乙苯脱氢制苯乙烯反应工段毕业设计

1、2020年4月19日乙苯脱氢制苯乙烯反应工段毕业设计文档仅供参考，不当之处，请联系改正。 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30万吨乙苯为生产目标，采用乙苯二段绝热氧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和热量衡算，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，建立过程模型并绘制了带控制点的工艺流程图。在设计过程中对整

2、个工艺流程进行了简化计算，利用计算机模拟计算结果对整个工艺流程进行了模拟，并确定了整套装置的主要工艺尺寸,车间的平立面布置。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 Abstract Styrene Monomer（SM）is one of the most important organic chemicals. This article describes the present situation and developmen

3、t of styrene at home and abroad, styrene reaction conditions, catalyst for ethylbenzene dehydrogenation to styrene, styrene production methods and production processes. This design is based on the annual handling capacity of 300,000 tons of ethylbenzene production targets, ethylbenzene two-stage adi

4、abatic oxidative dehydrogenation using styrene in the process, the entire 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 and heat balance, process design simulation software Aspen

5、Plus simulation of the whole process of the entire process, choose the appropriate operating unit module and thermodynamic methods, and draw the P&ID diagram. The entire process in the design process, simplify the calculation, the whole process include one reaction parts, the use of computer simulat

6、ion results on the entire process flow simulation , determine the size of the main process of the entire device , workshop level and elevation layout. This design using computer simulation software Aspen Plus simulation designed to reduce the substantial costs of the actual design, to improve the ex

7、isting process and optimal synthesis has important practical significance.Key words：Ethylbenzene；Styrene；Dehydrogenation；Aspen Plus；Simulation and Optimization 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc20887 摘要 HYPERLINK l _Toc19975 AbstractII HYPERLINK l _Toc15113 第1章 总论1 HYPERLINK l _Toc22342 1.1 概述1 1.

8、1.1 意义与作用1 1.1.2 国内外的现状及发展前景1 1.1.3 产品的性质与特点2 1.1.4 产品的生产方法概述21.2 HYPERLINK l _Toc6626 设计依据3 HYPERLINK l _Toc20227 1.3 厂址选择3 1.3.1 建厂地址3 1.3.2 土地资源3 1.3.3 水利资源4 1.3.4 交通资源4 1.3.5 经济基础41.4 设计规模与生产制度4 1.4.1 设计规模4 1.4.2 生产规模4 1.4.3 生产制度41.5 原料与产品规格4 1.5.1 主要原料规格及技术指标4 1.5.2 产品规格5 HYPERLINK l _Toc12276

9、第2章 工艺设计与计算6 2.1 工艺原理6 2.2 工艺路线的选择6 2.2.1 选取路线6 2.2.2 选取此路线原因6 2.3 工艺流程简述7 2.3.1 流程示意图7 2.3.2 各工段工艺流程7 2.4 工艺参数7 2.5 物料衡算8 2.5.1 生产能力的计算8 2.5.2 质量守恒定律8 2.5.3 固定床反应器物料衡算8 2.6 热量衡算10 2.6.1 能量守恒定律10 2.6.2 热量计算11 2.6.3 热量衡算表13 2.7 Aspen plus模拟13 HYPERLINK l _Toc26261 第3章 设备选型15 HYPERLINK l _Toc26373 3.1

10、 选型原则15 HYPERLINK l _Toc9902 3.2 关键设备选择15 3.2.1 催化剂的工艺参数计算17 3.2.2 固定床反应器的高度与直径计算18 3.2.3 固定床反应器的壁厚计算与选型21 3.2.4 固定床反应器的凸形封头的设计计算23 3.2.5 传热元件E-103的计算25 3.3 其它设备的选择27 3.3.1 离心泵设备的计算与选型27 3.3.2 离心泵鼓风机的计算与选型28 3.3.3 工业加热炉的设计与选型30 HYPERLINK l _Toc23290 第4章 设备一览表31 HYPERLINK l _Toc23290 第5章 车间设备布置设计33 H

11、YPERLINK l _Toc429 5.1 车间布置33 HYPERLINK l _Toc10881 5.2 车间设备布置33 5.2.1 车间设备平面布置33 5.2.2 车间设备立面布置35第6章 自动控制37 6.1 离心泵的流量控制37 6.2 反应器压力和温度的控制37 6.3 原料罐的液位控制 38第7章 环境保护39 7.1 三废产生情况39 7.1.1 废气39 7.1.2 废渣39 7.1.3 废液 39 7.2 三废处理情况 39 7.2.1 化工“三废处理”39 7.2.2 废渣 39 7.2.3 废水 39第8章 共用工程40 8.1 供水 40 8.2 供电40 8

12、.3 供暖40 8.3.1 供暖方式 40 8.3.2 采暖介质 40 8.4 通风 40 HYPERLINK l _Toc25132 结束语42 HYPERLINK l _Toc18918 参考文献43 HYPERLINK l _Toc14074 致谢44第1章 总 论1.1 概述1.1.1 意义与作用苯乙烯作为化工生产的基本原料,在国民经济中起到了越来越大的作用。苯乙烯是生产丁苯橡胶（SBR）、丁苯乳胶（包括SBR乳胶和S/B共聚物胶乳）的主要原料之一。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

