辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸

毕业设计

20万吨/年乙苯脱氢制苯乙烯装置工艺设计

摘 要

苯乙烯是最重要的基本有机化工原料之一。本文介绍了国内外苯乙烯的现状及发展概况，苯乙烯反应的工艺条件，乙苯脱氢制苯乙烯催化剂，苯乙烯的生产方法和生产工艺。

本设计以年处理量20万吨乙苯为生产目标，采用乙苯三段催化脱氢制苯乙烯的工艺方法，对整个工段进行工艺设计和设备选型。根据设计任务书的要求对整个工艺流程进行了物料衡算，并利用流程设计模拟软件Aspen Plus对整个工艺流程进行了全流程模拟计算，选用适宜的操作单元模块和热力学方法，建立过程模型进行稳态模拟计算并绘制了带控制点的工艺流程图。在设计过程中对整个工艺流程进行了简化计算，将整个流程分为了反应和精馏分离两个部分，利用计算机模拟计算结果对整个工艺流程进行了模拟优化，并确定了整套装置的主要工艺尺寸。

由于本设计方案使用计算机过程模拟软件Aspen Plus进行仿真设计，减少了实际设计中的大量费用，对现有工艺进行改进及最优综合具有重要的实际意义。

关键词：乙苯，苯乙烯，脱氢，Aspen Plus，模拟优化

I

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Abstract

Styrene Monomer（SM）is one of the most important organic chemicals. This article describes the present situation and development of styrene at home and abroad, styrene reaction conditions, catalyst for ethylbenzene dehydrogenation to styrene, styrene production methods and production processes.

This design is based on the annual handling capacity of 200,000 tons of ethylbenzene production targets, ethylbenzene three-stage dehydrogenation using styrene in the process, the entire section in the process design and equipment selection. According to the requirements of the design of the mission statement of the entire process the material balance, process design simulation software Aspen Plus simulation of the whole process of the entire process, choose the appropriate operating unit module and thermodynamic methods, process model for steady-state simulation and draw the P&ID diagram. The entire process in the design process, simplify the calculation, the whole process is divided into reaction and distillation to separate the two parts, the use of computer simulation results on the entire process flow simulation and optimization, and determine the size of the main process of the entire device .

This design using computer simulation software Aspen Plus simulation designed to reduce the substantial costs of the actual design, to improve the existing process and optimal synthesis has important practical significance.

Keywords：Ethylbenzene，Styrene，dehydrogenation，Aspen Plus，Simulation and optimization

II

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目 录

1 前言 ............................................................................................................................. 1

1.1 苯乙烯现状及发展概况................................................................................... 2 1.2 乙苯脱氢制取苯乙烯反应工艺条件研究....................................................... 2

1.2.2 温度 ........................................................................................................ 2 1.2.3 进料比 .................................................................................................... 3 1.2.4 压力 ........................................................................................................ 3 1.3 乙苯脱氢制苯乙烯催化剂研究....................................................................... 3

1.3.1 国内外苯乙烯催化剂研究现状 ............................................................ 4 1.3.2 国内催化剂研发的建议 ........................................................................ 5 1.4 苯乙烯生产方法概述....................................................................................... 7

1.4.1 乙苯脱氢法 ............................................................................................ 7 1.4.2 乙苯共氧化法 ........................................................................................ 7 1.4.3 甲苯为原料合成苯乙烯 ........................................................................ 8 1.4.4 乙烯和苯直接合成苯乙烯 .................................................................... 8 1.4.5 乙苯氧化脱氢 ........................................................................................ 8 1.5 乙苯脱氢制苯乙烯工艺方法概述................................................................... 9

1.5.1 Lummus／UOP乙苯脱氢工艺 ............................................................. 9 1.5.2 Fina／Badger乙苯脱氢工艺 ................................................................ 9 1.5.3 乙苯脱氢选择性氧化工艺（Smart工艺） ....................................... 10 1.6 Aspen Plus软件及功能简介 ......................................................................... 10 1.7 本设计方案主要内容及意义......................................................................... 12 2 设计部分 ................................................................................................................... 13

