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山东科技大学学士学位论文 苯胺设计毕业论文目录第一章 绪论41.1苯胺概述41.2 国内外苯胺产能及市场分析51.3原料与产品的性质7第二章 苯胺生产方案的确定102.1 产品品种、规格、质量指标及拟建规模102.2 产品规格、质量指标102.3 苯胺制取方法比较102.4 工艺路线的选择13第三章 物料衡算与能量衡算153.1.物料衡算15第四章 苯胺生产的设备设计与选型234.1 反应器设计234.2 精馏塔的设计27第五章 非工艺部分385.1 公用工程385.2 安全防火39第六章 环境保护与安全措施416.1本设计采用的环境保护标准416.2 生产分析416.3三废治理426.4 危险性物料主要物性图426.5 危险性分析及对策43第七章 5万吨/年苯胺生产的经济评估457.1 项目总投资估算457.2 财务评价457.3评价结果48第八章 结论49第一章 绪论1.1苯胺概述苯胺，俗名阿林尼油，无色油状液体，有较强烈的气味，有毒，密度1021.6kg/m3，熔点-6.2，沸点184.4，暴露空气中或在日光下变成棕色。稍溶于水，能与乙醇、乙醚、苯混溶；有碱性，能与盐酸(或硫酸)反应生成盐酸(或硫酸)盐；能起卤化、重氮化等反应。苯胺是重要的有机化工原料，大量应用于染料、医药、炸药，香料、橡胶硫化促进剂、药品等行业，尤其是可作为聚氨酯产品MDI的原料。苯胺衍生物甲苯胺、枯胺、甲基枯胺和二甲代苯胺作为原料时，可以增加显影剂、农业试剂的效用。苯胺是重要的有机化工基本原料，主要用于生产聚氨酯，其用量发达国家达到总耗量的70%，年增长率8%。还可直接合成二苯胺、4-硝基二苯胺、环己胺，N-甲基苯胺等产品，另外还有延伸产品达数百种之多。苯胺被广泛用于聚氨酯、橡胶助剂、染料、医药、农药和特种纤维等行业。苯胺工业化生产路线主要有三条：1.硝基苯催化加氢法2.苯酚氨化法3.硝基苯铁粉还原法。采用硝基苯铁粉还原法会产生大量含苯胺的废水和难以处理的铁泥污染大能耗高，因此该法现已基本淘汰。该法能联产氧化铁颜料，国外极少数企业如美国拜耳莫贝公司采用该法，同时联产苯胺。苯酚氨化法同时联产二苯胺，苯酚价格一直起伏不定，该法生产成本高于硝基苯催化加氢法。国外仅日本三井油化公司采用该方法，美国罗比肯公司的装置因成本问题已停产。当前全球苯胺生产工艺主要为硝基苯催化加氢法，约占总产能的90%左右。我国绝大部分企业采用硝基苯催化加氢法生产苯胺。苯胺有很强的毒性，能渗透皮肤至血液，口服15滴致死。因此在生产过程中废水、废气和废渣中苯胺的含量都有相应的标准，要严格控制三废中苯胺含量。1.2 国内外苯胺产能及市场分析1.2.1 国外产能及市场国外 随着西方经济复苏对聚氨酯(MDI)需求的不断增加, 苯胺生产能力和产量增长很快, 目前生产能力已经超过300万t /a。世界范围来看，苯胺的生产主要集中在美国、西欧和日本, 其生产能力能占到世界苯胺总生产能力的80%。消费也主要集中在美国、西欧以及日本等发达国家和地区, 尽管世界上苯胺主要生产企业正在不断扩大其生产规模和提高生产装置的生产能力, 但产量仍不能满足日益增加的市场需求。综观世界范围苯胺的消费与需求, 美国、西欧和日本等发达国家和地区进入稳定发展阶段, 东欧地区未来也将会保持相对稳定增长的态势, 东欧苯胺增长主要用于橡胶助剂和医药生产领域, 而新的投资和消费方向将主要集中在中东和远东地区, 尤其是中国、印度和中东一些发展中国家成为苯胺需求增长最快国家和地区, 2003年亚洲地区( 除日本, 下同) 苯胺需求约为33万t, 比2000年的23万t增长了43%, 随着亚洲地区多套的世界级的聚氨酯（MDI）的开工建设,未来几年，亚洲地区的苯胺需求增长率将会达到25%, 远远高出世界的平均水平。1.2.2 国内产能及市场国内 目前我国苯胺的主要生产企业有20多家, 总生产能力大约为29wt/a, 总产量约为18 wt/a ，生产工艺主要采用硝基苯催化加氢法, 其中生产规模达到2 wt /a以上的企业有4家, 生产能力合计为15.2 wt/ a, 约占全国苯胺总生产能力的53% ; 生产规模为1万t/a的生产企业有10家, 生产能力大约占全国苯胺总生产能力的35% ; 其余规模企业生产能力合计为3.4wt /a, 约占全国苯胺总生产能力的12%。 