课程设计-年产32k吨合成樟脑厂蒎烯异构化工段生产工艺与设备设计.doc

福建农林大学材料工程学院课 程 设 计年产32k吨合成樟脑厂蒎烯异构化工段生产工艺与设备设计课程名称：化工厂设计（课程设计）专业年级：化学工程与工艺专业，2014级姓名：学号：教师：成绩：日期：2017年7月7日福建农林大学材料工程学院课程设计说明书目录综述：合成樟脑生产之蒎烯异构- 2 -1设计任务- 7 -2物料热量衡算- 7 -2.1松节油物料衡算和热量衡算- 7 -2.1.1松节油物料衡算- 7 -2.1.2松节油热量衡算- 8 -2.2蒎烯异构物料和热量衡算- 8 -2.2.1异构物料衡算- 8 -2.3异构液分馏物料和热量衡算- 11 -2.3.1异构液分馏物料衡算- 11 -2.3.2异构液分馏热量衡算- 12 -2.4莰烯酯化物料衡算和热量衡算- 13 -2.4.1莰烯酯化物料衡算- 13 -2.4.2莰烯酯化热量衡算- 13 -2.5粗酯分馏和拉白物料、热量衡算- 14 -2.5.1粗酯分馏和拉白物料衡算- 14 -2.5.2粗酯分馏和拉白热量衡算图- 14 -2.6乙酸异龙脑酯皂化- 15 -2.6.1乙酸异龙脑酯皂化物料衡算- 15 -2.6.2乙酸异龙脑酯皂化热量衡算- 16 -2.7异龙脑酯脱氢物料和热量衡算- 17 -2.7.1异龙酯脱氢物料衡算- 17 -2.7.2异龙脑酯脱氢热量衡算- 17 -2.8樟脑汽化蒸馏及升华物料和热量衡算- 18 -2.8.1樟脑气化蒸馏及升华物料衡算- 18 -2.8.2樟脑汽化蒸馏及升华热量衡算- 19 -3设备的设计与选型- 19 -3.1确定筒体的直径和高度- 20 -3.2夹套尺寸及传热面积的确定- 21 -3.2.1确定夹套的高度和直径- 21 -3.2.2验算换热面积- 21 -3.3确定夹套的材料和壁厚- 22 -3.4确定筒体和封头的材料和壁厚- 22 -3.5设计尺寸一览表- 23 -3.6搅拌器设计- 24 -3.7容器支座的选用- 25 -3.8工艺接管的选用- 25 -4车间布置设计- 25 -5心得体会- 26 -参考资料- 27 -综述：合成樟脑生产之蒎烯异构摘要：樟脑（Camphor）是一种烯萜类具有C10H16O组成的酮类化合物。系统命名为1，7，7-三甲双环2.2.1庚酮-2，即莰酮-2。工业生产樟脑大都采用同分异构法，即以生成莰烯为中间体的合成樟脑的方法，可分为以下几个工序：松节油的分馏，蒎烯的异构，莰烯的酯化，酯的皂化，异龙脑脱氢和樟脑的提纯。蒎烯（pinene）为萜中最重要的代表，分子式C10H16。有-和-蒎烯两种异构体，二者均存在于多种天然精油中。松节油中含有5865%的-蒎烯和30%的-蒎烯。蒎烯异构为松节油制合成樟脑的重要一环。关键词：原料来源；反应机理；催化剂；应用1、原料来源9蒎烯主要是由松节油精馏后得到的。工业上，根据不同的原料来源，获取松节油的方法也不同，主要有三种：从生活的松树上采集松脂，松脂通过水蒸气蒸馏得到的松节油，通常称为脂松节油；用有机溶剂浸提松根明子，浸提液再加工提取的松节油称为木松节油或浸提松节油；在硫酸盐法松木制浆生产中，木材中的树脂酸和脂肪酸溶于碱液中，碱液浓缩得到硫酸盐皂，硫酸盐皂经酸化后得到粗浮油，再进行减压分馏后得到的松香和脂肪酸，称为浮油松香和浮油脂肪酸，从松木蒸煮过程排气中回收得到的松节油，成为硫酸松节油。2、蒎烯异构反应机理9异构化是对松节油进行深加工的重要化学反应之一，其实质为质子酸催化反应。对于松节油的异构化主要为对其主要成分一蒎烯的异构化和直接对松节油本身进行异构化。