年产5万吨癸二酸二辛酯（DOS）生产工艺设计

年产 5 万吨癸二酸二辛酯（DOS）生产工艺设计摘 要本设计的内容是关于年产 5 万吨癸二酸二辛酯(DOS)的生产工艺设计。生产工艺是：原料是癸二酸和辛醇，用浓硫酸作催化剂，采用酯化中和水洗一脱醇一汽提干燥一过滤的工艺流程。设计包括工艺流程设计、物料衡算、能量衡算、设备选型、安全环保和经济技术评价等。在本文中比较详细的计算出原料的用量，由算得的数据选择合适的工艺设备，按照选择的工艺设计出带控制点的工艺流程图、生产车间图，主要设备图和厂房布置图，并绘制了四周图纸。关键词：癸二酸 辛醇 浓硫酸 工艺设计 工艺计算 设备选型ABSTRACTThe contents of this design is the production process design to produce 50,000 tons of dioctyl sebacate (DOS) ,The raw materials are sebacic acid and octanol, with concentrated sulfuric acid catalyst, the product of dioctyl sebacate. Esterification - and wash off the alcohol FAW to mention dry filtration process. The design includes process design, material balance, energy balance, equipment selection, safety and environmental protection and economic and technical evaluation. Process flow diagram in accordance with the selected process design with a control point diagram of the production plant, major equipment diagrams and plant layout, and drawing four drawings KEY WORDS: Sebacic acid;Octanol;Concentrated sulfuric acid;process design;calculation process;equipment selection 目 录摘 要 .1目 录 .3第一章 总论 .51.1 概述 .51.2 文献综述 .51.2.1 DOS 的市场需求 .61.3 课题来源及设计依据 .61.3.1 课题来源 .61.3.2 设计依据 .6第二章 生产工艺流程设计 .72.1 生产工艺选择与论证 .72.1 工艺参数的确定 .82.1.1 酯化工序 .82.2 中和、水洗工序 .82.3 脱醇工序 .82.4 汽提工序 .92.5 过滤工序 .9第三章 工艺计算 .113.1 物料衡算 .113.1.1 设计生产能力 .113.1.2 酯化釜物料衡算 .113.1.3 反应后生成的副产物有单酯、辛醇、水 .123.1.4 中和洗涤罐的物料衡算 .123.1.5 脱醇塔的物料衡算 .123.1.6 精馏塔的物料衡算 .123.1.7 脱色器的物料衡算 .133.2 热量计算： .13第四章 主要设备设计与选型 .164.1 反应釜的设计与选型 .164.1.1 反应釜体积确定 .164.1.2 反应釜高度与底面直径 .164.1.3 反应釜温度与压力 .174.1.4 厚度计算 .174.2 搅拌器的设计及选型 .184.2.1 搅拌器的选用及尺寸 .184.2.2 搅拌功率的计算 .194.2.3 夹套传热面积的计算与核算夹 .194.2.3.1 被搅拌液体侧的对流传热系数 j.194.2.3.2 夹套冷却水对流传热系数 .194.2.4 夹套传热面积 .204.2.5 封头的计算 .204.2.6 反应釜的主要技术特性汇总 .214.3 冷凝器的设计与选型 .224.3.1 选择换热器的类型 .234.3.1.1 流动空间及流速的确定 .234.3.1.2 传热面积的确定 .234.3.2 工艺尺寸的计算 .244.3.3 管字数 N 的确定 .244.3.4 壳体直径的确定 .254.3.5 折流板和接管 .254.3.6 壳体厚度 .254.3.7 换热器封头的确定 .264.3.8 容器法兰的选择 .264.3.9 开孔补强和支座 .264.3.10 冷凝器设计汇 .264.4 脱醇塔的设计与选型 .264.4.1 填料的选择 .27第五章 经济技术分析 .285.1 工程预算 .285.1.1.设备计算 .285.1.2.土建计算 .285.1.3.其他费用计算 .285.2 流动资金的估算 .295.3.产品成品估算 .29第六章 环境保护与劳动安全 .316.1.DOP 生产过程 “三废” 处理 .316.2.DOS 生产过程安全事项 .31参考文献 .33第一章 总论1.1 概述癸二酸二辛酯又称癸二酸二(2-乙基己)酯，简称 DOS，分子量426.66 。无色或淡黄色透明油状液体，相对密度0.9120.916 。凝固点-55-40。沸点377。折射率1.4491.451 。闪点277。溶解度参数 =8.45，溶于醇类、酮类、酯类、甲苯、氯代烃类等有机溶剂，微溶于水，不溶于二元醇类。可燃。无毒，LD501280025600mg/kg。酯基与树脂相溶，有良好的成膜性、粘着性和防水性。常与邻苯二甲酸二乙酯配合用于醋酸纤维素的薄膜、清漆、透明纸和模塑粉等制作中。少量用于硝基纤维素的制作，癸二酸二辛酯是著名的高端的耐寒型增塑剂，主要用于聚氯乙烯树脂的加工，还可用于化纤树脂、醋酸树脂、ABS 树脂及橡胶等高聚物的加工，也可用于造漆、染料、分散剂等。 通用级 DOS，广泛用于塑料、橡胶、油漆及乳化剂等工业中。用其增塑的PVC 可用于制造人造革、农用薄膜、包装材料、电缆等。电气级 DOS，具有通用级 DOS 的全部性能外，还具有很好的电绝缘性能，主要用于生产电线品级DOS，主要用于生产食品包装材料。医用级 DOS，主要用于生产医疗卫生制品，如一次性医疗器具及医用包装材料等。 主要用途：DOS 是通用型增塑剂，主要用于聚氯乙烯脂的加工、还可用于化地树脂、醋酸树脂、ABS 树脂及橡胶等高聚物的加工，也可用于造漆、染料、分散剂等、DOS 增塑的 PVC 可用于制造人造革、农用薄膜、包装材料、电缆等。本品是一种多种树脂都有很强溶解力的增塑剂,能与多种纤维素树脂、橡胶、乙烯中。亦可用作丁腈胶的增塑剂。本品还可用作驱蚊油（原油）、聚氟乙烯涂料、过氧化甲乙酮以及香料（人造麝香）的溶剂。1.2 文献综述本设计遵循“技术成熟，工艺先进、设备配置科学、环保安全、经济效益”等原则，在比较国内外各种先进生产方法、工艺流程和设备配置基础上，选用是从癸二酸和工业辛醇（化学名2-乙基己醇）在催化剂下直接发生酯化反应而得粗品、然后经过中和水洗、气提、压滤等工序得到癸二酸二辛酯。高品质产品可再经过薄膜蒸发或分子蒸馏而得到。最后部分考虑环境保护和劳动安全，以达到减少“三废”排放，加强“三废”治理，确保安全生产，消除并尽可能减少工厂生产对职工的伤害。癸二酸二辛酯(DOS)是目前使用最广泛的增塑剂，约占我国增塑剂总量45%，是重要的通用型增塑剂，任何增塑剂都是以它为基准来加以比较的，技术经济上占有绝对优势。据有关资料报道，近年来国外增塑剂生产能力超过了6400kta，国内增塑剂需求增长率为8左右，产品具有质量高、品种多、环境污染少的特点。在石油化学工业、医药工业、轻纺工业、生物化工以及能源、交通运输行业均有广泛用途，在国民经济中占有十分重要的地位。1.2.1 DOS 的市场需求随着我国国民经济快速增长，增塑剂作为基础化工合成材料助剂的市场需求量将大幅提高。