毕业设计（论文）-年产10000吨苯乙酮生产工艺设计

哈尔滨理工大学学士学位论文 年产10000吨苯乙酮生产工艺设计 摘 要 苯乙酮是一种重要的化工原料，也是合成其他香料的重要中间体，主要用途有：1、作溶剂；2、作香料；3、用于合成苯乙醇酸、-苯基吲哚和异丁苯丙酸等，也用作塑料的增塑剂；4、可用于医药，有催眠性。、目前工业上采用乙苯空气直接氧化法制取苯乙酮。该方法转化率不高、选择性差，有待改进。由乙苯氧化制取苯乙酮对石油化工下游产品的开发，精细化工的发展具有重要的意义。本设计通过对反应原理以及氧化法生产工艺的分析，确定了年产10000吨CEVA的简要工艺流程，并根据绘图标准，绘制了带控制点的分散工艺流程图。同时，按照工艺流程，综合安全及操作方便等因素，利用AutoCAD2007绘制了厂房布置图。通过进行物料衡算和热量衡算，确定了主要设备的尺寸及型号，绘制了氧化反应釜和填料塔结构图。关键词 苯乙酮；氧化法；物热料衡算；工艺设计 全套图纸加扣3012250582The CEVA process design with an annual output of 10000 tonsAbstract The Chinese name of CEVA is vinyl chloride-vinyl acetate copolymer, and its prepared by the chlorinated EVA. CEVA is a kind of new polymer materials that develops up from the 1980s. At present, our country is mainly used carbon tetrachloride as a solvent of the chlorinated solvent production of the CEVA. However, carbon tetrachloride pollute the environment, and thus, its application is limited by the Montreal Protocol. Therefore, study on the non-solvent method of CEVA production technology is extremely important. In this design, I take environment protection, energy savings and lower cost into consideration, and finally select the aqueous suspension to produce the CEVA. The technology of aqueous suspension in the foreign has become increasingly mature, and because this method does not use organic solvents, the process is short, the cost is low, the pollution to the environment is little, development of this method has good prospects. But, this method needs to solve the problems of equipment corrosion and waste disposal. Based on the analysis of the principle as well as the production process of aqueous suspension method, the design identifies the brief process of an annual output of 1500 tons CEVA. And according to the drawing standards, I draw the flow diagram of the dispersion process and chlorination process with control points. And then, in accordance with the process, considering the safety operating convenience and other