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苯乙烯装置精馏工段的工艺设计概述632020年5月29日文档仅供参考设 计 任 务 书一 设计题目:年产3万吨苯乙烯装置精馏工段的工艺设计二 设计的原始数据:1.生产能力:年产3万吨2.生产时间:330天/年3.单程转化率:55%4.原料及产品规格: 原料规格(乙苯) 组成苯甲苯乙苯苯乙烯二乙苯Wt%0.150.4298.111.310.01产品规格(苯乙烯) 组成乙苯苯乙烯二乙苯Wt%0.2599.60.155.反应方程式:主反应: 乙苯苯乙烯氢气 副反应: 乙苯苯乙烯乙苯甲苯甲烷 _CH3+H2C2H5-54.5 KJ/mol+ CHHH4+ C2H4105 KJ/mol-C2H5 6.原料配比:水蒸气:乙苯 2.6:1一次配气 1:0.38二次配气 1:1.48三次配气 1:0.747.说明:为了简化计算,假设混合原料中二乙苯不参加化学反应,而且无结焦,过程的物系按理想气体或理想溶液处理,冷凝回收系统3%损失,精苯乙烯塔的收率是97.4%.粗苯乙烯塔的收率是95.39%.三 设计要求:1. 编制设计说明书 (1).流程的确定及说明 (2).设备的物料衡算 (3).设备的热量衡算 (4).塔的工艺计算及主体设备计算(5).绘制塔板负荷性能图 (6).设计参考文献2. 绘制系统工艺流程图四 指导教师: 五 设计时间: 4月目 录前言-5一. 物料衡算-111.1乙苯蒸发器物料衡算-111.2乙苯过热器物料衡算-111.3反应器物料衡算-111.4循环水冷却器物料衡算-121.5油水分离器物料衡算-131.6粗苯乙烯塔物料衡算-141.7精苯乙烯塔物料衡算-151.8循环乙苯塔物料衡算- 151.9苯,甲苯塔分离塔物料衡算-16二. 热量衡算-172.1脱氢反应器的热量衡算-172.2乙苯过热器的热量衡算及选型-192.3废热锅炉的热量衡算及选型-212.4乙苯蒸发器的热量衡算及选型-222.5水冷却器的热量衡算及选型-252.6冷凝器的热量衡算及选型-262.7粗笨乙烯塔热量衡算及选型-282.8循环乙苯塔热量衡算及选型-302.9精苯乙烯塔热量衡算及选型-32三. 粗苯乙烯塔的设计计算-333.1塔的工艺计算部分-343.2塔的设备计算部分-37四. 参考文献-51前 言苯乙烯英文名称:Styrene Monomer,分子式,是苯环侧链上带有双键的一种芳烃,它是不饱和芳烃中十分普通但有十分重要的一员。被广泛地用作生产塑料和合成橡胶的原料,在国民经济中占有举足轻重的地位。苯乙烯的化学结构式如下:CH=CH2CH=CH2 或者 苯乙烯又名乙烯基苯,系无色至黄色的油状液体。具有高折射性和特殊芳香气味。沸点为145 ,凝固点 30.4,难溶于水,能溶于甲醇、乙酸及乙醚等溶剂。在高温下容易裂解和燃烧,生成苯、甲苯、甲烷、乙烷、碳、一氧化碳、二氧化碳和氢气等。苯乙烯蒸气与空气能形成爆炸混合物,其爆炸范围为11601。它具有乙烯基烯烃的性质,反应性能极强,如氧化、还原、氯化等反应均可进行,并能与卤化氢发生加成反应。苯乙烯暴露于空气中,易被氧化成醛、酮类。苯乙烯易自聚生成聚苯乙烯(PS)树脂。也易与其它含双键的不饱和化合物共聚。苯乙烯最大用途是生产聚苯乙烯,另外苯乙烯与丁二烯、丙烯腈共聚,其共聚物可用以生产 ABS工程塑料;与丙烯腈共聚可得ABS树脂;与丁二烯共聚可生成丁苯乳胶或合成丁苯橡胶。同时,苯乙烯还广泛被用于制药、涂料、纺织等工业。例如:苯乙烯能自聚成苯乙烯树脂,它是一种很好的塑料,具有绝缘性,耐水性,又具有良好的透光性和成型性能。可用于制造高频绝缘材料,光学器材,日用品等,二战期间对合成橡胶的迫切需要促进了苯乙烯生产工艺和方法的不断改进及飞速发展,战后塑料工业和汽车工业的兴起又加速了苯乙烯的生产技术革新步伐。如今苯乙烯已经发展成石油化工领域的大吨位基本有机原料,它被用来合成各种合成树脂,不饱和聚脂树脂等,广泛应用于汽车制造,家用电器和玩具制造等工业部门。苯乙烯和丁二烯制成的橡胶大量用于轮胎制造和纺织造纸等,丁苯嵌段其聚物SBS热塑性弹性体,用于制造鞋等轻工,手工部门。上述这些产品都是与人类日常生活息息相关的,市场需要量也是十分巨大的。