13、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。当前全世界苯乙烯产能约为21502250万吨。经过不断地增长和扩能，中国已经成为世界最大的SBR生产国， 国内生产总能约170万吨/年，产量约120万吨/年。随着乙烯经济的发展, 以后国内苯乙烯进入快速发展阶段,市场需求不断扩大,规模化生产己成为市场竞争力水平的主要表现,苯乙烯技术环节的竞争也日益激烈，特别是国外苯乙烯技术,从原料、能耗、稳定性、安全性、可操作性等多个方面较上世纪都有了很大提高和创新,作为技术使用方,只有深入了解当前的发展变化,才能真正在未来技术发展、应用及创新中建立优势。1.1.2 国内外的现状及发

14、展前景当前国内发展现状及进展，乙苯负压脱氢制苯乙烯的技术核心是乙苯减压脱氢制苯乙烯反应器。当前国内以华东理工大学开发的乙苯减压脱氢反应器1，它采用轴径式反应器技术和气气快速混合两大关键技术，突破了国外技术的垄断，形成自主知识产权。另外，兰州石化公司研究开发成功乙苯脱氢LH365型催化剂2，并实现工业化。茂名石化于 7月完成了10万吨/年苯乙烯装置扩能改造工程，应用了国内最新开发的TJH型脉冲规整填料及高效塔内部件技术。中国中科院大连化学物理研究所开发的以FCC装置干气中稀乙烯为原料制乙苯的催化剂及工艺己处于国内领先水平,该所先后开发出五代催化剂工艺技术,其中前三代已工业应用,并于1994年授于

15、LummuS公司全球代理许可权。 ，世界苯乙烯产能约为3243万吨/年，主要分布在东北亚、北美及西欧地区，由于PS和ABS树脂等苯乙烯下游产品消费的强劲增长。中国苯乙烯生产始于五十年代末期，其中 - ，中国苯乙烯产量由948kt增至2166kt。与此同时，中国苯乙烯消费也由3603kt增至4503kt。长期以来，中国苯乙烯产量不能满足中国需求， - 中国苯乙烯进口量为23432661kt3。虽然中国苯乙烯产量不断增加，可是需求量也在逐年增加，苯乙烯对外依存度依然很高。据预测， 可达到3920kt/a。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30

16、0至600kt/a的大型苯乙烯装置。1.1.3 产品的性质和特点 HYPERLINK 苯乙烯，简称SM。是HYPERLINK 石化行业的重要基础原料，其主要性质用途如下：（1）苯乙烯是用苯取代乙烯的一个HYPERLINK 氢原子形成的HYPERLINK 有机化合物，HYPERLINK 乙烯基的电子与苯环HYPERLINK 共轭，不溶于水，溶于HYPERLINK 乙醇、HYPERLINK 乙醚中，暴露于空气中逐渐发生聚合及氧化。苯乙烯是HYPERLINK 芳烃的一种。HYPERLINK 分子式为C8H8，存在于HYPERLINK 苏合香脂（一种天然香料）中。无色、有特殊HYPERLINK 香气的

17、油状液体。熔点30.6，HYPERLINK 沸点145.2，相对密度0.9060(20/4)，HYPERLINK 黏度0.762 cP ，不溶于水(1%)，能与HYPERLINK 乙醇、HYPERLINK 乙醚等HYPERLINK 有机溶剂混溶。苯乙烯在HYPERLINK 室温下即能缓慢聚合，要加HYPERLINK 阻聚剂对HYPERLINK 苯二酚或叔丁基邻苯二酚(00002%0002%)作稳定剂，以延缓其聚合才能贮存4。（2）HYPERLINK 苯乙烯主要用于生产HYPERLINK 苯乙烯系列树脂及HYPERLINK 丁苯橡胶，也是生产HYPERLINK 离子交换树脂及医药品的原料之一。

18、（3）苯乙烯系列树脂的产量在世界HYPERLINK 合成树脂中仅次于PE、PVC。 （4）苯乙烯的HYPERLINK 均聚物HYPERLINK 聚苯乙烯(PS)是五HYPERLINK 大通用HYPERLINK 热塑性HYPERLINK 合成树脂之一，近年来需求发展增长旺盛。 （5）苯乙烯、HYPERLINK 丁二烯和HYPERLINK 丙烯腈HYPERLINK 共聚而成的HYPERLINK ABS树脂是用量最大的大宗HYPERLINK 热塑性HYPERLINK 工程塑料，中国已经成为世界ABS最大的产地和消费市场之一。 由于苯乙烯还能够生产的HYPERLINK 丙烯腈-苯乙烯HYPERLINK

19、 二元共聚物（SAN）、HYPERLINK 不饱和树脂（UPR）、HYPERLINK 丁苯橡胶（SBR）、HYPERLINK 丁苯胶乳（SBL）、HYPERLINK 热塑性丁苯橡胶（SBS）等产品，能够说苯乙烯是HYPERLINK 化学工业中最重要的单体之一。1.1.4 产品的生产方法概述苯乙烯是重要的有机化工产品之一，其工业生产的主要方法为乙苯催化脱氢法和苯乙烯-环氧丙烷联产法，乙苯催化脱氢法处于主导地位，约占苯乙烯生产的90%以上。（1）环球化学鲁姆斯法以乙苯为原料，采用脱氢反应器，由开始的单级轴向反应器，中间经历开发了双级轴向反应器到双径向反应器再到双级径向反应器的各种组合优化的多种反应

