苯乙烯生产工艺

化工过程模拟与优化课程设计报告苯乙烯生产过程的设计与优化指导教师：钱宇教授陆恩锡教授学生：周章玉学号：B98099专业：化学工程1999年8月设计任务乙烯4.3.5,5.4.6,6.8.5→→→→→→乙苯→→→→→苯乙烯苯1.3.57.6.2,8.11.1,9.5.1苯乙烯生产过程的设计与优化•过程设计分析•乙苯生产过程设计–反应系统–分离系统设计–换热网络合成–乙苯过程流程•乙苯制苯乙烯过程设计–反应系统–分离系统设计–换热网络合成–苯乙烯过程流程•由苯制苯乙烯全过程设计•全流程经济衡算•技术经济评价过程设计分析1.乙苯生产过程的分析•1.1乙苯合成•本设计拟采用苯和乙烯进行Friedel-Crafts烷基化反应合成乙苯。–苯+C2H2乙苯ΔH298=-114kJ/mol•在芳烃烷基化中的主要问题在于：开始得到的烷基芳烃还可能发生多烷基化反应。其主要反应如下：–苯+C2H2乙苯–乙苯+C2H2二乙苯–二乙苯+C2H2三乙苯–2乙苯苯+二乙苯过程设计分析•1.1乙苯生产过程的分析–1.1.2乙苯产品分离过程分析•在乙苯合成过程中，由于适宜的反应转化率较低，反应器出口含大量未反应的原料；而且反应过程中伴有多烷基化反应副反应，生成多烷基苯衍生物。因此，必须对反应产物进行分离，将反应产物中的多烷基苯衍生物和未转化的反应物（主要是过量苯）分离出来。过程设计分析•2苯乙烯生产过程的分析•2.1苯乙烯合成•苯乙烯的工业生产目前几乎全采用乙苯催化脱氢方法。•乙苯苯乙烯+H2ΔH873=125kJ/mol•乙苯催化脱氢在温度高达600℃左右进行。由于脱氢为吸热过程，根据LeChatelier’s原理，高温和低压（现代工业装置中压力小于0.1MPa）有利于反应进行，但在高温时苯乙烯和乙苯热分解显著，使苯乙烯收率减低。其主要反应如下：•乙苯苯乙烯＋H2•乙苯苯＋C2H4•乙苯＋H2甲苯＋CH4乙苯生产过程设计•2.1反应系统•2.1.1反应物和产物分布•反应物为苯和乙烯•产物为乙苯（主产物）和二乙苯及三乙苯•设反应进料组成为乙烯和苯的摩尔比为x0•反应产物的分布（摩尔组成）如下：•苯的摩尔分率=-0.0336x03+0.3174x02-0.9759x0+1.0002•乙苯的摩尔分率=-0.1008x03-0.6068x02+0.9345x0+0.0167•二乙苯的摩尔分率=-0.0516x03+0.1222x02+0.1929x0-0.0433•三乙苯的摩尔分率=-0.0423x03+0.2252x02-0.214x0+0.0666乙苯生产过程设计•2.1反应系统•2.1.2反应条件–气相连续反应–反应温度：820oF，等温–反应压力：300psia，等压–催化剂：ZSM-5沸石催化剂1299.06783.03132.03309.004.09134.02594.01947.0020300203001xxxxxxxx乙苯生产过程设计反应的选择性s1可表示为产物组成的函数：三乙苯分率二乙苯分率产物中乙苯分率产物中乙苯分率选择性由式（2-1）至式（2-4）可得：04.09134.02594.01947.00167.09345.06068.01008.002030020301xxxxxxs2.1反应系统2.1.3反应选择性和转化率乙苯生产过程设计•2.1反应系统•2.1.4反应的循环结构•未反应的苯和多乙苯•苯•乙烯乙苯•图2-1乙苯合成的循环结构图反应系统分离系统2.乙苯生产过程设计2.1反应系统2.1.5产量和进料量反应器出口乙苯流率1211yFyPfmaaP反应器出口二乙苯流率0167.09345.06068.01008.00433.01929.01222.00516.0020300203011xxxxxxPPab反应器出口三乙苯流率0167.09345.06068.01008.00666.0214.02252.00423.0020300203011xxxxxxPPac当反应进料组成为乙烯和苯的摩尔比x0取0.5时，由式2-5和式2-6可得：x1=0.4027s1=0.7752由式2-7至式2-9可得：P1a=327.4mol/hP1b=83.49mol/hP1c=11.46mol/h由物料平衡和反应产物可知反应器进料：新鲜苯进料量111sPFaf（式2-10）循环进料量11111xxFFfr（式2-11）新鲜乙烯进料量rffFFxF1100（式2-12）总进料量frftFFFF0111（式2-13）F1f=422.3mol/hF0f=524.4mol/hF1r=619.3mol/hF1t=1566mol/h2.乙苯生产过程设计2.1反应系统2.1.6反应器的确定根据反应条件，本设计拟采用固定床反应器。反应器容积：进料体积流率0001PTTVPFGt反应器容积GVR当反应进料组成x0取0.5时，反应器容积VR=0.749m3。2.乙苯生产过程设计2.2分离系统设计2.2.1分离序列由于反应产物中存在未反应的苯、产物乙苯和副产物多乙苯，必须将产物乙苯分离出来作为生产苯乙烯的原料，同时将未反应的苯和多乙苯循环使用。因此，存在着分离序列的选择。本设计采用启发—试探法进行排序。排定塔序的推理法则如下：1流量最大的组分最先分离；2最轻的组分最先分离；3高收率的组分最后分离；4分离困难的组分最后分离；5等摩尔分割优先；6下一个分离应该是最便宜的。2.乙苯生产过程设计2.2分离系统设计2.2.1分离序列当反应进料组成x0取0.5时，反应器出口组成见表2-1：（此时反应转化率为0.4027。经查数据手册，得各物质的沸点如下表2-1：表2-1反应产物的流量和沸点物质苯乙苯二乙苯三乙苯流量（mol/h）553.41340.9086.9311.93沸点（F）176.2277.1361.0412.12.乙苯生产过程设计2.2分离系统设计2.2.1分离序列苯循环进料多乙苯反应产物0产品乙苯图2-2产品乙苯分离序列苯塔乙苯塔2.乙苯生产过程设计2.2分离系统设计表2-2分离系统操作条件理论板数NT回流比R温度T(F)最小实际最小实际压力P(Psia)进料塔顶塔底苯塔8.8200.450.5415206.8177.1290.9乙苯塔11.7260.600.7215290.9278.6367.7物流流量(mol/h)热负荷(MMBtu)进料位置Nf进料塔顶塔底塔顶冷凝器塔釜再沸器苯塔10946.7524.5422.3-3.7011.94乙苯塔15422.3327.494.8-3.628.952.乙苯生产过程设计2.2分离系统设计表2-3各股物流的流量及组成塔物流流量(mol/h)苯(mol%)乙苯(mol%)二乙苯(mol%)三乙苯(mol%)进料946.755.434.68.81.2塔顶524.599.90.10.00.0苯塔塔底422.30.177.419.82.7进料422.30.177.419.82.7塔顶327.40.199.80.10.0乙苯塔苯塔底94.80.00.187.812.12.乙苯生产过程设计2.3换热网络合成2.3.1各换热单元热负荷计算新鲜进料循环苯循环多乙苯图2-3换热系统初步流程混合预热压缩反应冷却膨胀分离2.乙苯生产过程设计2.3换热网络合成2.2.2换热网络合成表2-4换热单元的热负荷预算值换热单元流量(mol/h)进口温度(oF)进口压力(Psia)出口温度(oF)出口压力(Psia)热负荷(MMBtu)*946.780.0**524.5177.1原料混合***94.8367.715153.7150.00原料预热1566.0153.715567.61523.27原料压缩1566.0567.615820.030012.88反应1566.0820.0300820.0300-0.06产物冷却946.7820.0