苯乙烯的合成

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摘 要

本设计是年产50万吨苯乙烯（SM）工艺设计。主要是对苯乙烯生产工艺的研究，本文对我国苯乙烯工业生产技术，SM的性质及用途，发展进程，以及苯乙烯的生产方法都做了叙述。

并且对苯乙烯的生产和应用进行了简单的叙述，还就生产苯乙烯的工艺选择，原理方法，工艺选择的必要性以及苯乙烯的影响因素进行了详细的概述。在确定苯乙烯生产工艺的基础上对主要设备进行了物料衡算，热量衡算，设备选型等。讨论了生产安全的相关问题与三废的排出和处理方案。

最后在上述内容的基础上绘制了带控制点的工艺流程图，希望本设计能够为苯乙烯生产工艺的创新和改进有所帮助。

关键词：苯乙烯；脱氢；精馏；物料衡算；热量衡算；三废处理

I

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Abstract

The design is an annual output of 500000 tons of styrene (SM) process design.Research is mainly for styrene production process, the production technology of styrene in China industry, properties and uses, SM development process, and a process for the production of styrene are described.

The production and application of styrene are briefly described, process selection, also on the production of styrene principle, factors necessary process selection and effect of styrene is outlined in detail. The styrene production process is the main equipment for the material balance, heat balance, equipment selection, etc... Discharge and treatment scheme is discussed issues related to production safety and waste.

Finally, on the basis of above content rendering process flow chart with control points, I hope this design can help for styrene production process innovation and improvement.

Keywords: Styrene; Dehydrogenation; Distillation; Material balance; Heat balance; Waste

treatment

II

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目 录

摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... II 目录 ............................................................................................................................................... III 第一章 综述 .............................................................................................................................. - 1 -

1.1 苯乙烯的性质和用途 .................................................................................................. - 1 - 1.2 原料的性质、用途 ...................................................................................................... - 1 -

1.2.1 乙苯的性质 ........................................................................................................ - 1 - 1.2.2 乙苯的主要用途 ................................................................................................ - 2 - 1.3 苯乙烯生产技术的发展 .............................................................................................. - 2 -

1.3.1 乙苯脱氢法 ........................................................................................................ - 2 - 1.3.2 新工艺进展 ........................................................................................................ - 4 - 1.4 苯乙烯的现状和发展趋势 .......................................................................................... - 5 -

1.4.1 全球产业环境 .................................................................................................... - 5 - 1.4.2 国内市场现状 .................................................................................................... - 5 - 1.4.3 消费结构 ............................................................................................................ - 6 - 1.4.4 国内市场发展趋势 ............................................................................................ - 6 - 1.5 生产工艺的反应历程 .................................................................................................. - 6 -

1.5.1 反应方程式 ........................................................................................................ - 6 - 1.5.2 反应过程 ............................................................................................................ - 7 - 1.5.3 生产方式的选取 ................................................................................................ - 8 - 1.6 生产工艺说明 .............................................................................................................. - 8 -

1.6.1 生产任务 ............................................................................................................ - 8 - 1.6.2 生产方法的确定 ................................................................................................ - 8 - 1.6.3 生产控制参数及具体操作 ................................................................................ - 9 -

第二章 主要设备物料衡算 .................................................................................................... - 11 -

2.1 主要设备物料衡算 .................................................................................................... - 11 -

2.1.1 计算依据 .......................................................................................................... - 11 - 2.1.2 进出脱氢反应器的物料衡算 .......................................................................... - 12 -

III

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2.1.3 冷凝油水分离阶段的物料衡算 ...................................................................... - 13 - 2.1.4 粗馏塔的物料衡算 .......................................................................................... - 14 - 2.1.5 乙苯塔的物料衡算表 ...................................................................................... - 14 - 2.1.6 苯乙烯精馏塔的物料衡算 .............................................................................. - 14 - 2.1.7 苯∕甲苯的物料衡算 ......................................................................................... - 15 -

第三章 主要设备热量衡算 .................................................................................................... - 16 -

3.1 热量衡算 .................................................................................................................... - 16 -

3.1.1 能量守恒定律 .................................................................................................. - 16 - 3.1.2 热量计算 .......................................................................................................... - 16 - 3.1.3 热量衡算表 ...................................................................................................... - 18 - 3.2 苯∕甲苯精馏塔的设计计算 ....................................................................................... - 19 -

3.2.1 精馏塔的物料衡算 .......................................................................................... - 19 - 3.2.2 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 .......................................................................... - 20 - 3.2.3 筛板的流体力学验算 ...................................................................................... - 21 - 3.3 苯乙烯精馏塔的设计 ................................................................................................ - 23 -

3.3.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 .......................................................... - 24 - 3.3.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 .................................................. - 24 - 3.3.3 物料衡算 .......................................................................................................... - 24 - 3.4 冷凝器的设计 ............................................................................................................ - 24 - 3.5 油水分离器 ................................................................................................................ - 25 - 3.6 过热蒸汽炉 ................................................................................................................ - 26 - 第四章 “三废”处理和安全事项 ............................................................................................ - 27 -

4.1 废水 ............................................................................................................................ - 27 - 4.2 废气 ............................................................................................................................ - 27 - 4.3 废渣 ............................................................................................................................ - 27 - 4.4 副产品处理一览表 .................................................................................................... - 27 - 4.5 废物处理一览表 ........................................................................................................ - 27 - 4.6 安全事项 .................................................................................................................... - 28 - 参考文献 .................................................................................................................................. - 29 - 结束语 ...................................................................................................................................... - 30 -

IV

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致谢 .......................................................................................................................................... - 31 - 附录 .......................................................................................................................................... - 32 -

V

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第一章 综述

1.1 苯乙烯的性质和用途

苯乙烯，分子式C8H8，结构式C6H5CH?CH2是不饱和芳烃最简单、最重要的成员，广泛用作生产塑料和合成橡胶的原料。如结晶型苯乙烯、橡胶改性抗冲聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三聚体（ABS）、苯乙烯-丙烯腈共聚体（SAN）、苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚体（SMA）和丁苯橡胶(SBR)。苯乙烯（SM）是含有饱和侧链的一种简单芳烃，是基本有机化工的重要产品之一。苯乙烯为无色透明液体，常温下具有辛辣香味，易燃。苯乙烯难溶于水，25℃时其溶解度为0.066%。苯乙烯溶于甲醇、乙醇、乙醚等溶剂中。

苯乙烯在空气中允许浓度为0.1ml/L。浓度过高、接触时间过长则对人体有一定的危害。苯乙烯在高温下容易裂解和燃烧。苯乙烯蒸汽与空气混合能形成爆炸性混合物，其爆炸范围为1.1～6.01%（体积分数）。

苯乙烯（SM）具有乙烯基烯烃的性质，反应性能极强，苯乙烯暴露于空气中，易被氧化而成为醛及酮类。苯乙烯从结构上看是不对称取代物，乙烯基因带有极性而易于聚合。在高于100℃时即进行聚合，甚至在室温下也可产生缓慢的聚合。因此，苯乙烯单体在贮存和运输中都必须加入阻聚剂，并注意用惰性气体密封，不使其与空气接触。

