6000吨年苯酐装置的工艺设计

1、6000吨/年苯酐装置的工艺设计摘 要苯酐是重要的有机化工原料之一，用于生产增塑剂、醇酸树脂、不饱和聚酯树脂、染料及颜料、医药及农药等。目前，全球苯酐生产所采用的工艺路线有萘流化床氧化和萘/邻二甲苯固定床氧化，其中邻二甲苯固定床氧化技术约占世界总生产能力的90%以上。本设计采用邻二甲苯氧化连续式生产邻苯二甲酸酐，该法工艺比较成熟，资料较多，故采用该工艺。本设计根据年产6000吨/年的生产需求对苯酐装置进行了设计。设计中采用以五氧化二钒为主的钒系催化剂进行邻二甲苯的气相氧化，反应器采用列管式固定床反应器。将过滤后的无尘气经压缩、预热至160，与被气化的邻二甲苯蒸气混合后进入反应器，在400-46

2、0进行催化氧化反应，反应进料空速3200h-1，空气中邻二甲苯浓度40g/m2（标准），反应热由管外循环的熔盐带出。反应产物进入熔盐冷却器，被冷却的反应气经进一步冷却，进入粗酐贮槽，回收粗苯酐。同时尾气经水洗塔回收顺丁烯二酸酐后放空。粗苯酐经减压蒸馏，由初馏塔塔顶分离出低沸点的顺丁烯二酸酐，甲基顺丁烯二酸酐及苯甲酸等；塔底物料经精馏塔真空精馏，在塔底蒸出苯酞等重组分，再由塔顶得到精制苯酐产品，最后结片包装。本设计确定生产6000吨邻苯二甲酸酐的合理生产工艺；完成年产6000吨苯酐生产的全部工艺计算（物料衡算，热量衡算），根据工艺计算确定生产设备的工艺尺寸；绘制工艺流程简图、带控制点的工艺流程图

3、和设备图。关键词 苯酐；邻二甲苯；邻苯二甲酸酐；工艺设计design of phthalic anhydride of yearly produces 6000 tonsabstractphthalic anhydride is one of important organic chemical industry material for producing plasticizer、alkyd resin、unsaturated polyester resin、dyestuff and pigment、medicine and pesticide. currently, the process

4、 routes of phthalic anhydride produceing are fluidized bed oxidation of naphthalene and fixed bed oxidation of o-xylene/naphthalene all over the world. and the technology of fixed bed oxidation of o-xylene is about 90% of the worlds total production capacity. this design uses the method of o-xylene

5、oxidation to produce phthalic anhydride continuously. the technology is mature and more information,so it is used.according to the production requirements of annual output of 6000 tons, phthalic anhydride plant is designed. the design is gas phase oxidation of o-xylene by vanadium catalyst, which is

6、 mainly about vanadium pentoxide. the reactor used is tubular fixed-bed reactor. detailed design process: after fliteration, no the dust gas is compressed、preheated by 160, and sent into the reactor mixing with o-xylene steam which has been gasified. catalyze oxide reaction is continued in 400-460.

7、airspeed of response feed is 3200h-1, the concentration of o-xylene in air is 40g/m2 (stp), heat of reaction is taken away by molten salt, which recycle outside the pipe. product of reaction sent into salt cooler, cooled reaction gas sent into crude anhydride tank after further cooling. at the same

8、time, exhaust is recovered by water scrubber to get maleic anhydride, then shorting. by vacuum distillation, maleic anhydride，methyl maleic anhydride and benzoic acid is separated from crude anhydride by the tower of the first distillation, with low boiling point. bottom of the column material is ma

9、de vacuum distillation by the second distillation column. phthalide and other fractions are steamed at the bottom of tower, then get refined phthalic anhydride product from the tower . at last, sheeting and package.this design determines a reasonable production process of 6000 tons phthalic anhydrid

10、e; completes process calculation(mass balance, heat balance) of producing 6000 tons o-xylene anhydride; according to process calculation, calculate the size of the production process equipment, drawing process diagrams、process diagrams with control points and equipment chartkeywords：phthalic anhydri

