年產(chǎn)40000噸苯酐的車間工藝設計

第一章文獻綜述簡述苯酐，全稱為鄰苯二甲酸酐〔PhthalicAnhydride〕,常溫下為一種白色針狀結晶〔工業(yè)苯酐為白色片狀晶體〕，易燃，在沸點以下易升華，有特殊輕微的刺激性氣味。苯酐能引起人們呼吸器官的過敏性病癥，苯酐的粉塵或蒸汽對皮膚、眼睛及呼吸道有刺激作用，特別對潮濕的組織刺激更大。苯酐主要用于生產(chǎn)PVC增塑劑、不飽和聚酯、醇酸樹脂以及染料、涂料、農(nóng)藥、醫(yī)藥和儀器添加劑、食用糖精等，是一種重要的有機化工原料。在PVC生產(chǎn)中，增塑劑最大用量已超過50％，隨著塑料工業(yè)的快速開展，使苯酐的需求隨之增長，推動了國內(nèi)外苯酐生產(chǎn)的快速開展。最早的苯酐生產(chǎn)始于1872年，當時德國BASF公司以萘為原料，鉻酸氧化生產(chǎn)苯酐，后又改用發(fā)煙硫酸氧化生產(chǎn)苯酐，但收率極低，僅有15%。自1917年世界開始以氧化釩為催化劑，用萘生產(chǎn)苯酐后，苯酐的生產(chǎn)逐步走向工業(yè)化、規(guī)模化，并先后形成了萘法、鄰法兩種比擬成熟的工藝[1]。[2]苯酐，常溫下為一種白色針狀結晶〔工業(yè)苯酐為白色片狀晶體〕，易燃，在沸點以下易升華，有特殊輕微的刺激性氣味。分子式C8H4O3，相對密度1.527(4.0℃)，熔點℃，沸點295℃〔升華〕，閃點〔開杯〕℃微溶于熱水和乙醚，溶于乙醇、苯和吡啶。合成苯酐的主要工藝路線.1萘法[1]反響原理萘與空氣在催化劑作用下氣相氧化生成苯酐。.1.2工藝流程空氣經(jīng)凈化、壓縮預熱后進入流化床反響器底部，噴入液體萘，萘汽化后與空氣混合，通過流化狀態(tài)的催化劑層，發(fā)生放熱反響生成苯酐。反響器內(nèi)裝有列管冷卻器，用水為熱載體移出反響熱。反響氣體經(jīng)三級旋風別離器，把氣體攜帶的催化劑別離下來后，進入液體冷凝器，有40%－60%的粗苯酐以液態(tài)冷凝下來，氣體再進入切換冷凝器〔又稱熱融箱〕進一步別離粗苯酐，粗苯酐經(jīng)預分解后進行精餾得到苯酐成品。尾氣經(jīng)洗滌后排放，洗滌液用水稀釋后排放或送去進行催化燃燒。.2鄰法.2.1反響原理[1]鄰二甲苯與空氣在催化劑作用下氣相氧化生成苯酐。.2.2工藝流程過濾、凈化后的空氣經(jīng)過壓縮，預熱后與汽化的鄰二甲苯混合進入固定床反響器進行放熱反響，反響管外用循環(huán)的熔鹽移出反響熱并維持反響溫度，熔鹽所帶出的反響熱用于生產(chǎn)高壓蒸汽〔高壓蒸汽可用于生產(chǎn)的其他環(huán)節(jié)也可用于發(fā)電〕。反響器出來的氣體經(jīng)預冷器進入翅片管內(nèi)通冷油的切換冷凝器，將苯酐凝結在翅片上，然后再定期通入熱油將苯酐熔融下來，經(jīng)熱處理后送連續(xù)精餾系統(tǒng)除去低沸點和高漲點雜質(zhì)，得到苯酐成品。從切換冷凝器出來的尾氣經(jīng)兩段高效洗滌后排放至大氣中。含有機酸濃度達30％的循環(huán)液送到順酐回收裝置或燃燒裝置，也可回收處理制取富馬酸[1]。目前，全球苯酐生產(chǎn)所采用的工藝路線有萘流化床氧化和萘/鄰二甲苯固定床氧化，其中鄰二甲苯固定床氧化技術約占世界總生產(chǎn)能力的90%以上。萘流化床氧化工藝在國外已逐步淘汰，但在我國的苯酐生產(chǎn)中仍占有一定比例。鄰二甲苯固定床氣相氧化技術主要BASF，Wacker-Chemie，ElfAtochem/日觸和AlusuisseItalia等幾種典型的生產(chǎn)工藝。BASF工藝：BASF工藝于1976年工業(yè)化生產(chǎn)，總生產(chǎn)能力超過100×104t/a，BASF工藝的單臺反響器最大生產(chǎn)能力為4.5×104t/a。經(jīng)凈化預熱后的空氣與氣化的鄰二甲苯混合進入列管式固定床反響器，在釩-鈦環(huán)形催化劑外表進行反響，反響溫度為360℃，空速為3000h-1，反響熱由熔鹽導出。粗苯酐在微負壓下采用高溫或同時添加少量化學品除去某些雜質(zhì)后送入精餾塔精制。BASF工藝能有效地回收順酐，苯酐的質(zhì)量收率超過105%[3]Wacker-Chemie工藝：近年來各國新建的苯酐生產(chǎn)裝置根本上都采用Wacker-Chemie工藝，至今世界上已有110套以上的裝置采用此工藝，總生產(chǎn)能力為160×104t/a，單臺反響器的最大生產(chǎn)能力為4.5×104t/a。該工藝所采用的催化劑適用于鄰二甲苯、萘以及鄰二甲苯和萘的混合料，設計的催化劑負荷為鄰二甲苯100g/m3空氣〔標準態(tài)〕，苯酐的質(zhì)量收率為114%～115%〔以萘為原料時，苯酐收率為97%～99%〕，催化劑壽命大于3年[3]。ElfAtochem/日觸工藝：ElfAtochem公司于1970年開始開發(fā)低能耗工藝，1986年該公司決定采用日觸公司壽命長、選擇性高的苯酐催化劑，并與日觸公司共同開發(fā)了ElfAtochem/日觸工藝。