1、第1章引言1.1 苯乙烯的性質(zhì)和用途苯乙烯,分子式C8H8,結(jié)構(gòu)式C6H5cHCH2,是不飽和芳姓最簡單、最重要的成員,廣泛用作生產(chǎn)塑料和合成橡膠的原料.如結(jié)晶型苯乙烯、橡膠改性抗沖聚苯乙烯、丙烯月青-丁二烯-苯乙烯三聚體ABS、苯乙烯-丙烯月青共聚體SAN、苯乙烯-順丁烯二酸酊共聚體SMA和丁苯橡膠SBR.苯乙烯SM是含有飽和側(cè)鏈的一種簡單芳姓,是根本有機化工的重要產(chǎn)品之一.苯乙烯為無色透明液體,常溫下具有辛辣香味,易燃.苯乙烯難溶于水,25c時其溶解度為0.066%.苯乙烯溶于甲醇、乙醇、乙醴等溶劑中.苯乙烯在空氣中允許濃度為0.1ml/L.濃度過高、接觸時間過長那么對人體有一定的危害.苯

2、乙烯在高溫下容易裂解和燃燒.苯乙烯蒸汽與空氣混合能形成爆炸性混合物,其爆炸范圍為1.16.01%體積分?jǐn)?shù).苯乙烯SM具有乙烯基烯姓的性質(zhì),反響性能極強,苯乙烯暴露于空氣中,易被氧化而成為醛及酮類.苯乙烯從結(jié)構(gòu)上看是不對稱取代物,乙烯基因帶有極性而易于聚合.在高于100c時即進行聚合,甚至在室溫下也可產(chǎn)生緩慢的聚合.因此,苯乙烯單體在貯存和運輸中都必須參加阻聚劑,并注意用惰性氣體密封,不使其與空氣接觸.苯乙烯SM是合成高分子工業(yè)的重要單體,它不但能自聚為聚苯乙烯樹脂,也易與丙烯月青共聚為AS塑料,與丁二烯共聚為丁苯橡膠,與丁二烯、丙烯月青共聚為ABS塑料,還能與順丁烯二酸酊、乙二醇、鄰苯二甲酸酊

3、等共聚成聚酯樹脂等.由苯乙烯共聚的塑料可加工成為各種日常生活用品和工程塑料,用途極為廣泛.目前,其生產(chǎn)總量的三分之二用于生產(chǎn)聚苯乙烯,三分之一用于生產(chǎn)各種塑料和橡膠.世界苯乙烯生產(chǎn)水平在1996年已達1900萬噸,目前全世界苯乙烯產(chǎn)能約為21502250萬噸.1.2 原料的主要性質(zhì)與用途1.2.1 乙苯的主要性質(zhì)乙苯是無色液體,具有芳香氣味,可溶于乙醇、苯、四氯化碳和乙醴,幾乎不溶于水,易燃易爆,對皮膚、眼睛、粘膜有刺激性,在空氣中最大允許濃度為100PPIM乙苯側(cè)鏈易被氧化,氧化產(chǎn)物隨氧化劑的強弱及反響條件的不同而異.在強氧化劑如高銳酸鉀或催化劑作用下,用空氣或氧氣氧化,生成苯甲酸；假設(shè)用緩

4、和氧化劑或溫和的反響條件氧化,那么生成苯乙酮.表1.1乙苯的其它性質(zhì)序號常數(shù)名稱計量單位常數(shù)值備注1分子量106.162液體比重0.8820C3沸點C136.2101325Pa4熔點C-94.4101325Pa5液體熱容量kJ/(kgK)1.754298.15K6蒸汽熱容量Kcal/(kgK)0.28527c7蒸發(fā)熱kJ/mol35.59正常沸點下8液體粘度104kgSee/M20.67920C9生成熱Kcal/mol2.9820C10在水中溶解度11燃燒熱Kcal/mol1101.1氣體12閃點C1513自然點C553.014爆炸范圍%體積2.37.41.2.2乙苯的主要用途乙年L個重要日勺

5、中間體,主要用來生產(chǎn)朱乙烯,其次用作溶劑、稀釋劑以及用于生產(chǎn)二乙苯、苯乙酮、乙基慈釀等；同時它又是制藥工業(yè)的主要原料1.3 本乙烯常見生產(chǎn)方法1.3.1 環(huán)球化學(xué)/魯姆斯法以乙苯為原料,采用脫氫反響器,由開始的單級軸向反響器,中間經(jīng)歷開發(fā)了雙級軸向反響器到雙徑向反響器再到雙級徑向反響器的各種組合優(yōu)化的多種反響器；反響器的操作壓力由開始的正壓開展到今天的負(fù)壓；汽油比有開始的2.5:1開展到今天1.3:1;蒸汽消耗由開始的10kg/kgSM開展到今天的4kg/kgSMUOBLummuS勺ClassicSMa程中乙苯脫氫工藝裝置主要有蒸汽過熱爐、絕熱型反響器、熱回收器、氣體壓縮機和乙苯/苯乙烯別離塔

6、.過熱爐將蒸汽過熱至800c而作為熱引入反響器.乙苯脫氫的工藝操作條件為550650C,常壓或減壓,蒸汽/乙苯質(zhì)量比為1.02.5.圖1.1UOP/LummuSClassicSM工藝流程乙覃X乙嶂分塔UOP/Lummus!勺“SMARTSM工藝是在ClassicSM工藝根底上開展的一項新工藝,即在工藝ClassicSM工藝的脫氫反響中引入了局部氧化技術(shù).可提升乙苯單程轉(zhuǎn)化率達80犯上.“SMART技術(shù)的優(yōu)點在于,通過提升乙苯轉(zhuǎn)化率,減少了未轉(zhuǎn)化乙苯的循環(huán)返回量,使裝置生產(chǎn)水平提升,減少了別離局部的能耗和單耗；以氫氧化的熱量取代中間換熱,節(jié)約了能量；甲苯的生成需要氫,移除氫后減少了副反響的發(fā)生；

