毕业设计（论文）-200ta间苯二甲腈工艺流程设计.doc

湖南化工职业技术学院毕业设计说明书湖南化工职业技术学院毕业论文设计题 目 200t/a间苯二甲腈工艺流程设计专业班级 化工0910班 学生姓名 学 号 指导教师 2011年12月前 言间苯二甲腈别名异酞腈，是一种重要的化工产品， 它是制备精细有机化合物的中间体，它可以合成杀菌剂百菌清，还可以作为塑料、间苯二胺以及合成纤维聚氨基甲酸酯等产品的原料。 本次项目设计是在南天公司70t/a中试生产装置为依据，并在其基础上所作的设计，是对我们在大学中所学专业理论知识和综合运用能力的一次考试和验收，该设计任务富有挑战性。 在设计过程中我们对几种常用的间二甲腈生产方法进行了比较，其中间苯二甲腈最简单、经济的工业生产方法是间二甲苯在催化剂作用下，经气相氨氧化制得。它具有常压操作，中等反应温度，无需特殊溶剂和污染排放少及投资省等优点，充分体现了现代绿色环保节能减排的环保概念。在设计的过程中我们组的成员充分发挥了自身的积极性，在自身有优势的方面积极寻找相关的资料和组织资料并对相关设计内容的计算等方面的工作，为本次项目设计任务的顺利完成提供了重要的保障。本课题设计是以在校学习所学知识为基础，在外实习经验为参考设计完成的。其内容主要有间苯二腈产品简介、工艺流程设计原理与设计依据、间苯二甲腈生产的各物料衡算、关键设备的设计及三废处理。同时查阅了相关文献，解决了其遇到的设计问题。本设计均采用以文献为理论参考，以科学计算为辅及细致绘图为主要设计思路。本次项目设计的主要目的是对大学几年来所学的知识总结和对相关的实践的初步了解和对以后工作岗位的认识，为更好地能够更快更好地适应以后的实践工作 ，将我们所学的理论知识与生产实践结合更好地学以致用应用于实际生产中来。本设计任务是对我们的一次大考验，我也深感肩上责任之重，在本次设计过程中我们团队也采取了行之有效的分工及协作，体验到了团队协作工作的重要性，因而保证了设计工作能有条不紊地进行，并得了一定的成果。 目 录第一章 项目简介4第一节 间苯二甲腈产品简介4第二节 间苯二甲腈的生产方法5一 几种间苯甲腈的生产方法5二 主要的反应6第二章 工艺流程设计8第一节 设计依据8第二节 工艺流程描述8第三节 工艺流程示意图9第四节 工艺控制参数10第五节 催化剂12一 催化剂的组成12二 催化剂负荷13三 催化剂的填充13第六节 工艺流程图13第三章 间苯二甲腈生产的各物料衡算14第一节 主物料的衡算14一、物料参数14二、氨化氧化过程的衡算基准14三、氨化氧化过程的物料衡算方框图14四、氨化氧化过程的物料衡算15第四章 关键设备设计17第一节 流化床简介17第二节 流化床主体尺寸的确定17一 设计依据17二 床直径和高度的确定17三 流化床设计图18第五章三废处理19第一节 废水处理19一、废水成份19二、废水处理流程示意框图20第二节 废气处理20一氨氧化反应原理20二氨氧化废气20总 结22参考文献23第一章 项目简介第一节 产品简介 间苯二甲腈又名异酞腈，是一种重要的化工产品，它是制备有机化合物的中间体，它可合成杀菌剂百菌清，还可作为塑料、间苯二甲胺以及合成纤维聚氨基甲酸酯等产品的原料。分子式为c8h4n2，纯品为白色针状晶体，熔点：161162，沸点：282，比重：1.27，易升华，溶于苯、乙醚、热乙醇和氯仿，微溶于水，不溶于轻油和石油醚。分子量为128.13。结构式为： 由于芳腈分子中-cn基团的高反应活性以及它能使其它部位活化，通过加氢、水解、缩合、聚合、卤化等反应，可作为染料、农药、医药、聚酯、建材、纺织助剂、油品及燃料添加剂等化工产品的重要中间体，是用途十分广泛的精细化学品。间苯二甲腈主要用于生产百菌清。百菌清是一种保护性广谱杀菌剂，它具有高效、低毒、低残留等特点，对多种作物的真菌病害具有良好的防治作用，广泛应用于蔬菜、果树、经济作物和豆类、水稻、小麦等热带作物和森林多种作物病害的防治，并可与多种农药复配；工业上用作涂料、电器、皮革、纸张、布料等物的防霉剂。