乙苯脫氫制苯乙烯裝置工藝設(shè)計(jì)

PAGEPAGEI遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙20萬(wàn)噸/年乙苯脫氫制苯乙烯裝置工藝設(shè)計(jì)摘要苯乙烯是最重要的基本有機(jī)化工原料之一。本文介紹了國(guó)內(nèi)外苯乙烯的現(xiàn)狀及發(fā)展概況，苯乙烯反應(yīng)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(shè)計(jì)以年處理量20萬(wàn)噸乙苯為生產(chǎn)目標(biāo)，采用乙苯三段催化脫氫制苯乙烯的工藝方法，對(duì)整個(gè)工段進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行了物料衡算，并利用流程設(shè)計(jì)模擬軟件AspenPlus對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行了全流程模擬計(jì)算，選用適宜的操作單元模塊和熱力學(xué)方法，建立過(guò)程模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算并繪制了帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行了簡(jiǎn)化計(jì)算，將整個(gè)流程分為了反應(yīng)和精餾分離兩個(gè)部分，利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行了模擬優(yōu)化，并確定了整套裝置的主要工藝尺寸。由于本設(shè)計(jì)方案使用計(jì)算機(jī)過(guò)程模擬軟件AspenPlus進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，減少了實(shí)際設(shè)計(jì)中的大量費(fèi)用，對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)及最優(yōu)綜合具有重要的實(shí)際意義。關(guān)鍵詞：乙苯，苯乙烯，脫氫，AspenPlus，模擬優(yōu)化AbstractStyreneMonomer（SM）isoneofthemostimportantorganicchemicals.Thisarticledescribesthepresentsituationanddevelopmentofstyreneathomeandabroad,styrenereactionconditions,catalystforethylbenzenedehydrogenationtostyrene,styreneproductionmethodsandproductionprocesses.Thisdesignisbasedontheannualhandlingcapacityof200,000tonsofethylbenzeneproductiontargets,ethylbenzenethree-stagedehydrogenationusingstyreneintheprocess,theentiresectionintheprocessdesignandequipmentselection.Accordingtotherequirementsofthedesignofthemissionstatementoftheentireprocessthematerialbalance,processdesignsimulationsoftwareAspenPlussimulationofthewholeprocessoftheentireprocess,choosetheappropriateoperatingunitmoduleandthermodynamicmethods,processmodelforsteady-statesimulationanddrawtheP&IDdiagram.Theentireprocessinthedesignprocess,simplifythecalculation,thewholeprocessisdividedintoreactionanddistillationtoseparatethetwoparts,theuseofcomputersimulationresultsontheentireprocessflowsimulationandoptimization,anddeterminethesizeofthemainprocessoftheentiredevice.ThisdesignusingcomputersimulationsoftwareAspenPlussimulationdesignedtoreducethesubstantialcostsoftheactualdesign,toimprovetheexistingprocessandoptimalsynthesishasimportantpracticalsignificance.Keywords：Ethylbenzene，Styrene，dehydrogenation，AspenPlus，Simulationandoptimization遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙PAGE1前言苯乙烯是一種重要的石油化工基本原料，是除聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、環(huán)氧乙烷(EO)以外的第四大乙烯衍生產(chǎn)品。其主要用于生產(chǎn)和制備聚苯乙烯(PS)、丁苯橡膠(SBR)、丙二烯—丁二烯—苯乙烯(ABS)樹(shù)脂、苯乙烯—順丁烯—苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯—丙烯腈(SAN)樹(shù)脂和不飽和聚酯等，并廣泛用在電子、汽車(chē)、建筑、包裝、日用輕工等領(lǐng)域中。在世界上，苯乙烯的主要生產(chǎn)方法為乙苯脫氫法、乙苯共氧化法、甲苯為原料合成苯乙烯法、乙烯和苯直接合成苯乙烯法和乙苯氧化脫氫法等。其中，工業(yè)化的生產(chǎn)方法為乙苯催化脫氫法和乙苯共氧化法，兩種方法所生產(chǎn)的苯乙烯分別占苯乙烯總產(chǎn)量的85%和15%。目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)苯乙烯的主要方法是乙苯脫氫法，它又包括Lummus/UOP乙苯脫氫工藝、Fina/Badger乙苯脫氫工藝和乙苯脫氫選擇性氧化工藝（Smart工藝）3種工藝?；ち鞒棠M(過(guò)程模擬)技術(shù)是以工藝過(guò)程的機(jī)理模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)方法來(lái)描述化工過(guò)程，通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算手段，進(jìn)行過(guò)程物料衡算、熱量衡算、設(shè)備尺寸估算和能量分析并做出環(huán)境和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的一門(mén)新興技術(shù)。它是化學(xué)工程、化工熱力學(xué)、系統(tǒng)工程、計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等學(xué)科相互結(jié)合的產(chǎn)物，在近幾十年中發(fā)展迅速，并廣泛應(yīng)用于化工過(guò)程的設(shè)計(jì)、測(cè)試、優(yōu)化和過(guò)程的整合領(lǐng)域。AspenPlus是一個(gè)生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)。AspenPlus是大型通用流程模擬系統(tǒng)，源于美國(guó)能源部七十年代后期在麻省理工學(xué)院（MIT）組織的會(huì)戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)新型第三代流程模擬軟件。該項(xiàng)目被命名為“過(guò)程工程的先進(jìn)系統(tǒng)”（AdvancedSystemforProcessEngineering，簡(jiǎn)稱(chēng)ASPEN），并于1981年底完成。1982年為了將其商品化，成立了AspenTech公司，并稱(chēng)之為AspenPlus。該軟件經(jīng)過(guò)20多年來(lái)不斷地改進(jìn)、擴(kuò)充和提高，已先后推出了十多個(gè)版本，成為舉世公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件，應(yīng)用案例數(shù)以百萬(wàn)計(jì)。苯乙烯現(xiàn)狀及發(fā)展概況苯乙烯（SM）作為不飽和芳烴中最簡(jiǎn)單的成員，是一種廣泛用于生產(chǎn)苯乙烯系列樹(shù)脂及丁苯橡膠的重要有機(jī)化工原料。在世界五大合成材料的產(chǎn)量中，苯乙烯系列樹(shù)脂的產(chǎn)量?jī)H次于聚乙烯和聚氯乙烯，名列第三位。此外，苯乙烯還可用于制藥、染料、農(nóng)藥和選礦等行業(yè)，用途十分廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上已有4O多個(gè)國(guó)家可以生產(chǎn)苯乙烯，生產(chǎn)能力已經(jīng)超過(guò)了21000kt/a。我國(guó)苯乙烯生產(chǎn)始于五十年代末期，至2000年生產(chǎn)能力已達(dá)922kt/a。2003--2006年，我國(guó)苯乙烯產(chǎn)量由948kt增至2166kt。與此同時(shí)，我國(guó)苯乙烯消費(fèi)最也由3603kt增至4503kt。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)苯乙烯產(chǎn)量不能滿足我國(guó)需求，2003--2006年我國(guó)苯乙烯進(jìn)口量為2343～2661kt。雖然我國(guó)苯乙烯產(chǎn)量不斷增加，但是需求量也在逐年增加，苯乙烯對(duì)外依存度依然很高[1]。據(jù)預(yù)測(cè)，2010年可達(dá)到3920kt/a。新增生產(chǎn)能力主要是新疆獨(dú)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(dá)300至600kt/a的大型苯乙烯裝置。乙苯脫氫制取苯乙烯反應(yīng)工藝條件研究乙苯脫氫的主反應(yīng)為：溫度乙苯脫氫反應(yīng)是可逆吸熱反應(yīng)，溫度升高有利于平衡轉(zhuǎn)化率的提高，也有利于反應(yīng)速率的提高。而溫度提高同時(shí)加快了乙苯的裂解和加氫裂解，即隨著溫度的升高，乙苯轉(zhuǎn)化率增加，而苯乙烯的選擇性降低。若溫度降低時(shí)，副反應(yīng)雖然減少，苯乙烯的選擇性提高，但反應(yīng)速率也相應(yīng)降低，產(chǎn)率也不高。故乙苯收率隨溫度變化存在一個(gè)最高點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)溫度為最適宜溫度。圖1-SEQ圖1-\*ARABIC圖1-SEQ圖1-\*ARABIC1G4-1催化劑下乙苯脫氫反應(yīng)溫度的影響[1]注：乙苯的液態(tài)空速為1h-1，乙苯/H2O,=1:3圖1-SEQ圖1-\*ARABIC圖1-SEQ圖1-\*ARABIC2乙苯平衡轉(zhuǎn)化率于進(jìn)料比的關(guān)系壓力從熱力學(xué)原理看，提高溫度、降低體系壓力有利于平衡，在工業(yè)生產(chǎn)中由于安全因素通常不采用負(fù)壓，故大都加入水蒸氣，作為稀釋原料氣。加入水蒸氣不僅可以降低乙苯的反應(yīng)壓力，促使平衡向右移動(dòng)以提高苯乙烯收率；而且水蒸氣經(jīng)冷凝后變?yōu)樗?，易與苯乙烯分離，來(lái)源易得，價(jià)格相對(duì)便宜，比熱容大，并且可以通過(guò)水煤氣反應(yīng)不斷排除催化劑上的積炭，使催化劑再生[2]。乙苯脫氫制苯乙烯催化劑研究對(duì)于乙苯脫氫制苯乙烯這一重要的石油化工過(guò)程，所用催化劑的研究開(kāi)發(fā)及更新?lián)Q代，從2O世紀(jì)3O年代以來(lái)持續(xù)發(fā)展。以催化劑為中心的工藝條件的優(yōu)化，反應(yīng)器類(lèi)型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也常有改進(jìn)[3~6]。乙苯脫氫反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)吸熱的分子數(shù)增加的反應(yīng)，從熱力學(xué)上看，提高溫度、降低壓力有利于平衡，因此目前工業(yè)上大多數(shù)采用負(fù)壓工藝。又因?yàn)檫^(guò)高的溫度不僅易導(dǎo)致乙苯裂解而產(chǎn)生苯，甲苯，二氧化碳等副產(chǎn)物，而且增加能耗，使得經(jīng)濟(jì)上不合理，故使反應(yīng)溫度的提高受到了很大的限制。因此，必須依靠催化劑研制技術(shù)的提高和工藝的改進(jìn)加以解決。國(guó)內(nèi)外苯乙烯催化劑研究現(xiàn)狀國(guó)外脫氫催化劑的研究始于20世紀(jì)3O年代，至今已有7O年的歷史。在苯乙烯生產(chǎn)工業(yè)化初期，使用的是鋅系催化劑和鎂系催化劑。由于需要很復(fù)雜的再生，所以到2O世紀(jì)4O年代又開(kāi)發(fā)了在水蒸氣的存在下有可能自身再生的氧化鐵一氧化鉀系催化劑。之后，含有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑鉻的Fe—K-Cr系催化劑占主導(dǎo)地位，并得到廣泛應(yīng)用。進(jìn)入2O世紀(jì)60年代，人們?cè)贔e—K—Cr系催化劑中，添加釩等元素以提高苯乙烯選擇性。20世紀(jì)7O年代，隨著全球環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，各國(guó)逐漸淘汰了含鉻量較大的Fe—K—Cr系脫氫催化劑，開(kāi)發(fā)了含有銫、鉬氧化物的Fe—K—Ce—Mo系催化劑，該類(lèi)催化劑因具有高選擇性而被廣泛用于絕熱型反應(yīng)器中。2O世紀(jì)8O年代，UCI公司開(kāi)發(fā)出G84C脫氫催化劑，不久又有G84C改進(jìn)型即G84D、G84E、G84F系列催化劑問(wèn)世。與此同時(shí)，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)催化劑公司也開(kāi)發(fā)成功了C035、C045等新型乙苯脫氫催化劑。