年产5万吨乙苯的工艺设计——原料预热器的设计

1、 目 录 摘摘 要要：.1 ABSTRACTABSTRACT:.1 1.1.概述概述.1 1.1 形状及用途 .1 1.2 乙苯的生产工艺.2 1.2.1 以苯和乙烯为原料的生产工艺.5 1.2.2 以苯和乙醇为原料的生产工艺.7 2.2. 换热器的简绍换热器的简绍.5 2.1 换热器在工业中的应用 .5 2.2 换热器的种类 .6 2.3 几种典型换热器的结构特点.8 3 3预热器方案的确定预热器方案的确定.9 4.4. 原料、辅助原料及产品的主要技术规格原料、辅助原料及产品的主要技术规格.10 5.5. 工艺计算工艺计算.10 5.1 预热器的基本计算.10 5.1.1 定性温度及物体性质参数.10 5.1.2 计算热流体用量.11 5.1.3 计算平均传热温差.11 5.1.4 估算传热面积.12 5.2 预热器的选择及其工艺结构尺寸.12 5.2.1 选择预热器的类型规格.12 5.2.2 其他附件 .13 5.3 核算压强降.13 5.3.1 管程压强降 .13 5.3.2 壳程压强降 .14 5.4 核算总传热系数.15 5.4.1 管程对流传热系数ai.15 5.4.2

2、壳程对流传热系数a0.15 5.4.3 污垢热阻 .16 5.4.4 总传热系数 K0，.16 6.6. 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果.17 结结束束语语 .19 参考文献参考文献：.20 谢谢 辞辞.22 附图附图.23 1 年产 5 万吨乙苯的工艺设计原料预热器 的设计 摘摘 要要：乙苯是重要的化工产品。这篇文章主要介绍了换热器，乙苯的性质，用途，主要 生产方法、市场前景及发展趋势；设计了年产 5 万吨乙苯的生产工艺；本文主要承担预热 器的设计。根据物料衡算和热量衡算结果，确定了预热器的工艺参数、类型及特征尺寸。 并对预热器进行了流体力学和热力学的衡算，结果表明所设计的预热器符合要求。 关键词关键词：乙苯；工艺设计；预热器。 2 Process design of industrial ethyl benzene of 50,000 tons per year -the design of condenser Abstract: The ethyl benzene is an important product of chemical industry.

3、 This article is mainly introduced the heat exchanger .Its natures, the uses, the main production methods, were mainly introduced in this paper. The process design of industrial grade ethyl benzene of Fifty thousand ton per year was explored . It is responsible for the design of cooler in this article. According to the material and heat balance calculations, technological parameters, types, and characteristic dimension of cooler were determined. At the same time, the flow resistance and energeti

4、c of cooler were checked. The result showed that the cooler designed could meet requirements. Key words: ethyl benzene; process design; heat exchanger 3 1. 概述 1.1 形状及用途 乙苯是一个芳香族的有机化合物 ，化学式 C8H10。又称苯乙烷。英文名称 Ethylbenzene 。分子量 106.16 。乙苯是有芳香气味的无色液体，有毒，对皮肤和 粘膜有刺激作用。易燃，其蒸气与空气可形成易爆物。不溶于水，可混溶于乙 醇、醚等多数有机溶剂。主要用途是在石油化学工业作为生产苯乙烯的中间体， 所制成的苯乙烯一般被用来制备常用的塑料制品聚苯乙烯。乙苯经过催化脱 氢，生成氢气和聚苯乙烯。还用于生产甲基苯基甲酮，它也是制药工业的重要 原料。 1.2 乙苯的生产工艺 工业上只有不到百分之四的乙苯来源于重整轻油C8芳烃馏分的提取， 其余大部分以苯和乙烯为原料合成。以苯和乙烯为原料按催化剂的不同可分 为：AlCl3 催化剂液相反应法、分子筛烃化法，

