30kta邻苯二甲酸酐车间氧化工段初步设计 说明书

1、学学 号：号：4 HEBEI UNITED UNIVERSITY 毕毕业业设设计计说说明明书书 GRADUATE DESIGN 题目：题目：30kt/a30kt/a 邻苯二甲酸酐车间氧化工段初步设计邻苯二甲酸酐车间氧化工段初步设计 学学 院：院： 化学工程学院化学工程学院 专专 业：业： 化学工程与工艺化学工程与工艺 班班 级：级： 化工化工 2 2 班班 姓姓 名：名： 唐亮唐亮 指导教师：指导教师： 陈红萍陈红萍 2014 年年 6 月月 6 日日 摘 要 本设计为年产 30kt/a 邻苯二甲酸酐氧化工段的设计。从原料角度看，工业 上生产邻苯二甲酸酐的工艺主要有萘催化氧化法和邻二甲苯氧化法

2、。随着石油 化工的高速发展,邻二甲苯的产量越来越高，价格也越来越便宜。所以，邻二甲 苯逐渐取代了萘。 通过各种工艺的比较，本设计选择国际先进的 BASF 苯酐生产工艺，列管 式固定床反应器，选用 BC-239 型催化剂，反应管规格为：323.5，长 3m，装 催化剂高度为 2.5m。并计算得出列管式固定床反应器的内径 Di=5000mm，实际 装催化剂的管根数为：12340 根。通过能量衡算计算出设备的热负荷，并对其 进行了计算选型，对车间布局进行了设计。确定了非工艺条件。利用 AutoCAD 绘制完成了带控制点的工艺流程图，反应器结构图以及车间平面布置图。 关键词: 苯酐；BASF；固定床反

3、应器；流程图 ABSTRACT This paper mainly introduce the design of phthalic anhydride oxidation section, whose annual production is 30kt/a. In the view of raw material, there are two methods for the production of phthalic anhydride in industry, oxidation of naphthalene and oxidation of o-xylene oxidation. Fo

4、r this reason, it provide the prerequisites of the production of phthalic anhydride by oxidation of o-xylene. By comparing each craft, this design chosen international advanced BASF (benzene bitter wine technique of production), arranges in order the tubular fixed bed reactor, selected the BC-239 ca

5、talyst,the specification of the reaction tube is: 323.5, length 3m, the height for installng the catalyst is 2.5mso we calculated the inside diameter of row tubular fixed bed reactor Di=5000 mm, the actual number of attire catalysts tube is 12340Figures out equipments heat load according to the law

6、of energy conservation, also calculated and chosen the type of it, and designed the layout of the workshop. Has determined the non-technological conditions and completed the belt control point flow chart using the AutoCAD plan, the reactor structure drawing as well as the workshop floor-plan. Keywor

7、ds：pothalic anhydride；BASF；process；fixed bed reactor 目录 摘 要 .I ABSTRACT .I 引言.1 第一章 综 述.3 1.1 苯酐的基本性质.3 1.2 苯酐的用途及其应用前景.3 1.3 苯酐的生产发展历程.4 1.4 苯酐市场需求状况.5 1.5 苯酐技术的进展及发展方向.5 1.6 苯酐工艺概述.5 1.6.1 萘氧化法.5 1.6.2 邻二甲苯法.6 1.7 设计方案的选择.6 1.7.1 原料的选择.6 1.7.2 流程的选择.7 1.7.3 反应器的比较与选择.7 1.7.4 催化剂的选择.7 1.8 物料特性.7 1.

8、8.1 主要物料.8 1.8.2 辅助物料.8 1.9 原料和产品的主要技术指标.8 第 2 章 物料衡算.9 2.1 基准物料衡算 .9 2.2 实际物料衡算 .12 第 3 章 能量衡算.16 3.1 原料预热设备的能量衡算 .16 3.2 对反应器的能量衡算 .17 3.3 盐冷器的能量衡算 .18 3.4 汽体冷却器的能量衡算 .19 3.5 后冷器的能量衡算 .23 3.6 切换冷凝器的能量衡算 .26 第 4 章 反应器的设计计算.28 4.1 列管数的计算： .28 4.2 阻力降的计算与校核 .28 4.3 换热面的校核: .29 4.4 反应器床层温度分布 .30 第 5 章

9、 反应器机械设计.33 5.1 反应器壁厚的计算： .33 5.2 封头的计算 .33 5.3 反应器高度的计算： .34 5.4 管口直径的计算 .34 5.5 开孔补强的计算 .35 5.6 反应器质量的计算： .35 5.7 反应器水压试验 .37 第 6 章 辅助设备的计算及选型.39 第 7 章 非工艺设计条件.45 7.1 土建设计条件 .45 7.1.1 建筑物的结构形式 .45 7.1.2 加工车间的布置 .45 7.1.3 流程及人员.45 7.2 供电照明设计条件 .46 7.2.1 供电 .46 7.2.2 避雷要求： .47 7.3 仪表控制设计条件 .47 7.4 采