11、de；o-xylene；phthalic anhydride；process design目 录摘要iabstractii第1章 绪 论11.1 对苯酐的用途及其应用前景11.2 苯酐的生产概况11.2.1 萘氧化法21.2.2 邻二甲苯氧化法31.3 本课题研究的目的和内容41.3.1 研究的目的41.3.2 研究的内容51.4 本章小结5第2章 生产流程的确定62.1 苯酐生产技术介绍62.2 生产流程简述62.3 工艺流程简图72.4 设计参数72.5 本章小结8第3章 物料衡算与能量衡算93.1 参与反应的物质性质93.1.1 邻二甲苯93.1.2 空气93.1.3 氧气103.1.4

12、 邻苯二甲酸酐103.2 物料衡算113.2.1 物料衡算依据及方框图113.2.2 反应器的物料衡算113.2.3 初馏塔的物料衡算133.2.4 精馏塔的物料衡算153.3 能量衡算163.3.1 反应器的能量衡算163.3.2 初馏塔的能量衡算183.3.3 初馏塔换热器的能量衡算203.3.4 精馏塔的能量衡算233.4 本章小结25第4章 设备的选型与计算264.1 反应器的选型与计算264.1.1 选择合适的反应器的型式264.1.2 确定最佳的操作条件264.1.3 反应器的设计计算274.1.4 传动装置及搅拌轴的设计304.2 初馏塔的选型与计算304.2.1 理论塔板数计算

13、304.2.2 初馏塔设计的主要依据和条件324.2.3 初馏塔塔径设计计算344.2.4 塔釜的计算354.2.5 塔高的计算384.2.6 塔体管径的确定384.3 初馏塔的换热器设计394.3.1 确定设计方案394.3.2 确定物性数据394.3.3 计算总传热系数404.3.4 计算传热面积414.3.5 工艺结构尺寸414.3.6 换热器核算424.4 精馏塔的选型与计算454.4.1 理论塔板数计算454.4.2 精馏塔设计的主要依据和条件474.4.3 精馏塔塔径设计计算494.4.4 塔釜的计算504.4.5塔高的计算534.4.6塔体管径的确定534.5 精馏塔的换热器设计

14、534.5.1 确定设计方案544.5.2 确定物性数据544.5.3 计算总传热系数544.5.4 计算传热面积554.5.5 工艺结构尺寸564.5.6 换热器核算574.6 其他部分设备的选型与计算594.6.1 原料贮罐的选型594.6.2 中间储罐i的选型604.6.3 中间储罐的选型604.6.4 泵的选型604.7 本章小结61结 论62致 谢63参考文献64附录a65附录b70附录c77附录d78附录e79附录f80附录g81附录h82附录i83千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“abstract”这

15、一行后加一空行第1章 绪 论1.1 对苯酐的用途及其应用前景苯酐的用途十分广泛：邻苯二甲酸酐简称苯酐，是重要的有机化工原料之一，用于生产增塑剂、醇酸树脂、不饱和聚酯树脂、染料及颜料、医药及农药等。合成树脂工业用于不饱和聚脂树脂、醇酸树脂等；染料工业用于制备合成蒽醌、酞菁蓝等染料；塑料工业用于制备邻苯二甲酸二丁脂、邻苯二甲酸二辛酯和其它芳香酯等增塑剂。另外还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。其主要用途如下：1. 其主要衍生物有邻苯二甲酸二丁酯、二辛酯和二异丁酯等，用作pvc等的增塑剂；2. 还可用于生产不饱和聚酯树脂、醇酸树脂、染料及颜料、多种油漆、食

16、品添加剂、医药中的缓泻剂酚酞、农药中的亚胺硫磷、灭草松以及糖精钠等。3. 用作分析试剂，也用于有机合成4. 是杀菌剂灭菌丹、杀虫剂亚胺硫磷、除草剂灭草松的中间体。 目前，全球苯酐生产所采用的工艺路线有萘流化床氧化和萘/邻二甲苯固定床氧化，其中邻二甲苯固定床氧化技术约占世界总生产能力的90%以上。邻二甲苯固定床氧化技术占美国总生产能力的82%，西欧的86%和日本的58%。萘流化床氧化工艺在国外已逐步淘汰，但在我国的苯酐生产中仍占有一定比例。邻二甲苯固定床气相氧化技术主要有basf、wacker-chemie、elfatochem和alus-uisseitalia等几种典型的生产工艺。1.2 苯酐

