30kta鄰苯二甲酸酐車間氧化工段初步設(shè)計 說明書

1、學學 號：號：4 HEBEI UNITED UNIVERSITY 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計說說明明書書 GRADUATE DESIGN 題目：題目：30kt/a30kt/a 鄰苯二甲酸酐車間氧化工段初步設(shè)計鄰苯二甲酸酐車間氧化工段初步設(shè)計 學學 院：院： 化學工程學院化學工程學院 專專 業(yè)：業(yè)： 化學工程與工藝化學工程與工藝 班班 級：級： 化工化工 2 2 班班 姓姓 名：名： 唐亮唐亮 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 陳紅萍陳紅萍 2014 年年 6 月月 6 日日 摘 要 本設(shè)計為年產(chǎn) 30kt/a 鄰苯二甲酸酐氧化工段的設(shè)計。從原料角度看，工業(yè) 上生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐的工藝主要有萘催化氧化法和鄰二甲苯氧化法

2、。隨著石油 化工的高速發(fā)展,鄰二甲苯的產(chǎn)量越來越高，價格也越來越便宜。所以，鄰二甲 苯逐漸取代了萘。 通過各種工藝的比較，本設(shè)計選擇國際先進的 BASF 苯酐生產(chǎn)工藝，列管 式固定床反應(yīng)器，選用 BC-239 型催化劑，反應(yīng)管規(guī)格為：323.5，長 3m，裝 催化劑高度為 2.5m。并計算得出列管式固定床反應(yīng)器的內(nèi)徑 Di=5000mm，實際 裝催化劑的管根數(shù)為：12340 根。通過能量衡算計算出設(shè)備的熱負荷，并對其 進行了計算選型，對車間布局進行了設(shè)計。確定了非工藝條件。利用 AutoCAD 繪制完成了帶控制點的工藝流程圖，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖以及車間平面布置圖。 關(guān)鍵詞: 苯酐；BASF；固定床反

3、應(yīng)器；流程圖 ABSTRACT This paper mainly introduce the design of phthalic anhydride oxidation section, whose annual production is 30kt/a. In the view of raw material, there are two methods for the production of phthalic anhydride in industry, oxidation of naphthalene and oxidation of o-xylene oxidation. Fo

4、r this reason, it provide the prerequisites of the production of phthalic anhydride by oxidation of o-xylene. By comparing each craft, this design chosen international advanced BASF (benzene bitter wine technique of production), arranges in order the tubular fixed bed reactor, selected the BC-239 ca

5、talyst,the specification of the reaction tube is: 323.5, length 3m, the height for installng the catalyst is 2.5mso we calculated the inside diameter of row tubular fixed bed reactor Di=5000 mm, the actual number of attire catalysts tube is 12340Figures out equipments heat load according to the law

6、of energy conservation, also calculated and chosen the type of it, and designed the layout of the workshop. Has determined the non-technological conditions and completed the belt control point flow chart using the AutoCAD plan, the reactor structure drawing as well as the workshop floor-plan. Keywor

7、ds：pothalic anhydride；BASF；process；fixed bed reactor 目錄 摘 要 .I ABSTRACT .I 引言.1 第一章 綜 述.3 1.1 苯酐的基本性質(zhì).3 1.2 苯酐的用途及其應(yīng)用前景.3 1.3 苯酐的生產(chǎn)發(fā)展歷程.4 1.4 苯酐市場需求狀況.5 1.5 苯酐技術(shù)的進展及發(fā)展方向.5 1.6 苯酐工藝概述.5 1.6.1 萘氧化法.5 1.6.2 鄰二甲苯法.6 1.7 設(shè)計方案的選擇.6 1.7.1 原料的選擇.6 1.7.2 流程的選擇.7 1.7.3 反應(yīng)器的比較與選擇.7 1.7.4 催化劑的選擇.7 1.8 物料特性.7 1.

8、8.1 主要物料.8 1.8.2 輔助物料.8 1.9 原料和產(chǎn)品的主要技術(shù)指標.8 第 2 章 物料衡算.9 2.1 基準物料衡算 .9 2.2 實際物料衡算 .12 第 3 章 能量衡算.16 3.1 原料預(yù)熱設(shè)備的能量衡算 .16 3.2 對反應(yīng)器的能量衡算 .17 3.3 鹽冷器的能量衡算 .18 3.4 汽體冷卻器的能量衡算 .19 3.5 后冷器的能量衡算 .23 3.6 切換冷凝器的能量衡算 .26 第 4 章 反應(yīng)器的設(shè)計計算.28 4.1 列管數(shù)的計算： .28 4.2 阻力降的計算與校核 .28 4.3 換熱面的校核: .29 4.4 反應(yīng)器床層溫度分布 .30 第 5 章

9、 反應(yīng)器機械設(shè)計.33 5.1 反應(yīng)器壁厚的計算： .33 5.2 封頭的計算 .33 5.3 反應(yīng)器高度的計算： .34 5.4 管口直徑的計算 .34 5.5 開孔補強的計算 .35 5.6 反應(yīng)器質(zhì)量的計算： .35 5.7 反應(yīng)器水壓試驗 .37 第 6 章 輔助設(shè)備的計算及選型.39 第 7 章 非工藝設(shè)計條件.45 7.1 土建設(shè)計條件 .45 7.1.1 建筑物的結(jié)構(gòu)形式 .45 7.1.2 加工車間的布置 .45 7.1.3 流程及人員.45 7.2 供電照明設(shè)計條件 .46 7.2.1 供電 .46 7.2.2 避雷要求： .47 7.3 儀表控制設(shè)計條件 .47 7.4 采

10、暖通風設(shè)計條件 .47 7.5 供汽設(shè)計條件 .48 7.6 給排水設(shè)計條件 .49 7.7 分析化驗設(shè)計條件 .50 7.8 設(shè)計與施工中所遵循的規(guī)范準則 .50 7.8.1 設(shè)計標準 .50 7.8.2 施工標準 .50 結(jié) 論.51 參考文獻.52 謝 辭.54 引言 苯酐是重要的基本有機化工原料之一，苯酐的用途十分廣泛，是重要的有 機化工原料之一，用于生產(chǎn)增塑劑、醇酸樹脂、不飽和聚酯樹脂、染料及顏料、 醫(yī)藥及農(nóng)藥等。合成樹脂工業(yè)用于不飽和聚脂樹脂、醇酸樹脂等；染料工業(yè)用 于制備合成蒽醌、酞菁藍等染料；塑料工業(yè)用于制備鄰苯二甲酸二丁脂、鄰苯 二甲酸二辛酯和其它芳香酯等增塑劑。 2001年