采用該工藝的總生產(chǎn)能力約40×104t/a。該工藝與BASF工藝相似，工藝尾氣全部催化燃燒處理，有機雜質(zhì)含量低，無大氣污染[3]。AlusuisseItalia工藝：意大利的Alusuisse公司于1986年開發(fā)了AlusuisseItalia低空烴比工藝，空氣對鄰二甲苯的質(zhì)量比減少到:1，而原料氣濃度可提高到鄰二甲苯134g/m3空氣標準態(tài)。到1996年世界各地共有11套裝置采用該工藝，總生產(chǎn)能力為24.9×104t/a[3]。合成工藝路線分析及技術經(jīng)濟評價萘法作為最早生產(chǎn)苯酐的方法，也是最早形成工業(yè)化生產(chǎn)的方法，其原料為焦油萘。我國在1953年開始萘法生產(chǎn)苯酐，當時是以萘為原料，固定床氣相氧化法生產(chǎn)苯酐。1958年我國又開發(fā)了流化床工藝，并在此根底上建設了多套工業(yè)生產(chǎn)裝置。由于我國萘流化床法開展較快，到1988年大局部工廠仍在采用萘流化床法生產(chǎn)苯酐，當時萘法產(chǎn)量高達總產(chǎn)量的90%。隨著石油工業(yè)的開展以及鄰法技術的開發(fā)，萘法的劣勢顯露出來：原料焦油萘供給日趨緊張，價格不斷上揚，單臺反響器生產(chǎn)能力較低，這些都不可防止地造成了萘法的高能耗[1]。隨著苯酐產(chǎn)量的迅速增長，焦油萘越來越不能滿足生產(chǎn)的需要，而隨著石油工業(yè)的開展，又提供了大量廉價的鄰二甲苯，擴大了苯酐的原料來源。從20世紀60年代開始，生產(chǎn)苯酐的原料從萘轉(zhuǎn)向鄰二甲苯。隨著催化劑研發(fā)的重大進展以及參加反響的空氣和鄰二甲苯比例的降低，再加上生產(chǎn)設備大型化的實現(xiàn)等一系列新技術的開發(fā)和應用，進一步加速了原料的轉(zhuǎn)換進程。近幾年，各廠家也都在為提高自身產(chǎn)品的競爭力而不斷地在節(jié)能降耗等方面改良、完善自己的工藝，這就使得鄰法工藝更加成熟，更加先進[1]。Wacker-Chemie工藝特點是低能耗，高負荷，生產(chǎn)能力大，催化劑活化時不必使用SO2。BASF工藝的技術特點是低反響溫度和高空速，水洗回收副產(chǎn)的順酐，生產(chǎn)費用低，無廢水排出，采用蒸汽透平，輸出中壓空氣。ElfAtochem/日觸工藝的特點是低空烴比，操作平安性能好，負荷高，空氣量相應減少，總能耗下降。因此該工藝具有投資較低、能耗少、本錢低和無污染的優(yōu)勢。AlusuisseItalia工藝的設備投資較少[3]。未來開展方向近年來世界各苯酐生產(chǎn)公司都致力于改良以鄰二甲苯為原料的固定床氧化技術，并在催化劑、生產(chǎn)工藝和反響器設計等方面取得了重要的進展。.1催化劑的改良[3]世界各生產(chǎn)公司著重研制低溫、高鄰二甲苯濃度、高負荷及高收率的催化劑。ElfAtochem/日觸公司在進料鄰二甲苯濃度為85g/m3空氣〔標準態(tài)〕時，苯酐質(zhì)量收率到達114%～115%，目前正在開發(fā)110g工藝的催化劑，并進一步開發(fā)120g工藝的催化劑。BASF公司開發(fā)的固定床雙層催化劑，第一層：7%〔質(zhì)量分數(shù)〕V2O5，2.5%Sb2O3，0.16%銣，其它局部為TiO2；第二層：7%V2O5，2.5%Sb2O3，0.5%磷，其它局部為TiO2，當反響溫度分別控制在359℃和342℃時，苯酐質(zhì)量收率到達109.8%。Wacker公司和Alusuisse公司也加快了催化劑的研制工作，日本KawasakiSteel公司開發(fā)的V-Cs-Ti-B-Si-S-O催化劑，當以鄰二甲苯為原料、用于流化床反響器中時，苯酐質(zhì)量收率到達114.4%。隨著催化劑技術的進一步改良，各國開發(fā)的催化劑在活化時都不添加SO.2生產(chǎn)工藝的開發(fā)[3]Sisas公司開發(fā)了鄰二甲苯兩步氧化法制苯酐的工藝，苯酐的選擇性到達85%～88%〔一般方法為80%〕，且提高了產(chǎn)品純度，未反響的鄰二甲苯容易循環(huán)再氧化，由于氣相氧化的放熱減少50%，反響可在更低的溫度下進行，降低了操作風險。日本觸媒公司開發(fā)了尾氣局部循環(huán)工藝，這樣強化了操作平安、降低了操作費用和投資，苯酐的質(zhì)量收率到達114%～116%。.3反響器的改良[3]高效催化劑的開發(fā)，使鄰二甲苯在空氣中的濃度可提高到120g/m3〔標準態(tài)〕，并充分利用放出的反響熱，使能耗大大地降低，苯酐的生產(chǎn)本錢大幅下降。反響器的相應改良包括：采用外循環(huán)反響器，反響器趨于大型化、雙填充催化劑的固定床反響器。