7、采用氧化中間加熱,由反響物流或熱泵回收潛熱,提升了能量效率,降低了動力費用,因而經(jīng)濟性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝.該技術(shù)可用于原生產(chǎn)裝置改造,改造容易且費用較低.目前采用“SMART工藝SM裝置有3套在運行留塔乙莘塔幡埼塔圖1.2Lummus的SMAR億果脫氫工藝流程圖表1.1"SMART與Classic比擬Classic“SMART-苯乙烯選擇性/%95.695.6乙苯轉(zhuǎn)化率/%69.885水比1.71.3蒸汽/苯乙烯/t/t2.31.3燃燒油/苯乙烯/kg/t114.069.01.3.2 Fina/Badger法Badger工藝采用絕熱脫氫,蒸汽提供脫氫需要的熱量并降低進料中乙苯的分壓和抑

8、制結(jié)焦.蒸汽過熱至800900C,與預(yù)熱的乙苯混合再通過催化劑,反響溫度為650C,壓力為負(fù)壓,蒸汽/乙苯比為1.5%2.2%找熊需汽爐送/出出葦乙,閃蔡圖1.3Fina/Badger法乙苯脫氫工藝生產(chǎn)流程示意圖1.3.3 巴斯夫法巴斯夫法工藝特點是用煙道氣加熱的方法提供反響熱,這是與絕熱反響的最大不同.其流程如下列圖所示：出口氣體同收585V催化劑630T：埴道氣圖1.4巴斯夫法工藝流程示意圖1.3.4 Halcon法Halcon法又稱POSM聯(lián)產(chǎn)法.Halcon法公司開發(fā),于1973年在西班牙實現(xiàn)工業(yè)化.反響過程中乙苯在液相反響器中用氧化成過氧化物,反響條件為壓力0.35MPa,溫度141

9、C,停留時間4h,生成的乙苯過氧化物經(jīng)提濃度到17淅,進入環(huán)氧化工序.環(huán)氧化溫度為110C、壓力為4.05MP3環(huán)氧化反響液經(jīng)蒸儲得環(huán)氧丙烷.環(huán)氧化另一產(chǎn)物甲基甲醇在260C、常壓下脫水得苯乙烯.反響流程如圖4所示.1-過氧化塔；2-提液塔；3-環(huán)氧化塔；4,5-別離塔；6-環(huán)氧丙烷提濃塔;7-甲基節(jié)酯脫水塔；8-苯乙烯提濃塔；9-苯乙酮加氫器圖1.5Halcon法工藝流程示意圖1.3.5 裂解汽油萃取別離法日本日本東麗公司開發(fā)了Stex法裂解汽油萃取別離苯乙烯技術(shù),同時還開發(fā)了專用萃取劑,可別離出純度大于99.7%的苯乙烯,同時可生產(chǎn)對二甲苯,并降低裂解汽油加氫負(fù)荷,生產(chǎn)本錢僅為乙苯脫氫法的

10、一半.1.3.6 環(huán)氧丙烷聯(lián)產(chǎn)法環(huán)氧烷聯(lián)產(chǎn)法是先將乙苯氧化成乙苯氫過氧化物,再使之在MoW催化劑存在下與丙烯反響生成環(huán)氧丙烷和-苯乙醇,后者脫水可得到苯乙烯.其優(yōu)點是克服了AlCl3法有污染、腐蝕和需要氯資源的特點；缺點是流程長、投資大,對原料質(zhì)量要求較高,操作條件嚴(yán)格,聯(lián)產(chǎn)品多,每噸苯乙烯聯(lián)產(chǎn)0.45t左右的環(huán)氧丙烷,因此不適宜建中小型裝置.目前世界上擁有該技術(shù)的有阿爾科化學(xué)、殼牌和德士古化學(xué).第2章生產(chǎn)工藝說明2.1 本工藝設(shè)計說明2.1.1 生產(chǎn)任務(wù)年產(chǎn)32000噸精苯乙烯,純度?99.6%.2.1.2 生產(chǎn)方法采用低活性、高選擇性催化劑,參照魯姆斯Lummus公司生產(chǎn)苯乙烯的技術(shù),以乙

11、苯脫氫法生產(chǎn)苯乙烯.魯姆斯Lummus計司經(jīng)典苯乙烯單體生產(chǎn)工藝技術(shù)是深度減壓,絕熱乙苯脫氫工藝.魯姆斯UOBLummuS經(jīng)典苯乙烯單體生產(chǎn)工藝是全世界生產(chǎn)苯乙烯SM單體中最成熟和有效的技術(shù),自1970年實現(xiàn)工業(yè)化以來,目前大約有55套裝置在運轉(zhuǎn).乙苯EB脫氫是在蒸汽存在下,利用蒸汽來使并維持催化劑處于適當(dāng)?shù)难趸癄顟B(tài).蒸汽既加熱反響進料、減少吸熱反響的溫度降,同時蒸汽也降低產(chǎn)品的分壓使反響平衡向著苯乙烯SM方向進行,且又可以連續(xù)去除積炭以維持催化劑的一定活性.高溫、高壓蒸汽稀釋和低反響系統(tǒng)壓力能提供良好的反響平衡曲線,對乙苯EB轉(zhuǎn)化為苯乙烯SM有利,在有兩個絕熱反響器的工業(yè)生產(chǎn)裝置中,乙苯EB

