年产10万吨聚碳酸酯化工厂初步设计(DOC 59页).doc

I 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂初步设计 摘 要 聚碳酸酯是由双酚 A 钠盐与光气进行反应 产物简聚体进行缩聚反应获得 本设 计时年产 10 万吨聚碳酸酯厂工艺设计 主要进行了工艺计算 设备选型 并绘制了全 厂平面布置图 带控制点的工艺流程图 车间的立面图和平面图 关键词 聚碳酸酯 双酚 A 工艺 图 II Polycarbonate Process of The Technological Design of 100 000 t Polycarbonate Per Year ABSTRACT Polycarbonate is deserved by the Bisphenol A of Sodium salt and phosgene This indication is to design for a chemical factory which produce100 000 t Polycarbonate process yearly It include the main equipment computation and the shaping in the technical process of Polycarbonate CHP entire factory floor plan synthetic CHP total flow chart workshops elevation and horizontal plan KEY WORDS Polycarbonate Bisphenol A Technology Chart III 目 录 1 概述 1 1 1 设计依据 1 1 1 1 课题背景 1 1 1 2 我国聚碳酸酯产业现状 1 1 1 3 国际聚碳酸酯需求概况 2 1 2 设计依据 3 1 3 设计原则 3 1 4 设计任务 3 1 5 劳动安全卫生 4 2 工艺设计 5 2 1 工艺流程设计 5 2 1 1 工艺流程设计的重要性 5 2 1 2 工艺流程设计的原则 5 2 1 3 工艺流程选择分析与研究 5 2 1 4 工艺流程设计 6 2 1 5 生产工艺流程叙述 7 2 1 6 工艺流程设计参数 8 2 2 工艺计算 8 2 2 1 物料衡算 8 2 2 2 热量衡算 14 3 工艺计算与设备选型 18 3 1 塔的工艺与选型 18 3 1 1 T101 18 3 1 2 最小回流比的计算 19 3 1 3 全塔理论塔板数 20 3 1 4 精馏段理论塔板数 21 3 1 5 板效率及实际塔板数 22 3 1 6 塔和塔板主要工艺尺寸计算 22 3 1 7 塔板负荷性能方程 26 3 3 气流干燥器的工艺计算与选型 31 3 4 过滤设备的工艺计算与选型 35 4 设备型号一览表 38 IV 4 1 泵的选择 38 4 2 容器 罐的选择 39 4 3 冷凝器 再沸器的选择 40 5 厂制和厂址选择 42 5 1 厂制概况 42 5 1 1 工厂组织 42 5 1 2 工作制度 42 5 1 3 人员配备 42 5 2 厂址选择 43 5 2 1 建厂依据 43 5 2 2 指导方针 43 5 2 3 选厂经过 43 6 全厂总平面设计 44 6 1 总平面设计任务和步骤 44 6 1 1 总平面设计任务 44 6 1 2 工厂组织 44 6 2 总平面设计原则 44 6 3 总平面布置评述 45 7 公用工程和辅助设计方案 47 8 设计结果 51 8 1 设计成果 51 8 2 图纸及比例 51 总 结 52 致 谢 53 参 考 文 献 54 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计1 1 概述 1 1 设计依据 1 1 1 聚碳酸酯产业的现状 由于世界金融市场处于混乱状态 2009 年亚洲双酚 A BPA 市场 将继续面临困 难时期的挑战 除非经济走势上行 来自下游环氧树脂和聚碳酸酯 PC 工业的需求才 会稍有提升 一家亚洲贸易商于表示 要使双酚 A BPA 市场上扬 至少在今后 6 个月 以后 随着双酚 A BPA 现货的急剧下滑 该工业处于不景气状态 截至 2008 年 12 月 双酚 A BPA 价格与当年 7 月相比 下降了近 40 由于全球金融市场恶化和经济衰退 带来的影响 来自聚碳酸酯 PC 和环氧树脂工业需求的疲软 而导致双酚 A BPA 市场 的不振 将可能会持续到年底 虽然新的环氧树脂和聚碳酸酯 PC 生产装置已于 2008 年投运 但经济的下行趋势和竞争的加剧 已大大挤压了一些公司的边际利润 迫使一些生产商降低开工率或延长装置停工期 双酚 A BPA 发展在 2008 年也受到一些 负面的影响 来自与双酚 A BPA 接触的健康危害的争论 已促使一些国家如加拿大在 食品容器应用中禁用这种化学品 鉴于终端用户减少购买量 亚洲地区一些双酚 A BPA 生 产商纷纷降低开工率 以减少这种高成本材料不断增多的库存 中国大多数环氧树脂 装置 目前开工率都在 50 60 中国石化集团公司 三井化学公司合资的 10 万吨 年双酚 A BPA 装置于 2008 年 12 月投产后 又使该地区新增了供应量 预计双酚 A BPA 价格一度会下跌至底线 另外贸易商和终端用户的调查指出 如果需求继续疲 软 则对双酚 A BPA 