17、的生产概况 1896年，德国巴登苯胺纯碱公司首先提出由液相的萘氧化制苯酐的方法。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格低廉的邻二甲苯。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。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

18、左右由邻二甲苯生产。 自上个世纪80年代以来，随着我国石油化工的迅速发展，邻二甲苯资源日益丰富，国内苯酐供需矛盾却越来越大，为了提高邻法苯酐生产技术水平，满足市场日益增长的需求，在化工部领导下，在部科技局的具体组织下，以中国华陆工程公司(原化工部第六设计院)为组长单位，由设计、科研、高校等五个单位参加，组成了苯酐生产技术发小组，在消化吸收国外资料后(主要是八十年代引进的哈尔滨20000吨/年苯酐装置)，开发出了具有国际上八十年代先进水平的“60克工艺”低能耗苯酐生产技术，首先应用于年产5000吨苯酐装置，获得成功，并于1991年12月通过化工部鉴定，获得了国家和化工部科技进步奖。此后我国自行开

19、发的邻法苯酐生产技术得到了快速发展，到1996年，中国华陆工程公司自行开发成功“70克工艺”年产10000吨/年苯酐生产技术，2003年华陆工程科技有限公司又开发成功“80克工艺”年产20000吨/年苯酐生产技术。 目前在工业生产中有两种苯酐原料路线，即邻二甲苯法(简称邻法)和萘法。生产工艺有三种：固定床氧化法、流化床气相氧化法和液相法。世界苯酐生产中以邻法固定床氧化技术为主，大约占苯酐生产总能力的80%以上。1.邻二甲苯氧化法一般采用以五氧化二钒为主的钒系催化剂进行邻二甲苯的气相氧化，反应器多数为列管式固定床反应器。将过滤后的无尘气经压缩、预热，与气化的邻二甲苯蒸气混合后进入反应器，在400

20、-460进行氧化反应，进料空速2000-3000h-1，空气中邻二甲苯浓度40-60g/m2（标准），反应热由管外循环的熔盐带出。反应产物进入熔盐冷却器，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后放空。粗苯酐经减压粗馏，由塔顶分离出低沸点的顺丁烯二酸酐，甲基顺丁烯二酸酐及苯甲酸等；塔底物料经真空精馏，得到苯酐产品。原料消耗定额：邻二甲苯（98%）1138kg/t。2.萘催化氧化法萘熔融气化后与空气在沸腾床或固定床反应器内，在催化剂五氧化二钒存在下，催化氧化生成苯酐气体，经冷凝热熔而得粗酐，通过热处理后再经减压蒸馏、冷凝、分离而得精苯酐。原料消耗定额：萘（95%以上）1

21、1250kg/t。 现在国内大部分已采用邻二甲苯氧化，现分述如下：1.2.1 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300340，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。萘氧化法此法制苯酐的主反应为： 副反应生成萘醌、顺丁烯二酸酐等。所用催化剂也是钒系催化剂

22、。工艺过程与邻二甲苯氧化相似。萘氧化的反应器有列管式固定床和流化床两种。流化床反应器的反应热由反应器内的冷却管移走。流化床催化剂的粒度要求有一适宜的范围,通常为40300m。使用流化床的优点是:反应器可以在比较均匀的温度、较高的原料-空气比下操作，产物较易捕集。1.2.2 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 以钒一钾一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

23、的邻二甲苯蒸气混合后进人反应器，在400460进行氧化反应，进料空速20003000h-1，空气中的邻二甲苯浓度4060g/m2，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。邻二甲苯氧化法 其主反应为： 此外，由副反应还生成苯甲酸、顺丁烯二酸酐等。该反应为强放热反应，因此选择适宜的催化剂（高活性和高选择性）和移出反应热以抑制深度氧化反应，是工业过程的关键。由此而开发了多种不同的生产方法。 工业生产方法一般是采用以五氧化二钒为主的钒系催化剂