12、的總轉(zhuǎn)化率可到達70%-85%新鮮乙苯和循環(huán)乙苯先與一局部蒸汽混合,然后在一個用火加熱的蒸汽過熱器內(nèi)進行過熱,再與過熱蒸汽相混合,在一個兩段、絕熱的徑向催化反響系統(tǒng)內(nèi)進行脫氫.熱反響產(chǎn)物在一個熱交換器內(nèi)冷卻以回收熱量并冷凝.不凝氣主要是氫氣壓縮后,經(jīng)回收姓類后再用作蒸汽過熱器的燃料,而冷凝液體分為冷凝水和脫水有機混合物DM.在脫水有機混合物DM苯乙烯、未反響乙苯、苯、甲苯和少量高沸物中參加一種不含硫的阻聚劑NSI以減少聚合而損失苯乙烯SM單體,然后在乙苯/苯乙烯單體EB/SM分儲塔進行別離,塔頂輕組分EB及輕組分苯/甲苯從塔頂取得去乙苯別離塔,從而從乙苯別離出苯和甲苯,回收的乙苯返回脫氫反響器

13、原料中.EB/SM塔底物苯乙烯單體和高沸物在最后苯乙烯分儲塔內(nèi)進行分儲,塔頂產(chǎn)品即為苯乙烯SM單體產(chǎn)品,少量的塔底焦油用作蒸汽過熱器的燃料,蒸汽過熱器所需大局部燃料來自脫氫廢氣和苯乙烯焦油.2.1.3 生產(chǎn)限制參數(shù)及具體操作1投料配比水蒸氣：乙苯=3:1質(zhì)量比2溫度、壓強和時間脫氫溫度限制在600c左右,負(fù)壓；多塔別離限制在常溫,常壓.3具體操作在脫氫反響器600c條件下,參加定量的水蒸氣、乙苯和氧氣混合氣體,反應(yīng)完全后；通到冷凝器進行冷凝、降溫；輸送到氣體壓縮機油水別離器將有機相和無機相別離,保持恒溫20c左右；和阻聚劑一起加到粗儲塔中,初步別離,塔頂為乙苯、苯和甲苯,塔底為苯乙烯、焦油；將

14、其送至乙苯塔和苯乙烯精制塔,乙苯塔別離出乙苯和甲苯、苯,把乙苯送回脫氫反響器,還將甲苯和苯送到苯/甲苯塔別離,別離出甲苯和苯.生產(chǎn)工藝流程見LummuS勺SMART乙苯脫氫工藝流程圖.密塔乙塔葷工始整,甲班圖2.1Lummus的SMAR億果脫氫工藝流程圖2.2 生產(chǎn)工藝的反響歷程2.2.1 反響方程式500600C''C-CH=CH+H>除脫氫反響外,同時發(fā)生一系列副反響,副產(chǎn)物甲苯、甲烷、乙烷、焦油等;C6H5c2H5C6H6C2H4C6H5c2H5H2C6H5CH2CH4C6H5c2H5H2C6H6C2H6C6H5c2H58C5H2C6H5c2H5I6H2O8CO22

15、1H2為了減少在催化劑上的結(jié)炭,需要在反響器進料中參加高溫水蒸氣,從而發(fā)生下述反響：CH2OCO22H2脫氫反響式1mol乙苯生成2mol產(chǎn)品苯乙烯和氫氣,因此參加蒸氣也可使苯乙烯在系統(tǒng)中的分壓降低,有利于提升乙苯的轉(zhuǎn)化率.催化劑以三氧化二鐵為主,加上氧化銘、氧化銅、氧化鉀等助催化劑涂于氧化鐵或碳酸鉀等載體上,投料比為水蒸氣：乙苯=23:1質(zhì)量比,反響所得的氣體混合物經(jīng)冷凝、油水別離、多塔別離和精制,制得苯乙烯.2.2.2 生產(chǎn)過程在脫氫反響器中,苯乙烯的產(chǎn)率與水蒸氣用量和反響溫度有關(guān).水蒸氣用量太少或反響溫度太低,反響不完全,產(chǎn)率低；水蒸氣用量過多或反響溫度過高,催化劑結(jié)炭而降低產(chǎn)率.將原料

16、中的水蒸氣(按比例過量)有助于反響向右移,也要嚴(yán)格限制反響溫度.2冷凝過程在冷凝器中,將脫氫反響的產(chǎn)物冷凝,降低其溫度.3油水別離過程冷凝后,因反響中的水蒸氣變?yōu)樗?通過氣體壓縮機和油水別離器,將有機相和水別離.4多塔別離過程油水別離的有機相進入粗儲塔,并參加阻聚劑預(yù)防苯乙烯聚合,還要進入乙苯塔、苯乙烯精儲塔、苯/甲苯塔,將依次它們別離出來,把別離出來的乙苯送回脫氫反響器,使其循環(huán).2.3原料、產(chǎn)品半成品及催化劑2.3.1 產(chǎn)品化學(xué)名稱：苯乙烯規(guī)格：含量?99.8%沸點：145.2C折光率：1.5439(25C)2.3.2 原料化學(xué)名稱：乙苯分子量：106.16折光指數(shù)：1.4959(25C)