10、暖通风设计条件 .47 7.5 供汽设计条件 .48 7.6 给排水设计条件 .49 7.7 分析化验设计条件 .50 7.8 设计与施工中所遵循的规范准则 .50 7.8.1 设计标准 .50 7.8.2 施工标准 .50 结 论.51 参考文献.52 谢 辞.54 引言 苯酐是重要的基本有机化工原料之一，苯酐的用途十分广泛，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。 2001年

11、15个最大的生产商仅占全球总生产能力的45%。由于20世纪90年代中、 末期增建了大量生产装置（特别是亚洲），世界苯酐市场呈现供应过剩势头。 美国对苯酐的需求自20世纪90年代中期开始逐渐放慢了，伴随经济疲软，2001 年没有增长。即使价格相当稳定，由于需求下降，苯酐生产商的利润也非常薄。 装置开工率大约83%，而亚洲地区随着一系列新建计划的实施，将成为世界上最 大的苯酐生产区。2001年全球苯酐需求量达到3320kt。最大的苯酐进口地区是 东南亚地区；我国大陆是最大的苯酐进口地。最大的苯酐出口国是日本、印度 和韩国。 全球生产能力主要分布在亚太地区、西欧和北美。据美国权威部门统计， 2002

12、 年，全球 PA 生产能力约 4900 kt/a，其中上述 3 个地区产能分布比例为 45%、16.7%和 13.6%。在今后几年中，由于亚洲地区经济的持续增长，该地区 仍将成为全球 PA 生产及市场需求最为强劲的地区。自上世纪 90 年代以后，我 国陆续引进一批大型 PA 装置，在引进技术的消化吸收基础上，我国的 PA 生产 技术不断取得进展，今后技术落后的小装置将陆续关闭，新建装置将采用高负 荷和低能耗先进技术，装置规模趋于更大型化。 生产邻苯二甲酸酐的原料包括邻苯二甲酸，萘，邻二甲苯和正戊烷，其中 萘已经被淘汰，而正戊烷原料较昂贵，也很少采用。随着石油工业的发展，又 提供了大量廉价的邻二

13、甲苯，扩大了苯酐的原料来源，近来新建的工厂都是以 邻二甲苯为原料，因为邻二甲苯具有高产率，廉价和高选择性的特点。而且， 我国处于邻二甲苯的三个主要产地之一东南亚，原料资源非常丰富，因此，邻 二甲苯成为生产苯酐的最佳原料。 生产苯酐的方法按反应器分为三种：固定床法，流化床法，液相氧化法。 第 1 章 综述 1.1 苯酐的基本性质 邻苯二甲酸酐（ Phthalic Anhydride），简称苯酐,常温下为一种白色针 状结晶（ 工业苯酐为白色片状晶体），易燃，在沸点以下易升华，有特殊轻 微的刺激性气味。苯酐能引起人们呼吸器官的过敏性症状，苯酐的粉尘或蒸汽 对皮肤、眼睛及呼吸道有刺激作用，特别对潮湿的

14、组织刺激更大。分子式 C8H4O3，相对密度 1.527(4.0)，熔点 131.6，沸点 295（升华），闪点 （开杯）151.7，燃点 5841。 1.2 苯酐的用途及其应用前景 苯酐的用途十分广泛，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2：其主要衍生物有邻苯二甲酸二丁酯、二

15、 辛酯和二异丁酯等，用作 PVC 等的增塑剂；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；其次用作分析试剂，也用于有机合成；最 后是杀菌剂灭菌丹、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 BA

16、SF、Wacker-Chemie、ElfAtochem 和 Alus- uisseItalia 等几种典型的生产工艺3。 1.3 苯酐的生产发展历程 我国自1953年开始生产苯酐，二十世纪60年代到70年代主要以萘为原料、 流化床气相催化氧化法生产苯酐。70年代开发了以邻二甲苯为原料的0.04kg工 艺固定床气相催化氧化法苯酐生产技术，先后在五套千吨级工业装置上应用。 自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，我们开发出了具有国际上80年代先进水平的0.06kg工艺低能耗苯酐生 产技术，

17、首先应用于年产5000吨苯酐装置获得成功。此后我国自行开发的邻法 苯酐生产技术得到了快速发展，到1996年已开发成功万吨级苯酐生产技术，并 已建成数套生产装置4。迄今为止，采用国内开发技术成果建设的苯酐装置已 30多套，其中万吨以上10多套。我国从80年代开始相继引进了2-5万吨/年的大 型苯酐装置。到目前为止，共引进了六套苯酐装置，通过引进国外先进的苯酐 生产技术，促进了国内苯酐技术的发展。预计2007-2011年需求量年均增长率将 达到3.0%-3.5%。其中亚太地区将继续引领全球苯酐市场增长，其年均增长率将 达到4.0%-5.0%。 2001年全球的苯酐生产能力为4456kt,苯酐的工业

