年产3000吨三氯化磷生产工艺设计毕业论文

年产3000吨三氯化磷生产工艺设计摘要本文重点对三氯化磷进行了介绍，并将它的反应原理，生产工艺和方法进行了比较。为三氯化磷生产建设提供了一个有学术意义又现实可用的依据，在工艺流程中结合了多方面工艺的优点，算是给出一个理论水水平和技术水平都达到领先的设计结果。此设计中含有生产的具体工艺流程，并对各个设备进行了简单设计，对主要设备反应釜的各个部件进行了计算和设计，将此反应过程中物料和能量进行了衡算。反应釜设备设计的内容和步骤，塔设备的强度和稳定性计算。用AutoCAD将化工工艺流程设计和设备设计，并对反应釜和厂区设备布置图进行了绘制。三氯化磷是重要的化工原料，能在有机磷农药生产中发挥很大的潜力，目前使用的工艺方法是逐渐得到的改进的，从三种老工艺方法中脱颖而出的三氯化磷底液法，此法无论在理论上还是技术上都能满足市场的需求，而且生产工艺比较简单，这也给三氯化磷在以后的工业发展中得到更好的利用做了铺垫。关键字：三氯化磷；合成；氯化物；工艺设计

Withanannualoutputof3000tonsofphosphorustrichlorideproductionprocessABSTRACTThispapermainlyintroducesthephosphorustrichloride,anditsreactionprinciple,productiontechnologyandmethodsarecompared.Offersarealisticandavailablefoundationfullofacademicmeaningfortheproductionandconstructionofphosphorustrichloride.Thisdesigncontainsaspecificproductionprocess,andasimpledesignofeachdevice,variouscomponentsofthemajorequipmentreactorwerecalculatedanddesigned.Boththematerialandenergybalanceofthisreactionprocesswerecalculated.Thecontentsandstepsofthereactorequipmentdesign,thestrengthandstabilitycalculationsoftheequipment.ThechemicalprocessandequipmentweredesignedwithAuto-CAD,andthereactorandplantequipmentlayoutweredrawninthepaper.Phosphorustrichlorideisanimportantchemicalrawmaterial,itcanplayagreatpotentialintheorganophosphoruspesticidesproduction,theprocessusingnowhasbeenimprovedgradually,fromoneofthreeoldprocess,thewinnersisthemethodthatusingphosphorustrichloridebasesolution,thismethodcanmeettheneedsofthemarketbothintheoryandtechnology,andtheproductionprocessisrelativelysimple,italsodothegroundworkforbetterusingintheindustrialdevelopmentofphosphorustrichlorideinthefuture.Keywords:phosphorustrichloride;synthesis;chloride;processdesign

