1、2020年4月19日乙苯脫氫制苯乙烯反應工段畢業(yè)設計文檔僅供參考，不當之處，請聯(lián)系改正。 摘 要 苯乙烯是最重要的基本有機化工原料之一。本文介紹了國內外苯乙烯的現(xiàn)狀及發(fā)展概況，苯乙烯反應的工藝條件，乙苯脫氫制苯乙烯催化劑，苯乙烯的生產(chǎn)方法和生產(chǎn)工藝。本設計以年處理量30萬噸乙苯為生產(chǎn)目標，采用乙苯二段絕熱氧化脫氫制苯乙烯的工藝方法，對整個工段進行工藝設計和設備選型。根據(jù)設計任務書的要求對整個工藝流程進行了物料衡算和熱量衡算，并利用流程設計模擬軟件Aspen Plus對整個工藝流程進行了全流程模擬計算，選用適宜的操作單元模塊和熱力學方法，建立過程模型并繪制了帶控制點的工藝流程圖。在設計過程中對整

2、個工藝流程進行了簡化計算，利用計算機模擬計算結果對整個工藝流程進行了模擬，并確定了整套裝置的主要工藝尺寸,車間的平立面布置。由于本設計方案使用計算機過程模擬軟件Aspen Plus進行仿真設計，減少了實際設計中的大量費用，對現(xiàn)有工藝進行改進及最優(yōu)綜合具有重要的實際意義。關鍵詞：乙苯；苯乙烯；脫氫；Aspen Plus；模擬優(yōu)化 Abstract Styrene Monomer（SM）is one of the most important organic chemicals. This article describes the present situation and developmen

3、t of styrene at home and abroad, styrene reaction conditions, catalyst for ethylbenzene dehydrogenation to styrene, styrene production methods and production processes. This design is based on the annual handling capacity of 300,000 tons of ethylbenzene production targets, ethylbenzene two-stage adi

4、abatic oxidative dehydrogenation using styrene in the process, the entire section in the process design and equipment selection. According to the requirements of the design of the mission statement of the entire process the material balance and heat balance, process design simulation software Aspen

5、Plus simulation of the whole process of the entire process, choose the appropriate operating unit module and thermodynamic methods, and draw the P&ID diagram. The entire process in the design process, simplify the calculation, the whole process include one reaction parts, the use of computer simulat

6、ion results on the entire process flow simulation , determine the size of the main process of the entire device , workshop level and elevation layout. This design using computer simulation software Aspen Plus simulation designed to reduce the substantial costs of the actual design, to improve the ex

7、isting process and optimal synthesis has important practical significance.Key words：Ethylbenzene；Styrene；Dehydrogenation；Aspen Plus；Simulation and Optimization 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc20887 摘要 HYPERLINK l _Toc19975 AbstractII HYPERLINK l _Toc15113 第1章 總論1 HYPERLINK l _Toc22342 1.1 概述1 1.

8、1.1 意義與作用1 1.1.2 國內外的現(xiàn)狀及發(fā)展前景1 1.1.3 產(chǎn)品的性質與特點2 1.1.4 產(chǎn)品的生產(chǎn)方法概述21.2 HYPERLINK l _Toc6626 設計依據(jù)3 HYPERLINK l _Toc20227 1.3 廠址選擇3 1.3.1 建廠地址3 1.3.2 土地資源3 1.3.3 水利資源4 1.3.4 交通資源4 1.3.5 經(jīng)濟基礎41.4 設計規(guī)模與生產(chǎn)制度4 1.4.1 設計規(guī)模4 1.4.2 生產(chǎn)規(guī)模4 1.4.3 生產(chǎn)制度41.5 原料與產(chǎn)品規(guī)格4 1.5.1 主要原料規(guī)格及技術指標4 1.5.2 產(chǎn)品規(guī)格5 HYPERLINK l _Toc12276

9、第2章 工藝設計與計算6 2.1 工藝原理6 2.2 工藝路線的選擇6 2.2.1 選取路線6 2.2.2 選取此路線原因6 2.3 工藝流程簡述7 2.3.1 流程示意圖7 2.3.2 各工段工藝流程7 2.4 工藝參數(shù)7 2.5 物料衡算8 2.5.1 生產(chǎn)能力的計算8 2.5.2 質量守恒定律8 2.5.3 固定床反應器物料衡算8 2.6 熱量衡算10 2.6.1 能量守恒定律10 2.6.2 熱量計算11 2.6.3 熱量衡算表13 2.7 Aspen plus模擬13 HYPERLINK l _Toc26261 第3章 設備選型15 HYPERLINK l _Toc26373 3.1

10、 選型原則15 HYPERLINK l _Toc9902 3.2 關鍵設備選擇15 3.2.1 催化劑的工藝參數(shù)計算17 3.2.2 固定床反應器的高度與直徑計算18 3.2.3 固定床反應器的壁厚計算與選型21 3.2.4 固定床反應器的凸形封頭的設計計算23 3.2.5 傳熱元件E-103的計算25 3.3 其它設備的選擇27 3.3.1 離心泵設備的計算與選型27 3.3.2 離心泵鼓風機的計算與選型28 3.3.3 工業(yè)加熱爐的設計與選型30 HYPERLINK l _Toc23290 第4章 設備一覽表31 HYPERLINK l _Toc23290 第5章 車間設備布置設計33 H

11、YPERLINK l _Toc429 5.1 車間布置33 HYPERLINK l _Toc10881 5.2 車間設備布置33 5.2.1 車間設備平面布置33 5.2.2 車間設備立面布置35第6章 自動控制37 6.1 離心泵的流量控制37 6.2 反應器壓力和溫度的控制37 6.3 原料罐的液位控制 38第7章 環(huán)境保護39 7.1 三廢產(chǎn)生情況39 7.1.1 廢氣39 7.1.2 廢渣39 7.1.3 廢液 39 7.2 三廢處理情況 39 7.2.1 化工“三廢處理”39 7.2.2 廢渣 39 7.2.3 廢水 39第8章 共用工程40 8.1 供水 40 8.2 供電40 8

