乙苯脱氢制苯乙烯脱氢工段工艺设计

乙苯脱氢制苯乙烯脱氢工段工艺设计摘要本设计是以年产5万吨苯乙烯为生产目标，采用乙苯脱氢制得苯乙烯的工艺方法，本文针对设计要求对整个工艺流程进行物料衡算，热量衡算，对整个工段进行工艺设计和设备选型。然后根据物料平衡分别对进出脱氢反应器和气提塔进行物料衡算。根据热力学定律对工艺中的第一预热器第二预热器，热交换器和反应器进行了能量衡算。对油水分离器，物料泵，热交换器理论上进行了尺寸计算及选择。为满足设计要求，达到所需要的工艺条件，本设计本着理论联系实际的精神，用现行的乙苯脱氢制取苯乙烯的方法为设计基础，主要对乙苯脱氢工段进行工艺设计和优化。关键词：乙苯脱氢苯乙烯物料衡算能量衡算工艺ABSTRACTThedesignisbasedonanannualoutputof50,000tonsofstyreneproductiontargetofdehydrogenationofethylbenzenetostyreneprocess,Processforthewholeprocessdesignandthemainequipmentselection.Basedonthedesignrequirementsoftheentireprocessofthematerialbalanceandenergybalance.Accordingtothematerialbalancewerecirculatingoil-waterseparator,materialpumps,heateexchangersanddreacters.Accordingtothelawsofthermodynamicstheenergybalanceoftheprocesspreheaterpreheaters,heatexchangersanddreactoroperator.Asfaraspossibletomeetthedesignrequirementstoachievetherequiredconditions.Keyword：ethylbenzene;styrene;materialbalance;energybalance;distillation;第一章文献综述1.1苯乙烯的性质及用途1.1.1苯乙烯的性质苯乙烯的分子式为C8H8分子量为104.14，化学结构式如下：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。熔点-30.6。C，沸点为1450C，凝固点－30.40C，相对密度（水的为1）0.91，闪点34.4oC。性质比较稳定，不可与阳光接触，难溶于水，能溶于甲醇、乙酸及乙醚等醇醚等多数有机溶剂。苯乙烯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1．1％～6．01％。苯乙烯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。也易与其他含双键的不饱和化合物共聚[1,2]。1.1.2苯乙烯的用途苯乙烯是一种重要的基本有机化工原料，主要用于生产聚苯乙烯和共聚树脂、离子交换树脂不饱和聚酯以及苯乙烯系热塑性弹性体SBS等和其他树脂的生产，此外还可用于纺织，制药和涂料，农药及选矿等工业。其应用广泛，本设计采用乙苯脱氢生产苯乙烯，具有较好的生产效益和经济效益。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AS树脂；与丁二烯共聚可生成丁苯乳胶或合成丁苯橡胶。此外，苯乙烯还广泛被用于制药、涂料、纺织等工业[1,2]。1.2苯乙烯生产方法1.2.1常见的生产方法目前，世界上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％，仍然是目前生产苯乙烯的主要方法。