万吨苯乙烯生产车间工艺设计—本科毕业设计.doc

毕业设计说明书

年产100,000万吨苯乙烯生产车间
工艺设计

中北大学2012届毕业设计说明书
年产100,000吨苯乙烯生产车间工艺设计
摘要：苯乙烯是一种非常重要的化工原料，60%的苯乙烯用来生产聚苯乙烯，还用来生产树脂、乳胶等。现在世界上的苯乙烯年产量为3000万吨左右，我国的年产量在600万吨左右，且目前处于供需持平，从产量和需求可以看出苯乙烯生产的重要性。
本设计采用技术最成熟的工艺：绝热式乙苯催化脱氢工艺。从1937年工业化至今，经过了好几代的发展，现在已成为一种非常重要的工艺。目前世界上85%的苯乙烯均采用此法进行生产。本设计主要做了以下几个方面的工作：文献调研，工艺选择；物料衡算，能量衡算；设备设计；车间布置；经济估算；带控制点的工艺流程图，主体设备图及车间布置图的绘制。

关键词：苯乙烯；工艺设计；催化脱氢；绝热固定床反应器

The production workshop design of styrene with an annual output of 100,000 tons
Abstract：Styrene is a very important chemical material, 60 percent of it is used to produce Polystyrene and also is used to produce resin and latex. The outlet of the styrene all over the world per year is 30 million tons, and our country take up 20 percent of the total outlet and the current supply is equal to the demand. So the production workshop design of styrene is very important.
The most mature technology-adiabatic dehydrogenation of ethylbenzene process is used to produce styrene. From 1937, the first industrialized time, after several generations of development, it has become a very important process. The 85 percent of the styrene is produced by this method. This design includes document survey, process selection, material balance, heat balance, equipment design, facility layout, economical evaluation, the drawing of the process chart, the main equipment diagram and the workshop layout chart.

Keywords: Styrene, Catalytic dehydrogenation, Process design, Adiabatic fixed-bed reactor

