甲苯甲醇側鏈烷基化制苯乙烯畢業(yè)設計

1、甲苯甲醇側鏈烷基化制苯乙烯畢業(yè)設計1總論概述苯乙烯產品的性質和用途苯乙烯的物理性質苯乙烯為無色透明液體，常溫下具有辛辣香味，易燃。難溶于水，易溶于甲醇、乙醇、 乙醴等溶劑中。苯乙烯的主要物理性質如表 1-1所示。表1-1苯乙烯的主要物理性質Table 1-1 The main physical properties of styrene物性數據數值 TOC o 1-5 h z 沸點（101.3kPa）/ C146熔點（空氣中，101.3kPa）/C-30.6相對密度（25C/4C）0.909折射率（20 C）1.5467臨界壓力/MPa3.81溶解度（25 C,水）/%0.066黏度（25C）

2、 /（mPa s）0.762表面張力（20 C） /（mN/m）30.9閃點（閉口） /C31燃點/ C490臨界溫度/C369苯乙烯的化學性質苯乙烯從結構上看是不對稱取代物，但它具有乙烯基，乙烯基因帶有極性而易于聚合， 所以其反應性能極強。苯乙烯暴露于空氣易發(fā)生聚合及氧化而成為醛及酮類。在高于100c 時即進行聚合，甚至在室溫下也可產生緩慢的聚合。在不受輻射的催化劑的作用下，苯乙烯迅速生成一種廣泛用于模壓制品的塑料，即聚 苯乙烯；它還可以與丁二烯發(fā)生化學反應形成一種異分子聚合物，即合成橡膠；還有一些 單分子體（如氯乙烯）可與苯乙烯發(fā)生共聚反應，生成質量更好的塑料或樹脂。苯乙烯分子中烯鍵較活潑

3、，易受親電試劑及自由基的進攻，催化氫化得到乙苯，然后 得到乙基環(huán)己烷；在醇與鈉中得乙苯；銘酸氧化可得苯甲酸；硝酸氧化得硝基苯甲酸；氣 相氧化得苯甲酸；五氧化二銳催化，400 C得順丁稀乙酊；過氧酸作用得苯基環(huán)氧乙烷；甲苯甲醇側鏈烷基化生產苯乙烯工藝設計臭氧氧化得苯甲醛；氯化、澳化得 % 任二鹵代乙苯；氫鹵酸加成得 世鹵代乙苯；硫酸存 在下與甲醇反應生成a-甲氧基乙苯。苯乙烯產品的用途苯乙烯是含有飽和側鏈的一種簡單芳姓，是有機化工重要產品之一，是重要的基本有 機原料，是苯最大用量的衍生物。苯乙烯主要用于生產聚苯乙烯、丙烯月青-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和苯乙烯-丙烯月青（SAN）樹脂，也可用

4、于制取苯乙烯-丁二烯（丁苯）橡 膠（SBR）、不飽和聚酯樹脂、離子交換樹脂、合成樹脂涂料及絕緣體等材料。這些材料 在汽車制造、家電用器、紡織、建材、輕工、玩具等工業(yè)部門都有重要的用途。此外，苯 乙烯也是生產涂料、染料、合成醫(yī)藥的重要原料。我國苯乙烯上下游產業(yè)介紹上游原料苯乙烯的主要原料是乙烯和苯，而乙烯和苯都來源于石油工業(yè)。石油作為世界工業(yè)的 血液，是當前全球能源的主要來源。由于化石燃料的稀缺性和不可再生性，原料供應偏緊 的狀況近期無法得到解決 。且近年來不斷上揚的國際原油價格對石油化工行業(yè)產生了深 遠的影響。盡管全球的煉化行業(yè)在不斷地改進技術， 改善管理，不遺余力地壓縮生產成本， 石化產品的

5、價格還是不可避免地隨著國際原油價格的高漲一路走高。目前，中國已取代日 本成為全球第二大石油消耗國（僅次于美國）。預估計 2, 10年內中國的石油需求將從目 前的每日600萬桶膨脹近一倍至1150萬桶。十年前中國進口石油占整體石油需求的比例才 6%,現在已經提高到三分之一，至I 2020年預期將有60%的石油都必須來自進口。石油已 經成為制約我國經濟增長的“瓶頸”。下游行業(yè)目前，我國苯乙烯主要應用于聚苯乙烯、 ABS樹脂的生產。其中3,聚苯乙烯約占總 消費量的58%, ABS樹脂約占17%。聚苯乙烯是我國苯乙烯最重要的衍生物，可廣泛應用于包裝容器、電器等諸多領域。 常見的電視機、空調、冰箱、電腦

6、等的外殼或其他配件，建筑用保溫材料和一次性餐具等 都可以用聚苯乙烯來制造。這使我國聚苯乙烯需求量不斷增長，近幾年，其進口量都占國 內消費總量的50%以上。在我國，ABS和SAN樹脂是僅次于聚苯乙烯的第二大苯乙烯的衍生物。主要用于電 冰箱、電視機、電話、辦公用品等電子、電器產品的配件。我國作為世界主要的家電、辦 公設備及玩具等產品的生產國，對 ABS的需求量較大。近年來網，國內ABS裝置增加較 多，對苯乙烯的需求也保持旺盛勢頭。 我國是世界上最大的SAN樹脂消費國，但國內SAN 樹脂供應不足，大部分需求缺口主要來自韓國、中國臺灣和泰國的進口解決。苯乙烯還是生產丁苯橡膠、丁苯乳膠的主要原料之一。隨

7、著橡膠下游行業(yè)的蓬勃發(fā)展， 特別是汽車輪胎工業(yè)的飛速發(fā)展，近年來我國丁苯橡膠及乳膠的消費量呈現出跳躍式增 長。國內外苯乙烯供給及需求現狀國外苯乙烯供給及需求現狀由于聚苯乙烯和ABS樹脂等苯乙烯下游產品消費的強勁增長，近年來世界苯乙烯的生 產發(fā)展很快。據Tecnon公司統(tǒng)計4 ,2008年、2009年和2010年世界苯乙烯產能分別為3317 萬t a-1、3535萬t a-1和3724萬t a-1, 2012年全球苯乙烯生產能力達到 3836萬t a-1,產量 和消費量均約為2757萬噸。2012年世界苯乙烯產能主要分布在亞太、西歐和北美地區(qū)。 其中，亞洲地區(qū)1992萬t a-1,約占54%;西

