年產(chǎn)4萬噸鄰苯二甲酸酐的工藝設(shè)計

1概述1.1鄰苯二甲酸酐的生產(chǎn)工藝及設(shè)計意義[1]鄰苯二甲酸酐簡稱苯酐（PA）,是一種重要的有機原料,廣泛應(yīng)用于增塑劑、不飽和聚醋樹脂、醇酸樹脂、染料、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等行業(yè)。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[28]，2002年,全球生產(chǎn)能力約3900kt/a,其中上述個地區(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)仍將成為全球苯酐生產(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)引進一批大型裝置,在引進技術(shù)的消化吸收基礎(chǔ)上,我國的苯酐生產(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。苯酐工業(yè)化生產(chǎn)采用的是萘或鄰二甲苯（O-X）以及萘和鄰二甲苯混合原料的固定床氧化工藝和萘流化床氧化工藝（主要為SWB工藝）。萘流化床氧化工藝在國外已逐步淘汰,但在我國苯酐的生產(chǎn)中仍占有一定比例。目前,鄰二甲苯固定床氧化技術(shù)已占全球苯酐總生產(chǎn)能力的90%以上。1976年以前，國外苯酐生產(chǎn)工藝都采用每立方米鄰二甲苯進料濃度為0.04kg的工藝,為適用于高濃度鄰二甲苯原料氣,經(jīng)過15年進展增加到0.06-0.75kg工藝。一直到20世紀年代,開發(fā)成功0.1kg工藝。目前,掌握苯酐生產(chǎn)技術(shù)的專利商主要有BASF、Wacker/VonHeyden、ElfAtochem(Atofina)/日觸、Alusuisse(Lonza)等公司。我國苯酐工業(yè)生產(chǎn)始于20世紀50年代，90年代開始引進國外成套生產(chǎn)技術(shù)。生產(chǎn)方法主要有萘催化氧化法和鄰二甲苯氧化法兩種工藝路線[2]。在國內(nèi)80年代以前，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(xué)工業(yè)的發(fā)展，新建生產(chǎn)裝置，大都采用鄰二甲苯法。1.1.1萘氧化法萘氧化反應(yīng)發(fā)生在α位，在緩和條件下，萘氧化生成醌；在強烈條件下，萘氧化生成苯酐。此法以萘為原料，經(jīng)空氣催化氧化而得，其反應(yīng)式如下：此法有分為固定床法和流化床法兩種，所用催化劑是釩系催化劑。國內(nèi)主要采用流化床法，國外主要采用固定床法。流化床法工藝過程：首先用蒸汽將萘熔化為液體，再用泵打入內(nèi)裝有0402催化劑（VKSi系列的氧化爐底部，升溫至320-340℃，萘即被氣化并分布至整個床層；經(jīng)過濾凈化的空氣以6000m3/h的通入量，由鼓風(fēng)機送入反應(yīng)器底部，確保使催化劑處于流化狀態(tài)，萘在360-385℃的溫度范圍內(nèi)被空氣氧化生成苯酐氣體；含有苯酐氣體的空氣混合氣經(jīng)冷凝器、熱熔冷凝器冷卻，液體進入粗苯酐貯罐，所得粗苯酐經(jīng)蒸餾塔加熱、硫酸處理、碳酸鈉中和后，再經(jīng)真空精餾、冷凝、相分離、結(jié)晶、制片而得純苯酐成品，含量99.7%。苯酐尾氣中含有順丁烯二酸酐(順酐、MA)副產(chǎn)物，利用其溶于水的特性，在水洗塔內(nèi)用水循環(huán)吸收至一定濃度后，再用蒸發(fā)器進行真空提濃、真空蒸餾即可回收副產(chǎn)品順丁烯二酸酐，尾氣放空。一般生產(chǎn)1噸苯酐可回收50kg順丁烯二酸酐。1.1.2鄰二甲苯氧化法此法以鄰二甲苯為原料，在催化劑作用下，用空氣氧化鄰二甲苯制備苯酐，其反應(yīng)式如下：此外，副反應(yīng)生成苯甲酸、順丁烯二酸酐等。該反應(yīng)為強放熱反應(yīng)，因此選擇適宜的催化劑（高活性和高選擇性）和移出反應(yīng)熱以抑制深度氧化反應(yīng)，是工業(yè)過程的關(guān)鍵，該方法一般采用的是以五氧化二釩為主的釩系催化劑，由此而開發(fā)了多種不同的生產(chǎn)方法。1974年，開發(fā)成功了高負荷表面涂層的釩系催化劑，催化劑載體是惰性的無孔瓷球、剛玉球和碳化硅球等。近來，又選用環(huán)狀載體制備催化劑。這種新型催化劑可以減少因內(nèi)擴散引起的深度氧化反應(yīng)，從而提高了苯酐的收率、選擇性和催化劑的負荷。反應(yīng)器多采用列管式固定床。工業(yè)上由鄰二甲苯制苯酐主要有3條工藝路線，即固定床氣相氧化法、流化床氣相氧化法和固定床液相氧化法。其中固定床氣相氧化法根據(jù)采用的催化劑和反應(yīng)條件的不同，又分低溫低空速法、高溫高空速法和低溫高空速法。目前苯酐生產(chǎn)工藝中，主要采用低溫高空速法，以BASF法、VonHeyden法的應(yīng)用最為廣泛；其中Chauny法也被日益受到重視；其次是流化床氣相氧化法。新建工廠大都采用固定床低溫高空速法節(jié)能新工藝。國內(nèi)引進的鄰二甲苯法裝置，也都是采用BASF公司低溫高空速法。2002年全球苯酐主要生產(chǎn)能力分布為：北美667kt/a；南美254kt/a；西歐818kt/a；東歐370kt/a；中東90kt/a；非洲24kt/a；亞太地區(qū)2207kt/a。在未來幾年中,全球主要新建裝置將集中在亞洲,尤其是中國,其他地區(qū)隨著全球經(jīng)濟的復(fù)蘇,市場對苯酐的需求也將逐漸轉(zhuǎn)強,將使現(xiàn)有苯酐裝置的開工率逐步提高。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計,2002年全球苯酐消費量為2400kt/a,2003年消費量為2470kt/a，其用途比例為增塑劑56%,醇酸樹脂17%、不飽和聚醋17%,其他10%。預(yù)計今后幾年中,苯酐以需求年均增長率為2%-3%,其中亞太地區(qū)的需求增長率將達到5%-8%(中國年需求增長率為8%-10%),到2010年全球苯酐需求量將達到4260kt/a。目前我國的苯酐消費結(jié)構(gòu)為：鄰苯二甲酸酐類增塑劑占60%,醇酸樹脂占25%，不飽和聚酐占22%,其他產(chǎn)品占8%。據(jù)估算，2004年我國苯酐需求量為927kt/a，2005年將為1044kt/a,預(yù)計2005-2010年我國苯酐年均需求增長率將達到12.6%,到2010年我國苯酐需求量將達到1894kt/a。因此，本設(shè)計是以鄰二甲苯氧化的方法制取苯酐，并進行簡要的工藝設(shè)計與計算，以及初步簡單的設(shè)備選型，具有極其重要及深遠的意義。1.2鄰苯二甲酸酐的性質(zhì)1.2.1鄰苯二甲酸酐[2]鄰苯二甲酸酐，俗稱：苯酐、鈦酸酐、1,3-異苯并呋喃二酮，簡稱：PA，英文名稱：Phthalicanhydride、1,3-iso-Benzofurandione，分子式及分子量：C8H4O3=148.12，CAS號：[85-44-9]，結(jié)構(gòu)式：該品為白色粉末或磷片狀晶體固體，密度1.527g/ml(4℃固體)，1.208g/ml(140℃液體)。苯酐的爆炸極限為1.7-10.5%（體積），苯酐的閃點為152℃，熔點為131.1℃，自然點：570℃，沸點284.5℃?？諝庵泻斜紧蹓m可形成爆炸混合物，粉塵的爆炸極限15g/m3，易升華，稍熔于冷水，在熱水中可水解為鄰苯二甲酸，25℃時100g水中溶解0.62g苯酐。易溶于乙醇、苯和吡啶，微溶于乙醚；本品具有中等毒性，可引起哮喘。