化工设计任务书
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北京化工大学 化学工程学院
设计说明书
“化工设计”课程作业
题目：应用PROⅡ软件设计苯酐的生产工艺过程
学生：
班级：
学号：
2010 年 月 日
苯酐工艺设计说明书
一、工艺流程说明：
1、 设计任务
1.1设计任务
试设计40000t/年邻苯；甲酸酐（苯酐)的装置，年工作时数为每年8000h，产品流量5000kg/h，产品纯度（质量分数）大于99.9％，产品回收率为92％
1.2产品规格及用途
苯酐，白色有光泽针状晶体或鳞片状固体。相对密度1.527，沸点284.5℃，熔点131℃，自燃点570℃，闪点（闭环)151.6℃，在沸点以下易升华。难溶于水，微溶于热水、乙醚和二氧化碳，溶于乙醇、苯、氯仿和吡啶。有毒，空气中最高允许浓度2×10-6；易燃，遇明火、强氧化剂有引起燃烧爆炸的危险，其蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限1.7％～10.4％。苯酐目前广泛应用于化工、医药、电子、农业、涂料、精细化工等工业部门。我国的苯酐主要用来生产邻苯二甲酸酯类增塑剂，耗用的苯酐约占苯酐总消费量的60％，染料和油漆占25％，不饱和树脂及其他产品占15％左右。
1.3原材料的规格及来源
邻二甲苯（96％)，主要生产企业为一些国内大型石化企业。催化剂为V2O5-TiO2系列负载型催化剂。
2.生产方法及工艺流程
2.1生产方法选择
苯酐生产的工艺路线有以萘为原料的流化床技术和以萘或邻二甲苯为原料的固定床氧化技术。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，本设计以LAR法作为设计和计算基础。
2.2工艺流程简述
苯酐生产工艺系统包括氧化反应部分、冷凝水洗部分、苯酐精制部分。
2．2．1 氧化反应部分
邻二甲苯通过换热器预热，经净化换热器加热后在汽化器内混合均匀并完全雾化，进入反应器反应。反应器内埋填换热列管，用熔盐循环移去反应热，热的熔盐产生高压蒸汽。
2．2．2 冷凝水洗部分
反应气体冷却后在切换冷凝器中凝华，然后再融化，苯酐粗品流到储罐中。从冷凝器中排出的尾气为未反应的空气和反应生成的一氧化碳、二氧化碳及少量有机物，经水洗塔洗涤回收有机物后排放。洗涤水中主要含有顺酸（顺丁烯二酸)，通过加工可经济地回收，使过程无废水排出。
2．2．3 精制部分
粗品苯酐经高压蒸汽预热后，进入第一精馏塔T101，顺酐及少量的苯甲酸作为塔顶馏出物而分离出来，使苯酐得到进一步的提纯，塔底产物为苯酐。塔底苯酐进入第二个精馏塔T102，在热虹吸式再沸器和重力及真空作用下回流循环纯化，脱除重组分杂质后，苯酐从塔顶流出。
二、具体过程计算，过程优化
3．1 计算条件及基准
3．1．1 体系所含组分
本设计选用PRO Ⅱ软件进行模拟计算，需完整定义体系所包含的所有组分，组分如下：
1——二甲苯（OXYLENE)； 8——甲基琥珀酸酐（METHSUCAND）；
2——氧气（O2） 9——马来酸酐（MANH）；
3——邻苯二甲酸酐（PHTHAND）； 10——一氧化碳（CO）；
4——氮气（N2）； 11——马来酸（MALEIC）；
5——氩气（AR）；
6——水（H2O）；
7——苯甲酸（BENZOIC）；
(其中忽略CO2、苯酞、甲苯甲醛的副反应)
3．1．2 设定的输入条件
S1流股情况 S2流股情况
物料输入温度：25℃ 物料输入温度：25℃
入口压力：0.1013MPa 入口压力：0.1013MPa
流股相态：气相 流股相态：液相
流率（质量）：44650.1kg/h 流率（质量）：4700.02kg/h
流股组成：O2，21％；N2，78.05％；CO2，0.95％ 流股组成：邻二甲苯
3．2 反应过程
3．2．1 反应方程及反应平衡常数
反应平衡常数表达式：
5432lnlnHTGTFTETDTKCBTAK
3．2．2 反应器参数
反应床层温度：360～380℃；
反应压力：0.1013MPa；
原料：工业级邻二甲苯；
进料量：4700kg/h；
转化率：99.8％；
苯酐选择性：约0.8；
催化剂：低温高空速、V2O5-TiO2负载在惰性载体上的催化剂；
空邻比：9.5:1；
主要副产物：苯肽、顺酐、苯甲酸、柠康酐、二氧化碳。
3．3 分离过程
各塔的工作参数见表2。
表2 各塔的工作参数
塔 塔板数 塔顶压力/kPa 全塔压降/kPa
T101
T102
T103 46
