苯硝化反应器放大设计.doc

苯峭化反应器放大议计 倪菊美 (中国石化集团南京化工厂设计所，210038)摘要:简要介绍了 50kLa 稍基苯装置用混酸作峭化剂的苯梢化反应机理、反应特点，以及苯 峭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措施和控 制手段，并对设计中存在的问题进行分析并提出改进建议关键词:苯硝化反应器混酸硝化剂 1 前言 50kt/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间反应;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〔4〕 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 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 No:+和硫酸氢离子 Hs 认一， 水则与硫酸生成场 - 反应中所生成的水与过量的硫酸作用，发生 下列反应: HZS 仇+姚 O 一玩 O 十+HS 仇- 故硝酸与硫酸的反应总式如下: ZHZS 仇+1」卜 03 一 H3O++ZHS 仇一+N 仇+ 当混酸与苯进行硝化反应时，N 仇+取代了苯 环上的氢而生成硝基化合物 C6 氏+N 仇+一 C6 氏 N 仇+H+ 该反应具有以下特点: (l)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%一 ro%，苯的硝化 反应热为 142kJ/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，并要及时收稿日期二 2 田 1 一 08 一 20;修回日期:2(X 狡一 01 一的 作者简介:倪菊美，女，1988 年毕业于南京化土大学化工系，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。

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，以保证反应能够平稳地进行 (4)当硫酸浓度一定时，反应速度取决于酸相 中硝酸浓度和有机相中苯浓度 31 号硝化锅主要工艺参数确定 3.1 换热面积确定 通过对 1 号硝化锅物料和热量衡算[2j，可得其 反应释放出总热量约为 1302.56kw(112 万 kc 澎 h)，如此大的换热量，一般反应锅蛇管换热系数为 551.5 一 697.sw/(澎·K)〔5(X)一以 x)ke 亦时.h.℃j， 夹套换热系数为 116.3 一 2 犯.6w/(时·K)「100-ZookacFmZ·h.℃]，仅 l 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 号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 31 甘，夹套面积为 9 时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 物料衡算得到进人 1 号锅总体积流量为 25 . 304 衬儿即 0.422 衬/min[“〕 ，按本厂生产经验， 取硝化反应停留时间约 o.sh，考虑热量平衡，故选 用两台 3.7 耐的 1 号硝化锅，装料系数 0.75，所得 停留时间均为 13min，取 2 号一 4 号硝化锅装料系 数 0.8，停留时间为 25min，所需 2 号一 4 号硝化锅 总容积为 13.19 耐，取整即为每台容积 4.5 衬。

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阎，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合过程，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，按中央进人方式，取 D/Dl/4~1/3[6]，其中 D 为叶轮直径，D为锅体直径巧 oo~，即 D 二 375 一 soolmn，取刀=500~，因锅内静液高度大于 叶轮中心线上 ZD，故设两层叶轮轴. 搅拌叶轮转速放大设计是保持叶片端部切向 速度二 nd 不变，即l 刀 1=nZnZ，n}、刀，分别为 16kt/a 石肖基苯装置】号硝化锅搅拌器转速 300r/ 而 n、轴径 o.3n， ，得 n:=150 洲 min，参考 Zokt/a 对邻 硝 3.7 衬的 1 号硝化锅设计经验数据，设定 1 号硝 化锅搅拌器转速为 310 川 min;2 号一 4 号硝化锅转 速适当放大为 25Or/min (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 高困。

电动机额定功率是根据预定操作条件下所 需最大搅拌功率确定搅拌功率计算较复杂，_目. 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，以每衬锅体容积需消耗功率 1- 1.2kw 计，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 1- Zkw 取整，所需功率为 7.skw;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 存在问题分析及改进建诊 (1)l 号硝化锅有时超温 5℃左右(设定报警 温度为 60℃)[’ 〕 ，尤其是炎热的夏天;经分析认为 原因之一是全厂水压低导致冷却水之二是冷却水温偏高，影响换热效果解决办法 之一在保证达到现中控指标前提下，按季节变化 适当提高 1 号硝化锅反应温度 5 一 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工艺;但办法二、 三均需另外增加投资，且绝热硝化尚未完全工业 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，各锅保持不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 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仅避免了 两套并联反应的工艺，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 厄 l]陈国伟编.5 万吨/年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算书 仁 3〕唐培坤主编.精细有机合成化学及工艺学.天大出版社【4]弓州涛勇主编.精细有机合成单元反应.华东化工学院出版社 仁 5]陈甘棠主编化学反应工程.化学工业出版社「6」化工部化学工程设计技术中心.化工单元操作手册(下) S 量不足;原因。