年产一万吨苯酚粗苯蒸馏工序工艺的设计

太原科技大学 毕 业 设 计（论 文） 题目：年产一万吨苯酚粗苯蒸馏工序工艺的设计 姓 名： 学院(系)： 化学与生物工程学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 工艺1321班 指导教师： 2015年 6 月 1 日 太原科技大学毕业设计（论文）任务书 学院（直属系）：化学与生物工程学院 时间：2015年3月8日 学生姓名 郭亚朋 指导老师 王齐 设计（论文）题目 年产一万吨苯酚粗苯蒸馏工序工艺设计 主要研 究内容 1.工艺方案的确定； 2.蒸馏釜的物料衡算及能量衡算； 3.蒸馏釜的尺寸计算 4.分馏塔的物料衡算及热量衡算； 4.分馏塔的尺寸计算； 5.部分冷凝器的物料衡算及能量衡算； 6.设计说明书； 8.蒸馏釜、分馏塔、部分冷凝器的结构流程图 研究方法 为完成好毕业设计，采取的方法如下： 1.查阅文献获取该课题的背景及最新知识； 2.通过毕业实习获取工厂生产实际信息。 主要技术 指标(或研究目标） 1.培养学生搞毕业设计的思路，为将来从事技术性工作打基础； 2.培养学生获取文献并用所学知识进行综合分析计算的能力； 3.培养学生设计说明书的书写能力，并最终完成设计。 主要参考文献 1.王志魁.化工原理[M].北京：化学工业出版社，2004.256～314. 2.申迎华，郝晓刚.化工原理课程设计[M].北京：化学工业出版社，2009.23～71. 年产一万吨苯酚粗苯蒸馏工序工艺的设计 摘要 本设计对苯酚的性质、用途和生产工艺进行了详细地概述，阐述了其在化学工业中的重要作用和地位。本文是年产1万吨苯酚粗苯蒸馏工序工艺的设计，生产工艺是以苯、硫酸、烧碱为原料，经磺化碱熔法生产苯酚，此方法为磺化法。通过查阅苯酚生产工艺的文献资料而选定生产方法。在确定苯酚生产工艺的基础上进行物料衡算、热量衡算以及设备选型等。 说明书内容包括： 一、苯酚的概述，重点介绍其性质、用途及国内外发展情况； 二、生产工艺的设计，重点说明粗苯蒸馏工序的生产原理与流程； 三、蒸馏釜的物料衡算与热量衡算及尺寸计算； 四、分馏塔的物料衡算与热量衡算及尺寸计算； 五、部分冷凝器的物料衡算与热量衡算及尺寸计算；。 20 前言 苯酚是重要的基本有机化工原料，其许多下游产品涉及到众多领域，在工业上的用途很广，主要用于制造酚醛树脂、双酚A和己内酰胺。此外，苯酚衍生物如卤代酚、硝基酚、烷基酚可用于医药、农药、油漆、染料、炸药、石油添加剂、脱漆剂、木材防腐剂、香料等的生产，在皮革领域还用来消毒。随着工业经济的发展，特别是合成材料的品种和产量迅速扩大和增长，可以预测在世界范围内对苯酚的需求量将持续增长，苯酚下游产品开发大有可为。 国内苯酚市场一直存在较大的缺口，在“十一五”期间国内外的苯酚生产商纷纷加大在中国，特别是长三角地区的投资。据统计，随着建滔化工集团实友化工（扬州）有限公司300kt/a苯酚/丙酮装置的建成投产以及建滔化工集团惠州忠信化工有限公司250kt/a苯酚/丙酮装置扩能改造的完成，2012年国内苯酚总产能将达到1122kt/a，预计到2013年底将达到2652kt/a。根据多年的统计数据，苯酚表观消费量的年均增长率高于同期国内生产总值（GDP）年均增长率为1.3%-1.5%。 本设计为年产量一万吨苯酚粗苯蒸馏工序的工艺设计，采用了磺化法生产苯酚，重点设计蒸馏釜、精馏塔和部分冷凝器。本设计以理论设计为主，参考了大量资料和书籍，力求接近实际、切合实际。 由于水平有限，设计经验不足，设计汇总难免存在纰漏和不足之处，敬请各位老师和同学批评指正。   