間甲苯胺生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)間甲苯胺生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)班 級(jí)： 應(yīng)化二班姓 名： *學(xué) 號(hào)： *31030*專(zhuān) 業(yè)： 化學(xué)工程課程名稱(chēng)： 化工過(guò)程設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師： 胡炳成化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)2013年11月 化工過(guò)程設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 共 19 頁(yè)1 總論1.1 概述1.1.1 間甲苯胺性質(zhì) 甲苯硝化會(huì)生成一定量的間硝基甲苯，最近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,有機(jī)中間體開(kāi)發(fā)水平的提高,有機(jī)中間體品種和數(shù)量的需求增加,間硝基甲苯的用途慢慢被開(kāi)發(fā)出來(lái)。間硝基甲苯可以加氫還原為間甲苯胺，以間甲苯胺為原料可以開(kāi)發(fā)很多下游產(chǎn)品,主要有苯環(huán)上氨基的重氮化、烷基化、酞化等反應(yīng)。 物理性質(zhì)：編號(hào)項(xiàng)目間甲苯胺1外觀(guān)與性狀無(wú)色透明油狀液體2冰點(diǎn)-50.53沸點(diǎn)2

2、03.34閃點(diǎn)85 化學(xué)性質(zhì)：（1）一般性化學(xué)反應(yīng)：間甲苯胺與氨類(lèi)相似，水溶液具有堿性，因此，在間甲苯胺生產(chǎn)和運(yùn)貯中，要注意有水存在時(shí)對(duì)一般鋼、銅、鋁、錫及玻璃有腐蝕性。（2）在工業(yè)上的主要應(yīng)用：合成間甲酚：間甲酚傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法主要采用合成法，也可從煉焦、油頁(yè)巖干餾和城市煤氣的副產(chǎn)品混甲酚中分離得到。主要的合成方法有異丙基甲苯法、鄰二甲苯氧化法。合成N一乙基間甲苯胺：N一乙基間甲苯胺是高刺激性的淡黃色油狀液體，在有機(jī)中間體中占有重要的地位。以間甲苯胺為原料生產(chǎn)N一乙基間甲苯胺主要可以分為兩大步驟，即間甲苯胺氨基上的乙基化和產(chǎn)品的分離。由于N一乙基間甲苯胺同未反應(yīng)間甲苯胺以及副產(chǎn)物N，N一二乙基

3、間甲苯胺之間相對(duì)揮發(fā)度較小,沸點(diǎn)比較接近，把它們分離開(kāi)來(lái)，用一般精餾方法較為困難，需用高效精餾塔進(jìn)行分離。合成間甲苯異氰酸酷：目前工業(yè)上間甲苯異氰酸醋的生產(chǎn)工藝大部分是間甲苯胺與光氣反應(yīng)再脫去一分子氯化氫得到，但由于光氣為劇毒氣體，難以?xún)?chǔ)藏和運(yùn)輸,且通光氣過(guò)程中嚴(yán)重污染環(huán)境，隨著環(huán)保要求的日益加強(qiáng),改進(jìn)異氰酸醋的合成工藝，開(kāi)發(fā)非光氣合成法已成為化工領(lǐng)域十分重要的課題。1.1.2 間甲苯胺用途甲苯硝化會(huì)生成一定量的間硝基甲苯，最近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有機(jī)中間體開(kāi)發(fā)水平的提高，有機(jī)中間體品種和數(shù)量的需求增加，間硝基甲苯的用途慢慢被開(kāi)發(fā)出來(lái)。間硝基甲苯可以加氫還原為間甲苯胺,以間甲苯胺為原料可以開(kāi)

4、發(fā)很多下游產(chǎn)品，主要有苯環(huán)上氨基的重氮化、烷基化、酞化等反應(yīng)。1.1.3 間甲苯胺科學(xué)意義和應(yīng)用前景甲苯的一硝化是TNT生產(chǎn)的第一步,可以得到60%的鄰硝基甲苯,36%的對(duì)硝基甲苯和4%的間硝基甲苯。鄰、對(duì)硝基甲苯硝化后得到INT,而間硝基甲苯硝化后得不到TNT。間硝基甲苯的存在不可避免,它影響TNT的產(chǎn)品質(zhì)量,增加了廢水中硝基化合物的含量。通過(guò)分離裝置將間硝基甲苯分出,可以解決上述問(wèn)題,但隨之帶來(lái)的是間硝基甲苯的處理問(wèn)題。生產(chǎn)10萬(wàn)噸一硝基甲苯,將產(chǎn)生約4000噸的間硝基甲苯,雖然間硝基甲苯在國(guó)內(nèi)幾乎無(wú)市場(chǎng)需求,但其深加工產(chǎn)品卻極為緊俏,需從國(guó)外大量進(jìn)口。由于間硝基甲苯的開(kāi)發(fā)和利用技術(shù)沒(méi)有及