由于松节油另一成分蒎烯含量较少，针对一蒎烯的研究报道较少。9从一蒎烯化学结构式可看出其具有双环和环内双键，由于其结构的特殊性导致其化学性质非常活泼。一蒎烯在酸陛催化剂作用下易发生异构化反应，其异构时主要发生重排和开环反应。根据使用的催化剂不同，其异构化的产物为莰烯、对伞花烃、三环烯、异松油烯、一松油烯、柠檬烯、对异丙基甲苯等物质。4 9蒎烯起异构作用变成莰烯、双戊烯和其他萜烯。双戊烯进一步异构化作用变成其他单环萜烯：萜品油烯和-萜品烯。所有参加作用的萜烯还会发生聚合作用，聚合反应式如下： 式中n可以是2，3或3以上。但在一般条件下，生成的双萜烯较多。在蒎烯起异构反映的同时，形成一定数量的小茴香烯，其中有三种结构不同的小茴香，即-小茴香烯、-小茴香烯和-小茴香烯。此外，在异构反应的过程中，还会有对-伞花烃等。3、蒎烯异构化的催化剂蒎烯异构化为莰烯主要采用以下两种催化剂：活性土催化剂和钛催化剂。9活性土催化剂：价廉易得，可不必回收再用，处理方法简单，用量小，反应时间短；但产率低，转化率仅55%左右且副产物双戊烯较多。钛催化剂：原料利用率较高，转化率在75%以上，副产物双戊烯较少，在异构化反应过程中放热慢，容易控制；但钛为稀有金属，来源不易，且反应时间较长。由于钛催化剂转化率高，使用效果良好，我国合成樟脑厂大都采用钛催化剂。6其他催化剂沸石分子筛系列：沸石分子筛其实质是固体酸催化剂。分子筛是由硅铝酸盐组成的多孔性固体酸，具有特殊的骨架和均匀的孔隙结构。采用不同的原料及合成方法，可形成不同的骨架结构，可通过焙烧、酸化、离子交换等后续处理方法来修饰结构，增大其内外表面积，提高活性与选择性；进行缩孔扩孔处理可使其具有择形功能。4 9固体超强酸系列：固体超强酸催化剂主要指4等，由于其具有与反应物容易分离、不腐蚀设备、对环境污染小、酸强度高、再生容易以及可重复使用等优点，其在萜类化学方面的应用引起了人们的关注。固体超强酸对-蒎烯异构化反应有很高的催化活性和较好的选择性，反应的活性主要来自于产生的超强酸中心。负载型固体超强酸的制备条件对莰烯选择性和-蒎烯转化率具有较大影响。6杂多酸系列：杂多酸作为一类新型的催化材料，以其超强的酸性，“假液相”行为等优点，在烃类的异构化反应中表现出高的催化活性，被人们广泛关注。4 64、蒎烯应用9香料工业以-蒎烯为原料合成香料是-蒎烯的主要用途之一， 由-蒎烯合成的香料品种非常丰富，主要分为四元环类香料、五元环类香料、六元环类香料、多环类香料和开链类香料。医药工业 -蒎烯除本身作为药物，用于治疗肌肉痛、关节痛、神经痛和软组织损伤等，还可以用于制备其它医药或医药中间体。由-蒎烯合成的冰片具有很高的药用价值，具有开窍、醒神、散郁火、清热止痛、去翳明目等功效，常用于中风口噤、喉痹齿痛、口疮痈疡、目赤等的治疗，此外对冠心病心绞痛及齿痛也有一定的治疗作用。-蒎烯的另一产物薄荷脑，可作为调味药、驱风药、芳香药，用于减轻皮肤或粘膜疼痛。同时，-蒎烯还可以用于合成维生素E、维生素K1、角鲨烯、紫杉醇等。食品工业由一蒎烯可以合成紫苏糖(20)，紫苏糖具有紫草的特殊香气，甜度为糖精的1O倍、蔗糖的2000倍，可作为烟草、饮料、牙膏、糕点、医药、酱油、蜜饯等产品的甜味剂和防腐剂。农业-蒎烯本身具有杀菌活性，对许多害虫具有较强的杀灭作用，是目前防治储粮虫害的常用除虫剂、防霉剂，且具有广谱抗真菌作用，同时 -蒎烯还具有驱避活性。以 -蒎烯为原料可以合成除草剂、驱避剂、引诱剂、杀菌剂、杀虫剂，农药增效剂等。高分子材料通过异构反应或氧化反应，可以将-蒎烯转化为单萜烯或二元酸，进而制备萜烯树脂、萜烯酚树脂、环氧树脂、聚氨酯等性能优异的高分子材料。 