8、歐地區(qū)702萬t a-1,約占20%;北美地區(qū)662 萬t a-1,約占18%。截止目前，全球范圍內已有30多個國家及地區(qū)建有百余套規(guī)模大小不一的苯乙烯生 產裝置。在這些生產苯乙烯的國家及地區(qū)中，美國的生產能力最大，中國位居第二位。從 地區(qū)供需狀況看，亞太地區(qū)是最主要的凈進口地區(qū)，中南美洲及非洲也是苯乙烯的凈進口 地區(qū)，但數量較少。北美及中東地區(qū)仍是苯乙烯最主要的出口地區(qū)，西歐也略有出口，但 基本保持供需平衡關系，出口量不大。根據市場調查分析5,由于全球經濟依舊沒有從金融危機的陰影中完全擺脫，將導致 全球對于苯乙烯的需求量不會有太大增長。預計未來幾年，苯乙烯供應和消費將繼續(xù)保持 增長，但增速明

9、顯低于前5年。產能年平均增速降至2.2%,而需求的年平均增速為3.5%。 據預計，到2017年全球苯乙烯產能將增至3940萬噸，消費量將達到3274.0萬噸。其中， 亞洲苯乙烯需求量將達到1965.9萬噸，約占世界苯乙烯總需求量的 60%。統(tǒng)計顯示，中國 對苯乙烯的需求量最大；其次為美國、西歐、日本。由于受中東及北美地區(qū)生產量所占份 額巨大等種種原因制約，使得未來幾年苯乙烯的供求差加大的壓力依然存在。我國苯乙烯供給及需求現狀近年來，我國苯乙烯生產加速發(fā)展，近期有不少裝置投產6。2008年我國苯乙烯總產能為317.4萬噸，2009年總產能為382.4萬噸。截止2010年，我國苯乙烯生產企業(yè)有 2

10、0 多家，總產能達到了 605.9萬噸，約占世界總產能的16.2%。2011年，我國苯乙烯擴能增 速放緩，全年共有5套裝置建成投產，包括常州新日（25萬ta-1）、延長石油（12萬ta1）、 青島煉化（8.5萬ta-1）、茂名石化（3.0萬ta-1）、燕山石化（2.7萬ta-1）,合計新增產 能51.2萬t a-1。截止2011年年底，我國苯乙烯生產企業(yè)增至 31家，總產能達到610.3萬 噸。2011年國內苯乙烯產量為450萬噸（2010年為380萬噸），同比增長18.4%,行業(yè)平 均開工率為73.7%。至2012年年底，我國苯乙烯年產能已達到 659.9萬噸。進入本世紀以來，在下游產品市場

11、需求的強力推動下，我國已成為苯乙烯需求量增速 最快的國家之一。20072012年7我國苯乙烯表觀消費量年均增長速率為12.1%。預計20132017年我國苯乙烯的表觀消費量年均增速將達到5.2%。2012年我國苯乙烯消費量為822.6萬噸，同比增長3.3%,產品自給率達到59.85%。預計到2017年，我國對苯乙烯的 總消費量將達到約1000萬噸，屆時年產能將達到860萬噸，供應缺口仍將繼續(xù)存在。據 調查網，隨著國外苯乙烯產能逐步向中國轉移，國內苯乙烯產業(yè)將面臨著越來越大的挑戰(zhàn)，尤其是中東國家苯乙烯的進口比重將明顯增加，鑒于其低成本優(yōu)勢，國內苯乙烯市場將面甲苯甲醇側鏈烷基化生產苯乙烯工藝設計臨

12、更加激烈的競爭。1.1.3.3苯乙烯供給及需求現狀對我國苯乙烯產業(yè)的影響從我國苯乙烯的發(fā)展現狀9來看，國內需求的巨大缺口和持續(xù)強勁的增長勢頭，是我 國苯乙烯生產不斷增長的原動力。同時受國內苯乙烯新建裝谿開工較晚、開工率較低以及 對國內沒有形成有效的供應的影響，使得我國的苯乙烯市場仍呈產不足需的現狀，雖然我 國苯乙烯的產能和產量增速明顯，但依然沒有改變我國苯乙烯供不應求的局面，使我國的 苯乙烯的進口依存度高達69.2%,雖然2013年同比下降了 5.3個百分點，但供需缺口依然 較大。從長遠來看，雖然全球苯乙烯的生產能力已出現了過剩的態(tài)勢，但隨著亞洲地區(qū)尤其 中國消費量的不斷增加，使得我國苯乙烯裝

13、置的投資繼續(xù)呈快速增長態(tài)勢，苯乙烯市場供 需矛盾得到根本緩解，供需基本平衡或略有缺口。所以對于我國的苯乙烯工業(yè)而言，慎重 規(guī)劃在建項目、減少盲目投資、加大現有苯乙烯裝置的技改力度和繼續(xù)完善催化干氣制苯 乙烯技術的開發(fā)，已是我國苯乙烯行業(yè)（企業(yè)）提高市場競爭力的關鍵因素。1.1.4苯乙烯生產技術介紹目前，世界上生產苯乙烯的方法10主要有乙苯氧化脫氫法、乙苯催化脫氫法、苯乙烯 /環(huán)氧丙烷聯(lián)產法（問接氧化法）、甲苯甲醇側鏈烷基化法等。其中，乙苯催化脫氫法和苯 乙烯/環(huán)氧丙烷聯(lián)產法應用最為廣泛。乙苯氧化脫氫法乙苯氧化脫氫法制苯乙烯11主反應方程式為:C6H5c2H512O2C6H5cHCH 2 H2O

