年产1万吨异丙苯反应及烃化液的工艺设计

辽宁石油化工大学继续教育学院论文I年产1万吨异丙苯反应及烃化液工艺设计【摘要】苯酚是重要的有机合成原料之一。丙酮也是一种重要的有机合成化工原料，广泛应用于醋酸纤维素、无烟火药、油漆、涂料和药物方面，它还是一种良好的溶剂。天然丙酮满足不了经济发展的需要，大多合成。制备丙酮的方法有多种，如异丙醇法、发酵法、异丙苯法等。目前，异丙苯法是生产苯酚和丙酮的最主要的方法。本设计是年产1万吨的异丙苯反应及烃化液后处理工艺设计，设计年产量1万吨，年开工7200小时，设计反应压力0.12MPa，设计反应温度95℃。通过计算求得装置的产量等具体参数，计算出所需设备的型号以及具体参数。【关键词】异丙苯烃化反应后处理辽宁石油化工大学继续教育学院论文II目录引言………………………………………………………………………………………11、技术论述……………………………………………………………………………21.1生产方法的选择…………………………………………………………………21.1.1苯酚生产方法的比较………………………………………………………31.1.2丙酮生产方法的比较………………………………………………………61.2工艺流程的评述与确定…………………………………………………………71.2.1催化剂的选择………………………………………………………………81.2.2烃化反应器的选择…………………………………………………………81.2.3烃化反应产物的后处理……………………………………………………91.2.4三废处理……………………………………………………………………101.3工艺条件的论述与确定…………………………………………………………111.3.1配料比………………………………………………………………………111.3.2反应压力……………………………………………………………………111.3.3反应温度……………………………………………………………………111.4工艺流程叙述……………………………………………………………………121.4.1烃化反应…………………………………………………………………121.4.2尾气处理……………………………………………………………………121.4.3烃化液的处理………………………………………………………………121.5安全环保措………………………………………………………………………131.5.1安全措施…………………………………………………………………131.5.2三废处理……………………………………………………………………132、工艺设计计算………………………………………………………………………142.1物料衡算…………………………………………………………………………152.1.1烃化塔物料衡算……………………………………………………………152.1.2烃化塔气液分离计算………………………………………………………192.1.3第一尾气冷凝器的物料衡算………………………………………………222.2热量衡算…………………………………………………………………………252.2.1烃化塔的热量衡算…………………………………………………………262.2.2第一尾气冷凝器热量衡算…………………………………………………28辽宁石油化工大学继续教育学院论文III2.2.3烃化液冷却器热量衡算……………………………………………………292.3设备工艺设计计算…………………………………………………………………302.3.1烃化反应器工艺计算…………………………………………………………302.3.1.1塔径D……………………………………………………………………302.3.1.2塔高H…………………………………………………………………302.3.2反应器换热器计算……………………………………………………………312.3.3烃化液冷却器计算……………………………………