这是发展苯乙烯生产的根本原因,当前,世界上苯乙烯的生产能力已达到1177万吨/年,而中国的生产能力却只有40万吨/年。因此,中国很有必要发展苯乙烯生产工艺及技术。生产方法的选择工业生产苯乙烯的方法除传统乙苯脱氢的方法外,出现了乙苯和丙烯共氧化联产苯乙烯和环氧丙烷工艺、乙苯气相脱氢工艺等新的工业生产路线,同时积极探索以甲苯和裂解汽油等新的原料路线。迄今工业上乙苯直接脱氢法生产的苯乙烯占世界总生产能力的 90,依然是当前生产苯乙烯的主要方法,其次为乙苯和丙烯的共氧化法和催化脱氢法由于乙苯脱氢受平衡的限制需高温,并大量采用水蒸气,使生产成本增高,采用此方法为放热反应,可不受平衡限制,同时也降低了能耗。鉴于此方法技术上成熟权衡各种方法的利弊。本次设计采用了在负压操作条件下的乙苯脱氢制苯乙烯法。 工艺流程的确定1. 乙苯脱氢工段流程简述L-301使用液体和气体燃料,烃化焦油作为液体燃料,由于精馏B-207送来进入R-301燃料油罐,在此经过蛇管内的蒸汽加热后由B-301燃料油泵送至L-301火嘴处燃烧加热炉管,经过调节其流量来控制一段过热蒸汽出口温度,气体燃料是来自中冷的C2燃料经调节减压后,进入燃料气缸,燃料气靠自身压力去L-301火嘴燃烧。2. 精馏苯乙烯工段简述炉油自中仓油泵或脱氢工序B-301ab来,经H-402炉油预热分别与水蒸气换热至835,FRC-404控制流量进入H-403粗笨乙烯塔顶冷凝器与循环水换热,冷凝液流入R-401回流罐,未凝部分经H-404粗笨乙烯塔盐冷器进一步冷凝至R-401,不凝气至粗笨乙烯塔尾气真空系统,冷凝液由R-401流出至B-401粗笨乙烯塔回流泵,一部分打入F401塔顶采出成为T-403循环乙苯进料。3. 三废处理(1)化学污水的处理 化学污水是粗,精苯乙烯塔的真空系统和冷凝后的脱氢系统利用闪蒸的方式回收芳烃后,芳烃的含量在2100PPM一下,处理后的化学污水排放掉。(2)尾气的处理 脱氢尾气主要含氮气,水环压缩机后,直接并入燃料管网作燃料使用。4. 水电应用(1)水的应用工业水(一次性使用)用于接触反应,水洗,水解,机泵等工序,用后经处理排放。循环水(循环使用):主要用于冷凝冷却设备。软化水:用于流段内和废热锅炉。(2)电的应用主要用于机泵照明。5. 安全措施(1)L-301没有专用消防设备,由各火嘴入燃烧室,另外在炉底部访友蒸气防火圈。(2)设置专用消防器材,分布在脱氢装置危险点。(3)各放空线设有防火装置。(4)泵房内设有消防系统。(5)电气设备均采用防暴型。(6)压力系统没有安全阀。(7)设备管道建筑物根据不同情况,分别采用静电接地,工作接地和避雷接地。(8)泵房设有机械通风。主要操作条件确定及产品的技术规格乙苯脱氢反应需控制的主要操作参数及反应温度,压力,水蒸气用量和原料的烃空速。1. 反应温度反应温度高虽有利于脱氢反应和加快反应速度,提高烃转化率,但温度过高活化能比脱氢反应高的裂解等副反应速度加快更多,使选择性下降,同时由于温度过高产物聚合生焦的副反应也加快使催化剂失活速度加快,再生周期短。因此反应温度一般控制在600630。2. 操作压力 由于受到热力学因素的影响降低操作压力和减少系统压力降对脱氢反应有利最好在减压下操作,但减压操作对设备要求高,使设备费增加,故工业均在略高于常压下操作,为了尽可能采用低压操作系统压力降应尽可能小。3. 水蒸气和烃的用量比为了提高平衡转化率,用水蒸气作稀释剂,其作用降低了烃分压改进平衡达到较高转经过与催化剂表面的积炭发生水煤气反应达到清焦目的。维持了CAT活性,提供了反应所需热量,但用量大,虽对上述三方面都有利,但能耗大,适宜配气比为(g)/烃=2.64. 空速的影响 空速小,转化率高,但副反应的进行使选择性下降,催化剂表面的结焦量大,同时由于空速小,生产能力受到限制,但空速过大转化率小,未转化的原料回收,循环量大,能耗增大,故综合考虑。(四)工艺流程图(1)乙苯脱氢部分的工艺流程如下图所示(2)苯乙烯的分离与精制部分的工艺流程如下图所示一.