乙苯脱氢制苯乙烯-反应工段-毕业设计

齐齐哈尔大学毕业设计(论文)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根本原料,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。目前全世界苯乙烯产能约为2150～2250万吨。经过不断地增长和扩能，我国已经成为世界最大的SBR生产国，2023年国内生产总能约170万吨/年，产量约120万吨/年。随着乙烯经济的开展,2000年以后国内苯乙烯进入快速开展阶段,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剧烈，尤其是国外苯乙烯技术,从原料、能耗、稳定性、平安性、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开展变化,才能真正在未来技术开展、应用及创新中建立优势。1.1.2国内外的现状及开展前景目前国内开展现状及进展，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响器。目前国内以华东理工大学开发的乙苯减压脱氢反响器[1]，它采用轴径式反响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。此外，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2023年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。我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LummuS公司全球代理许可权。2023年，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。我国苯乙烯生产始于五十年代末期，其中2023--2023年，我国苯乙烯产量由948kt增至2166kt。与此同时，我国苯乙烯消费也由3603kt增至4503kt。长期以来，我国苯乙烯产量不能满足我国需求，2023--2023年我国苯乙烯进口量为2343～2661kt[3]。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。据预测，2023年可到达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300至600kt/a的大型苯乙烯装置。1.1.3产品的性质和特点苯乙烯，简称SM。是石化行业的重要根底原料，其主要性质用途如下：〔1〕苯乙烯是用苯取代乙烯的一个氢原子形成的有机化合物，乙烯基的电子与苯环共轭，不溶于水，溶于乙醇、乙醚中，暴露于空气中逐渐发生聚合及氧化。苯乙烯是芳烃的一种。分子式为C8H8，存在于苏合香脂〔一种天然香料〕中。无色、有特殊香气的油状液体。熔点－30.6℃，沸点145.2℃，相对密度0.9060(20/4℃)，黏度0.762cP，不溶于水(<1%)，能与乙醇、乙醚等有机溶剂混溶。苯乙烯在室温下即能缓慢聚合，要加阻聚剂对苯二酚或叔丁基邻苯二酚(0．0002%～0．002%)作稳定剂，以延缓其聚合才能贮存[4]。〔2〕苯乙烯主要用于生产苯乙烯系列树脂及丁苯橡胶，也是生产离子交换树脂及医药品的原料之一。

〔3〕苯乙烯系列树脂的产量在世界合成树脂中仅次于PE、PVC。

〔4〕苯乙烯的均聚物――聚苯乙烯(PS)是五大通用热塑性合成树脂之一，近年来需求开展增长旺盛。

〔5〕苯乙烯、丁二烯和丙烯腈共聚而成的ABS树脂是用量最大的大宗热塑性工程塑料，中国已经成为世界ABS最大的产地和消费市场之一。

由于苯乙烯还可以生产的丙烯腈-苯乙烯二元共聚物〔SAN〕、不饱和树脂〔UPR〕、

丁苯橡胶〔SBR〕、丁苯胶乳〔SBL〕、热塑性丁苯橡胶〔SBS〕等产品，可以说苯乙烯是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，采用脱氢反响器，由开始的单级轴向反响器，中间经历开发了双级轴向反响器到双径向反响器再到双级径向反响器的各种组合优化的多种反响器；反响器的操作压力有开始的正压开展到今天的负压；汽油比有开始的2.5:1开展到今天1.3：1；蒸汽消耗由开始的10kg∕kgSM开展到今天的4kg∕kgSM。乙苯脱氢的工艺操作条件为550～650℃，常压或减压，蒸汽∕乙苯质量比为1.0～2.5。UOP∕Lummus的“SMART〞SM工艺是在ClassicSM工艺根底上开展的一项新工艺，即在工艺ClassicSM工艺的脱氢反响中引入了局部氧化技术。可提高乙苯单程转化率达80%以上[5]。〔2〕Fina∕Badger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800～900℃，与预热的乙苯混合再通过催化剂，反响温度为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响热，这是与绝热反响的最大不同。