1、 本科生毕业论文 （ 2014 届） 题 目： 年产 8 万吨苯乙烯工艺设计 学 院： 化学化工学院 专 业： 化学工程与工艺 学生姓名： 柳传红 学号： 21007051036 指导教师： 詹益民 职称（学位）： 讲师 合作导师： 詹益民 职称（学位）： 讲师 完成时间： 2014 年 4 月 25 日 成 绩： 黄山学院本科毕业论文 学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在指导老师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。 声明 人（签名）：柳传红 2012 年 4 月 25 日 1
2、 目 录 中文摘要 3 外文摘要 4 引言 6 1 概述 6 1.1 原料与产品概述 6 1.1.1 原料概述 6 1.1.2 产品概述 6 1.1.3 产品用途 6 2 苯乙烯的市场分析 6 2.1 世界市场分析 6 2.2 国内市场分析及发展趋势 7 3 苯乙烯生产工艺流程 7 3.1 苯乙烯主要生产工艺 7 3.2 苯乙烯生产工艺流程的选择 7 3.3 生产工艺流程简图 8 3.4 工艺流程的叙述 8 4 设计任务书 9 5 工艺计算 9 5.1 物料衡算 9 5.2 能量衡算 13 5.3 主要设备选型 16 5.3.1 苯乙烯精馏塔操作条件 16 5.3.2 理论板数的计算 17 5
3、.3.3 进料板位置的确定 17 5.3.4 塔径及塔高的计算 18 5.3.5 塔板主要工艺尺寸的计算 20 5.3.6 冷凝器的设计 21 6 生产事故预防及发展建议 22 6.1 生产事故预防 22 6.2 发展建议 23 2 7 副产品及废弃物处理 23 参考文献 25 致谢 26 3 年产 8 万吨苯乙烯工艺设计 化学化工学院 化学工程与工艺 柳传红 （ 21007051036） 指导老师： 詹益民 摘要 ： 以年产 8 万吨苯乙烯为生产目标，采用乙苯脱氢制得苯乙烯的工艺方法，对整个工段进行工艺设计和设备选型。设计对整个工艺流程进行了物料衡算，热量衡算，对设备理论上进行了尺寸计算及选
4、择，使设备满足设计要求，达到所需要的工艺条件。设计还附带一张带控制点的工艺流程图和一张化工设备图。 关键词 ：苯乙烯；乙苯脱氢；工艺计算；乙苯苯乙烯精馏 4 The process design of annual output 80,000 tons styrene Liuchuanhong Director： zhan yi min （ College of Chemistry and chemical engineering， Huangshan University, Huangshan, Anhui, 245041） Abstract： The design is based on
5、an annual output of 80,000tons for the production of styrene, using ethylbenzene dehydrogenation of styrene to process method, process for the whole process design and equipment selection. The design of the whole process flow is the material balance, heat balance calculations, theory of equipment si
6、ze calculation and choose, make the equipment to meet the design requirements, to need process conditions. The design includes an auxiliary take control of the process flow chart and diagram of chemical equipment. Key Words: styrene； ethylbenzene； dehydrogenation process calculation； Ethyl benzene a
