甲苯甲醇烷基化法年產(chǎn)30萬(wàn)噸對(duì)二甲苯車間設(shè)計(jì)分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書作 者:學(xué) 號(hào)：學(xué) 院:化工學(xué)院專業(yè)(方向):化學(xué)工程與工藝題 目:甲苯甲醇烷基化法年產(chǎn)30萬(wàn)噸對(duì)二甲苯車間設(shè)計(jì)指導(dǎo)者： 講師 (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))評(píng)閱者： 講師 (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))2015 年 5 月聲 明我聲明，本畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書及其研究工作和所取得的成果是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的。研究過(guò)程中利用的所有資料均已在參考文獻(xiàn)中列出，其他人員或機(jī)構(gòu)對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)工作做出的貢獻(xiàn)也已在致謝部分說(shuō)明。本畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書不涉及任何秘密，南京理工大學(xué)有權(quán)保存其電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或網(wǎng)上公布其部分或全部?jī)?nèi)容，可以向有關(guān)

2、部門或機(jī)構(gòu)送交并授權(quán)保存、借閱或網(wǎng)上公布其部分或全部?jī)?nèi)容。學(xué)生簽名：年 月 日 指導(dǎo)教師簽名：年 月 日專心-專注-專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書中文摘要 此次工藝設(shè)計(jì)目的為年產(chǎn)30萬(wàn)噸對(duì)二甲苯，采用的方法為甲苯甲醇烷基化法。所采用的方法相比于其他方法具有“產(chǎn)率高、污染小、成本低”的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)是采用通過(guò)Aspen Plus、CUP-TOWER、Sw6等專業(yè)化工軟件，對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行模擬、設(shè)計(jì)，最終獲得甲苯甲醇烷基化法年產(chǎn)30萬(wàn)噸PX生產(chǎn)車間設(shè)計(jì)資料。設(shè)計(jì)資料主要包括：設(shè)備材料的選取、設(shè)備選型、設(shè)備成本估算以及部分設(shè)備的設(shè)計(jì)圖紙。除單個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)外，還進(jìn)行了熱集成網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單說(shuō)明。在完成設(shè)備設(shè)計(jì)后，還對(duì)車間布置

3、作了簡(jiǎn)單說(shuō)明。關(guān)鍵詞 對(duì)二甲苯 甲苯 甲醇 Aspen Plus 烷基化 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書外文摘要Title The workshop design of an annual output of tons of paraxylene with alkylation of toluene with methanol method AbstractThe process is designed to produce tons of paraxylene with Alkylation of toluene with methanol method. Compared with other metho

4、ds, the adopted method has the advantages of higher production rate, less pollution and lower cost. Design is used by professional chemical software Aspen Plus, CUP-TOWER, Sw6 etc., on the production process of simulation, design, and ultimately won the alkylation of toluene with methanol method of

5、annual production capacity of 3 million tons of PX production workshop design. The design material mainly includes: equipment material selection, equipment selection, equipment cost estimation and design drawings of some equipment. In addition to the design of a single device, a brief description of

6、 the thermal integration network is also carried out. After the design of the equipment, the workshop layout is simply explained.Keyword xylene toluene methanol Aspen Plus alkylation目錄1 概況1.1 課題簡(jiǎn)介對(duì)二甲苯（p-xylene，對(duì)二甲苯）在化工行業(yè)內(nèi)是合成纖維、樹(shù)脂、制備農(nóng)藥、合成塑料的重要原料。隨著國(guó)內(nèi)化工行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)二甲苯的需求量也是不斷增加的。然而國(guó)內(nèi)的PX產(chǎn)量不能滿足國(guó)內(nèi)對(duì)PX的需求，且國(guó)內(nèi)

7、PX的生產(chǎn)工藝未能跟上世界一線，因此本課題的重要性不言而喻。目前國(guó)內(nèi)工業(yè)上制備PX的方式主為采用甲苯、C9芳烴及混合二甲苯的歧化或異構(gòu)化。而本次設(shè)計(jì)是使用改性ZSM-5分子篩催化劑催化，在400下平推流固定床反應(yīng)器中使甲苯與甲醇進(jìn)行烷基化反應(yīng)從而生成PX的工藝。此工藝的優(yōu)點(diǎn)有：（1）產(chǎn)物PX選擇性高，副產(chǎn)物少，目標(biāo)產(chǎn)物濃度高；（2）原料的轉(zhuǎn)化率高，未反應(yīng)原料大部分可以回收重新利用，減少了物料浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本；（3）副產(chǎn)物主要為H2O，鄰、間位二甲苯污染小，屬于環(huán)境友好型生產(chǎn)工藝，滿足綠色生產(chǎn)的要求。1.2 課題要求本設(shè)計(jì)擬采用Aspen Plus、CUP-TOWER、Sw6等專業(yè)化工軟件以

8、及AutoCAD制圖軟件對(duì)采用甲苯甲醇烷基化法年產(chǎn)30萬(wàn)噸PX的生產(chǎn)車間進(jìn)行模擬、分析，并進(jìn)行設(shè)備選型和設(shè)計(jì)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行工程優(yōu)化，最后獲得整套的車間設(shè)計(jì)說(shuō)明書。在此基礎(chǔ)上對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等性能進(jìn)行計(jì)算分析。1.3 設(shè)計(jì)依據(jù)（1）化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)（第5版） ；（2）化工設(shè)計(jì)設(shè)備、材質(zhì)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；（3）化工原理（第2版） ，鐘秦等編著；（4）化工流程模擬實(shí)訓(xùn)-Aspen Plus教程 ，孫蘭義主編；（5）化工設(shè)備機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ) ，董大勤主編；（6）化學(xué)反應(yīng)工程（第三版） ，陳甘棠主編；（7）國(guó)家經(jīng)濟(jì)、建筑、環(huán)保等相關(guān)政策。（8）化工工廠初步設(shè)計(jì)文件內(nèi)容深度規(guī)定（2001年6月1日國(guó)家石油

9、和化學(xué)工業(yè)局發(fā)布）。1.4 設(shè)計(jì)原則（1）設(shè)計(jì)從實(shí)際出發(fā)，保證質(zhì)量過(guò)關(guān)的同時(shí)盡量減少經(jīng)濟(jì)支出；（2）設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)服從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，做到設(shè)備能夠國(guó)產(chǎn)化；（3）主張主體工程與環(huán)境保護(hù)，消防措施齊全，安全設(shè)備配套完整，提供一個(gè)良好的人文環(huán)境。（4）充分依托現(xiàn)有社會(huì)公共設(shè)施，以降低投資，加快項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度，采取切實(shí)可行的措施節(jié)約用水；（5）貫徹主體工程與環(huán)境保護(hù)、勞動(dòng)安全和工業(yè)衛(wèi)生、消防同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)建設(shè)、同時(shí)投產(chǎn)；（6）消防、衛(wèi)生及安全設(shè)施的設(shè)置必須貫徹國(guó)家關(guān)于環(huán)境保護(hù)、勞動(dòng)安全的法規(guī)和要求，符合石油化工行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；（7）所選擇的產(chǎn)品方案和技術(shù)方案應(yīng)是優(yōu)化的方案，以最大程度減少投資，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益和抗

