产8万吨苯酐精制工段的初步设计开题报告.doc

华北理工大学 本科生毕业设计开题报告题目： 年产8万吨苯酐精制工段的初步设计 学 院： 化学工程学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 化工3班 姓 名： 黄铁军 学 号： 201214160320 指导教师： 高筠 2015年 11 月 10 日1、 选题背景1题目来源 结合企业实际生产确立了通过8万吨苯酐精制工段的初步设计来实现。2文献综述2.1苯酐的性质 邻苯二甲酸酐，简称苯酐是邻苯二甲酸分子脱水形成的环状酸酐。苯酐为白色固体、针状晶体，易溶于水，溶点为130.8，沸点为284，闪点为152。化学式为C8H4O3。邻苯二甲酸酐可以发生水解、醇解和氨解反应1，与芳烃反应可以合成蒽醌衍生物。邻苯二甲酸酐在工业上是在五氧化钒催化下，由萘与空气在350360进行气相氧化制得，也可以用空气氧化邻苯二甲苯制得。邻苯二甲酸酐可代替邻苯二甲酸使用，主要与一元醇反应形成酯，例邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯。苯酐具有低毒性，有刺激性，遇高热、明火或与氧化剂接触，有引起燃烧的危险。燃烧产物为CO、CO2。2.2苯酐的发展历程及背景1896年德国巴登苯胺纯碱公司首先提出由萘液相氧化制苯酐的方法。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,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2。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。而现在随着工艺技术的成熟和苯酐需求的增加，2011年世界苯酐产量约为6.28Mt,其中我国苯酐产量为1.32Mt约占世界总产量的两成。 苯酐的生产有萘氧化法和邻二甲氧化法两种工艺路线。在国内80 年代以前， 萘氧化法占主导地位，但由于萘原料的来源受到限制，从而影响到了苯酐的正常发展；随着我国石油化学工业的发展，新建生产装置大都采用邻二甲苯法。目前领苯二甲酸酐的生产工艺路线有固定床氧化工艺和流化床氧化工艺。邻二甲苯因其高产率、廉价和高选择性成为现代生产苯酐的首选原料，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。现分述如下。(1)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3003403，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360380，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。 (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-钾-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，反应温度一般在365380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400460进行氧化反应，反应热由管外循环熔盐带出4。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。工艺流程如图1 图1邻二甲苯氧化固定床法生产苯酐的工艺流程图 精馏部分轻组分塔底排出物经产品塔进料口送入产品塔。在产品塔中将苯酐和重组分分离塔顶苯酐气体经塔顶产品冷凝器冷凝，一部分凝液作为回流液回到塔中，另一部分作为产品由纯苯酐提取泵输送进入纯苯酐罐。2.3苯酐及其衍生物的用途2.3.1苯酐的用途 苯酐是一种非常重要的有机化工原料，主要应用于生产塑料增塑剂、醇酸树脂、染料、不饱和树脂以及某些医药和农药。我国的苯酐主要用于生产领二甲酸脂类增塑剂约占总消耗的6成左右。 领二甲酸脂类可以由苯酐与两分子醇进行酯化反应得到，具有色泽浅、毒性低、电性能好等特点，8成应用于聚氯乙烯树脂的增塑剂5。另外还可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。 苯酐可以调节不饱和聚酯的不饱和度，使不饱和聚酯有良好的综合性能。