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年产5万吨乙苯的工艺塔顶产品冷却器设计.rar

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    年产 乙苯 工艺 塔顶 产品 冷却器 设计
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    本科毕业论文(设计)题 目 年 产 5 万 吨 乙 苯 的 工 艺 塔 顶 产 品 冷 却 器 设 计 学生姓名 林敏群 专业名称 化学工程与工艺 指导教师 卫粉艳老师 2013 年 5 月 27 日教学单位 宝鸡文理学院 学生学号 200992074113 编 号 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 [20-22]......................................61.3.2 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 ............................................................................................................................................240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林敏群 (宝鸡文理学院 化学化工系 陕西 宝鸡 721007)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 condenserLin MinQun* (Department of Chemistry and Chemical Engineering, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji Shan xi 7210070)Abstract: 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 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 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 交稿时间:2013-5-3 指导老师:卫粉艳作者简介:林敏群(1989-)男,陕西宝鸡市人,化学化工系 2013 届毕业生11.1 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。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:AlCl 3 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AlCl 3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AlC1 3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 : C2H4>90% ( V) , C3H6、C 4H8 2< 1.0%( V) , H2S< 5mg/m3 , C2H2<0.5% ( V) 。另外AlC1 3 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AlCl 3 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AlCl 3 液相烷基化工艺 [1]。我国20 世纪80 年代中期, 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AlCl 3 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 – 5[2~3] 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 (380~420) ℃,压力(1.2~2.6)MPa, n (苯) ∶n (乙烯) = 6. 5~7.0,乙烯质量空速( 2.1~3.0) h-1 ;烷基转移反应条件:温度(435~445) ℃,压力(0.6~0.7) MPa,总空速( 27.0~33.0 ) h-1 , m (苯) ∶m(多乙苯)=2~4。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。(3) 分子筛液相催化法液相法采用Y型分子筛催化剂 [7~9] ,其他一些大孔分子筛如 MCM[ 10 ] 、β [ 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( 245~270 ) ℃,压力(3.4~3.6)MPa, n (苯) ∶n (乙烯) = 6. 5~7.0,乙烯质量空速 (0.2~0.3) h-1 ;烷基转移反应条件:温度(250~270) ℃,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3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,催化剂寿命(2~5)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 400~420℃。