物料衡算1.1乙苯蒸发器物料衡算F=(310733024)(106104)0.920.90.55=8477.652kg/h=79.978kmol/h 鉴于原料中含二乙苯很少,因此能够忽略 水蒸气S1=F0.38=3221.5078kg/h=178.973kmol/h 乙苯蒸发器的物料平衡表组成原料一次配气出料Kmol/hKmol/hKmol/h苯01630.0021000.1630.006甲苯0.3870.0048000.3870.0015乙苯78.4660.97970078.4660.3029苯乙烯1.0680.0133001.0680.0041二乙苯0.006微量000.006微量水蒸汽00178.9731178.9730.6908合计80.091.0000178.9731259.0631.00001.2乙苯过热器物料衡算 因为物料进入过热器没有变化,因此表同上1.3反应器物料衡算主反应:乙苯苯乙烯氢气生成苯乙烯量:78.46655%92%=39.704kmol/h副反应:乙苯苯乙烯生成苯和乙烯的量均为:78.46655%4.5%=1.942kmol/h乙苯甲苯甲烷生成甲烷,甲苯及消耗氢气量:78.46655%3.5%=1.511kmol/h水蒸气配入量:二次配入水蒸气量:S2=8477.6521.48/18=697.051kmol/h三次配入水蒸气量:S3=8477.6520.74/18=348.526kmol/h反应器物料衡算表组成二次配气进料三次配气出料Kmol/hKmol/hKmol/hKmol/h苯000.1630.0002002.1050.0016甲苯000.3870.0004001.8980.0014乙苯0078.4660.08210035.310.0262苯乙烯001.0680.00110040.7720.0303二乙苯000.006微量000.006微量水697.0511876.0240.9162348.52611224.550.9085氢气00000039.7040.0294甲烷0000001.5110.0011乙烯0000001.9420.0014合计697.0511956.1141.0000348.52611347.7981.00001.4循环水冷却器物料衡算循环水冷却器物料衡算表组成进料不凝气凝气Kmol/hKmol/hKmol/h苯2.1050.0016002.1050.0016甲苯1.8980.0014001.8980.0015乙苯35.310.02620035.310.0271苯乙烯40.7220.03030040.7220.0312二乙苯0.006微量000.006微量水1224.550.9085001224.550.9386氢气39.7040.029439.7040.920000甲烷1.5110.00111.5110.035000乙烯1.9420.00141.9420.045000合计13747.7981.000043.1571.00001304.5911.00001.5油水分离器物料衡算乙苯损失 3% 苯乙烯损失 3% (假设炉油中不再含水)油水分离器物料衡算表组成进料污水炉油Kmol/hKmol/hKmol/h苯2.1050.0016002.1050.0271甲苯1.8980.0015001.8980.0244乙苯35.310.02711.05930.000934.25070.4405苯乙烯40.7220.03121.22170.001039.50030.5080二乙苯0.006微量000.006微量水1224.550.93861224.550.998100合计1304.5911.00001226.8311.000077.761.00001.6粗苯乙烯塔物料衡算 由于各组分结构相似,因此有相似相溶原理,因此采用沸点差法将它们分离.由于苯乙烯易聚合,因此优先分出,进料中加TBC采用清晰分割法（1） 选轻关键组分为乙苯,此时乙苯收率为 99.9%,则塔顶乙苯含量:34.250799.9%=34.2164kmol/h塔底乙苯含量:34.25070.1%=0.0343kmol/h（2） 选重关键组分为苯乙烯,此时苯乙烯收率为 