近年來(lái)，德國(guó)南方化學(xué)公司又先后開(kāi)發(fā)成功了Stryomax1—4型苯乙烯催化劑，該類(lèi)催化劑以其優(yōu)良的反應(yīng)性能被許多國(guó)家的苯乙烯生產(chǎn)廠家所采用。目前，苯乙烯催化劑市場(chǎng)基本被四大集團(tuán)所壟斷，它們是SadChemieGroup南方化學(xué)集團(tuán)，Criterion催化劑公司，BASF公司和DOW公司。我國(guó)最早開(kāi)發(fā)的鐵系催化劑是蘭化公司合成橡膠廠研制的315型催化劑，廈門(mén)大學(xué)從2O世紀(jì)7O年代中期先后研制過(guò)11#和210型無(wú)鉻催化劑。近年來(lái)，上述兩單位又推出了345、355型和XH-02、XH一03和XH一04系列催化劑。大連化物所在氧化鐵基礎(chǔ)上，引入堿性促進(jìn)劑和添加金屬氧化物助劑，并開(kāi)發(fā)成功了DC系列催化劑。上海石化院在1984年至今的十多年中，先后開(kāi)發(fā)成功了Gs—01—Gs—O8系列催化劑，并成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多套絕熱或等溫反應(yīng)器。GS-O5、GS一06B、GS-08催化劑多次在引進(jìn)的大型裝置上應(yīng)用并獲得成功。國(guó)產(chǎn)化催化劑的成功開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，極大地提高了該類(lèi)催化劑在我國(guó)的研究水平，推動(dòng)了苯乙烯制造技術(shù)全面國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程，同時(shí)產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。國(guó)內(nèi)外催化工作者在努力提高苯乙烯催化劑的催化活性的同時(shí)，還根據(jù)乙苯脫氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)催化劑的外形、尺寸等進(jìn)行了研究，除常見(jiàn)的圓柱型催化劑外，還研制了三葉型、車(chē)輪型及拉西環(huán)型等異型催化劑，從多方面全方位提高催化劑的性能。國(guó)內(nèi)催化劑研發(fā)的建議深入研究乙苯脫氫反應(yīng)的機(jī)理乙苯脫氫制苯乙烯反應(yīng)屬典型的堿催化反應(yīng)。文獻(xiàn)上報(bào)道了在Fe2O3—K2O系催化劑上乙苯脫氫可能同時(shí)存在著兩種反應(yīng)過(guò)程，即直接脫氫和氧轉(zhuǎn)移脫氫。要通過(guò)對(duì)脫氫催化劑中氧原子進(jìn)行示蹤的方法，獲得脫氫催化劑中晶格氧參與反應(yīng)的確鑿證據(jù)，從而制定增加晶格氧活潑性的方案，促進(jìn)氧轉(zhuǎn)移脫氫反應(yīng)的快速進(jìn)行。對(duì)稀土元素在脫氫催化劑中的應(yīng)用研究對(duì)稀土促進(jìn)的Fe2O3—K2O系脫氫催化劑而言，在Fe2O3微晶的相邊界發(fā)生了氧化還原反應(yīng)如：Fe3++X3+==Fe2++X4+，促進(jìn)了Fe3+/Fe2+電子傳遞更頻繁地進(jìn)行，加速了氧化還原反應(yīng)周期，從而使催化劑脫氫活性增加，脫氫溫度降低。目前國(guó)內(nèi)外催化劑中均采用部分稀土元素作為促進(jìn)劑。我國(guó)作為世界上的稀土大國(guó)，稀土資源十分豐富，以往脫氫催化劑研究中對(duì)稀土種類(lèi)的選擇范圍太窄，復(fù)合稀土的應(yīng)用尚未涉及，應(yīng)加強(qiáng)此類(lèi)工作的研究。充分認(rèn)識(shí)催化劑的結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響催化劑的結(jié)構(gòu)決定催化劑的性質(zhì)。脫氫催化劑中存在的多鐵酸鉀具有型結(jié)構(gòu)，鉀離子隱藏在Fe—O骨架形成的尖晶石層狀結(jié)構(gòu)中，且可在其中自由移動(dòng)以傳輸電子。國(guó)內(nèi)這些年對(duì)Fe2O3與K2O相互作用形成的多鐵酸鉀尖晶石結(jié)構(gòu)逐步有了認(rèn)識(shí)，對(duì)尖晶石結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑活性、穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、耐水性能的影響有了初步了解，然而對(duì)該結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理以及影響它形成的因素缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，缺少在催化劑獲得大量尖晶石結(jié)構(gòu)的有效手段。重視催化劑制備技術(shù)的研究根據(jù)乙苯脫氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，催化劑的外形、尺寸等脫氫反應(yīng)性能均存在明顯影響。除常見(jiàn)的圓柱型催化劑外，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位還研制了三葉型、車(chē)輪型催化劑。為脫氫催化劑的性能提高開(kāi)辟了新的研究途徑。然而，隨著研究的深入，突出的是催化劑的機(jī)械強(qiáng)度問(wèn)題。低強(qiáng)度的催化劑在應(yīng)用過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生粉化，使得催化劑的床層阻力降明顯提高，導(dǎo)致裝置停車(chē)。因此應(yīng)同時(shí)對(duì)催化劑的成型、焙燒等手段進(jìn)行同步研究。開(kāi)展催化劑應(yīng)用技術(shù)的研究催化劑的裝填、開(kāi)車(chē)乃至于拆卸都會(huì)對(duì)催化劑使用效果產(chǎn)生影響。改變目前人工裝填催化劑對(duì)催化劑損傷大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、裝填均勻性差的狀況，改用機(jī)械裝置真空裝填的方法，要對(duì)裝填技術(shù)和裝填機(jī)械進(jìn)行研究。對(duì)催化劑的拆卸技術(shù)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究，形成專(zhuān)門(mén)的燒焦技術(shù)，以達(dá)到保護(hù)關(guān)鍵設(shè)備反應(yīng)器的目的。還應(yīng)對(duì)催化劑開(kāi)車(chē)初期活化條件進(jìn)行研究，使得催化劑中Fe3+/Fe2+之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化并盡快達(dá)到平衡，以降低催化劑初始使用溫度，為催化劑使用壽命的延長(zhǎng)贏得寶貴的時(shí)間。此外，從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，為廢棄催化劑的利用尋找新途徑，為實(shí)現(xiàn)綠色工藝奠定基礎(chǔ)。苯乙烯生產(chǎn)方法概述乙苯脫氫法乙苯脫氫法是目前生產(chǎn)苯乙烯的主要方法。