它又包括乙苯催化脱氢和乙苯氧化脱氢两种生产工艺，乙苯催化脱氢是工业上生产苯乙烯的传统工艺[3,4]。工业上,乙苯脱氢反应除采用低压或负压外,还采用惰性气体作稀释剂来降低烃的分压,以提高平衡转化率。常用的稀积剂是水蒸气,它不仅提高了乙苯脱氢反应的平衡—CH=CH2—CH=CH2转化率,还可消除催化剂表面的碳。有时也用作载热体,供给乙苯脱氢所需的热量。脱氢反应器是乙苯脱氢工艺的核心,整个工艺是围绕它来展开的.1.2.2乙苯脱氢制苯乙烯的工艺原理以乙苯为原料，按1:3～1:8水比加入过热水蒸汽，在轴径向反应器内，高温、负压条件下，催化剂床层进行乙苯脱氢反应，生成苯乙烯主产品，副反应生成苯、甲苯、甲烷、乙烷、氢气和二氧化碳。主反应：C6H5CH2CH3→C6H5CHCH2＋H2这是一个强吸热可逆增分子反应。副反应是热裂解、氢化裂解和蒸汽裂解反应：C6H5CH2CH3→C6H6＋C2H4C6H5CH2CH3＋H2→C6H5CH3＋CH4C6H5CH2CH3＋H2→C6H6＋C2H6C＋2H2O→2H2＋CO2C2H4＋2H2O→2CO＋4H2水蒸汽变换反应：CO＋H2O→H2＋CO2在水蒸汽浓度很高时，生成苯、甲苯的反应式可能被下列反应所代替：C6H5CH2CH3＋2H2O→C6H5CH3＋CO2＋3H2C6H5CH2CH3＋2H2O→C6H6＋CH4＋CO2＋2H2在乙苯脱氢反应中，原料乙苯中的化学杂质也发生反应，生成物还会进一步发反应，为此，最终生成物中还含有另一些副产物，如二甲苯、异丙苯、焦油等[3,4]。1.3国内外生产和发展现状目前，世界上生产苯乙烯的方法主要有环氧丙烷—苯乙烯联产法、热解汽油抽提蒸馏回收法，乙苯脱氢法以及丁二烯合成法等。乙苯脱氢法是目前国内外生产苯乙烯的主要方法，有乙苯催化脱氢和乙苯氧化脱氢两种生产工艺，乙苯催化脱氢是工业上生产苯乙烯的传统工艺。2000年，世界上共生产苯乙烯2930万吨/年，其中美国600万吨/年，中国55万吨/年。由于PS和ABS树脂等下游产品消费的强劲拉动，近年来世界苯乙烯的生产发展很快。世界苯乙烯的消费构成为：聚苯乙烯是苯乙烯最大的下游衍生物，气消费量约占总消费量的63.2%。苯乙烯需求的巨大缺口和持续强劲增长态势，是我国苯乙烯生产不断扩大的原动力。我国苯乙烯的工业生产始于20世纪50年代中期，自兰州石油化工公司合成橡胶厂采用传统的三氯化铝液相烷基化工艺，建成一套5000吨／年苯乙烯生产装置以来，我国苯乙烯的生产得到了飞速发展。2003年我国苯乙烯的生产厂家有12家，总生产能力达到105万吨，其中有8套为引进生产装置，生产能力合计为72.9万吨／年，约占国内苯乙烯总生产能力的69.4％。扬子巴斯夫苯乙烯系列有限公司的14.5万吨／年装置是目前国内最大的苯乙烯生产装置，生产能力约占国内苯乙烯总生产能力的13.8％；其次是吉林石化公司，生产能力为14.0万吨，约占国内总生产能力的13.3％。随着我国苯乙烯生产能力的不断增加，产量也不断增加。1995年我国苯乙烯的产量只有2558万吨，1998年增至56.30万吨，2000年增加到76.38万吨，1995-2000年产量的年均增长率达到24.5％。2002年我国苯乙烯的产量进一步增加到89.56万吨，比2001年增长13.8％，1997-2005年产量的年均增长率为18.5％。2003年我国苯乙烯产量达到94.82万吨，比2002年增长5.87％，其中中国石化集团公司的产量为45.20万吨，约占总产量的47.67％；中国石油天然气集团公司的产量为37.89万吨，约占总产量的39.96％。中国石油吉林石化公司的产量最大，达至15.98万吨，约占我国苯乙烯总产量的16.85％，位居全国第一；其次是扬予巴斯夫苯乙烯系列有限公司，产量达至2.34万吨，约占国内总产量的13.01％；再次是中石化茂名石化公司，产量达10.7万吨，约占国内总产量的10.97％[5-7]。