日觸公司開發(fā)的雙層反響器能優(yōu)化反響器中的溫度分布，降低熱點溫度，并延長催化劑的使用壽命；BASF公司在主反響器后設置一個后繼反響器，使鄰二甲苯完全氧化，改善了環(huán)保狀況；Lurgi公司開發(fā)出的反響器采用反向進料和有效的撤熱措施，降低了反響器“飛溫〞的可能性?？傊?，苯酐生產(chǎn)商都在積極研制高收率、高選擇性和高負荷的催化劑，進行反響動力學和反響機理的研究，用數(shù)學模擬法放大反響器，提高了單臺反響器的生產(chǎn)能力，進一步地降低了能耗和本錢，提高了操作的平安性和自動化水平。隨著苯酐生產(chǎn)的快速開展，苯酐市場的競爭也越來越劇烈。目前，我國鄰法苯酐的生產(chǎn)已處于國際領先地位。但是我國對于催化劑的研發(fā)卻一直處于相對落后的狀態(tài)，致使國內(nèi)一些廠家〔如周村、白龍、哈爾濱等〕一直在使用進口催化劑進行苯酐的生產(chǎn)。面對技術相對先進的國際市場，我們應加快催化劑的國產(chǎn)化步伐，同時大型苯酐氧化反響器的國產(chǎn)化步伐也要加快[1]。為了提高自身的競爭力，各生產(chǎn)廠家應在加強工藝改良的同時，還要不斷開發(fā)新技術，以提高單臺反響器的產(chǎn)能，降低產(chǎn)品的能耗，力求在大量進口產(chǎn)品沖擊下在國內(nèi)苯酐市場站穩(wěn)腳跟并沖向國際市場,使我國的苯酐行業(yè)走向一個輝煌的階段。合成工藝路線選取我的內(nèi)容主要是根據(jù)所查資料并總結，做出苯酐的一條生產(chǎn)線，并對主要反響器進行設計。由于石油鄰二甲苯資源比擬豐富，理論收率高，價廉，選擇性高成為現(xiàn)代生產(chǎn)苯酐的首選原料，所以決定按以下技術路線進行研究：方案年產(chǎn)量為40000噸，年工作時數(shù)為每年8000h，產(chǎn)品流量5000kg/h，產(chǎn)品純度〔質(zhì)量分數(shù)〕大于99.9%，精餾階段產(chǎn)品回收率為92%。第二章工藝流程[4]鄰二甲苯〔96%〕，工業(yè)級〔國內(nèi)一些大型石化企業(yè)生產(chǎn)〕。空氣，〔21%氧氣、78%氮氣〕。催化劑，V2O5-TiO2系列負載型催化劑。固定床反響器，離心泵，空氣壓縮機，精餾塔，冷凝器，預熱器，儲罐。[4]苯酐生產(chǎn)工藝系統(tǒng)包括氧化反響局部、冷凝水洗局部、苯酐精制局部。氧化局部鄰二甲苯通過換熱器預熱，經(jīng)凈化換熱器加熱后在汽化器內(nèi)混合均勻并完全霧化，進入反響器反響。反響器內(nèi)埋填化熱列管，用熔鹽循環(huán)移去反響熱，熱的熔鹽產(chǎn)生高壓蒸汽。冷凝水洗局部反響氣體冷卻后在切換冷凝器中凝華，然后再融化，苯酐粗產(chǎn)品流到儲罐中。從冷凝器中排出的尾氣為未反響的空氣和反響生成的一氧化碳、二氧化碳及少量有機物，經(jīng)水洗塔洗滌回收有機物后排放。洗滌水中主要含有順酸〔順丁烯二酸〕，通過加工可經(jīng)濟的回收，使過程無廢水排出。精制局部粗品苯酐經(jīng)高壓蒸汽預熱后，進入第一精餾塔，順酐及少量的苯甲酸作為塔頂餾出物而別離出來，使苯酐得到進一步提純，塔底產(chǎn)物為苯酐。塔底苯酐進入第二個精餾塔，在熱虹吸式再沸器和重力及真空作用下回流循環(huán)純化，脫除重組分雜志后，苯酐從塔頂流出。2.4生產(chǎn)流程第三章物料衡算為了弄清生產(chǎn)過程中原料、成品以及損失的物料數(shù)量，必須要進行物料衡算。物料衡算是設備熱量衡算乃至整個工藝設計的根底，一般在以下幾種情況下需進行物料衡算。⑴對某個操作過程作物料衡算；⑵對已有的設備：一個設備、一套設備或整個車間作物料衡算；⑶設計一套新的裝置或一個新的車間時，一般均需做出全面的物料衡算。因此正確的物料衡算結果為正確的設備熱量衡算和設備工藝設計提供可靠的保證，在整個設備設計過程中具有重要的意義[5]。3.2物料衡算的計算依據(jù)[6]物料衡算為質(zhì)量守恒定律的一種表現(xiàn)形式，即式中，—輸入物料的總和；—輸出物料的總和；—累計的物料量。式為總物料衡算式。當過程沒有化學反響時，它也適用于物料中任一組分的衡算；但有化學反響時，它適用于任一元素的衡算。假設過程中累積的物料量為零，那么該式可簡化為上式所描述的過程屬于定態(tài)過程，一般連續(xù)不斷的流水作業(yè)〔即連續(xù)操作〕為定態(tài)過程，其特點是在設備的各個不同位置，物料的流速、濃度、溫度、壓強等參數(shù)可各自不相同，但在同一位置上這些參數(shù)隨不同時間而變。假設過程中有物料累積，那么屬于非定態(tài)過程，一般間歇操作〔即分批操作〕屬于非定態(tài)過程，在設備的同一位置上諸參數(shù)隨時間而變。式或式中各股物料數(shù)量可用質(zhì)量或物質(zhì)量衡量。對于液體及處于恒溫、恒壓下的理想氣體還可用體積衡量。常用質(zhì)量分率表示溶液或固體混合物的濃度〔即組成〕，對理想混合氣體還可用體積分率〔或摩爾分率〕表示濃度。