近年来, 由于我国的聚氨酯工业对主要原料MDI的市场需求潜力巨大, 一些国际知名的跨国公司纷纷与中国有关企业合资兴建大型MDI生产装置, 亨兹曼公司、巴斯夫公司将联合日本聚氨酯公司与中国合作在上海建设16 wt /a MD I生产装置, 同时配套16 wt /a的苯胺生产装置, 吉林化学工业股份有限公司染料厂将该厂现有生产能力扩建至11. 6 wt /a, 江苏南京化学工业(集团)公司磷肥厂已将其苯胺生产能力扩建到3 wt /a。由于我国苯胺产量不能满足国内实际生产的需求, 每年进口2 万t /a 左右, 同时, 我国苯胺也有少量出口。20世纪90年代以来, 我国苯胺的消费量一直在保持着稳定增长的趋势, 我国苯胺的消费结构也和发达国家有较大不同, 主要用于橡胶加工助剂、染料及有机颜料、医药以及有机中间体的生产等领域。国内仅烟台万华一家企业在大规模生产MDI，国内生产MDI所需苯胺占总消费量的30%，国外80%的苯胺是用于制备聚氨酯MDI的原料，目前国内新建苯胺装置都能生产出达到MDI要求的苯胺。1999 年我国MDI消费苯胺的量仅占苯胺总消费量的12% , 2000年约占18% , 2004年MD I消费苯胺占苯胺消费量的25%。我国加入WTO 后, 苯胺生产企业将面临强大的国际竞争对手和更加激烈的市场竞争, 我国苯胺生产企业, 应规模化经营, 降低生产成本, 增强竞争力, 瞄准亚洲这个潜力巨大的市场, 增加出口量。近年来受原料供应、规模、成本等多种因素影响，中小型苯胺生产企业的处境越来越窘迫，很多几年前曾经生产苯胺的中小型企业有的已经停产，有的则实行合并来扩大生产规模，所以目前生产苯胺的企业基本都是万吨以上规模的企业详请参见我国苯胺部分生产企业生产能力表。表1.1我国苯胺部分生产企业生产能力（万吨）企业名称生产能力下游产品吉林石化分公司双苯厂13.62,6-二乙基苯胺，色酚AS南京化工厂3.5橡胶助剂，环己胺辽宁庆阳化工（集团）有限公司2.6二苯胺兰州化学工业公司有机厂2.4橡胶助剂，环己胺邯郸富达化工有限公司1.4河南开普化工股份有限公司1.4河北冀中化工有效责任公司1.3环己胺山东胶南化肥厂1宁波海利化工有限公司1江苏盐城新浦化工集团公司1环己胺南京化学工业（集团）公司磷肥厂4环己胺南京四力化工有限公司2.4橡胶助剂重庆长风化工厂1染料中间体烟台万华聚氨酯集团有限公司2.5MDI金田化工股份公司南京六合化工厂2章丘第二化肥厂2.4山东曙光集团新型化工厂1平顶山飞行集团1兰化公司7投资3.2亿烟台万华聚氨酯有限公司16建在宁波大榭岛山西天脊集团13投资3.9亿元合 计84.4从供需关系来看，虽然今后几年苯胺的下游需求会出现较大增长，主要是MDI对苯胺的需求有大幅的增长，但是很多厂家纷纷新建或者扩产苯胺装置，使得苯胺的产能增长将超过需求增长，造成一定的产能过剩，这也会造成苯胺市场竞争的愈加激烈，这将会使得苯胺的价格难以随着成本的增长而同幅度增长。总的来说来，预计今后几年苯胺的价格会随着成本的增加而保持在一个相对较高的水平，但是受市场供求关系的影响，以及市场竞争的日趋激烈，苯胺成品价格不会有大幅的提升，并且上升到一定程度将会趋于平缓，苯胺的利润空间也将会缩小。1.3原料与产品的性质1.3.1 原料硝基苯性质 硝基苯是一种重要的有机合成原料。纯硝基苯是无色油状液体，但工业上因含有杂质而呈微黄色，具有苦杏仁特殊臭味。熔点5.7oC,凝固点5.85oC,沸点210.9OC，相对密度1.2037（20OC），能溶于水，易溶于有机溶剂。其水溶液具有甜味，能随水蒸气蒸发，易燃易爆。硝基苯有毒，对人体有毒害作用，能通过人的呼吸系统和皮肤引起中毒。在空气中最高容许浓度为5mg/m3。急性中毒症状，起初表现为全身不适、头痛、晕眩等。1.3.2 产品苯胺性质苯胺俗称阿尼林油，是重要的有机化工原料。纯苯胺为无色透明油状液体，暴露空气中或见光会变成慢慢棕色，因此在储存和运输苯胺的时候常用氮气作为保护气。苯胺能随水蒸气挥发，能与醇、醚、苯、硝基苯等多种有机溶剂混溶。苯胺有很强的毒性，能渗透皮肤至血液，口服15滴可致死。因此生产过程中废水、废气和废渣中苯胺的含量都有相应的标准，应严格控制三废中苯胺含量。1.3.3 主要原料质量标准为保证生产MDI级苯胺产品，本工艺对原料有严格要求。其中氢气来自外管，催化剂外购，硝基苯则取自硝基苯单元装置。其主要质量标准见表1.2。