国内“六五”期间百菌清被列为国家科技攻关项目，1982年湖南农药厂在长沙化工研究所小试基础上，建成20t/a中试装置，1985年改建成100t/工业性装置。随后云南化工研究所与云南化工厂合作，建成国内最大百菌数套装置，总产量近l000t1963年美国钻石制碱diamond shamrock公司开发成功了间苯二甲腈氯化制百菌清的生产技术，促进了世界对ipn需求和间二甲苯氨氧化工艺及催化剂的开发研究，加快了工业化步伐。1969年，美国diamond shamrock公司和日本昭和电工公司利用sdk氨氧化技术，在日本横滨建成2000t/a间苯二甲腈生产装置开始正式生产间苯二甲腈。之后日本三菱瓦斯化学公司为充分利用间二甲苯资源与美国bagder公司合作，采用细颗粒催化剂的流化床工艺建成了4000t/a间二甲腈工业生产装置。1974年美国diamond公司5000t/a生产装置问世，意大利、印度、我国台湾省也相继建厂，到1999年世界ipn生产能力约15000t/a左右。20世纪80年代初我国开始研究其合成方法，并进行工业化实验生产，湖南农药厂最先建成70t/a中试规模生产装置。目前国内有8家分别建有各种规装置1 0套以上，年生产能力达8000t/a，实际生产中90的产品用于以上产品用于生产百菌清，少量生产间苯二甲胺，部分产品出口，价格一般在3.2万元/吨左右。第二节 间苯二甲腈的生产方法一 几种间苯甲腈的生产方法(1）间二甲苯、氨与空气组成的混合气体在催化剂上通过，在400500，34.45206.7kp下进行氨氧化，直接得到间苯二甲腈。（2）烷基苯和氨用氧化镁、铝矾土或氧化铝作为载体同在高温下气相反应，不排出羧酸和其他中间体，可以直接得到间苯二甲腈。此方法为allied chemical公司和distillers公司的专利。（3）间二氯苯和氢氰酸在550580，通过nio-al2o3催化剂，便得到间苯二甲腈。（4）间苯二甲酸和对甲基苯磺酸酰胺及脱水剂pcl5（或p2o5）一起，在约200加热1小时，就可得到间苯二甲腈。（5）间苯二甲酸在过量的氨气在气态下通过脱水催化剂，可得到间苯二甲腈。二、生产原理主要的反应：主要的副反应： 由于间二甲苯氨氧化的副反应较为复杂，因此采用合适的催化剂和与其相适应的反应器及其工艺条件就显得尤为重要，必须在保证生成间苯二腈的主反应顺利进行的前提下，尽可能地抑制副反应的发生。第二章 工艺流程设计 第一节 设计依据本工艺流程采用间二甲苯氨氧化工艺一步制得产品间苯二腈，以湖南南天公司70t/a中试规模生产装置为设计依据.第二节 工艺流程描述液氨经蒸发后与间二甲苯一起进入间二甲苯汽化器，气化后的混合物被加热至220左右后进入挡板流化床反应器；在反应器的底部通入热空气。在反应器中，由于催化剂（钒、铬、钼、磷）的存在，间二甲苯发生了氨化化反应，生成间苯二腈。反应产物经出口冷却器降至一定温度后，进入收集器，形成间苯二腈晶体，再进入产品中间槽，并经离心机洗涤、离心后得到间苯二甲腈滤饼，最后烘干而获得间苯二甲腈成品。不凝气被吸收塔釜液循环吸收后直接排入大气，污水则去污水处理装置。第三节 工艺流程示意图以间二甲苯氨氧化法制间苯二甲腈的方框示意图如下：汽化器流化床反应器捕集器尾气处理离心机干燥粉碎氨气空气间二甲苯二腈排空第四节 工艺控制参数 1、 反应温度 反应温度是对间二甲苯转化率和间苯二腈选择性影响最为显著的工艺参数之一。,随温度升高,催化剂活性、间二甲苯转化率都提高,产品收率明显提高,产品中单腈含量下降，但副反应也随之加剧，特别是co和co量明显增加，而单腈收率则相反。而且由于该反应为放热反应，所以一定做好温度的控制工作。在设计中可在流化床中设置u型冷却水管将反应产生的热量即时有效的带走，严格控制在410一430之间，同时还可以起到回收热量提高热量利用率的目的。反应温度对催化剂和间苯二甲腈质量和收率的影响试验结果反应温度 间二甲苯转化率 间苯二甲腈收率 间苯二甲腈含量 单腈含量( ) ( %) ( %) ( %) ( %)400 90. 5 65. 7 94. 