(完整版)甲苯加氢脱烷基化制苯

化工过程分析和概念设计甲苯加氢脱烷基化制苯

院系：化工学院

专业：化学工程

学生：李荷华

指导教师：钱宇教授

陆恩锡教授

2001．6．1

概念设计

概念设计是依据开发性基础研究的结果、文献的数据、现有类似装置的操作数据和工程经验，按照所开发的新技术工业化规模而做出的预想设计。其目标是寻找最佳工艺流程和估算最佳设计条件。由于任何过程都可提出许多方案，而并非所有的方案都可行，所以在那么多方案中找到可行方案是一件很困难的任务。分层次决策就是针对这个问题提出的，它能从众多方案中排除大量无意义的方案。分层次决策法的做法是把设计问题简化为多层次的决策，借助这种方式可以把一个庞大而复杂的问题分解成许多小问题，处理起来回简单的多。注意力集中在每一层次里所必须做的决策上，就可以辨明可用于解决该问题的已有技术，而无须排除某些新技术或许能提供的更好解决方法。此外，通过列举我们所能提出的每一决策方案，就可以系统地产生出一张工艺替代的清单。

这种方法的要点是运用某种手段区分问题空间的重要信息和细节，借助于抽象空间的分层次规划法，逐级引入不同的细节，可以显著提高解决问题的能力。此概念随时可以延伸到分层次的空间，每一级所处理的细节对只它下面的是层空间为少，又都比它上面的空间为多。只有在较高层次的空间里，成功的规划充分地证明了它的重要性时，才考虑它的细节，这种分层次的搜索过程可以大大减少所需搜索空间的份额。

案例分析

本例是甲苯的加氢脱烷基化制苯，有关的化学反应：

反应条件：反应器进口的温度变化范围是1150℉（低于此温度时反应速度太慢）到1300o

F(高于此温度时会产生大量的加氢裂化)，而且反应器的压力=500psia 。需要用过量的氢（比值

为5/1）来防止结焦，而且反应后的气体必须迅速冷至1150o

F ，以免反应器后续的换热器内的结焦。

首先考虑该反应的选择性问题，所谓选择性指的是每转化一摩尔的甲苯能生成的苯的量，我们将选择性记为S 。

由文献知，该反应过程的选择性和转化率的关系如下表：

1．用回归的方法处理以上这些数据，可得到转化率X 与选择性S 之间的关系：

条件：气相、无催化剂。 2．产量=265mol/h 的苯。 3．产品纯度：

42CH H +−→−+苯甲苯2

2H +−→←联苯苯544

.1)1(0036

.01x S --

=

4．原料：室温条件下的纯苯；100℉和550psia下的95%的H2和5%的CH4。

5．制约条件：在反应器进口处H2/芳烃=5（以防结焦）；反应器出口温度<1300℉（以防加氢裂解）；反应器出料骤冷到1150℉（以防结焦）

6．需要时再给出其它装置和场地的数据。

针对该案例的特点，以及一般的过程设计的系统方法，可以开发出针对本案例的分层次的决策步骤，这种设计方法的一个很大优点是，随着我们通过该分级系统的个层次时，可以计算设备的尺寸和估算其费用。再则，如果在某一层次上发现潜在效益成为负值，就可以寻找替代方案，或者终止该设计项目，而无须再寻找该问题的全部解答。该方法的另一个优点来自下述事实：当在不同层次做出关于流程图结构的决策时，我们知道只要改变这些决策，就将产生过程的替代方案。这样有了鉴别不同方案的系统设计方法，就可在很大程度上避免漏掉某些重要的方案选择的情况，概念设计的目标就是寻找“最佳”方案。一般决策层次可分为五个部分：间歇对连续、流程图的输入-输出结构、流程图的循环结构、分离系统的总体结构（蒸气回收系统、液体回收系统）、热交换系统。

我们将运用以上提出的层次分析法来解决该案例。

A．间歇对连续

连续过程是设计成每个装置可以每天操作台4小时，每周7天，几乎全年都在基本不变的条件下运行，由于我们的所要生产的苯，比较典型的有机化工产品，而且流程中所涉及的容器较多，一般选择连续过程。所以我们也选择连续生产过程。

B．输入-输出的结构

为了解决流程图的输入-输出结构所需做出的决策，我们只要围绕全过程画一个方框。这样，注意力集中于那些输入过程的原料和从过程中出来的产品和副产品。主要应该考虑的问题有：进料物流在进入过程前需要净化吗？应该移出或是循环可逆的副产物？需要采用气体循环和放空物流吗？是否值得回收并且循环某些反应物？有多少股产品物流？输入-输出设计的变量是什么？与这些变量有关的经济权衡是什么？针对案例的特点，考虑以上提出的问题，得出以下结论：

1.进料物流的净化：原料在进入过程前先净化的决策相当于设计一个预净化系统的决策，

考虑本案例的特点及有关经验规则，我们采用以下原则：由于甲苯进料物流是纯的，氢进料物流也不用净化，因为杂质甲烷不多。且甲烷也是此反应的副产物，何况气体的分离很昂贵。

2.可逆的副产品：如果循环可逆副产品，我们必须加大回路的所有设备的尺寸，已容纳可

逆副产品的平衡流量，然而，如果将副产品从过程中移走，则将由于增加了转化为可逆副产品的反应物原料费用而付出经济代价，即为甲苯的原料费用减去联苯的燃料价值。

所以没有简单的设计准则可循。同时此结果对于副产品反应的平衡常数也敏感。我们所采用的方法是回收联苯。

3.循环与放空。只要轻反应物和轻进料杂质或轻副产品的沸点低于丙烯就采用气体循环和

驰放气体。根据这一原则，来考虑我们的反应物和轻进料，进料氢和进料杂质（甲烷）与反应副产物（甲烷），这三者的沸点都低于丙烯，所以需要一股循环气流和一股放空物流，也就是说，要循环氢气，但是甲烷将会在循环回路中积累起来，所以必须放空。有一种能分离氢与甲烷的膜分离过程，或许比放空物流中的氢损失更便宜一些。然而，遗憾的是找不到适用于膜分离器的设计方法或费用关系式，所以我们的设计是基于气体循环与放空物流。

4.不要回收和循环某些反应物：因为事例中所有有价值的物料转化率达到99%以上，而且

过程中也没有水和空气，所以不用循环和回收反应物。