吨甲苯氯化工艺设计.docx
《吨甲苯氯化工艺设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《吨甲苯氯化工艺设计.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
吨甲苯氯化工艺设计
毕
业
设
计
书
前言
本设计书详细地介绍了氯甲苯的氯化过程，各塔的物料衡算，整体的物料衡算和热量衡算，反应釜和碱洗槽的参数设计，填料塔和降膜塔的选择与设计，完整的氯化工艺流程图和平面布置图。
对年产能力为7000吨的氯甲苯的初步设计，以株化集团氯甲苯厂为理论资料，并收集有关的化工设计资料作参考，按毕业设计大纲和设计任务书的要求进行设计，设计的内容是在简要介绍氯甲苯的发展状况及其性质，用途，工艺方法选择的基础上，重点介绍了采用间歇法生产氯甲苯的工艺过程。
设计的主要内容有；1..氯甲苯的概述；2.产品及原材料说明；3.物料衡算与热量衡算；4.主要设备的计算与选型。
设计图纸包括：
带控制点的工艺流程图、设备平面布置图。
本设计书中的换热器，全都采用石墨换热器，整个生产系统处于微负压状态下操作。
本设计旨在理论学习的基础上，结合生产实践，熟悉工艺流程、生产方案的选择、设备的选型等，掌握工艺设计中的物料衡算、能量衡算、设备的计算、选型，对参考文献的查阅与学习等的方法。
由于设计者的理论知识有限，设计经验的缺乏，在设计的过程中难免会有一些不足和错误之处，敬请各位老师指评指正。
第三章氯甲苯生产的工艺
第一章总论
氯甲苯概述
氯甲苯是指在带有甲基的苯环上氯代的一系列环氯代甲苯。
它们是一类稳定的，工业上有一定重要性的化合物。
氯甲苯共有16种，分子通式为C7H8-nCln。
氯甲苯曾以甲苯为基础命名，70年代以来在许多工具书逐渐使用以苯为基础命名。
氯和甲苯的反应在1866年由Beilstein等进行了研究。
在此后的几十年里主要进行了各种氯甲苯的分离和鉴定。
不是所有的氯甲苯都是由甲苯直接氯化而制备的。
有些氯甲苯如1-氯-3-甲苯，1，2-二氯-3-甲基苯和1，3-二氯-2-甲苯等是间接制备的，可以是通过氨基、羟基、硝基或磺酰氯抢救无效用氯置换，式以硝基，氨基式磺酸基定位，在氯取代后再把这类基团脱去而抽取。
氯甲苯是一种重要的精细化工有机原料，近年来相继研发合成出多种新型医药、农药、染料等中间体。
其中多数中间体市场前景看好，使氯甲苯将成为有机氯产品的新宠。
业内人士认为，氯甲苯将成为未来氯碱企业走精细化道路、建设氯产品精细化工产品树的最具有潜力的基础中间体。
氯甲苯有3种异构体，分别为对位、邻位和间位氯甲苯,其中用途最为广泛的是对氯甲苯,通过侧链上氧化、环上氧化、氰化、卤化、氯代等反应可制备多种重要的精细化工中间体和精细化学品,目前已衍生出100多种农药、医药和染料产品。
邻氯甲苯应用研究经过不断拓展,已开发出30余种衍生产品。
由于间氯甲苯生成比例不足1%,产量较小,目前仅作为染料中间体使用。
一氯甲苯、2，4-二氯-1-甲基苯和1，3-二氯-2-甲基苯主要用于农药、染料、医药和过氧化物的中间体，并可用作溶剂。
其他多氯甲苯没有多少工业用途。
国内外氯甲苯生产技术概况