目录
1文献综述 1
1.1 苯乙烯的性质 1
1.2 苯乙烯的来源与应用 1
1.3 苯乙烯的供需情况 2
1.3.1 世界范围内的产能情况 2
1.3.2 国内的产能情况 2
1.4 苯乙烯的生产方法 3
1.4.2 环氧丙烷-苯乙烯联产法 4
1.4.3 乙苯氧化脱氢法 4
1.4.4 热解汽油抽提蒸馏回收法 4
1.5 苯乙烯生产方法的比较 5
2 工艺路线的确定 6
2.1 设计方案的确定 6
2.1.1催化脱氢法 6
2.1.2乙苯共氧化法生产苯乙烯 6
2.1.3 UOP的选择性氧化脱氢法 7
2.1.4 从裂解汽油中萃取苯乙烯 8
2.2 工艺比较及选择 9
3物料衡算 11
3.1 乙苯催化脱氢法生成苯乙烯工艺流程简图 11
3.2 设计基本数据 11
3.3 计算简图及衡算过程 12
3.3.1 催化脱氢反应器的物料衡算 12
3.3.2 冷凝器的物料衡算 14
3.3.3 油水分离器的物料衡算 14
3.3.4 乙苯蒸出塔的物料衡算 15
3.3.5 苯和甲苯回收塔的物料衡算 15
3.3.6 苯和甲苯分离塔的物料衡算 16
3.3.7 苯乙烯精制塔的物料衡算 17
3.4 物料衡算结果汇总 17
4 热量衡算 21
4.1 一段反应器的热量衡算 21
4.1.1 乙苯预热所耗热量 21
4.1.2 水预热所耗热量 22
4.1.3 一段反应热 23
4.1.4 一段反应器出口物料温度的计算 24
4.2 二段反应器的热量衡算 27
4.2.1 进入二段反应器的过热水蒸气量的计算 27
4.2.2 二段反应器出口物料温度的计算 27
4.3 三段反应器的热量衡算 29
4.3.1 进入三段反应器的过热水蒸气量的计算 29
4.3.2 三段反应器出口物料温度的计算 29
4.4 整个反应器进出物料温度情况 31
4.5 产物冷却的热量衡算 31
4.5.1 冷却全过程氢气放出的热量 32
4.5.2 冷却全过程苯乙烯放出的热量 32
4.5.3 冷却全过程乙苯放出的热量 32
4.5.4 冷却全过程水放出的热量 32
4.6 精馏工段的热量衡算 32
4.6.1 乙苯蒸出塔的热量衡算 32
4.6.2 苯和甲苯回收塔的热量衡算 33
4.6.3苯和甲苯分离塔的热量衡算 34
4.6.4 苯乙烯精制塔的热量衡算 35
5 主要设备的设计及辅助设备的选型 36
5.1 固定床反应器的设计 36
5.1.1 反应器的选择 36
5.1.2 反应器设计的具体过程 36
5.1.3 固定床一段反应器的设计 37
5. 1.4 固定床二段反应器的设计 39
5.1.5 固定床三段反应器的设计 41
5.1.7 支承结构 42
5.1.8 固定床上下封头的选型 43
5.1.9 固定床群座的设计 44
5.1.10 固定床人孔的设计 44
5.1.11 固定床接管的设计 44
5.2 精馏塔的设计 45
5.2.1 乙苯蒸出塔的设计 45
5.2.2 苯和甲苯回收塔的设计 48
5.2.3 苯和甲苯分离塔的设计 50
5.3 换热器的计算及选型 51
5.3.1 乙苯蒸出塔塔顶冷凝器和塔底再沸器的计算及选型 51
5.3.2 其它几个精馏塔塔顶冷凝器和塔底再沸器的计算及选型 52
5.4 泵、风机的计算及选型 53
5.5 设备一览表 53
6 车间布置设计 55
6.1车间布置设计原则 55
6.2 厂房建筑 55
6.2.1 厂房基础设计 55
6.2.2 设备布置设计 55
6.2.3 设备安全距离 56
6.3 车间布置图 56
7 经济效益核算 57
7.1 固定资产投资 57
7.1.1厂房投资 57
7.1.2设备投资 57
7.2成本估算 57
7.2.1 原料成本估算 57
7.2.2 公用工程费用的成本估算 58
7.2.3 工人工资估算 58
7.2.4生产费用 58
7.2.5 年管理费用 59
7.2.6 年其它费用 59
7.2.7 成本估算 59
7.3 经济效益分析 59
7.3.1 收入分析 59
7.3.2 年纯利润估算 59
7.4 经济评价 59
8 环保与安全评述 61
参考文献 62
致谢 64

65

中北大学2012届毕业设计说明书
1文献综述
1.1 苯乙烯的性质
苯乙烯是芳烃的一种，分子式为C8H8，结构简式为C6H5CH=CH2。无色、有特殊香气的油状液体。熔点-30.6oC,沸点145.2oC,相对密度0.9060,折光率1.5496，黏度0.762cP（25oC）。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，因此在运输与贮存过程中需要添加阻聚剂（对苯二酚或叔丁基邻苯二酚等）。该物质对环境有严重危害，应特别注意对地表水、土壤、大气和饮用水的污染，对水生生物应特别注意。由于其挥发性强，在大气中易被光解，也可被生物降解或化学降解，即能被特意的菌丛所破坏，亦能被空气中的氧所氧化成苯甲醚、甲醛及少量苯酚[1]。
1.2 苯乙烯的来源与应用
炼油厂得到的C8芳烃馏分中获得（<10%）
苯和乙烯经烷基化制得（>90%）
乙苯
苯乙烯
制备聚苯乙烯（63.2%）
ABS／SAN树脂（14.9%）
SBR及胶乳（9.7%）
不饱和树脂（4.3%）
其它（6.9%）
其它途径