目录TOC\o"1-3"\h\u8137摘要 I23821ABSTRACT II18565引言 -1-12031第1章概述 -2-2271本课题的设计背景及现实意义 -2-31626三氯化磷的研究发展 -2-27159课题来源 -3-13427拟解决的问题 -3-5699第2章工艺设计原理 -4-259432.1产品介绍 -4-135692.2反应原理 -4-42.2.1液氯气化工段 -4-242922.2.2黄磷熔融工段 -4-309072.2.3氯化工段 -5-259172.2.4精馏工段 -5-64842.2.5尾气处理工段 -5-22825第3章工艺流程设计 -6-272833.1工艺流程 -6-21512中控分析工序控制参数 -8-197723.2.1液氯气化 -8-217163.2.2融磷工段 -8-267863.2.1氯化反应 -8-24806物料回收 -9-7053.4废气、废水处理 -9-195003.4.1废气 -9-138653.4.2废水 -9-276223.4.3固体废物（废渣、废液） -10-23619第4章工艺计算 -11-20571物料衡算 -11-303914.2排放物综合表 -12-177034.3热量衡算 -12-30968第5章主要设备计算及选型 -15-53975.1氯化工段的主设备 -15-69795.2精馏工段的主设备 -15-137235.2.1精馏塔 -15-272895.2.2冷凝器 -15-244425.3尾气处理工段的主设备 -16-9592第6章主反应釜设计 -17-1291氯化釜设计 -17-13147已知条件 -17-236146.1.2筒体和夹套的设计 -17-13648反应釜的附属装置 -20-8540第7章车间布局设计 -21-24609车间主要设备 -21-8455车间布局设计 -21-53487.2.1厂房的整体布局设计 -21-192167.2.2车间的设备布置设计 -21-4848结论和展望 -22-23830致谢 -23-13955参考文献 -24-

表格清单TOC\t"题注,1"\h20584表3-1液氯气化控制参数 -8-13640表3-2黄磷熔融控制参数 -8-7596表3-3氯化反应控制参数 -9-16806表4-1三氯化磷反应釜物料衡算数据表 -12-6066表4-2年物料衡算表 -12-852表4-3排放物综合表 -12-7183表4-4氯化釜热量衡算汇总表 -13-4135表5-1尾气吸收塔设计参数表 -16-

插图目录TOC\t"样式2,1"\h7978图2-1三氯化磷分子结构图 -4-26991图3-1工艺简易流程图 -6-17821图3-2黄磷回收简图 -9-引言三氯化磷研究已经有了几十年的历史，主要用于制造敌百虫、甲胺磷和乙酰甲胺磷以及稻瘟净等有机磷农药[1]的原料。医药工业用于生产磺胺嘧啶()、磺胺五甲氧嘧啶[2]()。染料工业用于色酚类的缩合剂[3]。三氯化磷也是很好的催化剂、氯化剂和磷溶剂。在最近的超分子化学研究领域也起到了很重要的作用。因其的广泛作用和发展潜力，很多国家都有在生产，并且都在革新技术，改进工艺，使得最近几年三氯化磷的发展有了长足的进步。三氯化磷有剧毒，受到公安部门管制，所以在工业生产中有较大的危险性，生产前要准备足够的安全教育，生产过程中要有多方面的保护措施，发生意外时要有安全的应对方法，还要有专家的指导。因其生产过程中有氯气这一剧毒气体加入，在该工段更要作为关键控制点进行管理。几十年来，其生产工艺一直在进行改进，现在主要是用氯气直接在三氯化磷溶剂中与磷反应的方法制备三氯化磷，这种方法目前是比较安全和简洁又能生产出质量过关的三氯化磷的选择。过去由于生产设备的耐腐蚀性和承压能力差，不能进行大规模的生产，耽误了三氯化磷产业的发展，磷工业也缓慢发展，随着科技的发展，材料领域有了很大进步，已经可以满足工业的要求，现在三氯化磷产业已经进入了一个大规模、高效益，宽市场的时代。三氯化磷的合成是将磷熔融后加入装有三氯化磷底液的反应釜中，液氯气化后得到的氯气通入反应釜中与磷反应，反应釜中反应产物出釜进行蒸馏得蒸汽到冷凝塔进行冷却后部分进入贮存槽其余回流到反应釜继续充当底液，尾气经洗涤塔洗涤后回收。第1章概述本课题的设计背景及现实意义磷化工是70年代以来迅速发展起来的新兴精细化工，我国起步又较晚，与国际水平相比，无论在产品品种和产量上差距都很大。