12、.3 供暖40 8.3.1 供暖方式 40 8.3.2 采暖介質 40 8.4 通風 40 HYPERLINK l _Toc25132 結束語42 HYPERLINK l _Toc18918 參考文獻43 HYPERLINK l _Toc14074 致謝44第1章 總 論1.1 概述1.1.1 意義與作用苯乙烯作為化工生產(chǎn)的基本原料,在國民經(jīng)濟中起到了越來越大的作用。苯乙烯是生產(chǎn)丁苯橡膠（SBR）、丁苯乳膠（包括SBR乳膠和S/B共聚物膠乳）的主要原料之一。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，也易與丙烯腈共聚為AS塑料，與丁二烯共聚為丁苯橡膠，與丁二烯、丙烯腈

13、共聚為ABS塑料，還能與順丁烯二酸酐、乙二醇、鄰苯二甲酸酐等共聚成聚酯樹脂等。當前全世界苯乙烯產(chǎn)能約為21502250萬噸。經(jīng)過不斷地增長和擴能，中國已經(jīng)成為世界最大的SBR生產(chǎn)國， 國內生產(chǎn)總能約170萬噸/年，產(chǎn)量約120萬噸/年。隨著乙烯經(jīng)濟的發(fā)展, 以后國內苯乙烯進入快速發(fā)展階段,市場需求不斷擴大,規(guī)?；a(chǎn)己成為市場競爭力水平的主要表現(xiàn),苯乙烯技術環(huán)節(jié)的競爭也日益激烈，特別是國外苯乙烯技術,從原料、能耗、穩(wěn)定性、安全性、可操作性等多個方面較上世紀都有了很大提高和創(chuàng)新,作為技術使用方,只有深入了解當前的發(fā)展變化,才能真正在未來技術發(fā)展、應用及創(chuàng)新中建立優(yōu)勢。1.1.2 國內外的現(xiàn)狀及發(fā)

14、展前景當前國內發(fā)展現(xiàn)狀及進展，乙苯負壓脫氫制苯乙烯的技術核心是乙苯減壓脫氫制苯乙烯反應器。當前國內以華東理工大學開發(fā)的乙苯減壓脫氫反應器1，它采用軸徑式反應器技術和氣氣快速混合兩大關鍵技術，突破了國外技術的壟斷，形成自主知識產(chǎn)權。另外，蘭州石化公司研究開發(fā)成功乙苯脫氫LH365型催化劑2，并實現(xiàn)工業(yè)化。茂名石化于 7月完成了10萬噸/年苯乙烯裝置擴能改造工程，應用了國內最新開發(fā)的TJH型脈沖規(guī)整填料及高效塔內部件技術。中國中科院大連化學物理研究所開發(fā)的以FCC裝置干氣中稀乙烯為原料制乙苯的催化劑及工藝己處于國內領先水平,該所先后開發(fā)出五代催化劑工藝技術,其中前三代已工業(yè)應用,并于1994年授于

15、LummuS公司全球代理許可權。 ，世界苯乙烯產(chǎn)能約為3243萬噸/年，主要分布在東北亞、北美及西歐地區(qū)，由于PS和ABS樹脂等苯乙烯下游產(chǎn)品消費的強勁增長。中國苯乙烯生產(chǎn)始于五十年代末期，其中 - ，中國苯乙烯產(chǎn)量由948kt增至2166kt。與此同時，中國苯乙烯消費也由3603kt增至4503kt。長期以來，中國苯乙烯產(chǎn)量不能滿足中國需求， - 中國苯乙烯進口量為23432661kt3。雖然中國苯乙烯產(chǎn)量不斷增加，可是需求量也在逐年增加，苯乙烯對外依存度依然很高。據(jù)預測， 可達到3920kt/a。新增生產(chǎn)能力主要是新疆獨山子、上海賽科、南海殼牌、鎮(zhèn)海煉化、惠州殼牌和廣州石化等數(shù)套規(guī)模達30

16、0至600kt/a的大型苯乙烯裝置。1.1.3 產(chǎn)品的性質和特點 HYPERLINK 苯乙烯，簡稱SM。是HYPERLINK 石化行業(yè)的重要基礎原料，其主要性質用途如下：（1）苯乙烯是用苯取代乙烯的一個HYPERLINK 氫原子形成的HYPERLINK 有機化合物，HYPERLINK 乙烯基的電子與苯環(huán)HYPERLINK 共軛，不溶于水，溶于HYPERLINK 乙醇、HYPERLINK 乙醚中，暴露于空氣中逐漸發(fā)生聚合及氧化。苯乙烯是HYPERLINK 芳烴的一種。HYPERLINK 分子式為C8H8，存在于HYPERLINK 蘇合香脂（一種天然香料）中。無色、有特殊HYPERLINK 香氣的

17、油狀液體。熔點30.6，HYPERLINK 沸點145.2，相對密度0.9060(20/4)，HYPERLINK 黏度0.762 cP ，不溶于水(1%)，能與HYPERLINK 乙醇、HYPERLINK 乙醚等HYPERLINK 有機溶劑混溶。苯乙烯在HYPERLINK 室溫下即能緩慢聚合，要加HYPERLINK 阻聚劑對HYPERLINK 苯二酚或叔丁基鄰苯二酚(00002%0002%)作穩(wěn)定劑，以延緩其聚合才能貯存4。（2）HYPERLINK 苯乙烯主要用于生產(chǎn)HYPERLINK 苯乙烯系列樹脂及HYPERLINK 丁苯橡膠，也是生產(chǎn)HYPERLINK 離子交換樹脂及醫(yī)藥品的原料之一。