20、器；反应器的操作压力有开始的正压发展到今天的负压；汽油比有开始的2.5:1发展到今天1.3：1；蒸汽消耗由开始的10kgkgSM发展到今天的4kgkgSM。乙苯脱氢的工艺操作条件为550650，常压或减压，蒸汽乙苯质量比为1.02.5。UOPLummus的“SMART” SM工艺是在Classic SM工艺基础上发展的一项新工艺，即在工艺Classic SM工艺的脱氢反应中引入了部分氧化技术。可提高乙苯单程转化率达80%以上5。（2）FinaBadger法Badger工艺采用绝热脱氢，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800900，与预热的乙苯混合再经过催化剂，

21、反应温度为650，压力为负压，蒸汽乙苯比为1.5%2.2%。（3）巴斯夫法巴斯夫法工艺特点是用烟道气加热的方法提供反应热，这是与绝热反应的最大不同。（4）Halcon法Halcon法又称POSM联产法，由西班牙Halcon法公司开发6。（5）裂解汽油萃取分离法日本东丽公司开发了Stex法裂解汽油萃取分离苯乙烯技术。（6）环氧丙烷联产法 环氧烷联产法是先将乙苯氧化成乙苯氢过氧化物，再使之在Mo、W催化剂存在下与丙烯反应生成环氧丙烷和苯乙醇，后者脱水可得到苯乙烯。1.2 设计依据（1）齐齐哈尔大学毕业设计（论文）工作手册（2）齐齐哈尔大学化学工程与工艺专业下达的毕业设计任务书 （3）GB/T174

22、50-1998：技术制图图线 （4）GB/T17451-1998：视图（5）GB/T17452-1999：剖视图和断面图（6）GB/T16675-1996：技术制图简化表示方法（7）国家建筑、化工建设等相关标准（8）齐齐哈尔的地理、人文、经济等因素1.3 厂址选择1.3.1 建厂地址本苯乙烯生产厂厂址选择在齐齐哈尔市，齐齐哈尔市毗邻全国第一大油田大庆油田，经科学预测，其至少蕴藏着100150亿吨石油储量，可供开采的石油储量为80100亿吨。大庆石油比重中等，粘度高，含蜡量高，凝固点高，含硫量极少，一般称为三高一少，属低硫石蜡基型，是理想的石油化工原料。1.3.2 土地资源 底，齐齐哈尔市拥有耕

23、地面积2602万亩，荒地195万亩完全能够满足建立本厂的土地需求。1.3.3 水利资源 齐齐哈尔市主要江河有嫩江、诺敏河等，齐齐哈尔市江河天然水质好，有15个地下含水层，因此完全能够满足本厂的工业与生活用水需求。1.3.4 交通资源齐齐哈尔是东北西部地区之交通枢纽，其是东北西部地区的铁路枢纽，航空具有国内大中城市航线，水运经过嫩江下行至哈尔滨市且富拉尔基拥有两个千吨级泊位。综上，齐齐哈尔市完全能够满足本厂的原料和产品运输要求。1.3.5 经济基础齐齐哈尔是东北老重工业基地，拥有规模很大的工业企业群，形成了机械、冶金等门类齐全的工业生产体系，完全能够满足建厂的工业基础与经济能力要求。综上所述，齐

24、齐哈尔市完全能够满足建立本厂的各种要求，而且符合厂址选择标准和国家相关法律法规的规定。1.4 设计规模与生产制度1.4.1 设计规模年产苯乙烯30万吨1.4.2 生产规模年产苯乙烯28万吨1.4.3 生产制度每年工作日300天，苯乙烯产量39045.8kg/h(符合生产要求)1.5 原料与产品规格1.5.1 主要原料规格及技术指标原料组成（质量%） 表1-1 原料乙苯组分乙苯甲苯苯焦油含量%99.60.020.0140.006100表1-2 原料水蒸气组分水蒸气杂质气体含量%955100 2、乙苯物理性质表1-3 乙苯的物理性质化学名称分 子 量沸 点密 度乙苯106.16136.20.867

25、1 3、乙苯脱氢催化剂表1-4 催化剂特性型号外观外形尺寸mm堆密度gml 比表面积mg孔体积mlg颗粒密度gmlGS-05型红褐色圆柱体31.203.501.846 4、氧化脱氢反应器催化剂表1-5 氧化脱氢催化剂特性型号外观外形尺寸mm堆密度g / ml比表面积 / g孔体积颗粒密度g / mlY-101型 银灰色 柱体460.951.510.4361.357 1.5.2 产品规格表1-6 产品规格性能苯乙烯颜色APHA聚合物硫苯乙炔过氰化物粘度指标99.7%1010ppm(W)1ppm(W)30ppm(W)20ppm(W)0.7mm2/s 第2章 工艺设计与计算2.1 工艺原理 主反应及