1.2.2鄰苯二甲酸酐的用途[2]苯酐屬芳香族羧酸，可代替鄰苯二甲酸使用。是一種重要的基本有機化工原料，用途十分廣泛，主要用于制造增塑劑、聚酯樹脂和醇酸樹脂。此外，還被大量可應(yīng)用于涂料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、糖精等工業(yè)中。我國苯酐最主要的用途是用來生產(chǎn)鄰苯二甲酸酯類增塑劑，如鄰苯二甲酸二辛酯（RI)、鄰苯二甲酸二丁酯（RC)、異辛酯、環(huán)己酯和混合酯等，該類增塑劑大量用于聚氯乙烯（SE）塑料制品的加工；其次是用于生產(chǎn)醇酸樹脂和氨基樹脂涂料；苯酐還可以用于不飽和聚酯的生產(chǎn)，在染料工業(yè)中用以合成蒽醌；在顏料生產(chǎn)中合成酞青蘭CK、酞菁藍CT、酞菁藍C等顏料；在醫(yī)藥工業(yè)中用于制備酚酞；在農(nóng)藥生產(chǎn)中用于亞胺磷等中間體的生產(chǎn)。1.2.3鄰苯二甲酸酐的質(zhì)量指標[3]（符合HG2-319-79執(zhí)行標準）表1.1鄰苯二甲酸酐的質(zhì)量指標質(zhì)量指標一等品合格品外觀熔融色度（色度號）熱穩(wěn)定色度（色度號）結(jié)晶點℃純度%游離酸含量%白色鱗片狀或結(jié)晶性粉末≤50≤150≥130.3≥99.5≤0.5白色鱗片狀或結(jié)晶性粉末≤100——≥130.0≥99.0≤0.51.2.4世界鄰苯二甲酸酐概況[4]鄰苯二甲酸酐(簡稱苯酐，PA)是一種重要的有機化工原料，廣泛用于合成增塑劑、醇酸樹脂和不飽和聚酯樹脂。近兩年來，隨著各地新增裝置的紛紛投產(chǎn)，除了我國市場仍存在供不應(yīng)求的狀況外，在全球范圍內(nèi)PA已出現(xiàn)供大于求的局面，致使PA的價格一直處于低位，PA生產(chǎn)商的利潤也在降低。不過隨著全球經(jīng)濟的復(fù)蘇，市場對PA的需求也在逐漸轉(zhuǎn)強，將使現(xiàn)有PA裝置的開工率逐漸提高，全球PA產(chǎn)業(yè)的前景開始樂觀[25]。(1)世界鄰苯二甲酸酐供需情況表1-2給出了2004年世界 PA的供應(yīng)和需求情況[27]表1.22004年全球鄰苯二甲酸酐供應(yīng)與需求據(jù)美國SRI咨詢公司的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2005年世界PA總生產(chǎn)能力約為550萬噸/年。2004年全球PA消費量達到381.5萬噸。PA最大的凈進口地區(qū)是東南亞地區(qū)；我國是全球最大的PA進口國，主要的進口地區(qū)位于東南沿海。而全球主要的PA出口地區(qū)包括比利時、日本、韓國和中國臺灣。歐洲、美國和東南亞(不包括日本)是PA最大的市場。各個地區(qū)對PA需求的增長不盡相同。盡管預(yù)計未來5年全球PA需求將以年均3.0%—3.5%的速率增長。但同期美國對PA需求的年均增長率僅為1.5%～2.0%,這主要是因其增塑劑產(chǎn)量下降所致。由于日本建筑業(yè)和改建筑業(yè)疲軟，預(yù)計PA的消費量在其所有應(yīng)用領(lǐng)域都將有所下降。而亞太地區(qū)將繼續(xù)引領(lǐng)全球PA市場快速增長，其年均增速將達到4.0%—4.5%，這是因自身使用和出口因素導(dǎo)致增塑劑和不飽和聚酯樹脂(UPR)產(chǎn)量的日益增加所致。此外，東南亞對PA的需求前景是樂觀的。但由于需求疲軟，再加上來自亞洲和歐洲進口量的增加，近年來北美增塑劑市場對PA的需求正在下滑，在未來一段時間內(nèi)，除了現(xiàn)有裝置的脫“瓶頸”改造以提升產(chǎn)能外，北美不可能新建PA裝置。由于存在對健康產(chǎn)生不利影響的懷疑，當(dāng)前歐盟正在對鄰苯二甲酸鹽類增塑劑進行詳細審查。因此歐洲市場對PA的需求非常疲軟,出現(xiàn)了供應(yīng)過剩的狀況，未來5年西歐PA市場的年均增長率僅為1%。歐洲這種供應(yīng)過剩的狀況已促使BASF公司計劃關(guān)停位于比利時Feluy的增塑劑和PA生產(chǎn)裝置[5][26]。因此相關(guān)產(chǎn)業(yè)不斷從北美和歐洲向亞洲,特別是向我國轉(zhuǎn)移。2004年P(guān)A最大的生產(chǎn)商BASF公司的生產(chǎn)能力僅占全球總生產(chǎn)能力的10%(如表1.3所示)。目前大部分的PA裝置都是采用BASF、Atofina或Lonza等公司專有的鄰二甲苯氣相氧化制PA技術(shù),使用五氧化釩催化劑,收率為每100kg的純鄰二甲苯生產(chǎn)110～112kgPA[1]。表1.32004年世界鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)能力排名（2）消費狀況2005年全球PA的需求量達到350～360萬噸/年,用于增塑劑占57%、醇酸樹脂占17%、不飽和樹脂占17%。增塑劑仍是世界PA消費的主體，其次是醇酸樹脂和UPR。增塑劑和UPR全球市場需求的增速非常快，因此對PA的需求也在快速增長。醇酸樹脂則主要用作溶劑型涂料的成膜材料,當(dāng)前溶劑型涂料正在被水性涂料所取代，因此這方面PA的用量正在下降。（3）生產(chǎn)預(yù)測未來幾年中,全球大部分新建項目將集中在亞洲地區(qū)，尤其是我國。而我國目前的絕大部分PA產(chǎn)能主要來自一些小型的裝置，隨著一批世界級規(guī)模PA裝置的建成，這些落后的小裝置都將關(guān)閉。2006年亞洲將有幾套PA裝置建成投產(chǎn)：BASF公司正計劃在中國南京附近建設(shè)一套100kt/a的PA裝置；新加坡大陸化工公司計劃在珠海建設(shè)一套80kt/a的PA裝置,預(yù)計在2006年建成投產(chǎn)；中國臺灣聯(lián)成化學(xué)公司計劃在廣東中山市新建一套40kt/a的PA裝置,該公司還將在江蘇鎮(zhèn)江建設(shè)一套60kt/a的PA裝置。巴西Elekeiroz公司稱將在SaoPAulo地區(qū)附近的聯(lián)合裝置中擴大PA生產(chǎn)能力,該公司于2005年將PA裝置從64kt/a增加到69kt/a。伊朗Esfahan石油化學(xué)公司與加拿大Bearing公司合作,計劃在伊朗Khuzerstan地區(qū)建一套40kt/a的PA裝置,預(yù)計在2006年投產(chǎn)。美國Continental化學(xué)公司將在新加坡JurongIsland新建一套80kt/a的PA裝置,預(yù)計在2007年投產(chǎn)。印度尼西亞和泰國也正計劃擴大PA產(chǎn)能。盡管整體經(jīng)濟情況仍將是未來對PA需求的最佳指示器,在未來5年期間還有可能影響PA市場的其他因素；有可能的環(huán)境法規(guī)對使用鄰苯二甲酸酯類增塑劑的控制；在不飽和聚酯樹脂中與來自二環(huán)戊二烯(DCPD)的競爭；使用粉末涂料和其他不消耗PA衍生樹脂的環(huán)境友好工藝的日益增加,這些都將可能對PA市場產(chǎn)生一定的影響。1.2.5我國鄰苯二甲酸酐的生產(chǎn)發(fā)展歷程[6] 我國從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)，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。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。