在工業(yè)上，乙苯的來(lái)源主要采用烷基化法，苯和乙烯在催化劑的作用下生成苯乙烯，其次從煉油廠的重整油、烷烴裂解過(guò)程中的裂解汽油和煉焦廠的煤焦油中通過(guò)精餾分離出來(lái)。此法分兩步進(jìn)行，第一步是苯和乙烯反應(yīng)，生成乙苯；第二步是乙苯脫氫生成苯乙烯，其反應(yīng)式為：乙苯共氧化法乙苯共氧化法，又稱(chēng)哈康法，該法分三步進(jìn)行，首先是生成乙苯過(guò)氧化氫，然后將乙苯過(guò)氧化氫與丙烯反應(yīng)，生成和環(huán)氧丙烷，然后使前者脫水生成苯乙烯。甲苯為原料合成苯乙烯以甲苯為原料合成苯乙烯共有兩種方法。第一種方法分為兩步，第一步為采用為催化劑，在水蒸氣存在下使用苯脫氫縮合生成苯乙烯基苯；第二步將苯乙烯基苯與乙烯在催化劑作用下生成苯乙烯。另一種方法為甲苯和甲醇直接合成苯乙烯，此方法正在研究之中，未進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。乙烯和苯直接合成苯乙烯采用貴金屬催化劑，可在液相，也可以在氣相中進(jìn)行反應(yīng)，副產(chǎn)品有乙烯、乙醛、二氧化碳等。此技術(shù)正處于研究之中，有一定的發(fā)展前景[7]。乙苯氧化脫氫此種方法的特點(diǎn)是不受乙苯脫氫平衡的限制，也不采用水蒸氣。目前尚在研究階段，是一個(gè)極有發(fā)展前景的生產(chǎn)路線[8]。乙苯脫氫制苯乙烯工藝方法概述在國(guó)內(nèi)的苯乙烯裝置中，主要采用乙苯脫氫制苯乙烯法進(jìn)行生產(chǎn)主，其主要工藝方法為L(zhǎng)ummus／UOP乙苯脫氫工藝、Fina／Badger乙苯脫氫工藝和乙苯脫氫選擇性氧化工藝（Smart工藝）。Lummus／UOP乙苯脫氫工藝該工藝的脫氫反應(yīng)在脫氫反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)溫度為600~640℃，反應(yīng)壓力為400kPa(A)左右，同時(shí)向反應(yīng)器中加入蒸汽以降低苯乙烯分壓，蒸汽／乙苯質(zhì)量為1.3~1.5，乙苯轉(zhuǎn)化率60%以上，苯乙烯選擇性達(dá)95%反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有約翰遜網(wǎng)，氣體在徑向上分布均勻，壓降較低[9]。第二脫氫反應(yīng)器出口的反應(yīng)產(chǎn)物首先將乙苯／蒸汽預(yù)熱，然后產(chǎn)生兩個(gè)壓力等級(jí)的低壓蒸汽。脫氫液先經(jīng)過(guò)乙苯／苯乙烯塔，從塔頂分離苯、甲苯、乙苯等比苯乙烯輕的組份去乙苯回收塔及苯／甲苯分離塔，從塔底采出的粗苯乙烯去苯乙烯塔，然后得到苯乙烯產(chǎn)品。脫氫液的分離采用四塔流程，苯乙烯經(jīng)歷二次加熱。乙苯／苯乙烯塔采用高真空低釜溫的工藝，操作壓力為12~40kPa(A)，焦油生成量少。Fina／Badger乙苯脫氫工藝該工藝同樣采用絕熱脫氫方法，高溫蒸汽提供脫氫需要的熱量并降低進(jìn)料中乙苯的分壓和抑制結(jié)焦。蒸汽過(guò)熱至800~890℃，與預(yù)熱器內(nèi)的乙苯混合后再通過(guò)催化劑，反應(yīng)溫度為580~650℃，壓力為負(fù)壓，蒸汽/乙苯質(zhì)量比為1.0~1.2。反應(yīng)器材質(zhì)為鉻鎳，反應(yīng)產(chǎn)物在冷凝器中冷凝[10反應(yīng)系統(tǒng)、脫氫液分離、尾氣壓縮及洗滌等部分與Lummus／UOP的乙苯脫氫工藝基本相同，但廢熱回收換熱器的型式及流程與Lummus／UOP乙苯脫氫工藝不同。在Fina／Badger工藝中，第二脫氫反應(yīng)器出口的反應(yīng)產(chǎn)物首先在第一個(gè)換熱器中將乙苯／蒸汽預(yù)熱，然后進(jìn)入第二換熱器產(chǎn)生高壓蒸汽，最后進(jìn)入第三個(gè)換熱器中，利用反應(yīng)產(chǎn)物的余熱將脫氫單元的乙苯汽化。Fina／Badger工藝的苯乙烯精餾工藝與Lummus／UOP工藝差別較大，脫氫液先經(jīng)過(guò)苯／甲苯塔，從塔頂分離出苯、甲苯等比乙苯輕的組份，從塔底得到乙苯、苯乙烯等比乙苯重的組份；苯／甲苯塔底物料進(jìn)入乙苯回收塔，在乙苯回收塔頂?shù)玫交厥找冶?，塔底為含有重組份的苯乙烯；乙苯回收塔底的物料進(jìn)入苯乙烯塔，去除重組份后在苯乙烯塔塔頂?shù)玫奖揭蚁┊a(chǎn)品。脫氫液的精餾雖然也采用四塔流程，但苯乙烯經(jīng)歷了三次加熱。乙苯脫氫選擇性氧化工藝（Smart工藝）乙苯脫氫選擇性氧化工藝主要是向脫氫反應(yīng)器的出口物流中加入定量的氧氣及蒸汽，然后進(jìn)入氧化／脫氫反應(yīng)器，該反應(yīng)器中裝有高選擇性氧化催化劑及脫氫催化劑，氧與氫反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使反應(yīng)物流升溫，同時(shí)使反應(yīng)物中的氫分壓降低，打破了傳統(tǒng)脫氫反應(yīng)的熱平衡，反應(yīng)向生成苯乙烯的方向移動(dòng)。選擇氧化催化劑活性很高，對(duì)氫具有高選擇性，同時(shí)烴損失很少[11]。此工藝將乙苯單程轉(zhuǎn)化率提高至70%以上，同時(shí)有效地利用了氫氣氧化反應(yīng)所放出的熱量，適用于對(duì)常規(guī)苯乙烯裝置改造，可使生產(chǎn)能力提高30%~50%。AspenPlus軟件及功能簡(jiǎn)介AspenPlus作為目前通用的大型化工過(guò)程模擬軟件，提供了豐富的物性數(shù)據(jù)，熱力學(xué)模型和單元操作模型，用于化工過(guò)程的模擬和優(yōu)化。其計(jì)算結(jié)果得到許多同行的認(rèn)可，該軟件也和其他軟件一樣在不斷地升級(jí)。在化工、煉油、石油化工、氣體加工、煤炭、醫(yī)藥、食品等許多工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用。在化工工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用AspenPlus模擬，不僅大大縮短了工程設(shè)計(jì)時(shí)間，也很方便的進(jìn)行工藝方案的優(yōu)化?；は到y(tǒng)工程主要包括模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和系統(tǒng)綜合等，其中模擬是基礎(chǔ)，也是最重要的環(huán)節(jié)。AspenPlus因?yàn)榫哂泄I(yè)上最適用且完備的物性系統(tǒng)，作為計(jì)算機(jī)輔助性軟件能精確模擬出實(shí)際化工過(guò)程而得到廣泛應(yīng)用。AspenPlus具有以下特點(diǎn)：(1)擁有一套完整的單元操作模型，用于模擬各種操作過(guò)程，從單個(gè)操作單元到整個(gè)工藝流程的模擬。(2)具有工業(yè)上最適用而完備的物性系統(tǒng)。同時(shí)還提供靈活的數(shù)據(jù)回歸系統(tǒng)，使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)求物性參數(shù)，可以回歸實(shí)際應(yīng)用中的任何類(lèi)型的數(shù)據(jù)，計(jì)算任何模型參數(shù)。同時(shí)物性常數(shù)估算系統(tǒng)(PCES)能夠通過(guò)輸入分子結(jié)構(gòu)和易測(cè)性質(zhì)來(lái)估算短缺的物性參數(shù)，對(duì)于模擬流程中含有的新產(chǎn)品往往運(yùn)用此功能非常有用。