factors, I also design the plant layout and draw it by AutoCAD2004. By making the material balance and heat balance, I determine the size and type of major equipments, then draw the chlorination reactor and titanium tube floating head heat exchanger. Keywords: CEVA；Aqueous suspension method；Synthesis principle；Process design 不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 原料EVA的介绍11.1.1 EVA简介11.1.2 氯化反应中EVA的情况11.2 产品CEVA的介绍21.2.1 CEVA的应用21.2.2 CEVA应用前景31.3 CEVA工艺的选择41.3.1 溶液法41.3.2 水相悬浮法41.3.3 固相法51.3.4 制备CEVA工艺的选择51.4 本设计的目的和意义6第2章 CEVA的合成原理72.1 氯化反应机理72.2 氯化反应条件72.2.1 乳化剂和分散剂的选择72.2.2 引发剂的选择82.2.3 通氯量的选择82.2.4 设备腐蚀问题82.3 控制指标92.3.1 原料、产品的质量标准和生产控制指标92.3.2 生产控制指标一览表102.4 本章小结11第3章 CEVA的生产工艺流程及操作123.1 EVA粉末化工序流程123.2 EVA氯化工序工艺流程123.3 尾气处理工艺流程133.4 中和工艺流程143.5 真空干燥工艺流程153.6 本章小结15第4章 CEVA生产工艺设计计算164.1 氯化釜的确定164.2 分散釜的确定174.3 钛管冷凝器的计算和选型184.3.1 湿氯气中水蒸汽量的计算184.3.2 80水蒸汽转化为20水蒸汽和20冷凝水放热量计算184.3.3 氯气放热量计算194.3.4 总放热量Q194.3.5 每小时消耗冷却水量：194.3.6 平均温差194.3.7 设总传热系数为20W/m2K（接近管内气体）204.3.8 校核204.4 石墨冷却器的计算和选型254.4.1 关于热量衡算的相关知识254.4.2 计算264.4.3 校核274.5 本章小结29结论30致谢32参考文献33附录A34附录B49千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- V -第1章 绪论1.1 原料的介绍1.1.1 苯的简介苯（benzene， C6H6)有机化合物，是组成结构最简单的芳香烃，在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，其密度小于水，具有强烈的芳香气味。可燃，有毒，为IARC第一类致癌物。苯不溶于水，易溶于有机溶剂，本身也可作为有机溶剂。其碳与碳之间的化学键介于单键与双键之间，称大键1，因此同时具有饱和烃取代反应的性质和不饱和烃加成反应的性质。苯的性质是易取代，难氧化，难加成。苯是一种石油化工基本原料。苯的产量和生产的技术水平是一个国家石油化工发展水平的标志之一。苯具有的环系叫苯环，是最简单的芳环。苯分子里6个碳原子都以sp2杂化方式分别与两个碳原子形成键、与一个氢原子形成碳氢键。由于碳原子是sp2杂化，所以键角是120，并且6个碳原子和6个氢原子都在同一平面内。另外苯环上6个碳原子各有一个未参加杂化的2p 轨道，他们垂直于环的平面，相互重叠形成大键。每个碳碳键的键长相等，其数值介于碳碳单键和碳碳双键之间。由于大键的存在，使苯的结构稳定，难于发生加成和氧化反应，易于发生取代反应。苯可以由含碳量高的物质不完全燃烧获得。自然界中，火山爆发和森林火险都能生成苯。苯也存在于香烟的烟中。煤干馏得到的煤焦油中，主要成分为苯。直至二战，苯还是一种钢铁工业焦化过程中的副产物。这种方法只能从1吨煤中提取出1千克苯。1950年代后，随着工业上，尤其是日益发展的塑料工业对苯的需求增多，由石油生产苯的过程应运而生。现在全球大部分的苯来源于石油化工。工业上生产苯最重要的三种过程是催化重整、甲苯加氢脱烷基化和蒸汽裂化。我国纯苯行业市场稳定增长，国内纯苯产量还将保持15%左右的发展速度。预计2013年我国纯苯产量将达到748万吨，纯苯表现消费量将达到750万吨1.1.2 原料乙酐的简介乙酐全称乙酸酐，无色透明液体。