11、15個最大的生產(chǎn)商僅占全球總生產(chǎn)能力的45%。由于20世紀90年代中、 末期增建了大量生產(chǎn)裝置（特別是亞洲），世界苯酐市場呈現(xiàn)供應(yīng)過剩勢頭。 美國對苯酐的需求自20世紀90年代中期開始逐漸放慢了，伴隨經(jīng)濟疲軟，2001 年沒有增長。即使價格相當穩(wěn)定，由于需求下降，苯酐生產(chǎn)商的利潤也非常薄。 裝置開工率大約83%，而亞洲地區(qū)隨著一系列新建計劃的實施，將成為世界上最 大的苯酐生產(chǎn)區(qū)。2001年全球苯酐需求量達到3320kt。最大的苯酐進口地區(qū)是 東南亞地區(qū)；我國大陸是最大的苯酐進口地。最大的苯酐出口國是日本、印度 和韓國。 全球生產(chǎn)能力主要分布在亞太地區(qū)、西歐和北美。據(jù)美國權(quán)威部門統(tǒng)計， 2002

12、 年，全球 PA 生產(chǎn)能力約 4900 kt/a，其中上述 3 個地區(qū)產(chǎn)能分布比例為 45%、16.7%和 13.6%。在今后幾年中，由于亞洲地區(qū)經(jīng)濟的持續(xù)增長，該地區(qū) 仍將成為全球 PA 生產(chǎn)及市場需求最為強勁的地區(qū)。自上世紀 90 年代以后，我 國陸續(xù)引進一批大型 PA 裝置，在引進技術(shù)的消化吸收基礎(chǔ)上，我國的 PA 生產(chǎn) 技術(shù)不斷取得進展，今后技術(shù)落后的小裝置將陸續(xù)關(guān)閉，新建裝置將采用高負 荷和低能耗先進技術(shù)，裝置規(guī)模趨于更大型化。 生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐的原料包括鄰苯二甲酸，萘，鄰二甲苯和正戊烷，其中 萘已經(jīng)被淘汰，而正戊烷原料較昂貴，也很少采用。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，又 提供了大量廉價的鄰二

13、甲苯，擴大了苯酐的原料來源，近來新建的工廠都是以 鄰二甲苯為原料，因為鄰二甲苯具有高產(chǎn)率，廉價和高選擇性的特點。而且， 我國處于鄰二甲苯的三個主要產(chǎn)地之一東南亞，原料資源非常豐富，因此，鄰 二甲苯成為生產(chǎn)苯酐的最佳原料。 生產(chǎn)苯酐的方法按反應(yīng)器分為三種：固定床法，流化床法，液相氧化法。 第 1 章 綜述 1.1 苯酐的基本性質(zhì) 鄰苯二甲酸酐（ Phthalic Anhydride），簡稱苯酐,常溫下為一種白色針 狀結(jié)晶（ 工業(yè)苯酐為白色片狀晶體），易燃，在沸點以下易升華，有特殊輕 微的刺激性氣味。苯酐能引起人們呼吸器官的過敏性癥狀，苯酐的粉塵或蒸汽 對皮膚、眼睛及呼吸道有刺激作用，特別對潮濕的

14、組織刺激更大。分子式 C8H4O3，相對密度 1.527(4.0)，熔點 131.6，沸點 295（升華），閃點 （開杯）151.7，燃點 5841。 1.2 苯酐的用途及其應(yīng)用前景 苯酐的用途十分廣泛，是重要的有機化工原料之一，用于生產(chǎn)增塑劑、醇 酸樹脂、不飽和聚酯樹脂、染料及顏料、醫(yī)藥及農(nóng)藥等。合成樹脂工業(yè)用于不 飽和聚脂樹脂、醇酸樹脂等；染料工業(yè)用于制備合成蒽醌、酞菁藍等染料；塑 料工業(yè)用于制備鄰苯二甲酸二丁脂、鄰苯二甲酸二辛酯和其它芳香酯等增塑劑。 另外還被用于制備高級油墨、人造革、合成橡膠、絕緣材料等富馬酸主要用于 不飽和樹脂行業(yè)。其主要用途如下2：其主要衍生物有鄰苯二甲酸二丁酯、二

15、 辛酯和二異丁酯等，用作 PVC 等的增塑劑；還可用于生產(chǎn)不飽和聚酯樹脂、醇 酸樹脂、染料及顏料、多種油漆、食品添加劑、醫(yī)藥中的緩瀉劑酚酞、農(nóng)藥中 的亞胺硫磷、滅草松以及糖精鈉等；其次用作分析試劑，也用于有機合成；最 后是殺菌劑滅菌丹、殺蟲劑亞胺硫磷、除草劑滅草松的中間體。 目前，全球苯酐生產(chǎn)所采用的工藝路線有萘流化床氧化和萘/鄰二甲苯固定 床氧化，其中鄰二甲苯固定床氧化技術(shù)約占世界總生產(chǎn)能力的90%以上。鄰二甲 苯固定床氧化技術(shù)占美國總生產(chǎn)能力的82%，西歐的86%和日本的58%。萘流化床 氧化工藝在國外已逐步淘汰，但在我國的苯酐生產(chǎn)中仍占有一定比例。鄰二甲 苯固定床氣相氧化技術(shù)主要有 BA

16、SF、Wacker-Chemie、ElfAtochem 和 Alus- uisseItalia 等幾種典型的生產(chǎn)工藝3。 1.3 苯酐的生產(chǎn)發(fā)展歷程 我國自1953年開始生產(chǎn)苯酐，二十世紀60年代到70年代主要以萘為原料、 流化床氣相催化氧化法生產(chǎn)苯酐。70年代開發(fā)了以鄰二甲苯為原料的0.04kg工 藝固定床氣相催化氧化法苯酐生產(chǎn)技術(shù)，先后在五套千噸級工業(yè)裝置上應(yīng)用。 自80年代以來隨著我國石油化工的迅速發(fā)展，鄰二甲苯資源日益豐富，國內(nèi)苯 酐供需矛盾卻越來越大，為了提高鄰法苯酐生產(chǎn)技術(shù)水平，滿足市場日益增長 的需求，我們開發(fā)出了具有國際上80年代先進水平的0.06kg工藝低能耗苯酐生 產(chǎn)技術(shù)，

