硝基氯苯生產中下腳低油精餾塔的設計

姚銀春

(江蘇揚農化工集團有限公司，江蘇 揚州 225009)

硝基氯苯生產中下腳低油精餾塔的設計

姚銀春

(江蘇揚農化工集團有限公司，江蘇 揚州 225009)

硝基氯苯；下腳低油；精餾塔；收集器；分布器

硝基氯苯精餾塔塔頂得對位產品(摩爾分數80%)，塔釜出鄰位成品，塔頂對位產品結晶時會產生約30%低油(主要成分是對、鄰、間硝基氯苯)。通過工藝計算、PRO Ⅱ驗算，設計低油精餾塔，對大量低油進行處理，產品收率和經濟效益顯著提高。

硝基氯苯主要指對硝基氯苯和鄰硝基氯苯，兩者均為重要的基礎有機化工原料，其衍生產品有30余種，廣泛應用于醫藥、防老劑、染料、農藥、香料、橡膠促進劑、炸藥等領域。江蘇揚農化工集團有限公司(以下簡稱“江蘇揚農”)早期生產硝基氯苯時，產生大量低油，消耗高，收率低。后在擴建、新建時，對低油進行配套處理，生產效益顯著提高。

1 工藝、PRO Ⅱ計算

1.1 原工藝及存在的問題

硝化反應后一硝油經干燥塔干燥后由塔釜進入精餾塔，塔釜除焦后得鄰位成品；精餾塔塔頂所得的80%富對位(設計時通過調整理論板數、回流比等實現)通過對位結晶器分離出對位成品和低油。工藝流程如圖1所示。

圖1 原精餾工藝流程示意圖

圖1中，干燥后精餾塔進料組分近似為Xap=0.576，Xao=0.411，Xam=0.01(X表示摩爾組成，p，o，m分別表示對、鄰、間位，a,b,c,d,e表示位置；對、鄰、間位分子質量相同，因此干燥后物料摩爾組成與質量分數一致，下同)，其余為二硝等重組分焦油，約為0.003。干燥塔釜169 ℃，直接泵入精餾塔，設定：精餾塔塔頂對位產品Xbp=0.8,經結晶后，得對位成品和對位質量分數為51.2%的低油。經計算可得，整個塔系低油收率約 30%[主要成分是p(o，m)-硝基氯苯]。若不進行處理作廢料賣出，則大大增加了原料的消耗，裝置的經濟效益明顯降低。

1.2 改進后工藝計算

針對以上問題，江蘇揚農對對鄰硝基氯苯生產裝置進行配套設計，在設計精餾裝置時，同時設計低油精餾裝置，對原未處理的低油進行處理，形成12萬t/a對鄰硝基氯苯生產能力。改進后工藝流程如圖2所示。

圖2 改造后精餾工藝流程示意圖

干燥后一硝油進入精餾塔，鄰位只在精餾塔釜采出，在其他位置并無出料。精餾塔頂富對位經結晶器結晶后得到的低油全部進入低油精餾塔處理，低油精餾塔塔頂的產品經低油結晶器得到對位成品和間位富集的間位油，整個塔系間位油只在物料7處(見圖2)采出。

硝基氯苯同分異構體相對分子質量u=157.55，1年運行時間為7 200 h，對于間位硝基氯苯來說，由于其在硝基氯苯異構體中沸點最低，富集在精餾塔塔頂，經對位結晶器分離后，隨低油全部流入低油精餾塔內，上升至塔頂，冷凝后，進入低油結晶器，結晶后得到含間位30%左右的間位油。對間位物料恒算，間位油流量約為W0/30(Wi表示第i股物料的流量，見圖2),若不考慮間位油后續處理，進料中含有對鄰位量為(57.6%+41.1%)W0=0.987W0，間位油中含有對位量為(1-30%)W0/30=0.023W0，進料平均相對分子質量約為157.55。若形成12萬t/a對鄰硝基氯苯生產裝置，則(0.987W0-0.023W0)×7 200×157.55=12×10 000×1 000，得W0≈109.7 kmol/h，鄰位成品量為41.1%W0=45.1 kmol/h，焦油量為0.003W0≈0.3 kmol/h，所以W2=45.1+0.3=45.4 (kmol/h)。