作物料衡算時需要確定一個計算范圍，即從哪里開始作為進料，從哪里作為出料。根據(jù)實際需要來確定計算范圍，可以是某一設備或一套設備。對分批操作，可從開始加料到最終出料作為計算范圍，有時也取整個過程中的某一階段作為物料衡算的范圍。作物料衡算時也要選定一個計算基準。例如分批操作可以分批投料量或每晝夜的處理量作為計算基準。連續(xù)生產(chǎn)可以用每小時、每天或每分鐘的投料量作為計算基準。根據(jù)需要有時也采用每噸產(chǎn)品或原料作為計算基準，或者用每千摩爾〔kmol〕的投料量作為計算基準?；鶞实倪x擇是跟據(jù)物料衡算的目的和計算的方便來考慮決定[7-8]。3.4計算任務生產(chǎn)任務和涉及的主要反響方程年產(chǎn)4萬噸的苯酐工廠。由生產(chǎn)工藝可知操作方式為連續(xù)操作。反響過程中涉及的反響方程見表3-1[4,9-10]。表3-1反響方程式序號產(chǎn)物反應式1鄰苯二甲酸酐2馬來酸酐3苯甲酸4檸糠酐5甲苯甲醛6苯酞7CO2操作流程反響器參數(shù)[4]反響床層溫度：360~380℃反響壓力：；原料：工業(yè)級鄰二甲苯，潔凈空氣；進料量：4700kg轉(zhuǎn)化率：99.8%；苯酐選擇性：約；催化劑：低溫高空速、V2O5-TiO2負載在惰性載體上的催化劑；空鄰比：9.5:1；主要副產(chǎn)物：馬來酸酐、苯甲酸、檸糠酐、苯酞、二氧化碳；根據(jù)催化劑廠商提供的數(shù)據(jù)，反響器出口氣體組成見表3-2[10]。表3-2反響器出口氣體組成產(chǎn)物名稱出口氣體組成〔質(zhì)量〕苯酐92.8～9%苯酞～0.14%馬來酸酐5.0～%檸糠酐～0.45%苯甲酸～0.45%原材料和動力的消耗定額和消耗量原料及動力消耗量見表3-3[4]。表3-3原料及動力消耗序號名稱單耗/(t/t)年耗量/t1鄰二甲苯〔96%〕392002催化劑103熔鹽604水156000005電335kW·h/t14200000kW·h6空氣11m3440000m物料衡算過程及物料衡算表連續(xù)操作過程以小時為衡算基準。由所查文獻可知：主反響為反響1，副反響為反響2、3、4，反響5、6、7可忽略。確定變量參數(shù)〔查文獻〕[4,9-10]：鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率99.8%，苯酐選擇性；反響器出口組成：苯酐93.0%〔質(zhì)量分數(shù)，下同〕，馬來酸酐6.0%，苯甲酸0.4%，檸糠酐0.35%；進料：鄰二甲苯4700kg/h，潔凈空氣44650kg原料中含雜質(zhì)的量4700×4%=18參與主反響的鄰二甲苯的量4700×96%×99.8%×0.9=kg/h生成苯酐的量÷106×148=kg/h生成馬來酸酐的量÷93%×6.0%=kg/h生成苯甲酸的量÷93%×0.4%=kg/h生成檸糠酐的量56÷93%×0.35%=kg/h消耗氧氣的量：反響1÷106×3×32=kg/h反響2÷98×15÷2×32=kg/h反響3÷122×13÷4×32=kg/h反響4÷112×6×32=kg/h總共消耗氧氣的量=kg/h生成二氧化碳的量：反響2÷98×4×44=655.62反響3÷122×44=kg/h反響4÷112×3×44=kg/h總共生成二氧化碳的量++=kg/h生成水的量：反響1÷106×3×18=kg/h反響2÷98×4×18=kg/h反響3÷122×5÷2×18=kg/h反響4÷112×3×18=kg/h總共生成水的量2064.57+268.21+8.98+10.26=kg/h反響后空氣的量44650-4621.62+689.49=kg/h物料衡算表如表3-4所示。表3-4物料衡算單位：kg/h工程進料反響產(chǎn)物苯酐粗品苯酐產(chǎn)品鄰二甲苯470000空氣4465000苯酐05205.78馬來酸酐00苯甲酸00檸糠酐00水000其他0總計49350493505211第四章熱量衡算熱量衡算方程式熱量衡算按能量守恒定律，在無軸功條件下，進入系統(tǒng)的熱量與離開熱量應該平衡，在實際中對傳熱設備的熱量衡算可由下式表示[5,11]：式中,—所處理的物料帶入設備中的熱量；—加熱劑或冷卻劑與設備和物料傳遞的熱量〔符號規(guī)定加熱劑參加熱量為“＋〞冷卻劑吸收熱量“－〞〕；—過程的熱效應〔符號規(guī)定過程放熱為“＋〞，過程吸熱為“－〞〕；—離開設備物料帶走的熱量；—設備各部件所消耗的熱量；—設備向四周散失的熱量，又稱熱損失。熱量衡算的時間基準可與物料衡算相同，即對間歇生產(chǎn)可以每日或每批處理物料作基準。對連續(xù)生產(chǎn)以每小時作基準。但不管是間歇還是連續(xù)生產(chǎn)，計算傳熱面積的熱負荷，必須以每小時作基準，而該時間必須是穩(wěn)定傳熱時間。