表1.2主要原料的质量标准一览表序号原料名称技术标准规格1硝基苯GB9335-88外观：浅黄色液体凝固点（oC）5.5纯度%99.8水分%0.1硝基甲苯总量%0.12催化剂NHQ019-95外观：浅蓝色至蓝色微球型颗粒铜含量（干品）% 1520水分%5.00粒度（通过40120木筛）85.00%3氢气GB3638-83纯度：98%体积比氧含量：0.5%体积比氮含量：1.5%体积比1.3.4 MDI级苯胺产品的质量标准见表表1.3 苯胺产品的质量标准表名称项目单位指标试验方法苯胺外观无色至浅黄色透明液体，无悬浮物目视色度（铂-钴）色号150GB3143纯度%（A/A）99.90PU/T01-088环己胺%（A/A）0.015PU/T01-088环己醇%（A/A）0.015PU/T01-088甲基苯胺%（A/A）0.010PU/T01-088高沸点%（A/A）0.0050PU/T01-088硝基苯mg/kg0.050PU/T01-088水分%0.100GB6283氧气含量%（A/A）0.03PU/T01-088第二章 苯胺生产方案的确定2.1 产品品种、规格、质量指标及拟建规模产品品种： 苯胺拟建规模： 23.4万吨/年年操作日： 300天2.2 产品规格、质量指标苯胺99.9% 符合MDI级苯胺产品的质量标准2.3 苯胺制取方法比较2.3.1苯胺生产方法苯胺生产技术主要有三种生产方法，即铁粉还原法、硝基苯催化加氢及苯酚氨化法。1.苯酚氨化法生产过程：苯酚与过量的氨(摩尔比为1:20)经过混合、汽化、预热后，进入到装有氧化铝-硅胶催化剂的固定床反应器中，在370、1.7MPa条件下，苯酚与氨进行氮化反应制取苯胺，同时联产二苯胺，苯胺的转化率和选择性均在98%左右。化学方程式： 特点：该方法工艺简单，催化剂价格较低廉、寿命长，产品质量好，“三废”量少，适合用于大规模连续生产，并可根据需要联产二苯胺，不足之处是基建投资较大，能耗和生产成本比硝基苯催化加氢法高,目前在中国没有低廉的苯酚来源，因此该方法生产成本比较高，没有竞争力。生产现状：目前世界上只有日本三井石油化学公司和美国阿里斯德化学公司采用该法分别建有114kt/a和91kt/a的生产装置。2硝基苯铁粉还原法 生产过程：该法采用间歇式生产，将反应物料投入还原锅，在盐酸介质下，约100硝基苯用铁粉还原生成苯胺和氧化铁，产品经蒸馏得到粗的苯胺，再经精馏得成品，苯胺收率为95%-98%。铁粉的质量直接影响苯胺的产率。化学反应方程式： + 特点：该方法设备庞大、反应热较难回收、铁粉用量大、环境污染严重、设备腐蚀严重、操作维修费用高、难以连续化生产、反应速度慢、产品分离困难等缺点，所以现在基本淘汰。生产现状：硝基苯铁粉还原法是生产苯胺的经典方法，目前正逐渐被其他方法所取代。由于该法可以同时联产氧化铁颜料，因此我国有一小部分中、小型企业仍采用该法进行生产。3.硝基苯催化加氢法硝基苯催化加氢又可分为以下三种方法：（1）固定床气相催化加氢 生产过程：在200-300、1-3MPa条件下，经过预热的氢和硝基苯发生加氢反应生成粗的苯胺，粗的苯胺经脱水、精馏后得到成品，苯胺的选择性大于99%。 特点：该法具有技术成熟、反应温度较低、设备及操作简单、维修费用低、建设投资少、不需要分离催化剂、产品质量好等优点，不足之处是反应压力较高，易发生局部过热而引起副反应和催化剂失活等，必须定期更换催化剂。 生产现状：目前国外大多数苯胺生产厂家采用固定床气相加氢工艺进行生产，我国山东烟台万华集团有限公司采用该法进行生产。（2）流化床气相催化加氢 生产过程：原料硝基苯加热汽化后，与约为理论量3的氢气混合，进入到装有铜-硅胶催化剂的流化床反应器中，在260-280条件下进行加氢还原反应，生成苯胺和水蒸气，再经冷凝、分离、脱水、精馏得到苯胺产品。 特点：该法很好地改善了传热状况，控制了反应温度，避免了局部过热现象，减少了副反应物的生成，延长了催化剂使用寿命，不足之处是操作较复杂、催化剂磨损大、装置建设费用大、操作和维修费用较高等。生产现状：我国绝大多数苯胺生产厂采用流化床气相催化加氢工艺进行生产。（3）硝基苯液相催化加氢生产过程：在150-250、0.15-1.00MPa压力下，采用贵金属催化剂，硝基苯在无水条件下发生加氢反应生成苯胺，再经精馏后得成品，苯胺的收率为99%。特点：该法优点是反应温度较低、副反应少、催化剂负荷高寿命长、设备生产能力大等，不足之处是反应产物与催化剂以及溶剂必须进行分离，操作成本以及维修费用高。硝基苯催化加氢生产苯胺的催化剂主要有两种：一种是铜负载在二氧化硅载体上的CuO/SiO2催化剂，以及加入Cr、Mo等第2组分的改进型催化剂，该类催化剂的优点是成本低、选择性好，缺点是抗毒性差，微量有机硫化物即易使催化剂中毒；另一种是将Pt、Pd、等金属负载在氧化铝、活性炭等载体上的贵金属催化剂，该类催化剂具有催化活性高、寿命长等优点，但生产成本较高。