苯乙烯（SM）是合成高分子工业的重要单体，它不但能自聚为聚苯乙烯树脂，也易与丙烯腈共聚为AS塑料，与丁二烯共聚为丁苯橡胶，与丁二烯、丙烯腈共聚为ABS塑料，还能与顺丁烯二酸酐、乙二醇、邻苯二甲酸酐等共聚成聚酯树脂等。由苯乙烯共聚的塑料可加工成为各种日常生活用品和工程塑料，用途极为广泛。目前，其生产总量的三分之二用于生产聚苯乙烯，三分之一用于生产各种塑料和橡胶。世界苯乙烯生产能力在1996年已达1900万吨，目前全世界苯乙烯产能约为2150～2250万吨。

1.2 原料的性质、用途

1.2.1 乙苯的性质

乙苯是无色液体，具有芳香气味，可溶于乙醇、苯、四氯化碳和乙醚，几乎不溶于水，易燃易爆，对皮肤、眼睛、粘膜有刺激性，在空气中最大允许浓度为100PPM。乙苯侧链易被氧化，氧化产物随氧化剂的强弱及反应条件的不同而异。在强氧化剂（如高锰酸钾）或催化剂作用下，用空气或氧气氧化，生成苯甲酸；若用缓和氧化剂或温和的反应条件氧化，则生成苯乙酮。

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表1.1 乙苯的其它性质

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

常数名称 分子量 液体比重 沸点 熔点 液体热容量 蒸汽热容量 蒸发热 液体粘度 生成热 在水中溶解度

燃烧热 闪点 自然点 爆炸范围

计量单位

℃ ℃ kJ/（kg K） Kcal/（kg K）

kJ /mol 104kgSee/M2 Kcal/mol

Kcal/mol ℃ ℃ %(体积)

常数值 106.16 0.882 136.2 -94.4 1.754 0.285 35.59 0.679 2.98 1101.1 15 553.0 2.3～7.4

备注 0℃ 101325Pa 101325Pa 298.15K 27℃ 正常沸点下

20℃ 20℃ 气体

1.2.2 乙苯的主要用途

乙苯是一个重要的中间体，主要用来生产苯乙烯，其次用作溶剂、稀释剂以及用于生产二乙苯、苯乙酮、乙基蒽醌等；同时它又是制药工业的主要原料。

1.3 苯乙烯生产技术的发展

目前，世界上苯乙烯的生产方法主要有乙苯脱氢法、环氧丙烷-苯乙烯(PO/SM)联产法、

热解汽油抽提蒸馏回收法以及丁二烯合成法等。 1.3.1 乙苯脱氢法

乙苯脱氢法是目前国内外生产苯乙烯的主要方法，其生产能力约占世界苯乙烯总生产

能力的90%。包括乙苯催化脱氢和乙苯氧化脱氢两种生产工艺。 （1）乙苯催化脱氢工艺

乙苯催化脱氢是工业上生产苯乙烯的传统工艺，由美国Dow化学公司首次开发成功。目前典型的生产工艺主要有Fina/Badger工艺、ABB鲁姆斯/UOP工艺以及BASF 工艺等。

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乙苯催化脱氢法的技术关键是寻找高活性和高选择性的催化剂。一开始采用的是锌系、镁系催化剂，以后逐渐被综合性能更好的铁系催化剂所替代。目前，国外苯乙烯催化剂主要有南方化学集团公司开发的Styromax-1、Styromax-2、Styromax-4以及Styromax-5型催化剂；美国标准催化剂公司推出的C-025HA、C-035、C-045型催化剂；德国BASF公司开发的S6-20、S6-20S、S6-28、S6-30催化剂；Dow化学公司开发出的D-0239E型绝热型催化剂等。我国从20世纪60年代就开始进行与乙苯脱氢工艺相配套的催化剂研究。目前开发成功的催化剂主要有兰州石油化工公司研究院的315、335、345、355系列催化剂；厦门大学、中国科学院大连化学物理研究所的XH、DC系列以及中国石化集团公司上海石油化工研究院的GS系列催化剂等。兰州石化分公司研究院还从催化剂配方和制备工艺入手，开发出了以铁-钾-铈-钼-镁为主要体系的低钾型乙苯脱氢催化剂。除了常见的圆柱型催化剂外，兰州化学工业公司最近还成功地将三叶型催化剂用于苯乙烯的工业生产上。世界乙苯脱氢催化剂的研究正在向低钾含量、低水比、具有更高稳定性和更长运转周期的方向发展。 乙苯脱氢催化剂最初采用锌系、镁系催化剂，以后逐渐被综合性能更好的铁系催化剂所替代。生产苯乙烯催化剂主要有南方化学集团公司开发的Styromax-1、Styromax-2、Styromax-4以及Styromax-5型催化剂；美国标准催化剂公司推出的C-025HA、C-035、C-045型催化剂；德国BASF公司开发的S6-20、S6-20S、S6-28、S6-30催化剂；陶氏化学开发出的D-0239E型绝热型催化剂等。在反应器设计方面，华东理工大学开发出轴径向反应器和气-气快速混合两大关键技术，突破了国外技术的垄断。 （2）乙苯氧化脱氢技术

该技术采用较低温度下的放热反应代替高温下的乙苯脱氢吸热反应，从而大大降低了能耗，提高了效率。典型的生产工艺有乙苯脱氢选择性氧化技术(Styro-Plus工艺)和苯乙烯单体先进反应器技术(Smart工艺)。该工艺于20世纪90年代初期开发成功，是UOP公司开发的乙苯脱氢选择性氧化技术（Styro-Plus工艺）与Lummus、Monsanto以及UOP三家公司开发的Lummus/UOP乙苯绝热脱氢技术的集成。该工艺是在原乙苯脱氢工艺的基础上，向脱氢产物中加入适量氧或空气，使氢气在选择性氧化催化剂作用下氧化为水，从而降低了反应物中的氢分压，打破了传统脱氢反应中的热平衡，使反应向生成物方向移动。“Smart”工艺流程与Lummus/UOP苯乙烯工艺流程基本相同，但反应器结构有较大的差别，主要是在传统脱氢反应器中增加了氢氧化反应过程。该工艺采用三段式反应器。一段脱氢反应器中乙苯和水蒸汽在脱氢催化剂层进行脱氢反应，在出口物流中加入定量的空气或氧气与水蒸汽进入两段反应器，两段反应器中装有高选择性氧化催化剂和脱氢催化剂，氧和

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氢反应产生的热量使反应物流升温，氧全部消耗，烃无损失，两段反应器出口物流进入三段反应器，完成脱氢反应。在脱氢反应条件为620-645℃、压力0.03-0.13MPa、蒸汽/乙苯质量为1-2:1时，乙苯转化率为85%，苯乙烯选择性为92%-96%。目前，世界上有5套苯乙烯生产装置采用乙苯氧化脱氢工艺进行生产，另外一些新建生产装置大都准备采用该方法进行生产。 1.3.2 新工艺进展

（1）热解汽油抽提蒸馏回收法

GT-苯乙烯工艺 GTC技术公司开发了采用选择性溶剂的抽提蒸馏塔GT-苯乙烯工艺，从粗热解汽油中回收苯乙烯，提纯后苯乙烯纯度为99.9%，含苯基乙炔<50μg/g。据估算，1套以石脑油为裂解原料的30.0万t/a乙烯装置大约年可回收1.5万吨苯乙烯。

