万吨苯乙烯生产车间工艺设计—本科毕业设计

毕业设计说明书

年产100,000万吨苯乙烯生产车间

工艺设计

中北大学2012届毕业设计说明书

年产100,000吨苯乙烯生产车间工艺设计

摘要：苯乙烯是一种非常重要的化工原料，60%的苯乙烯用来生产聚苯乙烯，还用来生产树脂、乳胶等。现在世界上的苯乙烯年产量为3000万吨左右，我国的年产量在600万吨左右，且目前处于供需持平，从产量和需求可以看出苯乙烯生产的重要性。

本设计采用技术最成熟的工艺：绝热式乙苯催化脱氢工艺。从1937年工业化至今，经过了好几代的发展，现在已成为一种非常重要的工艺。目前世界上85%的苯乙烯均采用此法进行生产。本设计主要做了以下几个方面的工作：文献调研，工艺选择；物料衡算，能量衡算；设备设计；车间布置；经济估算；带控制点的工艺流程图，主体设备图及车间布置图的绘制。

关键词：苯乙烯；工艺设计；催化脱氢；绝热固定床反应器

I

中北大学2012届毕业设计说明书

The production workshop design of styrene with an annual output

of 100,000 tons

Abstract：Styrene is a very important chemical material, 60 percent of it is used to produce Polystyrene and also is used to produce resin and latex. The outlet of the styrene all over the world per year is 30 million tons, and our country take up 20 percent of the total outlet and the current supply is equal to the demand. So the production workshop design of styrene is very important.

The most mature technology-adiabatic dehydrogenation of ethylbenzene process is used to produce styrene. From 1937, the first industrialized time, after several generations of development, it has become a very important process. The 85 percent of the styrene is produced by this method. This design includes document survey, process selection, material balance, heat balance, equipment design, facility layout, economical evaluation, the drawing of the process chart, the main equipment diagram and the workshop layout chart.

Keywords: Styrene, Catalytic dehydrogenation, Process design, Adiabatic fixed-bed reactor

II

中北大学2012届毕业设计说明书

目录

1文献综述 ································ 1

1.1 苯乙烯的性质 ··························· 1 1.2 苯乙烯的来源与应用 ························ 1 1.3 苯乙烯的供需情况 ························· 2

1.3.1 世界范围内的产能情况 ···················· 2 1.3.2 国内的产能情况 ······················· 2 1.4 苯乙烯的生产方法 ························· 3

1.4.2 环氧丙烷-苯乙烯联产法 ··················· 4 1.4.3 乙苯氧化脱氢法 ······················· 4 1.4.4 热解汽油抽提蒸馏回收法 ··················· 4 1.5 苯乙烯生产方法的比较 ······················· 5 2 工艺路线的确定 ···························· 6

2.1 设计方案的确定 ·························· 6

2.1.1催化脱氢法 ························· 6 2.1.2乙苯共氧化法生产苯乙烯 ··················· 6 2.1.3 UOP的选择性氧化脱氢法 ··················· 7 2.1.4 从裂解汽油中萃取苯乙烯 ··················· 8 2.2 工艺比较及选择 ·························· 9 3物料衡算 ······························· 11

3.1 乙苯催化脱氢法生成苯乙烯工艺流程简图 ·············· 11 3.2 设计基本数据 ·························· 11 3.3 计算简图及衡算过程 ······················· 12

3.3.1 催化脱氢反应器的物料衡算 ················· 12 3.3.2 冷凝器的物料衡算 ····················· 14 3.3.3 油水分离器的物料衡算 ··················· 14

III

中北大学2012届毕业设计说明书

3.3.4 乙苯蒸出塔的物料衡算 ··················· 15 3.3.5 苯和甲苯回收塔的物料衡算 ················· 15 3.3.6 苯和甲苯分离塔的物料衡算 ················· 16 3.3.7 苯乙烯精制塔的物料衡算 ·················· 17 3.4 物料衡算结果汇总 ························ 17 4 热量衡算 ······························4.1 一段反应器的热量衡算 ······················4.1.1 乙苯预热所耗热量 ·····················4.1.2 水预热所耗热量 ·····················4.1.3 一段反应热 ························4.1.4 一段反应器出口物料温度的计算 ···············4.2 二段反应器的热量衡算 ······················4.2.1 进入二段反应器的过热水蒸气量的计算 ············4.2.2 二段反应器出口物料温度的计算 ···············4.3 三段反应器的热量衡算 ······················4.3.1 进入三段反应器的过热水蒸气量的计算 ············4.3.2 三段反应器出口物料温度的计算 ···············4.4 整个反应器进出物料温度情况 ···················4.5 产物冷却的热量衡算 ·······················4.5.1 冷却全过程氢气放出的热量 ·················4.5.2 冷却全过程苯乙烯放出的热量 ················4.5.3 冷却全过程乙苯放出的热量 ·················4.5.4 冷却全过程水放出的热量 ··················4.6 精馏工段的热量衡算 ·······················4.6.1 乙苯蒸出塔的热量衡算 ···················4.6.2 苯和甲苯回收塔的热量衡算 ·················4.6.3苯和甲苯分离塔的热量衡算 ·················4.6.4 苯乙烯精制塔的热量衡算 ··················IV 21

