姚银春

(江苏扬农化工集团有限公司，江苏 扬州 225009)

硝基氯苯生产中下脚低油精馏塔的设计

姚银春

(江苏扬农化工集团有限公司，江苏 扬州 225009)

硝基氯苯；下脚低油；精馏塔；收集器；分布器

硝基氯苯精馏塔塔顶得对位产品(摩尔分数80%)，塔釜出邻位成品，塔顶对位产品结晶时会产生约30%低油(主要成分是对、邻、间硝基氯苯)。通过工艺计算、PRO Ⅱ验算，设计低油精馏塔，对大量低油进行处理，产品收率和经济效益显著提高。

硝基氯苯主要指对硝基氯苯和邻硝基氯苯，两者均为重要的基础有机化工原料，其衍生产品有30余种，广泛应用于医药、防老剂、染料、农药、香料、橡胶促进剂、炸药等领域。江苏扬农化工集团有限公司(以下简称“江苏扬农”)早期生产硝基氯苯时，产生大量低油，消耗高，收率低。后在扩建、新建时，对低油进行配套处理，生产效益显著提高。

1 工艺、PRO Ⅱ计算

1.1 原工艺及存在的问题

硝化反应后一硝油经干燥塔干燥后由塔釜进入精馏塔，塔釜除焦后得邻位成品；精馏塔塔顶所得的80%富对位(设计时通过调整理论板数、回流比等实现)通过对位结晶器分离出对位成品和低油。工艺流程如图1所示。

图1 原精馏工艺流程示意图

图1中，干燥后精馏塔进料组分近似为Xap=0.576，Xao=0.411，Xam=0.01(X表示摩尔组成，p，o，m分别表示对、邻、间位，a,b,c,d,e表示位置；对、邻、间位分子质量相同，因此干燥后物料摩尔组成与质量分数一致，下同)，其余为二硝等重组分焦油，约为0.003。干燥塔釜169 ℃，直接泵入精馏塔，设定：精馏塔塔顶对位产品Xbp=0.8,经结晶后，得对位成品和对位质量分数为51.2%的低油。经计算可得，整个塔系低油收率约 30%[主要成分是p(o，m)-硝基氯苯]。若不进行处理作废料卖出，则大大增加了原料的消耗，装置的经济效益明显降低。

1.2 改进后工艺计算

针对以上问题，江苏扬农对对邻硝基氯苯生产装置进行配套设计，在设计精馏装置时，同时设计低油精馏装置，对原未处理的低油进行处理，形成12万t/a对邻硝基氯苯生产能力。改进后工艺流程如图2所示。

图2 改造后精馏工艺流程示意图

干燥后一硝油进入精馏塔，邻位只在精馏塔釜采出，在其他位置并无出料。精馏塔顶富对位经结晶器结晶后得到的低油全部进入低油精馏塔处理，低油精馏塔塔顶的产品经低油结晶器得到对位成品和间位富集的间位油，整个塔系间位油只在物料7处(见图2)采出。

硝基氯苯同分异构体相对分子质量u=157.55，1年运行时间为7 200 h，对于间位硝基氯苯来说，由于其在硝基氯苯异构体中沸点最低，富集在精馏塔塔顶，经对位结晶器分离后，随低油全部流入低油精馏塔内，上升至塔顶，冷凝后，进入低油结晶器，结晶后得到含间位30%左右的间位油。对间位物料恒算，间位油流量约为W0/30(Wi表示第i股物料的流量，见图2),若不考虑间位油后续处理，进料中含有对邻位量为(57.6%+41.1%)W0=0.987W0，间位油中含有对位量为(1-30%)W0/30=0.023W0，进料平均相对分子质量约为157.55。若形成12万t/a对邻硝基氯苯生产装置，则(0.987W0-0.023W0)×7 200×157.55=12×10 000×1 000，得W0≈109.7 kmol/h，邻位成品量为41.1%W0=45.1 kmol/h，焦油量为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)。

设定低油精馏塔顶间位质量分数8.9%(邻位含量可忽略不计)，塔釜间位质量分数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)。

对位成品总量约为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，则X4m=(W7·X7m+W5·X5m)/W4=(3.7×30%+23.3×0.5% )÷35.8≈3.4%。

用PR0 Ⅱ计算和验证。指定塔顶真空度pd=7.89 kPa，每层塔板压降73.15 Pa，按《硝基氯苯生产技术三百问》[2]修改Antonic方程中的A、B、C常数, 并按塔顶间位质量分数8.9%、塔釜间位质量分数0.5%计，计算结果如表1～表4所示(回流比为10.462 5)。

