示、电绝缘材料以及光学仪器零件、透明模型、玩具、日用品、汽车制造、家用电器、造纸、纺织、制鞋等工业部门。不仅如此，它还可作为医药、农药、染料及选矿剂的中间体，用途十分广泛1。2 苯乙烯市场分析232.1 世界市场分析世界苯乙烯产能主要分布在北美、西欧及东北亚地区。世界苯乙烯产能稳步增长，2002-2012年年均增长3.3%，2

12、012年底世界总产能约3260万t/年。2012年世界苯乙烯消费量达到2735万吨，2012年的产量年均增长2.1%，2012年总产量约2760万吨，2012-2017年均增速3.5% ，未来世界苯乙烯的消费将保持增长，2017年达到3250万吨。目前为止世界上生产的苯乙烯已供过于求，世界苯乙烯的生产都将趋于缓和。2.2 国内市场分析及发展趋势中国苯乙烯产能增长迅速，2002-2012年的年均增长率达到13%；2013年，中国苯乙烯拟在建项目的产能约为340万吨/年； 2012年中国苯乙烯表观消费量达到800万吨，同比增长4.8%；中国聚苯乙烯产能增长迅速，2012年的年均增长率达到13%；中

13、国abs树脂生产能力较快增长，2002-2012年的年均增长率达到14%；几年来中国苯乙烯缺口较大，自给率逐年提升2010年自给率首次超过50%，2012年已超过55% 2017年中国苯乙烯缺口仍较大，预计将保持在目前水平。全球苯乙烯的生产能力已经出现了过剩的态势，在亚洲当中中国所占有的苯乙烯消费比例不断增加，这样我国就需要从世界市场满足需求。虽然目前我国苯乙烯的生产还有很大的进步空间，但随着我国各个行业的发展迅速就会导致苯乙烯的需求量增加，这样就会刺激生产苯乙烯的各个企业之间的竞争，将使得这些企业不断扩大生产，带动了苯乙烯生产设备的投资快速增长。又由于聚苯乙烯和abs树脂等苯乙烯的产品保持增

14、长的态势。苯乙烯需求增大就要扩大规模来生产，带动周围国家和企业去挑战机遇。这样一定程度上能够缓和苯乙烯生产能力。因此，国内苯乙烯市场发展潜力较大。3 苯乙烯生产工艺流程3.1 苯乙烯主要生产工艺目前，工厂规模化生产苯乙烯工艺路线3：乙苯催化脱氢、环氧丙烷联产、裂解汽油抽提三种方法。其中工艺路线生产苯乙烯乙苯脱氢占79%，裂解汽油抽提法占2%，环氧丙烷联产法占19%。虽然环氧丙烷联产法生产不仅有苯乙烯产品，还有环氧丙烷，但其工艺流程复杂且又长，在设备上就有大量的投资，流程长又易造成能源耗损大，而裂解汽油抽提在原料方面获得较困难。相比之下乙苯脱氢目前更具有优势，目前我国大概有90%的采用此工艺方法

15、。其中乙苯催化脱氢法又可分为（1）多管等温脱氢工艺；（2）绝热催化脱氢工艺。3.2 苯乙烯生产工艺流程的选择在工艺流程的选择上要遵从“技术上先进和经济上合理”的原则来考虑问题，绝热催化脱氢所用反应器结构简单且装置费用可观，也有很强的生产力。而多管等温脱氢流程较复杂且等温条件难控制。在绝热反应器中单段反应器生产能力还行，但由于其低的转化率和选择性且高能耗，不满足技术先进和经济合理。采用两段反应器很好解决以上缺点而应用。故采用的工艺为两段绝热催化脱氢。3.3 生产工艺流程图4反应器 甲苯/乙苯塔苯甲苯苯乙烯苯/甲苯塔苯乙烯精馏塔循环乙苯冷凝器图3-1 工艺流程简图尾气乙苯水预热器压缩机分离器3.4

16、 工艺流程的叙述反应过程主要反应：c6h5c2h5c6h5chch2+h2 (3-1)生成苯乙烯和氢气，反应的选择性为95%转化率为60%；发生的副反应有：c6h5c2h5c6h6 +c2h4 (3-2)c6h5c2h5 + h2 c6h5ch3 + ch4 (3-3) 两反应的选择性分别为1%、3%，反应过程中产生苯、甲苯、乙烯和甲烷。苯乙烯生产工艺设计过程分为催化脱氢和精馏分离阶段。首先原料乙苯通过加热变成乙苯蒸气与水产生的水蒸汽在有催化剂的反应器中反应之后进入冷却器和分离器，气体则通过收集处理或直接排放，分离出的液体产物则进入甲苯/乙苯塔进行初步分离，塔顶得到甲苯和苯，进入苯/甲苯塔进行