〔4〕Halcon法Halcon法又称PO－SM联产法，由西班牙Halcon法公司开发[6]。〔5〕裂解汽油萃取别离法日本东丽公司开发了Stex法裂解汽油萃取别离苯乙烯技术。〔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响生成环氧丙烷和－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/T17450-1998：?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100－150亿吨石油储量，可供开采的石油储量为80－100亿吨。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2023年底，齐齐哈尔市拥有耕地面积2602万亩，荒地195万亩完全可以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，所以完全可以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，水运通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，齐齐哈尔市完全可以满足本厂的原料和产品运输要求。1.3.5经济根底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，完全可以满足建厂的工业根底与经济能力要求。综上所述，齐齐哈尔市完全可以满足建立本厂的各种要求，并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／%9551002、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106.16136.20.86713、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g∕ml比外表积m²∕g孔体积ml∕g颗粒密度g∕mlGS-05型红褐色圆柱体31.203.50—1.8464、氧化脱氢反响器催化剂表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比外表积/g孔体积颗粒密度g/mlY-101型银灰色柱体Φ4×60.951.510.4361.3571.5.2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%≯10≯10ppm(W)≯1ppm(W)≯30ppm(W)≯20ppm(W)0.7mm2/s第2章工艺设计与计算2.1工艺原理主反响及反响热如下：副反响主要有乙苯的裂解、加氢裂解、水蒸气转化、聚合和缩合反响等。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〔UＯP〕／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〔UOP∕Lummus“SMART〞〕,SM工艺是在ClassicSM工艺根底上开展的一项新工艺，即在工艺ClassicSM工艺的脱氢反响中引入了局部氧化技术。可提高乙苯单程转化率达80%以上。“SMART〞技术的优点在于，通过提高乙苯转化率，减少了未转化乙苯的循环返回量，使装置生产能力提高，减少了别离局部的能耗和单耗；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响的发生；采用氧化中间加热，由反响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。目前采用“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2-1Lummus的SMART乙苯脱氢工艺流程2.3.2反响工段工艺流程乙苯(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。蒸汽既加热反响进料、减少吸热反响的温度降，同时蒸汽也降低产品的分压使反响平衡向着苯乙烯(SM)方向进行，且又可以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响系统压力能提供良好的反响平衡曲线，对乙苯(EB)转化为苯乙烯(SM)有利，在有两个绝热反响器的工业生产装置中，乙苯(EB)的总转化率可到达70%～90%。新鲜乙苯和循环乙苯先与一局部蒸汽混合，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、绝热的径向催化反响系统内进行脱氢，反响中生成的氢气全部进入氧化脱氢反响器中与其中的氧气反响放出热量并生成水蒸汽。热反响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工艺参数反响温度：580~660℃压力：0.08Mpa，参加水蒸气来稀释原料气，以降低乙苯的分压，提高乙苯平衡转化率，水蒸气与乙苯摩尔比16~20〔质量比取为3:1〕。