年产40000吨苯酐生产车间工艺设计说明书.doc

目录1概述511苯酐简述512苯酐的一般性状2513苯酐的生产方法概述6131萘法概况7132邻法概况7131邻法制苯酐几种工艺简介8133国内工艺现状102工艺流程1021原料名称及规格41022反应原理1023苯酐生产工艺催化剂11231苯酐催化剂的选择1124工艺流程简述412241氧化部分12242冷凝回收13243尾气洗涤13244预处理13245结片包装14246废液焚烧1425工艺流程方块图153物料衡算1531反应器中氧化反应的物料衡算16311氧化反应过程的衡算基准16312氧化反应过程的物料衡算图16313氧化反应过程的物料衡算1632冷凝工段物料衡算2033精馏工段物料衡算21331物料衡算21332轻组分塔物料衡算224能量衡算2341热量衡算方程式2441反应过程的能量方框图2442反应器能量横算过程24421Q1和Q4的计算24422过程Q3的计算25423Q5的计算26424Q2的计算2643反应器能量衡算表265精馏塔的工艺设计及选型2751确定操作条件2752基础数据整理2753塔板数的确定3054塔径的计算及板间距离的确定31541精馏段31542提馏段3155塔高的计算3256溢流堰长计算3257塔体厚度的计算3258塔设备计算结果列表336苯酐生产装置其他主要设备选择3461主要附件设备选择3462反应器组设计35621固定床列管反应器设计35622熔盐循环泵35623电加热器35624熔盐冷却器35625蒸汽过热器36626邻二甲苯汽化器36627熔盐调节阀36参考文献371概述11苯酐简述苯酐，邻苯二甲酸酐，简称苯酐，英文缩写PA（PHTHALICANHYDRIDE），是一种重要的基本有机化工原料，被认为是十大有机化工原料之一。苯酐主要用于制造增塑剂、聚酯树脂和醇酸树脂，此外，还可用于生产涂料、医药、农药、糖精等。我国苯酐最主要的用途是生产邻苯二甲酸酯类增塑剂，如邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、混合酯等，该类增塑剂大量用于聚氯乙烯塑料制品的加工；其次是用于生产醇酸树脂和氨基树脂涂料。苯酐还可以用于不饱和聚酯的生产，在染料工业中用以合成蒽醌，在颜料生产中合成酞青兰BS、酞菁蓝CT、酞菁蓝B等颜料；在医药工业中用于制备酚酞，在农药生产中用于亚胺磷等中间体的生产。常温下为一种白色针状结晶（工业苯酐为白色片状晶体），易燃，在沸点以下易升华，有特殊轻微的刺激性气味。苯酐能引起人们呼吸器官的过敏性症状，苯酐的粉尘或蒸汽对皮肤、眼睛及呼吸道有刺激作用，特别对潮湿的组织刺激更大。12苯酐的一般性状2苯酐，常温下为一种白色针状结晶（工业苯酐为白色片状晶体），易燃，沸点以下易升华，有特殊轻微刺激性气味。分子式C8H4O3，相对密度152740，熔点1316，沸点295（升华），闪点（开杯）1517，燃点584。微溶于热水和乙醚，溶于乙醇、苯和吡啶。（1）苯酐的物理常数如下分子式C8H4O3；C6H4CO2O分子量14812CAS号85449沸点2845（101KPA）凝固点13111干燥空气熔点1305三相点13100自燃点584密度相对密度水1153；相对密度空气1510闪点1517（开杯）蒸汽压013KPA/965溶解性不溶于冷水，溶于热水、乙醇、乙醚、苯等多数有机溶剂熔融色度（色度号）100热稳定色度（色度号）150结晶点1300纯度995游离酸含量05稳定性稳定危险标记20腐蚀品（2）苯酐的热力学常数比热容04229J/GK90K07637J/GK200K10999J/GK300K熔融热23446KJ/MOL131升华热8876KJ/MOL131燃烧热32649KJ/MOL25气体32599KJ/MOL25固体生成热3736KJ/MOL25气体4607KJ/MOL25固体绝对熵1796KJ/MOL25生成自由能3326KJ/MOL25溶解热4396（在25水中）水合常数060725临界常数温度TC,K810压力PC,MPA461密度C,G/CM30402压缩因子ZC02613苯酐的生产方法概述目前，全球苯酐生产所采用的工艺路线有萘流化床氧化和萘/邻二甲苯固定床氧化，其中邻二甲苯固定床氧化技术约占世界总生产能力的90以上。邻二甲苯固定床氧化技术占美国总生产能力的82，西欧的86和日本的58。由于萘法生产方法受到原料、消耗、成本等方面的限制，所以该生产方法受到了影响，萘流化床氧化工艺在国外已逐步淘汰，但是在我国的苯酐生产中仍占有一定比例。随着我国石化工业的稳步发展和苯酐装置的技术引进，目前我国较大规模的苯酐生产都采用邻苯氧化法。我国现有的苯酐生产厂，萘法约占18，邻苯氧化法约占82；苯酐总生产能力，萘法占1315，邻法占85873。131萘法概况萘法作为最早生产苯酐的方法，也是最早形成工业化生产的方法，其原料为焦油萘。