完整版年产3万吨十二烷基苯磺酸的工艺设计毕业设计Word格式.docx

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4.3.1热量衡算原理15

4.3.2十二烷基苯磺酸的热量衡算16

第5章主体设备设计18

5.1磺化反应器的设计思路18

5.2气体物性数据的确定19

5.3反应器内径的计算19

5.4以分压差为传质推动力计算高度20

5.5接管23

5.6法兰23

5.7裙座23

5.8塔板24

5.8.1塔板类型选择24

5.8.2塔板结构及与塔体的连接形式24

5.9筒体24

结论25

致谢26

参考文献27

附录A29

附录B30

摘要：

本文简述了表面活性剂的发展历史和现状，以及在未来的发展趋势。

介绍了表面活性剂十二烷基苯磺酸的性质、用途、原料选择及常见的合成方法。

描述了三氧化硫磺化法的技术发展、磺化器的分布情况和磺化新技术的开发利用。

重点对以硫磺为原料在过量空气中直接燃烧成二氧化硫，二氧化硫再在五氧化二钒催化作用下与氧气反应生成三氧化硫，最后三氧化硫磺化烷基苯制备十二烷基苯磺酸做了比较详细的工艺设计。

对整个生产过程进行了物料衡算和热量衡算，对磺化器的相关参数进行了计算：

反应器总高9000mm，内径550mm，反应管共90根，以正三角形排列。

关键词：

十二烷基苯磺酸；

三氧化硫；

物料衡算和热量衡算；

磺化工艺

ProcessDesignofDodecylbenzenesulfonicAcidof30kta

Abstract：

Chapteroneofthistextofthedevelopmentexhaustivly,andthetrendofthefuture；

itIntroducedtheproperties,applicationsandmaterialselectionandcommonsynthesismethodofthedodecylbenzenesulfonicacid.Itdescribedthemethodofpreparingsulphonatedsulphurtrioxidetechnologyprogress,thedistributionofsulphonateddeviceandthedevelopmentofnewsulphonationtechnology;

Chaptertwointroducedthesulfonicacidcommonsyntheticmethodof12alkylbenzeneofsurface-activeagent.Oxidizeonthreesulphursulphonatingalkylbenzenelegalsystemprepareagainst12alkylbenzenesulfonicacidmakeexhaustivetechnologicaldesign,especiallytheentireproductionprocessofmaterialsandenergybalance,ofsulfonationcalculatedparameters,sulfonationplantequipmentlayoutplanandarendering,thethisreator.

Keywords:

alkylbenzenesulfonicacid;

sulphurtrioxide;

materialcalculationandenergycalculation;

sulphonationtechnology

引言

阴离子表面活性剂的制造技术与合成洗涤剂的发展息息相关。

近年来我国表面活性剂的发展速度很快，产量不断扩大，品种不断增多。

形成阴离子表面活性剂的关键是磺化，原料苯质量越好，副产物越少，磺化收率越高，操作过程越简化。

故工业上倾向以烷基苯作为原料。

磺化试剂采用：

1、发烟硫酸，2、三氧化硫。

当磺化剂是发烟硫酸时，反应易控制，但生成的废酸不易处理；

当磺化剂是三氧化硫时，反应迅速，但反应过程中放热量大，须采取措施排除多余的热量。

磺化反应器是三氧化硫磺化过程中的核心装置，它的结构、选材制造和组装等对磺化产品的质量和设备使用寿命有很大的影响。

磺化反应器有多种型式：

如罐组式、降膜式和喷射式等。

到目前为止，降膜式的使用较为普遍。

国内150余套三氧化硫磺化装置，包括引进的和国产的，均采用降膜式磺化反应器。

第一章概述

1.1磺酸的简介

十二烷基苯采用SO3磺化得到十二烷基苯磺酸，即磺酸，是一种阴离子表面活性剂。

阴离子表面活性剂是合成洗涤剂工业的重要组成部分。

磺酸的生产技术在我国的发展至今已有近60年的历史。

20世纪80年代以后，改革开放促使日化行业从国外进口SO3磺化技术和生产装置。

我国的磺化技术通过国产化推广和技术引进相结合，得到了快速发展，促使磺酸的SO3磺化装置向大型化发展，计算机控制技术在SO3磺化装置中也得到了很好的应用，磺酸的SO3磺化技术日趋成熟[1]。

十二烷基苯磺酸的化学式为C12H25C6H4SO3H。

常温常压下十二烷基苯磺酸是棕褐色的粘稠液体，呈酸性，具有去污、湿润、发泡、乳化、分散等性能，易溶于水，不易燃，不溶于一般的有机溶剂，相对密度1.05，粘度为1900mpa.s,具有很强的吸水性，且吸水后的磺酸呈粘稠的不透明液体。

烷基苯磺酸是阴离子表面活性剂中最重要的一种，其生物降解度很高，是日化工业中的洗衣粉、餐具洗涤剂，纺织工业的清洗剂、染色助剂等的重要原料。

1.2磺酸的生产方法及其特点

十二烷基苯磺酸是由十二烷基苯和磺化剂反应得到的，磺化剂和磺化反应器的选择是磺化工艺的关键。

烷基苯的磺化主要有发烟硫酸磺化和三氧化硫磺化两种方法，发烟硫酸作为磺化剂时会产生大量的废酸，后处理比较麻烦。

此外，磺化产物中含有一定量的硫酸，影响产品的质量。

气态三氧化硫作为磺化剂时，其优点有[2]：

反应不生成水，三氧化硫的用量接近理论值，产品磺酸纯度高，反应快，无废酸产生，故在工业上已被推广应用，成为国际上公认的先进磺化工艺[3]。

但是，SO3活性高，反应瞬间放热量大，易发生局部过热和多磺化等现象，需采取相应的措施及时移走反应热[4]。

近年来，以如何缓和反应和及时传热为核心，国内各个洗涤厂及相关科研、设计单位通过技术引进和国内开发的方式对磺化设备进行相当大的改进，使磺化过程效率得到很大的改善。

三氧化硫磺化工艺也得到了更广泛的应用。

三氧化硫磺化工艺主要采用的磺化反应器是多管降膜式反应器，这种反应器的主要特点有[5]：

（1）每个反应管中都是均匀的薄膜流动。

（2）所有反应管中的SO3有机物摩尔比都是完全相同的。

（3）反应初期反应物之间的反应适度。

（4）反应热被及时带走。

（5）液膜中混合均匀，反应均一。

（6）液体停留时间短。

因此，本设计采用多管膜式磺化反应器作为磺化装置。

多管膜式磺化反应装置的主要工艺流程分为空气干燥、三氧化硫发生、烷基苯磺化及尾气处理四个工序。

根据相关工艺要求，磺化反应稳定为45~50℃，烷基苯和三氧化硫的摩尔比为1：

1.01~1:

1.03,老化温度45~50℃，老化时间30min左右。

在膜式磺化反应装置中，三氧化硫的发生采用燃硫工艺。

有几个因素会影响到磺酸的质量：

气体三氧化硫的浓度、烷基苯的进料量、磺化反应的温度、三氧化硫与烷基苯的摩尔比等。

硫磺的加入量和各工段的稀风量是通过影响三氧化硫的浓度来影响磺化产品的质量[6]。

其中，影响烷基苯磺酸质量的最重要因素是磺化反应的温度。

在实际生产过程中，为降低反应物的粘度、改善传质和传热效率，控制对位苯磺酸的含量等，一般磺化反应温度控制在50℃左右。

1.3三氧化硫磺化工艺概述

SO3磺化属于气-液相反应，磺化反应主要发生在有机物表面或部分SO3气体溶解其中，反应也能在液相有机物中进行。

总的反应速率由SO3的扩散速率和反应速率共同决定，其中扩散过程是速控步骤，SO3磺化反应是强放热过程，反应瞬间完成，大部分反应热在初始阶段放出，故如何及时移走反应热和有效控制反应速率是三氧化硫磺化反应过程的关键。