1.3原料的性質(zhì)1.3.1鄰二甲苯[7]鄰二甲苯的性質(zhì)表1.4鄰二甲苯的性質(zhì)性質(zhì)名稱性質(zhì)參數(shù)分子式分子量密度凝固點沸點C6H4(CH3)2106.1690.884g/ml(20℃)(-25.18℃)144.4℃鄰二甲苯的規(guī)格表1.5鄰二甲苯的規(guī)格規(guī)格名稱規(guī)格參數(shù)o-x的含量二甲苯非芳烴及除二甲芳烴的芳烴含量苯乙烯的含量不揮發(fā)性的殘渣游離酸的含量色度≥95%≥99%≤1%≤500ppm≤20ppm≤0.4mgNaoH/100ml≤20APHA(Pt-Co色號）（3）鄰二甲苯的用途鄰二甲苯，英文簡寫為O-X，是生產(chǎn)苯酐（鄰苯二甲酸酐，PA）、染料、殺蟲劑等的化工原料。鄰二甲苯衍生物是鄰苯二甲醛，可用于制備鄰苯二甲酸酯增塑劑。其中鄰二甲苯90%左右用于生產(chǎn)苯酐。鄰二甲苯與苯酐之間的關(guān)系可謂息息相關(guān)，相互依存。（4）中國鄰二甲苯生產(chǎn)企業(yè)供應(yīng)狀況介紹中國鄰二甲苯主要生產(chǎn)企業(yè)為揚子石化、吉化、齊魯石化、鎮(zhèn)海、南煉、遼陽石化等。其中揚子石化的產(chǎn)量穩(wěn)居第一。（5）危險特性其蒸氣與空氣形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。與氧化劑能發(fā)生強烈反應(yīng)。其蒸氣比空氣重，能在較低處擴散到相當(dāng)遠的地方，遇火源引著回燃。若遇高熱，容器內(nèi)壓增大，有開裂和爆炸的危險。流速過快，容易產(chǎn)生和積聚靜電。滅火方法：泡沫、二氧化碳、干粉、砂土。用水滅火無效。（6）健康危害對皮膚、粘膜有刺激作用，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用；長期作用可影響肝、腎功能。急性中毒：病人有咳嗽、流沮、結(jié)膜充血等重癥者有幻覺、譫妄、神志不清等，有的有癔病樣發(fā)作。慢性中毒：病人有神經(jīng)衰弱綜合征的表現(xiàn)，女工有月經(jīng)異常，工人常發(fā)生皮膚干燥、皸裂、皮炎。（7）急救措施皮膚接觸：脫去污染的衣著，用肥皂水及清水徹底沖洗。眼睛接觸：立即提起眼瞼，用大量流動清水徹底沖洗。吸入：迅速脫離現(xiàn)場至空氣新鮮處。保持呼吸道通暢。呼吸困難時給輸氧。呼吸及心跳停止者立即進行人工呼吸和心臟按壓術(shù)。就醫(yī)。食入：給誤服者充分漱口、飲水，盡快洗胃。就醫(yī)。（8）防護措施呼吸系統(tǒng)防護：空氣中濃度超標時，佩帶防毒面具。緊急事態(tài)搶救或逃生時，建議佩帶自給式呼吸器。眼睛防護：高濃度蒸氣接觸可戴化學(xué)安全防護眼鏡。身體防護：穿相應(yīng)的防護服。手防護：戴防化學(xué)品手套。也可使用皮膚防護膜。其他防護：工作現(xiàn)場禁止吸煙、進食和飲水。工作后，淋浴更衣。保持良好的衛(wèi)生習(xí)慣。1.3.2進料空氣表1.6蘇南地區(qū)空氣平均組成組成mol%N276.434O220.573CO20.03H2O2.0507Ar0.913∑1001.3.3熔鹽混合物熔鹽是由硝酸鉀和亞硝酸鈉組成，組成的重量比59：41，混合物的熔點141℃，熔鹽的熱熔為CPr=0.34kcal/kg·℃,熔鹽的密度1826kg/m3。1.4本設(shè)計的主要任務(wù)和目標1.4.1設(shè)計的任務(wù)本課題產(chǎn)品為苯酐，生產(chǎn)規(guī)模：4萬噸/年，一年按300天計算。1.4.2設(shè)計的目標本課題對鄰苯二甲酸酐的生產(chǎn)進行工藝設(shè)計，物料衡算，熱量衡算，主要設(shè)備的設(shè)計和計算，繪制工藝流程圖及生產(chǎn)車間布置圖，設(shè)備的平面、立面布置圖。本課題工作量適中，具有一定的廣度和深度。1.4.3生產(chǎn)工藝條件反應(yīng)器：C101反應(yīng)壓力：0.03-0.05MPA反應(yīng)溫度：進口：160℃，出口：370℃，熱點溫度462.5℃，平均反應(yīng)溫度取430℃反應(yīng)器進口鄰二甲苯的含量：0.08kg/Nm3反應(yīng)器出口鄰二甲苯的含量：10ppm反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)：列管式固定床反應(yīng)器2工藝流程設(shè)計2.1工藝路線及其基本原理2.1.1工藝路線[8]按一定比列混合的空氣和鄰二甲苯混合氣體進入反應(yīng)器，在催化劑作用下，鄰二甲苯被氧化成苯酐和少量順酐和苯甲酸等，反應(yīng)熱有熔鹽傳熱至熔鹽冷卻器產(chǎn)生5.5-6.0MPA飽和蒸汽。反應(yīng)器出來的反應(yīng)氣體進入氣體冷卻器中，冷卻至170-175℃左右，同時產(chǎn)生5.5-6.0MPA飽和蒸汽，然后進入預(yù)冷卻器冷卻至136-145℃左右后進入切換冷卻器中，在時間程序控制下，氣體苯酐先凝華成固態(tài)，一定時間后又被熱熔成液態(tài)流入粗苯酐儲槽。由切換冷卻器尾氣管排出的尾氣經(jīng)尾氣洗滌塔三組洗滌后排至大氣，洗滌酸水外賣。粗苯酐經(jīng)過熱處理后送入輕組分塔，從塔頂產(chǎn)出輕組分，塔底物料進入產(chǎn)品塔，從塔頂產(chǎn)出純苯酐送入純苯酐罐，少量塔底殘液送入殘渣回收塔復(fù)蒸，回收苯酐送入產(chǎn)品塔。輕組分和重組分混合后外賣。液體苯酐用結(jié)片機結(jié)片后包裝出廠或直接液態(tài)外賣。2.1.2基本原理（1）催化劑床層溫度分布催化劑床層溫度分布隨催化劑床的深度而增大到最高溫度（熱點溫度），后即迅速下降，越接近鹽溫。較高的冷二甲苯/空氣混合比及低反應(yīng)器的流速，將使熱點溫度上升，其結(jié)果會使催化劑產(chǎn)生結(jié)燒現(xiàn)象，在長期高溫下操作，催化劑活性會降低。鹽溫是影響質(zhì)量和產(chǎn)率的重要因素，適當(dāng)?shù)柠}溫控制，可避免過氧化反應(yīng)的發(fā)生，一般而言，反應(yīng)后氣體中的苯酞含量為≤0.1%，若超過0.1%，將造成蒸餾操作困難，無法獲得質(zhì)量較純的苯酐。最佳的鹽溫，在開車后，可由產(chǎn)率、反應(yīng)物的分析結(jié)果、粗苯酐的質(zhì)量來決定鹽溫的適當(dāng)值。如果降低鹽溫時，催化劑床的熱點溫度會往下移動，是粗苯酐的質(zhì)量受到影響。特備注意的是，在調(diào)整催化劑操作條件是必須十分小心緩和，調(diào)整后的真正產(chǎn)率需要數(shù)天后才能測得。經(jīng)常性的停車，會造成鹽溫的大幅度的變化，而影響催化劑的結(jié)構(gòu)、孔度的大小、分布、表面、有效面積而影響產(chǎn)量和產(chǎn)率。經(jīng)常性的改變鹽溫，會使催化劑受損，實用壽命隨著縮短。在裝置正常運轉(zhuǎn)期間隨著催化劑的老化，反應(yīng)操作條件將會改變，以維持一個盡可能接近上述的氣體分析結(jié)果。（2）熔鹽溫度熔鹽溫度低則反應(yīng)器列管內(nèi)的熱點溫度降低、沿列管分布較長，這意味著不是一個反應(yīng)發(fā)生，而是有幾個反應(yīng)發(fā)生，該條件下的反應(yīng)產(chǎn)物幾乎都屬于亞氧化和過氧化物質(zhì)。當(dāng)亞氧化反應(yīng)占優(yōu)勢時，催化劑的選擇性將得不到充分利用。熔鹽溫度過高，將引起原料的過氧化反應(yīng)，反應(yīng)物中CO和CO2會增加，苯酐的含量降低；甚至?xí)鸫呋瘎Y(jié)，徹底損壞催化劑；長時間在高溫下操作將降低催化劑的活性和使用壽命?？傊埯}溫度應(yīng)保持在最佳數(shù)值，以確保最小的對氧化反應(yīng)從而保證較高的產(chǎn)品質(zhì)量。