17、英文名稱：styrol分子量：104.15熔點：30.6C結(jié)構(gòu)式：C6H5cHCH2結(jié)構(gòu)式：C6H5cH2cH3沸點：136.2C密度：0.8671g/cm32.3.3半成品乙苯經(jīng)脫氫反響器反響后,反響生成物送乙苯一苯乙烯塔別離成乙苯苯和甲苯及粗苯乙烯帶重組分及焦油.2.3.4催化劑催化劑以三氧化二鐵為主,加上氧化銘、氧化銅、氧化鉀等助催化劑涂于氧化鐵或碳酸鉀等載體上,使反響更好的發(fā)生,有利于苯乙烯的生成.2.3.5阻聚劑在苯乙烯工藝中,需要阻聚劑的有兩個地方：一是苯乙烯精儲系統(tǒng),二是苯乙烯產(chǎn)品貯存系統(tǒng).在精儲塔中,苯乙烯處于120c的高溫,阻聚劑主要用來防止聚合物的生成；在苯乙烯貯存系統(tǒng)中,

18、溫度一般為20c以下,聚合率較低,阻聚劑的主要用途之一是預(yù)防苯乙烯氧化.由于溫度存在著很大的不同,對阻聚劑的要求也不一樣,所以,在蒸儲塔中使用無硫阻聚劑2、4-二硝基-令0-二-丁基酚DNBP俗稱NSI,在苯乙烯貯存系統(tǒng)中使用4-叔丁基鄰苯二酚TB.2.4生產(chǎn)方式的選取化工生產(chǎn)的操作可分為全間歇、半間歇、連續(xù)和半連續(xù)四種：在全間歇操作中,整批物料投在一個設(shè)備單元中處理一定時間,然后整批輸送到下一個工序；半間歇操作過程是間歇操作過程的連續(xù)操作過程.全間歇與半間歇統(tǒng)稱間歇式操作的優(yōu)點是設(shè)備簡單,改變生產(chǎn)品種容易；具缺點是原料消耗定額高,能量消耗大,勞動生產(chǎn)率低,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定.連續(xù)式操作,原料及能

19、量消耗低,勞動生產(chǎn)率高,因此比擬經(jīng)濟；但總投資較大,占地面積較大,一般單線生產(chǎn)水平為210萬噸/年.半連續(xù)操作與連續(xù)操作相比設(shè)備費用較少,操作較簡單,改變生產(chǎn)品種較容易,但產(chǎn)品質(zhì)量不如連續(xù)操作穩(wěn)定,與間歇操作相比,生產(chǎn)規(guī)模更大,勞動生產(chǎn)率也更高,用與較大規(guī)模的品種生產(chǎn),一般為12萬噸/年.由于苯乙烯用量很大,需連續(xù)化大生產(chǎn).采用連續(xù)式操作比擬有利.苯乙烯生產(chǎn)水平根據(jù)設(shè)計任務(wù)規(guī)定為年產(chǎn)32000噸.取年工作日為300天,那么每晝夜生產(chǎn)水平為1.06*10A5kg.每日生產(chǎn)水平同樣為1.06*10A5kg苯乙烯,這樣的規(guī)模采用連續(xù)操作是比擬合理的.第3章物料衡算3.1 生產(chǎn)水平的計算根據(jù)設(shè)計任務(wù),

20、苯乙烯的年生產(chǎn)水平為32000噸/年.開工因子=生產(chǎn)裝置開工時間/年自然時間.為了充分利用設(shè)備,開工因子應(yīng)取的較大,接近1,但又不能等于1.由于還要考慮到設(shè)備的檢修以及開停車等情況.開工因子一般取為0.70.8.全年365天,那么年生產(chǎn)250300天；因此除去季保養(yǎng)、月保養(yǎng)、修理、放假等總計65大,那么年工作日為(365-65)天=300天.定每天生產(chǎn)為1批料,每小時生產(chǎn)為1班.可知每批料的生產(chǎn)水平為(32000X103/300)Kg/天=1.067*10人5kg/大.以此作為物料衡算的標(biāo)準(zhǔn).3.2 質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律是“進入一個系統(tǒng)的全部物料量,必須等于離開這個系統(tǒng)的全部物料量,再加上

21、過程中損失量和在系統(tǒng)中累計量.依據(jù)質(zhì)量守恒定律,對研究系統(tǒng)做物料衡算,可用下式表示：G進=G出+G損+G積式中G4105輸入物料量總和；G出一離開物料量總和；G損一總的損失量；G積一系統(tǒng)中積累量.3.3 各設(shè)備的物料衡算3.3.1 進出脫氫反響器的物料衡算1投料量計算對連續(xù)生產(chǎn)可確定計算基準(zhǔn)為Kg/批,那么需計算每批產(chǎn)量及原料投料量.乙苯的脫氫反響(見反響歷程)其中原料規(guī)格：乙苯(99.6%)水蒸氣(95%原料乙苯含甲苯0.02%、含苯0.014%,含焦油0.006%.原料水蒸氣含5%勺雜質(zhì)氣體.每批產(chǎn)苯乙烯：G8=1666.6Kg投料比：水蒸氣：乙苯=3:1(質(zhì)量比)轉(zhuǎn)化率：脫氫過程為90%

22、別離率：多塔別離過程為98%每班理論投料乙苯量：G1=(1666.6/24X103乂106.16)/(104.15乂90%X98%98%)=8.1884X104Kg每班理論投水蒸氣量：G2=3X8.1884X104=24.565乂104Kg每批原料實際投入量：G二(8.1884X104/0.996)Kg=8.2213X104KgG2=(24.565X104/0.95)Kg=25.585X104Kg雜質(zhì)：G3=(25.585-24.565)X104Kg+(8.2213-8.1884)X104Kg=1.3259X104Kg催化劑的量：G4=(25.585+8.2213)X104X0.3%Kg,32