氯甲苯在20世纪30年代国外就开始工业化生产，产量一直较小，20世纪70年代以后由于下游产品的大量开发与应用，生产能力与产量快速增加，目前全球年产量约为8万t／a，生产厂家主要集中在欧美及日本等工韭发达国家和地区．主要生产厂家有美国虎克电化学公司、Heyden化学公司、孟山都化学公司．德国赫司特公司、拜耳公司，日本的庵原化学工业公司、扶桑化学公司、保士谷化学公司等。
20世纪90年代以后由于西方发达国家和地区环保压力的不断增加，对有机氯产品发展持谨慎态度，因此生产能力一直没有继续扩大，维持在原有的能力，许多下游产品向发展中国家寻求．我国氧甲苯工业起步晚，目前国内生产最早和规模最大的生产企业是湖南株洲化工有限责任公司、江苏丹阳中超化工有限公司、苏州御窑精细化工厂、江苏靖江西郊化工厂、河北辛集市辛冠化工厂、武汉有机实业有限公司等近10家企业，近年来国内氯甲苯生产规模在不断增加，2002年国内氯甲苯生产能力约为20000-25000t／a，产量约为1800t左右．与国外发达国家和地区相比我国氯甲苯工业生产水平低，但是近年来我国氯甲苯下游产品开发研究非常活跃，国内下游产品需求强劲，而且发达国家和地区经常来我国寻求氯甲苯的下游产品，国内外市场强劲需求将大大刺激和推动我国氯甲苯工业的发展．氯甲苯作为一市场处于成长期的有机氯中间体，目前国内主要存在两大问题，一是合成技术相对落后，导致产品质量不高，影响下游精细化学品的应用与开发；二是氯甲苯生产与下游开发生产脱节，多数企业仅仅做原料销售，而没有继续向下衍生，形成精细化工产品链或产品树，影响装置的经济效益和可持续发展的动力。
因此本文将着重介绍氯甲苯国内外合成技术进展和一些产品链的建设和设想。
国内外甲苯氯化催化剂的使用情况
甲苯液相氯化反应阶段的技术重点是通过选择催化剂来调节对氯甲苯、邻氯甲苯的产生比例,由于目前对氯甲苯的市场需求大于邻氯甲苯,所以应尽量提高对氯甲苯的产量。
目前国内外已实现工业化或具有工业化前景的一氯甲苯异构体调比技术有以下几种:
①Lewis酸液相催化法
采用L酸为催化剂,反应条件温和,氯甲苯收率高,但对位比例低,约30%左右。
国外研究发现,如以L酸作主催化剂,以硫代杂蒽、多氯化夹硫氧杂蒽等为助催化剂,可使对邻比达到0.66-0.88。
②三氯化铁氯化法
以三氯苯和氯苯为溶剂,无水三氯化铁为催化剂,产物中对氯甲苯含量可达90%。
该工艺的缺点是副反应多,要求溶剂从催化剂中完全清除,否则转化率和选择性将大大降低,因此工艺过程相对繁琐,目前该技术处在不断完善与提高阶段。
③金属氯化物催化法
该法以Ti、Sn、Zr、W、Al、Fe的氯化物为催化剂,其中使用最多的是三氯化铝、三氯化铁与其它金属氯化物组成复合催化剂。
采用金属氯化物催化剂,反应选择性较好,生产工艺简单,无需特殊设备,污染较少,因其对位比例不超过50%,在工业化装置上应用受限制。
④Lewis酸+噻蒽衍生物催化法
该方法的主催化剂是Lewis,主要是Fe、Al、Sb、Pb的氯化物;助催化剂一般为噻蒽衍生物,其中以二甲基四氯噻蒽、二甲基五氯噻蒽、二甲基六噻蒽效果最好。
美国科研人员研究发现了混合噻蒽衍生物作为助催化剂的最佳比例,其质量组成为二甲基三氯噻蒽5.03%、二甲基四氯噻蒽5.03%、甲基五氯噻蒽64.41%、二甲基六氯噻蒽21.53%。
一般采用该催化剂对邻位比例为6:
4左右。
国内上海农药研究所等单位用FeS2为主催化剂,以氯化噻蒽作助催化剂,产物中对位含量约55%。
该法特点是定向选择性好,副产物少,收率高;缺点是助催化剂制备难度大。
目前工业化生产中主要采用该方法。
⑤特种分子筛催化法