空气经净化、压缩预热后进入流化床反应器底部，喷入液体萘，萘汽化后与空气混合，通过流化状态的催化剂层，发生放热反应生成苯酐。反应器内装有列管式冷却器，用水为热载体移出反应热。反应气体经三级旋风分离器，把气体携带的催化剂分离下来后，进入液体冷凝器，有4060的粗苯酐以液态冷凝下来，气体再进入切换冷凝器（又称热融箱）进一步分离粗苯酐，粗苯酐经预分解后进行精馏得到苯酐成品。尾气经洗涤后排放，洗涤液用水稀释后排放或送去进行催化焚烧。我国在1953年开始萘法生产苯酐，当时是以萘为原料，固定床气相氧化法生产苯酐。1958年我国又开发了流化床工艺，并在此基础上建设了多套工业生产装置。在生产中工艺不断被改进，如投料方式发展为雾化进萘、气固分离采用国产高效耐磨旋风分离器等，这些改进不仅使产品的产量、质量大为提高，同时也大大降低了萘法的能耗。由于我国萘流化床法发展较快，到1988年大部分工厂仍在采用萘流化床法生产苯酐，当时萘法产量高达总产量的90。随着我国石油工业的发展以及邻法技术的开发，萘法的劣势显露出来原料焦油萘供应日趋紧张，价格不断上扬，单台反应器生产能力较低，这些都不可避免地造成了萘法的高能耗。由于萘法生产在降低能耗上没有再出现大的进展，在大量低价位邻法苯酐的冲击下，使萘法的利润空间越来越小，为了提高自身的经济效益，众多的萘法厂家开始进行工艺改造，转向邻法生产，到1999年萘法产量已不足10，到了21世纪，萘法在我国已逐渐被淘汰掉。132邻法概况随着苯酐产量的迅速增长，焦油萘越来越不能满足生产的需要，而随着石油工业的发展，又提供了大量廉价的邻二甲苯，扩大了苯酐的原料来源。过滤、净化后的空气经过压缩，预热后与汽化的邻二甲苯混合进入固定床反应器进行放热反应，反应管外用循环的熔盐移出反应热并维持反应温度，熔盐所带出的反应热用于生产高压蒸气（高压蒸气可用于生产的其他环节也可用于发电）。反应器出来的气体经预冷器进入翅片管内通冷油的切换冷凝器，将苯酐凝结在翅片上，然后再定期通入热油将苯酐熔融下来，经热处理后送连续精馏系统除去低沸点和高涨点杂质，得到苯酐成品。从切换冷凝器出来的尾气经两段高效洗涤后排放至大气中。含有机酸浓度达30的循环液送到顺酐回收装置或焚烧装置，也可回收处1964年，美国在工业上首次采用邻二甲苯为原料气相氧化生产苯酐。由于石油邻二甲苯资源比较丰富，理论收率高（邻二甲苯制取苯酐理论收率为1396WT，萘为1156WT）。从20世纪60年代开始，生产苯酐的原料从萘转向邻二甲苯。随着催化剂研发的重大进展以及参加反应的空气和邻二甲苯比例的降低，再加上生产设备大型化的实现等一系列新技术的开发和应用，进一步加速了原料的转换进程。自80年代以来，世界各国相继开发了“70G工艺”、“80G工艺”、“90G工艺”，并正向着更高负荷的技术进军。我国在70年代开发并建成了以邻二甲苯为原料的“40G工艺”固定床气相催化氧化法生产苯酐的工业装置，80年代又分别从德国引进两套4万T/A和一套2万T/A邻法苯酐生产装置。我国苯酐的生产逐渐转向了邻法，萘法则慢慢被淘汰。1992年国内苯酐生产能力达2595万T，邻法占60以上，1999年，生产能力近40万T，邻法已占90以上，2003年，苯酐产能约为765万T，几乎全部为邻法产品，而且此时生产厂家也超过了四十多家，并不断有新的邻法装置建成、投产。近几年，各厂家也都在为提高自身产品的竞争力而不断地在节能降耗等方面改进、完善着自已的工艺，这就使得邻法工艺更加成熟，更加先进。萘法与邻法之间的比较A原料供应随着石油工业的发展，提供了廉价的邻二甲苯，而其邻二甲苯的资源较为丰富，因此，从原料方面来讲，邻法较萘法优越。B消耗方面邻法较萘法制苯酐理论收率高，邻法制苯酐理论收率为1396，而萘法则是1156，因此，邻法较萘法生产苯酐从消耗上讲，成本应该较低。C单套反应系统生产能力从规模经济的角度，反应能力大意味着生产成本低。苯酐单套装置生产能力，美国平均位90KT/A，最大为118KT/A，均为邻法；德国邻法装置平均能力为85KT/A，英、法、意等国单套邻法装置能力也达到了8090KT/A；日本邻法单套装置能力平均为60KT/A，最大90KT/A，萘法以30KT/A为主，由此可见邻法生产苯酐成本较低4。131邻法制苯酐几种工艺简介邻二甲苯固定床气相氧化法主要有BASF,VOMHEYDEN,ELFATOCHEM/日触和ALUSUISSEITALIA等几种典型的生产工艺。1BASF工艺此法系德国BASF公司开发的技术，最初为低温低空速法，1968年改为低温高空速法。BASF工艺于1976年工业化生产，总生产能力超过100万吨/年，BASF工艺的单台反应器最大生产能力为45KT/A；收率达109；尾气回收5顺酐；整个过程无废水；从切换冷凝器中出来的废气回收顺酐后催化焚烧排空。经净化预热后的空气与气化的邻二甲苯混合进入列管式固定床反应器，在钒钛环形催化剂表面进行反应，反应温度为360，空速为3000/H，反应热由熔盐导出。