应用PROⅡ软件设计苯酐的生产工艺过程设计书.doc

应用PRO软件设计苯酐的生产工艺过程设计书一、引言邻苯二甲酸酐(PA)简称苯酐，是邻二甲苯(OX)主要的市场应用领域，主要用于生产PVC增塑剂、不饱和聚酯、醇酸树脂以及染料、油漆、农药和医药等，是一种重要的有机化工原料。其有三种主要用途：其一用于制备邻苯二甲酸酯增塑剂(占全球产能一半， 主要是邻苯二甲酸二辛酯DOP)，掺合聚氯乙烯(PVC)树脂作增塑剂； 其二用于不饱和聚酯作玻璃增强的热固工程塑料(约占22)； 其三用于醇酸树脂作表面涂层。工业上生产苯酐的工艺路线主要有两条，分别是以萘为原料的流化床技术和以萘和邻二甲苯为原料的固定床氧化技术。又因邻二甲苯高产率、廉价和高选择性成为现代生产苯酐的首选原料，邻二甲苯固定床工艺有低能耗法和低空气比率法两种方式，其流程和设备基本类似，本设计以低空气比率法作为设计和计算基础。苯酐的用途十分广泛，广泛应用于化工、医药、电子、农业、涂料、精细化工等工业部门。由于苯酐与两分子醇进行酯化反应生成邻苯二甲酸酯类，具有色泽浅，毒性低，电性 能好，挥发性小等特点，广泛用作各种合成树脂和橡胶的增塑剂，其中80%用于聚氯乙稀树脂的增塑剂。另外还被用于制备高级油墨、人造革、合成橡胶、绝缘材料等富马酸主要用于不饱和树脂行业。本设计选用邻二甲苯低能耗法，以稳态过程模拟软件ProII对该生产工艺进行设计和优化。二、苯酐工艺设计2.1设计任务试设计40000t/年邻苯；甲酸酐（苯酐)的装置，年工作时数为每年8000h，产品流量5000kg/h，产品纯度（质量分数）大于99.9，产品回收率为92。2.2产品规格及用途苯酐，白色有光泽针状晶体或鳞片状固体。相对密度1.527，沸点284.5，熔点131，自燃点570，闪点（闭环)151.6，在沸点以下易升华。难溶于水，微溶于热水、乙醚和二氧化碳，溶于乙醇、苯、氯仿和吡啶。有毒，空气中最高允许浓度210-6；易燃，遇明火、强氧化剂有引起燃烧爆炸的危险，其蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限1.710.4。苯酐目前广泛应用于化工、医药、电子、农业、涂料、精细化工等工业部门。我国的苯酐主要用来生产邻苯二甲酸酯类增塑剂，耗用的苯酐约占苯酐总消费量的60，染料和油漆占25，不饱和树脂及其他产品占15左右。2.3原材料规格及来源邻二甲苯（96)，主要生产企业为一些国内大型石化企业。催化剂为V2O5-TiO2系列负载型催化剂。2.4生产方法苯酐生产的工艺路线有以萘为原料的流化床技术和以萘或邻二甲苯为原料的固定床氧化技术。邻二甲苯因其高产率、廉价和高选择性成为现代生产苯酐的首选原料，邻二甲苯固定床工艺有低能耗（LEVH)法和低空气比率（LAR）法两种方式，其流程和设备基本类似，本设计以LAR法作为设计和计算基础。2.5工艺流程该苯酐生产工艺系列包括氧化反应部分、冷凝水洗部分、苯酐精制三部分。如图1所示。2.5.1氧化反应部分邻二甲苯通过换热器预热，经净化换热器加热后在汽化器内混合均匀并完全雾化，进入反应器反应。反应器内埋填换热列管，用熔盐循环移去反应热，热的熔盐产生高压蒸汽。 2.5.2冷凝水洗部分 反应气体冷却后在切换冷凝器中凝华，然后再融化，苯酐粗品流到储罐中。从冷凝器中排出的尾气为未反应的空气和反应生成的一氧化碳、二氧化碳及少量有机物，经水洗塔洗涤回收有机物后排放。洗涤水中主要含有顺酸（顺丁烯二酸)，通过加工可经济地回收，使过程无废水排出。 2.5.3冷凝水洗部分精制部分粗品苯酐经高压蒸汽预热后，进入第一精馏塔T101，顺酐及少量的苯甲酸作为塔顶馏出物而分离出来，使苯酐得到进一步的提纯，塔底产物为苯酐。