24、（见金属氧化物催化剂）进行邻二甲苯的气相氧化。1974年，开发了高负荷表面涂层的钒系催化剂，催化剂载体是惰性的无孔瓷球、刚玉球和碳化硅球等。近来，又选用环状载体制备催化剂。这种新型催化剂可以减少因内扩散引起的深度氧化反应，从而提高了苯酐的收率、选择性和催化剂的负荷。反应器多采用列管式固定床。典型工艺过程（见图）是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入反应器，在400460下进行氧化反应，进料空速20003000h-1，空气中邻二甲苯浓度4060g/m3（标准），反应热由管外循环的熔盐带出。 图1-1 邻二甲苯或萘氧化制苯酐流程反应产物进入蒸汽发生器，被冷却的反应气经进一

25、步冷却，回收粗苯酐。尾气经水洗回收顺丁烯二酸酐后放空，或用催化燃烧法净化后再放空。粗苯酐经减压精馏由塔顶分离出低沸点的顺丁烯二酸酐、甲基顺丁烯二酸酐及苯甲酸等；塔底物料经真空精馏，得到苯酐产品。1.3 本课题研究的目的和内容1.3.1 研究的目的随着我国经济的大力发展，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，使其产生更大的经济效益是生产企业急需解决的问题。为此开展对苯酐生产工艺及应用技术的研究，进而根据生产要求设计出年产6000吨苯酐的生产设备可谓是应市场之需求将理论研究与生产实

26、际结合，真正做到了学有所用。既丰富自我的同时又解决了社会及市场的难题，具有重要的理论研究意义和实践意义。1.3.2 研究的内容在当前形势下，指导老师制定了本设计任务。本设计任务主要从生产需求出发设计了邻二甲苯催化氧化制取邻二甲苯酸酐生产的整个生产工艺流程、进行了固定床式反应器、初馏塔及精馏塔等生产设备的设计计算，并进行生产车间的设备布置设计。1.4 本章小结 本章对苯酐的生产做了粗略的介绍，介绍了邻二甲苯酸酐的性质和用途；通过对近年来国内外市场的供需来推断苯酐生产的现状和发展前景；并且对其生产方法做了粗略的介绍，选择用钒钛氧化物作催化剂催化氧化邻二甲苯连续生产苯酐。第2章 生产流程的确定2.1

27、 苯酐生产技术介绍 目前，全球苯酐生产所采用的工艺路线有萘流化床氧化和萘/ 邻二甲苯固定床氧化，其中邻二甲苯固定床氧化技术约占世界总生产能力的90% 以上。介绍如下：反应原理：邻二甲苯与空气在催化剂作用下气相氧化生成苯酐。工艺流程：过滤、净化后的空气经过压缩，预热后与汽化的邻二甲苯混合进入固定床反应器进行放热反应，反应管外用循环的熔盐移出反应热并维持反应温度，熔盐所带出的反应热用于生产高压蒸气（高压蒸气可用于生产的其他环节也可用于发电）。反应器出来的气体经预冷器进入翅片管内通冷油的切换冷凝器，将苯酐凝结在翅片上，然后再定期通入热油将苯酐熔融下来，经热处理后送连续精馏系统除去低沸点和高涨点杂质，

28、得到苯酐成品。从切换冷凝器出来的尾气经两段高效洗涤后排放至大气中。含有机酸浓度达30的循环液送到顺酐回收装置或焚烧装置，也可回收处理制取富马酸。2.2 生产流程简述邻二甲苯氧化法一般采用以五氧化二钒为主的钒系催化剂进行邻二甲苯的气相氧化，反应器多数为列管式固定床。将过滤后的无尘气经压缩、预热，与气化的邻二甲苯蒸气混合后进入反应器，在400-460进行氧化反应，进料空速2000-3000h-1，空气中邻二甲苯浓度40-60g/m2（标准），反应热由管外循环的熔盐带出。反应产物进入熔盐冷却器，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后放空。粗苯酐经减压粗馏，由塔顶分离出低

