苯乙烯制備實(shí)訓(xùn)裝置的建設(shè)

摘 要 針對(duì)苯乙烯制備實(shí)訓(xùn)裝置建設(shè)，結(jié)合實(shí)訓(xùn)目的闡述裝置建設(shè)思路，圍繞裝置組成討論并確定各組成系統(tǒng)的建設(shè)方案。實(shí)踐表明，按該思路和方案建成的裝置，性能穩(wěn)定可靠，操作適應(yīng)性強(qiáng)，能方便用于中職化學(xué)工藝類專業(yè)化學(xué)反應(yīng)器課程的理實(shí)一體化教學(xué)，提高教學(xué)效果和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 中等職業(yè)學(xué)校；化學(xué)；苯乙烯；制備；實(shí)訓(xùn)裝置

中圖分類號(hào) G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1008-3219（2013）32-0042-04

收稿日期：2013-09-15

作者簡(jiǎn)介：周國(guó)保（1965- ），男，江西南昌人，江西化學(xué)工業(yè)學(xué)校教研室主任，高級(jí)講師。

乙苯催化脫氫制備苯乙烯，屬于氣—固相催化反應(yīng)的操作過(guò)程。該訓(xùn)練項(xiàng)目在中職化學(xué)工藝類專業(yè)“化學(xué)反應(yīng)器”課程的教學(xué)中常被采用。該實(shí)訓(xùn)裝置可成套采購(gòu)，也可自行建設(shè)。若成套采購(gòu)，則裝置一般為定型產(chǎn)品，滿足個(gè)別教學(xué)需要的適應(yīng)性不夠，可改造的余地很小。若自行建設(shè)，則裝置可根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)與組裝，建成后更加貼近教學(xué)需要。中職學(xué)校在條件允許的情況下，自行建設(shè)苯乙烯制備實(shí)訓(xùn)裝置，既能促進(jìn)師生動(dòng)手能力提高，又能滿足工學(xué)結(jié)合教學(xué)的需要。

一、實(shí)訓(xùn)目的與建設(shè)思路

（一）實(shí)訓(xùn)目的

讓學(xué)生掌握氣—固相固定床反應(yīng)器開(kāi)車、停車及事故處理等操作技能，掌握為提高目的產(chǎn)物收率而對(duì)反應(yīng)溫度、原料配比等實(shí)施有效調(diào)節(jié)技能；掌握化工自動(dòng)化儀表使用和維護(hù)方法，反應(yīng)過(guò)程物料衡算與產(chǎn)品分析的方法。

（二）制備原理

苯乙烯制備采用乙苯催化脫氫路線，即乙苯在催化劑和580℃～620℃的高溫下進(jìn)行烷基脫氫獲得苯乙烯。主反應(yīng)為：

同時(shí)伴隨烷基斷鏈、脫烷基、生炭等副反應(yīng)。脫氫催化劑以氧化鐵系催化劑效果好，乙苯轉(zhuǎn)化率可達(dá)70%以上，苯乙烯選擇性可達(dá)95%以上。

反應(yīng)前需要通入空氣，檢查催化劑床層阻力和裝置氣密性，并在加熱情況下使催化劑活化。之后，通入水蒸汽，置換反應(yīng)器中空氣。主反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)前需要預(yù)熱，反應(yīng)中需要供熱。

反應(yīng)中，加入原料乙苯，也需要加入一定量的水蒸汽。水蒸汽作用為降低乙苯的分壓并提高平衡轉(zhuǎn)化率，減少催化劑上積炭并延長(zhǎng)催化劑壽命。水蒸汽與乙苯配比為（1.2～2.6）∶1（質(zhì)量比）或（1～2.2）∶1（液體體積比）。

反應(yīng)產(chǎn)物以氣相出料，其中，主要含生成物——苯乙烯、氫氣，未反應(yīng)的原料——乙苯，以及加入的水。冷凝后苯乙烯、乙苯、水成液體，靜止后分層。上層為有機(jī)層，主要為苯乙烯、乙苯，用氣相色譜儀可以分析含量；下層為水層。氫氣為不凝氣，經(jīng)濕式氣體流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，可獲得累積體積。

（三）建設(shè)思路

1.體現(xiàn)操作性和經(jīng)濟(jì)性

從操作性看，應(yīng)與真實(shí)裝置相近，滿足氣—固相固定床反應(yīng)器開(kāi)車、停車和事故處理操作訓(xùn)練需要，且裝置不易太大。

2.反應(yīng)溫度、原料配比可調(diào)