塔底苯酐进入第二个精馏塔T102，在热虹吸式再沸器和重力及真空作用下回流循环纯化，脱除重组分杂质后，苯酐从塔顶流出。三、工艺设计书3.1 计算条件及基准3.1.1 体系所含组分由于本设计选用PRO 软件进行模拟计算，故需完整定义体系所包含的所有组分，现将该工艺所含所有组份列表如下：表1：组分表1二甲苯（OXYLENE)8甲基琥珀酸酐（METHSUCAND）2氧气（O2）9马来酸酐（MANH）3邻苯二甲酸酐（PHTHAND）10一氧化碳（CO）4氮气（N2）11二氧化碳（CO2）5氩气（AR）12马来酸（MALEIC）6水（H2O） 13甲苯甲醛（OTOLUALD）7苯甲酸（BENZOIC）14苯酞（PHTHALIDE）3.1.2原料输入情况该苯酐生产工艺原料主要包括邻二甲苯和空气。原料输入情况见表2：表2：物流输入S1流股情况 S2流股情况 物料输入温度：25 物料输入温度：25 入口压力：0.1013MPa 入口压力：0.1013MPa 流股相态：气相 流股相态：液相 流率（质量）：44650.1kg/h 流率（质量）：4700.02kg/h 流股组成：O2，21；N2，78.05；CO2，0.95 流股组成：邻二甲苯 3.2 反应过程3.2.1 反应方程及反应平衡常数 反应平衡常数表达式： 反应过程中涉及的反应方程及参数见表3。表3：反应过程中涉及的反应方程及参数序号反应式相态平衡常数（K）表达式中的常数邻二甲苯+O2邻苯二甲酸酐+水gAl，B3，C1，D3 邻二甲苯+O2顺酐+H2O+CO2gA2，B15，C8，D2 邻二甲苯+O2苯甲酸+H2O+CO2gA1，B3，C=2，D1，El 邻二甲苯+O2甲基琥珀酸酐+H2O+CO2gA1，B3，C2，D1 邻二甲苯+O2甲苯甲醛+H2OgA1，B1，C1，D1 邻二甲苯+O2苯酞+H2OgA1，B2，C2，D1 邻二甲苯+O2CO2+H2Og3.2.2 反应器参数 反应床层温度：360380；反应压力：0.1013MPa；原料：工业级邻二甲苯； 进料量：4700kg/h；转化率：99.8；苯酐选择性：约0.8；催化剂：低温高空速、V2O5-TiO2 负载在惰性载体上的催化剂；空邻比：9.5:1；3.3 分离过程本工艺分离过程由两部分组成：精馏塔T1、精馏塔T2。精馏塔T1为顺酐分离塔，目标：完全去除低沸物顺酐（沸点202）；精馏塔T2为苯酐提纯塔：塔釜去除最重组分甲基琥珀酸酐由于组分间的沸点差不大，为减少常压精馏的能耗，两塔均采用减压精馏。各塔的工作参数见表4：表4：各塔的工作参数塔塔板数塔顶压力/kPa全塔压降/kPaT1221020T22310203.4 原材料和动力的消耗定额和消耗量该苯酐生产工艺原料主要有邻二甲苯和空气，其次还需催化剂V2O5-TiO2和水，动力的消耗量主要包括电力。原料和动力的消耗量见表5：表5：原料和动力的消耗量表序号名称单耗/(t/t)年耗量/t邻二甲苯（96）0.9839200催化剂0.0002510熔盐0.001560水15600000电335kW，h/t14200000kWh空气11m3/t440000m3四、苯酐分离过程的模拟与优化分离过程首先根据初值进行模拟计算，然后进行操作条件的选择及理论级数的确定。 操作条件与塔所需的理论级数是相互影响的。操作条件改变，达到相同的分离要求所需的理论级数也会改变。反之，理论级数改变，其操作条件也应作相应调整，才能达到相同分离要求。现根据初步模拟的结果进行进一步的优化。4.1 分离系统从反应器中出来的气体含有苯酐、副产品顺酐、水等物质，它们都是以气体形式存在。在进入分离塔之前，要将气体冷却成液体或者气液两相共存。三组分的混合体系，采用两个精馏塔，即一个顺酐分离塔T1和一个苯酐提纯塔T2来将三种物质分离。 