应用PROⅡ软件设计苯酐的生产工艺过程设计书

0 应用 件设计苯酐的生产工艺过程设计书 一、 引言 邻苯二甲酸酐 (称苯酐，是邻二甲苯 (要的市场应用领域，主要用于生产 饱和聚酯、醇酸树脂以及染料、油漆、农药和医药等，是一种重要的有机化工原料。其有三种主要用途：其一用于制备邻苯二甲酸酯增塑剂 (占全球产能一半， 主要是邻苯二甲酸二辛酯 掺合聚氯乙烯 (脂作增塑剂； 其二用于不饱和聚酯作玻璃增强的热固工程塑料 (约占 22 )； 其三用于醇酸树脂作表面涂层。 工业上生产苯酐的工艺路线主要有两条，分别是以萘为原料的流 化床技术和以萘和邻二甲苯为原料的固定床氧化技术。又因邻二甲苯高产率、廉价和高选择性成为现代生产苯酐的首选原料，邻二甲苯固定床工艺有低能耗法和低空气比率法两种方式，其流程和设备基本类似，本设计以 低空气比率法 作为设计和计算基础。 苯酐的用途十分广泛，广泛应用于化工、医药、电子、农业、涂料、精细化工等工业部门。由于苯酐与两分子醇进行酯化反应生成邻苯二甲酸酯类，具有色泽浅，毒性低，电性 能好，挥发性小等特点，广泛用作各种合成树脂和橡胶的增塑剂，其中 80%用于聚氯乙稀树脂的增塑剂。另外还被用于制备高级油墨、人造革、合 成橡胶、绝缘材料等富马酸主要用于不饱和树脂行业。 本设计选用邻二甲苯低能耗法，以稳态过程模拟软件 二 、 苯酐工艺设计 计任务 试设计 40000t/年邻苯；甲酸酐（苯酐 )的装置，年工作时数为每年 8000h，产品流量5000kg/h，产品纯度（质量分数）大于 产品回收率为 92。 品规格及用途 苯酐，白色有光泽针状晶体或鳞片状固体。相对密度 点 熔点 131， 1 自燃点 570，闪点（闭环 )在沸点以下易升华。难溶于水 ，微溶于热水、乙醚和二氧化碳，溶于乙醇、苯、氯仿和吡啶。有毒，空气中最高允许浓度 2 10燃，遇明火、强氧化剂有引起燃烧爆炸的危险，其蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限 苯酐目前广泛应用于化工、医药、电子、农业、涂料、精细化工等工业部门。我国的苯酐主要用来生产邻苯二甲酸酯类增塑剂，耗用的苯酐约占苯酐总消费量的 60，染料和油漆占 25，不饱和树脂及其他产品占 15左右。 邻二甲苯（ 96 )，主要生产企业为一些国内大型石化企业。催化剂为 苯酐生产的工艺路线有以萘为原料的流化床技术和以萘或邻二甲苯为原料的固定床氧化技术。邻二甲苯因其高产率、廉价和高选择性成为现代生产苯酐的首选原料，邻二甲苯固定床工艺有低能耗（ 和低空气比率（ 两种方式，其流程和设备基本类似，本设计以 该苯酐生产工艺系列包括氧化反应部分、冷凝水洗部分、苯酐精制三部分。如图1所示。 2 邻二甲苯通过换热器预热，经净化换热器加热后在汽化器内混合均匀并完全雾化，进入反 应器反应。反应器内埋填换热列管，用熔盐循环移去反应热，热的熔盐产生高压蒸汽。 反应气体冷却后在切换冷凝器中凝华，然后再融化，苯酐粗品流到储罐中。从冷凝器中排出的尾气为未反应的空气和反应生成的一氧化碳、二氧化碳及少量有机物，经水洗塔洗涤回收有机物后排放。洗涤水中主要含有顺酸（顺丁烯二酸 )，通过加工可经济地回收，使过程无废水排出。 粗品苯酐经高压蒸汽预热后，进入第一精馏塔 酐及少量的苯甲酸作为塔顶馏出物而分离出来，使苯酐得到进一步的提纯，塔 底产物为苯酐。塔底苯酐进入第二个精馏塔热虹吸式再沸器和重力及真空作用下回流循环纯化，脱除重组分杂质后，苯酐从塔顶流出。 