图 1.1 苯乙烯的来源与应用
苯乙烯是重要的基本有机原料，主要用于制造聚苯乙烯树脂、丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物、苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物、丁苯橡胶弹性体、苯乙烯一丙烯腈共聚物、苯乙烯一顺丁烯二酸酐共聚体、不饱和聚酯树脂、离子交换树脂、合成树脂涂料及绝缘体等材料，这些材料在汽车制造、家电用器、纺织、建材、轻工、玩具等工业部门都有重要的用途。此外，苯乙烯还可用于制药、印染、农药、以及选矿等行业[2,3]。
1.3 苯乙烯的供需情况
苯乙烯是一种重要的化工有机原料，在世界范围内其需求和产能都是非常大的。下面就世界及国内两方面来分别进行简单介绍。
1.3.1 世界范围内的产能情况
表1.1 2009年世界苯乙烯各地区生产能力[5]
地区
产能/（万t·a-1）
北美小计
635.6
中南美小计
69.0
西欧小计
572.7
中东欧小计
97.3
中东小计
299.5
亚太地区小计
1523.2
澳大利亚
13.0
世界总能力
3210.3
2009 年世界苯乙烯生产能约为35350kt/a，主要分布在亚太、西欧和北美地区， 其中亚洲地区18890kt/a，大约占53.4％；西欧地区6927kt/a，约占20％；北美地区6536kt/a，约占18％。2009年世界苯乙烯消费量为28360kt，其中亚洲（不含中国）占32％，中国占21％，北美占19％，西欧占19％，中/南美和中/东欧各占4%，亚洲尤其是我国是主要的净进口地区。2010 年，世界对苯乙烯的需求为27800kt，而可供应量达到33000kt。亦有文献报道，该年总产能37860kt/a，总消费为30030kt。供过于求显而易见。到2013年，苯乙烯的世界市场供大于求的状态，将由中东乙烯产品的大量出口而愈演愈烈。预计2016 年生产能力可达39590kt/a，产量及需求均为34760kt。我国大陆是未来几年最具潜力的的市场[4] 。
1.3.2 国内的产能情况
中国苯乙烯消费年增长率为8％，从1994年－2008年15年间，其平均自给率在40%左右徘徊。在2008年，我国苯乙烯产量只有2089kt，进口2810.8kt，表观消费量为4897.7kt，自给率在42.65％。2010 年我国对苯乙烯的需求量约为5800kt，而生产力达到6000kt/a左右，供需基本平衡[4]。
表1.2我国主要苯乙烯生产企业[5]
企业
产能/（kt·a-1）
采用技术
建成年份
上海赛科石化公司（扩后）
680
UOP/鲁姆斯乙苯技术
2009
壳牌/中海油石化公司
560
壳牌SM-PO 鲁姆斯乙苯技术
2006
中石油化镇海炼化/利安德
600
壳牌SM-PO 鲁姆斯乙苯技术
2000
天津大沽
500
菲纳/巴杰尔

江苏利士德化工
420
鲁姆斯/国内技术
2006
新疆独山子石化
320
国内负压绝热技术

辽宁华锦化工
210
菲纳/巴杰尔
1999
山东玉皇
200
乙醇直接烃化
2004
齐鲁石化
200
国内负压绝热技术
2005
中铁联合-常州东吴化工
150
国内负压绝热技术
1997
扬子巴斯夫苯乙烯公司
145
UOP/鲁姆斯乙苯技术
2003
吉林石化
140
UOP/鲁姆斯乙苯技术+国内等温绝热技术