有强烈的乙酸气味。味酸。有吸湿性。折光率极高。溶于氯仿和乙醚,缓慢地溶于水形成乙酸。与乙醇作用形成乙酸乙酯。相对密度1.080。熔点-73。沸点139。折光率1.3904。闪点54。自燃点 400。低毒，半数致死量（大鼠，经口）1780mG/kG。易燃。有腐蚀性。勿接触皮肤或眼睛，以防引起损伤。有催泪性。易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与强氧化剂接触可发生化学反应。1能使醇、酚、氨和胺等分别形成乙酸酯和乙酰胺类化合物。在路易斯酸存在下，乙酐还可使芳烃或烯径发生乙酰化反应。在乙酸钠存在下，乙酐与苯甲醛发生缩合反应，生成肉桂酸。缓慢溶于水变成乙酸。与醇作用生成乙酸乙酯。2乙酐是重要的乙酰化试剂，乙酐用于制造纤维素乙酸酯；乙酸塑料；不燃性电影胶片；在医药工业中用于制造合霉素；痢特灵；地巴唑；咖啡因和阿丝匹林；磺胺药物等；在染料工业中主要用于生产分散深蓝HCL；分散大红S-SWEL；分散黄棕S-2REL等；在香料工业中用于生产香豆素；乙酸龙脑酯；葵子麝香；乙酸柏木酯；乙酸松香酯；乙酸苯乙酯；乙酸香叶酯等；由乙酐制造的过氧化乙酰，是聚合反应的引发剂和漂白剂。1.1.3 产品苯乙酮的介绍1.1.3.1 苯乙酮理化性质苯乙酮，又称作乙酰苯，俗称安眠苯，沸点为202.3，相对蒸气密度（空气=1）为4.14，是最简单的芳香酮，分子式为，其中芳环与羰基直接相连。在自然界中，苯乙酮以游离态存在于一些植物的香精油种，纯品为无色晶体，或浅黄色油状液体，有类似于山楂的气味，微溶于水，易溶于多种有机溶剂，能与蒸汽一起挥发，氧化时可生成苯甲酸，还原时可生成乙苯，完全氧化时生成乙基环己烷。苯乙酮分子结构：甲基碳原子以杂化轨道成键，苯环与羰基碳原子以杂化轨道成键。苯乙酮能发生羰基的加成反应，活泼氢的反应，还可以发生苯环上的亲电取代反应，主要生成间位产物。1.1.3.2 苯乙酮的应用 苯乙酮是一种重要的化工原料，也是合成其他香料的重要中间体，主要用途有：1、作溶剂，具有沸点高、稳定、气味愉快等特点，溶解能力十分强，与环己酮相似；2、作香料，是山楂、含羞草和紫丁香等香精的调合原料，并广泛用于皂用香精和烟草香精中；3、用于合成苯乙醇酸、-苯基吲哚和异丁苯丙酸等，也用作塑料的增塑剂；4、可用于医药，有催眠性。、1.1.3.3 苯乙酮发展前景苯乙酮国内只有天津有一家在做，是采用老工艺生产，国内需求量不是很大，大约在1000吨左右。现在比较新一点的工艺是氧化法工艺，收率能达到90%以上，成本有一定的竞争力。产品质量也能达到国外意大利水平，含量大于98%。1.1.3.4 苯乙酮生产方法简介目前工业上采用乙苯空气直接氧化法制取苯乙酮。该方法转化率不高、选择性差，有待改进。由乙苯氧化制取苯乙酮对石油化工下游产品的开发，精细化工的发展具有重要的意义。苯乙酮可在三氯化铜催化下由苯与乙酰氯、乙酸酐或乙酸反应制取，该制备方法，设备简单，操作方便。另外由乙苯催化为苯乙烯时，苯乙酮为副产物。近年来随着研究不但推进，苯乙酮制备已经发展出了多种方法，鉴于相关技术和设备限制，还没有投入规模，苯乙酮现有制备方法主要有主要有：乙苯直接空气氧化法制取苯乙酮、钼钒磷杂多化合物催化氧化、过度金属化合物催化氧化、金属簇合物催化氧化、过渡金属络合物催化氧化、分子筛催化氧化等！具体方法介绍如下：1、无水三氯化铝做催化剂间歇生产苯乙酮对于苯乙酮的生产，传统生产方法是以无水三氯化铝为催化剂，由苯和乙酐直接进行反应。其主要化学反应方程式如下：用三氯化铝做催化剂，设备简单，操作简便，成本低，因其是间歇生产，不适合大规模生产，适用于小型企业生产，是当前主要生产方法。2、乙苯空气直接氧化法制取苯乙酮将醋酸钴固载于硅胶上，制成了固载化的钴催化剂，在固载化催化剂的作用下，以双氧水为氧化剂，以醋酸为溶剂，于80常压下，缓慢滴加H2O2反应4h，可将乙苯氧化为苯乙酮，最终产率达到80%。由乙苯催化氧化合成苯乙酮的诸多反应体系中，钴络合物的均相催化氧化反应转化率高，但产物分离困难，硅胶、沸石、分子筛等催化剂的多相催化氧化反应虽然分离简便，但转化率难以提高。3、各种催化氧化合成苯乙酮的方法在研究领域中，各种催化剂以及各种氧化剂都有深入的研究。下面就列举一些比较有重要意义的研究成果。（1）钼钒磷杂多化合物催化氧化Donato A等将乙苯在磷钨酸或磷铝酸盐一乙睛一过氧化氢体系以氧化剂:底物:催化剂=1000:120:1的配比回流24h后，得到了苯乙酮，其转化率为17%，选择性为81%。将乙苯的转化率提高至23.3%，苯乙酮选择性提高到87%。