反應(yīng)溫度、原料配比可調(diào)是為滿足訓(xùn)練對(duì)反應(yīng)溫度、原料配比等工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，達(dá)到提高目的產(chǎn)物收率的目的。為此，需要設(shè)置反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)；乙苯、水加料采用計(jì)量泵，以準(zhǔn)確確定原料投料量和原料比。

3.選擇企業(yè)流行的儀表

根據(jù)對(duì)化工企業(yè)調(diào)查，當(dāng)今流行的調(diào)節(jié)儀表為智能電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表。為明確責(zé)任，對(duì)于溫度等重要工藝參數(shù)需要記錄，因而采用帶無(wú)紙記錄儀的顯示儀表，方便學(xué)生訓(xùn)練化工自動(dòng)化儀表的使用。

4.對(duì)所有產(chǎn)物進(jìn)行計(jì)量

采用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量副產(chǎn)物氫氣的量，液體產(chǎn)物中苯乙烯、乙苯可通過(guò)量筒和氣相色譜儀分析計(jì)量，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的收率計(jì)算，并進(jìn)行物料衡算。

5.工藝參數(shù)的確定

催化劑活化用空氣流量：5L/min；催化劑上乙苯的液空速：0.6/hr；加料流量：乙苯為0.5mL液/min，水為（0.5～1）mL液/min；預(yù)熱段溫度：450℃～500℃；反應(yīng)段溫度：560℃～620℃。

二、裝置組成與建設(shè)方案

苯乙烯實(shí)訓(xùn)裝置的建設(shè)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。隨著科技進(jìn)步，可供選用的設(shè)備、儀器、儀表、材料及手段等種類越來(lái)越多，技術(shù)水準(zhǔn)越來(lái)越高。在滿足實(shí)訓(xùn)條件和實(shí)訓(xùn)目的的情況下，安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)是決定裝置建設(shè)方案的關(guān)鍵因素。

（一）裝置組成

催化脫氫制備苯乙烯實(shí)訓(xùn)裝置示意圖如圖1。該實(shí)訓(xùn)裝置包括空氣系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、出料系統(tǒng)等部分。完整的實(shí)訓(xùn)裝置會(huì)因各部分建設(shè)方案不同而不同，完整的實(shí)訓(xùn)裝置圖例可以參考有關(guān)資料[1]。

1.反應(yīng)器類型的選擇

氣—固相固定床反應(yīng)器類型有兩種，一種是絕熱式反應(yīng)器，一種是換熱式管式反應(yīng)器。為了使反應(yīng)器縱向和徑向溫度分布盡可能均勻，并考慮建設(shè)方便，該實(shí)訓(xùn)反應(yīng)器類型選擇換熱式管式反應(yīng)器。由于該實(shí)訓(xùn)反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，故采用電加熱器進(jìn)行外加熱。

2.反應(yīng)管材質(zhì)和尺寸選擇

該實(shí)訓(xùn)反應(yīng)溫度為560℃～620℃。考慮到管內(nèi)可能過(guò)熱和管外溫度更高，以及為了確保反應(yīng)管的支撐強(qiáng)度，反應(yīng)管耐溫要求達(dá)1000℃。因而，反應(yīng)管材質(zhì)選擇1Cr18Ni9Ti不銹鋼或1Cr25Ni20Si2不銹鋼。反應(yīng)管的直徑不宜過(guò)大，按經(jīng)驗(yàn)取φ25×3.5mm，長(zhǎng)度取800～850mm。

3.催化劑床層類型的選擇

結(jié)合苯乙烯生產(chǎn)上的成熟工藝，該實(shí)訓(xùn)中催化劑床層類型選用固定床。為此，反應(yīng)管應(yīng)該垂直安裝，催化劑固定安放在反應(yīng)管的反應(yīng)段。為使液體物料汽化，并使物料進(jìn)口溫度接近反應(yīng)溫度，在反應(yīng)段上部應(yīng)設(shè)置一預(yù)熱段。這樣，反應(yīng)管上部為預(yù)熱段，下部為反應(yīng)段。

4.催化劑的選用與裝填

催化劑的類型確定為氧化鐵系催化劑，國(guó)內(nèi)有上海石油化工研究院、廈門大學(xué)等多家單位研制或生產(chǎn)。催化劑裝填方法是，在反應(yīng)管中自下往上安裝鎧裝熱電偶、不銹鋼篩板、不銹鋼篩網(wǎng)、催化劑顆粒、不銹鋼篩網(wǎng)。催化劑裝填的上、下面應(yīng)與管外電加熱器的上、下線圈對(duì)齊。

（二）加熱和保溫系統(tǒng)