21

21 23 24 25 27

27 28 29

29 30 31 32

32 32 32 33 33

33 34 35 36

中北大学2012届毕业设计说明书

表1.2我国主要苯乙烯生产企业

企业

产能/（kt·a）

上海赛科石化公司（扩后） 壳牌/中海油石化公司

680 560

UOP/鲁姆斯乙苯技术 壳牌SM-PO 鲁姆斯乙苯

技术

中石油化镇海炼化/利安德

600

壳牌SM-PO 鲁姆斯乙苯

技术

天津大沽 江苏利士德化工 新疆独山子石化 辽宁华锦化工 山东玉皇 齐鲁石化

中铁联合-常州东吴化工 扬子巴斯夫苯乙烯公司

吉林石化

500 420 320 210 200 200 150 145 140

菲纳/巴杰尔 鲁姆斯/国内技术 国内负压绝热技术 菲纳/巴杰尔 乙醇直接烃化 国内负压绝热技术 国内负压绝热技术 UOP/鲁姆斯乙苯技术 UOP/鲁姆斯乙苯技术+国

内等温绝热技术

茂名石化 大连石化 安庆石化

120 100 100

UOP/鲁姆斯乙苯技术 国内负压绝热技术 国内负压绝热技术

1960 2007 2006 1999 2004 2005 1997 2003 2000 2009 2006

-1

[5]

采用技术 建成年份

从表1.2可以看出，我国的苯乙烯产量已经达到一个非常大的规模了，供需已经基

本上平衡。技术应用方面：采用国内负压绝热技术的15家，产能为1890kt/a，约占总产能的33.0%。采用与鲁姆斯相关的专利技术有8家，产能为2749kt/a，约占总产能的48.1%。其它与菲纳/巴杰尔等专利技术有关的有7个厂家，产能为1080kt/a ，约占总产能的18.9%。可以看出最成熟的乙苯催化脱氢工艺的技术应用是最广泛的，其次是环氧丙烷-苯乙烯联产法，而最先进的乙苯氧化脱氢法在国内却使用很少。 1.4 苯乙烯的生产方法

目前世界上生产苯乙烯的生产方法约有十种，这些生产方法分别是⑴乙苯脱氢法

3

中北大学2012届毕业设计说明书

(1937年最初实现工业化)；⑵ 环氧丙烷-苯乙烯联产法（1973年最初实现工业化）；⑶ 乙苯氧化脱氢法(1985年最初实现工业化)；⑷ 热解汽油抽提蒸馏回收法(1996年最初实现工业化)；⑸ 乙烷制取苯乙烯（小试结果表明以乙烷为原料制取苯乙烯成本将比用乙烯原料路线低10%）；⑹甲苯与甲醇进行侧链烷基化反应制取乙烯（长期考察实验与开发结果表明，该工艺的能耗较传统工艺低）；⑺ 乙苯在CO２气氛中脱氢制乙苯；⑻以丁二烯为原料生产苯乙烯（实验表明，乙苯在CO２气的氛下脱氢效果明显高于在水蒸气下的脱氢效果）；⑼乙烯和乙笨经氧化偶联生产苯乙烯；⑽用废聚苯乙烯生产苯乙烯。⑴、⑵、⑶、⑷四种工艺已经工业化，⑸、⑹、⑺、⑻、⑼、⑽六种方法还处于实验室开发或小试阶段[4-8,10-14]。下面简单介绍已经工业化的四种方法。 1.4.1 乙苯脱氢法

本法工艺成熟，苯乙烯收率达90%以上。全世界苯乙烯总产量的85%以上都是 用这种方法生产。

1.4.2 环氧丙烷-苯乙烯联产法

环氧丙烷-苯乙烯联产法也是生产苯乙烯的一种主要方法。该法的大致流程为乙 苯先氧化成过氧化氢乙苯，然后与丙烯进行环氧化反应制得苯乙烯并联产环氧丙烷。本法俗称Halcon法，生产的苯乙烯约占世界总产量的12%，优点是能耗低，可联产环氧丙烷，因此综合效益好。但工艺流程，经济规模（即能盈利的最小生产规模）大，联产两种产品受市场制约大。 1.4.3 乙苯氧化脱氢法

乙苯氧化脱氢法在原先乙苯脱氢法的基础上，又发展了该法，可使乙苯转化率明显提高，苯乙烯选择性也上了六个百分点（从86%-90%提高到92%-96%）,被认为是目前生产苯乙烯的一种好方法。该工艺是将乙苯脱氢反应生成的氢有选择性地进行氧化燃烧，使反应平衡向有利于生成苯乙烯的方向移动，同时提供反应所需要的热量，能大幅度提高生产苯乙烯的转化率。Styro-Plus工艺可以达到与传统脱氢法相同的选择性，但生产单位质量的苯乙烯所需要的蒸汽比传统工艺要降低34％ ，节能优势相当明显[9]。 1.4.4 热解汽油抽提蒸馏回收法