44
2 10
10
90 20
20
10
3．4 原材料和动力的消耗定额和消耗量
原料和动力的消耗量见表3。
表3 原料和动力的消耗量
序号 名称 单耗/（t/t） 年耗量/t
1 邻二甲苯（96％） 0.98 39200
2 催化剂 0.00025 10
3 熔盐 0.0015 60
4 水 15
5 电 335kW，h/t kW·h
6 空气 11m3/t m3
3．5 计算结果
通过模拟计算，得到总物料衡算列于表4，流程中每个流股的物料及能量衡算见表5。
表4 年产4万吨苯酐工艺的总物料衡算 单位：t/h
项目 邻二甲苯 空气 苯酐 马来酸酐 水 残留物 总计
进料 4.700 44.650 0 0 0 0 49.350
反应产物 0 39.165 5.254 0.295 2.520 2.116 49.350
闪蒸出口（仅考虑液体部分） 0 0 5.220 0.237 0.041 0.295 5.793
苯酐粗品 0 0 5.220 0.237 0.04l 0.295 5.793
苯酐产品 0 0 5.214 0 0 0.003 5.217
4 苯酐分离过程的模拟与优化
分离过程首先根据初值进行模拟计算，然后进行操作条件的选择及理论级数的确定。
操作条件与塔所需的理论级数是相互影响的。操作条件改变，达到相同的分离要求所需的理论级数也会改变。反之，理论级数改变，其操作条件也应作相应调整，才能达到相同分离要求。现根据初步模拟的结果进行进一步的优化。
4．1 分离系统
从反应器中出来的气体含有苯酐、副产品顺酐、水等物质，它们都是以气体形式存在。在进入分离塔之前，要将气体冷却成液体或者气液两相共存。三组分的混合体系，采用两个精馏塔，即一个顺酐分离塔和一个苯酐提纯塔来将三种物质分离。
在根据排定塔序的推理法则，三组分中苯酐的流量最大，而且也最重，所以本设计中塔的分离顺序如下图2所示。
4．2．1 塔压力的选择
顺酐在常压下的沸点是202℃，而苯酐的沸点是284.5℃，在常压下精馏需要消耗大量能量，不经济。从图3和图4来看，压力越小，顺酐和苯酐的气液平衡曲线离对角线愈远，愈有利于在精馏过程中进行分离。故设计本精馏塔的压力为30kPa。
4．2．2 进料位置对分离效果的影响
通过模拟一定理论板数（23块）和回流比（2.0）下，进料位置对分离效果的影响，得到如图5所示结果。
（1）随进料板位置的变化，苯酐从塔顶流出的量呈线性关系，进料板位号增加，苯酐的损失量趋于零。
（2）随进料板位号的增加，塔底顺酐的量出现最小值，这说明进料板存在最佳位置，使该塔达到最佳的分离效果。可采用第8块理论板作为最佳进料板。
4．2．3 论板数对分离效果的影响
进料位置在第8块理论板时，回流比采用2.0时，探讨理论板数对分离效果的影响。模拟结果如图
表6 塔T10l优化结果
名称 数值 名称 数值
理论塔板数
最佳进料位置
塔顶温度／℃
塔底温度／℃
塔顶压力/kPa
塔底压力/kPa 23
8
117
237
10
30 回流比
顺酐回收率/％
苯酐损失/(km01/h)
冷凝器热负荷/(106kJ/h)
再沸器热负荷/(106kJ/h)
塔顶采出量/(kmol/h) 2.0
99.96
4.3×10-4
0.450
0.755
3.315
表7 塔T101各物流模拟优化结果
项目 进料物流 塔底出料 塔顶出料
相态 混合相 液相 汽相
温度/℃ 220 237 162.3
压力/kPa 101.3 30 10
总流率/(km01/h) 39.608 36.293 3.315 苯酐/(km01/h) 35.227 34.933 0.294
顺酐/(km01/h) 2.384 0.001 2.383
重组分/(kmol/h) 1.997 1.359
0.638
苯酐摩尔分数 0.889 0.963 0，089
顺酐摩尔分数 0.060 0 0.719
重组分摩尔分数 0.051 0.037 0.192
4．3 苯酐回收塔T102操作条件确定
T102的作用在于对苯酐产品进行提纯，使其纯度(质量分数)达到99.9％，回收率达到99.8％。在此目标下对该塔进行模拟优化，寻找达到该分离要求的最佳操作条件。
4．3．1 塔压力的选择
苯酐在常压下的沸点是284.5℃，故在常压下精馏，需要消耗大量能量，不经济。从分和经济的角度考虑，本设计精馏塔的压力为30kPa。
4．3．2 进料板位置对分离效果的影响
通过模拟在一定理论板数（22块）和回流比（0.40下，进料板位置对分离效果的影响，得到如图8所示。
由图8可得到如下结论。