26、反应热如下： 副反应主要有乙苯的裂解、加氢裂解、水蒸气转化、聚合和缩合反应等。2.2 工艺路线的选择2.2.1 选取路线采用低活性、高选择性催化剂，参照环球化学（UP）鲁姆斯(Lummus)公司生产苯乙烯的技术，本设计采用乙苯脱氢选择性氧化法生产苯乙烯。2.2.2 选取此路线原因鲁姆斯（UOPLummus“SMART”）, SM工艺是在Classic SM工艺基础上发展的一项新工艺，即在工艺Classic SM工艺的脱氢反应中引入了部分氧化技术。可提高乙苯单程转化率达80%以上。“SMART”技术的优点在于，经过提高乙苯转化率， 减少了未转化乙苯的循环返回量，使装置生产能力提高，减少了分离部分

27、的能耗和单耗；以氢氧化的热量取代中间换热，节约了能量；甲苯的生成需要氢，移除氢后减少了副反应的发生；采用氧化中间加热，由反应物流或热泵回收潜热，提高了能量效率，降低了动力费用，因而经济性明显优于传统工艺。该技术可用于原生产装置改造，改造容易且费用较低。当前采用“SMART”工艺SM装置有3套在运行。2.3 工艺流程简述2.3.1 流程示意图图2-1 Lummus的SMART乙苯脱氢工艺流程 2.3.2 反应工段工艺流程乙苯(EB)脱氢是在蒸汽存在下，利用蒸汽来使并维持催化剂处于适当的氧化状态。蒸汽既加热反应进料、减少吸热反应的温度降，同时蒸汽也降低产品的分压使反应平衡向着苯乙烯(SM)方向进行

28、，且又能够连续去除积炭以维持催化剂的一定活性。高温、高压蒸汽稀释和低反应系统压力能提供良好的反应平衡曲线，对乙苯(EB)转化为苯乙烯(SM)有利，在有两个绝热反应器的工业生产装置中，乙苯(EB)的总转化率可达到70%90%。新鲜乙苯和循环乙苯先与一部分蒸汽混合，然后在蒸汽过热器内进行过热，与过热蒸汽相混合，在一个两段、绝热的径向催化反应系统内进行脱氢，反应中生成的氢气全部进入氧化脱氢反应器中与其中的氧气反应放出热量并生成水蒸汽。热反应产物在一个热交换器内冷却以回收热量，而冷凝液体分为冷凝水和脱水有机混合物。2.4 工艺参数 反应温度：580660压力：0.08Mpa，加入水蒸气来稀释原料气，以

29、降低乙苯的分压，提高乙苯平衡转化率，水蒸气与乙苯摩尔比1620（质量比取为3:1）。空速：乙苯液态空速0.61.0 h-1。 2.5 物料衡算2.5.1 生产能力的计算根据设计任务，苯乙烯的年生产能力为30万吨/年。开工因子=生产装置开工时间/年自然时间。为了充分利用设备，开工因子应取的较大，接近1，但又不能等于1。因为还要考虑到设备的检修以及开停车等情况。开工因子一般取为0.70.8。全年365天，则年生产250300天；因此除去季保养、月保养、修理、放假等总计65天，则年工作日为（365-65）天=300天。定每天生产为1批料，每小时生产为1班。可知每批料的生产能力为（300000103/

30、300）kg/天=1 kg/天。以此作为物料衡算的标准。2.5.2 质量守恒定律质量守恒定律是“进入一个系统的全部物料量，必须等于离开这个系统的全部物料量，再加上过程中损失量和在系统中累计量”。依据质量守恒定律，对研究系统做物料衡算，可用见式（1-1）。 （1-1） 式中 输入物料量总和； 离开物料量总和； 总的损失量；系统中积累量。2.5.3 固定床反应器物料衡算进出脱氢反应器的物料衡算对连续生产可确定计算基准为批。 原料规格见表1-1和表1-2。 （2）投料量计算对连续生产可确定计算基准为Kg/批，则需计算每批产量及原料投料量。乙苯脱氢反应(见反应历程)其中原料规格：乙苯（99.6%） 水

31、蒸气（95%） 原料乙苯含甲苯0.02%、含苯0.014%，含焦油0.006%。原料水蒸气含5%的杂质气体。 每批产苯乙烯：=1kg 投料比：水蒸气:乙苯 =3:1（质量比） 转化率：脱氢过程为90% 每班理论投料乙苯量： =(/24106.16)/(104.1590%98%98%)=4.9135kg每班理论投水蒸气量： =34.9135=14.7405kg每班原料实际投入量：=(4.9135/0.996) Kg=4.9332kg =(14.7405/0.95) Kg=15.5163kg 杂质：=（15.5163-14.7405）+(4.9332-4.9135)=7.955kgh 催化剂的量：