5、時(shí)跟上,間硝基甲苯常常被作為副產(chǎn)物低價(jià)出售或庫(kù)存積壓,造成化工資源的極大浪費(fèi),生產(chǎn)過(guò)程的原子經(jīng)濟(jì)性低。因此,深入進(jìn)行間硝基甲苯的轉(zhuǎn)化利用研究具有必要性和緊迫性。將間硝基甲苯中硝基催化加氫還原制備間甲苯胺,并通過(guò)間甲苯胺制備和開(kāi)發(fā)一系列下游產(chǎn)品,就地解決因間硝基甲苯的存在,而影響TNT的產(chǎn)品質(zhì)量和廢水中硝基化合物含量增加的問(wèn)題。本課題將副產(chǎn)物變廢為寶,減少環(huán)境污染,具有必要性和緊迫性,是一個(gè)很好的軍民結(jié)合項(xiàng)目,其軍事效益!經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益巨大。1.2 文獻(xiàn)綜述 目前，隨著我國(guó)化學(xué)工業(yè)的迅猛發(fā)展,特別是精細(xì)化學(xué)品的發(fā)展,其應(yīng)用范圍不斷拓展,市場(chǎng)前景看好?，F(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的工業(yè)合成芳胺的工藝很多,以芳

6、香族硝基化合物還原制取芳胺的合成路線(xiàn)主要有:經(jīng)典化學(xué)還原法、電解還原法、CO/H2O體系還原法和催化加氫法等。 經(jīng)典化學(xué)還原法主要包括鐵粉還原法和硫化堿還原法，這兩種生產(chǎn)技術(shù)工藝使用時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)展情況較為完善，具有較強(qiáng)還原能力。前者基本適用于所有硝基化合物的還原，后者可使多硝基化合物中的硝基分步還原，或只還原硝基偶氮化合物中的硝基而不影響偶氮基。與此同時(shí)，經(jīng)典化學(xué)還原法還具備操作條件溫和，對(duì)于設(shè)備要求不高，工藝較為簡(jiǎn)單，主反應(yīng)的選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，但是，隨著現(xiàn)代化工工藝水平的提高，以及對(duì)環(huán)境友好的工藝要求，該工藝自動(dòng)化水平低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，所產(chǎn)生三廢對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重等不適合現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策的弊端就逐

7、漸顯現(xiàn)出來(lái)，這種方法正在被其他方法所替代。 電解還原法的流程大體上是，芳香族硝基化合物在無(wú)機(jī)酸電解液、溶劑、潤(rùn)滑劑、促進(jìn)劑的作用下，在陰極(材料通常為Cu，Ni、Pb等)電解產(chǎn)生離子氫，進(jìn)而對(duì)硝基化合物進(jìn)行還原制得芳胺。該法和化學(xué)還原法相比，具有產(chǎn)率高、純度好、易分離、成本低等優(yōu)點(diǎn)。劉欣等人用電解法還原對(duì)硝基苯甲酸制備對(duì)氨基苯甲酸，在50e下，產(chǎn)率達(dá)95.09%，而用化學(xué)法還原對(duì)硝基苯甲酸，反應(yīng)溫度為136e，收率僅為85%。電解還原法與催化加氫還原相比，不存在催化劑中毒問(wèn)題，操作簡(jiǎn)便，容易控制。但此法能耗大，目前僅在實(shí)驗(yàn)室合成及半工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用較多。 CO/H2O體系還原法是Pettit等

8、在1978年首次發(fā)現(xiàn)的，他們以Fe(CO)5為催化劑在堿性水溶液中將硝基苯還原為苯胺。此后，各種基于過(guò)渡金屬撥基物的催化劑不斷出現(xiàn)。彭愛(ài)東等人在硒催化下用CO/H2O還原硝基苯制苯胺，硝基苯轉(zhuǎn)化率可達(dá)98.2%。此法具有設(shè)備通用性好、反應(yīng)易控制、原料來(lái)源容易等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)催化劑要求較高，存在貴金屬催化劑回收問(wèn)題，且反應(yīng)大多需高溫高壓，目前還多處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，可作為催化加氫法的一個(gè)良好補(bǔ)充。 左東華等認(rèn)為芳香硝基化合物加氫還原過(guò)程的速率取決于氫在催化劑上吸附活化的速率以及催化劑表面活化中心的數(shù)目，同時(shí)正比于催化劑的用量，催化活性表現(xiàn)在只有那些既能容納氫，又能容納被加氫物的催化劑活性中心。而也有

9、文獻(xiàn)認(rèn)為硝基化合物和氫氣在催化劑表面的反應(yīng)是速率控制步驟。 劉振華等人報(bào)道，以間甲苯胺和乙醇為原料，在銅鋅鋁氧化物催化劑上，在連續(xù)固定床反應(yīng)器中合成N一乙基間甲苯胺，間甲苯胺的轉(zhuǎn)化率全90%，生成N一乙基間甲苯胺的選擇性為90%95%。此法比較先進(jìn)，原料價(jià)格便宜，不需加壓操作，但這些金屬氧化物的催化烷化所需的溫度較高，生成的產(chǎn)物仍為混合物，產(chǎn)品分離較繁。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)來(lái)源本課題是在廣泛查找與間甲苯胺生產(chǎn)工藝密切相關(guān)的各類(lèi)資料、文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，由老師指定的課題。1.4 其他針對(duì)目前間甲苯胺生產(chǎn)狀況，需要得到以下幾方面的改進(jìn)：（1）配料是間甲苯胺生產(chǎn)的首要工序，配料系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)合成、精餾等后續(xù)