生产现状：液相催化加氢工艺多涉及贵金属催化剂和高活性催化剂的制备，投资较大生产成本有一定的风险，因此目前尚未达到工业化生产阶段。2.3.2硝基苯加氢方法的比较国内装置大多采用流化床加氢工艺。流化床反应器设有气体分布器，硝基苯经汽化后与氢气混合，经分布器进入反应器。反应器内装有铜-硅胶催化剂，床层内设冷却管。为防止气体夹带催化剂，流化床内设有气固分离结构。反应后的气体产物经冷凝去分离器，氢气去循环压缩机；粗苯胺再进入苯胺精制系统，获得成品苯胺。液相催化加氢法和气相催化加氢法各有优缺点，两种工艺的比较详见表2.1.表2.1 硝基苯加氢还原两种优缺点工艺优点缺点气相催化加氢法转化率大于99.5%；苯胺总收率大于98%；传热状况得到改善；反应温度得到控制；局部过热消失；副产物减少；催化剂寿命延长；操作较复杂；催化剂磨损大；装置建设费用大；操作和维修费用较高；液相催化加氢法苯胺收率达到99%；反应温度低，副反应少；硝基苯转化率高；催化剂系统性能卓越；总投资降低；设备生产能力大，在线系数大大提高；所需压力高反应物与催化剂及溶剂必须进行分离；设备操作费用高；采用贵金属催化剂活性高，加氢副反应增多；2.4 工艺路线的选择综合对比各种生产方法，我们选择硝基苯气相加氢流化床生产技术。我国绝大多数苯胺生产厂采用流化床气相催化加氢工艺进行生产。硝基苯催化加氢法又分为硝基苯气相加氢法和硝基苯液相加氢法。硝基苯液相加氢法收率高、副反应少，但存在催化剂及溶剂回收、设备费用高及操作复杂等问题，目前尚未达到工业化生产阶段。硝基苯气相加氢法为现在绝大部分生产企业所选用，硝基苯经汽化后在铜催化剂的作用下，加氢还原生成苯胺。目前国内外苯胺生产基本都采用此方法，该法又分为固定床加氢和流化床加氢两种生产方法。固定床法操作简便、不需分离催化剂，但反应热的移出存在不足，难免会造成催化剂局部过热现象，因此催化剂使用周期短，而且更换催化剂工作量大，因此七十年代后苯胺生产企业基本都采用硝基苯气相加氢技术。自1978年国内硝基苯气相加氢流化床工艺技术开发成功后，经三十多年的发展，现有的工艺技术成熟，产品质量稳定、能耗低，利用废热锅炉能将硝基苯加氢所放出的热量产生蒸汽，基本可以满足苯胺岗位精制的需要，从而实现汽耗为零，目前该生产技术水平已达到世界先进水平，其工艺流程如图2.1所示。图2.1 工艺流程图第三章 物料衡算与能量衡算3.1.物料衡算3.1.1 概述 物料衡算是采用物料平衡的方法，依据质量守衡来求取产量和消耗量以及各管线的物流量。从整体车间的大物流着手可以很方便的求取各主要设备及管道的相应流量。物料衡算被认为是设计工程项目“三算”中的基础，准确的物料衡算可以更好的提高产品收率，可以为设备改造等方面提供重要的依据。同时也可直接影响到能量衡算的热负荷，设备计算的处理量等。苯胺车间由于其反应的单一性，且分离的难度不大。所以物流管线较清楚，计算不是很复杂。其整体思路：第一步整车间求取原料和产品及三废量，第二步出反应器的反应量，第三步求取精制工段的个分离器的进出口量。其中苯胺脱水塔和苯胺回收塔中有两股循环流，需要从产品反应堆和设定工艺精馏回流比来完成。3.1.2 原料与产品年产：5万吨/年；年生产时间：8000小时。.产品苯胺（14）： (t/h)组成：苯胺 (kg/h) 水 (kg/h).原料硝基苯(2) (kg/h)组成：硝基苯 (kg/h)水 (kg/h) .原料氢气 (1) (kg/h)组成：氢气 (kg/h) 氮气 (kg/h)全车间原料与产品流量见表3.1。表3.1 产品及原料物质表序号氢气硝基苯产品流量kg/h重量%流量kg/h重量%流量kg/h重量%苯胺6243.899.9水16.70.2620.1硝基苯8345.899.8氢气428.8983.1.3 排放空气随着反应的不断进行，氢气中夹带的氮气和氧气及不参与反应体系其它杂质气体会随着循环在反应系统中不断的积累。这种现象不利于生产反应的正常进行，此外大量的氧气会使得氢气含量下降至爆炸极限范围内从而形成潜在危险。所以在该反应体系中，必须定时的排放气体，使得氢气在反应体系中含量保持在一定的水平以上。1）理论生成苯胺量按照原料消耗量计算苯胺和水的生成量 123 6 93 368345.8kg/h ？ ？ ？其中含：苯胺 (kg/h) 水 (kg/h)2）排空废气该工艺操作中规定当混合气体中（mol）时，即需要排放废气。