由于磷系化工产品有各自独具的优良性能，在很多领域内取代了原非磷系功能性的化工产品，就以三氯化磷为原料的磷系产品为例；如高效、低毒的有机磷农药，新型水处理剂、阻燃剂、增塑剂和稳定剂等，随着国民经济的发展，需求量与日俱增，合成材料用稳定剂随着聚氯乙烯等产量迅速增长，按目前生产水平还需上百倍增长才能满足需要，而增塑剂工业也要在材料工业迅速发展的现况下尽快赶上节奏，提升规模，发展工艺，以满足材料工业的需要。作为农业的一大支柱——农药生产，对十三亿人口的中国来说是一大命脉，我国土地辽阔，每年由于使用农药可减少粮食损失400多亿斤，棉花90多万担，油料30多万担。但防治面积仅占农业病虫害面积的80%左右，且全国平均用药量每一亩为130克，而同期日本仅杀虫剂使用量就为302克/亩(均以100%有效成份计)。由此可见，我国植保水平还比较低，发展以有机磷农药为主的化学农药是确保农业丰收的重要任务。据统计，我国磷化合物农药的总产量分别占我国当年化学农药总产量的65.5%和73.7%。由于有机磷农药具有高效、低毒及广谱性等优点，经济效益和社会效益都比较明显，深受农民欢迎。近几年来发展速度加快，有机磷农药在化学农药中的比重在不断增长。从农药品种看，目前磷化合物农药见产的约有60余种，其中以三氯化磷为原料的磷化合物农药就占42种之多[4]，且目前产销量最大的五种杀虫剂(甲胺磷，敌百虫，敌敌畏，乐果及氧化乐果)，除乐果外都是以三氯化磷为原料的有机磷农药，现唯一见产的三个调节剂(乙烯利，增甘磷及乙二磷酸)，三个杀菌剂(稻瘟净，异稻瘟净及乙磷铝)和二个除草剂(草甘麟，调节磷和胺草磷)亦都是由三氯化磷出发生产的。由此可见，三氯化磷是有机磷农药的重要原料，开发三氯化磷就成为发展有机磷农药的首要任务，生产出合格的三氯化磷具有重要意义。三氯化磷的研究发展过去由于生产设备的耐腐蚀性和承压能力差，不能进行大规模的生产，耽误了三氯化磷产业的发展，磷工业也缓慢发展，随着科技的发展，材料领域有了很大进步，已经可以满足工业的要求，现在三氯化磷产业已经进入了一个大规模、高效益，宽市场的时代。三氯化磷的合成是将磷熔融后加入装有三氯化磷底液的反应釜中，液氯气化后得到的氯气通入反应釜中与磷反应，反应釜中反应产物出釜进行蒸馏得蒸汽到冷凝塔进行冷却后部分进入贮存槽其余回流到反应釜继续充当底液，尾气经洗涤塔洗涤后回收。三氯化磷的毒理学性质[5]：急性口服毒性，LD50大白鼠150，家禽260，小白鼠143，绵羊138，牛69～103毫克/公斤。经皮毒性，LD50大白鼠500，白兔236毫克/公斤。百草枯工业品原药两年慢性毒性试验无作用量狗34ppm,大鼠170ppm，在处理过的作物中残留量以下。课题来源本课题来源于大学生毕业设计题库。在指导老师的指引帮助和教导下，选定了工艺路线和基本参数，拟建年产3000吨的三氯化磷工厂，创新和改进传统工艺路线，走节能环保，注重减排，抓生产效益，创产业领先地位的道路。为以三氯化磷为原料的产业提供支持，促进化工产业发展，为国家经济建设贡献力量。拟解决的问题(1)尽可能提高产品收率和纯度，采取最佳的反应条件和设备。对粗产品的提纯、精制也要精确处理。(2)在生产过程中进行回收溶剂、原料，这样既可以节省原料，减少生产成本，减少污染，又可以提高产品的纯度。(3)反应过程温度较高，反应原料也都有毒，尤其是氯气都是剧毒物质，且为气体，要做好密封处理和紧急事故处理方案。(4)对主要反应设备进行设计，并附图。第2章工艺设计原理2.1产品介绍化学品中文名称:三氯化磷化学品英文名称：PhosphorusTrichloride分子式：PCl3；分子量：结构式：图2-SEQ图2-\*ARABIC1三氯化磷分子结构图产品性状：无色澄清液体。能发烟。溶于水和乙醇，同时猛烈分解放出大量的热和浓烟，甚至爆炸。溶于苯、氯仿、乙醚和二硫化碳。相对密度(d214)g/cm3。熔点-112℃。沸点7℃。易燃，与有机物接触会着火。易刺激黏膜，有腐蚀性。产品用途：主要用于制造敌百虫、甲胺磷和乙酰甲胺磷以及稻瘟净等有机磷农药的原料。