17、首先應(yīng)用于年產(chǎn)5000噸苯酐裝置獲得成功。此后我國自行開發(fā)的鄰法 苯酐生產(chǎn)技術(shù)得到了快速發(fā)展，到1996年已開發(fā)成功萬噸級苯酐生產(chǎn)技術(shù)，并 已建成數(shù)套生產(chǎn)裝置4。迄今為止，采用國內(nèi)開發(fā)技術(shù)成果建設(shè)的苯酐裝置已 30多套，其中萬噸以上10多套。我國從80年代開始相繼引進了2-5萬噸/年的大 型苯酐裝置。到目前為止，共引進了六套苯酐裝置，通過引進國外先進的苯酐 生產(chǎn)技術(shù)，促進了國內(nèi)苯酐技術(shù)的發(fā)展。預(yù)計2007-2011年需求量年均增長率將 達到3.0%-3.5%。其中亞太地區(qū)將繼續(xù)引領(lǐng)全球苯酐市場增長，其年均增長率將 達到4.0%-5.0%。 2001年全球的苯酐生產(chǎn)能力為4456kt,苯酐的工業(yè)

18、不是特別集中，2001年15 個最大的生產(chǎn)商僅占全球總生產(chǎn)能力的45%。由于20世紀90年代中、末期增建了 大量生產(chǎn)裝置（特別是亞洲），世界苯酐市場呈現(xiàn)供應(yīng)過剩勢頭。美國對苯酐 的需求自20世紀90年代中期開始逐漸放慢了，伴隨經(jīng)濟疲軟，2001年沒有增長。 即使價格相當穩(wěn)定，由于需求下降，苯酐生產(chǎn)商的利潤也非常薄。裝置開工率 大約83%，而亞洲地區(qū)隨著一系列新建計劃的實施，將成為世界上最大的苯酐生 產(chǎn)區(qū)。2001年全球苯酐需求量達到3320kt。最大的苯酐進口地區(qū)是東南亞地區(qū)； 我國大陸是最大的苯酐進口地。最大的苯酐出口國是日本、印度和韓國5。 1.4 苯酐市場需求狀況 近年來北美增塑劑市場對

19、苯酐的需求正在下滑，因為需求疲軟，來自亞洲 和歐洲進口量的增加，以及北美的苯酐生產(chǎn)商正在移師亞洲，因此在未來一段 時間內(nèi)，除了現(xiàn)有裝置的脫瓶頸改造提升生產(chǎn)能力外，北美不可能出現(xiàn)新建苯 酐裝置。而新建裝置將大部分集中在亞洲地區(qū)，尤其是中國。預(yù)計 2007-2010 年世界苯酐需求年均增長率將達到 3.0%-3.5%，其中亞太地區(qū)將繼續(xù)引領(lǐng)全球 苯酐市場增長，其年均增長率將達到 4.0%-5.0%；美國市場的年均增速將僅為 1.3%-1.5%6。 雖然我國塑料加工業(yè)的迅猛發(fā)展，但是苯酐的市場需求也持續(xù)增長的很快。 全球許多企業(yè)計劃在華建設(shè)苯酐生產(chǎn)裝置，巴斯夫計劃在南京建 100kt/a 裝置； 新

20、加坡科迪集團在珠海建 80kt/a 裝置。目前，臺灣聯(lián)成繼中山、珠海和鎮(zhèn)江工 廠投產(chǎn)后也準備在天津、成都和遼寧等地投資建設(shè)新的苯酐工廠，總的擴充產(chǎn) 能仍然十分巨大，預(yù)計到 20t1 年國內(nèi)苯酐的產(chǎn)能將超過 2300kt/a。近年來， 國內(nèi)不飽和聚酯樹脂市場呈逐年遞增趨勢，特別是在非增強制品領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展 十分迅速，必將有效推動苯酐需求的增長。雖然國內(nèi) PA 生產(chǎn)能力、產(chǎn)量都有了 較大幅度的增加，但依然滿足不了國內(nèi)需求，每年都有大量的 PA 進口，且進口 量都是逐年增加的7。 1.5 苯酐技術(shù)的進展及發(fā)展方向 從20世紀70年代開始了苯酐催化劑的研究，先后成功開發(fā)了“60g工藝”、 “80g工藝”

21、和“90g工藝”，最近推出的BC一239型苯酐催化劑在國內(nèi)7家企業(yè)9 套裝置上試用，均獲得成功。該催化劑目前由中國石油化工股份有限公司催化 劑北京奧達分公司在新裝置上生產(chǎn)，該裝置采用微機控制，設(shè)備先進，自動化 程度高，生產(chǎn)能力大，催化劑質(zhì)量穩(wěn)定。近年來世界各苯酐生產(chǎn)公司都致力于 改進以鄰二甲苯為原料的固定床氧化技術(shù)，并在催化劑、生產(chǎn)工藝和反應(yīng)器設(shè) 計等方面取得了重要的進展。主要體現(xiàn)在研發(fā)高收率、高選擇性和高負荷催化 劑及改進現(xiàn)有生產(chǎn)工藝兩個方面。 目前國內(nèi)應(yīng)集中力量將高性能催化劑和大型反應(yīng)器開發(fā)有效結(jié)合起來，開 發(fā)出大型化先進的國產(chǎn)化苯酐生產(chǎn)裝置，實現(xiàn)裝置的更大生產(chǎn)能力，從根本上 降低消耗，降

