抗氧剂264工艺设计.doc

年产1500吨抗氧剂264工艺设计年产1500吨抗氧剂264工艺设计目 录1 前言41.1 抗氧剂264的物化性质 41.2 抗氧剂264的性能及用途 41.3 抗氧剂264的生产方法 51.4 设计所用原料及性质61.5 设计工艺条件及工艺流程 72 物料衡算 92.1 基础数据及计算基准92.2 合成釜物料衡算 102.3 萃取釜物料衡算112.4 洗涤釜物料衡算132.5 蒸馏釜物料衡算142.6 结晶釜物料衡算153 主要设备选型及能量衡算163.1主要设备选型依据及选用方向 163.2 能量衡算基础数据173.3合成釜选型及能量衡算17 3.3.1设备选型17 3.3.2能量衡算183.4 萃取釜选型183.5 洗涤釜选型193.6 蒸馏釜选型及能量衡算19 3.6.1设备选型19 3.6.2能量衡算193.7 结晶釜选型及能量衡算19 3.7.1设备选型19 3.7.2能量衡算193.8 离心机的选型193.9主要设备一览表194 结论19参考文献 20致 谢21设计图纸22 1 前言1.1 抗氧剂264的物化性质中文名称：2,6-二叔丁基对甲酚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、抗氧剂BHT、防老剂T-501等。英文名称：2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol; 2, 6-Di-tertbutylcresol; Dibu-tylated hydroxytoluene; Sustane BHT; Tenox BHT; 2 ,6-Bis(1,1-dimethylethyl)-4-methylphenol; 2 ,6 -Di-tert-butyl-p-cersol; 2 ,6-Di-tert-butyl-p-methylphenol; Nipan-ox BHT.分子式及结构式：C15H24O分子量：220.35CAS号：128-37-0熔点(mp)：69-73，沸点(bp)：265，相对密度(d204)：1.048g/cm3，折射率：1.4859，闪点：127。无色晶体或白色晶体，遇光颜色变黄，并逐渐变深，可燃，低毒。无臭或有淡的特殊气味，无味。溶于苯、甲苯、甲醇、甲乙酮、乙醇、异丙醇、石油醚、亚麻子油，不溶于水及10烧碱溶液。防老剂BHT可压缩成重几克的圆柱体。比其他抗氧化剂的稳定性好，对热相当稳定，与金属离子反应不着色。1.2 抗氧剂264的性能及用途抗氧剂是一些很容易与氧作用的物质，将它们加入合成材料中，抗氧剂能够先与大气中的氧作用从而来保护合成材料免受或延迟氧化。抗氧剂264可以用于有机合成，用作橡胶、塑料防老剂，汽油、变压器油、透平油、动植物油、食品等的抗氧化剂。2,6-二叔丁基对甲酚是国内外广泛使用的油溶性抗氧化剂。虽毒性较大，但其抗氧化能力较强，耐热及稳定性好，既没有特异臭，也没有遇金属离子呈色反应等缺点，而且价格低廉，仅为BHA的1/51/8，我国仍作为主要抗氧化剂使用。一般与BHA配合使用，并以柠檬酸或其他有机酸为增效剂。我国规定可用于食用油脂、油炸食品、饼干、方便面、速煮米、果仁罐头、干鱼制品和腌腊肉制品，最大使用量0.2g/kg。本品也具有一定的抗菌作用，但较BHA弱。2,6-二叔丁基对甲酚可作为饲料抗氧化剂，保护饲料中的维生素，防止脂肪和蛋白质的氧化损失。也具有一定的抗菌作用。最大用量150g/t。2,6-二叔丁基对甲酚是国内外广泛使用的油溶性抗氧化剂。虽毒性较大，但其抗氧化能力较强，耐热及稳定性好，既没有特异臭，也没有遇金属离子呈色反应等缺点，而且价格低廉，仅为BHA的1/8-1/5，我国仍作为主要抗氧化剂使用。一般与BHA配合使用，并以柠檬酸或其他有机酸为增效剂。