功能材料-蒎烯可以合成具有各种各样功能的精细化学品，如阻燃剂、助焊剂、增塑剂、不对称合成催化剂、润滑剂等。参考文献（References）1王琳琳,徐徐,陈小鹏等.松节油催化异构-分子间氢转移反应的研究J.高校化学工程学报,2008,22(5):809-815.DOI:10.3321/j.issn:1003-9015.2008.05.015.2许雪棠.复合分子筛催化松香酯化及-蒎烯异构化的研究D.广西大学,2000.DOI:10.7666/d.Y343842.3姜洁,王黎明.萜烯类物质异构化产物的研究C./第19届中国大气环境科学与技术大会暨中国环境科学学会大气环境分会2012年学术年会论文集.2012:82-82.4王鹏,李凝,蒋锡福等.-蒎烯催化异构化的产物分布及催化剂的研究进展J.化工技术与开发,2007,36(7):10-13,22.DOI:10.3969/j.issn.1671-9905.2007.07.004.5王浩浩,蒋丽红,王丽媛等.松节油的深加工研究进展J.化工科技,2013,21(3):81-86.DOI:10.3969/j.issn.1008-0511.2013.03.020.6袁晓敏,张平辉,赵振东等.-蒎烯酯化-皂化法合成龙脑催化剂研究进展J.工业催化,2015,(6):424-428.DOI:10.3969/j.issn.1008-1143.2015.06.002.7周国斌.固体超强酸催化萜烯化合物异构化反应的研究D.江西师范大学,2002.DOI:10.7666/d.y477473.8吴义辉,田福平,贺民等.固载化AlCl3催化剂上-蒎烯异构化反应J.催化学报,2011,32(7):1138-1142.DOI:10.1016/S1872-2067(10)60244-6.9程芝，天然树脂生产工艺学（第二版），中国林业出版社，19941 设计任务 1、设计项目：合成樟脑厂工艺与设备设计 2、产品名称：樟脑 3、原料：松节油 4、生产规模：生产规模32000吨/年 2 物料热量衡算2.1 松节油物料衡算和热量衡算2.1.1 松节油物料衡算松节油分馏AB蒎烯萜烯塔顶XD0.990.01塔釜XW0.0080.992进料XF0.920.08D输出6797.678 W521.752 F输入7319.429 2.1.2 松节油热量衡算2.2 蒎烯异构物料和热量衡算2.2.1 异构物料衡算 进料：原料（含0.99蒎烯的母液）：6797.678kg/h 催化剂：6797.6780.02=134.594kg/h出料：莰烯（转化率0.75）：6797.6780.75=5098.258kg/h副产物：6797.678（1-0.75）=1699.419kg/h催化剂：134.594kg/h设备的热量平衡方程式对于有传热要求的设备，其热量平衡方程式：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q5式中Q1-物料带到设备的热量Q2-加热剂或冷却剂传给设备和所处理的热量Q3-过程效应热（计算中忽略）Q4-物料离开设备带走的热量Q5-加热或冷却设备所消耗的热量Q6-设备向环境散失的热量主要物料热力学参数物料沸点比热容kj/(kg)蒸发潜热（kj/kg）密度（g/cm ）莰烯158.52.09385.730.9854蒎烯1641.8062890.8582催化剂比热容可根据式C=Can/M kj/(kg)式中 Ca-元素的原子比热容kj/(kg) n-固体分子中同种原子的个数 M-化合物的分子量上述公式计算出的是20时的比热容，不在20时各化合物的比热容将与算出的比热容有出入。