在用量大的新领域，国内市场需求将强劲增长。1.3 课题来源及设计依据1.3.1 课题来源教师指定1.3.2 设计依据1) 毕业实习任务书及毕业设计大纲2) 参照兖矿峄化公司的工艺经验和搜集的煤气化技术的相关资料 3) 导师刘磊力的指导 第二章 生产工艺流程设计2.1 生产工艺选择与论证生产过程操作分为间歇式和连续式操作。间歇式生产的优点是设备简单改变生产品种容量；缺点是原料消耗定额高，能量消耗大，劳动生产效率低，产品质量不稳定。间歇式生产方式适用于多品种、小批量的生产。连续式适用于大批量生产。 酯化反应设备分塔式反应器和串联多釜反应器两类。前者结构复杂，但紧凑，投资较低，操作控制要求高，动力消耗少。而反应釜，流动形式接近返混，釜内各部分组成和温度完全一致，多釜串连后，可使停留时间分布特性向平推流转化。由于本设计 DOS 等主增塑剂的需要量不是很大，且全连续化生产的设备比较复杂，不适合人类的正常作息规律。因此本设计采用串联多釜反应器间歇式生产工艺。 催化剂分为酸性催化剂和非酸性催化剂，由于采用非酸性催化剂可以免去中和和水洗两道工序，且通过过滤即可除去，跟酸性催化剂相比，优越性在于能生产出高质量的增塑剂产品和减少污染。非酸性催化剂对因此本设计的催化效果不是太好，但是采用酸性催化剂浓硫酸的催化效果很好，并且硫酸的价格相对很便宜，所以本设计采用酸性催化剂浓硫酸。 根据国内在引进装置上成功使用国产催化剂的经验，选用国产催化剂，既满足了工艺和产品质量的要求，又节约了外汇，可以收到良好的经济效果。其典型的工艺流程有两种：1、酯化中和水洗一脱醇一汽提干燥一过滤；2、酯化一中和水洗一脱醇-汽提-干燥一过滤。 二者比较，第种技术用采用浓硫酸催化剂酯化反应具有反应时间短、酯收率高、产品质量好(酸值低、色度低、热稳定性好、体积电阻率大) 、处理条件简单等优点。并且公用工程消耗低，热能利用合理，可以生产多牌号的 DOS 产品，结合国内条件和生产操作经验，故拟采用类典型工艺流程，设计国产化新的工艺流程。 综上分析，本设计选用酯化脱醇一中和水洗一汽提干燥一过滤工艺流程，采用串联多釜反应器间歇酯化技术，催化剂采用浓硫酸。2.1 工艺参数的确定2.1.1 酯化工序癸二酸和辛醇按比例在6个串联的酯化釜中，在浓硫酸催化剂作用下酯化反应生成粗酯，主要工艺参数确定如下：(1)进料温度及6釜的反应温度见表2。(2)投料比：癸二酸：辛醇=1:2 (wt) (3)催化剂量：003 (wt)(4) 酯化压力：常压(带氮封)(5) 停留时间：约7h，酯化釜体积17.2m3(6)酯化釜搅拌器转速：74rmin(7)总转化率：约99 表2 进料温度及与釜反应温度癸二酸 辛醇 催化剂 釜1 釜2 釜3 釜4 釜5 釜620 20 20 190 200 210 220 230 2102.2 中和、水洗工序由于在酯化过程中会生成一些酸性杂质，如单酸酯等，本设计采用加入Na2CO3水溶液进行中和，生成可溶于水的钠盐与酯分离。中和水洗工艺参数确定如下： (1)Na2CO3水溶液浓度：25(wt) (2)水洗温度：95 (3)粗酯：碱=6：1(vo1) (4)中和水洗搅拌转速：180rmin2.3 脱醇工序由于酯化反应是在过量醇的条件下进行的，必须将粗酯中的醇脱除，回收重复利用。本设计采用填料塔的脱醇工艺，热能利用合理，脱醇效率高，可脱醇至1左右。脱醇工艺参数确定如下：(1)进料粗酯温度：210 (2)进料粗酯含醇量：2627 (3)Na2CO3单耗：12.703m3釜4)中和水洗后酸值：001002NaOH mgDOS2.4 汽提工序汽提是通过直接蒸汽减压蒸馏，除去粗酯中的醇和有气味的低沸物，本设计采用过热蒸汽直接减压汽提工艺。汽提干燥工艺参数确定如下:(1)粗酯人塔温度：140160 (2)汽提塔顶部真空度：40mbar (3)干燥塔顶部真空度：99mbar(4)粗酯量：汽提蒸汽量：10：1(wt)(5)干燥塔出口酯中含水量：001 005 (wt) 2.5 过滤工序 在粗酯中加入吸附剂和助滤剂，脱除粗酯中含色素的有机物和吸附脱除残存的催化剂和其它机械杂质，以保证 DOS 产品外观的透明度和纯度。