第二章工艺流程设计2.1乙苯脱氢制苯乙烯工艺乙苯脱氢工艺主要分为烃化工段，乙苯精馏工段，乙苯脱氢工段和苯乙烯精馏工段，以下分别进行简述。2.1.1烃化工段来自中间仓库的干苯和来自乙烯车间的乙烯和苯以0.4-0.5:1的配比，从塔底送入反应器。同时，将配好的催化剂溶液经复合体加料泵加入反应器，在此反应器内进行烷基化反应。反应产物自烃化反应器上部各自流至冷却器，冷却650C后进行烃化液沉降槽沉降分离，分离出的Alc13络合物自槽底部返回烃化反应器底部，上层烃化液自流至水解塔。没反应的乙烯气体和苯蒸汽等从烃化反应器顶部出来经冷却器用循环水使大部分蒸汽冷凝后进入尾气吸收塔，用二乙苯吸收未凝蒸汽和HCl气后，未凝气放空，二乙苯吸收液反烃化，烃化液自上部直接流至中间仓库烃化液罐中。2.1.2乙苯精馏工段1．干燥苯塔[8,9]来自中间仓库原料苯罐经原料泵送来的含水900ppm的原料苯，进入回流罐油相区；来自循环苯塔的含水量2500ppm的循环苯，与苯干燥塔顶蒸出的经过冷凝的苯冷却后进入回流罐分相区．塔顶气相温度810C经预热器与进料换热器后，进入冷凝器用循环水冷凝，冷凝后循环苯塔回流泵送来的循环苯一起进入冷却器用循环水冷却器用循环水冷却后进入回流罐分层区，上层脱水苯溢流至油相区，下层水相从集水包间断排入管线塔釜为干燥苯，采出送至中间仓库干燥苯罐。2．循环苯塔来自中间仓库的烃化液进入循环苯塔加料区．塔顶气相馏分冷凝回流后冷却进入苯干燥塔回流罐分层区。塔釜液(主要是乙苯和二乙苯)用釜液泵送至乙苯塔。3．精乙苯塔由循环苯塔釜液泵送出的釜液，进入精乙苯塔加料层，塔顶气相馏分乙苯经冷凝回流采出至精乙苯塔，塔釜液送至二乙苯塔。4．二乙苯塔来自精乙苯塔釜液的料液根据不同组成进入二乙苯塔不同进料板．塔顶得二乙苯，塔釜得到多乙苯。2.1.3乙苯脱氢来自中间仓库乙苯泵送来的乙苯与管网来的蒸汽进入乙苯蒸发器，乙苯与蒸汽量比为1：1.4，经过过热器壳程与脱氢反应器出来的6500C烟气过热至5800C后，配料气进入脱氢反应器进行脱氢反应．反应产物经空冷，水冷，盐冷后进入沉降槽，分离后加入阻聚剂阻止聚合，然后进入粗苯乙烯塔。2.1.4苯乙烯精馏工段1．粗苯乙烯塔炉油自中间仓库送来，进入粗苯乙烯塔由再沸器加热精馏，塔顶产物苯，甲苯，乙苯轻组分进入循环乙苯塔的底部产物苯乙烯和苯乙烯焦油。2．精苯乙烯塔精苯乙烯塔加料为粗苯乙烯塔经过冷却后的釜液，由再沸器加热进行精馏。塔顶产品苯乙烯，纯度99.6(重量)，塔釜苯乙烯焦油(废渣之一)。3．循环乙苯塔粗笨乙烯塔塔顶馏分由回流泵送出，经循环乙苯塔进料预热器，用循环乙苯塔釜液进行预热后，进入循环乙苯塔，由再沸器用1．6MPa蒸汽加热精馏，塔顶苯，甲苯馏分，送至中间仓库苯，甲苯罐。塔釜即循环乙苯，进入循环乙苯塔冷却器，送到中间仓库循环乙苯罐[9]。2.2工艺影响因素分析本设计用现行的乙苯脱氢制取苯乙烯的方法为设计基础，主要对乙苯脱氢工段进行工艺设计和优化。影响脱氢反应的因素主要有：反应温度、反应压力和水蒸汽/乙苯比（简称水比）。此外，该反应还受到反应物通过催化剂床层的液体体积时空速度（LHSV）、催化剂性能、原料乙苯中含杂质情况等影响。2.2.1水蒸汽/乙苯比（水比）在恒定的反应温度和压力下，较高的水比可使乙苯转化率提高。因为，蒸汽降低了反应组分的分压，达到类似于降低反应压力的效果。水蒸汽可与催化剂上生成的碳发生反应，起到减少催化剂表面结焦的作用；水蒸汽还可防止催化剂的活性组份还原为金属，有利于延长催化剂寿命。在相同的乙苯液体空速和反应压力下，随着水比的降低，为维持一定的苯乙烯单程收率，就需要升高反应温度，炉油中副产苯和甲苯明显增加乙烯选择性下降。尽管加入水蒸汽有许多好处，但水蒸汽加入量受到反应系统允许压力降和能耗二个因素的制约。由于高温过热水蒸汽的比容很大，过多加入水蒸汽必增大反应物流的体积流量，