H:\精品資料\建筑精品網原稿ok（刪除公文）\建筑精品網5未上傳百度.年產1000噸三(三溴苯基)磷酸酯生產工藝設計專業:化學工程與工藝姓名:劉雪坤指導教師:申請學位級別:學士論文提交日期:6月11日學位授予單位:天津科技大學摘要本設計為年產1000t復合型阻燃劑三(三溴苯基)磷酸酯的生產工藝的初步設計。根據最新實驗研究結果,設計出新型生產工藝流程,用二甲苯做溶劑,以路易斯酸作催化劑,使三溴苯酚和三氯氧磷在140℃下反應。反應時,三氯氧磷與三溴苯酚生先成一酯、二酯。隨反應進行,反應的空間位阻變大,生成三酯需要較長的反應時間。因此設計中采用六個間歇反應釜、兩個水洗反應釜和一個鹽酸吸收塔,生產開車時,反應釜時間隔4小時加料,反應產物間隔8小時分批水洗蒸餾,鹽酸集中到一個鹽酸吸收塔處理。在保證產量的同時,同樣保證生產的連續性和穩定性。本設計經過物料衡算和能量衡算,對主要反應設備、分離和換熱設備進行了設備選型設計。同時根據工藝流程的選擇,對車間設備布置,工廠建筑物的布置等進行了初步設計。 關鍵詞:三氯氧磷;三(三溴苯基)磷酸酯;復合阻燃劑;工藝設計ABSTRACTThedesignforthepreliminarydesignoftheannualoutputof1000tcompoundflameretardanttris(bromophenyl)phosphatefactory,plansyieldof3.33t/day.Thechoiceofthedesignprocess,workshopequipmentlayout,thelayoutofthefactorybuilding,thepreliminarydesignoftheequipmentselectionhavebeendesigned.Undertheexperimentalconditions,thedesign,designedanewproductiontechnology.Inzhedesign,Xyleneacidassolvent,Lewisacidascatalyst,thereactionoftribromophenolandphosphorusoxychlorideat140℃.Firstly,thephosphorusoxychloridetribromophenolbornintoanester,diester..Withthereaction,thereactionstericbecomelarger.Generatingthreeestersrequirealongerreactiontime.SoIdesignedsixbatchreactor,twowashingreactionvesselandahydrochloricacidabsorber.Reactoriseveryfourhoursfeeded,thereactionproductofanintervalof8hourswashingbatchdistillation,hydrochloricacidisconcentratedtoahydrochloricacidabsorberprocessing.Itguaranteethecontinuityandstabilityofproductiontoensurethatproductionatthesametime.Inthedesign,productionprocessshowedaU-shapeddistribution,Theworkshoplengthandwidthare12m.Sixsetsoftwostandardenamelresponseequipmentarelayouted.Productpackagingworkshopandcoolingsetupshopindependently.Asignificantreductioninleakagecausedbydustpollutionandcoolingprocess,theheatgeneratedinterferenceduetothree(3-bromophenyl)phosphatepowder.Thefactoryis70mlong,43mwide.Thebuildingarea??860,buildingcoefficientwas0.278,greenareaof??788m2,greeningratewas26.18%.Thebuildingarea??is860m2,buildingcoefficientis0.278,greenareais??788mKeywords:Phosphorusoxychloride;Tribromophenol;Compositeflameretardant;Processdesign目錄第一章概述…………1第一節阻燃劑概述…………………1第二節選題的目的及意義…………2第二章工藝技術設計………………5第一節實驗確定反應條件…………5第二節反應工藝設計………………7第三章設備選型計算………………9第一節反應物料衡算………………9第二節反應釜設計…………………9第三節加料裝置設計………………11第四節水洗反應釜…………………12第五節鹽酸吸收塔設計……………13第六節冷凝器設計…………………20第四章車間和廠區布置……………29第一節車間布置……………………29第二節廠區布置……………………29結論……………………31參考文獻………………32致謝……………………3不顯示頁碼3不顯示頁碼附錄……………………34第一章概述第一節阻燃劑概述一、阻燃劑阻燃機理阻燃劑是一種防止材料燃燒、降低煙霧和有毒有害氣體產生的高分子材料添加劑。