粗苯酐在微负压下采用高温或同时添加少量化学品除去某些杂质后送入精馏塔精制。2VONHEYDEN工艺近年来各国新建的苯酐生产装置基本上都采用VONHEYDEN工艺，至今世界上已有110套以上的装置采用此工艺，总生产能力为160万吨/年，单台反应器的最大生产能力为50KT/A；装置可以使用邻二甲苯也可以使用萘为原料，装置具有很大的原料灵活性；该工艺有三种VTI系催化剂，分别用于邻二甲苯、萘及两者的混合物，催化剂寿命大于3年，且不需要加SO2；进料比为80G邻苯/M3空气；顺酐收率为114115，以萘为原料时为9799。该工艺所采用的催化剂适用于邻二甲苯、萘以及邻二甲苯和萘的混合料，设计的催化剂负荷为邻二甲苯100G/M3空气（标准态）；工艺中产生的废气，经水洗或焚烧排空，洗液可用于回收顺酐，生产1T苯酐可回收顺酐4050KG，该工艺与BASF工艺相近。3ELFATOCHEM/日触工艺ELFATOCHEM公司于1970年开始开发低能耗工艺，1986年该公司决定采用日触公司寿命长、选择性高的苯酐催化剂，并与日触公司共同开发了ELFATOCHEM/日触工艺。该工艺的总生产能力约40万吨/年，单台反应器最大生产能力为20KT/A，以邻二甲苯为原料，该工艺最多的特点是改变了尾气处理工艺和进料中氧浓度，开创了尾气循环工艺，将部分尾气循环到进料中，使进料中氧浓度由21降到10，进料邻二甲苯浓度增至83G/M3；催化剂寿命3年；苯酐收率为1289；不参加循环的尾气通过催化焚烧回收热能；催化剂以钒为主，选用TI、NB、P、K、CS、NA以及稀土元素等氧化物为助催化剂，以特制的碳化硅球为载体。该工艺与BASF工艺相似，工艺尾气全部催化焚烧处理，有机杂质含量低，无大气污染。4ALUSUISSEITALIA工艺意大利的ALUSUISSE公司于1986年开发了ALUSUISSEITALIA低空烃比工艺，该工艺特点是使用大型反应器，设备利用率高，提高了40，空气对邻二甲苯的质量比由201减少到951，而原料气浓度可提高到邻二甲苯134G/M3空气（标准态），因而设备体积小，生产率高，并实现50的粗苯酐以液态回收，以减少热熔冷凝器的换热面积。到1996年，世界各地共有11套装置采用该工艺，总生产能力为249万吨/年5。5主要生产工艺的技术经济比较VONHEYDEN工艺特点是低能耗，高负荷，生产能力大，催化剂活化时不必使用SO2。BASF工艺的技术特点是低反应温度和高空速，水洗回收副产品顺酐，生产费用低，无废水排出，采用蒸汽透平，输出中压空气。日触工艺的特点是低空烃比，操作安全性能好；负荷高，空气量相应减少，总能耗下降，因此该工艺具有投资较低，能耗少，成本低和无污染的优势。ALUSUISSEITALIA工艺工艺的设备投资较少。133国内工艺现状我国苯酐生产装置规模较大的为邻法，而且绝大部分引进装置，如金陵石化、齐鲁石化90年代投产的40KT/A苯酐装置是引进德国BASF的技术，哈石化引进的是德国DAVY的技术，三者都是大型固定床的低能耗反应器，催化剂为60G工艺。目前，金陵石化公司的苯酐装置经过多年的技术改造，解决了装置技术薄弱环节，采用进料更高负荷催化剂，；哈石化的苯酐装置反应器的反应管有10320根，可装13T左右的催化剂；吉化40KT/A的苯酐装置引进的是意大利ALUSSUISSE工艺，反应器大而且苯酐进料浓度高，技术处于国内较先进的水平，而计划引进的金陵石化、锦化苯酐项目都引进德国技术，建设40KT/A的苯酐装置，因此我国的苯酐生产工艺与所引进的技术很接近，我国的苯酐生产工艺技术已经拥有国际较先进的水平。2工艺流程21原料名称及规格4生产能力年产4万吨邻苯二甲酸酐车间工艺设计生产时间8000H/年产品流量5000KG/H产品纯度999产品回收率95主要原材料的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V2O5TIO2系列负载型催化剂。设计阶段初步设计22反应原理邻二甲苯和空气的气态混合物在满足催化剂活性的合理温度条件下，在催化剂表面发生主反应生成苯酐，副反应生成顺酐、苯甲酸、柠糠酐和苯酞等副产物。部分过氧化生成CO2和CO。用于邻二甲苯部分氧化的催化剂是VTI系表面涂层催化剂。载体是瓷环。催化剂的活性和选择性、反应控制温度、邻二甲苯纯度、空间速度，对于邻二甲苯部分氧化生成苯酐的产率具有决定性的影响。以邻二甲苯为原料气相催化氧化法制取苯酐的反应历程包括一系列平行和串联反应。主要反应式如下11主反应3CH2O23HO1KCAL主要副反应3CH275C24759KCALHEMPASTR310O8H103L22655KCAL3CHC2O30LHEPSTR215HMA3CH24OC32340KCAL23苯酐生产工艺催化剂231苯酐催化剂的选择自50年代起，相继开发出多种形式的邻二甲苯氧化用催化剂，其中最成功的工业应用最广泛的是以V2O5TIO2为主要活性组分的高负荷催化剂10。