00年产1000吨三(三溴苯基)磷酸酯工艺设计说明书

年产1000吨三三溴苯基磷酸酯生产工艺设计DESIGNOFTHEPRODUCTIONPROCESSOF1000T/YTRISTRIBROMOPHENYLPHOSPHATE专业化学工程与工艺姓名刘雪坤指导教师申请学位级别学士论文提交日期2012年6月11日学位授予单位天津科技大学摘要本设计为年产1000T复合型阻燃剂三（三溴苯基）磷酸酯的生产工艺的初步设计。根据最新实验研究结果，设计出新型生产工艺流程，用二甲苯做溶剂，以路易斯酸作催化剂，使三溴苯酚和三氯氧磷在140下反应。反应时，三氯氧磷与三溴苯酚生先成一酯、二酯。随反应进行，反应的空间位阻变大，生成三酯需要较长的反应时间。因此设计中采用六个间歇反应釜、两个水洗反应釜和一个盐酸吸收塔，生产开车时，反应釜时间隔4小时加料，反应产物间隔8小时分批水洗蒸馏，盐酸集中到一个盐酸吸收塔处理。在保证产量的同时，同样保证生产的连续性和稳定性。本设计通过物料衡算和能量衡算，对主要反应设备、分离和换热设备进行了设备选型设计。同时根据工艺流程的选择，对车间设备布置，工厂建筑物的布置等进行了初步设计。关键词三氯氧磷；三（三溴苯基）磷酸酯；复合阻燃剂；工艺设计ABSTRACTTHEDESIGNFORTHEPRELIMINARYDESIGNOFTHEANNUALOUTPUTOF1000TCOMPOUNDFLAMERETARDANTTRISBROMOPHENYLPHOSPHATEFACTORY,PLANSYIELDOF333T/DAYTHECHOICEOFTHEDESIGNPROCESS,WORKSHOPEQUIPMENTLAYOUT,THELAYOUTOFTHEFACTORYBUILDING,THEPRELIMINARYDESIGNOFTHEEQUIPMENTSELECTIONHAVEBEENDESIGNEDUNDERTHEEXPERIMENTALCONDITIONS,THEDESIGN,DESIGNEDANEWPRODUCTIONTECHNOLOGYINZHEDESIGN,XYLENEACIDASSOLVENT,LEWISACIDASCATALYST,THEREACTIONOFTRIBROMOPHENOLANDPHOSPHORUSOXYCHLORIDEAT140FIRSTLY,THEPHOSPHORUSOXYCHLORIDETRIBROMOPHENOLBORNINTOANESTER,DIESTERWITHTHEREACTION,THEREACTIONSTERICBECOMELARGERGENERATINGTHREEESTERSREQUIREALONGERREACTIONTIMESOIDESIGNEDSIXBATCHREACTOR,TWOWASHINGREACTIONVESSELANDAHYDROCHLORICACIDABSORBERREACTORISEVERYFOURHOURSFEEDED,THEREACTIONPRODUCTOFANINTERVALOF8HOURSWASHINGBATCHDISTILLATION,HYDROCHLORICACIDISCONCENTRATEDTOAHYDROCHLORICACIDABSORBERPROCESSINGITGUARANTEETHECONTINUITYANDSTABILITYOFPRODUCTIONTOENSURETHATPRODUCTIONATTHESAMETIMEITISTHEINNOVATIONPOINTOFTHEDESIGNPOINTINTHEDESIGN,PRODUCTIONPROCESSSHOWEDAUSHAPEDDISTRIBUTION,THEWORKSHOPLENGTHANDWIDTHARE12MSIXSETSOFTWOSTANDARDENAMELRESPONSEEQUIPMENTARELAYOUTEDPRODUCTPACKAGINGWORKSHOPANDCOOLINGSETUPSHOPINDEPENDENTLYASIGNIFICANTREDUCTIONINLEAKAGECAUSEDBYDUSTPOLLUTIONANDCOOLINGPROCESS,THEHEATGENERATEDINTERFERENCEDUETOTHREE3BROMOPHENYLPHOSPHATEPOWDERTHEFACTORYIS70MLONG,43MWIDETHEBUILDINGAREA860,BUILDINGCOEFFICIENTWAS0278,GREENAREAOF788M2,GREENINGRATEWAS2618THEBUILDINGAREAIS860M2,BUILDINGCOEFFICIENTIS0278,GREENAREAIS788M2,GREENINGRATEIS2618KEYWORDSPHOSPHORUSOXYCHLORIDETRIBROMOPHENOLCOMPOSITEFLAMERETARDANTPROCESSDESIGN目录第一章概述1第一节阻燃剂概述1第二节选题的目的及意义2第二章工艺技术设计5第一节实验确定反应条件5第二节反应工艺设计7第三章设备选型计算9第一节反应物料衡算9第二节反应釜设计9第三节加料装置设计11第四节水洗反应釜12第五节盐酸吸收塔设计13第六节冷凝器设计20第四章车间和厂区布置29第一节车间布置29第二节厂区布置29结论31参考文献32致谢33附录34不显示页码第一章概述第一节阻燃剂概述一、阻燃剂阻燃机理阻燃剂是一种防止材料燃烧、降低烟雾和有毒有害气体产生的高分子材料添加剂。