其中排空废气中含有80%是氢气，氧气和氮气以及惰性气体，少量苯胺和水蒸气。其含量可以根据道尔顿分压定律6按照理想气体计算：由于反应器流出的物质难以冷却至常温，所以计算取40 近似计算。其中：苯胺40 的饱和蒸汽压是0.2 kPa； 水40 的饱和蒸汽压是7375.8 kPa排放废气中含：苯胺 水蒸气 氢气 80%氮气 1-0.197%-7.28%-80%=12.52%尾气排放的指标是100 m3/t，按照理想气体计算总排放量有 (mol/h)其中含：苯胺 (kg/h)水 (kg/h)氢气 (kg/h)氮气 (kg/h)3.1.4 进出全车间物流物料衡算全车间做物料衡算，可以在求得三废排放量的同时控制原料的进入量，从而达到高效生产的目的，其物料流向见图3.1。排放废气（5）废渣（16）产品苯胺（14）废水（19）5万吨/年苯胺车间硝基苯（2）氢气（1）图3.1全车间物质流向图1）废水排出量废水（19） (kg/h)废水中含苯胺量为500 ppm,苯胺 (kg/h)2）废渣排出量废渣（16）(kg/h)其中含：苯胺 (kg/h) 焦油 (kg/h) 三废排放量见表3.2。表3.2 三废排放物料衡算表序号废气排放废渣排放废水流量流量kg/h重量%流量kg/h重量%流量kg/h重量%苯胺5.110.19712.02201.210.05水36.567.282416.699.95氮气9.7812.52氢气44.6580焦油 48.06803.1.5 产品精制分离工段物料衡算精馏分离工段的物料衡算是把反应器出口流出物质和最后产品看成一个整体，这样可以在达到产品质量和排放标准的前提下，求得反应器所需要的反应能力。物质流程图见图3.2。产品精制分离工段反应器进口（7）排放废气（5）废渣（16）产品苯胺（14）废水（19）图3.2精制工段物质流向图反应器进口 = 废气 + 废渣 + 苯胺 + 废水苯胺 (kg/h)水 (kg/h)焦油 48.06 (kg/h)3.1.6 苯胺水分离器苯胺水分离器的主要目的是为了达到初步分离苯胺和水，其最大的分离能力是饱和焦油苯胺和水的相互溶解度。根据物料平衡和苯胺在水及水在苯胺中的饱和溶解度可分别求出苯胺水分离器中的水层和苯胺层各自的组分含量，如图3.3。苯胺水分离器反应器进口（7）水层（8）苯胺层（9）图3.3苯胺水分离器物质流向图已知40苯胺在水中的饱和溶解度为3.83%，水在苯胺中的饱和溶解度为5.71%根据物料平衡，列方程组求解：设水层流出流量为X (kg/h)，苯胺层流出流量为Y (kg/h) 求得 (kg/h) (kg/h)1）水层出料中苯胺 (kg/h) 水 (kg/h) 2）.苯胺层出料中苯胺 (kg/h) 水 (kg/h) 焦油 48.06 (kg/h)苯胺水分离器物料衡算见表3.3。表3.3苯胺水分离器物料衡算表序号流量kg/h重量%流量kg/h重量%流量kg/h重量%苯胺6262.1471.4181.583.83617693.6水2459.4028.042048.4296.173745.63焦油48.060.5548.060.77注：苯胺水分离器粗苯胺进料；水层出料；苯胺层出料。3.1.7 苯胺精馏塔苯胺精馏塔是产品苯胺的最终精致设备，该装置对塔顶苯胺产品的组分有严格要求，而对塔底的排焦则要求不高。因此，苯胺精馏塔只要径流段来确保产品苯胺的质量。可根据产品的含量和进料含量求得排焦量，如图3.4。图3.4 苯胺精馏塔物料流向图1）产品苯胺（14）含：苯胺(kg/h) 6243.8 水(kg/h) 6.2 2）排焦（15）工艺允许10%20%的苯胺作为废渣焦油排出，因此精馏塔塔釜出料（15）为 (kg/h)。含：苯胺 (kg/h) 焦油48.06 (kg/h) 3）苯胺精馏塔进料（13）=（14）+（15）含：苯胺 (kg/h) 水 6.2 (kg/h) 焦油 48.06 (kg/h) 苯胺精馏塔物料衡算见表3.4。表3.4 苯胺精馏塔物料衡算表序号粗苯胺苯胺排焦流量kg/h重量%流量kg/h重量%流量kg/h重量%苯胺6796.5499.26243.899.9552.7492水6.20.0916.20.1焦油48.060.70948.0683.1.8 循环氢循环氢物质流向见图3.5。图3.5循环氢物流图1）氢气中有75%作为循环氢使用2）循环氢量 (kg/h) 氮气 (kg/h)3）进反应器的氢气含：氢气 (kg/h)氮气 (kg/h)循环氢物料衡算见表3.5。