价格的支撑会很小 2009 年也会出现一些新的贸易动向 中国与 东南亚国家联盟 ASEAN 成员国之间的自由贸易协定 FTA 将实施 按照新的法则 双 酚 A BPA 从 ASEAN 出口将执行零关税 东南亚国家联盟 ASEAN 有 2 家主要的双酚 A BPA 生产商 拜耳公司在泰国拥有 16 万吨 年装置 三井化学公司在新加坡拥有 23 万吨 年装置 1 1 2 课题背景 聚碳酸酯 简称 是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物 根据酯基的结 构可分为脂肪族 芳香族 脂肪族 芳香族等多种类型 其中由于脂肪族和脂肪族 芳香族聚碳酸酯的机械性能较低 从而限制了其在工程塑料方面的应用 目前仅有芳 香族聚碳酸酯获的了工业化生产 聚碳酸酯是一种性能优异的通用工程塑料 自问世 以来迅速在发达国家形成产业化生产 且技术持续发展 装置规模不断扩大 由于聚 碳酸酯光学透明性好 抗冲击强度高 并具有优良的热稳定性 耐蠕变性 抗寒性 陕西科技大学毕业设计说明书 2 电绝缘性和阻燃性等特点 使之在透明建筑板材 电子电器 光盘媒介 汽车工业等 领域得到广泛应用 聚碳酸酯的应用开发是向高复合 高功能 专用化 系列化方向 发展 目前已推出了光盘 汽车 办公设备 箱体 包装 医药 照明 薄膜等多种 产品各自专用的品级牌号 我国在聚碳酸酯研发上虽起步较早 先后有不少企业进行 研发生产 但由于工艺技术落后 生产装置规模较小 产能低 产品质量差 目前仅 剩一家企业维持生产 国内市场所需的聚碳酸酯不得不大量依赖进口 因此 大力加 强聚碳酸酯研发 加速实现其规模产业化 已成为国家的重要战略需求 我国聚碳酸 酯长期依赖国外进口 2000 年进口量为 23 万吨 到 2008 年增至 101 7 万吨 增长了 近 4 倍 2008 年国内聚碳酸酯的表观消费量接近 80 万吨 未来几年将保持 10 15 的 增长率 中国聚碳酸酯的产能仅为 26 万吨 而且绝大部分为合资或独资企业 对外依 存度非常高 对我国聚碳酸酯生产企业来讲 加快技术进步已刻不容缓 1 1 3 聚碳酸酯市场需求概况 20 世纪末 世界聚碳酸酯的产量约 114 万吨 聚碳酸酯按功能特性分为一系列品 级 如通用级 透明级 医药食品级等 各品级又可进一步细分为更多的具体牌号 一些大的生产厂商可提供几十个品级 上百个牌号产品 聚碳酸酯的应用开发是向高 复合 高功能 专业化 系列化方向发展 2004 年世界聚碳酸酯表观消费量278 2 万t 光学介质是聚碳酸酯消费增长最快的领 域 消费比例占24 其次是电子 电气和建材 各占19 汽车约占13 详见下表 1 3 全球聚碳酸酯消费表 用途北美 万t西欧 万t日本 万t亚洲其他 万t 其他 万t合计 万t比例 汽车13 57 13 010 02 035 613 电子电器7 511 56 122 95 053 019 片材13 513 36 114 17 054 019 光学介质11 012 03 536 94 067 024 其他18 57 16 628 87 668 625 合计64 051 025 3112 325 6278 2100 北美的汽车产业所消费的聚碳酸酯远高于西欧 日本及其它地区 约占全球汽车领 域消费量的38 欧洲受气候影响 对制造绝热玻璃的薄膜和片材需求较高 占全球该 类产品总消费量的25 亚洲地区 不包括日本 在电子 电器产品和光学相关产品领 域消费的聚碳酸酯在世界所占比例相当高 电子 电器领域占全球该类产品消费量43 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计3 光学产品占全球该类产品消费量54 可见国外聚碳酸酯应用的最大的市场是电子 电气 宝库计算机 办公设备和光盘 透明薄板和片材以及汽车工业 在未来的一段时间内 聚碳酸酯的需求量将持续增长 亚太 拉丁美洲将是增长最快的地区 预计到 2007 年 世界聚碳酸酯的需求量将达到 亿吨 其中计算机 光盘等信息产业方面的增长最快 1 2 设计原则 1 遵守法则 法规 贯彻党的基本建设方针 实事求是 因地制宜 2 合理利用国家资源和财产 最大限度的发挥硬件设施的内在潜力 节约土地 减少 投资 降低成本 3 采用成熟的 先进的工艺流程 设备 学习先进的生产技术 努力实现自动化 现 代化提高产品的科技含量 4 一轻化工业产品批量小 品种多的特点 努力做到 一钱多用 一钱多能 是本厂 具有较强的市场适应力 5 尽可能创造良好的劳动条件 以利于劳动工人的身心健康 6 大多数厂房 特别是主要生产车间的布置 应考虑到日照方位和主导风向 保证自 然通风 厂前区和防污染的车间放在上风向 产生粉尘 烟 热等的车间及易燃库布 置在下风向 7 近期建设和远期发展相结合 主要生产车间留有适当的发展余地 轻化工工厂变化 较快 综合利用较广 加工深度较深 大多数工艺流程更新快 这要求在设计实现留 有较大的预留地 以满足工厂发展变化的需要 8 为保证平面图具有建筑艺术性 厂房形状要规则简单 使道路径直 厂房中心线保 持垂直或平行 9 采取各种措施 提高建筑系数和场地利用稀疏 建筑系数一般为 25 40 场地 利用系数一般为 50 60 这是总平面设计的主要技术经济指标 1 3 设计任务 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计 完成对厂址的选择和对工艺流程的可行性分析 进行物料衡算和热量衡算 