（3）空速空速與停留時間成反比，增加停留時間，轉(zhuǎn)換率也將增加，但是在達到某一確定的最大值后，轉(zhuǎn)化率將下降；停留時間減少即氣體流率高，反應(yīng)器列管內(nèi)的反應(yīng)熱點將下移，趨向于催化劑床層的中部，剩余的床層高度不足以將中間產(chǎn)品氧化成苯酐，在這種情況下為了獲得較純的產(chǎn)品，就必須升高熔鹽溫度。（4）原料純度原料純度低將直接影響到產(chǎn)品的純度和產(chǎn)量，同時在處理低純度的原料時熔鹽溫度將控制的比較高。另外某些雜質(zhì)，比如對位、間位二甲苯和異丙苯也能損害催化劑的活性；某些雜質(zhì)，如硫化物等，通過腐蝕和在列管內(nèi)結(jié)垢，從而對反應(yīng)器造成機械上的影響。（5）進料負荷進料負荷高，催化劑的熱負荷增加，必定會造成熔鹽溫度上升，所以負荷過高的影響與過高的熔鹽溫度造成的影響相同。負荷降低，必然伴隨著熔鹽溫度的下降，因為催化劑負荷降低產(chǎn)生的影響類似于減小空速所造成的影響。若負荷低的話，裝置運行成本增加，產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證。調(diào)整進料負荷時幅度一定要小，并且每次調(diào)節(jié)后，必須觀察一段時間，待反應(yīng)達到一個新的平衡，才可進行下一步的調(diào)整。2.2主要化學(xué)反應(yīng)[9]鄰二甲苯與空氣的氣態(tài)混合物在催化劑活性溫度下，在催化劑表面發(fā)生主反應(yīng)生成苯酐（鄰苯二甲酸酐），副反應(yīng)生成順酐、苯甲酸、檸糠酸等副產(chǎn)物，部分過氧化生成CO2、CO。主反應(yīng):副反應(yīng):2.3工藝流程敘述[10]2.3.1氧化工段將原料鄰二甲苯和空氣分別通過過熱蒸汽后預(yù)熱到160℃，混合后使得進料量為0.08kg/Nm3，進入反應(yīng)器。其反應(yīng)方程式如下：在反應(yīng)器C101中鄰二甲苯與空氣中的氧氣進行反應(yīng)，由于反應(yīng)是強放熱反應(yīng)，在反應(yīng)過程中用熔鹽將剩余熱量移走，并充分回收利用反應(yīng)熱量：一部分用于熔鹽鍋爐產(chǎn)生6MPA蒸汽，進入蒸汽管網(wǎng)，以便回收利用另一部分通過蒸汽過熱器，加熱蒸汽并帶動透平機做功。為了控制反應(yīng)器進出口反應(yīng)氣的溫度不變，同時保證熔鹽總循環(huán)量為10%左右，熔鹽溫度變化為6℃。2.3.2冷凝工段反應(yīng)器出來的氣體溫度約為370℃，經(jīng)過冷凝器冷凝換熱后，溫度降到165℃，進入切換冷凝器。為實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，因此采用四臺冷凝器一臺熱熔的操作方法。整個操作周期為210分鐘，平均每臺42分鐘。用導(dǎo)熱油進行冷卻和熱熔，共分三段進行，冷凝時間為168分鐘，熱熔35分鐘，重冷凝7分鐘，三段操作均有切換器自動控制。2.3.3處理工段被冷凝下來的粗PA進入粗PA儲槽B116，再進入預(yù)分解器，除去小分子物質(zhì)，使大分子物質(zhì)以及不穩(wěn)定的分子在一段時間后轉(zhuǎn)化成易除去的成分，為精制單元減輕負荷，同時也提高產(chǎn)品純度。不凝性氣體進入洗滌塔B115進行洗滌，回收順酐MA。洗滌產(chǎn)生的氣體排放到大氣中。2.3.4蒸餾工段主要設(shè)備為蒸餾塔K201和精餾塔K202，蒸餾塔和精餾塔中除去的主要成分為順酐MA，苯甲酸BAC，CA以及苯酚等，其除去的總含量為進料量的1%左右。由預(yù)分解器B221A/B出來的PA經(jīng)泵送入蒸餾塔K201第14塊塔板。蒸餾塔K201塔釜餾出物送入精餾塔K202，純度比較高的PA產(chǎn)品從精餾塔塔頂采出，精餾塔塔釜產(chǎn)物送回B221A。蒸餾塔K201塔頂輕組分部分送入B201待處理。2.4生產(chǎn)控制說明及控制項目用能標準和節(jié)能規(guī)范能源供應(yīng)狀況能源消耗狀況能源消耗指標分析節(jié)能措施和效果分析2.5工業(yè)安全[14]鄰二甲苯空氣氧化制備苯酐工藝中，各個工段屬于易燃易爆裝置。此外鄰二甲苯的爆炸極限為0.44kg/Nm3，本裝置設(shè)計0.08kg工藝，因此生產(chǎn)單位必須在生產(chǎn)過程中嚴格遵守以下若干安全生產(chǎn)的規(guī)定和要求。在現(xiàn)場的操作人員必須遵守工藝技術(shù)規(guī)程、安全技術(shù)規(guī)程、崗位操作法以及工廠各項安全生產(chǎn)規(guī)定，嚴禁違章操作。安全生產(chǎn)有關(guān)規(guī)定具體如下：(1)本裝置生產(chǎn)過程中，必須嚴格遵守中國石油化工十大安全禁令的有關(guān)規(guī)定。(2)首次開車或者再次開車，結(jié)片以及投料負荷的增加必須嚴格按照工藝規(guī)定進行，不得私自增加結(jié)片和投料負荷。(3)在實踐生產(chǎn)過程中，苯酐生產(chǎn)工段以及精制工段的設(shè)備、管線必須保持密封，堅決杜絕物料跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象發(fā)生，以免發(fā)生燙傷、中毒等安全事故。各個設(shè)備管線必須做到保溫良好，發(fā)現(xiàn)有泄露情況時，必須及時處理并上報。（4)為防止靜電、防止雷擊等危險，本裝置各設(shè)備必須有良好的接地，在生產(chǎn)過程中不得使用鐵器等金屬敲打設(shè)備，以免出現(xiàn)危險事故。（5）由于本裝置的產(chǎn)品苯酐對眼、鼻、喉和皮膚有刺激作用；因此對于沾染上苯酐的衣物，鞋子、手套等要立即脫下，以免造成化學(xué)灼傷。脫去污染的衣著，立即用水沖洗至少15分鐘。吸入、食入或皮膚接觸該物質(zhì)可引起遲發(fā)反應(yīng)。確保醫(yī)務(wù)人員了解該物質(zhì)相關(guān)的個體防護知識，注意自身防護。(6)眼睛接觸到苯酐時，立即提起眼瞼，用流動清水或生理鹽水沖洗至少15分鐘。不慎吸入時，務(wù)必迅速脫離現(xiàn)場至空氣新鮮處，保持呼吸道通暢；必要時進行人工呼吸、就醫(yī)；如果呼吸困難，給予吸氧。如果患者食入或吸入該物質(zhì)不要用口對口進行人工呼吸，可用單向閥小型呼吸器或其他適當(dāng)?shù)尼t(yī)療呼吸器。如有誤食情況，誤服者立即漱口，給飲牛奶或蛋清，并及時就醫(yī)。(7)由于苯酐具有刺激性，在處理苯酐粉末時，請務(wù)必戴上專用防毒面具、橡膠手套，并穿好專用防護服。(8)進入容器、儲槽等設(shè)備進行檢查、清洗時，必須嚴格辦理進入許可證和操作證，穿戴好工作服，有良好的通風(fēng)條件，良好的呼吸設(shè)備、安全帶等。進入容器、儲槽等設(shè)備時，必須有人監(jiān)護，否則任何人不得進入設(shè)備進行操作。(9)操作管理人員在工作期間一律按照要求戴安全帽和防護眼鏡，穿工作服和防扎鞋等，穿戴不符合安全生產(chǎn)要求的人員不得上崗操作。(10)本裝置操作人員工作期間不得擅自離開工作崗位，非本裝置崗位的操作人員不得私自進行操作，一旦發(fā)現(xiàn)必將按照相關(guān)規(guī)定嚴肅處理。(11)嚴格執(zhí)行交接班制度，如下一班操作人員未能按時上崗，當(dāng)班人員不得離開崗位，并得聽從下一班班長的指揮，違章離崗者按照遵守勞動紀律處理，因擅離崗位而引發(fā)事故者，將追究其責(zé)任，嚴肅處理。(12)嚴格執(zhí)行崗位責(zé)任制、交接班制度、巡回檢查制度等，確保裝置連續(xù)安全生產(chǎn)。(13)嚴格執(zhí)行班組十項制度，做到安全生產(chǎn)、文明生產(chǎn)。