W0m·W0=W7·W7m，所以W7=W0m·W0/W7m=1%×109.7÷30%=3.7(kmol/h)。

設定低油精餾塔頂間位質量分數8.9%(鄰位含量可忽略不計)，塔釜間位質量分數0.5%[1]，W6·X6m=W7·X7m，所以W6=W7·X7m/X6m=3.7×30%÷8.9%=12.5 (kmol/h)。

W8=W6-W7=12.5-3.7=8.8 (kmol/h)。

對位成品總量約為W3+W8=W0·X0p-W7(1-X7m)= 109.7×0.576-3.7×(1-30%)≈60.6(kmol/h)，W3=60.6-W8=51.8 (kmol/h)。

X1p=0.8，X4p=0.512,X3p=0.999，W1=W3+W4，W1·X1p=W3·X3p+W4·X4p，解得:W1=W3·(X3p-X4p)/(X1p-X4p)=51.8×(0.999 -0.512)÷( 0.8 -0.512)≈87.6 (kmol/h)。

W4=W1-W3=87.6-51.8=35.8 (kmol/h)，W5=W4-W6=35.8-12.5=23.3 (kmol/h)。

W4·X4m=W7·X7m+W5·X5m，則X4m=(W7·X7m+W5·X5m)/W4=(3.7×30%+23.3×0.5% )÷35.8≈3.4%。

用PR0 Ⅱ計算和驗證。指定塔頂真空度pd=7.89 kPa，每層塔板壓降73.15 Pa，按《硝基氯苯生產技術三百問》[2]修改Antonic方程中的A、B、C常數, 并按塔頂間位質量分數8.9%、塔釜間位質量分數0.5%計，計算結果如表1～表4所示(回流比為10.462 5)。

表1 各項流量和加熱器熱負荷

表2 塔盤物料質量組成

表3 塔盤氣體流量和密度

表4 塔盤液體流量和密度

2 確定塔徑

在精餾段中，硝基氯苯分離塔是真空操作，當壓力小于0.2 MPa時，采用F因子計算塔徑比較方便(F=v·ρ0.5[3]，其中:v為空塔氣速，m/s;ρ為氣體密度,kg/m3)，塔徑(D)計算公式如下：

式中:V為流量,m3/h。

填料采用SM350不銹鋼板波紋填料，取F=2.1 m/s·(kg/m3)0.5，塔盤2處氣體流量V=62 186 m3/h，氣體密度ρ=0.359 kg/m3,經計算，塔徑為2.5 m。

在提餾段中，取F=1.7 m/s·(kg/m3)0.5，塔盤70處氣體流量V=40 142 m3/h,氣體密度ρ=0.560 kg/m3，經計算，塔徑為2.5 m。

綜合精餾段和提餾段計算值后，最終塔徑取2.5 m。

3 液體收集器設計

液體收集器結構如圖3所示。

1—支撐;2—集液環底板;3—四通;4—集液槽;5—集液環;6—擋液板;7—集液板;8—固定角鐵;9—支撐;10—支撐環板;11—柵板

圖3 液體收集器結構圖

Fig.3 Structural diagram of liquid collector

3.1 集液槽

集液槽(如圖4所示)關于中心線對稱，其作用是將集液板(如圖5所示)收集來的液相物料輸送到集液環中，通過四通降液管輸送到分布器。集液環外徑尺寸為2 260 mm，畫一個直徑2 266 mm同心圓，集液槽左輪廓線與同心圓相割的弦長為b(見圖4)，右輪廓線與同心圓相割的弦長為a(見圖4)。集液槽尺寸見表5。