医药工业用于生产磺胺嘧啶()、磺胺五甲氧嘧啶()。染料工业用于色酚类的缩合剂，催化剂[6]，磷的溶剂，氯化剂。2.2反应原理2.2.1液氯气化工段将液氯通入液氯气化器，控制分压为0.6MPa，用热水将液氯气化，温度稳定在50℃[7]，气化后的热氯气通入氯气分配器，之后进入氯化釜进行反应。此过程中的热水由反应釜的循环冷却水提供，即是将反应釜的反应热加以利用，达到了节能环保的效果。热平衡方程如下：2.2.2黄磷熔融工段黄磷常温常压下是固体，而为了黄磷与氯气在反应釜中能够充分接触反应，应将黄磷进行熔化，具体方法是在黄磷贮槽中各个单元间通入蒸汽盘加热黄磷至65℃熔化[8]，再将熔融的黄磷用水压法从下部压入储罐。储罐中的黄磷按一定的流量压入反应釜反应，热平衡方程如下：2.2.3氯化工段氯气通到反应釜中的气体分布器，与三氯化磷液体中的黄磷液体反应，生成三氯化磷时产生大量的热，部分反应热用于加热进入反应釜的原料液和原料气，部分反应热经釜壁传热到夹套中的循环水，加热了的循环水再到液氯气化工序和融磷储磷工段加热原料。反应生成的三氯化磷气体携带着少量的黄磷进入精馏塔进行精馏。热平衡方程如下：2.2.4精馏工段温度较高的三氯化磷气体进入精馏塔，从下向上流动，随着温度的降低，三氯化磷中的黄磷液滴落下到塔釜，经塔釜泵送入反应釜工段继续参加反应，而纯度较高的三氯化磷蒸汽则从塔顶流出，通入冷凝器进行冷凝后进入气液分离器，液体为三氯化磷，部分回流到精馏塔中继续精馏，回流比为4，气体为副反应产物HCl和未反应的氯气，通入尾气处理工段处理。2.2.5尾气处理工段气液分离器排出的废气依次进入尾气分离罐、尾气缓冲罐和尾气吸收塔，在吸收塔中经三级碱液吸收后排入大气。反应方程为：第3章工艺流程设计3.1工艺流程将熔融的黄磷、气化的液氯送入存有三氯化磷底液的氯化釜，在适当的压力和温度下，黄磷和液氯反应，生成三氯化磷，再经过精馏冷凝收集后得到较为纯净的三氯化磷，部分送回氯化反应釜做底液，其余就作成品送入贮槽，尾气经洗净塔洗涤，回收未反应的氯气和三氯化磷后排放。简易流程图如下：图3-1工艺简易流程图具体工艺流程如下：(1)液氯汽化工序本工序将液氯贮槽的液氯汽化为压力约为0.1MPa的氯气。本项目液氯拟采用储罐贮存，贮罐区按液氯三天的用量设置，即×24×3/(l470×0.85)=18m3液氯，考虑储运安全液氯不宜太大，设置18m3储罐1只，并考虑一台空罐用于液氯倒罐，即罐区共设置18m3储罐2只。液氯罐区设置汽化间一座，混凝土结构，二层，布置有液氯中间罐、液氯液下泵、液氯汽化器、氯气缓冲罐、热水槽、热水泵、氯气分配器。由液氯储罐利用位差将液氯放入液氯中间罐，再通过液氯液下泵打入液氯汽化器。液氯汽化器内由热水泵通入热水将液氯汽化后通入氯气缓冲罐，经氯气分配器分配后送三氯化磷车间。用于液氯汽化的热水来自热水槽。往热水槽通入低压蒸汽直接加热槽内的水。出槽的热水用循环泵送入液氯汽化器加热汽化液氯。出液氯汽化器的水返回热水槽。热水的温度靠调节阀调节低压蒸汽的流量进行控制；汽化氯的压力和流量通过调节进入液氯汽化器的热水量和液氯的流量进行控制。液氯汽化器为一开一关式。随着汽化器工作时间的增加，液氯中的NCI3浓度会升高，达到一定浓度时，会导致爆炸。因此须定期分析汽化器中NC13的浓度，当NC13浓度达到40g/L[9]，必须切换汽化器，将汽化器中NC13浓度较高的残液放入排污槽。再自流进入中和槽。在中和槽中含NCl3的液氯与碱液发生反应，NC13被碱液分解吸收，液氯被碱液吸收。液氯卸车(氯气加压卸车)加压气化器入口快开式调节阀，用调节阀调节液氯进料量控制加压气化器出口压力在[10]以上。连接好槽车液氯出口与储罐入口管线及卸车U形弯并试漏合格；连接好槽车气氯加压口与卸车台加压口U形弯并试漏合格。开启槽车液氯出口至储罐液氯入口管线上所有的阀门开始接收液氯；开启加压管线上的手动阀门缓慢加压，接收液氯期间，调整液氯槽车内的压力比接收储罐的压力大MPa，并始终保持MPa以上。观察接收储罐液位和压力的变化，随时调整压差；当液位达到80%时，及时切换灌，避免液位超限。确认槽车内液氯卸完时，首先关闭槽车加压阀，再关闭槽车液出口阀，然后关闭接收储罐液氯入口阀。