苯硝化反应器放大设计

镰避 开油化工 numhe蛐c出Desi蜘 2002，19(1)20～22 苯硝化反应器放大设计 倪菊美 (中国石化集团南京化T厂设计所，2lo【)38) 摘要：简要夼绍了50k∥a硝基苯装置用混酸作硝化荆的苯硝化反应机理、反应特点，以及苯硝化反应 器放大设计主要工艺参数的确定，及实现这些工艺条件必须采取的技术和控制手段．并对设计中存 在的问题进行并提出改进建议．． 关键词：苯硝化反应器混酸硝化剂 1前言 50kL／a硝基苯装置采用一定浓度的硫酸和硝 酸配制的混酸和苯为原料，在一定温度下反应生 成硝基苯。该项目设计规模较大，属国内首创。 硝化反应器是硝基苯生产的关键设备，根据许多 资料介绍其型式有环式串联硝化器、锅式串联硝 化器、管式或泵式循环硝化器等，但它们各项技术 经济指标差别不大，且有的尚没有工业化。被大 多数厂家采用的多锅串联，其优点众所周知，它尤 适于不便使用塔设备的液一液非均相组分问反 应；它可以减少反应原料短路的机会，在不同锅内 可控制不同的反应温度及被硝化物或硝酸的转化 率，从而减少多硝化物等副产物的生成，有利于改 善产品质量，提高生产能力-4J。缺点是如此大规 模的生产装置不仅会产生大量待浓缩的废硫酸和 含酚类及硝基物废水，且要求硝化设备具有足够 的冷却面积，安全性差。因此要对苯硝化反应器 进行经济可行的放大设计。 2混酸做硝化剂的反应机理 苯硝化反应生成硝基苯的主化学反应式 为【3J： ‰‰C6H6+HNq；C6H5N02+H20+Q 根据动力学研究的结果，硝硫混酸能够电离 生成硝基阳离子N02+和硫酸氢离子Hs0。一，水则 与硫酸生成H30+和HS04一。 H2s04+HN03—，}I(卜s()2—0N()2+H20 H(卜S02一ON02；2三N02++HS04一 反应中所生成的水与过量的硫酸作用，发生 下列反应： H2S04+比0；=兰H30++皤04一 故硝酸与硫酸的反应总式如下： 2H2S04+}矾03；=兰蝎0++2HS04一+N()2+ 当混酸与苯进行硝化反应时，N02+取代_『苯 环上的氢而生成硝基化台物 cf，比+N02+一+＆H5N02+H+ 该反应具有以下特点： (1)反应不可逆。 (2)反应速度快，且大量放热。反应的同时， 混酸中的硫酸被反应生成的水稀释，还将产生稀 释热，稀释热约为反应热的7％～10％，苯的硝化 反应热为142l【J／mol；如此大的热量若不及时移除， 必然会使反应温度迅速上升，引起副反应及硝酸 大量分解，将导致严重后果，甚至发生爆炸事故。 因此要保持反应在适宜的温度下进行，并要及时 收稿日期：200l一08—20；修回日期：2002一01一∞。 作者简介：倪菊美，女，1988年毕业于南京化工大学化工系，现 在中国石化集团南京化工厂设计所从事工程设计管理工作。 万方数据 第19卷 倪菊美苯硝化反应器放大设计 ．21．——————————————————————————————————————————～——————————————————————————～ 移除反应热。 (3)反应是非均相。硝化主要在酸层及两层 的交界面处发生，因此反应过程中必须有强烈的 搅拌，以保汪反应能够平稳地进行。 (4)当硫酸浓度-定时，反应速度取决于酸相 中硝酸浓度和有机相中苯浓度。 3 l号硝化锅主要工艺参数确定 3．1换热面积确定 通过刘1号硝化锅物料和热量衡算【2J，町得其 反应释放出总热量约为】302．56kw(112万kc日l／ h)，如此大的换热量，一般反应锅蛇管换热系数为 581．5～697．8辑7／(m2·K)f500～600kcal／m2．h．℃]， 夹套换热系数为116．3—232．6W，／(m2·K)『100～ 200kacl／7np·h·cc]，仅1台反应器换热面积不能满 足要求，且不经济，故选用2台相同技术参数的1 弓硝化锅并联再四台串联的工艺。由此确定每台 1号硝化锅所需蛇管面积为31m2，夹套面积为 9m2。