当今世界苯酐生产技术的进展主要体现在高收率、高选择性、高负荷催化剂的开发和现有生产工艺的改进上。例如BASF开发了多种牌号的催化剂（0428、29、32、40、66等），从BASF在华公开CN1795049专利透露的苯酐生产用催化剂看，采用的是活性逐渐增加的3层以上催化体系。通常最上部催化剂区的床长度为80160CM，其催化剂比表面积为530M2/G；中部催化剂区的床长度50160CM，其催化剂比表面积为1040M2/G；最下部催化剂区的床长度为4090CM,其催化剂比表面积为1550M2/G。活性低的催化剂比表面积小，而且负载活性组分量也少，其中以重量计，V2O5为611，SB2O3为03，碱金属为011；活性高的催化剂V2O5为515，SB2O3为03，碱金属为0004，还有004的磷7。目前国内知名的增塑剂及苯酐企业已经成功应用了0428、0466、RHYHLIV等BASF系列催化剂产品，几种催化剂性能、特点、优劣各有千秋，但是他们的主要成份都是V2O5TIO2，并且催化剂载体都是瓷环8。24工艺流程简述4苯酐生产工艺系统包括氧化反应部分、冷凝水洗部分、苯酐精制部分。241氧化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。反应器内埋填化热列管，用熔盐循环移去反应热，热的熔盐产生高压蒸汽。邻二甲苯部分氧化生成苯酐所必需的工艺空气由空气鼓风机压缩供给。工艺空气经过空气过滤器除去其中的灰尘等，这些灰尘可能降低催化剂的活性。通过过滤器后，纯净的空气经过入口侧的进气消音器被鼓风机压缩至0055MPAG。空气鼓风机是单级电动离心式压缩机。通过出气消音器的压缩空气进入空气预热器。被加热空气的出口温度大约为185。工艺空气通过空气预热器进入邻二甲苯气化器。来源于邻二甲苯罐的邻二甲苯通过邻二甲苯泵输送到汽化器，在进入汽化器前邻二甲苯先后通过邻二甲苯过滤器和邻二甲苯加热器，在进入气化器前邻二甲苯先后通过邻二甲苯过滤器和邻二甲苯加热器。位于邻二甲苯管线上的邻二甲苯过滤器是一种双切换过滤器，这样邻二甲苯中的颗粒将被完全过滤出。通过邻二甲苯预热器将邻二甲苯加热到145，壳侧的加热蒸汽为06MPAG饱和蒸汽。上述工艺物料和工艺空气分别进入邻二甲苯气化器。邻二甲苯的流量根据空气流量调节，空气量在压力补偿下指示，装置邻二甲苯负荷为80G。在汽化器中，邻二甲苯通过喷嘴注入并与工艺空气完全混合直接进入苯酐反应器中，反应混合物从上到下流经反应器。在气相中，邻二甲苯在VTI催化剂的表面被选择性氧化反应生成苯酐。该反应式强放热反应。部分反应热将反应温度加热到370，大部分反应热经循环的熔盐移出。苯酐反应器为列管式反应器，在反应器壳侧的传热介质为熔盐。熔盐通过熔盐泵进行循环，流经反应器同时吸收反应放出的热量。部分循环的熔盐从盐浴流经外部的熔盐冷却器，熔盐冷却器有序流动以维持盐浴温度的恒定。电加热器在开车时给盐浴提供热量并在停车期间保持足够的盐浴温度。反应器盐浴的温度，是由熔盐控制阀调节通过熔盐冷却器的循环流量来控制的，熔盐冷却器锅炉给水的量通过液位来进行控制。带外部加热的熔盐槽主要用于熔盐的初次装填和反应器熔盐的排放。242冷凝回收热的生成气体离开反应器后在气体冷却器中被冷却到165175，然后进入苯酐切换冷凝器凝固成反应产物。反应气进入切换冷凝器，其中四台切换冷凝器中的三台通入反应气体进行凝华，另一台处于热熔或再冷却，并且根据固定的周期切换操作。在切换冷凝器凝华阶段，通过冷油冷却器冷却的导热油被通入切换冷凝器的翅片管。苯酐凝华在翅片管的外表面。循环的导热油的供给温度合理选择，以保证出切换冷凝器的气体温度大约为60。当苯酐凝华结束后，通过热油加热器加热的热油被通入切换冷凝器的翅片管。粗苯酐被热熔，收集在切换冷凝器底部然后流入粗苯酐贮罐中。粗苯酐通过粗苯酐送料泵进入苯酐精制单元。导热油流经两个循环回路，这两个循环回路的油贮存罐分别是冷油罐和热油罐，且两贮罐相互连通。冷油通过冷油泵经冷油冷却器再流经切换冷凝器回到冷油罐。通过冷油冷却器的冷油温度约为54。热油通过热油泵经热油加热器再流经切换冷凝器后回到热油罐。通过热油加热器的热油温度约为180。热熔后，切换冷凝器被冷油冷却然后准备下一次苯酐凝华捕集。在开始下一次凝华捕集之前，切换冷凝器需要大约40分钟冷却。243尾气洗涤从切换冷凝器排除的尾气和精馏蒸汽喷射器过来的废气一起进入尾气洗涤塔，在洗涤塔中尾气中的有机物通过洗涤水循环泵，经过三级洗涤后被除去，经洗涤后的尾气直接向高空排入大气。废气中被除去的主要有机物是顺酐。三级洗涤回路中顺酐的质量浓度分别为2，6和17最大25。洗涤塔的补充水通过液位控制系统补充到洗涤塔内。酸水被临时贮存在酸水贮罐中，然后通过酸水输送泵送至废液焚烧炉。酸水正常的输送量为15M3/H。244预处理粗苯酐输送到热处理单元，在第一处理段，粗苯酐加热器将粗苯酐从160加热到250进行热处理。