第1章 概 述 1.1 产品概述 1.1.1 苯酚的简介 苯酚（Phenol，C6H5OH）是一种具有特殊气味的无色针状晶体， 有毒，是生产某些树脂、杀菌剂、防腐剂以及药物（如阿司匹林）的重要原料。也可用于消毒外科器械和排泄物的处理， 皮肤杀菌、止痒及中耳炎。熔点43℃，常温下微溶于水，易溶于有机溶剂；当温度高于65℃时，能跟水以任意比例互溶。苯酚有腐蚀性，接触后会使局部蛋白质变性，其溶液沾到皮肤上可用酒精洗涤。小部分苯酚暴露在空气中被氧气氧化为醌而呈粉红色。 1.1.2 苯酚的性质 化学性质 可吸收空气中水分并液化。有特殊臭味，极稀的溶液有甜味。腐蚀性极强。化学反应能力强。与醛、酮反应生成酚醛树脂、双酚A，与醋酐；水杨酸反应生成醋酸苯酯、水杨酸酯。还可进行卤代、加氢、氧化、烷基化、羧基化、酯化、醚化等反应。苯酚在通常温度下是固体，与钠不能顺利发生反应，如果采用加热熔化苯酚，再加入金属钠的方法进行实验，苯酚易被还原，在加热时苯酚颜色发生变化而影响实验效果。 物理性质 相对蒸气密度（空气=1）：3.24 折射率1.5418 饱和蒸气压(kPa)：0.13(40.1℃) 燃烧热(kJ/mol)：3050.6 临界温度(℃)：419.2 临界压力(MPa)：6.13 辛醇/水分配系数的对数值：1.46 爆炸上限%(V/V)：8.6 引燃温度(℃)：715 爆炸下限%(V/V)：1.7 溶解性：可混溶于醚、氯仿、甘油、二硫化碳、凡士林、挥发油、强碱水溶液。常温时易溶于乙醇、甘油、氯仿、乙醚等有机溶剂，室温时稍溶于水，与大约8%水混合可液化，65℃以上能与水混溶，几乎不溶于石油醚。 1.1.3 苯酚的用途 工业 苯酚是重要的有机化工原料，用它可制取酚醛树脂、己内酰胺、双酚A、水杨酸、苦味酸、五氯酚、2,4-D、己二酸、酚酞n-乙酰乙氧基苯胺等化工产品及中间体，在化工原料、烷基酚、合成纤维、塑料、合成橡胶、医药、农药、香料、染料、涂料和炼油等工业中有着重要用途。此外，苯酚还可用作溶剂、实验试剂和消毒剂,苯酚的水溶液可以使植物细胞内染色体上蛋白质与DNA分离，便于对DNA进行染色。 医疗 【用法与用量】 1.器械消毒及排泄物处理1%～5%水溶液。 2.皮肤杀菌与止痒：2%软膏涂患处。 3.中耳炎用1%～2%苯酚甘油滴耳，每日3次。 广泛用于制造酚醛树脂、环氧树脂、锦纶纤维、增塑剂、显影剂、防腐剂、杀虫剂、杀菌剂、染料、医药、香料和炸药等 1.1.4 国内苯酚的发展前景 今年我国经济放缓，苯酚交易清淡，但总体上，市场对苯酚的需求逐年上升，受此影响，国内苯酚装置出现扩产高潮，企业应警惕产能过剩。 受欧债危机蔓延、国内经济增长减缓等因素影响，国内建筑行业、汽车行业、家电行业等终端市场需求明显萎缩，导致酚醛树脂、减水剂、聚碳酸酯和双酚A下游行业需求锐减，市场购买能力明显下降，苯酚市场成交量稀少。但我国市场对苯酚的需求量逐年上升，且上升幅度较大，2010年表观消费量达到140万吨，比上年增长16.7%;2011年表观消费量达到160万吨，增长12.1%。国产苯酚的产量不能满足市场的需求，国内苯酚装置正在出现扩产高潮，预计2013年新增产能182.75万吨/年，苯酚总产能有望达到290.85万吨，产量预计达到340万吨左右，我国苯酚消费量将达到198.8万吨，产量将超过消费量，应引起我国企业警惕。业内人士表示，由于世界苯酚生产能力增长也很快，且新建、扩建装置几乎都集中在亚洲，我国苯酚市场竞争将更加激烈。 1.2 苯酚的生产工艺 以苯为原料，用硫酸进行磺化生成苯磺酸，用亚硫酸中和，再用烧碱进行碱熔，经磺化和减压蒸馏等步骤而制得。 