空速：乙苯液态空速0.6~1.0h-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0.7～0.8。全年365天，那么年生产250～300天；因此除去季保养、月保养、修理、放假等总计65天，那么年工作日为〔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〔300000×103/300〕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固定床反响器物料衡算进出脱氢反响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，那么需计算每批产量及原料投料量。乙苯脱氢反响(见反响历程)其中原料规格：乙苯〔99.6%〕水蒸气〔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：=1×kg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：=(/24×106.16)/(104.15×90%×98%×98%)=4.9135×kg每班理论投水蒸气量：=3×4.9135×=14.7405×kg每班原料实际投入量：=(4.9135×/0.996)Kg=4.9332×kg=(14.7405×/0.95)Kg=15.5163×kg杂质：=〔15.5163-14.7405〕×+(4.9332-4.9135)×=7.955×kg／h催化剂的量：=(15.5163+4.9332)××0.3%=613.485×kg〔3〕脱氢过程计算转化率为：90%参与反响的乙苯量：=49135×0.9／106.16=416.555kmol／h苯乙烯的产量：kg／h甲苯的产量：kg／h苯的产量：kg／h乙烷的产量：G9=416.555×0.015×30=187.45kg／h乙烯的产量：G10=416.555×0.04×26=433.21kg／h甲烷的产量：G11=416.555×0.03×16=199.94kg／h残碳量：G12=416.555×0.01×12=49.98kg／h消耗水蒸气量：G13=416.555×0.05×16×18=599.76kg／h剩余水蒸气量：G14=155163－599.76=154563.24kg／h生成二氧化碳量：G15=416.555×0.005×8×44=733.14kg／h生成氢气量：G16=416.555×〔0.9+0.01×5+0.005×21〕×2=439.46kg／h消耗氢气量：G17=416.555×〔0.03+0.015〕×2=37.49kg／h生成氢气总量：G18=439.46-37.49=401.97kg／h投入氧气量：G19=401.97／2×0.5×32=3215.76kg／h生成水量：G20=401.97／2×18=3617.73kg／h水剩余总量：G21=154563.24+3617.73=158180.97kg／h氢气剩余总量：G22=0kg／h上述原料参加量和产物生成量见表2-1。表2-1绝热脱氢反响器物料衡算固定床反响器进料固定床反响器出料kg∕hkg∕h乙苯〔99.6%〕49332〔100%〕4913.5水蒸气〔95%〕155163〔100%〕158180.97续表2-1绝热脱氢反响器物料衡算固定床反响器进料kg∕h固定床反响器出料kg∕h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01053.05总计208324.245208324.2454、冷凝器油水别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冷凝器油水别离阶段物料衡算序号输入物料名称质量kg∕h序号输出物料名称质量kg∕h1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613.4859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〔符号规定加热剂参加热量为“+〞，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“-〞〕；—反响终止时物料的焓〔输出反响器的物料的焓〕；—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，即对间歇生产可以以每日或每批处理物料基准。〔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?可得到反响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Cp∕kJ∕(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，600~700℃〕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：—反响物体系中组分i的质量，kg;—组分i在0—T℃时的平均比热容，kJ/(kg·K)或kJ/(kmol·℃);。