10、風(fēng)險(xiǎn)能力。科學(xué)論證項(xiàng)目的技術(shù)可靠性、項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)事求是地做出研究結(jié)論。2 生產(chǎn)工藝2.1 工藝簡(jiǎn)介2.1.1 課題背景PX中文名稱對(duì)二甲苯，又稱1，4-二甲苯 ，分子式：C8H10或C6 H4 (CH3)，分子量106.17，屬于易燃類液體，其蒸汽與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸，與氧化劑能發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)。流速過(guò)快，容易產(chǎn)生和積聚靜電。其蒸汽比空氣重，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方，遇火源會(huì)著火回燃。常溫常壓下為無(wú)色透明液體，有類似甲苯的氣味。因此貯運(yùn)時(shí)既要遠(yuǎn)離火種、熱源，避免陽(yáng)光直曬，又要有保溫設(shè)施，并防止泄漏。目前PX在中國(guó)主要用于生產(chǎn)PTA、DMT以及制藥領(lǐng)域。并且對(duì)

11、二甲苯是石化工業(yè)的基礎(chǔ)有機(jī)原料，在化纖、合成樹(shù)脂、農(nóng)藥、塑料、醫(yī)藥等眾多化工生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的用途。它主要用于生產(chǎn)對(duì)苯二甲酸二甲脂和純的對(duì)苯二甲酸1。PX還可用作溶劑以及作為香料、油墨等生產(chǎn)原料，用途十分廣泛。并且其作為最重要的化工原料之一，在過(guò)去幾年內(nèi)的需求有著強(qiáng)烈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)PX的產(chǎn)能、產(chǎn)量、需求量以及近年來(lái)市場(chǎng)情況進(jìn)行分析，得出由于產(chǎn)能增長(zhǎng)不及需求增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2020年國(guó)內(nèi)對(duì)二甲苯 (PX)仍存在供應(yīng)缺口，發(fā)展對(duì)二甲苯 (PX)具有良好的前景和盈利空間。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，每年用于生產(chǎn)DMT的PX僅為幾萬(wàn)噸，制藥領(lǐng)域所消耗的 PX也僅為 PX總消費(fèi)量的5左右，它們對(duì)PX需求的影響微乎

12、其微；而PTA每年消耗的PX約占PX總消費(fèi)量的90，因此PTA的消費(fèi)增長(zhǎng)是拉動(dòng)PX需求增加的直接因素。對(duì)二甲苯 (PX)是用于生產(chǎn)精對(duì)苯二甲酸(PTA)的基本原材料。目前芳烴主要來(lái)自石油化工工業(yè)中的催化重整 、石腦油裂解 、低碳烴類芳構(gòu)化和芳烴類轉(zhuǎn)化工藝，僅有少部分來(lái)自煤化工中的煤焦油。利用替代原料 ，如甲醇、液化氣 (LPG)和生物質(zhì)，生產(chǎn)包括PX在內(nèi)的芳烴新技術(shù)正在脫穎而出2。上世紀(jì)70年代，Yashima等首先注意到各種陽(yáng)離子交換的Y沸石催化劑上甲苯與甲醇的烷基化反應(yīng)，可得到45%50%相對(duì)高含量的對(duì)位異構(gòu)體，突破了該溫度下的熱力學(xué)平衡值，呈現(xiàn)出一定的對(duì)位選擇性。目前，Mobil公司的C

13、hen等以ZSM-5為催化劑，進(jìn)行了甲苯甲醇選擇性烷基化的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)采用大晶粒HZSM-5催化劑得到的液體產(chǎn)物中，對(duì)二甲苯的含量比以往要高很多。自此以后，一系列使ZSM-5分子篩催化劑在甲苯烷基化反應(yīng)中產(chǎn)生高對(duì)位選擇性的處理技術(shù)相繼見(jiàn)諸報(bào)道，改性ZSM-5的相關(guān)文獻(xiàn)也很多。綜合分析發(fā)現(xiàn)，ZSM-5是甲苯甲醇烷基化反應(yīng)合成對(duì)二甲苯較合適的擇形催化材料。目前，國(guó)內(nèi)外甲苯甲醇烷基化催化劑研究都是圍繞ZSM-5沸石展開(kāi)。甲苯甲醇烷基化合成PX(簡(jiǎn)稱MTX)是一條新工藝路線。與傳統(tǒng)的甲苯歧化工藝相比，該工藝技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是以甲苯和低成本的甲醇作為原料，生產(chǎn)出高濃度的PX，而僅有很少量的副產(chǎn)物苯和C9

14、。新工藝中，甲醇的引入提高了甲苯利用率，理論上每生產(chǎn)1噸PX只需要耗用1噸的甲苯，而傳統(tǒng)的甲苯歧化工藝，每生產(chǎn)1噸PX需要耗用約25噸的甲苯，且副產(chǎn)物較多。因此新工藝收率高，成本低。2000年以前，發(fā)展比較緩慢，但供需關(guān)系相對(duì)平衡，2000年國(guó)內(nèi)自給率為88%；2000年到2010年，中國(guó)PX項(xiàng)目迅速發(fā)展，生產(chǎn)能力一躍成為世界第一；2010年至2013年，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求持續(xù)走高，而PX建設(shè)卻步伐放緩，產(chǎn)能開(kāi)始無(wú)法滿足需求3。資料顯示，2012年，中國(guó)對(duì)PX的實(shí)際需求為1385萬(wàn)噸，已經(jīng)成為全球最大的PX消費(fèi)國(guó)，占全球消費(fèi)量的32%，但中國(guó)PX總產(chǎn)能僅為880萬(wàn)噸，自給率只有63%。這是由于近年來(lái)

15、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不均衡，才會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)了原料PX發(fā)展速度相對(duì)緩慢。然而下游PTA產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然呈迅猛的態(tài)勢(shì)，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)鏈上下游產(chǎn)品布局不同步。目前我國(guó)PTA企業(yè)大多依賴進(jìn)口解決PX的供應(yīng) ，我國(guó)現(xiàn)有和未來(lái)新增的PTA裝置仍主要集中在華東、華南沿海地區(qū)，該地區(qū)的PX供需缺口將進(jìn)一步擴(kuò)大，尤其是浙江、江蘇和福建地區(qū)。國(guó)內(nèi)新建 PX裝置，要從有利于促進(jìn)下游 PTA產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度考慮，在解決原料供應(yīng)的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮在貼近下游 PTA市場(chǎng)布局的 PX項(xiàng)目，如沿江、沿海等省市，發(fā)揮項(xiàng)目的區(qū)域優(yōu)勢(shì)，在局部地區(qū)形成上下游一體化的產(chǎn)業(yè)鏈，增加 PX-PTA-聚酯產(chǎn)業(yè)鏈的整體競(jìng)爭(zhēng)力。由于國(guó)內(nèi)煤資源豐富，煤制甲醇產(chǎn)能過(guò)剩。