23、59X103Kg2脫氫過程計算轉(zhuǎn)化率為：90%苯乙烯的產(chǎn)量G5=(8.1884X104X104.15X90%)/106.16Kg=7.23X104Kg氫氣的產(chǎn)量：G6=(8.1884X104X90%<2)/106.15Kg=1.3885X103Kg氧氣的參加量：G7=(0.5X32X1.3885X103)/2=1.1108X103Kg乙苯剩余量：G8=8.1884X104X190%=8.1884Xl03Kg生成水G9=1.3885X103X18/2=1.2496X104Kg進出脫氫反響器的物料衡算見表3.1.表3.1進出脫氫反響器的物料衡算表Kg/批輸入輸出物料名稱質(zhì)里Kg序號物料名稱質(zhì)

24、里Kg1乙苯99.6%822131乙苯100%8188.42水蒸汽95%2585802水蒸汽2585803氧氣111083水蒸汽124964催化劑1022.44苯乙烯723005169.16苯1127焦油558催化劑1022.4總計3529233529233.3.2 冷凝油水別離階段的物料衡算脫氫結(jié)束后用冷凝器加以冷凝,除去水,溫度必須限制在20c左右表3.2進出冷凝油水別離器的物料衡算表Kg/批輸入輸出序號物料名稱質(zhì)里Kg序號物料名稱質(zhì)里Kg1乙苯8188.41乙苯8188.42苯乙烯723002苯乙烯723003169.1有機層3169.14苯1124苯1125焦油555焦油556水蒸汽2

25、71076無機層6水2710767總計催化劑1022.43529237催化劑1022.43529233.3.3 粗儲塔的物料衡算將有機相參加粗儲塔中進行別離,同時參加阻聚劑預(yù)防苯乙烯聚合.參加阻聚劑的量為：8188.4+72300+169.1+112+55乂0.3%=242.45Kg表3.3粗儲塔的物料衡算表Kg/批輸入輸出序號物料名稱質(zhì)量Kg物料名稱質(zhì)量Kg礴南才丈亨南華大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計1乙苯8188.4乙苯8188.42苯乙烯72300塔頂169.13169.1苯1124苯112苯乙烯723005焦油55塔底焦油556阻聚劑242.45阻聚劑242.45總計81066.95總計81

26、066.953.3.4 乙苯塔的物料衡算表將粗儲塔塔頂?shù)奈锪蠀⒓拥揭冶剿?進行別離輸入表3.4乙苯塔的物料衡算表輸出物料名稱質(zhì)里Kg序號物料名稱質(zhì)里Kg1乙苯8188.4169.12169.1塔頂苯1123苯1124塔底乙苯1637.68總計8469.58469.53.3.5 苯乙烯精儲塔的物料衡算將粗儲塔塔底的物料加到苯乙烯的精微塔中進行別離,進一步濃縮苯乙烯的濃度.表3.5苯乙烯精儲塔的物料衡算表輸入輸出序號物料名稱質(zhì)里Kg序號物料名稱質(zhì)里Kg1苯乙烯723002焦油55塔頂苯乙烯723003阻聚劑242.45塔底焦油55阻聚劑242.45總計72597.4572597.453.3.6

27、苯/甲苯的物料衡算將乙苯塔塔頂?shù)奈锪纤偷奖?甲苯塔中,進行別離.表3.6苯/甲苯塔的物料衡算表輸入輸出南華大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計序號物料名稱質(zhì)量Kg序號物料名稱質(zhì)量Kg12總計苯112塔頂聚112甲苯169.1塔底甲苯169.1281.1總計281.13.4 物料流程圖根據(jù)以上物料衡算,物料流程見圖3.7(kg/h)乙苯82213水蒸汽258580氧氣11108催化劑1022.4乙苯8188.4苯乙烯72300甲苯169.1苯112焦油55阻聚劑242.45脫氫反響乙苯塔冷凝別離粗福塔乙苯8188.4苯乙烯72300甲苯169.1苯112焦油55水蒸汽271076催化劑1022.4小,苯乙烯

28、694第6甲苯苯乙烯精儲塔焦油55甲苯169.1苯112圖3.7物料流程圖第4章熱量衡算4.1 能量守恒定律熱量衡算按能量守恒定律在無軸功條件下,進入系統(tǒng)的熱量與離開熱量應(yīng)該平衡,在實際中對傳熱設(shè)備的衡算可由下式表示QiQ2Q3Q4Q5Qe11式中：Qi一所處理的物料帶入設(shè)備總的熱量；Q2一加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量符號規(guī)定加熱劑參加熱量為“+,冷卻劑吸收熱量為“-,KJ;Q3一過程的熱效率,符號規(guī)定過程放熱為“+；過程吸熱為“-；Q4一反響終止時物料的始輸出反響器的物料的始；Q5一設(shè)備部件所消耗的熱量,KJ;Qe一設(shè)備向四周散失的熱量,又稱熱損失,KJ；熱量衡算的基準(zhǔn)可與物料衡算相