18、不是特别集中，2001年15 个最大的生产商仅占全球总生产能力的45%。由于20世纪90年代中、末期增建了 大量生产装置（特别是亚洲），世界苯酐市场呈现供应过剩势头。美国对苯酐 的需求自20世纪90年代中期开始逐渐放慢了，伴随经济疲软，2001年没有增长。 即使价格相当稳定，由于需求下降，苯酐生产商的利润也非常薄。装置开工率 大约83%，而亚洲地区随着一系列新建计划的实施，将成为世界上最大的苯酐生 产区。2001年全球苯酐需求量达到3320kt。最大的苯酐进口地区是东南亚地区； 我国大陆是最大的苯酐进口地。最大的苯酐出口国是日本、印度和韩国5。 1.4 苯酐市场需求状况 近年来北美增塑剂市场对

19、苯酐的需求正在下滑，因为需求疲软，来自亚洲 和欧洲进口量的增加，以及北美的苯酐生产商正在移师亚洲，因此在未来一段 时间内，除了现有装置的脱瓶颈改造提升生产能力外，北美不可能出现新建苯 酐装置。而新建装置将大部分集中在亚洲地区，尤其是中国。预计 2007-2010 年世界苯酐需求年均增长率将达到 3.0%-3.5%，其中亚太地区将继续引领全球 苯酐市场增长，其年均增长率将达到 4.0%-5.0%；美国市场的年均增速将仅为 1.3%-1.5%6。 虽然我国塑料加工业的迅猛发展，但是苯酐的市场需求也持续增长的很快。 全球许多企业计划在华建设苯酐生产装置，巴斯夫计划在南京建 100kt/a 装置； 新

20、加坡科迪集团在珠海建 80kt/a 装置。目前，台湾联成继中山、珠海和镇江工 厂投产后也准备在天津、成都和辽宁等地投资建设新的苯酐工厂，总的扩充产 能仍然十分巨大，预计到 20t1 年国内苯酐的产能将超过 2300kt/a。近年来， 国内不饱和聚酯树脂市场呈逐年递增趋势，特别是在非增强制品领域应用发展 十分迅速，必将有效推动苯酐需求的增长。虽然国内 PA 生产能力、产量都有了 较大幅度的增加，但依然满足不了国内需求，每年都有大量的 PA 进口，且进口 量都是逐年增加的7。 1.5 苯酐技术的进展及发展方向 从20世纪70年代开始了苯酐催化剂的研究，先后成功开发了“60g工艺”、 “80g工艺”

21、和“90g工艺”，最近推出的BC一239型苯酐催化剂在国内7家企业9 套装置上试用，均获得成功。该催化剂目前由中国石油化工股份有限公司催化 剂北京奥达分公司在新装置上生产，该装置采用微机控制，设备先进，自动化 程度高，生产能力大，催化剂质量稳定。近年来世界各苯酐生产公司都致力于 改进以邻二甲苯为原料的固定床氧化技术，并在催化剂、生产工艺和反应器设 计等方面取得了重要的进展。主要体现在研发高收率、高选择性和高负荷催化 剂及改进现有生产工艺两个方面。 目前国内应集中力量将高性能催化剂和大型反应器开发有效结合起来，开 发出大型化先进的国产化苯酐生产装置，实现装置的更大生产能力，从根本上 降低消耗，降

22、低成本，另外在今后要加强设备制造、监控、管理以保证苯酐产 品的质量和装置的稳定运行。总之我国苯酐工业要正视差距，加强技改，提高 竞争能力，以期在未来竞争日趋激烈的市场中站稳脚跟，向前发展8,9,10。 1.6 苯酐工艺概述 苯酐的生产有萘氧化法和邻二甲苯氧化法两种工艺路线。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。 1.6.1萘氧化法 萘与空气在催化剂作用下气相氧化生成苯酐11： + O O O O2 V2O5 CO2OH29/2+22 工艺流程： 图 1 萘氧化法工艺流程 空气经净化、压

23、缩预热后进入流化床反应器底部，喷入液体萘，萘汽化后 与空气混合，通过流化状态的催化剂层，发生放热反应生成苯酐。反应器内装 有列管冷却器，用水为热载体移出反应热。反应气体经三级旋风分离器，把气 体携带的催化剂分离下来后，进入液体冷凝器，有 40%60%的粗苯酐以液态 冷凝下来，气体再进入切换冷凝器（ 又称热融箱）进一步分离粗苯酐，粗苯酐 经预分解后进行精馏得到苯酐成品。尾气经洗涤后排放，洗涤液用水稀释后排 放或送去进行催化焚烧。 1.6.21.6.2邻二甲苯法邻二甲苯法 1)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： CH3 CH3 +3O23 O O O OH2 V2O5 + 2

24、)工艺流程 巴斯夫（BASF）工艺12： 图 2 巴斯夫工艺流程 BASF 工艺于 1976 年工业化生产，总生产能力超过 100104t/a，BASF 工艺 的单台应器最大生产能力为 4.5104t/a。经净化预热后的空气与气化的邻二甲 苯混合进入列管式固定床反应器，在钒-钛环形催化剂表面进行反应，反应温度 为 360，空速 3000/h，反应热由熔盐导出12。粗苯酐在微负压下采用高温或 同时添加少量化学品除去某些杂质后送入精馏塔精制。BASF 工艺能有效地回收 顺酐，苯酐的质量收率超过 105%。在巴斯夫过程中，邻二甲苯与预热到 150 左右的空气一起进入多管反应器，反应气体由上向下通过催