14、(1-1)該生產工藝雖已研究多年，但仍處于試驗階段，主要由于氧化脫氫的副產較多，部分 副產影響產品質量，故還未有建廠的可能。但這一路線對于降低長期困擾苯乙烯生產廠家 的高能耗問題無疑具有極為重要的意義，為尋找并最終實現苯乙烯生產的低溫節(jié)能新工藝 拓寬了思路。乙苯催化脫氫法乙苯催化脫氫制苯乙烯12是當前世界上較為先進的生產苯乙烯的方法。其主反應方程式為：(1-2)650 cc6H5c2H5C6H5CHCH 2 H2從熱力學上看，提高溫度、降低體系壓力對平衡有利，因而目前工業(yè)上一般需要900C 蒸汽加熱，反應溫度大于 600C,且采用負壓裝置。但反應溫度的提高受到很大的限制， 因為過高的反應溫度不

15、僅容易導致乙苯裂解而產生苯、甲苯、CO、CO2等副產物，而且能耗很大，經濟上不合理。因此，必須依靠催化劑研制技術 13的不斷提高和反應器型式的改 進來加以解決。目前，乙苯催化脫氫制苯乙烯技術已經相當成熟，幾乎所有的苯乙烯生產裝置都采用了低阻降的新型反應器、負壓脫氫工藝和能量的綜合利用等技術措施14,使苯乙烯生產的物耗和能耗降低到了極限水平，因此迫切需要開發(fā)新的苯乙烯生產工藝。苯乙烯/環(huán)氧丙烷聯(lián)產法苯乙烯/環(huán)氧丙烷聯(lián)產法15以乙苯和丙烯為原料，得到苯乙烯和環(huán)氧丙烷。在該生產路 線中，先用氧氣將乙苯氧化成過氧化物，生成的乙苯過氧化物作為氧化劑氧化丙烯生產環(huán) 氧丙烷和甲級甲醇，甲級甲醇脫水生成苯乙烯

16、。反應產物中苯乙烯與環(huán)氧丙烷的質量比為 2.5: 1。但其工藝復雜且流程長，容易腐蝕設備，一次性投資很大，能耗高，難以成為主 導方法，因此其產量僅為苯乙烯總產的 10%。甲苯甲醇側鏈烷基化法甲苯甲醇側鏈烷基化法16制苯乙烯主反應方程式為：C6H5cH3 cH30H 425c C6H5cH = CH2 H20 H2(1-3)它采用甲苯和甲醇為原料，在常壓、溫度為 400425c條件下進行。使用的是專有催 化劑，操作條件緩和；由于沒有脫氫反應，此方法吸熱減少50%,尾氣轉化為熱能循環(huán)利用，比乙苯脫氫的傳統(tǒng)工藝降低能耗 40%o該反應副反應少，轉化率和選擇性高，溫室氣 體排放大幅度減少，是一種生成苯

17、乙烯的全新低能耗工藝。 目前，該工藝還處于研究階段。 1.1.4.5 總結盡管目前大部分工業(yè)苯乙烯是乙苯催化脫氫得來的，但是該法流程較長，副反應多， 且該反應為強吸熱反應，需要輸入大量熱能，工業(yè)上一般需要用900c蒸汽加熱，反應溫度大于600C,能耗高。近年來17,乙苯生成苯乙烯的技術開發(fā)大部分集中在催化劑和設 備優(yōu)化上，難以從根本上改變工藝耗能狀況，因此很難具備競爭優(yōu)勢。加上需要以石油化 工產品為原料，在國際石油資源日益緊缺的背景下，近年來乙苯價格高漲。這些因素制約 著該工藝的進一步發(fā)展，使得苯乙烯及其下游聚苯乙烯的生產受到很大的限制。現代化工產業(yè)中，甲苯過剩，其直接利用率很低，同時，我國又

18、是煤炭資源大國，煤 制甲醇技術在我國已得到迅猛發(fā)展，因此用甲苯、甲醇為原料代替或減少苯、乙烯為原料 的化工產品生產路線的開發(fā)和研究已成為煤化工的研究熱點，日益引起人們的重視180該技術和傳統(tǒng)工藝相比具有明顯的競爭優(yōu)勢，同時還為苯乙烯的生產開辟了一條新的途徑， 使得甲苯甲醇側鏈烷基化法生產苯乙烯的新工藝19生產成本明顯降低，整個反應節(jié)約原料 成本約35%。由于原料價格和能耗大大低于乙苯脫氫工藝，每噸苯乙烯可節(jié)約350400美元，而且大大減少投資成本。甲苯甲醇側鏈烷基化制苯乙烯技術工藝簡單，流程短，設備 投資和可變費用比傳統(tǒng)乙苯脫氫法優(yōu)越，原料價格低廉，來源廣泛，改變了苯乙烯生產嚴 重依賴石油的不

19、利局面，是一種具有潛在競爭能力的新方法，同時為C1的綜合利用帶來新 的途徑20。在我國對苯乙烯需求的巨大缺口和持續(xù)強勁的增長勢頭形勢下，該節(jié)能環(huán)保型 新工藝的開發(fā)和進一步的商業(yè)化勢在必行。綜上所述，本設計選用甲苯甲醇側鏈烷基化法制苯乙烯的生產工藝，在常壓、反應溫 度約為400425c下在固定床反應器中進行反應。得到的苯乙烯產品及副產物再進行下一 步的分離和精儲。此技術研究的成功將對取代傳統(tǒng)的乙苯脫氫工藝提供可靠的技術支持，甲苯甲醇側鏈烷基化生產苯乙烯工藝設計為該新工藝下一步的工業(yè)化提供依據0設計依據2015年青島科技大學設計指導書?；すS廠初步設計文件內容深度規(guī)定HG/T20688-2000

20、O鍋爐和壓力容器用鋼板GB713-2008。固定式壓力容器GB150-2011。(3)化工裝置設備布置設計規(guī)定 HG20546-2009。(4)化工裝置管道布置設計規(guī)定 HG/T20549-1988。(5)化工設計相關規(guī)定，國家及地方經濟、建筑、環(huán)保等相關政策。廠址的選擇廠址選擇的原則廠址選擇對于整個設計工作來說，是十分重要的環(huán)節(jié)。它是基本建設前期工作的重要 組成部分，是根據國名經濟建設計劃和工業(yè)布局的要求選擇和確定工廠的建設位置。一個 工廠的廠址選擇是否合理，將對建廠的速度，建設投資，對項目建成后的經濟效益，社會 效益和環(huán)境效益的發(fā)揮，對輕化工業(yè)的合理布局有深遠影響。在廠址的選擇中，不僅要考

