苯硝化反应器放大设计.doc

苯峭化反应器放大议计倪菊美(中国石化集团南京化工厂设计所，210038)摘要:简要介绍了50kLa稍基苯装置用混酸作峭化剂的苯梢化反应机理、反应特点，以及苯峭化反应器放大设计主要工艺参数的确定，及实现这些工艺条件必须采取的技术措施和控制手段，并对设计中存在的问题进行分析并提出改进建议关键词:苯硝化反应器混酸硝化剂1前言50kt/a硝基苯装置采用一定浓度的硫酸和硝酸配制的混酸和苯为原料，在一定温度下反应生成硝基苯。该项目设计规模较大，属国内首创。硝化反应器是硝基苯生产的关键设备，根据许多资料介绍其型式有环式串联硝化器、锅式串联硝化器、管式或泵式循环硝化器等，但它们各项技术经济指标差别不大，且有的尚没有工业化。被大多数厂家采用的多锅串联，其优点众所周知，它尤适于不便使用塔设备的液一液非均相组分间反应;它可以减少反应原料短路的机会，在不同锅内可控制不同的反应温度及被硝化物或硝酸的转化率，从而减少多硝化物等副产物的生成，有利于改善产品质量，提高生产能力4。缺点是如此大规模的生产装置不仅会产生大量待浓缩的废硫酸和含酚类及硝基物废水，且要求硝化设备具有足够的冷却面积，安全性差。因此要对苯硝化反应器进行经济可行的放大设计。2混酸做硝化剂的反应机理苯硝化反应生成硝基苯的主化学反应式为根据动力学研究的结果，硝硫混酸能够电离生成硝基阳离子No:+和硫酸氢离子Hs认一，水则与硫酸生成场。-反应中所生成的水与过量的硫酸作用，发生下列反应:HZS仇+姚O一玩O十+HS仇-故硝酸与硫酸的反应总式如下:ZHZS仇+1卜03一H3O+ZHS仇一+N仇+当混酸与苯进行硝化反应时，N仇+取代了苯环上的氢而生成硝基化合物C6氏+N仇+一C6氏N仇+H+该反应具有以下特点:(l)反应不可逆。(2)反应速度快，且大量放热。反应的同时，混酸中的硫酸被反应生成的水稀释，还将产生稀释热，稀释热约为反应热的7%一ro%，苯的硝化反应热为142kJ/mol;如此大的热量若不及时移除，必然会使反应温度迅速上升，引起副反应及硝酸大量分解，将导致严重后果，甚至发生爆炸事故。因此要保持反应在适宜的温度下进行，并要及时收稿日期二2田1一08一20;修回日期:2(X狡一01一的。作者简介:倪菊美，女，1988年毕业于南京化土大学化工系，现在中国石化集团南京化工厂设计所从事工程设计管理工作。移除反应热。(3)反应是非均相。硝化主要在酸层及两层的交界面处发生，因此反应过程中必须有强烈的搅拌，以保证反应能够平稳地进行。(4)当硫酸浓度一定时，反应速度取决于酸相中硝酸浓度和有机相中苯浓度。31号硝化锅主要工艺参数确定3.1换热面积确定通过对1号硝化锅物料和热量衡算2j，可得其反应释放出总热量约为1302.56kw(112万kc澎h)，如此大的换热量，一般反应锅蛇管换热系数为551.5一697.sw/(澎K)5(X)一以x)ke亦时.h.j，夹套换热系数为116.3一2犯.6w/(时K)100-ZookacFmZh.，仅l台反应器换热面积不能满足要求，且不经济，故选用2台相同技术参数的1号硝化锅并联再四台串联的工艺。由此确定每台1号硝化锅所需蛇管面积为31甘，夹套面积为9时。这样既平衡了反应过程中放出的大量热量，避免两套并联工艺，也可根据本产品系列化工市场行情变化，使得装置具有一定的操作弹性，能满足高低负荷的规模生产。