凡是高于20的化合物，比热容可根据上述公式计算所得结果再加上20%-25%.催化剂比热容C=（2.32+6.2+43）/97.9=0.233kj/(kg)因为反应温度高于20，故催化剂比热容=（1+0.23）0.233=0.287 kj/(kg) Q1计算：设进料T=25蒎烯：Q11=6797.6781.80625=306915.144kj/h催化剂：Q12=134.5940.28725=965.712ki/h所以Q1=Q11+Q12=307880.56kj/h Q4计算：设出料T=118莰烯：Q41=5098.2582.09118=1257332.437kj/h副产物：Q42=1699.4191.95118=391036.404kj/h催化剂：Q43=134.5940.287118=4558.161kj/h所以Q4=Q41+Q42+Q43=1652927.002kj/h Q3（过程热效应，计算中忽略） Q5+Q6计算：按工艺要求有（Q5+Q6）=（Q4+Q5+Q6）（5%10%）取（Q5+Q6）=（Q4+Q5+Q6）10%故（Q5+Q6）=10%Q4/90%=183658.556kj/h Q2计算：据Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q5得Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3=1528704.702kj/h 加热蒸汽消耗量 式中Th-加热蒸汽初始温度140 Tk-放出的加热蒸汽的末温120 -加热蒸汽的比热容4.187 kj/(kg)故加热蒸汽消耗量W=-1528704.702/4.187*(120-140)=18255.379kg/h2.3 异构液分馏物料和热量衡算2.3.1 异构液分馏物料衡算 2.3.2 异构液分馏热量衡算2.4 莰烯酯化物料衡算和热量衡算2.4.1 莰烯酯化物料衡算2.4.2 莰烯酯化热量衡算2.5 粗酯分馏和拉白物料、热量衡算2.5.1 粗酯分馏和拉白物料衡算2.5.2 粗酯分馏和拉白热量衡算图2.6 乙酸异龙脑酯皂化2.6.1 乙酸异龙脑酯皂化物料衡算2.6.2 乙酸异龙脑酯皂化热量衡算2.7 异龙脑酯脱氢物料和热量衡算2.7.1 异龙酯脱氢物料衡算2.7.2 异龙脑酯脱氢热量衡算2.8 樟脑汽化蒸馏及升华物料和热量衡算2.8.1 樟脑气化蒸馏及升华物料衡算2.8.2 樟脑汽化蒸馏及升华热量衡算3 设备的设计与选型计算依据，以年产量32000吨樟脑，通过物料热量衡算得出乙酸异龙脑酯皂化工段设备设计所需的数据名称密度kg/m质量流量kg/h体积流量m3/h蒎烯858.26797.6787.921催化剂4230134.5940.032工艺条件工作压力MPa釜内0.37工作介质釜内溶液夹套0.62夹套水、水蒸汽工作温度0C釜内118腐蚀情况轻微腐蚀夹套140搅拌桨型式透平式叶轮装料系数0.75转速960r/min加热、冷却装置夹套功率4Kw3.1 确定筒体的直径和高度日处理量Vd=m(蒎烯)/ (蒎烯)+m(催化剂)/ (催化剂)Vd=24(7.921+0.032)=190.864假设反应时间为16h，进料时间为0.5h，脱水时间为0.5h，升温时间为0.5h，辅助时间为0.5h。