随着世界经济的发展，合成材料广泛地应用到生产的各个部门和人们的生活中,与此同时,由于合成高分子材料被引燃而导致的火灾数量也在大大增加。因此对这类材料的阻燃显得尤其重要。阻燃剂阻燃的机理可以分为的化学和物理方法，不同的化学结构决定了不同的阻燃机理。一般将阻燃剂的阻燃剂里分为以下几种。遇到热时，产生阻燃气体。该类的阻燃剂通常是金属碳酸盐或能释放氮气的化合物。添加的阻燃剂能在聚合物燃烧时产生大量的阻止燃烧的气体，这些气体能稀释使高聚物表面的氧气浓度，使氧气浓度降低到可燃极限以下，从而达到阻燃的目的。燃烧时吸收大量的热量。此类阻燃剂的阻燃机理是在聚合物燃烧时自身发生分解，吸收热量，降低可燃物的温度，使燃烧过程减慢。遇热融化形成阻燃层。此类阻燃剂多为磷酸化合物，在聚合物燃烧时，它们能分解产生磷酸并发生膨胀。该类阻燃剂能在聚合物表形成液体保护层或碳保护层，保护膜在火焰前端形成，并且阻止热量传递到其他高聚物上。化学作用，此类阻燃剂能在燃烧时产生自由基，封锁聚合物的链断裂。阻燃剂的阻燃效果按照FCLBRI的顺序增加。含氟的阻燃剂效率低、价格高，因此很少使用。碘化物很不稳定，因此也很少使用。实际中，含有氯和溴的阻燃剂使用的最为广泛。含有卤族元素或磷的元素的阻燃剂成为阻燃剂的主要组成部分。因为它们含有相对较低的碳溴键键能，此类化合物能在200至300分解。和含氯阻燃剂相比，含溴阻燃剂占有的市场份额正不断增加。二、阻燃剂分类按成分不同可将阻燃剂分为无机盐类阻燃剂、有机阻燃剂和有机无机混合阻燃剂三种。无机阻燃剂是使用比较多的一类阻燃剂，它的主要成分是无机物，主要有氢氧化镁、氢氧化铝、磷酸二铵、磷酸一铵、氯化铵、硼酸等。有机阻燃剂的主要成分为有机物，主要的产品有卤系、磷酸酯、卤代磷酸酯等。还有部分有机阻燃剂可以用于纺织织物的阻燃整理，如六溴水散体、十溴三氧化二锑阻燃体系，具有较好的耐洗涤的阻燃性能。有机无机混合阻燃剂是无机盐类阻燃剂的改良产品，主要用非水溶性的有机磷酸酯的水乳液，部分代替部分无机盐类阻燃剂。按所含元素分类可将将阻燃剂分为氮系阻燃剂、卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、磷卤系阻燃剂、复合元素阻燃剂。在氮系阻燃剂中，含氮的化合物和可燃物作用，交链成炭，降低可燃物的温度，同时还能产生不燃气体，起到稀释可燃物表面氧气的作用。卤系阻燃剂在受热分的解过程中，分解出能捕获传递燃烧自由基的X及HX，X及HX能稀释可燃物表面的氧气浓度，隔断可燃物与氧气的接触从而达到阻燃目的。磷系阻燃剂在受热分解过程中能产生磷酸酐或磷酸，使合成材料脱水炭化，减少可燃性气体产生。磷酸酐在受热分解时还可以形成了类似玻璃状的熔融物，这种熔融物能覆盖在可燃物表面，隔绝可燃物与氧气的接触，达到阻燃目的。复合元素阻燃剂通常是磷卤系阻燃剂、磷氮系阻燃剂，这类阻燃剂主要是通过磷卤、磷氮协同效应作用达到阻燃目，具有磷卤、磷氮的双重效应，阻燃效果比较好。按使用方法的不同阻燃剂可分为添加型阻燃剂和反应型阻燃剂。添加型阻燃剂主要是在可燃物中添加阻燃剂发挥阻燃剂的作用。反应型阻燃剂则是通过化学反应在高分子材料中引入阻燃基团，从而提高材料的抗燃性，起到阻止材料被引燃和抑制火焰的传播的目的。在阻燃剂类型中，添加型阻燃剂占主导地位，使用的范围比较广，约占阻燃剂的85，反应型阻燃剂仅占15。第二节选题目的及意义一、环保阻燃剂市场分析随着我国合成材料工业的发展和应用领域的不断拓展，阻燃剂在化学建材、电子电器、交通运输、航天航空、日用家具、室内装饰、衣食住行等各个领域中具有广阔的市场前景。此外，煤田、油田、森林灭火等领域也促进了我国阻燃、灭火剂生产较快的发展。我国阻燃剂已发展成为仅次于增塑剂的第二大高分子材料改性添加剂，目前的生产能力20万吨/年左右，年生产量在15万17万吨之间，年消费量20万吨左右。不足部分主要从美国和以色列进口，进口的主要品种为有机溴及卤磷系阻燃剂。我国阻燃剂生产厂60余家，能够生产50余种产品，主要为溴磷系列，其中溴系阻燃剂是最重要的系列，约占我国有机阻燃剂的30。国内阻燃剂的品种和消费量还是以有机阻燃剂为主，无机阻燃剂生产和消费量还较少，但近年来发展势头较好，市场潜力较大。阻燃剂中最常用的卤系阻燃剂虽然具有其他阻燃剂系列无可比拟的高效性，但是它对环境和人的危害是不可忽视的。环保问题是助剂开发和应用商关注的焦点，所以国内外一直在调整阻燃剂的产品结构，加大高效环保型阻燃剂的开发。目前我国有1000多家企业生产阻燃剂，每年产量近20万吨。粗略估计我国未来发展前景良好，对阻燃剂的需求量未来5年内将超过北美成为最大的阻燃剂消费地。但是，面对我国每年20万吨的生产力，不仅心生疑问，20万吨的阻燃剂大部分的“何去何从”呢答案其实很简单，目前我国生产量虽然很大，但是大部分的消费于国外，用于进出口。