18、（3）苯乙烯系列樹脂的產(chǎn)量在世界HYPERLINK 合成樹脂中僅次于PE、PVC。 （4）苯乙烯的HYPERLINK 均聚物HYPERLINK 聚苯乙烯(PS)是五HYPERLINK 大通用HYPERLINK 熱塑性HYPERLINK 合成樹脂之一，近年來需求發(fā)展增長旺盛。 （5）苯乙烯、HYPERLINK 丁二烯和HYPERLINK 丙烯腈HYPERLINK 共聚而成的HYPERLINK ABS樹脂是用量最大的大宗HYPERLINK 熱塑性HYPERLINK 工程塑料，中國已經(jīng)成為世界ABS最大的產(chǎn)地和消費市場之一。 由于苯乙烯還能夠生產(chǎn)的HYPERLINK 丙烯腈-苯乙烯HYPERLINK

19、 二元共聚物（SAN）、HYPERLINK 不飽和樹脂（UPR）、HYPERLINK 丁苯橡膠（SBR）、HYPERLINK 丁苯膠乳（SBL）、HYPERLINK 熱塑性丁苯橡膠（SBS）等產(chǎn)品，能夠說苯乙烯是HYPERLINK 化學工業(yè)中最重要的單體之一。1.1.4 產(chǎn)品的生產(chǎn)方法概述苯乙烯是重要的有機化工產(chǎn)品之一，其工業(yè)生產(chǎn)的主要方法為乙苯催化脫氫法和苯乙烯-環(huán)氧丙烷聯(lián)產(chǎn)法，乙苯催化脫氫法處于主導地位，約占苯乙烯生產(chǎn)的90%以上。（1）環(huán)球化學魯姆斯法以乙苯為原料，采用脫氫反應器，由開始的單級軸向反應器，中間經(jīng)歷開發(fā)了雙級軸向反應器到雙徑向反應器再到雙級徑向反應器的各種組合優(yōu)化的多種反應

20、器；反應器的操作壓力有開始的正壓發(fā)展到今天的負壓；汽油比有開始的2.5:1發(fā)展到今天1.3：1；蒸汽消耗由開始的10kgkgSM發(fā)展到今天的4kgkgSM。乙苯脫氫的工藝操作條件為550650，常壓或減壓，蒸汽乙苯質量比為1.02.5。UOPLummus的“SMART” SM工藝是在Classic SM工藝基礎上發(fā)展的一項新工藝，即在工藝Classic SM工藝的脫氫反應中引入了部分氧化技術?？商岣咭冶絾纬剔D化率達80%以上5。（2）FinaBadger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制結焦。蒸汽過熱至800900，與預熱的乙苯混合再經(jīng)過催化劑，

21、反應溫度為650，壓力為負壓，蒸汽乙苯比為1.5%2.2%。（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應熱，這是與絕熱反應的最大不同。（4）Halcon法Halcon法又稱POSM聯(lián)產(chǎn)法，由西班牙Halcon法公司開發(fā)6。（5）裂解汽油萃取分離法日本東麗公司開發(fā)了Stex法裂解汽油萃取分離苯乙烯技術。（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Mo、W催化劑存在下與丙烯反應生成環(huán)氧丙烷和苯乙醇，后者脫水可得到苯乙烯。1.2 設計依據(jù)（1）齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文）工作手冊（2）齊齊哈爾大學化學工程與工藝專業(yè)下達的畢業(yè)設計任務書 （3）GB/T174

22、50-1998：技術制圖圖線 （4）GB/T17451-1998：視圖（5）GB/T17452-1999：剖視圖和斷面圖（6）GB/T16675-1996：技術制圖簡化表示方法（7）國家建筑、化工建設等相關標準（8）齊齊哈爾的地理、人文、經(jīng)濟等因素1.3 廠址選擇1.3.1 建廠地址本苯乙烯生產(chǎn)廠廠址選擇在齊齊哈爾市，齊齊哈爾市毗鄰全國第一大油田大慶油田，經(jīng)科學預測，其至少蘊藏著100150億噸石油儲量，可供開采的石油儲量為80100億噸。大慶石油比重中等，粘度高，含蠟量高，凝固點高，含硫量極少，一般稱為三高一少，屬低硫石蠟基型，是理想的石油化工原料。1.3.2 土地資源 底，齊齊哈爾市擁有耕

23、地面積2602萬畝，荒地195萬畝完全能夠滿足建立本廠的土地需求。1.3.3 水利資源 齊齊哈爾市主要江河有嫩江、諾敏河等，齊齊哈爾市江河天然水質好，有15個地下含水層，因此完全能夠滿足本廠的工業(yè)與生活用水需求。1.3.4 交通資源齊齊哈爾是東北西部地區(qū)之交通樞紐，其是東北西部地區(qū)的鐵路樞紐，航空具有國內大中城市航線，水運經(jīng)過嫩江下行至哈爾濱市且富拉爾基擁有兩個千噸級泊位。綜上，齊齊哈爾市完全能夠滿足本廠的原料和產(chǎn)品運輸要求。1.3.5 經(jīng)濟基礎齊齊哈爾是東北老重工業(yè)基地，擁有規(guī)模很大的工業(yè)企業(yè)群，形成了機械、冶金等門類齊全的工業(yè)生產(chǎn)體系，完全能夠滿足建廠的工業(yè)基礎與經(jīng)濟能力要求。綜上所述，齊