25、化床。 进料空气中邻二甲苯的浓度为 60-70g/Nm3，邻二甲苯空气中含量在爆炸极 限中。为提高能量利用率，应尽可能提高负荷。用硝酸钾/亚硝酸钠 （59%/41%）的熔盐浴来移除反应热，盐的熔点约为 141，反应热用来产生高 压蒸汽。350-450的热反应气流离开反应器进入气体分离器。固定床过程中冷 凝是通过凝华来实现的，为了使固体邻苯二甲酸酐凝华，需要快速冷却到露点 125以下；这一过程在装有椭圆翅片管子的换热器内进行，用导热油移走或提 供粗酐冷却及熔融所需热量13。 BASF 工艺的缺点是反应温度高，选择性降低，故而提高催化剂选择性是研 究的重点内容。北京化工研究院开发研制的新型苯酐催化

26、剂是通过低温穿流喷 涂方法进行制备的，催化剂选择性好，阻力降小，苯酐产品质量高。经过单管 评价，已达同类进口催化剂的各项指标。 LAR 法工艺14,15 LAR 法的优势是催化剂活性的提高，催化剂所要求的空气和邻二甲苯的比 例仅为 9.5：1（其他技术中次比例大约为 20：1） ，这就可以是催化剂的产率提 高了 40%，显著的缩小了反应器的体积，并降低其他关键设备（包括切换冷凝 器和蒸发反应器）的负荷，风机和泵的能耗降低约 60%，反应器中惰性气体流 量的减少使更多的显热被冷却盐带走。工厂可以做到能量的完全自给自足，并 且能向邻近的工厂输出相当数量的蒸汽。还可以使用冷凝器将大约 50%的邻苯

27、二甲酸酐产品在凝华以前以液态形态加以回收，这样可以减少冷凝气产物流中 的杂质量从而提高产品的浓度。 LEVH 法工艺 LEVH 法与 LAR 法工艺流程基本相似，不同点是 LAR 法比 LEVH 法多一个后 冷器。LEVH 工艺的主要优势是技术成熟，全世界已经有 56 家工厂使用 VH 工艺 或者 LEVH 工艺，总的生产能力为 140 万 t/a，且其中大多数都成功的运行，另 外，维护费很低（低于每年投资的 2%） ，配套设施发展很完善18。通过使用一 种特殊的催化剂，可以调整 VH 过程以适应萘原料和邻二甲苯的混合原料。这样 就起到安全防范作用，以应对林二甲苯价格上涨，并且在萘的价格大幅度

28、降低 的时候具有灵活性，反应器的生产能力已经达到 5 万 t/年。LEVH 过程是一个稳 定的选择，适合于保守的发展策略，在市场有保证的情况下，或者在公司对同 样工艺的工厂有着丰富的生产经验的时候，比较适合采用此工艺。采用 LEVH 工 艺的生产成本比大多数老厂低，但是比起同样基础上成功运行的 LAR 工艺的工 厂，则有可能无法有效的竞争15 1.7 设计方案的选择 1.7.1 原料的选择 随着石油化工的高速发展,邻二甲苯的产量越来越高，价格也越来越便宜， 而且邻二甲苯生产邻苯二甲酸酐的转化率要比萘高，为邻二甲苯法生产苯酐提 供了先决条件。而且以萘为原料的工艺价格高，损耗大。 说以原料选邻二甲

29、苯 1.7.2 流程的选择 通过对以上各种工艺流程进行对比：BASF工艺流程投资较少，操作效率较 高，这些都直接得益于反应器中低的空气对邻二甲苯的比例，并且可以向厂外 输出大量的水蒸汽。用BASF法工艺生产出的邻苯二甲酸酐的最终售价可能低于 其他竞争过程生产出的产品的售价。 所以，选择巴斯夫工艺。 1.7.3 反应器的比较与选择 固定床反应器的特点是催化剂磨损少，流体在管内接近活塞流，推动力 大，催化剂的生产能力高，主产物收率高。但固定床也存在传热差，需要大 的传热面积的缺点。流化床反应器的催化剂损失较大，流失较严重，而且在 生产过程中不易维护，随着工艺的发展和完善，流化床工艺已经越来越少。

30、固定床反应器的特点是催化剂磨损少，流体在管内接近活塞流，推动力大， 催化剂的生产能力高，主产物收率高，是现代化工工业中应用较广泛的反应 器。最近新建工厂一般都采用固定床反应器。所以，本设计选 用邻二甲苯为 原料；采用列管式固定床反应器，考虑到固定床的不足，在设计反应器时会 充分考虑传热问题；从成本和技术先进性考虑，工艺选用BASF工艺。 所以，固定床反应器。 1.7.4 催化剂的选择 目前苯酐氧化工段的催化剂发展迅速，80g 已经成熟，且我国工业化装置 普遍为 80g 工艺催化剂。 所以，选用 VTi 催化体系即 80g 环状催化剂。 1.8 物料特性 1.8.1 主要物料 1) 邻二甲苯 分