22、低成本，另外在今后要加強設(shè)備制造、監(jiān)控、管理以保證苯酐產(chǎn) 品的質(zhì)量和裝置的穩(wěn)定運行?？傊覈紧I(yè)要正視差距，加強技改，提高 競爭能力，以期在未來競爭日趨激烈的市場中站穩(wěn)腳跟，向前發(fā)展8,9,10。 1.6 苯酐工藝概述 苯酐的生產(chǎn)有萘氧化法和鄰二甲苯氧化法兩種工藝路線。以前，萘氧化法 占主導(dǎo)地位，但由于萘原料的來源受到限制，從而影響到了苯酐的正常發(fā)展； 隨著我國石油化學工業(yè)的發(fā)展，新建生產(chǎn)裝置，大都采用鄰二甲苯法。 1.6.1萘氧化法 萘與空氣在催化劑作用下氣相氧化生成苯酐11： + O O O O2 V2O5 CO2OH29/2+22 工藝流程： 圖 1 萘氧化法工藝流程 空氣經(jīng)凈化、壓

23、縮預(yù)熱后進入流化床反應(yīng)器底部，噴入液體萘，萘汽化后 與空氣混合，通過流化狀態(tài)的催化劑層，發(fā)生放熱反應(yīng)生成苯酐。反應(yīng)器內(nèi)裝 有列管冷卻器，用水為熱載體移出反應(yīng)熱。反應(yīng)氣體經(jīng)三級旋風分離器，把氣 體攜帶的催化劑分離下來后，進入液體冷凝器，有 40%60%的粗苯酐以液態(tài) 冷凝下來，氣體再進入切換冷凝器（ 又稱熱融箱）進一步分離粗苯酐，粗苯酐 經(jīng)預(yù)分解后進行精餾得到苯酐成品。尾氣經(jīng)洗滌后排放，洗滌液用水稀釋后排 放或送去進行催化焚燒。 1.6.21.6.2鄰二甲苯法鄰二甲苯法 1)反應(yīng)原理 鄰二甲苯與空氣在催化劑作用下氣相氧化生成苯酐： CH3 CH3 +3O23 O O O OH2 V2O5 + 2

24、)工藝流程 巴斯夫（BASF）工藝12： 圖 2 巴斯夫工藝流程 BASF 工藝于 1976 年工業(yè)化生產(chǎn)，總生產(chǎn)能力超過 100104t/a，BASF 工藝 的單臺應(yīng)器最大生產(chǎn)能力為 4.5104t/a。經(jīng)凈化預(yù)熱后的空氣與氣化的鄰二甲 苯混合進入列管式固定床反應(yīng)器，在釩-鈦環(huán)形催化劑表面進行反應(yīng)，反應(yīng)溫度 為 360，空速 3000/h，反應(yīng)熱由熔鹽導(dǎo)出12。粗苯酐在微負壓下采用高溫或 同時添加少量化學品除去某些雜質(zhì)后送入精餾塔精制。BASF 工藝能有效地回收 順酐，苯酐的質(zhì)量收率超過 105%。在巴斯夫過程中，鄰二甲苯與預(yù)熱到 150 左右的空氣一起進入多管反應(yīng)器，反應(yīng)氣體由上向下通過催

25、化床。 進料空氣中鄰二甲苯的濃度為 60-70g/Nm3，鄰二甲苯空氣中含量在爆炸極 限中。為提高能量利用率，應(yīng)盡可能提高負荷。用硝酸鉀/亞硝酸鈉 （59%/41%）的熔鹽浴來移除反應(yīng)熱，鹽的熔點約為 141，反應(yīng)熱用來產(chǎn)生高 壓蒸汽。350-450的熱反應(yīng)氣流離開反應(yīng)器進入氣體分離器。固定床過程中冷 凝是通過凝華來實現(xiàn)的，為了使固體鄰苯二甲酸酐凝華，需要快速冷卻到露點 125以下；這一過程在裝有橢圓翅片管子的換熱器內(nèi)進行，用導(dǎo)熱油移走或提 供粗酐冷卻及熔融所需熱量13。 BASF 工藝的缺點是反應(yīng)溫度高，選擇性降低，故而提高催化劑選擇性是研 究的重點內(nèi)容。北京化工研究院開發(fā)研制的新型苯酐催化

26、劑是通過低溫穿流噴 涂方法進行制備的，催化劑選擇性好，阻力降小，苯酐產(chǎn)品質(zhì)量高。經(jīng)過單管 評價，已達同類進口催化劑的各項指標。 LAR 法工藝14,15 LAR 法的優(yōu)勢是催化劑活性的提高，催化劑所要求的空氣和鄰二甲苯的比 例僅為 9.5：1（其他技術(shù)中次比例大約為 20：1） ，這就可以是催化劑的產(chǎn)率提 高了 40%，顯著的縮小了反應(yīng)器的體積，并降低其他關(guān)鍵設(shè)備（包括切換冷凝 器和蒸發(fā)反應(yīng)器）的負荷，風機和泵的能耗降低約 60%，反應(yīng)器中惰性氣體流 量的減少使更多的顯熱被冷卻鹽帶走。工廠可以做到能量的完全自給自足，并 且能向鄰近的工廠輸出相當數(shù)量的蒸汽。還可以使用冷凝器將大約 50%的鄰苯

27、二甲酸酐產(chǎn)品在凝華以前以液態(tài)形態(tài)加以回收，這樣可以減少冷凝氣產(chǎn)物流中 的雜質(zhì)量從而提高產(chǎn)品的濃度。 LEVH 法工藝 LEVH 法與 LAR 法工藝流程基本相似，不同點是 LAR 法比 LEVH 法多一個后 冷器。LEVH 工藝的主要優(yōu)勢是技術(shù)成熟，全世界已經(jīng)有 56 家工廠使用 VH 工藝 或者 LEVH 工藝，總的生產(chǎn)能力為 140 萬 t/a，且其中大多數(shù)都成功的運行，另 外，維護費很低（低于每年投資的 2%） ，配套設(shè)施發(fā)展很完善18。通過使用一 種特殊的催化劑，可以調(diào)整 VH 過程以適應(yīng)萘原料和鄰二甲苯的混合原料。這樣 就起到安全防范作用，以應(yīng)對林二甲苯價格上漲，并且在萘的價格大幅度