而真正用于我国的阻燃剂占的比重却很小。国内有一批科研院所的阻燃剂研发水平已与先进国家同步，如中国科技大学火灾科学国家重点实验室和四川大学降解与阻燃高分子材料省重点实验室的研发水平就已处于世界前列。环保型阻燃剂是“潜力股”在防火与环保之间寻找一个平衡点，是未来阻燃剂发展的重要节点。随着人们环保、安全、健康意识的日益增强，世界各国开始把环保阻燃剂作为研究开发和应用的重点，并已经取得了一定的成果。阻燃剂按有效元素分类，可分为磷系、氯系、溴系和锑基、铝基、硼基阻燃剂等。根据阻燃有效元素又可以将阻燃剂分为无卤阻燃剂、溴系阻燃剂、卤磷协同阻燃剂及其他阻燃剂，这几种环保阻燃剂都具有广阔的应用前景。环保阻燃剂。二、卤系阻燃剂市场分析无卤阻燃剂无卤、低烟、低毒的环保阻燃剂一直是人们追求的目标，近年来全球一些阻燃剂供应和应用商对阻燃无卤化表现出较高热情，对无卤阻燃剂及阻燃材料的开发也投入了很大的力量。据分析，无卤阻燃剂主要品种为磷系阻燃剂及无机水合物。前者主要包括红磷阻燃剂，无机磷系的聚磷酸铵APP、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸酯等，有机磷系的非卤磷酸酯等。后者主要包括氢氧化镁、氢氧化铝、改性材料如水滑石等。聚磷酸铵、水滑石为该系列环保型且市场前景较好的代表产品。环保阻燃剂二溴系阻燃剂溴系阻燃剂的生产和使用已有30多年的历史，目前生产的溴系阻燃剂约有70多种，其中最重要的是十溴二苯醚DBDPO、四溴双酚ATBBPA和六溴环十二烷HBCD等。前两者的产量占溴系阻燃剂的50左右。一些传统的溴系阻燃剂由于受到日益严格环保要求的压力，迫使用户寻找溴阻燃剂的代用品，同时促进了新阻燃体系的问世。多溴二苯醚等传统溴系阻燃剂市场的萎缩，为溴化环氧树脂、十溴二苯乙烷等环境友好型溴系阻燃剂产品提供了市场空间。卤磷阻燃剂这类阻燃剂的特征是分子中同时兼有溴和磷或溴、磷和氮原子。在阻燃性能方面彼此起协同增效作用分子中的溴含量较低，燃烧过程伴随较少的发烟量，有害性的气体挥发物较少一定程度的溴含量可改善一般磷酸酯类阻燃剂挥发性大、抗迁移性差和抗热老化性欠佳的缺点。主要产品品种包括二溴辛戊二醇DBNPG、二溴辛戊二醇磷酸酯以及二溴辛戊二醇磷酸酯氰胺盐类等。卤磷系阻燃剂通过利用不同的作用机理，互相补充，达到协同增效的结果。在最近几年，国际市场有不少新的阻燃剂或阻燃系统问世。如德国CLARIANT公司开发了两种以次膦酸盐为基的阻燃剂，牌号为EXOLITOP1311和EXOLITOP1312M1，工业规模的生产于2004年底开始。美国大湖GREATLAKE公司于2001年推出的REOGARD1000膨胀型阻燃剂，DSM公司推出的新型三聚氰胺磷酸盐阻燃剂，死海溴化物公司的SAFRON系列，瑞士汽巴CIBA公司的FLAMESTABNORLL6及TIN2UVIFR等。这类产品国内尚未有工业生产。综上所述，我国环保型阻燃剂虽有一定量的生产，但尚未形成规模，在阻燃剂产品中所占的比例较小。我国阻燃剂发展应定位于环保、高效性的品种，加大新型环保阻燃剂的研发，通过产品结构调整，扩大环保型阻燃剂所占的比例，才能在未来竞争中立于不败之地。9三、三（2,4,6三溴苯基）磷酸酯介绍本设计中生产的三（2,4,6三溴苯基）磷酸酯是一种新型阻燃剂。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，英文名称TRISTRIBROMOPHENYLPHOSPHATE（简写作TTBPP），结构简式如图一；P3BRBRBROO图11三（2,4,6三溴苯基）磷酸酯相对分子质量103635，溴含量6935，磷含量299。熔点143，沸点320（P095MPA）。主要用途用于阻燃剂、增塑剂。主要用于PET、PBT、ABS、PC、PPO等工程塑料及其合金，涤纶、丙纶等纤维,EVA电缆及护套，PU泡沫等，也可在PC，PMMA中发挥一定作用。在分类原则上，三（2,4,6三溴苯基）磷酸酯属于复合型阻燃剂，添加型阻燃剂。三（2，4，6三溴苯基）磷酸酯受热分解的过程中，会产生磷酸液态的保护膜，其沸点在300左右。同时磷酸进一步脱水而形成偏磷酸，偏磷酸继续反应又会得到聚偏磷酸，其酸性较强，且具有很强的脱水性，因此能促进高聚物脱水而发生碳化，降低材料质量的流失速度和可燃物气体的生成，而磷元素则滞留在炭层中，以此达到阻燃的目的。8三（2，4，6三溴苯基）磷酸酯能发挥溴和磷的协作阻燃作用。研究表明含有卤和磷两种阻燃元素的高聚物合成材料燃烧时，生成沸点高比重大的卤磷化合物，它们在燃烧带停留时间较长故可延长阻燃时间。并且它在高聚物合成材料表面形成一覆盖膜，能隔绝空气，起到阻止然烧的作用。卤磷同时使用的阻燃效果单独使用其中任一种的阻燃效果都好，这种效应通常称为协同效应2。第二章工艺技术设计第一节实验确定反应条件一、化学反应原理（一）化学反应本设计是在实验的基础上进行设计的，设计中的部分数据也来自于实验室测定值。设计中主反应是三溴苯酚与三氯氧磷充分反应，生成三溴苯基酯的过程。