21、 慮自然條件還需要顧及原料合成品的供銷，運輸情況，燃料、水、電、氣的供應，勞動后 備力量的來源，施工條件。(1)對區(qū)域位置的要求要盡量接近原材料、燃料的產地及產品銷售地區(qū)；要遠離重要的鐵路樞紐站、大型橋梁、大型儲油庫、重要軍事工程、飛機場等戰(zhàn) 略目標；要避開高壓輸電線路，不壓城市地下管線；對于可能產生工業(yè)廢水的項目，應位于城鎮(zhèn)、江河、港區(qū)、水源地等的下游；對于可能產生大量廢氣的項目，應位于城鎮(zhèn)的下風向；滿足當地規(guī)劃要求，在文物地區(qū)或風景保護區(qū)時，應有當地主管部門同意文件。(2)對廠址面積的要求對廠址面積應滿足生產區(qū)、三廢處理場及其他設施的用地要求和環(huán)境條件，并考慮留 有適當的發(fā)展用地。(3)對

22、地形的要求能滿足生產工藝流程和運輸布置的要求，并有適當的發(fā)展余地；不受洪水、海潮等自然災害的影響和大型水庫潰壩的威脅；廠址外形盡可能簡單，地形坡度不要太大，以減少土石方工程量；不占或少占耕地和林地，少拆遷民房或其他建 (構)筑物。(4)對交通運輸條件的要求廠區(qū)交通應與廠外公路、鐵路、碼頭連接方便，交通運輸建設工程量盡量減小。(5)對動力供應條件的要求廠址應靠近熱電廠，供電、供汽有可靠的來源；自設熱電站和鍋爐房時，燃料供應可 靠，留有儲煤、儲灰場地。(6)對水源條件的要求對用水量不大的工廠，應能選用城市供水，不必修建專用取水設施；對用水量大的工廠，應盡可能靠近河流、水庫等地面水源，以便自建專用設

23、施取 水，如金屬選礦廠等；水質能滿足生產的要求，如釀造、無機化工、食品、藥品加工等工廠往往對水質 有特殊要求。(7)對生活福利設施條件的要求生活區(qū)應與廠區(qū)同時選定，生活區(qū)應不受工廠污染物排放的影響，并與廠區(qū)有一 定的衛(wèi)生防護距離；生活區(qū)應符合城鎮(zhèn)規(guī)劃的要求；生活區(qū)要盡量靠近城鎮(zhèn)及交通便捷地區(qū)，便于利用城鎮(zhèn)的文化福利設施，解決社 會依托問題。(8)對安全防護條件的要求 易燃、易爆和有毒產品的生產地點，應遠離城鎮(zhèn)和居民區(qū)；符合城鎮(zhèn)對人防設施的要求； 符合城鎮(zhèn)對生產、防震、消防、安全、衛(wèi)生等方面的要求。(9)對排污條件的要求廠址的方位、地形等要有利于污染物的排放和擴散，如良好的自然通風條件有利于廠

24、房內外煙塵和廢氣的擴散，有利的地形便于廢水、廢渣自流輸送；對環(huán)境保護有影響的工 業(yè)建筑，必須按有關環(huán)保規(guī)定，落實“三廢”防治措施。(10)對氣象條件的要求應考慮高溫、高濕、云霧、風沙、暴風、落雷、滾雷區(qū)對項目的不良影響；以及考慮 冰凍線對建(構)筑物基礎和地下管線敷設的影響。(11)對施工條件的要求當地建筑材料充足；有較好施工隊伍和施工機械設備條件，施工期水、電可供應。1.3.2廠址的評價(1)優(yōu)越的地理位置東營中海石油煉廠位于山東東營港、東營港經濟開發(fā)區(qū)，東臨東港高速公路，距東營 永安機場60公里，距離東營港、黃東大鐵路僅有 20多公里，對于公司原料引進，產品外 輸均有得天獨厚的地理優(yōu)勢。黃

25、河故道流經公司東側，優(yōu)良的地理條件為公司的生產發(fā)展7甲苯甲醇側鏈烷基化生產苯乙烯工藝設計提供了廣闊的空間。廠址方位圖如圖1-1所示圖1-1廠址方位圖Figure 1-1 Direction diagram of location of factory(2)優(yōu)越的建設條件中國黃河三角洲開發(fā)建設引起了國內外的廣泛關注。聯(lián)合國開發(fā)計劃署把“支持黃河 三角洲可持續(xù)發(fā)展”作為支持中國二十一世紀議程的第一個優(yōu)先項目援助實施，聯(lián)合 國工業(yè)發(fā)展組織確認東營市為國際綠色產業(yè)示范區(qū)。國家先后批準東營市為沿海經濟開放 區(qū)、農業(yè)綜合開發(fā)區(qū)、國家生態(tài)經濟示范區(qū)，將發(fā)展黃河三角洲生態(tài)經濟列入國家 “十五” 和“十一五”計

26、劃。山東省經濟社會發(fā)展計劃、規(guī)劃歷來把東營港、東營港經濟開發(fā)區(qū)列 為黃河三角洲對外開放的重要窗口。黃河三角洲高效生態(tài)經濟區(qū)，將東營市列為主戰(zhàn)場， 東營港、東營港經濟開發(fā)區(qū)將成為突破點。東營港經濟開發(fā)區(qū)建設五年多來，堅持以科學 發(fā)展觀為指導，加快推進黃藍國家戰(zhàn)略實施，步入了科學發(fā)展的快車道。(3)總廠優(yōu)勢中海石油東營石化有限公司于 2008年11月15日正式注冊成立，注冊資金5221.20萬 元，占地面積1400畝。公司現有150萬噸/年常減壓裝置1套，80萬噸/年延遲焦化1套， 50萬噸/年瀝青裝置1套,40萬噸/年加氫制氫裝置1套，20萬噸/年催化裂化裝置1套，4 萬噸/年氣體分離裝置1套，

