化工过程模拟与优化 课程设计报告
苯乙烯生产过程的设计与优化
指导教师：钱 宇 教授 陆恩锡 教授
学 生：周 章 玉 学 号： B98099 专 业：化 学 工 程
设计任务
乙烯
4.3.5, 5.4.6, 6.8.5
→ → → → → → 乙苯 → → → → → 苯乙烯
苯
1.3.5
7.6.2, 8.11.1, 9.5.1
乙苯生产过程设计
• 2.1 反应系统 • 2.1.2 反应条件
–气相连续反应 –反应温度：820oF，等温 –反应压力：300psia，等压 –催化剂：ZSM-5沸石催化剂
乙苯生产过程设计
2.1 反应系统
2.1.3 反应选择性和转化率
x1

x0

0.1947x03 0.2594x02 0.9134x0 0.04 0.3309x03 0.3132x02 0.6783x0 0.1299
苯乙烯生产过程的设计与优化
• 过程设计分析 • 乙苯生产过程设计
– 反应系统 – 分离系统设计 – 换热网络合成 – 乙苯过程流程
• 乙苯制苯乙烯过程设计
– 反应系统 – 分离系统设计 – 换热网络合成 – 苯乙烯过程流程
• 由苯制苯乙烯全过程设计 • 全流程经济衡算 • 技术经济评价
过程设计分析

P1a

0.0516 0.1008
x03 x03

0.1222
x
2 0
0.6068 x02
0.1929 x0 0.9345 x0
0.0433 0.0167
反应器出口三乙苯流率 P1c

P1a

0.0423 x03 0.2252 x02 0.214 x0 0.0666 0.1008 x03 0.6068 x02 0.9345 x0 0.0167
乙苯 二乙苯 三乙苯
苯 + 二乙苯
过程设计分析
•1. 1 乙苯生产过程的分析
–1.1.2 乙苯产品分离过程分析
• 在乙苯合成过程中，由于适宜的反应转化率较低，反 应器出口含大量未反应的原料；而且反应过程中伴有 多烷基化反应副反应，生成多烷基苯衍生物。因此， 必须对反应产物进行分离，将反应产物中的多烷基苯
循环进料量
F1r

F F0 f x0 F1 f F1r
总进料量
F1t F1 f F1r F0 f
（式 2-11）
（式 2-12） （式 2-13）
F1f=422.3mol/h F1r=619.3mol/h
F0f=524.4mol/h F1t=1566mol/h

0.04
乙苯生产过程设计
• 2.1 反应系统
• 2.1.4 反应的循环结构
•
未反应的苯和多乙苯
•苯
反应
分离
•乙
系统
系统
烯
乙苯
• 图2-1 乙苯合成的循环结构图
2. 乙苯生产过程设计
2.1.5 产量和进料量
2.1 反应系统
反应器出口乙苯流率
P Pma F2 f
1a
y1
y1
反应器出口二乙苯流率 P1b
• H2
•
乙苯 乙苯
苯乙烯 ＋ 苯 ＋ C2H4
乙苯生产过程设计
• 2.1 反应系统
• 2.1.1 反应物和产物分布
• 反应物为苯和乙烯 • 产物为乙苯（主产物）和二乙苯及三乙苯 • 设反应进料组成为乙烯和苯的摩尔比为x0 • 反应产物的分布（摩尔组成）如下： • 苯的摩尔分率=-0.0336x03+0.3174x02-0.9759x0+1.0002 • 乙苯的摩尔分率=-0.1008x03-0.6068x02+0.9345x0+0.0167 • 二乙苯的摩尔分率=-0.0516x03+0.1222x02+0.1929x0-0.0433 • 三乙苯的摩尔分率=-0.0423x03+0.2252x02-0.214x0+0.0666
衍生物和未转化的反应物（主要是过量苯）分离出来。
过程设计分析
• 2 苯乙烯生产过程的分析
• 2.1 苯乙烯合成
• 苯乙烯的工业生产目前几乎全采用乙苯催化脱氢方法。
• 乙苯
苯乙烯 + H2
ΔH873 = 125 kJ/mol
• 乙苯催化脱氢在温度高达600℃左右进行。由于脱氢为 吸热过程，根据Le Chatelier’s原理，高温和低压 （现代工业装置中压力小于0.1MPa）有利于反应进行， 但在高温时苯乙烯和乙苯热分解显著，使苯乙烯收率 减低。其主要反应如下：
2. 乙苯生产过程设计
2.1 反应系统
2.1.6 反应器的确定 根据反应条件，本设计拟采用固定床反应器。反应器容积：
进料体积流率 G

F1t

P0TV 0 PT0
反应器容积 VR G
当反应进料组成 x0 取 0.5 时，反应器容积 VR=0.749m3。
2. 乙苯生产过程设计
2.2 分离系统设计
1.
乙苯生产过程的分析
• 1.1 乙苯合成
• 本设计拟采用苯和乙烯进行Friedel-Crafts烷基化反应合 成乙苯。
–苯 + C2H2 kJ/mol
乙苯
ΔH298 = -114
• 在芳烃烷基化中的主要问题在于：开始得到的烷基芳烃还 可能发生多烷基化反应。其主要反应如下：
–苯 + C2H2 –乙苯 + C2H2 –二乙苯 + C2H2 –2乙苯
反应的选择性 s1 可表示为产物组成的函数：
选择性

产物中乙苯分率 产物中乙苯分率 二乙苯分率

三乙苯分率
由式（2-1）至式（2-4）可得：
s1

0.1008 x03 0.6068 x02 0.9345 x0 0.0167

0.1947
x03

0.2594
x
2 0

0.9134
x0
2.2.1 分离序列 由于反应产物中存在未反应的苯、产物乙苯和副产物多乙苯，必须将产物乙苯
分离出来作为生产苯乙烯的原料，同时将未反应的苯和多乙苯循环使用。因此，存 在着分离序列的选择。本设计采用启发—试探法进行排序。排定塔序的推理法则如 下：
当反应进料组成为乙烯和苯的摩尔比 x0 取 0.5 时，由式 2-5 和式 2-6 可得：
x1=0.4027 由式 2-7 至式 2-9 可得：
s1=0.7752
P1a=327.4mol/h
P1b=83.49mol/h
由物料平衡和反应产物可知反应器进料：
新鲜苯进料量
F1 f

P1a s1
P1c=11.46mol/h （式 2-10）