6000吨年苯酐装置的工艺设计

1、- #- I6000吨/年苯酐装置的工艺设计摘要苯酐是重要的有机化工原料之一，用于生产增塑剂、醇酸树脂、不饱和聚酯树脂、染料及颜料、医药及农药等。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。本设计采用邻二甲苯氧化连续式生产邻苯二甲酸酐，该法工艺比较成熟，资料较多，故采用该工艺。本设计根据年产6000吨/年的生产需求对苯酐装置进行了设计。设计中采用以五氧化二钒为主的钒系催化剂进行邻二甲苯的气相氧化，反应器采用列管式固定床反应器。将过滤后的无尘气经压缩、预热至160C，与被气化的邻二甲苯蒸气混合后进入反应器，在

2、400-460C进行催化氧化反应，反应进料空速3200h-i,空气中邻二甲苯浓度40g/m2（标准），反应热由管外循环的熔盐带出。反应产物进入熔盐冷却器，被冷却的反应气经进一步冷却，进入粗酐贮槽，回收粗苯酐。同时尾气经水洗塔回收顺丁烯二酸酐后放空。粗苯酐经减压蒸馏，由初馏塔塔顶分离出低沸点的顺丁烯二酸酐，甲基顺丁烯二酸酐及苯甲酸等；塔底物料经精馏塔真空精馏，在塔底蒸出苯酞等重组分，再由塔顶得到精制苯酐产品，最后结片包装。本设计确定生产6000吨邻苯二甲酸酐的合理生产工艺；完成年产6000吨苯酐生产的全部工艺计算（物料衡算，热量衡算），根据工艺计算确定生产设备的工艺尺寸；绘制工艺流程简图、带控制

3、点的工艺流程图和设备图。关键词苯酐；邻二甲苯；邻苯二甲酸酐；工艺设计Designofphthalicanhydrideofyearlyproduces6000tonsAbstractPhthalicanhydrideisoneofimportantorganicChemicalindustrymaterialforproducingplasticizer、alkydresin、unsaturatedpolyesterresin、dyestuffandpigment、medicineandpesticide.Currently,theprocessroutesofphthalicanhydrid

4、eproduceingarefluidizedbedoxidationofnaphthaleneandfixedbedoxidationofo-xylene/naphthaleneallovertheworld.Andthetechnologyoffixedbedoxidationofo-xyleneisabout90%oftheworldstotalproductioncapacity.Thisdesignusesthemethodofo-xyleneoxidationtoproducePhthalicanhydridecontinuously.Thetechnologyismaturean

5、dmoreinformation,soitisused.Accordingtotheproductionrequirementsofannualoutputof6000tons,phthalicanhydrideplantisdesigned.Thedesignisgasphaseoxidationofo-xylenebyvanadiumcatalyst,whichismainlyaboutvanadiumpentoxide.Thereactorusedistubularfixed-bedreactor.Detaileddesignprocess:Afterfliteration,nothed

6、ustgasiscompressed、preheatedby160C,andsentintothereactormixingwitho-xylenesteamwhichhasbeengasified.Catalyzeoxidereactioniscontinuedin400-460C.Airspeedofresponsefeedis3200h-1,theconcentrationofo-xyleneinairis40g/m2(stp),heatofreactionistakenawaybymoltensalt,whichrecycleoutsidethepipe.Productofreacti

7、onsentintosaltcooler,cooledreactiongassentintocrudeanhydridetankafterfurthercooling.Atthesametime,exhaustisrecoveredbyWaterScrubbertogetmaleicanhydride,thenshorting.Byvacuumdistillation,Maleicanhydride，Methyl-II- #- IIImaleicanhydrideandBenzoicacidisseparatedfromcrudeanhydridebythetowerofthefirstdis

8、tillation,withlowboilingpoint.Bottomofthecolumnmaterialismadevacuumdistillationbytheseconddistillationcolumn.Phthalideandotherfractionsaresteamedatthebottomoftower,thengetrefinedphthalicanhydrideproductfromthetower.Atlast,sheetingandpackage.Thisdesigndeterminesareasonableproductionprocessof6000tonsP

9、hthalicanhydride;Completesprocesscalculation(massbalance,heatbalance)ofproducing6000tonso-xyleneanhydride;Accordingtoprocesscalculation,calculatethesizeoftheproductionprocessequipment,drawingprocessdiagramsprocessdiagramswithcontrolpointsandequipmentchartKeywords：Phthalicanhydride；O-xylene；Phthalica

10、nhydride；ProcessDesign- VI- V目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 摘要IAbstractII HYPERLINK l bookmark8 第1章绪论7 HYPERLINK l bookmark10 对苯酐的用途及其应用前景7 HYPERLINK l bookmark12 1.2苯酐的生产概况7 HYPERLINK l bookmark14 1.2.1萘氧化法8 HYPERLINK l bookmark16 邻二甲苯氧化法9 HYPERLINK l bookmark18 1.3本课题研究的目的和内容10 HYPERLINK l