29、同,即對間歇生產(chǎn)可以以每日或每批處理物料基準(zhǔn).計算傳熱面積的熱負(fù)荷必須以每小時作為基準(zhǔn),而該時間必須是穩(wěn)定傳熱時間熱量衡算溫度基準(zhǔn),一般規(guī)定25Co從11式中可得：Q2Q4Q5QeQ1Q31-2式中各項可用以下計算方法4.2 熱量計算4.2.1 Qi和Q4的計算Qi和Q4均可以用下式計算：QmiCD式中：mj反響物體系中組分i的質(zhì)量,Kg;G一組分i在0TC時的平均比熱容,KJ/(Kg-C)<J/(KmolC);Ti(T2)一反響物系反響前后的溫度,CQi(mtz苯c乙苯m水Ckm氧氣與氣)373=(81884X1.738)+(245650乂4.2)+(11108X3.5)乂373=45

30、2420052.2KJQ4(mtz苯c乙苯m苯乙烯體乙烯m?苯餌苯+m苯c苯m焦油c焦油)373=(8188.4X1.859)+(72300X1.555)+(169.1X1.834)+(112X3.5)+(55X1.828)X333=42774317.87KJ4.2.2 Q5的計算冷凝器帶走的熱量Qs=376146336.9KJ4.2.3 Q6的計算設(shè)備向四周散失的熱量Q6可用下式計算:Q6a(TwT)103式中A設(shè)備散熱銘記(褶)；Tw一設(shè)備外表溫度,C；T環(huán)境介質(zhì)溫度,C；9一操作過程持續(xù)時間(s);a一對流傳質(zhì)系數(shù),W/(nfC)當(dāng)空氣做自然對流,散熱層外表溫度為50350c時,經(jīng)計算得

31、A(8.8120.785)(7.6120.785)(5.0120.785)(10.0120.785)=104.926m2a=8+0.05TwF8+0.05X60=11W/(itfC)Q6=104.926X11X(100-25)X3X3600X10=934890.66KJ4.2.4 過程效應(yīng)熱Q3的計算過程效應(yīng)熱可分為兩類,一類是化學(xué)過程熱效應(yīng)即化學(xué)反響熱效應(yīng)；另一類是物理過程熱效應(yīng).物料經(jīng)化學(xué)變化過程,除化學(xué)反響熱效應(yīng)外,往往伴隨著物料狀態(tài)變化熱效應(yīng),但本工藝流程中物理過程熱效應(yīng)較低,可忽略不計,故過程熱效應(yīng)可由下式表示：Q3QrQp式中Qr一化學(xué)反響熱效應(yīng),KJ；Qp一物理過程熱效應(yīng),KJ;

32、(可忽略不計)Qr可通過標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反響熱q0計算：Qr(1000GA/MA)q0式中q0一標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反響熱,KJ/mol;Ga一參與化學(xué)反響的A物質(zhì)質(zhì)量,Kg;MAA物質(zhì)分子量.q0(q0)R(q0)P反響體系中各物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)始為：乙苯(40.219KJ/mol)苯(33.871KJ/mol)甲苯(18.029KJ/mol)q0=(33.871+18.029-40.219)KJ/mol=51.86KJ/molQr=Q3=(1000X72300X51.86/104.15)=36000748.9KJ4.2.5 熱負(fù)荷Q2的計算Q2=(Q4+Q5+Q6)-(Q1+Q3)=(42774317.87+37614

33、6336.9+934890.66)-(452420052.2+36000748.9)=-68565255.67KJ查手冊得冷卻水得Cp為4.187KJ/(KgC),那么冷卻水的用量GQ/Cp(t出t進)=68565255.67/4.187X(60-25)=467878.5Kg4.3 熱量衡算表由能量守恒定律QiQ2Q3Q4Q5Q6,能量衡算結(jié)果見表4.1表4.1熱量衡算表輸入輸出符號符號意義KJ/h符號符號意義KJ/hQi所處理的物料帶入設(shè)備總的熱量452420052.2Q4反響終了時物料的燃42774317.87Q2加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量68565255.67Q5設(shè)備部件所消耗

34、的熱量376146336.9Q3過程的熱效率36000748.9Q6物理過程熱效應(yīng)934890.66總計419855545.4Qr化學(xué)反響熱效應(yīng)36000748.9419855545.4第5章設(shè)備設(shè)計計算與選型5.1 苯/甲苯精儲塔的設(shè)計計算一.nxr一.通過計算n=1.435kmol/h,n,設(shè)98%可知原料披的處理量為FXfF=7.325kmol/h,由于每小時處理量很小,所以先儲存在儲罐里,等20小時后再精儲.故D=28.7koml/h,F=146.5kmol/h,組分為xF0.18,要求塔頂儲出液的組成為xn0.90,塔底釜液的組成為xw0.01.設(shè)計條件如下：操作壓力：4kPa(塔頂

35、表壓)；進料熱狀況：自選；回流比：自選；單板壓降：&0.7kPa；全塔壓降：Et52%05.1.1精儲塔的物料衡算1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率苯的摩爾質(zhì)量MA78.11kg/kmol甲苯的摩爾質(zhì)量MB92.13kg/kmolXf0.18Xn0.90Xw0.012原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF0.18X78.11+(1-0.18)X92.13=89.606kg/kmolMn0.9x78.11+(1-0.9)X92.13=79.512kg/kmolMW0.01X78.11+(1-0.01)X92.13=91.9898kg/kmol3物料衡算原料處理量F=146.5kmol/