STAR-TEC工艺 该工艺由荷兰帝斯曼开发，采用萃取精馏技术，实现了从裂解汽油中分离苯乙烯的工业化生产。该工艺分为4个单元：①预处理单元，将原料中比C8重的和比C4轻的组分分离出去；② 萃取精馏单元，采用特殊的溶剂萃取精馏苯乙烯；③溶剂回收再生单元；④苯乙烯精制单元，主要是对苯乙烯进行脱色处理。 （2）丁二烯合成路线

陶氏化学以负载在γ-沸石上的铜为催化剂，丁二烯在1.8MPa和100℃下，在装有催化剂的固定床上进行环化二聚，丁二烯转化率为90%，4-乙烯基环己烯(4-VCH)的选择性接近100%。之后的氧化脱氢采用以氧化铝为载体的锡/锑催化剂，在气相中进行。VCH的转化率约为90%，苯乙烯的选择性为90%，副产物为乙苯、苯甲醛、苯甲酸和二氧化碳。 （3）苯和乙烯直接合成路线

由日本旭化成最新开发成功，苯和乙烯的气相混合物在含有HZSM-5沸石催化剂的存在下，在490℃的反应温度下，在含有氢分离膜的反应器中经过处理，得到选择性达93%的苯乙烯。该反应器内的氢分离膜是由镀铂烧结管制得。该公司开发的另一种直接制苯乙烯的技术是在含有氢渗透膜的反应器中，使苯和乙烯在气相条件下与沸石催化剂接触发生反应合成苯乙烯。该工艺中的沸石催化剂是用元素周期表中Ⅲ-Ⅴ族中的至少1种金属交换的。苯和乙烯在装有氢渗透膜的反应器中在锌交换的Na型ZSM-5催化剂存在下，于500℃反应，苯乙烯选择性为89%，乙烯转化率为88%。此工艺仍处于实验阶段，距离工业化应用尚有许多工作要做。除此之外，其它尚在开发中的苯乙烯合成工艺还包括甲苯甲醇合成法、乙烯-苯直接偶合法、苯乙酮法、甲苯二聚法以及甲苯和合成气反应法等。

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1.4 苯乙烯的现状和发展趋势

由于PS和ABS树脂等下游产品消费的强劲拉动，近年来世界苯乙烯的生产发展很快。2000年世界苯乙烯的生产能力只有2324.1万吨，2005年增加到2745.0万吨，同比增长4.90%。美国莱昂德尔化学公司是世界上最大的苯乙烯生产厂家，生产能力达到126.0万吨约占世界生产能力的4.59%。苯乙烯下游衍生物主要是合成树脂，其用途可代替天然材料，被广泛的用于电子工业、汽车行业和日用轻工产品等领域。

我国苯乙烯生产始于20世纪50年代末。采用传统的三氯化铝液相烷基化工艺，建成一套5000吨/年苯乙烯生产装置，以后又陆续建成几套生产装置，但大都生产规模小，能耗和物耗较高，产量低，因而发展缓慢。 1.4.1 全球产业环境

2009年世界苯乙烯产能约3535万吨/年，主要分布在亚太、西欧和北美地区，其中亚洲地区1889万吨/年，约占53.4%；西欧地区692.7万吨/年，约占20%；北美地区653.6万吨/年，约占18%。

2009年世界苯乙烯消费量为2836万吨，其中亚洲（不含我国）占32%，我国占21%，北美占19%，西欧占19%，中/南美占4%，中/东欧占4%。亚洲，尤其是我国，是最主要的净进口地区，但消费量较小，进口数量也较少。中东及北美地区仍是最主要的净出口地区，西欧也略有净出口量，但量不大。

随着亚洲及中东地区苯乙烯新建装置的不断投产，拉动全球苯乙烯装置产能增速达5.4%，产量增速为4%，需求增速为3.9%。预计2011-2016年，全球苯乙烯的供需还将保持继续增长，但增速明显低于前5年，能力年均增速降至1.3%，而产量及需求的年均增速为2%。预计2016年全球苯乙烯的生产能力将达3959万吨/年，产量及需求量均为3476万吨。

目前苯乙烯世界产能已超过需求量，而且世界产能及消费量增长趋势已逐渐放缓。 1.4.2 国内市场现状

国内的苯乙烯装置基本上都是采用国外先进的成熟技术，技术水平较高，如中海壳牌装置采用壳牌公司第三代SM/PO联产技术；部分采用国内的自主技术，如海南实华嘉盛化工有限公司的催化干气制乙苯技术，是采用大连化学物理研究所与抚顺石油二厂研究开发的第三代催化干气制乙苯技术，它相比用纯乙烯与苯合成乙苯工艺的成本要低6.2%。他们研制成功的两种新型分子筛催化剂具有低温活性高、选择性好和寿命长等特点，用于固定床和催化蒸馏反应工艺中，可大大降低反烃化和烃化的反应温度，显著提高乙苯产品的

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质量。其技术属国内先进水平。另外，山东菏泽玉皇化工有限公司新投产了我国首套大型乙醇直接烃化制苯乙烯装置。该方法为没有乙烯资源的企业生产苯乙烯提供了一条新路线。与传统乙烯法工艺相比，新工艺的烃化产物中的重组分较少，烃化液中乙苯得率在20%～15%；苯塔顶几乎不排放烃化尾气。

截止2010年5月我国苯乙烯的主要生产企业有20多家，总产能约为526.9万吨/年，约占世界总产能的15%。虽然国际市场苯乙烯产能有所富裕，但是国内苯乙烯的产量仍然远远低于需求，产能、消费量及进口量均增长明显，自给率维持在40%左右，市场缺口约为320万吨左右，并呈现增长趋势。国内苯乙烯市场发展潜力较大。 1.4.3 消费结构

我国苯乙烯主要用于生产PS、ABS/SAN、不饱和聚酯树脂、丁苯橡胶、丁苯胶乳以及苯乙烯系热塑性弹性体等。其中，PS为苯乙烯最主要的下游产品，约占苯乙烯消费量的50%。受国家各类扶持政策影响，国内苯乙烯下游PS、ABS、丁苯橡胶等生产企业于2009年经济危机时期的困境，从而增加了对苯乙烯的消费。2009年，我国苯乙烯下游对苯乙烯需求量达到了640万吨左右，较2008年同期有较大增长。随着经济的好转，苯乙烯需求将继续上升。

1.4.4 国内市场发展趋势

（1）苯乙烯下游市场需求对苯乙烯的价格的变化起着重要的作用，特别是PS/ABS等行业对苯乙烯价格变化影响较大。

（2）由于国内苯乙烯自给率较低，大量产品进口，因此国内苯乙烯价格在一定程度上受到国际苯乙烯价格的影响。

（3）从全球苯乙烯的产能增长情况与下游需求情况来分析，全球需求最旺。增长最快跌的市场集中在我国大陆。因此，我国大陆是未来几年最具潜力的市场，而供应的增长也恰恰集中在该区域。该区域不仅占有高速增长的市场需求优势，而且能保证系列原料供应的相对稳定，以此可以推断，未来几年我国苯乙烯市场的变化格局将会直接影响全球市场。