茂名石化
120
UOP/鲁姆斯乙苯技术

大连石化
100
国内负压绝热技术
1960
安庆石化
100
国内负压绝热技术
2007
从表1.2可以看出，我国的苯乙烯产量已经达到一个非常大的规模了，供需已经基本上平衡。技术应用方面：采用国内负压绝热技术的15家，产能为1890kt/a，约占总产能的33.0%。采用与鲁姆斯相关的专利技术有8家，产能为2749kt/a，约占总产能的48.1%。其它与菲纳/巴杰尔等专利技术有关的有7个厂家，产能为1080kt/a ，约占总产能的18.9%。可以看出最成熟的乙苯催化脱氢工艺的技术应用是最广泛的，其次是环氧丙烷-苯乙烯联产法，而最先进的乙苯氧化脱氢法在国内却使用很少。
1.4 苯乙烯的生产方法
目前世界上生产苯乙烯的生产方法约有十种，这些生产方法分别是⑴乙苯脱氢法(1937年最初实现工业化)；⑵ 环氧丙烷-苯乙烯联产法（1973年最初实现工业化）；⑶ 乙苯氧化脱氢法(1985年最初实现工业化)；⑷ 热解汽油抽提蒸馏回收法(1996年最初实现工业化)；⑸ 乙烷制取苯乙烯（小试结果表明以乙烷为原料制取苯乙烯成本将比用乙烯原料路线低10%）；⑹甲苯与甲醇进行侧链烷基化反应制取乙烯（长期考察实验与开发结果表明，该工艺的能耗较传统工艺低）；⑺ 乙苯在CO２气氛中脱氢制乙苯；⑻以丁二烯为原料生产苯乙烯（实验表明，乙苯在CO２气的氛下脱氢效果明显高于在水蒸气下的脱氢效果）；⑼乙烯和乙笨经氧化偶联生产苯乙烯；⑽用废聚苯乙烯生产苯乙烯。⑴、⑵、⑶、⑷四种工艺已经工业化，⑸、⑹、⑺、⑻、⑼、⑽六种方法还处于实验室开发或小试阶段[4-8,10-14]。下面简单介绍已经工业化的四种方法。
1.4.1 乙苯脱氢法
本法工艺成熟，苯乙烯收率达90%以上。全世界苯乙烯总产量的85%以上都是
用这种方法生产。
1.4.2 环氧丙烷-苯乙烯联产法
环氧丙烷-苯乙烯联产法也是生产苯乙烯的一种主要方法。该法的大致流程为乙 苯先氧化成过氧化氢乙苯，然后与丙烯进行环氧化反应制得苯乙烯并联产环氧丙烷。本法俗称Halcon法，生产的苯乙烯约占世界总产量的12%，优点是能耗低，可联产环氧丙烷，因此综合效益好。但工艺流程，经济规模（即能盈利的最小生产规模）大，联产两种产品受市场制约大。
1.4.3 乙苯氧化脱氢法
乙苯氧化脱氢法在原先乙苯脱氢法的基础上，又发展了该法，可使乙苯转化率明显提高，苯乙烯选择性也上了六个百分点（从86%-90%提高到92%-96%）,被认为是目前生产苯乙烯的一种好方法。该工艺是将乙苯脱氢反应生成的氢有选择性地进行氧化燃烧，使反应平衡向有利于生成苯乙烯的方向移动，同时提供反应所需要的热量，能大幅度提高生产苯乙烯的转化率。Styro-Plus工艺可以达到与传统脱氢法相同的选择性，但生产单位质量的苯乙烯所需要的蒸汽比传统工艺要降低34％ ，节能优势相当明显[9]。
1.4.4 热解汽油抽提蒸馏回收法
裂解汽油副产物中含有大量的化学物质，但许多化学物质沸点接近，或者形成共沸物，使得依靠传统分离方法难以分离。通常裂解汽油经营商从C6馏分中回收苯以及甲苯，很少回收其他组分。最新的分离技术使得从裂解汽油中回收高纯度的苯乙烯和二甲苯的同分异构体也成为可能。其中，萃取精馏是一个可行的产品回收方法。它通常被用来从裂解料的轻组分用来从C8馏分中有效地回收苯乙烯，当然苯乙烯要有足够的数量达到回收的经济性[15]。
1.5 苯乙烯生产方法的比较
目前生产苯乙烯的方法非常多，其中工业化的方法主要有四种，其它处于试验阶段和小试阶段的工艺路线约有六种。目前世界范围内和国内采用的主要路线还是传统的乙苯催化脱氢法，该法最大的缺点是能耗比较高。目前很多新工艺的开发都是基于降低能耗的想法。乙苯氧化脱氢法由于大大提高了单程转化率和降低m(水蒸气)/m(乙苯)，使得节能效果更明显。但是该法对于控制技术要求十分严格。氧气、乙苯蒸气、苯乙烯蒸气氢气等多元混合气体共存于反应器，必须严格控制爆炸极限，所以必须能够在线检测反应器中多原混合物的组成并且严格控制气体进料和反应温度等，以确保混合气体处于爆炸极限之外。从查得的文献来看，这主要是安全工程学科研究的课题，且目前对于多元混合气体爆炸极限的研究比较少，依靠实验和经验的数据据比较多[16,17]。这是设计中的一个难点，因此我决定舍弃乙苯氧化脱氢法而采用传统的乙苯催化脱氢法。目前该工艺也在不断完善，主要是从两方面来改善的：研制更好的催化剂；研制性能更优异的反应器。并且该工艺在这两方面已经取得了长足的进步，所以本设计最终决定采用乙苯氧化脱氢法。