(14)為保證安全生產(chǎn)，操作人員有權(quán)拒絕各種危害裝置安全運行的錯誤指令，并及時向上級部門匯報，堅持正確、安全的操作。(15)操作人員必須熟悉本崗位的安全消防設(shè)施的使用和維護，并經(jīng)常檢查，確保能正常使用。2.6車間定員表2.1車間定員安排表崗位名稱人員安排備注車間主任車間副主任車間副主任車間副主任工藝技術(shù)員操作工設(shè)備維修工儀表工總計1人1人1人1人1人25人5人5人40人總體負責(zé)生產(chǎn)，確保安全生產(chǎn)；主要負責(zé)技術(shù)；主要負責(zé)生產(chǎn)；主要負責(zé)安全、管理；主要負責(zé)技術(shù)支持、技術(shù)改進等；五班三倒，每班5人；五班三倒，每班1人；五班三倒，每班1人；3工藝計算3.1全車間物料衡算3.1.1原料進料量的計算由生產(chǎn)規(guī)模：4萬噸/年，一年按300天計算可知鄰苯二甲酸酐的產(chǎn)量為：=5555.56kg/h鄰二甲苯在空氣中氧化制苯酐的反應(yīng)方程式：主反應(yīng):106.1796148.11540.85×xx5555.56x=可知純鄰二甲苯的消耗量為：x=4685.18kg/h原料中鄰二甲苯含量為95%，假設(shè)原料中含二甲苯5%，為方便設(shè)計計算，假設(shè)原料中5%的二甲苯不參加反應(yīng)，原料中均為二甲苯，摩爾質(zhì)量取106.17kg/kmol，則原料鄰二甲苯的消耗量為：=4931.77kg/h∵鄰二甲苯投料量為0.08kg/Nm3；∴Qair==58564.75Nm3//h∴Fair==2614.50kmol/h則鄰二甲苯的流量Fo-x==44.13kmol/h原料混合物進料量FYL==46.45kmol/h3.1.2進反應(yīng)器的混合物組成空氣的平均分子量為28.80kg/kmol；根據(jù)物料衡算計算可知，鄰二甲苯進料摩爾流量為44.13kmol/h，空氣進料流量為2614.50kmol/h；原料與空氣混合后進反應(yīng)器的混合物組成組分及含量如下表所示：表3.1原料與空氣混合后進反應(yīng)器的混合物組成組分及含量反應(yīng)器進口混合物組成組成成分N2O2CO2H2OArOX總量摩爾流量(kmol/h)1998.367537.8810.784453.61623.87044.132658.65摩爾分數(shù)75.165%20.231%0.030%2.016%0.0898%1.660%1003.1.3出反應(yīng)器的混合物組成鄰二甲苯在空氣中氧化制苯酐的反應(yīng)方程式：主反應(yīng):106.1796148.1154X15555.56X2=∴X1=3600.93kg/h=∴X2=2025.52kg/h副反應(yīng):(1)C8H10+7.5O2C4H2O3+4CO2+4H2O106.1724098.06176724.5%×4685.18X3X4X5X6=∴X3=476.59kg/h=∴X4=194.73kg/h=∴X5=349.50kg/h=∴X6=142.98kg/h(2)C8H10+10.5O28CO2+5H2O10645%×4685.18X7X8X9=∴X7=363.27kg/h=∴X8=380.57kg/h=∴X9=97.30kg/h(3)C8H10＋6.5O28CO+5H2O10645%×4685.18X10X11X12=∴X10=683.82kg/h=∴X11=736.43kg/h=∴X12=295.89kg/h(4)C8H10＋3O2C7H6O2+CO2+2H2O106.179612244360.6%×4685.18X13X14X15X16=∴X13=25.42kg/h=∴X14=32.30kg/h=∴X15=11.65kg/h=∴X16=9.53kg/h綜上所述：N2=1998.367kmol/hO2=537.881×32－(3600.93＋476.59＋363.27＋683.82＋27.40)=12060.18kg/hCO2=34.514＋349.50＋380.57＋12.56=777.14kg/hH2O=965.088＋2025.52＋142.98＋97.30＋295.89＋10.28=3537.06kg/hCO=736.43kg/hC4H2O3=194.73kg/hC7H6O2=34.82kg/h3.1.4物料衡算表表3.2物料衡算表進料出料組分名稱摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)質(zhì)量流量(kg/h)質(zhì)量分數(shù)摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)質(zhì)量流量(kg/h)質(zhì)量分數(shù)N21998.36775.16555954.27670.1131998.36774.58455954.27670.114H2O53.6162.017965.0881.209196.5037.3333537.064.432CO20.78440.029534.5140.043217.6620.659777.140.974CO0.0000.0000.0000.00026.3010.982736.430.923Ar23.8700.898954.801.19623.8700.891954.801.196O2537.88120.23117212.19221.568376.88014.06612060.1815.112O-X44.131.6604685.185.8710.0000.0000.0000.000苯酐0.0000.0000.0000.00037.511.4005555.566.961順酐0.0000.0000.0000.0001.9860.0741194.730.244苯甲酸0.0000.0000.0000.0000.2850.010634.820.0436Σ2658.64810079806.051002679.36410079805.001003.2熱量衡算[17]化學(xué)工程過程的熱量恒算一般可以用下式表示：式中—所處理的物料帶到設(shè)備中去的熱量；—由加熱劑（或冷卻劑）傳給設(shè)備和所處理的物料熱量；—過程的熱效應(yīng)；—反應(yīng)產(chǎn)物由設(shè)備中帶出的熱量；—消耗在加熱設(shè)備各個部件上的熱量；—設(shè)備向四周散失的熱量。3.2.1所處理的物料帶到設(shè)備中去的熱量所處理的物料帶到設(shè)備中去的熱量可用公式·c·t計算，式中—物料的重量（kg）；—物料的比熱容（kJ/kg·℃）；—物料的溫度（℃）。原料從常溫加熱到160℃。由于催化劑量相對于主原料量太小，故不計催化劑熱量。