31、子式：C8H10 分子量：106.169 熔点：-25.182 沸点：144.411 闪点： 开口 24 闭口 17 自然点：495 密度：25 时 0.8802 g/ml 空气中的允许浓度：0.1 mg/l 与空气混合的爆炸极限：16%（mol%） 重量比（o-x：空气）：1:151:30 2) 邻苯二甲酸酐 邻苯二甲酸酐是白色鳞状或结晶状粉么，微溶于乙醚，冷水，易溶于热 水，生成强腐蚀性的邻二甲酸。其粉么刺激人的皮肤，眼睛，呼吸道。 分子式：C8H4O3 分子量：148.114 熔点：130.5 131 沸点：284.5 闪点：152 165 自然点：580 密度：1.527 g/cm3

32、（固） 熔融热：158.2 kJ/kg（131 ） 汽化潜热：340 kJ/kg 片状成品假密度：0.7 g/cm3 燃烧热：22000 kJ/kg 与空气混合的爆炸极限：0.710.4% 3). 马来酸酐 分子式：C4H4O4 分子量：116.07 熔点：138 沸点：.5 密度（20固体）：1.590 g/cm3 熔解热：-H298 固体：-793.128 kJ/mol 气体：-682.5 kJ/mol 生成热：-Hof 固体：-793.128 kJ/mol 气体：-628.5 kJ/mol 升华热：Ho298 110.46 kJ/mol 1.8.2 辅助物料 1）熔盐 熔盐组成：NaNO

33、2：40% 平均分子量：89.2 KNO3：53% 熔点：142 NNO3：7%（HTS） 熔融热：75.6 kJ/kg 比热：1.61 2）传热油（Diphyl DT） 表 1-1 传热油特性 指标单位规格 工作温度330 max 沸点（760 托）284286 沸程-10 凝固点-54 比热（25） KJ/(KgK)1.55 密度（25）Kg/m31035 运动黏度（25）Cst6.3 水含量（25）Wt%0.02 闪点135 自然点545 1.9 产品技术指标 表 1-2 邻苯二甲酸酐质量指标 优级一级合格 熔融色度号2050100 热稳定性（Pt-Co）50150 凝固点130.513

34、0.3130 游离酸0.50.50.5 灰分0.05 外观白色鳞状或结晶状粉么 规格分析方法国家标准 邻苯二甲酸酐 99.7%比色法HG2-319-79 第 2 章 物料衡算 2.1 基准物料衡算 采用节点计算，取 100 kg 邻二甲苯的进料为基准进行计算节点 1 和 2 的物 料。节点图如下： 粗苯酐槽 反应器气体冷却器后冷器 切换冷凝器 物料衡算节点图 1)节点的物料衡算 进料中空气与邻二甲苯的比例为 20：1（BASF 工艺） 邻二甲苯：kg100942 . 0 169.106 100 kmol 空气：kmol84.1820942 . 0 取空气的分子量为 29，则空气的质量为kg36

35、.5462984.18 空气中氧气和氮气的比（体积比）取 21：79 则空气中氧气占 21% 即氧气的量为kgkmol60.126329564 . 3 9564 . 3 %2184.18 氮气的量为 kgkmol74.416288836.148836.14%7984.18 进料气体总计：kmol84.1820942 . 0 对节点的物料衡算列于下表： 表 2-1 节点物料衡算结果 名称邻二甲苯氧气氮气合计 进料（kmol）0.9423.954614.883619.7802 2) 对节点的物料衡算 对反应器有： （设积累为 0） 积累出进 MMM 即节点的物料总计：kgmolMM36.64678

36、02.19 出进 由相关文献查得苯酐、顺酐、苯酞、苯甲酸的收率分别为 109%、8.12%、0.215%和 0.909%。 由收率计算选择性，计算如下： .OHOHCOHC 23482108 33 169.106114.148 13.78x109 催化剂对邻二甲苯转化成邻苯二甲酸酐的选择性为:%13.78%100 100 13.78 则转化成邻苯二甲酸酐的邻二甲苯的量为kg13.78%13.78100 .OHCOOHCOHC 223242108 445.7 .169 10698 8 . 8y12 . 8 催化剂对邻二甲苯转化成顺酐的选择性:%8 . 8%100 100 8 . 8 则转化成顺酐

37、的邻二甲苯的量为kg8 . 8%8 . 8100 III. OHOHCOHC 22682108 22 169.106134 17 . 0 y215 . 0 催化剂对邻二甲苯转化成苯酞的选择性:%17 . 0 %100 100 17 . 0 则转化成苯酞的邻二甲苯的量为kg17 . 0 %17 . 0 100 . 222672108 2 5 4 13 COOHOHCOHC 169.106122 79 . 0 y909 . 0 催化剂对邻二甲苯转化成苯甲酸的选择性:%79 . 0 %100 100 79 . 0 则转化成苯甲酸的邻二甲苯的量为kg79 . 0 %79 . 0 100 %11.12%