3.2 集液板

SM350填料空隙率為95%，集液板作用：提供氣相上升通道，并收集液相。為保證將液體全部收集到集液環中，集液板在集液環投影應全部覆蓋其內徑2 248 mm。在投影面上畫2個直徑2 380 mm、2 260 mm的同心圓，上輪廓線在投影面上的投影與同心圓2 380 mm相割的弦長為c(見圖5)，下輪廓線在投影面上的投影與同心圓2 260 mm相割的弦長為d(見圖5)。集液板尺寸見表6。

圖4 集液槽結構圖

圖5 集液板結構圖

表5 集液槽尺寸

表6 集液板尺寸

4 分布器設計

槽式分布器結構如圖6所示，二級槽式分布器結構如圖7所示，尺寸如表7所示。

1—吊梁;2—壓環;3—調節裝置;4—一級槽;5—二級槽;6—分布管

圖6 槽式分布器結構圖

Fig.6 Structural diagram of slot distributer

圖7 二級槽式分布器結構圖

表7 二級槽尺寸及孔數

通過調節通道面積，控制液相通道內液體流速不超過0.2 m/s(液體自流速度)。分布器采用一、二級槽式分布器,持液高度H=60 mm；c0為常數，取0.62；g為重力加速度，取9.81 m2/s；L為液體流量，m3/h。

開孔總數N=2×(24+36+44+50+54+56+58)=644, SM350填料分布點為120～200個/m2, 本文中一個點浸潤填料面積為165×72.5 mm2，實際填料分布點為131個/m2。

塔盤70處液體流量為21.277 m3/h，計算得提餾段二級槽下排孔開孔直徑d2=0.004 2 m=4.2 mm。

5 結語

塔徑取2.5 m，需118塊塔板，塔分9段，上3段填料每段4.5 m，中2段填料每段4 m，下4段填料每段5 m,總高41.5 m。SM350不銹鋼板波紋填料1 m按3塊塔板計算，約124塊塔板。加料口在第70塊塔板(第6段填料上部的集液器處)，并在3、4、5段填料上部的集液器處預留備用口。

工藝和PRO Ⅱ 6.0計算為低油精餾塔塔徑、收集器、分布器設計提供理論依據。低油經低油精餾塔處理后，產品收率和生產效益顯著提高。

[1] 陳敏恒,叢德滋,方圖南.化工原理:下冊[M].北京：化學工業出版社，1985:67-93.

[2] 李興倫.硝基氯苯生產技術三百問[M].武漢:葛店化工廠，1982:117.

[3] 劉乃鴻.工業塔新型規整填料應用手冊[M].天津：天津大學出版社，1993 :151-153.

[4] 中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊上冊[M].北京：化學工業出版社2003 ：149-150.

[編輯：董紅果]

Design of distillation column for low-boiling waste formed in nitrochlorobenzene production

YAOYinchun(Jiangsu Yangnong Chemical Industry Group Co., Ltd., Yangzhou 225009, China)

nitrochlorobenzene; low-boiling waste oil; distillation column; collector; distributer

Distillation tower of nitrochlorobenzene produced top product withp-nitrochlorobenzene mole fraction of 80%, and bottom producto- nitrochlorobenzene. When top productp-nitrochlorobenzene crystallized, about 30% low-boiling oil mainly composed ofp-,o-,m-nitrochlorobenzene was obtained. A distillation column for the low-boiling oil was designed through process calculation and PRO Ⅱ check. A large amount of low boiling oil was treated with significantly increased product yield and economic benefits.

姚銀春(1966—)，男，高級工程師，1989年畢業于南京化工學院化工機械與設備專業( 2012年取得華東理工大學制藥工程碩士學位)，現于江蘇揚農化工集團有限公司從事工程設計、施工、調試管理工作。

2016-12-25

TQ246.13

A

1008-133X(2017)04-0030-05