年产8万吨异丙苯生产设计

第1章总论1.1项目概况本项目是8万吨/年异丙苯生产设计，利用苯和工业级丙烯（含少量丙烷）为原料，生产异丙苯并副产部分二异丙苯。反应设计在固定床列管式反应器内进行，经普通精馏分离技术进行产物分离，得到高纯度的异丙苯，并对过量的苯加以循环利用，以扩大经济效益。本项目最大程度地利用了原料，提高了产品纯度，符合国家的产业、能源和环境保护的政策。1.2设计依据（1）化工工程设计相关规定（2）国家经济、建筑、环保等相关政策1.3设计原则本项目本着节约原料和能源、保护环境的前提，生产符合要求的产品并尽可能减少副反应的原则来进行设计，符合国家化工生产的政策。1.4设计内容1.4.1基础条件1、原料及其组成（均为mol%）：（1）工业级丙烯：纯度≥95%，丙烷≤5%；（2）苯：纯度≥99.5%，苯/丙烯=7:1。2、产品及其规格：异丙苯，纯度≥99.5%（m%）。3、建议工艺条件：采用UOP法，以磷酸或分子筛作催化剂。产物主要考虑异丙苯和二异丙苯。原料中89％的丙烯反应生成异丙苯，3％的丙烯生成二异丙苯。4、公用工程：（1）热剂用蒸汽：根据生产需要选用不同压力级别的蒸汽。（2）冷剂用循环冷却水：上水温度可取25℃。1.4.2设计内容1、查阅文献，了解设计内容，确定设计基础数据，完成文献综述；2、生产方案确定及工艺流程设计，绘制工艺原则流程图；3、主要设备及全装置的物料衡算，列出物料平衡表等表格，绘制PFD；4、主要设备及全装置的热量衡算（包括热负荷及传热剂用量的计算），列出热量平衡表等表格；5、主要设备的工艺计算与选型，列出各类设备规格表及设备一览表；6、确定自控方案，绘制工艺管道及仪表流程图（PID）；7、进行车间及设备布置设计，绘制车间平面布置图及设备平、立面布置图；8、设计总结，编写初步设计说明书。1.5建设规模及产品方案本厂以苯和聚合级丙烯为原料，采用UOP法利用固体磷酸为催化剂生产异丙苯[1]，年产量为8万吨。生产出的异丙苯是一种重要的有机化工原料,主要用来生产用途广泛的苯酚和丙酮[2]。近年来，异丙苯的需求量大幅度增加，本项目可以极大地满足异丙苯的需求量，为社会创造更多的经济效益。1.6厂址选择本项目厂址应位于交通便利，各项设施配套完善的工业园区，园区应有合理的布局，齐全的功能，优美的投资环境；园区内产业链优势明显，化工工业之间有良好的联系，如有生产苯或者丙烯等产品的化工厂以及以异丙苯为原料生产其它产品的化工厂等；另外，附近有为工业园区提供科研条件的高校或者研究院等；政府也为人才的引进以及项目的发展提供有力的政策[3]。1.7能量利用及环境保护本项目非常注重能量的综合利用以及环境的保护。在生产过程中，工艺物流之间相互换热，节约大量的冷凝水以及低压蒸汽等公用工程，这在一定程度上节约了电能；反应过程中，排出的气体作为燃料气；从苯塔蒸出的苯作为循环物料；这些都不但节约了成本，也节约了能量，保护了环境；另外，在厂区内绿化工作做得比较好，大大改善了厂区的环境。1.8存在问题及建议1.8.1存在问题在本项目的设计过程中，存在的问题如下：（1）软件的运用能力不够成熟。提到设计，除了正确的设计思路，软件肯定是重中之重。在设计过程中，需要运用大量的设计软件，比如AspenPlus,Cup-tower以及换热网络模拟软件等等。平时大家对这些软件并不熟悉，在设计过程中，边学软件边进行设计，在一定程度上锻炼了我们的学习能力，但在很大程度上减慢了设计的进度，造成时间的浪费。（2）参考文献的短缺。设计过程需要查阅大量的文献，或许是我们查阅文献的能力不够，总感觉“书到用时方恨少”。这学期我们并没有上过文献查阅课程，可能会存在这方面能力的欠缺。1.8.2建议（1）建议学校会在做设计之前的时间在软件方面和文献方面有相关的课程或者训练，这样可以节约时间，更能保证作品质量。（3）学生自身也应该注意在各方面提高自己，不要只注重专业课程的卷面成绩。参考文献：[1]张佩君.合成异丙苯生产现状及技术进展[J].