10、工段的影響非常大。傳統(tǒng)的間甲苯胺配料采用氣固相接觸催化固定床反應(yīng)工藝，其存在如下問(wèn)題：勞動(dòng)強(qiáng)度大，物料計(jì)量不準(zhǔn)確配料時(shí)間長(zhǎng)配料組份調(diào)節(jié)滯后為了解決間歇配料存在的問(wèn)題應(yīng)將配料改為連續(xù)配料，這樣不僅使物料能快速均勻混合、物料組分調(diào)節(jié)方便，而且有利于生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，有利于降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于裝置規(guī)模的擴(kuò)大。(2)降低原料消耗加強(qiáng)廢氣、廢液回收使用好催化劑,優(yōu)化操作條件(3)節(jié)約能耗現(xiàn)用大部分甲胺生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)還停留在20世紀(jì)70、80年代的水平上，規(guī)模小，自動(dòng)化程度低，設(shè)備落后且老化，裝置泄漏較為普遍，造成能耗高。因此，必須改進(jìn)工藝流程，充分利用裝置本身的熱源，尤其是反應(yīng)熱，參考先進(jìn)流程，萃取水

11、循環(huán)使用；參考其他反應(yīng)的絕熱固定床反應(yīng)器，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、催化劑裝卸方便、氣流分布均勻、壓降損失小的反應(yīng)器。開(kāi)發(fā)間甲苯胺下游產(chǎn)品 間硝基甲苯可以加氫還原為間甲苯胺,以間甲苯胺為原料可以開(kāi)發(fā)很多下游產(chǎn)品,主要有苯環(huán)上氨基的重氮化、烷基化、酞化等反應(yīng)。2 生產(chǎn)流程的確定本章主要介紹了間甲苯胺的主要生產(chǎn)工藝及優(yōu)缺點(diǎn)，確定了間甲苯胺的生產(chǎn)工藝間硝基甲苯和氫氣的催化，針對(duì)選定的工藝流程確定了各工序主要工藝參數(shù)。2.1 中試生產(chǎn)規(guī)模 根據(jù)實(shí)驗(yàn)工藝，0.1Mpa下，催化劑的液時(shí)空速為1.0h-1、裝填量為240ml，反應(yīng)的氣液比為9：1，反應(yīng)溫度為270。C。按照一年生產(chǎn)300天，一天24小時(shí)開(kāi)車(chē)的話(huà)，理論

12、上生產(chǎn)過(guò)程中需連續(xù)進(jìn)樣間硝基甲苯4mlmin，氫氣流量為6828 sccm，得到的分離后的產(chǎn)品理論產(chǎn)量為5.14千克天，1542噸年。2.1 生產(chǎn)方案確定2.1.1 生產(chǎn)方案的選擇同液相加氫法相比，氣相加氫法從產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本、安全性、設(shè)備的操作和維修以及工業(yè)實(shí)施性等方面都有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，因此，采用氣相催化加氫法進(jìn)行中試放大。由于固定床法具有技術(shù)成熟、反應(yīng)溫度低、設(shè)備及操作簡(jiǎn)單、維修費(fèi)用低、不需分離催化劑、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)；而流化床法具有催化劑容易中毒等缺點(diǎn)。因此，所以，在小試研究的基礎(chǔ)上，選用固定床氣相加氫還原法作為中試生產(chǎn)的工藝方案。2.2.2 工藝過(guò)程原理利用固載在固定床

13、反應(yīng)器內(nèi)的催化劑在常壓下對(duì)氣態(tài)間硝基甲苯催化加氫使其還原成間甲苯胺，化學(xué)反應(yīng)式如下：在固定床反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的氣固相接觸催化反應(yīng)，存在著相間的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，是化學(xué)反應(yīng)和傳遞過(guò)程的統(tǒng)一體。一方面，間硝基甲苯沸點(diǎn)為232.6，其氣相加氫反應(yīng)將在235的溫度下進(jìn)行，為此需要對(duì)呈固態(tài)的催化劑在高溫下進(jìn)行充分的活化處理，對(duì)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)也應(yīng)做到升溫迅速、均勻；另一方面，間硝基甲苯加氫反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，為保證反應(yīng)在恒溫條件下進(jìn)行，工藝上需及時(shí)移走此部分反應(yīng)熱。2.2.3 催化劑組成及性能 催化劑是整個(gè)工藝的核心，它不但應(yīng)具有良好的活性、選擇性同時(shí)還必須具備良好的穩(wěn)定性或可再生性。其性能和消耗成本是決定整個(gè)