在催化剂使用的末期，有必要将粗苯酐加热到280进行热处理。粗苯酐加热器的加热介质为导热油。导热油通过热油炉的循环泵进行循环，热油的温度大约为300。粗苯酐从苯酐缓冲罐通过重力流入第一处理槽，最终溢流到第二处理槽。碳酸钠溶液通过计量泵从碳酸钠溶解槽注入第一处理槽，醛类和其它重组分转化为树脂以便于精馏分离。同时水蒸气、顺酐和其他低沸点物质也从粗苯酐中抽取出。通过重力流入第一处理段，粗苯酐加热器将粗苯酐从160加热到250进行热处理，最终流入第二处理槽。水蒸气、顺酐和其他低沸点物质从粗苯酐中抽取出。热处理的真空度通过喷射泵来实现，真空度大约为002MPAG。热处理的停留时间大约为18H。被加热的气相产品在苯酐冷凝器中部分冷凝，然后回到第一处理槽。不凝气被喷射泵吸收，然后送到尾气洗涤塔前的工艺气体进口管线。245结片包装该工段根据用户需要经结片机结片后再由包装机包装成成品。从结片机给料泵来的液体苯酐产品，经结片机结成片状的固体苯酐，再经称量包装机包装后通过皮带输送机送至产品临时堆放仓库待售。结片机为一个经抛光的并可以调转数的不锈钢滚筒，其内部通冷却水，滚筒下部的一部分侵入苯酐料盘内，转动的滚筒在苯酐料盘沾上一层苯酐，经冷却变为一层结片。滚筒一侧装有一把固定的与滚筒同长度的刮刀，当滚筒上的苯酐结片转至刮刀处时，被刮刀将结片刮下，落入结片机下方的排放空中，经滑槽进入半自动包装码垛机，码完的货垛由非防爆内燃机叉车送入成品库待销。246废液焚烧废液焚烧装置主要是处理来自尾气洗涤塔产生的顺酸废水。由于废水中的有机组分含量相对比较少，废水的热值低，本身不能进行燃烧，所以采用天然气作为主要燃料进行燃烧，将废水喷入焚烧炉中，由过热蒸汽进行雾化。在焚烧炉中，废液所含的有机物在高温下全部分解成CO2和H2O。鼓风系统列管式氧化反应器冷凝回收粗苯酐置邻二甲苯加热蒸汽循环冷油尾气洗涤废气副产蒸汽循环油废液焚烧热油炉天然气预处理精馏结片包装天然气副产蒸汽苯酐产品25工艺流程方块图原料图21工艺流程方块图3物料衡算物料衡算的准则就是质量守恒定律，即“进入一个系统的全部物料必等于离开这个系统的全部物料，再加上过程损失量和在系统中积累量”。依据质量守恒定律，对研究系统作物料衡算，可由下式表示13G进G出G损G积其中式中G进输入物料量总和；G出输出物料量总和；G损总的物料损失量；G积系统中的积累量。根据设计任务，苯酐生产能力为40000吨/年，产品纯度达到999WT按照8000小时开工计算，每小时的生产能力400001000999/80004995KG/H31反应器中氧化反应的物料衡算311氧化反应过程的衡算基准本次设计以每小时生产4995KG为基准，进料量4700KG/H，转化率999；生成苯酐的选择性约为08；空气与邻二甲苯进料比为951；主要副产品为苯酞、顺酐、苯甲酸、柠槺酐、二氧化碳、一氧化碳等。312氧化反应过程的物料衡算图画出衡算方框图，标出有关计算目标，然后进行计算固定床反应器邻二甲苯空气苯酐水一氧化碳二氧化碳顺酐苯甲酸苯酞柠糠酐图31反应过程物料衡算图313氧化反应过程的物料衡算邻二甲苯与空气催化氧化的主反应式3CH2OC23HOHEMPASTR1063214818X3Y4995Z所以主反应中1邻二甲苯消耗量49518X06X35775KG/H氧气消耗量49518Y32Y3240KG/H水的生成量ZZ18225KG/H（2）邻二甲苯转化率为999，且邻二甲苯的进气量为4700KG/H，所以邻二甲苯生产苯酐的选择性为35775/4700/9997627。（3）设计进料空邻比为951，所以空气进料量计算591W470W空44650KG/H空气中O2所占的比例为21，所以工艺空气中氧气的进料量W氧446502193765KG/H。进而得出空气中不参与反应的惰性气体（主要为氮气）总的进料量W惰4465093765352735KG/H通过对苯酐反应原理的了解，在反应器中，苯酐与空气接触还发生一系列的副反应，由上面计算可知，邻二甲苯氧化部分除了生成苯酐，还约有237发生了副反应。本次设计对副反应只考虑占总比例较大部分反应。根据工厂实际经验在该温度段所得数据，具体给出邻二甲苯对各副产物的转化率如下表表31副反应转化率副产物顺酐苯甲酸苯酞柠糠酐二氧化碳一氧化碳转化率918532231162383147根据上表给出数据，对各副反应进行计算（1）CH3C6H4CH375O2C4H2O3（顺酐）4CO24H2O1069789W顺酐3980956KG/H42CO17149472KG/H10694798WOH122924784KG/H7532O19749280KG/H（2）CH3C6H4CH33O2C6H5COOH（苯甲酸）CO22H2O10947W苯甲酸2872124KG/H632542CO1035826KG/H109478WOH2847512KG/H62352O2260032KG/H（3）CH3