表3.5 循环氢物料衡算表序号进料氢气反应氢气循环氢流量kg/h重量%流量kg/h重量%流量kg/h重量%氢气1715.298428.8981286.498氮气34.828.7226.12第四章 苯胺生产的设备设计与选型4.1 反应器设计反应器是化工生产流程中的中心环节，反应器的设计往往占有重要的地位。反应器的设计主要包括：反应器选型；寻找合适的工艺条件；确定实现这些工艺条件所需的技术措施；确定反应器的结构尺寸；确定必要的控制手段等。 4.1.1 反应器选型及主要工艺参数流化床反应器是苯胺装置的核心设备，该设备是在270反应温度的条件下进行的，将合格的硝基苯及氢气等原料的混合气体从流化床反应器底部通入设备内，进行流态化加氢反应制取苯胺( 反应催化剂是以硅胶为载体的单铜) ，且苯胺转化率不低于95%。流化床反应器的性能优越与否对整个苯胺装置的性能起到决定性的作用。流化床反应器的主要设计参数如下:反应温度 270 反应压力 0.4MPa触媒再生温度 400 出口含尘浓度 100mg /m3催化剂堆积密度 62kg /m3 催化剂颗粒密度 1000kg /m3催化剂粒度 104 290m 转化率 95%硝基苯消耗定额 1345kg /t 氢气消耗定额 900kg /t硝基苯: 氢气 1 9 设备材料 16Mn4.1.2 结构设计目前国内流化床反应器结构主要有3 种: 锥体形( 锥角一般小于10度) 、异径圆柱体形( 上段直径比下段直径大) 和等直径圆柱体形( 上段与下段直径相等) 。本项目中流化床反应器为等直径圆柱体形，其结构如图4.1所示。图4.1流化床反应器设备结构图 4.1.3 流化床直径和高度的确定(1) 流化床反应器的直径是流化床设计最重要的工艺尺寸，一般根据流量方程式V = 3600D2U/4 求解流化床直径，其中，V 为气体处理量，U 为操作速度。确定操作速度之前，应先计算临界流化速度和带出速度。确定操作速度时必须与其他因素进行综合考虑，但很多文献仅给出了操作速度的最高界限。由于硝基苯加氢反应是快中速反应，应该吸附控制，故操作速度不宜太高。又因反应热较大，为保持反应在适宜的温度下进行，床内设置了许多传热构件。参照国内流化床实际运行的操作速度，此次设计选择 U = 0.47m/s，以此计算出流化床直径。 本流化床反应器设计硝基苯的处理能力为 8.36t/h。气体处理量为5413m3/h硝基苯和氢气的混合气体，即1.5m3/s。 床层直径 ： D=圆整后得D = 3700mm。(2) 流化床反应器高H一般H:D=7:1，将D=3.7代入得到H=25.9,取H=26m4.1.4流化床壁厚 流化床反应器的操作温度为270摄氏度，操作压力为0.4Mpa，设计温度为300摄氏度，设计压力为0.5Mpa，由于压力较高，因此选择16Mn材料，该种材料在设计温度下的许用应力为170Mpa，流化床体采用双面对接焊，局部无损探伤，取流化床体焊接接头系数为=0.85，壁厚的附加量取C1=0.8mm C2=2mm。流化床壁厚的计算公式如下： 代入得：td=8.4mm考虑到流化床较高，风载荷有一定影响，取反应器的设计壁厚为9mm，流化床体的有效厚度为te=tn-c1-c2=6.2mm。筒体的应力计算公式如下：代入得：t=140.44Mpa 许用应力t=170 x 0.85=144.5Mpa140.44Mpa,应力校核合格。 锥形段阶段为反应气体的预分布阶段，未发生反应，温度较低直径较小，因此壁厚更小，但为考虑选材与安装的方便性，其壁厚也选取为9mm。4.1.5椭圆封头由于反应器压力较低，封头承压不大，因此选用应用最为广泛的椭圆封头。设计压力为0.5Mpa，设计温度为300摄氏度，腐蚀裕量为2mm，封头焊缝系数为0.85。 封头高度取1m。 选择材料为16Mn材料，在设计温度下，其许用应力为170Mpa。封头厚度按下式进行计算代入得： 设计厚度：考虑到便于焊接，故选取封头厚度为9 mm。4.1.6水压试验及其强度校核 水压试验的试验压力有pT=p+0.1=0.6Mpa, pT=1.25p=0.625Mpa,取两者中大值，即pT=0.625Mpa。 水压试验时壁内应力按下式计算：代入得到：T=219.8 Mpa 已知16Mn材料在常温下的屈服强度为s=345Mpa，计算0.9s=310.5Mpa 可以知道水压试验时筒体壁内应力小于0.9s，水压试验安全。4.1.7旋风分离器 在流化床顶部，为防止小粒径催化剂颗粒随气体被带出，故在本设计中流化床设立二级旋风分离器， 旋风分离器的布置和结构：一级旋风分离器的料腿下伸到床底部，下料腿端部安装锥形堵头，使催化剂能够随自下而上的气流进入下料管内。