石化技术，2005，12（2）；62-65，68[2]有机化工工艺学（第四版）[3]“三井杯”海之涯团队作品之厂址选择原则。第2章工艺流程设计2.1生产方案选择2.1.1产品性质及规格标准（1）原料及其组成（均为mol%）：工业级丙烯：纯度≥95%，丙烷≤5%；苯：纯度≥99.5%，苯/丙烯=5.2:1。（2）产品：异丙苯，纯度≥99.5%（m%）2.1.2原料路线确定原则和依据在化工设计过程中选择技术路线和工艺流程时，必须综合考虑以下三项原则以保证“技术上先进，经济上合理[1]”：1.先进性。先进性是指在化工设计过程中技术上的先进程度和经济上的合理可行。先进性的评价包括基建评价、生产成本、消耗定额以及劳动生产率等方面。实际生产中，选择的生产方法应达到物料耗损较小、物料循环量较少并易于回收利用、能量消耗较少和有利于环境保护等要求。2.可靠性。可靠性主要是指所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。另外，还要考虑原料供给的可靠性，对于一个建设项目，必须保证在其服务期限内有足够的、稳定的原料来源。3.合理性。合理性是指在进行化工厂设计时，应该结合我国的国情，从实际情况出发，考虑各种问题，即宏观上的合理性。2.1.3工艺技术方案比较和选择理由2.1.3.1异丙苯的生产技术概述（1）异丙苯传统生产技术异丙苯的传统生产技术主要有固体磷酸（SPA）法和三氯化铝法两种[2]。固体磷酸法由UOP公司首先开发成功并实现工业化生产，凯洛格（Kellogg）工程公司对该生产工艺流程进行了改进和完善。该工艺以硅藻土负载固体磷酸为催化剂，采用固定床反应器，苯和丙烯进行液相反应得到异丙苯和少量的多异丙苯。反应条件为：反应温度180-230℃，反应压力3.0-4.1MPa，苯与丙烯的摩尔比为5-7：1，质量空速为1-2h-1，为保持催化剂的反应活性，需要向反应器中连续注入少量水。催化剂分层装填，丙烯分段注入。该工艺流程简单，腐蚀性相对较小，但催化剂无烷基转移功能，所得产品质量较差，苯的回收率相对较低，只有94.7%-96.0%。三氯化铝法主要有美国科学设计公司（SD公司）开发的SD工艺和日本Monsanto公司开发的Monsanto工艺2种工艺[3]。SD工艺采用以三氯化铝为主催化剂，HCl、氯乙烷等为助催化剂。该催化剂既可催化烷基化反应，又可催化烷基转移反应。该工艺催化剂活性高，反应条件温和，苯收率可以达到约96%，但工艺流程长，设备腐蚀严重，物耗、能耗较高，排放的污水量大。Monsanto工艺是对SD工艺的一种改进。该工艺采用三氯化铝络合物为催化剂，能溶解在苯中形成均相体系，反应在均相中进行，更有利于异丙苯的生成。与SD工艺相比，该工艺所使用催化剂的消耗量减少约80%，副产物（如丁苯等）生成量少，但工艺流程依然很长，腐蚀和污染问题仍没有得到很好的解决。由于固体磷酸法和三氯化铝法都存在难以彻底解决的设备腐蚀和环境污染问题，因此自20世纪60年代以来，世界各大公司开始转向开发无腐蚀、无污染的以沸石分子筛催化剂为基础的新型催化生产异丙苯新技术。沸石分子筛催化剂可以再生，没有固体磷酸和三氯化铝工艺废物废液的排出问题，同时可提高苯制异丙苯的选择性、纯度和收率。异丙苯纯度可以达到99.97%以上，收率为99.7%，每100g多异丙苯的重组分低于0.2kg。目前，采用沸石分子筛催化剂的工艺技术主要有：Dow/Kellog工艺、Polimeri工艺、UOP工艺、EniChem工艺、Mobil/Badger工艺以及CDTech工艺等。（2）UOP法生产异丙苯技术UOP公司于20世纪80年代以超稳γ-沸石（USY）开发了第一代异丙苯液相烷基化催化剂[4,5]。90年代开发了以苯和炼厂级或化学级丙烯为原料的液相固定床多段进料的“Q-Max工艺”技术。该工艺采用MgAPSO-31沸石催化剂（牌号为QZ-2000），该催化剂孔体积大小适中，具有特殊的三维孔结构，再生性能良好，使用周期为18个月，总寿命超过5年，可以完全再生，各催化剂床层采用相同的催化剂，可同时用于烷基化和烷基转移反应，无专门的烷基化和烷基转移催化剂之分。