29、沸点的顺丁烯二酸酐，甲基顺丁烯二酸酐及苯甲酸等；塔底物料经真空精馏，得到苯酐产品。 以邻二甲苯为原料气相催化氧化法制取苯酐的反应历程包括了一系列平行和串联反应。主要反应式如下: 主反应： 邻二甲苯 苯酐 副反应： 2.3 工艺流程简图工艺流程简图如图2-1所示：2.4 设计参数 1. 规模：6000吨/年精制苯酐，按开工天数300天计；2. 单耗：每吨精酐消耗1.03吨原料邻二甲苯（邻二甲苯纯度不小于96%）；3. 空速：3200h-1；图2-1 邻法制苯酐工艺流程简图4. 催化剂负荷：128140克原料邻二甲苯/升小时，取128ghr-1；5. 原料浓度：3840克原料邻二甲苯/m，操作浓度

30、40gm-；6. 反应温度：415430（初期活性期间450480）；7. 熔盐温度：369370。2.5 本章小结本章阐述了苯酐的工艺参数和条件，并给出流程简图及其简要说明。确定了本课题进行研究的生产工艺，为下面的物料衡算提供依据。第3章 物料衡算与能量衡算3.1 参与反应的物质性质3.1.1 邻二甲苯邻二甲苯(分子式：c8h10) 无色透明液体 ，不溶于水，能与乙醇、乙醚等有机溶剂混溶。它是生产苯酐(邻苯二甲酸酐，pa)、染料、杀虫剂等的化工原料。邻二甲苯衍生物是邻苯二甲醛，可用于制备邻苯二甲酸酯增塑剂。其中邻二甲苯90%左右用于生产苯酐。邻二甲苯与苯酐之间的关系可谓息息相关，相互依存。其

31、物理性质见表3-1所示：表3-1 邻二甲苯物理性质沸点(101.3kpa), 144.4表面张力(20),mn/m 32.40熔点, -25.2临界压力,mpa 4.36相对密度(20/4) 0.8802蒸汽压(20),kpa 0.253折射率(20) 1.5055闪点, 34.4黏度(20),mpas 0.920爆炸极限,体积 1.1%6.4%3.1.2 空气空气无色无味无嗅，气态。正常空气成分按体积分数计算是：氮气占78.08，氧气占20.5，氩气占0.93，二氧化碳占0.03，还有微量的稀有气体，如氦、氖、氪、氙等。臭氧、氧化氮、二氧化氮。在0及一个标准大气压下（1.013105 pa）

32、空气密度1.293gl-1。把气体在0和一个标准大气压下的状态称为标准状态，空气在标准状态下可视为理想气体，其摩尔体积为22.4l/mol。空气的比热容与温度有关，温度为250k时,空气的定压比热容cp=1.003kj(kgk)-1。300k时,空气的定压比热容cp=1.005kj(kgk)-1常温下的空气是无色无味的气体，液态空气则是一种易流动的浅黄色液体。一般当空气被液化时二氧化碳已经清除掉，因而液态空气的组成是20.95%氧，78.12%氮和0.93氩，其它组分含量甚微，可以略而不计。空气作为混合气体，在定压下冷凝时温度连续降低，如在标准大气压(101.3kpa)下，空气于81.7k(露

33、点)开始冷凝，温度降低到78.9k(泡点)时全部转变为饱和液体。这是由于高沸点组分(氧、氩)开始冷凝较多，而低沸点组分(氮)到过程终了才较多地冷凝。3.1.3 氧气在标准状况下，氧气的密度是1.429g/l，比空气的密度（1.293g/l）略大。它不易溶于水，无色无味，在室温下，1l水中只能溶解于约30ml氧气。在压强为101kpa时，氧气在-183时变为蓝色液体，在-218时会变成淡蓝色雪花状的固体。3.1.4 邻苯二甲酸酐分子式:c8h4o3分子结构： 分子量:148.12 熔点 :131-134 沸点 :284 密度 :1.53 g/cm3蒸气密度:5.1 (相对空气) 蒸气压:0.01

34、 mm hg ( 20) 闪点 :152白色针状结晶，微溶于冷水、乙醚,易溶于热苯、乙醇、乙酸中。 邻苯二甲酸酐可发生水解、醇解和氨解反应，与芳烃反应可合成蒽醌衍生物。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，也可用空气氧化邻二甲苯制得。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，例如邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯。 二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯都是重要的增塑剂。邻苯二甲酸酐与多元醇(如甘油、季戊四醇)缩聚生成聚芳酯树脂，用于油漆工业；若与乙二醇和不饱和酸缩聚，则生成不饱和聚酯树脂，可制造绝缘漆和玻璃纤维增强塑料。邻苯二甲酸酐也是合成