16、而且目前市場(chǎng)上甲醇價(jià)格約2800元/噸，而甲苯則高達(dá)l萬(wàn)元/噸。因此，甲苯甲醇烷基化合成PX技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了煤化工與石油化工的有機(jī)結(jié)合，將有效緩解國(guó)內(nèi)甲醇產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題。一個(gè)國(guó)家的化工水平有幾個(gè)指標(biāo)可以大致概括一下，一個(gè)是它的煉油能力，還有一個(gè)是乙烯的產(chǎn)量，PX即二甲苯的產(chǎn)量也是一個(gè)國(guó)家化工化學(xué)水平的重要指標(biāo)。PX即二甲苯的產(chǎn)量也是反映一個(gè)國(guó)家化工水平的標(biāo)志性產(chǎn)品，這就說(shuō)明PX是一個(gè)非常重要的戰(zhàn)略物品。2012年l2月27日，國(guó)內(nèi)首套甲苯甲醇烷基化工業(yè)裝置在揚(yáng)子石化完成工業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)。運(yùn)行結(jié)果表明，裝置滿負(fù)荷運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)值，工藝技術(shù)方案可行。這標(biāo)志著中國(guó)石化成為擁有甲苯

17、甲醇烷基化專有技術(shù)的公司，而且為今后芳烴裝置的增產(chǎn)擴(kuò)能和芳烴生產(chǎn)過(guò)程中原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)芳烴生產(chǎn)原料的多元化，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和重要的戰(zhàn)略意義。而本設(shè)計(jì)擬采用Aspen Plus等專業(yè)化工軟件對(duì)采用甲苯甲醇烷基化法年產(chǎn)30萬(wàn)噸PX的生產(chǎn)車間進(jìn)行模擬、分析，并進(jìn)行設(shè)備選型和設(shè)計(jì)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行工程優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等性能進(jìn)行計(jì)算分析。在擁有更高的轉(zhuǎn)化率的同時(shí)更加的經(jīng)濟(jì)環(huán)保。因此，對(duì)甲苯甲醇烷基化法年產(chǎn)30萬(wàn)噸對(duì)二甲苯車間的設(shè)計(jì)具有非常重大的意義。2.1.2 原料選取以及產(chǎn)物標(biāo)準(zhǔn)本項(xiàng)目的產(chǎn)品方案以國(guó)家的行業(yè)政策和行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃為依據(jù)進(jìn)行確定，并充

18、分考慮國(guó)內(nèi)國(guó)際的市場(chǎng)前景和市場(chǎng)容量4。因此，本項(xiàng)目一期工程產(chǎn)品方案為聯(lián)產(chǎn)高純度對(duì)二甲苯（PX）、乙烯和苯。在生產(chǎn)過(guò)程中副產(chǎn)的其他產(chǎn)品可以繼續(xù)利用，仍然具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的提升。本項(xiàng)目的主要產(chǎn)品為PX，年產(chǎn)量30萬(wàn)噸，含量99.7%，屬于優(yōu)等品。石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如表2.1所示。表2.1 中華人民共和國(guó)石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SH/T 1486.1-2008工業(yè)對(duì)二甲苯）項(xiàng)目項(xiàng)目一等品純度%99.799.5非芳烴含量%0.100.10甲苯含量%0.100.10EB含量%0.200.30MX含量%0.200.30OX含量%0.100.10總硫含量%0.102.0顏色（鉑

19、一鈷色號(hào)）1010酸洗比色酸層顏色應(yīng)不深于重鉻酸鉀含量為0.10g/L標(biāo)準(zhǔn)比色液的顏色溴指數(shù)（mgBr/100g）200200本廠選用進(jìn)口的甲苯和廠家直銷的甲醇及工藝軟水為原料，甲苯的價(jià)格為8000元/噸。甲苯規(guī)格見(jiàn)下表2.2。通過(guò)下表我們知道進(jìn)料甲苯濃度在95%左右。表2.2 甲苯規(guī)格（符合GB3406-1990 石油甲苯優(yōu)級(jí)品指標(biāo)）項(xiàng)目?jī)?yōu)級(jí)品實(shí)驗(yàn)方法外觀透明液體，無(wú)不溶水機(jī)械雜質(zhì)目測(cè)顏色（Hazen單位鉑鈷色號(hào)）不深于20GB/T 3143密度（20）kg/m865868GB/T 2013苯含量%（m/m）0.05GB/T 3144C8含量%（m/m）0.05GB/T 3144非芳烴含量%

20、（m/m）0.20GB/T 3144總硫含量mg/kg 2SH/T 0253蒸發(fā)殘余物mg/kg 5GB/T 3209本廠選擇國(guó)內(nèi)廠家直銷的甲醇為原料。甲醇的價(jià)格為2500元/噸。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.3所示。通過(guò)下表我們知道甲醇的濃度在99%左右。表2.3 甲醇規(guī)格（符合GB3406-1990 工業(yè)用甲醇優(yōu)級(jí)品指標(biāo)）項(xiàng)目?jī)?yōu)等品色度（鉑鈷色號(hào)）5密度（20）kg/m791792沸程0.8高錳酸鉀試驗(yàn)/min50水溶性試驗(yàn)通過(guò)試驗(yàn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%0.10酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.0015羰基化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以HCHO計(jì)）%0.002蒸發(fā)殘?jiān)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)%0.001硫酸洗滌試驗(yàn)/Hazen單位（鉑鈷色號(hào)）502.1

21、.3 制備工藝的選取PX是發(fā)展化纖的主要原料來(lái)源，其主要用途是作為PTA或DMT（對(duì)酚酞二甲酯）的原料，二者是聚酯纖維和各種塑料產(chǎn)品的重要原料。生產(chǎn)PX的途徑，一是從重整混合二甲苯中通過(guò)吸附分離等物理過(guò)程將其中的PX組份分離出來(lái)，是一個(gè)物理過(guò)程；二是將不含PX的混合二甲苯通過(guò)二甲苯異構(gòu)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成PX平衡物后再通過(guò)吸附分離技術(shù)進(jìn)行分離；三是將C7A及C9A等非二甲苯組份通過(guò)歧化與烷基轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化成含有PX的混二甲苯平衡物過(guò)程，其中途徑二和三是化學(xué)過(guò)程。分離混二甲苯四種異構(gòu)體的工業(yè)方法中，其物理過(guò)程主要有深冷結(jié)晶法、絡(luò)合分離法、吸附分離法，其次還有共晶、磺化等方法，其中以吸附分離法最為先進(jìn)（目前世界