这样既平衡了反应过程中放出的大量热量， 避免两套并联工艺，也可根据本产品系列化工市 场行情变化，使得装置具有一定的操作弹性，能满 足高低负荷的规模生产。 3．2锅体容积确定 物料衡算得到进入1号锅总体积流量为 25．304矗／h即O．422一／嘶n【“，按本厂生产经验， 取硝化反应停留时I’自J约O．5h，考虑热量平衡，故选 用两台3．7m3的1号硝化锅，装料系数o．75，所得 停留时间均为13商n，取2号～4号硝化锅装料系 数o．8，停留时间为25min，所需2号～4号硝化锅 总容积为13．19m3，取整即为每台容积4．5矗。 3．3搅拌器的设计 (1)对互不相溶的非均相体系，必须作剧烈的 搅拌，促使过程加速并保证产品的更大产率_5J，因 此选用推进式搅拌器。为提高搅拌效果，确保物 料达到生产要求的上下循环充分混台过程，叶轮 的轴线设在锅中央，并增设导流筒和全档板-⋯。 (2)选定搅拌器叶轮型式之后，确定搅拌浆叶 直径，按中央进入方式，取D／风=l／4．1／3[“，其 中D为叶轮直径，Do为锅体直径1500nlnl，即D= 375～500mm，取D=500mm，因锅内静液高度大于 叶轮巾心线上2D，故设两层叶轮轴。 搅拌叶轮转速放大没计是保持叶片端郡切向 速度Ⅱ蒯不变，即“lDl=n2D2，n1、D1分别为 16k∥a硝基苯装置1号硝化锅搅拌器转速300r／ min、轴径o．3m，得n2=180r／商n，参考20kt／a对邻 硝3．7一的1号硝化锅设计经验数据，没定1号硝 化锅搅拌器转速为3lor／min；2号～4号硝化锅转 速适当放大为250r／IIIin。 (3)驱动搅拌器的电机功率放大。若电动机 容量小，则达不到所要求的搅拌效果，甚至使电机 烧坏；若容量过大，则使投资费用和操作成本增 高_6J。电动机额定功率是根据预定操作条件”F所 需最大搅拌功率确定。搅拌功率计算较复杂，且 理论计算值往往偏小。本设计先采用模拟放大 法，算得轴功率值只需2．4kw，显然该值偏小；改 用经验估算法，以每m3锅体容积需消耗功率l～ 1．2kw训‘，考虑搅拌器轴承密封件的机械摩擦、减 速箱中的摩擦损失及电机中电流损失等，放大l一 2kw取整，所需功率为7．5kw；电机仍采用结构简 单、工作平稳的三角带式，电机要求防爆。 (4)由于设定l号硝化锅锅体高径比1．2，整 体看来呈瘦长型，为防搅拌轴过长可能导致搅拌 轴稳定性不好，改常用椭圆形锅盖为平盖。 为防止反应过程中因搅拌中断可能造成散热 不良或局部浓度过高而使反应异常激烈，发生危 险，在控制室增设搅拌停报警装置。 为便于搅拌器检修，尚须考虑锅体所在楼层 层高，以保障能用电动葫芦把搅拌轴从锅中吊出 的空间高度。 4存在问题分析殛改进建议 (1)1号硝化锅有时超温5。C左右(设定报警 温度为印℃)⋯，尤其是炎热的夏天；经分析认为 原I|!j之一是全厂水压低导致冷却水量不足；原因 万方数据 ·22· 石油化工设计 之二是冷却水温偏高，影响换热效果。解决办法 之一在保证达到腿‘11控指标前提下，按季节变化 适当提高1号硝化锅反应温度5。10℃，这种办法 简便易行；办法之二改用冷冻淡水为冷却剂；办法 之三改用安全性好的绝热硝化新]二艺；但办法二、 三均需另外增加投资，且绝热硝化尚未完全上业 化。办法之四，加大废酸循环量，由于硫酸比热 大，能吸收硝化反应中放出的热量，可以避免硝化 的局部过热现象。利于硝化反应温度的控制。 (2)苯硝化制硝基苯的过程采用多锅串联，各 锅保持小同的生产条件。但到底需设多少个锅串 联最经济，颇有争议。根据反应工程理论，随串联 台数的增多，每锅中完成的转化率减少，反应速率 加快，达到总转化率所需时间减少，使操作费用降 低，但设备投资费用增大。最佳台数应取其总费 用最低限。本装置设计时没有作进一步深入，若 第19卷 改用三锅串联是否可行，会否引起中和锅、水洗锅 物料乳化，这有待于生产验证；若可行，则可以节 省投资和空间。 