27、2萬噸/年MTBE裝置1套，年綜合加工能力達到346萬噸。 主要產品有93#、90#無鉛汽油、0#、-10跺油、液化氣、丙烯、MTBE、石腦油、瀝青、 焦炭等。(4)日益完善的基礎設施。全區(qū)已累計完成基礎設施配套投資 13.3億元，累計建成通車道路46公里，鋪設供水 管線84公里，架設電力線路115公里，完成填土 4500多萬立方米，日處理能力5萬噸的 污水處理廠即將投入使用，項目承載能力日益增強。(5)良好的投資環(huán)境東營港建設了高標準的行政審批服務中心，實現了一站式服務，形成了優(yōu)質、高效、 廉潔的政務環(huán)境。大力推進“文明港區(qū)”、“和諧港區(qū)”和“平安港區(qū)”建設，開發(fā)區(qū)先 后被評為省級文明單位，

28、全國最具投資潛力的十強省級開發(fā)區(qū)，多年在市政府綜合考核中 名列前茅。設計規(guī)模與生產制度設計規(guī)模本裝置以甲苯、甲醇為原料，采用側鏈烷基化合成方法，苯乙烯的生產能力為年產11萬噸，裝置設計運行時間為 7200h a1。生產制度實行“四班三倒制”的生產制度。原料與產品規(guī)格原料及其組成工業(yè)級甲苯：純度 冷5% (mol%)甲醇：純度 冷9.5% (mol%)產品及其規(guī)格苯乙烯外觀為無色透明液體，無可見雜質。工業(yè)用苯乙烯符合下列技術要求見表1-2。表1-2苯乙烯產品規(guī)格Table 1-2 The product specifications of styrene項目判斷標準一級二級色度號三1550苯乙烯

29、含量%叁99.699.0 (wt)聚合物X 10-4三1050 (wt)一乙烯基苯%三0.0030.005 (wt)總芳煌%三0.51.0 (wt)苯甲醛%三0.020.4(wt)甲苯甲醇側鏈烷基化生產苯乙烯工藝設計2工藝設計與計算工藝原理苯乙烯生產原理概述甲醇對甲苯進行側鏈烷基化制苯乙烯的新工藝早在30多年前就曾提出21,但由于甲醇易于分解成氫氣和一氧化碳，而氫氣可使苯乙烯轉化成乙苯，使苯乙烯收率僅10%,難以進行商業(yè)化生產。本設計采用同濟大學朱志榮、王群龍等人發(fā)明專利22,以二氧化碳為反應介質，技術 特點是將二氧化碳作為一個弱氧化劑，利用二氧化碳與氫氣的氧化還原生成一氧化碳CO與水的反應，

30、防止脫下的氫氣與苯乙烯加成生成乙苯，從而提高了苯乙烯產物的選擇性。 另一方面，在本發(fā)明方法中還利用了二氧化碳與催化劑上結碳成分的氧化還原生成一氧化 碳CO的反應，有效抑止了催化劑上結碳導致失活的過程，從而提高了甲苯與甲醇烷基化 合成苯乙烯反應穩(wěn)定性?；瘜W反應(1)主反應該反應是酸堿共同催化的反應，首先甲醇在堿中心上分解為甲醛，甲苯吸附在酸中心 上，其側鏈甲基為堿中心激化，然后甲醛和活化了的甲基反應生產苯乙烯230方程式為： TOC o 1-5 h z CH 30H HCHO H2(2-1)C6H5cH 3 HCHO 一 C6H5cH = CH 2 H20(2-2)C02 H2 CO H2O(2

31、-3)(2)副反應少量的甲醛進一步分解為一氧化碳和氫氣，部分生成的苯乙烯與產生的氫氣反應產生 乙苯，少量苯乙烯在水蒸汽的作用下聚合生成e甲基蔡(焦油主要成分)。方程式為：HCHO CO H2(2-4)C6H5CH =CH2 H2 C6H5CH2cH3(2-5)3c8H8 2H2O - 2C11H10 2CO 4H2(2-6)甲苯甲醇法制苯乙烯催化劑甲苯和甲醇在催化劑上的吸附和活化是反應的重點。因此催化劑是該工藝的關鍵。該1010催化劑可在常壓、反應溫度 425c時使甲苯和甲醇一步合成苯乙烯。這種催化劑是具有堿 性活性中心的分子篩，其孔結構更優(yōu)化，可以用于標準的固定床反應器24。反應需要一定強度

32、的堿性位來極化甲苯甲基和催化甲醇生成活性中間體甲醛，甲苯優(yōu)先吸附在堿性較強 的沸石上，而甲醇優(yōu)先吸附在堿性較弱的沸石上。因此此反應要求催化劑具有合適的酸堿 匹配。如果催化劑堿性過強25,會使甲醛進一步分解，同時產生更多的氫氣和乙苯，如果 催化劑酸性過強，則會發(fā)生苯環(huán)的烷基化和甲苯歧化，生成苯和二甲苯。同時苯環(huán)的存在 要求催化劑有一定的空間結構。鉀離子交換的不同沸石的活性順序為 KXKYKM、KXKZSM-5 , A型、絲光沸石及 ZSM-5都不能為側鏈烷基化反應提供合適的反應空間，因此活性很低。而 X和Y型沸石 則不同，它們不僅具有大空間的超籠（l.18nm）,而且具有大的孔口直徑（0.74n

33、m）,使 甲苯在晶體內容易與酸中心和堿中心配合，完成與甲醇（甲醛）側鏈烷基化過程，表現出 高的催化活性。另外，沒有規(guī)則晶體結構的一些堿性催化劑， 如：MgO、MgO-TiO、Ca-TiO2 等26,已經報道其只有很小的甲苯、甲醇側鏈烷基化催化活性。因此，規(guī)則的晶體結構以 及象KX沸石那樣的孔徑大小，對甲苯、甲醇側鏈烷基化反應是非常重要的，X型沸石是普通認可的、有效的甲苯、甲醇側鏈烷基化合成苯乙烯的催化劑。工藝流程簡述本設計用ASPEN軟件對苯乙烯生產工藝進行設計模擬27,工藝流程分為反應工段、 分離工段和精儲工段。反應工段流程簡述圖2-1反應工段流程圖Figure 2-1 Flow diagr