24、齊哈爾市完全能夠滿足建立本廠的各種要求，而且符合廠址選擇標準和國家相關法律法規(guī)的規(guī)定。1.4 設計規(guī)模與生產(chǎn)制度1.4.1 設計規(guī)模年產(chǎn)苯乙烯30萬噸1.4.2 生產(chǎn)規(guī)模年產(chǎn)苯乙烯28萬噸1.4.3 生產(chǎn)制度每年工作日300天，苯乙烯產(chǎn)量39045.8kg/h(符合生產(chǎn)要求)1.5 原料與產(chǎn)品規(guī)格1.5.1 主要原料規(guī)格及技術指標原料組成（質量%） 表1-1 原料乙苯組分乙苯甲苯苯焦油含量%99.60.020.0140.006100表1-2 原料水蒸氣組分水蒸氣雜質氣體含量%955100 2、乙苯物理性質表1-3 乙苯的物理性質化學名稱分 子 量沸 點密 度乙苯106.16136.20.867

25、1 3、乙苯脫氫催化劑表1-4 催化劑特性型號外觀外形尺寸mm堆密度gml 比表面積mg孔體積mlg顆粒密度gmlGS-05型紅褐色圓柱體31.203.501.846 4、氧化脫氫反應器催化劑表1-5 氧化脫氫催化劑特性型號外觀外形尺寸mm堆密度g / ml比表面積 / g孔體積顆粒密度g / mlY-101型 銀灰色 柱體460.951.510.4361.357 1.5.2 產(chǎn)品規(guī)格表1-6 產(chǎn)品規(guī)格性能苯乙烯顏色APHA聚合物硫苯乙炔過氰化物粘度指標99.7%1010ppm(W)1ppm(W)30ppm(W)20ppm(W)0.7mm2/s 第2章 工藝設計與計算2.1 工藝原理 主反應及

26、反應熱如下： 副反應主要有乙苯的裂解、加氫裂解、水蒸氣轉化、聚合和縮合反應等。2.2 工藝路線的選擇2.2.1 選取路線采用低活性、高選擇性催化劑，參照環(huán)球化學（UP）魯姆斯(Lummus)公司生產(chǎn)苯乙烯的技術，本設計采用乙苯脫氫選擇性氧化法生產(chǎn)苯乙烯。2.2.2 選取此路線原因魯姆斯（UOPLummus“SMART”）, SM工藝是在Classic SM工藝基礎上發(fā)展的一項新工藝，即在工藝Classic SM工藝的脫氫反應中引入了部分氧化技術?？商岣咭冶絾纬剔D化率達80%以上?！癝MART”技術的優(yōu)點在于，經(jīng)過提高乙苯轉化率， 減少了未轉化乙苯的循環(huán)返回量，使裝置生產(chǎn)能力提高，減少了分離部分

27、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應的發(fā)生；采用氧化中間加熱，由反應物流或熱泵回收潛熱，提高了能量效率，降低了動力費用，因而經(jīng)濟性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。該技術可用于原生產(chǎn)裝置改造，改造容易且費用較低。當前采用“SMART”工藝SM裝置有3套在運行。2.3 工藝流程簡述2.3.1 流程示意圖圖2-1 Lummus的SMART乙苯脫氫工藝流程 2.3.2 反應工段工藝流程乙苯(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?shù)难趸癄顟B(tài)。蒸汽既加熱反應進料、減少吸熱反應的溫度降，同時蒸汽也降低產(chǎn)品的分壓使反應平衡向著苯乙烯(SM)方向進行

28、，且又能夠連續(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應系統(tǒng)壓力能提供良好的反應平衡曲線，對乙苯(EB)轉化為苯乙烯(SM)有利，在有兩個絕熱反應器的工業(yè)生產(chǎn)裝置中，乙苯(EB)的總轉化率可達到70%90%。新鮮乙苯和循環(huán)乙苯先與一部分蒸汽混合，然后在蒸汽過熱器內進行過熱，與過熱蒸汽相混合，在一個兩段、絕熱的徑向催化反應系統(tǒng)內進行脫氫，反應中生成的氫氣全部進入氧化脫氫反應器中與其中的氧氣反應放出熱量并生成水蒸汽。熱反應產(chǎn)物在一個熱交換器內冷卻以回收熱量，而冷凝液體分為冷凝水和脫水有機混合物。2.4 工藝參數(shù) 反應溫度：580660壓力：0.08Mpa，加入水蒸氣來稀釋原料氣，以

29、降低乙苯的分壓，提高乙苯平衡轉化率，水蒸氣與乙苯摩爾比1620（質量比取為3:1）?？账伲阂冶揭簯B(tài)空速0.61.0 h-1。 2.5 物料衡算2.5.1 生產(chǎn)能力的計算根據(jù)設計任務，苯乙烯的年生產(chǎn)能力為30萬噸/年。開工因子=生產(chǎn)裝置開工時間/年自然時間。為了充分利用設備，開工因子應取的較大，接近1，但又不能等于1。因為還要考慮到設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，則年生產(chǎn)250300天；因此除去季保養(yǎng)、月保養(yǎng)、修理、放假等總計65天，則年工作日為（365-65）天=300天。定每天生產(chǎn)為1批料，每小時生產(chǎn)為1班?？芍颗系纳a(chǎn)能力為（300000103/

30、300）kg/天=1 kg/天。以此作為物料衡算的標準。2.5.2 質量守恒定律質量守恒定律是“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，再加上過程中損失量和在系統(tǒng)中累計量”。依據(jù)質量守恒定律，對研究系統(tǒng)做物料衡算，可用見式（1-1）。 （1-1） 式中 輸入物料量總和； 離開物料量總和； 總的損失量；系統(tǒng)中積累量。2.5.3 固定床反應器物料衡算進出脫氫反應器的物料衡算對連續(xù)生產(chǎn)可確定計算基準為批。 原料規(guī)格見表1-1和表1-2。 （2）投料量計算對連續(xù)生產(chǎn)可確定計算基準為Kg/批，則需計算每批產(chǎn)量及原料投料量。乙苯脫氫反應(見反應歷程)其中原料規(guī)格：乙苯（99.6%） 水