28、降低 的時候具有靈活性，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力已經(jīng)達到 5 萬 t/年。LEVH 過程是一個穩(wěn) 定的選擇，適合于保守的發(fā)展策略，在市場有保證的情況下，或者在公司對同 樣工藝的工廠有著豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗的時候，比較適合采用此工藝。采用 LEVH 工 藝的生產(chǎn)成本比大多數(shù)老廠低，但是比起同樣基礎(chǔ)上成功運行的 LAR 工藝的工 廠，則有可能無法有效的競爭15 1.7 設(shè)計方案的選擇 1.7.1 原料的選擇 隨著石油化工的高速發(fā)展,鄰二甲苯的產(chǎn)量越來越高，價格也越來越便宜， 而且鄰二甲苯生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐的轉(zhuǎn)化率要比萘高，為鄰二甲苯法生產(chǎn)苯酐提 供了先決條件。而且以萘為原料的工藝價格高，損耗大。 說以原料選鄰二甲

29、苯 1.7.2 流程的選擇 通過對以上各種工藝流程進行對比：BASF工藝流程投資較少，操作效率較 高，這些都直接得益于反應(yīng)器中低的空氣對鄰二甲苯的比例，并且可以向廠外 輸出大量的水蒸汽。用BASF法工藝生產(chǎn)出的鄰苯二甲酸酐的最終售價可能低于 其他競爭過程生產(chǎn)出的產(chǎn)品的售價。 所以，選擇巴斯夫工藝。 1.7.3 反應(yīng)器的比較與選擇 固定床反應(yīng)器的特點是催化劑磨損少，流體在管內(nèi)接近活塞流，推動力 大，催化劑的生產(chǎn)能力高，主產(chǎn)物收率高。但固定床也存在傳熱差，需要大 的傳熱面積的缺點。流化床反應(yīng)器的催化劑損失較大，流失較嚴重，而且在 生產(chǎn)過程中不易維護，隨著工藝的發(fā)展和完善，流化床工藝已經(jīng)越來越少。

30、固定床反應(yīng)器的特點是催化劑磨損少，流體在管內(nèi)接近活塞流，推動力大， 催化劑的生產(chǎn)能力高，主產(chǎn)物收率高，是現(xiàn)代化工工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的反應(yīng) 器。最近新建工廠一般都采用固定床反應(yīng)器。所以，本設(shè)計選 用鄰二甲苯為 原料；采用列管式固定床反應(yīng)器，考慮到固定床的不足，在設(shè)計反應(yīng)器時會 充分考慮傳熱問題；從成本和技術(shù)先進性考慮，工藝選用BASF工藝。 所以，固定床反應(yīng)器。 1.7.4 催化劑的選擇 目前苯酐氧化工段的催化劑發(fā)展迅速，80g 已經(jīng)成熟，且我國工業(yè)化裝置 普遍為 80g 工藝催化劑。 所以，選用 VTi 催化體系即 80g 環(huán)狀催化劑。 1.8 物料特性 1.8.1 主要物料 1) 鄰二甲苯 分

31、子式：C8H10 分子量：106.169 熔點：-25.182 沸點：144.411 閃點： 開口 24 閉口 17 自然點：495 密度：25 時 0.8802 g/ml 空氣中的允許濃度：0.1 mg/l 與空氣混合的爆炸極限：16%（mol%） 重量比（o-x：空氣）：1:151:30 2) 鄰苯二甲酸酐 鄰苯二甲酸酐是白色鱗狀或結(jié)晶狀粉么，微溶于乙醚，冷水，易溶于熱 水，生成強腐蝕性的鄰二甲酸。其粉么刺激人的皮膚，眼睛，呼吸道。 分子式：C8H4O3 分子量：148.114 熔點：130.5 131 沸點：284.5 閃點：152 165 自然點：580 密度：1.527 g/cm3

32、（固） 熔融熱：158.2 kJ/kg（131 ） 汽化潛熱：340 kJ/kg 片狀成品假密度：0.7 g/cm3 燃燒熱：22000 kJ/kg 與空氣混合的爆炸極限：0.710.4% 3). 馬來酸酐 分子式：C4H4O4 分子量：116.07 熔點：138 沸點：.5 密度（20固體）：1.590 g/cm3 熔解熱：-H298 固體：-793.128 kJ/mol 氣體：-682.5 kJ/mol 生成熱：-Hof 固體：-793.128 kJ/mol 氣體：-628.5 kJ/mol 升華熱：Ho298 110.46 kJ/mol 1.8.2 輔助物料 1）熔鹽 熔鹽組成：NaNO

33、2：40% 平均分子量：89.2 KNO3：53% 熔點：142 NNO3：7%（HTS） 熔融熱：75.6 kJ/kg 比熱：1.61 2）傳熱油（Diphyl DT） 表 1-1 傳熱油特性 指標單位規(guī)格 工作溫度330 max 沸點（760 托）284286 沸程-10 凝固點-54 比熱（25） KJ/(KgK)1.55 密度（25）Kg/m31035 運動黏度（25）Cst6.3 水含量（25）Wt%0.02 閃點135 自然點545 1.9 產(chǎn)品技術(shù)指標 表 1-2 鄰苯二甲酸酐質(zhì)量指標 優(yōu)級一級合格 熔融色度號2050100 熱穩(wěn)定性（Pt-Co）50150 凝固點130.513

34、0.3130 游離酸0.50.50.5 灰分0.05 外觀白色鱗狀或結(jié)晶狀粉么 規(guī)格分析方法國家標準 鄰苯二甲酸酐 99.7%比色法HG2-319-79 第 2 章 物料衡算 2.1 基準物料衡算 采用節(jié)點計算，取 100 kg 鄰二甲苯的進料為基準進行計算節(jié)點 1 和 2 的物 料。節(jié)點圖如下： 粗苯酐槽 反應(yīng)器氣體冷卻器后冷器 切換冷凝器 物料衡算節(jié)點圖 1)節(jié)點的物料衡算 進料中空氣與鄰二甲苯的比例為 20：1（BASF 工藝） 鄰二甲苯：kg100942 . 0 169.106 100 kmol 空氣：kmol84.1820942 . 0 取空氣的分子量為 29，則空氣的質(zhì)量為kg36