………………………312.3.4烃化塔第一尾气冷凝器计……………………………………………………322.3.5沉降罐估算……………………………………………………………………322.3.6事故放料罐选…………………………………………………………………332.3.7烃化反应器接管计算…………………………………………………………332.3.8泵的选择………………………………………………………………………34主要参考文献…………………………………………………………………………36致谢……………………………………………………………………………………37工艺流程图……………………………………………………………………………38辽宁石油化工大学继续教育学院论文1引言苯酚是重要的有机合成原料之一，广泛应用于合成塑料（如酚醛树脂）、纤维（如锦纶、聚酰胺纤维）医药、农药和燃料中间体等工业生产中。随着有机合成工业，特别是塑料和合成纤维工业的迅速发展，苯酚的需求量逐年增加。苯酚的生产最早起源于从煤焦油中提取天然苯酚，所以苯酚又叫石碳酸。这是由朗格在1834年发现的。在第一次世界大战前，生产苯酚主要采用这种方法。后来由于酚醛树脂用途日益发展，苯酚的需求量猛增，天然苯酚远远不能满足需求，合成苯酚应运而生。丙酮也是一种重要的有机合成化工原料，广泛应用于醋酸纤维素、无烟火药、油漆、涂料和药物方面，它还是一种良好的溶剂。天然丙酮满足不了经济发展的需要，大多合成。制备丙酮的方法有多种，如异丙醇法、发酵法、异丙苯法等。在异丙苯法问世之前，主要用发酵和异丙醇法生产。目前，异丙苯法是生产苯酚和丙酮的最主要的方法。异丙苯法生产苯酚和丙酮的工艺路线最早由前苏联实现工业化，于1949年建成了第一座异丙苯法合成苯酚丙酮的工厂。1954年开始，美国市场出现了异丙苯法合成的苯酚。发展到20世纪60年代中期，异丙苯法合成苯酚量已经占世界苯酚总产量的50%，目前已占90%以上。我国对异丙苯法合成苯酚丙酮的研究是从1958年开始的，并在1970年实现了万吨规模的工业生产。经过十几年来我国广大科技人员的努力，已基本掌握了异丙苯法生产苯酚丙酮的技术，形成了具有自己特色的工艺流程。通过研究计算年产1万吨苯酚丙酮装置，采用催化剂主要是金属卤化物〔AlCl3〕，同时采用一个反应器的流程。烃化反应中的AlCl3用量选用3%。烃化液的组成大约为：异丙苯30%、苯60%、其他10%。本设计采用压力：0.12MPa。本设计确定反应温度控制在95℃。气体空塔速度：0.15m∕s，设备生产强度：200Kg·h-1·m-3，丙烯转化率：96%(mol)，苯转化率：35%(mol)。主、副反应分配率：异丙苯（主反应）95%(mol)，二异丙苯（副反应）3.5%(mol)，三异丙苯（副反应）1.5%(mol)。通过计算本设计完全满足了生产要求，并符合安全环保标准。辽宁石油化工大学继续教育学院论文21、技术论述1.1生产方法的选择1.1.1苯酚生产方法的比较（1）磺化法磺化法是最早合成苯酚的方法，1923年美国孟山都公司研制投产。具体方法是将苯与浓硫酸发生磺化反应生成苯磺酸，再与亚硫酸钠反应生成苯磺酸钠，然后用氢氧化钠碱熔生成苯酚钠，最后经酸化生成苯酚、反应方程式如下;磺化＋H2SO4+H2O2+Na2SO32+SO2+H2O320～350℃+2NaOH(S)+Na2SO3+H2O碱熔酸化2+SO2+H2O2+Na2SO3此种方法设备简单，产率较高，适合于中小规模的生产。但需要消耗大量的浓硫酸和烧碱，而且对设备的腐蚀相当严重，且副产大量的亚硫酸钠，利用价值很小，且造成很大的污染。因此，这种方法在国际上已经淘汰，不再发展。（2）氯化法1924年，美国道化学公司研制成功了用氯苯水解法合成苯酚。方法是苯被氯气氯化生成氯苯，氯苯再在高温高压和催化剂的作用下被稀碱液水解得苯酚钠，苯酚钠再经酸化既得苯酚。