预计该领域的消费量将以年均2.5%的速度增长。 苯酐还可以用作制糖精，工业糖精的生产途径是，苯酐与氨水和氢氧化钠反应后用次酸钠及甲醉降解和酯化,同亚硝酸钠反应生成重氮盐,再与亚硫酸氢钠及次氯酸钠反应制得邻甲氧甲酸苯磺酞氯,最后在碳酸氢钠存在下与氮水反应得到产品。2.3.2苯酐的衍生物的用途 苯酐的衍生物主要有两种分别为四溴苯酐和邻苯二甲酰亚胺：(1) 四溴苯酐是一种反应型阻燃剂，可用于聚酯、环氧树脂;也可作添加剂阻燃剂。其锌盐的电缘性能较好，可用于聚苯乙烯、聚丙烯、ABS 树脂。还可用于其他精细化学品的合成。(2) 邻苯二甲酰亚胺是重要的有机合成中间体6，可用于生产农药医药、香料染料还可用于生产邻氨基苯甲酸，是一种重要的药物合成中间体。2.4苯酐精制的工艺先进性及苯酐市场发展前景2.4.1先进性 苯酐精制工段的工艺中精馏工段是重中之中，精馏工段影响着最后产品的纯度和质量，是整个精制工段的关键，其中主要包括间歇精馏工艺和连续精馏工艺。 间歇精馏工艺又称分批精馏，操作开始时，全部物料加入精馏釜中，再慢慢加热汽化，从塔顶引出的蒸汽经过冷凝后，一部分作为馏出液产品，另一部分回流进塔。与连续精馏相比间歇精馏属于非稳态过程，操作参数随时间变化，在间歇精馏塔中只有精馏段。间歇生产有两种基本操作方式：一种是馏出液组成的间歇精馏操作，即保证馏出液恒定，回流比增大；另一种是回流比恒定，而馏出液减少。实际生产中，有时可采用联合操作方式。间歇精馏工艺，由于生产能力的限制主要用于一万吨以下的苯酐精制工段。连续精馏工艺流程中原料液经过预热器加热到指定温度，送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流最后流入再沸器中。在每层塔板上，回流液体与上升液体相遇，部分液体汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却后被送出作为塔顶产品。连续精馏塔一般从中间进料，有效塔板在上方，同时分离沸点不同的物质，要看的数据大致有：分离物的沸点，沸程蒸发面积和蒸发量真空度（真空精馏）进料温度，冷凝器等等确定塔高和塔板数。主要用于生产一万吨以上的苯酐生产。而现在工厂广泛应用的正是这种工艺流程。 现在苯酐的生产技术越来越进步，我国传统的间歇精馏工艺将被淘汰，取代的是连续精馏。而现在通过针对当前苯酐间歇经过改造设备和改变操作方法，可以连续精馏13天，回收率高达98.8%以上7，改造后的装置生产稳定，系统能耗明显下降，从而有效的降低了生产成本，减轻了熟化处理过程中的废气污染，具有很高的经济效益和推广应用前景。 此工艺经过该造的设备只比原来增加 3个处理釜，一个立式塔顶冷凝器和一个真空喷射泵，其余全是利用原有设备适当加以改进来使用。增加了DCS控制系统，使整个精制系统的运行更加安全、平稳、可靠。淘汰了劳动强度大、耗能高、污染高并存在运行风险的导热油炉，节约了一笔不小的导热油炉扩容的投资8，节省了导热油炉的操作人员。经过对原间歇精馏设备的改造，可进行精馏周期为13天左右的连续操作过程。熟化处理系统排空废气引入热熔冷凝系统， 解决了熟化处理过程中废气对低空环境的污染。整个精制系统物料的输送（除粗酐向处理釜内输送外）全部实现自流和真空吸流，实现无机泵输送，不仅节省机泵投资，而且省去了使用保温机泵所带来的麻烦。省去了轻组分塔脱轻组分的过程，避免了粗酐由液相靠热能变为气相，再由气相降温为液相的循环过程9，减少了能源消耗。整个精制过程中所用过热蒸汽产生的凝液，经降压闪蒸后，送入电厂城市供热管网，使能源得到充分的利用。 虽然改进后的的间歇精馏工艺具有很多的优点，但是只用于生产1万吨一下的小苯酐，对于1万吨以上的大规模的苯酐生产无能为力，还是需要较大规模的连续精馏塔精制过程。对于连续精馏塔的精制过程，苯酐的高效精馏节能技术就显得非常的重要了。目前天津大学化工程研究所开发的苯酐高效精馏节能技术针对高能耗、产品优级品率低的缺点10，进行精馏工艺及精馏塔的改进。采用了国内先进的“多变参数分批精馏技术”提高了产品的回收率，降低了能源消耗，创造性的使用了“蒸发冷凝”技术很好的解决了苯酐出产时容易堵塞以及冷却水消耗过高的问题11。该技术成果在装置精制系统该遭上的设计方面已经达到了，世界的先进水平。 2.4.2苯酐的发展前景 目前中国南方地区已成为世界上最大的苯酐进口地区，主要出口地区有比利时、日本、韩国和中国。