36、h總物料衡算146.5=D+W苯物料衡算146.5X0.18=0.9XD+0.01XW聯(lián)立解得D=27.89kmol/hW=118.52kmol/h5.1.2塔板數(shù)確實定1理論板層數(shù)NT的求取苯一甲苯屬理想物系,可采用圖解法求理論板層數(shù).由物性手冊查得苯一甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù),繪出xy圖,見下列圖5.1圖5.1圖解法求理論板層數(shù)求最小回流比及操作回流比.采用作圖法求最小回流比.在圖中對角線上,自點e(0.45,0.45)作垂線ef即為進料線(q線),該線與平衡線的交點坐標(biāo)為yq0.667xq0.450故最小回流比為XdyqRminyqxq0.90.6670.6670.450.233一1.10

37、.217取操作回流比為R=2Rmin21.12.2求精儲塔的氣、液相負(fù)荷L=RD=2.2X27.89=61.358kmol/hV=(R+1)D=(2.2+1)X27.89=89.248kmol/h1一-一-一LLF61.358146.5207.858kmol/h1VV89.248kmol/h求操作線方程精儲段操作線方程為LD61.358yxxDxVV89.248提儲段操作線方程為27.890.90.6875x0.321589.2481一-一1L1W207.8581yxtXwxVV89.248髓0012.329X10.0132圖解法求理論板層數(shù)采用圖解法求理論板層數(shù),如圖5.1.求解結(jié)果為總理論

38、板層數(shù)NT=12.5包括再沸器進料板位置NF2實際板層數(shù)的求取精儲段實際板層數(shù)N精50.529.6取10提儲段實際板層數(shù)Nf7.5/0.5214.42取15塔頂操作壓力每層塔板壓降進料板壓力精微段平均壓力依據(jù)操作壓力,5.1.3精儲塔的工藝尺寸及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算以精儲段為例計算1操作壓力計算PD101.34105.3kPaP0.7kPaPF101.30.710112.3kPaPm(105.3112.3)/2108.8kPa2操作溫度計算由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度,其中苯,甲苯的飽和蒸氣壓由安托尼方程計算,計算過程略.計算結(jié)果如下:塔頂溫度進料板溫度精儲段平均溫度3平均摩爾質(zhì)量計算塔頂

39、平均摩爾質(zhì)量計算：由Xdy10.9,查平衡曲線得MVDm0.9X78.11+(1-0.9)tD82.1CtF99.5Ctm(82.199.5)/290.8CXi=0.916X92.13=79.512kg/kmolMLDm0.916X78.11+(1-0.916)x92.13=79.288kg/kmol進料板平均摩爾質(zhì)量計算：由圖解理論板得yF0.604查平衡曲線得Xf0.388MVFm0.604X78.11+(1-0.604)X92.13=83.66kg/kmolMLFm0.388x78.11+(1-0.388)x92.13=86.69kg/kmol精微段平均摩爾質(zhì)量MVm(79.512+83

40、.66)/2=81.586kg/kmolMLm(79.299+86.69)/2=82.99kg/kmol4平均密度的計算(1)氣相平均密度計算PmMvmVmRTm108.881.58632.93kg/m8.314(90.8273.15)(2)液相平均密度計算液相平均密度依下式計算,即塔頂液相平均密度的計算：由tD=82.1C,查手冊得,3A=812.7kg/m807.9kg/m31LDm(0.96/0.04/)1812.7807.9812.5kg/m3進料板液相平均密度的計算：由tF99.5C,查手冊得A=793.1kg/m3790.8kg/m3進料板液相的質(zhì)量分率0.38878.11aA0.

41、38878.110.61292.130.35013LFm791.6kg/m(0.35/0.65)793.1790.8精儲段液相平均密度為Lm(812.5+791.6)/2=802.1kg/m35液體平均外表張力計算液體平均外表張力依下式計算,Lmxii塔頂液相平均外表張力的計算由tD=82.1C,查手冊得A21.24mN/mB21.42mN/mLDm0.9X21.24+0.1X21.42=21.25mN/m進料板液相平均外表張力的計算：由tF99.5C,查手冊得A18.90mN/mB20.0mN/mLFm=0.388義18.90+0.612義20.0=19.57mN/m精儲段液相平均外表張力為

42、Lm=(21.25+19.57)/2=20.41mN/m6液體平均粘度計算液體平均粘度依下式計算,即LgLmXjgi塔頂液相平均粘度的計算由tD=82.1C,查物性手冊得a0.302mPasb0.306mPasLgLDm0.9Lg(0.302)+0.1Lg(0.306)解出LDm0.302mPas進料板液相平均粘度的計算：由tF99.5C,查物性手冊得a0.256mPasb0.265mPasLgLFm=0.388Lg(0.256)+0.612Lg(0.265)解出LFm0.261mPas精儲段液相平均外表張力為Lm(0.302+0.261)/2=0.282mPa-s5.1.4精儲塔的塔體工藝尺

43、寸計算1塔徑的計算精儲段的氣、液相體積流率為VMvm3600vm89.24881.5863/0.690m/sLMLm3600561.35882.993600802.10.0017m3s36002.93LVV式中C由式計算,其中的C20由課本查取,圖的橫坐標(biāo)為殳口0.00173600(3.12=4018Vh：V0.00736002.93取板間距Ht0.40m,板上液層高度hL=0.06m,那么Ht-hL=0.40-0.06=0.34m查圖得C20=0.0720.2CJ.腎產(chǎn)SO72筌0.07231.196m.sCmax7取平安系數(shù)為0.7,那么空塔氣速為U=0.7max0.7X1.196=0.8