隨著世界經濟的發展,合成材料廣泛地應用到生產的各個部門和人們的生活中,與此同時,由于合成高分子材料被引燃而導致的火災數量也在大大增加。因此對這類材料的阻燃顯得特別重要。阻燃劑阻燃的機理能夠分為的化學和物理方法,不同的化學結構決定了不同的阻燃機理。一般將阻燃劑的阻燃劑里分為以下幾種。遇到熱時,產生阻燃氣體。該類的阻燃劑一般是金屬碳酸鹽或能釋放氮氣的化合物。添加的阻燃劑能在聚合物燃燒時產生大量的阻止燃燒的氣體,這些氣體能稀釋使高聚物表面的氧氣濃度,使氧氣濃度降低到可燃極限以下,從而達到阻燃的目的。燃燒時吸收大量的熱量。此類阻燃劑的阻燃機理是在聚合物燃燒時自身發生分解,吸收熱量,降低可燃物的溫度,使燃燒過程減慢。遇熱融化形成阻燃層。此類阻燃劑多為磷酸化合物,在聚合物燃燒時,它們能分解產生磷酸并發生膨脹。該類阻燃劑能在聚合物表形成液體保護層或碳保護層,保護膜在火焰前端形成,而且阻止熱量傳遞到其它高聚物上。化學作用,此類阻燃劑能在燃燒時產生自由基,封鎖聚合物的鏈斷裂。阻燃劑的阻燃效果按照F<Cl<Br<I的順序增加。含氟的阻燃劑效率低、價格高,因此很少使用。碘化物很不穩定,因此也很少使用。實際中,含有氯和溴的阻燃劑使用的最為廣泛。含有鹵族元素或磷的元素的阻燃劑成為阻燃劑的主要組成部分。因為它們含有相對較低的碳溴鍵鍵能,此類化合物能在200至300℃分解。和含氯阻燃劑相比,含溴阻燃劑占有的市場份額正不斷增加。二、阻燃劑分類按成分不同可將阻燃劑分為無機鹽類阻燃劑、有機阻燃劑和有機—無機混合阻燃劑三種。無機阻燃劑是使用比較多的一類阻燃劑,它的主要成分是無機物,主要有氫氧化鎂、氫氧化鋁、磷酸二銨、磷酸一銨、氯化銨、硼酸等。有機阻燃劑的主要成分為有機物,主要的產品有鹵系、磷酸酯、鹵代磷酸酯等。還有部分有機阻燃劑能夠用于紡織織物的阻燃整理,如六溴水散體、十溴－三氧化二銻阻燃體系,具有較好的耐洗滌的阻燃性能。有機—無機混合阻燃劑是無機鹽類阻燃劑的改良產品,主要用非水溶性的有機磷酸酯的水乳液,部分代替部分無機鹽類阻燃劑。按所含元素分類可將將阻燃劑分為氮系阻燃劑、鹵系阻燃劑、磷系阻燃劑、磷－鹵系阻燃劑、復合元素阻燃劑。在氮系阻燃劑中,含氮的化合物和可燃物作用,交鏈成炭,降低可燃物的溫度,同時還能產生不燃氣體,起到稀釋可燃物表面氧氣的作用。鹵系阻燃劑在受熱分的解過程中,分解出能捕獲傳遞燃燒自由基的X-及HX,X-及HX能稀釋可燃物表面的氧氣濃度,隔斷可燃物與氧氣的接觸從而達到阻燃目的。磷系阻燃劑在受熱分解過程中能產生磷酸酐或磷酸,使合成材料脫水炭化,減少可燃性氣體產生。磷酸酐在受熱分解時還能夠形成了類似玻璃狀的熔融物,這種熔融物能覆蓋在可燃物表面,隔絕可燃物與氧氣的接觸,達到阻燃目的。復合元素阻燃劑一般是磷－鹵系阻燃劑、磷－氮系阻燃劑,這類阻燃劑主要是經過磷－鹵、磷－氮協同效應作用達到阻燃目,具有磷－鹵、磷－氮的雙重效應,阻燃效果比較好。按使用方法的不同阻燃劑可分為添加型阻燃劑和反應型阻燃劑。添加型阻燃劑主要是在可燃物中添加阻燃劑發揮阻燃劑的作用。反應型阻燃劑則是經過化學反應在高分子材料中引入阻燃基團,從而提高材料的抗燃性,起到阻止材料被引燃和抑制火焰的傳播的目的。在阻燃劑類型中,添加型阻燃劑占主導地位,使用的范圍比較廣,約占阻燃劑的85%,反應型阻燃劑僅占15%。第二節選題目的及意義一、環保阻燃劑市場分析隨著中國合成材料工業的發展和應用領域的不斷拓展,阻燃劑在化學建材、電子電器、交通運輸、航天航空、日用家具、室內裝飾、衣食住行等各個領域中具有廣闊的市場前景。另外,煤田、油田、森林滅火等領域也促進了中國阻燃、滅火劑生產較快的發展。中國阻燃劑已發展成為僅次于增塑劑的第二大高分子材料改性添加劑,當前的生產能力20萬噸/年左右,年生產量在15萬-17萬噸之間,年消費量20萬噸左右。不足部分主要從美國和以色列進口,進口的主要品種為有機溴及鹵—磷系阻燃劑。中國阻燃劑生產廠60余家,能夠生產50余種產品,主要為溴磷系列,其中溴系阻燃劑是最重要的系列,約占中國有機阻燃劑的30%。國內阻燃劑的品種和消費量還是以有機阻燃劑為主,無機阻燃劑生產和消費量還較少,但近年來發展勢頭較好,市場潛力較大。阻燃劑中最常見的鹵系阻燃劑雖然具有其它阻燃劑系列無可比擬的高效性,可是它對環境和人的危害是不可忽視的。環保問題是助劑開發和應用商關注的焦點,因此國內外一直在調整阻燃劑的產品結構,加大高效環保型阻燃劑的開發。當前中國有1000多家企業生產阻燃劑,每年產量近20萬噸。粗略估計中國未來發展前景良好,對阻燃劑的需求量未來5年內將超過北美成為最大的阻燃劑消費地。可是,面對中國每年20萬噸的生產力,不但心生疑問,20萬噸的阻燃劑大部分的”何去何從”呢?答案其實很簡單,當前中國生產量雖然很大,可是大部分的消費于國外,用于進出口。而真正用于中國的阻燃劑占的比重卻很小。國內有一批科研院所的阻燃劑研發水平已與先進國家同步,如中國科技大學火災科學國家重點實驗室和四川大學降解與阻燃高分子材料省重點實驗室的研發水平就已處于世界前列。環保型阻燃劑是”潛力股”在防火與環保之間尋找一個平衡點,是未來阻燃劑發展的重要節點。