2 工艺路线的确定
2.1 设计方案的确定
目前苯乙烯的工业化生产方法有四种：乙苯脱氢法；环氧丙烷一苯乙烯联产法；乙苯氧化脱氢法；热解汽油抽提蒸馏回收法。现在从以下四个方面来比较这四种工艺方法：技术成熟及先进性；产能大小；工艺流程的简单与复杂（操作的难易程度）；工艺路线受市场的影响情况。下面首先分别对四种工艺进行介绍，再综合考虑选用哪种工艺作为最后的设计方案。
2.1.1催化脱氢法
⑴ 技术开发与工业化
1930年美国道化学公司首创由乙苯热脱氢制苯乙烯技术。1937年美国陶氏化学公 司和德国巴斯夫公司同时实现了乙苯脱氢制苯乙烯的工业化生产。其技术关键包括两个方面：寻找活性和选择性更高的催化剂；设计开发更优异的反应器。目前世界上85%[6]苯乙烯是用该法生产的，可见其应用相当广泛，技术上十分成熟
烟道气

反应器

过
热
器

预
热
器

蒸发器
水蒸气
循环乙苯
反产物去分离装置

烟 道 气
乙苯
⑵ 工艺流程

图 2.1采用等温式反应器催化脱氢法生产苯乙烯流程简图
2.1.2乙苯共氧化法生产苯乙烯
⑴ 技术开发与工业化
1966年美国Halcon公司成功开发乙苯共氧化法，又称PO-SM联产法。该方法于1973年在西班牙实现工业化，是工业化生产苯乙烯的又一种重要方法。用方法生产的苯乙烯约占苯乙烯总产量的12%[6]，可见这也是一种非常重要的方法。
⑵ 工艺流程 空气
氧化反应器
乙苯蒸发器

环氧化反应器
丙烯蒸发器
环氧丙烷蒸发器
环氧丙烷精馏塔
乙苯蒸出
塔
脱水反应器
苯乙烯精馏塔
丙烯
苯乙烯
乙 苯

重 组 分

图2.2乙苯共氧化法生产苯乙烯流程简图
2.1.3 UOP的选择性氧化脱氢法
⑴ 技术开发与工业化
20世纪80年代初期 Styro-Plus由美国UOP公司开发成功，于1985年实现工业化。20世纪90年代初期Lummus、Monsanto、UOP3家公司合作将乙苯脱氢选择性氧化脱氢技术（Styro-Plus）与乙苯脱氢技术集成一体，称为Smart工艺。是目前制备苯乙烯的工业化的方法中最先进的一种。
⑵ 工艺流程

脱 盐 水
脱 氢 选 择 氧 化反 应 器
水 蒸 气 罐
加 热 炉
水 蒸 气
去 分 离 工 段
燃 料 油
废 热 锅 炉
燃 料 气
氧 气
气 态 乙 苯