三 、 工艺设计书 算条件及基准 系所含组分 由于本设计选用 软件进行模拟计算，故需完整定义体系所包含的所有组分，现将该工艺所含所有组份列表如下： 表 1：组分表 1 二甲苯（ 8 甲基琥珀酸酐（ 2 氧气（ 9 马来酸酐（ 3 邻苯二甲酸酐（ 10 一氧化碳（ 4 氮气（ 11 二氧化碳（ 5 氩气（ 12 马来酸（ 6 水（ 13 甲苯甲醛（ 7 苯甲酸（ 14 苯酞（ 料输入情况 该苯酐生产工艺原料主要包括邻二甲苯和空气。 原料输入情况见表 2： 3 表 2：物流输入 物料输入温度： 25 物料输入温度： 25 入口压力： 入口压力： 流股相态：气相 流股相态：液相 流率（质量）： h 流率（质量）： h 流股组成： 21； 流股组成：邻二甲苯 应过程 应方程及反应平衡常数 反应平衡常数表达式： 5432 反应过程中涉及的反应方程及参数见表 3。 表 3：反应过程中涉及的反应方程及参数 序号 反应式 相态 平衡常数（ K）表达式中的常数 邻二甲苯 +邻苯二甲酸酐 +水 g A l， B 3， C 1， D 3 邻二甲苯 +酐 +O2 g A 2， B 15， C 8， D 2 邻二甲苯 +苯甲酸 +O2 g A 1， B 3， C=2， D 1， E l 邻二甲苯 +甲基琥珀酸酐 +O2 g A 1， B 3， C 2， D 1 邻二甲苯 +甲苯甲醛 +g A 1， B 1， C 1， D 1 邻二甲苯 +苯酞 +g A 1， B 2， C 2， D 1 邻二甲苯 +2O g 应器参数 反应床层温度： 360380；反应压力： 料：工业级邻二甲苯； 进料量：4700kg/h；转化率： 苯酐选择性：约 化剂：低温高空速、 载在惰性载体上的催化剂；空邻比： ； 离过程 本工艺分离过程由 两 部分组成：精馏塔 馏塔 4 精馏塔 目标：完全去除低沸物顺酐（沸点 202） ； 精馏塔 酐提纯塔：塔釜去除最重组分甲基琥珀酸酐 由于 组分间的沸点差不大，为减少常压精馏的能耗，两塔均采用 减压精馏。 各塔的工作参数见表 4： 表 4： 各塔的工作参数 塔 塔板数 塔顶压力 /塔压降 /1 22 10 20 3 10 20 材料和动力的消耗定额和消耗量 该苯酐生产工艺 原料 主要有邻二甲苯和空气，其次还需催化剂 动力的消耗量 主要包括电力。 原料和动力的消耗量见表 5： 表 5：原料和动力的消耗量表 序号 名称 单耗 /(t/t) 年耗量 /t 邻二甲苯（ 96） 9200 催化剂 0 熔盐 0 水 15 600000 电 335h/t 14200000 空气 11m3/t 440000、 苯酐分离过程的模拟与优化 分离过程首先根据初值进行模拟计算，然后进行操作条件的选择及理论级数的确定。 操作条件与塔所需的理论级数是相互影响的。 操作条件改变，达到相同的分离要求所需的理论级数也会改变。反之，理论级数改变，其操作条件也应作相应调整，才能达到相同分离要求。现根据初步模拟的结果进行进一步的优化。 离系统 从反应器中出来的气体含有苯酐、副产品顺酐、 水等物质，它们都是以气体形式存在。在进 5 入分离塔之前，要将气体冷却成液体或者气液两相共存。三组分的混合体系，采用两个 精馏塔，即一个顺酐分离塔 2来将三种物质分离。 在根据排定塔序的推理法则，三组分中苯酐的流量最大，而且也最重，所以本设计中塔的分离顺序如下图 2所示。 图 2：顺酐和苯酐分离顺序 酐分离塔 产品苯酐进一步得到提纯。