34、am of reaction section首先，甲苯和甲醇在流量控制下進入混合器 M0101進行混合，經換熱器 E0101加熱 至425c后經流量和溫度控制進入固定床反應器 R0101,與經過換熱器E0102加熱后的CO2 進行反應，得到含苯乙烯、乙苯、H2、CO等物質的粗產物。反應粗產物經流量控制進入11甲苯甲醇側鏈烷基化生產苯乙烯工藝設計換熱器E0103冷卻至60 c后進入分離工段分離工段流程簡述I 口.寫正史Alslw圖2-2分離工段流程圖Figure 2-2 Flow diagram of separation sectionE0104進行進一步由換熱器E0103冷卻后的物流在流量控

35、制下進入兩相閃蒸罐V0101,將氣相和液相分離，氣相進入廢氣處理工序，液相組分則經流量和溫度控制進入換熱器的冷卻。冷卻至10 C的油水混合物在溫度和流量控制下進入油水分離器V0102分離出水相和油相。水相通過流量控制進入廢水儲罐儲存，油相組分則進入乙苯塔T0101精儲工段流程簡述圖2-3精儲工段流程圖Figure 2-3 Flow diagram of refined section121D10912進入乙苯塔T0101的混合產物在T0101中精儲，分離出苯乙烯和乙苯。乙苯塔 T0101 再沸器E0104由0.2MPa的蒸汽加熱。汽化后的氣相苯乙烯沿塔盤上升，并在塔盤上不斷 進行部分冷凝和部分

36、汽化，直到塔頂。塔頂組分經乙苯塔冷凝器（E0201）冷凝后進入乙苯塔頂回流罐（V0201）,之后一部分冷凝液由乙苯塔回流泵（P0201）經流量和液位控制 返回到乙苯塔內作為回流；一部分則進入脫甲苯塔T0102進行進一步精微分離。輕組分甲苯在脫甲苯塔頂采出后經流量控制進入冷凝器 E0203進行進一步冷凝至25c后循環(huán)回混 合器M0101 ,重組分乙苯則在塔底采出，經流量控制進入乙苯冷卻器（E0106）冷卻至35 C 后進入乙苯儲罐（V0104） o在乙苯塔底流出的重組分苯乙烯和少量焦油進入苯乙烯精儲 塔T0103將其分離。最終苯乙烯產品由苯乙烯塔 T0103塔頂采出經流量控制進入苯乙烯產 品冷卻

37、器（E0205）冷卻至35c后進入苯乙烯儲罐（V0204）儲存，重組分焦油則在塔頂 采出經過焦油換熱器（E0108）冷卻至35c后進入焦油儲罐（V0105）儲存，之后進入廢 料處理工序。工藝參數本次設計的主要工藝參數及指標如下表2-10表2-1工藝參數Table 2-1 Process parameters1乙苯塔塔頂壓力Mpa0.12乙苯塔塔頂溫度C69.52.43乙苯塔塔底溫度C145.6物4脫甲苯塔塔頂壓力Mpa0.15脫甲苯塔塔頂溫度C68.6料6脫甲苯塔塔底溫度C135.27苯乙烯精福塔塔頂壓力Mpa0.1衡8苯乙烯精儲塔塔頂溫度C145.4算9苯乙烯精儲塔塔底溫度C243.02.4

38、.1物料衡算的意義與作用物料衡算依據質量守衡定律，以設備或生產過程為研究系統(tǒng)，對進出口定量計算。再 生產過程中物料生產對于控制生產過程有著重要的指導意義。在實際生產過程中，物料衡 算可以揭示物料的浪費和生產過程的反常現象，從而幫助找出改進措施，提高成品率及減 少副產品、雜質和三廢排放量。物料衡算還可以檢驗生產過程的完善程度，對生產工藝設 計工作也有重要的指導作用。物料衡算時計算原料與產品之間的定量關系，由于定出原料13甲苯甲醇側鏈烷基化生產苯乙烯工藝設計和輔助材料的單耗指標以及生產過程中各階段的原料和輔助材料的損耗量及組成。物料衡 算也是能量衡算、定型設備選型、非定型設備工藝計算和其它工藝計算

39、的基礎。通過物料 衡算可以計算出各工段所處理的物料量（各組分的組成、重量合體積），便可以定出生產 過程所需設備臺數、容量和主要尺寸及計算管道尺寸等。所以物料衡算是工藝計算的主要 部分28。物料衡算的基本方法物料衡算式(2-7)物料衡算的基礎是質量守恒定律。根據質量守恒定律可以寫出:進入系統(tǒng)的物料質量=輸出系統(tǒng)的質量 十系統(tǒng)內積累的物料對連續(xù)生產過程，系統(tǒng)內無物料的積累，上式變?yōu)?進入系統(tǒng)的物料質量=輸出系統(tǒng)的物料質量(2-8)本次設計采用Aspen Plus軟件模擬，熱力學模型選用RK-SOAVE方法，物料衡算以單 位時間的質量流量為基準。物料衡算用Aspen對工藝進行模擬設計，流程見圖 2-

40、4。圖2-4苯乙烯生產工藝模擬流程圖Figure 2-4 Flow simulation diagram of styrene production process物料衡算結果總物料平衡總物料平衡見表2-2。表2-2總物料平衡Table 2-2 Total material balance1414物料名稱-1kg h物料名稱-1kg h18164.168苯乙烯14866.607甲醇5340.467乙苯1051.664二氧化碳7921.764水146.903混合氣12399.421焦油2961.804合計31426.39931426.3992.4.3.2系統(tǒng)物料平衡系統(tǒng)物料平衡見表2-3表2-3

41、系統(tǒng)物料平衡Table 2-3 Material balance of the system1234流股名稱甲苯進料甲醇進料出混合器M0101的物料出換熱器E0101的物料甲苯一 M0101甲醇一 M0101M0101 E0101E0101 R0101質量百分數%10.9350.935苯乙烯氫氣甲醇10.0650.065水一氧化碳乙苯二氧化碳焦油溫度C25.025.018.8425.0壓力bar1.0131.0131.0131.013總流里kg h76783.4595340.46782123.92682123.926流率m3 h-188.7976.73593.31257061.611始 Gca