图2.3 Styro-Plus工艺三段式反应器系统工艺流程简图
2.1.4 从裂解汽油中萃取苯乙烯
⑴ 技术开发与工业化
日本Toray公司早在20世纪70年代就开发了苯乙烯抽提回收工艺技术，但当时由于受到精馏技术和工艺控制技术限制。Toray公司无法实现工业化。荷兰公司DSM公司于20世纪80年代末从Toray公司购买此技术并申请专利后进一步开发了新型的用于减少结垢的聚合物抑制剂及苯乙烯精制方法，并于1996年通过SABIC欧洲石化SABTEC公司实现工业化生产，拥有全球第一套裂解汽油苯乙烯萃取装置，此装置在荷兰格林装置规模为年产2.75万t苯乙烯。之后美国Glitsth Technology公司和中国石化石油科学研究院又开发了新的工艺，并且以工业化或正在工业化。裂解汽油是乙烯工业的重要副产品，产量是乙烯生产能力的50%-80%。裂解汽油含4%-6%的苯乙烯（质量分数），一套80万t/a乙烯装置约联产50万t/a裂解汽油，其中有2万-4万t/a苯乙烯［7］。从中可以看出其产能是非常小的，并且受到产地及原料的影响。
⑵ 工艺流程

预 处 理
苯 乙 炔 加 氢
萃 取 精 馏
溶 剂 回 收
脱 色
苯 乙 烯 精 制
加 氢 及 芳烃 抽 提
C8 抽 余 油
乙 烯 裂 解 汽 油
苯 乙 烯
重 组 分

图2.4苯乙烯抽提回收技术工艺流程简图
2.2 工艺比较及选择
从技术角度来讲：催化脱氢法是最成熟的一种工艺方法，而UOP的选择性氧化脱氢法是最先进的工艺。
从产能角度来讲：催化脱氢工艺的产能最大，乙苯共氧化法的产能次之，从裂解汽油中萃取分离苯乙烯最小，一般单套装置产能2万t/a左右。
从工艺流程来看：除去分离工段，乙苯共氧化法最长，故其操作也最困难，而UOP的选择性氧化脱氢工艺、催化脱氢工艺、从裂解汽油中萃取分离苯乙烯工艺的流程图均不复杂。从工艺路线受市场影响情况来看：乙苯共氧化法为联产工艺，其受市场制约最大。综合以上四个方面来考虑筛选出：乙苯催化脱氢法和UOP的选择性氧化脱氢法两种工艺，再对其进行进一步的详细比较。
表2.1 Styro-Plus工艺与乙苯脱氢工艺的比较
工艺指标
乙苯脱氢工艺
Styro-Plus工艺
反应器入口温度/oC
600
615
压力（绝压)/MPa
0.14
0.056
单程转化率/%
70
82.5
选择性/%
94
95.5
m(水蒸气)/m(乙苯)
1.5-2.0
1.1-1.7
由表2.1可以看出，两项最关键的指标：单程转化率和m(水蒸气)/m(乙苯)，这两个指标对能耗影响最大。而UOP的选择性氧化脱氢法比乙苯催化脱氢法在这两方面均有很大的优势，因而其节能效果要好的多。UOP的选择性氧化脱氢法，涉及到多元混合气体爆炸极限问题，对工艺控制要求非常高。在生产中必须在线检测反应器中混合气体的组成，并且极其严格的控制和调整各原料气的进料量。故从操作控制和生产安全这个非常重要的角度来讲：应选择工艺最成熟的乙苯催化脱氢法，而能耗的考虑则放在第二位。故本设计最终决定采用目前最优异的催化剂和性能最好的反应器。
乙苯氧化脱氢法生产苯乙烯有两种工艺路线：等温路线和绝热路线。等温式反应器设备比较复杂，且产能比较小。所以决定采用绝热反应器，采用三段式轴向固定床反应器。
苯
乙 苯
粗苯乙烯
乙 苯 蒸 出 塔

