1、年产4万吨苯甲酸催化加氢制苯甲醛的工艺设计年产4万吨苯甲酸催化加氢制苯甲醛的工艺设计摘要设计项目：4万吨/年苯甲酸催化加氢制苯甲醛工 艺设计苯甲醛是一中很重要的化学中间体，但传统的 苯甲醛生产方法对环境污染非常严重，所以清洁生产 苯甲醛成为现下研究的热点。在本设计中由苯甲酸还原反应得到苯甲醛。以苯甲酸 为原料，在氢气的作用下制备苯甲醛。该工艺生产简 单，不污染环境，自制ZnO催化剂性能优良，具有环 保与经济双重价值。本论文设计对整个反应进行了物 料恒算，热量恒算，设备选型及计算。最后绘制了生产工 艺流程图，物料流程图，车间平面布置图,车间立面布置 图。75991任务的来源本设计是针对苯甲醛进行
2、设计，以专业 基础课的学习为基础，设计合理的工艺流程，选择相 应的工艺设备等。其目的是提高解决化工产殆生产车 间设计实际问题的能力；掌握化工工艺流程设计、物 料恒算、热量衡算、设备选型等的基本方法和步骤； 从技术上的可行性与合理性两个方面树立正确的设计 思想。通过本课程设计，也提高了运用计算机设计绘 图的能力。2设计标准本设计参考了以下国家标准和规定(1 )生产过程危险殆和有害因素分类与代码 (GB/T13816-1992)(2)常用危险化学的分类标准(GB13690-1992)(3)压力容器中化学介质典型危害和爆炸危险程度分 类(HGJ43-1991)(4)工厂防火规定(GBJ16-1987
3、)(5)污水综合排放规定(GBJ8978)(6)钢制压力容器(GB150)(7)管壳式换热器标准(GB151)(8)工艺系统设备布置设计规定(HG20570)(9)化工装置管道布置设计规定(HG/T20549)3设计原则及主要设计指标2 Design StandardsThe design references the following national standards and regulations.(1)Production of dangerous goods and harmful factors in classification and code. (GB/T13816-19
4、92)(2)Dangerous chemical commonly used in the classification criteria. (GB13690-1992)(3)Typical chemical medium pressure vessel explosion hazards and safety levels. (HGJ43-1991)(4)Factory fire safety requirements. (GBJ16-1987)(5)Integrated wastewater discharge requirements. (GBJ8978)(6)Steel pressur
5、e vessel. (GB150)(7)The standard shell and tube heat exchanger. (GB151)(8)System and Equipment layout design requirements. (HG20570)(9)Chemical plant piping design requirements. (HG/T20549)3 Design principles and key design indicatorsPrinciple:Safe and reliable: the design of many chemical substance
6、s are flammable, explosive or toxic. Therefore, the design must be taken into account of all sorts of obviousand potentially dangerous and used strict regulations of national and local health and safety to ensure little environmental pollution and the health of production personnel.(2)operation is s