隨著人們環保、安全、健康意識的日益增強,世界各國開始把環保阻燃劑作為研究開發和應用的重點,并已經取得了一定的成果。阻燃劑按有效元素分類,可分為磷系、氯系、溴系和銻基、鋁基、硼基阻燃劑等。根據阻燃有效元素又能夠將阻燃劑分為無鹵阻燃劑、溴系阻燃劑、鹵—磷協同阻燃劑及其它阻燃劑,這幾種環保阻燃劑都具有廣闊的應用前景。環保阻燃劑。二、鹵系阻燃劑市場分析無鹵阻燃劑:無鹵、低煙、低毒的環保阻燃劑一直是人們追求的目標,近年來全球一些阻燃劑供應和應用商對阻燃無鹵化表現出較高熱情,對無鹵阻燃劑及阻燃材料的開發也投入了很大的力量。據分析,無鹵阻燃劑主要品種為磷系阻燃劑及無機水合物。前者主要包括紅磷阻燃劑,無機磷系的聚磷酸銨(app)、磷酸二氫銨、磷酸氫二銨、磷酸酯等,有機磷系的非鹵磷酸酯等。后者主要包括氫氧化鎂、氫氧化鋁、改性材料如水滑石等。聚磷酸銨、水滑石為該系列環保型且市場前景較好的代表產品。環保阻燃劑二:溴系阻燃劑溴系阻燃劑的生產和使用已有30多年的歷史,當前生產的溴系阻燃劑約有70多種,其中最重要的是十溴二苯醚(dbdpo)、四溴雙酚a(tbbpa)和六溴環十二烷(hbcd)等。前兩者的產量占溴系阻燃劑的50%左右。一些傳統的溴系阻燃劑由于受到日益嚴格環保要求的壓力,迫使用戶尋找溴阻燃劑的代用品,同時促進了新阻燃體系的問世。多溴二苯醚等傳統溴系阻燃劑市場的萎縮,為溴化環氧樹脂、十溴二苯乙烷等環境友好型溴系阻燃劑產品提供了市場空間。鹵—磷阻燃劑:這類阻燃劑的特征是:分子中同時兼有溴和磷或溴、磷和氮原子。在阻燃性能方面彼此起協同增效作用;分子中的溴含量較低,燃燒過程伴隨較少的發煙量,有害性的氣體揮發物較少;一定程度的溴含量可改進一般磷酸酯類阻燃劑揮發性大、抗遷移性差和抗熱老化性欠佳的缺點。主要產品品種包括二溴辛戊二醇(dbnpg)、二溴辛戊二醇磷酸酯以及二溴辛戊二醇磷酸酯氰胺鹽類等。鹵—磷系阻燃劑經過利用不同的作用機理,互相補充,達到協同增效的結果。在最近幾年,國際市場有不少新的阻燃劑或阻燃系統問世。如德國clariant公司開發了兩種以次膦酸鹽為基的阻燃劑,牌號為exolitop1311和exolitop1312m1,工業規模的生產于底開始。美國大湖(greatlake)公司于推出的reogard1000膨脹型阻燃劑,dsm公司推出的新型三聚氰胺磷酸鹽阻燃劑,死海溴化物公司的safron系列,瑞士汽巴(ciba)公司的flamestabnorll6及tin2uvifr等。這類產品國內尚未有工業生產。綜上所述,中國環保型阻燃劑雖有一定量的生產,但尚未形成規模,在阻燃劑產品中所占的比例較小。中國阻燃劑發展應定位于環保、高效性的品種,加大新型環保阻燃劑的研發,經過產品結構調整,擴大環保型阻燃劑所占的比例,才能在未來競爭中立于不敗之地。[9]三、三(2,4,6-三溴苯基)磷酸酯介紹本設計中生產的三(2,4,6-三溴苯基)磷酸酯是一種新型阻燃劑。三(2,4,6-三溴苯基)磷酸酯又名三(三溴苯基)磷酸酯、磷酸三(三溴苯基)酯,英文名稱:tris(tri-bromophenyl)phosphate(簡寫作TTBPP),結構簡式如圖一;圖1-1三(2,4,6-三溴苯基)磷酸酯相對分子質量:1036.35,溴含量69.35%,磷含量2.99%。熔點:143℃,沸點:320℃(p=-0.95MPa)。主要用途:用于阻燃劑、增塑劑。主要用于PET、PBT、ABS、PC、PPO等工程塑料及其合金,滌綸、丙綸等纖維,EVA電纜及護套,PU泡沫等,也可在PC,PMMA中發揮一定作用。在分類原則上,三(2,4,6-三溴苯基)磷酸酯屬于復合型阻燃劑,添加型阻燃劑。三(2,4,6-三溴苯基)磷酸酯受熱分解的過程中,會產生磷酸液態的保護膜,其沸點在300℃左右。同時磷酸進一步脫水而形成偏磷酸,偏磷酸繼續反應又會得到聚偏磷酸,其酸性較強,且具有很強的脫水性,因此能促進高聚物脫水而發生碳化,降低材料質量的流失速度和可燃物氣體的生成,而磷元素則滯留在炭層中,以此達到阻燃的目的。[8]三(2,4,6-三溴苯基)磷酸酯能發揮溴和磷的協作阻燃作用。研究表明:含有鹵和磷兩種阻燃元素的高聚物合成材料燃燒時,生成沸點高比重大的鹵磷化合物,它們在燃燒帶停留時間較長故可延長阻燃時間。而且它在高聚物合成材料表面形成一覆蓋膜,能隔絕空氣,起到阻止然燒的作用。鹵-磷同時使用的阻燃效果單獨使用其中任一種的阻燃效果都好,這種效應一般稱為協同效應[2]。第二章工藝技術設計第一節實驗確定反應條件一、化學反應原理(一)化學反應本設計是在實驗的基礎上進行設計的,設計中的部分數據也來自于實驗室測定值。設計中主反應是三溴苯酚與三氯氧磷充分反應,生成三溴苯基酯的過程。反應反應分為三步,三氯氧磷先與一個三修苯酚發生取代反應生成一(2,4,6-三溴苯基)二氯磷酸酯,反應方程式如圖2-1;圖2-1生成一酯的化學方程式一酯再與一個三溴苯酚發生取代反應生成二(2,4,6-三溴苯基)一氯磷酸酯,二脂再與一個三溴苯酚發生取代反應生成三(2,4,6-溴苯基)磷酸酯,發生的總反應能夠用圖2-2方程式表示:圖2-2生成三酯的化學方程式反應過程是分三個步驟進行的,能夠用一個方程式概括如圖2-3:圖2-3生成酯的總化學方程式(二)反應條件為了探究最佳的反應條件,分別對溶劑、催化劑、反應溫度和反應時間做了實驗探究。應對溫度控制要比較苛刻,三溴苯酚熔點是95℃,三氯氧磷沸點是105℃,因此在滴加三氯氧磷時需要控制溫度在100攝氏度左右。