熱量衡算溫度基準，一般規(guī)定以25℃或0℃與的計算與均可用下式計算：式中，—i物料質(zhì)量；—i物料平均等壓比熱容；—物料的溫度℃；—計算基準溫度℃。過程熱效應的計算過程熱效應可分為兩類，一類是化學過程熱效應即化學反響熱效應，另一類是物理過程熱效應，即物理狀態(tài)變化熱，如溶解、結晶、蒸發(fā)、冷凝、熔融、升華及濃度變化等吸入或放出熱量。純物理過程無化學反響熱效應，但物料經(jīng)歷化學變化過程，除化學反響熱效應外，往往伴隨物料狀態(tài)變化熱效應，那么兩者應結合在一起考慮，可用下式計算：式中，—化學反響熱效應kJ；—物理過程熱效應kJ?！瘜W反響熱效應，可通過標準化學反響熱[11]，按下式計算：式中，—標準化學反響熱；—參與化學反響的A物質(zhì)量；—A物質(zhì)分子量。熱量衡算所需數(shù)據(jù)如下[5,8,12-14]：1．空氣：空氣的組成比擬復雜，為方便計算，把空氣的組成近似為21%氧氣和79%氮氣。氧氣：比熱容：標準生成熱：氮氣：比熱容：標準生成熱：2．二氧化碳：比熱容：標準生成熱：3．水：比熱容：標準生成熱：汽化熱：4．鄰二甲苯：比熱容：標準生成熱：汽化熱：5．苯酐：比熱容：標準生成熱：汽化熱利用基團奉獻法估算[14]：其中，－分子中i種基團的個數(shù)；－i種基團的奉獻值，；－化合物的摩爾質(zhì)量，。通過參考文獻[14]可知，的基團奉獻值為，的基團奉獻值為，酮的基團奉獻值為，的基團奉獻值為熔化熱利用基團奉獻法估算[14]：其中，－分子中i種基團的個數(shù)；－i種基團的奉獻值，；－化合物的摩爾質(zhì)量，。通過參考文獻[14]可知，的基團奉獻值為，的基團奉獻值為，酮的基團奉獻值為，的基團奉獻值為6．馬來酸酐：比熱容利用Missenard法估算[14]：式中，－化合物的摩爾質(zhì)量，；－分子中i種基團的個數(shù)；－i種基團的摩爾熱容，。通過參考文獻[14]知，的摩爾熱容為，酮的摩爾熱容，的摩爾熱容標準生成熱：汽化熱利用基團奉獻法估算：通過參考文獻[14]知，的基團奉獻值為，酮的基團奉獻值為，的基團奉獻值為熔化熱利用基團奉獻法估算：通過參考文獻[14]知，的基團奉獻值為，酮的基團奉獻值為，的基團奉獻值為7．苯甲酸：比熱容：標準生成熱：汽化熱利用基團奉獻法估算：通過參考文獻[14]知，的基團奉獻值為，的基團奉獻值為，的基團奉獻值為熔化熱利用基團奉獻法估算：通過參考文獻[14]知，的基團奉獻值為，的基團奉獻值為，的基團奉獻值為8．檸糠酐：比熱容利用Missenard法估算：通過參考文獻[14]知，的摩爾熱容為，的摩爾熱容，的摩爾熱容，的摩爾熱容，酮的摩爾熱容標準燃燒熱利用卡拉奇法估算[14]：其中，－化合物燃燒時的電子轉(zhuǎn)移數(shù)；－取代基和鍵的校正值；－分子中同樣取代基的數(shù)目；－標準燃燒熱。通過參考文獻[14]知，羧酸酐的值為，核環(huán)上的雙鍵的值為27.2標準生成熱用公式轉(zhuǎn)換，其中，－元素的標準燃燒熱，；－化合物中同種元素的原子數(shù)；，－分別為同一化合物的標準生成熱和燃燒熱。通過參考文獻[14]知，C原子的元素的標準燃燒熱,H原子的元素的標準燃燒熱汽化熱利用基團奉獻法估算：通過參考文獻[14]知，的基團奉獻值為，的基團奉獻值為，的基團奉獻值為，的基團奉獻值為，酮的基團奉獻值為熔化熱利用基團奉獻法估算：通過參考文獻[14]知，的基團奉獻值為，的基團奉獻值為，的基團奉獻值為，的基團奉獻值為，酮的基團奉獻值為4.5關于熱量衡算的具體計算在本次計算中，對反響釜進行熱量衡算。由該反響工藝要求可知，該反響過程可以分二個階段進行熱量衡算：升溫至360℃的預熱階段，360℃-380℃之間的反響階段〔以熱平衡式：假設：；基準溫度為25℃熱平衡式可寫成：即預熱階段的熱量衡算〔〕由生產(chǎn)工藝知，該階段是在=25℃的情況下，將4700kg鄰二甲苯，44650kg空氣通過換熱器預熱到360℃，以到達反響由公式可得。 那么反響階段的熱量衡算〔〕該過程為預熱到360℃的鄰二甲苯和空氣混合均勻后，通過裝有催化劑的固定床反響器，在360℃-380反響1：反響2：反響3：反響4：那么因為所以離開設備的物料帶走的熱量〔〕離開反響器的物料主要是未反響的氧氣、氮氣、二氧化碳、水蒸氣、苯酐、順酐、苯甲酸和檸糠酐。假設：離開反響器的氣體的溫度為380℃基準溫度為25℃由公式可得。那么設備和物料傳遞的熱量〔〕由熱平衡方程可知4.6換熱器面積求算預熱器面積求算預熱物料到360℃，可選用熔鹽做加熱劑，設加熱劑的進口溫度為400℃，出口溫度為200℃，取總加熱系數(shù)預熱鄰二甲苯：由公式可知傳熱面積預熱空氣：由公式可知傳熱面積反響器換熱面積求算隨著反響的進行放出大量的反響熱，為維持反響溫度在360℃-380℃之間，需要在反響管殼程用熔鹽做載熱體，移出多余的反響熱。