裂解汽油副产物中含有大量的化学物质，但许多化学物质沸点接近，或者形成共沸物，使得依靠传统分离方法难以分离。通常裂解汽油经营商从C6馏分中回收苯以及

4

中北大学2012届毕业设计说明书

甲苯，很少回收其他组分。最新的分离技术使得从裂解汽油中回收高纯度的苯乙烯和二甲苯的同分异构体也成为可能。其中，萃取精馏是一个可行的产品回收方法。它通常被用来从裂解料的轻组分用来从C8馏分中有效地回收苯乙烯，当然苯乙烯要有足够的数量达到回收的经济性[15]。 1.5 苯乙烯生产方法的比较

目前生产苯乙烯的方法非常多，其中工业化的方法主要有四种，其它处于试验阶段和小试阶段的工艺路线约有六种。目前世界范围内和国内采用的主要路线还是传统的乙苯催化脱氢法，该法最大的缺点是能耗比较高。目前很多新工艺的开发都是基于降低能耗的想法。乙苯氧化脱氢法由于大大提高了单程转化率和降低m(水蒸气)/m(乙苯)，使得节能效果更明显。但是该法对于控制技术要求十分严格。氧气、乙苯蒸气、苯乙烯蒸气氢气等多元混合气体共存于反应器，必须严格控制爆炸极限，所以必须能够在线检测反应器中多原混合物的组成并且严格控制气体进料和反应温度等，以确保混合气体处于爆炸极限之外。从查得的文献来看，这主要是安全工程学科研究的课题，且目前对于多元混合气体爆炸极限的研究比较少，依靠实验和经验的数据据比较多[16,17]。这是设计中的一个难点，因此我决定舍弃乙苯氧化脱氢法而采用传统的乙苯催化脱氢法。目前该工艺也在不断完善，主要是从两方面来改善的：研制更好的催化剂；研制性能更优异的反应器。并且该工艺在这两方面已经取得了长足的进步，所以本设计最终决定采用乙苯氧化脱氢法。

5

中北大学2012届毕业设计说明书

2 工艺路线的确定

2.1 设计方案的确定

目前苯乙烯的工业化生产方法有四种：乙苯脱氢法；环氧丙烷一苯乙烯联产法；乙苯氧化脱氢法；热解汽油抽提蒸馏回收法。现在从以下四个方面来比较这四种工艺方法：技术成熟及先进性；产能大小；工艺流程的简单与复杂（操作的难易程度）；工艺路线受市场的影响情况。下面首先分别对四种工艺进行介绍，再综合考虑选用哪种工艺作为最后的设计方案。 2.1.1催化脱氢法

⑴ 技术开发与工业化

1930年美国道化学公司首创由乙苯热脱氢制苯乙烯技术。1937年美国陶氏化学公 司和德国巴斯夫公司同时实现了乙苯脱氢制苯乙烯的工业化生产。其技术关键包括两个方面：寻找活性和选择性更高的催化剂；设计开发更优异的反应器。目前世界上85%[6]苯乙烯是用该法生产的，可见其应用相当广泛，技术上十分成熟

⑵ 工艺流程

水蒸气 反产物去分离装置 烟 道 气 预 蒸烟道气 反过 热 发应热 器 器 器 器 循环乙苯 乙苯 图 2.1采用等温式反应器催化脱氢法生产苯乙烯流程简图

2.1.2乙苯共氧化法生产苯乙烯

⑴ 技术开发与工业化

1966年美国Halcon公司成功开发乙苯共氧化法，又称PO-SM联产法。该方法于

6

中北大学2012届毕业设计说明书

1973年在西班牙实现工业化，是工业化生产苯乙烯的又一种重要方法。用方法生产的苯乙烯约占苯乙烯总产量的12%[6]，可见这也是一种非常重要的方法。

⑵ 工艺流程 乙苯蒸发器 环氧化反应器 丙烯 丙烯蒸发器 环氧丙烷蒸发器 环氧丙烷精馏塔 乙苯蒸出 塔 氧 空气 化反应器

脱水反应器

乙 苯 苯乙烯 苯乙烯精馏塔 重 组分图2.2乙苯共氧化法生产苯乙烯流程简图

2.1.3 UOP的选择性氧化脱氢法

⑴ 技术开发与工业化

20世纪80年代初期 Styro-Plus由美国UOP公司开发成功，于1985年实现工业化。20世纪90年代初期Lummus、Monsanto、UOP3家公司合作将乙苯脱氢选择性氧化脱氢技术（Styro-Plus）与乙苯脱氢技术集成一体，称为Smart工艺。是目前制备苯乙烯的工业化的方法中最先进的一种。

⑵ 工艺流程

7

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4uoo.html