反應時,反應優先生成一酯,生成二酯、三酯時,空間位阻變大,需要較高的活化能,因此需要逐漸升溫,實驗證明升溫到140℃以上時有較好反應效果。實驗時,在四口瓶上裝上球型冷凝管、攪拌器、溫度計和滴液漏斗,球型冷凝管用于反應中揮發液體的回流,滴液漏斗用于滴加三氯氧磷。實驗加料量如表2-1所示:表2-1催化法加料量統計表名稱料量(g)質量比三溴苯酚459.047.55三氯氧磷60.821.00催化劑15.300.25溶劑375.86.18將三溴苯酚、無水氯化鋁和二甲苯加到四口瓶中,升溫到100℃,滴加氧磷,控制滴加速度,在1小時內將氧磷滴加完畢。維持溫度在100℃兩小時,然后逐漸升溫到140℃,維持溫度在140℃,兩小時后,加入濃硫酸,維持溫度在140℃兩小時。反應后減壓蒸餾,在-0.95Mp條件下,產品在300-310℃之間冷凝,副產物在240-280℃冷凝,三溴苯酚在210-220℃冷凝,二甲苯在85-90℃冷凝。應對溫度控制要比較苛刻,三溴苯酚熔點是95℃,三氯氧磷沸點是105℃,反應時要求溫度控制在140℃,因此在滴加三氯氧磷時需要控制溫度在100攝氏度左右,在滴加完氧磷后,應逐漸將溫度升溫至140℃。反應溫度是140℃,反應中使用的溶劑的沸點應高于140℃。蒸餾反應時,要求溶劑容易和產品分開,一次沸點有不能過高。經過實驗,用二氯乙烷、四氯乙烷、丙苯、二甲苯為溶劑做反應,二甲苯的反應效果最佳,最終選擇用二甲苯做溶劑。表2-2不同催化劑條件下的轉化率催化劑轉化率0.530.360.560.620.790.550.67反應中嘗試用多種路易斯酸作催化劑。分別是氯化鎂、氯化銨、氯化銅、氯化鐵、氯化鋁、氯化錳和氯化亞鐵。實驗結果見表2-2。設計中選擇催化效果最好的氯化鋁作催化劑。(三)反應的電子理論解釋當苯環上有一個取代基,如果想再引入第二個取代基,則第二個取代基上的位置能夠有三種,即對位、鄰位和間位;其中對位取代只有一種,鄰位和間位各有兩個位置。[3]在取代基中,氧為富電子集團,在苯環的取代中,表現為推電子基,氧連在苯環上,使苯環活化,而且是鄰對位定位基。苯酚在與溴反應時優先與對對位反應。-X(鹵素)在苯取代中變現為拉電子基,會使苯環鈍化(間位鈍化效果強于鄰位鈍化效果),顧也為鄰對位取代基。苯環上已有兩個取代基時,第三個取代基進入的位置,則由原有另個取代基來決定。一般有下列兩種情況:兩個取代基的定位效應一致時,第三個取代基進入位置有上述取代基的定位規則來決定。兩個取代基的定位效應不一致時,第三個取代基進入的位置主要由定位效應強的取代基所決定,兩個取代基屬于不同類型時,第三個取代基進入位置一般由鄰位定位基決定。[4]苯酚和溴發生對位取代后,氧和溴的定位效應不同,屬于上述的第二種情況,再與溴發生反應時會優先與氧的鄰位反應。第二節反應工藝設計一、加料比例的確定本設計中的反應是三溴苯酚與三氯氧磷以三氯化鋁作催化劑,以二甲苯作溶劑,逐漸升溫的反應。升溫控制條件:滴加氧磷時溫度為100℃,之后升溫到140℃,保持反應溫度,最終的得到產品。根據化學反應方程式計算的三氯氧磷和三溴苯酚的物質的量比是1:3,在三溴苯酚過量的情況下,有利于反應三酯的生成,故加入的三溴苯酚的量應適當過量。實際加料的物質的量比為1:3.5.實驗證明在三氯化鋁的質量是三氯氧磷的0.025倍時能達到較好的催化效果,過少時反應時間較長,過多時反應時間不會縮短,加入的三氯化鋁的質量比應為1:0.025。一二甲苯為溶劑,在二甲苯與三修本分的質量比是1:1時,反應料液能很好的溶解,即使在常溫下也能保證反應料液是液態。實驗過程中,最佳轉化率為81.03%,本設計中以三溴苯酚轉化率為75%計算。反應時加料質量比比見表2-3;表2-3加料時物料質量比名稱質量比物質的量比相對分子量三溴苯酚7.543.5330.8三氯氧磷11153.33三氯化鋁0.0250.28133.34二甲苯7.5416.2253.49二、工藝流程設計本設計中的反應,反應時間24小時,適宜在間歇反應釜中進行。水洗蒸餾釜操作較為簡單,能夠用簡單蒸餾操作完成。工藝流程如圖2-4。圖2-4工藝流程三溴苯酚加料常溫下是固體,加料時需要融化后在加料,一次需要用熔融槽融化后再加料。三氯氧磷加料時,需要緩慢滴加,滴加速度需要精確控制,一次需要計量泵加料。二甲苯每次加入帶入的也液體量是一定的,可設計計量罐加料。三氯化鋁可隨三溴苯酚一起加入。反應副產物中有鹽酸,應設有鹽酸吸收塔。反應在負壓條件下進行時,需要真空泵和緩沖罐。水洗蒸餾過程中,需要加入水水洗,蒸餾過程中需要有三級冷凝器分別將產品、副產物和二甲苯分別冷凝下來。蒸餾過程需要在負壓條件下進行,需要真空泵和緩沖罐。另外,二甲苯的儲存和反應產物的臨時儲存都需要與用途相適應的型號的儲存罐。反應工藝過程中還要用各自的控制點,以保證工藝的順利進行。帶控制點的工藝流程圖見附圖一。第三章設備的選型計算第一節物料衡算一、總反應物料衡算本設計中,生產三(2,4,6-三溴苯酚)磷酸酯1000噸/年需要原料和溶劑共9.17噸,用加權計算混合物料密度為1.03kg/L,折合成體積為9.17/1.03=8.90m3。,每年以300個工作日計算,日產量為1000/300=3.33噸。一年中需要通入和產出的各物質的質量如表3-1。表3-1一年物料核算總反應投料總反應產出三溴苯酚1276788.73kg主產物1000000kg三氯氧磷197269.26kg副產物464445.99kg三氯化鋁9612kg氯化氫42217.39kg本反應為3級反應,反應時間較長,為了生產操作的方便,因此反應釜體積不宜過大,布置6套反應裝置,那么單釜生產能力為11.87/6=1.48m3。