設載熱體的入口溫度為150℃，出口溫度為350由公式可知傳熱面積綜上所述，可得以下熱量衡算數(shù)據(jù)表4－1：表4－1熱量衡算數(shù)據(jù)表過程熱量/kJ傳熱面積/m2預熱階段的熱量衡算〔〕19.054×106反響階段的熱量衡算〔〕56.745×106離開設備的物料帶走的熱量〔〕27.415×106設備和物料傳遞的熱量〔〕-53.76×106第五章精餾塔的工藝設計及選型精餾塔是化工生產(chǎn)中常用的典型設備，本設計涉及苯酐的精餾提純，在主要設備的設計及計算局部，選擇精餾塔作為對象進行計算。精餾塔的工藝設計計算，包括塔高、塔徑、塔板各局部尺寸的設計計算，塔板的布置，塔板流體力學性能的校核及繪出塔板的性能負荷圖。從反響器出來的氣體主要成分是苯酐、順酐、二氧化碳、水蒸氣未反響的氧氣及氮氣，它們都以氣體形式存在。在進入精餾塔別離之前先通過適當?shù)睦鋮s，使苯酐、順酐等產(chǎn)物液化，以除去水蒸氣、二氧化碳和多余的空氣。再經(jīng)過適當?shù)募訜崾挂夯漠a(chǎn)物到達飽和液體的狀態(tài)。通過第三章的物料衡算可知，液化的產(chǎn)物中以苯酐和順酐為主，為方便計算過程，按別離順酐—苯酐二組分混合物進行工藝設計和計算。根據(jù)設計參數(shù)條件及各類型塔板的用途和優(yōu)點[15]，擬采用板式塔—浮閥塔。5.1操作條件確實定操作壓力[4]順酐在常壓下的沸點是202℃，而苯酐的沸點是℃，在常壓下精餾，需要消耗大量的能量，不經(jīng)濟。從圖5-1和5-2來看，壓力越小，苯酐和順酐的汽液平衡線離對角線越遠，越有利于別離。故設計本精餾塔的壓力為30。圖5-1順酐與苯酐的氣液平衡曲線圖5-2順酐與苯酐的氣液平衡曲線〔壓力〕(壓力=30kPa)回流比[4]回流比的選擇與操作費和設備費有密切關系，影響別離效果及加熱劑和冷卻劑的用量。通過生產(chǎn)經(jīng)驗及文獻[4,15]參考，本設計取回流比進料熱狀況進料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負荷都有密切的聯(lián)系。在實際的生產(chǎn)中進料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預熱到泡點或接近泡點才送入塔中，這主要是由于此時塔的操作比擬容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。此外，在泡點進料時，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設計和制造上提供了方便。故本設計取進料熱狀況參數(shù)。實際塔板數(shù)及加料位置確實定全塔物料衡算[15]通過全塔物料衡算，可以求出精餾產(chǎn)品的流量、組成和進料流量、組成之間的關系。通常，原料量和產(chǎn)量都以kg/h或噸/年來表示，但在理想板計算時均須轉(zhuǎn)換為kmol/h。在設計時，汽液流量又須用m3/s來表示。因此要注意不同的場合應使用不同的流量單位。衡算方程：總物料： 易揮發(fā)組分： 其中，、、—分別為原料液、餾出液和釜殘液流量，； 、、—分別為原料液、餾出液和釜殘液中易揮發(fā)組分的摩爾分率。由生產(chǎn)任務可知：由衡算方程得： 逐板計算法確定理論板數(shù)目.1計算所需方程1．操作線方程[15]：①精餾段上升蒸汽量： 下降液體量： 操作線方程： 或： 式中：——回流比；——精餾段內(nèi)第層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分率； ——精餾段內(nèi)第層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率。②提餾段上升蒸汽量： 或： 下降液體量： 操作線方程：式中：——提餾段內(nèi)第m層板下降液體中易揮發(fā)組分摩爾分率； ——提餾段內(nèi)第m+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分摩爾分率。2．平衡線方程[15]：式中：——易揮發(fā)組分與難揮發(fā)組分的相對揮發(fā)度；——精餾段內(nèi)第層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分率；——精餾段內(nèi)第層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率。.2各個方程中參數(shù)確實定根據(jù)操作條件可得：相對揮發(fā)度由三點法[17]確定：從圖5-2上選取適當?shù)娜齻€點，分別為： 那么 取 .3逐板計算過程由上述計算可知：具體計算過程如下：因為所以精餾段理論板層數(shù)為塊。因為所以提餾段理論板層數(shù)為塊。故全塔的理論板數(shù)〔不包含再沸器〕全塔效率計算相對揮發(fā)度：液體混合物的粘度：全塔效率[16]：實際板數(shù)及加料板位置實際板數(shù)目塊由于塊所以第塊為加料板，即第14塊為加料板。