11、bookmark20 1.3.1研究的目的10 HYPERLINK l bookmark22 1.3.2研究的内容11 HYPERLINK l bookmark24 1.4本章小结11 HYPERLINK l bookmark28 第2章生产流程的确定12 HYPERLINK l bookmark30 2.1苯酐生产技术介绍12 HYPERLINK l bookmark32 生产流程简述12 HYPERLINK l bookmark34 工艺流程简图13 HYPERLINK l bookmark36 2.4设计参数13 HYPERLINK l bookmark38 2.5本章小结14 HYPE

12、RLINK l bookmark40 第3章物料衡算与能量衡算15 HYPERLINK l bookmark42 3.1参与反应的物质性质15 HYPERLINK l bookmark44 3.1.1邻二甲苯15 HYPERLINK l bookmark46 空气15 HYPERLINK l bookmark48 氧气16 HYPERLINK l bookmark50 3.1.4邻苯二甲酸酐16 HYPERLINK l bookmark52 3.2物料衡算17 HYPERLINK l bookmark54 3.2.1物料衡算依据及方框图17 HYPERLINK l bookmark56 反应器

13、的物料衡算17 HYPERLINK l bookmark62 初馏塔的物料衡算19 HYPERLINK l bookmark66 精馏塔的物料衡算21 HYPERLINK l bookmark72 3.3能量衡算22反应器的能量衡算22 HYPERLINK l bookmark78 初馏塔的能量衡算24 HYPERLINK l bookmark80 3.3.3初馏塔换热器的能量衡算26 HYPERLINK l bookmark82 精馏塔的能量衡算29 HYPERLINK l bookmark84 本章小结31 HYPERLINK l bookmark86 第4章设备的选型与计算32 HYPE

14、RLINK l bookmark88 4.1反应器的选型与计算32 HYPERLINK l bookmark90 4.1.1选择合适的反应器的型式32 HYPERLINK l bookmark92 4.1.2确定最佳的操作条件32 HYPERLINK l bookmark98 反应器的设计计算33 HYPERLINK l bookmark100 4.1.4传动装置及搅拌轴的设计36 HYPERLINK l bookmark104 4.2初馏塔的选型与计算36 HYPERLINK l bookmark106 理论塔板数计算36 HYPERLINK l bookmark108 4.2.2初馏塔设计

15、的主要依据和条件38 HYPERLINK l bookmark110 4.2.3初馏塔塔径设计计算40 HYPERLINK l bookmark112 4.2.4塔釜的计算41 HYPERLINK l bookmark116 4.2.5塔高的计算44 HYPERLINK l bookmark118 4.2.6塔体管径的确定44 HYPERLINK l bookmark120 4.3初馏塔的换热器设计454.3.1确定设计方案45 HYPERLINK l bookmark122 4.3.2确定物性数据45 HYPERLINK l bookmark130 计算总传热系数46 HYPERLINK l

16、 bookmark124 4.3.4计算传热面积47 HYPERLINK l bookmark126 4.3.5工艺结构尺寸47 HYPERLINK l bookmark138 4.3.6换热器核算48 HYPERLINK l bookmark144 4.4精馏塔的选型与计算51 HYPERLINK l bookmark146 理论塔板数计算51 HYPERLINK l bookmark148 4.4.2精馏塔设计的主要依据和条件53 HYPERLINK l bookmark150 精馏塔塔径设计计算55 HYPERLINK l bookmark152 4.4.4塔釜的计算56 HYPERLI

17、NK l bookmark154 4.4.5塔高的计算59 HYPERLINK l bookmark156 4.4.6塔体管径的确定59 HYPERLINK l bookmark158 4.5精馏塔的换热器设计594.5.1确定设计方案60 HYPERLINK l bookmark160 4.5.2确定物性数据60计算总传热系数60 HYPERLINK l bookmark162 4.5.4计算传热面积61 HYPERLINK l bookmark166 4.5.5工艺结构尺寸62 HYPERLINK l bookmark172 4.5.6换热器核算63 HYPERLINK l bookmar

18、k176 4.6其他部分设备的选型与计算65 HYPERLINK l bookmark178 原料贮罐的选型65 HYPERLINK l bookmark180 4.6.2中间储罐I的选型66 HYPERLINK l bookmark182 4.6.3中间储罐II的选型66 HYPERLINK l bookmark184 4.6.4泵的选型66 HYPERLINK l bookmark186 4.7本章小结67结论68致谢69 HYPERLINK l bookmark192 参考文献70 HYPERLINK l bookmark194 附录A71 HYPERLINK l bookmark202

19、 附录B76 HYPERLINK l bookmark210 附录C77 HYPERLINK l bookmark212 附录D768 HYPERLINK l bookmark214 附录E79附录F76附录G81 HYPERLINK l bookmark222 附录H82附录183- VIII- IX第1章绪论对苯酐的用途及其应用前景苯酐的用途十分广泛：邻苯二甲酸酐简称苯酐，是重要的有机化工原料之一，用于生产增塑剂、醇酸树脂、不饱和聚酯树脂、染料及颜料、医药及农药等。合成树脂工业用于不饱和聚脂树脂、醇酸树脂等；染料工业用于制备合成蒽醌、酞菁蓝等染料；塑料工业用于制备邻苯二甲酸二丁脂、邻苯二甲

