第四章间歇反应

1第四章间歇反应一、工艺流程简介间歇反应过程在精细化工、制药、催化剂制备、染料中间体等行业应用广泛。本间歇反应的物料特性差异大；多硫化钠需要通过反应制备；反应属放热过程，由于二硫化碳的饱和蒸汽压随温度上升而迅猛上升，冷却操作不当会发生剧烈爆炸；反应过程中有主副反应的竞争，必须设法抑制副反应，然而主反应的活化能较高，又期望较高的反应温度。如此多种因素交织在一起，使本间歇反应具有典型代表意义。在叙述工艺过程之前必须说明，选择某公司有机厂的硫化促进剂间歇反应岗位为参照，目的在于使本仿真培训软件更具有工业背景，但并不拘泥于该流程的全部真实情况。为了使软件通用性更强，对某些细节作了适当的变通处理和简化。有机厂缩合反应的产物是橡胶硫化促进剂DM的中间产品。它本身也是一种硫化促进剂，称为M，但活性不如DM。DM是各种橡胶制品的硫化促进剂，它能大大加快橡胶硫化的速度。硫化作用能使橡胶的高分子结构变成网状，从而使橡胶的抗拉断力、抗氧化性、耐磨性等加强。它和促进剂D合用适用于棕色橡胶的硫化，与促进剂M合用适用于浅色橡胶硫化。本间歇反应岗位包括了备料工序和缩合工序。基本原料为四种：硫化钠（Na2S）、硫磺（S）、邻硝基氯苯（C6H4ClNO2）及二硫化碳（CS2）。备料工序包括多硫化钠制备与沉淀，二硫化碳计量，邻氯苯计量。1．多硫化钠制备反应此反应是将硫磺（S）、硫化钠（Na2S）和水混合，以蒸汽加热、搅拌，在常压开口容器中反应，得到多硫化钠溶液。反应时有副反应发生,此副反应在加热接近沸腾时才会有显著的反应速度。因此，多硫化钠制备温度不得超过85℃。多硫化钠的含硫量以指数n表示。实验表明，硫指数较高时，促进剂的缩合反应产率提高。但当n增加至4时，产率趋于定值。此外，当硫指数过高时，缩合反应中析出游离硫的量增加，容易在蛇管和夹套传热面上结晶而影响传热，使反应过程中压力难于控制。所以硫指数应取适中值。2．二硫化碳计量二硫化碳易燃易爆，不溶于水，密度大于水。因此，可以采用水封隔绝空气保障安全。同时还能利用水压将储罐中的二硫化碳压至高位槽。高位槽具有夹套水冷系统。3．邻硝基氯苯计量邻硝基氯苯熔点为31.5℃，不溶于水，常温下呈固体状态。为了便于管道输送和计量，必须将其熔化，并保存于具有夹套蒸汽加热的储罐中。计量时，利用压缩空气将液态邻硝基氯苯压至高位槽，高位槽也具有夹套保温系统。4．缩合反应工序缩合工序历经下料、加热升温、冷却控制、保温、出料及反应釜清洗阶段。邻硝基氯苯、多硫化钠和二硫化碳在反应釜中经夹套蒸汽加入适度的热量后，将发生复杂的化学反应，产生促进剂M的钠盐及其副产物。缩合反应不是一步合成，实践证明还伴2有副反应发生。缩合收率的大小与这个副反应有密切关系。当硫指数较低时，反应是向副反应方向进行。主反应的活化能高于副反应，因此提高反应温度有利于主反应的进行。但在本反应中若升温过快、过高，将可能造成不可遏制的爆炸而产生危险事故。保温阶段之目的是尽可能多地获得所期望的产物。为了最大限度地减少副产物的生成，必须保持较高的反应釜温度。操作员应经常注意釜内压力和温度，当温度压力有所下降时，应向夹套内通入适当蒸汽以保持原有的釜温、釜压。缩合反应历经保温阶段后，接着利用蒸汽压力将缩合釜内的料液压入下道工序。出料完毕，用蒸汽吹洗反应釜，为下一批作业做好准备。本间歇反应岗位操作即告完成。二、流程图说明间歇反应工艺流程图6-1说明如下。图6-1间歇反应流程图画面R1是敞开式多硫化钠反应槽。用手操阀HV-1加硫化钠（假定是流体，以便仿真操作），用手操阀HV-2加硫磺（假定是流体，以便仿真操作），用手操阀HV-3加水，用HV-4通入直接蒸汽加热。反应槽设有搅拌，其电机开关为M01。反应槽液位由H-1指示，单位是米（m），温度由T1指示。R1中制备完成的多硫化钠通过泵M3打入立式圆桶形沉淀槽F1。液位由H-2指示，单位m。经沉淀的多硫化钠清液从F1沉淀层的上部引出，通过泵M4及出口阀V16打入反应釜R2。