35、苯甲酸、对苯二甲酸的原料，也用于药物合成。产品质量指标见表3-2：表3-2 产品质量指标项 目指标一级品二级品外观白色，片状或小块状，色度小于60号白色，可携带其他色调，片状、粉状或小块状苯酐含量，%99.799.2干品初熔点,130.51303.2 物料衡算3.2.1 物料衡算依据及方框图首先确定物料衡算的计算依据：1 原料组成：邻二甲苯纯度96%，空气纯度23.3%（质量分数）。2 产品质量指标：外观为白色 片状或小块状，可微带其他色调，一级品苯酐含量99.7%，二级品苯酐含量99.2%（质量分数）。3 原料配比：邻二甲苯：空气 =1：3.2（重量比）；邻二甲苯原料的消耗量是：每生产100

36、0kg精制苯酐需要消耗原料1030kg4 反应转化率100%，选择性为80%。5 全年365天，除去大修理，中修理等65天，按年工作日300天，设计裕量按6%计算。则工作时间为 30024=7200h，则每昼夜生产能力为600010001.06/300 = 2.0104 kgd-1。采用连续生产，则每小时生产能力为 2.0104 /24 =833.3kgh-1。6 反应温度415430（初期活性期间450480）7 物料衡算方框图见图3-1所示： 图3-1 物料衡算方框图 根据生产工艺流程可知，整个生产过程采用连续式生产，由此分别对工艺流程中的各个设备进行物料衡算。3.2.2 反应器的物料衡算

37、3.2.2.1 设计参数已知反应器出口产品收率（重量%）：苯酐 108.94苯甲酸 0.22顺酐 4.24苯酞 0.41重组分 0.2反应器出口气体组成（%）： 二氧化碳 1 氧气 17.45 一氧化碳 0.35 氮气 78.56转化率 100%3.2.2.2 物料衡算 邻二甲苯与空气中的氧气在固定窗式反应器中发生的催化氧化反应式：精酐重量收率97%以上，则生产833.3kgh-1苯酐消耗原料邻二甲苯：833.30.97 = 859.2kgh-1以此作为计算基准：邻二甲苯投入量859.2kgh-1则反应器入口各物料进料量：由于进料时进料浓度为：40gm-，即邻空比为：1:32（重量）则进料空气

38、量：859.232 = 25776.0kgh-1由于进料空气氧气质量浓度为23.3%，则进料氧气量为：25776.023.3% = 6000kgh-1原料邻二甲苯进料浓度为96%，则进料邻二甲苯的量为：859.20.96 = 824.8kgh-1则进料中其他芳烃的量为：859.2-824.8 = 34.4 kgh-1；反应器出口各物料组成：苯酐 859.21.0894 = 936kgh-1；顺酐 859.20.0424 = 36.4 kgh-1；苯甲酸 859.20.0022 = 1.9 kgh-1；苯酞 859.20.0044 = 3.52 kgh-1；重组分 859.20.0020 = 1

39、.72 kgh-1；反应器出口气体组成：氮气 25776（1-0.233）= 19776 kgh-1； 19776/28 = 706.29 kmolh-1则气体出口总量：706.29/0.7856 = 899 kmolh-1氧气 8990.1745 = 156.88kmolh-1 156.8832 = 5020.2 kgh-1二氧化碳 8990.01 = 9.0 kmolh-1 9.044 = 396kgh-1；一氧化碳 8990.0035 = 3.15 kmolh-1 3.1528 = 88.2 kgh-1；水 899-156.88-9.0-3.15-706.29 = 27.34 kmolh

40、-1 27.3418 = 492.1 kgh-1；从而可列反应器的物料衡算表3-3如下：表3-3 反应器物料衡算物料名称邻二甲苯o2n2苯酐水二氧化碳合计进料口质量，kg824.860001977600026600.8百分含量，%0.8620.878.34000摩尔，kmol7.78187.5706.28000出料口质量，kg05020.219776936492.139626620.3百分含量，%017.3277.970.73.020.01摩尔，kmol0156.88706.286.3227.339.03.2.3 初馏塔的物料衡算根据工艺条件可知，由固定床式反应器在气体冷却器中冷却，后送入分离