在根据排定塔序的推理法则，三组分中苯酐的流量最大，而且也最重，所以本设计中塔的分离顺序如下图2所示。图2：顺酐和苯酐分离顺序4.2 顺酐分离塔T1操作条件确定T1的作用在于完全分离顺酐，使产品苯酐进一步得到提纯。在此目标下对塔进行模拟优化，寻找达到该分离的最佳操作条件。4.2.1 塔压力的选择 顺酐在常压下的沸点是202，而苯酐的沸点是284.5，在常压下精馏需要消耗大量能量，不经济。从图3和图4来看，压力越小，顺酐和苯酐的气液平衡曲线离对角线愈远，愈有利于在精馏过程中进行分离。故设计本精馏塔的压力为30kPa。 4.2.2 进料位置对分离效果的影响 通过模拟一定理论板数（22块）和回流比（2.0）下，进料位置对分离效果的影响，得到如图5所示结果。 随进料板位置的变化，苯酐从塔顶流出的量呈线性关系，进料板位号增加，苯酐的损失量趋于零。 随进料板位号的增加，塔底顺酐的量出现最小值，这说明进料板存在最佳位置，使该 塔达到最佳的分离效果。可采用第8块理论板作为最佳进料板。 图5：塔T1的进料位置对分离效果的影响4.2.3 论板数对分离效果的影响 进料位置在第8块理论板时，回流比采用2.0时，探讨理论板数对分离效果的影响。模拟结果如图6所示。由图6可见，理论板数Nt23时，理论板数的增加对分离效果增加不明显。根据分离要求全塔理论板数取Nt23。 4.2.4 流比对分离效果的影响 如图7所示，在Nt23，进料位置为8，随着回流比的增大，塔顶回收顺酐中苯酐的含量越来越小，而顺酐的损失越来越大。但当回流比为2.0时，顺酐曲线出现拐点，苯酐趋于零，说明回流比为2.0对分离效果最佳。这里回流比取2.0。根据模拟结果，该点的顺酐收率为99.99。 4.2.5 顺酐分离塔T1优化结果 同时考虑顺酐分离塔T1对顺酐回收率和苯酐的损失，优化结果如表6和表7所示。表6：塔T1优化结果表名称数值名称数值理论塔板数23回流比39200最佳进料位置8顺酐回收率/10塔顶温度117苯酐损失/(km01/h)60塔底温度237冷凝器热负荷/(106kJ/h)600000塔顶压力/kPa10再沸器热负荷/(106kJ/h)14200000kWh塔底压力/kPa30塔顶采出量/(kmol/h)440000m3表7：塔T1各物流模拟优化结果项目进料物流塔底出料塔顶出料相态混合相液相汽相温度/220237162.3压力/kPa101.33010总流率/(kmo1/h)39.60836.2933.315苯酐/(kmo1/h)35.22734.9330.294顺酐/(kmo1/h)2.3840.0012.383重组分/(kmol/h)1.9971.3590.638苯酐摩尔分数0.8890.9630，089顺酐摩尔分数0.06000.719重组分摩尔分数0.0510.0370.1924.3 苯酐回收塔T2操作条件确定T 2的作用在于对苯酐产品进行提纯，使其纯度(质量分数)达到99.9，回收率达到99.8。在此目标下对该塔进行模拟优化，寻找达到该分离要求的最佳操作条件。4.3.1 塔压力的选择 苯酐在常压下的沸点是284.5，故在常压下精馏，需要消耗大量能量，不经济。从经济的角度考虑，本设计精馏塔的压力为30kPa。 4.3.2 进料板位置对分离效果的影响 通过模拟在一定理论板数（22块）和回流比（0.40）下，进料板位置对分离效果的影响，得到如图8所示。图8：塔T2的进料位置对分离效果的影响由图8可得到如下结论：理论板数和回流比恒定时，随进料位置变化出现苯酐回收达到极大值，这说明进料 位置存在最佳位置。使得塔达到分离效果时需要的进料位置，大约为塔的理论板总数的1/2 （从上部开始计）偏上点。 