采用Q-Max工艺投资和操作费用均较低，产品异丙苯中芳烃含量、溴价指数均低于固体磷酸传统工艺，采用固体磷酸催化剂的异丙苯装置仅需要稍加改造就可以。异丙苯产品纯度的质量分数可以达到99.96%-99.97%，收率接近化学计量值99.7%。Q-Max工艺技术于1996年8月首次实现工业化生产。美国JLM化学公司采用Q-Max工艺投运了一套6.6万吨/年异丙苯生产装置。雪佛龙公司采用Q-Max工艺改造了其在美国得克萨斯州阿瑟港（PortArthur）的固体磷酸法异丙苯生产装置，使生产能力由原来的22.7万吨/年扩增到45.4万吨/年。陶氏化学公司也采用该工艺对荷兰特纽赞地区的固体磷酸法异丙本苯生产装置进行了改造。1999年，我国上海高桥石化公司投运的12万吨/年苯酚/丙酮装置中异丙苯生产单元也采用了“Q-Max”工艺，氧化精馏采用凯洛格技术。UOP法典型的工艺流程包括烷基化反应器、脱丙烷塔、烷基转移反应器、苯塔、异丙苯塔和二异丙苯塔。该工艺的烷基化采用固定床反应器，催化剂分层装填，新鲜的苯和循环苯加入反应器，丙烯分段注入，完全转化。产品质量分数可达99.7%，收率接近化学计量值99.7%。丙烯原料纯度可以是炼厂丙烯级(摩尔分数65%一80%)、化学级和聚合级。催化剂对普通进料杂质(如水、硫、二氧杂环乙烷和肿等)不敏感。此后，该公司又推出了商品名为QZ2000的催化剂。采用该催化剂，允许低苯量循环操作，新建及老装置改造投资和操作费用均较低。2.1.3.2异丙苯生产技术方案的选择通过上面的比较我们可以看出：生产异丙苯具有很大的优越性。此外，分子筛催化剂又比固体磷酸催化剂具有很大的优越性，因此采用分子筛催化剂用于UOP法生产异丙苯是未来发展之趋势。但是分子筛催化剂在现阶段实际应用中还不是特别的广泛，所以我们还是依照常规选用固体磷酸催化剂。因此最终我们确定采用UOP法固体磷酸做催化剂的生产技术方案路线。2.1.4操作条件的确定UOP法生产异丙苯是气固相反应，即催化剂为固相——固体磷酸催化剂，原料为气相，因此苯和丙烯在进反应器之前需要经过加热炉加热气化。在反应过程中，虽然低温有利于异丙苯的选择性，但是低温条件下催化剂的活性低，不于苯的转化率。高温虽然有利于苯的转化率和反应速率，但是会加剧副反应的发生，同时增加能耗。苯过量对反应的转化率有利，但增加了后续分离成本。因此，在反应过程中我们需要综合各方面的因素来确定合适的反应条件。通常我们主要优化反应器大小和苯的循环量这两个参数，来达到高转换率、高选择性及工艺经济性。对于反应器，其体积越大，达到相同转化率时所需要的温度就越低，因此可以节省能耗和降低二次反应的发生，但是增大了设备费用。2.2工艺流程设计2.2.1反应原理苯与丙烯烷基化合成异丙苯是典型的付克反应属正碳离子机理。在催化剂作用下,其反应机理是:苯与丙烯烷基化,首先生成异丙苯。在质子酸催化作用下,丙烯被活化成异丙基正碳离子,生成的异丙基正碳离子进攻苯环形成σ-络合物,再经质子离去完成该烷基化反应过程[6]。沸石作为固体酸催化剂,能催化种类繁多的烃化反应。另外,沸石具有接近分子直径的均匀孔道系统,该孔道系统可以选择地允许小于孔道直径的反应物分子或产物分子进出沸石内部,在沸石上由于孔道的限制作用,不易生成多异丙基苯。因此,沸石分子筛催化剂具有很高的苯烷基化生成异丙苯的选择性和很低的烯烃歧聚反应特性。本设计采用UOP法生产异丙苯的工艺，采用固体磷酸做催化剂。主反应：7366666343HCHCHCHCPOH副反应：369121218CHCHCH（少量）这个反应同时伴有副反应，副反应虽然反应的量很少，但是还是很影响异丙苯产物的收率。物性数据和反应方程式如下表2-1所示：表2-1反应系统中组分的物性参数组分分子量沸点（℃）标准生成含kcal/mol苯78.113680.0930.9544282丙烯