二、單批反應物料衡算布置6套反應裝置,單批產量為3.33/6=0.555噸,設計中轉化率以75%計算,需要的各物料和產出的各產品如下表:表3-2單批物料核算投入產出三溴苯酚709.33kg主產物555.56kg三氯氧磷109.59kg副產物258.03kg二甲苯709.33kg二甲苯709.33kg三氯化鋁5.34kg氯化氫23.45kg物料在反應釜中反應時間為18h,加料時間2h,去料時間0.5小時,其它輔助操作時間1.5小時,確定每批生產時間為24h。第二節反應釜設計二、反應釜選型和核算(一)反應釜選型本設計中采用的是間歇反應釜,單釜生產能力為11.87/6=1.48m3,本反應中表3-3反應器填料系數條件裝填系數無攪拌或緩慢攪拌的反應釜0.80~0.85帶攪拌的反應釜0.70~0.80易起泡或沸騰狀態下的反應0.40~0.60頁面平靜的儲罐和計量罐0.85~0.90物料粘度不大,但有攪拌過程,根據表3-3,選擇裝填系數在0.7~0.8之間,本設計選裝填系數為0.75,反應釜體積為1.48/0.75=1.98m3圓整得2m3。因此選用2m3的標準反應釜反應釜比較合適。由于反應環境在強酸條件下進行,反應釜材質為搪瓷。最終選定反應釜:KF-,公稱容積L,實際容積2197L,換熱面積7.2m2,檢查孔。參考標準為HG5-1579-85。(二)反應釜核算設計中,操作壓力,設計壓力:,取,液體靜壓:;計算壓力:;設計溫度:140℃;焊縫系數:＝1.0(雙面對接焊,100%無損探傷);許用應力:根據材料0Cr18Ni10Ti、設計溫度140℃,由文獻[1]286頁表14-4知＝137Mp;鋼板負偏差C1:C1＝0.25mm(GB6654-96)腐蝕裕量C2:C2＝1.0mm(雙面腐蝕)。筒體壁厚的核算由公式得:考慮C1,則=+=1.32mm,圓整Sn=2mm考慮筒體的壁厚不小于5mm,滿足要求.第三節加料裝置設計一、三氯氧磷加料裝置設計(一)三氯氧磷儲罐設計三氯氧磷氧磷是強腐蝕性原料,與水發生劇烈反應,產生鹽酸和磷酸,儲運時用200L耐腐蝕的PVC塑料桶。廠區氧磷總儲存倉庫儲存一個月(30天)生產所需要的氧磷。體積為,約合11990/200=60桶。氧磷是消耗原料,單批消耗氧磷109.59kg,體積為109.59/1.645=0.0666m3,儲存一天使用的氧磷,體積為。應設計三氯氧磷臨時儲罐。最終選定立式儲罐:公稱容積1m3,實際容積1.06m3,筒體直徑800mm,長度1800mm。參考標準為HG5-1579-85。(二)三氯氧磷計量泵設計由于氧磷在操作中每是滴加操作,需要時間較長,因此每個反應釜對應一個計量泵,及六個計量泵。單批投料中加入氧磷109.59kg,體積為109.59/1.645=66L,氧磷加料過程中需要精確控制流量,在反應的前3個小時將氧磷均勻滴加到反應體系中。根據化工設備設計基礎選型,氧磷加料適合使用計量泵加料。泵的流量為Q=66/3=22L/h根據伯努力方程:有,當摩擦系數取值很小,液體流速不大于3m/s情況下,可近似為零。l=12m,取he=15m。氧磷為強腐蝕性原料,應選用耐腐蝕的材質,使用溫度25℃加氧磷時流量為22L/h。選擇GM0025-PQ-1-MNN隔膜計量泵,流量25L/h,壓力1.2MPa,泵頭材質為PVC,符合生產時的負壓操作。二、三溴苯酚加料裝置設計三溴苯酚是白色或分色片狀固體,儲運時用25kg牛皮紙袋包裝。三溴苯酚加料時先要融化,單批反應需要三溴苯酚709.32kg,三溴苯酚堆積密度為1.21kg/L,單批投料體積為709.32/1.21=0.59m3。設計中選擇1m3熔融槽,公稱容積1m3,實際容積1.06m3,筒體直徑800mm。參考標準為HG5-1579-85。熔融加熱功率設計,熱量Q=融化潛熱+升溫吸熱三溴苯酚融化焓變為三溴苯酚平均比熱為單批加料時需要熱量由常溫25℃加熱到100℃,輔助操作時間一小時,加熱功率為圓整得P=65kw。三、二甲苯加料裝置設計二甲苯為是反應中的溶劑,反應回收率為95%,一個月(30天)需二甲苯,為了保證反應的連續性,需要設置二甲苯儲存罐。根據物料體積,選臥式儲罐:公稱容積16m3,實際容積16m3,筒體直徑2200mm,長度3400mm。參考標準為HG5-1579-85。二甲苯計量罐六個反應釜循環操作,加料時間沒有重疊,故能夠共用一個二甲苯計量罐。單批加料時,需要二甲苯709.33kg,體積為709.33/0.86=0.83m3,加料時是常壓操作。最終選定臥式儲罐:公稱容積1m3,實際容積1.06m3,筒體直徑800mm,長度1800mm。參考標準為HG5-1579-85。第四節水洗反應釜設計一、水洗反應釜尺寸設計水洗蒸餾需要時間為6小時,加上輔助操作時間2小時,需要8小時。設計中有6個反應釜,反應時間為24小時,水洗蒸餾反應釜設計為2個。水洗過程中,加入的水的量為物料的體積的1/2,單批處理量體積為,水洗時有攪拌過程,有上表知裝填系數應設計為0.75,需要反應體積為2.22/0.75=2.96m3。最終選定反應釜:F-3000,公稱容積3000L,實際容積3680L,換熱面積8.55m2。參考標準為HG/T2372-92。二、蒸餾時加熱功率設計蒸餾時,采用新型電阻絲加熱方式加熱,電阻絲加熱均勻,且加熱功率容易控制。