本设计采用一级精滤工艺，精滤采用多层滤纸。精滤工序工艺参数确定如下：(1)粗酯温度：90(2)过滤器过滤周期：2h(3)精滤后 DOS 色值：1015(HAzEN)熔融癸二酸和辛醇以一定的摩尔比(1:2)在130-150先制成单酯,再经预热后进入五个串联的阶梯式酯化釜的第一级.酸化催化剂也在此加入.第二级酯化釜温度控制不低于180,最后一级酯化温度为210,酯化部分用3.9MPa 的蒸汽加热。癸二甲酸单酯的转化率为99%。为了防止反应混合物在高温下长期停留而着色，并强化酯化过程，在各级酯化釜的底部都通入高纯度的氮气（氧含量10mg/kg）中和，水洗是在一个带搅拌的容器中同时进行的。碱的用量为反应混合物酸值的35倍。使用25%的 Na2CO3水溶液，当加入无离子水后碱液浓度仅为0.3%左右。因此无需在进行一次单独的水洗。酸性催化剂也在中和、水洗工序被洗去。然后物料经脱醇（1.322.67 kPa,5080）、干燥（1.32 kPa,5080）后送至过滤工序。过滤工序不用一般的活性炭，而用特殊的吸附剂和助滤剂。吸附剂成分为 SiO2、AL2O3、Fe2O3 、MgO 等，助滤剂（硅藻土）成分为 SiO2、AL2O3、Fe2O3 、CaO、MgO 等。该工序的主要目的是通过吸附剂和助滤剂的吸附，脱色作用，保证产品 DOS 的色泽和体积电阻率两项指标，同时除去 DOS 中残存的微量催化剂和其他机械杂质。最后得到高质量的 DOS。DOS的收率以癸二酸或以辛醇为98.9%。 回收的辛醇一部分直接循环到酯化部分使用，另一部分需进行分馏和催化加氢处理。生产废水（COD 值7001500mHg/L）用活性污泥进行生化处理后再排放。 本工艺流程特点：原料简单，工艺流程短，物料循环使用，生产效率高。第三章 工艺计算3.1 物料衡算 3.1.1 设计生产能力DOS 年生产能力为年生产50000吨/年，设工作日为330天, 此规模采用间歇操作比较合理，机械每天工作24小时，每个班次8小时工作制。DOS 50000 吨 年生产日 330天日产 DOS 50000330= 151.52吨每小时生产 151.528=50.51吨分子量：癸二酸 202、 异辛醇 130.0、 单酯 314 、 DOS 426 、 H2O 18 3.1.2 酯化釜物料衡算主酯化反应式：C10H18O4+2C8H18O=C26H50O4+2H2O副酯化反应式：C10H18O4+C8H18O=C18H34O4+H2O由反应式知：每生成50.51吨/次的 DOS,需要原料：（1）癸二酸：50.51/426202=23.95吨（2）辛醇：50.51/4261302=30.83吨（3）水：50.51/426182=4.27吨考虑转化率和反应物配比为1:2，最终需加入癸二酸的质量和辛醇分别为24.2吨、48.4吨。由于癸二酸的转化率为99%，副反应生产水的量（24.2-23.95）18/202=0.022吨总生产水：4.27+0.022=4.292吨（经常癸二酸密度：1.2705g/cm3, 液体透明，无悬浮物）（辛醇密度：0.831g/cm3，无色透明液体）按 v=m/ 求体积辛醇体积：48.4/0.831=58m3癸二酸体积：24.2/1.2705=19m3但设计的釜其中液体量小于75%，所以釜总体积（58+19）/0.75=110则需要容积为17.2m3的反应釜6个。