2,6-二叔丁基对甲酚作为通用型酚类抗氧剂，还广泛用于高分子材料、石油制品和食品加工工业中。本品是常用的橡胶防老剂。对热、氧老化有一定的防护作用，也能抑制铜害。单独使用没有抗臭氧能力，但与抗臭氧剂及蜡并用可防护天候的各种因素对硫化胶的损害。在丁苯胶中亦可作为胶凝抑制剂。在橡胶中一般用量为0.5-3份。当用量增至3-5份时亦不会喷霜。本品还可做为合成橡胶后的处理和贮存时的稳定剂，可用于丁苯橡胶、顺丁橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶等胶种。抗氧剂264在一些高分子材料中是有效的抗氧剂。本品在聚乙烯、聚氯乙烯（用量0.01-0.1%）及聚乙烯基醚中是有效的稳定剂。1.3 抗氧剂264的生产方法生产方法一：将对甲酚、叔丁醇按摩尔比1：2.1投入反应釜加热溶解。在催化剂磷酸作用下，于6570强烈搅拌下反应；反应完毕后，反应产物先用10%的氢氧化钠溶液洗至碱性，再用水洗至中性；除去溶剂，用乙醇重结晶即得成品。生产方法二：在98%的对甲酚和2%浓硫酸的混合物中通人异丁烯，于6570下反应5h；用60的热水洗去酸，再先后用10%NaOH和热水洗至中性得粗品。将粗品溶于50%的热乙醇中，并添加0.5%的硫脲，趁热过滤、甩干，干燥即得成品，产率高达90%95%，纯度99.5%，熔点69.5。工业上采用主、副塔串联工艺。先将对甲酚和催化剂加入主、副塔内，主塔温度控制在6580，副塔温度控制在5070。异丁烯气体从主塔底部通入，其大部分与主塔内对甲酚反应，剩余部分从主塔顶部出来，进入副塔底部进一步与对甲酚反应。主塔反应周期控制在45h，当反应结束后，停止通异丁烯气体，加入20%的NaOH溶液，并用压缩气体鼓泡。中和后的烷基化产物经蒸馏塔(8块理论塔板)分离得粗品。后者用95%的乙醇溶解，离子交换去无机盐，冷却至1020结晶、分离、真空干燥得到熔点大于69的产品。生产方法三：由对甲酚与异丁烯在催化剂浓硫酸或磷酸及脱水剂氧化铝存在下加压反应。生成物经蒸馏，在乙醇中重结晶而成。1.4 设计所用原料及性质本设计生产抗氧剂264所采用的主要反应原料为对甲酚和叔丁醇，冰醋酸为溶剂，98%浓硫酸为催化剂，乙醚为萃取剂，质量分数10%氢氧化钠溶液为洗涤剂，95%乙醇为重结晶溶剂。主要原料要求及性质如下：1，对甲酚：含量98%。中文名称：对甲酚，4-甲酚，4-甲基苯酚，对甲苯酚，对克勒梭尔，对甲基苯酚。英文名称：p-cresol, 4-Cresol, 4-methyl-Phenol, 4-Methylphenol, p-cresol, 1-hydroxy-4-methylbenzene, 1-methyl-4-hydroxybenzene, 4-hydroxytoluene, p-cresylic acid, p-hydroxytoluene, p-kresol.分子式：C7H8O。分子量：108.14。CAS：106-44-5。外观：无色液体或晶体，允许微带黄色。熔点：34.69。沸点：201.9（201.8，202.5），85.7（1.33kPa）。相对密度（20/4）：1.0178（1.0341）。折射率：1.5310 -1.5390。闪点：86.1（闭杯）。自燃点：559。溶解性：稍溶于水，溶于乙醇、乙醚和碱溶液。水中溶解度40时达2.3%，100时达5%，溶于苛性碱液和常用有机溶剂，能随水蒸气挥发。香气：有苯酚气味。用途：制造防老剂264（2,6-二叔丁基对甲酚）和橡胶防老剂的原料，在塑料工业中可制造酚醛树脂和增塑剂，在医药上用作消毒剂，此外，还可作染料和农药的原料。2，叔丁醇：含量99%。中文名称：2-甲基-2-丙醇。英文名称：tert-butanol, tert-butyl alcohol, 2-methyl-2-propanol。