【文章內容簡介】 which is suitable for separating volatile benzene and less calculate and equipment design are have made material balance and energy balance ,the tower heights is ,the tower diameter is 1800mm, bar space is 500mmand elasticity of operation is on the tower,auxiliary equipments,such as condenser and reboiler,are simply calculated and dimension is ,column equipment drawing,as well as process flow diagram,is attached for this project and automatic control system,with a corresponding control point,is set up as well. Key words： chlorobenzene。 distillation。 plate column 1 引言 氯苯是一種重要的基本有機合成原料， 氯苯在國內的市場需求是非?？捎^的，氯苯市場發(fā)展 空間 很大 。 以氯化苯為原料可以生產上百種化工產品 ， 其中直接消耗氯化苯的主要化工產品有對硝基氯化苯、鄰硝基氯化苯、二硝基氯化苯 和 二苯醚等。其中 80％左右產品用于合成硝基氯苯，其余用于二氯苯、農藥等有機合成工業(yè) [1]。 隨著我國對、鄰硝基氯化苯工業(yè)快速發(fā)展，氯苯生產能力迅速提高。目前我國氯苯生產規(guī)模、技術水平、質量指標均達到國際先進水平，其中生產能力約占全球總產能的 70%左右，因此不僅滿足國內市場需求，還有一定數量的出口，特別是其下游衍生物的大量出口尤其明顯 [2]。 本課題以優(yōu)化分離工藝，確保產品質量，最大限度的 降低生產成本，提高產品的市場競爭力為目的，參考了大量文獻，按照生產要求進行精餾塔設計，產品純度可達 %。 2 第 1章 緒論 設計背景 氯苯是重要的有機化工產品，是染料、醫(yī)藥、有機合成的中間體，用于制造苯酚，硝基氯苯，苯胺以及殺蟲劑 DDT，還用于制取溶劑和橡膠助劑、油漆、快干墨水及干洗劑等，用途十分廣泛，已有近九十年的發(fā)展歷史了 [3]。在醫(yī)藥、染料、農藥、工程塑料等領域是重要的中間體，用途較廣的有機溶劑，合成高分子材料添加劑的重要原料，是有機氯中間體中規(guī)模最大、應用領域最廣泛的產品之一，也是氯堿企 業(yè)進行氯平衡的重要產品之一 [4]。 氯苯性質 氯苯性質：杏仁味的無色透明、易揮發(fā)液體。密度為 ，沸點為 ℃ ，凝固點 45℃ ，折射率 (25℃ )，閃點 ℃ ，燃點 ℃ ，粘度 (20℃ )s，表面張力 103N／ m[5]。溶于乙醇、乙醚、氯仿、苯等大多數有機溶劑，不溶于水。易燃，蒸氣與空氣形成爆炸性混合物。溶于大多數有機溶劑，不溶于水。常溫下不受空氣、潮氣及光的影響，長時間沸騰則脫氯。有毒，在體內有積累性，逐漸損害肝、腎和其他器官， 對皮膚和粘膜有刺激性，對神經系統(tǒng)有麻醉性，工作場所最高容許濃度為 350mg/m3。遇高溫、明火、氧化劑有燃燒爆炸的危險，與氯酸銀反應劇烈 [6]。 氯苯的市場價值 1905年首先報道用苯直接氯化制得氯苯。 1909年由英國的 United Alkali 公司開始工業(yè)化生產。 1915年 Hooker 電化公司的第一個 8200t/a裝置在美國投入運行。同年 Dow 化學公司在美國也開始工業(yè)化生產氯苯 [7]。因此可以說在主要有機化工產品中氯苯是第一個大規(guī)模生產的產品。 1920年 Dow 化學公司開發(fā)了兩個大量使用氯苯的工藝。 一是氯苯在溶解銅催化劑存在下用氫氧化銨水解生成苯胺，另一個是用氫氧化鈉溶液在高溫高壓下水解氯苯制苯酚 [8]。在之后 30年中，這一直是制備苯酚及苯胺的主要生產方法。另外，氯苯經硝化制得硝基氯苯和經磺化后制得氯苯磺酸等均是較重要的有機化工中間體。 到 40年代末期，用異丙苯法生產苯酚實現工業(yè)化。由硝基苯加氫法制苯的工藝也于1954年建成大規(guī)模生產裝置，到 80年代基本穩(wěn)定在一定水平上。 目前世界上氯苯的主要生產國家和地區(qū)有美國、西歐、中國、日本和俄羅斯。 90年代初世界總生產能力為 500kt/a左右，其中美國 170kt/a、西歐 125kt/a、中國 120kt/a、俄羅斯 3 40kt/a、日本 28kt/a[9]。