22、上主要有美國(guó)UOP的PAREX工藝和法國(guó)IFP的ELUXYL工藝）5。Y沸石通過(guò)陽(yáng)離子交換的方式催化甲醇和甲苯發(fā)生烷基化反應(yīng)的原理是在上個(gè)世紀(jì)七八十年代被Yashima等人最先發(fā)現(xiàn)的。通過(guò)Y沸石的這種催化方式可以得到對(duì)二甲苯含量高達(dá)45%-50%的混合二甲苯，比之前其他的反應(yīng)方式的熱力學(xué)平衡值都要高出很多，表現(xiàn)出了相對(duì)較高的對(duì)位選擇性。最近，利用ZSM-5作為催化劑對(duì)甲苯甲醇發(fā)生烷基化反應(yīng)的選擇性進(jìn)行系統(tǒng)化研究的人員是以來(lái)自美國(guó)Mobil的Chen等人為首的。研究人員發(fā)現(xiàn)利用較大晶?；腍ZSM-5作為催化劑得到的最終產(chǎn)物混合二甲苯中，PX的選擇性明顯提高，且轉(zhuǎn)化率也有明顯提升6。在此次研究之

23、后，利用ZSM-5催化甲苯甲醇烷基化法來(lái)制備PX的處理技術(shù)不斷被研究，其相關(guān)資料報(bào)道也日漸增多。綜合目前的研究發(fā)現(xiàn)，甲醇甲苯烷基化反應(yīng)合成PX選擇性較高的催化劑就是ZSM-5。就目前而言，國(guó)內(nèi)化工行業(yè)甲苯甲醇烷基化反應(yīng)所使用的催化劑都是在ZSM-5催化劑基礎(chǔ)上展開(kāi)的。本次課題采用的制備方法和美國(guó)Mobil公司提出的是一致的。這是一條新興的生產(chǎn)工藝。其與國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的通過(guò)甲苯歧化或者混合二甲苯異構(gòu)化來(lái)制備PX的方法相比，最大優(yōu)點(diǎn)是以低價(jià)的甲苯和甲醇通過(guò)較高的轉(zhuǎn)化率生產(chǎn)出高濃度的PX，而且只含有極少量的污染低的副產(chǎn)物7。從理論上分析，每生產(chǎn)1份的PX所需要的甲苯量也只要1份，其效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的

24、制備方式。2.1.4 廠址選擇原則（1）廠址位置必須符合國(guó)家工業(yè)布局，城市或地區(qū)的規(guī)劃要求，盡可能靠近城市或城鎮(zhèn)原有企業(yè)，以便于生產(chǎn)上的協(xié)作，公用工程的供應(yīng)，生活上的方便。廠址宜選在原料、公用工程供應(yīng)和產(chǎn)品銷售便利的地區(qū)，并在儲(chǔ)運(yùn)、機(jī)修、公用工程和生活設(shè)施等方面有良好基礎(chǔ)和協(xié)作條件的地區(qū)。（2）廠址應(yīng)靠近水量充足的水質(zhì)良好的水源地，當(dāng)有城市供水，地下水和地面水三種供水條件時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后選用。（3）廠址應(yīng)盡可能靠近原有交通線（水運(yùn)、鐵路、公路），即應(yīng)有便利的交通運(yùn)輸條件。以避免為了新建企業(yè)需修建過(guò)長(zhǎng)的專用交通線，增加新企業(yè)的建廠費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)成本。在有條件的地方，要優(yōu)先采用水運(yùn)。對(duì)于有超

25、重、超大或超長(zhǎng)設(shè)備的工廠，還應(yīng)注意沿途是否具備運(yùn)輸條件。（4）廠址應(yīng)盡可能靠近熱電供應(yīng)地，一般地講，廠址應(yīng)該考慮電源的可靠性（中小型工廠尤其如此），并應(yīng)盡可能利用熱電站的蒸汽供應(yīng)，以減少新建工廠的熱力和供電方面的投資。（5）廠址應(yīng)盡量考慮勞動(dòng)力來(lái)源豐富、人力成本低、人口素質(zhì)較高的地點(diǎn)。（6）選廠應(yīng)注意節(jié)約用地，不占或少占良田、好地、菜園、果園等。廠區(qū)的大小、形狀和其它條件應(yīng)滿足工藝流程合理布置的需要，并應(yīng)有發(fā)展的可能性。（7）選廠應(yīng)注意當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境條件，并對(duì)工廠投產(chǎn)后對(duì)于環(huán)境可能造成的影響做出評(píng)價(jià)。工廠的生產(chǎn)區(qū)、排渣場(chǎng)和居民區(qū)的建設(shè)地點(diǎn)應(yīng)同時(shí)選擇。（8）散發(fā)有害物質(zhì)的工業(yè)企業(yè)廠址，應(yīng)位于城鎮(zhèn)相

26、鄰工業(yè)企業(yè)和居住區(qū)全年最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)，且不應(yīng)位于窩風(fēng)地段。（9）有較高潔凈度要求的生產(chǎn)企業(yè)廠址，應(yīng)選擇在大氣含塵量低，含菌濃度低，無(wú)有害氣體，自然環(huán)境條件良好的區(qū)域，且應(yīng)遠(yuǎn)離鐵路、碼頭、機(jī)場(chǎng)、交通要道，以及散發(fā)大量粉塵和有害氣體的工廠、儲(chǔ)倉(cāng)、堆場(chǎng)等有嚴(yán)重空氣污染、水質(zhì)污染、振動(dòng)或噪聲干擾的區(qū)域。如不能遠(yuǎn)離有嚴(yán)重空氣污染區(qū)時(shí)，則應(yīng)位于其最大頻率風(fēng)向上風(fēng)側(cè)，或全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)。（10）廠址應(yīng)避離低于洪水位或在采取措施后仍不能確保不受水淹的地段；廠址的自然地形應(yīng)有利于廠房和管線的布置，內(nèi)外交通聯(lián)系和場(chǎng)地的排水。（11）廠址附近應(yīng)有可靠的污水處理設(shè)施，如工廠自建污水處理廠，且處理達(dá)標(biāo)后的

27、污水要直接排入廠址附近的自然水體，則其排污點(diǎn)需得到環(huán)評(píng)報(bào)告的論證和相關(guān)部門的批準(zhǔn)。（12）廠址應(yīng)不妨礙或破壞農(nóng)業(yè)水利工程，應(yīng)盡量避免拆除民房或建、構(gòu)筑物，砍伐果園和拆遷大批墓穴等。（13）廠址應(yīng)具有滿足建設(shè)工程需要的工程地質(zhì)條件和水文條件。（14）廠址應(yīng)避免布置在下列地區(qū)：地震斷層帶地區(qū)和基本烈度為9度以上的地震區(qū)；土層厚度較大的級(jí)自重濕陷性黃土地區(qū)；易受洪水、泥石流、滑坡、土崩等危害的山區(qū)；有卡斯特、流砂、游泥、古河道、地下墓穴、古井等地質(zhì)不良地區(qū)；有開(kāi)采價(jià)值的礦藏地區(qū)；對(duì)機(jī)場(chǎng)、電臺(tái)等使用有影響的地區(qū)；有嚴(yán)重放射性物質(zhì)影響的地區(qū)及爆破危險(xiǎn)區(qū)；國(guó)家規(guī)定的歷史文物，如古墓、古寺、古建筑等地區(qū)；園