20、酸二辛酯和其它芳香酯等增塑剂。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。其主要用途如下：其主要衍生物有邻苯二甲酸二丁酯、二辛酯和二异丁酯等，用作PVC等的增塑剂；还可用于生产不饱和聚酯树脂、醇酸树脂、染料及颜料、多种油漆、食品添加剂、医药中的缓泻剂酚酞、农药中的亚胺硫磷、灭草松以及糖精钠等。用作分析试剂，也用于有机合成是杀菌剂灭菌丹、杀虫剂亚胺硫磷、除草剂灭草松的中间体。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

21、的86%和日本的58%。萘流化床氧化工艺在国外已逐步淘汰，但在我国的苯酐生产中仍占有一定比例。邻二甲苯固定床气相氧化技术主要有BASF、Wacker-Chemie、ElfAtochem和Alus-uisseItalia等几种典型的生产工艺。1.2苯酐的生产概况1896年，德国巴登苯胺纯碱公司首先提出由液相的萘氧化制苯酐的方法。1920年德国冯海登化学公司建立由萘气相催化氧化制苯酐的生产装置；但萘来源有限，价格较贵，使苯酐发展受到限制。石油化工的发展提供了大量价格低廉的邻二甲苯。以邻二甲苯为原料生产苯酐，产品的碳原子数和原料碳原子数一样，与萘作原料相比消除了氧化降解,减少氧气需要量及反应放热量,

22、因而促使开展邻二甲苯氧化制苯酐的研究，1945年美国首先实现该法的工业化生产。以后，催化剂的不断改进以及新的高负荷、高原料空气比和高产率催化剂的采用，大大提高了经济效益，现各国均主要采用此法生产苯酐。1985年，世界苯酐产量约为2.9Mt，其中80%左右由邻二甲苯生产。自上个世纪80年代以来，随着我国石油化工的迅速发展，邻二甲苯资源日益丰富，国内苯酐供需矛盾却越来越大，为了提高邻法苯酐生产技术水平，满足市场日益增长的需求，在化工部领导下，在部科技局的具体组织下，以中国华陆工程公司（原化工部第六设计院）为组长单位，由设计、科研、高校等五个单位参加，组成了苯酐生产技术发小组，在消化吸收国外资料后（

23、主要是八十年代引进的哈尔滨20000吨/年苯酐装置），开发出了具有国际上八十年代先进水平的“60克工艺”低能耗苯酐生产技术，首先应用于年产5000吨苯酐装置，获得成功，并于1991年12月通过化工部鉴定，获得了国家和化工部科技进步奖。此后我国自行开发的邻法苯酐生产技术得到了快速发展，到1996年，中国华陆工程公司自行开发成功“70克工艺”年产10000吨/年苯酐生产技术，2003年华陆工程科技有限公司又开发成功“80克工艺”年产20000吨/年苯酐生产技术。目前在工业生产中有两种苯酐原料路线，即邻二甲苯法（简称邻法）和萘法。生产工艺有三种：固定床氧化法、流化床气相氧化法和液相法。世界苯酐生产中

24、以邻法固定床氧化技术为主，大约占苯酐生产总能力的80%以上。1.邻二甲苯氧化法一般采用以五氧化二钒为主的钒系催化剂进行邻二甲苯的气相氧化，反应器多数为列管式固定床反应器。将过滤后的无尘气经压缩、预热，与气化的邻二甲苯蒸气混合后进入反应器，在400-460C进行氧化反应，进料空速2000-3000h-i，空气中邻二甲苯浓度40-60g/m2（标准），反应热由管外循环的熔盐带出。反应产物进入熔盐冷却器，被冷却的反应气经进一步冷却，回收粗苯酐。尾气经水洗回收顺丁烯二酸酐后放空。粗苯酐经减压粗馏，由塔顶分离出低沸点的顺丁烯二酸酐，甲基顺丁烯二酸酐及苯甲酸等；塔底物料经真空精馏，得到苯酐产品。原料消耗定

25、额：邻二甲苯（98%）1138kg/t。2萘催化氧化法萘熔融气化后与空气在沸腾床或固定床反应器内，在催化剂五氧化二钒存在下，催化氧化生成苯酐气体，经冷凝热熔而得粗酐，通过热处理后再经减压蒸馏、冷凝、分离而得精苯酐。原料消耗定额：萘（95%以上）11250kg/t。现在国内大部分已采用邻二甲苯氧化，现分述如下：萘氧化法有沸腾床和固定床法，国内主要采用沸腾床。其工艺是：将热空气送入装有钒催化剂（V2O5）的沸腾床氧化器中升温至300340C，将催化剂活化数小时，然后将空气送入氧化器，将熔化的萘喷入氧化器催化层中，反应温度360380C，反应后产生的苯酐气体经沸腾床顶部的过滤管滤去催化剂后，经过冷凝