31、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%的雜質氣體。 每批產(chǎn)苯乙烯：=1kg 投料比：水蒸氣:乙苯 =3:1（質量比） 轉化率：脫氫過程為90% 每班理論投料乙苯量： =(/24106.16)/(104.1590%98%98%)=4.9135kg每班理論投水蒸氣量： =34.9135=14.7405kg每班原料實際投入量：=(4.9135/0.996) Kg=4.9332kg =(14.7405/0.95) Kg=15.5163kg 雜質：=（15.5163-14.7405）+(4.9332-4.9135)=7.955kgh 催化劑的量：

32、=(15.5163+4.9332)0.3%=613.485kg （3）脫氫過程計算 轉化率為：90% 參與反應的乙苯量：=491350.9106.16=416.555 kmolh 苯乙烯的產(chǎn)量：kgh 甲苯的產(chǎn)量：kgh 苯的產(chǎn)量：kgh 乙烷的產(chǎn)量：G9=416.5550.01530=187.45kgh 乙烯的產(chǎn)量：G10=416.5550.0426=433.21 kgh 甲烷的產(chǎn)量：G11=416.5550.0316=199.94 kgh 殘?zhí)剂浚篏12=416.5550.0112=49.98 kgh 消耗水蒸氣量：G13=416.5550.051618=599.76 kgh 剩余水蒸氣量

33、：G14=155163599.76=154563.24 kgh 生成二氧化碳量：G15=416.5550.005844=733.14 kgh 生成氫氣量：G16=416.555（0.9+0.015+0.00521）2=439.46 kgh 消耗氫氣量：G17=416.555（0.03+0.015）2=37.49 kgh 生成氫氣總量：G18=439.46-37.49=401.97 kgh 投入氧氣量：G19=401.9720.532=3215.76 kgh 生成水量：G20=401.97218=3617.73 kgh水剩余總量：G21=154563.24+3617.73=158180.97 k

34、gh 氫氣剩余總量：G22=0 kgh上述原料加入量和產(chǎn)物生成量見表2-1。表2-1 絕熱脫氫反應器物料衡算固定床反應器進料固定床反應器出料kghkgh乙苯（99.6%）49332（100%）4913.5水蒸氣（95%）155163（100%）158180.97續(xù)表2-1 絕熱脫氫反應器物料衡算固定床反應器進料kgh固定床反應器出料kgh氧氣3215.760催化劑613.485613.484苯乙烯039045.8甲苯01126.7苯乙烯039045.8甲苯01126.7苯01787.02乙苯0187.45乙烯0433.21甲烷0199.94殘?zhí)苛?49.98氫氣00二氧化碳0733.14焦油0

35、1053.05總計208324.245208324.245 4、冷凝器油水分離階段物料衡算脫氫結束后用冷凝器加以冷凝，除去水，溫度必須控制在25左右，見表2-2。表2-2 冷凝器油水分離階段物料衡算 序號輸入物料名稱 質量kgh序號輸出物料名稱質量kgh1乙苯4913.5 有機層1乙苯4913.52苯乙烯39045.82苯乙烯39045.83甲苯1126.73甲苯1126.74苯1787.024苯1787.025焦油1053.055焦油1053.056水蒸氣158180.97無機層氣體層6水158180.977難凝氣體1553.747殘?zhí)苛?9.988催化劑613.4858催化劑613.485

36、9殘?zhí)苛?9.989難凝氣體1553.742.6 熱量衡算2.6.1 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該平衡”，在實際中對傳熱設備的衡算見式（2-2）。 （2-2） 式中： 所處理的物料帶入設備總的熱量； 加熱劑或冷卻劑與設備和物料傳遞的熱量（符號規(guī)定加熱劑加入熱量 為“+”，冷卻劑吸收熱量為“-”），kJ； 過程的熱效率，（符號規(guī)定過程放熱為“+”；過程吸熱為“-”）； 反應終止時物料的焓（輸出反應器的物料的焓）； 設備部件所消耗的熱量，kJ； 設備向四周散失的熱量，又稱熱損失,kJ； 熱量衡算的基準可與物料衡算相同，即對間歇生產(chǎn)能夠以每日或每

37、批處理物料基準。（計算傳熱面積的熱負荷必須以每小時作為基準，而該時間必須是穩(wěn)定傳熱時間）熱量衡算溫度基準，一般規(guī)定為25。從上式中可得： （2-3） 式中各項可用以下計算方法：2.6.2 熱量計算（1）、和的計算查化工工藝設計手冊可得到反應流程中各物質的恒壓比熱容Cp見表2-3。表2-3 各物質的恒壓比熱容物質CpkJ(kg K)乙苯（g，600 700）2.082氧氣（g，600 700）1.172水蒸氣（g，600 700）2.177苯乙烯（g，600 700）物質甲苯（g，600 700）2.012苯（g，600 700）1.946乙烷（g，600 700）2.905甲烷（g，600 7

38、00）3.213乙烯（g，600 700）2.452二氧化碳（g，600 700）1.214焦油（g，600 700）1.828 、和的計算見式（2-4）。 （2-4）式中： 反應物體系中組分i的質量，kg; 組分i在0T時的平均比熱容，kJ/(kgK)或kJ/(kmol); 。 =(493322.082)+(1551632.177)+(3215.761.172)595=.7 kJh + 575 =（4913.52.082）+（39045.81.957）+（1126.72.012）+（1787.02 1 .946）+（187.452.905）+（433.212.452）+（199.943.21

39、3）+ （158180.972.177）+（733.142.14）+（1053.051.828）575 =.1 kJh（2）過程效應熱的計算過程效應熱可分為兩類，一類是化學過程熱效應即化學反應熱效應；另一類是物理過程熱效應。物料經(jīng)化學變化過程，除化學反應熱效應外，往往伴隨著物料狀態(tài)變化熱效應，但本工藝流程中物理過程熱效應較低，可忽略不計，故過程熱效應可由見式（2-5）。 （2-5） 式中 化學反應熱效應，kJ； 物理過程熱效應，kJ；(可忽略不計)可經(jīng)過標準化學反應熱計算： （2-6） 式中 標準化學反應熱，kJ/mol； 參與化學反應的A物質質量，kg； A物質分子量。 （2-7）主要反應歷