28、林風(fēng)景和森林自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景游覽地區(qū)；水土保護(hù)禁墾區(qū)和生活飲用水源第一衛(wèi)生防護(hù)區(qū)；自然疫病區(qū)和流行病地區(qū)。上述是工廠選址的基本要求，為滿足這些要求，我們可以選擇江蘇南京化工工業(yè)園區(qū)內(nèi)。2.2 工藝路線說(shuō)明2.2.1 甲苯甲醇烷基化工段圖2.4 甲苯甲醇烷基化工段示意圖本次工藝設(shè)計(jì)采用的原材料為甲醇和甲苯，催化劑為ZSM-5，反應(yīng)容器為平推流反應(yīng)器。（利用ZSM-5作為催化劑對(duì)甲苯甲醇發(fā)生烷基化反應(yīng)的選擇性進(jìn)行系統(tǒng)化研究的人員是以來(lái)自美國(guó)Mobil的Chen等人為首的8。研究人員發(fā)現(xiàn)利用較大晶?；腍ZSM-5作為催化劑得到的最終產(chǎn)物混合二甲苯中，PX的選擇性明顯提高，且轉(zhuǎn)化率也有明顯提升。在此

29、次研究之后，利用ZSM-5催化甲苯甲醇烷基化法來(lái)制備PX的處理技術(shù)不斷被研究，其相關(guān)資料報(bào)道也日漸增多9。綜合目前的研究發(fā)現(xiàn)，甲醇甲苯烷基化反應(yīng)合成PX選擇性較高的催化劑就是ZSM-5。）整個(gè)甲苯甲醇烷基化工段大致流程為：來(lái)自甲醇儲(chǔ)存罐的溫度為25、壓力為1bar的甲醇和來(lái)自甲苯儲(chǔ)存罐的溫度為25、壓力為1bar的甲苯在混合容器M1中進(jìn)行充分的混合后進(jìn)入換熱器H1。換熱器H1內(nèi)部壓力設(shè)置為33bar,出口溫度400。反應(yīng)物料經(jīng)加熱后進(jìn)入平推流反應(yīng)器R1，在平推流反應(yīng)器用ZSM-5作催化劑、反應(yīng)溫度為400，反應(yīng)方程式如下：圖2.5 主反應(yīng)反應(yīng)方程式結(jié)構(gòu)示意圖由基本反應(yīng)式我們知道，實(shí)質(zhì)是甲基取代

30、了甲苯上甲基對(duì)位的氫原子，從而生產(chǎn)對(duì)二甲苯的過(guò)程10。該過(guò)程的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率約為30%，PX的選擇率約為80%。通過(guò)對(duì)反應(yīng)器的計(jì)算，我們可以知道反應(yīng)的主要參數(shù)（詳細(xì)計(jì)算見(jiàn)下文）。利用這些參數(shù)，并帶入到Aspen Plus中，我們可以得到反應(yīng)結(jié)果數(shù)據(jù)。其主反應(yīng)器即平推流固定床反應(yīng)器在Aspen Plus中的設(shè)計(jì)參數(shù)如下圖2.6：圖2.6 反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖2.2.2 水分離工段由上一工段反應(yīng)方程式中我們知道，反應(yīng)產(chǎn)物有大量無(wú)污染的產(chǎn)物H2O產(chǎn)生。此工段目的為將水從反應(yīng)產(chǎn)物中分離出去。圖2.7 水分離工段示意圖來(lái)自上一工段的高溫產(chǎn)物經(jīng)換熱器H2將溫度降低至50后，進(jìn)入傾析器D1。由于水在有機(jī)相甲苯、

31、PX中溶解度極低，所以采用簡(jiǎn)單的傾析器就可以將水分離出去。水相經(jīng)管道G5流向水-甲醇分離器，有機(jī)相則流入下一工段。經(jīng)過(guò)此工段后有機(jī)相含水量可以忽略不計(jì)，分離效果較好，設(shè)備簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，充分滿足了設(shè)計(jì)原則與要求。2.2.3 甲醇提純工段本工段采用的是簡(jiǎn)單閃蒸罐來(lái)提高未反應(yīng)甲醇在水中的濃度。由于甲醇和水是共沸的，所以簡(jiǎn)單閃蒸不能完全將甲醇從水中分離出來(lái)。而且水的量比較大又是反應(yīng)的產(chǎn)物。所以將甲醇的濃度提高到主反應(yīng)所需最低濃度即可。這樣既降低了生產(chǎn)成本，又滿足了工藝的要求。其在Aspen中的簡(jiǎn)單示意圖如下：圖2.8 甲醇簡(jiǎn)單提純工段示意圖通過(guò)傾析器分離出來(lái)的甲醇溶液起始濃度較低，通過(guò)簡(jiǎn)單閃蒸可達(dá)50%左

32、右，基本滿足反應(yīng)需求。閃蒸罐的參數(shù)設(shè)置在Aspen文件PX30.2.apwz中可查閱。2.2.4 產(chǎn)物脫甲醇精餾工段本次工藝設(shè)計(jì)中甲醇和產(chǎn)物中水以及混合二甲苯均互溶共沸，難分離。為獲得高濃度的PX，先通過(guò)精餾將傾析罐中為分離出來(lái)的甲醇進(jìn)一步的脫除。其工藝過(guò)程為通過(guò)傾析罐的產(chǎn)物有管道G6通入甲醇-有機(jī)相精餾塔R2中。含有高濃度的甲醇以及少量有機(jī)相的溶液，由精餾塔頂端流出，其可以作為反應(yīng)原料通入混合器M1中再次利用。精餾塔R2的工藝參數(shù)在下文有具體分析。其簡(jiǎn)單示意圖見(jiàn)圖2.9。2.2.5 甲苯-二甲苯精餾工段 經(jīng)過(guò)傾析塔，脫甲醇精餾塔兩個(gè)工段后溶液主要組成為二甲苯和甲苯。甲苯和二甲苯沸點(diǎn)相近不能通

33、過(guò)簡(jiǎn)單蒸餾分離出來(lái)。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)共沸精餾塔來(lái)分離。圖2.9 產(chǎn)物脫甲醇精餾塔工段簡(jiǎn)單示意圖目標(biāo)產(chǎn)物PX沸點(diǎn)較大，從塔底流出，甲苯沸點(diǎn)較小從塔頂流出。精餾出來(lái)的甲苯溶液也可作為反應(yīng)的原材料通入混合器M1中。從精餾塔底出來(lái)的PX溶液是由80%的PX以及20%鄰間二甲苯組成的混合溶液。同為異構(gòu)體的二甲苯性質(zhì)相似，若要得到更高純度的PX則需要進(jìn)一步的精餾。本次設(shè)計(jì)不予考慮了。此工段的設(shè)備和上一工段一致，簡(jiǎn)單示意一致，見(jiàn)圖2.9即可。甲醇精餾塔和甲苯精餾塔在Aspen Plus中的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2.10、2.11、2.12、2.13如下：圖2.10 甲醇精餾塔設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖1主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：回流比4.