分子式：C4H10O。分子量：74.1216。熔点（）：25.69。沸点（）：82.4。相对密度（水=1）：0.79。蒸气压(kPa)：5.33（24.5）。标准摩尔燃烧热（kJ/mol）：2630.5。闪点（）：11。粘度：3.35mPas(30)。引燃温度（）：470。折射率：1.38779。是最简单的叔醇，常温下为无色透明液体或固体（25下），具有樟脑香味，易溶于水、乙醇和乙醚。是一种有机溶剂，用于汽油添加剂和香料工业，易燃。有少量水存在时变为液体。能与水按任何比例溶解。与水形成恒沸混合物(21.76%水)。难于脱水。用于制变性酒精、香料、果子精，也用作涂料溶剂。由异丁烯用硫酸酯化后水解而制得。也可用离子交换树脂或硫酸为催化剂由异丁类直接水合而制得。1.5 设计工艺条件及工艺流程设计工艺条件及过程如下：常温常压下，分别将计量过的冰醋酸、对甲酚、叔丁醇加入反应釜（对甲酚与叔丁醇摩尔比1:2.1，冰醋酸与叔丁醇体积比1:5，三者均按液体状态加入），开动搅拌，打开冷冻盐水阀门，将混合物冷却至02后往反应釜中缓慢滴加计量过的98%浓硫酸（作为催化剂，按对甲酚质量的3%计量），控制温度低于15，硫酸加完后继续搅拌保温反应3个小时。反应结束后，停止搅拌，打开出料阀门将反应液放入盛有一定量冰水的萃取釜中，再加入计量过的萃取剂乙醚，搅拌30分钟，静置30分钟，分层后将萃余相放入废水槽作进一步回收处理；将萃取相打入洗涤釜，常温下先后用10%的NaOH溶液和水洗涤至中性；将洗涤后的混合物放入蒸馏釜，分别在常、减压下蒸出乙醚和二聚异丁烯；将蒸馏后的液体放入结晶釜，加入一定量的95%乙醇，加热搅拌溶解后缓慢降温至1015；进一步将重结晶后的粘稠液体打入离心机进行离心分离；再将分离后的粗产品送入干燥机干燥后包装出售。其中离心分离后的母液收集并二次重结晶离心分离后送至蒸馏塔回收乙醇并循环使用。依据上述设计工艺条件及过程，本工艺设计的流程简图如下：蒸馏塔95%乙醇二聚异丁烯洗涤水碱液乙醚干燥机离心机结晶釜蒸馏釜洗涤釜萃取釜浓硫酸冰醋酸反应釜叔丁醇对甲酚成品包装该生产过程的主反应为：副反应为：本设计中不考虑其余的副反应。2 物料衡算2.1 基础数据及计算基准年产量1500吨抗氧剂264，年开工时间按10个月计算，每月生产产品1500/10=150吨，每月开工时间按28天计算，每天生产抗氧剂264为150/28=5.36吨。主要原料配比：对甲酚叔丁醇=12.1（摩尔比）抗氧剂264的产率按90%计算，对甲酚按完全反应计算。若合成釜反应结束后的产物中二聚异丁烯占0.5%（质量分数）。在萃取、水洗、碱洗、重结晶等过程中产品损失率均按0.5%计。计算所涉及的化合物摩尔质量：抗氧剂264为220.35，对甲酚108.14，叔丁醇74.12，2-叔丁基-4-甲基苯酚（简称2,4-酚）164.24，二聚异丁烯112.21，水18.02，冰醋酸60.05，硫酸98.08，乙醚74.12，氢氧化钠40.01。以生产1吨（1000kg）抗氧剂264为计算基准。其余所需物性数据从文献资料中查取，查不到的则按相关的公式或图表推算得出。2.2 合成釜物料衡算合成釜中发生的主、副反应如上所述。后处理过程中产品的损失为40.5%=2%，则合成反应中生成的产品量为：1000kg1.02=1020kg，理论产量为：1020kg/0.9=1133.33kg，反应所消耗的对甲酚的理论量为：(1133.33/220.35)108.14=556.20kg，则叔丁醇的进料量为：(556.20/108.14)2.174.12=800.57kg，主反应中：消耗的对甲酚为：(1020/220.35)108.14=500.58kg，消耗的叔丁醇为：(1020/220.35)274.12=686.20kg，生成的产品为：1020kg，生成的水为：(1020/220.35)218.02=166.83kg，生成2,4-酚副反应中：消耗的对甲酚为：556.20500.58=55.62kg，消耗的叔丁醇为：(55.62/108.14)74.12=38.12kg，生成的2,4-酚为：(55.62/108.14)164.24=84.47kg，生成的水为：(55.62/108.14)18.02=9.27kg，生成二聚异丁烯副反应中：设混合物中二聚异丁烯为x