14、工藝技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一。目前工業(yè)上采用的硝基苯類(lèi)化合物氣相催化加氫催化劑主要是銅負(fù)載在二氧化硅載體上形成的CuOSi02催化劑。實(shí)驗(yàn)室小試研究結(jié)果表明，以0.8的Cr為助劑、活性銅含量20的50-100目負(fù)載型硅膠銅作為催化劑，在0.1Mpa、反應(yīng)溫度為270、空速為1.0h-1、氫液比為11：1的條件下，間硝基甲苯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.5，催化劑單程壽命達(dá)200 h以上，表現(xiàn)出良好的工業(yè)化前景。2.2.4 反應(yīng)溫度的影響反應(yīng)溫度是間硝基甲苯固定床氣相加氫還原制備間甲苯胺工藝的關(guān)鍵控制因素，根據(jù)小試研究，適當(dāng)高的反應(yīng)溫度有利于提高反應(yīng)速度，能加快主反應(yīng)的進(jìn)行，間硝基甲苯的轉(zhuǎn)化率也隨之

15、增加，但是溫度太高，容易造成催化劑燒結(jié)，使催化劑活性下降的比較快，催化劑的使用壽命會(huì)大幅度減短；而且過(guò)高的反應(yīng)溫度還會(huì)導(dǎo)致一些副反應(yīng)，如間甲苯胺的熱聚及分解等。因此，選擇反應(yīng)溫度為270，工藝操作區(qū)間265275。2.2.5 反應(yīng)物料比的影響 小試研究結(jié)果表明，氣液比太大時(shí)，也不利于間硝基甲苯的轉(zhuǎn)化，因?yàn)檫@樣會(huì)造成反應(yīng)物與催化劑表面的接觸時(shí)間縮短而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率降低，而且氣液比過(guò)大，會(huì)增加裝置的投資和能耗，降低設(shè)備利用率。綜合考慮上述諸因素，確定本工藝適宜的氣液比為9：1。工藝操作區(qū)間9：l11：1。3 生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述3.1 間甲苯胺生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖圖3-1 間甲苯胺生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖3.2 工藝流程

16、簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)間硝基甲苯加氫還原制備間甲苯胺采用氣固相接觸催化固定床反應(yīng)工藝，由催化劑制備及裝填、原料計(jì)量、氣固相接觸反應(yīng)、氣液分離、間甲苯胺產(chǎn)品精餾、失活催化劑取出再生處理等單元構(gòu)成。生產(chǎn)過(guò)程大致如下：先通氮?dú)庵脫Q掉系統(tǒng)內(nèi)的空氣。通過(guò)高壓計(jì)量泵定量泵送液態(tài)間硝基甲苯，經(jīng)液路送到汽化器氣化后，進(jìn)入混合器與經(jīng)另一條氣路進(jìn)入的氫氣充分混合。混合氣經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入固定床，在固定床內(nèi)催化劑顆粒上發(fā)生擴(kuò)散吸附還原脫附的過(guò)程，在催化劑作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物經(jīng)脫附后沿氣相主體流出固定床反應(yīng)器，經(jīng)氣液分離系統(tǒng)冷凝分離、過(guò)濾，液態(tài)粗產(chǎn)品進(jìn)入產(chǎn)品收集罐，可以間歇地放出。粗產(chǎn)品經(jīng)過(guò)精餾裝置精餾分離出產(chǎn)物間甲苯胺和間硝基甲苯

17、。3.2.1 催化劑制備及裝填 為了在CuOSi02體系中添加其它活性組分，并將它們負(fù)載到二氧化硅上，本工藝催化劑的制備采用浸漬法。 經(jīng)培燒后的新催化劑或再生催化劑一般含有大顆粒，在裝入反應(yīng)器前需破細(xì)至100m以下，以避免對(duì)催化劑的裝填、活化以及催化反應(yīng)造成影響。在裝填催化劑之前，先在管式固定床反應(yīng)器底部裝入一些1020目的石英砂顆粒，以防止催化劑被氣流帶出反應(yīng)器。需要注意的是，應(yīng)保證將催化劑顆粒裝在反應(yīng)器的恒溫區(qū)內(nèi)。設(shè)計(jì)固定床反應(yīng)器的催化劑裝填量為800g/次。3.2.2 氣固相接觸反應(yīng) 反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用管式固定床反應(yīng)器R-1101，管內(nèi)兩端各設(shè)有兩層不銹鋼絲網(wǎng)，用來(lái)固定催化劑。反應(yīng)器R-1

18、101內(nèi)的溫度、壓力、流量等參數(shù)均采用自動(dòng)測(cè)量和控制，使用壓力可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，當(dāng)系統(tǒng)壓力超出允許使用壓力時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)安全閥，安全閥自動(dòng)打開(kāi)泄壓，確保系統(tǒng)安全。反應(yīng)爐設(shè)計(jì)采用30段程序升溫智能儀表控制，反應(yīng)器最高使用溫度設(shè)計(jì)為550。反應(yīng)器的恒溫區(qū)催化劑最大裝填量為lkg。反應(yīng)器內(nèi)部有測(cè)溫管，當(dāng)管內(nèi)的測(cè)溫?zé)犭婑罾瓌?dòng)時(shí)，可以測(cè)量不同位置的溫度。反應(yīng)器內(nèi)催化劑中心軸向溫度分布可拉動(dòng)熱電藕束測(cè)得。 在R-1101內(nèi)裝填并固定好催化劑之后，先通入氮?dú)獯祾?，置換系統(tǒng)內(nèi)的空氣。然后設(shè)置一定的升溫程序，通入氫氣并控制其流量，通過(guò)氫氣增壓泵P-1201使氫氣循環(huán)起來(lái)、連續(xù)通過(guò)固定床反應(yīng)器對(duì)催化劑進(jìn)行還原活