余雅琴等将各稀土元素引入杂多化合物，提高了催化剂的活性，合成了以铝的空缺杂多酸为配体的稀土铝钒磷配合物(NH4)15Ce(PMo9VzO39)26H2O和(NH4)15La(PMo9V2O39)25(H2O)，并将其应用于乙苯催化氧化制苯乙酮，前者转化率为35.2%，选择性为89.0%，后者转化率为39.9%，选择性为88.57%。反应条件为：乙苯5mmol，催化剂0.02mmol，乙睛10mL，30%H2O225mmol，反应温度70，反应时间4h。于剑锋等研究Dawson结构铝钒磷杂多化合物催化乙苯选择氧化的活性过程中发现，乙酸为该类反应的最佳溶剂，钒是催化剂中必不可少的活性中心元素，且钒元素的含量越大，乙苯转化率越高。在乙苯2.5mmol，杂多酸0.02mmol，冰乙酸15mL，H2O22.5mmol，反应温度80，反应时间4h条件下，乙苯转化率为32.7%，选择性为82.5%。（2）过渡金属络合物的催化氧化姜恒等研究了几种过渡金属盐及其络合物在乙苯液相氧化反应中的活性，发现二价Co离子的苯甲酸盐和二价Co离子的乙酰丙酮络合物对乙苯液相催化氧化活性较高，在其优化条件下，乙苯转化率为60.1%，选择性为63.6%。戚建英等合成了N-羟基一N苯基一2-吡啶甲酰胺(PPHA)含钴配合物Co(PPHA)2Cl2，用O2作氧源，研究了该配合物催化乙苯的氧化反应，在优化条件(O2压力1MPa，乙苯5mL，催化剂1mmolL-1，反应温度130，时间6h)下，乙苯转化率达64.0%，苯乙酮选择性81.4%。吕志凤等考察了以恒定流速空气作氧源，用异经肠酸N一苯甲酞-N-苯基经胺(简写为BPHA)的过渡金属络合物催化氧化乙苯合成苯乙酮的反应，发现在56h内催化剂活性顺序为Cu(BPHA)2 Co(BPHA)2 Fe(BPHA)2 Mn(BPHA)2 Ni(BPHA)2，还发现助剂对反应的加速作用顺序为甲甘醇三甘醇18-C-6正辛醇。细胞色素P-450酶催化也能选择性地氧化不活泼的C-H键。Shun-IchiMurahashi等在用金属络合催化剂模拟细胞色素P-450酶功能的研究过程中，发现了用烷基氢过氧化物在钌催化下氧化烷烃，只需温和反应条件就得到相应的酮和醇，其中有钌催化叔丁基氢过氧化物对乙苯氧化合成苯乙酮的实验，转化率为47%，选择性91%。（3）过渡金属化合物的催化氧化铁化合物可以用于乙苯的催化氧化，由醋酸亚铁或氯化亚铁一醋酸一锌粉一吡啶组成的GIFIV氧化系统，能在苄位氧化，将乙苯氧化成为苯乙酮，转化率为7.0%9.4%。除了铁之外，钯、锗等化合物也用作乙苯选择氧化的催化剂。金属簇化合物的催化氧化于剑锋等合成了钒砷氧簇合物N (CH3)44 AsAV404(8H2O)，并用于乙苯的过氧化氢选择氧化，结果在优化条件乙苯2.5mmol，乙酸10mL，过氧化氢2.5mmol，温度70，时间4h下，乙苯的转化率为34.7%，苯乙酮的选择性为87.6%。（4）金属卟啉化合物的催化氧化傅伟昌等合成了TPPMnCI卟啉催化剂，用于催化空气氧化乙苯合成苯乙酮的反应，得到了较好的选择性。在乙苯0.2mol、空气10Lh-1，锰卟啉0.015mmol、反应温度85、反应时间10h的条件下，乙苯转化率2.8%，选择性72.9%。韩晓祥等将高价过渡金属盐或氧化物与金属酞菁组成了一类催化体系，发现该体系各物质在乙苯的液相催化氧化中具有显著的协同效应，提高了催化活性。如CoP与MnO2组成的体系在以下条件：O2压力0.1Mpa，CoPc的量210-5mol，乙苯80mmol，反应时间6h，乙苯转化率为32.7%，苯乙酮选择性87.3%。（5）分子筛的催化氧化乔庆东等合成了Ti-MCM-41分子筛，并用之于乙苯的催化氧化反应，在优化反应条件为n(Si):n (Ti)=30:1，催化剂300mg，n(H2O2):n(乙苯)为3:1、反应时间10h、反应温度60、以甲醇为溶剂时，乙苯转化率为3.36%，苯乙酮选择性为78.0%。而Nawal Kshor Mal等制备的分子筛催化氧化乙苯，转化率达25.5%，苯乙酮选择性为57.7%。总之，进入21世纪，环境污染问题日益受到人们关注，环境友好成为化工生产的必然趋势，化学反应要在工艺设计、操作条件、催化剂及试剂选择方面充分考虑绿色化学要求。由乙苯催化氧化合成苯乙酮的诸多反应体系中，杂多化合物和配位化合物的均相催化氧化反应固然转化率高，但产物分离困难，沸石分子筛等催化剂的多相催化氧化反应虽然分离简便，但转化率难以提高。由于杂多酸催化剂的特殊性，从技术经济角度考虑，过渡金属络合物多相催化双氧水氧化乙苯应该是一个较理想的研究方向。