kg，则：x/(1020+166.83+84.47+9.27+x+(x/112.21)218.02)=0.5%x=6.45kg生成的水为：(6.45/112.21)218.02=2.07kg，消耗的叔丁醇为：(6.45/112.21)274.12=8.52kg，未反应的叔丁醇为：800.57686.2038.128.52=67.73kg合成釜中加入的溶剂冰醋酸的量为：(800.57/0.79)0.21.05=212.81kg，加入的催化剂浓硫酸的量为：556.203%=16.69kg。合成釜物料衡算结果见表2-1表2-1 合成釜物料衡算表组分质量(kg)质量百分比(%)进料对甲酚556.2035.1叔丁醇800.5750.4浓硫酸16.691.1冰醋酸212.8113.4合计1586.3100出料抗氧剂264102064.32,4-酚84.475.3二聚异丁烯6.450.4水178.1711.2叔丁醇67.734.3浓硫酸16.691.1冰醋酸212.8113.4合计1586.31002.3 萃取釜物料衡算设在加入萃取剂之前萃取釜中冰水的量为总料量的1/5左右，取为300kg取萃取剂的加入量为1000 kg若萃取相中冰醋酸、浓硫酸的量均为其总量的10%，叔丁醇的量为其总量的60%2,4-酚与二聚异丁烯全部进入萃取相未被萃取的抗氧剂264的量为10000.5%=5kg则进入萃取相的抗氧剂264的量为10205=1015kg进入萃取相的2,4-酚与二聚异丁烯的量分别为84.47kg和6.45kg进入萃取相的冰醋酸的量为212.8110%=21.28kg进入萃取相的浓硫酸的量为16.6910%=1.67kg进入萃取相的叔丁醇的量为67.7360%=40.64kg则萃余相中抗氧剂264的量为5kg萃余相中水的量为178.17+300=478.17kg萃余相中冰醋酸的量为212.8121.28=191.53kg萃余相中浓硫酸的量为16.691.67=15.02kg萃余相中叔丁醇的量为67.7340.64=27.09kg萃取釜物料衡算结果见表2-2表2-2 萃取釜物料衡算表组分质量(kg)质量百分比(%)进料抗氧剂264102035.42,4-酚84.472.9二聚异丁烯6.450.2叔丁醇67.732.3浓硫酸16.690.6冰醋酸212.817.4水478.1716.6乙醚100034.6合计2886.3100出料萃取相抗氧剂264101535.22,4-酚84.472.9二聚异丁烯6.450.2冰醋酸21.280.7浓硫酸1.670.06叔丁醇40.641.4乙醚100034.6萃余相抗氧剂26450.2水478.1716.6冰醋酸191.536.6浓硫酸15.020.5叔丁醇27.090.9合计2886.31002.4 洗涤釜物料衡算从萃取釜排出的萃余相进入废水处理回收工序，萃取相被送入洗涤釜进一步碱洗和水洗，将其洗涤至中性。 