38、79 . 0 %17 . 0 %8 . 8%13.78%100 22 物质的选择性为及COCO 则生成kg11.12%11.12100 22 物质的邻二甲苯的量为及COCO 假设反应副产物只生成顺酐、苯酞、苯甲酸、水和 CO2。 则根据方程式计算反应物及产物的量如下：邻苯二甲酸酐、顺酐、苯酞、 苯甲酸、氧气、以及水的量： .OHOHCOHC 23482108 33 169.10696114.14854 13.78 1 x 2 x 3 x 根据方程求得： kgx56.70 1 kgx109 2 kgx74.39 3 .OHOHCOHC 23242108 325 . 4 .169 10614419

39、654 8 . 8 1 x 4 x 3 x 根据方程求得： kgx94.11 1 25.16 4 x48 . 4 3 x . OHOHCOHC 22682108 22 169.1066413436 17 . 0 1 x 5 x 3 x 根据方程求得： kgx102. 0 1 kgx21 . 0 5 kgx058 . 0 3 . 222672108 23COOHOHCOHC 169.106961223644 79 . 0 1 x 6 x 3 x 7 x 根据方程求得： kgx71. 0 1 kgx91 . 0 6 kgx27 . 0 3 kgx33. 0 7 . OHCOOHC 222108 5

40、8 5 . 10 169.10633635290 11.12 1 x 7 x 3 x 根据方程求得： kgx33.38 1 kgx15.40 7 kgx27.10 3 可算得节点其他组分的量为： 氧气：kg958 . 4 33.3871 . 0 102 . 0 94.1156.70 6 . 126 二氧化碳：40.15kg 水：kg82.5427.1027 . 0 058 . 0 48 . 4 74.39 氮气：kg74.416 kgmolMM36.646787.19 出进 表 2-2 节点物料衡算结果 节点苯酐氮气氧气水二氧化碳 顺酐苯甲酸苯酞总计 109.00416.744.95854.8

41、240.1516.250.910.21646.36 2.2 实际物料衡算 设氧化工段的物料损失为 0，精馏工段的物料损失为 5% 产量:30kt/a 每年按 300 天 每天按 24 小时计算 一年总共有 则每小时的产量为:h720030024hkg / 7 . 41667200100 . 3 7 苯酐成品的纯度为:99.61% 设工艺过程中苯酐总损失量为 5% 根据比例计算实际进料kg89.4368 95 . 0 %61.99 7 . 4166 则实际进料: 邻二甲苯的量为:kg16.400889.4368 109 100 kmol75.37169.10616.4008 空气的量为:kmol

42、14.7552075.37 kg98.218982914.755 1) 对节点 1 的物料衡算 表 2-3 节点物料衡算结果 名称邻二甲苯氧气氮气合计 进料（kmol）37.75158.58596.56792.89 2) 对节点 2 的物料衡算 由基准物料衡算，根据比例可以算出节点 2 的物料： 表 2-4 节点物料衡算结果 节点苯酐氮气氧气水二氧化碳 顺酐苯甲酸苯酞总计 4368.8916703.6198.72197.271609.28651.3336.478.4225773.9 6 3) 对节点的物料衡算 物料经气体冷却器后无质量变化。 表 2-5 节点物料衡算结果 节点苯酐氮气氧气水二氧

43、化碳 顺酐苯甲酸苯酞总计 4368.8916703.6198.72197.271609.28651.3336.478.4225773.9 6 4) 对节点的物料衡算 这部分物料将进入切换冷凝器。 在后冷器内反应气由 300200。 经查得苯酐在 284.5时发生相变。285时苯酐饱和蒸汽压 88158pa，200苯 酐饱和蒸汽压 12548pa。 即液化的苯酐量为%77.85 88158 12544888158 查得顺酐 300时顺酐饱和蒸汽压 939.0kpa，200顺酐饱和蒸汽压 102.4kpa。 即液化的苯酐量为% 0 . 89 0 . 939 4 . 102 0 . 939 经查得苯

44、甲酸在 250时发生相变。250时苯酐饱和蒸汽压 77188pa，200苯 甲酸饱和蒸汽压 22297pa。 即液化的苯甲酸量为%11.71 77188 2229777188 经查得苯酞在 300时发生相变。300时苯酞饱和蒸汽压.54pa，200苯酞饱 和蒸汽压 15488.17pa。 即液化的苯酐量为%70.87 54.125892 17.1548854.125892 那么节点物料衡算 苯酐kg69.621%)77.851 (89.4368 顺酐kg63.71%)891 (33.651 苯甲酸kg57.10%)11.711 (47.36 苯酞 kg02. 1%)7 .871 (42. 8