3.1.3 反应后生成的副产物有单酯、辛醇、水单酯：（由于癸二酸生成主产物的转化率为99%）（24.2-23.95）314/202=0.39吨辛醇：48.4-30.83（双酯）-0.16（单酯）=17.41吨水：4.292吨3.1.4 中和洗涤罐的物料衡算选择质量分数为25%的 Na2CO3水溶液，所需 Na2CO3水溶液的体积与反应后混合物体积比为 V1：V2=1:1反应后混合物体积计算：（1）单酯：可忽略（2）水（=1g/cm3，）；V 水=4.292m3（3）辛醇（=0.831）V 醇=17.41/0.831=20.95m3（4）加入浓硫酸体积：V 硫酸=5/1.841000=0.003m3（5）DOS：VDOS=50.51/0.915=55.2m3按一个釜进料计算：V1=VDOS/6+V 硫酸+V 醇/6=55.2/6+20.95/6+0.003=12.703m3所以应加入25%Na2CO3溶液体积 V1=V2=12.703m3中和后混合液含有粗 DOS、辛醇、单酯、水的加入量：V2=VDOS/3+V 醇/3=12.7m3所以水洗加入25水的体积为12.7m3混合液经中和水洗后，剩余液体中含有 DOS、辛醇、单酯3.1.5 脱醇塔的物料衡算副产品辛醇经过中和、水洗后进入脱醇塔进行脱醇，后经冷凝器回收98%醇，回收体积为 V=17.41/0.83198%=20.53m33.1.6 精馏塔的物料衡算进入精馏塔的物料中含有少量的醇、单酯、DOS,需要经过精馏塔的精馏来除去其中的杂质。(1)蒸馏阶段：2%醇、DOS、单酯进入釜内蒸馏进釜的含量：V 醇=17.41/0.8312%=0.42m3单酯0.16吨，VDOS= 55.2 m399%的双酯可蒸出，即 VDOS=VDOS99%=54.65m3=50吨3.1.7 脱色器的物料衡算99%的双酯由脱色器中活性炭脱色，需加入活性炭（为总量的2%）502%=1吨54.65m3的双酯后经压缩成为 DOS 成品。3.2 热量计算：50000吨/年 DOS 采用间接生产，没釜应投癸二酸为23.95/61000=4000Kg辛醇（液）为30.83/6000= 5138kg酯化温度210，进料温度 20，出口温度为230。(1)Q1的计算Q1：加料后反应物由20的液体成为25 的液体所需热量。初态：20 癸二酸（1） 4000kg 终态:25 癸二酸（1）辛醇（1） 5138kg 辛醇（1）辛醇升温吸热：平均温度为（20+25）/2=22.5 此温度下辛醇比热为 C=67.21kcal/（kmol.)=2.166kJ/（kg.）Q11=CMt=2.1665138(25-20)=5.56104KJ癸二酸的比热容为 C=30.408+79.972=403.14kJ/（kmol.k)Q12=mCt/M=403.144000/202(25-20)=3.99104KJQ1=Q11+Q12=5.56104+3.99104=9.55104KJ(2)Q2的计算：Q2反应液从25到达正常反应温度210 所需的能量即25标准反应热 Hf 298= (Ri Hf 298)产物- （Ri Hf 298）反应物C10H18O4+2C8H18O=C26H50O4+2H2O液体 DOS 生产热：Hf 298=-462.505kJ/mol液体癸二酸生产热：Hf 298=-1085.266kJ/mol液体水生产热：Hf 298=-286.144kJ/mol液体辛醇生产热：Hf 298=-433.227kJ/molHf 298=（-1085.266-286.144）- （-433.2272-462.505）=-42.451kJ/mol则每釜生成 DOS 的标准反应热为：Q2=Q 反=NDOS Hf 298=50.51/6/426(-42.451)=-8.4106kJ即此酯化反应吸热量为8.4106kJ(3)Q3的计算：Q3：为反应温度下使原料转化成单酯，产物 DOS 所需热量，升温过程吸收热DOS:50.511000/6=8.42103kg 釜内物料升温反应水：4.2921000/6=715.33kg DOS、水、单酯、辛醇辛醇：17.411000/6=2.9103kg Q3单酯：0.391000/6=65kgQDOS:DOS 在50150 的平均比热 CDOS=2.388J/gDOS 由25210吸热近视为QDOS=CMt=8.42103 2.388 (210-25)=3.72106kJ则75 ，Cp=10.952+7.155+6.35+14.75=78.75cal/mol k=329. J/molk100,Cp=83.8cal/molk=351.005J/molk117.5的比热容 Cp,则 ( Cp-329.852)/(117.7-75)=(351.005-329.852)/(100-75) Cp=365.812Q 辛酯=CpMt=365.8122900/130(210-25)=1.51106J Q 水：酯化反应水分离出系统的温度为40，则平均温度为（40+25 ）/2=32.5在32.5时， Cp 水=4.174KJ/Kg Q 水=MCp 水t=715.334.174(40-25)=4.48104kJQ3=QDOS+Q 辛酯+Q 水 = 1.51106 + 4.48104 + 3.72106= 5.27106 kJ(4)Q4的计算Q4为共沸物醇和水经冷凝器冷却水带水的热量，由于实际生产中，辛醇和水共沸温度为180，查气化热： V 醇=12456cal/mol=401.332kJ/kgR 水=2258kJ/kg查比热：C 醇=85.88cal/mol =2.767kJ/kgC 水=1.01cal/mol =4.230kJ/kg 水：醇=1:4Q4=M 汽H 汽+M 醇H 醇+(M 水 C 水+C 醇 M 醇)(t 共沸-40)=43402258+17362401.332+(43404.230+173622.767)(180-40) =26.1106 kJ(5) Q5的计算Q5包括塔损和釜损，塔和釜表面积 F,由实际生产所用塔和釜决定供算F=35m2 K=1.6cal/molk 釜平均温度为240 ，空气温度为20Q5= KFT 反应时间 t 釜 = 1.635(240-20)74.187=0.36 106 kJ（6）总的计算Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=9.55104+8.4106+5.27106+ 26.1106+ 0.36106=40.22106 kJ3.3结语经与实际生产过程对比，此方法横算得到的结果接近实际应用情况，该方法不失不增塑剂生产过程设计中的一种简便有效的计算方法。第四章 主要设备设计与选型4.1 反应釜的设计与选型 4.1.1 反应釜体积确定为方便起见，以下用 A 表示癸二酸，用 B 表示异辛醇。物料在反应过程中的体积基本不变。由于搅拌速度较大，反应物料在反应器内的流动状况可视为呈全混流，在定态时，在等温等容条件下对整个反应器作 A 的物料衡算：反应釜容积按下式计算：VR=Q0t(1+) (8) Q0=QA+QB (9) 式中： QA 和 QB，分别为癸二酸和异辛醇的体积流量; 为搅拌容器的备用系数，一般取0.10.15，取0.1。QA=nAmAt/A (10)式中：nA 单位时间内（1小时）处理癸二酸的摩尔数；mA 癸二酸的分子量；癸二酸密度 A =1.2705g/cm3; t 单位时间（1 h） QA=nAmAt/=15.431000202 (1.2705 3600)=681.46cm3 / s同理异辛醇体积流量 QB 异辛醇密度 B =0.8176g/cm3 QB=nBMBt/B =46.31000130.0 (0.8176 3600)=2044.94cm3 / sQ0=QA+QB=681.46+2044.94=2726.4cm3 / s酯化反应釜中，物料的平均停留时间为6.955=1.37 h VR=Q0t（1+）=2726.41.3736001.1 =14.8m3 装料系数 ，根据实际生产条件或实验结果而定，若搅拌状态平稳或物料的粘度较高 可取0.80.85。本设计物料搅拌状态较平稳， 取0.85。 故搅拌釜的有效体积为： V=VR/0.85=14.8/0.85=17.2m34.1.2 反应釜高度与底面直径反应釜高度与底面直径关系:H=1.3Di底面直径： 334/1.47.2/1