主要设备的计算和选型 画出工艺流程图 主要的反应设 备装置图 全厂平面图以及各车间平面布置图与立面图 1 4 环境保护及三废处理 随着世界特别是我国环境的明显恶化 国民的环境保护意识逐步提高 为了我 陕西科技大学毕业设计说明书 4 们生存环境 为了我们自己 为了我们的子孙后代 必须保护环境 对污染源 废水 废气 废渣 噪音粉尘烟等的具体防止和处理方法主要依据 环境保护法 及相应的 可行性研究 环保报告和初审意见来确定 同时加强对员工环保意识的教育 对表现 比较好者给予物质上面的奖励 引领其他员工向他们学习 同时我们将严格执行国家有关对化工企业环保的标准 1 地面水环境质量标准 GB3838 88 2 环境空气质量标准 GB3095 96 3 城市区域环境噪声标准 GB3096 93 4 工业企业厂界噪声标准 GB12348 90 5 车间空气中有害物质的最高允许浓度 6 居民区大气中有害物质的最高允许浓度 7 污水综合排放标准 GB8978 96 8 锅炉大气污染物排放标准 GB13271 91 9 大气污染物综合排放标准 GB16297 1996 经处理过的排入城镇排水管道的工业废水和生活废水 应符合 1 水温不高于 40 2 不产生易燃易爆和有毒气体 3 不伤害养护人员 4 对病原体必须严格消毒灭菌 5 有毒物质最高容许浓度应符合 工业 三废 排放试行规定 对于废渣一般采用填埋 焚化 堆肥前应取得卫生部门的同意 不允许污染水 源土壤 局部派出的有害气体应净化回收后再向大气排放 1 5 劳动安全卫生劳动安全卫生 工业卫生包括防尘防毒 防暑降温 防寒防湿 防噪音 振动控制等 对于一般 化工厂有一定的规定 一 根据车间对劳动保护的设计规范 工业企业设计卫生标准 TJ36 79 规定 浴 室 卫生等级为一级 二级的车间应设车间浴室 三级在车间附近货场去附近设集中 浴室 四季可在居住区设集中浴室 可能引起经皮肤吸收急性中毒的车间一设事故淋 浴 二 更衣室 一级车间的存衣室 便服 工作服应分别存放 二级车间的存衣室 便服 工作服可同室存放 三级车间的存衣室 便服 工作服可同室存放 存放室和 休息室和并设置 四级车间的存衣室和休息室和并设置 可在适当地点存放工作服 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计5 易沾染经皮肤吸收的有毒气体的车间 设置洗衣房 2 工艺设计 2 1 工艺流程设计 2 1 1 工艺流程设计的重要性 1 工艺流程设计是工艺设计的基础 工艺流程设计是工厂设计中最主要的内容 是工 艺设计的核心 因为工艺流程设计的质量直接决定车间的生产产品质量 生产能力 操作条件 安全生产 三废治理 经济效益等一系列根本性问题 2 工艺流程设计是物料衡算 设备选型的基础 从哲学角度来说 工艺流程设计是定 性分析工作阶段 物料衡算是定量计算阶段 一般来说 先定性后定量 所以 工艺 流程设计是物料衡算的前提和基础 2 1 2 工艺流程设计的原则 1 先进性 工艺流程的先进性从两个方面考虑 一方面是技术的先进 一方面是经济上的合 理 两方面同等重要 缺一不可 2 可靠性 所设计的工艺流程必须可靠即经过实验室 工业小试 中试 证明技术是成熟的 生产安全可靠 才可以设计选用 3 结合国情 因地制宜 工艺流程的选择从技术角度来说 应尽量采用新工艺 新技术 单从具体情况考 虑 并不必选择国外的先进的技术 因为国外的技术往往价格较高 技术保密性强 没有实用价值 所以 结合实际 选择自己易于掌握和改进的技术要方便 实用 2 1 3 工艺流程选择分析与研究 目前 聚碳酸酯的生产方法主要有溶液光气法 酯交换法 界面缩聚光气法和非 光气法 1 溶液光气法 该工艺是将光气通入含有双酚 A 碱性水溶液和二氯甲烷溶剂中进行进行界面缩聚 反应 然后将聚合物从溶液中分离出来 与其它的生产方法相比 溶液光气法由于经 济性较差已完全淘汰 陕西科技大学毕业设计说明书 6 2 酯交换法 酯交换法又称传统熔融工艺 其实也是一种间接光气法工艺 它是以苯酚原料 经过光气法反应生成碳酸二苯酯 然后再卤化锂等催化剂和添加存在下和双酚 A 进行 酯交换反应 生成低聚物 在进一步缩聚得到聚碳酸酯 尽管该工艺生成成本低于其 它生产工艺 但由于其生产出来的聚碳酸酯光学性能较差 催化剂易污染 并且由于 存在副产品酚而导致产品分子量较低 应用范围有限 因此限制了该工艺的商业应用 3 界面缩聚光气法 界面缩聚光气法工艺是将双酚 A 和烧碱溶液配制成双酚 A 钠盐 同时加入酚 然 后送入光气反应器内 加入二氯甲烷 通光气进行光气化反应 反应完成后将反应液 送到缩聚反应器内 加入三乙胺和烧碱溶液 进行缩聚反应 然后分离含有聚合物的 有机相和水相 对有机相进行洗涤 干燥 最后成粒就得聚碳酸酯成品 4 非光气法 非光气法是先以液相氧化碳基法生产碳酸二甲酯 DMC 再与醋酸苯酯酯交换生 成碳酸二苯酯 DPC 然后在熔融状态下与双酚 A 进行酯交换 缩聚制得聚碳酸酯 因此无副产物 基本无污染 特别是不使用剧毒光气 因此深受世界各大公司的重视 纷纷致力开发 综上所述 非光气法工艺是一种全封闭 无副产物 污染少 符合环境要求的绿 色工艺 已经由外国公司研究成功 但是由于国内仍在研究发展中 工艺不成熟 本 设计不采用 而界面缩聚光气法工艺成熟 反映在常温常压下进行 对设备要求不高 产品质量好 尤其是截止 2004 年底 全世界聚碳酸酯总生产能力接近 3 3Mt a 其 中光气法生产工艺约占总生产能力的 