2 2. 8410 92. 8 69. 8 96. 3 1. 8420 96. 9 78. 6 98. 2 0. 2430 98. 6 78. 7 98. 3 0. 1440 98. 8 70. 2 97. 8 0. 12、反应压力间二甲苯氨氧化生成间苯二腈系增分子反应，在其他反应条件不变的情况下，间苯二腈的收率随反应压力的降低而增加。因此，工业上的反应压力接近于常压。3、 原料配比：间二甲苯:氨:空气 工业生产中，在反应温度、线速以及催化剂负一定的条件下，为保证间苯二腈收率维持在较高水平，减少氨耗以及单腈、co:和co生成量，适宜间二甲苯:氨:空气(摩尔比)1：8：40（摩尔比）。4、反应线速度 在其他反应条件不变的前提下，线速大小对间苯二腈收率的影响不明显。避免间二甲苯发生探度氧化反应，同时改善催化剂的流化质量和催化反应性能，反应线速一般在0.4一0.6之间较为适宜。5、投料量间二甲苯24.5，氨气19.89，空气199.5 6、工程设计中主要考虑的问题（1） 反应器型式以及撤热方式间二甲苯氨氧化生成间苯二腈是放热反应若不及时撤除反应热，将导致反应区域温度急骤升高，从而降低目的产物间苯二腈的选择性，而且容易造成催化剂结焦和失活。为了既能及时从反应区撤除反应热，又能维持适宜的反应温度，本工艺采用流化床反应器。反应器内装填vcm为工业用催化剂，并设置u型冷却水管以发生蒸汽、回收热量，同时撤除反应热。这种反应器具有结构简单流化质量好和放大效应不明显等特点。（2） 间苯二腈收集及尾气吸收采用薄壁式冷凝器来收集间苯二腈，再经搅拌、离心过滤和烘干后得到成品。未凝气体经吸收塔釜液循环吸收后再经催化燃烧后直接排人大气。该吸收塔选用特殊规格的不锈钢丝网填料，以防止堵塞。第5节 催化剂 本次采用的催化剂是vcm工业用催化剂一 催化剂的组成vcb1,vcb2和vcm为工业用催化剂,由间苯二甲腈生产厂家提供.采用化学分析方法测定催化剂样品的化学组成,结果如表1所示,其中sio2含量采用差减法求得.表1催化剂样品的化学组成(质量分数)%样品v2o5cr2o3moo3b2o3sio2vcb117.16.70.31.874.1vcb214.97.70.42.174.9vcm4.38.10.60.087.03种催化剂均以v和cr的氧化物为主要活性组分,并以moo3和/或b2o3作为助剂成分.vcb1, vcb2,vcm中主要活性组分的质量分数分别为23.8%,22.6%和12.4%,即依vcb1,vcb2,vcm顺序减小,此顺序与实际使用中催化剂上间二甲苯氨氧化催化活性顺序一致.进一步分析表明,活性组分以负载的方式分散在sio2微球表面上,并在微球表面上形成了共融体.比表面及孔径：采用低温n2吸附方法测定了催化剂的比表面积及孔结构.结果如表2bet表面积/(m2g-1)孔体积/(cm3g-1)平均孔径/nmvcb159.60.2114.2vcb264.70.2213.9vcm50.10.3225.2 催化剂的结构特征可以看出,vcb1与vcb2的结构特征接近,而vcm则明显不同.孔径分布测定表明,3种催化剂的孔径分布均比较集中,其中vcb1与vcb2的孔径集中在15 nm左右,而vcm孔径集中在40 nm左右.这种大小的孔径远大于反应物分子和产物分子的动力学直径,因此,催化剂孔道对反应组分如m-c6h4(ch3)2和m-c6h4(cn)2分子的扩散产生阻力较小,反应组分在孔道中的扩散不会构成吸附和脱附过程的控制步骤.催化剂活性组分负载在中孔载体上,反应组分在孔道中的扩散将不会构成吸附过程的控制步骤.反应组分在催化剂表面的吸附量和吸附速率与催化剂表面对它的亲合力有关,而与比表面积没有明显相关性. 3 种催化剂对m2c6h4 (ch3 ) 2 的吸附量和吸附速率依vcb1 ,vcb2 ,vcm 的顺序依次增加,而对h2o 和nh3 的吸附能力则相反. 反应过程中vcm上深度氧化产物较多,可能与它对m2c6h4 (ch3 ) 2 吸附能力较强以及对h2o 和nh3 吸附能力较弱有关.