本裝置采用電加熱器加熱。在具體設(shè)備上，有兩種方案可供選擇，一種是直接使用廠家生產(chǎn)的管式爐，另一種是自制加熱設(shè)備。前者建設(shè)簡(jiǎn)單，但管式爐貴，對(duì)加熱段數(shù)和反應(yīng)管尺寸有所限制。后者造價(jià)低，加熱段數(shù)和反應(yīng)管尺寸可以按需要確定，為確保設(shè)備運(yùn)行安全可靠，建設(shè)起來(lái)相對(duì)復(fù)雜。

1.電加熱器功率確定

要使反應(yīng)溫度到達(dá)600℃和確保調(diào)節(jié)通道的調(diào)節(jié)能力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)熱段的功率應(yīng)在0.8kW左右，反應(yīng)段的功率應(yīng)在1.0kW左右。

電加熱器功率也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[2]。

式中P—設(shè)計(jì)加熱功率，W；

p=1.2×[（20×+20）×（）+Q]

T—管式爐能達(dá)到的最高加熱溫度，℃；

S—設(shè)計(jì)加熱面積，cm2；

Q—單位時(shí)間過(guò)程吸熱，包括顯熱、潛熱、反應(yīng)熱，W。

由于反應(yīng)管的導(dǎo)熱性能差異、裝置絕緣和保溫措施不同，故采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的加熱功率與實(shí)際需要的功率可能存在差異。

2.電熱絲材料和尺寸選擇

電熱絲材料選耐高溫材料，主要有鐵鉻鋁絲（0Cr25Al5）、鎳鉻絲（Cr15Ni60）、鐵鉻鋁鉬絲（0Cr27Al7Mo2）。由于鐵鉻鋁絲在耐溫方面能滿足要求，并且單位長(zhǎng)度的電阻值大，在功率一定的情況下需要的電熱絲長(zhǎng)度更短，便于在確定高度的預(yù)熱段和反應(yīng)段的管外將電熱絲全部繞完，因而選鐵鉻鋁絲。

在安裝時(shí)，電熱絲上套φ2×10㎜的瓷環(huán)用作絕緣。為了使套有瓷環(huán)的電熱絲在φ25×3.5mm管外，230～240mm長(zhǎng)的范圍內(nèi)，除留有一定長(zhǎng)的接線段外，能剛好繞完，截取電熱絲的合理長(zhǎng)度應(yīng)在4m左右。再根據(jù)確定功率和鐵鉻鋁絲的電阻率計(jì)算，電熱絲直徑取φ0.35㎜規(guī)格（電阻14.7ΩΩ/m）。4m長(zhǎng)電熱絲的功率為0.82kW，3.5m長(zhǎng)電熱絲的功率為0.94kW。

3.電加熱器的繞制方法

電加熱器是由電熱絲在反應(yīng)器上繞制而成。不同繞制方法的區(qū)別主要在電熱絲線圈的疏密分布和雙線繞制還是單線繞制的方式上。電熱絲線圈的疏密分布按散熱、吸熱情況和盡量使縱向溫度分布均勻的要求確定。繞制方式中雙線繞制比單線繞制好，因?yàn)閱尉€繞制產(chǎn)生電感效應(yīng)，對(duì)測(cè)溫元件及記錄儀表有影響。雙線繞制屬于無(wú)感應(yīng)的繞制方法，但在實(shí)際安裝中，由于雙線繞制需要將電熱絲對(duì)折，存在一個(gè)中間點(diǎn)，該點(diǎn)不好固定，因而不便采用。因?yàn)榉磻?yīng)管分預(yù)熱段和反應(yīng)段，各用一個(gè)電加熱器，所以每個(gè)電加熱器的電熱絲即使采用單線繞制，只要在繞制方向或在接電源接線上稍作調(diào)整，就能使電感效應(yīng)產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的感生電動(dòng)勢(shì)，起到對(duì)消作用。

4.漏電保護(hù)措施

采用多重漏電保護(hù)措施：可靠的接地保護(hù)；在每個(gè)電路回路中采用兩個(gè)性能可靠、額定電流適中的空氣開(kāi)關(guān)，串聯(lián)；在不銹鋼反應(yīng)管與電熱絲之間，用水玻璃粘合一層云母片；電熱絲上套φ2×10㎜瓷環(huán)，然后繞在云母片的外表；為防止電熱絲因瓷環(huán)的重量而發(fā)生下墜或斷裂可能帶來(lái)的安全隱患，套有瓷環(huán)電熱絲繞線外再用直徑合適的訂制的陶土管固定。

5.保溫系統(tǒng)

冬季做實(shí)訓(xùn)若不保溫，則有可能反應(yīng)溫度難以升高到600℃。另外，不保溫，溫度波動(dòng)大。保溫有助于反應(yīng)管外的溫度分布更加均勻。一般采用多層保溫措施：固定電熱絲用的陶土管保溫；再使用一個(gè)直徑更大的陶土管保溫；在陶土管外，使用巖棉氈保溫。