1.5 生产工艺的反应历程

1.5.1 反应方程式

C2H5

催化剂???? CH?CH2 ? H2

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除脱氢反应外，同时发生一系列副反应，副产物甲苯、甲烷、乙烷、焦油等；

C6H5C2H5?C6H6?C2H4 C6H5C2H5?H2?C6H5CH2?CH4 C6H5C2H5?H2?C6H6?C2H6 C6H5C2H5?8C?5H2

C6H5C2H5?16H2O?8CO2?21H2

为了减少在催化剂上的结炭，需要在反应器进料中加入高温水蒸气，从而发生下述反应：

C?H2O?CO2?2H2

脱氢反应式1mol乙苯生成2mol产品（苯乙烯和氢气），因此加入蒸气也可使苯乙烯在系统中的分压降低，有利于提高乙苯的转化率。催化剂以三氧化二铁为主，加上氧化铬、氧化铜、氧化钾等助催化剂涂于氧化铁或碳酸钾等载体上，投料比为水蒸气:乙苯=2～3:1（质量比），反应所得的气体混合物经冷凝、油水分离、多塔分离和精制，制得苯乙烯。 1.5.2 反应过程 （1）脱氢过程

在脱氢反应器中，苯乙烯的产率与水蒸气用量和反应温度有关。水蒸气用量太少或反应温度太低，反应不完全，产率低；水蒸气用量过多或反应温度过高，催化剂结炭而降低产率。将原料中的水蒸气（按比例过量）有助于反应向右移，也要严格控制反应温度。 （2）冷凝过程

在冷凝器中，将脱氢反应的产物冷凝，降低其温度。 （3）油水分离过程

冷凝后，因反应中的水蒸气变为水，通过气体压缩机和油水分离器，将有机相和水分离。

（4）多塔分离过程

油水分离的有机相进入粗馏塔，并加入阻聚剂防止苯乙烯聚合，还要进入乙苯塔、苯乙烯精馏塔、苯∕甲苯塔，将依次它们分离出来，把分离出来的乙苯送回脱氢反应器，使其循环。

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1.5.3 生产方式的选取

化工生产的操作可分为全间歇、半间歇、连续和半连续四种：在全间歇操作中，整批物料投在一个设备单元中处理一定时间，然后整批输送到下一个工序；半间歇操作过程是间歇操作过程的连续操作过程。全间歇与半间歇（统称间歇式操作）的优点是设备简单，改变生产品种容易；其缺点是原料消耗定额高，能量消耗大，劳动生产率低，产品质量不稳定。连续式操作，原料及能量消耗低，劳动生产率高，因此比较经济；但总投资较大，占地面积较大，一般单线生产能力为2-10万吨/年。半连续操作与连续操作相比设备费用较少，操作较简单，改变生产品种较容易，但产品质量不如连续操作稳定，与间歇操作相比，生产规模更大，劳动生产率也更高，用与较大规模的品种生产，一般为1-2万吨/年。由于苯乙烯用量很大，需连续化大生产。采用连续式操作比较有利。

苯乙烯生产能力根据设计任务规定为年产50万吨。取年工作日为300天，则每昼夜生产能力为1666.6?103kg。每日生产能力同样为1666.6?103kg苯乙烯，这样的规模采用连续操作是比较合理的。

1.6 生产工艺说明

1.6.1 生产任务

年产50万吨精苯乙烯，纯度≥99.8%。 1.6.2 生产方法的确定

本工艺参照鲁姆斯(Lummus)公司生产苯乙烯的技术，采用低活性、高选择性催化剂，以乙苯脱氢法生产苯乙烯[1]。鲁姆斯(Lummus)公司经典苯乙烯单体生产工艺技术具有深度减压，绝热乙苯脱氢工艺。乙苯(EB)脱氢是在蒸汽存在下，利用蒸汽来使并维持催化剂处于适当的氧化状态。蒸汽既加热反应进料、减少吸热反应的温度降，同时蒸汽也降低产品的分压使反应平衡向着苯乙烯(SM)方向进行，且又可以连续去除积炭以维持催化剂的一定活性。

高温、高压蒸汽稀释和低反应系统压力能提供良好的反应平衡曲线，对乙苯(EB)转化为苯乙烯(SM)有利，在有两个绝热反应器的工业生产装置中，乙苯(EB)的总转化率可达到70%～85%。新鲜乙苯和循环乙苯先与一部分蒸汽混合，然后在一个用火加热的蒸汽过热器内进行过热，再与过热蒸汽相混合，在一个两段、绝热的径向催化反应系统内进行脱氢。热反应产物在一个热交换器内冷却以回收热量并冷凝。不凝气（主要是氢气）压缩后，经回收烃类后再用作蒸汽过热器的燃料，而冷凝液体分为冷凝水和脱水有机混合物（DM）。

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在脱水有机混合物(DM)（苯乙烯、未反应乙苯、苯、甲苯和少量高沸物）中加入一种不含硫的阻聚剂(NSI)以减少聚合而损失苯乙烯（SM）单体，然后在乙苯/苯乙烯单体（EB/SM）分馏塔进行分离，塔顶轻组分(EB及轻组分(苯/甲苯)从塔顶取得)去乙苯分离塔，从而从乙苯分离出苯和甲苯，回收的乙苯返回脱氢反应器原料中。EB/SM塔底物（苯乙烯单体和高沸物）在最后苯乙烯分馏塔内进行分馏，塔顶产品即为苯乙烯（SM）单体产品，少量的塔底焦油用作蒸汽过热器的燃料，蒸汽过热器所需大部分燃料来自脱氢废气和苯乙烯焦油。 1.6.3 生产控制参数及具体操作

（1）温度控制在600℃左右，负压[2]； 多塔投料配比

水蒸气:乙苯=3:1（质量比） （2）温度、压强和时间 脱氢分离控制在常温，常压。 （3）催化剂

催化剂以三氧化二铁为主，加上氧化铬、氧化铜、氧化钾等助催化剂涂于氧化铁或碳酸钾等载体上，使反应更好的发生，有利于苯乙烯的生成。 （4）阻聚剂

在苯乙烯工艺中，需要阻聚剂的有两个地方：一是苯乙烯精馏系统，二是苯乙烯产品贮存系统。在精馏塔中，苯乙烯处于120℃的高温，阻聚剂主要用来防止聚合物的生成；在苯乙烯贮存系统中，温度一般为20℃以下，聚合率较低，阻聚剂的主要用途之一是防止苯乙烯氧化。由于温度存在着很大的不同，对阻聚剂的要求也不一样，所以，在蒸馏塔中使用无硫阻聚剂（2、4-二硝基-邻-二-丁基酚（DNBP）俗称NSI），在苯乙烯贮存系统中使用4-叔丁基邻苯二酚（TBC）。 （5）生产苯乙烯的工艺流程

乙苯在水蒸气存在下催化脱氢生成苯乙烯，是在段间带有蒸汽再热器的两个串联的绝

热径向反应器内进行，反应所需热量由来自蒸汽过热炉的过热蒸汽提供。

在蒸汽过热炉（1）中，水蒸气在对流段内预热，然后在辐射段的A组管内过热到880℃。此过热蒸汽首先与反应混合物换热，将反应混合物加热到反应温度。然后再去蒸汽过热炉辐射段的B管，被加热到815℃后进入一段脱氢反应器（2）。过热的水蒸气与被加热的乙苯在一段反应器的入口处混合，由中心管沿径向进入催化剂床层。混合物经反应器段间再热器被加热到631℃，然后进入二段脱氢反应器。反应器流出物经废热锅炉（4）换热被冷

