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1、北京化工大学化学工程学院设计说明书“化工设计”课程作业题目：应用PROII软件设计苯酐的生产工艺过程学生：班级：学号：2010年月曰苯酐工艺设计说明书一、工艺流程说明.1、设计任务1.1设计任务试设计40000t/年邻苯；甲酸酎（苯酎）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% 1.2产品规格及用途苯酎，白色有光泽针状晶体或鳞片状固体。相对密度1.527,沸点284.5C，熔点131C，自 燃点570C，闪点（闭环）151.6C，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、氯仿和毗啶。有毒，
2、空气中最高允许浓度2X10-6 ；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.7%10.4%。苯酎目 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。我国的苯酎主要用来生 产邻苯二甲酸酯类增塑剂，耗用的苯酎约占苯酎总消费量的60%，染料和油漆占25%，不饱和 树脂及其他产品占15%左右。1.3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V2O5-TiO2系列负载型 催化剂。2. 生产方法及工艺流程2.1生产方法选择苯酎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
3、甲苯因其高产率、廉价和高选择性成为现代生产苯酎的首选原料，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。2.2工艺流程简述苯酎生产工艺系统包括氧化反应部分、冷凝水洗部分、苯酎精制部分。2.2.1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. 2. 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，苯酎粗品流到储罐中。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、
4、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。 2.2.3精制部分粗品苯酎经高压蒸汽预热后，进入第一精馏塔T101，顺酎及少量的苯甲酸作为塔顶馏出物而分 离出来，使苯酎得到进一步的提纯，塔底产物为苯酎。塔底苯酎进入第二个精馏塔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，苯酎从塔顶流出。二、具体过程计算，过程优化3. 1计算条件及基准产物反独出量蛰裁&!分煽号*HL平蹄常数（KJ表这式中的常敬怪羊二用般1F-LL -1-2, 1G. 3,61yA- -L B-3. C- D-32
5、耳St酸苗CtfJWF)* 5aCh 留? 4占Tg + LaKklhwJ-J/l, 一1.泌 l.P. 瞄 Ml1A- -2r E-15. C-S. D-23革甲会-1.12-5. ml1A-L E-3r C-2. D-lr E14甲里境脂联b】L S 3/6r Lfl- l-al1A-L E-3r C-2r D-l甲革甲旺-11, 一璀 F L6. Ll.31气A-L E-1, C-lr D-l涵靖革Hi+20： +2,(5 + X 皿岫 1-1J1.F 2-6, L141气A-L E-2r C-2P D-l7题略COh+ 21/203 SEijO * &CO2 + 45 73JJnno|
6、-11,S/6. &111气3. 1. 1体系所含组分本设计选用PRO II软件进行模拟计算，需完整定义体系所包含的所有组分，组分如下:1 二甲苯（OXYLENE）；8甲基琥珀酸酎（METHSUCAND）；2 氧气（02）9马来酸酎（MANH）；3 邻苯二甲酸酎（PHTHAND）； 10一氧化碳（C0）；4 氮气（N2）；11马来酸（MALEIC）；5氩气（AR）；6 水（H20）；7 苯甲酸（BENZOIC）；（其中忽略C02、苯欧、甲苯甲醛的副反应）3. 1. 2设定的输入条件S1流股情况S2流股情况物料输入温度：25C物料输入温度：25C入口压力：0.1013MPa入口压力：0.1013
7、MPa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：02，21%； N2，78.05%； C02，0.95% 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：ln K = A + BT + C ln K + DT + ET 2 + FT 3 + GT 4 + HT 53. 2. 2反应器参数反应床层温度：360380C；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
8、催化剂;空邻比：9.5:1；主要副产物：苯肽、顺酐、苯甲酸、柠康酐、二氧化碳。3. 3分离过程各塔的工作参数见表2。表2各塔的工作参数塔塔板数塔顶压力/kPa全塔压降/kPaT101461020T102441020T103290103. 4原材料和动力的消耗定额和消耗量原料和动力的消耗量见表3。表3原料和动力的消耗量序号 名称单耗/ （t/t）年耗量/t1邻二甲苯（96%）0.98392002催化剂0.00025103熔盐0.0015604水155电335kW, h/tkWh6空气11m3/tm33. 5计算结果通过模拟计算，得到总物料衡算列于表4,流程中每个流股的物料及能量衡算见表5。 表4
9、年产4万吨苯酐工艺的总物料衡算单位：t/h项目邻二甲 苯空气苯酐马来酸酐水残留物总计进料4.70044.650000049.350反应产物039.1655.2540.2952.5202.11649.350闪蒸出口（仅考虑液体部分）005.2200.2370.0410.2955.793苯酐粗品005.2200.2370.0410.2955.793苯酐产品005.214000.0035.2174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
10、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酎、副产品顺酎、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， 即一个顺酎分离塔和一个苯酎提纯塔来将三种物质分离。在根据排定塔序的推理法则，三组分中苯酎的流量最大，而且也最重，所以本设计中塔的分离 顺序如下图2所示。顺肝分离塔T1014-H#l 长荏黄天图2顺酎和苯酎分离顺序4. 2. 1塔压力的选择顺酎在常压下的沸点是202C，而苯酎的沸点是284.5C，在常压下精馏需要消耗大
11、量能量，不 经济。从图3和图4来看，压力越小，顺酎和苯酎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(23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。(1) 随进料板位置的变化，苯酎从塔顶流出的量呈线性关系，进料板位号增加，苯酎的损失量 趋于零。(2) 随进料板位号的增加，塔底顺酎的量出现最小值，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。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
12、时，探讨理论板数对分离效果的影响。模拟结果 如图3顺酊和苯醉的气液平衡曲线 (压力= 101. 3kPa)图4顺酎和苯酢的气液平衡曲线 (压力=30kPa)液相组分的摩尔分数I液相组分的摩尔分数塔T101的进料位置对分离效果的影响表6塔T101优化结果名称数值名称数值理论塔板数23回流比2.0最佳进料位置8H顺酐回收率/%99.96塔顶温度/c117苯酎损失/(km01/h)4.3X10-4塔底温度/c237冷凝器热负荷/(106kJ/h)0.450塔顶压力/kPa10再沸器热负荷/(106kJ/h)0.755塔底压力/kPa30塔顶采出量/(kmol/h)3.315表7塔T101各物流模拟优
13、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/c220237162.3压力/kPa101.33010总流率/(km01/h)39.60836.2933.315苯酎 /(km01/h)35.22734.9330.294顺酎 /(km01/h)2.3840.0012.383重组分/(kmol/h)1.9971.3590.638苯酎摩尔分数0.8890.9630，089顺酎摩尔分数0.06000.719重组分摩尔分数0.0510.0370.1924. 3苯酎回收塔T102操作条件确定T102的作用在于对苯酎产品进行提纯，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塔压力的选择苯酎在常压下的沸点是284.5C，故在常压下精馏，需要消耗大量能量，不经济。从分和经济 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。由图8可得到如下结论。苯If的量再沸器热负荷35.20835.20635.20435.20235.20035.19835.19635.194810121416182.810