5.3板式塔主要尺寸的設計計算板式塔主要尺寸的設計計算，包括塔板、塔徑的設計計算，板上液流形式的選擇、溢流裝置的設計，塔板布置、氣體通道的設計等工藝計算。塔徑確實定塔的橫截面應滿足汽液接觸局部的面積、溢流局部的面積和塔板支承、固定等結構處理所需面積的要求。在塔板設計中起主導作用，往往是氣液接觸局部的面積，應保證有適宜的氣體速度。初步計算塔徑：板式塔的塔徑依據(jù)流量公式[15]計算，即式中：——塔徑，m；——塔內(nèi)氣體流量m3/s；——空塔氣速m/s。由上式可見，計算塔徑的關鍵是計算空塔氣速[16]。設計中，空塔氣速的計算方法是，先求得最大空塔氣速，然后根據(jù)設計經(jīng)驗，乘以一定的平安系數(shù)，即最大空塔氣速[16]可根據(jù)懸浮液滴沉降原理導出，其結果為式中：——允許空塔氣速，m/s；——分別為氣相和液相的密度，kg/m3；——氣體負荷系數(shù)，m/s，對于浮閥塔和泡罩塔氣體負荷系數(shù)可從史密斯關聯(lián)圖[15]查出。橫坐標數(shù)值為其中，——液相及氣相負荷，m3/h；——液相及氣相密度，kg/m3。取板間距為，取板上液層高度為，那么圖中參數(shù)：。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，由史密斯關聯(lián)圖查得。取，那么：取平安系數(shù)為0.6，那么空塔氣速為初步估算塔徑為：按標準塔徑圓整為：塔截面積：實際空塔氣速：板上液體流動形式的選擇及溢流裝置的設計[15-16]溢流裝置選用單溢流弓形降液管，不設進口堰。1．堰長：取，即：2．出口堰高：采用平直堰，堰上液層高度可由下式計算：式中，——液流收縮系數(shù)，一般可近似取，對計算結果影響不大。由，得：那么3．弓形降液管寬度和面積因為，查表可得，那么驗算液體在降液管中的停留時間： 停留時間，故降液管尺寸可用。4．降液管底隙高度：取降液管底隙處液體流速那么取。塔板布置及浮閥數(shù)目與排列[15]取閥孔動能因子，閥孔直徑。那么孔速每層塔板上的浮閥數(shù)個取邊緣寬度，破沫區(qū)寬度，那么塔板上鼓泡區(qū)面積其中，求得，浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，取同一橫排的孔心距，那么可估算排間距5.4塔板流體力學驗算[15-16]氣相通過浮閥塔板的壓降1．干板阻力：臨界閥孔氣速因為，那么 2．板上充氣液層阻力：本設備別離順酐—苯酐混合物，即液相為碳氫氧化合物，可取充氣系數(shù)，那么3．液體外表張力所造成的阻力：此阻力較小，可以忽略不計。因此，與氣體流經(jīng)一層浮閥塔板的壓強降所相當?shù)囊褐叨葹槟敲?，單板壓降淹塔為了防止淹塔現(xiàn)象的發(fā)生，要求控制降液管中清液層高度，其中，1.與氣體通過塔板的壓降所對應的液柱高度：，2.液體通過降液管的壓頭損失：因為不設進口堰，可由下式求得 3.板上液層高度：，那么，，取，又已選定、，那么，可見，符合防止淹塔的要求。霧沫夾帶霧沫夾帶可由下面的公式進行驗算： 其中，板上液體流經(jīng)長度板上液流面積順酐—苯酐為正常系統(tǒng)，取物性系數(shù)，由泛點負荷系數(shù)曲線[15]查得泛點負荷系數(shù)，將數(shù)值代入泛點率公式得：泛點率在80%以下，故可知霧沫夾帶量能夠滿足的要求。綜上所述，浮閥塔板工藝設計計算結果見表5—3。表5—3浮閥塔板工藝設計計算結果工程數(shù)值及說明備注塔徑板間距塔板形式整塊式塔板空塔氣速堰長堰高板上液層高度降液管底隙高度單溢流弓形降液管浮閥數(shù)/個13等腰三角形，叉排閥孔氣速閥孔動能因數(shù)臨界閥孔氣速孔心距指同一橫排排間距相鄰兩橫排的中心線距離單板壓降630在降液管中停留時間降液管內(nèi)清液層高度0．096泛點率/5.5接管尺寸計算進料管直徑取原料液流速由公式可得： 塔頂回流管直徑取回流液流速那么塔頂蒸汽管直徑取上升蒸汽流速那么塔底出料管直徑取釜殘液流速釜殘液的主要組成局部是苯酐，計算所用數(shù)據(jù)取苯酐的物性參數(shù)。那么塔底回流管直徑因為進料熱狀況參數(shù)，提留段上升蒸汽量與精餾段上升蒸汽量相當，即，所以5.6塔高確實定塔高由下式計算： 式中，——塔高〔不包括封頭、群座〕，；——實際塔板數(shù)；——進料板數(shù)目；——人孔數(shù)；——塔板間距，；——進料板處間距，；——人孔處板間距，；——塔頂空間〔不包括頭蓋局部〕，；——塔底空間〔不包括底蓋局部〕，。取塔頂空間，塔底空間，人孔處和進料板處板間距均為700mm，整個塔安裝5個人孔。