Q1o-x=4685.18×0.4156×160=311545.73kcal/h=7.060kcal/molQ1空氣=2614.50×28.80×0.2388×160=2876970.701kcal/h=1.100kcal/molQ1=Q1o-x＋Q1空氣=7.060＋1.100=8.16kcal/mol3.2.2過程的熱效應(yīng)：表3.3各物質(zhì)的標準摩爾生成焓(ΔHf,298K)物質(zhì)QUOTEΔHf,298K(kcal/mol)鄰二甲苯苯酐順酐COCO2H2OO24.5-88.8-112.34-26.42-94.05-57.800.0表3.4各物質(zhì)的恒壓摩爾熱容(Cp)物質(zhì)ABCDC8H10O2C8H4O3H2OCOCO2MAN2-3.7686.713-1.0647.7017.3734.728-3.1236.9611.424×10-1-0.879×10-61.562×10-14.595×10-4-0.307×10-21.754×10-28.323×10-2-1.139×10-3-8.224×10-54.17×10-6-1.023×10-42.521×10-66.622×10-6-1.338×10-5-5.217×10-53.307×10-61.798×10-8-2.544×10-92.411×10-8-0.859×10-9-3.307×10-94.097×10-91.156×10-8-1.146×10-9主反應(yīng)：C8H10+3O2QUOTEC8H4O3+3H2OQUOTEΔHf,298KQUOTE4.50.0 88.8-57.80=-88.8－57.80×3－4.5－3×0.0=-266.74kcal/molQUOTEΔA=ΣγBAB=-1.064＋3×7.701＋3.768－3×6.713=5.668同理可得：QUOTEΔB=ΣγBBB=0.01518ΔC=ΣγBCB=-2.501×10-5ΔD=ΣγBDB=1.1185×10-8=5.668＋0.01518T－2.501×10-5T2＋1.1185×10-8T3該反應(yīng)器的定性溫度為430℃，即703K。其中：=[5.668T＋－＋]QUOTE=3.3577kcal/mol副反應(yīng)：(1)C8H10+7.5O2QUOTEC4H2O3+4CO2+4H2OQUOTEQUOTEΔHf,298K4.50.0-112.43-94.05-57.80=-112.43－94.05×4－57.80×4－4.5－0.0×7.5=-724.33kcal/molQUOTEΔA=ΣγBAB=-3.123＋4×4.428＋4×7.701＋3.768－7.5×6.713=-1.1865同理可得：QUOTEΔB=ΣγBBB=0.01283ΔC=ΣγBCB=-4.464×10-5ΔD=ΣγBDB=2.561×10-8=-1.1865＋0.01283T－3.261×10-4T2＋2.561×10-8T3QUOTE該反應(yīng)器的定性溫度為430℃，即703K。其中：(-1.1865＋0.01283T－3.261×10-4T2＋2.561×10-8T3)dT=[-1.1865T＋＋－＋]=-1.143kcal/mol=-724.24－1.143=-725.383kcal/mol(2)C8H10+10.5O2QUOTE8CO2+5H2OQUOTEQUOTEQUOTEΔHf,298K4.50.0-94.05-57.80=-94.05×8－57.80×5－4.5－10.5×0.0=-1045.9kcal/mol同理可得：QUOTEΔA=ΣγBABQUOTE=9.6105QUOTEΔB=ΣγBBB=2.267×10-4ΔC=ΣγBCB=5.747×10-5ΔD=ΣγBDB=2.776×10-7=9.6105＋2.267×10-4T＋5.747×10-5T2＋2.776×10-7T3該反應(yīng)器的定性溫度為430℃，即703K。其中：（9.6105＋2.267×10-4T＋5.747×10-5T2＋2.776×10-7T3）dT=[9.6105T＋＋＋]=26.4900kcal/mol=-1045.9＋26.4900=-1019.41kcal/mol(3)C8H10+6.5O28CO+5H2OQUOTEQUOTEQUOTEQUOTEΔHf,298K4.50.0-26.42-57.80=8×-26.42－5×57.80－4.5－6.5×0.0=-504.86kcal/mol同理可得：QUOTEΔA=ΣγBABQUOTE=57.6225QUOTEΔB=ΣγBBB=-0.1647ΔC=ΣγBCB=1.2072×10-4ΔD=ΣγBDB=-3.2195×10-8=57.6225－0.1647T＋1.2072×10-4T2－3.2195×10-8T3該反應(yīng)器的定性溫度為430℃，即703K。其中：（57.6225－0.1647T＋1.2072×10-4T2－3.2195×10-8T3）dT=[57.6225T－＋－]=-10.8525kcal/mol=-504.86＋10.8525=-515.71kcal/mol綜上所述：主反應(yīng)：ΔHr,m=-263.38kcal/molQUOTE副反應(yīng)：ΔHr1,mQUOTE=-725.383kcal/molΔHr2,m=-1019.41kcal/molΔHr3,m=-515.71kcal/molPA+MA+CO＋CO2＋HPA+MA+CO＋CO2＋H2O=430℃,=0.1MPaO-X+空氣=430℃,=0.1MPaPA+MA+CO＋CO2＋HPA+MA+CO＋CO2＋H2O=25℃,=0.1MPaO-X+空氣=25℃,=0.1MPa在溫度T=430℃，壓力=0.1MPA下，處于混合狀態(tài)的反應(yīng)物完全反應(yīng)生成處于混合狀態(tài)下的產(chǎn)物的摩爾反應(yīng)焓為:反應(yīng)熱=-（）=-（263.38＋725.383＋1019.41＋15.71）=2523.883kcal/mol3.2.3反應(yīng)產(chǎn)物由設(shè)備中帶出的熱量反應(yīng)產(chǎn)物由設(shè)備中帶出的熱量可用公式·c·t計算，式中—物料的重量（kJ）；—物料的比熱容（kJ/kg·℃）；—物料的溫度（℃）。在反應(yīng)釜中，產(chǎn)物在370℃的條件下離開反應(yīng)釜。由于催化劑量相對于主原料量太小，故不計催化劑熱量。(PA)=5555.56×0.2627×643=938423.5285kcal/h=25.018kcal/mol(順酐)=194.73×0.24×370=17292.024kcal/h=8.707kcal/mol(CO2)=777.14×0.24×370=69010.032kcal/h=3.907kcal/mol(CO)=736.43×1.047×643=495780.141kcal/h=18.850kcal/mol(H2O)=3537.06×0.47×370=615094.734kcal/h=3.130kcal/mol(O2)=12060.18×0.941×643=7297168.691kcal/h=19.362kcal/mol(苯甲酸)=34.82×0.24×370=3092.016kcal/h=10.849kcal/mol(N2)=55954.276×1.044×643=37561657.84kcal/h=18.796kcal/mol=Σ=108.619kcal/mol3.2.4設(shè)備向四周散失的熱量=(＋)×5%=（8.16＋2523.883)×5%=126.602kcal/mol3.2.5消耗在加熱設(shè)備各個部件上的熱量=＋＋－－=8.16＋2523.883－108.619－126.602=2296.822kcal/mol表3.5反應(yīng)器熱量衡算表進入的熱量kcal/mol輸出的熱量kcal/mol8.16108.6192523.8832296.822126.602Σ2532.0432532.0434部分設(shè)備的選型及計算[18]4.1反應(yīng)器[20]表4.1反應(yīng)器設(shè)計依據(jù)規(guī)格名稱參數(shù)反應(yīng)器反應(yīng)壓力(MPA)C1010.03-0.05反應(yīng)溫度進口溫度(℃)出口溫度(℃)熱點溫度(℃)平均反應(yīng)溫度(℃)160370462.5430反應(yīng)器進口鄰二甲苯含量反應(yīng)器出口鄰二甲苯含量反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式反應(yīng)器列管規(guī)格測溫管規(guī)格催化劑80g/Nm310ppm列管式固定床反應(yīng)器ф30×2.5mm；L=3400mmф35×2.5mm；L=3400mmф8×1.5mm；h=6mm拉西環(huán)1、測溫管中心裝有ф10mm熱電偶套管，內(nèi)裝有24點熱電偶。