对卸车U形弯管道抽空后拆除，撤出槽车。卸车采用万向接头。液氯罐区上方设置碱液喷淋管道，32%Na0H溶液来自外管。当有毒气体检测报警仪检测出有毒气体超限时，连锁喷淋头碱液喷出，同时罐区围堰设置吸收液收集池，将吸收液循环喷淋。罐区还设置了一给备用储罐用于事故储罐倒料用。(2)黄磷储存与熔磷工序本项目黄磷用量为760t/a，设计储运周期为一个月，设置70m3液黄磷储槽一台，备用一台。采用半地下式结构，槽内设置水封保温，储槽分隔为若干单元并通入蒸汽盘管加热用于熔磷。槽车运至罐区后采用热水将黄磷压入黄磷储罐，储罐内水至少高于黄磷20cm，水温控制在65℃，至黄磷全部熔成液态沉于水底，再由专用的黄磷液下往复泵将黄磷送至三氯化磷车间。(3)三氯化磷合成工序三氯化磷车间二层、混凝土结构，布置有黄磷计量槽、氯化釜、洗磷塔、冷凝器、防爆帽等设备。来自罐区的液态黄磷在磷静置槽暂存后放入黄磷计量罐，用热水将黄磷送入氯化釜，内通入氯气，投料比为氯气:黄磷=1:0.29，黄磷与氯气在氯化釜中反应，生成三氯化磷，反应迅速，并放出大量的热，及时采用循环水进行冷却，氯化釜中液相温度控制在85℃左右，气相温渡80℃左右，压力20~40mmHg(4kPa)，通氯压力180~220mmHg(30kPa)，通氯速度3kg/h。氯化通过氯化釜温度连锁调节通氯速度，温度高限报警后自动切断氯气和黄磷供应。同时氯化釜上方还设置了防爆帽以防止氯化釜压力超高后有毒气体无组织排放。三氯化磷合成反应为放热反应，其反应式为：(4)精馏及尾气处理工序从氯化釜出来的三氯化磷气体在合成填料塔进一步反应精馏后，经冷凝后得三氯化磷冷凝液，制备得到三氯化磷液体，进入成品贮槽。冷凝分离后产生的气体通入溶有15%液碱的吸收塔中进行三级吸收处理。中控分析工序控制参数3.2.1液氯气化表3-SEQ表3-\*ARABIC1液氯气化控制参数项目控制参数测频温度50℃1次/30分钟通氯速度310kg/h1次/30分钟液氯储罐液位1次/每天气化压力1次/30分钟3.2.2融磷工段表3-SEQ表3-\*ARABIC2黄磷熔融控制参数项目控制参数测频温度65℃1次/30分钟通磷速度95kg/h1次30分钟融磷池液位1次/30分钟黄磷储罐液位1次/每天3.2.1氯化反应配比：液氯：黄磷（质量比）=1：表3-SEQ表3-\*ARABIC3氯化反应控制参数项目控制参数测频釜液温度85℃1次/30分钟压力1次/30分钟反应釜液位1次/30分钟物料回收生产过程中产生的蒸汽主要是夹带着黄磷液滴的三氯化磷蒸汽，经精馏塔精馏后的塔釜液体虽说是精馏的残液，但本设计中的来说，这还是纯度非常高的原料磷，应再压入反应釜继续参加反应。图3-SEQ图3-\*ARABIC2黄磷回收简图3.4废气、废水处理3.4.1废气氯化反应釜反应后，未冷凝的尾气，主要有反应生成的氯化氢、未能参加反应的氯气，形成以氯化氢为主的工艺废气，产生量132t/a，即0.408t/d。拟采取尾气洗手处理装置(降膜吸收+水吸收+碱液吸收三级处理装置)处理[11]后，经至少25m高排气筒排放。3.4.2废水废水主要有废气吸收废水、地面冲洗废水，具体如下：废气吸收废水：少量废气主要为碱液吸收后产生的废水，该股废水显碱性，主要污染物为氯化钠，产生量约为m3/d，150m3/a。降膜吸收、水吸收产生的废水主要含有盐酸，可做副产品综合利用。36m3/d，即为t/a。地面冲洗水水质为：PH6.5~7.5，SS300~500mg/L，CODCr400~600mg/L。3.4.3固体废物（废渣、废液）固体废物主要是氯化釜产生的含磷残渣S1，产生量6t/a，即0.02t/d。属危险废物，须送往有资质的危险废物处置中心处理[12]。第4章工艺计算物料衡算本生产线年产量为3000t，采用连续生产工艺，年产8000h，约330d。原料为纯度99.5%P4和99.8%的液氯，本设计转化率95%，以氯计的三氯化磷选择性为99%，废气经降膜吸收+水吸收处理，吸收率以95%计。主反应：P4+6Cl2→4PCl3副反应：PCl3+Cl2+H2O→POCl3+2HCl基准：选500kg/h氯气原料计算基准。