C6H4CH32O2C8H6O2（苯酞）2H2O10947W苯酞1369748KG/H6238OH32367992KG/H10947W2O3654208KG/H（4）CH3C6H4CH345O2C5H5O3（柠槺酐）3CO3H2O106947柠槺酐810097KG/H238WCO1602196KG/H106947238WOH42387126KG/H52O41032286KG/H（5）CH3C6H4CH365O28CO5H2O1069478WO21454095KG/H5OH52585440KG/H1069473W2O51353017KG/H（6）CH3C6H4CH3105O28CO25H2O10694782O5965735KG/H35WOH621525330KG/H10694782O65694565KG/H综合以上计算数据，可以得出反应器中氧气总的消耗量22222226O5O43O1OWW340W53143383KG/H,所以剩余气体中氧气含量2O剩937655314338340621612KG/H。反应器内所有反应产生的水的含量WH2O18225W1H2OW2H2OW3H2OW4H2OW5H2OW6H2O24863184KG/H反应器内产生的COWCOW1COW2CO2059291KG/H反应器内产生的CO2WCO2W1CO2W2CO2W3CO214151033KG/H32冷凝工段物料衡算画出物料方框图切换冷凝器尾气洗涤排放工段预处理工段反应生成的气体不凝有机气体粗苯酐图32冷凝工段物料衡算图反应生成气体经冷凝器冷却到165175后，再经预冷凝来到切换冷凝器，水冷凝成液体排出，含有杂质的粗苯酐冷凝在冷凝器的翅片管内，准备进入精馏工段，不凝有机气体进入尾气洗涤装置，经过三级洗涤，尾气中顺酐大部分被吸收，剩余尾气直接排放出去，根据工厂实际生产经验及文献资料给出物料平衡表格如下图表33冷凝工段物料衡算表序号组分进KG/H出1（排出或进入气塔）KG/H出2（进入精馏段）KG/H1邻二甲苯9400068023259772O2406216124062161203惰性气体35273500035273500004CO2059291205929105CO2141510331415103306苯酐499500000499500007顺酐3980956101644529645118苯甲酸287212424552034169219苯酞136974877863359111510柠糠酐81009747134133875611H2O24863184248631840合计4935070454393197655418728033精馏工段物料衡算331物料衡算由于粗苯酐中所含的蒽醌及其同系物等重组分含量极少，在反应工段中没有对其进行物料的计算，且沸点与苯酐相差很大，极易除去，对产品影响不大，而且粗苯酐中的杂质经过轻组分塔精馏后基本除去，能达到设计要求。所以本次设计对苯酐精馏工段中的重组分塔只作介绍，不作计算。进而在本章中对苯酐精馏工段进行物料衡算时，可以近似认为从轻组分塔塔底提取的苯酐熔液即为产品苯酐（即物流3）。同样的，在本次设计中对精馏塔的设计计算章节也只考虑其中的轻组分塔。332轻组分塔物料衡算经过冷凝工段，粗苯酐热熔后送入预处理槽加热，然后由轻组分塔进料泵送入轻组分塔。预处理工段中粗苯酐的杂质苯酞经高温全部分解成苯酐和水C8H6O2O2C8H4O3H2O由苯酞分解生成的苯酐为04411KMOL则经过预处理段后苯酐F133750004411341911KMOL粗苯酐中含量较少的邻二甲苯、柠槺酐、苯甲酸也基本除去，为了后面精馏计算方便，可假设粗苯酐经过预处理蒸馏后，杂质中的邻二甲苯、柠槺酐、苯甲酸、苯酞以及苯酞高温分解产物水一起除去，通过泵送入尾气洗涤装置。所以进入轻组分塔的原料物流纯苯酐的物料流量F1341911KMOL/H顺酐的物料流量F22964511/9830250KMOL/H进入精馏塔粗苯酐总物料FF1F2372161KMOL/H物流1流量即为粗苯酐总的物料流量F372161KMOL/H对该段精馏，进料组成XF109137264F1XF25物料1的平均摩尔质量MF091148009981435本次设计对精馏要求塔顶X101488；塔底X10998，列出物料横算式FDW（1）F1DXD1WXW1（2）F2DXD2WXW2（3）先将已知数据代人式（1）、（2）式372161DW34191101498D0998W解得D34788KMOL/HW337373KMOL/H所以苯酐F1D014883478805176KMOL/HF1W0998337373336698KMOL/H由XD210149808502XW2109980002所以顺酐F2D347880850229577KMOL/HF2W337373000200675KMOL/H根据以上计算列出精馏物料平衡表表34精馏工段物料衡算表物流表123摩尔流量KMOL/H37216134788337373质量流量KG/H53497339359440949897454苯酐KG/H5060282876604849831304顺酐KG/H28945112828361661504能量衡算41热量衡算方程式化工计算中的能量衡算是根据热力学第一定律，即能量守恒与转化定律，对化工过程进行能量计算。