反应方程式如下：+Cl2+HCl—SO3H—SO3H—SO3Na—SO3Na—ONa—ONa—OHCl辽宁石油化工大学继续教育学院论文3水解+2NaOH+NaCl+H2O酸化+HCl+NaCl此种方法需要大量的氯，这些氯主要来源于电解食盐水，因此耗能较大：反应中有HCl存在，腐蚀相当严重：水解条件相当苛刻，温度要达到400℃，压强高达30Mpa,能耗大。虽然在污染问题上得到了一定的改善，取代了磺化法，但仍旧没有被广泛采用。（3）拉西法（氧氯化法）这种方法首先由德国的拉西研究的，故称拉西法。它是对氯化法的改良。具体方法是将盐酸、空气和苯的混合物通过固体氯化铜催化剂进行氧氯化反应，生成氯苯，再用过热水蒸气将氯苯水解成苯酚和盐酸。在第二个反应中生成的盐酸，可供第一个反应使用。反应方程式如下：CuCl2（S）+HCl+1/2O2+H2O水解+H2O（g）+HCl此种方法操作条件温和，但HCl有水存在时腐蚀性特别严重，温度大于150℃时，用搪瓷材料防腐已经不够了，维修费用较高,所以应用不广泛。（4）环己烷法美国科学设计公司采用苯和氢生成环己烷，环己烷在催化剂的作用下被空气氧化成环己醇，环己醇再脱氢生成苯酚。反应方程式如下：Ni+3H2Cl—ONa—ONa—OHClCl—OH辽宁石油化工大学继续教育学院论文4催化剂+1/2O2Ni+3H2此法所需的氢由脱氢反应生成，并循环使用，原料只需要苯和空气，来源丰富。这种方法如果工业化成功，将是很好的方法。澳大利亚的孟山都公司小试成功，建成了2万吨/年的工厂，但后来又改成了异丙苯法，此法没有实现工业化。（5）苯直接氧化法苯在催化剂作用下直接被氧化生成苯酚。反应方程式如下催化剂+1/2O2此法一步完成，反应简单，但催化剂选择性低，中间产品复杂，且产品收率较低。研究多年，未实现工业化。如果能找到合适的催化剂和反应条件，将是种理想的的方法。（6）甲苯氧化法这是唯一不以苯为原料的方法，1955年美国道化学公司开发的。方法是以甲苯为原料，钴盐做催化剂，用空气氧化生成苯甲酸，再以铜盐为催化剂，将苯甲酸用空气进行液相氧化得到苯酚。反应方程式如下：O2，钴盐催化剂140℃，2atm—OH—OH—OH—OH—CH3—COOH辽宁石油化工大学继续教育学院论文5O2，Cu盐催化剂240℃+CO21978年美国鲁姆斯公司提出了以甲苯为原料的气相苯甲酸脱羧基法制苯酚的新工艺，它克服了液相法副产焦油和残渣多的缺点。国际上此法与异丙苯法是目前竞争最激烈的。但在理论上，脱羧降解要尽量少用，因为能源利用不合理。在国外，甲苯较便宜，比苯便宜20%~30%，它的成本较低，具有很强的竞争力。而在我国。甲苯和苯价格相当，此法使用较少。（7）异丙苯法异丙苯法发展比较晚，但是发展最快，近几十年来得到了迅速的发展。具体方法是苯和丙烯以AlCl3或固体磷酸为催化剂，进行烷基化反应（工业上又称烃化反应）生成异丙苯，异丙苯在液相加热，通入空气，进行催化氧化而生成过氧化氢异丙苯，再用酸分解成苯酚和丙酮。具体反应方程式如下：①烃化反应CH3AlCl3或H3PO4＋CH3CH＝CH2CH3②氧化反应CH3CH3＋O2催化剂CH3CH3③酸分解CH3O－COOHH+＋H3C-C-CH3CH3—COOH—OH—OHCHCHCOOH辽宁石油化工大学继续教育学院论文6此种方法腐蚀明显减轻，污染也减轻，技术也相当成熟。最大的优点就是可以联产丙酮，它也是重要的有机原料之一，并且原料苯和丙烯来源丰富可以利用石油炼制的副产物，经济合理。1.1.2丙酮生产方法的比较生产丙酮的方法基本上分为两大类：一类是以植物为原料的发酵法；一类是以石油为原料的合成法。直到20世纪30年代，淀粉仍然是生产丙酮的原料。一般情况下，每生产1吨丙酮大约需要11~12吨的淀粉或60~66吨的糖蜜。由于发酵法生产丙酮需要大量的含淀粉植物，但是原料来源有限，所以逐渐被以石油为原料的合成法替代。目前使用的合成法主要有异丙醇法、液化石油气氧化法、丙烯醇法、异丙苯法等。（1）异丙醇法将异丙醇催化脱氢或催化氧化脱氢生成丙酮。反应方程式如下：异丙醇催化脱氢：