1.2 设计目的及意义21世纪既是经济的世纪也是环保的世纪，一个合理的生产工艺须结合经济与环境双重标准，苯乙酮制备方法中，用三氯化铝作为催化剂，与乙酐反应，该生产方法设备简单，操作方便，但是由于是间歇生产，难以规模化生产，生产工艺较为落后，对环境影响严重，好在成本较低，适合于小型企业的生产。其他生产方法比如以双氧水和氧气为清洁氧源，代替化学计量氧化剂实现乙苯绿色选择性氧化合成苯乙酮的技术受到了人们的普遍重视，并取得了一些重要进展。但是由于相关技术不够精湛纯熟，对设备等要求较高，对企业经济实力和吸收消化能力是一种考验，综上所诉，选择一个合理的生产工艺直接关系到企业的生死存亡，关系到国家的经济发展和环境治理，选择合理工艺路线举足轻重！1.3 本课题的研究内容和目的随着我国经济的大力发展，越来越多的苯和乙酐被生产出来，合理的利用苯和乙酐，使其产生更大的经济效益是生产企业急需解决的问题。为此开展对苯乙酮生产工艺及应用技术的研究，进而根据生产要求设计出年产10000吨苯乙酮的生产设备可谓是应市场之需求将理论研究与生产实际结合，真正做到了学有所用。既丰富自我的同时又解决了社会及市场的难题，具有重要的理论研究意义和实践意义。1.3.1 研究的内容在当前形势下，指导老师制定了本设计任务。本设计任务主要从生产需求出发设计了对苯乙酮生产的整个生产工艺流程、进行了反应釜、中和釜及填料塔等生产设备的设计计算，并进行生产车间的设备布置设计。1.4 本章小结 本章对苯乙酮产业做了粗略的介绍，介绍了对苯乙酮以及苯和乙酐的性质和用途；通过对近年来国内外市场的供需来推断苯乙酮产业的现状和发展前景；列举了最近国内生产苯乙酮的一些先进生产方法，阐明了这次课程设计的目的及研究内容！第2章 生产流程的确定2.1 制备方法的选择用无水三氯化铝作催化剂存在一些缺点：酰基化反应是间歇的，难以大批量生产；无水三氯化铝质量是其成功的关键，高品质的无水三氯化铝往往较贵，使该生产成本过高。但是用无水三氯化铝作催化剂生产苯乙酮，大多数中小企业往往采用间歇式生产法，该法工艺比较成熟，有着设备简单，操作方便等优点，因此，选择无水三氯化铝作催化剂制备苯乙酮进行生产设计。2.1.1 生产流程简述在搪瓷反应釜中加入苯，开启搅拌，在加入无水三氯化铝，然后开始滴加乙酐，调节加料速度，使反应平稳地进行，并保持反应温度在50以下。反应生成的氯化氢尾气进入尾气吸收系统，副产物为浓盐酸。滴完后继续反应，控制总反应时间在20h左右，过程中用气象色谱仪跟踪分析。当乙酐转化完全后，停止反应，像釜中加入冷水急冷料液。并破坏催化剂，搅拌0.5h至料液呈现乳白色。静置分层，分去下层的酸和铝盐溶液。油层分为两层，上层为未反应的苯，回收套用：下层为苯乙酮粗品。分离出该粗品置于水洗釜中，用少量水洗涤，再用少量氢氧化钠溶液洗涤，最后用水洗至中性，然后将此料液抽到精馏釜减压精馏，收集90(2666Pa)的馏分即得成品。2.2 本设计的目的和意义 苯乙酮生产方法就目前我国情形来看，大致分为两类，一类是技艺比较保守落后的以三氯化铝为催化剂，苯和乙酐反应制取，还有就是现在比较先进的通过各种催化剂催化的氧化法制取，前者生产工艺落后，产率较低，而且污染环境，但是设备简单，操作方便，后者虽产率高，但是对设备要求较为严格，经费较高。此次设计旨在寻求两者之间的平衡，对环境污染减轻，对设备要求也不是太高的生产工艺。采用第一种生产方法另外对生产所产生的废气废液进行妥善处理，既可以减少人力物力投资，又不污染环境。本课题对国内研制开发生产苯乙酮工业提供一定的参考和帮助。开发研究苯乙酮生产工艺，不仅填充了国家苯乙酮生产工艺，扩大了苯乙酮生产门路，保护了环境，减少的不必要经费，提高了国家的经济效益。2.3 本章小结本章通过全面权衡挑选了三氯化铝做催化剂进行苯乙酮生产，并对生产工艺进行了详细介绍，阐述了设计目的。- 50 -第3章 苯乙酮的合成原理及物热料衡算3.1 反应机理3.2 搪瓷反应釜物热料衡算3.2.1 搪瓷反应釜物料衡算3.2.1.1 衡算依据（采用间歇生产，以一批的量为计算基准）1、双组份物质精馏减压后苯乙酮与苯沸点相差不大，采用间歇精馏，所以只有精馏段没有提馏段，原料一次加入釜中，浓度随操作不断降低，呆釜液将至规定值后一次排出。2、最后精馏塔塔顶获得苯乙酮质量分数为99%，苯质量分数为1%。3、由水洗釜出来原料液剩下苯乙酮和苯，假设苯乙酮粗产品中苯乙酮质量分数为92%，苯质量分数为8%。4、原料组成：苯纯度99%（质量分数），乙酐纯度99%（质量分数），无水三氯化铝（工业级）。5、采用间歇生产，完成一次反应需20h，辅助时间4h每天可进行一次投料。6、原料配比：生产1000kg苯乙酮需无水三氯化铝3950kg，99%的苯720kg，99%乙酐894kg。