化工生产中消耗的能量形式有机械能，电能和热能等等，其中以热能为主要形式，因此化工过程中的能量衡算重点是热量衡算。本章具体对苯酐氧化反应器进行能量衡算如下热量衡算方程式Q1Q2Q3Q4Q5其中式中Q1初始物料带入设备中的热量，KJQ2加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量KJQ3物理变化及化学变化的热效应，KJQ4离开设备物料带走的热量，KJQ5反应器系统热量损失，KJ41反应过程的能量方框图固定床反应器Q邻二甲苯工艺空气145苯酐邻二甲苯酐苯甲酸苯酞柠槺酐水二氧化碳一氧化碳图41反应工段能量衡算图42反应器能量横算过程根据图41及能量守恒可知Q2Q4Q5Q1Q3421Q1和Q4的计算QMICI（T1T2）（Q1和Q4的计算都适用）式中MI反应物体系中组分的质量，KG；CI组分I在0T时的平均比热容，KJ/KGK；T1，T2反应物系在反应前后的温度，。物料进入设备时的温度为145，热量衡算的基准为145，T0,则Q10查得各物项平均比热容数据（KJ/KG）组分OXO2N2苯酐顺酐柠康酐苯酞苯甲酸水COCO2比热容596115106523493452491518418111145表41各物相平均比热容所以21I4TCMQ94000696370145406216121152253527350001062254995000052322539809564522258100974522251369748491225287212451822524863184418225205929111122514151033145225191812074KJ422过程Q3的计算过程热效率可以分为两类一类是化学过程的热效率即化学反应速率；另一类是物理过程热效率。物料化学变化过程，除化学反应外，往往伴随着物料状态变化热效率，但本工艺流程中物理过程热效率较低，可以忽略不计，该过程皆为放热反应，则过程热效率可以由下式计算主反应C8H103O2C8H4O33H2O13022KJQ31337510313022439492103KJ/H副反应CH3C6H4CH375O2C4H2O3（顺酐）4CO24H2O31779KJQ3240610331779129023103KJ/HCH3C6H4CH33O2C6H5COOH（苯甲酸）CO22H2O13398KJQ332351031339831485103KJ/HCH3C6H4CH32O2C8H6O2（苯酞）2H2O8374KJQ3410210383748541103KJ/HCH3C6H4CH345O2C5H5O3（柠槺酐）3CO3H2O16748KJQ350721031674812059103KJ/HCH3C6H4CH365O28CO5H2O21772KJQ360641032177213934103KJ/HCH3C6H4CH3105O28CO25H2O45764KJQ371691034576477341103KJ/H继而得到Q3Q31Q32Q33Q34Q35Q36Q37711875103KJ/H423Q5的计算该反应中的热损失按5计算，即Q55（Q1Q3）5（0711875103）3559375KJ/H424Q2的计算Q2为熔岩移出反应器的热量，由反应器热量守恒可知Q2Q4Q5Q1Q3516503556KJ/H43反应器能量衡算表根据以上计算列出氧化反应工段能量衡算表格如下表42反应工段能量衡算表（吸收热量为“”，释放热量为“”）名称热量（KJ/H）输入物料焓（Q1）0热交换量（Q2）516503556过程热效率（Q3）71187500输出热料焓（Q4）191812074总的热损失（Q5）35593755精馏塔的工艺设计及选型本次设计的一部分是设计苯酐轻组分塔，塔型选用F1浮阀塔，进料为两组分进料连续型精馏。苯酐为重组分，顺酐为轻组分，从塔顶蒸除去，所以该塔又称为顺酐塔。