=[(49332×2.082)+(155163×2.177)+(3215.76×1.172)]×595=4264339427.7kJ∕h+×575=[〔4913.5×2.082〕+〔39045.8×1.957〕+〔1126.7×2.012〕+〔1787.02×1.946〕+〔187.45×2.905〕+〔433.21×2.452〕+〔199.94×3.213〕+〔158180.97×2.177〕+〔733.14×2.14〕+〔1053.05×1.828〕]×575=254041416.1kJ∕h〔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响热效应；另一类是物理过程热效应。物料经化学变化过程，除化学反响热效应外，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—化学反响热效应，kJ；—物理过程热效应，kJ；(可忽略不计)可通过标准化学反响热计算：〔2-6〕式中—标准化学反响热，kJ/mol；—参与化学反响的A物质质量，kg；—A物质分子量。〔2-7〕主要反响历程见2.1工艺原理局部。kg/hmol/h那么过程反响热=kJ/h〔3〕冷凝器的计算冷凝器是由从脱氢反响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。=49332×2.082×120＋〔49332×2.082＋39045.8×1.957＋1126.7×2.012+1787.02×1.946+187.45×2.905+433.21×2.452+199.94×3.213＋158180.97×2.177+733.14×1.214+1053.05×1.828〕×100=20541844.8+44181115.84=kJ/h〔4〕热损失的计算反响设备与冷凝设备向四周散失的热量，又称热损失。==264339427.7+54682620.52-254041416.1-64722960.64=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kJ∕h输出系统热量符号意义结果kJ∕h物料带入设备总热量63354466.36物料带出设备的总热量254041416.1加热剂与冷却剂交换的热量202384961.3冷凝器消耗的热量64722960.64过程的化学反响热54682620.52热损失257671.48∑总计3190022048.2∑总计3190022048.22.7脱氢反响器Aspenplus模拟乙苯脱氢绝热反响工段主要包括两个脱氢反响器和一个氧化脱氢反响器三个单元模块，具体流程图见图2-2。图2-2乙苯脱氢绝热反响工段流程表2-5脱氢反响器模拟结果进料出料温度/℃600620压力/bar0.80.8摩尔流量/kmol/hr880.787212880.787212质量流量/kg/hr4933249332体积流量/cum/hr79905.268779905.2687焓变/MMkcal/hr30.098715830.0987158乙苯-01 49134.64911.24471苯乙烯-01043361.921焦油-010219.552886H20839.28136第3章设备选型3.1选型原那么设备的工艺设计是化工工程设计中一项责任重大、技术要求高、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〕通过工艺流程设计、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响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。固定床反响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。经验法比拟简单，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通过单位体积催化剂的原料标准体积流量。单位为。它是测量固定床反响器生产能力的一个重要指标。〔3-1〕脱氢反响器一和二主要采用Fe-K系催化剂。催化剂主要特性见表1-4。氧化脱氢反响器主要采用Pt∕系催化剂。氧化脱氢反响器催化剂特性见表1-5。催化剂总质量为613.485Kg，其中GS-05型催化剂为465.2Kg，Y-101型催化剂为148.285Kg。脱氢反响器一：GS-05型催化剂质量为=232.6kg；脱氢反响器二：GS-05型催化剂质量为=232.6kg；氧化脱氢反响器：Y-101型催化剂质量为=148.285kg。那么脱氢反响器一中催化剂的体积为：L脱氢反响器二中的催化剂体积为：L氧化脱氢反响器中催化剂体积为：Ｌ固定床反响器负压状态下操作，压强为0.08MPa。