PROⅡ模拟年产8万吨苯乙烯生产装置工艺设计

PROⅡ模拟年产8万吨苯乙烯生产装置工艺设计学生：孙可慧，化学与环境工程学院化工系指导老师：路平，江汉大学化学与环境工程学院摘要苯乙烯是最重要的基本有机化工原料之一，目前工业生产装置止向大型化发展，对于国内现有小型装置进行改造，提高这些装置的经济效益，对于这些企业的生存和发展具有重要意义。本文总结了国内外主要的苯乙烯生产路线，对苯乙烯装置扩能改造的技术路线选择，设备方案进行了论述。详细论证了Smart工艺技术的原理及在装置改造中的应用。为进一步降低能耗，实现能量的回收，对现有工艺进行改进及最优综合具有重要的实际意义。本文使用化工流程模拟软件PROⅡ对现有苯乙烯生产工艺进行了模拟计算，对装置进行了多次的模拟优化。根据工艺流程，选用适宜的操作单元模块和热力学方法，建立过程模型进行稳态模拟计算。采用PROⅡ流程模拟软件对流程进行了模拟，对工艺参数进行了优化，得到了适宜的操作条件。该套苯乙烯装置的模拟优化为国内同类装置的流程优化提供了经验。关键词乙苯；苯乙烯；氧化脱氢；PROⅡ；Smart工艺；模拟优化AbstractStyreneMonomer（SM）isoneofthemostimportantorganicchemicals.Withthetrendofplantsizeincreasing,forthesakeofsurvivalanddevelopment,theexistingsmallscaleSMplantneedtorevampwithfeasiblescheme.ThepapersummarizedthemainSMproductiontechnologies.TheprocessselectionandequipmentplanofSMplantrevamphasbeendiscussed.Smarttechnologydemonstratedindetailtheprincipleandapplicationofthetransformationinthedevice.Inordertoreduceenergyconsumption,itissignificationtoimproveandoptimizetheexistingtechnology.Inthispaper,theindustrializedproductionsystemofstyreneissimulatedbymakinguseofthechemicalengineeringsimulationsoftwarePROⅡ.Accordingtothewholeproductionprocess,appropriateoperationmodulesandthermodynamicmethodswerechosen,andthesteady-statesimulationmodelwasestablished.Utilizingtheprocesssimulationsoftware,thesimulationwasperformedforthecolumnsandoperatingparameterswereoptimized.Therevampingandoptimizationofthisstyreneunitforenergy-savingpurposeprovideexperiencesforotherdomesticstyreneunits.KeywordsEthylbenzene;Styrene;Oxidativedehydrogenation;PROⅡ;Smarttechnology;Simulationandoptimization目录1绪论····································································11.1PROⅡ软件概述·····················································21.2原料、产物及副产物概述·············································32工艺技术选择····························································62.1生产方法选择·······················································62.2工艺流程选择·······················································73工艺原理·······························································103.1乙苯脱氢··························································103.2氧化反应··························································103.3热反应····························································113.4蒸汽重整反应······················································114物料衡算································································134.1工艺流程描述（见附图）·············································134.2精馏部分物料衡算··················································154.3反应部分物料衡算··················································