3.2锅体容积确定物料衡算得到进人1号锅总体积流量为25.304衬儿即0.422衬/min“，按本厂生产经验，取硝化反应停留时间约o.sh，考虑热量平衡，故选用两台3.7耐的1号硝化锅，装料系数0.75，所得停留时间均为13min，取2号一4号硝化锅装料系数0.8，停留时间为25min，所需2号一4号硝化锅总容积为13.19耐，取整即为每台容积4.5衬。3.3搅拌器的设计(1)对互不相溶的非均相体系，必须作剧烈的搅拌，促使过程加速并保证产品的更大产率阎，因此选用推进式搅拌器。为提高搅拌效果，确保物料达到生产要求的上下循环充分混合过程，叶轮的轴线设在锅中央，并增设导流筒和全档板“】。(2)选定搅拌器叶轮型式之后，确定搅拌浆叶直径，按中央进人方式，取D/D。=l/41/36，其中D为叶轮直径，D。为锅体直径巧oo，即D二375一soolmn，取刀=500，因锅内静液高度大于叶轮中心线上ZD，故设两层叶轮轴.搅拌叶轮转速放大设计是保持叶片端部切向速度二nd不变，即。l刀1=nZnZ，n、刀，分别为16kt/a石肖基苯装置】号硝化锅搅拌器转速300r/而n、轴径o.3n，得n:=150洲min，参考Zokt/a对邻硝3.7衬的1号硝化锅设计经验数据，设定1号硝化锅搅拌器转速为310川min;2号一4号硝化锅转速适当放大为25Or/min。(3)驱动搅拌器的电机功率放大。若电动机容量小，则达不到所要求的搅拌效果，甚至使电机烧坏;若容量过大，则使投资费用和操作成本增高困。电动机额定功率是根据预定操作条件下所需最大搅拌功率确定。搅拌功率计算较复杂，_目.理论计算值往往偏小。本设计先采用模拟放大法，算得轴功率值只需2.4kw，显然该值偏小;改用经验估算法，以每衬锅体容积需消耗功率1-1.2kw计，考虑搅拌器轴承密封件的机械摩擦、减速箱中的摩擦损失及电机中电流损失等，放大1-Zkw取整，所需功率为7.skw;电机仍采用结构简单、工作平稳的三角带式，电机要求防爆。(4)由于设定l号硝化锅锅体高径比1.2，整体看来呈瘦长型，为防搅拌轴过长可能导致搅拌轴稳定性不好，改常用椭圆形锅盖为平盖。为防止反应过程中因搅拌中断可能造成散热不良或局部浓度过高而使反应异常激烈，发生危险，在控制室增设搅拌停报警装置为便于搅拌器检修，尚须考虑锅体所在楼层层高，以保障能用电动葫芦把搅拌轴从锅中吊出的空间高度。4存在问题分析及改进建诊(1)l号硝化锅有时超温5左右(设定报警温度为60)，尤其是炎热的夏天;经分析认为原因之一是全厂水压低导致冷却水之二是冷却水温偏高，影响换热效果。解决办法之一在保证达到现中控指标前提下，按季节变化适当提高1号硝化锅反应温度5一10，这种办法简便易行;办法之二改用冷冻淡水为冷却剂;办法之三改用安全性好的绝热硝化新工艺;但办法二、三均需另外增加投资，且绝热硝化尚未完全工业化。办法之四，加大废酸循环量，由于硫酸比热大，能吸收硝化反应中放出的热量，可以避免硝化的局部过热现象。利于硝化反应温度的控制。(2)苯硝化制硝基苯的过程采用多锅串联，各锅保持不同的生产条件。但到底需设多少个锅串联最经济，颇有争议。根据反应工程理论，随串联台数的增多，每锅中完成的转化率减少，反应速率加快，达到总转化率所需时间减少，使操作费用降低，但设备投资费用增大。最佳台数应取其总费用最低限。本装置设计时没有作进一步深入，若改用三锅串联是否可行，会否引起中和锅、水洗锅物料乳化，这有待于生产验证;若可行，则可以节省投资和空间。5结语苯硝化反应器放大设计经生产验证达到了设计要求，使得该装置与同类装置相比不仅避免了两套并联反应的工艺，且具有规模大、占地少、投资省、运行可靠的特点，同时也改变了我厂一个产品存在两套装置的面貌，便于部门管理。