7、imple: adhere to the scientific attitude to determine various production process and equipment and the operation condition reasonably, striving to achieve themild reaction condition and low requirements of equipments and convenient operation of the workers as the result.(3)reasonable economy: reduce
8、 equipment costs, raw material costs, labor costs and other aspects investment effectively and reasonably.(4)easy to instil: Plant layout should meet the requirements of the construction and installation, with emphasis toconsider the installation of large equipment, factory and load road pavement co
9、nstruction and installation standards should meet the requirements.3.1全车间物料衡算143.1.1物质性质数据143.1.2设计依据143.1.3全车间的物料衡算153.2热量衡算3.2.1热容的计算173.2.4热量计算20 3.2.5反应器的容积计算213.2.6反应釜的体积设计223.2.7设备向四周散失的热量.223.2.8消耗在设备各个部件及管道上的热量.234设备选型及计算254.1加热器254.1.1加热器的换热面积的计算254.1.2加热器的工艺结构尺寸的计算274.2.2反应管长度的计算.29 4.2.3管
10、束尺寸和反应管的排列304.2.4反应器进口管口设计304.3冷凝器314.3.1冷凝器的换热面积的计算314.3.2冷凝器的工艺结构尺寸的计算325苯甲醛精馅塔计算365.1精馅塔的选择365.2精镐塔的设计365.2.3理论板数的计算40 5.2.4塔内件设计425.2.5塔板流体力学验算46鉴于市场对苯甲醛质量要求的提高和减少环境污染的 目的，工业上逐渐以甲苯部分氧化生产苯甲醛的工艺 替代以前的水解节氯工艺。甲苯氧化又可分为气相和 液相氧化。2）甲苯气相氧化法24制备苯甲醛，原料易得、价 格低，加之速度快、生产能力大，宜于连续化、自动 化操作，劳动強度小等优点，是一条经济合理的工艺 路线
11、。目前，文献报道的甲苯气相氧化反应采用固定床或流 化床反应器，用空气、02或03作氧化剂，在350 C 550 C之间进行，通过提高空速或通惰性气体的方法, 以降低甲苯深度氧化程度，提高苯甲醛的选择性5L 甲苯气相氧化关键在于筛选出活性和选择性好的催化 剂，甲苯气相选择性氧化所用催化剂绝大多数是金属 氧化物，大致可分为简单氧化物（Bi、Li、P、Zn、Zr、 Co、Mo、Pb、Fe. Cu）、复合氧化物和负载型氧化物， 其中载体主要有S02, Ti02和A1203oo使用单氧化物 时苯甲醛的收率很低。而复合氧化物常见的有Mo-Cr， Mo-Mn, Mo-Cu, Mo-Ni, Mo-Co, Mo
12、-Bi 和 Mo-Fu【6,7】, 此外还有Y-Ba-Cu? V-Ag? V-Sn, V-Ti催化剂及其负 载型【813】。在它们的催化作用下，转化率和选择 性都有所提高。甲苯气相氧化制苯甲醛仍存在不少问题，如反应条件 苛刻、苯甲醛的选择性与甲苯的转化率始终无法得到 很好统一，仍有待继续研究。3）与气相氧化相比，甲苯的液相氧化不会产生C02气 体，且尾气中不夹带甲苯，更适合于空气或氧气的循 环。甲苯在 130 C 160 C、210 KPa 270 KPa KPa 压 力的空气中，以及可溶性金属盐类（主要是钻、镒的卤 化物和有机酸盐）存在的条件下进行液相氧化，可生成 苯甲醛和苯甲酸。有文献报道