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却回收热量，同时分别产生3.14MPa和0.039MPa蒸汽。 反应产物经冷凝冷却降温后，送入分离器（5）和（7），不凝气体（主要是氢气和二氧化碳）经压缩去残油洗涤塔（14）用残油进行洗涤，并在残油汽提塔（11）中用蒸汽汽提，进一步回收苯乙烯等产物。洗涤后的尾气经变压吸附提取氢气，可作为氢源或燃料。反应器流出物的冷凝液进入液相分离器（6），分为烃相和水相。烃相即脱氢混合液（粗苯乙烯）送至分离精馏部分，水相送工艺冷凝汽提塔（16），将微量有机物除去，分离出的水循环使用[3]。苯乙烯流程见附录

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第二章 主要设备物料衡算

2.1 主要设备物料衡算

根据以上物料衡算，物料流程见图2.1（kg/h）

图2.1 物料流程图

2.1.1 计算依据

根据设计任务，苯乙烯的年生产能力为50万吨/年。开工因子=生产装置开工时间/年自然时间。为了充分利用设备，开工因子应取的较大，接近1，但又不能等于1。因为还要考虑到设备的检修以及开停车等情况。开工因子一般取为0.7～0.8。全年365天，则年生产250～300天；因此除去季保养、月保养、修理、放假等总计65天，则年工作日为（365-65）天=300天。定每天生产为1批料，每小时生产为1班。

?103/300)kg/天=1666.6?103kg/天。 可知每批料的生产能力为(500000以此作为物料衡

算的标准。依据质量守恒定律，对研究系统做物料衡算，可用下式表示： 式中

?G进??G出??G损??G积

?G进—输入物料量总和；

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?G出—离开物料量总和； —总的损失量； —系统中积累量。

?G?G损积2.1.2 进出脱氢反应器的物料衡算 (1)投料量计算

对连续生产可确定计算基准为Kg/批，则需计算每批产量及原料投料量。乙苯的脱氢反应(见反应历程)

其中原料规格：乙苯（99.6%） 水蒸气（95%）

原料乙苯含甲苯0.02%、含苯0.014%，含焦油0.006%。原料水蒸气含5%的杂质气体。 每批产苯乙烯：Gs=1666.6Kg

投料比：水蒸气:乙苯 =3:1（质量比） 转化率：脱氢过程为90% 分离率：多塔分离过程为98%

每班理论投料乙苯量：106.16)/(104.15×90%×98%×98%)=8.1884×104Kg G1=(1666.6/24×103×每班理论投水蒸气量：G2=3×8.1884×104=24.565×104Kg 每批原料实际投入量：G1=(8.1884×104/0.996)Kg=8.2213×104Kg G2=(24.565×104/0.95)Kg=25.585×104Kg

杂质：G3=（25.585-24.565）×104Kg+(8.2213-8.1884)×104Kg=1.3259×104Kg 催化剂的量：G4=(25.585+8.2213)×104×0.3%Kg=1.3259×103Kg (2)脱氢过程计算 转化率为：90%

苯乙烯的产量G5=(8.1884×104×104.15×90%)/106.16Kg=7.23×104Kg 氢气的产量：G6=（8.1884×104×90%×2）/106.15Kg=1.3885×103Kg 氧气的加入量：G7=（0.5×32×1.3885×103）/2=1.1108×103Kg 乙苯剩余量：G8=8.1884×104×（1－90%）=8.1884×103Kg 生成水G9=(1.3885×103×18)/ 2=1.2496×104Kg 进出脱氢反应器的物料衡算见表2.1：

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表2.1 进出脱氢反应器的物料衡算表（Kg/批）

输入

序号 1 2 3 4 总计

物料名称

质量Kg

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 总计

输出 物料名称 乙苯（100%） 水蒸汽 水蒸汽 苯乙烯 甲苯 苯 焦油 催化剂

质量Kg 8188.4 258580 12496 72300 169.1 112 55 1022.4 352923

乙苯（99.6%） 82213 水蒸汽（95%） 258580

氧气 催化剂

11108 1022.4 352923

2.1.3 冷凝油水分离阶段的物料衡算

脱氢结束后用冷凝器加以冷凝，除去水，温度必须控制在20℃左右。进出冷凝油水分离器的物料量如下表2.2：

表2.2 进出冷凝油水分离器的物料衡算表(Kg/批)

输入

序号 1 2 3 4 5 6 7 总计

输出

质量Kg 8188.4 72300 169.1 112 55 271076 1022.4 352923

物料名称 乙苯 苯乙烯 甲苯 苯 焦油 水蒸汽 催化剂

序号 1 2

物料名称 乙苯 苯乙烯 甲苯 苯 焦油 水 催化剂

质量Kg 8188.4 72300 169.1 112 55 271076 1022.4 352923

有机层

3 4 5

无机层

6 7 总计

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2.1.4 粗馏塔的物料衡算

将有机相加入粗馏塔中进行分离，同时加入阻聚剂防止苯乙烯聚合。 加入阻聚剂的量为：

（8188.4+72300+169.1+112+55）×0.3%=242.45Kg 粗馏塔的物料衡算结果如下表2.3：

表2.3 粗馏塔的物料衡算表(Kg/批)

输入

序号 1 2 3 4 5 6 总计

物料名称 乙苯 苯乙烯 甲苯 苯 焦油 阻聚剂

质量Kg 8188.4 72300 169.1 112 55 242.45 81066.95

总计 塔底 塔顶

输出 物料名称 乙苯 甲苯 苯 苯乙烯 焦油 阻聚剂

质量Kg 8188.4 169.1 112 72300 55 242.45 81066.95

2.1.5 乙苯塔的物料衡算表

将粗馏塔塔顶的物料加入到乙苯塔中，进行分离。物料衡算结果如下表2.4：

表2.4 乙苯塔的物料衡算表(Kg/批)

输入

序号 1 2 3 4 总计

物料名称 乙苯 甲苯 苯

质量Kg 8188.4 169.1 112 8469.5

塔底 总计 塔顶 序号

输出 物料名称 甲苯 苯 乙苯

质量Kg 169.1 112 1637.68 8469.5

2.1.6 苯乙烯精馏塔的物料衡算

将粗馏塔塔底的物料加到苯乙烯的精馏塔中进行分离，进一步浓缩苯乙烯的浓度。苯乙烯精馏塔衡算表如下表2.5：

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表2.5苯乙烯精馏塔的物料衡算表(Kg/批)

输入

序号 1 2 3 总计

2.1.7 苯∕甲苯的物料衡算

物料名称 苯乙烯 焦油 阻聚剂

质量Kg 72300 55 242.45 72597.45

塔底 塔顶 序号

输出 物料名称

质量Kg

苯乙烯 72300

焦油 阻聚剂

55 242.45 72597.45

总计

将乙苯塔塔顶的物料送到苯∕甲苯塔中，进行分离。计算结果如下表2.6：

表2.6苯∕甲苯塔的物料衡算表(Kg/批)