90 所以本设计采用界面缩聚光气法 2 1 4 工艺流程设计 工艺流程的设计参照各方资料 尽量做到简单高效 主要工艺采取界面光气法进 行聚碳酸酯的合成 界面缩聚光气法工艺是将双酚 A 和烧碱溶液配制成双酚 A 钠盐 同时加入酚 然后送入光气反应器内 加入二氯甲烷 通光气进行光气化反应 反应 完成后将反应液送到缩聚反应器内 加入三乙胺和烧碱溶液 进行缩聚反应 然后分 离含有聚合物的有机相和水相 对有机相进行洗涤 干燥 最后成粒就得聚碳酸酯成 品 在设计过程中尽可能多的省去了不必要的繁冗过程 务求工艺流程的简洁高效 而必不可少的设备要设计地能够经受不良环境的考验 以下为大体的工艺流程图 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计7 聚碳酸酯生产流程图 2 1 5 生产工艺流程叙述 1 双酚 A 钠盐合成反应 将氢氧化钠水溶液 7 通入反应釜 R101 中 同时加入的还有苯酚 双酚 A 亚 硫酸氢钠 搅拌反应一小时 由釜底出料进入储罐 然后由泵打入冷却器 H103 冷却到 10 再送入搅拌反应釜 R102 中 2 光气反应 将来自光气站的光气通过稳压罐 V101 和缓冲罐 V102 进入冷却器 H102 冷却到 5 然后与来自二氯甲烷储罐的温度为 5 的二氯甲烷混合进入光气反应釜 同时进入 的还有来自换热器 H103 的双酚 A 钠盐混合液 搅拌反应一小时 控温在 20 左右 反应完全 将多余的光气通入缓冲罐 V102 中 通入氮气 将反应液压入油水分离器 V105 氢氧化钠 亚硫酸钠 氯化钠水溶液由油水分离器顶部出去 再进入反应釜 R106 中 其中加入氯化钡 搅拌反应半小时 生成沉淀亚硫酸钡 将反应液通入板 式压滤机进行过滤 滤液分成两部分一部分送回反应釜 R101 继续利用 另一部分通 道反应釜 R107 中与加入的氯化氢溶液反应半小时 然后把反应液通入水处理车间 由谁有分离器底部出来的有机相 由泵通入反应釜 R103 3 缩聚反应 陕西科技大学毕业设计说明书 8 将来自水油分离器 R103 的有机相在碱性条件下 三甲基苄基作为催化剂 进行 缩聚反应 反应时间为一小时 控温在 25 反应完毕后加入甲酸中和反应液中的碱 液 测 pH 为 3 左右方可 然后进行水洗 直至水洗液中没有氯离子为止 将反应液通 入储罐中 4 后处理 有机相通入反应釜 R104 中 再加入沉淀剂丙酮搅拌半小时 将含有末状物的反 应液通入转鼓真空过滤器中 将分离出的产品 PC 通过短管型气流干燥器和真空箱干燥 器 的末状产物 在通过挤出造粒的产品 PC 由真空过滤器分离出的有机相通入储罐 中 通过泵打到蒸馏釜 R105 中进行蒸馏 蒸馏时间一小时 控温在 60 二氯甲烷 和丙酮变成蒸汽有釜顶进入换热器 H104 中 冷却至温度 20 进入精馏塔 T101 中 塔顶出二氯甲烷 塔底出丙酮 来自蒸馏釜 R105 釜底的有机相先进入换热器 H107 中 冷却到 20 然后进入精馏塔 T102 塔顶出苯碳酰氯 塔底出简聚体和催化剂 2 1 6 工艺设计损失率 原料厂外运输损失率 0 5 原料厂外运输损失率 0 5 产品厂里储运损失率 0 5 产率 85 2 2 工艺计算 2 2 1 物料衡算 1 物料衡算的原理 方法 步骤 1 原理 对于连续稳定过程 物料衡算的方程是 M M出 2 1 即 初始输入量 最终输出量 对不连续过程 物料衡算的方程为 M M出 M累积 2 2 即 初始输入量 生成输入量 最终输出量 消耗量 2 方法 本设计属于连续反应 采用第一种计算方法 3 步骤 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计9 a 收集数据 原理 产品规格 过程单位时间的物流量 有关消耗定额 有关转化率 选择性 单程收率 b 画物料流程图 确定衡算对象 根据题目要求它可以是总物料某个组分某个 元素等 c 确定衡算范围 根据题目要求它可以是一个系统一个车间某个设备等 某个 设备的局部等 d 确定衡算基准 根据题目要求它可以是单位质量单位时间等 e 列出输入输出物料平衡表 2 物料衡算过程 1 收集数据 表 2 1 原料性质 原料名称密度 Kg m3 摩尔质量 g mol 沸点 含量 比热容 J mol 光气1381998 39957 7 二氯甲烷133685409850 88 双酚 A1150228360 598426 34 氢氧化钠25 2 确定单位时间内物流量 年工作天数 365 t1 t2 t3 选择不连续工作制度 T1 52 1 1 2 3 59 其中对于工厂 星期六照常上班 故 只有星期天休息 一年 52 周共 52 天 再加上劳动节 1 天 元旦 1 天 国庆节 2 天 春节 3 天 T2 设备大 中 小修及正常检修总天数 反应釜取 6 天 年 T3 设备加工不同物料时的换料时间 不计 故年工作天数 365 52 7 6 300d a 聚碳酸酯日产量 100000t a 300d a 334t d 3 由已知消耗定额 以每吨产品计 消耗定额是指生产每吨合格产品需要的原料 辅料及试剂等的消耗量 陕西科技大学毕业设计说明书 10 表 2 2 消耗定额 光气489 24Kg 1t 二氯甲烷4427 4Kg 1t 双酚 A968 8Kg 1t 氢氧化钠565 13Kg 1t 水9202Kg 1t 4 原料日净耗量 光气 489 24Kg t 334t d 163406Kg d 