44、37m/sc4Vs40.690Di&1.02m0.837按標(biāo)準(zhǔn)塔徑園整后為D=1.2m塔截面積為22ATD21.20.942m244實際空塔氣速為0.6930.7850.883m.s2精儲塔有效高度的計算精儲段有效高度為Z精(N精1)Ht(10-1)X0.4=3.6m提儲段有效高度為Z提(N提1)Ht(15-1)X0.4=5.6m在進料板上方開一人孔,其高度為0.8m故精儲塔的有效高度為Z=Z精Z提0.83.6+5.6+0.8=10m5.1.5塔板主要工藝尺寸的計算1溢流裝置計算因塔徑為D=1.0m,可選單溢流弓形降液管,采用凹形受液盤.各項計算如下:(1)堰長lw取1w=0.66D=

45、0.66X1.0=0.66m(2)溢流堰高度hW取hWhLhOW選用平直堰,土!上液層高度hOW由下式計算2即hoW2.84ELh310001w近似取E=1,那么hOW2.84/Lh31-0.0013m10001w取板上清液層高度hL=60mm故hW=0.06-0.013=0.047m(3)弓形降液管寬度Wd和截面積A由也0.66D查課本圖得士0.0722空0.124AtD故Af=0.0722At=0.0722乂0.785=0.0567m2Wd0.124D0.124X1.0=0.124m3600AfHTLh依下式驗算液體在降液管中提留時間,即36000.05670.4013.34s>5s

46、0.00173600故降液管設(shè)計合理.(4)降液管底隙高度heh.病H36O0lw0取00.08m/s皿0.00173600那么h0-0.032m36000.660.08hwh00.0470.0320.015m>0.006m故降液管底隙高度設(shè)計合理.選用凹形受液盤,深度為hw0.05m2塔板布置塔板的分塊因D>0.8m,故塔板采用分塊式.查課本得,塔板分為3塊邊緣區(qū)寬度確定取WsWs10.065m,Wc0.035ml."ihdji開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積A按下式計算,即2r.一sin180其中D(WdWs)0.5(0.1240.065)0.311m2rDWc0.50.03

47、50.465m22故Aa2(七72sin1)=0.532mf180r(3)篩孔計算及其排列所處理的物系無腐蝕性,可選用=3mn®HS板,取篩孔直徑篩孔按正三角形排列,取孔中央距t為t=3d=3x5=15mmd=5mm篩孔數(shù)目n為1.155A0t21.1550.5322731個0.0152開孔率為20.907包0.907(0005)210.1%t0.015氣體通過閥門的氣速為0.621A00.1010.53211.56m/s5.1.6篩板的流體力學(xué)驗算1塔板壓降(1)干板阻力hc計算干板阻力hc由下式計算,即hc0.051Co由d./531.67,查圖得,c00.7722故hc0.05

48、111562.920.0416m液柱0.772801.1(2)氣體通過液層的阻力h1計算氣體通過液層的阻力h1由下式計算,即h1hLVsAtAf0.6210.7850.05670.853m/sF00.8532921.46kg1/2/(ms1/2)查圖得,0.61故h1hL(hWhow)0.61(0.0470.013)0.0366m液柱(3)液體外表張力的阻力h由下式計算,即h4-±420.4110一0.0021m液柱Lgd0802.19.810.005氣體通過每層塔板的液柱高度hp可下式計算,即phphch1hhp0.0416+0.0366+0.0021=0.080m液柱氣體通過每層

49、塔板的壓降為PphpLg0.08x802.1X9.81=629Pa啾計值700Pa2液面落差對于篩板塔,液面落差很小,且塔徑和液流量均不大,故可忽略液面落差的影響.3液沫夾帶液沫夾帶量由下式計算,即ev5.71063.2hthfhf2.5hL2.50.060.15m故ev5.71063.20.85320.411030.400.150.014kg液/kg氣故本設(shè)計在液沫夾帶在允許的范圍內(nèi).4漏液對篩板塔,漏液點氣速0,min可由下式計算,0,min4.4(0.00560.13hLh)v)=5.985m/s實際孔速011.56m/s穩(wěn)定系數(shù)為K=0,min慧1.93>1.5故設(shè)計中無明顯漏液

50、.5液泛為預(yù)防塔內(nèi)發(fā)生液泛,降液管內(nèi)液層高Hd應(yīng)服從下式的關(guān)系Hd(Hthw)苯-甲苯物系屬一般物系,取0.5,那么(Hthw)0.5(0.400.047)0.224m而HdhphLhd板上不設(shè)進口堰,hd可由下式計算,即hd=0.153(0)20.001m液柱Hd=0.08+0.06+0.001=0.141m液柱Hd(Hthw)故本設(shè)計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象.(G巾¥士亨k工'上,J南華大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計5.2粗儲塔的設(shè)計計算表5.1乙苯和苯乙烯的飽和蒸氣壓：溫度/C136.2137138139140乙苯PA/kPa70.4379.2188.2696.44112.184.

51、2588.15苯乙烯P；/kPa60.270.1680.14利用計算相對揮發(fā)度,用平均相對揮發(fā)度表示氣液平衡關(guān)系,利用P；1.358xyo10.358x表5.2粗儲塔平衡數(shù)據(jù)表t136.21371381391401.1631.1291.1011.1451.272x0.7800.5810.4120.2580.130y0.8280.6530.4880.3210.169溫度為20c進料利用平衡數(shù)據(jù),在直角坐標(biāo)圖上繪出平衡曲線及對角線,如下圖.在圖上定點a(Xd,Xd)>點e(Xf,xf)和點c(xw,xw)三點.精微段操作線方程截距=229750.217,在y軸上定出點b0連接ab,R13.51即得精儲段操作線.先按下法計算q值.原料液的汽化熱