生产周期T=16+0.5+0.5+0.5+0.5=18h24h内釜反应的周期数=24/T=24/18=1.333假设生产上使用9套设备，即N=9每釜处理的物料体积Vp=Vd/(N)=190.864/(1.3339)=15.905由于料液反应不发生泡沫、沸腾，故取装料系数=0.75每釜的实际体积Va=Vp/=15.905/0.75=21.207设筒体直径为Di，筒体高度为H，高径比=H/D=1.5，封头容积Vo。可估算得筒体直径Di=4Va/() =421.207/(1.53.14) =2.621m将计算结果圆整至公称直径，选取Di=2600mm，据化工制图EHA椭圆封头表，DN=2600mm时的标准椭圆封头的总高度Ho=690mm，内表面积Ao=7.655，容积Vo=2.513m。根据Di/2(Ho-h)=2(h为直边高度)得h=40mm，所以标准椭圆封头的曲面高度ho=650mm。计算得每米高圆筒的体积：计算得每米高圆筒的表面积：筒体高度圆整为H=4000mm于是，所以，复合结果基本符合原定范围。3.2 夹套尺寸及传热面积的确定3.2.1 确定夹套的高度和直径夹套直径与筒体直径的关系如下：Di/mm500600700180020003000Dj/mmDi+50Di+100Di+200当Di=20003000时，夹套的直径Dj=Di+200=2800mm。 装料系数=0.75，所以，夹套高度：选取夹套高度。则，此差距可以便于筒体法兰螺栓的装拆。3.2.2 验算换热面积夹套可提供的加热面积工艺实际所需的换热面积,即夹套传热面积符合设计要求。3.3 确定夹套的材料和壁厚夹套选取Q235A的材质。查资料可以知道，板厚在340 mm，设计温度在150时，Q235A的许用应力 。因为有夹套有安全阀，所以设计压力, 是夹套的工作压力。本设计取，所以，焊接接头系数取。夹套的计算厚度：夹套封头的计算厚度：取钢板厚度的负偏差C1=0.8m，夹套腐蚀裕量C2=2mm。所以，夹套筒体设计厚度，夹套封头的设计厚度，圆整至钢板规定尺寸，并查阅封头标准,选取夹套的筒体和封头壁厚均为14mm。3.4 确定筒体和封头的材料和壁厚筒体也选取Q235A的材质。查资料可以知道，板厚在340 mm，设计温度在150时，Q235A的许用应力 。因为有夹套有安全阀，所以设计压力, 是筒体的工作压力。本设计取，所以，焊接接头系数取。 则筒体的计算厚度： 筒体封头的计算厚度：取钢板厚度的负偏差C1=0.8m，夹套腐蚀裕量C2=1.2mm，C= C1+ C2=2.0mm。所以，筒体设计厚度，筒体封头的设计厚度。圆整至钢板规定尺寸，并查阅封头标准,选取夹套的筒体和封头壁厚均为8mm。3.5 设计尺寸一览表夹套反应釜几何尺寸项目及代号参数及结果釜体形式圆筒形封头形式椭圆形实际操作台套数9高径比r=H/D1.53初算筒体内径2.621圆整筒体内径Di，mm2600一米高容积V1，m5.309釜体封头容积Vh，m2.513釜体高度，m3.521圆整釜体高度H,mm4000实际容积V,m21.207夹套筒体内径Dj，mm2800 装料系数0.75夹套筒体高度Hj，m2.523圆整夹套筒体高度Hj，mm3000筒体封头表面积Fn，7.655一米高筒体内表面积A1，21.237实际总传热面积F，32.159筒体壁厚，mm8封头厚度，mm8夹套厚度夹套筒体壁厚，mm14夹套封头壁厚，mm143.6 搅拌器设计搅拌器设计搅拌器与罐体内径比Dj/Di0.33搅拌器直径mmDj=(1/3)Di圆整1000桨叶数N6搅拌器距槽底高度mmHi=1.0Dj1000搅拌器叶片宽度mmW=Dj/5200叶片长度mmr=Dj/4250液体深度mmHl=1.0Di2800挡板数目n4挡板宽度mmWb=Di/10280搅拌轴直径mmIBG 92001-86803.7 容器支座的选用应釜因需另外保温，故选用B型耳式支座。