二 催化剂负荷由于vcm型催化剂适用于较高操作负荷，因此工业上wwh在0.05一0.09hr范围内，间苯二腈、co2和co、hcn等收率维持不变，仅单腈收率有所增加。抄论文就没有必要，你的设计方案中催化剂的负荷到底是多少？ 我们在哪个地方能查到相关三 催化剂的填充量. 以湖南南天公司70t/a中试规模生产装置为设计依据，挡板流化床反应器vcm为工业用催化剂设计催化剂的填充率为60%，催化剂0.47m3。反应温度对催化剂和间苯二甲腈质量和收率的影响试验结果反应温度 间二甲苯转化率 间苯二甲腈收率 间苯二甲腈含量 单腈含量( ) ( %) ( %) ( %) ( %)400 90. 5 65. 7 94. 2 2. 8410 92. 8 69. 8 96. 3 1. 8420 96. 9 78. 6 98. 2 0. 2430 98. 6 78. 7 98. 3 0. 1440 98. 8 70. 2 97. 8 0. 1 第六节 工艺流程图见附图：一 ？ 间苯二甲腈工艺流程图第三章 间苯二甲腈生产的各物料衡算第一节 主物料的衡算一、物料参数已知参加反应的物质及反应物的摩尔质量（间苯二甲腈：128，间二甲苯：105，氧气：32，氨气：17，水：18）。二、氨化氧化过程的衡算基准根据设计任务：间苯二甲腈的生产能力为200吨/年（100%），全年为365天，减去各种检修等为35天，则年工作时间为：36535=330（天）则每天的生产能力：（2001000）/330=606.1三、氨化氧化过程的物料衡算方框图 氨化氧化 反应器 间二甲苯 间苯二甲腈 氨气 氮气 氧气 水 氨气 氧气 氮气四、氨氧化过程的物料衡算物料衡算的准则就是质量守恒定律，即“进入一个系统的所有物料必等于离开这个系统的全部物料，再加上反应过程中损失量和在系统中积累量。依据质量守恒定律： g进=g出+g损+g积其中式中：g进输人物料量的总和。 g出离开物料量的总和。 g损总的物料损失量。 g积系统中的积累量。已知氨化氧化过程中收率为85%，在数值上也就是转化率为85%.则每小时生产的间苯二甲腈的摩尔质量为：n=（2001000）/3302412885%99.5%=0.2333即：每小时生产的间苯二甲腈量为：g1=（2001000）/3302485%99.5%=29.86每小时消耗原料间二甲苯量为：g2=0.2333105=24.5实际投入的物质量比为：间二甲苯：氧气：氨气=1：8：5。氧气的流量： = 0.23338=1.87 = 1.8732=59.84 =1.8722.4=41.9干空气的体积流量：=41.9/0.21=199.5 氨气的流量： =0.23335=1.17 =1.1717=19.89 =1.1722.4=26.21剩余： =（1.8730.233385%）32=40.8 =（1.8730.2685%）22.4=28.56剩余： =（1.1720. 233385%）17=13.1476 =（1.1720. 233385%）22.4=17.3239 表2-1 过程中的物料衡算表输人输出序号物料名称数量（）序号物料名称数量（）1间二甲苯24.51二腈29.862空气199.52空气1863氧气59.843氧气40.84氨气19.894水25.25间二甲苯3.676氨气13.15第四章 关键设备设计第一节 流化床简介当流体自上而下通过堆积有固体颗粒的床层时，床层颗粒必然受到流体对颗的浮力、流动的流体对颗粒产生的曳力心以及颗粒自身重力的影响。当通过床层的流体流量较小时，颗粒受到的升力（浮力和曳力之和）小于颗粒自身的重力时，颗粒在床层内静止不动，流体由颗粒之间的空隙通过。此时床称为固定床。随着流体流量的增加，颗粒受到的曳力也随着增大。若颗粒受到的升力恰好等于自身的重量时，颗粒受力处于平衡状态，故颗粒将在床层内作上下、左右、前后的激烈运动，这种现象被称为固体的流态化，整个床层称为流化床。当液体流量继续增大时，含有固体颗粒的床层将会膨胀，床层的空隙率增大。此时床层中液体的实际流速将维持不变而颗粒依然处于平衡状态，床层依然属于流化床。