蒸餾時消耗熱量Q=融化潛熱+升溫吸熱,反應液混合物氣化相變焓平均為,反應液混合物平均比熱容為單批加料時需要熱量,由常溫25℃加熱到300℃,,蒸餾操作時間兩小時,平均加熱功率為,代入數據得。第五節鹽酸吸收塔設計一、鹽酸吸收塔物料衡算生產中可用工業水吸收氯化氫氣體,吸收后的酸用于電鍍、油漆前的除銹對酸的品質要求不高。吸收時氯化氫氣體中含有少量三氯氧磷氧磷,三氯氧磷與水反應生成鹽酸和磷酸,故吸收產物的鹽酸中含有少量的磷酸。 六個反應釜循環操作,產生的氯化氫氣體集中到一個氯化氫吸收塔處理。處理的氯化氫氣體流量也能基本保持恒定。單批反應產生氯化氫氣體0.64kmol,一天生產6批,共產生,摩爾流量G=3.86/24=0.16kmol/h=5.8336kg/h。HCl流量 G= 0.16kmol/h=5.83kg/h鹽酸質量分數吸收水流量帶入數據得 二、鹽酸吸收塔熱量料衡算制成10%鹽酸時,溶解熱為,10%鹽酸的比熱容為,由熱量衡算式,得水溫,將L帶入得。吸收放熱水升溫ΔT=8032.64/4.362/52.50=35.07℃,深井泵水吸收T0=15℃,吸收后水溫T=15+35.07=50℃。三、鹽酸吸收塔塔型選擇用工業水吸收氯化氫,為了保證吸收效率,要求鹽酸濃度質量分數在左右。可知水進入塔時xa=0,出塔時由反應釜設計過程知,單個反應釜剩余體積為2197-1480=717L,單批產生氯化氫0.64kmol,約合14336L,產生氯化氫的平均組成為。表3-4鹽酸在不同溫度下的亨利系數溫度(℃)051015系數1/H×10-60.001850.001910.001970.00203溫度(℃)20253035系數1/H×10-60.002090.002150.002200.00224溫度(℃)40455060系數1/H×10-60.002270.002280.002290.00230由表3-4知,50℃,10%平衡時亨利系數,m相平衡常數E亨利系數C溶液總物質量濃度,稀溶液中C=55.5kmol/m3代入數據得吸收塔吸收時不能達到平衡分壓,根據文獻要求,吸收后濃度不大于5%。氣體出塔時ya=5% ,液體進塔時xa=0,氣體進塔時yb=95%,液體出塔時xb=5.2%。蒸餾物料有一定的腐蝕性,操作壓力為-0.01MP,由表知吸收塔形式應(設計2-139)選擇填料塔。表3-5選擇吸收塔形式時考慮的因素考慮因素選擇順序考慮因素選擇順序塔徑800mm以下,填料塔污濁液體1大孔徑篩板塔800mm以上1,板式塔2整裝填料塔2穿流板式塔具有腐蝕性的物料1填料塔3噴射板型塔2穿流板式塔4浮閥塔3篩板塔5泡罩塔4噴射板型塔大液氣比1導向篩板塔操作彈性1填料塔2多降液管篩板塔2浮閥塔3填料塔3泡罩塔4噴射板型塔4篩板塔5S形泡罩塔真空或壓降較低的塔1穿流式篩板塔6浮閥塔2填料塔7篩板塔3浮閥塔8條形泡罩塔4篩板塔存在兩液相的場合1穿流板式塔5圓形泡罩塔2填料塔6其它斜噴射塔四、鹽酸吸收塔塔直徑確定鹽酸吸收塔塔徑計算公式為u(0.6~~0.8)uF.采用Eckert通用關聯圖法(圖3-1)計算泛點氣速u圖3-1吸收塔壓降關聯圖有關數據計算塔底混合氣流量V`S＝5.8336kg/h吸收液流量L`＝52.50kg/h37℃,-0.01Mp時進塔混合氣密度水密度37℃時,水的粘度經比較,選DG25mm塑料鮑爾環(米字筋)。查表3-6可得,其填料因子φ=320m?1,比表面積a＝194m2/m3關聯圖的橫坐標值表3-6鮑爾環填料選擇材料外徑d/mm高×厚/mm×mm比表面積a/m2·m-2空隙率e/m3·m3個數n/個·m3堆積密度γD/kg/m3干填料因子a/m-1濕填料因子Ψ/m-1金屬1625385015×0.825×0.638×0.850×1239219129112.30.9280.9340.9450.94914300055900130006500216427365395299269153131400130140塑料1616×1.116.7×1.11831880.9110.911111118401411412492494234232524.2×125×1.21941750.820.9013350042900101150294239320---3838.5×138×1.41551150.890.8915800158009898220220200----5048×1.850×1.5106.41120.9010.9017000650087.574.81461541207676×2.673.20.92192770.99462關聯圖的橫坐標值由圖3-1查得縱坐標值為0.18即液泛氣速操作氣速塔徑取塔徑為0.4m五、鹽酸吸收塔填料高度的計算(一)氯化氫在水中擴散系數計算鹽酸吸收塔采用填料吸收,吸收填料高度可根據經驗公式計算。溶質氯化氫在水中的擴散系數水的溫度取平均溫度T=(15+60)/2=37.5℃=310.5K37℃時,水的粘度=0.6947mPa.s溶劑分子量Ms=18.02g/mol水的締合系數=2.6HCl在正常沸點下的分子體積VA=3.7+24.6=28.3cm3/mol(二)吸收過程中傳質系數填料塔傳質系數計算公式[1]37℃時水的密度37℃時,水的粘度重力加速度水的質量流量填料比表面積填料潤濕表面積填料工程直徑填料高度用對數平均推動力法計算:氯化氫出塔時,ya=5% 水進塔時xa=0,氯化氫出塔時yb=95%,水出塔時xb=5.2%。有上面計算知平衡時,y*=0.00734。