7、nd styrene distillation 5 引言 苯乙烯 最早发现于苏合香脂，是一种天然香料。直到 19 世纪三四十年代才被应用于工业生产，是由法本公司和陶瓷化学公司采用乙苯脱氢法进行小规模生产。 但 由于 精馏技术 未有大的发展而得到限制 。 直到 道化学公司和 BASF 公司才在精馏技术上有突破， 得到 高纯度苯乙烯单体并聚合 生 成稳定、透明、无色 塑料。第二次世界大战过后，不仅是苯乙烯产量快速上升，而且也出现了一些新的生产技术，先后有美国的乙苯共氧化法和日本的裂解汽油抽提法，之后 实现了大规模的 工业生产。 近年来我国在建筑材料、家庭电器、汽车行业等方面取得飞快的发展，这无疑刺
8、激了 苯乙烯类树脂 的 消费 水平 ，我国苯乙烯行业都是处于供求不足的状态，每年都需要 依靠世界市场 来满足国内市场的需求。因此 必然导致 国内苯乙烯 的 价格 上升 。 70 多 年来， 不断提高 苯乙烯 的 生产技术 水平 ， 成熟于 五六十 年代 的工艺 ， 后期 又 由于 受市场上 能源 、 原料价格及 国家绿色环保政策 等因素 的影响 ， 使得苯乙 烯的生产做到低耗能、原料的重复利用 以及对工业上的“三废”优化处理，逐渐取代了传统的工艺，使得苯乙烯的生产技术水平得到进一步提高，更能跟得上时代的发展脚步。 本文 主要根据生产设计任务书进行物料衡算和能量衡算 以及 对设备理论上进行了尺寸
9、计算及选择，使设备满足设计要求， 达到所需要的工艺条件 ，同时 分析了国内外苯乙烯的生产和供需情况， 并对生产苯乙烯过程中所发生的危险事故的发生及工艺上的问题作了介绍， 提出了 一些对未来市场上有用的生产新技术 。结合实际生产与事故，对苯乙烯生产中存在的 一些 危险进行了 预防 。 不断的在生产设备规模和 新的技术水平上提高，能够做到苯乙烯从产量及质量达到新的高度，让我国苯乙烯市场具有高的竞争力。 设计过程中涉及到有机、化工原理以及化工分离工程、化工热力学等多门学科的知识。通过本次设计让我更清晰的掌握了这些学科的一些基本知识，更加巩固了曾经在课堂上所学的。 6 1 概述 1.1 原料与产品概述
10、 1.1.1 原料概述 乙苯分子式为 C6H5C2H5 ，相对分子质量为 106，是生产苯乙烯的中间体，无色有芳香气味，熔点（）： -94.9 ，沸点（）： 136.2，易燃具有毒性。原料中乙苯： 99.95%（ w%） 1.1.2 产品概述 苯乙烯（ SM）是 通过苯取代乙烯分子上的一个氢原子所形成的具有 无色、有特殊香气的油状 有机化合物 。分子式 C8H10，相对分子量 104。 苯环可与 乙烯基 形成共轭电子对，其 不溶于水，溶于乙醇、乙醚 等有机溶剂 中 ； 有毒， 在 空气中允许浓度为 0.1mg/L。 该物质会对地表水、土壤、大气和饮用水造成污染 ，甚至造成水体污染，严重影响水下
11、生物的生存和人的生活健康 。由于其 具有强的 挥发性 和易被光解 ， 故在储存时切不可暴露的大气中，但其也可以被一些微生物降解， 即能被特异的菌丛所破坏，亦能被空气中的氧 所氧化成苯甲醚、甲醛及少量苯乙醇 ， 且 易燃，遇明火、强氧化剂有引起燃烧爆炸的危险，其 气体形态 与空气 能形成爆炸性混合物 ，爆炸极限 1.1%6.1%（ 气体体积分数 ）。 1.1.3 产品用途 苯乙烯主要用来生产 生活中所熟知的 各种 家电、包装材料、建筑材料以及一些高性能的 树脂和弹性体 的原料 。 其中苯乙烯需求量最大的当属 聚苯乙烯（ PS），聚苯乙烯又包括 通用聚苯乙烯（ GPPS）、高抗聚苯乙烯（ HIPS
12、）、可发性聚苯乙烯（ EPS）。 生产的 其他的 材料有 丙烯腈 -丁二烯 -苯乙烯 树脂 （ ABS）、苯乙烯 -丙烯腈树脂 （ SAN） 、不饱和聚 酯树脂（ UPR） 、丁二烯 -苯乙烯橡胶（ SBR） 以及丁二烯苯乙烯乳液等。这些产品广泛 应 用于 工业装饰、照明指示、电绝缘材料以及光学仪器零件、透明模型、玩具、日用品、汽车 制造、家用电器、 造纸、纺织、制鞋等工业部门。 不仅如此， 它还可作为医药、 农药 、染料 及 选矿剂的中间体，用途十分广泛 1。 2 苯乙烯市场分析 23 2.1 世界市场分析 世界苯乙烯产能主要分布在北美、西欧及东北 亚 地区。世界苯乙烯产能稳步增长， 200