由萃取相的组成可知，需加入10%的NaOH溶液中NaOH的量为：(1.67/98.08)2+(21.28/60.05)40.01=15.54kg则加入的NaOH溶液质量为：15.54/0.1=155.4kg 其中所含水的质量为：155.415.54=139.86kg 碱洗生成的钠盐的量为：(1.67/98.08)142.06+(21.28/60.05) 82.03=31.49kg碱洗生成的水的量为：(1.67/98.08)218.02+(21.28/60.05)18.02=7.00kg若水洗分两次进行，每次洗涤水的量取300 kg，则洗涤水总量为600 kg洗涤阶段产品的损失量为：10000.5%=5kg则洗涤后剩余的产品量为：10155=1010kg若2,4-酚与二聚异丁烯经过洗涤后全部留在乙醚层，则其量分别为84.47kg和6.45kg若未被洗掉的叔丁醇的量为其总量的60%，则乙醚层中叔丁醇的量为：40.6460%=24.38kg进入废水的叔丁醇的量为：40.6424.38=16.26kg假设洗涤过程乙醚的损失为总量的3%。则进入废水的乙醚量为：10003%=30 kg则有机层中乙醚的剩余量为：100030=970 kg洗涤釜物料衡算结果见表2-3表2-3 洗涤釜物料衡算表组分质量(kg)质量百分比(%)进料抗氧剂264101534.72,4-酚84.472.9二聚异丁烯6.450.2冰醋酸21.280.7浓硫酸1.670.06叔丁醇40.641.4乙醚100034.210%NaOH溶液155.45.3洗涤水60020.44合计2924.9100出料产品乙醚溶液抗氧剂264101034.52,4-酚84.472.9二聚异丁烯6.450.2叔丁醇24.380.8乙醚97033.2废水钠盐31.491.1水746.8625.5乙醚301.0叔丁醇16.260.6抗氧剂26450.2合计2924.91002.5 蒸馏釜物料衡算将洗涤釜中的产品乙醚溶液送至蒸馏釜，常压下蒸出乙醚，减压下蒸出二聚异丁烯。蒸馏过程产品的损失量为：10000.5%=5kg则蒸馏后剩余的产品量为：10105=1005kg若常压下乙醚全部被蒸出并回收，则其质量为970 kg若减压下二聚异丁烯和叔丁醇全部被蒸出并回收，则其质量分别为6.45 kg和24.38kg2,4-酚则由于沸点较高，未被蒸出。蒸馏釜物料衡算结果见表2-4表2-4 蒸馏釜物料衡算表组分质量(kg)质量百分比(%)进料抗氧剂264101048.22,4-酚84.474.0二聚异丁烯6.450.3叔丁醇24.381.2乙醚97046.3合计2095.3100出料粗产品抗氧剂264100548.02,4-酚84.474.0冷凝回收组分二聚异丁烯6.450.3叔丁醇24.381.2乙醚97046.3抗氧剂26450.2合计2095.31002.6 结晶釜物料衡算将蒸馏釜中得到的粗产品油状液体放入结晶釜中，冷却后加入95%乙醇进行重结晶。依据相关文献资料，取95%乙醇的加入量为300kg重结晶得到的产品量为：100510000.5%=1000kg母液中残留的产品量为：10000.5%=5kg母液中2,4-酚的量为：84.47 kg将结晶物送至离心机离心分离结晶母液收集二次重结晶回收部分产品后送至精馏塔回收乙醇循环使用离心后的粗产品送至干燥箱干燥后进入包装工序。结晶釜物料衡算结果见表2-5表2-5 结晶釜物料衡算表组分质量(kg)质量百分比(%)进料抗氧剂264100572.32,4-酚84.476.195%乙醇30021.6合计1389.47100出料粗产品抗氧剂264100072.0少量残留物-结晶母液2,4-酚84.476.1抗氧剂26450.395%乙醇30021.6合计1389.471003主要设备选型及能量衡算3.1 主要设备选型依据及选用方向本设计生产抗氧剂264所采用的原料很多都具有一定的腐蚀性，特别是对甲酚、浓硫酸及烧碱等，部分对金属有很强的腐蚀性。因此，所选的设备要求耐酸碱腐蚀，由于生产过程中物料有一定的粘度，所选设备特别是内表面最好具有一定的光洁度。采用搪玻璃设备可以解决以上所有问题。搪玻璃设备具有以下优良的性能。