输入

序号 1 2 总计

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输出

质量Kg 112 169.1 281.1

序号 塔顶 塔底 总计

物料名称 苯 甲苯

质量Kg 112 169.1 281.1

物料名称 苯 甲苯

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第三章 主要设备热量衡算和设计

3.1 热量衡算

3.1.1 能量守恒定律

热量衡算按能量守恒定律，在无轴功条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡，在实际中对传热设备的衡算可由下式表示

Q1?Q2?Q3?Q4?Q5?Q6 （1—1） 式中：Q1—所处理的物料带入设备总的热量；

Q2—加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“-”），KJ；

Q3—过程的热效率，（符号规定过程放热为“+”；过程吸热为“-”）；

； Q4—反应终止时物料的焓（输出反应器的物料的焓）

Q5—设备部件所消耗的热量，KJ；

Q6—设备向四周散失的热量，又称热损失,KJ；

热量衡算的基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以以每日或每批处理物料基准。（计算传热面积的热负荷必须以每小时作为基准，而该时间必须是稳定传热时间）热量衡算温度基准，一般规定25℃。 从（1—1）式中可得：

Q2?Q4?Q5?Q6?Q1?Q3 (1—2) 式中各项可用以下计算方法 3.1.2 热量计算 (1) Q1和Q4的计算

Q1和Q4均可以用下式计算： Q??miciT1(T2)

式中： mi—反应物体系中组分i的质量，Kg;

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ci—组分i在0—T℃时的平均比热容，KJ/(Kg·℃)或KJ/(Kmol·℃);

T1(T2)—反应物系反应前后的温度，℃

Q1?(m乙苯c乙苯?m水c水?m氮气c氮气）?373

=[(81884×1.738)+(245650×4.2)+(11108×3.5)]×373=452420052.2KJ

Q4?(m乙苯c乙苯?m苯乙烯c苯乙烯?m甲苯c甲苯?m苯c苯?m焦油c焦油)?373

=[（8188.4×1.859）+（72300×1.555）+（169.1×1.834）+（112×3.5）+（55×1.828）]×333 =42774317.87KJ (2)

Q5的计算

冷凝器带走的热量Q5=376146336.9KJ (3)

Q6的计算

设备向四周散失的热量Q6可用下式计算：

Q6??A??(Tw?T)??10?3 式中 A—设备散热铭记（㎡）；

Tw—设备外表温度，℃；

T—环境介质温度，℃； θ—操作过程持续时间（s）； α—对流传质系数，W/(m2·℃)

当空气做自然对流，散热层表面温度为50～350℃时，经计算得：

A?(8.8???1?2?0.785)?(7.6???1?2?0.785)?(5???1?2?0.785)?(10.0???1?2?0.785) =104.926m2

α=8+0.05Tw=8+0.05×60=11W/(m2·℃)

Q6=104.926×11×(100-25)×3×3600×10?3

=934890.66KJ (4) 过程效应热

Q3的计算

过程效应热可分为两类，一类是化学过程热效应即化学反应热效应；另一类是物理过

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程热效应。物料经化学变化过程，除化学反应热效应外，往往伴随着物料状态变化热效应，但本工艺流程中物理过程热效应较低，可忽略不计，故过程热效应可由下式表示：

Q3?Qr?Qp

式中 Qr—化学反应热效应，KJ；

Qp—物理过程热效应，KJ；(可忽略不计)

Qr可通过标准化学反应热qr0计算：

Qr?(1000GA/MA)qr0

式中 qr0—标准化学反应热，KJ/mol；

GA—参与化学反应的A物质质量，Kg；

MA—A物质分子量。

00qr0??(qc)R??(qc)P

反应体系中各物质标准焓为： 乙苯（40.219KJ/mol） 苯（33.871 KJ/mol） 甲苯（18.029KJ/mol）

qr0=（33.871+18.029-40.219）KJ/mol=51.86KJ/mol

72300×51.86/104.15)=36000748.9KJ Qr=Q3=(1000×(5) 热负荷

Q2的计算

Q2=（Q4+Q5+Q6）-(Q1+Q3)

=(42774317.87+376146336.9+934890.66)-（452420052.2+36000748.9） =-68565255.67KJ

查手册得冷却水得Cp为4.187KJ/(Kg·℃),则冷却水的用量： （60-25）]=467878.5Kg G?Q/[Cp(t出?t进)] = 68565255.67/[4.187×3.1.3 热量衡算表

由能量守恒定律Q1?Q2?Q3?Q4?Q5?Q6，能量衡算结果见表3.1：

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表3.1热量衡算表

输入

符号

符号意义 所处理的物料

Q1

输出

结果 KJ/h

符号

符号意义

带入设备总的

热量 加热剂或冷却

452420052.2

Q4

反应终了时物料的焓 42774317.87

Q2

剂与设备和物料传递的热量

68565255.67

Q5

设备部件所消耗的热

量

物理过程热效应 化学反应热效应

376146336.9

Q3

过程的热效率

36000748.9

419855545.4

Q6 Qr

934890.66 36000748.9 419855545.4

总计

3.2 苯∕甲苯精馏塔的设计计算

通过计算D=1.435kmol/h，

DxD??，设??98%可知原料液的处理量为FxFF=7.325kmol/h，由于每小时处理量很小，所以先储存在储罐里，等20小时后再精馏。故D=28.7komlh,F=146.5kmol/h ,组分为xF?0.18,要求塔顶馏出液的组成为xD?0.90,塔底釜液的组成为xW?0.01。 设计条件如下：

操作压力:4kPa（塔顶表压）； 进料热状况:自选； 回流比:自选； 单板压降:≤0.7kPa； 全塔压降:ET?52%。 3.2.1 精馏塔的物料衡算

(1) 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 苯的摩尔质量 MA?78.11kg/kmol 甲苯的摩尔质量

MB?92.13kg/kmol

xF?0.18 xD?0.90 xW?0.01 (2) 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

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MF?0.18×78.11+(1-0.18)×92.13=89.606kg/kmol MD?0.9×78.11+(1-0.9)×92.13=79.512kg/kmol

MW?0.01×78.11+(1-0.01)×92.13=91.9898kg/kmol (3) 物料衡算

原料处理量 F=146.5kmol/h 总物料衡算 146.5=D+W

苯物料衡算 146.5×0.18=0.9×D+0.01×W 联立解得 D=27.89kmol/h W=118.52kmol/h 3.2.2 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 (1) 塔径的计算

精馏段的气、液相体积流率为

VS?VMVm89.248?81.586??0.690m3/s

3600?Vm3600?2.93LS?LMLm61.358?82.99??0.0017m3s3600?Lm3600?802.1

由?max?C?L??V ?V式中C由式计算，其中的C20由课本查取，图的横坐标为见（附录2）

LhVh?L0.0017?3600802.112?（）=4.018 ?V0.007?36002.93取板间距HT?0.40m，板上液层高度hL =0.06m，则

HT- hL

=0.40-0.06=0.34m

查图（见附录2）得C20 =0.072

C?C20(?L20)0.2?20.41??0.072???20?0.2?0.0723

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???Vmax?C?L??1.196ms V取安全系数为0.7，则空塔气速为

?=0.7?max?0.7×1.196=0.837m∕s

D?4VS?0.690???4??0.837?1.02m

按标准塔径园整后为 D=1.2m 塔截面积为

AT??4D2??4?1.2?0.942m2

实际空塔气速为

??0.6930.785?0.883ms (2) 精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度为

