年产5000吨邻苯二甲酸二丁酯间歇式生产工艺设计-

年产5000吨邻苯二甲酸二丁酯间歇式生产工艺设计摘要：邻苯二甲酸二丁酯(DBP)是用于塑料加工业中的一种良好的增塑剂DBP生产工艺有间歇法和连续法。本设计采用间歇法生产工艺，用邻苯二甲酸酐Produces5,000tonDibutylphthalateeveryyearwiththeintermittenttypeproductioncraftXXXAbstract:Dibutylphthalate(DBP)isusedinplasticsprocessingindustryasagoodplasticizer.TherearetwoprocessesproductionDBP:incontinuousprocess.Thisdesignusesthebatchproductioncraft,withpresentindomestic,itisaquitematurecraftproductionmethodwithproducingDBP,withtheadvantaproductionprocessesincludingetherification,andwashed,alcohol,filtering,bleachingprocesses.Thispaperdescribeshowtochoiceanddeterminethe 11.工艺流程的选择 61.1生产工艺的确定 61.2工艺流程方框图 72.物料衡算 82.1酯化反应的物料衡算 82.1.1酯化过程的衡算基准 82.1.2酯化过程的物料衡算图 82.1.3酯化过程的物料衡算 92.2蒸馏过程的物料衡 2.2.1蒸馏过程的的物料衡算方框图 2.2.2蒸馏过程的物料衡算 3.能量衡算 3.1酯化过程的能量衡算 3.1.1酯化过程的能量方框图 3.1.2酯化过程的能量衡算 3.2蒸馏过程的能量衡算 3.2.1蒸馏过程的能量方框图 3.2.2蒸馏过程的能量衡算 4.主体设备的选型及设计 4.1酯化过程主体设备搅拌反应釜的设计 4.1.1搅拌反应釜釜体和夹套的设计与计算 4.1.2釜体及夹套的强度计算 204.1.3筒体的筒壁厚度计算 214.1.4釜体的封头壁厚计算 224.1.5人孔选择与补强校核 224.1.6连接筒体和封头的设备法兰选择 234.1.7接管及法兰的选择 234.1.8搅拌装置的选择 234.1.9保温材料的选择 244.2蒸馏塔的设计 254.2.1蒸馏塔的确定 254.2.2蒸馏塔的工艺计算 254.2.3填料塔工艺计算数据 285.结论 28参考文献 邻苯二甲酸二丁酯(dibutylphthalate,DBP)是用于塑料加工业中的一种良好的增塑剂.对于多种树脂具有很强的溶解能力，主要用于聚氯乙烯的加工而成,硫酸价廉、工艺成熟、产品收率较高。随着时0.0026mol(0.5g)一水对甲苯磺酸作用下回流分水3h,产品收率可达98.1%大孔树脂，在醇、酸酐比为4.0:1,催化剂用量2.0%,反应温度140℃~150℃,达到分析品级。阎道亮等利用磺酸型阳离子交换树脂催化邻苯二甲酸酐与正丁为：NaHSO₄H₂O(酯收率92.1%)>Fe₂(SO₄)HzO(85.6%)CuSO₄5H₂0(61.0%)>MnSO₄·7H₂0(46.7%)>NiSO₄·6H₂O(22.3%)。酸二丁酯的催化作用。当酸酐与丁醇的物质比为1:2.4,sncl₄用量为2.021%,回流分水90min,酯化率达99.54%;若sncl₄为2.581%,反应60min,酯化率达95.25%。陈锚等发现利用snCl₄2H₂O制成的SnO也能催化合成邻苯二甲酸二丁酯，当酸酐与丁醇的物质比为1:4,SnO用量占5%,140℃~320℃回流分水280min,酯化率达98.5%,并讨论了其反应机理。戴志晖等利用稀土氧化物为化性能。他们利用这种催化剂1.0%(对酸酐而言),在醇酸摩尔比2.5:1,140℃在釜式反应器中反应24h,酸酐转化率达97.64%,邻苯二甲酸二丁酯收率97.64%,催化剂选择性100%,未发现有单酯、烯、醚副产物，是合成邻苯二甲酸二丁酯的良好方法。催化剂合成了邻苯二甲酸二丁酯。采用H₃PW₁2O₄o,H₄SiWl₂O₄0和α-HaSiWnOss230℃下进行回流分水，发现均相催化剂用量为1/1000,非均相催化剂用量为基苄基氯化铵)存在下发生酯化反应，生成上面介绍了五大类催化合成邻苯二甲酸二丁酯的方法，这些方法各自具有一定的特点，产品收率均相当高，其中不少具有较大的实用价值，只要经过深入进行试验与筛选，会找到很有实用价值的生产方法，促进邻苯二甲酸二丁酯合成事业的进一步发展。