7、反应转化率100%，为了让乙酐完全转化，加入的苯过量，按苯：无水三氯化铝：乙酐=5:3.2:1的比例进行投料。但收率是85%。8、按工作日为每年300天，设计余量为6%，苯乙酮生产能力为3.2.1.2 物料衡算流程框图物料衡算流程框图如图3-1苯原料罐乙酐罐反应釜粗产品罐粗产品罐水洗釜精馏塔产品罐氯化氢吸收系统氢氧化钠储罐 图3-1 物料衡算流程框3.2.1.3 搪瓷反应釜物料衡算（以一天为计算单位）苯乙酮生产能力为实际纯苯乙酮产量为收率为85%，反应转化率100%，按苯：无水三氯化铝：乙酐=5:3.2:1的比例进行投料。欲生成规定产量的苯乙酮需要投入乙酐的质量流量为对应乙酐的摩尔流量为欲生成规定量产品需要投入无水三氯化铝的质量流量为对应三氯化铝摩尔流量为原料苯需投量为对应投入苯摩尔流量为又生产1000kg苯乙酮需无水三氯化铝3950kg，99%的苯720kg，99%乙酐894kg乙酐消耗量为对应摩尔流量为原料苯消耗量为对应摩尔流量为无水三氯化铝消耗量为 对应摩尔流量为根据前面计算所得可以计算出参加副反应的乙酐质量流量为对应摩尔流量为未反应苯质量为对应摩尔流量为未参加反应流量为对应摩尔流量为生成乙酸质量流量为进出反应釜物料衡算表如表3-1表3-1 进出反应釜的物料衡算表组成输入输出质量，kg质量分数，%质量，kg质量分数，%苯42.4534.41无水三氯化铝46.452.45乙酐11.100苯乙酮00 11.1乙酸005.55氯化氢001.15铝盐（溶液）0045.31总计1001003.2.2 搪瓷反应釜热量衡算3.2.2.1 衡算依据1、反应温度50，反应器进口物料温度为25，反应结束经冷却后温度为25。2、冷凝水温度由18上升至25。2、各物质25下燃烧热如下表3-2。表3-2 物质25下燃烧热物质苯乙酐苯乙酮乙酸cH298，kJmol-13275.331808.284374.78 874.373、各物质0120的平均定压比热容如下表3-3。表3-3 物质0120的平均定压比热容物质苯乙酐 苯乙酮乙酸水，kJkg-1k-11.7201.6312.0474.1804、热量衡算满足方程式： Q1+Q2+Q3=Q4+Q5Q1物料带入热 Q2反应过程放出的热Q3夹套中水带走的热 Q4产物所带的热Q5热损失5、因为热量衡算过程不仅包括化学反应放热，还包括温度变化引起的热量变化，所以需把衡算过程分如图3-2进行，后用Hess进行衡算H2H3H125反应物料25反应物料25反应物料25反应物料H图3-2 热量衡算过程3.2.2.2 搪瓷反应釜热量衡算假设热丽学途径是由三部分构成：1、进料口25升温至50；2、在50下进行化学反应；3、反应产物由50降温至25。若热量取的5%则反应结束后，混合液进入储罐，夹套内通冷凝水使其降温，温度由50将至25，则降温所释放的热量为：即通过的18的冷凝水进行降温。 3.2.3 精馏塔物料衡算3.2.3.1 衡算依据1、由反应釜出来的苯乙酮粗品中含有苯乙酮、苯、水、酸和铝盐，在常温下进入水洗釜。在水洗釜中先用少量水进行冲洗，再用少量NaOH溶液进行冲洗，最后用水洗至中性。此过程是为了除去酸、盐溶液。2、由水洗釜出来的原料液剩下苯乙酮、苯。假设苯乙酮粗品中，苯乙酮含量为90%（质量分数），则苯占10%。3、反应釜出来的物料混合后进入水洗釜水洗，后由泵打入精馏塔，精馏时间设定为15h,辅助时间为5h。4、塔进料温度25，塔釜出料温度90，塔顶平均温度为90，塔内压力为2666Pa。5、原料液组成如表2-4所示表3-4 一次加入原料液组成组分苯乙酮苯总量摩尔流量，kmol291.13649.833340.969摩尔百分数，%85.3814.62100质量，kg3.2.3.2 精馏塔物料衡算设定最后塔顶苯乙酮质量分数为99%，苯质量分数1%，设计年产量10000吨苯乙酮，一年运行300天。精馏塔塔顶99%苯乙酮的出料量为则对应摩尔流量为所以根据 (3-1)得 W= 又根据 （3-2） 得0.35854 对应摩尔流量为所以精馏塔物料衡算如表3-5表3-5 精馏塔物料衡算表苯乙酮苯合计塔釜物料质量流量，Kg质量分数，%35.85464.146100摩尔量 ，Kmol16.52962.311摩尔分数 ，% 26.5373.41100塔顶出料质量流量，Kg333.3质量分数，%991100摩尔量 ，kmol277.4034.273281.676摩尔分数 ，%98.481.52100进料质量流量，Kg质量分数，%9010100摩尔量，kmol293.93250.055343987摩尔分数85.3814.621003.2.4 精馏塔热量衡算3.2.4.1 衡算依据1，如图3-3热量衡算式：式中进塔物料带入热 夹套加热带入热 塔顶馏出物带出的热热损失 塔釜最后物料带出热 图3-3 精馏塔热量得失示意图2、塔进料为25的混合液体，已查得在0120下各物质的平均比热容数值如表3-6。