42、l h-12.392-9.649-7.25616.202密度kg m-3864.707792.921880.0981.439液相分率1.001.000.000.00黏度 液相0.5540.5380.595cp 氣相0.016續(xù)表2-3系統(tǒng)物料平衡Table 2-3 Material balance of the system (Continual table)15甲苯甲醇側鏈烷基化生產苯乙烯工藝設計物流號5678流股名稱CO 2進料出換熱器E0102的物料出反應器R0101的物 料出換熱器E0103的物料aCO2 一 E0102E0102 R0101R0101 E0103E0103 V0101

43、質魚百分數%甲苯0.6910.691苯乙烯0.1720.172氫氣2.58E-042.58E-04甲醇水0.0610.061一氧化碳0.0470.047甲醛0.0030.003乙苯0.0100.010二氧化碳110.0150.015焦油0.0020.002溫度C25.0425.0425.060.0壓力bar1.0131.0131.0131.013總流里kg h4439.967921.76490045.69090045.690流率m3 h-17921.76410313.35876587.03710108.706次含 Gcal h-1-16.920-16.1583.880-18.786密度kg m

44、-31.7840.7681.1768.908液相分率0.000.000.000.725黏度液相0.410cp氣相0.2690.0310.0180.015續(xù)表2-3系統(tǒng)物料平衡Table 2-3 Material balance of the system (Continual table)1616物流號9101112出閃蒸罐V0101的出閃蒸器V0101出換熱器E0104的物出油水分離器流股名稱混合氣的物料料V0102的水V0102 一廢水處aV0101 一廢氣處理V0101 E0104E0104 V0102理質魚百分數%甲苯0.3220.7490.7491E-09苯乙烯0.0250.1950

45、.195氫氣0.0022.01E-04201E-04甲醇水0.1820.0420.0421一氧化碳0.3431.06E-041.06E-049E-09甲醛0.0165.33E-045.33E-049.47E-07乙苯0.0020.0110.011二氧化碳0.108335E-04335E-041E-04焦油5E-040.0020.002溫度C60.060.010.010.0壓力bar1.0131.0131.0131.013總流里kg h12267.65977778.04277778.0422995.527流率m3 h-110018.02690.67985.1092.946始 Gcal h-1-1

46、3.398-5.387-7.313-11.562密度kg m-31.225857.726913.8671016.819液相分率0.001.001.001.00黏度 液相0.4100.7861.302cp氣相0.015續(xù)表2-3系統(tǒng)物料平衡Table 2-3 Material balance of the system (Continual table)17甲苯甲醇側鏈烷基化生產苯乙烯工藝設計物流號13141516出分離器V0102的乙苯塔塔底重組流股名稱乙苯塔塔頂輕組分循環(huán)甲苯物料aV0102 T0101T0101 T0103T0101 T0102T0102 E0203質魚百分數%甲苯0.77

47、90.9770.994苯乙烯0.2030.9900.0033.94E-04氫氣2.09E-042.68E-042.73E-07甲醇水0.0040.0050.005一氧化碳1.10E-041.41E-041.43E-04甲醛5.54E-047.08E-047.21E-04乙苯0.0125.67E-040.0141.45E-04二氧化碳3.48E-044.46E-044.55E-04焦油0.0020.0091.3E-08溫度C10.0146.269.568.2壓力bar1.0131.0131.0131.013總流里kg h74782.50815164.45259618.05658565.667流率

48、m3 h-183.55819.2772.23670.855始 Gcal h-13.5724.4041.7631.696密度kg m-3894.98786.561825.327826.561液相分率1.001.001.001.00黏度 液相0.7090.2270.3500.352cp氣相續(xù)表2-3系統(tǒng)物料平衡Table 2-3 Material balance of the system (Continual table)1818物流號17181920流股名稱乙苯苯乙烯產品焦油出換熱器E0203的物料agT0102 一乙苯儲罐T0103 一苯乙烯儲罐T0103 一廢料處理E0203 M0101質

49、量百分數%甲苯0.0550.994苯乙烯0.1440.9973.94E-04氫氣2.58E-042.01E-042.73E-07甲醇水0.005一氧化碳1.43E-04甲醛7.21E-04乙苯0.8010.0021.45E-04二氧化碳4.55E-04焦油0.6320.0011溫度C135.6145.4243.025.0壓力bar1.0131.0131.0131.013總流里kg h1052.39015367.278126.60558565.667流率m3 h-11.37518.9240.34970.855始 Gcal h-10.0674.4690.1510.402密度kg m-3765.62

50、9868.425840.182864.707液相分率1.001.001.001.00黏度液相0.2380.2260.2690.560cp氣相物料衡算結果：從總物料衡算表 2-2可以看出物料是平衡的，從表 2-3中可以看出第18號物流即苯乙烯產品物流純度為99.7%,大于設計要求 99.5% (wt%),物流流量為19甲苯甲醇側鏈烷基化生產苯乙烯工藝設計15367.278kg hi-1,其年運行時間為7200h,則年產量為11.06萬噸，大于11萬噸/年，即設 計能夠達到要求。本設計采用AutoCAD軟件繪制系統(tǒng)物料流程圖（PFD）見附錄1、附錄2。2.5熱量衡算熱量衡算的意義與作用能量衡算的基

51、礎是物料衡算，而物料衡算和能量衡算又是設備計算的基礎。能量衡算 應包括熱能、動能、電能、化學能等。但在許多化工操作中，經常涉及的能量是熱能，所 以化工設計中的能量衡算是熱量衡算?；ぴO計工作中，通過熱量衡算可以得到換熱設備的熱負荷，這些換熱設備包括熱交 換器，加熱器，冷卻器，汽化器，冷凝器，蒸儲塔塔頂冷凝器，蒸儲塔再沸器等，而熱負 荷則是計算換熱設備不可缺少的數據。熱量衡算結果本設計中公用工程選用情況：冷卻介質選用冷卻水（21-31C）以及冷凍鹽水（-5C）, 加熱介質選用0.2MPa蒸汽（160C）以及0.5MPa導熱油（ 450C）,熱量平衡利用Aspen 中Heatx模塊對各換熱器進行模