40、程見2.1工藝原理部分。 kg/h mol/h則過程反應熱 = kJ/h （3）冷凝器的計算 冷凝器是由從脫氫反應器出來的物料與原料乙苯進行熱交換時，對乙苯加熱，及換熱結束后產(chǎn)品帶走的熱量和水蒸氣帶走的熱量組成。 =493322.082120（493322.08239045.81.9571126.72.012 +1787.021.946+187.452.905+433.212.452+199.943.213158180.97 2.177+733.141.214+1053.051.828）100 =20541844.8+44181115.84 = kJ/h （4）熱損失的計算反應設備與冷凝設備向

41、四周散失的熱量，又稱熱損失。 = =.7+54682620.52-.1-64722960.64 = kJ/h2.6.3 熱量衡算表 由能量守恒定律，衡量衡算結果見表2-4。表2-4 熱量衡算表 輸入系統(tǒng) 熱量符號意義結果kJh輸出系統(tǒng)熱量符號意義結果kJh 物料帶入設備總熱量63354466.36 物料帶出設備的總熱量.1 加熱劑與冷卻劑交換的熱量.3 冷凝器消耗的熱量64722960.64 過程的化學反應熱54682620.52 熱損失257671.48 總計.2 總計.22.7 脫氫反應器Aspen plus模擬乙苯脫氫絕熱反應工段主要包括兩個脫氫反應器和一個氧化脫氫反應器三個單元模塊，具

42、體流程圖見圖2-2。圖2-2 乙苯脫氫絕熱反應工段流程表2-5 脫氫反應器模擬結果進料出料溫度/ 600620壓力/ bar0.8 0.8摩爾流量 /kmol/hr880.787212880.787212質量流量 /kg/hr 4933249332體積流量 /cum/hr79905.268779905.2687焓變/MMkcal/hr30.098715830.0987158 乙苯-01 49134.6 4911.24471 苯乙烯-01043361.921 焦油-010219.552886H20839.28136 第3章 設備選型3.1 選型原則設備的工藝設計是化工工程設計中一項責任重大、技術

43、要求高、需要具有豐富的理論知識和實際生產(chǎn)設計經(jīng)驗的工作。其主要設計內容如下： （1）結合工藝流程設計確定化工單元操作所用設備的類型。（2）根據(jù)工藝操作條件（溫度、壓力、介質的性質等）和對設備的工藝要求確定設備的材質。這項工作有時是與設備設計人員共同完成的。（3）經(jīng)過工藝流程設計、物料衡算、能量衡算、設備的工藝計算確定設備的工藝設計參數(shù)。不同類型設備的主要工藝設計參數(shù)如下。換熱器：熱負荷，換熱面積，冷熱載體種類，冷熱流體流量，溫度和壓力泵：流量，揚程，軸功率，允許吸上高度。 （4）確定標準設備或定型設備的型號、規(guī)格和臺數(shù)。 （5）對已有標準圖紙的設備，確定標準圖的圖號和型號 （6）編制工藝設備一

44、覽表 （7）在工藝設備的施工圖紙完成后，要同化工設備的專業(yè)設計人員進行圖紙會簽。3.2 關鍵設備選擇3.2.1 催化劑的工藝參數(shù)計算 固定床反應器的計算主要包括催化劑用量、床層高度和直徑、床層壓力降等。固定床反應器的計算方法主要有經(jīng)驗法8和數(shù)學模型法9，本設計主要采用經(jīng)驗法。經(jīng)驗法比較簡單，常取實驗或實際生產(chǎn)中催化劑或床層的重要操作參數(shù)作為設計依據(jù)直接計算得到10。（1）空間速度指單位時間內經(jīng)過單位體積催化劑的原料標準體積流量。單位為。它是測量固定床反應器生產(chǎn)能力的一個重要指標。 （3-1） 脫氫反應器一和二主要采用Fe-K系催化劑。催化劑主要特性見表1-4。氧化脫氫反應器主要采用Pt系催化劑

45、。氧化脫氫反應器催化劑特性見表1-5。催化劑總質量為613.485 Kg，其中GS-05型催化劑為465.2 Kg，Y-101型催化劑為148.285 Kg。脫氫反應器一：GS-05型催化劑質量為=232.6 kg；脫氫反應器二：GS-05型催化劑質量為=232.6 kg；氧化脫氫反應器：Y-101型催化劑質量為=148.285 kg。則脫氫反應器一中催化劑的體積為：L脫氫反應器二中的催化劑體積為：L氧化脫氫反應器中催化劑體積為：固定床反應器負壓狀態(tài)下操作，壓強為0.08 MPa。進料氣體平均密度： （3-2） =39.23 gmol K MPa=8Pa 則能夠得到 kg進入氧化脫氫反應器的氣

46、體密度近似于脫氫反應器一的平均氣體密度: kg 同理：脫氫反應器二的氣體平均密度： （3-3） K MPa=8Pa Kgh =37.414 gmol kg/m3脫氫反應器一進料體積流量： m3/h 脫氫反應器二進料體積流量： m3/h 氧化脫氫反應器的進料體積流量： m3/h 脫氫反應器一空間速度： h-1 脫氫反應器二空間速度： h-1 氧化脫氫反應器空間速度： h-1（2）床層孔隙率顆粒間的自由體積與整個床層體積之比： （3-4） 式中：-床層空隙率； -催化劑床層堆積密度，kgL； -催化劑顆粒密度，kgL。則脫氫反應器一和脫氫反應器二床層空隙率： 氧化脫氫反應器床層空隙率:空間速度指在