32、=(15.5163+4.9332)0.3%=613.485kg （3）脱氢过程计算 转化率为：90% 参与反应的乙苯量：=491350.9106.16=416.555 kmolh 苯乙烯的产量：kgh 甲苯的产量：kgh 苯的产量：kgh 乙烷的产量：G9=416.5550.01530=187.45kgh 乙烯的产量：G10=416.5550.0426=433.21 kgh 甲烷的产量：G11=416.5550.0316=199.94 kgh 残碳量：G12=416.5550.0112=49.98 kgh 消耗水蒸气量：G13=416.5550.051618=599.76 kgh 剩余水蒸气量

33、：G14=155163599.76=154563.24 kgh 生成二氧化碳量：G15=416.5550.005844=733.14 kgh 生成氢气量：G16=416.555（0.9+0.015+0.00521）2=439.46 kgh 消耗氢气量：G17=416.555（0.03+0.015）2=37.49 kgh 生成氢气总量：G18=439.46-37.49=401.97 kgh 投入氧气量：G19=401.9720.532=3215.76 kgh 生成水量：G20=401.97218=3617.73 kgh水剩余总量：G21=154563.24+3617.73=158180.97 k

34、gh 氢气剩余总量：G22=0 kgh上述原料加入量和产物生成量见表2-1。表2-1 绝热脱氢反应器物料衡算固定床反应器进料固定床反应器出料kghkgh乙苯（99.6%）49332（100%）4913.5水蒸气（95%）155163（100%）158180.97续表2-1 绝热脱氢反应器物料衡算固定床反应器进料kgh固定床反应器出料kgh氧气3215.760催化剂613.485613.484苯乙烯039045.8甲苯01126.7苯乙烯039045.8甲苯01126.7苯01787.02乙苯0187.45乙烯0433.21甲烷0199.94残炭量049.98氢气00二氧化碳0733.14焦油0

35、1053.05总计208324.245208324.245 4、冷凝器油水分离阶段物料衡算脱氢结束后用冷凝器加以冷凝，除去水，温度必须控制在25左右，见表2-2。表2-2 冷凝器油水分离阶段物料衡算 序号输入物料名称 质量kgh序号输出物料名称质量kgh1乙苯4913.5 有机层1乙苯4913.52苯乙烯39045.82苯乙烯39045.83甲苯1126.73甲苯1126.74苯1787.024苯1787.025焦油1053.055焦油1053.056水蒸气158180.97无机层气体层6水158180.977难凝气体1553.747残炭量49.988催化剂613.4858催化剂613.485

36、9残炭量49.989难凝气体1553.742.6 热量衡算2.6.1 能量守恒定律 热量衡算按能量守恒定律“在无轴功条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡”，在实际中对传热设备的衡算见式（2-2）。 （2-2） 式中： 所处理的物料带入设备总的热量； 加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热量 为“+”，冷却剂吸收热量为“-”），kJ； 过程的热效率，（符号规定过程放热为“+”；过程吸热为“-”）； 反应终止时物料的焓（输出反应器的物料的焓）； 设备部件所消耗的热量，kJ； 设备向四周散失的热量，又称热损失,kJ； 热量衡算的基准可与物料衡算相同，即对间歇生产能够以每日或每

37、批处理物料基准。（计算传热面积的热负荷必须以每小时作为基准，而该时间必须是稳定传热时间）热量衡算温度基准，一般规定为25。从上式中可得： （2-3） 式中各项可用以下计算方法：2.6.2 热量计算（1）、和的计算查化工工艺设计手册可得到反应流程中各物质的恒压比热容Cp见表2-3。表2-3 各物质的恒压比热容物质CpkJ(kg K)乙苯（g，600 700）2.082氧气（g，600 700）1.172水蒸气（g，600 700）2.177苯乙烯（g，600 700）物质甲苯（g，600 700）2.012苯（g，600 700）1.946乙烷（g，600 700）2.905甲烷（g，600 7

38、00）3.213乙烯（g，600 700）2.452二氧化碳（g，600 700）1.214焦油（g，600 700）1.828 、和的计算见式（2-4）。 （2-4）式中： 反应物体系中组分i的质量，kg; 组分i在0T时的平均比热容，kJ/(kgK)或kJ/(kmol); 。 =(493322.082)+(1551632.177)+(3215.761.172)595=.7 kJh + 575 =（4913.52.082）+（39045.81.957）+（1126.72.012）+（1787.02 1 .946）+（187.452.905）+（433.212.452）+（199.943.21

39、3）+ （158180.972.177）+（733.142.14）+（1053.051.828）575 =.1 kJh（2）过程效应热的计算过程效应热可分为两类，一类是化学过程热效应即化学反应热效应；另一类是物理过程热效应。物料经化学变化过程，除化学反应热效应外，往往伴随着物料状态变化热效应，但本工艺流程中物理过程热效应较低，可忽略不计，故过程热效应可由见式（2-5）。 （2-5） 式中 化学反应热效应，kJ； 物理过程热效应，kJ；(可忽略不计)可经过标准化学反应热计算： （2-6） 式中 标准化学反应热，kJ/mol； 参与化学反应的A物质质量，kg； A物质分子量。 （2-7）主要反应历