13、，用苯基吓咻的钻盐 (Co(II)TPP)作催化剂，甲苯在 160C、0.8 MPa 下在 0.04 m3/h-l的空气流中被氧化成苯甲醛和苯甲醇，选择性 为60%，转化率为8.9%。可见甲苯液相法转化率和 选择性不是很高【1419】。原料苯甲酸(酯)是一种抑菌剂,可用在食殆防腐剂方 面，无毒害，廉价易得。其工艺简单，原子利用率高， 符合绿色化工的发展要求，用其合成苯甲醛具有广阔 的研究和市场前景。目前还原法存在的主要问题是在 还原过程中不易停留在苯甲醛，而易深度还原为苯甲 醇，甚至甲苯和苯，造成副产物居多，选择性较差。 控制好苯甲醛的选择性，是该工艺的难点和重点。已 有许多研究者从选择催化剂
14、及寻找适合的反应条件和 反应工艺入手，做了大量工作。怎样使产率和催化剂 成本、反应条件优化达到统一还需要做大量研究工作O 对该工艺的研究，关键在于筛选和制备有较高活性及 良好选择性的催化剂。近年陈良坦等利用共沉淀法制备的锌镒复合纳米催化 剂用于苯甲酸加氢反应，当反应温度为370C时，苯 甲酸的转化率高达99%、苯甲醛的选择性为94. 5%: 在同样的条件下进行的中试催化剂也具有良好的性 能，苯甲酸的转化率为98%、苯甲醛的选择性为 83.2%【21,22】。陈丰秋等用共沉淀的方法制备了含Zn元素的催化剂 前驱体，焙烧后得苯甲酸加氢催化剂。在氢气、苯甲 酸的摩尔比为80： 1、气体时空速度为1
15、600h-l和 400 C条件下，苯甲酸的转化率为97.1%、苯甲醛的选 择性为 93.7% 23OH61derieh等在不同酸碱性的ZnO上进行苯甲酸加氢 还原的研究.发现酸一碱中心都是氢化还原所必需 的.弱的酸碱性更有利于反应.苯甲酸的转化率达到 96%、苯甲醛的选择性也在96%左右。但是，当催化 剂表面的酸性过强时，则会诱发深度的还原生成甲苯， 且在高温条件下催化剂表面出现结焦【24。孙蜻等直接焙烧ZnCO3得到ZnO,用于苯甲酸加氢 反应中，苯甲酸的转化率达到99.4%、苯甲醛的选择 性达93.6%o但是随着反应的进行，催化剂活性逐渐 下降。实验表明，导致ZnO催化活性的下降原因并非
16、是比表面积减小或活性相变化.而是在反应温度下， 芳香族化合物在催化剂表面发生结焦造成的。因此， 可以认为提高ZnO系催化剂的抗烧结性能是改善催 化剂稳定性的关键【25】。在合成苯甲醛的工艺中，由于所采用的工艺流程、原 料转化率、苯甲醛选择性和原料价格不同，其结果会 有较大的差异。见表11。绿色化学【2931】代表了当今化学工业的发展方向。 绿色化学希望化合物的来源是绿色的，即源于那些可 再生的资源；它们的生产过程应该是绿色的，即生产 工艺应该环境友好、尽可能地不污染或少污染环境。 也就是说采用无毒无害的原料、在无毒和无害的反应 条件（催化剂、溶剂）下进行、反应具有高选择性及产 殆环境友好。经过
17、比较，注意到目前苯甲醛的合成工 艺中，氧化的方法占有重要地位，且有气相和液相法， 该方法已实现了工业化生产，但苯甲醛仅是中间产物。 虽经国内外研究者多年开发，但现有生产技术仍很难 有效协调反应的转化率和苯甲醛的选择性，其主产物 还是苯甲酸，苯甲醛的收率仍较低，产量满足不了市 场需求。由甲苯氧化直接生产苯甲醛尚存在难已克服 的技术和成本问题。现在市场上苯甲酸价格仅8000元 /吨左右，而苯甲醛的价格却高达16000元/吨左右。 因此，由甲苯氧化生产苯甲酸，再由苯甲酸高效还原 合成苯甲醛是一条值得开发的工艺路线。该工艺中原 料苯甲酸是一种抑菌剂，无毒害，廉价易得，且工艺 简单，原子利用率高，环保清
18、洁，符合绿色化学的发 展要求，前景看好，有待进一步研究。由苯甲酸或苯甲酸甲酯加氢一步合成苯甲醛，工艺步 骤简单，排放的废料少，对环境友好，而且产殆的纯 度与质量都很高，可以满足各种级别的需求。同酯的 加氢相比较，酸的直接加氢更是具有成本较低，中间 步骤少，环境污染更低等优势，因此，由苯甲酸直接 加氢比由苯甲酸经酯化再加氢制备苯甲醛具有更大的 工业应用前景。.2苯甲醛的性质1.2.1苯甲醛【应用四】苯甲醛是除草剂野燕枯、植物生长调节剂 抗倒胺的中间体。【应用五】GB 2760-1996规定为暂时允许使用的食用 香料。主要用于配制杏仁、樱桃、桃子、果仁等型香 精，用量可达40%o作为糖水樱桃罐头的赋香剂，加 入量每kg糖水3mlo【应用六】医药、染料、香料的中间体。用于生产间 氧基苯甲醛、月桂酸、月桂醛、殆绿、苯甲酸节酯、 节叉苯胺、节叉丙酮等。用以调合皂用香精、食用香 精等。【应用七】有机合成，溶剂，测定臭氧及位于疑基旁边 的亚甲基，检定酚和生物碱，香料制备。年产4万吨 苯甲酸催化加氢制苯甲醛的工艺设计(7):