反应反应分为三步，三氯氧磷先与一个三修苯酚发生取代反应生成一（2,4,6三溴苯基）二氯磷酸酯，反应方程式如图21；OPCLLOHBRBRBROPBRBRBRCLCLOHCL图21生成一酯的化学方程式一酯再与一个三溴苯酚发生取代反应生成二（2,4,6三溴苯基）一氯磷酸酯，二脂再与一个三溴苯酚发生取代反应生成三（2,4,6溴苯基）磷酸酯，发生的总反应可以用图22方程式表示OPCLLOHBRBRBR3OPBRBRBR3HCL图22生成三酯的化学方程式反应过程是分三个步骤进行的，可以用一个方程式概括如图23OPCLLOHBRBRBRNOPBRBRBRCL3NN3HCLN1,23图23生成酯的总化学方程式（二）反应条件为了探究最佳的反应条件，分别对溶剂、催化剂、反应温度和反应时间做了实验探究。应对温度控制要比较苛刻，三溴苯酚熔点是95，三氯氧磷沸点是105，因此在滴加三氯氧磷时需要控制温度在100摄氏度左右。反应时，反应优先生成一酯，生成二酯、三酯时，空间位阻变大，需要较高的活化能，因此需要逐渐升温，实验证明升温到140以上时有较好反应效果。实验时，在四口瓶上装上球型冷凝管、搅拌器、温度计和滴液漏斗，球型冷凝管用于反应中挥发液体的回流，滴液漏斗用于滴加三氯氧磷。实验加料量如表21所示表21催化法加料量统计表名称料量G质量比三溴苯酚45904755三氯氧磷6082100催化剂1530025溶剂3758618将三溴苯酚、无水氯化铝和二甲苯加到四口瓶中，升温到100，滴加氧磷，控制滴加速度，在1小时内将氧磷滴加完毕。维持温度在100两小时，然后逐渐升温到140，维持温度在140，两小时后，加入浓硫酸，维持温度在140两小时。反应后减压蒸馏，在095MP条件下，产品在300310之间冷凝，副产物在240280冷凝，三溴苯酚在210220冷凝，二甲苯在8590冷凝。应对温度控制要比较苛刻，三溴苯酚熔点是95，三氯氧磷沸点是105，反应时要求温度控制在140，因此在滴加三氯氧磷时需要控制温度在100摄氏度左右，在滴加完氧磷后，应逐渐将温度升温至140。反应温度是140，反应中使用的溶剂的沸点应高于140。蒸馏反应时，要求溶剂容易和产品分开，一次沸点有不能过高。通过实验，用二氯乙烷、四氯乙烷、丙苯、二甲苯为溶剂做反应，二甲苯的反应效果最佳，最终选择用二甲苯做溶剂。表22不同催化剂条件下的转化率催化剂2MGCLLNH43FECL2UL3AL2MNCL2FEL转化率053036056062079055067反应中尝试用多种路易斯酸作催化剂。分别是氯化镁、氯化铵、氯化铜、氯化铁、氯化铝、氯化锰和氯化亚铁。实验结果见表22。设计中选择催化效果最好的氯化铝作催化剂。（三）反应的电子理论解释当苯环上有一个取代基，如果想再引入第二个取代基，则第二个取代基上的位置可以有三种，即对位、邻位和间位；其中对位取代只有一种，邻位和间位各有两个位置。3在取代基中，氧为富电子集团，在苯环的取代中，表现为推电子基，氧连在苯环上，使苯环活化，并且是邻对位定位基。苯酚在与溴反应时优先与对对位反应。X（卤素）在苯取代中变现为拉电子基，会使苯环钝化（间位钝化效果强于邻位钝化效果），顾也为邻对位取代基。苯环上已有两个取代基时，第三个取代基进入的位置，则由原有另个取代基来决定。一般有下列两种情况两个取代基的定位效应一致时，第三个取代基进入位置有上述取代基的定位规则来决定。两个取代基的定位效应不一致时，第三个取代基进入的位置主要由定位效应强的取代基所决定，两个取代基属于不同类型时，第三个取代基进入位置一般由邻位定位基决定。4苯酚和溴发生对位取代后，氧和溴的定位效应不同，属于上述的第二种情况，再与溴发生反应时会优先与氧的邻位反应。第二节反应工艺设计一、加料比例的确定本设计中的反应是三溴苯酚与三氯氧磷以三氯化铝作催化剂，以二甲苯作溶剂，逐渐升温的反应。升温控制条件滴加氧磷时温度为100，之后升温到140，保持反应温度，最终的得到产品。根据化学反应方程式计算的三氯氧磷和三溴苯酚的物质的量比是13，在三溴苯酚过量的情况下，有利于反应三酯的生成，故加入的三溴苯酚的量应适当过量。实际加料的物质的量比为135实验证明在三氯化铝的质量是三氯氧磷的0025倍时能达到较好的催化效果，过少时反应时间较长，过多时反应时间不会缩短，加入的三氯化铝的质量比应为10025。一二甲苯为溶剂，在二甲苯与三修本分的质量比是11时，反应料液能很好的溶解，即使在常温下也能保证反应料液是液态。实验过程中，最佳转化率为8103，本设计中以三溴苯酚转化率为75计算。反应时加料质量比比见表23；表23加料时物料质量比名称质量比物质的量比相对分子量三溴苯酚754353308三氯氧磷1115333三氯化铝002502813334二甲苯75416225349二、工艺流程设计本设计中的反应，反应时间24小时，适宜在间歇反应釜中进行。水洗蒸馏釜操作较为简单，可以用简单蒸馏操作完成。工艺流程如图24。图24工艺流程三溴苯酚加料常温下是固体，加料时需要融化后在加料，一次需要用熔融槽融化后再加料。三氯氧磷加料时，需要缓慢滴加，滴加速度需要精确控制，一次需要计量泵加料。二甲苯每次加入带入的也液体量是一定的，可设计计量罐加料。三氯化铝可随三溴苯酚一起加入。反应副产物中有盐酸，应设有盐酸吸收塔。反应在负压条件下进行时，需要真空泵和缓冲罐。水洗蒸馏过程中，需要加入水水洗，蒸馏过程中需要有三级冷凝器分别将产品、副产物和二甲苯分别冷凝下来。蒸馏过程需要在负压条件下进行，需要真空泵和缓冲罐。另外，二甲苯的储存和反应产物的临时储存都需要与用途相适应的型号的储存罐。反应工艺过程中还要用各自的控制点，以保证工艺的顺利进行。带控制点的工艺流程图见附图一。第三章设备的选型计算第一节物料衡算一、总反应物料衡算本设计中，生产三（2,4,6三溴苯酚）磷酸酯1000吨/年需要原料和溶剂共917吨，用加权计算混合物料密度为103KG/L，折合成体积为917/103890M3。，每年以300个工作日计算，日产量为1000/300333吨。一年中需要通入和产出的各物质的质量如表31。表31一年物料核算总反应投料总反应产出三溴苯酚127678873KG主产物1000000KG三氯氧磷19726926KG副产物46444599KG三氯化铝9612KG氯化氢4221739KG本反应为3级反应，反应时间较长，为了生产操作的方便，因此反应釜体积不宜过大，布置6套反应装置，那么单釜生产能力为1187/6148M3。二、单批反应物料衡算布置6套反应装置，单批产量为333/60555吨，设计中转化率以75计算，需要的各物料和产出的各产品如下表表32单批物料核算投入产出三溴苯酚70933KG主产物55556KG三氯氧磷10959KG副产物25803KG二甲苯70933KG二甲苯70933KG三氯化铝534KG氯化氢2345KG物料在反应釜中反应时间为18H,加料时间2H，去料时间05小时，其他辅助操作时间15小时，确定每批生产时间为24H。第二节反应釜设计二、反应釜选型和核算（一）反应釜选型本设计中采用的是间歇反应釜，单釜生产能力为1187/6148M3，本反应中表33反应器填料系数条件装填系数无搅拌或缓慢搅拌的反应釜080085带搅拌的反应釜070080易起泡或沸腾状态下的反应040060页面平静的储罐和计量罐085090物料粘度不大，但有搅拌过程，根据表33，选择装填系数在0708之间，本设计选装填系数为075，反应釜体积为148/075198M3圆整得2M3。所以选用2M3的标准反应釜反应釜比较合适。由于反应环境在强酸条件下进行，反应釜材质为搪瓷。最终选定反应釜KF2000，公称容积2000L，实际容积2197L，换热面积72M2，检查孔。参考标准为HG5157985。304M（二）反应釜核算设计中，操作压力，MPA150PW设计压力，取，MPA16501PW液体静压；LPPA028CM/KG102计算压力；C37PL设计温度140；T焊缝系数10（双面对接焊，100无损探伤）；许用应力T根据材料0CR18NI10TI、设计温度140，由文献1286页表144知T137MP；钢板负偏差C1C1025MM（GB665496）腐蚀裕量C2C210MM（双面腐蚀）。筒体壁厚的核算由公式得2CTIDCP2DSM07130174D考虑C1，则NSD1132MM，圆整SN2MM考虑筒体的壁厚不小于5MM，满足要求第三节加料装置设计一、三氯氧磷加料装置设计（一）三氯氧磷储罐设计三氯氧磷氧磷是强腐蚀性原料，与水发生剧烈反应，产生盐酸和磷酸，储运时用200L耐腐蚀的PVC塑料桶。厂区氧磷总储存仓库储存一个月（30天）生产所需要的氧磷。体积为，约合11990/20060L1903060桶。氧磷是消耗原料，单批消耗氧磷10959KG，体积为10959/164500666M3，储存一天使用的氧磷，体积为。L4016应设计三氯氧磷临时储罐。最终选定立式储罐公称容积1M3，实际容积106M3，筒体直径800MM，长度1800MM。参考标准为HG5157985。（二）三氯氧磷计量泵设计由于氧磷在操作中每是滴加操作，需要时间较长，因此每个反应釜对应一个计量泵，及六个计量泵。单批投料中加入氧磷10959KG，体积为10959/164566L，氧磷加料过程中需要精确控制流量，在反应的前3个小时将氧磷均匀滴加到反应体系中。根据化工设备设计基础选型，氧磷加料适合使用计量泵加料。泵的流量为Q66/322L/H根据伯努力方程221EFUPUPZHZHGG有，2EFLHD当摩擦系数取值很小，液体流速不大于3M/S情况下，可近似为零。L12M，取HE15M。氧磷为强腐蚀性原料，应选用耐腐蚀的材质，使用温度25加氧磷时流量为22L/H。选择GM0025PQ1MNN隔膜计量泵,流量25L/H，压力12MPA，泵头材质为PVC，符合生产时的负压操作。二、三溴苯酚加料装置设计三溴苯酚是白色或分色片状固体，储运时用25KG牛皮纸袋包装。三溴苯酚加料时先要融化，单批反应需要三溴苯酚70932KG，三溴苯酚堆积密度为121KG/L，单批投料体积为70932/121059M3。设计中选择1M3熔融槽,公称容积1M3，实际容积106M3，筒体直径800MM。参考标准为HG5157985。熔融加热功率设计，热量Q融化潜热升温吸热三溴苯酚融化焓变为KG/J915G/CAL13HM三溴苯酚平均比热为02490C单批加料时需要热量TQ由常温25加热到100，KJ712893510923079153270Q辅助操作时间一小时，加热功率为TQPKW8160317289P圆整得P65KW。三、二甲苯加料装置设计二甲苯为是反应中的溶剂，反应回收率为95，一个月（30天）需二甲苯，为了保证反应的连续性，需要设置3M45128069513068二甲苯储存罐。根据物料体积，选卧式储罐公称容积16M3，实际容积16M3，筒体直径2200MM，长度3400MM。参考标准为HG5157985。二甲苯计量罐六个反应釜循环操作，加料时间没有重叠，故可以共用一个二甲苯计量罐。单批加料时，需要二甲苯70933KG，体积为70933/086083M3，加料时是常压操作。最终选定卧式储罐公称容积1M3，实际容积106M3，筒体直径800MM，长度1800MM。参考标准为HG5157985。第四节水洗反应釜设计一、水洗反应釜尺寸设计水洗蒸馏需要时间为6小时，加上辅助操作时间2小时，需要8小时。设计中有6个反应釜，反应时间为24小时，水洗蒸馏反应釜设计为2个。水洗过程中，加入的水的量为物料的体积的1/2，单批处理量体积为，水洗时有搅拌过程，有上表知装填系数应设计为075，需3M25148要反应体积为222/075296M3。最终选定反应釜F3000，公称容积3000L，实际容积3680L，换热面积855M2。参考标准为HG/T237292。二、蒸馏时加热功率设计蒸馏时，采用新型电阻丝加热方式加热，电阻丝加热均匀，且加热功率容易控制。蒸馏时消耗热量Q融化潜热升温吸热，反应液混合物气化相变焓平均为，反应液混合物平均比热容为KG/J395G/CAL984HM4160C单批加料时需要热量，由常温25加热到300，TMCHQ，蒸馏操作时间KJ2513872509528395128Q两小时，平均加热功率为，TP代入数据得。KW6183027第五节盐酸吸收塔设计一、盐酸吸收塔物料衡算生产中可用工业水吸收氯化氢气体，吸收后的酸用于电镀、油漆前的除锈对酸的品质要求不高。吸收时氯化氢气体中含有少量三氯氧磷氧磷，三氯氧磷与水反应生成盐酸和磷酸，故吸收产物的盐酸中含有少量的磷酸。六个反应釜循环操作，产生的氯化氢气体集中到一个氯化氢吸收塔处理。处理的氯化氢气体流量也能基本保持恒定。单批反应产生氯化氢气体064KMOL，一天生产6批，共产生，摩尔流量G386/24016KMOL/H58336KG/H。KMOL863406HCL流量G016KMOL/H583KG/H盐酸质量分数10LG吸收水流量带入数据得H/KG50210835二、盐酸吸收塔热量料衡算制成10盐酸时，溶解热为，10盐酸的比热容为OL4J/MHM，由热量衡算式，得水温，G4362J/CCTLG00MTLCHG将L带入得。0ABMTYCXT吸收放热H/KJ6483216250Q水升温T803264/4362/52503507，深井泵水吸收T015，吸收后水温T15350750。三、盐酸吸收塔塔型选择用工业水吸收氯化氢，为了保证吸收效率，要求盐酸浓度质量分数在左右。可知水进入塔时XA0，出塔时1025MXOHHCLLB2由反应釜设计过程知，单个反应釜剩余体积为21971480717L，单批产生氯化氢064KMOL，约合14336L，产生氯化氢的平均组成为。951071436YB表34盐酸在不同温度下的亨利系数温度（）051015系数1/H106000185000191000197000203温度（）20253035系数1/H106000209000215000220000224温度（）40455060系数1/H106000227000228000229000230由表34知，50，10平衡时亨利系数，36MKOL/PA1029HPCXHEMYM相平衡常数E亨利系数C溶液总物质量浓度，稀溶液中C555KMOL/M3代入数据得07490125Y6吸收塔吸收时不能达到平衡分压，根据文献要求，吸收后浓度不大于5。气体出塔时YA5，液体进塔时XA0，气体进塔时YB95，液体出塔时XB52。蒸馏物料有一定的腐蚀性，操作压力为001MP，由表知吸收塔形式应（设计2139）选择填料塔。表35选择吸收塔形式时考虑的因素考虑因素选择顺序考虑因素选择顺序800MM以下，填料塔1大孔径筛板塔塔径800MM以上1，板式塔2整装填料塔2穿流板式塔1填料塔3喷射板型塔2穿流板式塔4浮阀塔3筛板塔污浊液体5泡罩塔具有腐蚀性的物料4喷射板型塔1导向筛板塔1填料塔2多降液管筛板塔2浮阀塔3填料塔3泡罩塔4喷射板型塔操作弹性4筛板塔5S形泡罩塔1穿流式筛板塔6浮阀塔2填料塔7筛板塔3浮阀塔大液气比8条形泡罩塔4筛板塔1穿流板式塔5圆形泡罩塔存在两液相的场合2填料塔真空或压降较低的塔6其他斜喷射塔四、盐酸吸收塔塔直径确定盐酸吸收塔塔径计算公式为U（0608）UF4VDS采用ECKERT通用关联图法图31计算泛点气速U图31吸收塔压降关联图有关数据计算塔底混合气流量VS58336KG/H吸收液流量L5250KG/H37，001MP时进塔混合气密度3M/KG261728905463950水密度3L92KG/M37时，水的粘度S06947PAL经比较，选DG25MM塑料鲍尔环米字筋。