苯
和
甲 苯 回 收 塔

苯
和
甲 苯 分 离 塔

苯 乙 烯 精 馏 塔

甲苯
苯 乙 烯
脱 氢 选 择
氧 化
反 应
器
水蒸气
氧 气
乙苯

图2.5 Styro-Plus工艺流程简图

3物料衡算
3.1 乙苯催化脱氢法生成苯乙烯工艺流程简图
水

苯
和
甲 苯 回 收 塔

粗苯乙烯F6
乙 苯 蒸 出 塔

F3
F5
气体F4
水F7
粗苯乙烯F6

水蒸气F2
乙苯F1

冷
凝
器

脱
氢
反
应
器

油
水
分
离
器
焦油F15
甲苯F13
苯 乙 烯 精 馏 塔

乙 苯F100
苯
和
甲 苯 分 离 塔

F9
F8
F11
苯F12

苯乙烯F14

图3.1 乙苯催化脱氢制苯乙烯工艺流程及物料流程简图
3.2 设计基本数据
本设计的任务是年产10万吨的苯乙烯，年开工时间8000h（约330天）。乙苯的单程转化率为75%（采用传统的乙苯催化脱氢工艺，但采用发展到目前最先进的工艺。工艺的两个核心：优异的催化剂和性能优越的的反应器。），选择性为95%（目标产品为苯乙烯）。
原料规格：SH/T 1140- 2001 乙苯 99.7%（优等品）杂质：二乙苯及多乙苯等 0.3%
产品规格：GB3915—2001苯乙烯 99.8% （优等品）杂志：乙苯及焦油 0.2%
本设计做了以下几个方面的简化：
⑴ 原料乙苯中杂质去处：主要变为焦油，不考虑其生成苯乙烯和乙苯的量。
⑵ 副反应主要考虑两个：一个裂解反应和一个加氢反应。
主反应：
副反应：

⑶ 焦油的生成来源有两处：化学反应中产生的焦油和后续分离过程中精馏塔中产生的焦油，在本设计中只考虑化学反应中产生的焦油。
⑷ 后续分离过程中的冷凝气液分离、油水分离、精馏分离其中的一些损失及指标（部分是参考文献中的分离要求）均是假设的。
3.3 计算简图及衡算过程
本工艺涉及到物料的循环，故其物料衡算应采用对应的方法。涉及物料循环的物料衡算有两种计算方法：试差法和列方程组法本，设计采用列方程组的方法。
需要设出三个未知量来表示F1-F15流股中所有组成的质量流量。
设：F1流股的质量流量为x t/h，组成为含乙苯99.7%；
F10流股的质量流量为y t/h，组成为含乙苯95%，含苯乙烯2%×(y+z)(假设其进入反应器后生成其他物质，不计入苯乙烯产品中)，含甲苯5%-2%×（y+z）；
F11流股的质量流量为z t/h。水在反应器中起的作用是热载体和稀释剂，它并不参与反应。水蒸气与乙苯的用量比值是通过后续的热量衡算计算得出来的，故在物料衡算过程中就先假设水的质量为m()。
F1
3.3.1 催化脱氢反应器的物料衡算
F1 F1
F3
催化脱氢
反应器
F2
F2

注：F1由新鲜乙苯进料和循环乙苯进料混合而成；F3为出反应器的产物；F2为纯水
F3组成的计算：

表3.1反应器的物料平衡表
流入
流出
组成
流量/t/h
组成
流量/t/h
乙苯
0.997x+0.95y
苯乙烯
0.697x+0.664y
H2O
m(H2O)
乙苯
0.249x+0.238y
其它
0.003x+0.05y
H2O
m(H2O)

苯
0.006x+0.005y

甲苯
0.019x+0.049y-0.02z

H2
0.013x+0.012y

CH4
0.003x+0.009y

C2H6
0.002x+0.002y

焦油
0.011x+0.021y+0.02z
合计
x+y+m(H2O)
合计
x+y+m(H2O)

F4
F3
冷凝器
F5
3.3.2 冷凝器的物料衡算

注：F4包含H2 ，CH4，C2H6；F5包含粗苯乙烯，水,假设此处气液完全分离。
经反应器出来的混合物料经过冷凝分离，分离为气相和液相，假设此处气液完全分离。
表3.2冷凝器的出口物料组成表
F4
F5
组成
流量/t/h
组成
流量/t/h
H2
0.013x+0.012y
苯乙烯
0.697x+0.664y
CH4
0.003x+0.009y
乙苯
0.249x+0.238y
C2H6
0.002x+0.002y
H2O
m(H2O)