40、程见2.1工艺原理部分。 kg/h mol/h则过程反应热 = kJ/h （3）冷凝器的计算 冷凝器是由从脱氢反应器出来的物料与原料乙苯进行热交换时，对乙苯加热，及换热结束后产品带走的热量和水蒸气带走的热量组成。 =493322.082120（493322.08239045.81.9571126.72.012 +1787.021.946+187.452.905+433.212.452+199.943.213158180.97 2.177+733.141.214+1053.051.828）100 =20541844.8+44181115.84 = kJ/h （4）热损失的计算反应设备与冷凝设备向

41、四周散失的热量，又称热损失。 = =.7+54682620.52-.1-64722960.64 = kJ/h2.6.3 热量衡算表 由能量守恒定律，衡量衡算结果见表2-4。表2-4 热量衡算表 输入系统 热量符号意义结果kJh输出系统热量符号意义结果kJh 物料带入设备总热量63354466.36 物料带出设备的总热量.1 加热剂与冷却剂交换的热量.3 冷凝器消耗的热量64722960.64 过程的化学反应热54682620.52 热损失257671.48 总计.2 总计.22.7 脱氢反应器Aspen plus模拟乙苯脱氢绝热反应工段主要包括两个脱氢反应器和一个氧化脱氢反应器三个单元模块，具

42、体流程图见图2-2。图2-2 乙苯脱氢绝热反应工段流程表2-5 脱氢反应器模拟结果进料出料温度/ 600620压力/ bar0.8 0.8摩尔流量 /kmol/hr880.787212880.787212质量流量 /kg/hr 4933249332体积流量 /cum/hr79905.268779905.2687焓变/MMkcal/hr30.098715830.0987158 乙苯-01 49134.6 4911.24471 苯乙烯-01043361.921 焦油-010219.552886H20839.28136 第3章 设备选型3.1 选型原则设备的工艺设计是化工工程设计中一项责任重大、技术

43、要求高、需要具有丰富的理论知识和实际生产设计经验的工作。其主要设计内容如下： （1）结合工艺流程设计确定化工单元操作所用设备的类型。（2）根据工艺操作条件（温度、压力、介质的性质等）和对设备的工艺要求确定设备的材质。这项工作有时是与设备设计人员共同完成的。（3）经过工艺流程设计、物料衡算、能量衡算、设备的工艺计算确定设备的工艺设计参数。不同类型设备的主要工艺设计参数如下。换热器：热负荷，换热面积，冷热载体种类，冷热流体流量，温度和压力泵：流量，扬程，轴功率，允许吸上高度。 （4）确定标准设备或定型设备的型号、规格和台数。 （5）对已有标准图纸的设备，确定标准图的图号和型号 （6）编制工艺设备一

44、览表 （7）在工艺设备的施工图纸完成后，要同化工设备的专业设计人员进行图纸会签。3.2 关键设备选择3.2.1 催化剂的工艺参数计算 固定床反应器的计算主要包括催化剂用量、床层高度和直径、床层压力降等。固定床反应器的计算方法主要有经验法8和数学模型法9，本设计主要采用经验法。经验法比较简单，常取实验或实际生产中催化剂或床层的重要操作参数作为设计依据直接计算得到10。（1）空间速度指单位时间内经过单位体积催化剂的原料标准体积流量。单位为。它是测量固定床反应器生产能力的一个重要指标。 （3-1） 脱氢反应器一和二主要采用Fe-K系催化剂。催化剂主要特性见表1-4。氧化脱氢反应器主要采用Pt系催化剂

45、。氧化脱氢反应器催化剂特性见表1-5。催化剂总质量为613.485 Kg，其中GS-05型催化剂为465.2 Kg，Y-101型催化剂为148.285 Kg。脱氢反应器一：GS-05型催化剂质量为=232.6 kg；脱氢反应器二：GS-05型催化剂质量为=232.6 kg；氧化脱氢反应器：Y-101型催化剂质量为=148.285 kg。则脱氢反应器一中催化剂的体积为：L脱氢反应器二中的催化剂体积为：L氧化脱氢反应器中催化剂体积为：固定床反应器负压状态下操作，压强为0.08 MPa。进料气体平均密度： （3-2） =39.23 gmol K MPa=8Pa 则能够得到 kg进入氧化脱氢反应器的气

46、体密度近似于脱氢反应器一的平均气体密度: kg 同理：脱氢反应器二的气体平均密度： （3-3） K MPa=8Pa Kgh =37.414 gmol kg/m3脱氢反应器一进料体积流量： m3/h 脱氢反应器二进料体积流量： m3/h 氧化脱氢反应器的进料体积流量： m3/h 脱氢反应器一空间速度： h-1 脱氢反应器二空间速度： h-1 氧化脱氢反应器空间速度： h-1（2）床层孔隙率颗粒间的自由体积与整个床层体积之比： （3-4） 式中：-床层空隙率； -催化剂床层堆积密度，kgL； -催化剂颗粒密度，kgL。则脱氢反应器一和脱氢反应器二床层空隙率： 氧化脱氢反应器床层空隙率:空间速度指在