分子筛催化法是一种有机中间体新型催化技术,以合成沸石为催化剂,对位产品含量可达75%-90%。
该法对位选择性极高、氯化深度大、产品易分离,但是反应时生成的氯化氢可破坏沸石的晶格,因此分子筛的再生与使用寿命成了了制约应用的关键,产品成本高,技术条件苛刻。
由于该法对位的选择性高,是一种极具发展前途的合成技术。
__
第二章产品及原料说明
产品性能
氯甲苯是一种重要的精细有机化工原料,是甲苯液相氯化后的主要产物,通过侧链和环上反应,可以制备出许多重要的精细化学品和中间体。
氯甲苯有三种同分异构体,分别为对氯甲苯、邻氯甲苯和间氯甲苯。
对氯甲苯外观为无色透明液体,有特殊气味,相对密度1.0697,熔点7.5℃,沸点162℃,折射率115200,不溶于水,溶于乙醇、苯、氯仿、乙醚、丙酮等。
目前对氯甲苯的应用主要分布在农药、医药、染料等行业,已衍生出100多种产品,如生产对氯氯苄、对氯苯甲醇、对氯氰苄、对氯苯甲醛、对氯苯甲酸、对氯苯甲酰氯、2,4-二氯甲苯、3,4-二氯甲苯、2,4-二氯苯甲醛、氰戊菊酯等;邻氯甲苯外观为无色透明液体,有特殊气味,能溶于醇、醚、酸等,微溶于水,比重110826,熔点-35.39℃,沸点158.97℃,是医药、农药、染料中间体。
目前邻氯甲苯已衍生出30多种产品,如邻氯苯甲醛、邻氯苯甲酸、邻氯苯甲酰氯、邻氯三氯甲苯、酸性绿P原料、邻氯氯苄等产品;由于间氯甲苯生成比例不足1%,产量小,目前仅作为染料中间体使用；间氯甲苯，无色液体，不溶于水，易溶于乙醇、苯、氯仿、乙醚等。
熔点（℃）：
，相对密度（水=1）：
，饱和蒸气压（kPa）：
℃，闪点（℃）：
50，用于制造农药、医药、染料及过氧化物的中间体和溶剂。
生产所需的主要原辅材料
甲苯、氯气、铁粉（催化剂）、硫磺（催化剂）
第三章氯甲苯生产的工艺
氯甲苯生产的反应原理：
氯甲苯的制取方法可分为两类，以甲苯为原料的直接氯化法和以甲苯衍生物为原料的间歇法。
生产方式有间歇和连续法两种工艺。
本设计装置甲苯直接间歇氯化法，采用液氯甲苯与氯气反应制得一氯甲苯，此工艺结构简单、原料转化率高和选择性好。
甲苯与氯气在催化剂的作用下反应，温度控制在50度以下，生成氯甲苯主要反应式如下：
温度过高或光照的情况下，同时可能发生如下副反应：
氯甲苯生产工艺流程简述
甲苯经干燥后进入甲苯贮槽，在打入间歇反应釜，同时开启搅拌，然后根据甲苯的量加入适量的催化剂后通氯，通过氯气分配台分配和转子流量计计量后进入反应釜，当反应温度有上升趋势时开启冷冻盐水，反应温度控制在50℃以下，以打比重和分析做样确定反应终点，终点不含甲苯，多氯甲苯≦2％，反应釜上面尾气管接冷凝器回收氯化氢气体中的甲苯，氯化氢气体通过水循环泵抽真空到降膜吸收塔和填料塔吸收。
氯化液合格后直接打入碱洗槽碱洗，碱洗通过测定PH值确定终点，终点PH值为7-8，碱洗后的氯化液再进入分离系统。
第四章工艺计算
物量衡算
4.1.1氯化部分
由年产量可知每小时产品产量：
7000÷8000=h
每一次循环反应的产品产量：
×18=
每釜，每釜反应时间18小时
每釜每小时生成：
18=h
甲苯的消耗量：
92×÷=
氯气的消耗量：
71×÷=
由公式
可得甲苯体积为：
=÷=
=L
反应后体积增加10%可得反应后体积：
×（1+）=
（液体体积）
材质：
外层为碳钢材料，内衬搪瓷。
数量：
由于反应物中有气体，则需适当加大气体体积，故选择4个5
的反应釜。
搅拌选型：
锚式搅拌器（材质：
搪瓷）
由条件公式：
H/D=①
v=②
=
③
已知反应釜体积为5
代入②得D=
将D=代入①的H=4
又可知
=
=
×=
=H-
==
取釜体圆柱体作为计算基准，则圆柱体高h=
则圆柱体表面积：
=××=
查表得：
传热系数在150～300kcal/（.℃）之间，取两个极限计算
=
V=
反应放热：
Q=×33×106=228×103Kcal/h=万大卡/h
则由公式Q=KS△t
则可看出两个极限所散热需要的面积都在表面积的范围之内，则可以用夹套换热。
碱洗部分
碱洗槽体积：
10÷18×=
材质：
外层选碳钢材料，内层衬塑料
数量：
2个碱洗槽（5
）
搅拌选型：
锚式搅拌器（材质；搪瓷）
氯化氢吸收部分
1.一般生产情况下的计算（在氯化氢吸收的过程中采用低真空吸收，一般真空度为，）
a.氯化釜每小时产生的氯化氢气体量：
W=*=h（忽略了二氯甲苯所生成的氯化氢）
设氯化氢的吸收率为100%，合格盐酸的浓度为30%。
则每小时合成盐酸：
=h
每小时加水量：
降膜吸收塔在它的工作条件下，能力为～管日。
取管日。
则所需降膜塔列管数：
×24/1=24根。
查资料可知本次吸收选择GX型列管式石墨降膜吸收（塔）器
该吸收器吸收效率高，吸收强度高（一般可达～单管日，产品酸浓度高，出口温度低）
型号
吸收能力（35%HCl）吨/日
GX-3
10
GX-5
15
GX-10
25
GX-15
40
GX-20
50
GX-25
60
GX-30
70
GX-35
80
GX-40
100
GX-50
120
将浓度都转换为30%计算：
30%×=35%×
=
查表得：
选用GX-10型列管式石墨降膜吸收器
生产能力为25吨/日（35%HCl）
a、填料塔塔径
填料塔：
T=50℃P=
降膜塔吸收70%Hcl填料塔吸收30%Hcl
氯化氢气体中氯化氢含量70%，惰性气体30%。
氯化氢质量流量：
h惰性气体质量流量；h
进填料塔的气体流量：
×+=h
吸收剂用量：
h
进填料塔气体摩尔质量：
××1000/=h氯化氢
×1000/29=h空气
M=（×+×29）/（+）=mol
ρV=PM/RT=×（×）=m3
气体进填料塔时的浓度最大，此处所需塔径也最大。
ρV=m3
ρL=1040kg/m3（塔釜液相平均比重）
WV=h（气体进料处气体流量）
WL=h（气体进料处液体流量）
WL（ρV/ρL）WV=
填料塔内填料为25×25×的陶瓷拉西环以乱堆方式充填
Ф=450μl=ψ=1000/1040=
查埃克特通用关联图得：
UF2ФψρVμgρL=
UF=（××1040/450/）=s
今取空塔气速为泛点气速的
U=×=s
VS=WV/ρV=×1000/=251m3/h
D=（4VS/∏U）=（4×251/3600）==262mm
2.在4个氯化釜同时开的情况下
a、氯化釜每小时产生的氯化氢气体量：
W=××4/（18×）T/h=h
设氯化氢的吸收率为100%，合格盐酸的浓度为30%。
则每小时合成盐酸：
/=h
每小时加水量：
=h
降膜吸收塔在它的工作条件下，能力为～管日。
取管日。
则所需降膜塔列管数：
×24/1=39根。
b、填料塔塔径
填料塔：
T=50℃P=
降膜塔吸收70%Hcl填料塔吸收30%Hcl
氯化氢气体中氯化氢含量70%，惰性气体30%。
氯化氢质量流量：