由計算知 (三)鹽酸吸收塔填料高度填料高度計算公式又知道,G= 0.16kmol/h,則,帶入數據得代入數據,計算得填料高度為。(四)鹽酸吸收塔總高度的計算因為鹽酸具有腐蝕性,因此應選用耐腐蝕的陶瓷填料氣體噴射支撐板,支撐板高度為0.1m。P154吸收液為水,粘度很小,能夠使用升氣管篩板型液體分布器,引體分布器高度為0.2m。鹽酸吸收塔塔徑為D=0.4m<0.8m,能夠采用球形封頭,球形封頭半徑R=D/2=0.2m。塔高H=1.77+0.2×2+0.1+0.2=2.47m,圓整的2.5m。六鹽酸吸收塔壓降的計算由圖2(通用壓降關聯圖)橫坐標值0.039(前已算出);將操作氣速u(＝1.52m/s)代替縱坐標中的uF查表,DG25mm塑料鮑爾環(米字筋)的壓降填料因子φ＝320m-1代替縱坐標中的．則縱標值為:用內插法得壓降第六節冷凝器設計一、一級冷凝器設計(一)定性溫度及定性溫度下的物性定性溫度:對于一般氣體和水等低黏度流體,其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。殼程導熱油的定性溫度為:Tm=(200+230)/2=215℃管程二甲苯的定性溫度為:tm=(320+320)/2=270℃兩流體的溫差:由于兩流體溫差大于50℃,故選用帶補償圈的固定管板式列管換熱器。在定性溫度下,分別查取管程和殼程流體(冷卻水和煤油)的有關物性數據,如表9-7:表3-7導熱油在215℃下的有關物性數據溫度T/℃蒸汽壓P/mmHg密度/g·cm-3比熱容c/kcal·(kg·℃)-1導熱系數Kkcal·(m·b·℃)-1粘度μ/cP-2001001602002202402602803000.410120240112.649.20.8960.8800.8040.7590.7290.7130.6970.6810.6650.6490.4390.4570.5420.5900.6270.6450.6630.6810.6990.7170.1270.1250.1150.1090.1050.1030.1010.0990.0970.0951807240591.030.940.880.820.720.610.46一級冷器中物料在T=270℃p=-0.95Mp下的有關物性數據如下:平均密度QUOTE定壓比熱容平均熱導率QUOTE平均粘度 QUOTE平均氣化潛熱QUOTE密度QUOTE定壓比熱容 QUOTE粘度(二)熱量衡算蒸餾時間兩小時,單批蒸餾時,處理量為m1=555.56,m2=967.36kg,熱負荷帶入數據得需要導熱油的流量代入數據得(三)流體平均溫差計算兩流體的平均溫度差,并確定殼程數逆流溫差關聯因子由R和P查圖……得溫度校正系數為,因此校正后的溫度為又因,故可選用單殼程的列管式換熱器。(四)換熱面積估算和換熱器選型穩定傳熱,傳熱系數K值隨溫度變化不大時,總傳熱速率方程式如下此處按照單殼程,多管程計算。在逆流時:

總傳熱系數總傳熱系數可借鑒書籍中的參數或者生產中的實際數據,初步假定。當基本表3-8總傳熱系數范圍殼程(管間)管程總傳熱系數/[W/(m3·℃)]水(流速為0.9～1.5m/s)水冷水冷水冷水鹽水有機溶劑輕有機物μ＜0.5mPa·s中有機物μ=0.5～1mPa·s重有機物μ＞1mPa·s水(流速為1m/s)水水溶液μ＜2mPa·s水溶液μ＞2mPa·s有機物μ＜0.5mPa·s有機物μ=0.5～1mPa·s有機物μ＞1mPa·s水水水水水水水水水(流速為0.9～1.5m/s)水(流速較高時)輕有機物μ＜0.5mPa·s中有機物μ=0.5～1mPa·s重有機物μ＞1mPa·s輕有機物μ＜0.5mPa·s有機溶劑μ=0.3～0.55mPa·s輕有機物μ＜0.5mPa·s中有機物μ=0.5～1mPa·s重有機物μ＞1mPa·s水蒸氣(有壓力)冷凝水蒸氣(常壓或負壓)冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝水蒸氣冷凝有機物蒸氣及水蒸氣冷凝重有機物蒸氣(常壓)冷凝重有機物蒸氣(負壓)冷凝飽和有機溶劑蒸氣(常壓)冷凝含飽和水蒸氣的氯氣(＜50℃)SO2冷凝NH3冷凝氟里昂冷凝582～698814～1163467～814290～698116～467233～582198～233233～465116～34958～2332326～46521745～34891163～1071582～2908582～1193291～582114～349582～1163116～34958～174582～1163174～349814～1163698～930756條件(設備型式、雷諾準數、流體物性)相同時,傳熱系數K值可采用經驗數據。表3-8為常見換熱器K值的大致范圍。殼程用導熱油粘度在0.5-1Pa·s之間,視為中有機物,管程物料粘度μ小于0.5Pa·s,可視為中有機物,。由公式由于,因此需要考慮熱補償。按照JB/T4714、4715-92標準,選擇如下列管換熱器初選固定板式換熱器規格尺寸如下:外殼直徑D273mm 管排方式——正三角形排列管程流通面積S0.0115m2公稱壓力P4.00Mpa管數n65管程數1管長L1.5m管尺寸φ19×2.5mm(不銹鋼管)中心距25mm公稱面積S5.4m2換熱器的實際傳熱面積符合設計要求二、二級冷凝器設計(一)定性溫度及定性溫度下的物性殼程導熱油的定性溫度為:Tm=(100+130)/2=115℃管程二甲苯的定性溫度為:tm=(220+120)/2=170℃兩流體的溫差:由于兩流體溫差大于50℃,故選用帶補償圈的固定管板式列管換熱器。