表3-6 物质的平均比热容物质苯苯乙酮，kJkg-1K-11.7201.631苯和苯乙酮在090的平均比热容近似使用0120的数据。3、塔顶产品温度为90，苯和苯乙酮在090的平均比热容近似使用0120的数据。4、塔釜产品平均温度为90，苯和苯乙酮在090的平均比热容近似使用0120的数据。3.2.4.2 计算基准3.2.4.3 热量衡算1、 塔进料带入热量计算进料中苯乙酮质量分数为90%，苯质量分数为10%，故进料混合液在090平均比热容为：所以2、 塔釜中苯乙酮质量分数为35.854%，本质量分数为64.146%，故塔釜混合液在090平均比热容为：所以3、 塔顶中苯乙酮质量分数为99%，苯质量分数为1%，故塔顶混合液在090平均比热容为：所以4、 热量损失忽略热损失，则5、求夹套带入热和夹套加热蒸汽量把各项热量的数值带入所以：设夹套用232.19的水蒸汽进行加热，温度为130，汽化热为2191 ，则加热蒸汽用量为热量衡算见表3-7表3-7 热量衡算表投料塔顶蒸出液塔底物料夹套平均比热容，kJkg-1K-11.6401.6321.688热量Q，kJ3.3 本章小结本章通过写出了苯乙酮生产反应原理，绘制了苯乙酮生产工艺流程框图，进行了搪瓷反应釜的物热料衡算，通过填料塔的能量得失图对填料塔进行了物热料衡算，为接下来的设备选型提供了相关数据支撑。第4章 设备的选型和设计计算4.1 搪瓷玻璃反应釜设计4.1.1 罐体的确定进入反应釜的混合液平均密度在手册上查不到，可根据混合物中各液体组成进行粗略估算，按照体积加和公式进行近似计算。体积加和公式：各组分080下密度如下表4-1表4-1 物质密度表物质苯乙酐苯乙酮AlCl乙酸比重，gcm-10.87861.08201.02812.441.049则代入数据得 则搪瓷釜操作容积为选用13个反应釜并联进行反应，则每一个反应釜体积为：物料在反应过程中并不沸腾，可取0.94，所以每个反应釜实际容积为，圆整为20，设长径比为1.2。则，。初步设计筒体的直径为按标准圆整到2.8。选用F型反应釜（型号为HG/T2372-92），规格：，椭圆形圆形封头的规格：曲面高度为700mm，直边高度为50mm，内表面积为8.9383，容积为=3.1814 .则：，设的长径比为1.2，所以基本符合设计的要求。4.1.2 整体夹套的确定根据操作压力和温度选择。，。普通碳素钢屈服极限为235，等级为A级，GB3274，=123.6。夹热套高度 其中为装料系数，0.60.85，取0.7带入相关数值得：选用整体夹套选用整体夹套里的1型夹套，仅圆筒的一部分有夹套。mmmm取下面两个式子的最大值：b不小于于中的较小值，不小于。C1=0.8mm，C2=2mm，C= C1+ C2=0.8+2=2.8mm；mm，所以mm，设16mmmmmm则取=26.4mm，=16mm。4.1.3 筒体厚度的确定操作压力为0.1，温度为50，直径为2800mm，采用TB/T4375-1997进行设计。厚度：，=0.199MPa，=2800mm，MPa,双面对接无损探伤， mm设计厚度C2=3.429+2=5.429mm，取C1=0.5mm(假设钢板在4-10mm内)名义厚度mm，圆整后为6mm。检查=6mm时，C1无变化，故取=6mm合适。4.1.4 反应釜水压测试=134.44MPa， MPa，有效壁厚（C1+ C2）=6-2.5=3.5mm，=235Mpa。对筒体进行压力试验时的应力为T =81.00104，后弯叶与直叶Np相同。假设低聚对两者影响相同，则N需要=（3/2.5）3.36=4kw4.1.6 传热面积的计算选择为夹套传热。 Q=KA()式中，分别为夹套内和釜内垢层厚度，由于釜内每次装填料都要清洗，所以可忽略。设为0.3mm，=1.98Kcalm-1h-1-1，=45.35 Kcalm-1h-1-1=862.378wm-2K-1水的对流传热系数wm-2K-1=615.04wm-2K-1所以传热面积为：m2去除打孔，热散失，圆整为30m2。4.1.7 工艺接管及观测部件4.1.7.1 加料管（1小时加料）选用法兰连接的加料管。容易抽出，清洗和检修，比较方便。备用的加料口总共有四个，a，b，c，d=150mm，选型为。