45、表 2-6 点物料衡算结果 节点苯酐氮气氧气水二氧化碳 顺酐苯甲酸苯酞总计 621.6916703.6198.72197.271609.2871.6310.571.0221413.7 6 5) 对节点的物料衡算 苯酐kg2 .3747%77.8589.4368 顺酐kg 7 . 579%8933.651 苯甲酸kg 9 . 25%11.7147.36 苯酞 kg4 . 7% 7 . 8742 . 8 表 2-7 点物料衡算结果 节点苯酐氮气氧气水二氧化碳顺酐苯甲酸苯酞总计 3747.2579.725.97.44360.2 6) 对节点的物料衡算 切换冷凝器温度变化 20065，物料中氧气、二氧

46、化碳、氮气不发生相态变 化，而其中的苯酐、顺酐、苯甲酸和苯酞全部冷凝。 表 2-8 节点物料衡算结果 节点苯酐氮气氧气水二氧化碳 顺酐苯甲酸苯酞总计 621.692197.2771.6310.571.022902.18 表 2-9 实际物料衡算结果/kg 节点 邻二甲 苯 苯酐顺酐氮气氧气水 二氧化 碳 苯甲 酸 苯酞总计 4008.16 16703.64598.7825907.14 4368.89651.3316703.6198.72197.2 7 1609.2836.478.4225773.9 4368.89651.3316703.6198.72197.2 7 1609.28 36.478

47、.4225773.9 621.6971.6316703.6198.72197.2 7 1609.2810.571.0221413.7 3747.2579.725.97.44360.2 621.69 71.63 2197.2 7 10.571.022902.18 第 3 章 能量衡算 3.1 原料预热设备的能量衡算 原料预热设备包括:空气预热器、邻二甲苯预热器、邻二甲苯汽化器 所需物性数据由化工物性数据手册查得。 1) 空气预热器 冷介质:空气 25 170 平均温度:97.5 用 180 、1 MP 的饱和水蒸汽进行预热，水的汽化热为 36.22 kJ/mol 空气在平均温度 97.5 下的比

48、热容由内插法计算求得 50空气的比热容为)/( 1 . 29kmolJ 100空气的比热容为)/(16.29kmolJ 97.5下的比热容为)/(157.29kmolJ 根据物料衡算可知：kmolnAir14.755 预热空气所需的热量为: )25170(157.2914.755TnCQ pm hkJ /1019 . 3 6 则所需饱和水蒸汽的物质的量：kmoln14.8822.36/1019. 3 6 1 则饱和水蒸汽的质量：hkgm/52.1586 1 2) 邻二甲苯预热器的能量衡算 冷介质: 邻二甲苯 25 140 平均温度:97.5 用 180 、1MP 的饱和水蒸汽进行预热， 水蒸汽

49、的汽化热为 36.22 kJ/mol 邻二甲苯在平均温度:97.5 下的比热容由内插法计算求得 80 邻二甲苯的比热容为)/(970 . 1 kkgkJ 100 空气的比热容为)/(037 . 2 kkgkJ 82.5 下的比热容为)/(978 . 1 kkgkJ hkJTnCQ pm /1091 . 0 )25140(978 . 1 16.4008 6 则所需饱和水蒸汽的物质的量 hkmol H Q n/17.25 22.36 1091. 0 6 2 则饱和水蒸汽的质量hkgm/1 .453 2 3) 邻二甲苯汽化器的能量衡算 冷介质：邻二甲苯 140 144.41 170 144.41 时

50、邻二甲苯的汽化热为)/(6865.36kmolkJ 140 邻二甲苯的比热容为)/(17 . 2 kkgkJ 142.205 邻二甲苯的比热容为 )/(180 . 2 kkgkJ 144.41 170 的平均温度为 157.205 170 邻二甲苯的比热容为)/(14.187kmolJ 157.205邻二甲苯的比热容为)/(24.180kmolJ 21 TnCHnTnCQ pmpm 10006865.3675.37)14041.144(180 . 2 16.4008 hkJ /10626. 1 )41.144170(24.18075.37 6 则所需饱和水蒸汽的物质的量为：hkmoln/88.

51、44 22.36 10626 . 1 6 3 则需饱和水蒸汽的总量为: 321 nnnn 88.4417.2514.88 hkmol/19.158 3.2 对反应器的能量衡算 根据能量守恒定律: 损失移出带出反应带入 QQQQQ 反应器进口温度为 170 反应时的温度为 380 1) 原料气带入的热量 输入的原料气的温度为 170 查化学化工物性数据手册得进料气体的物性数据列于下表： 表 3-1 料气体物性数据表 进料气体 物质的量kmol各温度下的比热 kmolJ/ 150 200 邻二甲苯56.35 180.5197.1 100 200 空气1127.06 29.2929.725 根据表

52、3-1 由内插法求得： 5 . 180 150170 1 .197 170200 邻二邻二CC 170 时邻二甲苯的比热kmolJC/14.187邻二 再由内插法求得 29.29 100170 725.29 110210 空气空气CC 170 时空气的比热 kmolJC/265.29空气 则随物料进入设备的热量计算如下： hkJTnCQ pm /102 . 1)0170(114.18775.37 6 邻二甲苯 hkJTnCQ pm /1076 . 3 )0170(265.2914.755 6 空气 空气邻二甲苯带入 QQQkJ 66 1076 . 3 102 . 1hkJ /1096 . 4