（三）儀表系統(tǒng)

1.測(cè)溫元件

采用鎳鉻-鎳硅熱電偶，鎧裝，為提高可靠性能采用雙偶型，一路熱電偶與溫度控制儀表相連，一路熱電偶與顯示記錄儀表相連。熱電偶的數(shù)量為兩支，預(yù)熱段和反應(yīng)段各一支。熱電偶長(zhǎng)度應(yīng)該依預(yù)熱段和反應(yīng)段各自最佳測(cè)溫點(diǎn)位置決定。熱電偶與反應(yīng)管的連接通過(guò)專用接頭（儀表廠提供）。先將專用接頭焊接在反應(yīng)管端口上，然后熱電偶與專用接頭進(jìn)行螺紋聯(lián)接。

2.顯示系統(tǒng)

顯示方案采用數(shù)字式無(wú)紙記錄儀，多點(diǎn)式，只需一臺(tái)。數(shù)字化無(wú)紙記錄儀優(yōu)點(diǎn)是顯示直觀，顯示畫面可通過(guò)組態(tài)改變，查詢歷史記錄方便快捷，缺點(diǎn)是價(jià)格貴。

3.溫控系統(tǒng)

溫控方案采用調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角的溫控方案。該方案采用數(shù)字式控制方法，通過(guò)數(shù)字式溫度控制儀的輸出，調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角來(lái)改變電熱絲的輸出功率。在溫控系統(tǒng)中，每個(gè)溫控點(diǎn)需要用到一臺(tái)數(shù)字式溫度控制儀和一個(gè)雙向可控硅（SCR，額定電流為50A）。

（四）加料、冷凝與出料系統(tǒng)

1.加料系統(tǒng)

從進(jìn)料狀態(tài)看，可以選擇液相加料或氣相加料；若選擇氣相加料，則原料乙苯和水都得先蒸發(fā)氣后才加入反應(yīng)管的預(yù)熱段。若選擇液相加料，則原料乙苯和水直接加入反應(yīng)管的預(yù)熱段，不過(guò)在預(yù)熱段中應(yīng)安裝液體分布網(wǎng)，使進(jìn)料液體分散并及時(shí)汽化。從進(jìn)料計(jì)量看，氣相加料不便計(jì)量，因而選擇液相加料方案。

2.冷凝與出料系統(tǒng)

冷凝與出料系統(tǒng)依物料流經(jīng)順序，包括冷凝器、氣液分離器、濕式氣體流量計(jì)等儀器設(shè)備。冷凝器采用鍍鋅管，套管式，根據(jù)計(jì)算（按600W的傳熱功率）傳熱面大于0.1m2。由于反應(yīng)管出料的溫度很高，600℃左右，因而反應(yīng)管與冷凝器采用金屬?gòu)椈煽ㄊ焦芙宇^聯(lián)接。

（五）空氣系統(tǒng)

空氣系統(tǒng)是為反應(yīng)器提供無(wú)油空氣，在反應(yīng)前檢查催化劑床層阻力和裝置氣密性，并在加熱情況下使催化劑活化，包括無(wú)油空壓機(jī)、通氣管、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、U形管壓力計(jì)等設(shè)備或儀表。無(wú)油空壓機(jī)輸出壓力可調(diào)，轉(zhuǎn)子流量計(jì)后的管路壓力小于500mmH2O柱。轉(zhuǎn)子流量計(jì)量程4～400L/hr。

按照上述方案建成的苯乙烯制備實(shí)訓(xùn)裝置，性能穩(wěn)定可靠，操作適應(yīng)性強(qiáng)，能方便用于中職化學(xué)工藝類專業(yè)化學(xué)反應(yīng)器課程的理實(shí)一體化教學(xué)，促進(jìn)教學(xué)效果提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂守信.化學(xué)工藝專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2]復(fù)旦大學(xué).物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

The Construction of Training Device for Styrene Preparation

ZHOU Guo-bao

（Chemical Industry School of Jiangxi Province， Nanchang Jiangxi 330012， China）

Abstract Constructing the training device for styrene preparation should combine with training objective to confirm establishing idea and center on the device components to discuss and confirm the establishing scheme for all components. The practice results show that the device established by the above idea and scheme has reliable and stable property and strong operating adaptability， and is convenient for use in the teaching combining theory with practice of chemical reactor course of chemical technology specialties in secondary vocational schools， so as to increase teaching effects and quality.

Key words secondary vocational schools； chemistry； styrene； preparation； training device