(3)提供流程模擬所需的多種功能，快速而可靠地收斂流程，便于快速準(zhǔn)確的進(jìn)行流程優(yōu)化計(jì)算。(4)作工藝計(jì)算的同時(shí)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，用戶(hù)能夠估算基建費(fèi)用和操作費(fèi)用，進(jìn)行過(guò)程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)可以應(yīng)用于任何階段，從工藝過(guò)程的研究開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、工廠建設(shè)以及工廠操作過(guò)程等[12~14]。AspenPlus模擬軟件在化工生產(chǎn)過(guò)程中的精餾、蒸餾、吸收等常規(guī)單元操作裝置設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用上已經(jīng)取得顯著成果，并取得了運(yùn)用模擬解決實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題及為節(jié)能降耗進(jìn)行的工藝設(shè)備改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)。化工是一個(gè)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，針對(duì)一些復(fù)雜工藝操作過(guò)程往往很難單一的利用AspenOne模擬軟件準(zhǔn)確模擬工藝過(guò)程，應(yīng)尋求與其他軟件結(jié)合起來(lái)達(dá)到最佳的模擬優(yōu)化效果。同時(shí)以后應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍結(jié)合工程設(shè)計(jì)做更深入的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，特別是將裝置設(shè)計(jì)、工藝操作、基礎(chǔ)建設(shè)成本投資、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)及效益分析結(jié)合起來(lái)，使AspenPlus在工程應(yīng)用中更加有效地發(fā)揮其功能。本設(shè)計(jì)方案主要內(nèi)容及意義本設(shè)計(jì)方案為20萬(wàn)噸/年乙苯脫氫制苯乙烯裝置進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。對(duì)反應(yīng)器和精餾塔進(jìn)行物料衡算，選擇適宜的操作條件和進(jìn)料組成。通過(guò)計(jì)算機(jī)流程模擬軟件AspenPlus對(duì)反應(yīng)器和精餾分離部分進(jìn)行了模擬運(yùn)算，得到了反應(yīng)器與精餾塔的工藝尺寸。并對(duì)所需相關(guān)輔助設(shè)備的溫度、壓力、物料的摩爾組成進(jìn)行了計(jì)算，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，并確定比較理想的生產(chǎn)工藝。本設(shè)計(jì)方案的最大特點(diǎn)是利用了計(jì)算機(jī)流程模擬軟件AspenPlus對(duì)20萬(wàn)噸/年乙苯脫氫制苯乙烯裝置進(jìn)行了模擬優(yōu)化，通過(guò)計(jì)算機(jī)的反復(fù)驗(yàn)算得到了更為合理的工藝尺寸。該套苯乙烯裝置的模擬優(yōu)化為國(guó)內(nèi)同類(lèi)裝置的流程優(yōu)化提供了經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)部分設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目：20萬(wàn)噸/年乙苯脫氫制苯乙烯裝置工藝設(shè)計(jì)處理量：乙苯20萬(wàn)噸/年乙苯催化脫氫主、副反應(yīng)主反應(yīng)及反應(yīng)熱如下：選擇性：90%副反應(yīng)主要有乙苯的裂解、加氫裂解、水蒸汽轉(zhuǎn)化、聚合和縮合反應(yīng)等。選擇性：4%選擇性：4%選擇性：3選擇性：3%選擇性：1.5選擇性：1.5%選擇性：1%選擇性：1%選擇性：0.5%選擇性：0.5%苯乙烯純度99%（質(zhì)量），苯乙烯損失量2%（質(zhì)量），乙苯脫氫轉(zhuǎn)化率為75%（絕熱）。乙苯脫氫催化劑采用11#氧化鐵催化劑，d=3mm，h=13mm乙苯脫氫反應(yīng)條件反應(yīng)溫度：600~660壓力：常壓，加入水蒸氣來(lái)稀釋原料氣，以降低乙苯的分壓，提高乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率。水蒸氣與乙苯摩爾比16~20。空速：乙苯液態(tài)空速0.6~1.0h-1。乙苯脫氫工藝流程原料氣與反應(yīng)尾氣經(jīng)熱量交換后，再經(jīng)預(yù)熱進(jìn)入脫氫絕熱反應(yīng)器，熱量靠過(guò)熱蒸氣（720℃）帶入，入口溫度達(dá)610~660℃圖2-圖2-SEQ圖2-\*ARABIC1苯乙烯流程示意圖1.反應(yīng)器；2.油水分離器；3.苯乙烯、乙苯分離塔；4.乙苯分離塔；5.苯、甲苯分離塔；6.苯乙烯精餾塔物料衡算乙苯脫氫制苯乙烯裝置包括脫氫和精餾兩個(gè)單元。為簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，做出如下假定：(1)反應(yīng)原料組成為純乙苯，年工作日為300天，每天24小時(shí)，即裝置處理量為：乙苯(2)加入水蒸氣以降低乙苯分壓，加入水蒸氣的總量與乙苯摩爾比為18，其中乙苯與其摩爾量4倍的水蒸氣混合，經(jīng)換熱器換熱、加熱爐加熱后由反應(yīng)器入口進(jìn)入反應(yīng)器，其余水蒸氣分別以4:5:5形式共3份過(guò)熱蒸氣于催化劑床層段間加入反應(yīng)器。(3)冷凝液經(jīng)油水分離器分離成水和有機(jī)混合物，水中夾帶芳烴量為500mg/L，夾帶芳烴組成同有機(jī)混合物相同。有機(jī)混合物中水量很少可忽略。(4)阻聚劑加入量為有機(jī)混合物量的0.03%（質(zhì)量）。(5)精餾塔塔頂苯乙烯回收率大于95%。精餾塔真空操作，塔頂壓力<50mmHg。(6)乙苯－苯乙烯塔真空操作，塔頂壓力<200mmHg。塔頂苯乙烯含量<0.25%，塔釜乙苯<0.3%。(7)苯－甲苯塔塔頂壓力<160mmHg，塔頂甲苯<0.5%，塔釜苯<0.2%。(8)乙苯回收塔，塔頂乙苯<0.1%，塔釜甲苯<0.4%。脫氫絕熱反應(yīng)器反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的所有反應(yīng)極其選擇性選擇性：90選擇性：90%選擇性：4選擇性：4%選擇性：3選擇性：3%選擇性：1.5選擇性：1.5%選擇性：1選擇性：1%選擇性：1.5選擇性：1.5%反應(yīng)器進(jìn)料乙苯水蒸氣反應(yīng)器出料由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)可知，乙苯脫氫轉(zhuǎn)化率為75%（絕熱）故，參與反應(yīng)的乙苯量乙苯剩余量生成苯乙烯量生成甲苯量生成苯量生成乙烷量生成乙烯量生成甲烷量殘?zhí)苛肯乃羝渴Ｓ嗨魵饬可啥趸剂可蓺錃饬肯臍錃饬靠倸錃饬勘?