半连续化的DBP生产工艺，就是对间歇生产工艺流程的改进，其生重量，苯酐：正丁醇=1:1.5),提高反应温度(液相150℃左右),不断分离出反应到吸附氧气防止醇类氧化以及脱色的作用.粗酯液于70℃左右，用浓度约为5%的碳酸钠水溶液中和，静置分层后，粗酯再用70于真空下脱醇，当粗酯闪点达160℃以上时即停止殊的汽-液-液平衡关系，采用双塔流程可实现从循环醇中分离出高纯度丁醚的4增塑剂的发展动态近几年，随着塑料工业的发展，我国增塑剂产量增长较快，1993年~1995年，国内增塑剂产量从30.9万t增加到1995年的45.1万t,达到历史底，邻苯二甲酸酯类产品又比1995年同期增产8.5万t,产量比1995年又有它类别在不同程度上有所上升，总的来看，性能优异的主要品种DOP、T50、DOA50kt/a装置，规模和技术水平达到国际先进水平外，其余大多数采用来，随着国外优质价廉的增塑剂产品纷纷打入国资少，降低了生产成本，从而提高生产效益.废渣淡渣废渣淡渣1工艺流程的选择1.1生产工艺的确定1.1.1DBP的生成机理DBPROH+H₂SO₄→ROSO₂0H+H₂0ROH+H₂SO₄*(RO)₂SO₂+H₂O1.1.2生产工艺及生产过程：酯化反应温度通常控制在135-140℃,反应完毕物并回收重复利用.本设计通过直接蒸汽减压蒸馏，除去粗酯中的尾气尾气滤渣中和水洗ZG离开物料量总和；根据设计任务，邻苯二甲酸二丁酯生产能力为5000吨/年(100%):全年为365天，除去大修理，中修理等为65天，则年工作日为：365—65=300天；2.1酯化反应的物料衡算2.1.1酯化过程的衡算基准每批生产的邻苯二甲酸二丁酯的量为：16666.67/6=2777.78kg/批正丁醇酯化邻苯二甲酸二丁酯催化剂反应釜催化剂共沸剂共沸剂活性炭活性炭图2.1.2酯化过程的物料衡算图2.1.3酯化过程的物料衡算：苯酐和正丁醇的酯化反应式：C8H4O3+2C4H9OH=≥C6H4(COOC4H9)2+H2O原料规格：苯酐纯度为100%,正丁醇纯度为95%,浓硫酸纯度为93%(相对密度1.84),转化率为95%。100%正丁醇量：x=1478.8公斤y=1478.8公斤由于该酯化反应正丁醇的转化率为95%,苯酐的完全转化，所以(2)95%正丁醇需要量=1478.8/95%/95%=1638.6公斤其中c₄HgOH=1478.8/95%=1556.6公斤H₂O=1638.6-1556.6=82.0公斤1邻苯二甲酸二丁酯生成量=2777.8公斤3正丁醇的剩余量=1478.8×0.05=77.8公斤总水分=179.8+82.0=261.8硫酸催化剂的用量为0.2%(质量分数)的总物料，则：表2.1.3酯化过程的物料衡算输入输出序号物料名称数量(kg)序号物料名称数量(kg)11DBP2777.82正丁醇其中正丁醇水82.023水正丁醇261.8344活性炭5活性炭5总计共沸剂3139.26总计共沸剂3139.22.2蒸馏过程的物料衡算图2.2.1蒸馏过程的物料衡算图塔顶产品D水原料液FDBP89.1%丁醇2.5%塔底液WDBP=2777.8kg丁醇=77.8kg水=261.8kg图2.2.2蒸馏过程的物料核算表加入支出序号物料名称组成数量(kg)序号物料名称组成数量(kg)1原料水丁醇1塔顶产品水丁醇2塔底液水合计合计3能量衡算式中：0,一初始物料带入设备中的热量，kg,-物理变化及化学变化的热效应，kJ;3.1.1酯化过程的能量方框图：正丁醇硫酸酯化反应釜Q正丁醇邻苯二甲酸二丁酯硫酸3.1.2酯化过程的能量衡算物料进入设备时的温度为25℃,则热量衡算的基准为25℃,AT=0,则：参考《精细化工反应器及车间工艺设计》,利用Missenard法计算液体定压比热容，可利用下表3.1查取结构数据。所以C₆H₄(COOC₄H)₂的比热容如下：C=(41.7×2+28.3×6+117.2)=433.4J1mol.℃C=(1203+433.4)/2=818.2J/mol.℃第xvi页共34页基团摩尔热容值[温度(25℃)摩尔热容值[温度(70℃)-CH₃-CH₂-—0—Q-=≥Mi×C(t-t₂)=0,Q=EMi×Ci(₁-t₂)=4.23×10³×818.2×(140-25)/(2×278)=715851.4KJ(2)由于是间歇过程，所以o较小可以忽略。