气固催化剂流化床反应器在工业生产中有着重要的应用。第二节 流化床主体尺寸的确定一 设计依据本流化床的设计是以湖南南天公司70吨/年的间苯二甲腈流化床为设计依据，已知70吨/年的流化床直径为400mm，浓相段的高为2000mm，稀相段的高为1000mm，扩大段的高为500mm，上升段的高为1500mm。二 床直径和高度的确定床层直径和高度可按气体处理量和操作速度由下式计算： d=式中：q操作条件下的气体体积流量.m/s 操作条件下的空床气速.m/s由物料衡算章节知200吨/年时q=230.7m/h；70吨/年时q=88.9m/h。则有：d/400 = =1.61 得：d=644mm则比例因子 =644/400=1.61则年产200吨时的流化床的直径为：644mm浓相段的高为20001.2=2400mm；稀相段的高为10001.2=1200mm；扩大段的高为5001.2=600mm； 上升段的高为15001.2=1800mm。在这样的尺寸下，流化床浓相段装填系数为60%，装填催化剂0.47m3。这样的计算设备尺寸方法完全错误！你们设计小组先内部研究一下再问吧！要么问一问谭金真如何？我们应该如何来计算呢？您可以跟我们说说吗?三 流化床设计图流化床设计图纸见附图二第五章 三废处理输人输出序号物料名称数量（）序号物料名称数量（）1间二甲苯24.51二腈29.862空气199.52空气1863氧气59.843氧气40.84氨气19.894水25.25间二甲苯3.676氨气13.15一、废水成份： 二腈废水中主要含有间二甲苯和氨水。 1、废水处理方法：第一步: 废水经过沉降池分层处理，回收间二甲苯。回收间二甲苯其工艺是废水经过水冷将其凝固后再进入沉淀池进行分离。每天回收间二甲苯的量为：24.5240.15=88.2kg每天回收的间二甲苯占每天总量的百分比为：88.2/(24.524) 100 =15每年的回收量为：（88.2330）/1000=29.106按间二甲苯售价7500元/吨，每年回收间二甲苯价值为218295元因此回收间二甲苯非常有必要。第二步：除去间二甲苯的含氨废水再用百菌清氯化工序副产物盐酸（31%）中和后（反应生成氯化氨）排放。每天废水中的含氨量为：18.1524=435.6 kgnh3.h2o + hcl nh4cl + h2o35 36.5435.6 x需100%盐酸 x=435.636.535=454.27kg折31%商品盐酸=454.27/0.31=1465.4 kg盐酸（31%）售价500元/吨每天消耗的盐酸价值5001465.4 /1000=732.7元2、 废水的处理量： 每天废水处理量：=25.224=604.8每年废水处理量：=604.8330/1000=199.58二、废水处理流程示意框图含间二甲苯的废水沉降分层池 盐酸中和池废气去处理工段 间二甲苯回收 处理废水排放第二节 废气处理一氨氧化反应原理原料间二甲苯、氨、空气在氨氧化炉内发生催化反应,生成中间产品间苯二甲腈(称二腈,代号trn),同时有生成hcn的副反应。二氨氧化废气1 全部气体的排出量为：=（230.7-0.233385%22.4 5）24=5004.44介于在反应的过程中会发生难以控制的副反应而生成其它有害气体，如：、cn-、noxt等，而使最终的气体总量大于5004.44。氨氧化废气的主要有害成分为cn-、nh3和nox,根据氨氧法为了提高废气的处理效率和处理量。本设计采用催化焚烧处理法处理废气，其工艺流程如下： 冷却器多层催化焚烧过滤吸收氨氧化废气引风机废气排放催化焚烧后,cn-和nh3排放浓度和排放量明显降低,可明示降低废气对大气的污染。但是本方法也有不足之处，在处理废气的过程中，也使氮氧化合物增加在一定程度上对空气进行了二次污染。总 结 本设计项目是在南天公司70t/a中试生产装置为依据，并在其基础上所作的设计，是对我们在大学中所学专业理论知识和综合运用能力的一次考试和验收，该设计任务富有挑战性。本次设计是在南天公司70t/a