采用清洁生产工艺制取对二甲苯(PX)分厂设计报告

一、设计题目

为某一大型综合化工企业设计一座采用清洁生产工艺制取对二甲苯（PX）的分厂。

二、设计基础条件

1、原料

原料来源及原料规格由各参赛队根据不同的工艺路线和技术经济要求自行

确定。

2、产品

产品结构及其技术规格由参赛队根据本队的市场规划自行拟订。

3、生产规模

生产规模由参赛队根据本队的资源规划和市场规划以及国家的有关政策自

行确定。

4、环境要求

尽量采取可行的清洁生产技术，从本质上减少对环境的不利影响，并对可能

造成环境污染的副产物提出合理的处理方案。

5、公用工程

由总厂提供。

三、工作内容及要求

1、项目可行性论证

1）建设意义；

2）建设规模；

3）技术方案；

4）与企业的系统集成方案；

5）厂址选择；

6）与社会及环境的和谐发展；

7）经济效益分析。

2、工艺流程设计

1）工艺方案选择及论证

甲苯甲醇烷基化制对二甲苯反应过程是以摩尔比为7: 1的甲苯和甲醇作为反应原料,临氢、临水,其中氢气与原料的摩尔比为8: 1,水与原料的摩尔比为8: 1,在Si、P、Mg复合改性的ZSM-5催化剂上经过一系列复杂的反应,以达到高对二甲苯选择性的目的。甲苯甲醇烷基化反应体系是一个热效应较小的放热过程,其具体的化学反应计量式如下所示:

确定反应进度

在一个化丁流程的设计和模拟中,反应部分的设计模拟是整个工作的核心。该部分既囊括了反应原料所需的压力和温度,又包含了反

应产物的信息,所以既决定着反应之1000 1%年对二甲苯项目发前流

程的换热及输送设备的工艺参数,又是后续流程进行分离提纯的前提因素。而对反应部分各反应式的反应进度的准确模拟,则是反应部分模拟的基础。由前文可知,甲苯甲醇烷基化工艺中,除甲苯甲醇烷基化生成对二甲苯的反应之外还有18个副反应,各反应都有各自的反应进度和原料转化率,想要成功模拟反应并开发相应的工艺流程,首先就要通过化工流程模拟技术,确定这些反应的反应进度。大连理工大学工业催化剂研究所测得小试装置反应产物组成的流程如下:令小试得到的气相产物通过冷却器降温至15°C,得到气液两相,再通过色谱方法分别测得两相的组成。

根据催化剂研究所的检验流程,在流程模拟软件HYSYS中按图2.1搭建出模拟流程。

反应原料为甲苯、甲醇,水和氢做为载气,甲苯、甲醇摩尔比7:1,水与原料摩尔比8:1,氢与原料摩尔比8:1。四者混合后经加热器加热至反应温度460°C,流入反应器,反应产物为气相,从反应器流出,经冷

却器降温至15°C,进入闪蒸器,反应产物在闪蒸器中降压至常压,由闪蒸器顶部得到气相产物,底部得到液相产物。

本次设计模拟选用的物性方程是PR-BM方程。PR-BM物性方程适用于所有温度、压力下非极性或者极性较弱的体系,对于本次设计模拟的物系十分适合,可以作为实际生产工艺设计的物性方法。

调整反应器中各反应式的反应物转化率,进行反复模拟,得到各反应的模拟转化率,见表

由表2.2中数据可知,模拟结果与小试结果极其相似,可证明模拟得到的反应进度与实际情况相符,可用丁?生产流程模拟设计。

原料混合方式

甲苯甲醇烷基化生产对二甲苯r.艺的原料为甲苯和甲醇,水和氢作为载气,四者需要全部汽化并且混合,之后加热到反应温度进入反应器。其中甲苯、甲醇和水在常温常压下为液态,故需要先将它们汽化后与氢气混合,这就涉及到三者的混合及加热顺序。

根据排列组合,同时考虑到换热器设计因素,可以得到以下四种可

能的混合换热顺序:

方案a是最直观的方案,将甲苯、甲醇、水分别汽化后,与氢气混合,作为原料气去加热,但是该方案需要三个换热器,有着最高的设备费用;方案b先将甲苯甲醇混合后与水分别加热汽化,再与氢气混合,只使用两台换热器,甲苯甲醇可以互溶形成均相混合物,加热时传热效果良好,故此方案可行;方案C将甲苯与水混合加热汽化,再与氢气和甲醇蒸汽混合,但是由于甲苯与水不互溶,形成的混合物将会分层,在加热时影响传热效果,故照方案b稍逊一筹;方案d先将甲醇与水混合后与甲苯分别加热器化,再与氢气混合,同理,由于甲醇与水可以互溶,故方案d与方案b都是可行方案,本次设计采用方案b的混合顺序。

反应器网络设计

本工艺采用的ZSM-5催化剂,反应中甲苯转化率达到了12%左右,在已开发的甲苯甲醇烷基化催化剂中已经属于较高的水平,但如果应用于工业生产仍然不够。工业上提高反应物转化率的方法通常有:

反应器中催化剂床层分段,段间加入原料;以及多个反应器串联生产,多段进料。本装置设计规模为lOOOt/a,是一套中试装置,主要目的为研究催化剂的放大效果,为工业规模放大提供参考,故为便于研究和操作灵活,设计采用第二种方法。随着串联反应器增加,甲苯转化率提升的同时,对二甲苯产品也不断增加,副产物也开始不断累积,所以设计中需要确定最优的反应器数目。上一节已经得到了各反应的原料转化率,故可通过流程模拟,研究原料经过不同数目反应器后的产物组成变化趋势,确定反应器数目。为实现该目标,构造模拟流程如下:

理论上,为了保证反应原料在进入反应器时正好处于反应温度,需要在每台反应器前增加换热设备,但是经过计算发现,反应压力下25°C的甲醇汽化并升温至460°C所需热量,与反应产物冷却至460°C 放出热量相近,两者混合后温度在459?460°C之间,属于正常反应温度范围。下面以l000t/a的生产规模下,反应器2的进料情况为例,进行计算证明:

反应器1得到的产物温度为469.8°C,摩尔流量95.27kmol/h,其中含甲苯4.3529kmol。与之对应的新鲜甲醇进料为0.6218kmol/h。反应产物降温至460°C放出热量为: