苯酐生产流程模拟.docx
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苯酐生产流程模拟
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
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。
ABSTRACT
Phthalicanhydrideisanimportantorganicchemicalrawmaterials,mainlyusedinthefieldsplasticizers,dyescoatedpolyester,unsaturatedpolyesterresins,alkydresins,etc.,andthereforetheproductionofphthalicanhydrideisnowoneoftheimportantbusinessprocesses,andimproveproductivityrateistheissueofmostconcerninthisindustry.Accordingtomarketforecasts,thesupplyofrawmaterialsduetothecurrenttighto-xylene,highprices,leadingtotheproductioncostsofPAisfacingchallenges.Thus,toimprovetheyieldofphthalicanhydrideproductionwillgreatlyimprovethecompetitivenessofthevariouschemicalcompaniestomeetmarketrequirements,phthalicanhydrideproductionprocessdesignandimprovementhasimportantimplicationsfordomesticandinternationalmarkets.
Thedesignandproductionofabout40,000t/yofhighpurityphthalicanhydride,isthechoiceofafixedbedoxidationofo-xylene,thebasicprincipleismeasuredaftero-xylenewasmeasuredwithpreheatedairandheating,contactmixerafterenteringthevaporizedreactionby-productsandmaleicanhydrideandbenzoicacidinthefixed-bedreactor,throughthegascoolerenteringtheflashtankofwaterdistilledoffmostoftheunreactedstartingmaterialandgenerationofCO2,H2Oandothergases,heatingthecrudephthalicanhydrideafterenteringintothedistillationcolumnisrectifiedtoobtainayieldof99.8%ofphthalicanhydride.
Withthedevelopmentofcomputertechnologyandcomputertechnology,chemicalprocesssimulationsoftwarehasbecomeincreasinglysophisticated,computer-aideddesignarebecomingincreasinglywidespread.Duringchemicalengineeringdesign,systemsimulationusingprocessmaterialbalanceandheatbalance,investmentandcostestimatesandotherissuesandtheuseofprocesssimulationsoftwareforoveralloptimizationhasbecomeincreasinglycommon.Inthispaper,usingthemostpopularASPENchemicalprocesssimulationsoftwareasoneofthemaintoolsaideddesign,materialsandprocess-relatedandenergyaccountancybasicallygivesthesoftwareandthedesignprocessofconvergencetocalculatewhetherornottotheinspectionprocessisfeasible.
第1章引言6
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AspenPlus、PROⅡ、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→14CO2+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C6~C8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。
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：
1.2931g/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300kPa，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+H2O（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
ReactionNumber
ko
Ea
1
2
1
2.601011
27,000
o-xylene
oxygen
2
1.151012
31,000
phthalicanhydride
oxygen
3
1.73108
28,600
o-xylene
oxygen
4
1.501011
27,900
o-xylene
oxygen
5
7.761011
30,400
maleicanhydride
oxygen
6
3.501009
27,000
o-xylene
oxygen
7
5.001011
29,500
benzoicacid
oxygen
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：
300~350℃；反应压力：
200-300KPa
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：
5kPa。
第二精馏塔：
理论板数：
18；塔顶压力：
10kPa；全塔压降：
10kPa
6.2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
反应器列管数：
13400根，25×3000mm。
反应器温度：
320℃。
反应器压力：
3atm
4、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R＝2.22，塔板数N＝14，进料塔板位置7，
冷凝器热负荷Q冷凝器=-599.50242KW，再沸器热负荷Q再沸器
=659.617882KW
塔径D:
750-900mm。
2.苯甲酸分离塔：
回流比R＝30，塔板数N＝18，进料塔板位置7，
冷凝器热负荷Q冷凝器=-143.5483599.50242KW，再沸器热负荷Q再沸器=156.432326KW
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
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