19、化。設(shè)計(jì)催化劑的活化溫度為240。液態(tài)間硝基甲苯經(jīng)氣化器E-1101氣化后在混合器M1101內(nèi)與氫氣快速混合，混合氣經(jīng)MF-1103過(guò)濾后進(jìn)入預(yù)熱器E-1102進(jìn)行預(yù)熱。設(shè)計(jì)氣化器、預(yù)熱器的最高溫度為300，間硝基甲苯氣化溫度為240，混合氣體的預(yù)熱溫度為235240。經(jīng)預(yù)熱后的混合氣體進(jìn)入反應(yīng)器R-1101后繼續(xù)升溫、與催化劑接觸并在其表面發(fā)生反應(yīng)。3.2.3 間甲苯胺精餾系統(tǒng) 間甲苯胺產(chǎn)品的精餾提純通過(guò)精餾塔T-1301來(lái)完成。T-1301為減壓蒸餾塔，設(shè)精餾和提餾兩段，均采用BX型高效低壓降絲網(wǎng)波紋填料，以提高塔的分離精度并降低塔的壓降。為減少塔釜產(chǎn)品溶液高溫停留時(shí)間，防止副反應(yīng)發(fā)生，設(shè)

20、計(jì)塔釜再沸器為一次通過(guò)式。由泵P-1202來(lái)的產(chǎn)品溶液送入中間罐V-1301再經(jīng)間甲苯胺塔進(jìn)料泵P-1301提壓，經(jīng)液位流量串級(jí)控制送入T-1301塔；因減壓而釋放出的氣體從塔中上部進(jìn)入。 從T-1301塔頂蒸出的餾份經(jīng)E-1302冷卻，液體靠位差自流至回流罐V-1302，不凝氣體接至尾氣吸收塔處理后排空。根據(jù)對(duì)T-1301塔頂餾份溫度的監(jiān)測(cè)，溫度在200。C以前的餾份經(jīng)E-1302冷卻至40左右，自流至回流罐V-1302后，靠位差直接放入前餾份儲(chǔ)罐V-1303；230餾份經(jīng)E-1302冷卻至50左右，自流至V-1302，經(jīng)回流泵P-1302提壓，一部分作為塔頂回流，其余在回流罐液位控制下送至

21、間甲苯胺產(chǎn)品儲(chǔ)罐V-1304。設(shè)計(jì)塔釜廢液中間甲苯胺含量低于0.1，經(jīng)塔底出料泵P-1304送至污水處理中心集中處理。3.3 操作條件與控制指標(biāo) 裝置各單元設(shè)計(jì)的主要操作條件和控制指標(biāo)匯總于表3.3.1。表3.3.1 間甲苯胺裝置反應(yīng)系統(tǒng)主要操作條件和控制指標(biāo)項(xiàng) 目單 位控制指標(biāo)間硝基甲苯進(jìn)料量mL/h240氫氣進(jìn)料量L/h410氮?dú)膺M(jìn)料量mL/h102.4R-1101催化劑加料量g/批800間甲苯胺流量kg/h0.21催化劑活化溫度235245反應(yīng)溫度265275反應(yīng)壓力MPa00.1反應(yīng)停留時(shí)間min2催化劑空速h-11.01.1間硝基甲苯轉(zhuǎn)化率%98.5間甲苯胺選擇性%99.0催化劑粒徑

22、m0.2E-1101出口溫度240E-1102出口溫度270R-1101內(nèi)恒溫區(qū)溫度270280R-1101進(jìn)口壓力MPa0.70.8R-1101出口壓力MPa0E-1103出口溫度7585E-1103出口壓力MPa0T-1201操作壓力MPa0T-1301液體進(jìn)料流量Kg/h0.21T-1301回流流量Kg/h0.1回流比m/m0.1T-1301操作壓力MPa0T-1301進(jìn)料溫度7585T-1301塔頂溫度205215T-1301進(jìn)料板溫度230240T-1301釜底溫度280290控制指標(biāo)：塔底出料間甲苯胺含量%wt0.1塔頂間甲苯胺餾份中水含量%wt0.05R-1101內(nèi)通高溫空氣活化

23、催化劑的頻率天/次35催化劑再生周期天1015催化劑再生量g/次800甲醇洗滌次數(shù)次34水洗次數(shù)次564 工藝計(jì)算 本章主要進(jìn)行了間甲苯胺生產(chǎn)精餾工序的物料衡算和能量衡算，從而得出了各主要設(shè)備進(jìn)出口物料量，以及各冷卻、加熱介質(zhì)用量。4.1 已知數(shù)據(jù)（1）年工作日：8000h（2）年生產(chǎn)能力：15噸間硝基甲苯轉(zhuǎn)化率：98.5%（質(zhì)量分率）合成質(zhì)量收率：98%（合成液質(zhì)量與原料液質(zhì)量之比）4.2 合成部分物料衡算物流號(hào)1：以間硝基甲苯液路中一段為衡算系統(tǒng)： 間硝基甲苯 液路一段 間硝基甲苯進(jìn)口溫度：25 出口溫度：25進(jìn)口壓力：1.0大氣壓 出口壓力：1.0大氣壓 系統(tǒng)體積流率：240ml/h 間