26、器多级冷凝，尾气再经水喷淋塔吸收，将热机油送人热熔冷凝器的翅片管中，苯酐熔成液体，流入储槽即为粗品，分别用浓硫酸处理，碳酸钠中和，然后精馏得成品。萘氧化法此法制苯酐的主反应为：2。2O2CO22H2O副反应生成萘醌、顺丁烯二酸酐等。所用催化剂也是钒系催化剂。工艺过程与邻二甲苯氧化相似。萘氧化的反应器有列管式固定床和流化床两种。流化床反应器的反应热由反应器内的冷却管移走。流化床催化剂的粒度要求有一适宜的范围,通常为40300“n。使用流化床的优点是:反应器可以在比较均匀的温度、较高的原料-空气比下操作，产物较易捕集。1.2.2邻二甲苯氧化法本法分固定床法和沸腾床法（流化床法）。流化床法以钒一钾一

27、锑的氧化物为活性组分，以扩孔硅胶为载体，制成粉状催化剂，在流化床内进行氧化反应，邻二甲苯与空气在气化器内混合后进入流化床反应器，反应温度365380C下进行。固定床法以五氧化二钒为主的钒系催化剂，在列管式固定床进行。将过滤后的无尘空气经压缩、预热与气化的邻二甲苯蒸气混合后进人反应器，在400460C进行氧化反应，进料空速20003000h-i,空气中的邻二甲苯浓度4060g/m2，反应热由管外循环熔盐带出。反应产物进入蒸气发生器，被冷却的反应气经进一步冷却回收粗苯酐，尾气经水洗回收顺丁烯二酸酐，粗苯酐经减压粗馏，塔顶分馏出低沸点的顺丁烯二酸酐等，塔底物料再真空精馏，得到苯酐成品。邻二甲苯氧化法

28、其主反应为：CH,3O2V2O5-O+30此外，由副反应还生成苯甲酸、顺丁烯二酸酐等。该反应为强放热反应，因此选择适宜的催化剂（高活性和高选择性）和移出反应热以抑制深度氧化反应，是工业过程的关键。由此而开发了多种不同的生产方法。工业生产方法一般是采用以五氧化二钒为主的钒系催化剂（见金属氧化物催化剂）进行邻二甲苯的气相氧化。1974年，开发了高负荷表面涂层- - - X的钒系催化剂，催化剂载体是惰性的无孔瓷球、刚玉球和碳化硅球等。近来，又选用环状载体制备催化剂。这种新型催化剂可以减少因内扩散引起的深度氧化反应，从而提高了苯酐的收率、选择性和催化剂的负荷。反应器多采用列管式固定床。典型工艺过程（见

29、图）是将过滤后的无尘空气经压缩、预热，与气化的邻二甲苯蒸气混合后进入反应器，在400460C下进行氧化反应，进料空速20003000h-i,空气中邻二甲苯浓度4060g/m3（标准），反应热由管外循环的熔盐带出。低沸物邻二甲苯或萘空气精制苯酐熔盐高沸物图1-1邻二甲苯或萘氧化制苯酐流程反应产物进入蒸汽发生器，被冷却的反应气经进一步冷却，回收粗苯酐。尾气经水洗回收顺丁烯二酸酐后放空，或用催化燃烧法净化后再放空。粗苯酐经减压精馏由塔顶分离出低沸点的顺丁烯二酸酐、甲基顺丁烯二酸酐及苯甲酸等；塔底物料经真空精馏，得到苯酐产品。本课题研究的目的和内容研究的目的随着我国经济的大力发展，以邻二甲苯为原料生产

30、苯酐，产品的碳原子数和原料碳原子数一样，与萘作原料相比消除了氧化降解,减少氧气需要量及反应放热量,因而促使开展邻二甲苯氧化制苯酐的研究，使其产生更大的经济效益是生产企业急需解决的问题。为此开展对苯酐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6000吨苯酐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。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邻二甲苯催化氧化制取邻二甲苯酸酐生产的整个生产工艺流程、进行了固定床式反应器、初馏塔及精馏塔等生产设备

31、的设计计算，并进行生产车间的设备布置设计。1.4本章小结本章对苯酐的生产做了粗略的介绍，介绍了邻二甲苯酸酐的性质和用途；通过对近年来国内外市场的供需来推断苯酐生产的现状和发展前景；并且对其生产方法做了粗略的介绍，选择用钒钛氧化物作催化剂催化氧化邻二甲苯连续生产苯酐。第2章生产流程的确定苯酐生产技术介绍目前，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。介绍如下：反应原理：邻二甲苯与空气在催化剂作用下气相氧化生成苯酐。I+3O225-O+3H2O工艺流程：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

32、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，也可回收处理制取富马酸。2.2生产流程简述邻二甲苯氧化法一般采用以五氧化二钒为主的钒系催化剂进行邻二甲苯的气相氧化，反应器多数为列管式固定床。将过滤后的无尘气经压缩、预热，与

33、气化的邻二甲苯蒸气混合后进入反应器，在400-460C进行氧化反应，进料空速2000-3000h-i,空气中邻二甲苯浓度40-60g/m2（标准），反应热由管外循环的熔盐带出。反应产物进入熔盐冷却器，被冷却的反应气经进一步冷却，回收粗苯酐。尾气经水洗回收顺丁烯二酸酐后放空。粗苯酐经减压粗馏，由塔顶分离出低沸点的顺丁烯二酸酐，甲基顺丁烯二酸酐及苯甲酸等；塔底物料经真空精馏，得到苯酐产品。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了一系列平行和串联反应。主要反应式如下:主反应：CH3邻二甲苯副反应：+VO亠3O212严21O2OO苯酐O+3H2O-311kcal8CO2十5H2O1093