T/h惰性气体质量流量；T/h
进填料塔的气体流量：
×+=t/h
吸收剂用量：
t/h
进填料塔气体摩尔量：
××1000/=h氯化氢
×1000/29=h空气
M=（×+×29）/（+）=mol
ρV=PM/RT=×=m3
气体进填料塔时的浓度最大，此处所需塔径也最大。
ρV=m3ρL=1040kg/m3
WV=hWL=h
WL（ρV/ρL）WV=
填料塔内填料为25*25*的陶瓷拉西环以乱堆方式充填
Ф=450μl=ψ=1000/1040=
查埃克特通用关联图得：
UF2ФψρVμgρL=
UF={（××1040）/（450×××）}=s
今取空塔气速为泛点气速的
U=×=s
VS=WV/ρV=×1000/=h
D=（4VS/∏U）={（4×）/（××3600）}==279mm
取整D=300mm
2、填料塔填料高度的计算（参考化工原理）
在氯化氢的吸收过程中，填料塔的作用是吸收氯化氢，所用的吸收剂为水。
温度为50℃,压力真空度为，吸收后的溶液浓度比较低，因此吸收过程的气液相平衡关系符合亨利定律。
表1在50℃盐酸水溶液的氯化氢蒸汽压为数据如下（查化工工艺设计手册）
盐酸的含量（m%）
2
4
6
8
10
氯化氢的蒸汽压（mmHg）
亨利定律表示式为：
P*＝Ex
P*为溶质在气相中的平衡分压，
E表示亨利系数
x溶质在液相中的摩尔分率
若溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率表示，则亨利定律可表示式为y=m×x
m为相平衡常数
y,x分别为气相和液相中溶质的摩尔分率
用Y，X分别表示气相和液相中溶质的摩尔比
X＝液相中溶质的摩尔数/液相中溶剂的摩尔数＝x/（1-x）
Y＝气相中溶质的摩尔数/气相中惰性组分摩尔数＝y/（1-y）
由于溶液的浓度比较低，则有Y＝mX
根据表1的数据分别计算不同压力下的X，Y，见表2
表2
P，mmHg
x
X
Y
将表2中数据标绘成图，得平衡曲线，过原点作曲线的切线，切线的斜率为m=Y/X＝
在填料塔中气相与液相呈逆向运行，总传质单元数为NOG
NOG＝ln[（1-mV/L）×（Y1-mX2）/（Y2-mX2）+mV/L]/（1-mV/L）
Y1,Y2分别表示气相进、出口溶质的摩尔分数，X2表示液相进口溶质的摩尔分数。
V表示气相的流量，L表示液相的流量。
设在填料塔中氯化氢的吸收率为95%。
Y1＝[（×）/]/{[（×）/]+29}=
Y2＝[（××）/]/{[（××）/]+29}=
X2=0
V=+＝hL=*1000/29=hm=
代入上式得NOG＝,取整为3,填料的等板高度约为,因此填料高度为H＝3×＝
综合以上计算降膜塔和填料塔选为：
降膜塔G55—T400F=10m2石墨
填料高度Ф300×1800搪瓷
设备选型一览表
名称
规格
材质
台数
氯化釜
5
搪瓷
4
碱洗槽
5
锚式搅拌
外碳钢内塑料
2
降膜吸收塔
G55—T400
F=10m2
石墨
1
填料塔
Ф300×1800
搪瓷
1
第五章三废产生及处理情况
废水
装置废水的来源，主要是碱洗过程中碱残液的排放。
废气
反应部分的废气主要来自氯化釜，因为氯化时温度较高，这部分废气含量较大。
环境保护
（1）运用最新科研成果，采用先进工艺路线，改革对生产产生严重污染的原料路线和生产方法。
（2）改革设备，改进操作。
（3）采用闭环工艺路线。