Z精?（N精?1）HT?（10-1）×0.4=3.6m 提馏段有效高度为

Z提?（N提?1）HT?（15-1）×0.4=5.6m 在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m 故精馏塔的有效高度为

Z=Z精?Z提?0.8?3.6+5.6+0.8=10m 3.2.3 筛板的流体力学验算 1 塔板压降

（1）干板阻力hc计算 干板阻力hc由下式计算，即

h??2?c?0.051???0?????c0????v??L?? 由d0??53?1.67，查图得，c0?0.772

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?11.56??2.92?故 hc?0.051m液柱 ?????0.0416?0.772??801.1? （2）气体通过液层的阻力h1计算 气体通过液层的阻力h1由下式计算，即 h1??hL ?a?VS0.621??0.85m3s /AT?Af0.78?50.05671/21.46mk?gs1/ /2(2 F0?0.8532.?92取??0.61

)故 h1??hL??（hhW?o）w?0.（610.?047）?0.013m液柱0. 0366 （3）液体表面张力的阻力h?由下式计算，即

4?L4?20.41?10?3h????0.0021m液柱

?Lgd0802.1?9.81?0.005气体通过每层塔板的液柱高度hp可下式计算，即

hp?hc?h1?h?

hp?0.0416+0.0366+0.0021=0.080m液柱 气体通过每层塔板的压降为

802.1×9.81=629Pa<设计值700Pa ?Pp?hp?Lg?0.08×2 液面落差

对于筛板塔，液面落差很小，且塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。 3 液沫夹带

5.7?10?6??a?液沫夹带量由下式计算，即eV???

?L?HT?hf?3.2hf?2.5hL?2.5?0.06?0.15m

5.7?10??0.853故eV?20.41?10?3??0.40?0.15?6????3.2?0.014kg液∕kg气

故本设计在液沫夹带在允许的范围内。

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4 漏液

对筛板塔，漏液点气速?0，min可由下式计算，即

?0，min?4.4（0.0056?0.13hL?h?)?L

=5.985m∕s

?V）

实际孔速?0?11.56m∕s 稳定系数为 K=

?011.56??1.93﹥1.5 ?0,min5.985故设计中无明显漏液。 5 液泛

为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从下式的关系

Hd??（HT?hw）苯-甲苯物系属一般物系，取??0.5，则

?（HT?hw）?0.（50.40?0.047）?0.224m

而Hd?hp?hL?hd

板上不设进口堰，hd可由下式计算，即

hd=0.153(?0)2?0.001m液柱

Hd=0.08+0.06+0.001=0.141m液柱

Hd??（HT?hw）故本设计中不会发生液泛现象。

3.3 苯乙烯精馏塔的设计

通过计算可知原料液的处理量为F=452.02kmol/h，组分为xF?0.3，要求塔顶馏出液的组成为xD?0.997,塔底釜液的组成为xW?0.001[4]。 设计条件如下：

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操作压力：4kPa（塔顶表压）；进料热状况：自选； 回流比：自选；单板压降≤0.7 kPa ；全塔压降ET?52%。 3.3.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率

苯乙烯的摩尔质量 MA?104.15kg/kmol 焦油的摩尔质量（假设） MB?300kg/kmol xW?0.001 xF?0.3 xD?0.9973.3.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MF?0.3×104.15+(1-0.3)×300=241.245kg/kmol MD?0.997×104.15+(1-0.997)×300=104.738 kg/kmol MB?0.001×104.15+(1-0.001)×300=299.8042kg/kmol

3.3.3 物料衡算

原料处理量F=2260.1kmol/h

再根据物料衡算可知，m苯乙烯?72300kg，m焦油?55kg；可见苯乙烯精馏塔中只有微量的焦油，故可设定塔高和塔径：

精馏段有效高度Z精?0.4=3.6m （N精?1）HT?（10-1）×提馏段有效高度Z提?0.4=1.6m （N提?1）HT?（5-1）×在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m 故精馏塔的有效高度为

Z=Z精?Z提?0.8?3.6+1.6+0.8=5m 塔径取D=1.2m

3.4 冷凝器的设计

冷凝器按其制冷介质和冷却方式，可以分为水冷式 ,空气冷却式和蒸发式三种类型。蒸发式冷凝器主要是利用冷却水蒸发时吸收潜热而使制冷剂蒸气凝结[5]。根据能量守恒原理，假设热损失可忽略不计，则单位时间内热流体放出的热量等冷流体吸收的能量[6]。热负荷Q为：

Q?Whcpc（t1?t2）

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式中 cp?流体的平均比热 KJ/(Kg·℃)； 容 t－冷流体的温度，℃。 Q=376146336.9kJ

管壳式换热器的对数平均温度按逆流计算，即

?t1m??t2??t1（600?100）?（20?10）??125.6℃ ?t2500lnln10?t1 查得???0.65，所以

?tm????t1 m?0.89?125.6?111.784℃故S?QM376146336.9??7159.4m2 K?t470?111.784 通过计算可知，选用TB∕4715-92,列管尺寸为直径19mm；管心距为25mm；管程数为1；管子总根数为1267个；中心排管数为39个；管程流通面积为0.2239m2列管长度6000mm，换热面积446.2m2，所以需要16个这样的换热器[7]。

3.5 油水分离器

重力法脱除水中的油滴其基本原理是利用水与油的密度差，使含油污水中的油滴在设备中上浮而除去。

按照Stokes定律,油滴的脱除效率只与油滴粒径、油与水物性、处理量和浮升面积有关,而与浮升高度无关,这就是所谓的“浅池原理”。根据“浅池原理”即可以采用低浮升高度的多层板结构，以增大浮升面积，提高油滴脱除效率。而且由于多层板组当量直径的减小,可使液流在较大流量下保持层流状态，也有利于油滴的有效分离。但是，在一定的设备高度内，增加多层板层数、缩短板距，必然带来要固定多层板而需的结构上的复杂与困难。所以，一般多层板除油装置板距均较大，且不能十分保证水流分布均匀，其处理效率的提高及设备的紧凑化，就受到限制。另一种强化途径是，使含油污水中的细小油滴通过聚结床合并为大油滴，则能使脱油效率得到较大的提高，这就是油滴的聚结。但采用聚结技术，也有限制，即流速要在一定范围内，且不但需要另外的浮升分离空间，还需定期反洗，增加了投资和操作费用。

本高效油水分离器，正是将“浅池原理”和“聚结技术”结合起来，用特殊的内部分离构件和配置，保证了在一定设备容积内，可提供最大的油滴浮升面积，以及尽可能多的油滴

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聚结机会，并使得水中油滴在浮升中聚结，在聚结中浮升，且内部液流分布均匀，防止了液流的短路与沟流，故在较短的停留时间内，可获得较高的脱油效率[8]。

高效油水分离器为一水平放置的卧式容器，主要由进水部分、出水部分、集油室和由斜通道波纹板构成的主体板组等构成，其结构特点为：

1.可以采用尽可能小的板距而无需固定支撑构件，从而在一定高度设备内，有更多的油滴浮升分离层，保证了在较短的停留时间内，可脱除较小的油滴，得到较高的脱油效率； 2.多层板组的当量直径较小，可在较大流速下，保持层流状态，避免了高处理量下湍流对油滴浮升所带来的不利影响；