查表36可得，其填料因子320M1，比表面积A194M2/M3关联图的横坐标值0929615083VL21G表36鲍尔环填料选择材料外径D/MM高厚/MMMM比表面积A/M2M2空隙率E/M3M3个数N/个M3堆积密度D/KG/M3干填料因子A/M1湿填料因子/M1金属1625385015082506380850123921912911230928093409450949143000559001300065002164273653952992691531314001301401616111671118318809110911112000111840141141249249423423252421251219417508209013350042900101150294239320383851381415511508908915800158009898220220200504818501510641120901090170006500875748146154120塑料76762673209219277099462关联图的横坐标值03929615083VL21G由图31查得纵坐标值为018即180369470218079G2F22F0LG2F液泛气速S/M31F操作气速/52707F塔径M32905213649VDS取塔径为04M五、盐酸吸收塔填料高度的计算（一）氯化氢在水中扩散系数计算盐酸吸收塔采用填料吸收，吸收填料高度可根据经验公式计算。溶质氯化氢在水中的扩散系数60A21S8ASVTM147D水的温度取平均温度T（1560）/23753105K37时，水的粘度06947MPAS溶剂分子量MS1802G/MOL水的缔合系数26HCL在正常沸点下的分子体积VA37246283CM3/MOLS/CM10532869470147D2608AS（二）吸收过程中传质系数填料塔传质系数计算公式140PT21L32W31LDDG05GK37时水的密度3L9G/CM37时，水的粘度SCMG/106947SPA106472重力加速度22C/80/SG水的质量流量S5GG2L填料比表面积3T/CM194填料润湿表面积2W0填料工程直径5CDP343124021532MS/KOL109580791647059921505K填料高度用对数平均推动力法计算氯化氢出塔时，YA5水进塔时XA0，氯化氢出塔时YB95，水出塔时XB52。有上面计算知平衡时，Y000734。由计算知05YYAAA94273095B4/LNYABM（三）盐酸吸收塔填料高度填料高度计算公式MAB0YKGH又知道，G016KMOL/H，则，带入数据得2D4GSMOL/035K60431G22代入数据，计算得填料高度为。17M034950H（四）盐酸吸收塔总高度的计算因为盐酸具有腐蚀性，所以应选用耐腐蚀的陶瓷填料气体喷射支撑板，支撑板高度为01M。P154吸收液为水，粘度很小，可以使用升气管筛板型液体分布器，引体分布器高度为02M。盐酸吸收塔塔径为D04M08M，可以采用球形封头，球形封头半径RD/202M。塔高H1770220102247M，圆整的25M。六盐酸吸收塔压降的计算由图2通用压降关联图横坐标值0039前已算出；将操作气速U152M/S代替纵坐标中的UF查表，DG25MM塑料鲍尔环米字筋的压降填料因子320M1代替纵坐标中的则纵标值为08694702180793521G20LG2用内插法得M/PA3GPM压降PA45231第六节冷凝器设计一、一级冷凝器设计（一）定性温度及定性温度下的物性定性温度对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。壳程导热油的定性温度为TM200230/2215管程二甲苯的定性温度为TM（320320）/2270两流体的温差52170TTM由于两流体温差大于50，故选用带补偿圈的固定管板式列管换热器。在定性温度下，分别查取管程和壳程流体冷却水和煤油的有关物性数据，如表97表37导热油在215下的有关物性数据温度T/蒸汽压P/MMHG密度/GCM3比热容C/KCAL（KG）1导热系数KKCALMB1粘度/CP20010016020022024026028030004101202401126492089608800804075907290713069706810665064904390457054205900627064506630681069907170127012501150109010501030101009900970095180724059103094088082072061046一级冷器中物料在T270P095MP下的有关物性数据如下平均密度3M/KG10定压比热容KKG/J0725KKG/J187495/CAL495CP平均热导率W61平均粘度SMPA230C平均气化潜热密度KG/J421KG/J187459KG/CL598H定压比热容3/KG719KJ6CP粘度SPA0C（二）热量衡算蒸馏时间两小时,单批蒸馏时，处理量为M155556，M296736KG，热负荷TMHTCQ121P带入数据得S/KJ67536024215697507需要导热油的流量TCQL油油代入数据得S/KG9581036275油（三）流体平均温差计算两流体的平均温度差，并确定壳程数逆流温差546203LN3TTLNTLNT12212M关联因子3203TTR125TP12由R和P查图得温度校正系数为，所以980T校正后的温度为614546TTM又因，故可选用单壳程的列管式换热器。