52、擬計算，計算結果見表 2-42-7。表2-4系統(tǒng)熱量衡算表Table 2-4 Heat balance of system設備位號換熱物流熱負荷-1MJ h物流流量-1kg h入口出口溫度（C）液相分率溫度（C）液相分率E0101冷進料88434.0019.41.00425.000.00進料加熱器執(zhí)八、導熱油105909.155010800.00450.001.00440.001.00E0102冷CO27922.0025.000.00425.000.00CO2加熱器執(zhí)八、導熱油3190.06150930.00450.001.00440.001.00表2-5系統(tǒng)熱量衡算表2020Table 2-

53、5 Heat balance of system設備位號換熱物流熱負荷-1MJ h物流流量-1kg h溫度(C)液相 分率溫度(C)液相 分率E0103 粗產物冷卻冷冷卻水102053.52433664.0021.001.0031.001.00器執(zhí)八、苯乙烯等196354.587425.000.0060.000.737E0201 乙苯塔頂冷冷卻水4074.8735981.0021.001.0031.001.00冷凝器執(zhí)八、乙苯等35691.00111.711.0070.581.00E0202脫甲苯塔冷冷卻水61299.48118976.8721.001.0031.001.00頂冷凝器執(zhí)八、甲苯

54、221594.32111.310.0069.71.00E0107乙苯冷卻冷冷卻水163.165864.4121.001.0031.001.00器執(zhí)八、乙苯843.54135.70.0035.001.00E0204苯乙烯塔冷冷卻水12126.628928521.001.0031.001.00頂冷凝器執(zhí)八、苯乙烯33807146.280.0078.921.00E0205苯乙烯冷冷冷卻水3205.0221561021.001.0031.001.00卻器執(zhí)八、苯乙烯15367.2978.891.0035.001.00E0109焦油冷卻冷冷卻水497.3316721.001.0031.001.00器執(zhí)八

55、、焦油126.61243.60.0035.001.00表2-6系統(tǒng)熱量衡算表設備位號換熱物流-1MJ h-1kg h溫度(C)液相 分率溫度(C)液相 分率E0104冷冷凍鹽水7437.99177191.00-5.001.005.001.00液相冷卻器執(zhí)八、苯乙烯等83737.66260.001.0010.001.00E0203冷冷凍鹽水4982.47118812.00-5.001.005.001.00甲苯冷卻器執(zhí)八、一64203.5569.71.0025.001.00Table 2-6 Heat balance of system出口入口表2-7系統(tǒng)熱量衡算表21甲苯甲醇側鏈烷基化生產苯乙烯

56、工藝設計Table 2-7Heat balance of system設備位號換熱物流熱負荷-1MJ h物流流量-1kg h入口溫度（C）液相 分率出口溫度（C）液相 分率E0105 乙苯塔底再冷苯乙烯等64854.1015493.9035145.910.00146.130.00執(zhí)八、蒸汽196418.12160.000.00150.000.00E0106脫甲苯塔底冷乙苯61304.12179296.938134.180.00135.730.00再沸器執(zhí)八、蒸汽178453.39135.730.00134.180.00E0108 苯乙烯塔底冷焦油121457.5637148.75143.620

57、.00149.780.00再沸器執(zhí)八、蒸汽27889.67159.780.00150.870.00從表2-42-7熱量衡算結果表明，公用工程的冷卻水（2131 C）的年所需量為2233.83 萬噸，冷凍鹽水（-5C）的年所需量為213.12萬噸，0.2MPa蒸汽（160C）的年所需量為 289.99萬噸，0.5MPa導熱油（ 450C）的年所需量為 3716.44萬噸。22223設備選型設備選型的原則所謂設備選型即是從多種可以滿足相同需要的不同型號、規(guī)格的設備中，經過技術經 濟的分析評價，選擇最佳方案以做出購買決策。合理選擇設備，可使有限的資金發(fā)揮最大 的經濟效益。設備選型應遵循的原則如下：(

58、1)生產上適用一所選購的設備應與本企業(yè)擴大生產規(guī)?；蜷_發(fā)新產品等需求適應。(2)技術上先進一在滿足生產需要的前提下，要求其性能指標保持先進水平，以利提 高產品質量和延長其技術壽命。(3)經濟上合理一即要求設備價格合理，在使用過程中能耗、維護費用低，并且回收 期較短。設備選型首先應考慮的是生產上適用，只有生產上適用的設備才能發(fā)揮其投資效果； 其次是技術上先進，技術上先進必須以生產適用為前提，以獲得最大經濟效益為目的；最 后，把生產上適用、技術上先進與經濟上合理統(tǒng)一起來。一般情況下，技術先進與經濟合 理是統(tǒng)一的。因為技術一上先進的設備不僅具有高的生產效率，而且生產的產品也是高質 量的。但是，有時兩

59、者也是矛盾的。例如，某臺設備效率較高，但可能能源消耗量很大， 或者設備的零部件磨損很快，所以，根據總的經濟效益來衡量就不一定適宜。有些設備技 術上很先進，自動化程度很高，適合于大批量連續(xù)生產，但在生產批量不大的情況下使用, 往往負荷不足，不能充分發(fā)揮設備的能力，而且這類設備通常價格很高，維持費用大，從 總的經濟效益來看是不合算的，因而也是不可取的。關鍵設備選擇反應器R0101的選擇反應器的形式是由反應過程的基本特征決定的，本反應的原料以氣相進入反應器，在 高溫低壓下進行反應，故屬于氣固相反應過程。氣固相反應過程使用的反應器，根據催化 劑床層的形式可分為固定床反應器、流化床反應器和移動床反應器。

60、各反應器特征見表3-1。23甲苯甲醇側鏈烷基化生產苯乙烯工藝設計表3-1常用反應器特征表返混小，催化劑機械損耗小，便于控制ZLz 京傳熱效果好，可實現同體物料連續(xù)進出，壓返混嚴重，對催化劑顆粒要求嚴格，初i/KJ木降低易造成催化劑損失移動床停留時間可艾范圍大，返混小，機械設計復雜，傳熱效率差Table 3-1 Characteristics of commonly used reactor缺點反應器類型優(yōu)點本設計的反應屬于低放熱反應，物料溫升不到10C,而且催化劑在小試時曾連續(xù)運行1000小時不發(fā)生失活，所以為了最大限度的發(fā)揮催化劑高選擇性和高轉化率的優(yōu)勢、減小催化劑損失，流程的反應器采用技術