进料气体平均密度：〔3-2〕=39.23g∕molKMPa=8×Pa那么可以得到kg∕进入氧化脱氢反响器的气体密度近似于脱氢反响器一的平均气体密度:kg∕同理：脱氢反响器二的气体平均密度：〔3-3〕KMPa=8×PaKg∕h=37.414g∕molkg/m3脱氢反响器一进料体积流量：m3/h脱氢反响器二进料体积流量：m3/h氧化脱氢反响器的进料体积流量：m3/h脱氢反响器一空间速度：h-1脱氢反响器二空间速度：h-1氧化脱氢反响器空间速度：h-1〔2〕床层孔隙率ε颗粒间的自由体积与整个床层体积之比：〔3-4〕式中：ε-床层空隙率；-催化剂床层堆积密度，kg∕L；-催化剂颗粒密度，kg∕L。那么脱氢反响器一和脱氢反响器二床层空隙率：氧化脱氢反响器床层空隙率:空间速度指在规定的反响条件下，气体反响物通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〕脱氢反响器一空时：h脱氢反响器二空时：h氧化脱氢反响器空时：h〔4〕空时收率指反响物通过催化剂床层时，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∕〔kg∕h〕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〕催化剂由于反响而消耗的原料质量。这是催化剂生产能力的重要指标。〔3-7〕式中：－催化剂负荷，kg∕〔kg•h〕或kg∕〔m3•ｈ〕；－目的产物的质量，kg∕s；－催化剂的用量，kg或m3。那么kg∕〔kg∕h〕〔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，气体通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，气体通过空床截面积的流速。〔3-9〕式中：U—空床的线速度，m∕s；—空床速度，m∕s。—催化剂的床层截面积，m2。3.2.2固定床反响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〔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通过操作气速、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。通常，床层的高度确定或直径的计算是根据固定床反响器某一重要的操作参数范围或经验选取，然后校验其他操作参数是否合理，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ΔP：〔3-11〕通过实验测定得到：〔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，而第二项那么代表局部阻力损失。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=24.877m／s。脱氢反响器一的催化剂床层截面积：m2脱氢反响器二的催化剂床层截面积：m2氧化脱氢反响器的催化剂床层截面积:m2实际气体流速：脱氢反响器一：m／s脱氢反响器二：m／s氧化脱氢反响器：m／s〔5〕校验床层压力降三个固定床反响器的物料粘度均近似为Pa•s脱氢反响器一：=5332.3Pa＜，符合要求。脱氢反响器二：=4820.4a＜，符合要求。氧化脱氢反响器：=3687.3Pa＜，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。脱氢反响器一催化剂床层高度：m脱氢反响器二催化剂床层高度：m氧化脱氢反响器一催化剂床层高度：m本设计采用绝热径向固定床反响器，可求出内径D：〔3-15〕脱氢反响器一内径m脱氢反响器一内径m氧化脱氢反响器内径m3.2.3固定床反响器壁厚的计算与选型〔1〕固定床反响器所用钢材及壁厚的图算法[12]根据≤化工过程设备机械根底≥，本设计固定床反响器所用钢材为奥氏体钢06Cr19Ni10Ti〔GB4237〕，使用温度为-196～700℃[13]。其它性能见表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ρg/ml7.9熔点℃1400比热容J/(kgK)502.3导热系数W/(mK)13.95～18.61线膨胀系数℃17.3电阻率ρ0.73弹性模量E〔550～700℃〕155～143泊松比μ0.25～0.30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响器的壁厚，其优点是计算简便。〔2〕脱氢反响器一的壁厚计算假设〔名义厚度〕，令；C为腐蚀裕量，取为2mm。设=12mm，取=10mm，查≤化工过程设备机械根底≥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≤化工过程设备机械根底≥P262图13-12：外压圆筒、管子和球壳厚度计算图〔06Cr19Ni10Ti钢〕得：系数=24.300MPa那么：许用外压力[P]==0.0972MPa外压力为0.08MPa＜0.0972MPa，所用钢材厚度符合脱氢反响器一生产要求。〔3〕脱氢反响器二的壁厚计算设=10mm，取=8mm，查≤化工过程设备机械根底≥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≤化工过程设备机械根底≥P262图13-12：外压圆筒、管子和球壳厚度计算图〔06Cr19Ni10Ti钢〕得：系数=28.200MPa那么：许用外压力[P]==0.0868MPa外压力为0.08MPa＜0.0868MPa，所用钢材厚度符合脱氢反响器二生产要求。