(3)过程热效率o的计算Q₁-₃=Q,+Q,9,化学反应热效应，可通过标准化学反应热q,,按第xvii页共34页由手册查得：CsH₄O₃(1):q;=-AH’=-49.0KJ/molC₄H₉OH(1)q=-△H=327.3KJ/mo]C₆H₄(COOC₄Ho)₂(1):q;=-AH;=842.6KJ/molH₂O(1);q=-AH”=48.5KJ/molKJ/KJ/molG=369.5/2=184.75kgM=148g/mo]Q₃=0,+Q,=-356.39KJ酯化反应在稳定的操作条件下，使用内外套管中冷却水来移除热量，没有加热问题，设备温度保持不变，所以g=0。Q=10%g,,=-35.64kJQ-2=Q₁-4+Q-s+Q-6-Q--Q1-3=Q-90%Q=715851.4-90%×(-356.39)=716172.2Q+Qs+Q=716172.2+0+(-35.64)=715815.8kJkJkJ(吸收热量为“+”,释放热量为“-”)名称热量(kJ)0716172.2-356.39715851.40-35.64所以酯化反应釜中能量守恒。图3.2.1蒸馏过程的流程图DBPDBP塔顶产品D水原料液FDBP89.1%丁醇2.5%DBP98%3.2.2酯化过程的能量衡算(1)过程中蒸汽的动能和势能的变化较小，可忽略。以整个蒸馏塔，包括冷凝器和再沸器作为系统边界。输入：再沸器输入的热量ga+料液显热H;输出：冷凝器冷量Qc+塔顶和塔底产品的显热Ho+Hw系统的热损较小(一般小于5%),可忽略。基准：140℃,1h平均热容值为：水140-200℃J/(mol·K)J/(mol·K)J/(mol.K)应用加热容加和性：塔顶：72.5%水取水的热容：34.4J/(mol·K)设回流比R=L/D=8L=8×282.9=2263.2kg/hV=L+D=2263.2+282.9=2546.1kg/h由汽液平衡数据知，27.5%的馏出液沸点为190℃稳态时：输入能量=输出能量Hv=Hp+HL+HCHc=Hv-Hp-Hi假设全冷凝，蒸汽Hv=潜热+显热蒸汽在沸点时的比焓计算有两各方法：一为基准温度时的汽化潜热+将蒸汽加热到沸点的显热；二为沸点时的汽化潜热+将液体加热到沸点的显热丁醇和水的潜热：190℃时，丁醇的潜热为25.5KJ/mol190℃时，水的潜热为35.6KJ/molHv=2546.1×[(0.725×35.6+0.275×25.5)+(200-140)×225.5]=100471.8KJ/hOc=Hv=100471.8KJ/hQB+HF=Qc+Hp+HwHr=3117.4×495.6×(200-140)=92669.0KJ/hHw=2834.5×546.7×(200-140)=92977.3KJ/h塔底温度取为200℃Qs=Qc+Ho+Hw-Hr=100471.8+0+92977.3-92699.0=10750.1KJ/h名称热量(kJ)输入物料焓(ga)料液显热(Hr)冷凝器冷量(Qc)塔顶和塔底产品的显热(H。)0所以蒸馏过程能量守恒.4主体设备的选型及设计4.1酯化过程主体设备搅拌反应釜的设计4.1.1搅拌反应釜釜体和夹套的设计与计算(1)确定筒体和封头V=1478.8/1527+1638.81810=2.99m³V=2777.8/1048+77.81810+=2.75m³>V,故操作系统容积V,取2.99M',设备体积与操作容积V的关系为：v,=nv,因反应状态平稳，由表可知，η取0.8,故设备的容积V=Vp/n=2.9910.8=3.74m³。因反应物料为液-液反应，由表可知，Ht/Di=1～1.3,初选取Ht/Di=1.0,反应釜的内径Di的估算值应圆整到公称直径D、系列。根据表4.3取Di=1600mm,封头取相同的直径，其直边高度n,可由表4.3初选为h,=25。条件装料系数范围贮槽和计量槽不带搅拌或搅拌缓慢的反应釜带搅拌的反应釜易起泡沫在沸腾条件下操作的设备种类金内物料类型Ht/Di一般反应釜气-液相型液-固/液-液相型公称直径曲面高度直边高度/mm内表面积/mm容积/mm(2)确定筒高比由表4.4查得筒体1m高的容积为V=2.017,故按式：H,=(V-V)/Vm=(3.74-0.587)12.017=1.56m圆整后Ht取1.6m,则Ht/Di=1.6/1.6=1.0符合初选的长径比。