300208.0300-38.14产物膨胀946.7208.0300206.815-0.08苯塔顶冷凝524.5177.115-3.70苯塔底再沸422.3290.91511.94乙苯顶冷凝327.4278.615-3.62乙苯底再沸94.8367.7158.95乙苯苯乙烯80/15422.3480/15524.485/1552.3/15946.7113.6/15181.2/15177.1/15278.7/15327.8367.7/1594.4290.9/15422.1199.3/151565.7567.5/15820/300820/300946.7695.7/15286.1/15206.8/15EX1R1M1C1E4E5E1E2E3E6E7Q[0.06]W[5055.9]Q[16.80]Q[16.23]Q[11.92]Q[3.62]Q[3.71]Q[8.96]W[2041.4]1020111526M2T1T2水蒸汽附图1乙苯过程流程图32/15770469/4501200252.9/15770294/4501200457/450P1W[25.4]P1W[10.8]2乙苯制苯乙烯过程设计3.1反应系统3.1.1反应物和产物分布该反应系统的主要反应物为乙苯过程的产品乙苯，其纯度为99.8%。产物为苯乙烯（主产物）和氢气、甲烷、乙烯、苯及甲苯。设反应转化率为x2，其产物分布为：苯摩尔数/苯乙烯摩尔数=0.333x2-0.215x22+2.547x23（式3-1）苯摩尔数/苯乙烯摩尔数=0.084x2-0.264x22+2.638x23（式3-2）2乙苯制苯乙烯过程设计3.1反应系统3.1.2反应条件气相连续反应反应温度：1115oF，等温反应压力：25psia，等压催化剂：FeO（活性组分）+CrO2（稳定组分）+K2O（积碳抑制剂）+CuO,V2O5（助催化剂）3.1.3反应选择性和转化率由主反应的平衡条件：)]5.185x+0.479x-0.417x+250(1-x250)][2.547x+0.215x-0.333x+250(1+x250[7.14)]2.638x-0.264x+0.084x[250(1253232232Keq计算知：x2eq=0.354甲苯分率苯分率产物中苯乙烯分率产物中苯乙烯分率选择性1417.0479.0185.51222322xxxs3.1.4反应的循环结构未反应的乙苯乙苯苯乙烯其它副产品图3-1苯乙烯合成的循环结构图反应系统分离系统3.1.5产量和进料量本设计中取苯乙烯终产品的产量P为250mol/h，反应转化率x2=0.35时，分离系统收率为y2=100%，由物料平衡可知：反应器出口苯乙烯流率22yPPa反应器出口乙苯流率xxsabPP222221反应器出口苯流率)547.2215.0333.0(3222222xxxPPac反应器出口甲苯流率)638.2264.0084.0(3222222xxxPPad反应器出口甲烷流率dePP22反应器出口乙烯流率cfPP22反应器出口氢气流率dagPPP2223.1.5产量和进料量当取反应转化率x2=0.35时，由式3-5可得：s2=0.7636P2a=250mol/hP2b=608.02mol/hP2c=49.85mol/hP2d=27.55mol/hP2e=27.55mol/hP2f=49.85mol/hP2g=222.45mol/h3.1.5产量和进料量新鲜乙苯进料量222sPFaf循环进料量22221xxFFfr总进料量rftFFF222F1f=327.4mol/hF1r=608.02mol/hF1t=935.42mol/h3.1.6反应器的确定采用管道式反应器，L/D取12(一般大于6)。进料体积流率0002PTTVPFGt反应器容积xkGVR11ln当反应转化率x2取0.35时，反应器容积VR=1.079m3。3.1.7反应热的计