苯
0.006x+0.005y

甲苯
0.019x+0.049y-0.02z

焦油
0.011x+0.021y+0.02z
合计
0.018x+0.023y
合计
0.982x+0.977y+m(H2O)
3.3.3 油水分离器的物料衡算F6
F5
油水分离器
F7

注：F6为粗苯乙烯； F7为水；假设此处损失0.5%粗苯乙烯且粗苯乙烯中不含水
表3.3油水分离器的出口物料组成表
F7
F6
组成
流量/t/h
组成
流量/t/h
H2O
m(H2O)
苯乙烯
0.634x+0.660y
粗苯乙烯
0.005x+0.005y
乙苯
0.248x+0.237y

苯
0.006x+0.005y

甲苯
0.019x+0.049y-0.02z

焦油
0.01x+0.021y+0.02z
合计
0.005x+0.005y+m(H2O)
合计
0.977x+0.972y
3.3.4 乙苯蒸出塔的物料衡 F8
F6
乙苯蒸出塔
F9
算

注：F8含苯、甲苯、乙苯、少量苯乙烯（含F8总量的2%，xD=2%）；F9含苯乙烯（含总量的98%，xW=98%）少量乙苯及焦油。
对苯乙烯作物料衡算：

代入已知数据解得：
表3.4乙苯蒸出塔的出口物料组成表
F8
F9
组成
流量/t/h
组成
流量/t/h
乙苯
0.244x +0.245y+0.02z
苯乙烯
0.689x+0.654y

苯
0.006x+0.005y

乙苯
0.004x-0.008y-0.02z

甲苯
0.019x+0.049y-0.02z
焦油
0.01x+0.021y+0.02z

苯乙烯
0.005x+0.006y

合计
0.274x+0.305y
合计
0.703x+0.667y
F11
F8
苯和甲苯回收塔
F10
3.3.5 苯和甲苯回收塔的物料衡算

注：F11含苯、甲苯、极少量乙苯（含F11的2%，xD=2%）F10含乙苯（含F10总量的95%，xW=95%）、极少量甲苯及苯乙烯
对乙苯作物料衡算：

代入已知数据可以得到：

解得：
表3.5苯和甲苯回收塔的出口物料组成表
F10
F11
组成
流量/t/h
组成
流量/t/h
乙苯
0.329x

苯
0.008x
甲苯
0.010x
甲苯
0.0253x
苯乙烯
0.007x
乙苯
0.0007x
合计
0.0346x

合计
0.034x
F12
F11
苯和甲苯分离塔
F13
3.3.6 苯和甲苯分离塔的物料衡算

注：F12含苯，少量甲苯（含F12总量的5%，xD=5%）；F13含甲苯(含F13总量的95%，xW=95%)，少量苯，少量苯乙烯
对甲苯作物料衡算：

代入已知数据可以得到：
表3.6苯和甲苯分离塔的出口物料组成表
F12
F13
组成
流量/t/h
组成
流量/t/h
苯
0.0074x
苯
0.0006x

甲苯
0.0004x
甲苯
0.0249x

乙苯
0.0007x

合计
0.0078x
合计
0.0262x
F14
F9
苯乙烯精制塔
F15
3.3.7 苯乙烯精制塔的物料衡算

注：F14含苯乙烯（占F14总量的99.8%，xD=99.8%）， 焦油及少量乙苯；F15含焦油及少量苯乙烯（占F15总量的2%，xD=2%）
对苯乙烯作物料衡算：

代入已知数据可以得到：
表3.7苯乙烯精制塔的出口物料组成表
F14
F15
组成
流量/t/h
组成
流量/t/h
苯乙烯
0.914x
焦油及乙苯
0.0176x

乙苯及焦油
0.002x
苯乙烯
0.0004x
合计
0.916x
合计
0.018x
解得：
即：每小时需要新鲜乙苯进料量13.676t/h，所以每生产1t苯乙烯需消耗1.094t新鲜乙苯。
所以y=4.731×103 kg/h
所以z=0.465×103 kg/h
3.4 物料衡算结果汇总
将x、y、z值代入前面的各个表达式得到每个流股的具体流量数值，表3.8-3.14为最终衡算结果。

表3.8反应