24、硝基甲苯摩爾流率：240ml/h x 1.16g/mol137g/mol=2.03mol/h 液態(tài)間硝基甲苯的標(biāo)準(zhǔn)焓流率(出口)= -31.5KJ/mol2.03mol/h= -63.9KJ/h 液態(tài)間硝基甲苯的標(biāo)準(zhǔn)焓流率(進(jìn)口)=0(基準(zhǔn)) 其中間硝基甲苯密度為1.16g/ml，摩爾質(zhì)量為137g/mol，進(jìn)樣量為240ml/h，25間硝基甲苯的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為-31.5KJ/mol。物流號(hào)2：以H2氣路中一段為衡算系統(tǒng)： H2 H2氣路中一段 H2 進(jìn)口溫度：25 出口溫度：25 進(jìn)口壓力：3.0大氣壓 出口壓力：3.0大氣壓 H2體積流率：6828ml/min60min=409680ml

25、/h H2摩爾流率：409680ml/h0.09g/ml2.0169/mol=l8.29mol/h 其中H2密度為0.099/ml，摩爾質(zhì)量為2.0169/mol，H2進(jìn)樣量為6828ml/min。物流號(hào)3：以汽化器為衡算系統(tǒng)； 間硝基甲苯 原料汽化器 間硝基甲苯 進(jìn)口溫度：240 出口溫度：240 進(jìn)口壓力：1大氣壓 出口壓力：1大氣壓 系統(tǒng)體積流率=間硝基甲苯體積流率 由氣體狀態(tài)方程PV=nRT， V=86581 ml/h 間硝基甲苯摩爾流量：240ml/h x1.16g/mol137g/mol=2.03mol/h 間硝基甲苯組分焓流量(出口)：2.03mol/h x11.83kcal/m

26、ol4.18J 63.9KJ/h=36.43KJ/h 其中間硝基甲苯密度為1.169/ml，摩爾質(zhì)量為137g/mol，標(biāo)準(zhǔn)摩爾汽化焓11.83kcal/mol，進(jìn)樣量為240ml/h，1cal=4.18J物流號(hào)4：以預(yù)熱器為衡算系統(tǒng)： 氣態(tài)間硝基甲苯 氣態(tài)間硝基甲苯 H2 原料預(yù)熱器 H2進(jìn)口溫度：270 出口溫度：270進(jìn)口壓力：1大氣壓 出口壓力：1大氣壓系統(tǒng)體積流率=間硝基甲苯體積流率+氫氣體積流率由等壓條件下，氣體狀態(tài)方程V1/V2=T1/T2間硝基甲苯體積流率：91644 ml/h氫氣體積流率：746494 ml/h系統(tǒng)體積流率：838138 ml/h問(wèn)硝基甲苯的摩爾流率：240m

27、l/h1.16g/mol137g/mol=2.03mo/hH2體積流率：6828ml/min60min=409680ml/hH2摩爾流率：409680ml/h0.099/ml+2.0169/mol=l8.29mol/h間硝基甲苯組分焓流率：2.03mol/h11.83kcal/mol4.18J一63.9KJ/h=36.43KJh其中間硝基甲苯密度為1.16g/ml，摩爾質(zhì)量為137g/mol，標(biāo)準(zhǔn)汽化焓11.83kcal/mol，進(jìn)樣量為240ml/h，1cal=4.18J，標(biāo)準(zhǔn)生成焓 -31.5KJ/mol。H2密度為0.09g/ml，摩爾質(zhì)量為2.016g/mol，H2進(jìn)樣量為6828ml

28、/min物流號(hào)5：以反應(yīng)器催化劑床層為衡算系統(tǒng)： 氣態(tài)間硝基甲苯 氣態(tài)間甲苯胺和氣態(tài)水 H2 催化劑床層 H2進(jìn)口溫度：270 出口溫度：270進(jìn)口壓力：1大氣壓 出口壓力：1大氣壓系統(tǒng)體積流率=氣態(tài)間甲苯胺體積流率+氫氣體積流率+氣態(tài)水體積流率。H2體積流率：746494 ml/h2/3=497664 ml/h 由氣體狀態(tài)方程PV=nRT氣態(tài)間甲苯胺體積流率：91644 ml/h氣態(tài)水體積流率：183188 ml/h系統(tǒng)體積流率：772596 ml/hH2摩爾流率：409680ml/h0.09g/ml2/32.016g/mol=l2.20mol/hH20摩爾流率：2.03mol/h2=4.0