51确定操作条件顺酐为挥发组分，所以根据第3章物料衡算得摩尔份率进料79401625XF塔顶D08502塔底W0002该设计根据工厂实际经验及相关文献给出实际回流比R2（R13RMIN），及以下操作条件塔顶压力100KPA；塔底压力300KPA；塔顶温度11702；塔底温度23702；进料温度225；塔板效率ET0552基础数据整理（1）精馏段F,XF12NN1柠槺酐水二氧化碳一氧化碳X1Y2X2YNXNYN1V,Y1L,XDD,XD图51精馏段物流图平均温度01725017平均压力33310593105PA根据第3章物料衡算，列出精馏段物料流率表如下表51精馏段物料流率物料质量流量KG/H分子量KG/KMOL摩尔流量KMOL/H内回流1704612098173940标准状况下的体积V062538943917NM3/H操作状况下的体积V163052731653895516056NM3/H气体负荷VN15236M3/S气体密度N09574液体负荷LN7353612017101时苯酐的密度为1455KG/M3（2）提馏段MM1NLVXMF,XFYM1YNXN蒸气W,XWXN图52提馏段物料图平均温度0123502371入料压力PAK94平均压力039142225KPA根据第3章物料衡算列出提馏段内回流如下图表52提馏段内回流物料质量流量KG/H分子量KG/KMOL摩尔流量KMOL/H内回流4394271098448395标准状况下的体积0V7024821NM3/H操作状态下的体积163105137483755081气体负荷VM033657M3/S气体密度721849KG/M3查得进料状态顺酐与苯酐混合物在温度225下，含顺酐541WT,密度1546KG/M3。塔底含顺酐很少，可近似为纯苯酐，在塔顶的温度及压力状态下苯酐的密度为1530KG/M3。液体的平均密度3M/KG1582461530，液体负荷3M1086152749LM3/S53塔板数的确定由于进料中顺酐的摩尔分率很小，无法用常规的作图法求解塔板数。所以这里采用假设全回流计算理论最少塔板数NMIN，下面应用芬斯克方程14式有查得全塔平均相对挥发度MA37，及精馏段平均响度挥发度45所以全塔的最少理论板层数1LG37021850LMIN51精馏段最少理论板层数1ALGX1LNFD54L079820L17由125RMIN017对应吉利兰图查得NMIN048所以对全塔2IN0485解得全塔理论板数N117对精馏段048N712解得精馏段理论塔板数N251所以提馏段理论塔板数N366所以得到实际板层数精馏段N精51/0510211提馏段N提66/0513214全塔实际板层数N总25实际进料板NT1254塔径的计算及板间距离的确定由于浮阀塔塔板效率高，生产能力大，且结构简单，塔的造价低，所以本次设计采用的是F1型浮阀塔，设全塔选用标准结构，板间距HT035M，且因为该顺酐塔为减压塔，所以设计溢流堰高HC0025M541精馏段1精馏段功能参数NVLVL210217塔板间的有效高度H0HTHC0325M由史密斯图13查得412，2塔顶温度11702下顺2014MN/M，苯酐2021MN/M，所以1201407920210212015MN/M进料层温度225下顺1712MN/M，苯酐1933MN/M所以217120054193309461921MN/M所以精馏段液相平均表面张力21950196MN/M3计算出操作物系的负荷因子C0LC042694所以最大空塔气速M/S80315UMAXVL设计气速取安全系数为07，则U07MAXU070860607M/S4塔径D587067850132NM542提馏段1精馏段功能参数为MVL（VL）210088塔板间有效高度H0030M由史密斯图得负荷系数20C00512塔底温度23702下顺1581MN/M，苯酐1627MN/M所以31581000131727099871627MN/M所以提馏段液相平均表面张力219761774MN/M3计算出操作物系的负荷因子0LC027450049所以最大空塔气速M/S50213849UMAXVL设计气速取安全系数为07，则U07MAXU070540378M/S4塔径628037850147VDM对全塔，取圆整D700MM塔截面积222TM38507850D4A55塔高的计算精馏段有效高度5301HNZT1提馏段有效高度M442在进料板上方开一人孔，其高度为08M所以精馏塔的有效高度为8052156溢流堰长计算上面计算得出的塔径为700MM，远小于2M，所以溢流方式采用单溢流。堰长WL一般根据经验确定，对于此次塔设备的弓形降液管，堰长490M70D57塔体厚度的计算本次设计中精馏操作为减压操作，塔体材料选用Q235A，该材料的许用应力86MPAT，厚度附加量2MM塔体内液柱高度16M012540NH总液柱静压力GP6H10P5PA478915306可忽略计算压力1MAC塔体计算厚度1M0586272DTICP塔体设计厚度M1C塔体名义厚度N4MM塔体有效厚度CE2MM58塔设备计算结果列表53塔设备计算结果列表项目数值及说明塔径，M0700板间距，M0350塔截面积，M20385塔板形式单溢流弓形降液管堰长，M0490堰高，M0025浮阀塔板数25进料板12塔高，M805塔体名义厚度，MM4塔体内液柱高度，M010计算压力，MP011精馏段提馏段最大空塔气速，M/S0860546苯酐生产装置其他主要设备选择61主要附件设备选择鼓风机风量41600NM3/H出口压力0048MPA转速9280R/MIN功