34、8，物料進(jìn)出比0.58。將主要參數(shù)帶入到Aspen Plus中，對(duì)精餾過(guò)程進(jìn)行模擬，可以得到精餾塔各個(gè)塔板的參數(shù)。圖2.11 甲醇精餾塔設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖2圖2.12 甲苯精餾塔設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖1圖2.13 甲苯精餾塔設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖2從上面3張截圖，我們可以看到精餾塔的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的設(shè)計(jì)，可以將模擬過(guò)程順利進(jìn)行。上圖中主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：塔板數(shù)，進(jìn)料塔板數(shù)，精餾塔壓降，塔板壓降，溫度以及回流比等等。2.3 甲苯甲醇烷基化法工藝流程模擬將甲苯甲醇混合后，通入換熱加熱至指定溫度400，再通入平推流反應(yīng)器中。由于反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以反應(yīng)器R1出口溫度較高，需要先降低溫度再通傾析罐中。這里是采用

35、換熱器進(jìn)行降溫的。冷源可以選擇由甲醇提純階段得到的水以及自來(lái)水組成。經(jīng)過(guò)換熱后的水已成為水蒸汽，可供暖。經(jīng)過(guò)換熱后的物料進(jìn)入傾析罐，通過(guò)傾析罐我們可以除去產(chǎn)物中大量水分。通過(guò)傾析罐后物料分成兩股物流，即水相和有機(jī)相。由于水相中含有大量未反應(yīng)的甲醇，可以經(jīng)過(guò)提純后在作為原料通入混合器中，節(jié)省原料支出成本。因此本工藝過(guò)程設(shè)有甲醇溶液閃蒸罐，用來(lái)將甲醇溶液濃度提高至可利用濃度下限之上。有機(jī)相則進(jìn)入脫甲醇工段。有機(jī)相經(jīng)過(guò)甲醇精餾塔后，甲醇由塔頂流出（作為初始反應(yīng)物料回收），甲苯和二甲苯混合物料從塔底流出。由塔底流出的物料經(jīng)泵加壓后繼續(xù)進(jìn)入下一工段，甲苯-二甲苯精餾分離出甲苯，甲苯沸點(diǎn)較低由塔頂流出后回

36、收。二甲苯沸點(diǎn)較高由塔底流出，由于其性質(zhì)較為活潑，易燃易爆，所以應(yīng)有保溫設(shè)置，避免明火，直接導(dǎo)入二甲苯儲(chǔ)存罐。其整個(gè)流程圖如下圖2.9所示。圖2.14 甲苯甲醇烷基化法生產(chǎn)PX工藝流程圖2.3 系統(tǒng)物料衡算物料衡算是確定化工生產(chǎn)過(guò)程中物料比例和物料轉(zhuǎn)變的定量關(guān)系的過(guò)程，是化工工藝計(jì)算中最基本、最重要的內(nèi)容之一。在化學(xué)工程中，設(shè)計(jì)或改造工藝流程和設(shè)備，了解和控制生產(chǎn)操作過(guò)程，核算生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益，確定主副產(chǎn)品的產(chǎn)率，確定原材料消耗定額，確定生產(chǎn)過(guò)程的損耗量，便于技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)有的工藝過(guò)程進(jìn)行分析，選擇最有效的工藝路線，確定設(shè)備容量、數(shù)量和主要尺寸，對(duì)設(shè)備進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)以及確定最佳操作條件等都要進(jìn)行

37、物料核算11。毫不夸張的說(shuō)，一切化學(xué)工程的開(kāi)發(fā)和放大都是以物料衡算為基礎(chǔ)的。物料衡算的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定理。它是研究某一體系內(nèi)進(jìn)出物料量及組成的變化。進(jìn)行物料衡算時(shí)，必須先確定衡算的體系。對(duì)一般體系，均可用如下表示： 系統(tǒng)中的積累= 輸入- 輸出 + 生成 - 消耗在穩(wěn)定狀態(tài)下有： 輸入= 輸出- 生成 + 消耗特別地，當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，則可簡(jiǎn)化為： 輸入 = 輸出本次設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)是年產(chǎn)30萬(wàn)噸對(duì)二甲苯，以一年運(yùn)營(yíng)8000小時(shí)計(jì)，每小時(shí)產(chǎn)量為37.5噸，即353.225kmol/h。由上述反應(yīng)方程式我們知道，甲苯和二甲苯的反應(yīng)比例為1:1，考慮到目標(biāo)產(chǎn)物為對(duì)二甲苯，而PX的選擇性為80%且

38、甲苯純度為95%，則甲苯的進(jìn)料量為441.531 kmol/h。甲醇濃度為99%，則甲醇進(jìn)料量為356.793 kmol/h?？紤]到為使反應(yīng)最大程度的進(jìn)行，可以適當(dāng)增大甲醇進(jìn)料。2.4 系統(tǒng)能量衡算對(duì)于新設(shè)計(jì)的生產(chǎn)車間，能量衡算的主要目的是確定設(shè)備的熱負(fù)荷。根據(jù)設(shè)備的熱負(fù)荷的大小、所處理物料的性質(zhì)及工藝要求再選擇傳熱面的形式、計(jì)算傳熱面積、確定設(shè)備的主要工藝尺寸12。確定傳熱所需要的加熱劑或冷卻劑的用量及伴有熱效應(yīng)的溫升情況。對(duì)于已投產(chǎn)的生產(chǎn)車間，進(jìn)行能量衡算是為了更加合理能量利用，以最大限度降低單位產(chǎn)品的能耗。熱量衡算是能量衡算的一種，在能量衡算中占主要地位。熱量衡算的理論依據(jù)是熱力學(xué)第一定

39、律。能量守恒表達(dá)式如下： Q入 = Q出 + Q損 即 輸入=輸出+損失式中 Q入：輸入設(shè)備熱量的總和；Q出：輸出設(shè)備熱量的總和；Q損：損失熱量的總和。對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)： Q + W = Hout - Hin式中 Q：設(shè)備的熱負(fù)荷; W：輸入系統(tǒng)的機(jī)械能; Hout：離開(kāi)設(shè)備的各物料焓之和; Hin：進(jìn)入設(shè)備的各物料焓之和。利用Aspen Plus軟件對(duì)精餾塔進(jìn)行能量核算，所得具體參數(shù)如表2.15所示。塔名QHoutHin甲醇精餾塔-5.3459.5835.980甲苯精餾塔0.0105.2544.023從上述表格中，我們可以看出甲醇、甲苯精餾塔所需能量值均在合理范圍內(nèi)。2.5 自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明本廠

40、遵循“運(yùn)行可靠、操作方便、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理”的原則，根據(jù)工藝裝置的生產(chǎn)規(guī)模、流程特點(diǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝操作要求，并參考國(guó)內(nèi)外類似裝置的自動(dòng)化水平，對(duì)主要生產(chǎn)裝置實(shí)施集中監(jiān)視和控制；對(duì)輔助裝置實(shí)施崗位集中監(jiān)視和控制。設(shè)置全廠中央控制室，采用集散控制系統(tǒng)（DCS）和緊急停車系統(tǒng)（ESD）對(duì)全廠的生產(chǎn)裝置及與工藝生產(chǎn)裝置相配套的公用工程部分進(jìn)行監(jiān)控13。現(xiàn)場(chǎng)儀表選型原則如下：1) 選用符合工藝控制精度、靈敏度要求的高性能智能型儀表；2) 為節(jié)約人力成本，減少維護(hù)強(qiáng)度，應(yīng)選用高穩(wěn)定性、免維護(hù)的智能儀表；3) 現(xiàn)場(chǎng)變送器須選擇帶現(xiàn)場(chǎng)顯示的，以方便現(xiàn)場(chǎng)檢修；4) 儀表的選擇應(yīng)考慮環(huán)境的適應(yīng)性，特別是各種傳