第2章 生产工艺设计 2.1 生产工艺基本原理 2.1.1 蒸馏釜的原理 蒸馏是一种热力学的分离工艺，它利用混合液体或液-固体系中各组分沸点不同，使低沸点组分蒸发的过程。 蒸馏釜，涉及一种化工生产中蒸馏所使用的釜。主要是为解决现有的蒸馏釜在生产过程中当物料中含有固状物及高沸点物时需间断检修清理的问题而设计的。它包括蒸馏釜壳体，在蒸馏釜壳体上方是上封头，上封头上有气体出口，上封头下方有除沫器，除沫器下方为贮料室，贮料室上部有进料口，室内设立式蒸发器，蒸馏釜下部为固状物及高沸点物沉降室，在沉降室内设搅拌器，搅拌器轴通过轴封与外部电机相连，蒸馏釜底部设固状物及高沸点物排出口。优点是可随时排出固状物及高沸点物，无须间断检修清理，保证生产连续进行。 酚水经进料口进入储料室，酚水在蒸发器提供热量的条件下进行蒸馏分离，使得低沸点物质与高沸点物质在搅拌器的作用下得到分离，低沸点物质经除沫器后通过气体出口而排出，高沸点物质通过蒸馏釜底部而排出。 2.1.2 分馏塔的基本原理 在有限的空间内，尽可能的增大液相混合物的热交换面积，一般用于精馏分馏的混合物为有机共沸物，共沸物从反应釜内首先受热上升至分流段，沸点低的继续上升，因为塔顶在受到低沸点物的传热后温度和低沸点物一致，所以低沸点物被分馏出来，而较高沸点物因为没有达到相应的沸点，故会受冷却后回流至反应釜内或分馏柱下半部分，待低沸点物被完全馏出后，较高沸点物相继被分馏，然后是高沸点物的馏出，最后反应釜底部是残渣。 水与苯酚蒸汽经飞沫阻挡器扑集飞沫与液滴后，进入分馏塔，与塔上部回流的高沸馏分凝液进行热与质的传递后，低沸馏分成气态上升进入部分冷凝器，再次，低沸馏分中的高沸物再次被冷凝，凝液回流入塔，塔底凝液经液封管返回蒸馏釜内，未凝蒸汽经列管全凝器与冷却水换热，全部冷凝成液体。 2.1.3 部分冷凝器的工作原理 管壳式(又称列管式) 冷凝器是管壳式换热器，主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束或者螺旋管，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 在间壁式冷凝器中，酚水气体混合物走壳程，冷却水走管程，酚水气体混合物在冷却水的作用下得以部分冷却，使得高沸点物质得到了冷却，低沸点物质通过壳程流出冷凝器。 2.2 生产工艺流程 本次设计主要设计粗苯精馏工序 粗苯蒸馏工序工艺流程 自粗苯酚中蒸出酚水过程是在真空中进行的，加入蒸馏釜内的粗酚，用釜内的大小加热蛇管升温至沸，在0.053MPa真空下，水与苯酚蒸汽经飞沫阻挡器扑集飞沫与液滴后，进入分馏塔，与塔上部回流的高沸馏分凝液进行热与质的传递后，低沸馏分成气态上升进入部分冷凝器，再次，低沸馏分中的高沸物再次被冷凝，凝液回流入塔，塔底凝液经液封管返回蒸馏釜内，未凝蒸汽经列管全凝器与冷却水换热，全部冷凝成液体，进入酚水受槽，待酚水出尽后用0.25MPa压缩空气压入酚水高位槽，供分解配料用。 2.3 主要设备的选择 2.4.1 蒸馏釜的选择 蒸气加热式的减压蒸馏釜 2.4.2 分馏塔的选择 采用间歇式的气相式入料的塔式分馏塔 2.4.3 部分冷凝器的选择 采用列管式冷凝器 2.5 三废处理 2.5.1三废排放物 本生产工艺产生的三废排放物见下表（以每吨苯酚产品计）： 表2.1三废排放物表 序号 名称 组成 单位 数量 处理方法 排放源 1 酸性水 C6H6含量990.81mg/l含有少量亚硫酸 立方米 0.70 排下水 循环使用 2 蒸馏真空泵尾气 酚含量4.220mg/m3 立方米 206.52 排空 尾气排气筒 3 苯基苯酚残渣 苯基苯酚含量 吨 0.011 外排 苯基苯酚蒸馏锅 2.5.2 处理方式 (一) 苯酚蒸馏树脂的处理 1.