F1中的固体沉淀物从底部定期排污。F2是邻硝基氯苯原料的卧式储罐。为了防止邻硝基氯苯在常温下凝固，F2设有蒸汽夹3套保温。物料液位由H-4指示，单位m。F2顶部设压缩空气管线，手操阀HV-5用于导入压缩空气，以便将邻硝基氯苯压入高位计量槽F4。F2顶还设有放空管线和放空阀V6，当压料完成时泄压用。插入F2罐底的管线连接至邻硝基氯苯计量槽F4的顶部。手操阀HV-7用于调节邻硝基氯苯上料流量。F4设料位指示H-5，单位m。F4顶有通大气的管线，防止上料及下料不畅。F4的1.2m高处设溢流管返回收罐，用于准确计量邻硝基氯苯。F4亦用蒸汽夹套保温。下料管经阀门V12和V15连接反应釜R2。为防止邻硝基氯苯凝固堵管，设蒸汽吹扫管线，V11为吹扫蒸汽阀门。F3是二硫化碳原料的卧式储罐。为了防止二硫化碳挥发逸出着火爆炸，利用二硫化碳比水重且不溶于水的特性，F3设有水封。二硫化碳液位由H-6指示，单位m。F3顶部设自来水管线，手操阀HV-9用于导入有压自来水，以便将二硫化碳压入高位计量槽F5。F3顶还设有泄压管线和泄压阀V8，当压料完成时泄压用。插入F3罐底的管线连接至二硫化碳计量槽F5的顶部。手操阀HV-10用于调节二硫化碳上料流量。F5设料位指示H-7，单位m。F5顶有通大气的管线，防止上料及下料不畅。F5的1.4m高处设溢流管返回收罐，用于准确计量二硫化碳。F5用冷却水夹套降温，防止二硫化碳挥发逸出燃烧爆炸。下料管经阀门V14和V15连接反应釜R2。为防止下料管线温度高导致二硫化碳挥发逸出，设冷却水管线，V13为冷却水阀门。反应釜R2是本间歇反应的主设备。为了及时观察反应状态，R2顶部设压力表P，单位MPa。设釜内温度表T，单位℃，料位计H-3，单位m。反应釜夹套起双重作用。在诱发反应阶段用手操阀门HV-17通蒸汽加热；在反应诱发后用手操阀门HV-18通冷却水降温。反应釜内设螺旋蛇管，在反应剧烈阶段用于加强冷却，冷却水手操阀门为HV-19。冷却水管线与多级高压水泵出口相连。高压泵出口阀为V25，电机开关为M05。插入反应釜底的出料管线经阀门V20至下一工序。为了防止反应完成后出料时硫磺遇冷堵管，自V20至釜内的管段由阀门V24引蒸汽吹扫。自V20至下工序的管段由阀门V22引蒸汽吹扫。阀门V23引蒸汽至反应釜上部汽化空间，用于将物料压至下工序。釜顶设放空管线，手操阀门HV-21为放空阀。V26是反应釜的安全阀。温度计T2、T3分别为夹套与蛇管出水测温计。软件各画面（见图6-1、图6-2和图6-3）中的设备、阀门及仪表分列如下。1．工艺设备R1多硫化钠制备反应器R2缩合反应釜F1多硫化钠沉淀槽F2邻硝基氯苯储罐F3二硫化碳储罐F4邻硝基氯苯计量槽F5二硫化碳计量槽M1多硫化钠制备反应器搅拌电机M2缩合反应釜搅拌电机M3多硫化钠输送泵1电机M4多硫化钠输送泵2电机M5高压水泵电机2．指示仪表P反应釜压力MPaT反应釜温度℃T1多硫化钠制备反应温度℃T2夹套冷却水出口温度℃T3蛇管冷却水出口温度℃H-1多硫化钠制备反应器液位mH-2沉淀槽液位mH-3缩合釜液位m4H-4邻硝基氯苯储罐液位mH-5邻硝基氯苯计量槽液位mH-6二硫化碳储罐液位mH-7二硫化碳计量液位mPS主蒸汽压力MPaPW冷却水压力MPaPG压缩空气压力MPaPJ当夹套加热时蒸汽压力MPaCD主产物浓度mol/LCE副产物浓度mol/L3．手操器HV-1液态硫化碱阀HV-2液态硫阀HV-3水阀HV-4蒸汽加热阀HV-5压缩空气阀HV-7邻硝基氯苯储罐出口阀HV-9自来水阀HV-10二硫化碳储罐出口阀HV-17夹套蒸汽加热阀HV-18夹套水冷却阀HV-19蛇管水冷却阀HV-21反应釜放空阀4．开关与快开阀门V6邻氯苯储罐泄压阀V8二硫化碳储罐泄压阀V11蒸汽预热阀V12邻硝基氯苯计量槽下料阀V13自来水冷却阀V14二硫化碳计量槽下料阀V15反应釜进料阀V16反应釜进料阀V20反应釜出料阀V22蒸汽预热阀V23蒸汽压料阀V24反应釜蒸汽清洗阀V25高压水泵出口阀V26反应釜安全阀M01多硫化钠反应器搅拌开关M02缩合反应釜搅拌开关M03沉淀槽进料（多硫化钠）泵开关M04缩合反应釜进料（多硫化钠）泵开关M05高压冷却水泵开关FTG事故通管开关FBL事故补料开关5．