二级旋风分离器下料腿置入床层稀相区，下料腿端部安装挡风帽和翼阀。4.1.8 主反应器设计结果主反应器最终设计结果如下：表4-1 主反应器设计表项目名称主反应流化床反应器操作介质硝基苯和氢气混合气操作流量 m3/h5413操作压力 MPa0.4操作温度 270密相段气速 m/s0.47流化床直径 m3.7流化床高度 m26流化床壁厚mm9封头壁厚mm94.2 精馏塔的设计本设计采用连续精馏流程，饱和液体进料。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。塔釜采用饱和蒸汽间接加热，塔底产品冷却后送至储罐。 原料：苯胺、水 处理量：6598 kg/h 原料组成（苯胺的质量分率）：94%操作压力、回流比、单板压降：自选进料状态：饱和液体进料塔顶产品浓度：95%塔底苯胺含量不低于99.9%（质量分率）塔顶采用全凝器，泡点回流塔釜：饱和蒸汽间接/直接加热 冷却水温度：2035塔板形式：筛板 生产时间：8000小时 4.2.1 精馏塔的物料衡算1原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率水的摩尔质量 苯胺的摩尔质量 2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 3物料衡算原料处理量 总物料衡算 苯物料衡算 联立解得 4.2.2 塔板数的确定1理论板数的求取(1)相对挥发度的求取苯胺的沸点为184.1，水的沸点为1001 当温度为100时 解得，2 当温度为184.1时 解得，则有 (2)最小回流比的求取由于是饱和液体进料，有q=1，q线为一垂直线，故，根据相平衡方程有最小回流比为回流比为最小回流比的1.2倍，即(3)精馏塔的气、液相负荷(4)操作线方程精馏段操作线方程 提馏段操作线方程 两操作线交点横坐标为 理论板计算过程如下总理论板数为13，精馏段理论板数为7，第8块板为进料板。2实际板数的求取取全塔效率为0.5，则有4.2.3 工艺条件及有关物性数据的计算1. 操作压力的计算塔顶的操作压力 每层塔板的压降 进料板压力 精馏段平均压力 2. 操作温度的计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸汽有安托尼方程计算，计算结果如下：塔顶温度 进料板温度 精馏段平均温度 3. 塔顶平均摩尔质量的计算由理论板的计算过程可知，进料板平均摩尔质量的计算由理论板的计算过程可知，精馏段的平均摩尔质量为4. 平均密度计算 气相平均密度计算由理想气体状态方程式计算，即 液相平均密度计算液相平均密度计算依下式计算，即：塔顶液相平均密度的计算。由，查液体在不同温度下的密度表得： 进料板液相平均密度的计算。由，查液体在不同温度下的密度表得： 精馏段的平均密度为：5. 液体平均表面张力的计算液相平均表面张力依下式计算，即：塔顶液相平均表面张力的计算。由，查液体表面张力共线图得： 进料板液相平均表面张力的计算。由，查液体表面张力共线图得： 精馏段平均表面张力为：6. 液体平均黏度计算液相平均黏度依下式计算，即：塔顶液相平均黏度的计算：由，查液体黏度共线图得： 精馏段液相平均黏度的计算：由，查黏度液体共线图得： 精馏段液相平均黏度为：4.2.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算1. 塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为：由，式中C由求取，其中由筛板塔汽液负荷因子曲线图查取，图横坐标为取板间距，板上液层高度，则查筛板塔汽液负荷因子曲线图得取安全系数为0.6，则空塔气速为：按标准塔径圆整后为。塔截面积为：2. 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为：提馏段有效高度为：在进料板上方开一人孔，其高度为0.7m，故精馏塔的有效高度为：4.2.5 塔板主要工艺尺寸的计算1. 溢流装置计算因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：1 堰长 2 溢流堰高度由，选用平直堰，堰上液层高度由下式计算，即：近似取E=1，则取板上清液层高度故2. 塔板布置 塔板的分块。因，故塔板采用分块式。查塔板块数表得塔板分为4块。 