3.由于斜通道波纹板一正一反迭放的特殊配置方式，整个板组内形成相互连接的之字形通道，水流在三维方向上不断改变方向，这就为油滴之间的碰撞聚结和油滴与构件之间的勃附聚结，提供了更多的机会，在整个板组中，油滴在浮升中聚结，在聚结中浮升，更进一步促进了脱油效率的提高；

4.由于板组之字形通道，也使板组内液流分布比较均匀，避免由于液流不均对脱油带来的不利影响；

5.固体悬浮物也有一定的脱除作用；

6.内构件可采用较薄的碳钢、铝、不锈钢或塑料制造，成本较低，制造、安装和维护清洗都很方便；

7.整个设备可以做成密闭式，可保证安全和防止二次污染。

3.6 过热蒸汽炉

过热蒸汽炉的设计依据是按《蒸汽锅炉安全技术监察规程》和《工业锅炉通用技术条件》的规定,并以“安全可靠、节能经济、保护环境、配套齐全、好用好造”为原则设计的。选用HS201或HS219。

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第四章 “三废”处理和安全事项

4.1 废水

化工废水是指化学工业生产中产生的废水，其中含有随水流失的化工原料，中间产物，产品以及生产过程中产生的污染物。本工艺生产过程中的工业废水主要来源式缩合反应中生成的水，经多次中和洗涤后的水，治理办法首先从工艺上减少废水的排放量，用沉降法分离废水中的悬浮物质，苯为有毒物质可以考虑用活性分离或膜分离等处理方法将其分离，经处理的废水达标后方可排放或做循环利用[9]。

4.2 废气

化学工业中大气污染物的特点是：有的是有毒物质，有的是对人类有威胁的致癌物质，有的是有强腐蚀性的，有的是易燃易爆气态物。本工艺生产过程中因含有一些低沸点组分而带臭味。一般采用填料式废气洗涤器用水洗涤后除去臭味排除。

4.3 废渣

化学工业固体工业废弃物属工业固体废弃物的一种，主要指硫酸烧渣、铬渣、制碱废渣和磷肥工业废渣。本工艺生产中因山苍子油中含有少量重组分物质，可用燃烧的方法处理。

4.4 副产品处理一览表

在生产苯乙烯的过程中，会产生一系列的副产物，对于不同状态的副产物，处理的方法也不同，具体处理方法见下表4.1：

表4.1 副产品处理一览表

名称 苯、甲苯 焦油

处理方法 作为有机溶剂出厂 作为涂料原料出厂

4.5 废物处理一览表

在生产苯乙烯的过程中，也会产生一系列废物，按形态大体分为3类：气态，固态和液态。

气态主要是脱氢尾气，固态主要是触媒残渣，而液态则是油水分离时产生的污水。它们的处理方法见下表4.2：

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表4.2 废物处理一览表

名称 触媒残渣 脱氢尾气 油水分离器污水

状态 固体 气体 液体

毒性 有 微 微

处理方法 挖坑掩埋 作补充燃料

符合国家标准排入下水道

4.6 安全事项

该项目生产属于甲级防火，注意跑、冒、漏、滴等现象发生，在生产区内动火要先做好安全防护工作，酸、碱乃强腐蚀物，操作时要有防护面具[10]。苯是有毒物质，要注意作好贮存及其污染治理工作。

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参考文献

[1]王静康.化工过程设计[M].北京化学工业出版社,2006.169-179. [2]许文,张毅民.化工安全工程概论[M].化学工业出版社,2001.38-67. [3]胡建生.机械制图[M].机械工业出版社,2003.74-78. [4]夏青.化工原理[M].天津大学出版社,2005.3-84. [5]葛婉华.化工计算[M].化学工业出版社,2005.70-97.

[6]陈钟秀,顾飞燕,胡望明,等.化工热力学[M].化学工业出版,2011.280-302. [7]涂伟萍.化工过程及设备设计[M].化学工业出版社,2000.123-156.

[8]张浩勤,张亚东,陈卫航,等.化工过程设计[M].化学工业出版社,2002.148-152. [9]徐新华,赵伟荣.化工环境工程概论[M].化学工业出版社,2006.19-202. [10]冯謦瑞,杨又启.化工安全技术书册[M].化学工业出版社,1993.16-33.

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结束语

这篇毕业设计是在我的导师罗桂林老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，经过近半年的努力，从收集整理资料，到整合构思我的设计，再到完成这篇《年产50万吨苯乙烯工艺设计》，我从中学到了好多收益终身的道理。

在构思自己设计时，要从纷繁复杂的资料中提取自己的中心思想，就必须向老师讲的那样先阅读大量的文献，只有理解了多种的设计理念和方法才可能整合出有自己见解的设计，这里我体会到了熟能生巧，要想做好一件事，就必须熟练这件事。到后期的修改整理应该说是最为复杂和最容易出错的时期，在老师的一遍遍检查和我的一遍遍修改期间，我懂得了不积跬步无以至千里的道理，没有每一个符号和数字的严格符合要求，就没有现在的设计成稿。

四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出去对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，也是我们要把所学的知识应用到实际工作中去的时候了。回首四年，不管是在学习上还是生活上都少不了老师的关心和帮助，感谢老师四年来对我们孜孜不倦的教诲，对我们成长的关心和爱护。 或许这不足以总结我的本科四年，但是这篇设计应该是我本科四年最努力也最得意的作业，从中学到的东西可以体现出我的大学收获。

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致谢

这篇设计是在我的导师罗桂林老师的指导下完成的，罗老师给了我最及时和最有效的指导，这使得我最终克服各种困难，顺利地完成了论文。罗老师以及四年来教过我的所有老师，一直鼓励我提高自己的综合素质，并给我创造了许多锻炼的机会，让我在实际锻炼中不断进步。在此，谨向我的导师们表示最崇高的敬意和最衷心的感谢。

这次做设计的经历使我终身受益，我感受到做设计是要真正用心去做的一件事情，是真正的自己学习和研究的过程。没有学习就不可能有研究的能力，对自己的研究就不会有所突破，希望这次经历能让我在以后的工作学习中激励我继续进步。

毕业设计的这段时间是我学生生涯中最有价值的一段时光。这里有治学严谨而不失亲切的老师，有互相帮助的同学，更有向上、融洽的学校生活氛围，还有我用心良苦的父母家人对我一如既往的支持和鼓励。借此论文之际，我想向所有人表示我的谢意。谢谢你们，我会继续努力的。

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附录1

符号 名称 输入物料量总和 离开物料量总和 总的损失量 系统中积累量

流体的平均比热容，KJ/(Kg·℃)

冷流体的温度，℃ 化学反应热效应，KJ 物理过程热效应，KJ 标准化学反应热，KJ/mol 参与化学反应的A物质质量，Kg

A物质分子量

?G进

?G?G?Gcp出损积

t

Qr

Qp qr0

GA

MA

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附录2

史密斯关联图

图中，C20——物系表面张力为20mN/m的负荷系数，m/s Vh，Lh——分别为塔内气，液两相的体积流量，m3/h ρV,ρL——分别为塔内气，液两相的密度，kg/m3 HT——塔板间距，m hL——板上液层高度，m

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