苯酐生产流程模拟

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1、Aspenplus大作业综述 题 目： 邻二甲苯制苯酐生产工艺流程模拟综述 学生姓名 刘国栋 侯凯 学 院 化学工程学院 专业班级 化工卓越11级1班 指导教师 孙兰义 2014年 5月12日0 / 20摘 要苯酐是重要的有机化工原料，主要用于增塑剂、涂染料、聚酯、不饱和聚脂树脂、醇酸树脂等领域，因此苯酐的生产是现在企业的重要工艺流程之一，而提高产率也是此行业的最为关注的问题。根据市场预测，由于目前原料邻二甲苯的供应比较紧张，价格居高不下，导致苯酐的生产成本又面临考验。由此可见，提高苯酐的生产产量将会大大的提高各化工企业的竞争实力，满足市场的要求，进行苯酐生产工艺的设计与改进对于国内外市场都具

2、有重要的意义。本设计生产大约40000吨/ y高纯度的苯酐，是选用的是邻二甲苯固定床氧化，其基本原理是经计量的邻二甲苯预热后与经计量和加热的空气，在混合器中接触汽化后进入固定床反应器内反应生成苯酐及副产品顺酐和苯甲酸，反应气经水冷却器冷却进入闪蒸罐蒸出大部分未反应的原料和生成的CO2,H2O等气体，粗苯酐加热后进入到精馏塔中进行精馏得到收率为99.8%的苯酐。随着计算技术和计算机技术的发展,化工流程过程模拟软件也越来越成熟，计算机辅助设计也日趋广泛。在进行化工设计时，采用流程系统模拟物料衡算和热量衡算，投资和成本估算等问题以及采用流程模拟软件进行整体优化也越来越普遍。本文采用国际上最流行的化工

3、过程模拟软件之一的ASPEN 作为辅助设计的主要工具，与过程有关的物料和能量的衡算基本上有该软件给出，并以设计流程计算的收敛与否来检验该流程是否可行。ABSTRACTPhthalic anhydride is an important organic chemical raw materials , mainly used in the fields plasticizers, dyes coated polyester , unsaturated polyester resins, alkyd resins, etc., and therefore the production of pht

4、halic anhydride is now one of the important business processes , and improve productivity rate is the issue of most concern in this industry. According to market forecasts, the supply of raw materials due to the current tight o-xylene , high prices , leading to the production costs of PA is facing c

5、hallenges. Thus, to improve the yield of phthalic anhydride production will greatly improve the competitiveness of the various chemical companies to meet market requirements, phthalic anhydride production process design and improvement has important implications for domestic and international market

6、s.The design and production of about 40,000 t / y of high purity phthalic anhydride, is the choice of a fixed bed oxidation of o-xylene , the basic principle is measured after o-xylene was measured with preheated air and heating , contact mixer after entering the vaporized reaction by-products and m

7、aleic anhydride and benzoic acid in the fixed-bed reactor, through the gas cooler entering the flash tank of water distilled off most of the unreacted starting material and generation of CO2, H2O and other gases, heating the crude phthalic anhydride after entering into the distillation column is rec

8、tified to obtain a yield of 99.8% of phthalic anhydride .With the development of computer technology and computer technology , chemical process simulation software has become increasingly sophisticated , computer-aided design are becoming increasingly widespread. During chemical engineering design ,

9、 system simulation using process material balance and heat balance , investment and cost estimates and other issues and the use of process simulation software for overall optimization has become increasingly common. In this paper, using the most popular ASPEN chemical process simulation software as

10、one of the main tools aided design , materials and process -related and energy accountancy basically gives the software and the design process of convergence to calculate whether or not to the inspection process is feasible.目 录第1章 引言6第2章 组分7 2.1邻二甲苯7 2.2 空气7 2.3 苯酐8 2.4 苯酞8 2.5 顺酐8 2.6 苯甲酸9第3章 邻二甲苯生