95.39%,则塔底苯乙烯含量:39.500395.39%=37.6793kmol/h塔顶苯乙烯含量:39.50034.61%=1.821kmol/h粗苯乙烯塔物料衡算表组成进料塔顶塔釜Kmol/hKmol/hKmol/h苯2.1050.02712.1050.052600甲苯1.8980.02441.8980.047400乙苯34.25070.440534.21640.85450.03430.0009苯乙烯39.50030.50801.8210.045537.67930.9989二乙苯0.006微量000.0060.0002合计77.761.000040.04041.000037.71961.00001.7精苯乙烯塔物料衡算（1） 选轻关键组分为苯乙烯,此时苯乙烯收率为 97.4%,则塔顶苯乙烯含量:37.679397.4%=36.6996kmol/h塔底苯乙烯含量:37.67932.6%=0.9797kmol/h（2） 选重关键组分为二乙苯,此时二乙苯收率为 100%也即:二乙苯全在塔底,塔顶没有二乙苯精苯乙烯塔物料衡算表组成进料塔顶塔釜Kmol/hKmol/hKmol/h乙苯0.03430.00090.03430.000900苯乙烯37.67930.998936.69960.99910.97970.9939二乙苯0.0060.0002000.0060.0061合计37.71961.000036.73391.00000.98571.00001.8循环乙苯塔物料衡算(1) 选轻关键组分为甲苯,此时甲苯收率为 91.01%,则塔顶甲苯含量:1.89891.01%=1.7274kmol/h塔底甲苯含量:1.8988.99%=0.1706kmol/h(2) 选重关键组分为乙苯,此时乙苯收率 99.82%塔顶乙苯含量:34.216499.82%=34.1548kmol/h塔底乙苯含量:34.21640.18%=0.0616kmol/h循环乙苯塔物料衡算表组成进料塔顶塔釜Kmol/hKmol/hKmol/h苯2.1050.05262.1050.540600甲苯1.8980.04741.72740.44360.17060.0047乙苯34.21640.85450.06160.015834.15480.9449苯乙烯1.8210.0455001.8210.0504合计40.04041.00003.8941.000036.14641.00001.9苯,甲苯塔分离塔物料衡算（1） 选轻关键组分为苯,此时苯的收率 95.43%塔顶苯含量:2.10595.43%=2.0088kmol/h塔底苯含量:2.1054.57%=0.0962kmol/h（2） 选重关键组分为甲苯,此时甲苯收率 95.21%塔顶甲苯含量:1.727495.21%=1.6447kmol/h塔底甲苯含量:1.72744.79%=0.0827kmol/h苯,甲苯塔物料衡算表组成进料塔顶塔釜Kmol/hKmol/hKmol/h苯2.1050.54062.00880.96050.09620.0534甲苯1.72740.44360.08270.03951.64470.9125乙苯0.06160.0158000.06160.0341合计3.8941.00002.09151.00001.80251.0000二.热量衡算衡算基准:（1） 基准温度:（2） 基准状态:气态（3） 各组分热量计算公式:Cp=a+bT+cT2+dT3 calmol2.1脱氢反应器的热量衡算配料气为H1,温度为500,二次配气为H2,温度为770,进入脱反映器的温度为630,三次配气为H3温度为770,接触气为H4,设H4的温度为580。 + =+ 定性温度=(630+580)/2=605 查化工工艺手册,三个反应在25时的反应热H298A=117.8KJ/mol 收率 92%H298B=105 KJ/mol 收率 4.5%H298C=54.5KJ/mol 收率 4.5% 组分abcd氢气6.4832.215E-3-3.298E-61.826E-9甲烷4.5981.245E-2-2.860E-6-2.703E-9乙烯0.9093.740E-2-1.994E-54.192E-9苯-8.1011.133E-1-7.206E-51.703E-8甲苯-5.8171.224E-1-6.605E-51.173E-8乙苯-10.2941.689E-1-1.149E-43.107E-8苯乙烯-6.7471.471E-1-9.609E-52.373E-8水7.7014.595E-42.521E-6-0.859E-9二乙苯-8.9372.071E-1-1.328E-43.370E-8 