34、kcalCH3CH3O十4CO24H2O759kcalCH3OCH8CO+5H2O一520kcalCH3CH3十3O2CH3COOHCO2+2H2O320kcal2.3工艺流程简图工艺流程简图如图2-1所示2.4设计参数空速：3200h-i；邻二甲苯固定床气相氧化法制邻二甲苯酸酐生产流程图图2-1邻法制苯酐工艺流程简图催化剂负荷:128140克原料邻二甲苯/升小时，取128ghr-i；原料浓度：3840克原料邻二甲苯/m3，操作浓度40gm-3；反应温度：415430C（初期活性期间450480）；熔盐温度：369370C。2.5本章小结本章阐述了苯酐的工艺参数和条件，并给出流程简图及其简要说

35、明。确定了本课题进行研究的生产工艺，为下面的物料衡算提供依据。第3章物料衡算与能量衡算参与反应的物质性质邻二甲苯邻二甲苯（分子式：C8H10）无色透明液体，不溶于水，能与乙醇、乙醚等有机溶剂混溶。它是生产苯酐（邻苯二甲酸酐，PA）、染料、杀虫剂等的化工原料。邻二甲苯衍生物是邻苯二甲醛，可用于制备邻苯二甲酸酯增塑剂。其中邻二甲苯90%左右用于生产苯酐。邻二甲苯与苯酐之间的关系可谓息息相关，相互依存。其物理性质见表3-1所示：表3-1邻二甲苯物理性质沸点(101.3KPa),C144.4表面张力（20C）,mN/m32.40熔点,C-25.2临界压力,MPa4.36相对密度（20C/4C）0.88

36、02蒸汽压(20C),KPa0.253折射率（20C）1.5055闪点,C34.4黏度(20C),mPas0.920爆炸极限，体积1.1%6.4%空气空气无色无味无嗅，气态。正常空气成分按体积分数计算是：氮气占78.08，氧气占20.5，氩气占0.93，二氧化碳占0.03，还有微量的稀有气体，如氦、氖、氪、氙等。臭氧、氧化氮、二氧化氮。在0C及一个标准大气压下（1.013x105Pa）空气密度1.293gL-1。把气体在0C和一个标准大气压下的状态称为标准状态，空气在标准状态下可视为理想气体，其摩尔体积为22.4L/mol。空气的比热容与温度有关，温度为250K时,空气的定压比热容Cp=1.0

37、03kJ（kg.k）-1。300K时，空气的定压比热容Cp=1.005kJ（kgk）-1常温下的空气是无色无味的气体，液态空气则是一种易流动的浅黄色液体。一般当空气被液化时二氧化碳已经清除掉，因而液态空气的组成是20.95%氧，78.12%氮和0.93氩，其它组分含量甚微，可以略而不计。空气作为混合气体，在定压下冷凝时温度连续降低，如在标准大气压（101.3KPa）下，空气于81.7K（露点）开始冷凝，温度降低到78.9K（泡点）时全部转变为饱和液体。这是由于高沸点组分（氧、氩）开始冷凝较多，而低沸点组分（氮）到过程终了才较多地冷凝。氧气在标准状况下，氧气的密度是1.429g/L，比空气的密度

38、(1.293g/L)略大。它不易溶于水，无色无味，在室温下，1L水中只能溶解于约30mL氧气。在压强为lOlkPa时，氧气在-183C时变为蓝色液体，在-218C时会变成淡蓝色雪花状的固体。邻苯二甲酸酐分子式:c8h4o3分子结构：O分子量:148.12熔点:131-134C沸点:284C密度:1.53g/cm3蒸气密度:5.1(相对空气)蒸气压:430C反应后物料JAH?AH325C反应物料ah225C反应后物料假设的途径由三步构成，第一步是从进口温度降到25C，第二步是在25C进行化学反应生成产物，第三步是反应后产物从25C升温到430C。AH=工nCp(T-T)1i12、=乙nCp(25

39、-160)i=(1419.1+5510.6+20574)x(25-160)=3.71x106kJ正反应的反应热ah2根据标准燃烧热来求算则反应的物质的量：n=859.2x96%/106=7.78kmolAH=(AH)人一-(AcH)-(AcH)x7.78x103C298邻二甲苯298苯酐298H2O=4568+3278+242x7.78x103=-8.56x106kJAH=工nCp(T-T)i12、=乙nCp(430-250)i=4610.7+20574+1450+970 x(430-250)=1.12x107kJ所以：AH=AH+AH+AH=-6.6x105kJ123若热损失Q5取AH的5%