-SEQ表2-\*ARABIC1脫氫絕熱反應(yīng)器物料衡算反應(yīng)器進(jìn)料反應(yīng)器出料kmol/hkg/h%(Wt)kmol/hkg/h%(Wt)乙苯262.0527777.7824.65%65.516944.066.17%水4716.9084904.2075.35%4701.1884621.2475.21%苯乙烯000176.8918396.5616.35%甲苯0005.90542.800.48%苯00010.81843.180.75%乙烷0002.9588.500.079%乙烯0007.86220.080.20%甲烷0005.9094.400.084%氫氣000198.51397.020.35%二氧化碳0007.86345.810.31%殘?zhí)?001.9723.640.021%總計(jì)4978.95112681.98100%5185.24112517.29100%相對(duì)誤差油水分離器經(jīng)脫氫絕熱反應(yīng)器反應(yīng)后，所有物料經(jīng)換熱、冷卻至油水分離器靜置分層，排除不凝氣及廢水。油水分離器頂排出不凝氣的組成乙烷乙烯甲烷氫氣二氧化碳表2-SEQ表2-\*ARABIC2油水分離器頂不凝氣組成kmol/hkg/h%(Wt)乙烷2.9588.507.72%乙烯7.86220.0819.21%甲烷5.9094.408.24%氫氣198.51397.0234.65%二氧化碳7.86345.8430.18%總計(jì)223.081145.84100%油水分離器底排出廢水組成及出料量在油水分離器中，液相分為兩層：有機(jī)層與無(wú)機(jī)層（水）。無(wú)機(jī)層廢水、固相殘?zhí)考拔锪现袏A帶的催化劑由油水分離器底排出。油水分離器底分離殘?zhí)苛颗懦鰪U水量因廢水中夾帶的芳烴量為500mg／L，芳烴組成同反應(yīng)器出口重要混合物則廢水中夾帶的芳烴量84621.24×0.0005=42.31kg/表2-SEQ表2-\*ARABIC3反應(yīng)器出口重要混合物組成kmol/hkg/h%(Wt)乙苯65.516944.0625.98%苯乙烯176.8918396.5668.83%甲苯5.90542.802.03%苯10.81843.183.15%總計(jì)259.1126726.60100%故廢水中損失芳烴量如下：乙苯苯乙烯甲苯苯油水分離器出料組成乙苯苯乙烯甲苯苯表2-SEQ表2-\*ARABIC4油水分離器出料組成kmol/hkg/h%(Wt)乙苯65.416933.0725.98%苯乙烯176.6118367.4468.83%甲苯5.89541.942.03%苯10.79841.853.15%總計(jì)258.7026684.30100%乙苯—苯乙烯精餾塔將油水分離器出料加入乙苯—苯乙烯精餾塔中進(jìn)行分離，同時(shí)加入阻聚劑防止苯乙烯聚合，阻聚劑的加入量為有機(jī)混合物的0.03%（質(zhì)量），即阻聚劑加入量表2-SEQ表2-\*ARABIC5乙苯—苯乙烯精餾塔進(jìn)料組成乙苯苯乙烯甲苯苯阻聚劑總計(jì)kmol/h65.41176.615.8910.790.044258.74%（mol）25.28%68.26%2.28%4.17%0.017%100%選輕關(guān)鍵組份為乙苯，重關(guān)鍵組份為苯乙烯則塔頂表2-SEQ表2-\*ARABIC6乙苯—苯乙烯精餾塔塔頂產(chǎn)品組成乙苯苯乙烯甲苯苯總計(jì)kmol/h65.210.445.8910.7982.34%（mol）79.20%0.53%7.15%13.10%100%塔底表2-SEQ表2-\*ARABIC7乙苯—苯乙烯精餾塔塔底產(chǎn)品組成乙苯苯乙烯阻聚劑總計(jì)kmol/h0.20176.170.044176.40%（mol）0.11%99.87%0.025%100%甲苯—乙苯精餾塔選輕關(guān)鍵組份為甲苯，重關(guān)鍵組份為乙苯。進(jìn)料塔頂表2-SEQ表2-\*ARABIC8甲苯—乙苯精餾塔塔頂產(chǎn)品組成乙苯甲苯苯總計(jì)kmol/h0.0655.8710.7916.72%（mol）0.39%35.11%64.53%100%塔底表2-SEQ表2-\*ARABIC9甲苯—乙苯精餾塔塔底產(chǎn)品組成乙苯苯乙烯總計(jì)kmol/h65.140.4465.62%（mol）99.27%0.67%100%苯—甲苯精餾塔選輕關(guān)鍵組份為苯，重關(guān)鍵組份為甲苯。進(jìn)料塔頂表2-SEQ表2-\*ARABIC10苯—甲苯精餾塔塔頂產(chǎn)品組成苯甲苯總計(jì)kmol/h10.770.02910.80%（mol）99.72%0.27%100%塔底表2-SEQ表2-\*ARABIC11苯—甲苯精餾塔塔底產(chǎn)品組成乙苯甲苯苯總計(jì)kmol/h0.0655.840.0225.92%（mol）1.10%98.65%0.37%100%苯乙烯精餾塔選輕關(guān)鍵組份為苯乙烯，重關(guān)鍵組份為焦油。進(jìn)料塔頂表2-SEQ表2-\*ARABIC12苯乙烯塔塔頂產(chǎn)品組成乙苯苯乙烯總計(jì)kmol/h0.20167.36167.56%（mol）0.12%99.88%100%產(chǎn)品苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)品合格由于苯乙烯損失2%（質(zhì)量），故苯乙烯最終產(chǎn)量AspenPlus模擬工藝流程設(shè)計(jì)狀態(tài)方程及模塊的選擇對(duì)主要含有乙苯、苯乙烯、苯和甲苯等極性不強(qiáng)的烴類(lèi)物系的物性和相平衡采用SRK和PR狀態(tài)方程計(jì)算，對(duì)含水物系的物性和相平衡采用NRTL方程計(jì)算。乙苯脫氫制苯乙烯工藝所涉及的單元設(shè)備為脫氫反應(yīng)器、精餾塔、換熱器、泵、油水分離器等。在用AspenPlus化工流程模擬軟件對(duì)乙苯脫氫制苯乙烯工藝整個(gè)流程進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，分別選用如下的模塊：反應(yīng)器用RPlug模塊；精餾塔用RadFrac模塊；換熱器用HeaterX模塊；泵用Pump模塊；油水分離器用Dcanter模塊；精餾塔的塔頂冷凝器采用HeaterX與FSplit模塊的組合形式；氣液分離裝置用Flash2模塊。動(dòng)力學(xué)方程選擇本模擬裝置采用國(guó)內(nèi)研制的催化劑，根據(jù)該催化劑在絕熱固定床反應(yīng)器中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，副產(chǎn)物只考慮苯和甲苯，苯直接由乙苯脫烷基得到，甲苯由乙苯加氫得到，并與苯乙烯構(gòu)成平行反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)[15~16]。乙苯脫氫制苯乙烯的動(dòng)力學(xué)方程如下：在反應(yīng)溫度570～640℃、水烴摩爾比為16~20條件下，采用冪數(shù)型動(dòng)力學(xué)方程式，建立如下苯乙烯、苯和甲苯的生成速率方程：式中，rsty，rben，rtol為苯乙烯、苯、甲苯的生成速率，mol/(m3·s)；Ps，Pe，Ph為苯乙烯、乙苯和氫氣的分壓，MPa；k1，k2，k3，為生成苯乙烯、苯、甲苯的反應(yīng)速率常數(shù)，mol／(m·s·MPa)。