二氯甲烷 4427 4Kg t 334t d 1478751 6Kg d 双酚 A 968 8Kg t 334t d 323579 2Kg d 氢氧化钠 565 13Kg t 334t d 188753 4Kg d 原料年净耗量 光气 163406Kg d 1000Kg t 300d a 49021 8t a 二氯甲烷 1478751 6Kg d 1000Kg t 300d a 443625 48t a 双酚 A 323579 2Kg t 1000Kg t 300d a 97073 76t a 氢氧化钠 188753 4Kg d 1000Kg t 300d a 56626 02t a 原料厂内贮存运输损失率为 5 则聚碳酸酯工厂的原料年入厂量 光气 49021 8t a 1 0 05 51601 9t a 二氯甲烷 443625 48t a 1 0 05 466974 2t a 双酚 A 97073 76t a 1 0 05 102182 9t a 氢氧化钠 56626 02t a 1 0 05 59606 3t a 又原料厂外运输损失率为 5 则 DDS 皮革鞣剂工厂的原料年外购量 光气 51601 9t a 1 0 05 54317 8t a 二氯甲烷 466974 2t a 1 0 05 491551 8t a 双酚 A 102182 9t a 1 0 05 107560 9t a 氢氧化钠 59606 3t a 1 0 05 62743 5t a 5 衡算结果 表 2 3 物料衡算一览表 1 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计11 原料消耗定 额 Kg t 转化 率 单程收 率 日净耗量 Kg d 原料年净耗 量 t a 损失 率 厂内年储 量 t a 年订货量 t a 光气489 24989516340649021 8551601 954317 8 二氯 甲烷 4427 498951478751 6443625 4845466974 2491551 8 双酚 A 968 89895323579 297073 765102182 9107560 9 NaOH565 139895188753 456626 02559606 362743 5 6 合成聚碳酸酯生产流程图 7 确定衡算范围 并进行深入计算 双酚 A 钠盐合成釜 每小时进料量为 双酚 A 13482 5Kg h 氢氧化钠 7864 7 Kg h 苯酚 69 6 Kg h 亚硫酸氢钠 23 6 Kg h 水 104488 2 Kg h 每小时出料量为 双酚 A 钠盐 16084 4 Kg h 氢氧化钠 3134 0 Kg h 苯酚 69 6 Kg h 亚硫酸钠 28 6 Kg h 水 106617 0 Kg h 合计 每小时进料量为 125928 6 Kg h 每小时出料量为 125928 6 Kg h 光气釜 每小时进料量为 双酚 A 钠盐 16084 4Kg h 光气 6808 6Kg h 二氯甲烷 61614 7 Kg h 苯酚 69 6 Kg h 陕西科技大学毕业设计说明书 12 亚硫酸钠 28 6 Kg h 氢氧化钠 3134 0Kg h 水 106617 0 Kg h 每小时出料量为 二氯甲烷 61614 7Kg h 光气 952 4 Kg h 亚硫酸钠 28 6Kg h 氢氧化钠 3107 5 Kg h 简聚体 16173 1 Kg h 氯化钠 5765 5 Kg h 苯酰氯 95 1Kg h 水 106617 0Kg h 合计 每小时进料量为 194353 9 Kg h 每小时出料量为 194353 9Kg h 缩聚釜 每小时进料量为 三乙胺 81 0Kg h 简聚体 16173 1 Kg h 二氯甲烷 61614 7Kg h 氢氧化钠 4851 9 Kg h 苯酰氯 95 1Kg h 水 14555 8Kg h 每小时出料量为 三乙胺 81 0 Kg h 聚碳酸酯 15596 5 Kg h 简聚体 323 46 Kg h 苯酰氯 95 1 Kg h 二氯甲烷 61614 7 Kg h 氢氧化钠 4851 9Kg h 氯化钠 576 6 Kg h 水 14555 8 Kg h 合计 每小时进料量为 97371 6 Kg h 每小时出料量为 97371 6Kg h 蒸馏釜 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计13 每小时进料量为 催化剂 81 0Kg h 简聚体 323 5 Kg h 苯酰氯 95 1 Kg h 二氯甲烷 61614 7 Kg h 丙酮 20000 Kg h 聚碳酸酯 15596 5 Kg h 每小时出料量为 催化剂 81 0Kg h 简聚体 323 5 Kg h 苯酰氯 95 1Kg h 二氯甲烷 61614 7Kg h 丙酮 20000Kg h 聚碳酸酯 15596 5 Kg h 合计 每小时进料量为 97710 8 Kg h 每小时出料量为 97710 8Kg h 8 列出输入 输出物料衡算平衡表 1 双酚 A 钠盐合成釜 表 2 4 物料衡算一览表 2 进料出料 名称 Kg hKmol hW Mol Kg hKmol hW Mol 双酚 A13482 559 110 71 0 氢氧化钠7864 7196 66 23 23134 078 352 51 3 苯酚69 60 70 150 269 60 80 10 07 亚硫酸氢钠23 