主反应方程式P4+6Cl2→4PCl3原料氯气纯度为99.8%，所以进入反应釜的纯氯气量500kg/h××99.5%=1.177kmol/h，即为14kg/h由于转化率为95%，所以参加反应所用的氯气量为499kg/h×未反应的黄磷量14kg/h×kg/h×99%×4/6=4.407kmol/h，即为605.9kg/h×(1-99%)×4×同样，副反应产物POCl3量为×(1-99%)×4/6kmol/h，即为kg/h算出水渗进量为kmol/h，质量流量为kg/h则三氯化磷年产量为605.9kg/h×8000h=4847200kg=4847.2t比例系数3000/4847.2将上述各物料的计算值乘以比例系数，汇总列入下表表4-SEQ表4-\*ARABIC1三氯化磷反应釜物料衡算数据表组分输入摩尔流量/(kmol/h)输入质量流量/(kg/h)输出摩尔流量/(kmol/h)输出质量流量/(kg/h)Cl20.217P4950.074H2O00HCl00POCl30074.14PCl300表4-SEQ表4-\*ARABIC2年物料衡算表物料输入/t输出/t液氯2476黄磷760水40氯化氢01三氯氧磷03三氯化磷030004.2排放物综合表表4-3排放物综合表序号类型名称主要成分排放量1废气氯气未反应的原料微量2废气氯化氢未吸收副反应产物微量3废水吸收废气水水，氯化钠，氢氧化钠少量4废水反应釜废水水，氯化磷，少量原料，少量5废渣氯化废渣污磷少量6废渣融磷废渣少量原料微量4.3热量衡算在进行热量衡算时，主要对生产过程中的反应设备进行计算，以确定加热剂和制冷剂的用量。以每天生产9000kg三氯化磷为计算基准，热量衡算的基准温度为0℃。已知条件①单台反应釜的投料量：氯气kg，黄磷95kg，三氯化磷。②反应釜规格φ1200/1300×1400（筒体），V=2000L，数量2台。③操作要求：温度≤85℃，反应时间24小时各项热量值计算①（因为黄磷由磷计量槽抽过来时温度较高所以取初始温度为65℃）黄磷由65℃升温至85℃，氯气由50℃升温至80℃所需热量Q＝∑WCp(t2-t1)=95××20+××30=4822kJ/h②反应热的计算主反应：P4+6Cl2→4PCl3+628kJ/mol由物料衡算知三氯化磷生成流量为2.728kmol/h，则反应釜中每小时产生反应热量为2728/4mol/h×628kJ/mol=428296kJ/h，即热负荷QC=428296kJ/h所以每小时每台反应釜需要由循环水带走的的热量为：W－Q=428296－4822=423474kJ4.3.2传热面积的确定[13]采用循环水进行降温，总传热系数K取1136kJ/m2·℃。冷水T20→80△t=60由文献[9]公式4-44得传热面积为S＝Q/(K·△t)=423474/(1136×60)=m2即要求反应釜的传热面积达到m2.传热剂用量的计算由式Q＝WCp(t2-t1)得W=Q/Cp(t2-t1)=423474/(×60)=kg即每台反应器每小时需要kg冷水进行降温。表4-4氯化釜热量衡算汇总表项目参数反应热/kJ/mol628投料量/mol/h682加热物料热损耗/kJ/h4822反应放热/kJ/h428296传热面积/m20冷却水用量/kg/h总传热系数K/kJ/m2·℃1136控制温度/℃85冷却水温差/℃60总能量差/kJ0第5章主要设备计算及选型5.1氯化工段的主设备氯化反应釜物料：由投料比为氯气氯气kgV=m3黄磷95kgρ=1820kg/m3V=m3三氯化磷kgρ=1574kg/m3V=m3合计体积++=m3由于物料在反应过程中产生泡沫，呈沸腾状态，取装料系数为[14]，则反应釜容积为/0.6=m3选用2000L搪玻璃夹套反应釜。5.2精馏工段的主设备精馏塔本设计中采用板式精馏塔，进料为露点进料，年产量为3000吨三氯化磷液体。塔顶设计温度78℃，塔底为85℃三氯化磷蒸汽，夹带着部分黄磷液滴。实际生产过程中，取塔板效率E=0.5。