47、規(guī)定的反應條件下，氣體反應物經(jīng)過催化劑床層中自由空間所需要的時間，單位為 h。接觸時間越短，表示同體積的催化劑在相同時間內處理的原料越多，是表示催化劑處理能力的參數(shù)之一。 （3-5） 脫氫反應器一空時： h 脫氫反應器二空時： h 氧化脫氫反應器空時： h（4）空時收率指反應物經(jīng)過催化劑床層時，在單位時間單位質量(單位體積)催化劑所獲得目的產(chǎn)物量。它是反映催化劑選擇性和生產(chǎn)能力的一個重要指標。 （3-6） 式中：催化劑的空時收率，kg（kgh）或kg（m3/h）； 目的產(chǎn)物的質量，kg； 催化劑的用量，kg或m3。（5）催化劑負荷 指在單位時間內單位質量（體積）催化劑由于反應而消耗的原料質量。

48、這是催化劑生產(chǎn)能力的重要指標。 （3-7）式中：催化劑負荷，kg（kgh）或kg（m3）； 目的產(chǎn)物的質量，kgs； 催化劑的用量，kg或m3。則 kg（kgh）（6）床層線速度與空床速度 床層的線速度是指在規(guī)定條件下，氣體經(jīng)過催化劑床層自由截面積的流速。 （3-8） 而空床速度是指在規(guī)定條件下，氣體經(jīng)過空床截面積的流速。 （3-9） 式中：U空床的線速度，ms； 空床速度，ms。 催化劑的床層截面積，m2。3.2.2 固定床反應器的高度與直徑計算催化劑的用量確定后，催化劑的有效體積也就確定。很明顯，床層越高，其床層截面積越小，操作氣速、流體阻力（動力）將變大；反之，床層高度降低必然引起截面積

49、（直徑）增大，對傳熱不利或易產(chǎn)生短路等情況。因此床層的高度與直徑經(jīng)過操作氣速、壓力降（即動力消耗）、傳熱、床層均勻性等影響因素綜合評價來確定。一般，床層的高度確定或直徑的計算是根據(jù)固定床反應器某一重要的操作參數(shù)范圍或經(jīng)驗選取，然后校驗其它操作參數(shù)是否合理，如床層壓力降不超過總壓力的15%。床層高度與直徑的計算步驟如下11：（1）根據(jù)經(jīng)驗選取氣體空床速度； （2）床層的截面積： （3-10） 式中：床層的截面積，m2。（3）校驗床層壓力降P： （3-11）經(jīng)過實驗測定得到： （3-12）式中：-修正的雷諾數(shù)。 （3-13）中包括兩項，由于度一項的中包含有粘度項，代表摩擦阻力損失，而第二項則代表局

50、部阻力損失。當10時為層流，計算壓力降可省去第二項；當1000時為充分湍流，計算壓力降時可省去第一項。空隙率是影響壓力降的重要因素。 （4）床層截面積及實際氣體流速的計算 假設氣體空床速度為U=24.877 ms。 脫氫反應器一的催化劑床層截面積： m2 脫氫反應器二的催化劑床層截面積： m2 氧化脫氫反應器的催化劑床層截面積: m2實際氣體流速： 脫氫反應器一： ms 脫氫反應器二： ms 氧化脫氫反應器： ms （5）校驗床層壓力降三個固定床反應器的物料粘度均近似為 Pas脫氫反應器一： =5332.3Pa ，符合要求。脫氫反應器二： =4820.4a ，符合要求。氧化脫氫反應器： =36

51、87.3Pa ，符合要求。 （6）確定床層的結構尺寸催化劑床層高度： （3-14） 式中：催化劑床層體積，m3； 催化劑床層截面積（實際），m2。 脫氫反應器一催化劑床層高度： m 脫氫反應器二催化劑床層高度： m 氧化脫氫反應器一催化劑床層高度： m 本設計采用絕熱徑向固定床反應器，可求出內徑D： （3-15）脫氫反應器一內徑 m脫氫反應器一內徑 m氧化脫氫反應器內徑 m3.2.3 固定床反應器壁厚的計算與選型（1）固定床反應器所用鋼材及壁厚的圖算法12 根據(jù)化工過程設備機械基礎，本設計固定床反應器所用鋼材為奧氏體鋼06Cr19Ni10Ti（GB4237），使用溫度為-19670013。其它

52、性能見表3-1。表3-1 奧氏體鋼06Cr19Ni10Ti（GB4237）特性金屬材料奧氏體鋼06Cr19Ni10Ti（GB4237）密度 g/ml7.9熔點 1400比熱容 J/(kgK)502.3導熱系數(shù) W/(mK)13.9518.61線膨脹系數(shù) 17.3電阻率 0.73彈性模量E（550700）155143泊松比 0.250.30由于外壓圓筒壁厚的理論計算方法很繁雜，GB150-1998 鋼制壓力容器推薦采用圖算法確定固定床反應器的壁厚，其優(yōu)點是計算簡便。 （2）脫氫反應器一的壁厚計算假設（名義厚度），令；C為腐蝕裕量，取為2 mm。設=12 mm，取=10 mm， 查化工過程設備機械

53、基礎P257頁圖13-6：外壓或軸向受壓圓筒幾何參數(shù)計算圖（適用于所有材料）得：系數(shù)=0.242 查化工過程設備機械基礎P262圖13-12：外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖（06Cr19Ni10Ti鋼）得：系數(shù)=24.300 MPa則：許用外壓力P=0.0972 MPa 外壓力為0.08 MPa0.0972 MPa，所用鋼材厚度符合脫氫反應器一生產(chǎn)要求。（3）脫氫反應器二的壁厚計算設=10 mm，取=8 mm， 查化工過程設備機械基礎P257頁圖13-6：外壓或軸向受壓圓筒幾何參數(shù)計算圖（適用于所有材料）得：系數(shù)=0.187 查化工過程設備機械基礎P262圖13-12：外壓圓筒、管子和球殼厚度