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 370~425℃ ,压力 1.37~2.74MPa,质量空速 3~5kg 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,α=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 10~20 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4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 β 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, 一般为 150~220 ℃ , 反应压力 0.75~1.8MPa, 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 6~10 在催化精馏塔内则为 1~6。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(1) 苯和乙醇直接烃化法。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,并在江苏省建成 15 kt/ a 乙苯的工业化生产装置。该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;C 9~C 10 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。1.3 国内外生产情况1.3.1 国外苯乙烯主要生产企业产能、发展趋势和预测5全球苯乙烯产能现已达 2849.9 万 t。装置平均开工率为 90%, 尤其是中东及亚太地区开工率更高, 超过或接近 100%。2001~2006 年间全球产量平均增长率达 4.6%, 略高于生产能力的增长。从地区供需状况看, 亚太地区仍是最主要的净进口地区, 中南美洲及非洲也是苯乙烯的净进口地区, 但数量较少。中东及北美地区仍是最主要的净出口地区, 西欧也略有出口 , 但出口量不大。预计2006~2011 年, 将随着亚太及中东地区苯乙烯新建装置的不断投产, 拉动全球苯乙烯装置产能增速达 5.4%, 产量增速为 4%, 需求增长为 3.9%。预计 2011 年,全球苯乙烯生产能力将达 3709 万 t/a,产量及需求量均为 3147 万 t,而装置平均开工率将降至 84.8%。据悉,2007~2011 年世界主要苯乙烯新增产能主要在中东及亚太地区, 而北美及西欧地区因 PS 产品市场正受替代品的挤压而需求下降, 增速减缓, 尤其近年随着国际原油价飙升 , 所以使北美、西欧等地 SM 生产企业利润急剧下滑, 促使其加快合并重组步伐, 如北美 6 大 PS 生产商很快变为 4 家等。纵观全球苯乙烯的供需来看, 日后其增速将明显低于前 5 年, 预计 2011~2016 年, 能力增速会降至 1.3%, 而产量及需求的增速亦不会超过 2%, 至 2016 年, 预计全球苯乙烯的生产能力将达 3959 万 t/a, 产量及需求量均为 3476 万 t, 装置平均开工率升至 87.8%。1.3.2 国内苯乙烯当前生产及进口情况我国苯乙烯生产特别是近年来得到了快速发展。由于国际上跨国石油公司投资的东移和国内市场需求的强力拉动, 使我国苯乙烯的发展步入了一个新阶段。2005 年我国苯乙烯的总生产能力达 193.5 万 t, 约占世界苯乙烯总能力的7.05%, 占亚洲地区总能力的 18.27%, 2006 年又有多套苯乙烯装置建成投产。因此 2006 年国内苯乙烯的生产能力已经达到 285.5 万 t, 比 2005 年增长约为47.5%。预计至 2015 年我国 SM 总年产能将进一步超过 700 多万 t, 但由于有些属计划拟建项目而在实施进程中会有一些增、减变化。国内对苯乙烯工厂建设正呈现纷纷争建现象, 但应注意防止产能增长过快及过热现象。1.4 市场需求及发展前景据美国化学市场协会( CMAI) 负责苯乙烯业务人士称, 现北美洲聚苯乙烯6产品需求不畅是由于产品价格高( 因油价飙升) 和聚合物内部竞争替代所造成, 加之全球苯乙烯产能的增长已远远超过预期需求的增长。未来几年苯乙烯市场将呈现供过于求的态势。国内近年 SM 需求的高速增长, 刺激苯乙烯不断上新项目, 截至 2006 年, 国内生产苯乙烯主要企业有 20 多家, 总产能约 290 万t/a。约占世界总产能的 12%, 其中 11 套装置为引进, 产能约为 210 万 t/a,占国内总产能的 73.2%左右。而且我国苯乙烯的消费结构已从过去主要用于生产 PS 而逐步转向 ABS 及 PS 的替代品。预计未来几年 , 随着国内苯乙烯产能的进一步增加, 进口依存度也会不断降低,从 2004 年依靠进口约 75%到 2006 年已降至50%以下。 2006 年国内苯乙烯的表观消费量为 472.3 万 t/a,同比增长 16.6%, 产量达到 238.6 万 t/a, 产品市场占有率提高到约 50%以上。2007 年国内对苯乙烯的总需求量超过 480 万 t/a,而 2010 年达到 580 万 t/a,届时我国苯乙烯产能将超过600 万 t/a,市场供需矛盾将得到根本缓解。我国消费苯乙烯的结构领域将由终端产品的合理化和 PS 替代产品出现, 因此国内主要的苯乙烯下游行业 PS 和 EPS 消费增速将有所缓慢, 而 ABS 树脂和丁苯橡胶(SBR) 等的需求增长将会迅速, 这将成为推动苯乙烯消费增长的新动力。预计 SBR 消费将以两位数速率增长,年增长率将超过 25%; ABS 的市场需求增长率将达 8.6%。2006 年我国 SBR 对苯乙烯消费量约 20 万 t, 预计 2010 年将增加到 25 万 t; 2006 年 ABS 对苯乙烯消费量约 63 万 t,预计 2010 年接近 100 万 t。但全球苯乙烯能力过剩, 国外 SM 产品及产能会逐步向中国涌入及转移, 因此国内一方面将保持静观其变采取稳中以求缓慢增长, 而避免过快增长, 因国外产品一旦涌入将使今后国内苯乙烯生产企业, 面临越来越大的挑战 , 如 2007~2008 年中东有 3 套 SM 装置投产, 到时将有超过 100 万吨 SM 会出口到亚洲, 而我国是其重点目标市场, 因此必将对国内SM 市场形成严峻挑战和强大压力。2 冷凝器的类型及选择
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