29、6mol/h間甲苯胺摩爾流率：2.03mol/h氣態(tài)水焓流率：-241.82kJ/mol4.06mol/h= -981.8KJ/h氣態(tài)間甲苯胺焓流率：54.6kJ/mol2.03mol/h=110.84KJ/h其中H2密度為0.09g/ml，摩爾質(zhì)量為2.016g/mol，H2進(jìn)樣量為6828ml/min，氣態(tài)水標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為 -241.82kJ/mol，氣態(tài)間甲苯胺標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為54.6kJ/mol物流號(hào)6：以反應(yīng)器底部產(chǎn)物冷凝段為衡算系統(tǒng)氣態(tài)間甲苯胺和氣態(tài)水 液態(tài)間甲苯胺和液態(tài)水 H2 反應(yīng)器底部冷凝段 H2進(jìn)口溫度：270 出口溫度：25進(jìn)口壓力：1大氣壓 出口壓力：1大氣壓系統(tǒng)體積

30、流率氫氣體積流率H2體積流率：6828ml/min60min2/3=273120ml/hH2摩爾流率：409680ml/h0.09g/ml2/32.016g/mol=12.20mol/hH20摩爾流率：2.03mol/h2=4.06mol/h間甲苯胺摩爾流率：2.03mol/h液態(tài)水焓流率：-285.83KJ/mol4.06mol/h= -1160KJ/h氣態(tài)間甲苯胺焓流率：-8.1kJ/mol2.03mol/h= -16.4KJ/h其中H2密度為0.09g/ml，摩爾質(zhì)量為2.016g/mol，H2進(jìn)樣量為6828ml/min，液態(tài)水的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為-285.83KJ/mol，液態(tài)間甲苯胺的標(biāo)

31、準(zhǔn)生成焓為-8.1 KJ/mol。物流號(hào)7：以尾氣出1：3一段為衡算系統(tǒng): 氫氣 尾氣出口 氫氣 進(jìn)口溫度：25 出口溫度：25進(jìn)口壓力：1大氣壓 出口壓力：1大氣壓系統(tǒng)體積流率=氫氣體積流率H2體積流率：6828ml/min60min2/3=273120ml/hH2摩爾流率：409680ml/h x0.09g/ml2/3-2.0169/mol=12.20mol/h其中H2密度為0.09g/ml，摩爾質(zhì)量為2.016g/mol，H2進(jìn)樣量為6828ml/min物流號(hào)8：以產(chǎn)物儲(chǔ)存罐中一段為衡算系統(tǒng)： 液態(tài)間甲苯胺和液態(tài)水 產(chǎn)物儲(chǔ)存罐 液態(tài)間甲苯胺和液態(tài)水進(jìn)口溫度：25 出口溫度：25進(jìn)口壓力：

32、1大氣壓 出口壓力：1大氣壓系統(tǒng)體積流率：290.3mI/hH20摩爾流率：2.03mol/h x 2=4.06mol/h間甲苯胺摩爾流率：2.03mol/h液態(tài)水焓流率：-285.83KJ/mol4.06mol/h= -1160KJ/h氣態(tài)間甲苯胺焓流率：-8.1kJ/mol2.03mol/h= -16.4KJ/h其中間甲苯胺液態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為-8.1KJ/mol，液態(tài)水的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為 -285.83KJ/mol。5 設(shè)備計(jì)算5.1 反應(yīng)器類(lèi)型 固定床反應(yīng)器多用于大規(guī)模氣相反應(yīng)。參加反應(yīng)的物料以預(yù)定方向運(yùn)動(dòng)，各點(diǎn)的流體間沒(méi)有沿流動(dòng)方向的混合。在小試研究中，反應(yīng)器外徑25mm，內(nèi)徑15 m

33、m，總長(zhǎng)500mm。恒溫區(qū)催化劑填充體積5ml，現(xiàn)將恒溫區(qū)填充體積變?yōu)?40ml，同時(shí)為了保證中試放大產(chǎn)生的熱量能被導(dǎo)熱油迅速帶走，現(xiàn)選擇將內(nèi)外徑擴(kuò)大3倍，外徑75mm，內(nèi)徑45mm，恒溫區(qū)體積變化48倍的條件下，計(jì)算出反應(yīng)器長(zhǎng)度1.5m。由于反應(yīng)是放熱反應(yīng)，采用載熱體載管外流動(dòng)移走反應(yīng)熱，一般用低揮發(fā)性的聯(lián)苯或其氧化物作為載熱體，反應(yīng)器外設(shè)置載熱體冷卻器。5.2 汽化器選型 在小試研究中，汽化器外徑15mm，內(nèi)徑10mm，高度10cm。相對(duì)于反應(yīng)器恒溫區(qū)體積擴(kuò)大48倍，汽化器體積也應(yīng)擴(kuò)大48倍。現(xiàn)選擇將內(nèi)外徑擴(kuò)大4倍，外徑60mm，內(nèi)徑40mm，計(jì)算出汽化器高度30cm。5.3 預(yù)熱器選型