60 30 050 10 1 双酚 A 钠盐16084 459 112 80 9 亚硫酸钠28 60 30 03 水104488 25804 982 995 5106617 05923 284 597 7 陕西科技大学毕业设计说明书 14 2 光气反应釜 表 2 5 物料衡算一览表 3 进料出料 名称 Kg hKmol hW Mol Kg hKmol hW Mol 双酚 A 钠盐16084 459 18 30 8 光气6808 668 83 61 0952 49 60 50 13 二氯甲烷61614 7724 931 610 661614 7724 931 610 5 苯酚69 60 80 060 07 亚硫酸钠28 60 30 040 0328 60 30 040 02 氢氧化钠3134 078 351 61 13107 577 71 61 1 简聚体16173 163 78 30 9 苯酰氯95 10 80 160 05 氯化钠5765 598 43 01 4 水106617 05923 254 886 4106617 05923 254 885 9 3 缩聚反应釜 表 2 6 物料衡算一览表 4 进料出料 名称 kg hkmol hW mol kg hkmol hW mol 催化剂 81 00 40 040 0681 00 40 040 03 简聚体 16173 163 716 63 7323 51 30 30 1 氢氧化 钠 4851 9121 35 07 14851 9121 312 37 0 二氯甲 烷 61614 7724 963 342 161614 7724 963 341 9 苯酰氯 95 10 80 060 1495 10 80 060 07 聚碳酸 酯 15596 561 47 83 6 氯化钠 576 69 80 60 5 水 14555 8808 715 046 914555 8808 715 046 8 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计15 4 蒸馏釜 表 2 7 物料衡算一览表 5 进料出料 名称kg hkmol hW mol kg hkol hW mol 催化剂81 00 40 040 0681 00 40 040 06 简聚体323 51 30 30 15323 51 30 30 15 苯酰氯95 10 80 060 0995 10 80 060 09 二氯甲 烷61614 7724 963 163 961614 7724 963 163 9 聚碳酸 酯15596 561 416 05 415596 561 416 05 4 丙酮20000344 820 530 420000344 820 530 4 2 2 2 热量衡算热量衡算 一 计算的基本原理 化工生产过程往往伴随着能量的变化 尤其是反应过程 为维持在一定温度下进 行反应 常有热量的加入或放出 因此能量衡算也是化工设计中及其重要的组成部分 能量衡算是以热力学第一定律为依据 能量是热能 电能 化学能 动能 辐射能的 总称 化工生产中最常用的 能量形式为热能 故化工设计中经常把能量计算称为热量 计算 通过热量衡算可确定传热设备的热负荷 以此为设计传热型设备的形式 尺寸 传热面积等并为反应器 结晶器 塔式设备 输送设备 压缩系统 分离及各种仪表 等提供参数 以确定单位产品的能量消耗指标 同时也为非工艺专业 热工 电 给水 冷暖 设计停工设计条件做准备 热量计算与设备计算的关系非常密切 因此经常将热量放在设备工艺计算内同时 进行 一般在 物料计算后先粗算一个过程的设备台数大小 设定一个基本形式和传热 形式 然后进行该设备的热量计算 如热量计算的 结果与设备形式 大小有矛盾 则 必须重新设计设备的 大小和形式或加上适当的附件 以使设备既能满足物料衡算的要 求又能满足热量衡算的要求 能量衡算的基本方程式 根据热力学第一定律 能量衡算方程式的一般形式为 EQW 式中 体系总能量变化 E 体系从环境中吸收的能量 Q 环境对体系所做的功 W 陕西科技大学毕业设计说明书 16 在热量衡算中 如果无轴功条件下 进入系统加热量与离开系统的热量应平衡 即在实际中对传热设备的热量衡算可表示为 QQ 出 进 123456 QQQQQQ 其中 所处理的物料带入设备的热量 1 Q 换热剂与设备和物料传递的热量 符号规定加热剂加入热量为 冷 2 Q 却剂吸收热量为 化学反应热 符号规定过程放热为 过程吸热为 3 Q 离开设备物料带走的热量 4 Q 设备消耗热量 5 Q 设备向周围散失的热量 又称热损失 6 Q 二 热量衡算 1 双酚 A 钠盐合成釜 进料温度与出料温度 表 2 8 物料衡算一览表 6 进料介质温度 出料介质温度 氢氧化钠20双酚 A 钠盐25 亚硫酸氢钠20氢氧化钠 25 苯酚20苯酚25 双酚 A20亚硫酸钠25 水2025 反应式为 由于各种物料都是在常温下加入 所以 1 0Q 根据化学反应方程可求得化学反应热 所以在衡算过程中 对于主反应 1mol 双酚 A 反应需要吸收的热量356 QkJ mol 副反应 1mol 亚硫酸氢钠反应需要放出的热量286 QkJ mol 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计17 所以对于所有的化学反应热 7 3 3 59 1 356286 0 3 102 10 10 QkJ mol 10 7 1 806 2 3 1820 