中國氯苯生產主要有 10家左右工廠，其中錦西化工廠規(guī)模最大，1989年全國消費量為 78kt左右，主要用于生產有機化工原料、中間體及農藥 [10]。 我國從 1950年開始生產氯化苯，多年來一直供不應求，需從國外進口相當數量的硝基氯苯來滿足國內市場的需求，由于市場需求迫切， 90年代初國內各地紛紛建設或擴建氯化苯裝置，目前生產廠家近 20家，總生產能力達 31萬 t/a左右 [11]。我國氯化苯的快速發(fā)展實際上是與下游產品硝基氯苯的不 斷擴建和新建有關系，目前國內氯化苯消費量的 80%用于合成硝基氯苯 [12]，所有硝基氯苯生產企業(yè)都要配套建設氯化苯裝置，可以說硝基氯苯市場及變化與氯化苯休戚相關。 近年來，氯苯衍生物系列產品在燃料、醫(yī)藥、等行業(yè)中不斷拓展。且近兩年氯化苯國內生產業(yè)穩(wěn)步增長，行業(yè)地位不斷加強，位居世界生產大國地位。據行業(yè)數據統(tǒng)計，國內目前供需仍保持平衡，且總產能仍略低于下游總需要（下游實際生產滿負荷開工前提下），并沒有出現過?，F象。作為氯化苯的上游產品焦化苯在國際市場已有獲利空間，未來焦化苯出口增加，將形成對氯苯行業(yè)的有效支撐 [13]。并且據各外貿企業(yè)反饋的信息顯示，氯苯出口也有進一步增長趨勢。因此，氯苯行業(yè)基礎穩(wěn)固，發(fā)展空間大。 氯苯生產工藝流程簡介 氯苯主要生產工序有苯干燥、氯化、水洗中和、粗餾、精餾、尾氣吸收及多氯化物回收。其工藝路線為干燥苯與氯氣在氯化鐵催化下連續(xù)氯化 [14]，得到氯化液經水洗中和、粗餾、精餾，除去其中的氯化氫、苯、多氯苯而制成氯化苯成品。氯化反應放出的尾氣經冷卻噴淋除苯后，用水吸收制成副產鹽酸。精餾殘液經多氯化物工序回收苯、氯化苯，返回生產用，回收的二氯苯作為副產品出售。 生產工藝流程見下 4 圖 氯苯工藝優(yōu)化 氯化苯對干整個氯堿生產，尤其是平衡氯氣，起著舉足輕重的作用 [15]。過去，由于跑、冒、滴、漏現象嚴重，生產環(huán)境惡劣污染嚴重，原材料消耗居高不下，產品純度低一直成為制約生產發(fā)展和效益提高的難點。幾年來，通過引入清潔生產的思想，干燥過程使用固體燒堿作干燥劑氯化槽前增加苯冷卻器，氯化反應后增加氯化液冷卻器，氯化尾氣吸收沖入氮氣保護等 [16]，使氯化苯的整個生產面貌一 改往日被動局面，促進了形勢的好轉。通過清潔生產實踐 [17]，改變落后的生產工藝和設備，注重生產過程中物料的循環(huán)利用，使污染物排放總量大幅度下降，環(huán)境質量得到改善，而且取得了較好的經濟效益 [18]，同時也為環(huán)保工作提供了一種全新的方法：從被動的末端治理轉向主動的源頭控制 [19]。為了滿足市場的需求，對氯苯的生產不斷地加以改進并擴大生產能力，產品質量得到了極大的提高，在節(jié)能降耗上取得了一定成效 [20]。 隨著氯化苯系列產品的開發(fā)及應用范圍的不斷擴大，氯化苯系列產品在化工生產中起著越來越重要的作用。產品質量要求也 越來越嚴格。由苯液相氯化法 [21]制得的氯苯后，苯和氯苯互溶，為了提高氯苯產品的質量，需設計一連續(xù)精餾塔，用來分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的氯苯。 本設計主要是氯苯精制工段工藝流程設計，氯苯純度可達 %。 5 第 2章 設計方案 工程設計本身存在一個多目標優(yōu)化問題，同時又是政策性很強的工作。在進行工程設計時應綜合考慮諸多影響因素， 使生產達到技術先進、經濟合理的要求，符合優(yōu)質、高產、安全、低能耗的原則，具體考慮以下幾點： ① 滿足工 藝和操作的要求，即流程與設備需要一定的操作彈性，可方便地進行流量和傳熱量的調節(jié)。 ② 滿足經濟上的要求，即要節(jié)省熱能和電能的消耗，設計時應全面考慮，盡量減少設備與基建的費用 ③ 保證生產安全，生產中應防止物料的泄露，生產和使用易燃物料車間的電器均應為防爆品。 本設計采用連續(xù)精餾方式，原料液連續(xù)加入精餾塔中，并連續(xù)收集塔頂、塔底產物。精餾優(yōu)點 是集成度高，可控性好，產品質量穩(wěn)定。由于所涉濃度范圍內苯與氯苯的揮發(fā)度相差較大，因而無須采用特殊精餾。 精餾操作通?？稍诔骸⒓訅汉蜏p壓下進行。確定操作壓力時，必須根據所處理物料的性質，兼顧技術上的可行性和經濟上的合理性進行考慮。采用減壓操作有利于分離相對揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將導致塔徑增加，同時還需要使用抽真空的設備。對于沸點低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應在加壓下進行精餾。當物性無特殊要求時，一般是在稍高于大氣壓下操作。