53、6 2) 反应放出的热量 380 时的反应方程式为： 主反应：molkJOHOHCOHC/131233 23482108 副反应：molkJOHOHCOHC/1510325 . 4 23242108 molkJOHOHCOHC/87422 22682108 molkJCOOHOHCOHC/ 7 . 110823 222672108 molkJOHCOOHC/4573585 .10 222108 生成苯酐时放出的热量：10001312 148 89.4368 1 QhkJ /1084 . 3 7 生成顺酐时放出的热量：10001510 2196 33.651 2 QhkJ /1061 . 2 6

54、 生成苯甲酸时放出的热量：1000 7 . 1108 122 47.36 3 QhkJ /1031 . 3 5 生成苯酞时放出的热量：1000874 134 42 . 8 4 QhkJ /1049 . 5 4 生成及其物质时放出的热量： 2 CO10004573 844 28.1609 5 Q hkJ /1009. 2 7 54321 QQQQQQ 反应 54767 103 . 31049 . 5 1009 . 2 1016. 21084. 3 hkJ /10176 . 6 7 3) 损失的热量 总损失的热量为带入和放出热量的 5% %5）（ 反应带入损失 QQQ %510176. 61096

55、 . 4 76 ）（hkJ /10336 . 3 6 4）输出的热量：产物出反应器的温度为 380 表 3-2 出口气体数据表 不同温度下的比热容KmolJ/ 内差后比热 KmolJ/ 物料种类 物质的量 kmol 327387380 苯酐39.39255.6267.4265.78 顺酐8.87127.8134.4133.50 二氧化碳50.2941.8843.3842.48 氧气4.6830.6830.930.768 水163.5935.8837.0536.699 氮气796.9629.9430.57130.381 苯甲酸0.40272.44300.24297.0 苯酞0.08276.803

56、02.72299.7 杂质1.56233.55249.37247.52 由表 3-2 中的数据可计算得出：出口处反应产物带出的热量 以 0 为基准温度 hkJTnCQ pm /1098 . 2 )0380(78.26552.29 6 苯酐 hkJTnCQ pm /10168 . 0 )0380(48.13332 . 3 6 顺酐 hkJTnCQ pm /104 . 3)0380(29730 . 0 4 苯甲酸 hkJTnCQ pm /108 . 6)0380( 7 . 29906 . 0 5 苯酞 hkJTnCQ pmCO /1059 . 0 )0380(48.4257.36 6 2 hkJT

57、nCQ pmO /100752. 0)0380(768.302 . 6 6 2 hkJTnCQ pmOH /107 . 1)0380(699.3607.122 6 2 hkJTnCQ pmN /1089 . 6 )0380(381.30 6 . 596 6 2 所以出口处反应物带出的热量: 2222 NOHOCO QQQQQQQQQ 苯酞苯甲酸顺酐苯酐输出 hkJ /1011.13 6 熔盐移出的热量为： 损失输出反应带入移出 QQQQQ 6676 1011.13103 . 310176 . 6 1096 . 4 hkJ /1031.50 6 3.3 盐冷器的能量衡算 热介质：熔盐 37038

58、0 在此设备中物料无相变化 平均温度下的比热为 kkgkJ/61 . 1 分子量为：kmolkg / 2 . 89 hkg TC Q m mp /1012 . 3 1061 . 1 1031.50 6 6 , 熔 移出 熔盐 所需水蒸汽的量的计算： 用 180的水进行冷却 180的水汽化潜热为molkJ /22.36 kmol H Q n01.1389 22.36 1031.50 6 水 hthkgm/25/250021801.1389 水 3.4 汽体冷却器的能量衡算 热介质：380 300 平均温度为 340 表 3-3 有机物物性数据表 不同温度下的比热容 KmolJ/ 内差后比热 Km

59、olJ/ 物料种 类 物质的量 kmoln/ 327377340 苯酐39.39255.6267.4258.458 顺酐8.87127.8134.4128.665 苯甲酸0.40272.44300.24278.46 苯酞0.08276.80302.72282.42 杂质1.56233.55249.37236.98 表 3-4 无机物物性数据表 不同温度下的比热容 KmolJ/ 内差后比热 KmolJ/ 物料种类 物质的量 kmoln/ 300400340 二氧化碳50.2941.8843.3842.605 氧气4.6830.6830.930.557 水163.5935.8837.0536.49

60、0 氮气796.5629.9430.57130.261 hkJQ/101 . 6300380458.25852.29 5 苯酐 hkJQ/1034 . 0 300380665.12832 . 3 5 顺酐 hkJQ/10069 . 0 30038046.27830 . 0 5 苯甲酸 hkJQ/100135. 030038042.28206 . 0 5 苯酞 hkJQCO/1025. 1300380605.4257.36 5 2 hkJQ/1016 . 0 300380557.307 . 6 5 氧气 hkJQ/1056 . 3 300380490.3607.122 5 水 hkJQ/1044