17、精馏富集苯和甲苯，塔底得到乙苯和苯乙烯进入到苯乙烯精馏塔进一步分离，分离得到塔顶出产品苯乙烯，塔底分离得到乙苯则进入循环乙苯重新利用。4 设计任务书原料：99.95%( w% )的乙苯，视为纯物质。产品：苯乙烯：99.7%（w%）生产量为：11111kg/h的苯乙烯生产。开工时间为7200小时甲苯/乙苯塔：常压操作，塔顶乙苯0.4%，塔底甲苯0.5%（w%）苯乙烯精馏塔：常压操作，塔顶苯乙烯0.65%，塔底乙苯0.45%（w%）。操作压力为101kpa，泡点进料q=1，单板压降0.7kpa；全塔效率。苯/甲苯塔：常压操作，塔顶甲苯0.3%，苯0.2%（w%）。冷凝器：水进口温度为293k，出口

18、温度323k，t=30k。5 工艺计算5.1 物料衡算物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即进入的物料与流出的物料平衡没有积累量。质量守恒定律可用下式表示：g进=g出+g损+g积式中： g进进入的总物料量； g出输出的总物料量； g损总的损失量；g积系统中积累量。（1） 反应器的物料衡算：乙苯脱氢反应方程式为：主反应 c6h5c2h5 c6h5chch2 + h2 (1)副反应 c6h5c2h5c6h6 +c2h4 (2)c6h5c2h5 + h2 c6h5ch3 + ch4 (3)物料衡算相关技术条件：(1)式选择性为95%，其转化率为60%；(2)、(3)选择性分别为1%、3%。 苯乙烯年产

19、8万吨。为了充分利用设备，要合理控制生产时间，尽量尽可能多的生产时间，同时又要虑到设备的维修和生产调试以及保养等情况。因此除去这些时间65天，则真正生产的时间为300天。可知每批料的生产能力为：，投入乙苯量为：20000kg/h。反应器出料为：则剩余的乙苯：反应器进出料组成：表5-1 反应器进出口组成进料组成kg/h出料组成kg/h乙苯20000乙苯7788.679苯乙烯11184.906甲苯520.755苯147.17乙烯52.83氢气215.094甲烷90.566合计20000合计20000（2）冷凝器的物料衡算冷凝器进出口组成：表5-2 进料组成为组分乙苯苯乙烯甲苯苯乙烯氢气甲烷合计kg

20、/h7788.67911184.906520.755147.1752.83215.09490.56620000冷凝器顶口出料气体为：乙烯52.83kg/h、氢气215.094kg/h、甲烷90.566kg/h，冷凝器底物料组成：表5-3 冷凝器底物料组成为组分乙苯苯乙烯甲苯苯kg/h7788.67911184.906520.755147.17（3）甲苯/乙苯塔的物料衡算甲苯/乙苯塔塔顶：乙苯0.4%；塔底甲苯0.5%。在甲苯/乙苯塔中其进料组成及平均操作条件下各组分对关键组分的相对挥发度如下表：表5-4组分苯甲苯乙苯苯乙烯合计kg/h147.17520.7557788.67911184.906

21、19641.51相对挥发度5.722.2610.62对于精馏塔的物料衡算本设计采用清晰分割7，即若两关键组分的挥发度差异较大，且两者为相邻组分，此时可认为比重关键组分还重的组分全部在塔底产品中，比轻关键组分还轻的组分全部在塔顶产品中。塔顶： 塔底： 甲苯/乙苯塔物料衡算表如下：表5-5 甲苯/乙苯塔塔顶塔底组成组分苯甲苯乙苯苯乙烯塔顶组成kg/h147.17518.15131.1550塔底组成kg/h02.6047757.52411184.906总计：（4）苯/甲苯塔的物料衡算苯/甲苯塔：甲苯0.3%；苯0.2%。苯/甲苯塔进料组成： 进料量总计m=147.17+518.151+31.155=

22、696.476塔顶： 塔底： 全塔出口总计m=146.876+1.554+31.155+0.294+516.597=696.476（5）苯乙烯精馏塔的物料衡算苯乙烯精馏塔：塔顶苯乙烯0.65%；乙苯5s故降液管设计合理。降液管底隙高度h0： (5-7)取 则 ，故合理的设计降液管底隙高度。选用凹形受液盘，深度为（2）塔板布置塔板的分块因d800mm，故塔板采用分块式。查表得塔板分为5块。边缘区宽度确定取。开孔区面积计算，开孔区面积aa按下式计算，即 (5-8)其中： 故 （3）筛孔计算及其排列选用正三角形排列的碳钢板，筛孔取直径d=5mm。孔中心距t为：t=3d=35=15(mm)筛孔数目n为