2.3 设计任务书..................................................................................................... 13

2.3.1 乙苯催化脱氢主、副反应 .................................................................. 13 2.3.2 乙苯脱氢催化剂 .................................................................................. 13 2.3.3 乙苯脱氢反应条件 .............................................................................. 13 2.3.4 乙苯脱氢工艺流程 .............................................................................. 14 2.4 物料衡算......................................................................................................... 14

2.4.1 脱氢绝热反应器 .................................................................................. 15 2.4.2 油水分离器 .......................................................................................... 17 2.4.3 乙苯—苯乙烯精馏塔 .......................................................................... 20 2.4.4 甲苯—乙苯精馏塔 .............................................................................. 21 2.4.5 苯—甲苯精馏塔 .................................................................................. 21 2.4.6 苯乙烯精馏塔 ...................................................................................... 22 2.5 Aspen Plus模拟工艺流程设计 ..................................................................... 22

2.3.1 状态方程及模块的选择 ...................................................................... 22 2.3.2 动力学方程选择 .................................................................................. 23 2.3.3 反应部分操作参数和关键控制 .......................................................... 24 2.3.4 精馏部分操作参数 .............................................................................. 34

3 设计结果与讨论 ....................................................................................................... 42

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苯乙烯工艺流程图及流程概述..................................................................... 42 Aspen Plus软件模拟流程及其简述 ............................................................. 43 3.2.1 反应部分概述 ...................................................................................... 43 3.2.2 分离部分模拟 ...................................................................................... 44 3.3 主要设备工艺参数汇总................................................................................. 44

3.3.1 换热器组 .............................................................................................. 44 3.3.2 反应器 .................................................................................................. 45 3.3.3 精馏分离部分 ...................................................................................... 45 3.4 公用工程一览................................................................................................. 45

3.4.1 加热蒸汽 .............................................................................................. 45 3.4.2 生产用电 .............................................................................................. 45 3.4.3 冷却用水 .............................................................................................. 46 3.5 讨论................................................................................................................. 46 符号说明 .......................................................................................................................... 48 致谢 .................................................................................................................................. 49 参考文献 .......................................................................................................................... 50

3.1 3.2

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1 前言

苯乙烯是一种重要的石油化工基本原料，是除聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、环氧乙烷(EO)以外的第四大乙烯衍生产品。其主要用于生产和制备聚苯乙烯(PS)、丁苯橡胶 (SBR)、丙二烯—丁二烯—苯乙烯(ABS)树脂、苯乙烯—顺丁烯—苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯—丙烯腈(SAN)树脂和不饱和聚酯等，并广泛用在电子、汽车、建筑、包装、日用轻工等领域中。

在世界上，苯乙烯的主要生产方法为乙苯脱氢法、乙苯共氧化法、甲苯为原料合成苯乙烯法、乙烯和苯直接合成苯乙烯法和乙苯氧化脱氢法等。其中，工业化的生产方法为乙苯催化脱氢法和乙苯共氧化法，两种方法所生产的苯乙烯分别占苯乙烯总产量的85%和15%。目前，国内外生产苯乙烯的主要方法是乙苯脱氢法，它又包括Lummus/UOP乙苯脱氢工艺、Fina/Badger乙苯脱氢工艺和乙苯脱氢选择性氧化工艺（Smart工艺）3种工艺。

化工流程模拟(过程模拟)技术是以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，通过应用计算机辅助计算手段，进行过程物料衡算、热量衡算、设备尺寸估算和能量分析并做出环境和经济评价的一门新兴技术。它是化学工程、化工热力学、系统工程、计算方法以及计算机应用技术等学科相互结合的产物，在近几十年中发展迅速，并广泛应用于化工过程的设计、测试、优化和过程的整合领域。

Aspen Plus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。该项目被命名为“过程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。1982年为了将其商品化，成立了Aspen Tech公司，并称之为Aspen

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