反应系统由于没有硫酸的存在，反应体系的粘度骤增，烷基苯在50℃时的粘度为0.001Pa.s,而SO3磺化过的产物粘度为1.2Pa.s,粘度的骤增给传质和传热带来了极大的困难，易造成局部过热及副反应的增加。

针对SO3磺化反应的上述特点，在实际生产过程中要求投料比、SO3气体浓度、反应温度保持稳定，而且物料在体系中的停留时间须短，气液两相接触良好，及时排走多余的反应热，为此研制出了多管膜式磺化反应器。

它消化吸收了意大利Ballestra公司的多管膜式磺化反应器，由24根25.4mm的不锈钢钢管以列管形式直立排列，烷基苯从反应器顶部进入并分配到每根管子的内表面形成均匀薄膜，与从管子顶部中心进入的稀释过的SO3混合气体并流而下，在两相表面上发生磺化反应，反应过程的热量由壳层的冷却水带出。

从磺化反应器底部出来的气液混合体进入气液分离器和尾气分离器，分离后的尾气输送到尾气处理工段。

分离后的磺酸由输送泵送入老化器，老化可完善磺化反应，老化后的磺酸进入水解罐来分解由副反应产生的酸酐，最终得到合格的烷基苯磺酸。

1.4三氧化硫磺化技术的发展及现状

三氧化硫磺化技术在我国从20世纪60年代开发以来，先自主开发出罐组式三氧化硫磺化生产装置，到70年代中期通过科研、设计、生产相结合的方式开发出带二次保护风和有机物多孔分布器的双膜磺化装置，80年代以后，从美国和意大利引进十余套双膜和多管膜式磺化反应装置。

与此同时，中国日用化学品研究院等单位完成了国家“七五”科技攻关项目（1986~1990），开发出24N列管式磺化反应器，并在国内得到推广应用[8]。

截止2014年5月，通过不完全统计，我国现有正在运行的三氧化硫磺化装置大约是110套，总生产能力为222.5t—化合物燃烧时的电子转移数，其值n＝燃烧原子数2；

—取代基和键的校正值；

K—分子中同样取代基的数目；

—标准燃烧热kJmol。

1十二烷基苯的标准生成热的估算[16]