5、如：分子筛气相催化法、分子 筛液相催化法、CDTech EB、催化裂化干气制乙苯工艺、气一液相法与催化精 馏制乙苯工艺。以苯和乙醇为原料的合成方法为：苯和乙醇直接烃化法。 1.2.1 以苯和乙烯为原料的生产工艺 1.2.1.1 AlCl3 催化剂反应法 该法苯与乙烯摩尔比低，反应温度适中,而且工艺流程简单，操作条件要求 低，乙苯的转化率高。 但是该工艺反应介质的腐蚀性强，设备造价与维修费用 高以及反应产物有机相经过水洗、碱洗后产生大量含有氢氧化铝淤浆的废水， 加上废催化剂,造成了严重的环境污染。1974年Monsanto 公司成功开发了均相 AlCl3 法工艺技术，所用催化剂为溶解于反应液中的AlCl3 络合物,形成均相体 系， 苯与乙烯的烷基化反应和多乙苯的烷基转移反应分别在两个反应器中进行， 提高了乙苯转化率, 副产物焦油少，AlCl3用量少（仅为传统法的1/3），但这 种方法也只是使设备腐蚀及环境污染问题有所缓解，并未从根本上得到解决1。 1.2.1.2 分子筛气相催化法 4 主要采用改性的中孔沸石ZSM 52-3催化剂,其他高硅沸石4-6 （如ZSM - 11、ZSM - 23

6、、ZSM - 35、ZSM - 38和ZSM - 12也建议采用,适用于浓乙烯和稀 乙烯混合气体为原料。不存在环境污染和设备腐蚀问题,催化剂寿命2年,再生周 期1年。美孚公司的ZSM - 5催化剂是高活性的烷基化和烷基转移催化剂,装填量 仅为相应的液相工艺的十分之一,乙烯转化率达99. 8% ,催化剂实行原位再生, 使用寿命较长,整个反应的热效率较高,单烷基化反应选择性较高,降低了烷基转 移反应的负荷,有效抑制了重组分的产生,焦油的生成量仅为乙苯的0.3%。另一 方面,由于较高的反应温度,使部分乙烯裂解产生非选择性的烷基化产物,后经歧 化脱烷基生成甲苯和二甲苯等。 1.2.1.3 分子筛液相催化法 液相法采用Y型分子筛催化剂79，其他一些大孔分子筛如MCM 10 、 11 和SSZ - 2512 等也适合,只能用于浓乙烯的烷基化反应,对原料纯度要求不高, 反应条件缓和,投资省,运行周期长。工艺条件: 烷基化温度( 245 270 ) ,压 力(3. 43. 6) Mpa， n (苯) n (乙烯) = 6. 5 7. 0，乙烯质量空速(0. 20. 3) h- 1 ；烷基转移反应条件：

7、温度(250 270) ,压力( 3.5 3.7) Mpa，总空速 6.0h- 1 ，m (苯) m (多乙苯) = 7. 6。该法不产生污染环境的废料,催化剂的运 转周期2年。催化剂进行器外再生,再生条件缓和,使用寿命达三年。 1.2.1.4CDTech EB 该工艺将反应器和精馏塔合二为一,充分利用反应热,降低了能耗。采用分 子筛催化剂,可用于新建与老装置的改造,催化剂寿命( 25)年,进行器外再生, 具有高选择性、高产品纯度、高效率、低能耗和低成本的优势。该工艺特点在 于塔内的浓度分布不是靠增大进料苯和乙烯物质的量比,而是靠精馏分离作用建 立。适用于乙烯体积分数10% 25%的原料,乙苯收率99. 5% ,乙苯和多乙苯的 选择性大于99. 75% ,反应中没有其他工艺副产物甲苯和二甲苯,对提高产品质 量具有显而易见的优越性。该工艺简单,塔底出料中基本不含苯,可减少后处理 设备的投资。反应条件缓和,过程操作容易,所需设备压力等级低,投资设备少, 操作费用低,发展前景广阔13-16。 1.2.1.5 气相烷基化法（Mobil/Badge 气相法）17-18 采用ZSM-5分子筛催化剂