那么，塔的高度： 第六章車間布置設計[18-19]車間布置不當往往會給生產(chǎn)操作中造成人流、物流的紊亂，不利設備的安裝和維修還會延長物料輸送管路、增加設備費用及造成不良通風、采光，甚至無法生產(chǎn)和造成事故發(fā)生，因此設計前必須成分準備有關資料，如總平面布置、工藝流程圖、物料衡算等各階段的資料，設計過程中深入研究領會應用各方面的原那么及要求。車間布置涉及面較廣，但大致可歸納為以下的幾個方面。6.1廠房建筑1．廠房平面力求簡單化，以利建筑定型化和施工機械化。2．柱間距一般不超過12m。3．層高與設備的上下、安裝位置有關，一般每層4～6m，最低不低于，凈高度不低于。4．在可能條件下采用露天和敞開式設計，既節(jié)省投資，又利于通風、采光、防爆等平安需要。5．在不影響流程情況下，較高設備集中布置。6．笨重設備和震動設備盡量布置在底樓地面。7．設備穿孔避開主梁。8．廠房出入口、交通道、樓梯等需精心安排。6.2生產(chǎn)操作1．設備布置盡量和工藝流程一致，防止交叉往返運料；盡量采用位差送料，一般從高層到低層布置為計量槽、應設備、槽、重型設備和震動設備。2．相互有聯(lián)系的設備盡量靠近，但要考慮操作、行人通道、送料及半成品堆放等空地。3．相同、相似設備盡可能對稱集中，以利操作管理及水、電、氣等供給。4．考慮進出料、取樣、觀察等方便。6.3設備裝修1．不僅要考慮安裝時設備的進出，而且要考慮各單個設備的更換和檢修，保證足夠的空間和通道。2．二層樓以上的設備，需在下層設吊孔，對龐大特殊設備在封閉式廠房中可先安裝設備后砌墻。3．要考慮起吊裝置，如塔頂、房梁等，設永久吊架。6.4平安要求1．采光要好，盡量避光操作，高大設備防止靠窗擋光。2．通風要好，高溫、有毒、易燃、易爆車間盡可能取敞開式，以利通風散熱。機械通風效果要好。3．有毒物質(zhì)設備放置下風，操作位置應在上風。劇毒設備要隔離操作，單獨排風。4．防爆車間盡可能采用單層廠房，防止車間有死角，多層的樓板要有泄壓孔，設計防火、防爆墻，設計雙斗門，門窗朝外開。二樓以上考慮緊急疏散措施，考慮消防措施及設備。6.5車間布置說明車間設計本著方便、平安、節(jié)省能源的原那么，特進行了設計。車間長36m，寬24m。配電室、控制室、倉庫等在設計時都是在“平安第一、方便快捷〞的原那么上設計的，例如多種大門都是兩扇，內(nèi)外雙開的。把各種原料放在車間外面的原料儲存區(qū)，儲存區(qū)外有共28個設備，其中反響器〔1個〕、換熱器〔4個〕、風冷器〔1個〕、空氣壓縮機〔1個〕、回流冷凝器〔2個〕、再沸器〔2個〕、吸收塔〔1個〕、精餾塔〔2個〕、離心機〔8個〕、原料貯罐〔1個〕、產(chǎn)品貯罐〔4個〕、熔鹽儲罐〔1個〕。其平面設計圖見附圖。第七章結論苯酐主要用于生產(chǎn)PVC增塑劑、不飽和聚酯、醇酸樹脂以及染料、涂料、農(nóng)藥、醫(yī)藥和儀器添加劑、食用糖精等，是一種重要的有機化工原料。在本次年產(chǎn)4萬噸鄰苯二甲酸酐的生產(chǎn)工藝與車間設計中，進行了對鄰苯二甲酸酐的生產(chǎn)工藝和車間的詳盡設計。經(jīng)過計算得出以下結論：1．由于石油鄰二甲苯資源比擬豐富，理論收率高，價廉，選擇性高成為現(xiàn)代生產(chǎn)苯酐的首選原料，所以本設計選用的是鄰法生產(chǎn)工藝中的AlusuisseItalia工藝方案年產(chǎn)量為40000噸，年工作時數(shù)為每年8000h,產(chǎn)品流量5000kg/h，產(chǎn)品純度〔質(zhì)量分數(shù)〕大于99.9%，產(chǎn)品回收率為92%。2．通過對反響進行物料衡算，每小時生產(chǎn)苯酐及所需原料量為：表7－1各物料量物料名稱質(zhì)量〔kg〕鄰二甲苯4700空氣44650粗苯酐3．通過對反響釜的熱量衡算，反響階段所需傳熱面積為m24．通過對精餾塔的設計，塔徑為，塔高為，實際塔板數(shù)為25塊。5．通過對車間的設計，大型設備共28個，其中反響器〔1個〕、換熱器〔4個〕、風冷器〔1個〕、空氣壓縮機〔1個〕、回流冷凝器〔2個〕、再沸器〔2個〕、吸收塔〔1個〕、精餾塔〔2個〕、離心機〔8個〕、原料貯罐〔1個〕、產(chǎn)品貯罐〔4個〕、熔鹽儲罐〔1個〕。謝辭四年的大學生活即將結束，在這四年里，我學到了不少新知識和做人的道理，這里面包含著所有老師的辛勤培育和諄諄教誨，也有同學們的熱心幫助。在這里，我向所有關心和幫助過我的老師和同學們表示最衷心的感謝！本次畢業(yè)設計得到了青島大學化學化工與環(huán)境學院化學工程樓濤老師的細心指導和反復審閱，提出了許多最后，感謝四年期間給予我諄諄教導，為我打下堅實化學功底的所有化工學院的老師們，你們?yōu)槲覙淞⒘俗鰧W問和做人的典范，將使我終生受益。參考文獻[1]馬偉棉.苯酐生產(chǎn)工藝進展[J].河北化工,2006,9(9):21-22.[2]張全英,吳方寧等.鄰苯二甲酸酐的生產(chǎn)及工業(yè)現(xiàn)狀[J].化工中間體,2005.[3]方爭群.苯酐的生產(chǎn)現(xiàn)狀及展望[J]