进料位置在11块板（总板数的1/2）处时，塔的再沸器热负荷出现最小值，从经济的角度考虑，这里取进料板位置为第11块板。4.3.3 理论塔板数对分离效果的影响 进料位置在最佳进料板处，回流比采用0.4，探讨理论板数对分离效果的影响，模拟结果如图9所示。图9：塔T2理论板数对分离效果的影响由图9可见，随着理论板数增加，苯酐杂质含量和损失率越来越小，当理论板数Nt21时，理论板数的增加对分离效果增加不明显，当Nr23时，再沸器的热负荷增加，从经济的角度考虑，取Nt22。4.3.4 回流比对分离效果的影响 根据前述结果，选择理论板数Nt22及进料位置为11，同时进行回流比对分离效果的 影响，其结果如图10所示。图10：塔T2回流比对分离效果的影响随着回流比的增大，塔顶苯酐的杂质含量和损失越来越小，但当回流比大于0.4时曲线趋于平直，说明增大回流比对分离效果的提高不大。这里回流比取0.4。根据模拟结果，该点的苯酐纯度为99.993，整个工艺流程回收率为99.3。4.3.5 苯酐回收塔T2优化结果进行全流程的模拟和优化得到苯酐回收塔T2优化结果，如表8所示。表8：苯酐回收塔T2优化结果项目优化值项目优化值理论塔板数22回流比0.4最佳进料位置11产品苯酐纯度(质量分数)/99.99塔顶温度/201产品中苯酐收率/100塔底温度/281塔顶产品苯酐的量/(km01/h)34.92塔顶压力/kPa10冷凝器热负荷/(106kJ/h)0.891塔底压力/kPa30再沸器热负荷/(106kJ/h)2.784各物流模拟优化结果如表9所示。表9：塔T2各物流模拟优化结果项目进料物流塔底出料塔顶出料相态液相液相汽相温度/23728l201压力/kPa303010总流率/(kmol/h)36.2931.33434.934苯酐/(kmol/h)34.933034.915重组分/(kmol/h)1.361.3340.019苯酐摩尔分数0.96300.999重组分摩尔分数0.0371000.001五、用Pro流程模拟过程说明5.1绘制流程图5.1.1工艺装置的选择与配置打开Pro软件，选择新建工程，在浮动PFD图板上选取所需的工艺装置，放置在屏幕适当位置。添加的工艺所需装置如图11所示。图11：工艺所需设备图5.1.2物流线连接按照工艺流程图物流方向，先在浮动PFD图板上选择Stream按钮，再在设备间加上物流线。 绘制好后的的完整工艺流程如图12 所示。图12：完整工艺流程图5.2组分和热力学方法的定义5.2.1定义组分单击工具条上的图标，进入选择组分对话框。单击Component Selection选项，出现Component Select（组分选择）窗口，单击Add，将组分移入List of Selected Components(选择组分表)，如图13所示。图13：自定义组分表实际操作中，组分甲基琥珀酸酐(C5H4O3)在该软件中不存在，需要用户自己定义该组分。定义步骤如下所示： 第一步：在工具条中选择，单击User-defined在Component name中添加甲基琥珀酸酐的代号如01，单击add，便成功添加新的用户组分。 第二步，将C5H4O3分解成三个集团（结构官能团）分别输入：图14：用户定义组分输入图15组分构造点击OK即可添加新组分甲基琥珀酸酐。第三步：在工具条中选择，再点击Fixed，出现如下图16所示：第四步：在依次点击图16中“临界性质”、“热力学性质”、“混合物性质”三个按钮，分别输入对应的性质。5.2.2热力学方法的定义在工具条上单击按钮，在Category（种类）表中选择Most Commonly Used（通用）相。在Primary Method表中选择SRK热力学系统、NRTL热力学系统，如图17所示。