15 1 700 05 3 0082 9 4 183 3 862 PC kJkg 则 6 4 3 862 125928 6 52 43 10 PQC m tkJ 由后面光气反应釜的设备计算得 13704 1mkg 4 4 0 4 13704 11 527408 222 74 10QCm tkJkJ 热损失取总热量的 5 44 645 5 5 2432 741012 29 10QQQkJ 所以由 123456 QQQQQQ 代如有关数据得 7 2 1 84 10QkJ 需采用夹套进行换热 采用冷冻盐水冷却 进口温度 10 出口温度 0 介质用量 7 4 1 84 10 3 5 10 28 1650 5 10 kg h p Q G C tH 2 光气反应釜 进料温度与出料温度 表 2 9 物料衡算一览表 7 进料介质温度 出料介质温度 光气5光气20 二氯甲烷5简聚体20 苯酚10二氯甲烷20 双酚 A 钠盐10氢氧化钠20 亚硫酸钠10苯酰氯20 氢氧化钠10氯化钠20 水10水20 陕西科技大学毕业设计说明书 18 反应式为 反应的标准生成焓 842 6 411 12 626 32 220 92 406 48 kJ mol B B mmr f HHV 293 298 15 293 298 15 406 48 208 42 293298 15 1479 8kJ mol m B BPm mmrr HHCC pV 所以反应放热为 37 3 59 1 1479 8 108 75 10QkJ 12 7 3 000 06 1 700 04 2 802 5 2 8084 7 4 183 4 060 PC kJkg 6 4 4 06 10 125933 65 11 10 pQC m tkJ 由后面的设备计算知设备的质量 6938 7kg 4 5 0 4 11578 7 104 63 10QCm tkJ 热损失取总热量的 5 所以 6 45 45 5 5 5114 63 102 58 10QQQkJ 所以由 123456 QQQQQQ 代入有关数据得 7 2 9 291 10QkJ 需采用夹套进行换热 采用 50 换热 进口温度 50 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计19 出口温度 10 介质用量 7 5 9 291 10 2 05 10 4 183 40286 Q Gkg h C tH 陕西科技大学毕业设计说明书 20 3 工艺计算与设备选型工艺计算与设备选型 3 1 塔的工艺与选型 3 1 1 T101 计算依据 1 塔 T101 进 出物料流量组成 表 3 1 物料组成 名称进料出料 Kg hKmol hW Mol Kg hKmol hW Mol 二氯甲 烷61614 7724 975 567 860382 4710 175 367 5 丙酮20000344 824 532 219800341 424 732 5 对 T101 进行物料衡算 要求本精馏塔的釜残液中二氯甲烷的量不高于 6 塔顶馏出液中二氯甲烷的回收 滤为 98 由 1 12 FFD W 塔顶易挥发组分回收率 D F DX FX 塔底南挥发组分回收率 W F W 1 x F 1 x 进料组成 F 724 9 X 0 68 724 9 344 8 釜残液组成 W 6 85 X 0 060 694 8585 原料液平均摩尔质量 F1112 M n M n M 0 68 850 325873 36 原料液流量 G61614 720000 F1068 8 M76 36 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计21 由于 D F DX 0 98 FX 所以 D DX0 980 68 1068 8712 2 全塔物料衡算 DWF DWF DXWXFX 则 D D825 5kmol h X 0 863 W 243 3kmol h 3 1 2 最小回流比的计算 1 二氯甲烷和丙酮的饱和蒸汽压 二氯甲烷和丙酮的饱和蒸汽压可根据 Antoine 方程求算 即 2 o B logpA tC 式中 t 物系温度 饱和蒸汽压 Kpa o p A B C Antoine 常数 其中 丙酮的常数 A 7 11714 B 1210 595 C 229 664 二氯甲烷的常数 A 7 4092 B 1325 9 C 252 6 2 塔内操作压力 表 3 2 塔内操作压力 饱 和 蒸 汽 压 Pa 组分 塔顶进料塔底 丙酮 B 424 4185 4744 4 二氯甲烷 A 754 73511275 6 4 平均相对挥发度为 塔顶 A D B p754 7 a1 7783 424 4p 进料 A F B p351 a1 701 185 4p 塔底 A W B p 1275 6 1 714 744 4p a 陕西科技大学毕业设计说明书 22 全塔平均相对挥发度 mDM aa a1 7783 1 89321 83 5 最小回流比 D D min FF a 1xx 1 R 1 x1x 1 75 10 86310 863 1 7510 6810 68 0 81 取操作回流比 min R2R1 62 3 1 3 全塔理论塔板数 1 最小理论塔板数 采用芬克斯方程计算 3 min 1 lg 1 N1 lg WD DW m xx xx a 0 8630 94 lg 10 8630 06 1 lg1 75 7 29 2 理论塔板数 