但在塔徑相同的情況下，適當地提高操作壓力可以提高 塔的處理能力。有時應用加壓精餾的原因，則在于提高平衡溫度后，便于利用蒸汽冷凝時的熱量，或可用較低品位的冷卻劑使蒸汽冷凝，從而減少精餾的能量消耗。對于本設計中要求分離的苯 氯苯物系，應采用常壓操作，常壓操作對設備要求低，操作費用低，適用于苯和氯苯這類非熱敏沸點在常溫（工業(yè)低溫段）物系分離。 根據生產要求，選擇結構簡單，易于加工，造價低廉的篩板塔，篩板塔處理能力大，塔板效率高，壓降較低，在苯和氯苯這種黏度不大的分離工藝中有很好表現。 6 進料狀態(tài)與塔板數、塔徑、回流量及塔的熱 負荷都有密切的聯系。在實際的生產中進料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預熱到泡點或接近泡點才送入塔中，這主要是由于此時塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。此外，在泡點進料時，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設計和制造上提供了方便。因此，本設計中采用泡點進料，由于蒸汽質量不易保證，采用間接蒸汽加熱，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔。 ，冷凝器等附屬設備的安排 塔底設置再沸器，塔頂蒸汽完全冷凝至泡點后一部分回流入塔，其余部分經塔頂產品冷卻器冷卻后送至儲灌。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產品經冷 卻后送至產品儲罐。 精餾過程是組分反復汽化和反復冷凝的過程，耗能較多，如何節(jié)約和合理地利用精餾過程本身的熱能是十分重要的。選取適宜的回流比，使過程處于最佳條件下進行，可使能耗降至最低。 全凝器設計方案 塔頂溫度為 81℃ ，采用泡點回流。 兩流體溫度變化情況為： 熱流體進口為 81℃ 的苯（含有少量氯苯）蒸氣，出口為 81℃的液體苯（含有少量氯苯）；冷流體（循環(huán)水）進口溫度 30℃ ，出口溫度 40℃ 。 該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的壁溫和殼體壁溫 之差較大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。 循環(huán)水 較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，管子 選 m / i ?? 的碳鋼管，管內流速取? ， 熱流體 走殼程。 再沸器設計方案 塔底再沸器選用熱虹吸立式再沸器，加熱介質進口為 790kPa， ℃ 的飽和水蒸氣，出口為 790kPa， ℃ 的液體水，走殼程；釜液進口為 138℃ 的液相氯苯（含少量苯），出口為 138℃ 氣相氯苯，走管程。 自動控制設計方案 化工生產 中，大多是連續(xù)性生產，各個設備相互關聯著，當其中某一設備的工藝條件 7 發(fā)生變化時，都可能引起其他設備中某些參數或多或少的波動，偏離正常的工藝條件，為此，就需要用一些自動控制裝置，對生產中某些關鍵性參數進行自動控制，使它們在收到外界干擾（擾動）的影響而偏離正常狀態(tài)時，能自動的回到規(guī)定的數值范圍內，為此目的需要設置自動控制系統(tǒng)。 常用的自動控制系統(tǒng)液位、流量、溫度、壓力自動控制系統(tǒng)。 ① 當干擾作用使被控變量（流量）發(fā)生變化偏離給 定值時，控制器發(fā)出控制信號，通過調節(jié)閥門開啟度來控制流量，使流量回到給定值。 ② 溫度自動控制系統(tǒng)依據傳熱的兩側有無相變來控制不同變量，如控制載熱體流量、控制被加熱流體自身流量、控制蒸汽流量、控制冷卻劑流量等 ， 以保證工藝介質在換熱器出口的溫度恒定在給定值上。 ③ 當被控變量（液位）偏離給定值時，控制器發(fā)出控制信號，從而調節(jié)進入設備管道上閥門的開度來調節(jié)液位高度，使液位回到給定值。 8 第 3章 精餾塔工藝計算 本設計采用連續(xù)精餾分離苯 氯苯二元混合物的方法，連續(xù)精餾塔在常壓下操作，被分離的苯 氯苯二元混合物連續(xù)由精餾塔中部進入塔內，要求年產純度不低于 %的 氯 苯 6萬噸，塔頂產品苯純度不低于 98%，原料液含氯苯為 38%（以上均為質量 %）。 設計每天 24小時不停工，年工作時間為 300天。 、塔底產品的摩 爾分率 苯的摩爾質量 MA=氯苯摩爾質量 MB=??? 9 8 1 2/??? 0 2 8 w ???? 、塔底產品的平均摩爾質量 ? ? k g / k m o 1 27 0 0 F ?????? ? ? k g/ k m o D ??????