〔4〕氧化脱氢反响器的壁厚计算设=10mm，取=8mm，查≤化工过程设备机械根底≥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≤化工过程设备机械根底≥P262图13-12：外压圆筒、管子和球壳厚度计算图〔06Cr19Ni10Ti钢〕得：系数=32.000MPa那么：许用外压力[P]==0.097MPa外压力为0.08MPa＜0.097MPa，所用钢材厚度符合氧化脱氢反响器生产要求。3.2.4固定床反响器凸形封头的设计计算本设计中固定床反响器采用椭圆形封头[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2.01.21.01.181.080.990.900.810.730.650.570.50注：①中间值采用内插法求得；②；③=0.90为标准椭圆形封头。〔1〕脱氢反响器一封头壁厚及高度假设〔名义厚度〕，令；C为腐蚀裕量，取为2mm。设=8mm，取=6mm，=0.50×2.5=1.25m查≤化工过程设备机械根底≥P262图13-12：外压圆筒、管子和球壳厚度计算图〔06Cr19Ni10Ti钢〕得：系数=31.400MPa那么：许用外压力=0.150MPa外压力为0.08MPa＜0.150MPa，所用封头厚度符合脱氢反响器一生产要求。封头高度m〔2〕脱氢反响器二封头壁厚及高度设=8mm，取=6mm，=0.54×2.60=1.4m查≤化工过程设备机械根底≥P262图13-12：外压圆筒、管子和球壳厚度计算图〔06Cr19Ni10Ti钢〕得：系数=31.400MPa那么：许用外压力=0.133MPa外压力为0.08MPa＜0.133MPa，所用封头厚度符合脱氢反响器二生产要求。封头高度m〔3〕氧化脱氢反响器封头壁厚及高度设=8mm，取=6mm，=0.54×2.64=1.4256m查≤化工过程设备机械根底≥P262图13-12：外压圆筒、管子和球壳厚度计算图〔06Cr19Ni10Ti钢〕得：系数=31.400MPa那么：许用外压力=MPa外压力为0.08MPa＜0.130MPa，所用封头厚度符合氧化脱氢反响器生产要求。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，可通过热量衡算获得。在热损失可以忽略不计的条件下，假设两流体均无相变的情况下，热负荷由下式计算：〔3-17〕假设热流体有相变，例如饱和蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下流出时，那么：〔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/(Kg•K)；—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ρ、动力粘度μ及导热系数λ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=64722960.64KJ/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〕热流体进口温度=600+273.15=873.15K，出口温度=500+273.15=773.15K冷流体进口温度=460+273.15=733.15K，出口温度=580+273.15=853.15K那么K，KＫ〔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，Ｗ/()；—平均传热温度差，℃。按经验数值初选总传热系数。选取：=390Ｗ/()〔4〕主要工艺结构根本参数的计算换热器规格及材质的选定。选择Φ25mm×2.5mm钢管。换热器数量及长度确实定：管数：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=1.25×25=32mm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所以：=0.032×〔88-1〕+2×0.038=2.86m按壳体直径标准系列尺寸圆整，取D=2900mm，，管长径比适宜。计算实际传热面积及过程的总传热系数=6367×3.14×0.025×3.1＝1550m2=402W／〔〕折流板直径、数量选取折流板与壳体间的间隙为3.5mm=2900-2×3.5=2893mm切去弓形角度：0.25×2900=725mm折流板数量：取折流板间距=300mm，那么：=10.33块取整得：=11块，实际折流板间距：=258.3mm3.3其他设备的选择3.3.1离心泵设备的计算与选型〔1〕P-102离心泵的计算与选型[16]查≤化工原理≥P269页表四：液体及水溶液的物理性质得乙苯密度〔25℃〕为867Kg/与水的密度接近，故可选用清水泵〔IS系列〕输送乙苯液体。根据生产要求，所需输送乙苯流量根据离心泵选型规那么：选取IS800-65-R5型离心泵，其性能见表3-3。