40、,则需要加热介质提供的热量为：Q3=AH+Q5=(1+5%)x6.6x105=6.93x105kJ热流体用125C饱和蒸汽冷凝，已知125C下饱和蒸汽的决定压力为232.19kPa，比汽化热r为2191kJkg-1,则需常压下饱和水蒸气量qm为：Q3=qmr，所以:qm=6.93x105/2191=316.3kg。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370C降至160C，则降温所放出的热量为：Q=工nCp(T-T)6、i12=LnCp(160-370)i=(4610.7+20574+1450+970)x(160-370)=5.8x106kJ冷凝水温度由20C升至60C，贝

41、V：Q=qCp(370-375)6水水所以：q水=5.8x106/970 x5=1196kg。即需通入1196kg20C的水用于降温，反应前原料经预热温度由20C升至160C，需要加热介质提供的热量为：Q7=工nCP(T-T)nCp(160-20)i=(1419.1+5510.6+20574)x(16020)=3.85x106kJ3.3.2初馏塔的能量衡算如图3-2所示，对方框I列热量衡算式：Qf+QB=QD+Ql+Qw式中Qf进塔物料带入热kJQB再沸器加热剂带入热kJQD塔顶馏出物带出的热kJQL热损失kJQW塔釜最后物料带出热kJ.；A-图3-2精馏塔的热量衡算计算基准T0=0C液体。能

42、量衡算1.塔进料带入热QF塔进料为150C下的混合液体，已查得0C250C下各物质的平均比- #- XXVII_ XXVI热容和分子量为：表3-10各物质的比热容和分子量物质苯酐顺酐苯甲酸苯酞重组分Cp,kJ-kg1-K12.3431.9961.9214.1801.415分子量148.1298.00各物质在0150C下的平均比热容近似使用0C250C下的数据。进料流量F=859.2kgh-1苯酐质量分数为：X=847.2/859.2=0.986顺酐质量分数为：X2=6.0/859.2=0.007苯甲酸，苯酞，重组分等质量分数远远小于苯酐顺酐，忽略不记；故进料混合液在0150C下的平均比热容为：

43、Cp=工CpXmii=0.986X2.343+0.007x1.996=2.310kJkg-ik-iQ=Cp-F-(t-0)=2.310 x859.2x(150-0)=2.92x105kJ-h-1。Fm2.塔顶馏出物带出的热QD回流液为90C液体，各物质在0170C下的平均比热容近似使用0250C的数据。塔顶产品流量为：D=8.4kgh-1塔顶产品中：苯酐的质量分数为：X1=2.52/8.4=0.30顺酐的质量分数为：X2=6.12/8.4=0.72平均比热容为：Cp=0.30 x2.343+0.72x1.996m=2.14kJ.kg_1.k_1所以，QD=2.14x8.4x(1700)=0.3

44、05x105kJh_1。3塔底产品带出热QW塔底产品的温度为220C，各物质在0220C的平均比热容近似使用0250C的数据。塔底产品流量为：W=849.6kgh_1所以塔底产品中：苯酐质量分数为：X=844.44/849.6=0.994苯酞质量分数为：X2=3.84/849.6=0.004重组分及苯甲酸在塔底质量分数十分少，故忽略不计；故塔底产品在0250C下的比热容为：Cp=0.994x2.343+0.007x1.921m=2.330kJkg-1k-1所以QW=2.330 x849.6x(2200)=4.335x105kJh-1。热损失QL忽略热损失，Ql=0。求再沸器QB和再沸器加热蒸汽

45、量把各项热量的数值带入式Qf+Qb+Qr=Qw+Qv+Ql得2.92x105+Qb+0.553x105=4.335x105+0.584x105QB=1.466x105kJh-1再沸器加热蒸汽用量再沸器也用232.19kPa的蒸汽加热，其汽化热为2191kJkg-1。所以，加热蒸汽量为：G=6.319X105=288.41kg-h-1。蒸汽2191热量衡算见表3-11。表3-11热量衡算表投料塔顶蒸出液塔底物料再沸器平均比热容，kJkg-K-12.3102.142.330热量Q，kJ2.92x1050.305x1056.040 x1051.466x1053.3.3初馏塔换热器的能量衡算进塔物料温

46、度150C，塔顶物料出口温度170C，塔底温度220Co塔顶真空度66mmHg，压力88kPa。公式推导如图3-3所示，列热量衡算式：QV+QC=QR+QDQC冷凝器冷却器带出的热kJ.h-1QD塔顶蒸出物带出的热kJh-1QV塔顶上升蒸汽带出热kJh-1Qr回流液带入热kJh_ - 图3-3初馏塔的热量衡算图塔进料温度为150C，为冷夜进料q=1.2，此温度下，顺酐的饱和蒸汽压是20.5kPa,邻二甲苯酸酐的饱和蒸汽压是47.38kPa,因为是多组分混合物的分离，可根据塔顶塔底物料流量和组成，把顺酐看作是要分去的物质B主要从塔顶出来，其他物质看作一个整体A,主要从塔底出来。A中主要组分是乙邻