采用李德公式计算 4 0 002743 Y0 5458270 591422X X 式中 min min 1 2 RR X R NN Y N 上式适用条件为 0 01 0 9X 则 min 1 620 81 0 31 11 621 RR X R 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计23 0 002743 0 5458270 5914220 31 0 31 0 370 Y 所以 min 0 370 2 NN N 不包括再沸器 min 2 12 7 1 YN N Y 按标准圆整 N 为 13 不包括再沸器 3 1 4 精馏段理论塔板数 1 最小理论塔板数 采用芬克斯方程计算 5 min 1 lg 1 1 lg DF DF m xx xx n a 0 86310 68 lg 10 8630 68 1 lg1 83 0 8 2 理论塔板数 采用李德公式计算 0 002743 0 5458270 591422YX X 式中 min min 1 2 RR X R Nn Y N 上式适用条件为 0 01 0 9X 则 min 0 390 1 RR X R 陕西科技大学毕业设计说明书 24 0 01 0 9X 0 002743 0 5458270 5914220 310 0 310 0 370 Y 所以 min 0 370 2 Nn N min 2 1 Yn N Y 20 3700 8 2 44 10 37 不包括再沸器 按标准圆整 N 为 3 不包括再沸器 3 1 5 板效率及实际塔板数 1 在已知条件下的全塔效率可以由下式进行计算 由全塔效率 6 100 P T N E N 式中 E 全塔效率 NT 理论版层数 Np 实际板层数 塔板效率由奥康奈尔 关联方程计算 O connell 7 0 245 0 49Eu 式中 塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度 u 塔顶与塔底平均温度下的液相粘度 0 245 0 491 75 0 08E 0 79 2 加料位置 由精馏塔的计算可知 精馏塔的加料板位于从塔顶往下数的第 10 块塔板 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计25 3 1 6 塔和塔板主要工艺尺寸计算 1 塔高 根据给定的分离任务 由理论塔板数计算塔的有效 接触段 高度 9 T T T N ZH E 式中 Z 塔高 m NT 塔内所需的理论板层数 ET 总板效率 HT 塔板间距 m 采用较大的板间距可以允许有较高的空塔气速 而不至于产生严重的雾沫夹带现 象 塔径虽可以小些 但塔高要增加 取板间距 HT 600mm 板上清夜层高度 HL 100mm 则 Z 9 87m 2 塔径 根据圆管内的流量公式 可以写出塔径与气体流量及空塔气速的关系 即 10 4 s V D 式中 塔径 m D Vs 塔内气体流量 m3 s 空塔气速 即空塔计算的气体线速度 m s 塔径的计算关键在于确定适宜的空塔汽速 U 有 11 max LV V UC 式中 极限空塔汽速 m s max U 负荷系数 C 液相密度 Kg m3 L 汽相密度 Kg m3 V 负荷系数的值取决于阻力系数及液滴直径 可以由使密斯负荷关联图查得 首先 取塔板液上层高度 hL为 0 1 m 则 HT HL 500 mm 精馏段操作压力 常压 P 35 mmHg 操作温度 T 333 K 物质的物性 陕西科技大学毕业设计说明书 26 气态密度 3 0 186 V PM kg m RT 液体密度 3 744 l kg m 表面张力 24 3 mN m 液相负荷 3 32 11 Lmh 气相负荷 3 5635 609 Vmh 由化工手册查得粘度 L 0 08 平均相对挥发度 1 75 L 0 14 利用公式 12 0 5 L V V L L V 代入数值 0 5 32 11744 0 36 5635 6090 186 V L 由图查得 20 0 15C 又利用公式 13 3 20 20 10 C C 代入数值 得 3 20 20 10C C 0 18C 塔板允许有效空塔气相速度 以截面积扣除降液管面积计算的速度 14 max LV V uC 代入数值 max 7440 186 0 1811 38 0 186 m su 表观空塔气相速度 按全塔截面计 max 0 80 8 11 389 1 uum s 初估塔径 15 4492 02 3 59 3 149 1 s V D u 圆整得 D 3600 mm 3 溢流装置 采用 U 形流 弓形降液管 平形受液盘及平形流堰 计算如下 溢流堰长 lW 取堰长 lw 为 0 60D 即 0 63 62 16 W lm 年产 10 万吨聚碳酸酯化工厂设计27 出口堰高 hW 16 WLOW hhh 由 查图得 E 为 0 38 0 6 w lD 24 54 hw ll 所以 2 2 3 3 2 842 84168 3 0 380 195 100010002 16 h OW w l hEmm l 则 168 30 195168 105 w hmm 降液管宽度 Wd降液管面积 Af 由 查图得 Wd D 0 124 Af AT 0 075 0 6 w lD 故 0 1240 1243 60 45 d WDm 222 3 14 0 0750 0753 60 76 44 f ADm 液体在降液管中停留的时间 m 大