年产5万吨工业级乙苯的工业设计——塔顶产品冷却器的设计

1、目录摘 要1Abstract.11. 概述21.1形状及用途21.2 乙苯的生产工艺21.2.1 以苯和乙烯为原料的生产工艺21.2.2 以苯和乙醇为原料的生产工艺61.3 国内外生产情况61.3.1 国外苯乙烯主要生产企业产能、发展趋势和预测20-2261.3.2 国内苯乙烯当前生产及进口情况71.4 市场需求及发展前景72 冷凝器的类型及选择82.1 冷凝器概述92.2 冷凝器的类型93. 塔顶产品冷却器设计方案的确定114. 进出口的物料状态参数125. 工艺计算125.1 冷凝器的基本计算及选型135.1.1 流体物性参数及冷却水用量的计算135.1.2 计算流体的平均传热温差145.1.3 估算传热面积145.1.4 选择冷凝器类型规格155.1.5其他附件：155.2 核算压强降165.2.1 管程压强降165.2.2 壳程压强降175.3 核算总传热系数185.3.1 管程对流传热系数185.3.2 壳程对流传热系数185.3.3 污垢热阻195.3.4 总传热系数196.换热器主要结构尺寸和计算结果20结束语21参考文献22谢 辞24 年产5万吨工业级乙苯的工业设计塔顶

2、产品冷却器的设计摘 要：乙苯是重要的化工产品。这篇文章主要介绍了乙苯的性质，用途，主要生产方法、市场前景及发展趋势。本文主要承担冷却器的设计。根据物料衡算和热量衡算结果，确定了冷凝器的工艺参数、类型及特征尺寸。并对冷凝器进行了流体力学和热力学的衡算，结果表明所设计的冷凝器符合要求。关键词：乙苯；工艺设计；冷却器Process design of industrial ethyl benzene of 50,000 tons per year-the design of condenserAbstract: The ethyl benzene is an important product of chemical industry. Its natures, the uses, the main production methods, the market prospect and the trend of development were mainly introduced in this paper. It is responsible for the design of coole

3、r 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 energetic of cooler were checked. The result showed that the cooler designed could meet requirements. Key words: ethyl benzene; process design; cooler 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

4、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。近年来也有少量乙醇和苯直接烃化法来制取乙苯的新工艺。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（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) AlCl3 催化剂反应法20 世纪50 年代开始使用以AlCl3为催化剂的烷基化法生产乙苯,俗称传统AlCl3液相法，当年在工业生产中占有重要地位。国外多家化学公司都在此基础上开发了自己的技术( Basf、Shell、Monsanto、UCC 等) 。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

5、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。由于其它烯烃能同样进行烷基化反应而消耗苯, 并给分离造成困难; 硫化物和乙炔能使催化剂失活, 水使AlC13发生水解而生成不溶物A1(OH)3 , 易造成管道堵塞, 因此, 对原料乙烯的要求较高: C2H490% ( V) , C3H6、C4H8 1.0%( V) , H2S 5mg/m3 , C2H20.5% ( V) 。另外AlC13 用量大, 物耗能耗很高, 副产焦油量大，工艺流程长,因此该工艺目前已被淘汰。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。目前,全球仍有近40% 的乙苯采用AlCl3 液相烷基化工艺1。我国20 世纪80 年

6、代中期, 燕山石化公司和齐鲁石化公司分别引进乙苯/苯乙烯技术, 采用均AlCl3 催化剂液相反应法制乙苯。(2) 分子筛气相催化法（乙苯生产技术及催化剂研究进展）主要采用改性的中孔沸石ZSM 523催化剂,其他高硅沸石4 -6 （如ZSM - 11、ZSM - 23、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。分子筛气相法的反应工艺条件: 烷基化温度(380420)，压力(1.22.6)MPa, n (苯) n (乙烯) = 6. 57.0,乙烯质量空速( 2.13.0) h-1 ;烷基转移反应条件:温度(435445) ,压力(0.60.7) MPa,总空速( 27.033.0 ) h-1 , m (苯) m(多乙苯)=24。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

7、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。(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 - 25 12 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( 245270 ) ,压力(3.43.6)MPa, n (苯) n (乙烯) = 6. 57.0,乙烯质量空速(0.20.3) h-1 ;烷基转移反应条件:温度(250270) ,压力( 3.5 3.7) MPa,总空速6.0 h-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。与气相法相比,是在较低的温度(一般不超过300)和较高的压力下进行,降低了能耗,减少了能量回收系统的设备投资。(4) CDTech 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

8、,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。(5) 气相烷基化法（Mobil/Badge气相法）采用ZSM-5分子筛催化剂，气相烷基化法所采用反应器为多层固定床绝热反应器。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

9、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入贮罐区；塔底馏分送入多乙苯塔。多一本塔在减压下操作，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（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，完善的废热回收系统使装置的能耗少；催化剂价廉，寿命两年以上，每千克乙苯耗用的催化剂较传统三氯化铝法低廉1020倍；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。但该法由于催化剂表面积焦，活性下降快，需频繁进行烧焦再生。(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

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