11、产苯酐工艺过程介绍10第4章 物性方法11第5章 反应动力学12第6章 邻苯二甲酸酐生产过程模拟13第7章 模拟结果验证16第8章 结论17参考文献18第1章 引言 化工过程设计是一门将一个化学新产品、新工艺或对旧工艺改造从理论运用到工业实践的学科，它为化学新产品、新工艺以及旧工艺改造在工业上运用的可行性提供了较充分的判断依据，是我们进行化工企业项目开发的一个必要前期工作。 化工过程设计主要包括：新（或新产品）工艺过程的提出；将实验过程放大到工业过程（即工业流程的设计、各个工业装置的设计和工业操作条件的制定）；项目投资的估算；工业过程的优化（包括能量的节省、环境的保护等）。 目前化工过程模拟已

12、成为普遍采用的手段， 广泛应用于化工过程的研究、开发、设计、生产操作的控制和优化、操作培训及技术改造。流程模拟系统迅速准确， 不仅可以节约时间和成本， 还可以提高产品产量和质量， 降低消耗。化工过程模拟技术主要的模拟软件有Aspen Plus、PRO、Chemcad、Hysys 等系统。本文利用Aspen 软件对邻二甲苯固定床氧化法生产苯酐工艺流程进行模拟，并进行评估分析。苯酐是一种重要的有机化工原料和中间体,广泛应用于增塑剂、不饱和树脂、聚酯和染料的生产。目前绝大部分苯酐是通过邻二甲苯工艺路线生产, 邻二甲苯工艺已基本替代了基于萘的工艺。邻苯法工艺利用邻二甲苯在固定床列管反应器内选择性氧化生

13、成苯酐。 本文主要是简单的进行ASPEN模拟流程模拟苯酐的合成与分离以及一些简单的塔板设计和工艺分析等过程。 第2章 组分 空气经预热后与气化了的邻二甲苯混合进入反应器, 邻二甲苯转化成苯配，并且伴随副反应的发生。主反应C8H10 +3O2 C8H4O3 + 3H2O副反应2C8H10 + 15O2 2C4H2O3 + 8CO2 + 8H2O C8H10 + 3O2 C7H6O2 + CO2 + 2H2O 2C8H10 +21O2 16CO2 + 10H2O 2C8H4O3 + 15O2 16CO2 + 4H2O C4H2O3 + 3O2 4CO2 + H2O 2C7H6O2 + 15O2 1

14、4CO2 + 6H2O主要组分有原料邻二甲苯（C8H10），空气（O2和不参加反应的N2）；目的产物苯酐（C8H4O3）；副产物、顺酐、苯甲酸、水、二氧化碳。2.1邻二甲苯邻二甲苯，又名1,2-二甲苯，英文名称为O-Xylene，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。邻二甲苯是从炼厂或烯烃装置生产芳烃中C6C8物流转化生产的几种二甲苯异构体之一。混合二甲苯物流含邻、间和对二甲苯。这些组分可用抽提蒸馏分离或将它们异构化为对二甲苯 。

15、2.2 空气 空气是构造地球大气层的混合气体，它透明、无色、无味，组份浓度相对稳定，只有其中二氧化碳和水蒸气的浓度含量会随着季节和地区而发生变化。表达分子式： Air等效分子量： 28.959始 沸 点： -194.35 （101.325kPa）露 点： -191.41 （101.325kPa）气 体 密 度 ： 1.2931 g/L （101.325kPa,干燥空气）。空气主要由78%的氮气、21%的氧气、0.94%的稀有气体，0.03%的二氧化碳，0.03%的其它气体和水蒸气、杂质物质、杂质气体共同组成；可近似看做氧气与氮气的混合物。本次模拟即是将空气看做由21%（体积分数）氧气和79%氮