边缘区宽度确定：取， 开孔区面积计算。开孔区面积计算为：其中 故 筛孔计算及其排列选用钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为：筛孔数目n为：开孔率为：气体通过筛孔的气速为：4.2.6 精馏塔设计结果最终设计结果如下：表4.2 精馏塔设计表序号项目数值123456789101112131415161718平均温度平均压力气相流量液相流量塔的有效高度实际塔板数塔径/m板间距溢流形式降液管形式堰长/m堰高/m开孔区面积/筛孔直径/m筛孔数目孔中心距/m开孔率/%筛孔气速/(m/s)126.68110.21.10490.00199.5241.40.40单溢流弓形0.9240.0491.1190.00557450.01510.19.78第五章 非工艺部分5.1 公用工程5.1.1 给排水（1）工业水系统 从自然水源取得的原水经处理后提供给化工装置所需的水，一般称为工业水。大型化工装置一般设置水厂，由水厂供应各用户工业水，工业用水一般不经过消毒、杀菌流程；小型装置也有直接使用城市自来水厂的供水。使用地下水作自然资源，如规格符合要求，也可不经处理直接用作工业水。本工厂配给水处理系统，可直接满足工业用水的需求。产生的工业水主要用于循环水的补充；锅炉给水的补充水；公用工程站用水；场地冲洗水；消防水池的水源；储罐的冷却喷淋水；换热器的冷却水等。（2）冷却水系统 冷却水为冷却器和冷凝器及泵、压缩机或其他需冷却的设备提供冷却介质。这里主要介绍作为冷却器和冷凝器的冷却水。冷却水的温度为20。5.1.2 供电（1）设计原则 设计电气设备和选择材料时，需要充分考虑建厂地的气候和环境。配电电压等级按基础工程设计数据中所列执行，务必满足全厂用电需求。配电系统的设计、安装需满足最短路线要求，且方便运行经济可靠。项目工艺装置生产过程连续性强，自动化水平高，且生产过程中的大部分物料为易燃易爆物质，突然中断供电可能造成爆炸及火灾，危及人身和设备安全，造成重大或较大经济损失，所以工艺生产装置用电设备大部分为二级用电负荷，部分为三级用电负荷。一级用电负荷主要包括应急照明、关键仪表负荷、开关柜的控制电源、消防负荷及部分重要的工艺负荷。行政区域部分。行政区域部分为二级用电负荷，大部分为三级用电负荷。（2）电气设备的设计 工厂总降压变电所的各种高压电气设备，主要指6-10 千伏以上的断路器、隔离开关、负荷开关、熔断器、互感器、电抗、母线、电缆支持绝缘子及穿墙套管等。这些电气各自的功能和特点不同，要求的运行条件和装设环境也各不同，但也具有共同遵守的原则。电气设备要能可靠的工作，必须按正常条件进行选择，并且按短路情况进行稳定检验。对于供电系统高压电气设备的选择，除了根据正常运行条件下的额度电压、额度电流等选择条件外，还应该按短路电流所产生的电动力效应及热效应进行校验。5.1.3 采暖和通风系统 为排除厂房内余热、余湿、有害气体以及蒸气、粉尘等，维持工室内空气的温度、湿度和卫生要求，以保证良好的工作环境和产品质量，本集成工厂对全厂范围进行设计，包括生产装置区、辅助生产区、生活管理区、成品仓库及储罐区等，设计范围及要求如下：（1）按照各车间生产实际情况，结合相关设计规范设计各车间通风设施。（2）按照各房间空气调节的设计参数，提出对空调的要求；相关空调的设计、 安装由空调提供方依据相关行业标准及设计规范进行设计5.2 安全防火5.2.1 燃烧爆炸的原因 操作人员在处理危险品时，未严格遵守操作规程。 未使用防爆型的通风系统和设备。 危险品灌装时流速过快，未安接地设施导致静电积聚。 储罐满罐，储罐、容器或管路损坏，阀门关闭不严，罐车损坏以及检维修等都可能使可燃易爆物的泄漏，引起爆炸燃烧。容器及管道内混入杂质气体超过爆炸极限，引起爆炸。 现场有火种、热源、静电等。5.2.2 消防安全措施（1）基础消防措施 在焊缝口、管道接口等易泄露的区域设置可燃气体监测报警装置。选用防爆型电气设备、仪表、开关等；采用可靠的避雷防雷保护及防静电接地措施；空调管道的材质采用不燃型玻璃钢；设备管线保温材料也选用不燃烧型。项目建筑物，其建筑构造、耐火等级、厂（库）房之间的防火间距、各建筑的安全疏散均按照建筑设计防火规范（GBJ 16-87）的有关规定设计，本工程的建构筑物的耐火等级不小于二级。生产车间为露天式建筑，可保证通风，传热。（2）生产过程的防火防爆 易燃易爆管线、设备在投料前用氮气吹扫，以排除系统中空气防止形成爆炸性混合物； 防止“跑冒滴漏”