在定性溫度下,分別查取管程和殼程流體(冷卻水和煤油)的有關物性數據,如下:二級冷器中物料在T=90℃p=-0.95Mp下的有關物性數據如下:平均密度定壓比熱容平均熱導率QUOTE平均粘度 QUOTE平均氣化潛熱QUOTE導熱油在115℃下的有關物性數據p251密度QUOTE定壓比熱容 QUOTE熱導率 QUOTE粘度(二)熱量衡算蒸餾時間兩小時,單批蒸餾時,處理量為m1=258.04,m2=709.32kg,熱負荷需要水的流量(三)流體平均溫差逆流溫差由R和P查圖……得溫度校正系數為,因此校正后的溫度為又因,故可選用單殼程的列管式換熱器。(四)換熱面積估算和換熱器選型穩定傳熱,傳熱系數K值隨溫度變化不大時,總傳熱速率方程式如下此處按照單殼程,多管程計算。在逆流時:

總傳熱系數殼程用導熱油粘度大于1,視為重有機物,管程物料粘度μ小于0.5Pa·s,可視為中有機物,。換熱面積由于,因此需要考慮熱補償。按照JB/T4714、4715-92標準,選擇如下列管換熱器初選固定板式換熱器規格尺寸如下:外殼直徑D219mm 管排方式——正三角形排列管程流通面積S0.0058m2公稱壓力P4.00Mpa管數n33管程數1管長L2m管尺寸φ19×2.5mm(不銹鋼管)中心距25mm公稱面積S3.7m2換熱器的實際傳熱面積符合設計要求三、三級冷凝器設計(一)定性溫度及定性溫度下的物性殼程水的定性溫度為:Tm=(15+35)/2=25℃管程二甲苯的定性溫度為:tm=(120+60)/2=90℃兩流體的溫差:由于兩流體溫差大于50℃,故選用帶補償圈的固定管板式列管換熱器。在定性溫度下,分別查取管程和殼程流體(冷卻水和煤油)的有關物性數據,如下:二甲苯在T=90℃p=-0.95Mp下的有關物性數據如下:密度QUOTE定壓比熱容熱導率QUOTE粘度 QUOTE氣化潛熱查圖得QUOTE圖3-2二甲苯蒸發潛熱與溫度關系循環冷卻水在35℃下的有關物性數據[5]密度QUOTE定壓比熱容 QUOTE熱導率 QUOTE粘度(二)熱量衡算蒸餾時間兩小時,單批蒸餾時,處理量為m=709.32kg,熱負荷需要水的流量(三)流體平均溫差逆流溫差由R和P查圖……得溫度校正系數為,因此校正后的溫度為又因,故可選用單殼程的列管式換熱器。(四)換熱面積估算和換熱器選型穩定傳熱,傳熱系數K值隨溫度變化不大時,總傳熱速率方程式如下此處按照單殼程,多管程計算。在逆流時:殼程式冷水,管程二甲苯粘度μ在小于0.5mPa·s之間,可視為輕有機物,。換熱面積由于,因此需要考慮熱補償。按照JB/T4714、4715-92標準,選擇如下列管換熱器初選固定板式換熱器規格尺寸如下:外殼直徑D219mm 管排方式——正三角形排列管程流通面積S0.0058m2公稱壓力P4.00Mpa管數n33管程數1管長L1.5m管尺寸φ19×2.5mm(不銹鋼管)中心距25mm公稱面積S2.8m2換熱器的實際傳熱面積符合設計要求第四章車間和廠區布置第一節車間布置一、車間布置在本設計中,生產線在車間中整體呈U字形分布,加料裝置在車間左前方,反應釜和水洗蒸餾釜在車間后面,冷凝器和臨時儲罐在車間右前方。車間長寬都是12m。根據生產要求,車間設計6個反應釜,2個蒸餾釜,1個鹽酸吸收塔,3個冷凝器和氣液分離器,兩套真空泵裝置,1個二甲苯儲罐,1個二甲苯計量罐,1個三溴苯酚熔融罐,1個鹽酸儲罐,1個副產品臨時儲罐,1個產品臨時儲罐。根據生產要求及設備尺寸,將車間設為兩層,每層高度為2.5m。因為儲罐類設備比較笨重,因此將二甲苯儲罐,臨時產品儲罐,臨時副產品儲罐設置在一層。二甲苯計量罐,三溴苯酚熔融罐,冷凝器等設備需要向反應釜或儲罐輸送物料,故應將二甲苯計量罐,三溴苯酚熔融罐,冷凝器等設備設置在二層。反應釜,水洗蒸餾釜,鹽酸吸收塔等設備體積較大,需要跨層放置。平臺離地高度為2.5m,設備距墻和設備間的距離在0.8~1.4m之間,平臺的操作空間也在0.8~1.4m之間。設計一個上下操作平臺的樓梯,寬1.0m。具體布置見附圖。第二節廠區布置一、廠區布置根據生產要求,本設計中廠區布置了生活區、原料倉庫、成品倉庫、氧磷倉庫、生產車間、成品包裝車間和制冷車間。生活區供員工休息和生活實用,設在整個廠區的西北方,符合中國北方多西北風的特點,較少工廠對生活區的影響。原料倉庫和成品倉庫能滿足生產車間一個月的生產需求。氧磷倉庫一定的危險性,需要較寬的綠化帶作隔離。工業企業總品面設計規范(GB50178-1993)中規定工廠主干道寬度應在7~9m之間(大型企業可設為9~12m,小型企業可設計為6~7m)。人行道沿主干道鋪設時應設為1.5m,其它地方不應小于0.75m,如需要大于,宜按0.5m寬度加寬。本設計中,主干道寬為8m,沿主干道的人行道寬1.5m,單獨鋪設的人行道寬為2m。廠區在廠房及倉庫周圍設有兩米寬的綠化帶,共計面積788m2。廠區東西長70m,南北寬43m。廠區設有廠內公路、廠內人行路。建筑面積860,建筑系數為0.278,綠化面積788m2,綠化率為26.18%。符合表4-1的要求。表4-1綠化等級和綠化率綠化級別工廠企業綠化率1制藥廠、膠片廠、感光材料廠、磁帶廠及其它清潔工業廠30~402原料廠、塑料制品廠、染料廠、涂料廠等20~303石油化工、合成橡膠、合成塑料、農藥廠、氯堿廠12~20結論本設計經過的基礎