表3-3离心泵根本参数转速nr/min流量扬程m效率〔%〕轴功率Kw电机功率Kw必需汽蚀余量m29006018743.985.53.5验证所选泵的适用性：由公式〔3-22〕，最大安装高度：〔3-22〕：Mpa,吸入管路阻力损失那么最大安装高度=3.34m而实际安装高度为1.5m＜=3.34m，那么所选离心泵符合生产要求。3.3.2离心式鼓风机的设计与选型〔1〕由生产要求可知，P-101鼓风机通过的风量为：〔3-23〕=49332kg,0.08Mpa下乙苯蒸气压580℃密度:=kg/那么=那么根据≤化工原理≥P261页附录，选取AⅡ900-0.082／0.079离心式鼓风机，其性能见表3-4。表3-4离心式鼓风机根本参数转速r／min风压MPa效率〔%〕功率Kw30000.0895.360〔2〕由生产要求可知，P-101鼓风机通过的风量为：〔3-24〕=155163kg,0.08Mpa下水蒸气压720℃时密度:=kg/那么=那么根据≤化工原理≥P261页附录，选取BⅢ15000-0.08／0.07离心式鼓风机，其性能见表3-5。表3-5离心式鼓风机根本参数转速r／min风压MPa效率〔%〕功率Kw50000.0894.8470〔3〕由生产要求可知，P-103鼓风机通过的风量为：〔3-25〕=3215.76kg,0.08Mpa下氧气在25℃时密度:=kg/那么=那么根据≤化工原理≥P261页附录，选取BⅠ60-0.084／0.075离心式鼓风机，其性能见表3-6。表3-6离心式鼓风机根本参数转速r／min风压MPa效率〔%〕功率Kw20000.089540〔4〕由生产要求可知，P-104鼓风机通过的风量为：〔3-26〕=155163+49332=204495Kg,0.08Mpa下物料蒸气压580℃密度:=kg/那么=那么根据≤化工原理≥P261页附录，选取BⅡ7500-0.08／0.074离心式鼓风机，其性能见表3-7。表3-7离心式鼓风机根本参数转速r／min风压MPa效率〔%〕功率Kw30000.0896270〔5〕由生产要求可知，P-105鼓风机通过的风量为：〔3-27〕=155163+49332+3215.76=207710.76Kg,0.08Mpa下物料蒸气压610℃密度:=kg/那么=那么根据≤化工原理≥P261页附录，选取BⅡ8000-0.083／0.075离心式鼓风机，其性能见表3-8。表3-8离心式鼓风机根本参数转速r／min风压MPa效率〔%〕功率Kw30000.08943003.3.3工业加热炉的设计与选型〔1〕工业加热炉E-101的设计及选型[17]由生产流程可知，乙苯由25℃被加热至460℃，以25℃为基准，由表2-3可知乙苯的=2.082kJ/(kg•K),那么其所需热量:Q==49332×2.082×[〔460+273.15〕－〔25+273.15〕]=44678512.44kJ/h根据≤化工工艺设计手册≥P298页，选用WDH-GS1000Ｂ系列燃烧器，其热负荷为kcal•h,所用燃气为天然气，符合本设计生产热量需求。〔2〕工业加热炉E-102的设计及选型由生产流程可知，水蒸气由100℃被加热至720℃，以25℃为基准，由表2-3可知水蒸气的=2.177kJ/(kg•K),那么其所需热量:Q==155163×2.177×[〔720+273.15〕－〔100+273.15〕]=209429707.6kJ/h根据≤化工工艺设计手册≥P298页，选用WDH-GZ100Ｂ系列燃烧器，其热负荷为kcal•h,所用燃气为天然气，符合本设计生产热量需求。第4章设备一览表本设计设备选型结果见表4-1、4-2、4-3和4-4。表4-1反响器设备一览表脱氢反响器一脱氢反响器二氧化脱氢反响器设计温度℃620600600设计压力Mpa0.080.080.08催化剂床层高度/m2.502.422.00内径D/m2.502.602.64圆筒壁厚/mm1088凸形封头高度/m0凸形封头壁厚/mm666固定床反响器总高/m5.004.824.40表4-2输送设备一览表位号名称型号扬程数量备注P-101离心式鼓风机AⅡ900-0.082／0.0791P-102进料泵IS800-65-R518.81P-103离心式鼓风机BⅢ15000-0.08／0.071P-104离心式鼓风机BⅠ60-0.084／0.0751P-105离心式鼓风机BⅡ7500-0.08／0.0741P-106离心式鼓风机BⅡ8000-0.083／0.0751表4-3罐设备一览表位号名称容积型号数量备注V101水蒸气罐80m3HG5-1580-851V102乙苯罐30m3HG21502.1-921V103氧气罐0.8m3HG5-1580-851表4-4换热器一览表名称类型换热面积外壳直径数量换热器AES〔Y〕2900－25－1600－3/25－4REa〔b〕1550m22900mm1工业加热炉E-101WDH-GS1000Ｂ1100mm1工业加热炉E-102WDH-GZ100Ｂ1100mm1