23、：(个)开孔率为： 5.3.6 冷凝器的设计本冷凝器设计是通过在原有工艺条件确定换热面积，冷凝器可分为水冷式，空气冷却式和蒸发式三种，而所采用的为水冷式。假设热损失可忽略，则由能量守恒可得放热量与流体吸热量数值相等。设进口水温为293k，出口水温323k，温度变化t=30k。热负荷q为： (5-9)式中 -流体的平均比热容kj/(kg)； t冷流体的温度，。kj/(kg) 冷却水用量：设计任务的热流体为反应过后的混合液，冷流体为水，为了使混合液通过壳壁面向空气中散热，提高冷却效果，令混合液走壳程，水走管程。管壳式换热器的对数平均温度按逆流计算，则 查得，取k=470w/（m2），所以故选用jb

24、/t 4715-92，列管公称直径450mm；管心距为25mm；管程数为2；管子总根数为126个；中心排管数为12个；管程流通面积为0.0198m2；列管长度4500mm，实际换热面积43.5m2，需要1个这样的换热器。6 生产中事故预防及发展建议6.1 生产中事故预防11（1）苯乙烯生产过程的物料 苯乙烯生产过程中涉及到的物料乙苯、苯乙烯、多乙苯、氢气等都具有易燃、易爆、有毒、有害的特性，有些具有强腐蚀性，如氢化氢，催化剂络合物等，因此必须慎重处理这些副产物。（2）脱氢反应系统要严格控制反应器入口温度、尾气压缩机入口压力、进料蒸汽，尽量减少开、停车次数，防止催化剂破碎，还要正确对反应器、蒸汽

25、加热炉、尾气压缩机的串联系统的使用，并定期校验和记录。对过热炉火嘴要经常调整火焰，不要直接接触炉管和炉墙。反应系统由正压变为负压操作应缓慢进行，防止负荷突然加大，过热炉管骤冷损坏炉管。应正确使用劳动用品，保护皮肤、眼睛与之正面接触，防治吸食。（3）有害产物为一氧化碳、二氧化碳的燃烧。应尽可能将容器远离生产车间或移至空旷处，再采用灭火措施。灭火剂：泡沫、干粉、二氧化碳、砂土，用水灭火无效。（4）苯乙烯泄漏应急处理 迅速撤离至安全区，并进行隔离，严格限制出入，防止流入下水道、排洪沟而对其造成污染。小量泄漏：用活性炭或其它惰性材料吸收。大量泄漏：挖坑掩埋或用泡沫覆盖，降低蒸气灾害。（5）在操作时应注

26、意密闭操作，加强通风；为防止蒸气泄漏到车间空气中发生事故，应提前做好车间严禁吸烟和各种火种；避免与氧化剂、酸类接触；灌装时要防止静电积聚，搬运时要轻装轻卸，配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。储存应置于阴凉、通风条件较好的库房，库温不宜超过30，包装要密封，要与空气、氧化剂、酸类隔绝，不宜大量储存或久存。6.2 发展建议（1） 规模化生产。苯乙烯生产装置难以达到预期的产量，这就要对装置进行技术改造来提高产量，随后逐步提高装置的生产规模和工艺技术水平，使单套装置的生产规模达到一定的年产量12。（2） 开拓原料。以来源广且污染小的乙醇代替价高的乙烯，提高经济上的竞争力，乙苯产品的质量符

27、合苯乙烯生产的要求，综合经济指标与纯乙烯法苯乙烯工艺相当。（3） 开发新技术13。甲苯、甲醇制苯乙烯工艺采用甲苯与甲醇侧链烷基化技术得到苯乙烯。苯乙烯/环氧丙烷联产法生产苯乙烯工艺可同时生产苯乙烯和环氧丙烷两种有价值的化工产品，适合假设大规模生产装置。加快以丁二烯制苯乙烯，以co2替代水蒸气法制苯乙烯以及乙苯脱氢-选择氧化制苯乙烯等新工艺的研究和开发步伐，尽可能地缩短与国外新技术之间的差距。（4） 催化剂开发研究。7 副产品及废弃物处理表7-1 副产品处理一览表名称单位处理方法苯t/a富集后卖出甲苯t/a富集后卖出二乙苯t/a富集后卖出三乙苯t/a富集后卖出焦油t/a作为涂料原料出厂表7-2

28、废物处理一览表名称单位状态毒性处理方法触媒残渣t/a固体有挖坑掩埋脱氢尾气kg/a气体微作补充燃料油水分离器污水t/t液体微符合国家标准排入下水道参考文献1 金秋.苯乙烯的技术进展j.精细化工原料及中间体,2008,04:19-21+31. 2 董英.苯乙烯的生产技术及市场分析j.炼油与化工,2013,03:44-46+64.3 林萍.苯乙烯供需现状及预测j.化学工业,2012,03:16-22.4 沈江.苯乙烯生产工艺节能技术的研究j.化学世界,2010,02:98-100+104.5 mario cardoso,ana rosa silva,baltazar de castro,et al.styrene epoxidation catalysed by manganese() salen complex supported on activate