公称直径1米高的容积V₁/m³1米高内表面积/m²1米钢板重量(kg)(3)确定夹套1)夹套直径D,=D,+200=1600+100=1700mm,形，并与夹套筒体的直径相同。2)确定夹套高度H₂=1.2m。3)核算传热面积由表4.3查得：封头表面积F=2.89m²则实际总传热面积F=F+F=5.03×1.7+2.89=11.441m²500～600700～18002000～3000Di+50Di+100Di+2004.1.2釜体及夹套的强度计算由已知条件并分析工艺要求，综合考虑后选用ocr。高合金刚钢板，在50~100℃下的许用应力为[δ]=115Mpa,夹套的筒体和封头是内压容积，设计压力釜体的筒体和底封头既受内压的作用，又受外压的作用，内P=0.2Mpa,设计压力的取法是考虑操作过程中出现的最大压力差，所以取(2)夹套的筒体和封头壁厚计算夹套的筒体壁厚的计算：δ=p.Dj/(2[8]0-P)+C有点紧贴基本金属的垫板，不进行探伤检查，查表4.6得，φ=0.65,壁厚的附加量C由钢板的负偏差C₁和腐蚀余量C₂两部分组成，即c=c,+c,,初步选取焊缝结构焊缝系数全部无损探伤局部无损伤不进行探伤双面焊的全焊透对接焊缝单面焊的对接焊缝沿焊缝根部全长有点紧贴基本金属的焊板单面对焊接Ö₄=0.3×17001(2×115×0.65-0.3)+1.6=5.1mm,根据钢板的规格，选取δ=6mmo夹套的封头壁厚δ:δ=P·Dj1(2[δ]①-0.5P)+C’δ=0.3×1700/(2×115×0.65-0.5×0.3)+2.5=5.915mm根据钢板规格取δ=6mm。工程上筒体和封头往往取相同厚度，这样容易焊接。4.1.3筒体的筒壁厚度计算已知外压为0.3Mpa,釜体的筒体壁厚由试差法计算，设筒体的计算厚度L--筒体高度，L=H₁+h/3=1200+(400+10)/3=1336由图查得A=0.0005B=704.1.4釜体的封头壁厚计算(1)按内压法计算sC=C₁+C₂+C₃=0.6+1.0+0.9=2.5mm,带入上式得：S≥0.2×1600/(2×115×0.65-0.5×0.2)+2.5=4.642考虑到封头与筒体的焊接方便，取封头与筒体等壁厚，即S封=10mm。(2)按外压核算S#采用图算法Rv=Ki.Di=0.9×1600=1440,4.1.5人孔选择与补强校核人孔选长圆型回转盖快开人孔，标记：人孔P。400×300JB579-79-1,筒节S=6mm。人孔补强校核：由表可知人孔超出不另行补强的最大孔径范围，故必须作补强计算，开孔直开孔削弱面积B=2d=2×404=808mm。有效补强区内，可作为补强金属截面积计算A₁=(B-d)[(s-C)-·。]=(808-404)×0.65×[(10-2.5)-3.0]=1181.7mm²4.1.6连接筒体和封头的设备法兰选择查甲型平焊法兰标准JB1158-82得，当D、=1600mm时，其公称压力为1.0MPa,大于设计压力0.3MPa,故其符合设计标准。法兰垫片的选择：材料用石棉橡胶板，厚8=2mm,其标准为JC125-66。4.1.7接管及法兰的选择水蒸汽进出口管采用φ32×25无缝钢管，法兰Pg6,Dg25,HG5010-58;温度计接管采用φ76×4无缝钢管，法兰Pg6,Dg70,HG5010-58;采用φ45×3.5无缝钢管，法兰Pg6,Dg50,HG5010-58;法兰垫片选石棉橡胶板，8=2mm。(1)搅拌轴系(2)搅拌机本设计搅拌器形式为桨式搅拌器，其转速为50rpm。(3)电动机的选择电动机，转动功率为1.5kw。4.1.9保温材料的选择保温层是为了防止生产过程中的设备和管道周围环境散发或吸收热量而进行的绝热过程，主要是用来减少设备、管道及其附近的热量损失，以及保证操作人员的安全，改善劳动条件，防止烫伤。本设计的反应最佳温度为140℃,查阅相关常用保温材料性能表，选取沥青矿渣棉毡，使用温度≤250℃,导热系数λ=0.043+0.00017tkcal1m·h.℃。对于外径大于1m的圆筒型设备δ=λ×[(t,-t,)/(t,-t₄)]/a₁a₁--室外总给热系数，取10kcal/m·h.℃;t,--被绝热管道、设备外壁温度，℃;t,--保温层外表面温度，℃;λ=0.043+0.00017×90=0.0583kcal/m.h.℃取W=3m/s,a。=10kcal/m·h.℃水a₁=an+6√3=20.93kcallm.h.℃结构名称