蒸馏树脂的加水处理 树脂加水处理是在树脂酸化槽内进行的。接受蒸馏树脂3-4次，体积约3000升后，停止加料，加入洗锅水高位槽的洗锅循环水约4500-5500升，使得总体积约为7500-8500升，进行搅拌，并通入直接蒸汽加热至70℃-80℃，继续搅拌5-10分钟，然后静止沉降8小时左右。待树脂与水分层后进行分离操作。 启动水环真空泵，将酸化后水槽抽成真空，然后将此真空通至树脂酸化槽真空软管吸头，将吸头轻轻放入已分层的水层（一般水层在上面，树脂层在下面）含酚污水在真空抽离下，被吸入酸化污水槽，真空吸头随着污水液面下降而逐渐下放，直至吸完水、切断酸化污水槽的真空，将真空移入与酸化污水槽相同的酸化渣受槽，将树脂酸化槽的真空吸头继续下放到树脂层，将树脂吸收到酸化渣受槽，直至吸净为止，停止真空泵运转，已抽空的树脂酸化槽备下次接受树脂水处理使用。吸入酸化污水槽的酚水，排入下水。 将储于酸化渣受槽的树脂，用离心泵送苯基苯酚蒸馏釜，提取苯基苯酚。 2. 苯基苯酚蒸馏 树脂蒸馏釜的盖上装有筛板式分馏塔和列管式部分冷凝器。该釜位于煤气加热炉上，燃烧煤气使锅内物料沸腾汽化，然后经筛板塔分馏，实现分离苯基苯酚的目的。 (二) 蒸馏洗锅水的循环 蒸馏洗锅水是蒸馏压榨后洗刷粘结在釜壁和加热蛇管上的树脂所形成的。 治理这股污水是在洗锅水高位槽及洗锅水循环槽中进行的。其治理工艺为开始往蒸馏釜中加入生产水洗锅。清水经水计量槽计量后2 m3的清水进入蒸馏釜中，打开大小加热盘管蒸汽开动搅拌，进行搅拌，洗完过后，洗锅水从锅底放入洗锅水循环槽，其液面不得超过5 m³,用其上液下泵送入洗锅水高位槽，循环使用三天，将洗锅水高位槽的蒸汽鼓泡器开启，将渣和水一并放入树脂酸化器，供处理树脂用水。然后再经计量槽加入清水，重复操作，进行循环。 2.6 安全生产得基本要求（蒸馏工段） 1.能导致中毒或死亡。苯酚蒸汽在空气中最大允许浓度为5mg/m³,因此，在苯酚吸入人体操作中要求设备、管道阀门应密封，并在真空中进行操作。使用防毒面具按规定为3型。若设备内苯酚浓度超过2％，且含氧在18％以下时应戴隔离式面具进入设备检修。 2.苯酚灼伤人体皮肤时应立即用酒精、甘油等擦洗，严禁用冷水冲洗皮肤。眼睛被苯酚灼伤后，则用大量温水冲洗。操作工要带好防护眼睛。 2.7 粗粉蒸馏的生产工时定额 1. 加料： 15分钟 2. 蒸出酚水： 8 - 9小时 3. 蒸出液酚： 3 - 4小时 4. 蒸出成品： 7 - 8小时 5. 放成品： 30分钟 6. 分析控制时间： 1小时 7. 送料时间： 30 - 40分 8. 分析控制时间; 1小时 9. 包装： 2小时 总共： 23小时45分 — 26小时5分 总计： 59小时20分 — 74小时35分 第三章 蒸馏釜的工艺计算 3.1粗苯的处理量： 已知：V（酚水）=200L,V（液酚）=300L，m(苯酚）=6吨/釜，ρ(苯酚）=1.071ｇ/m³，V（残渣）=700L,则 V(苯酚）=m(苯酚）/ρ(苯酚）=6000/1.071=5600L 由此可得此蒸馏釜最小体积为V=V（酚水）+V（液酚）+V(苯酚）+V（残渣） =8600L 3.2 蒸馏釜的蒸馏体积 已知蒸馏釜的填充系数为0.75 则实际蒸馏塔的体积为8.6/0.75=11.47m³ 3.3蒸馏釜的设计 3.3.1蒸馏釜的直径和高度 在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的高径比（H/Di），以确定罐体的直径和高度。