组分氢气甲烷乙烯苯甲苯乙苯苯乙烯Cp8787.12215.88521.21247.35358.67270.45464.394H898A=H298A+(Cp生成-Cp反应)5804.210-392%n =4.78 KJ/hH898A=H298B+(Cp生成-Cp反应)5804.210 -34.5% n =0.195 KJ/hH898A=H298C+(Cp生成-Cp反应)5804.210-33.5%n=-0.0935 KJ/h= + + =(4.78+0.195-0.0935)/4.2=1.16Kcal/hH=FiCpit(说明:以下各表计算中H的单位均为Kcal/h)脱氢反应器的热量衡算表组成配料气二次配气三次配气接触气Cp0-500CpiFiCp0-770CpiFiCp0-770CpiFiCp0-580CpiFi氢气7.067507.277107.277107.1058282.1366甲烷14.6832017.6272017.6272015.621223.6063乙烯19.8401022.9814022.9814020.904540.5965苯44.28807.218951.0045051.0045046.682198.2658甲苯54.749021.187969.3037069.3037057.811222.3729乙苯65.96655176.127476.1282076.1282069.45985450.1699苯乙烯60.505364.619769.0725069.0725063.54142590.7112水9.16581640.43079.94826934.40289.94823467.20649.394111503.545二乙苯87.36510.5242100.8390100.839092.00870.5221H3.971065.341062.671062.01104t根据脱氢反映器的热量平衡关系式+ =+ 求得:t=596校核: (t计-t设)/t设100%=(596580)/580100%=2.76%因为2.76%10%,假设与实际误差在允许范围内,因此假设正确。2.2乙苯过热器的热量衡算及选型(1).热量衡算进口原料气为, =150 出口配料气为, =500进口接触气为, =596 出口接触气为, 设=450乙苯过热器的热量衡算表组成进口配料气出口配料气进口接触气出口接触气Cp0-150CpiFiCp0-500CpiFiCp0-596CpiFiCp0-450CpiFi氢气6.968207.067207.0129278.44026.9841272.2967甲烷10.1713014.6832012.138018.337511.153716.8532乙烯13.4785019.8404016.543132.127614.875928.8889苯23.31833.800933.880665.522536.268873.081631.767866.8712甲苯29.273711.328941.809616.180344.722284.882739.387474.7573乙苯35.87772815.179651.05694006.230754.46981923.328648.00421695.0283苯乙烯33.807436.105947.297550.513750.33562052.28344.58561817.8441二乙苯48.47150.290867.87260.407292.29280.553864.03050.3842水8.13151455.22958.51021523.0968.625410562.2338.469810371.693H648290.4752800975.258955059.54914349.6175t+ =+t=474校核: (-)/100%=(474450)/450100%=5.33%因为5.33%10%,假设与实际误差在允许范围内,因此假设正确。(2).换热器的选型Q=KAtm Q= - =2800975.25-648290.475=2152684.775kcal/hK=21.24Kcal/m2h tm=(t1-t2)/lnt1/t2=187.44A=Q/Ktm=540.71m2查化工工艺手册选型:应采用三个 G800IV6200 型换热器串联2.3废热锅炉的热量衡算及选型(1).