8095T（四）换热面积估算和换热器选型稳定传热，传热系数K值随温度变化不大时,总传热速率方程式如下TQA此处按照单壳程，多管程计算。在逆流时总传热系数总传热系数可借鉴书籍中的参数或者生产中的实际数据，初步假定。当基本表38总传热系数范围壳程（管间）管程总传热系数/W/（M3）水（流速为0915M/S）水冷水冷水冷水盐水有机溶剂轻有机物05MPAS中有机物051MPAS重有机物1MPAS水（流速为1M/S）水水溶液2MPAS水溶液2MPAS水（流速为0915M/S）水（流速较高时）轻有机物05MPAS中有机物051MPAS重有机物1MPAS轻有机物05MPAS有机溶剂03055MPAS轻有机物05MPAS中有机物051MPAS重有机物1MPAS水蒸气（有压力）冷凝水蒸气（常压或负压）冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝5826988141163467814290698116467233582198233233465116349582332326465217453489116310715822908有机物05MPAS有机物051MPAS有机物1MPAS水水水水水水水水水蒸气冷凝水蒸气冷凝水蒸气冷凝有机物蒸气及水蒸气冷凝重有机物蒸气（常压）冷凝重有机物蒸气（负压）冷凝饱和有机溶剂蒸气（常压）冷凝含饱和水蒸气的氯气（50）SO2冷凝NH3冷凝氟里昂冷凝582119329158211434958211631163495817458211631743498141163698930756条件（设备型式、雷诺准数、流体物性）相同时，传热系数K值可采用经验数据。表38为常用换热器K值的大致范围。壳程用导热油粘度在051PAS之间，视为中有机物，管程物料粘度小于05PAS，可视为中有机物，。2MW4305由公式23614507A由于，因此需要考虑热补偿。502TTM按照JB/T4714、471592标准，选择如下列管换热器初选固定板式换热器规格尺寸如下外壳直径D273MM管排方式正三角形排列管程流通面积S00115M2公称压力P400MPA管数N65管程数1管长L15M管尺寸1925MM（不锈钢管）中心距25MM公称面积S54M2换热器的实际传热面积20M4351090143DNS符合设计要求二、二级冷凝器设计（一）定性温度及定性温度下的物性壳程导热油的定性温度为TM100130/2115管程二甲苯的定性温度为TM（220120）/2170两流体的温差5170TTM由于两流体温差大于50，故选用带补偿圈的固定管板式列管换热器。在定性温度下，分别查取管程和壳程流体冷却水和煤油的有关物性数据，如下二级冷器中物料在T90P095MP下的有关物性数据如下平均密度3M/KG906定压比热容KKG/J9681KG/J18740/CAL47CP平均热导率/W51平均粘度SMPA3840C平均气化潜热KG/J439KG/J187495KG/CL9H导热油在115下的有关物性数据P251密度3O/KG8202定压比热容KJ4CPH2热导率M/W73O2粘度SPA6C（二）热量衡算蒸馏时间两小时,单批蒸馏时，处理量为M125804，M270932KG，热负荷TMHTCQ121PS/KJ75403602843979045896需要水的流量TCL油油S/KG5801304298L油（三）流体平均温差逆流温差5461023LNTTLNTLNT12212M30TTR12253TP12由R和P查图得温度校正系数为，所以980T校正后的温度为614546TTM又因，故可选用单壳程的列管式换热器。8095T（四）换热面积估算和换热器选型稳定传热，传热系数K值随温度变化不大时,总传热速率方程式如下TQA此处按照单壳程，多管程计算。在逆流时总传热系数壳程用导热油粘度大于1，视为重有机物，管程物料粘度小于05PAS，可视为中有机物，。2MW35296K换热面积201470A由于，因此需要考虑热补偿。51TTM按照JB/T4714、471592标准，选择如下列管换热器初选固定板式换热器规格尺寸如下外壳直径D219MM管排方式正三角形排列管程流通面积S00058M2公称压力P400MPA管数N33管程数1管长L2M管尺寸1925MM（不锈钢管）中心距25MM公称面积S37M2换热器的实际传热面积2007431029143DNS符合设计要求三、三级冷凝器设计（一）定性温度及定性温度下的物性壳程水的定性温度为TM1535/225管程二甲苯的定性温度为TM（12060）/290两流体的温差9035MTTC由于两流体温差大于50，故选用带补偿圈的固定管板式列管换热器。在定性温度下，分别查取管程和壳程流体冷却水和煤油的有关物性数据，如下二甲苯在T90P095MP下的有关物性数据如下密度3M/KG876定压比热容KKG/J981KG/