我国苯酐行业得到了快速的发展，截至2009年产能已突破180万吨/年，年产量达135万吨，均位于全球首位，然而原料邻二甲苯则发展缓慢，目前国内产能仅满足市场需求的48.5%12，超过一半需从国外进口，严重制约着苯酐行业的正常发展，从国内邻二甲苯新增能力看，供需矛盾短期内难以缓解。同时苯酐产能扩充、宏观经济发展的不确定性将影响未来苯酐工业的发展方向。不饱和聚酯树脂作为苯酐的第二大应用领域，其产能产量将随着一些高附加值复合材料的发展逐年递增。2009年苯酐在不饱和聚酯树脂行业的用量约为16万吨。最近几年，国内企业为了缓解原料上涨的压力，纷纷利用双环戊二烯、粗苯、回收PET取代苯酐，制造低成本树脂，苯酐在该领域的应用将受到一定程度的冲击。 目前我国苯酐市场存在的问题主要有以下5点：(1) 邻苯资源紧缺，2007年国内邻苯缺口在50万t以上，苯酐行业因原料影响开工率不足，苯酐市场将部分依靠进口解决。(2) 受原油和上游原料高价的影响，苯酐将处于相对较高价位，对下游将产生不利影响，抑制市场消费。 (3) 贸易商人为炒作市场，将造成市场的频繁波动，加大了市场经营风险。 (4) 苯酐行业规模扩展较快，原料缺口加剧，行业开工率不足，生产成本上升，降 低了苯酐行业的市场竞争力。(5) 出口量较小，市场调节能力较差。 对于以上问题我认为苯酐产业掀起新一轮投资热潮，有多套装置扩能或在建，加上大量进口产品冲击国内市场，未来苯酐市场竞争将更为激烈。现有和建设中的装置应积极提高自身竞争能力；2万吨/年以下规模的生产装置应逐步淘汰；苯酐下游产品应加快技术开发；大型苯酐氧化反应器及催化剂的国产化步伐应加快。2、 设计方案1.设计主要内容 设计主要内容包括工艺方案及工艺流程；物料衡算、热量衡算、设备工艺计算、设备选型；车间布置设计、提供非工艺设计条件；绘制带控制点的工艺流程图、车间布置图；撰写设计说明书。2. 设计方法 2.1工艺方案及工艺流程本设计使用固定床法制苯酐，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400460进行氧化反应，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。其中生产苯酐的工艺流程中，本设计研究苯酐的精制工段，因为设计生产为8万吨，所以精馏工段采用连续精馏工艺流程。精馏塔选用浮阀塔。在精馏工段中，粗苯酐经第一处理槽经高温加热到270，靠位差流到第二处理槽，经过热处理后原液被分离成水和苯酐，醛类和其他重组分转化为树脂易便进行分离。剩余的原料液送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流最后流入再沸器中。在每层塔板上，回流液体与上升液体相遇，部分液体汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却后被送出作为塔顶产品。图2为精馏工段的简易流程图 图2连续精馏工艺的简易流程图2.2设备工艺及选型如图3中设备包括精馏塔、全凝器、冷却器、贮槽、回流装置、再沸器、原液预热器。 图3设备及塔的装置的示意图2.4预期目标 通过苯酐精制工段的初步设计，在完成了8万吨苯酐精制的目标下，确定正确的设计思想和观念，巩固加深所学的专业知识，掌握化工生产过程设计的基本程序和内容，加强计算、绘图、编辑设计文件、使用规范化手册等最基本的工作实际能力，培养独立解决工程技术问题的能力。3、 进度安排第七学期4-5周：查阅国内外相关文献，熟悉课题。掌握本课题国内外研究动态，了解设计课题的必要性和可行性；第七学期6-10周：整理文献，完成开题报告；第七学期11-13周：着手准备毕业设计论文，确定工艺方案和工艺流程；第七学期14-15周：准备毕业设计物料衡算的计算部分。第七学期16-17周：完成热量衡算的计算过程。 第八学期1-2周：完成设备工艺计算和设备选型。第八学期3-4周：完成车间布置设计，提供非工艺设计条件。第八学期5-6周：整理以完成的毕业设计部分，准备中期报告。第八学期7-11周；绘制带控制点的工艺流程图。第八学期12-13周：完成车间布置图，撰写设计说明书，完成设计初稿。第八学期14-15周：完成设计定稿，并完成毕业答辩。参考文献（外文参考文献不少于2篇）1周为民, 陈宝良, 方怀安. 苯酐精制工艺和设备的革新J. 石油化工, 1980(9): 642-643.2Crutchfield M M.OOrganic builders:an r