41、系统。经冷凝后得到液态的粗酐进入粗酐储槽。粗的液态邻二甲苯酸酐由贮槽用泵抽出经过预热器达到连续预处理工段。处理完后用泵达到连续蒸馏工段，从而知初馏塔的进料量为：初馏塔输入物料 f = 859.2 kgh-1；3.2.3.1 计算依据进塔物料温度150，塔顶物料出口温度170，塔底温度220。塔顶真空度66mmhg，压力88kpa。原料液组成如表3-4所示：表3-4 原料液的组成组分苯酐顺酐苯甲酸苯酞重组分总量质量流量，kgh-1847.26.00.863.441.72 859.2摩尔流量，kmolh-15.7240.06125.82摩尔百分数，%98.3511003.2.3.2 物料衡算原料液

42、及塔顶，塔底产品的摩尔分率：苯酐的摩尔质量 m=148.12kmolh-1；顺酐的摩尔质量 m=98 kmolh-1原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔质量：m=0.989148.12+（10.989）98=147.6kmolh-1；0.212148.12+（10.212）98=108.6 kmolh-1；0.997148.12+（10.997）98=148.0 kmolh-1； 表3-5 初馏塔物料流量列表组分苯酐顺酐苯甲酸苯酞重组分合计塔顶流量，kmolh-1 1.734.20.525.76组成，%3069.30.94100塔底流量，kmolh-10.0570.00230.00010.0582

43、组成，%99.40.40.2100可求出塔顶流出液流量，其中d为塔顶流量，w为塔底流量，f为进料流量。由物料平衡可得：原料处理量： f=kmolh-1；总物料衡算： f=d+w 即：5.82=d+w (1)苯酐物料衡算： 5.820.989=0.212d+0.997w (2)根据（1）（2）式可以解得：d=5.762kmolh-1 w=0.0582kmolh-1。所以精馏塔物料衡算列表3-5。3.2.4 精馏塔的物料衡算3.2.4.1 计算依据初馏塔物料从塔底出来后进入循环槽，用液下泵一部分送入再沸器经加热后返回初馏塔，另一部分釜液连续送往精馏塔进料。在这里物料中重组分在精馏塔中进行连续精馏分

44、离出来，其中塔顶产品为精制苯酐，经冷凝器冷凝后即流入成品贮槽。塔顶冷凝与塔底加热方式与初馏塔相同。加入到精馏塔的原料液组成如表3-6所示。塔进料温度220，塔顶出料温度 205。表3-6 精馏塔原料液组成组分苯酐苯酞苯甲酸摩尔流量，kmolh-15.7摩尔百分数，%99.40.4质量，kg844.443.843.2.4.2 物料衡算表3-7 精馏塔进出口物料衡算表项目苯酐其他合计塔顶出料质量 ，kg833.32.88836.3质量分数，%99.60.04100塔釜物料质量 ，kg11.762.414.16质量分数，%83.216.8100双组分物质精馏，原料加入塔中，其浓度随着操作的不断进行而

45、不断减低，设定最后塔底精酐重量收率为97%以上，苯酐质量分数为99.7%，设计年产量6000吨精制苯酐，一年运行300天，则一天生产2104kg，每小时生产833.33kg。即连续精馏塔釜剩余精制苯酐833.33kg，塔釜剩余物料的总质量为：，则精馏塔物料衡算列表3-7。3.3 能量衡算3.3.1 反应器的能量衡算进出固定床式反应器的物料的ncp计算结果如表3-8：表3-8 进出固定床式反应器的物料的ncp物质输入输出n,kmol,kjmol-1k-1ncp,kjk-1n,kmol,kjmol-1k-1ncp,kjk-1邻二甲苯7.780.18241419.1o2187.520.0293955