34、在小試研究中，預(yù)熱器外徑15mm，內(nèi)徑10mm，高度10cm。相對(duì)于反應(yīng)器恒溫區(qū)體積擴(kuò)大48倍，預(yù)熱器體積也應(yīng)擴(kuò)大48倍?，F(xiàn)選擇將內(nèi)外徑擴(kuò)大4倍，外徑60mm，內(nèi)徑40mm，計(jì)算出預(yù)熱器高度30cm。5.4 高壓計(jì)量泵 我們采用美國(guó)SSI公司I型高壓計(jì)量泵，量程9.99ml/min，精度0.35FS，完全滿(mǎn)足4ml/min的間硝基甲苯連續(xù)進(jìn)樣量。5.5 產(chǎn)品儲(chǔ)罐原料間硝基甲苯的連續(xù)進(jìn)樣量為240ml/h，。而產(chǎn)品的儲(chǔ)罐按照5.14千克/天的理論量，體積約為4890m1/h，現(xiàn)選擇產(chǎn)品的儲(chǔ)罐直徑20cm，計(jì)算出高度為15cm。表5.1 設(shè)備技術(shù)要求匯總設(shè)備類(lèi)型要求的技術(shù)指標(biāo)反應(yīng)器高度1.5m，外

35、徑75mm，內(nèi)徑45mm，常壓，耐腐蝕不銹鋼制造汽化器高度30cm，外徑60mm，內(nèi)徑40mm，常壓，耐腐蝕不銹鋼制造預(yù)熱器高度30cm，外徑60mm，內(nèi)徑40mm，常壓，耐腐蝕不銹鋼制造高壓計(jì)量泵美國(guó)SSI公司I型，量程9.99m1/min，精度0.35Fs產(chǎn)品儲(chǔ)罐高度lScm，直徑20cm，常壓，耐溫、耐腐蝕不銹鋼制造6 平面布置6.1 設(shè)備平面布置的原則本設(shè)計(jì)的車(chē)間設(shè)備布置設(shè)計(jì)就是確定各個(gè)設(shè)備在車(chē)間平面的位置，確定場(chǎng)地(指室外場(chǎng)地)與建筑物、構(gòu)筑物的尺寸。6.2 車(chē)間設(shè)備布置大體上應(yīng)考慮下列問(wèn)題（1）能夠或宜于露天布置的設(shè)備盡量布置在室外。生產(chǎn)中不需經(jīng)?？垂艿脑O(shè)備，輔助設(shè)備和受氣候影響較

36、小的設(shè)備(如吸附器、吸收塔、不凍液體貯罐、大型貯罐、廢熱鍋爐、氣柜等)一般都應(yīng)考慮在露天放置；需要大氣來(lái)調(diào)節(jié)溫度、濕度的設(shè)備如涼水塔、冷卻器等更宜于露天放置；但是，某些反應(yīng)器和使用冷凍劑的設(shè)備，它們受大氣溫度的影響，而生產(chǎn)工藝上又不允許有顯著的溫度變化，這類(lèi)設(shè)備就要考慮放在室內(nèi)，各種傳動(dòng)機(jī)械如氣體壓縮機(jī)、冷凍機(jī)、往復(fù)泵和儀表操作盤(pán)也應(yīng)布置在室內(nèi)。（2）生產(chǎn)工藝方面的要求。設(shè)備布置應(yīng)盡量使工藝流程順、工藝管線(xiàn)短、工人操作方便和安全，還要考慮使原料和成品有適當(dāng)?shù)倪\(yùn)輸通道。(3)要有合適的設(shè)備間距。合適的設(shè)備間距要考慮安全操作，安裝、維修的需要，也要考慮節(jié)省占地面積和投資，還要考慮設(shè)備與設(shè)備間、設(shè)備

37、與建筑物間的安全距離以及化工生產(chǎn)中防腐蝕要求等。 (4)設(shè)備的安裝、檢修方面的要求要考慮設(shè)備安裝、檢修和拆卸的可能性。要考慮設(shè)備如何運(yùn)入和運(yùn)出廠(chǎng)房。設(shè)備運(yùn)入或運(yùn)出廠(chǎng)房次數(shù)較多時(shí)宜設(shè)大門(mén)，若設(shè)備運(yùn)人后很少再需要整體搬出，則可設(shè)安裝孔，即在外墻預(yù)留洞口，待設(shè)備運(yùn)入后再行砌封。設(shè)備通過(guò)樓層或安裝在二樓以上時(shí)，可在樓板上設(shè)安裝孔，也可在廠(chǎng)房中央設(shè)吊車(chē)梁和吊車(chē)供設(shè)備起吊用。一般體積較大又比較固定的設(shè)備(例如室內(nèi)安裝的塔器)，可在樓層外墻上設(shè)置安裝孔，設(shè)備可在室外直接起吊，通過(guò)樓層外墻的安裝孔而進(jìn)入樓層。為了便于設(shè)備進(jìn)行經(jīng)常性的維修，廠(chǎng)房?jī)?nèi)應(yīng)保留進(jìn)行維修的面積和空間，包括設(shè)備維修時(shí)工人操作所需的位置和設(shè)備拆下的部件及材料存放的位置。在一組或一列設(shè)備中，安裝或維修其中某一設(shè)備時(shí)，應(yīng)不妨礙其余設(shè)備的正常使