在此目标下对塔进行模拟优化，寻找达到该分离的最佳操作条件。 6 压力的选择 顺酐在常压下的沸点 是 202，而苯酐的沸点是 在常压下精馏需要消耗大量能量，不经济。从图 3和图 4来看，压力越小，顺酐和苯酐的气液平衡曲线离对角线愈远，愈有利于在精馏过程中进行分离。故设计本精馏塔的压力为 30 料位置对分离效果的影响 通过模拟一定理论板数（ 22块）和回流比（ ，进料位置对分离效果的影响，得到如图 5所示结果。 随进料板位置的变化，苯酐从塔顶流出的量呈线性关系，进料板位号增加，苯酐的损失量趋于零。 随进料板位号的增加，塔底顺酐的量出现最小值，这说明进料板存在最佳 位置，使该 塔达到最佳的分离效果。可采用第 8块理论板作为最佳进料板。 图 5：塔 板数对分离效果的影响 进料位置在第 8块理论板时，回流比采用 讨理论板数对分离效果的影响。模拟结果如图 6所 示。 7 由图 6可见，理论板数 23时，理论板数的增加对分离效果增加不明显。根据分离要求全塔理论板数取 23。 比对分离效果的影响 如图 7所示，在 23，进料位置为 8，随着回流比的增大，塔顶回收顺酐中苯酐的含量越来越小，而顺酐的损失越来 越大。但当回流比为 酐曲线出现拐点，苯酐趋于零，说明回流比为 里回流比取 据模拟结果， 酐分离塔 同时考虑顺酐分离塔 化结果如表 6和表 7所示。 表 6：塔 化结果表 名称 数值 名称 数值 理论塔板数 23 回流比 39200 最佳进料位置 8 顺酐回收率 / 10 塔顶温度 117 苯酐损失 /(h) 60 塔底温度 237 冷凝器热负荷/(106kJ/h) 600000 塔顶压力 /0 再沸器热负荷/(106kJ/h) 14200000底压力 /0 塔顶采出量 /(h) 440000 7：塔 物流模拟优化结果 项目 进料物流 塔底出料 塔顶出料 相态 混合相 液相 汽相 温度 / 220 237 力 /0 10 总流率 /(h) 酐 /(h) 酐 /(h) 组分 /(h) 酐摩尔分数 ， 089 顺酐摩尔分数 组分摩尔分数 8 酐回收塔 T 2的作用在于对苯酐产品进行提纯，使其纯度 (质量分数 )达到 在此目标下对该塔进行模拟优化，寻找达到该分离要求的最佳操作条件。 压力的选择 苯酐在常压下的沸点是 故在常压下精馏，需要消耗大量能量，不经济。从经济的角度考虑，本设计精馏塔的压力为 30 料板位置对分离效果的影响 通过模拟在一定理论板数（ 22块）和回流比（ ，进料板位置对分离效果的影响，得到如图 8所示。 图 8： 塔 由图 8可得到如下结论 ： 理论板数和回流比恒定时，随进料位置变化出现苯酐回收达到极大值，这说明进料 位置存在最佳位置。使得塔达到分离效果时需要的进料位置，大约为塔的理论板总数的 1/2 （从上部开始计）偏上点。 进料位置 在 11 块板（总板数的 1/2）处时，塔的再沸器热负荷出现最小值，从经济的角度考虑，这里取进料板位置为第 11块板。 论塔板数对分离效果的影响 进料位置在最佳进料板处，回流比采用 讨理论板数对分离效果的影响，模拟结果如图 9所示。 9 图 9：塔 由图 9可见，随着理论板数增加，苯酐杂质含量和损失率越来越小，当理论板数 21时，理论板数的增加对分离效果增加不明显，当 23时，再沸器的热负荷增加，从经济的角度考虑，取 22。 流比对分离效果的影 响 根据前述结果，选择理论板数 22及进料位置为 11，同时进行回流比对分离效果的 影响，其结果如图 10所示。 