35、.5462984.18 空氣中氧氣和氮氣的比（體積比）取 21：79 則空氣中氧氣占 21% 即氧氣的量為kgkmol60.126329564 . 3 9564 . 3 %2184.18 氮氣的量為 kgkmol74.416288836.148836.14%7984.18 進料氣體總計：kmol84.1820942 . 0 對節(jié)點的物料衡算列于下表： 表 2-1 節(jié)點物料衡算結(jié)果 名稱鄰二甲苯氧氣氮氣合計 進料（kmol）0.9423.954614.883619.7802 2) 對節(jié)點的物料衡算 對反應(yīng)器有： （設(shè)積累為 0） 積累出進 MMM 即節(jié)點的物料總計：kgmolMM36.64678

36、02.19 出進 由相關(guān)文獻查得苯酐、順酐、苯酞、苯甲酸的收率分別為 109%、8.12%、0.215%和 0.909%。 由收率計算選擇性，計算如下： .OHOHCOHC 23482108 33 169.106114.148 13.78x109 催化劑對鄰二甲苯轉(zhuǎn)化成鄰苯二甲酸酐的選擇性為:%13.78%100 100 13.78 則轉(zhuǎn)化成鄰苯二甲酸酐的鄰二甲苯的量為kg13.78%13.78100 .OHCOOHCOHC 223242108 445.7 .169 10698 8 . 8y12 . 8 催化劑對鄰二甲苯轉(zhuǎn)化成順酐的選擇性:%8 . 8%100 100 8 . 8 則轉(zhuǎn)化成順酐

37、的鄰二甲苯的量為kg8 . 8%8 . 8100 III. OHOHCOHC 22682108 22 169.106134 17 . 0 y215 . 0 催化劑對鄰二甲苯轉(zhuǎn)化成苯酞的選擇性:%17 . 0 %100 100 17 . 0 則轉(zhuǎn)化成苯酞的鄰二甲苯的量為kg17 . 0 %17 . 0 100 . 222672108 2 5 4 13 COOHOHCOHC 169.106122 79 . 0 y909 . 0 催化劑對鄰二甲苯轉(zhuǎn)化成苯甲酸的選擇性:%79 . 0 %100 100 79 . 0 則轉(zhuǎn)化成苯甲酸的鄰二甲苯的量為kg79 . 0 %79 . 0 100 %11.12%

38、79 . 0 %17 . 0 %8 . 8%13.78%100 22 物質(zhì)的選擇性為及COCO 則生成kg11.12%11.12100 22 物質(zhì)的鄰二甲苯的量為及COCO 假設(shè)反應(yīng)副產(chǎn)物只生成順酐、苯酞、苯甲酸、水和 CO2。 則根據(jù)方程式計算反應(yīng)物及產(chǎn)物的量如下：鄰苯二甲酸酐、順酐、苯酞、 苯甲酸、氧氣、以及水的量： .OHOHCOHC 23482108 33 169.10696114.14854 13.78 1 x 2 x 3 x 根據(jù)方程求得： kgx56.70 1 kgx109 2 kgx74.39 3 .OHOHCOHC 23242108 325 . 4 .169 10614419

39、654 8 . 8 1 x 4 x 3 x 根據(jù)方程求得： kgx94.11 1 25.16 4 x48 . 4 3 x . OHOHCOHC 22682108 22 169.1066413436 17 . 0 1 x 5 x 3 x 根據(jù)方程求得： kgx102. 0 1 kgx21 . 0 5 kgx058 . 0 3 . 222672108 23COOHOHCOHC 169.106961223644 79 . 0 1 x 6 x 3 x 7 x 根據(jù)方程求得： kgx71. 0 1 kgx91 . 0 6 kgx27 . 0 3 kgx33. 0 7 . OHCOOHC 222108 5

40、8 5 . 10 169.10633635290 11.12 1 x 7 x 3 x 根據(jù)方程求得： kgx33.38 1 kgx15.40 7 kgx27.10 3 可算得節(jié)點其他組分的量為： 氧氣：kg958 . 4 33.3871 . 0 102 . 0 94.1156.70 6 . 126 二氧化碳：40.15kg 水：kg82.5427.1027 . 0 058 . 0 48 . 4 74.39 氮氣：kg74.416 kgmolMM36.646787.19 出進 表 2-2 節(jié)點物料衡算結(jié)果 節(jié)點苯酐氮氣氧氣水二氧化碳 順酐苯甲酸苯酞總計 109.00416.744.95854.8

41、240.1516.250.910.21646.36 2.2 實際物料衡算 設(shè)氧化工段的物料損失為 0，精餾工段的物料損失為 5% 產(chǎn)量:30kt/a 每年按 300 天 每天按 24 小時計算 一年總共有 則每小時的產(chǎn)量為:h720030024hkg / 7 . 41667200100 . 3 7 苯酐成品的純度為:99.61% 設(shè)工藝過程中苯酐總損失量為 5% 根據(jù)比例計算實際進料kg89.4368 95 . 0 %61.99 7 . 4166 則實際進料: 鄰二甲苯的量為:kg16.400889.4368 109 100 kmol75.37169.10616.4008 空氣的量為:kmol

42、14.7552075.37 kg98.218982914.755 1) 對節(jié)點 1 的物料衡算 表 2-3 節(jié)點物料衡算結(jié)果 名稱鄰二甲苯氧氣氮氣合計 進料（kmol）37.75158.58596.56792.89 2) 對節(jié)點 2 的物料衡算 由基準物料衡算，根據(jù)比例可以算出節(jié)點 2 的物料： 表 2-4 節(jié)點物料衡算結(jié)果 節(jié)點苯酐氮氣氧氣水二氧化碳 順酐苯甲酸苯酞總計 4368.8916703.6198.72197.271609.28651.3336.478.4225773.9 6 3) 對節(jié)點的物料衡算 物料經(jīng)氣體冷卻器后無質(zhì)量變化。 表 2-5 節(jié)點物料衡算結(jié)果 節(jié)點苯酐氮氣氧氣水二氧

43、化碳 順酐苯甲酸苯酞總計 4368.8916703.6198.72197.271609.28651.3336.478.4225773.9 6 4) 對節(jié)點的物料衡算 這部分物料將進入切換冷凝器。 在后冷器內(nèi)反應(yīng)氣由 300200。 經(jīng)查得苯酐在 284.5時發(fā)生相變。285時苯酐飽和蒸汽壓 88158pa，200苯 酐飽和蒸汽壓 12548pa。 即液化的苯酐量為%77.85 88158 12544888158 查得順酐 300時順酐飽和蒸汽壓 939.0kpa，200順酐飽和蒸汽壓 102.4kpa。 即液化的苯酐量為% 0 . 89 0 . 939 4 . 102 0 . 939 經(jīng)查得苯