47、规定的反应条件下，气体反应物经过催化剂床层中自由空间所需要的时间，单位为 h。接触时间越短，表示同体积的催化剂在相同时间内处理的原料越多，是表示催化剂处理能力的参数之一。 （3-5） 脱氢反应器一空时： h 脱氢反应器二空时： h 氧化脱氢反应器空时： h（4）空时收率指反应物经过催化剂床层时，在单位时间单位质量(单位体积)催化剂所获得目的产物量。它是反映催化剂选择性和生产能力的一个重要指标。 （3-6） 式中：催化剂的空时收率，kg（kgh）或kg（m3/h）； 目的产物的质量，kg； 催化剂的用量，kg或m3。（5）催化剂负荷 指在单位时间内单位质量（体积）催化剂由于反应而消耗的原料质量。

48、这是催化剂生产能力的重要指标。 （3-7）式中：催化剂负荷，kg（kgh）或kg（m3）； 目的产物的质量，kgs； 催化剂的用量，kg或m3。则 kg（kgh）（6）床层线速度与空床速度 床层的线速度是指在规定条件下，气体经过催化剂床层自由截面积的流速。 （3-8） 而空床速度是指在规定条件下，气体经过空床截面积的流速。 （3-9） 式中：U空床的线速度，ms； 空床速度，ms。 催化剂的床层截面积，m2。3.2.2 固定床反应器的高度与直径计算催化剂的用量确定后，催化剂的有效体积也就确定。很明显，床层越高，其床层截面积越小，操作气速、流体阻力（动力）将变大；反之，床层高度降低必然引起截面积

49、（直径）增大，对传热不利或易产生短路等情况。因此床层的高度与直径经过操作气速、压力降（即动力消耗）、传热、床层均匀性等影响因素综合评价来确定。一般，床层的高度确定或直径的计算是根据固定床反应器某一重要的操作参数范围或经验选取，然后校验其它操作参数是否合理，如床层压力降不超过总压力的15%。床层高度与直径的计算步骤如下11：（1）根据经验选取气体空床速度； （2）床层的截面积： （3-10） 式中：床层的截面积，m2。（3）校验床层压力降P： （3-11）经过实验测定得到： （3-12）式中：-修正的雷诺数。 （3-13）中包括两项，由于度一项的中包含有粘度项，代表摩擦阻力损失，而第二项则代表局

50、部阻力损失。当10时为层流，计算压力降可省去第二项；当1000时为充分湍流，计算压力降时可省去第一项。空隙率是影响压力降的重要因素。 （4）床层截面积及实际气体流速的计算 假设气体空床速度为U=24.877 ms。 脱氢反应器一的催化剂床层截面积： m2 脱氢反应器二的催化剂床层截面积： m2 氧化脱氢反应器的催化剂床层截面积: m2实际气体流速： 脱氢反应器一： ms 脱氢反应器二： ms 氧化脱氢反应器： ms （5）校验床层压力降三个固定床反应器的物料粘度均近似为 Pas脱氢反应器一： =5332.3Pa ，符合要求。脱氢反应器二： =4820.4a ，符合要求。氧化脱氢反应器： =36

51、87.3Pa ，符合要求。 （6）确定床层的结构尺寸催化剂床层高度： （3-14） 式中：催化剂床层体积，m3； 催化剂床层截面积（实际），m2。 脱氢反应器一催化剂床层高度： m 脱氢反应器二催化剂床层高度： m 氧化脱氢反应器一催化剂床层高度： m 本设计采用绝热径向固定床反应器，可求出内径D： （3-15）脱氢反应器一内径 m脱氢反应器一内径 m氧化脱氢反应器内径 m3.2.3 固定床反应器壁厚的计算与选型（1）固定床反应器所用钢材及壁厚的图算法12 根据化工过程设备机械基础，本设计固定床反应器所用钢材为奥氏体钢06Cr19Ni10Ti（GB4237），使用温度为-19670013。其它

52、性能见表3-1。表3-1 奥氏体钢06Cr19Ni10Ti（GB4237）特性金属材料奥氏体钢06Cr19Ni10Ti（GB4237）密度 g/ml7.9熔点 1400比热容 J/(kgK)502.3导热系数 W/(mK)13.9518.61线膨胀系数 17.3电阻率 0.73弹性模量E（550700）155143泊松比 0.250.30由于外压圆筒壁厚的理论计算方法很繁杂，GB150-1998 钢制压力容器推荐采用图算法确定固定床反应器的壁厚，其优点是计算简便。 （2）脱氢反应器一的壁厚计算假设（名义厚度），令；C为腐蚀裕量，取为2 mm。设=12 mm，取=10 mm， 查化工过程设备机械

53、基础P257页图13-6：外压或轴向受压圆筒几何参数计算图（适用于所有材料）得：系数=0.242 查化工过程设备机械基础P262图13-12：外压圆筒、管子和球壳厚度计算图（06Cr19Ni10Ti钢）得：系数=24.300 MPa则：许用外压力P=0.0972 MPa 外压力为0.08 MPa0.0972 MPa，所用钢材厚度符合脱氢反应器一生产要求。（3）脱氢反应器二的壁厚计算设=10 mm，取=8 mm， 查化工过程设备机械基础P257页图13-6：外压或轴向受压圆筒几何参数计算图（适用于所有材料）得：系数=0.187 查化工过程设备机械基础P262图13-12：外压圆筒、管子和球壳厚度