又因为容器的Di=2600 mm，选支座为B6.0。3.8 工艺接管的选用符号公称直径联接尺寸标准联接面型管道用途150PN1.6DN50 HG5019-58平面洗涤、冷凝水进出口接管250PN1.6DN50 HG5019-58突面加热蒸汽（液体出口）接管325PN1.6DN25 HG593-64突面测温测压口4100PN1.6DN100 HG5019-58平面放料口接管550PN1.6DN50 HG5019-58突面蒸发气体出口接管665PN1.6DN65 HG5019-58突面气体冷凝回流进口接管7150PN1.6DN150 HG/T2105-91平面催化剂进口8G3/4平面放气阀9PN0.6 400*300/DN80平面带视镜人孔4 车间布置设计本车间设备排列顺序：真空缓冲罐、油水分离器、回流冷凝器等设备布置在较高层； 反应设备布置在中层； 过滤设备、贮罐等设备布置在最底层。 （1） 车间平面布置蒎烯异构化车间平面布置，其外形是长方体，此布置有利于总平面图的布置，节约用地，有利于设备的排列，缩短管线，易于安排交通入口，有较多的自然采光和通风的墙面。车间厂房的柱网布置，生产类别为甲型生产，采用框架结构，采用柱网距离为6*6m，符合建筑模数的要求可以充分利用建筑结构上的标准预制构件，节约设计和施工力量，加速基建进度。车间的总高度为18米，尽可能利用自然采光和通风以及建筑经济上的要求。（2） 车间垂直布置车间的高度主要由工艺设备布置要求所决定的。车间垂直布置要充分利用空间，每层高度取决于设备的高度，安装的位置，检修要求及安全卫生的条件。次车间层高采用6m，每层楼板上设置一定面积的泄爆孔，以防有爆炸危险5 心得体会刚开始，对于这次的课程设计，我以为和上学期的化工原理的课程设计一样，是有模版的，也未曾把它想的太过困难和麻烦，但经过这三周的“地狱之旅”，我终于彻彻底底的懂得了一个道理，那就是，如果靠这个吃饭，我会饿死的。其实对于一开始的画图，因为是将资料上的工艺流程图按一定比例来绘制，所以还不算太困难，但对于之后的控制点的安排，我们就too young too simple了。工艺流程的控制我们在化工仪表及自动化中学过，但是学的不够扎实，只能用来应付死板的考试，而不能灵活应用在这次的PID制图中。在听其他人答辩讲述自己的PID图的过程中，经常能发现这样那样的错误，有的人是在错误的地方用来错误的控制，有的人是控制的地方出了错，往往是一条线接在设备上，一个表引出来，说是控制，却完全不知道是控制什么。这充分的说明了我们学习上的不足，我们学习通常只是纸上谈兵，对着某某控制也许能说出这是第几工段第几号设备，起什么作用，但一旦换成我们来设置这些控制就一脸懵逼，大部分的知识只学了表面。第一次在机房上课时老师就讲过会有三次答辩，我很幸运的一次都没被选上，却又很不幸的准备了两次ppt。其实第二次答辩的时候就该将物料能量的衡算了，结果直到第三次答辩我们都还是在将PID图。估计老师也很绝望，我们居然没跟上进度，再此，我要严肃的说：“这锅不背，我要甩锅！”我们没能按照预期完成物料能量衡算一定是因为中间穿插着考试的原因，当然，找不到模版估计也是一个原因（不要脸的我）。因为这次的设计是完全陌生的，我们也没做过这种看着就“高大上”玩意儿啊，一个个都一脸懵逼的翻书，翻来翻去也不知道什么是有用的什么是没用的。从一开始我们就对这次的设计不太了解，这就导致了我们前期搜集资料的目地的不明确，从而导致了一次又一次的计算失误，就像刚开始，我们找到了一