塔高计算公式如下：精馏塔工艺参数：原料处理量F=400kg/h塔顶温度tD=78℃塔顶物流量D=375kg/h塔底温度tW=85℃塔底物流量W=25kg/h103kJ/h进料塔板温度tF=85℃理论塔板数NT=12塔径D=762mm进料塔板序号NF=12塔径圆整为800mm塔顶压力pD塔板间距400mm塔底压力pD塔高H=5000mm冷凝器经精馏塔精馏过来三氯化磷蒸汽进入冷凝器，流量约为375kg/h，采用管壳式换热器，三氯化磷蒸汽走管程，冷却水走壳程，冷却水由20℃升温到60℃，三氯化磷由78℃降温至25℃103kJ/h。换热管材料选碳素钢管φ252.5(mm)，查资料[13]得设计尺寸公称直径Dg=600mm传热管数量Nf=254换热管长L=1500mm23/h公称压力16kg/m25.3尾气处理工段的主设备表5-1尾气吸收塔设计参数表混合气处理量：10m3/h工艺参数名称碱液氯气操作压力/kPa130130操作温度/℃2020流速/m·s-110流体密度/kg·m-3质量流量/kg·h-120进料管管径DN30DN60出口管径DN30DN60扩散系数/m2·h-1106黏度/kg·m-1·h-1表面张力/kg·h-2945675塔径/mm600填料层高度/mm2000分布点数72塔的附属空间高度/m填料层压降/Pa4380第6章主反应釜设计氯化釜设计已知条件①设计压力：釜内≥0.6MPa，夹套≤0.7MPa②设计温度：釜内≤100℃，夹套≤100℃③介质：釜内为三氯化磷、磷混合液和氯气，夹套内为循环水，中度腐蚀④全容积：2m3⑤传热面积：m2⑥搅拌桨形式：框式6.1.2筒体和夹套的设计(1)确定筒体的直径和高度反应釜容积为m³对气-液相类型选取H/Di=，估算筒体的内径将计算结果圆整至公称直径标准系列[15]，选取筒体内径Di=1200mm，查陈国桓《化工机械基础》附录得到DN=1200mm时标准椭圆封头曲面高度h1=300mm，直边高度h2=25mm，封头容积Vh=0.255m3，表面积Fh=m2。由手册查得，每一米高的筒体容积V1=m3，表面积F1=㎡于是H/D=1.4/1.2=1.2，复核结果基本符合原定范围。所以筒体高度为H=1400mm。(2)确定夹套的直径和高度筒体内径Di=1200mm，所以夹套内径为Dj=1200+100=1300mm。估算夹套的高度选取夹套高度Hj=1300mm，上下封头与筒体用焊接。传热面积F=F1Hj+Fh=×+=m2大于要求的传热面积m2，可以满足降温要求。(3)确定夹套的材料和壁厚[16]由于夹套内的介质是冷却水，介质对材料的腐蚀轻微，故选用Q235-A为夹套材料，查手册对板厚为时，得Q235-A设计温度为100℃的许用应力[σ]t=113MPa，夹套加热蒸汽系统装有安全阀，选取夹套设计压力P=0.7MPa。夹套筒体与内筒的环焊缝因无法双面焊和作相应的探伤检查，从安全考虑，夹套上所有焊缝均取焊缝系数Ф=，取壁厚附加量中的钢板厚度负偏差C1，单面腐蚀取腐蚀裕量C2=1mm。夹套的壁厚计算如下：凸形封头的壁厚附加量也只考虑C1和C2，加工成型的减薄量由制造厂根据加工条件来确定，以保证壁厚符合图纸数值，设计计算时可不作考虑，取C1，C2=1mm，标准椭圆形夹套封头的壁厚为圆整至钢板规格厚度并查阅封头标准，选取夹套的筒体和封头的壁厚均为δn=6mm。(4)确定内筒的材料和壁厚由于釜内壁将加工一层搪玻璃，用以保护原料液对内壁的腐蚀，所以筒体材料也可选用Q235-A，筒体受内压取设计压力为P=0.6MPa，设计温度为100℃，参考前面计算夹套壁厚结果，可知按强度计算内筒的壁厚约为6mm，而筒体又受外压作用，按设计外压P=0.6MPa，所得壁厚必大于内压设计的壁厚，则按外压稳定设计的壁厚，一定能满足内压强度的要求，可不再作内压设计。由于内筒筒体按外压设计，而且设计外压较大，内壁为搪玻璃且受单面腐蚀作用，可初选筒体壁厚δn=12mm，并取C1，C2=1mm，筒体有效壁厚δe=δn-C=10.2mm，内筒受外压作用的计算长度L为被夹套包围的筒体部分加凸型封头高的1/3查文献[15]（化工机械基础）图10-15，由D0/δe=120和L/D06，查得系数A=×10-3；再查文献[8]图10-18，由系数A查得系数B=110MPa。