即原料进入生产系统后只在系统内部循环，出系统的只有产品，而大多数夹杂有原料和中间产物的物料，只在闭路循环，不出系统。
这样，既减少了污染物的排放，又降低了原料的消耗。
（4）减少系统泄漏。
跑、冒、滴、漏往往是造成工厂污染环境的主要原因。
从整个工艺过程来说，除非系统少排或不排三废外，提高设备、管道的严密性，减少系统物料的泄漏，也是十分重要的。
为此，无论是管道或设备，从设计制造、材料选择，到操作使用、安装检修，以及生产管理等各个环节，都必须重视和杜绝跑、冒、滴、漏。
（5）搞好综合利用和三废治理工作
附录
㈠填料塔型号：
1、 适用于带腐蚀性介质的输送过程的截流，根据不同的材质温度-14℃-100℃。
2、 全部零件采用RPP注塑件组装成型，耐腐蚀性能优良。
3、 密封圈采用F4。
耐腐蚀性能优异，延长使用寿命。
转动灵活、使用方便。
4、 整体式球阀泄漏点少，强度高，联接式球阀装拆方便。
规格DN
d
d1
L
A
H
D
D1
b
φ
n
20
18±
20
120±
90
70
105
75
13
14
4
25
23±
25
145±
110
85
115
85
16
14
4
32
30±
32
160±
120
110
135
100
16
18
4
40
36±
40
165±
125
123
145
110
18
18
4
50
46±
50
180±
136
142
160
125
18
18
4
65
50±
65
220±2..50
170
154
180
145
20
18
4
80
65±
80
250±
220
164
195
160
22
18
4
100
8±
100
310±
240
194
215
180
23
18
8
125
100±
125
320±
300
212
245
210
30
18
8
150
120±
150
360±
328
225
280
240
30
23
参考文献
1、《有机化工大全》，化学工业出版社
2、《化工单元操作工艺设计》，上册，化学工业出版社
3、《化工工艺设计手册》，北京：
化学工业出版社，1994
4、《化工反应过程与课程设计》（教材）
5、《有机化学》，北京：
人民教育出版社，1979
6、《基础有机化工过程及设备》，北京：
化学工业出版社，1981
7、《化工设计概论》（教材）
8、《化工产品手册》，化学工业出版社
9、《化工（含轻工）类毕业论文指导书》，中央广播电视大学出版社
10、《传热》．北京：
化学工业出版社，1978
11、《化工设备标准手册》，第三卷，《金属化工设备》，第一册，型式、参数及技术条件，北京：
中国标准出版社，1987
12、《化工设备机械基础》，第三册，北京：
化学工业出版社，1990
13、《安全科学技术百科全书》，中国劳动社会保障出版社，2003年6月出版
14、陶克毅,臧雅茹,项寿鹤等.精细石油化工,1986,（4）:
7
15、余耀华,周日新,游效曾.催化学报,1982,3（4）:
290
16、DerouaneEG.CatalysisbyZeolites.Amsterdam:
Elsevier,1980.5
17、赵振华.湖南师范大学自然科学学报,1988,11
（1）:
37
18、ArgauerRJ,LandoltGR.USP3702886.1972
19、李海涛,林立火旦,龚健等.湖南师范大学自然科学学报,1991,14
（2）:
137
升级会员 