46、10.6156.880.029394610n2706.280.0291320574706.280.0291320574苯酐6.320.022921450h2o27.330.03549970基准：1mol进料邻二甲苯忽略副反应，查出各物质25下燃烧热与生成热如下表3-9。表3-9 物质25下燃烧热与生成热物质邻二甲苯苯酐o2n2h2och298，kjmol-14568327800242.0fh298，kjmol-124.43383.000242.0根据热量衡算方程： q2+q2+q3=q4+q5q1物料带入热q2反应过程放出的热q3从加热介质获得的热q4反应过程吸收的热q5热损失q6冷凝放出的热

47、量q7原料预热加热介质提供热量假设如下热力学途径：160反应物料 430反应后物料 h1 h325反应物料 25反应后物料假设的途径由三步构成，第一步是从进口温度降到25，第二步是在25进行化学反应生成产物，第三步是反应后产物从25升温到430。 =（1419.1+5510.6+20574）（25-160）=3.71106kj正反应的反应热h2根据标准燃烧热来求算则反应的物质的量：n=859.296%/106 = 7.78kmolh=（）7.7810=4568+3278+2427.7810=-8.56106kj= = =4610.7+20574+1450+970（430-250）=1.1210

48、kj所以：h=+h+= -6.6若热损失q5取h的5%，则需要加热介质提供的热量为：q3=h+q5= (1+5%)6.6=6.93kj热流体用125饱和蒸汽冷凝，已知125下饱和蒸汽的决定压力为232.19kpa，比汽化热r为2191kjkg-1，则需常压下饱和水蒸气量qm为：q3=qmr,所以：qm=6.93/2191=316.3kg。反应结束后，混合液进入储罐，夹套内通冷凝水使其降温，温度由370降至160，则降温所放出的热量为：= =（4610.7+20574+1450+970）(160-370)=5.8kj冷凝水温度由20升至60，则：所以：q水= 5.8/9705=1196kg。即需

49、通入1196kg20的水用于降温，反应前原料经预热温度由20升至160，需要加热介质提供的热量为： =(1419.1+5510.6+20574)(16020) =3.85kj 3.3.2 初馏塔的能量衡算如图3-2所示，对方框列热量衡算式：qf+qb=qd+ql+qw式中qf进塔物料带入热 kjqb再沸器加热剂带入热kjqd塔顶馏出物带出的热kjql热损失 kjqw塔釜最后物料带出热kj图3-2 精馏塔的热量衡算计算基准t0=0液体。能量衡算1. 塔进料带入热qf塔进料为150下的混合液体，已查得0250下各物质的平均比热容和分子量为：表3-10 各物质的比热容和分子量物质苯酐顺酐苯甲酸苯酞重

50、组分，kjkg-1k-12.3431.9961.9214.1801.415分子量148.1298.00各物质在0150下的平均比热容近似使用0250下的数据。进料流量f=859.2kgh-1苯酐质量分数为：x1=847.2/859.2=0.986顺酐质量分数为：x2=6.0/859.2=0.007苯甲酸，苯酞，重组分等质量分数远远小于苯酐顺酐，忽略不记；故进料混合液在0150下的平均比热容为：= =2.310kjkg-1k-1。2. 塔顶馏出物带出的热qd回流液为90液体，各物质在0170下的平均比热容近似使用0250的数据。塔顶产品流量为：d=8.4kgh-1塔顶产品中： 苯酐的质量分数为：

51、x1=2.52/8.4=0.30顺酐的质量分数为：x2=6.12/8.4=0.72平均比热容为： =2.14 kjkg-1k-1所以，qd=2.148.4(1700)=0.305105kjh-1。3. 塔底产品带出热qw塔底产品的温度为220，各物质在0220的平均比热容近似使用0250的数据。塔底产品流量为：w=849.6kgh-1所以塔底产品中：苯酐质量分数为：x1=844.44/849.6=0.994苯酞质量分数为：x2=3.84/849.6=0.004重组分及苯甲酸在塔底质量分数十分少，故忽略不计；故塔底产品在0250下的比热容为： =2.330 kjkg-1k-1 所以qw=2.330849.6(2200)=4.335105kjh-1。4. 热损失ql忽略热损失，ql=0。5. 求再沸器qb和再沸器加热蒸汽量把各项热量的数值带入式qf+qb+qr=qw+qv+ql得2.92105+qb+0.553105=4.335105+0.584105 qb=1.466105kjh-1 再沸器加热蒸汽用量再沸器也用232.19kpa的