8、，气相烷基化法所采用反应器为多层固定床绝热 5 反应器。新鲜苯和回收苯与反应物换热后进入加热器气化并预热至400420。 先与已加热气化的循环二乙苯混合，再与原料乙烯混合后进入烷基化反应器各 床层。各床层的温升控制在70以下。由上一床层进入下一床层的反应物流经 补加苯和乙苯骤冷至进料温度，使每层反应床的反应温度相接近。典型的操作 条件为：温度370425，压力 1.372.74MPa，质量空速35kg乙烯/kg催化 剂h。烷基化产物由反应器底部引出，经换热器后进入初馏塔，蒸出的轻组分 及少量苯，经换热器后至尾气排出系统作燃料塔釜物料进入苯回收塔，在该塔 内将物料分割成两部分，塔顶蒸出苯和甲苯进入苯、甲苯塔；塔釜物料进入乙 苯塔。在苯、甲苯塔分离得到回收的苯循环使用，甲苯作为副产品引出。在乙 苯塔塔顶蒸出乙苯成品送贮罐区；塔底馏分送入多乙苯塔。多乙苯塔在减压下 操作，塔顶蒸出二苯、返回烷基化反应器；塔釜引出多乙苯残液送入贮槽。该 法的主要优点有：无腐蚀无污染，反应器可用低铬合金钢制造，尾气及蒸馏残 渣可作燃料；乙苯收率高，以ZSM-5为催化剂时乙苯收率达98%；以HZSM-5为 催化剂（

9、Si/Al=67,=120）时乙苯收率达99.3%；能耗低，烷基化反应高有利 于热量的回收；催化剂价廉，寿命两年以上；以及装置投资较低、生成成本低， 装置不需要特殊合金设备和管线等。 1.2.1.6 气一液相法与催化精馏制乙苯工艺 除气相法和液相法外, 也有烷基化反应在气一液一固三相条件下进行的, 采用的催化剂主要有分子筛、Y、型分子筛和SSZ-25分子筛等。气一液一相法 6 主要有两类反应器: 气一液一固三相鼓泡固定床和催化精馏塔。气一液相法的 反应温度更低, 一般为150220 , 反应压力0.751.8MPa, 苯与乙烯摩尔 比则根据反应器的不同而差别较大,在气一液一固三相鼓泡固定床反应器中,一 般为610 在催化精馏塔内则为16。在气一液一固三相鼓泡固定床反应器中, 在乙烯转化率100% 条件下,乙苯选择性可达92.5%95.5%。在催化精馏塔内,乙 苯的选择性可大于95%19。 1.2.2 以苯和乙醇为原料的生产工艺 江苏省丹阳市化工医药设计研究所研发成功采用分子筛为催化剂,气相法 直接由乙醇与苯烃化制乙苯的新技术,并在江苏镇江建成15 kt/ a 乙苯的工业 化生产装置。该

10、所开发的乙醇与苯直接烃化生产乙苯工艺,能够在一台绝热床反 应器内同时完成乙醇脱水生成乙烯与乙烯烃化两个反应。开发的专用纳米级分 子筛双功能催化剂同时具有乙醇脱水、乙烯与苯烃化两个功能，且催化剂活性 高、选择性好、再生周期长,可使乙醇转化率接近100 % ，乙苯收率达99.6%。 与传统的乙醇脱水技术相比,该技术简化了生产过程,反应相对平稳,脱水副反应 与烷基化副反应相对较少；所用反应器体积大大缩小,节省了大量投资；不含腐 蚀性物质，无残渣和废气污染；热能回收率高,超过95%的反应热和工艺过程中 产生的热量被回收利用；C9C10 重质芳烃杂质能进行烷基化转移或裂解,不会 积累在反应器中造成堵塔现象；绝热式固定床反应器可使气流分布均匀,易于控 制,脱水反应与烷基化反应能够在最佳工艺条件下进行。目前,除镇江15 kt/ a 乙 醇与苯烃化制乙苯工业化装置建成投产外,正在常州建设的50 kt/a 乙苯装置和 山东新建的一套200kt/a 苯乙烯装置也采用了乙醇与苯烃化制乙苯的新技术。 2. 换热器的简绍 2.1 换热器在工业中的应用 预热器属于换热器的一种。换热器在工业生产中，用于在两种或两种

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