13、2-2012 年年均增长 3.3%， 2012 年底世界总产能约 3260 万 t/年。 2012年世界苯乙烯 消费量达到 2735 万吨， 2012 年的产量年均增长 2.1%， 2012 年总7 产量约 2760 万吨， 2012-2017 年均增速 3.5% ， 未来世界苯乙烯的消费将保持增长， 2017 年达到 3250 万吨。目前 为止世界上生产的 苯乙烯 已供过于求 ， 世界苯乙烯的生产都将趋于缓和。 2.2 国内市场分析及发展趋势 中国苯乙烯产能增长迅速， 2002-2012 年的年均增长率达到 13%； 2013 年，中国苯乙烯拟在建项目的产能约为 340 万吨 /年 ； 20
14、12 年中国苯乙烯表观消费量达到 800 万吨，同比增长 4.8%； 中国聚苯乙烯产能增长迅速， 2012 年的年均增长率达到 13%； 中国 ABS 树脂生产能力较快增长， 2002-2012 年的年均增长率达到 14%； 几年来中国苯乙烯缺口较大，自给率逐年提升 2010 年自给率首次超过 50%， 2012 年已超过 55% 2017 年中国苯乙烯缺口仍较大，预计将保持在目前水平。 全球苯乙烯的生产能力已经出现了过剩的态势， 在亚洲当中中国所占有的苯乙烯消费比例不断增加 ，这样 我国就需要从世界市场满足需求 。 虽然目前我国苯乙烯的生产还有很大的进步空间， 但随着 我国各个行业的发展迅速
15、就会导致苯乙烯的需求量增加 ， 这样就会刺激生产苯乙烯的各 个企业之间的竞争，将使得这些企业不断扩大生产，带动了 苯乙烯 生产设备的投资快速增长 。 又 由于 聚苯乙烯 和ABS 树脂等苯乙烯 的产品保持增长的态势 。 苯乙烯需求增大就要扩大规模来生产，带动周围国家和企业去挑战机遇。这样一定程度上能够缓和 苯乙烯 生产 能力 。因此， 国内苯乙烯市场发展潜力较大。 3 苯乙烯生产工艺流程 3.1 苯乙烯主要生产工艺 目前，工厂规模化生产苯乙烯工艺路线 3：乙苯 催化 脱氢、环氧丙烷联产、裂解汽油抽提三种方法。其中工艺路线生产苯乙烯乙苯脱氢占 79%， 裂解汽油抽提法占 2%， 环氧丙烷联产法占
16、 19%。虽 然 环氧丙烷联产法 生产不仅有苯乙烯产品 ，还 有 环氧丙烷，但 其工艺流程复杂且又长 ， 在设备上就有大量的投资，流程长又易造成能源耗损大，而裂解汽油抽提在原料方面获得较困难 。 相比之下乙苯脱氢目前更具有优势，目前我国大概有 90%的采用此工艺方法 。其中乙苯催化脱氢法又可分为（ 1）多管等温脱氢工艺 ； （ 2） 绝热 催化 脱氢工艺 。 3.2 苯乙烯生产工艺流程的选择 在工艺流程的选择上要遵从“技术上先进和经济上合理”的原则来考虑问题，绝热催化脱氢所用反应器结构简单且装置费用可观，也有很强的生产力。而多管等温脱氢流程较复杂且等温条件难 控制。在绝热反应器中单段反应器生产
17、能力还行，但由于其低的转化率和选择性且高能耗，不满足技术先进和经济合理 。 采用两段反应器很好解决以上缺点而应用。 故采用 的工艺为两段绝热催化脱氢。 8 3.3 生产工艺 流程图 4 3.4 工艺流程的叙述 反应过程 主要反应： C6H5C2H5 C6H5CHCH2+H2 (3-1) 生成苯乙烯和氢气，反应的选择性为 95%转化率为 60%；发生的副反应有： C6H5C2H5 C6H6 +C2H4 (3-2) C6H5C2H5 + H2 C6H5CH3 + CH4 (3-3) 两反应的选择性分别为 1%、 3%，反应过程中产生苯、甲苯、乙烯和甲烷。苯乙烯生产 工艺设计过程分为催化脱氢和精馏分离 阶段 。 首先原料乙苯通过加热变成乙苯蒸气与水产生的水蒸汽在有催化剂的反应器中反应之后进入冷却器和分离器， 气体则通过收集处理或直接排放， 分离出的液体产物则进入甲苯 /乙苯塔进行初步分离，塔顶得到甲苯和苯，进入苯 /甲苯塔进行精馏富 集苯和甲苯，塔底得到乙苯和苯乙烯进入到苯乙烯精馏塔进一步分离，分离得到塔顶出产品苯反应器 甲苯/乙苯塔 苯 甲苯 苯乙烯 苯 / 甲苯塔 苯乙烯精馏塔 循环 乙苯 冷凝器 图 3-1 工艺流程简图 尾气 乙苯 水 预热器 压缩机 分离器