54、計算圖（06Cr19Ni10Ti鋼）得：系數(shù)=28.200 MPa 則：許用外壓力P=0.0868 MPa 外壓力為0.08 MPa0.0868 MPa，所用鋼材厚度符合脫氫反應器二生產(chǎn)要求。 （4）氧化脫氫反應器的壁厚計算設=10 mm，取=8 mm， 查化工過程設備機械基礎P257頁圖13-6：外壓或軸向受壓圓筒幾何參數(shù)計算圖（適用于所有材料）得：系數(shù)=0.242 查化工過程設備機械基礎P262圖13-12：外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖（06Cr19Ni10Ti鋼）得：系數(shù)=32.000 MPa 則：許用外壓力P=0.097 MPa外壓力為0.08 MPa0.097 MPa，所用鋼材厚度

55、符合氧化脫氫反應器生產(chǎn)要求。3.2.4 固定床反應器凸形封頭的設計計算 本設計中固定床反應器采用橢圓形封頭14。 （3-16） 式中:橢圓形封頭的外徑； 橢圓形封頭的當量球殼外半徑； 系數(shù)，由表3-2查得。表3-2 封頭高度及直徑與系數(shù)關系2.62.42.22.01.81.61.41.21.01.181.080.990.900.810.730.650.570.50注： 中間值采用內插法求得； ； =0.90為標準橢圓形封頭。（1）脫氫反應器一封頭壁厚及高度假設（名義厚度），令；C為腐蝕裕量，取為2 mm。設=8 mm，取=6 mm， =0.502.5=1.25 m 查化工過程設備機械基礎P26

56、2圖13-12：外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖（06Cr19Ni10Ti鋼）得：系數(shù)=31.400 MPa 則：許用外壓力=0.150 MPa 外壓力為0.08 MPa0.150 MPa，所用封頭厚度符合脫氫反應器一生產(chǎn)要求。 封頭高度m （2）脫氫反應器二封頭壁厚及高度設=8 mm，取=6 mm， =0.542.60=1.4 m 查化工過程設備機械基礎P262圖13-12：外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖（06Cr19Ni10Ti鋼）得：系數(shù)=31.400 MPa 則：許用外壓力=0.133 MPa 外壓力為0.08 MPa0.133 MPa，所用封頭厚度符合脫氫反應器二生產(chǎn)要求。 封頭高度m

57、（3）氧化脫氫反應器封頭壁厚及高度設=8 mm，取=6 mm， =0.542.64=1.4256 m 查化工過程設備機械基礎P262圖13-12：外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖（06Cr19Ni10Ti鋼）得：系數(shù)=31.400 MPa 則：許用外壓力= MPa 外壓力為0.08 MPa0.130 MPa，所用封頭厚度符合氧化脫氫反應器生產(chǎn)要求。封頭高度m3.2.5 傳熱元件E-103的計算本設計任務主要選用列管式換熱器15。（1）換熱器熱負荷的計算換熱器的熱負荷又稱傳熱量，可經(jīng)過熱量衡算獲得。在熱損失能夠忽略不計的條件下，若兩流體均無相變的情況下，熱負荷由下式計算： （3-17）若熱流體有相

58、變，例如飽和蒸汽冷凝且冷凝液在飽和溫度下流出時，則： （3-18）式中：Q熱負荷，W； 熱、冷流體的質量流量，Kg/s； 熱、冷流體的比定壓熱容，KJ/(KgK)； 熱流體的進、出口溫度，； 冷流體的進、出口溫度，； 冷凝液的飽和溫度，； r飽和蒸汽的冷凝潛熱，KJ/Kg。在換熱器的設計計算中，冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如比熱容Cp、密度、動力粘度及導熱系數(shù)等的查取，依流體的定性溫度進行。 在2.6.2熱量衡算及所需媒質的量中，已得出冷凝器熱負荷=64722960.64 KJ/h（2）平均溫度差的計算根據(jù)冷、熱流體進、出口溫度，利用下式計算出逆流條件下的對數(shù)平均溫度差： （3-19）已知熱流體進口溫

59、度=600+273.15=873.15 K，出口溫度=500+273.15=773.15 K 冷流體進口溫度=460+273.15=733.15 K，出口溫度=580+273.15=853.15 K則K，K（3）估算傳熱面積在估算傳熱面積時，可根據(jù)所處理流體的性質，憑經(jīng)驗或參考冷凝器總傳質系數(shù)的大致范圍，預先假設一值，利用總傳熱速率方程式進行： （3-20） 式中：估算的傳熱面積，m2； 假設的總傳熱系數(shù)，/()； 平均傳熱溫度差，。 按經(jīng)驗數(shù)值初選總傳熱系數(shù)。選取：=390 /() （4）主要工藝結構基本參數(shù)的計算換熱器規(guī)格及材質的選定。選擇25mm2.5mm鋼管。換熱器數(shù)量及長度的確定：管

60、數(shù)：根管長：m管子的排列方式及管板的連接方式的選定：管子的排列方式：采用正三角形排列；管子與管板的連接采用焊接法。計算殼體內直徑 （3-21） 由于管中心距;t=1.25=1.2525=32 mm 橫過管中心線的管數(shù)： 取整 根 管束中心線上最外層管的中心至主殼體內壁的距離=0.038m 因此：=0.032（88-1）+20.038=2.86 m 按殼體直徑標準系列尺寸圓整，取D=2900 mm，管長徑比合適。計算實際傳熱面積及過程的總傳熱系數(shù)=63673.140.0253.11550 m2 =402 W（） 折流板直徑、數(shù)量 選取折流板與殼體間的間隙為3.5 mm =2900-23.5=28