54、计算图（06Cr19Ni10Ti钢）得：系数=28.200 MPa 则：许用外压力P=0.0868 MPa 外压力为0.08 MPa0.0868 MPa，所用钢材厚度符合脱氢反应器二生产要求。 （4）氧化脱氢反应器的壁厚计算设=10 mm，取=8 mm， 查化工过程设备机械基础P257页图13-6：外压或轴向受压圆筒几何参数计算图（适用于所有材料）得：系数=0.242 查化工过程设备机械基础P262图13-12：外压圆筒、管子和球壳厚度计算图（06Cr19Ni10Ti钢）得：系数=32.000 MPa 则：许用外压力P=0.097 MPa外压力为0.08 MPa0.097 MPa，所用钢材厚度

55、符合氧化脱氢反应器生产要求。3.2.4 固定床反应器凸形封头的设计计算 本设计中固定床反应器采用椭圆形封头14。 （3-16） 式中:椭圆形封头的外径； 椭圆形封头的当量球壳外半径； 系数，由表3-2查得。表3-2 封头高度及直径与系数关系2.62.42.22.01.81.61.41.21.01.181.080.990.900.810.730.650.570.50注： 中间值采用内插法求得； ； =0.90为标准椭圆形封头。（1）脱氢反应器一封头壁厚及高度假设（名义厚度），令；C为腐蚀裕量，取为2 mm。设=8 mm，取=6 mm， =0.502.5=1.25 m 查化工过程设备机械基础P26

56、2图13-12：外压圆筒、管子和球壳厚度计算图（06Cr19Ni10Ti钢）得：系数=31.400 MPa 则：许用外压力=0.150 MPa 外压力为0.08 MPa0.150 MPa，所用封头厚度符合脱氢反应器一生产要求。 封头高度m （2）脱氢反应器二封头壁厚及高度设=8 mm，取=6 mm， =0.542.60=1.4 m 查化工过程设备机械基础P262图13-12：外压圆筒、管子和球壳厚度计算图（06Cr19Ni10Ti钢）得：系数=31.400 MPa 则：许用外压力=0.133 MPa 外压力为0.08 MPa0.133 MPa，所用封头厚度符合脱氢反应器二生产要求。 封头高度m

57、（3）氧化脱氢反应器封头壁厚及高度设=8 mm，取=6 mm， =0.542.64=1.4256 m 查化工过程设备机械基础P262图13-12：外压圆筒、管子和球壳厚度计算图（06Cr19Ni10Ti钢）得：系数=31.400 MPa 则：许用外压力= MPa 外压力为0.08 MPa0.130 MPa，所用封头厚度符合氧化脱氢反应器生产要求。封头高度m3.2.5 传热元件E-103的计算本设计任务主要选用列管式换热器15。（1）换热器热负荷的计算换热器的热负荷又称传热量，可经过热量衡算获得。在热损失能够忽略不计的条件下，若两流体均无相变的情况下，热负荷由下式计算： （3-17）若热流体有相

58、变，例如饱和蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下流出时，则： （3-18）式中：Q热负荷，W； 热、冷流体的质量流量，Kg/s； 热、冷流体的比定压热容，KJ/(KgK)； 热流体的进、出口温度，； 冷流体的进、出口温度，； 冷凝液的饱和温度，； r饱和蒸汽的冷凝潜热，KJ/Kg。在换热器的设计计算中，冷热流体的物性数据，如比热容Cp、密度、动力粘度及导热系数等的查取，依流体的定性温度进行。 在2.6.2热量衡算及所需媒质的量中，已得出冷凝器热负荷=64722960.64 KJ/h（2）平均温度差的计算根据冷、热流体进、出口温度，利用下式计算出逆流条件下的对数平均温度差： （3-19）已知热流体进口温

59、度=600+273.15=873.15 K，出口温度=500+273.15=773.15 K 冷流体进口温度=460+273.15=733.15 K，出口温度=580+273.15=853.15 K则K，K（3）估算传热面积在估算传热面积时，可根据所处理流体的性质，凭经验或参考冷凝器总传质系数的大致范围，预先假设一值，利用总传热速率方程式进行： （3-20） 式中：估算的传热面积，m2； 假设的总传热系数，/()； 平均传热温度差，。 按经验数值初选总传热系数。选取：=390 /() （4）主要工艺结构基本参数的计算换热器规格及材质的选定。选择25mm2.5mm钢管。换热器数量及长度的确定：管

60、数：根管长：m管子的排列方式及管板的连接方式的选定：管子的排列方式：采用正三角形排列；管子与管板的连接采用焊接法。计算壳体内直径 （3-21） 由于管中心距;t=1.25=1.2525=32 mm 横过管中心线的管数： 取整 根 管束中心线上最外层管的中心至主壳体内壁的距离=0.038m 因此：=0.032（88-1）+20.038=2.86 m 按壳体直径标准系列尺寸圆整，取D=2900 mm，管长径比合适。计算实际传热面积及过程的总传热系数=63673.140.0253.11550 m2 =402 W（） 折流板直径、数量 选取折流板与壳体间的间隙为3.5 mm =2900-23.5=28