41、感器。因此應(yīng)盡量選擇非接觸式的、無(wú)阻塞隔膜式、電磁式及可清洗式的傳感器；5) 盡量選用不用斷流拆卸式和維護(hù)周期較長(zhǎng)的儀表方便維護(hù)管理；6) 易燃易爆場(chǎng)合，嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選擇具有防爆性能的產(chǎn)品。主要儀表的選擇：1. 溫度儀表就地溫度指示儀表選用玻璃溫度計(jì)或雙金屬溫度計(jì)，表盤直徑為150mm；集中檢測(cè)和控制用測(cè)溫元件一般采用熱電偶，分度號(hào)K。溫度較低的采用熱電阻，分度號(hào)為Pt100。2. 壓力儀表就地指示壓力儀表，根據(jù)不同工況選用“波登管”、膜盒壓力表或差壓表；對(duì)于易發(fā)生堵塞及強(qiáng)腐蝕性場(chǎng)合，選用隔膜壓力表。壓力表刻度盤直徑一般為150mm。3. 流量?jī)x表金屬或玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于液體流量測(cè)量。4

42、. 物位儀表集中液位測(cè)量一般選用差壓式液位變送器，對(duì)腐蝕的介質(zhì)采用隔膜密封型。現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐的液位測(cè)量可采用玻璃液位計(jì)和浮球式液位計(jì)。2.6 三廢處理本次設(shè)計(jì)主要產(chǎn)生的廢棄物主要為：催化劑殘?jiān)退?。廢水中主要含有少量的苯、二甲苯、甲醇，雜質(zhì)總含量大約在0.1%左右，經(jīng)吸附脫除之后可以除去大部分雜質(zhì)。通過(guò)處理后的廢水，必須要達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。3 主要設(shè)備介紹3.1 烷基化反應(yīng)器（固定床平推流）3.1.1 概論本次設(shè)計(jì)甲苯甲醇烷基化反應(yīng)器的參數(shù)來(lái)自于Aspen反應(yīng)模擬。Aspen Plus根據(jù)反應(yīng)條件、反應(yīng)參數(shù)等等的不同，供提供了七種不同的反應(yīng)器模型。如下表3.1所示：表3.1 反應(yīng)器單元模塊簡(jiǎn)介Model

43、 Stoichiometry Kinetics Rigorous FeedRSTOIC Yes No No AnyRYIELD No No No AnyREQUIL No No No AnyRGIBBS No No No AnyRBATCH Yes Yes Yes 1RCSTR Yes Yes Yes AnyRPLUG Yes Yes Yes 1查閱資料，我們知道平推流反應(yīng)器是指物料的流動(dòng)狀況滿足平推流的假定，即通過(guò)反應(yīng)器的物料沿同一方向上以相同速率向前流動(dòng)，在流動(dòng)方向上沒(méi)有物料的返混，所有物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都是相同的。在定態(tài)下，同一截面上的物料組成不隨時(shí)間而變化。實(shí)際生產(chǎn)上，對(duì)于管徑較

44、小、長(zhǎng)度較長(zhǎng)、流速較大的管式反應(yīng)器、列管固定床反應(yīng)器等，常可按平推流反應(yīng)器處理。因此最適合本次設(shè)計(jì)的反應(yīng)器是平推流反應(yīng)器（即RPLUG）14。在整個(gè)工藝中反應(yīng)器無(wú)疑是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)?；瘜W(xué)上反應(yīng)器的定義是將反應(yīng)物通過(guò)化學(xué)的方式轉(zhuǎn)化成所需要的目標(biāo)物質(zhì)的裝置，在化工行業(yè)甚至在工業(yè)領(lǐng)域都是極其重要的關(guān)鍵設(shè)備。因此，需要不同類型的反應(yīng)來(lái)適應(yīng)不同的化學(xué)反應(yīng)方式。而選擇反應(yīng)則成為設(shè)計(jì)師考慮生產(chǎn)工藝設(shè)備的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)15。對(duì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)則更為重要，其不但能影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行程度、方式，還影響了物料進(jìn)出反應(yīng)器的處理方式，如：提前預(yù)熱、產(chǎn)物冷卻。因此，反應(yīng)器的選型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是應(yīng)該從整個(gè)工藝的多方面考慮的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我

45、們知道設(shè)計(jì)反應(yīng)器最先是選擇反應(yīng)的類型以及操作的方式。接著是根據(jù)工藝要求確定化學(xué)反應(yīng)以及進(jìn)料的特點(diǎn)。最后才是計(jì)算環(huán)節(jié)，來(lái)確定各個(gè)參數(shù)如：物料流速、反應(yīng)溫度和壓力等等。確定外在參數(shù)后，根據(jù)國(guó)標(biāo)選定反應(yīng)的材質(zhì)以及反應(yīng)器各個(gè)裝置的標(biāo)準(zhǔn)尺寸 。此外，我們還應(yīng)本著節(jié)約成本和環(huán)境友好的原則，做額外的考慮。3.1.2 設(shè)計(jì)重點(diǎn)在對(duì)反應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們不但要滿足傳統(tǒng)意義上的“合理、先進(jìn)、安全、經(jīng)濟(jì)”四大原則，還要充分考慮到化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其重點(diǎn)如下：（1）物料停留時(shí)間，反應(yīng)溫度壓強(qiáng)的范圍；（2）部件的材質(zhì)、規(guī)格應(yīng)按照國(guó)標(biāo)來(lái)選取，方便規(guī)格生產(chǎn)；（3）考慮物料的混合，反應(yīng)溫度的變化，添加輔助部件，如：攪拌

46、器，保溫裝置。3.1.3 設(shè)計(jì)計(jì)算易知：反應(yīng)所需體積=反應(yīng)停留時(shí)間體積流量本次設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為30萬(wàn)噸，從理論上分析所需原料進(jìn)料量為甲苯和甲醇都為353.77kmol/h,換成體積流量總流量為.98m3/h，反應(yīng)停留時(shí)間1.74s，則反應(yīng)體積為35.12m3。取催化劑裝填空隙率為0.46，考慮上催化劑在反應(yīng)器內(nèi)所占體積，則反應(yīng)器的總體積為V0=35.12/（1-0.46）=65.037m3。對(duì)于列管式固定床反應(yīng)器，首先應(yīng)根據(jù)傳熱要求選定選擇323.5mm的不銹鋼管作為反應(yīng)器的反應(yīng)管規(guī)格，再求出反應(yīng)管根數(shù)n。反應(yīng)管內(nèi)徑：di=32-3.5*2=25mm=0.025m 反應(yīng)管根數(shù) 由公式可得n=200