选择罐体高径比主要考虑以下两方面因数： 1、 高径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，（其中D—搅拌器直径，P—搅拌功率），P随釜体直径的增大，而增加很多，减小高径比只能无谓地消耗一些搅拌功率。因此一般情况下，高径比应选择大一些。 2、 高径比对传热的影响：当容积一定时，H/Di越高，越有利于传热。 3—1 高径比的确定通常才用经验值表[6] 种类 罐体物料类型 H/Di 一般搅拌釜 液—固或液—液相物料 1~1.3 气—液相物料 1~2 发酵罐类 气—液相物料 1.7~2.5 假定高径比为H/Di=1.2，先忽略罐底容积 D=2.3m[7] 取标准D=2.3m 表3—2 用标准椭球型封头参数见表[8] 公称直径（mm） 曲面高度（mm） 直边高度（mm） 内表面积（m2） 容积（m3） 2300 575 40 6.00 1.76 筒体的高度 釜体高径比的复核 满足要求 3.3.2设计参数的确定 该反应器的设计压力 Pc=0.053MPa 该反应釜的操作温度为145℃，设计温度为165℃。 由此选用16MnR卷制 16MnR材料在165℃是的许用应力[σ]t=170MPa 焊缝系数的确定 取焊缝系数φ=1.0（双面对接焊，100％无损探伤） 腐蚀裕量C2=2mm 3.3.3筒体的壁厚 计算厚度 [10] 钢板负偏差 设计厚度 名义厚度 3.3.4釜体封头厚 计算厚度 钢板负偏差 设计厚度 名义厚度 按钢制容器的制造取壁厚 3.4 反应釜夹套的设计 3.4.1夹套DN、PN的确定 夹套的DN 由夹套的筒体内径与釜体筒体内径之间的关系可知： 夹套的PN 由设备设计条件可知，夹套内介质的工作压力为常压，取PN=0.25MPa，由于压力不高所以夹套的材料选用Q235—B卷制 Q235—B材料在145℃是的许用应力[σ]t =113MPa 焊缝系数的确定 取焊缝系数φ=1.0（双面对接焊，100％无损探伤） 腐蚀裕量C2=2mm 3.4.2夹套筒体的壁厚 计算厚度 钢板负偏差 设计厚度 名义厚度 按钢制容中DN=2300mm的壁厚最小不的小于mm所以取 3.4.3夹套筒体的高度 3.5夹套的封头 3.5.1封头的厚度 夹套的下封头选标准椭球封头，内径与筒体（）相同。夹套的上封头选带折边形的封头，且半锥角。 计算厚度 钢板负偏差 设计厚度 名义厚度 按钢制容中DN=2300mm的壁厚最小不的小于5mm所以取 带折边锥形封头的壁厚 考虑到风头的大端与夹套筒体对焊，小端与釜体筒体角焊，因此取封头的壁厚与夹套筒体壁厚一致，即 3.6换热设计 换热采用夹套加热，设夹套内的过热水蒸气由130℃降到110℃，温差为20℃。 水蒸气的用量 本设计按成品苯酚的换热量计算，其他时候的换热采用调节流量进行换热 就成品苯酚的换热进行计算：每釜成品苯酚有6吨，成品苯酚中含酚量为87%，温度由50℃升为145℃. 此时苯酚含量为：6000×87%=5220㎏ =5220×1.42×（145-50）=704178 KJ 忽略热损失，则水的用量为 [5] 第四章 分馏塔的工艺计算 4.1 分馏塔的物料衡算 已知：分馏塔入口量为：6000㎏，苯酚含量为0.87 塔顶馏分中苯酚含量为：0.99，总量为m1 塔底馏分中苯酚含量为：0.21, 总量为m2 由上可得：m1 + m2 = 6000 6000 × 0.87 = 0.99 m1 + 0.21 m2 计算得： m1 = 5076.92㎏ m2 = 923.08㎏ 4.2