车间设备布置设计5.1车间布置根据工艺设计的要求，本工艺对车间进行了严格的规划；车间平面布置为长方形，车间的长为18m，宽为12m，高度为6m。工艺中所涉及的离心式鼓风机和泵单独放于泵房中，泵房的整体长度12m,宽为6m,高度为6m,厂房设计过程中每隔6m设置水泥立柱，保证房屋平安。车间主要的大型设备是三个固定床反响器，反响器布置在车间中心处，要考虑到主导风向对其的影响。其它设备的摆放安排遵循工艺流程的前后、上下、左右顺序，确保工艺流程在设备上表达出连续性，使由原料到产品的路线最短，并最为合理，在本设计中主要布置有3个换热器、1组泵、3个固定床反响器、3个原料罐、5组离心式通风机。5.2车间设备布置5.2.1车间平面布置图5-1平面布置图5-2泵房平面布置由图5-1和图5-2可以看出，本设计中所有输送设备包括离心泵和离心式鼓风机统一部署于位于地面的单独泵房中；这样有利于操作及管理，减少备用设备。换热设备也统一部署于地面上，其中包括一个冷凝器和两个工业加热炉，分别单独部署于厂房中。这样部署除了工厂实际要求平安、方便管理和操作之外，还为了便于本设计6.00平面其它生产设备的布置。图5-36.00平面布置由图5-3可以看出，其中两个储料罐集中放置，但是其中的氧气储罐为了平安单独放置，三个固定床反响器放置于储料罐旁边，其中脱氢反响器一和脱氢反响器二临近乙苯和水蒸气储罐，而氧化脱氢反响器那么接近于氧气储罐放置。为了生产平安要求，设备之间必须保持必须的平安距离。6.00m平面的楼梯那么布置于该平面的旁边。5.2.2车间立面布置图4-3A-A剖视图4-4B-B剖视图4-5C-C剖视从上面的立面的布置图可以看出，本设计采用两层平台安装设备，并且6.00m要装有护栏，以保证工人操作时的平安。第6章自动控制为了保证设备正常运行需要精确控制本工艺的各工段参数，在本工艺的设计过程中参加了详细的自动控制系统，对整个工艺的温度、压力、流量等进行了控制。6.1离心泵的流量控制首先在泵的入口设置了截止阀，在出口设置止回阀防止液体倒流对泵造成损害，同时在泵的出口设置了流量检测，保证泵能够正常工作，在入口处装有排污阀。其具体控制方案如图6-1所示。图6-1泵的控制方案6.2反响器压力和温度的控制在反响器塔顶设有压力表、温度检测表和平安阀，压力表用于显示出口压力，当压力过高，平安阀自动启动泄压到达保护反响器的平安，同时通过检测主物料的入口温度来控制物料进口流量。其具体控制方案如图6-2所示。图6-2反响器的压力控制方案6.3原料灌的液位控制在本工艺中的储罐一般采用液位自动控制机制来调节液位，当液位超过一定的界限后就会产生报警，从而通过调节阀门调节流量从而降低液位，其具体控制表示如图6-3。图6-3原料罐液位控制方案第7章环境保护7.1三废产生情况7.1.1废气化学工业中大气污染物的特点是：有的是有毒物质，有的是对人类有威胁的致癌物质，有的是有强腐蚀性的，有的是易燃易爆气态物。本工艺生产过程中主要是氢气，但在氧化脱氢反响器中作为燃料使用，所以本设计根本没有废气产生[18]。7.1.2废渣化学工业固体工业废弃物属工业固体废弃物的一种，主要指硫酸烧渣、铬渣、制碱废渣和磷肥工业废渣。本工艺主要是焦油，残渣[19]。7.1.3废液化工废水是指化学工业生产中产生的废水，其中含有随水流失的化工原料，中间产物，产品以及生产过程中产生的污染物。本工艺生产过程中的工业废水主要来源式缩合反响中生成的水，经屡次中和洗涤后的水，脱酮、脱苯时气体蒸汽的冷却水，废水中含有钠盐，苯等。7.2三废处理情况7.2.1化工“三废〞的处理化工设计中必须依照?化工建设工程环境保护规定?HG/T20667-2023和?石油化工污水处理设计规定?SH3095-200、?石油化工噪声控制设计规定?SH/T3146-2023，使排放物到达国家?污水综合排放标准?GB8978-1996和?大气污染物综合排放标准?GB16297-1997的规定要求。7.2.2废渣残渣可以掩埋处理，焦油作为涂料原料出厂。7.2.3废水治理方法首先从工艺上减少废水的排放量，用沉降法别离废水中的悬浮物质，苯为有毒物质可以考虑用活性别离或膜别离等处理方法将其别离，也可用连续萃取的方法将其做回收处理，经处理的废水达标前方可排放或做循环利用。油水别离污水符合国家标准后排入下水道。第8章公用工程8.1供水温度：供水温度为常温，回水温度为进水温度+10℃。回水压力：回水压力对于一定的循环冷却水要求回水能直接留到冷却塔顶，不另设接力泵，因此回水压力设为0.4MPa.供水压力：考虑到回水压力加上热交换阻力和管道等阻力，因此取为0.6MPa.污垢系数：根据水质处理费用和热交换费用，决定污垢系数为0.000145〔KJ〕8.2供电对输入的动力电源的要求：采用单回路电压为380伏，频率为50HZ,允许波动范围为，电路设备对电源的要求：〔1〕对于电动机，使用380伏交流电。〔2〕正常照明用220/380伏交流电，事故照明用220伏直流电。〔3〕电器局部控制，信号及继电保护用220伏直流电。〔4〕仪表电源用100伏和24伏直流电。8.3供暖8.3.1供暖方式主要以蒸汽方式提供能量，是在比拟低的环境温度下仍然能保持适宜的工作条件的一种技术手段。根据生产要求决定蒸汽压力及温度，蒸汽压力取低压0.08MPa，进入反响器温度为700℃，出反响器温度为500℃，在冬天比拟寒冷的时候采用集中取暖。8.3.2采暖的介质对于建筑物的集中布置，应该采用热水取暖，以利于蒸汽和冷凝水的回