2、涂有催化劑的拉西環(huán)根據(jù)BASF公司為參照，裝填高度為H=2800mm，列管中堆積密度為870kg/m3，測溫管中堆積密度為800kg/m3。上段催化劑B裝填高度：H1=1200mm，下段催化劑A裝填高度：H2=1600mm。反應(yīng)所需要的列管數(shù)：已知單管處理的物料流量為4.5Nm3/hQUOTE==13235根列管以正三角形排列，截面管中心間距為38mm；反應(yīng)器內(nèi)部列管數(shù)：n=13354根；所需催化劑用量：列管中：W1=n1·πd2·l·p（其中，列管中催化劑堆積密度為p=870kg/m3QUOTE）=(13354－6）×0.25π×（25×10-3)2×2.8×870=15961.12kg測溫管中：W2=n2·πd2·l·p（其中，測溫管中催化劑堆積密度為QUOTEp=800kg/m）=6×0.25π×(0.0292－0.0102)×2.8×800=7.82kgQUOTE∴催化劑用量為W=W1＋W2QUOTE=15961.12＋7.82=15968.94kg反應(yīng)器內(nèi)徑Di：計算公式：Di=t(nC-1)+2b式中：Di——反應(yīng)器內(nèi)徑，mm；t——管中心間距，t=38mm；b——最外層管中心至殼璧邊緣處距離，b=1.5d0；nC——位于管中心線上管數(shù)；∴Di=t(nc－1)＋2b=38×(161－1)＋2×1.5×306170mm∴反應(yīng)器殼體內(nèi)徑圓整為6200mm。4.2熔鹽鍋爐（熔鹽冷卻器）計算依據(jù)：=2.109×107kcal/hQUOTE由于氣體的流速較快，因此氣體溫升所吸收的熱量可以忽略。故反應(yīng)所放出的熱量全部由熔鹽移走。∴熔鹽需要移走的熱量Q=(-ΔHr)=2.109×107kcal/hQUOTE表4.2熔鹽鍋爐設(shè)計依據(jù)名稱參數(shù)蒸汽壓力(MPA)進口水溫(℃)出口汽體溫度(℃)進口熔鹽溫度(℃)出口熔鹽溫度(℃)6235274.3373310設(shè)計選型：熔鹽鍋爐中水和熔鹽流動方式為并流，熔鹽鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計計算如下：熔鹽鍋爐進口溫差：ΔT1=373-235=138℃熔鹽鍋爐出口溫差：ΔT2=310-274.3=35.7℃則對數(shù)平均溫差為：取傳熱系數(shù)K=1350kcal/m2?h?℃，溫度校正系數(shù)Ft=0.9根據(jù)傳熱速率方程Q=A·K·F·ΔTm,可計算換熱面積A：選擇列管式固定管板換熱器[19]，列管為不銹鋼鋼管，具體尺寸如下表所示：表4.3熔鹽鍋爐換熱器選型結(jié)果公稱直徑Dg(mm)公稱壓力(MPA)換熱面積(m2)管長(mm)換熱管尺寸(mm)管程數(shù)管數(shù)3256.426.46000ф25×2mm1578004.0204.76000ф25×2mm4442公稱壓力為6.4MPA，滿足工藝要求；若選用公稱直徑為325mm的換熱器，換熱面積只有26.4m2，根據(jù)換熱要求需要204m2，需要八臺公稱直徑為325mm的換熱器并聯(lián)才能滿足要求。若選用公稱直徑為800mm的換熱器，雖然換熱面積204.7m2能滿足要求，但是公稱壓力只有4.0MPA，不能滿足工藝要求。因此選用國外設(shè)備，設(shè)備尺寸為ф1172×38×10147mm，選用列管尺寸為ф30×2.5×5200mm，列管數(shù)目為444根。4.3蒸汽過熱器設(shè)計依據(jù)：蒸汽過熱器帶走的熱量已知：進氣溫度：274.3℃，此時焓值為665.5kcal/kg。出氣溫度：338℃，此時焓值為719.1kcal/kg?！噙^程焓變?yōu)椋?19.1－666.5=53.6kcal/kg當(dāng)空氣的處理量為58564.75Nm3/h時，所需蒸汽的量為8.3134t/h，所以蒸汽過熱器的吸熱速率可求得：表4.4蒸汽過熱器設(shè)計依據(jù)溫度名稱參數(shù)蒸汽進口溫度(℃)蒸汽出口溫度(℃)熔鹽進口溫度(℃)熔鹽出口溫度(℃)274.3338385360設(shè)計選型：蒸汽過熱器中蒸汽和熔鹽流動方式為逆流，蒸汽過熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計計算如下：蒸汽過熱器進口溫差：ΔT1=385-338=47℃蒸汽過熱器出口溫差：ΔT2=360-274.3=85.7℃ 則對數(shù)平均溫差為：傳熱系數(shù)K=250-390kcal/m2?h?℃[19]取K=320kcal/m2?h?℃根據(jù)傳熱速率方程QUOTEQ=A·K·F·ΔTm，可計算換熱面積A：根據(jù)換熱面積選擇列管式固定管板換熱器[19]，列管為不銹鋼鋼管，具體尺寸如下表所示：表4.5蒸汽過熱器選型結(jié)果公稱直徑Dg(mm)公稱壓力(MPA)換熱面積(m2)管長(mm)換熱管尺寸(mm)管程數(shù)管數(shù)3256.426.46000ф25×2mm157選用進口設(shè)備，設(shè)備尺寸為：ф2985×6.3×6200mm，換熱面積A=23m24.4切換冷凝器由于五臺切換冷凝器切換運行，四臺冷凝一臺熔化，因此為確保滿足工藝要求，冷凝器設(shè)計選型要考慮冷凝階段和熔化階段。根據(jù)計算每臺切換冷凝器需移走的熱量為1.2665×106kcal/h。QUOTE冷凝階段：表4.6切換冷凝器設(shè)計依據(jù)名稱參數(shù)氣體進口溫度(°C)氣體出口溫度(°C)冷油進口溫度(°C)冷油出口溫度(°C)換熱量Q(kcal/h)1656050601.2602×106切換冷凝器中產(chǎn)物氣體和冷油流動方式為并流，切換冷凝器設(shè)計計算如下：切換冷凝器進口溫差：ΔT1=165－50=115℃切換冷凝器出口溫差：ΔT2=60－60=0℃則對數(shù)平均溫差為：溫度校正系數(shù)F=0.9，管殼式冷凝器傳熱系數(shù)K=100-150kcal/m2?h?℃，但是本課題中苯酐由于凝華現(xiàn)象，在管外翅片上苯酐蒸汽變?yōu)楣腆w，傳熱系數(shù)相對較小，取傳熱系數(shù)K=10kcal/m2?h?℃根據(jù)傳熱速率方程QUOTEQUOTEQ=A·K·F·ΔTm，可計算換熱面積A：因此，可知管殼式換熱器需要換熱面積為1218m2；4.5油冷卻器設(shè)計依據(jù)：當(dāng)處于熱容階段時，PA由60℃(平均溫度)升高到131.1℃，則需吸收熱量為：苯酐熔化（固體變成液體）的熔化熱為：38kcal/kg=5628kcal/kmol,則苯酐熔化需吸收的熱量為：Qr=×5628×=3.750×105kcal/h熔化的PA由60℃升高到131.1℃，則需吸收熱量為：假設(shè)CP=0.6kcal/kg·℃，苯酐分子量為148.11）∴熱油放出的熱量（即PA熱熔所吸收的熱量）為：表4.7油冷卻器設(shè)計依據(jù)名稱參數(shù)水進口溫度(℃)水出口溫度(℃)冷油進口溫度(℃)冷油出口溫度(℃)120406050設(shè)計選型：油冷卻器中水和冷油流動方式為逆流，油冷卻器設(shè)計計算如下：油冷卻器進口溫差：ΔT1=60-40=20℃；油冷卻器出口溫差：ΔT2=50-20=30℃；則對數(shù)平均溫差為：設(shè)溫差校正系數(shù)F=0.9；則Δtm=F×ΔTm=0.9×24.66=22.20℃；傳熱系數(shù)K=24～370kcal/m2?h?℃[19]；取傳熱系數(shù)K=200kcal/m2?h?