47、二甲苯酸酐，所以可把邻二甲苯酸酐饱和蒸汽压作为A混合组分的饱和蒸汽压。则：溶液中两组分的相对挥发度P047.38231a=2.31P020.5B根据假设：Xf=847.2/859.2=0.986XD=2.52/8.4=0.30XW=844.44/849.6=0.944W所以R=丄xmina-11.Xa(1-X)DX1-XFFx2.31-1=1.510.30-2.31x(1-0.30)0.986-1-0.986通常R12)Rmm，此设计取R=1.5Rmin=1.5x1.51=2.26回流液带入热QR回流液为90C液体，各物质在0170C下的平均比热容近似使用0250C的数据。塔顶产品流量为：D=

48、8.4kg，h-1所以塔顶产品中苯酐的质量分数为：X=2.52/8.4=0.30顺酐的质量分数为：X2=6.12/8.4=0.72回流液流量：L=RD=1.81x8.4=15.2kg，h-i故回流液的平均比热容为：Cp=0.30 x2.343+0.72x1.996m=2.14kJ.kg_ik_i所以QR=2.14x15.2x(1700)=0.553x105kJh-1。塔顶上升蒸汽带出热QV按照本设计所取的基准，QV等于100C的塔底上升蒸汽与0C的同组成液体的焓差AH,为了方便，假设如下的热力学途径计算AHO0C时组成与上升蒸汽相同的液体100C上升蒸汽/ah2100C时组成与上升蒸汽相同的液

49、体塔顶上升蒸汽与馏出液的组成相同，即顺酐的质量分数为0.72，苯甲酸的质量分数为0.094，查得100C顺酐的汽化热为2258.66kJ.kg-i,苯甲酸的含量很少，组成与上升蒸汽相同的液体的汽化热近似为顺酐的汽化热AHV=2258.66kJkg-1,组成与上升蒸汽相同的液体的平均比热容为：Cp=2.14kJkg-1k-1m塔顶上升蒸汽量V=(R+1)D=(1.81+1)x8.4=23.6kgh-1所以QV=AH=AH1+AH2=2.14x23.6x(1000)+23.6x2258.66=0.584x105k塔顶馏出物带出的热QD回流液为90C液体，各物质在0170C下的平均比热容近似使用02

50、50C的数据。塔顶产品流量为：D=8.4kgh-1塔顶产品中：苯酐的质量分数为：X1=2.52/8.4=0.30顺酐的质量分数为：X2=6.12/8.4=0.72平均比热容为：Cp=0.30 x2.343+0.72x1.996m=2.14kJ.kg_1.k_1所以，QD=2.14x8.4x(1700)=0.305x105kJh_1。冷凝器热负荷QC和冷却水用量把塔顶热量的数值待人式QW+QC=QR+QD4.335x105+QC=0.553x105+0.305x105QC=-3.497xi05kJh-i冷凝器用水作冷却剂，冷却水进口温度20C，出口温度25C，则冷却水用量为：G蒸汽3.497x1

51、05、4.18x（25-20）二16732.1kg-h-i3.3.4精馏塔的能量衡算图3-4精馏塔的热量衡算如图3-4所示，热量衡算式：Qf+QB=QD+Ql+Qw式中QF进料带入热，kJQB再沸器加热剂带入热，kJQD塔顶馏出物带出的热，kJQL热损失，kJQW塔釜最后物料带出热，kJ计算基准T0=0C液体。能量衡算1.进料带入热QF塔进料为220C混合液体，已查得0250C下各物质的平均比热容如表3-11所示。苯酐和苯酞在0250C的平均定压比热容近似使用0120C的数据。表3-12苯酐和苯酞的比热容苯酐苯酞Cp，kJkg-1k-12.3431.921- - 所以QB=2.678xi05k

52、J- XXXIII苯酐质量分数为：X=0.996苯酞质量分数为：X2=1X1=0.004故进料混合液在0220C的平均比热容为：Cp=SCpXmii=2.343x0.996+1.921x0.004=2.3366kJkg-ik-iQ=CpF(t-0)=2.3366x849.6x(220-0)=4.367x105kJFm塔顶蒸出物带出的热QD塔顶产品温度为204C，苯酐和苯酞在0205C的平均比热容近似使用0250C的数据。塔顶产品质量为：D=836.3kg.h-i苯酐质量分数为：X1=0.996苯酞质量分数为：X2=1-X1=0.004故塔顶蒸出物在0205C的平均比热容为：Cp=SCpXmii

53、=2.343x0.996+1.921x0.004=2.3366kJ，kg-ik-i所以Q=2.3366x836.3x(205-0)二4.0 xi05kJ。D塔釜最后物料带出热QW塔釜产品平均温度为230C,苯酐和苯酞在0230C的平均比热容近似使用0250C的数据。塔釜产品质量为：W=i4.i6kg苯酐质量分数为：Xi=0.830苯酞质量分数为：X2=i-Xi=0.i7故塔釜产品在230C的平均比热容为：Cp=SCpXmii=2.343x0.839+i.92ix0.i7=2.27i3kJkg-ik-i所以Q二2.27i3xi4.i6x(230-0)=0740 xi05kJW热损失QL忽略热损失