图 10：塔 随着回流比的增大，塔顶苯酐的杂质含量和损失越来越小，但当回流比大于 明增大回流比对分离效果的提高不大。这里回流比取 据模拟结果，该点的苯酐纯度为 整个工艺流程回收率为 10 酐回收塔 进行全流程的模拟和优化得到苯酐回收塔 表 8所示。 表 8：苯酐回收塔 化结果 项目 优化值 项目 优化值 理论塔板数 22 回流比 佳进料位置 11 产品苯酐纯度 (质量分数 )/ 顶温度 / 201 产品中苯酐收率 / 100 塔底温度 / 281 塔顶产品苯酐的量 /(h) 顶压力 /0 冷凝器热负荷 /(106kJ/h) 底压力 /0 再沸器热负荷 /(106kJ/h) 物流模拟优化结果如表 9所示。 表 9：塔 物流模拟优化结果 项目 进料物流 塔底出料 塔顶出料 相态 液相 液相 汽相 温度 / 237 28l 201 压力 /0 30 10 总流率 /(h) 酐 /(h) 组分 /(h) 酐摩尔分数 组分摩尔分数 00 、 用 程模拟过程说明 打开 件，选择新建工程， 在浮动 需 的工 艺装置，放置在屏幕适当位置。添加的工艺所需装置如图 11所示。 11 图 11：工艺所需设备图 按照工艺流程图物流方向，先在浮动 在设备间加上物流线。 绘制好后的的完整工艺流程如图 12 所示。图 12：完整 工艺流程图 12 单击工具条上的 图标 ，进入选择组分对话框。单击 现分选择）窗口，单击 组分移入 择组分表 )，如图 13所示。图 13：自定义组分表 实际操作中，组分甲基琥珀酸酐 (该软件中不存在，需要用户自己定义该组分。定义步骤如下所示： 第一步： 在工具条中选择 ，单击 1，单击 成功添加新的用户组分。 第二步，将 构官能团）分别输入： 13 图 14：用户定义组分输入 图 15组分构造 点击 可添加新组分甲基琥珀酸酐。 第三步： 在工 具条中选择 ，再点击 现如下图 16 所示： 14 第四步：在依次点击图 16中“临界性质”、“热力学性质”、“混合物性质”三个按钮，分别输入对应的性质。 在工具条上单击 按钮 ，在 类）表中选择 用）相。在 图 17所示。 图 17： 选择热力学系统 15 双击红色的 现图 18所示的 流数据 )窗口。 在 一个参数）数据域单击向下箭头的按钮，在出现的信息菜单中选择 度）选项，输入温度值 二个参数）下拉表中选择 且输入 再点击 按钮，输入物流总流量和各组分含量。如下图 18所示： 图 18：物流 1数据输入 物流 2的输入同物流 1. 在流程图上双击压缩机 并在 中选择 填入 250 选择 填入 75击 下图 19所示： 16 的数据输入 在流程图上双击泵 在填上 250 填入100 击 下图 20所示：热器的数据输入 在流程图上双击换热器 击 70。如下图 21所示： 17 图 21：换热器数据输入 应器的数据输入 第一步： 反应式的输入 。 首先要输入所有的反应方程式，工具条中点击 按钮，在第 一个框中输入 击 后根据反应方程一一输入，再点击框 E，根据所给定的平衡常数表达式数据分别输入。如下图 22所示： 18 平衡数据的输入： A=B=C=1， D=3。如下图 23 所示：图 23：反应式输入 第二步： 反应器的数据 。 在流程图上双击反应器 80。 点击 相应的反应式中输入相应 的反应程度，如下图 24 所示： 在流程图上双击闪蒸罐，在 点击 择 击 19 图 25所示：图 25闪蒸罐的数据 图 26：过程控