乙苯脫氫主反應(yīng)平衡常數(shù)為：Kp為主反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)，T為溫度，K。反應(yīng)部分操作參數(shù)和關(guān)鍵控制根據(jù)已經(jīng)選定的狀態(tài)方程、模塊選擇及動(dòng)力學(xué)方程，在AspenPlus原件上進(jìn)行反映部分的模擬優(yōu)化。反應(yīng)部分模擬流程如圖所示：圖2-SEQ圖2-\*ARABIC2反應(yīng)部分模擬圖根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，反應(yīng)器的直徑保持不變?yōu)?m，其長(zhǎng)度從8m變化到14m表2-SEQ表2-\*ARABIC13反應(yīng)器尺寸控制kmol/h反應(yīng)器長(zhǎng)度（m）8101214乙苯97.96087.02978.37371.277苯乙烯162.072172.888181.454188.475甲苯0.0630.0780.0920.106苯1.9562.0552.1312.191為保證176.89kmol/h的苯乙烯產(chǎn)量，故選擇反應(yīng)器長(zhǎng)度為12m。經(jīng)比較，確定反應(yīng)器的尺寸為直徑6m，長(zhǎng)度12m，且三個(gè)反應(yīng)器尺寸相同。通過(guò)模擬確定反應(yīng)器出口物料溫度為594.7℃，經(jīng)換熱器換熱產(chǎn)品溫度降至為125℃，然后通過(guò)氣液分離裝置在常溫常壓新建文件，對(duì)乙苯脫氫制苯乙烯工藝流程中的反應(yīng)部分進(jìn)行全流程模擬。從“開(kāi)始”菜單中的“所有程序/AspenTech/ProcessModelingV7.3/AspenPlus/AspenPlusUserInterface”啟動(dòng)AspenPlus的用戶(hù)界面程序。選用物性計(jì)算方法和模型（PropertyMethods&Models），根據(jù)過(guò)程類(lèi)型和擬用的單位制選用Simulations為最常用的“ChemicalswithMetricUnits”，過(guò)程仿真RunType選用“Flowsheet”。設(shè)定全局特性輸入化學(xué)組分信息根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，對(duì)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，并輸入化學(xué)組分為乙苯、苯乙烯、甲苯、苯、蒸氣、乙烯、甲烷和氫氣。選用物性計(jì)算方法和模型為“NRTL”。輸入進(jìn)料流股信息乙苯262.05kmol/h，蒸氣1048.2kmol/h，總計(jì)1310.25kmol/h。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸入主要單元模塊參數(shù)，并得到模擬結(jié)果。換熱器單元模塊參數(shù)：逆流，簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)計(jì)算，熱物流出口溫度125℃。模擬結(jié)果換熱器概況：熱負(fù)荷為26.706858Gcal/h。換熱器詳情：換熱器面積(Requiredexchangerarea)：342.637322㎡結(jié)垢(Dirty)條件下的平均傳熱系數(shù)(Avg.heattransfercoefficient)：730.86844kcal/h·㎡·K校正后的對(duì)數(shù)平均溫差(LMTDcorrected)：106.78215℃換熱器分區(qū)反應(yīng)器單元模塊參數(shù)：化學(xué)動(dòng)力學(xué)平推流絕熱反應(yīng)器，長(zhǎng)12m，直徑6m。第一反應(yīng)器概況第二反應(yīng)器概況第三反應(yīng)器概況第一反應(yīng)器過(guò)程流股參數(shù)第二反應(yīng)器過(guò)程流股參數(shù)第三反應(yīng)器過(guò)程流股參數(shù)精餾部分操作參數(shù)精餾部分模擬流程如圖所示：圖2-SEQ圖2-\*ARABIC3精餾部分模擬圖精餾部分模擬共分為兩塊，分別是簡(jiǎn)捷法DSTWU初步模擬和RaFrac模塊詳細(xì)模擬。首先使用簡(jiǎn)捷法，利用DSTWU模塊，通過(guò)已知的物料關(guān)系進(jìn)行模擬，根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，通過(guò)生成“回流比—理論板數(shù)關(guān)系表”決定適宜的理論塔板數(shù)與回流比。之后，利用初步模擬的結(jié)果，通過(guò)RadFrac模塊進(jìn)行詳細(xì)模擬，確定分離部分各個(gè)塔設(shè)備的進(jìn)料板、塔頂壓力、塔頂冷凝器類(lèi)型等工藝參數(shù)，并對(duì)各個(gè)精餾塔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與核算。完成上述兩步后，利用過(guò)程模擬軟件AspenPlus特有的靈敏度分析工具對(duì)各個(gè)精餾塔進(jìn)料板位置與其所在精餾塔塔頂輕關(guān)鍵組分摩爾分率的關(guān)系進(jìn)行靈敏度分析，以幫助我們確定合理的進(jìn)料板位置。以乙苯—苯乙烯精餾塔為例，利用AspenPlus過(guò)程模擬軟件設(shè)計(jì)精餾塔。確定DSTWU模型參數(shù)：回流比為最小回流比的1.2，塔頂冷凝器壓力1.0bar，塔底再沸器壓力1.2bar，塔頂輕關(guān)鍵組分為乙苯（99.7%，mol%），塔底重關(guān)鍵組分為苯乙烯（99.75%，mol%）。精餾塔概況回流比—理論板數(shù)關(guān)系表：確定回流比為13.4，塔板數(shù)為78塊RadFrac模塊下，確定模型參數(shù)：塔板數(shù)為78塊，塔頂全回流，塔頂流率為82.335kmol/h，回流比13.4。進(jìn)料板為第34塊塔板塔頂壓力1.0bar。精餾塔概況精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：浮閥塔，板間距為0.8m精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果精餾塔結(jié)構(gòu)核算核算范圍：第2塊塔板~第77塊塔板，塔板直徑3.4m，溢流堰高30mm選擇V—1型浮閥。降液管高40mm。精餾塔核算結(jié)果進(jìn)料板位置與塔頂輕關(guān)鍵組分摩爾分率靈敏度關(guān)系圖通過(guò)靈敏度分析，確定適宜的進(jìn)料板位置。設(shè)計(jì)結(jié)果與討論苯乙烯工藝流程圖及流程概述圖3-圖3-SEQ圖3-\*ARABIC1乙苯脫氫制苯乙烯工藝流程圖本設(shè)計(jì)方案采用乙苯三段催化脫氫的方法制備苯乙烯，現(xiàn)對(duì)工藝流程進(jìn)行描述如下。原料由原料罐經(jīng)泵送至換熱器組與反應(yīng)器底部的初產(chǎn)品進(jìn)行換熱，之后進(jìn)入加熱爐再次加熱直至達(dá)到反應(yīng)溫度630℃后，進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)。