热量衡算进口接触气 =474, 出口接触气 =210水164(l)164(g)废热锅炉的热量衡算表组成进口接触气出口接触气Cp0-474CpiFiCp0-210CpiFi氢气6.9971277.81296.9472275.8316甲烷9.845014.87589.566114.4544乙烯15.352729.814912.367124.0169苯33.198269.882225.156152.9536甲苯40.983477.786531.452459.6967乙苯50.06101767.653938.51821360.0776苯乙烯46.42881892.995736.15451474.0913二乙苯66.61270.399751.84440.3111水8.477110380.632868.194210034.2076H6878618.6542792084.568(2).换热器的选型Q=KAtm Q=- =6878618.568=4086534.086kcal/hK=38.66Kcal/m2h tm=(t1-t2)/lnt1/t2=138.37A=Q/Ktm=763.93m2查化工工艺手册选型:应采用四个G800IV6200 型换热器串联2.4乙苯蒸发器的热量衡算及选型(1).热量衡算查得乙苯Tb=136.86 Hr汽化热=8518Kcal/molCp(l)=54.22cal/mol在60下,Cp(l)=47.13cal/mol在60136.186下,Cp=(47.13+54.22)/2=50.675cal/mol乙苯60(l) 136.186(l) 136.186(g) 150(g) =FiCpit =FiHr =FiCpit 水蒸气由164降至150放热H4 =FiCpit=50.67578.466(136.186-60)=302935.691kcal/h=78.4668518=668373.388kcal/h=43.07578.466(150-136.186)=46690.2556kcal/h=8.2128178.973(164-150)=20578.1724kcal/h原料气吸热量 = + - =997421.1622kcal/h 设接触气出口温度为137 乙苯蒸发器的热量衡算表组成进口接触气出口接触气Cp0-210CpiFiCp0-137CpiFi氢气6.9477275.85156.9253274.9621甲烷9.566814.45549.075713.7134乙烯12.367424.017511.498122.3293苯25.350153.362022.779847.9515甲苯31.450459.692928.662454.4012乙苯38.51821360.077635.09291239.1303苯乙烯36.15431474.083133.11421350.1332二乙苯51.84440.311147.48870.2849水8.188510027.22778.12039943.7134H2790706.54812946.6183t由 =- =得 t=139 校核:(139137)/137100%=1.46%因为1.46%10%,假设与实际误差在允许范围内,因此假设正确。(2).换热器的选型Q=KAtm Q=-=2790706.1622=1793285.386kcal/hK=160Kcal/m2h =(-)/ln/=69.57A=Q/K=182.63m2查化工工艺手册选型:应采用G800IV6200 型换热器2.5 水冷却器的热量衡算及选型(1).热量衡算水冷却器的热量衡算表组成Cp139-108CpiFi氢气6.9566276.2049甲烷9.815514.8312乙烯12.864624.9831苯26.555455.8991甲苯33.061962.7515乙苯40.54791431.7464苯乙烯37.95091547.3341二乙苯54.40110.3264水8.226110073.1483H418103.975(2).换热器的选型Q=KAtm Q=418103.975kcal/h