54、，QL=0。求再沸器QB和再沸器加热蒸汽量把各项热量的数值带入QF+QB=QD+QL+QW4.367xi05+QB=4.0 xi05+0+0.740 xi05再沸器用232.19kPa的蒸汽加热，其中温度125C,汽化热是2191kJkg-i,所以加热蒸汽用量为：I：105=122.23kg。则热量衡算表3-13如下：表3-13热量衡算投料塔顶蒸出液塔底物料再沸器平均比热容，kJ，kg-K-12.33662.33662.2713一热量，kJ4.367x1054.0 x1050.740 x1052.678x1053.4本章小结本章对整个反应流程的物料状况进行了初步的计算，包括固定床式反应器、初馏

55、塔和精馏塔的物料衡算与能量衡算，为下一步设备计算奠定基础。第4章设备的选型与计算反应器的选型与计算选择合适的反应器的型式根据固体催化剂是处于静止状态还是运动状态，反应器可以分为俩大类：1.固体催化剂处于静止状态时，有固定床反应器和滴流反应器；2.固体催化剂处于运动状态时，有流化床反应器、移动反应器和浆态反应器。邻二甲苯氧化为气固多相催化反应，固体催化剂处于静止状态，选固定床式反应器，管内装催化剂，反应物料自上而下通过床层，管间则为载体与管内的反应物料进行换热，以维持所需的温度条件。确定最佳的操作条件连续操作的反应器多属于定态操作，此时反应器内的任何物性参数如浓度及温度等均不随时间而改变，只随位

56、置而变化。载热体及载热介质的选择对于换热式列管反应器，载热体的合理选择，往往是控制反应温度和保持反应器操作条件稳定的关键。在热体的温度与床层反应温度之间的温度差宜小，但又必须能将反应放出的热量带走。反应温度在573K以上可采用无机熔盐，如硝酸钾、硝酸钠及亚硝酸钠的混合物。本反应器反应进气温度为370C（573K），故邻二甲苯氧化的固定床反应器载热介质选无机熔盐。载体材料通常是无孔的，优选使用直径为36mm的球形滑石，或是外径为59mm、长度为47mm的环形滑石。本反应器选择的是直径为4mm的球形滑石。催化剂的选择本反应器催化剂选用：五氧化二钒（含量120%）、二氧化钛（含量8099%）及少许碱

57、金属助催化剂（含量0.2%重量），用于降低活性或提高选择性。活性催化剂可采用任何本身已知的方法涂覆到载体上。例如，通过在涂覆转鼓中喷雾溶液或悬浮液。也可以向催化剂活性组合物中加入有机胶黏剂，优选为醋酸乙烯酯/月桂酸乙烯酯，有利的是采用水分散体的形式，以活性组合物组分溶液的固体含量计，所用粘合剂的量优选为10%。引入催化剂并启动反应器后将所用粘合剂在很短时间内烧掉。另外加入粘合剂的优点是活性组合物有效粘附在载体上，从而便于催化剂的运输和装填。反应器的设计计算针对所选定的反应器的型式，根据所选定的操作条件，计算完成规定的生产任务所需的反应体积（是指进行化学反应的空间），然后由此确定反应器的主要尺寸

58、。罐体及列管的确定进入反应器的混合气体其平均密度在有关的手册中不能查到，可根据混合物中气体组成进行粗略估算得：PPi今查得0500C下各组分的密度为:表4-1物质密度表物质邻二甲苯空气密度，g-cm-31.531.293带入式子得：1/P=0.0065/1.53+0.993/1.293=0.768p=1.3021g/cm-3=1302.1kgm-3则反应器的操作容积Vg=m/P=6859.2/1302.1=5.27m3物料在反应过程中呈高温反应状态，可取f=0.68,所以釜体的全容积vH为：V=Vg/f=5.27/0.68=7.75m3。圆整为7.8m3，设长径比为一=1.5。贝VV=7.8m

59、3，Vg=5.27m3，f=0.68。初步计算筒体的直径Di=4xVg一丫Di丿!4x5.273兀x1.50.68x0.68=3.7m选用苏联11号罐（椭圆形焊接的底和椭圆形焊接的盖）。规格：Vg=5.27m3，Dg=3.7mm。椭圆形封头的规格：曲面高度350mm，直边高度25mm，内表面积2.23m2，容积0.398m3。贝- - 123.6- XXXVIIH=V-V=7.8-0.398=5.53m整合为5.6mD23.72兀X兀X4H=8设的长径比为宀所以基本符合设计的要求。反应进气空速为3200h-i个，取反应器中列管管径Q36x2.5mm，长度为3.4m，列管根数为N=5500根筒体

60、厚度的确定操作压力0.5MPa，温度400C，容积7.8m3，采用JB/T4735-1997进行设计。厚度：PcXDi5=-，Pc=0.199Mpa,2xctxDi=3600mm，qt=126-126120 x20=123.6Mpa,50双面对接无损探伤=0.85，0.199x1400 x123.6x0.85=1.326mm3mm，所以取3mm。设计厚度5d=5+C2=3+2=5mm，取C1=0.5mm（假设钢板在4-10mm内）名义厚度5n=5+0.5=5.5mm，圆整后为6mm。检查5n=6mm时ot，C1无变化，故取5n=6mm合适。封头壁厚的确定KxPcxDi5=2xqtx-0.5xP