筒体的许用外压为因为[P]＞P，且比较接近，所以取筒体δn=12mm，此时外压稳定和内压强度均能满足要求。选取筒体下封头壁厚δn=12mm，壁厚附加量中C1，C2=1mm，所以筒体下封头的有效壁厚δe=δn-C=12-1.8=10.2mm；标准椭圆形封头的外压计算当量球面半径Ri=KDi=0.9×1200=1080mm，计算系数A为查文献[8]图10-18，由系数A查得系数B＝100MPa，许用外压为取筒体下封头壁厚δn=12mm，符合外压稳定和内压强度要求，筒体的上封头只受内压作用，并不受外压作用，为了便于制造取上封头壁厚与筒体下封头壁厚相同。(5)水压试验及其强度校核内筒体水压试验压力由PT=P+0.1=0.7MPa，PT=1.25P=0.75MPa，取二者中较大值，PT=0.75MPa；夹套水压试验压力由PT=P+0.1=0.8MPa，PT=1.25P=0.875MPa取夹套水压试验PTj=0.88MPa。内筒水压试验时壁内应力夹套水压试验是壁内应力因Q235-A在常温时σS=235MPaS=0.9×235MPa=211.5MPa水压试验时内筒、夹套壁内应力都小于S，水压试验安全。反应釜的附属装置密封装置采用机械密封结构，标准号为HG21571-95MS-2004-100。接管型号参数黄磷进料口φ100×150氯气进料口φ100×220三氯化磷出料口φ120×150卸料口φ60×240进水口φ60×240出水口φ60×240第7章车间布局设计车间主要设备车间主要设备有：氯化釜(φ1200/1300×1400，1台)，精馏塔(φ800×5000，1台)，液氯储罐(φ1200×1600，2m3，2台)，液氯气化器(φ800×1000，1台)，氯气分配器(φ400×600，1台)，黄磷储罐(φ600×800，2台)，磷计量槽(φ400×600，m3，2台)成品计量槽(φ1400×1600，3，2台)冷凝器(φ600×1500×25，2台)气液分离器(φ500×800，2台)尾气分离罐(φ300×650，2台)尾气缓冲罐(φ400×600，1台)尾气吸收塔(φ600×2000，2台)循环水高位槽等。车间布局设计7.2.1厂房的整体布局设计三氯化磷车间布置在厂区中北部，装置区东侧为黄磷储罐位置，西侧为黄磷储罐位置，北侧为尾气处理工段设备放置区，南侧为办公楼和配电房。三氯化磷装置区为敞开式钢框架结构，属甲类火灾爆炸危险场所，耐火等级二级。三氯化磷车间办公楼(含中控室)布置在装置区的北面二层钢筋混凝土框架结构，危险类别为丙类，耐火等级为二级。各建(构)筑物间距符合规范要求，布局合理。7.2.2车间的设备布置设计合成车间：长度为100m，宽度为63m，呈长方形，3层，楼层标高，15.5m。车间设备采用流程式布置，较前的生产工序在上，较后的在下，尽量利用高低位差，使物料采用重力输送，降低能耗和人力。车间设备布置如下：平面主要设置有氯化釜，成平计量罐，氯气分配器，磷计量罐，尾气处理装置，罐区等，二楼主要设置有精馏塔，三楼主要设置有冷凝器，高位水槽等。结论和展望现代的化工生产工艺要求原料价格低廉，操作简单，产品纯度高，效益好，污染较少。本文根据厂方提供的资料和充分的文献资料查找的基础上，设计了较为合理的生产合成路线。本项目采用的是将黄磷、氯气以及回流的三氯化磷送入氯化反应釜，在适当压力下反应生成三氯化磷。三氯化磷蒸汽夹带磷液滴进入精馏塔精馏，磷冷凝回收返回反应釜继续反应，尾气经尾气吸收塔吸收后排空，三氯化磷经冷凝器冷凝后部分返回反应釜作底液，剩余部分进入成品计量罐，即为本设计的产品。结论：1.此次工艺设计使用的原料一种有剧毒，是氯气，在生产过程中要注意自我保护，另一种黄磷在常温遇空气下即可燃烧，生产过程中要特别注意原料的泄漏，避免生产事故，工作场所要配备充足的灭火器和防毒面具。要掌握基本的救护知识和安全意识。2.在设计中注重排放物的回收处理，反应过程中有少量黄磷被三氯化磷蒸汽带走，在回收过程中要注意隔绝空气，顺利回收再利用；对于废水中还含有副反应产物氯化氢，要用碱液处理。3.本设计中每一工段结尾都要进行蒸馏提纯，物料回收，这有效的保证了产品的纯度和原料的有效利用。展望：三氯化磷是一种用途广泛的重要化工