185PROⅡ模拟工艺流程设计··················································215.1单元设备模块及物流组分············································215.2操作参数和关键控制················································215.3工艺模拟计算结果··················································256结论···································································41致谢·····································································42参考文献·································································43附图·····································································45附表·····································································4611绪论苯乙烯（SM）是重要的基本有机原料之一，主要用于生产苯乙烯系列树脂如聚苯乙烯(PS)、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯(ABS)、苯乙烯—丙烯腈(SAN)以及丁苯橡胶(SBR)和丁苯胶乳等。在乙烯衍生物中，苯乙烯消耗乙烯的量仅次于聚乙烯、聚氯乙烯和环氧乙烷而居第四位[1]。世界上苯乙烯的生产方法主要有乙苯脱氢法、乙苯—丙烯共氧化法、丁二烯合成法、甲苯甲醇合成法、乙烯—苯直接偶合法、热裂解汽油抽提蒸馏回收法、苯乙酮法、甲苯甲烷合成法等。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％。它又包括乙苯催化脱氢和乙苯氧化脱氢2种生产工艺[2]。目前Badger技术公司和ABBLummus/UOP是提供乙苯脱氢工艺的两大技术授权者。虽然两者反应器和设备的设计不同，但是反应工序基本相同，现有装置生产能力在10万吨/年~80万吨/年之间[3~5]。乙苯在高温和催化剂的作用下，发生脱氢反应生成苯乙烯。乙苯脱氢反应主要受化学平衡的控制，该反应为气相吸热反应，平衡常数随温度的升高而增加[6]。Badger和ABBLummus/UOP技术的乙苯脱氢工艺有两个串联的反应器，中间设有再热器。蒸汽在过热炉一段加热后，利用中间再热器加热来自第一反应器的流出物。来自再热器的蒸汽在过热炉二段中加热后，再与来自进料/产物交换器的乙苯混合，然后进入第一反应器。在第一反应器中温降约为80℃，其流出物必须用再热器加热到所需进料温度。第二反应器流出物用于预热进料，然后在一台冷却水冷凝器中冷凝。通过简单的水/有机物分离后，烃混和物精馏得到最终产物苯乙烯，水循环产生较多的蒸汽[7,8]。扩能改造过程中有三种技术可供选择：第一种是Lummus／UOP工艺；第二种是传统的Fina／Badger工艺；第三种是采用UOP的Smart工艺。其中Smart工艺提高了乙苯的转化率，经过慎重的比较，最终选定了UOP公司的Smart苯乙烯工艺作为本次设计的方案。化工流程模拟(亦称过程模拟)技术是以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，通过应用计算机辅助计算手段，进行过程物料衡算、热量衡算、设备尺寸估算和能量分析，作出环境和经济评价。它是化学工程、化工热力学、系统工程、计算方法以及计算机应用技术的结合产物，是近几十年发展起来的一门新技术[9]。现在化工过程模拟软件应用范围更为广泛，应用于化工过程的设计、测试、优化和过程的整合[10]。PROⅡ是一个能够完成新工艺设计，不同装置配置评估，优化和改进现有装置，依2据环境评估，消除工艺装置瓶颈，优化产能、增进收益，适宜应用于化工复杂过程模拟的化工模拟软件。采用PROⅡ流程模拟软件进行流程模拟，不需要自己去建立数学模型及求解，这些工作已经由软件本身完成，要做的工作主要有[11]：（1）了解工艺流程；（2）确定主要单元操作模块，即选用合适的单元操作代表实际装置中的设备或某种操作，模块和设备之间往往不是一一对应的；（3）建立信息流程图，用物流(STREAM)对模块进行连接；（4）确定循环物流，对流程进行分隔和切断；（5）根据物系特点选择热力学模型及求解方法；（6）输入必须的参数及必要的初值，进行模型求解；（7）对求解的结果进行深刻分析讨论，更好地指导生产实践。本次设计应用化工模拟软件PROⅡ进行模拟设计Smart工艺乙苯脱氢制苯乙烯，以寻求适宜的工艺条件（温度、压力、蒸汽量与乙苯用量比等）和塔设备等。它可以节省过去由试验（小试与中试）探索最佳工艺条件所消耗的大量资金、时间和人力，还能够使我们从整个系统的角度来认识、分析、预测生产中深层次的问题，进行装置调优、流程剖析和过程综合，达到优化生产、节约资源、环境友好、提高经济效益的目的。Smart工艺的关键是氢氧化催化剂、氧气引入方式和双径向氢氧化反应器。本设计也会从这几方面着手，以降低物耗、能耗和操作成本，使该工艺更趋完善。从而为国内现有装置的技术改造或新装置的兴建提供一定的参考。1.1PROⅡ软件概述PROⅡ是InvensysProcessSystems集团公司的SIMSCI-ESSCOR品牌的产品，主要用于新建装置设计、老装置的调优操作和技术改造,并为新工艺流程开发研究提供工艺包的主要内容。该化工过程模拟软件有以下几个组成部分[12]：①单元操作和反应过程模块。如精馏、换热、闪急蒸馏、蒸馏、流体输送等以及各种反应模块。②物性估算系统（用以为单元操作模块计算提供所需要