反應(yīng)器共分為三段，且各段工藝尺寸相同。水由水儲(chǔ)藏罐泵送至加熱爐加熱至過(guò)熱蒸汽，然后分三股加入各段反應(yīng)器間。反應(yīng)結(jié)束后，初產(chǎn)品經(jīng)換熱后在用水分離器中進(jìn)行分離，從油水分離器頂排除不凝氣，并在其底部排除廢水。達(dá)到分離要求后，將油層送至精餾分離裝置進(jìn)行精制。首先進(jìn)入乙苯—苯乙烯塔，以乙苯為輕關(guān)鍵組分，苯乙烯為重關(guān)鍵組分進(jìn)行分離。塔底產(chǎn)品進(jìn)入苯乙烯塔再次分離，并于苯乙烯塔塔頂?shù)玫奖揭蚁┊a(chǎn)品。塔頂產(chǎn)品進(jìn)入甲苯—乙苯塔，以甲苯為輕關(guān)鍵組分，以乙苯為重關(guān)鍵組分進(jìn)行分離，并于塔底得到未反應(yīng)的乙苯。甲苯—乙苯塔頂產(chǎn)品進(jìn)入苯—在整個(gè)乙苯脫氫制苯乙烯工藝流程中，各個(gè)裝置均加入了合理的自動(dòng)化控制。AspenPlus軟件模擬流程及其簡(jiǎn)述圖3-SEQ圖3-\*ARABIC圖3-SEQ圖3-\*ARABIC2模擬流程圖反應(yīng)部分概述如模擬流程圖所示，將傾析器前（包括傾析器）的流程繪制在軟件的操作面板上，選擇適宜的模塊并設(shè)置主要的模擬參數(shù)進(jìn)行模擬。具體設(shè)備、模塊類(lèi)型和模擬參數(shù)見(jiàn)下表。表3-SEQ表3-\*ARABIC1反應(yīng)部分參數(shù)裝置模塊類(lèi)型控制參數(shù)換熱器HeatX算法：簡(jiǎn)捷計(jì)算模擬類(lèi)型：設(shè)計(jì)熱物流出口溫度：125加熱爐Heater溫度壓力混合器Mixer混合溫度：630反應(yīng)器RPlug反應(yīng)器類(lèi)型：絕熱反應(yīng)器反應(yīng)器工藝尺寸兩相閃蒸器Flash2溫度：20℃傾析器Decanter溫度：20℃分離部分模擬首先使用簡(jiǎn)捷法，利用DSTWU模塊，通過(guò)已知的物料關(guān)系進(jìn)行模擬，確定適宜的理論塔板數(shù)與回流比。之后，利用初步模擬的結(jié)果，通過(guò)RadFrac模塊進(jìn)行詳細(xì)模擬，確定分離部分的工藝參數(shù)，并進(jìn)行精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與核算。最后，利用AspenPlus軟件進(jìn)行靈敏度分析。主要設(shè)備工藝參數(shù)匯總換熱器組表3-SEQ表3-\*ARABIC2換熱器組工藝參數(shù)熱物流進(jìn)口溫度熱物流出口溫度冷物流進(jìn)口溫度冷物流出口溫度熱負(fù)荷換熱器面積對(duì)數(shù)平均溫差5951252059026.74Gcal/h342.64㎡106.78反應(yīng)器本設(shè)計(jì)方案使用平推流絕熱反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，三段反應(yīng)器工藝尺寸相同，均為長(zhǎng)12m，直徑6m。反應(yīng)器主要工藝參數(shù)如下。表3-SEQ表3-\*ARABIC3反應(yīng)器工藝參數(shù)設(shè)備名稱(chēng)長(zhǎng)度/m直徑/m停留時(shí)間/h總轉(zhuǎn)化率/%總選擇性/%第一反應(yīng)段1260.0035753844.3398.76第二反應(yīng)段1260.0022552759.6998.79第三反應(yīng)段1260.0016325470.1098.79精餾分離部分表2-SEQ表2-\*ARABIC14精餾部分操作參數(shù)表名稱(chēng)乙苯—苯乙烯塔甲苯—乙苯塔苯—甲苯塔苯乙烯精餾塔塔板數(shù)78192927進(jìn)料板3491515塔頂采出量（kmol/h）//10.798167.555塔底采出量（kmol/h）/65.6135.9248.959回流比13.45.831.290.0155公用工程一覽加熱蒸汽 根據(jù)生產(chǎn)需求決定蒸汽壓力和溫度，蒸汽壓力取低壓0.4MPa(G),進(jìn)反應(yīng)器溫度為720℃，出反應(yīng)器溫度為600生產(chǎn)用電對(duì)輸入的動(dòng)力電源的要求：采用單回路電壓為380伏，頻率為50赫茲，允許波動(dòng)范圍±3%。電器設(shè)備對(duì)電源的要求： 1）對(duì)于電動(dòng)機(jī)，使用380伏交流電。 2）正常照明用220/380伏交流電，事故照明用220伏直流電。 3）電器部分控制，信號(hào)及繼電保護(hù)用220伏直流電。 4）儀表電源用100伏和24伏。冷卻用水溫度：供水溫度為常溫，回水溫度為進(jìn)水溫度+10壓力：回水壓力—對(duì)于循環(huán)冷卻水要求回水能直接流到冷卻塔頂，不另設(shè)接力泵，因此回水壓力設(shè)為0.4MPa(G)。供水壓力：考慮到回水壓力加上熱交換阻力和管道系阻力，因此取0.6MPa(G)。污垢系數(shù)：根據(jù)水質(zhì)處理費(fèi)用和熱交換費(fèi)用，決定污垢系數(shù)為0.000145（m2?h?℃）KJ。討論本設(shè)計(jì)方案通過(guò)對(duì)各種先進(jìn)苯乙烯技術(shù)原理的探討，引入了乙苯三段催化脫氫工藝作為苯乙烯反應(yīng)部分的方案。用工藝流程模擬軟件AspenPlus建立了苯乙烯生產(chǎn)流程的數(shù)學(xué)模型并對(duì)過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。通過(guò)采用AspenPlus流程模擬軟件對(duì)流程內(nèi)的所用設(shè)備進(jìn)行模擬和優(yōu)化，對(duì)裝置內(nèi)各工藝參數(shù)的相互關(guān)系有了深入的了解，并得到了較為適宜的工藝參數(shù)。通過(guò)對(duì)苯乙烯裝置內(nèi)的多種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中所存在的問(wèn)題，為設(shè)備維護(hù)及操作參數(shù)的調(diào)整提供了理論依據(jù)。本設(shè)計(jì)得到如下結(jié)果：（1）通過(guò)論證選擇了乙苯三段催化脫氫工藝作為本設(shè)計(jì)的方案，并詳細(xì)論述了乙苯三段催化脫氫工藝的工藝流程，繪制了苯乙烯工藝流程圖。（2）通過(guò)對(duì)乙苯三段催化脫氫工藝原理的分析，制定了合理的方案，并優(yōu)化的操作參數(shù)和控制要點(diǎn)，從而得到較為合適的參數(shù)值。（3）本設(shè)計(jì)用工藝流程模擬軟件AspenPlus建立了苯乙烯生產(chǎn)流程的數(shù)學(xué)模型，模擬結(jié)果與物料衡算出的理論數(shù)據(jù)較為一致，為苯乙烯生產(chǎn)的操作提供了一定的依據(jù)。（4）從經(jīng)濟(jì)學(xué)上考慮，通過(guò)AspenPlus流程模擬進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了實(shí)驗(yàn)室放大過(guò)程所用的成本。符號(hào)說(shuō)明名稱(chēng)符號(hào)說(shuō)明單位D塔徑mF進(jìn)料流率kmol/h反應(yīng)熱kJ/molKp平衡常數(shù)mol/