1，耐腐蚀性：能耐无机酸、有机酸、有机溶剂及pH值小于或等于12的碱溶液。2，不粘性：光滑的玻璃面对介质不粘且容易清洗。3，绝缘性：适用于介质在过程中易产生静电的场所。4，隔离性：玻璃层将介质与容器钢胎隔离，铁离子不易融入介质。5，保鲜性：玻璃层对介质具有优良的保鲜性能。基于抗氧剂264生产的物料特性及搪玻璃设备所具有的优良性能，本设计所用合成釜、萃取釜、洗涤釜、蒸馏釜及结晶釜等均采用标准的搪玻璃开式搅拌容器。其技术参数(公称压力1.0MPa，介质温度20200)也均满足抗氧剂264生产的需要。3.2 能量衡算基础数据基础数据来源：1，物料衡算数据 2，本工艺设计要求 3，文献资料查取 4，难以查取的根据相关文献估算。由化工工艺设计手册（上）查取有关物质的标准生成热，文献资料不易查到的可用Joback法进行估算，查化工数据导引，使各基团贡献值相加和，可得该物质近似标准生成热。查取有关物质的定压比热容，计算在本设计确定的温度范内的平均定压比热容，对一般文献无法查取的热容数据本设计采用化工数据导引提供的Chueh-Swanson法进行估算。3.3 合成釜选型及能量衡算3.3.1 设备选型合成釜内常压，采用完全间歇操作，98%浓硫酸采取滴加的方式，通过控制滴加速度来控制温度。该釜物料填充率不超过80。因物料有腐蚀，该合成釜采用搪瓷釜，带搅拌。年产量1500吨抗氧剂264，年开工时间按10个月计算，每月生产产品1500/10 = 150 吨，每月开工时间按28天计算，每天生产抗氧剂264为150/28=5.36吨。需消耗对甲酚556.20*5.36=2981.2 kg，体积为2981.2/1.034=2883.2L；叔丁醇800.57 * 5.36 = 4291.1 kg，体积为4291.1/0.781=5494.3L；98%浓硫酸16.69 * 5.36 = 89.5 kg，体积为89.5/1.84=48.6L；冰醋酸212.81 * 5.36 = 1140.7 kg，体积为1140.7/1.049 = 1087.4L。抗氧剂264合成工序的物料总体积约为：2883.2+5494.3+48.6+1087.4 = 9513.5 L。每批料滴加时间按1个小时计，保温反应时间为3个小时，加上备料时间大概需2个小时，一批料大概需6个小时。一天(24小时)一个釜可以进行4批合成(以3批计)，从设备投资及操作的角度考虑，拟选用K3000L的搪玻璃釜，填充系数以0.8计，一个釜可以填料2400L，3批可以填料2400*3=7200 L，则9513.5 L物料需用反应釜为9513.5/7200=1.32台，圆整为2台，考虑到设备的备用，则需三台3000L的合成釜。即使用3000L的釜2台，每天可生产抗氧剂6批，每批填料为：9513.5/6= 1585.6L。填充系数为1585.6/3000=52.9%，符合要求。K3000L的釜的技术参数如下(数据来自国家医药管理局上海医药设计院编制的化工工艺设计手册(下册)，4-424、425页)公称直径DN(mm) 1450mm(L系列) 计算容积VJ，L 3155容积系数 0.95夹套换热面积 9.3 m2公称压力PN 容器内0.25、0.6、1.0MPa 夹套内0.6MPa介质温度及容器材质 介质温度-20-200，材质为20R搅拌轴公称直径DN，mm 95电动机功率kw： 叶轮式搅拌器 5.5电动机型式 YB型系列(同步转速1500r/min)搅拌轴公称转速 叶轮式搅拌器125 r/min减速机 BLD-3支撑型支座 4t4重量 3350kg3.3.2 能量衡算能量衡算目的：校核所选设备能否满足换热需求及冷冻盐水的用量。 由生成热、比热容等基础数据进行核算。3.4 萃取釜选型萃取釜内常压，采用完全间歇操作，该釜物料填充率不超过85。该釜采用搪瓷釜