44、甲酸在 250時發(fā)生相變。250時苯酐飽和蒸汽壓 77188pa，200苯 甲酸飽和蒸汽壓 22297pa。 即液化的苯甲酸量為%11.71 77188 2229777188 經(jīng)查得苯酞在 300時發(fā)生相變。300時苯酞飽和蒸汽壓.54pa，200苯酞飽 和蒸汽壓 15488.17pa。 即液化的苯酐量為%70.87 54.125892 17.1548854.125892 那么節(jié)點物料衡算 苯酐kg69.621%)77.851 (89.4368 順酐kg63.71%)891 (33.651 苯甲酸kg57.10%)11.711 (47.36 苯酞 kg02. 1%)7 .871 (42. 8

45、表 2-6 點物料衡算結(jié)果 節(jié)點苯酐氮氣氧氣水二氧化碳 順酐苯甲酸苯酞總計 621.6916703.6198.72197.271609.2871.6310.571.0221413.7 6 5) 對節(jié)點的物料衡算 苯酐kg2 .3747%77.8589.4368 順酐kg 7 . 579%8933.651 苯甲酸kg 9 . 25%11.7147.36 苯酞 kg4 . 7% 7 . 8742 . 8 表 2-7 點物料衡算結(jié)果 節(jié)點苯酐氮氣氧氣水二氧化碳順酐苯甲酸苯酞總計 3747.2579.725.97.44360.2 6) 對節(jié)點的物料衡算 切換冷凝器溫度變化 20065，物料中氧氣、二氧

46、化碳、氮氣不發(fā)生相態(tài)變 化，而其中的苯酐、順酐、苯甲酸和苯酞全部冷凝。 表 2-8 節(jié)點物料衡算結(jié)果 節(jié)點苯酐氮氣氧氣水二氧化碳 順酐苯甲酸苯酞總計 621.692197.2771.6310.571.022902.18 表 2-9 實際物料衡算結(jié)果/kg 節(jié)點 鄰二甲 苯 苯酐順酐氮氣氧氣水 二氧化 碳 苯甲 酸 苯酞總計 4008.16 16703.64598.7825907.14 4368.89651.3316703.6198.72197.2 7 1609.2836.478.4225773.9 4368.89651.3316703.6198.72197.2 7 1609.28 36.478

47、.4225773.9 621.6971.6316703.6198.72197.2 7 1609.2810.571.0221413.7 3747.2579.725.97.44360.2 621.69 71.63 2197.2 7 10.571.022902.18 第 3 章 能量衡算 3.1 原料預(yù)熱設(shè)備的能量衡算 原料預(yù)熱設(shè)備包括:空氣預(yù)熱器、鄰二甲苯預(yù)熱器、鄰二甲苯汽化器 所需物性數(shù)據(jù)由化工物性數(shù)據(jù)手冊查得。 1) 空氣預(yù)熱器 冷介質(zhì):空氣 25 170 平均溫度:97.5 用 180 、1 MP 的飽和水蒸汽進行預(yù)熱，水的汽化熱為 36.22 kJ/mol 空氣在平均溫度 97.5 下的比

48、熱容由內(nèi)插法計算求得 50空氣的比熱容為)/( 1 . 29kmolJ 100空氣的比熱容為)/(16.29kmolJ 97.5下的比熱容為)/(157.29kmolJ 根據(jù)物料衡算可知：kmolnAir14.755 預(yù)熱空氣所需的熱量為: )25170(157.2914.755TnCQ pm hkJ /1019 . 3 6 則所需飽和水蒸汽的物質(zhì)的量：kmoln14.8822.36/1019. 3 6 1 則飽和水蒸汽的質(zhì)量：hkgm/52.1586 1 2) 鄰二甲苯預(yù)熱器的能量衡算 冷介質(zhì): 鄰二甲苯 25 140 平均溫度:97.5 用 180 、1MP 的飽和水蒸汽進行預(yù)熱， 水蒸汽

49、的汽化熱為 36.22 kJ/mol 鄰二甲苯在平均溫度:97.5 下的比熱容由內(nèi)插法計算求得 80 鄰二甲苯的比熱容為)/(970 . 1 kkgkJ 100 空氣的比熱容為)/(037 . 2 kkgkJ 82.5 下的比熱容為)/(978 . 1 kkgkJ hkJTnCQ pm /1091 . 0 )25140(978 . 1 16.4008 6 則所需飽和水蒸汽的物質(zhì)的量 hkmol H Q n/17.25 22.36 1091. 0 6 2 則飽和水蒸汽的質(zhì)量hkgm/1 .453 2 3) 鄰二甲苯汽化器的能量衡算 冷介質(zhì)：鄰二甲苯 140 144.41 170 144.41 時

50、鄰二甲苯的汽化熱為)/(6865.36kmolkJ 140 鄰二甲苯的比熱容為)/(17 . 2 kkgkJ 142.205 鄰二甲苯的比熱容為 )/(180 . 2 kkgkJ 144.41 170 的平均溫度為 157.205 170 鄰二甲苯的比熱容為)/(14.187kmolJ 157.205鄰二甲苯的比熱容為)/(24.180kmolJ 21 TnCHnTnCQ pmpm 10006865.3675.37)14041.144(180 . 2 16.4008 hkJ /10626. 1 )41.144170(24.18075.37 6 則所需飽和水蒸汽的物質(zhì)的量為：hkmoln/88.