苯与乙酐组成液体含量为：苯79.28% 乙酐20.72% 因为分为13个反应釜，所以每个反应釜加料体积为：则对于每个反应釜进料管直径为0.06642m，所以选用管径为的标准管进料4.1.7.2 卸料管 （1.5个小时卸料） =1437.83kgm-3则对于每个反应釜卸料体积为：:则选用标准的接管。4.1.7.3 温度计套管连接方式的确定温度计套管连接方式采用法兰连接。4.1.8 传动装置及搅拌轴的设计4.1.8.1 传动方式采用直连方式电动机选择JQ3系列三相异步电动机，采用L3安装形式。电动机功率为： 由于该工艺是在低压，低转速的状态下进行的，所以采用填料密封，并采用摆线针齿行星减速机，选型为BLD-5.5-5-59型。选用JXLD型机座与其配套使用。4.1.8.2 轴的选型 由于该反应液体为低粘度溶液，所以选择碳钢搅拌器的轴，强度校核可以不必计算，直接选型。轴的直径为62.3mm，圆整为63mm。1、轴强度的校核轴扭转的强度条件是 2、 轴刚度的校核 校核满足的条件是 轴扭转变形的变形角 G 搅拌轴材料的剪切弹性模量MPa,一般为8.1 10 MPa 轴截面极惯性矩 则 因为反应釜的直径Di=2800mm，为了使搅拌彻底，可选35mm的轴径。 4.2 反应釜的换热器设计反应釜上方的换热器是作回流冷凝用的，在此过程中只有水经过换热器。每个反应釜均配备一个冷凝器。4.2.1 确定设计方案4.2.1.1 设计依据1、两流体温度变化情况：热流体进口温度50，出口温度25；冷流体（循环水）进口温度18，出口温度25。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，因此初步确定选用固定管板式换热器。2、由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，物料走壳程。选用的碳钢管，管内流速取 ui =0.5ms-1。4.2.2 确定物性数据定型温度可选流体进口温度平均值。壳层定型温度为管程流体定型温度为根据定型温度分别取有关物性数据将浓盐酸的物性数据近似取为30%盐酸水溶液在37.5下的物性数据，数据如表42表42 浓盐酸37.5下物性数据物性密度比汽化热导热系数粘度数值11402696.30.4650.00135循环冷却水在21.5下相关数据如表43表43 循环冷却水在21.5下相关数据物性密度比热容导热系数粘度数值997.834.181650.601850.000974 4.2.3 总传热系数的计算4.2.3.1 热流量4.2.3.2 平均传热温差计算采用逆流换热方式，如图41为逆流两侧流体温度变化情况图41 逆流两侧流体温度变化情况 则：4.2.3.3 冷却水用量则每个反应釜换热器每小时用冷却水量为975.760Kg4.2.3.4 总传热系数K雷诺数求取:管程传热系数计算壳程传热系数假设壳程的传热系 0=500Wm-2-1污垢热阻： Rsi =0.000344mW-1 Rso=0.000172mW-1管壁的导热系数 =45Wm-1-1 4.2.4 计算传热面积 考虑到设计裕量，则S=1.105.539=6.093m则每个换热器所需传热面积为6.093 m4.2.5 工艺结构尺寸4.2.5.1 管径和管内流速选用 传热管(碳钢)，取管内流速 ui=0.5ms-1。4.2.5.2 管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数按单程管计算，所需的传热管长度为：按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管长l=8m，则管程数为管程传热管总根数N=25=12根则每个换热器传热管为12根4.2.5.3 平均传热温度平均传热温差4.2.5.4 传热管排列和分程方法按三角形排列，取管心距 ，则：t=1.2025=30 (mm)横过管束中心线的管数根4.2.5.5 壳体内径多管程结构，取管板利用率，则壳体管径 圆整可取 D=135mm4.2.5.6 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为，故去h=33.75mm。取折流板间距：B=0.3D，则：B=0.3135=40.5mm，可取B为45mm。折流板数：=块，折流板圆缺面水平配置，则每个换热器里折流板数为177块。4.2.5.7 接管壳程流体进出口接管：取接管内物料流速为u=3.5ms-1，则接管内径为取标准管径为50mm。故选用的管管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为u=1.5ms