图17：选择热力学系统5.3物流和工艺装置数据输入5.3.1物流数据输入双击红色的S1物流标识标，出现图18所示的Stream data(物流数据)窗口。在First Specification（第一个参数）数据域单击向下箭头的按钮，在出现的信息菜单中选择Temperature（温度）选项，输入温度值25.00；在Second Specification（第二个参数）下拉表中选择Pressure选项，并且输入101.32。再点击按钮，输入物流总流量和各组分含量。如下图18所示：图18：物流1数据输入物流2的输入同物流1.5.3.2压缩机的数据输入在流程图上双击压缩机C1，在Thermodynamic System中选择SRK01热力学系统。 并在Pressure work or Head Specification框中选择Outlet Pressure,并填入250kpa。在Efficiency or Temperature Specification中选择Adiabatic Efficiency，并填入75percent。点击OK。如下图19所示：5.3.3 泵的数据输入 在流程图上双击泵P1，在Thermodynamic System中选择NRTL01热力学系统，并在Pressure Specification框中选择Outlet Pressure并填上250Kpa。在Efficiency中填入100 percent。点击OK。如下图20所示：5.3.4 换热器的数据输入在流程图上双击换热器E1，点击Specification，在Specification框中选择Cold Product Temperature，在Value中填入270。如下图21所示：图21：换热器数据输入5.3.5 反应器的数据输入第一步：反应式的输入 。首先要输入所有的反应方程式，工具条中点击按钮，在第一个框中输入MAIN-REACTOR，点击Enter Data进入书写方程式表。而后根据反应方程一一输入，再点击框E，根据所给定的平衡常数表达式数据分别输入。如下图22所示：平衡数据的输入：A=-1，B=-3，C=1，D=3。如下图23所示：图23：反应式输入第二步：反应器的数据。在流程图上双击反应器R1，在Reaction Set Name中选择MAIN-REACTION。在Fixed Temperature中输入380。 点击Extent of Reation，在相应的反应式中输入相应的反应程度，如下图24所示：5.3.6闪蒸罐的数据输入 在流程图上双击闪蒸罐，在First Specification中选择Pressure项，并填上101.3Kpa。在Second Specification中点击Unit Specification选项，选择Duty。点击Product Phases，S15为Vapor、S16为Liquid。如图25所示：图25闪蒸罐的数据5.3.7反馈过程控制器图26：过程控制器控制器的作用是SP1分离器流股分离的控制。控制原则，流出分离器E1的两个流股S9经过换热器以后成为S11，另一流股S10经过换热器E2后成为流股S12，控制效果S11和S12两股物流温度比为1。5.3.8精馏塔的数据输入第一步：精馏塔T1 。在流程图上双击精馏塔T1，出现Column面板，下图27所示。图27：塔T1数据输入面板分别点击Pressure Profile，在Pressure Specification Mode中选择Overall。在Overall Specification框中选择Top Tray Pressure并填上30Kpa，在Pressure Drop中选择Column，并填上10Kpa