5结语 苯硝化反应器放大设计经生产验证达到了设 计要求，使得该装置与同类装置相比不仪避免了 两套并联反应的_T艺，且具有规模大、占地少、投 资省、运行可靠的特点，同时也改变了我厂一个产 品存在两套装置的面貌，便于部门管理。 参考文献 [门 陈国伟编5万吨庳硝基苯装置试车总结 [2]倪菊美编．5万吨／年硝基苯工艺设计计箅书 。3]唐培坤主编精细有机台成化学及工岂学人大出版社 。4] 张铸勇丰编．精细有机合成单元反应．华东化1撑院m版社 [5]陈廿棠主编．化学反应工程．化学工业出版往 [6]化工部化学工程设计技术中心化工单元操作(下) Scalillgupdesi印ofbe眦e眦Ilitration嘲ctI)r Ntjumei (Des咖Instjtll峙0fNanjingChemicalWorks0fs聃OPEc，P．c．210038) Abs呐心：Thereactionn幢chanismandcharacteris啦sofben冼11enj锄tion碳lctionbyusingmi)【ed acidasnitmtionagentinthe50k∥anitroberlzeneplantisbIienyiIlmducedinth。paper．IⅥ且inpm— ces8paraⅡ1etersaredete嘣nedforscalingupdesignofbenzene11itradonreactor，technicalrneasures andcontrolIne山odsaresett0meetwitht11erequirerIlentsoft}les8pEImnleters．TheeXis6ngproblerlls indesigtl8reanaly船d锄ds“黯esⅡ011sareputforward． Ke”mrds：Berlzene工lit觚onreactorMixedacid NiⅡadonagent，8帛蝌粥、蚵嗡!={盘蛳甥8氰譬^蠕瞄、睇e盎瞄瞄、蠕、!，、蛸、蠕崂＼蟑、蟑、蠕吨榔删嶙幅嶙吧牙∞也槲峨∞吧≈g}螨占槲艚 ·国外动态- 2001年美国石油需求略有增长 据海外新闻媒体报道，2001年美国石油总需求预计将比2000年略有增长。 据有关方面估计，美国石油总需求量2000年为9，2亿t，200J年预计可达9．3亿t。国内生产量将由∞。0年3．92亿t 增加到2001年393亿L。进口石油(原油加成品油)将由2000年547亿t增加到2001年5．59亿t。进口石油在总需求量 中所占的比例将从2000年594％上升到今年的601％。 今年，美国从世界卜25个国家和地区进口原油。进口的原油和成品油大多来自沙特阿拉伯、墨西哥、加拿大、委内瑞 托等国， (摘自《中国化工报》) 万方数据 苯硝化反应器放大设计 作者： 倪菊美 作者单位： 中国石化集团南京化工厂设计所,210038 刊名： 石油化工设计 英文刊名： PETROCHEMICAL DESIGN 年，卷(期)： 2002,19(1) 被引用次数： 4次 参考文献(6条) 1.陈国伟 5万吨/年硝基苯装置试车总结 2.倪菊美 5万吨/年硝基苯工艺设计计算书 3.唐培坤 精细有机合成化学及工艺学 4.张铸勇 精细有机合成单元反应 5.陈甘棠 化学反应工程 6.化工部化学工程设计技术中心 化工单元操作手册(下) 引证文献(4条) 1.白西凡.邢育红 硝基苯传统硝化工艺改进为绝热硝化工艺的讨论[期刊论文]-甘肃科学学报 2008(1) 2.李剑锋.杨九龙.王苗苗.路勇.何鸣元 基于烧结微纤多孔结构的微反应器中的苯硝化反应[期刊论文]-催化学 报 2007(11) 3.李玉恒.邱建忠.陈来锁.王弘.刘西民.白西凡.王勇 抑制硝化副产物确保安全操作提高经济效益[期刊论文]-化工 时刊 2006(7) 4.邓楠 全混流反应器反应失控危险性分析[学位论文]硕士 2005 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_syhgsj200201004.aspx