16、气的混合物。2.3 苯酐苯酐又名邻苯二甲酸酐，英文简写为PA。呈白色鳞片状固体或粉末，或白色针状晶体，具有轻微的气味，低毒，比重1.527（4），熔点130.8，沸点284.5，易升华，稍溶于冷水，易溶于热水并水解为邻苯二甲酸，溶于乙醇、苯和吡啶，微溶于乙醚。广泛用于制造增塑剂（邻苯二甲酸酯）、不饱和聚酯、醇酸树脂等，也是一种重要的染料中间体 。 近年来，随着国内涂料行业的发展，醇酸树脂漆、氨基树脂漆等以醇酸树脂为原料的涂料产品正在持续发展，今后该领域的苯酐需求将会出现较大增幅。再加之国内不饱和聚酯树脂市场呈逐年递增趋势，必将有效带动苯酐需求的增长，进而推动苯酐产能的提高。 2.4 苯酞即邻羟

17、甲基苯甲酸内酯，英文名称Phthalide分子式(Formula) C8H6O2，针状或片状结晶。溶于醇、醚和热水，极微溶于冷水。用作精细化学品的中间体。用于生产染料中间体1，4-二氯蒽醌、1-氯蒽醌，抗凝血药苯基茚满二酮，杀菌剂四氯苯酞，抗焦虑药多虑平等。用作有机合成中间体，用于合成多虑平药物及染料还原棕BR等2.5 顺酐顺丁烯二酸酐（MA），简称顺酐又称马来酸酐，是顺丁烯二酸的酸酐，室温下为有酸味的无色或白色固体，分子式为C4H2O3。为白色片状结晶，有强烈的刺激气味、比重1.48、易升华、遇水易潮解生成马来酸 主要用于制造聚酯树脂、醇酸树脂、农药、富马酸、纸张处理剂等。2.6 苯甲酸苯甲

18、酸（C7H6O2)又称安息香酸，是苯环上的一个氢被羧基（-COOH）取代形成的化合物。苯甲酸一般常作为药物或防腐剂使用，有抑制真菌、细菌、霉菌生长的作用，药用时通常涂在皮肤上，用以治疗癣类的皮肤疾病。用于合成纤维、树脂、涂料、橡胶、烟草工业。第3章 邻二甲苯生产苯酐工艺过程介绍本流程是每年消耗4万吨邻二甲苯生产邻苯二甲酸酐的流程工艺。空气经离心压缩机压缩到约300 kPa，使用高温蒸汽换热器加热到 320，这种高温的压缩空气与同样温度的气态邻二甲苯混合进入固定床反应器进行反应。由于反应放热，在此过程中需要不断地与循环水进行换热，使温度不至于过高发生很多副反应。在反应中，邻二甲苯是以多种氧化反应

19、以产生期望的产品，副产品是顺酐和少量的苯甲酸。反应后的流体离开反应器的温度和压力是320和300KPa，经过换热器将温度和压力降下来进入闪蒸罐进行初步分离，将空气中未反应的N2以及副反应产生的二氧化碳等排出，得到粗苯酐产品，经粗苯酐加热后进入精馏塔进行精馏，以便得到产率为99.8%的苯酐。第4章 物性方法此流程选用的PENG-ROB 物性方程作为热力学模型，PENG-ROB 物性方程适用于所有温度及压力下的非极性或极性较弱的混合物体系 ，而本流程中含有O2、N2、CO2是非极性物质，顺酐、邻二甲苯、苯酐是极性较弱的物质，H2O、苯甲酸属记性较强的物质，这些物质总体上极性不是太强，属极性较弱的混

20、合物，因此，选用PENG-ROB 物性方程。第5章 反应动力学为了安全地操作，反应混合物必须保持较低的爆炸极限以下。同时。为了防止副反应大量发生，我们在保证转化率和反应速率的前提下，尽量采取较低的温度。空气经预热后与气化了的邻二甲苯混合进入反应器, 邻二甲苯转化成苯配，并且伴随副反应的发生。主反应C8H10 +3O2 C8H4O3 + 3H2O （1）副反应 C8H4O3 + 15O2 16CO2 + 4H2O （2）2C8H10 +21O2 16CO2 + 10H2O （3）2C8H10 + 15O2 2C4H2O3 + 8CO2 + 8H2（4）C4H2O3 + 3O2 4CO2 + H2