51、44 22.36 10626 . 1 6 3 則需飽和水蒸汽的總量為: 321 nnnn 88.4417.2514.88 hkmol/19.158 3.2 對反應(yīng)器的能量衡算 根據(jù)能量守恒定律: 損失移出帶出反應(yīng)帶入 QQQQQ 反應(yīng)器進口溫度為 170 反應(yīng)時的溫度為 380 1) 原料氣帶入的熱量 輸入的原料氣的溫度為 170 查化學化工物性數(shù)據(jù)手冊得進料氣體的物性數(shù)據(jù)列于下表： 表 3-1 料氣體物性數(shù)據(jù)表 進料氣體 物質(zhì)的量kmol各溫度下的比熱 kmolJ/ 150 200 鄰二甲苯56.35 180.5197.1 100 200 空氣1127.06 29.2929.725 根據(jù)表

52、3-1 由內(nèi)插法求得： 5 . 180 150170 1 .197 170200 鄰二鄰二CC 170 時鄰二甲苯的比熱kmolJC/14.187鄰二 再由內(nèi)插法求得 29.29 100170 725.29 110210 空氣空氣CC 170 時空氣的比熱 kmolJC/265.29空氣 則隨物料進入設(shè)備的熱量計算如下： hkJTnCQ pm /102 . 1)0170(114.18775.37 6 鄰二甲苯 hkJTnCQ pm /1076 . 3 )0170(265.2914.755 6 空氣 空氣鄰二甲苯帶入 QQQkJ 66 1076 . 3 102 . 1hkJ /1096 . 4

53、6 2) 反應(yīng)放出的熱量 380 時的反應(yīng)方程式為： 主反應(yīng)：molkJOHOHCOHC/131233 23482108 副反應(yīng)：molkJOHOHCOHC/1510325 . 4 23242108 molkJOHOHCOHC/87422 22682108 molkJCOOHOHCOHC/ 7 . 110823 222672108 molkJOHCOOHC/4573585 .10 222108 生成苯酐時放出的熱量：10001312 148 89.4368 1 QhkJ /1084 . 3 7 生成順酐時放出的熱量：10001510 2196 33.651 2 QhkJ /1061 . 2 6

54、 生成苯甲酸時放出的熱量：1000 7 . 1108 122 47.36 3 QhkJ /1031 . 3 5 生成苯酞時放出的熱量：1000874 134 42 . 8 4 QhkJ /1049 . 5 4 生成及其物質(zhì)時放出的熱量： 2 CO10004573 844 28.1609 5 Q hkJ /1009. 2 7 54321 QQQQQQ 反應(yīng) 54767 103 . 31049 . 5 1009 . 2 1016. 21084. 3 hkJ /10176 . 6 7 3) 損失的熱量 總損失的熱量為帶入和放出熱量的 5% %5）（ 反應(yīng)帶入損失 QQQ %510176. 61096

55、 . 4 76 ）（hkJ /10336 . 3 6 4）輸出的熱量：產(chǎn)物出反應(yīng)器的溫度為 380 表 3-2 出口氣體數(shù)據(jù)表 不同溫度下的比熱容KmolJ/ 內(nèi)差后比熱 KmolJ/ 物料種類 物質(zhì)的量 kmol 327387380 苯酐39.39255.6267.4265.78 順酐8.87127.8134.4133.50 二氧化碳50.2941.8843.3842.48 氧氣4.6830.6830.930.768 水163.5935.8837.0536.699 氮氣796.9629.9430.57130.381 苯甲酸0.40272.44300.24297.0 苯酞0.08276.803

56、02.72299.7 雜質(zhì)1.56233.55249.37247.52 由表 3-2 中的數(shù)據(jù)可計算得出：出口處反應(yīng)產(chǎn)物帶出的熱量 以 0 為基準溫度 hkJTnCQ pm /1098 . 2 )0380(78.26552.29 6 苯酐 hkJTnCQ pm /10168 . 0 )0380(48.13332 . 3 6 順酐 hkJTnCQ pm /104 . 3)0380(29730 . 0 4 苯甲酸 hkJTnCQ pm /108 . 6)0380( 7 . 29906 . 0 5 苯酞 hkJTnCQ pmCO /1059 . 0 )0380(48.4257.36 6 2 hkJT

57、nCQ pmO /100752. 0)0380(768.302 . 6 6 2 hkJTnCQ pmOH /107 . 1)0380(699.3607.122 6 2 hkJTnCQ pmN /1089 . 6 )0380(381.30 6 . 596 6 2 所以出口處反應(yīng)物帶出的熱量: 2222 NOHOCO QQQQQQQQQ 苯酞苯甲酸順酐苯酐輸出 hkJ /1011.13 6 熔鹽移出的熱量為： 損失輸出反應(yīng)帶入移出 QQQQQ 6676 1011.13103 . 310176 . 6 1096 . 4 hkJ /1031.50 6 3.3 鹽冷器的能量衡算 熱介質(zhì)：熔鹽 37038

58、0 在此設(shè)備中物料無相變化 平均溫度下的比熱為 kkgkJ/61 . 1 分子量為：kmolkg / 2 . 89 hkg TC Q m mp /1012 . 3 1061 . 1 1031.50 6 6 , 熔 移出 熔鹽 所需水蒸汽的量的計算： 用 180的水進行冷卻 180的水汽化潛熱為molkJ /22.36 kmol H Q n01.1389 22.36 1031.50 6 水 hthkgm/25/250021801.1389 水 3.4 汽體冷卻器的能量衡算 熱介質(zhì)：380 300 平均溫度為 340 表 3-3 有機物物性數(shù)據(jù)表 不同溫度下的比熱容 KmolJ/ 內(nèi)差后比熱 Km

59、olJ/ 物料種 類 物質(zhì)的量 kmoln/ 327377340 苯酐39.39255.6267.4258.458 順酐8.87127.8134.4128.665 苯甲酸0.40272.44300.24278.46 苯酞0.08276.80302.72282.42 雜質(zhì)1.56233.55249.37236.98 表 3-4 無機物物性數(shù)據(jù)表 不同溫度下的比熱容 KmolJ/ 內(nèi)差后比熱 KmolJ/ 物料種類 物質(zhì)的量 kmoln/ 300400340 二氧化碳50.2941.8843.3842.605 氧氣4.6830.6830.930.557 水163.5935.8837.0536.49

60、0 氮氣796.5629.9430.57130.261 hkJQ/101 . 6300380458.25852.29 5 苯酐 hkJQ/1034 . 0 300380665.12832 . 3 5 順酐 hkJQ/10069 . 0 30038046.27830 . 0 5 苯甲酸 hkJQ/100135. 030038042.28206 . 0 5 苯酞 hkJQCO/1025. 1300380605.4257.36 5 2 hkJQ/1016 . 0 300380557.307 . 6 5 氧氣 hkJQ/1056 . 3 300380490.3607.122 5 水 hkJQ/1044