表1 各项流量和加热器热负荷

表2 塔盘物料质量组成

表3 塔盘气体流量和密度

表4 塔盘液体流量和密度

2 确定塔径

在精馏段中，硝基氯苯分离塔是真空操作，当压力小于0.2 MPa时，采用F因子计算塔径比较方便(F=v·ρ0.5[3]，其中:v为空塔气速，m/s;ρ为气体密度,kg/m3)，塔径(D)计算公式如下：

式中:V为流量,m3/h。

填料采用SM350不锈钢板波纹填料，取F=2.1 m/s·(kg/m3)0.5，塔盘2处气体流量V=62 186 m3/h，气体密度ρ=0.359 kg/m3,经计算，塔径为2.5 m。

在提馏段中，取F=1.7 m/s·(kg/m3)0.5，塔盘70处气体流量V=40 142 m3/h,气体密度ρ=0.560 kg/m3，经计算，塔径为2.5 m。

综合精馏段和提馏段计算值后，最终塔径取2.5 m。

3 液体收集器设计

液体收集器结构如图3所示。

1—支撑;2—集液环底板;3—四通;4—集液槽;5—集液环;6—挡液板;7—集液板;8—固定角铁;9—支撑;10—支撑环板;11—栅板

图3 液体收集器结构图

Fig.3 Structural diagram of liquid collector

3.1 集液槽

集液槽(如图4所示)关于中心线对称，其作用是将集液板(如图5所示)收集来的液相物料输送到集液环中，通过四通降液管输送到分布器。集液环外径尺寸为2 260 mm，画一个直径2 266 mm同心圆，集液槽左轮廓线与同心圆相割的弦长为b(见图4)，右轮廓线与同心圆相割的弦长为a(见图4)。集液槽尺寸见表5。

3.2 集液板

SM350填料空隙率为95%，集液板作用：提供气相上升通道，并收集液相。为保证将液体全部收集到集液环中，集液板在集液环投影应全部覆盖其内径2 248 mm。在投影面上画2个直径2 380 mm、2 260 mm的同心圆，上轮廓线在投影面上的投影与同心圆2 380 mm相割的弦长为c(见图5)，下轮廓线在投影面上的投影与同心圆2 260 mm相割的弦长为d(见图5)。集液板尺寸见表6。

图4 集液槽结构图

图5 集液板结构图

表5 集液槽尺寸

表6 集液板尺寸

4 分布器设计

槽式分布器结构如图6所示，二级槽式分布器结构如图7所示，尺寸如表7所示。

1—吊梁;2—压环;3—调节装置;4—一级槽;5—二级槽;6—分布管

图6 槽式分布器结构图

Fig.6 Structural diagram of slot distributer

图7 二级槽式分布器结构图

表7 二级槽尺寸及孔数

通过调节通道面积，控制液相通道内液体流速不超过0.2 m/s(液体自流速度)。分布器采用一、二级槽式分布器,持液高度H=60 mm；c0为常数，取0.62；g为重力加速度，取9.81 m2/s；L为液体流量，m3/h。

开孔总数N=2×(24+36+44+50+54+56+58)=644, SM350填料分布点为120～200个/m2, 本文中一个点浸润填料面积为165×72.5 mm2，实际填料分布点为131个/m2。

塔盘70处液体流量为21.277 m3/h，计算得提馏段二级槽下排孔开孔直径d2=0.004 2 m=4.2 mm。

5 结语

塔径取2.5 m，需118块塔板，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,总高41.5 m。SM350不锈钢板波纹填料1 m按3块塔板计算，约124块塔板。加料口在第70块塔板(第6段填料上部的集液器处)，并在3、4、5段填料上部的集液器处预留备用口。

工艺和PRO Ⅱ 6.0计算为低油精馏塔塔径、收集器、分布器设计提供理论依据。低油经低油精馏塔处理后，产品收率和生产效益显著提高。

[1] 陈敏恒,丛德滋,方图南.化工原理:下册[M].北京：化学工业出版社，1985:67-93.

[2] 李兴伦.硝基氯苯生产技术三百问[M].武汉:葛店化工厂，1982:117.

[3] 刘乃鸿.工业塔新型规整填料应用手册[M].天津：天津大学出版社，1993 :151-153.

[4] 中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册上册[M].北京：化学工业出版社2003 ：149-150.

[编辑：董红果]

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.

姚银春(1966—)，男，高级工程师，1989年毕业于南京化工学院化工机械与设备专业( 2012年取得华东理工大学制药工程硕士学位)，现于江苏扬农化工集团有限公司从事工程设计、施工、调试管理工作。

2016-12-25

TQ246.13

A

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