21、O （5） C8H10 + 3O2 C7H6O2 + CO2 + 2H2O （6） 2C7H6O2 + 15O2 14CO2 + 6H2O （7）这些反应动力学表达式的形式:(8)Ko 的单位为kmol / m3 / h、Ea的单位为kcal/ kmol ，P的单位为atm。这些反应的常数,经查阅文献可得Reaction NumberkoEa1212.60101127,000o-xyleneoxygen21.15101231,000phthalic anhydrideoxygen31.7310828,600o-xyleneoxygen41.50101127,900o-xyleneoxygen5

22、7.76101130,400maleic anhydrideoxygen63.50100927,000o-xyleneoxygen75.00101129,500benzoic acidoxygen第6章 邻苯二甲酸酐生产过程模拟6.1相关的工艺流程数据(a) 反应过程 反应床层温度： 300350 ；反应压力： 200-300 KPa原料：工业级邻二甲苯；进料量： 4545kg/h 催化剂：低温高空速、 V2O5 TiO2负载在惰性载体上的催化剂 空气进料量：45T/h主要副产物：顺酐、苯甲酸、二氧化碳、水流程数据：邻二甲苯先预热到 320 、空气送到空气加热器加热到320 。在汽化器中，空气

23、与邻二甲苯混合汽化后进入固定床反应器。反应后生成的苯酐反应气在气体冷却器中降至45 ，然后进入闪蒸罐。 (b) 分离过程 粗苯酐先在热处理釜预热至 180 ，然后送入蒸馏塔进行减压蒸馏。轻组分由塔顶蒸出.第一精馏塔：理论板数：14；塔顶压力：10kPa；全塔压降： 5 kPa 。第二精馏塔：理论板数：18；塔顶压力：10kPa；全塔压降： 10 kPa6.2 项目设备的选用 1、鼓风机风量：18503.5182 立方米/h， 驱动方式：蒸汽透平， 出口压力：300KPa;出口温度：162.8 机械效率：80%。 2、离心泵：温度为25。0，压力为300KPa,机械效率65%。3、平推流反应器反

24、应器列管数：13400根， 253000mm 。 反应器温度：320。 反应器压力：3atm4、闪蒸罐 采用flash2闪蒸罐温度：50；压力：1atm。6.3分离设备的设计 1.顺丁烯二酸酐分离塔： 回流比 R2.22 ，塔板数 N14 ，进料塔板位置 7 ， 冷凝器热负荷 Q 冷凝器 =-599.50242 KW，再沸器热负荷 Q 再沸器 =659.617882 KW塔径 D:750-900mm。2.苯甲酸分离塔： 回流比 R30 ，塔板数 N18 ，进料塔板位置 7 ， 冷凝器热负荷 Q 冷凝器 =-143.5483599.50242 KW，再沸器热负荷 Q 再沸器 =156.43232

25、6 KW塔径 D:1200mm。6.4灵敏度分析 图1 塔顶热负荷随进料位置的曲线图 图2 塔底热负荷随进料位置的曲线图第7章 模拟结果验证邻苯二甲酸酐在模拟产品中的纯度为99.9，达到与文献中要求的最小99.7。顺丁烯二酸酐在最终产品中的质量分数小于文献要求的0.05。本次模拟所有产品均达到要求。第8章 结论由于对ASPEN流程模拟不熟悉，所以在模拟过程中有很多误区以及不清楚的地方，经反复调试才将摸你完成，是产品达标。反应器的外取热情况还没办法具体的体现清楚，反应后出来的流体温度达不到要求。闪蒸罐的分利比较模糊，原因是文献中的条件太少无法模拟，只能根据常识进行参数设定。反应器产品与原料换热模拟不通，换热器数据较少，模拟难度较大。实验中邻苯二甲酸酐的收率达到99.9%，收率很高，符合要求。参考文献1. 米镇涛 化学工艺学（第二版） 化学工业出版社。2.化工物性数据手册3.4.苯酐生产技术进展；王俐；中国石化集团北京化工研究院, 北京 温馨提示：最好仔细阅读后才下载使用，万分感谢！