℃；根據(jù)傳熱速率方程Q=A×K×Δtm可計算換熱面積A：根據(jù)換熱面積可有：油冷卻器選用列管式固定管板式換熱器[19]，列管選用不銹鋼鋼管，選型結(jié)果如下：表4.8油冷卻器選型結(jié)果公稱直徑Dg(mm)公稱壓力(MPA)換熱面積(m2)管長(mm)換熱管尺寸(mm)管程數(shù)管數(shù)18000.251122.76000ф25×2.5mm42424目前苯酐生產(chǎn)工藝中所用設(shè)備尺寸為ф1800×14×8297mm，換熱面積A=1000m2，設(shè)計選型中換熱面積A=1122.7m2，由此可知本設(shè)計結(jié)果在誤差范圍內(nèi)。4.6油加熱器設(shè)計依據(jù)：表4.9油加熱器設(shè)計依據(jù)名稱參數(shù)水蒸氣進口溫度(℃)水蒸氣出口溫度(℃)熱油進口溫度(℃)熱油出口溫度(℃)管程殼程275275182.4250熱油水蒸氣選型計算：溫度為275℃的水蒸氣，壓力為6.0MPA[22]；油加熱器中水和冷油流動方式為并流，油加熱器設(shè)計計算如下：油加熱器進口溫差：ΔT1=275-182.4=92.6℃；油加熱器出口溫差：ΔT2=275-250=25℃；則對數(shù)平均溫差為：設(shè)溫差校正系數(shù)F=0.9；則Δtm=F×ΔTm=0.9×51.6=46.46℃；傳熱系數(shù)K=29～290kcal/m2?h?℃[19]；取傳熱系數(shù)K=150kcal/m2?h?℃；根據(jù)傳熱速率方程Q=A×K×Δtm可計算換熱面積A：根據(jù)換熱面積可有：油加熱器選用列管式固定管板式換熱器[19]，列管選用不銹鋼鋼管，選型結(jié)果如下：表4.10油加熱器W107選型結(jié)果公稱直徑Dg(mm)公稱壓力(MPA)換熱面積(m2)管長(mm)換熱管尺寸(mm)管程數(shù)管數(shù)3256.426.46000ф25×2mm1574.7空氣鼓風(fēng)機根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模計算可知，需要空氣用量為58564.75m3/h，在常溫常壓條件下，國內(nèi)沒有滿足條件的空氣鼓風(fēng)機，可以通過選用TQ98L110。4.8主物料泵根據(jù)設(shè)計要求以及生產(chǎn)規(guī)模計算可知，年產(chǎn)4萬噸苯酐，一年按300天計算，可得鄰二甲苯進料流量FO-X=4931.77kg/h。由于生產(chǎn)中混合物密度變化不大，設(shè)計選型時取混合物平均密度為880kg/m3，計算鄰二甲苯進料時體積流量VOX為：VOX==5.60m3/h；離心泵選型可得，選用SI型離心泵，型號為SI50-32-200[23]，離心泵相關(guān)參數(shù)如下表所示：表4.11主物料泵P101A/B選型結(jié)果名稱結(jié)果流量(m3/h)揚程H(m)轉(zhuǎn)速n(R/min)功率(kw)外形尺寸(L×W×H)(mm)設(shè)備型號7.552.529002.62465×240×340SI50-32-2004.9靜態(tài)設(shè)備一覽表表4.11靜態(tài)設(shè)備一覽表序號位號名稱數(shù)量規(guī)格1A01脫氧塔11000*30892AF104尾氣洗滌吸收塔煙囪11900*1110003B110冷油儲罐12600*10*47234B111熱油儲罐12600*10*47235B112蓄熱油罐12800*10*56366B221A/B預(yù)分解器23500*55007B115洗滌塔14700*16008B104閃蒸罐12000*29049B106凝液塔12400*3804續(xù)表4.11靜態(tài)設(shè)備一覽表序號位號名稱數(shù)量規(guī)格10B107蒸汽汽包11400*216611B137熔鹽貯罐11800*14*427812B109A/B鄰二甲苯貯罐11800*8*513013B113冷凝液罐1700*24*173014B115尾氣洗滌吸收塔14700*160015B117洗滌水罐11600*5*370016B12A/B純苯酐貯罐23600*830017B116粗苯酐貯罐14800*875618B206水分離器1101.6*55019B221A/B預(yù)分解槽23500*550020C101主反應(yīng)器16200*18*700021熔鹽鍋爐11172*38*1014722電加熱器1380v，450kw23蒸汽過熱器12985*6.3*620024F102A/B鄰二甲苯過濾器1273*510*525F103空氣過濾器13300*45.5*268026F104冷油過濾器1/27F105熱油過濾器1/28K201苯酐蒸餾塔1900*2336529K202苯酐精餾塔11800*15100續(xù)表4.11靜態(tài)設(shè)備一覽表序號位號名稱數(shù)量規(guī)格30W105切換冷凝器47950*2960*490031W106油冷凝器11800*14*829732W107油加熱器1FB600*25*10033W101鄰二甲苯加熱器1377*9*385534W102空氣預(yù)熱器13450*395035W103給水預(yù)熱器1600*10*357036W104氣體冷卻器1715*287*50537W130預(yù)冷凝器1382*350*120038W201粗苯酐加熱器1400*61504.10動態(tài)設(shè)備一覽表表4.12動態(tài)設(shè)備一覽表序號位號名稱數(shù)量型號1P101A/B鄰二甲苯泵2CPK-EMF40-3152P103A/B鍋爐給水泵2HG-C2/163P106粗苯酐泵1CPK-CHSMX80-2504P107A/B冷油泵2CPK-EM250-4005P108A/B熱油泵2CPK-EM100-2006P111A/B粗苯酐泵2CPK-CHSMX32-1607P115A/B洗滌水泵2CPK-CM200-4008P117A/B洗滌水泵2CPK-CM50-160續(xù)表4.12動態(tài)設(shè)備一覽表序號位號名稱數(shù)量型號9P109A/B蓄熱油泵2CPK-EM80-16010P201苯酐泵1CPK-CHSMX50-25011P202苯酐泵1CPK-CHSMX200-31512P203苯酐泵1CPK-CHSMX200-31513P213苯酐泵1CPK-CHSMX32-16014P214苯酐泵1CPK-CHSMX32-16015P215苯酐泵1CPK-CHSMX32-16016P216苯酐泵1CPK-CHSMX50-25017P225苯酐泵1CPK-CHSMX50-25018V101空氣鼓風(fēng)機1TQ98L11019VT101汽輪機1NK25128125-320VTP101凝液泵1/21V112冷油噴射器1/5工藝流程圖（見附錄二）根據(jù)設(shè)計內(nèi)容及其結(jié)果，繪制鄰二甲苯氧化制苯酐工藝流程圖，詳見附錄二。6車間布置設(shè)計圖6.1生產(chǎn)車間平面布置圖（見附錄三）6.2生產(chǎn)車間立面布置圖（見附錄四）致謝緊張而充實的最后一個學(xué)期即將接近尾聲，我們的畢業(yè)設(shè)計也劃上了句號，而我四年的大學(xué)生活也將要與之告別。之前大三有過一次課程設(shè)計，我想這是此次畢業(yè)設(shè)計的預(yù)演，在上次課程設(shè)計中我收獲了很多，而這次通過對整條工藝的設(shè)計計算，我收獲了更多。這次設(shè)計是對鄰二甲苯空氣氧化制苯酐的工藝流程設(shè)計，在畢業(yè)設(shè)計的前期準備期間，通過對文獻的查閱，了解了鄰二甲苯的整體工藝概況，對工藝流程，反應(yīng)器的設(shè)計計算等問題有了初步的印