报警限说明反应温度超高高限紧急报警T160℃(HH)反应压力高限报警P0.8MPa(H)反应压力高高限报警P1.2MPa(HH)反应釜液位高限报警H-32.7m(H)多硫化钠反应温度高限报警T185℃(H)邻硝基氯苯储罐液位H-41.2m(L)二硫化碳储罐液位H-61.3m(L)三、操作说明1.准备工作检查各开关、手动阀门是否关闭。2．多硫化钠制备①打开硫化碱阀HV-1，向多硫化钠制备反应器R1注入硫化碱，使液位H-1升至0.4m，5关闭阀HV-1.②打开熔融硫阀HV-2，向多硫化钠制备反应器R1注入硫磺，液位H-1升至0.8m,关闭HV-2。③打开水阀HV-3，使多硫化钠制备反应器R1液位H-1升至1.2m，关闭HV-3。④开启多硫化钠制备反应器搅拌电机M1开关M01。⑤打开多硫化钠制备反应器R1蒸汽加热阀HV-4，使温度T1上升至81~84℃（升温需要一定时间，可利用此时间差完成其他操作）。保持搅拌5分钟（实际为3小时）。注意当反应温度T1超过85℃时将使副反应加强，此种情况会报警扣分。⑥开启多硫化钠输送泵M3的电机开关M03，将多硫化钠料液全部打入沉淀槽F1，静置5分钟（实际为4小时）备用。3．邻硝基氯苯计量备料①检查并确认通大气泄压阀V6是否关闭。②检查并确认邻硝基氯苯计量槽F4下料阀V12是否关闭。③打开上料阀HV-7。④开启并调整压缩空气进气阀HV-5。观察邻硝基氯苯计量槽F4液位H-5逐渐上升，且邻硝基氯苯储罐液位H-4略有下降，直至计量槽液位H-5达到1.2m。由于计量槽装有溢流管，液位一旦达到此高度将不再上升。但如果不及时关闭HV-7，则储罐液位H-4会继续下降。注意储罐液位下降过多，将被认为操作失误而扣分。⑤压料完毕，关闭HV-7及HV-5。打开泄压阀V6。如果忘记打开V6，会被认为操作失误而扣分。4．二硫化碳计量备料①检查并确认通水池的泄压阀V8是否关闭。②检查并确认二硫化碳计量槽F5下料阀V14是否关闭。③打开上料阀HV-10。④开启并调整自来水阀HV-9，使二硫化碳计量槽F5液位H-7上升。此时二硫化碳储罐液位H-6略有下降。直至计量槽液位H-7达到1.4m。由于计量槽装有溢流管，液位将不再上升。但若不及时关闭HV-10，则储罐液位H-6会继续下降，此种情况会被认为操作失误而扣分。⑤压料完毕，关闭阀门HV-10及HV-9。打开泄压阀V8。如果忘记打开V8会被认为操作失误而扣分。5．向缩合反应釜加入三种物料①检查并确认反应釜R2放空阀HV-21是否开启，否则会引起计量槽下料不畅。②检查并确认反应釜R2进料阀V15是否打开。③打开管道冷却水阀V13约5秒，使下料管冷却后关闭V13。④打开二硫化碳计量槽F5下料阀V14，观察计量槽液位因高位势差下降，直至液位下降至0.0m，即关闭V14。⑤再次开启冷却水阀V13约5秒，将管道中残余的二硫化碳冲洗入反应釜，关V13。⑥开启管路蒸汽加热阀V11约5秒，使下料管预热，关闭V11。6⑦打开邻硝基氯苯计量槽F4下料阀V12，观察液位指示仪，当液位H-5下降至0.0m，即关V12。⑧再次开启管路蒸汽加热阀V11约5秒。将管道中残余的邻硝基氯苯冲洗干净，即关闭V11。关闭阀V15，全关反应釜R2放空阀HV-21。⑨检查并确认反应釜R2进料阀V16是否开启。⑩启动多硫化钠输送泵M4电机开关M04，将沉淀槽F1静置后的料液打入反应釜R2。注意反应釜的最终液位H-3大于2.41m时，必须及时关泵，否则反应釜液位H-3会继续上升，当大于2.7m时,将引起液位超限报警扣分。⑾当反应釜的最终液位H-3小于2.4m时，必须补加多硫化钠，直至合格。否则软件设定不反应。6．缩合反应操作本部分难度较大，能够