燃烧式为：

C12H25C6H5+O2→18CO2+15H2O

所以n=51

K=1，Δ=－14.7

=5599.71kJmol

=5807.49kJmol

②十二烷基苯磺酸的标准生成热估算

C6H12C6H4H+25O2→18CO2+SO2+15H2O

所以n=50

K=1，Δ=－98

=5355.5kJmol

=6341.85kJmol

由以上的各物质标准生成热即可求解磺化反应的标准反应热[12]，即

=6341.85－5355.5=986.35kJmol（3-6）

则总反应热为：

=

=kJ（mol·

—固体分子中同种原子的个数；

M—化合物分子量；

十二烷基苯比热容的估算：

=1.73kJkg℃

所以==311616.25kJ（mol·

表5.3反应器高度与反应率对应表

（米）

ln=

5.1

0.1715

1.1871

0.0337

14.75

5.2

0.3430

1.4092

0.0248

30.00

5.3

0.5146

1.6729

0.0239

39.25

5.4

0.6860

1.9860

0.0201

49.75

5.5

0.8576

2.3575

0.0170

57.50

6.0

1.3722

3.9440

0.0101

74.75

6.2

1.7153

5.5583

0.0072

82.00

6.4

2.0583

7.8328

0.0051

87.25

6.6

2.5729

13.1037

0.0030

92.50

6.8

3.0875

21.9217

0.0018

95.50

7.0

3.4305

30.8931

0.0013

99.75

从表例可以看出，反应集中在上部。

在离顶部2.4米处，反应率已近50%，在3.2米处已大于80%。

由于相对过量，烷基苯的反应率将高于的反应率。

在3.8米处已达95%。

在4.0米处，大于99%,尾气中的浓度为0.13%（v）。

显然，大于4米已无必要。

外加塔底2米的裙座装置。

因此，反应器的主要工艺尺寸是：

di=550mmH总=9000mm

5.5接管

十二烷基苯，十二烷基苯磺酸的摩尔质量及密度计算得进料和出料液的流率如下：

表5.4进出口溶液的流率

十二烷基苯

十二烷基苯磺酸

摩尔质量kgkmol

246

326

密度kgm3

855.1

1050

摩尔流率kmolh

13.313

12.782

质量流率kgh

3275

4167

体积流率m3s

0.00106

0.00110

进料管和出料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管。

本设计采用直管。

管径计算如下：

直管中原料液的流速为uF=0.03ms

则进料管管径为：

D=0.215m=215mm（5-4）

查标准系列选取Φ250×

7.5

出料管管径为

D=0.223m=223mm（5-5）

5.6法兰

由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径，选用相应的法兰

进料管接管法兰：

Pg6Dg140HG5010—58

出料管接管法兰：

Pg6Dg70HG5010—58

5.7裙座

裙座是塔设备的主要支座形式塔底采用裙座支撑，裙座的机构性能好，连接处产生的局部阻力小，为了制作方便，一般采用圆筒形。

由于裙座内径大于500mm，故裙座壁厚取16mm。

裙座高度均取2m。

5.8塔板

5.8.1塔板类型选择

塔板类型：

浮阀塔

依据：

筛板塔没有升气管和泡罩，筛板塔操作时液体横过塔板，气体则自板上小孔（筛孔）鼓泡进入板上液层。

当气速过低时筛孔会漏液；

若气速过高，气体会通过筛孔后排开板上液体径自向上方冲出，造成过量液沫夹带即严重轴向混合。

泡罩塔结构复杂，造价高，气体通过每层塔板的压降大。

与之相比浮阀塔的板效率比泡罩塔约高15%，制造费用为泡罩塔的60%~80%。

生产能力比泡罩塔约大20%~40%，操作弹性可达7~9，所以采用浮阀塔板。

5.8.2塔板结构及与塔体的连接形式

塔板设计要求：

应满足具有良好的拐度并且方便拆装

塔板形式：

自身梁式塔板

塔板结构：

矩形板。

它是将矩形板沿其长边向下弯曲而成，从而形成梁和塔板的统一整体。

自身梁式矩形板仅有一边弯曲成梁，在梁板过渡处有一凹平面，以便与另一塔板实现搭接安装并与之保持在同一水平面。

连接形式：

根据人孔位置及检修要求，分块式塔盘板间的连接分为上可拆连接和上下均可拆连接两种。

常用的紧固件式螺栓和椭圆垫片。

塔盘板安放于焊在塔壁上的支持圈上。

5.9筒体

由于反应常压操作，对壁厚没有特殊要求，塔体焊缝为双面对焊接，局部无损检测，但考虑到此塔较高，风载荷较大，故应适当增加厚度，为了便于焊接，取封头与筒体等厚，即δn=12mm，材料为20R。

结论

我国的洗化品已有成长期进入成熟期，发展前景乐观。

目前已有300多个品牌，其中20多个品牌占据市场主要地位，合资企业份额达到80%左右，据专家预测，未来市场将更大程度地开放，并将向多元化发展[24]。

国际品牌将大举进入国内市场，国内企业只有充分研究分析对手，提高核心产品研发竞争力，扩大生产规模，降低产品价格，才能建立一个逐渐稳定的根据地。

本设计以干燥空气稀释SO3气体作为磺化剂，采用多管降膜式反应器作为磺化反应器，反应器总高9000mm，内径550mm,内置90根优质超低碳不锈钢反应管，整体工艺较先进，可以满足任务要求。

但是，目前存在的最大问题是直接用现有的膜式磺化器较难磺化高黏度、易结焦的原料，因此，应加强对不同性质原料磺化机理以及不同类型反应器传质传热机理的研究,从而指导磺化反应器及工艺参数的改进。

传统型磺化产品的集约化、大规模生产势在必行,单台磺化器的生产能力还不够高。

为了提高单台磺化器的生产能力,必须扩大生产规模，降低产品成本，从而降低产品价格。

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[24]周西勇.21世纪的多管膜式磺化反应器[J].中国洗涤用品工业，2002:

40～42.

附录A

附录B