47、經(jīng)圓整可得，反應(yīng)管根數(shù)為200根。帶入Aspen Plus模擬軟件可得到反應(yīng)器產(chǎn)物組成，帶入數(shù)據(jù)主要為反應(yīng)器總長(zhǎng)10m，管道數(shù)200，管徑0.02m，管道采用正三角排列方式。此外反應(yīng)溫度為400，則需要保溫裝置。反應(yīng)管采用正三角形排列，如圖所示圖3.2 反應(yīng)器列管排列示意圖列管間距為t=1.368式中的do為列管的外徑；a=(1/6)*(12n-3)0.5-0.5式中的n為列管數(shù)；b=2a+1式中的b為六邊形層數(shù)；e=11.5d0式中的e為最外層列管到殼體的距離；D=t*(b-1)+2e式中的D為反應(yīng)器的殼體直徑；帶入數(shù)據(jù)可得t=1.368*4=5.472b=16.33*2+1=33.66e=

48、1.1d0=1.1*0.082=0.0902mD=t*(33.6-1)+2*0.0902=3.844m故反應(yīng)器的直徑為4.0m，催化劑的填充高度為5.6m，取管長(zhǎng)為13.2m，考慮封頭的高度h=1.1m，可得反應(yīng)器的長(zhǎng)度為H=14.3m表3.3 反應(yīng)器參數(shù)一覽表項(xiàng)目規(guī)格設(shè)備名稱R1封頭類型標(biāo)準(zhǔn)橢圓反應(yīng)器類型列管式反應(yīng)器尺寸 總長(zhǎng)14.3m直徑4m數(shù)量1臺(tái)反應(yīng)溫度400反應(yīng)壓力選用材質(zhì)33bar06Cr19Ni10下面對(duì)反應(yīng)壁厚進(jìn)行計(jì)算：反應(yīng)器的設(shè)計(jì)壓力Pc=0.5MPa（考慮到實(shí)際壓力降應(yīng)小于設(shè)計(jì)壓力，保證生產(chǎn)安全。），內(nèi)徑Di=600mm，取設(shè)計(jì)溫度為100，取填料塔的材質(zhì)為20R，則查數(shù)據(jù)

49、表可知其t=133MPa，焊接接頭系數(shù)為1，將其帶入下述公式：得=4.56mm5mm，所以取壁厚值為5mm。取腐蝕余量為C2=2mm,則d=+C2=5mm，查鋼板厚度偏差表，得C1為0.6mm。那么n=d+C1+=10mm，即反應(yīng)器的壁厚的名義厚度為10mm。下面對(duì)反應(yīng)器的封頭厚度進(jìn)行計(jì)算：本次反應(yīng)器設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，即：橢圓長(zhǎng)短軸之比等于2。其最大薄膜應(yīng)力位于橢圓的頂點(diǎn)，其厚度計(jì)算方式與壁厚計(jì)算方式一致。但為了防止封頭在壓縮應(yīng)力下產(chǎn)生折皺，要求標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計(jì)算厚度不得小于封頭內(nèi)直徑的0.15%（即：0.9mm，經(jīng)計(jì)算可知封頭厚度滿足這個(gè)要求）。由公式得計(jì)算厚度=2.3mm3mm,

50、所以取壁厚值為3mm。取腐蝕余量為C2=2mm,則d=+C2=5mm，查鋼板厚度偏差表，得C1為0.6mm。那么名義厚度n=d+C1+=6mm，即反應(yīng)器的橢圓形封頭的名義厚度為6mm。3.2 換熱器3.2.1 熱集成在工藝生產(chǎn)過(guò)稱中，物料往往需要加熱或者冷卻。在不同物料流股之間，往往可以通過(guò)相互傳熱達(dá)到被加熱或者被冷卻的目的。雖然工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有很多可以提供熱量的設(shè)備，也有很多冷卻裝置，但是這些設(shè)備都需要大量的能源。為了達(dá)到節(jié)省能源的目的，就可以考慮物料流股之間的熱量交換，以達(dá)到熱量的最大回收利用，實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程效率的提升。而熱集成網(wǎng)絡(luò)可以很好的實(shí)現(xiàn)以上目的，達(dá)到工藝過(guò)程效率的提升。熱集成網(wǎng)絡(luò)

51、的最基本組成就是換熱器17。利用換熱器的原理，實(shí)現(xiàn)物流熱量之間的交換，使冷熱物料溫度趨于所需值。因此利用熱集成網(wǎng)絡(luò)不但可以很好的實(shí)現(xiàn)熱量回收和二次利用，而且還可以最大限度的節(jié)省建設(shè)投資。此次設(shè)計(jì)采用Aspen Plus模擬軟件中的能量分析軟件進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)冷熱物流之間的接觸進(jìn)行了選擇。其不但充分實(shí)現(xiàn)了熱能的利用效率，還保障了生產(chǎn)的安全性以及可操作范圍。表3.8 換熱網(wǎng)絡(luò)熱負(fù)荷參數(shù)編號(hào)換熱器熱負(fù)荷Q（KJ/h）冷物料物質(zhì)冷物料流量（kmol/h）冷物料進(jìn)溫（）冷物料出溫（）熱物料物質(zhì)熱物料流量（kmol/h）熱物料進(jìn)溫（）熱物料出溫（）1進(jìn)料加熱3.70E+07反應(yīng)器進(jìn)料2320201

52、00反應(yīng)器出料700（*）3501002出料冷卻5.30E+07冷卻水24000（*）2065反應(yīng)器出料1060（*）3501003甲苯再沸器塔底待沸物199581128反應(yīng)器出料340（*）3501004甲苯冷凝器冷卻水450（*）2065塔頂餾出物30611280注：含（*）的為大致估計(jì)數(shù)據(jù)，具體流量由溫度自控系統(tǒng)調(diào)控，（*）為溫度二級(jí)控制 表3.9 熱集成效果圖通過(guò)熱集成的設(shè)計(jì)，我們知道此次設(shè)計(jì)共采用了5個(gè)換熱器以及換熱所需冷物料的流量，下面對(duì)換熱器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。3.2.2 換熱器概論在工業(yè)生產(chǎn)中換熱器是常見(jiàn)裝置之一，其基本作用就是使兩種（或者兩種以上）不同溫度的流體在其內(nèi)部發(fā)生熱量交換，以達(dá)到改變物流熱力學(xué)狀態(tài)的目的。Aspen Plus中提供了五種不同類型的換熱器，如表3.3所示。在設(shè)計(jì)工藝過(guò)程時(shí)，需要根據(jù)不同的條件選擇合適類型的換熱器。表3.10 換熱器單元模塊介紹模型說(shuō)明目的用于Heater加熱器或冷卻器確定出口物流的熱和相態(tài)條件 加熱器、冷卻器、冷凝器等HeatX兩股物流換熱器在兩個(gè)物流之間換熱兩股物流的換熱