300吨年邻氨基对叔丁基苯酚生产工艺设计

300吨/年邻氨基对叔丁基苯酚生产工艺设计摘要邻氨基对叔丁基苯酚可用于合成荧光增白剂，例如它是2,5双[5-叔丁基-2-苯并恶唑基]噻吩的关键中间体。它还可用于合成MN,EFT,ER,ERM等产品。本设计从邻氨基对叔丁基苯酚的用途以及生产其原料性质开始，设计生产邻氨基对叔丁基苯酚的初步工艺设计：通过查找邻氨基对叔丁基苯酚的相关文献，筛选出较为适宜的合成方法及催化剂等。在此设计中，采用催化加氢还原邻硝基对叔丁基苯酚的方法，此方法较传统的用硫化碱来还原的方法更为的绿色环保，且工艺更加简单。我设计了年产300吨的邻氨基对叔丁基苯酚生产车间，完成了大致的工艺流程和厂房布置设计。在本设计中，采用无水乙醇为溶剂，以Ni/TiO2为催化剂，催化加氢还原邻硝基对叔丁基苯酚制得邻氨基对叔丁基苯酚，分离提纯得到高纯度的产品。关键词：邻氨基对叔丁基苯酚、邻硝基对叔丁基苯酚、催化加氢、工艺设计Abstract2-Amino-4-tert-butylphenolcanbeusedinthesynthesisoffluorescentbrighteners,forexampleasakeyintermediateof2,5-Bis(5-tert-butyl-2-benzoxazolyl)thiophene.ItcanalsobeusedtosynthesizeMN,EFT,ER,ERMandotherproducts.Thisdesignstartsfromtheuseof2-Amino-4-tert-butylphenolandthepropertiesofitsrawmaterials,anddesignsthepreliminaryprocessdesignfortheproductionof2-Amino-4-tert-butylphenol:throughsearchingrelevantliteraturesof2-Amino-4-tert-butylphenol,arelativelysuitablesynthesismethodandcatalystareselected.Inthisdesign,catalytichydrogenationisadoptedtoreduce2-Nitro-4-tert-butylphenol,whichismoreenvironmentallyfriendlyandsimplerthanthetraditionalmethodofreductionbyalkalisulfide.Idesignedtheproductionworkshopwithanannualoutputof300tonsof2-Amino-4-tert-butylphenol,andcompletedthegeneralprocessflowandplantlayoutdesign.Inthisdesign,anhydrousethanolwasusedasthesolventandNi/TiO2asthecatalysttocatalyzethehydrogenationreductionof2-Nitro-4-tert-butylphenoltoproduce2-Amino-4-tert-butylphenol,whichwasseparatedandpurifiedtoobtainhighpurityproducts.Keywords:2-Amino-4-tert-butylphenol,2-Nitro-4-tert-butylphenol,catalytichydrogenation,ProcessDesign目录摘要 原料与产品的概述1.1主要原料的性质和用途邻氨基对叔丁基苯酚的制备采用以雷尼镍为催化剂的作用下，通氢气进入邻硝基对叔丁基苯酚和酒精的混合溶液中，升温至75-85℃氢化还原得到邻氨基对叔丁基苯酚。其中酒精浓度为95%，氢气纯度99.9%。邻硝基对叔丁基苯酚的性质：CASNo:3279-07-0EINECS号：221-914-8分子式：C10H13NO3分子量：195.2151熔点：27-29℃沸点：262.6℃闪点：107.5℃密度：1.173g/cm3邻硝基对叔丁基苯酚是淡黄色晶体，不溶于水，溶于大部分有机溶剂，例如乙醇，甲醇等邻硝基对叔丁基苯酚的用途：经还原后，可用于生产一系列高档荧光增白剂，如荧光增白剂OB等氢气的性质：CASNo:1333-74-0EINECS号：215-605-7分子式：H2分子量：2.01588熔点：-259℃沸点：-253℃闪点：可燃气体密度：0.0899g/L氢气是无色无味的气体，在标准状况下密度是0.09克/升，是已知的最轻的气体，难溶于水。在-252℃,变成无色液体,-259℃时变为雪花状固体。在常温时其化学性质较为稳定。但在点燃，加热，使用催化剂等条件时，如氢气被钯或铂等金属吸附后具有较强的活性。氢气虽然无毒，但却有窒息性，还有易燃易爆性。如果氢气燃烧时有爆鸣声，则说明氢气不纯，容易发生爆炸。氢气的用途：可用作合成氨、甲醇、盐酸的原料，还可用做还原剂、脱硫剂等。在生物学中还是毒性自由基的良好清除剂。在医学中，氢气还对器官缺血再灌注损伤和炎症相关疾病有良好的治疗效果。在化工领域中，氢气还是一种良好的清洁能源，还可作示踪剂等等。乙醇的性质：CASNo:64-17-5EINECS号：200-578-6分子式：C₂H₆O分子量：46.07熔点：-114℃沸点：78℃闪点：13℃，闭口闪点密度：789kg/m³（20℃）乙醇无色透明的液体，有特殊香味，易挥发。低毒性，极易溶于水，可溶于醚类，甲醇，丙酮，甘油，氯仿等多数有机溶剂。乙醇有很强的潮解性，可吸收空气中的水分。羟基的极性使得许多的离子化合物可溶于乙醇，例如氯化钠，溴化铵，氢氧化钠等。烃基的非极性也使得其可溶解部分非极性物质，例如大部分香精油，增味剂，增色剂和医药试剂。乙醇的用途：乙醇是一种良好的有机溶剂，洗涤剂，萃取剂，粘合剂，脱漆剂，防冻剂，消毒剂等。乙醇还是酒的主要成分，也是一种常见的有机原料，还可作为燃料，改善油品，减少碳排放。1.2产品的性质及用途邻氨基对叔丁基苯酚的性质：物理性质①白色至灰白色结晶粉末。②溶解性：溶于乙醇、乙醚和氯仿，难溶于苯，几乎不溶于冷水③熔点：160~164℃④沸点：274.℃（标准大气压）⑤闪点：120.1℃化学性质①一般情况下稳定，会被强氧化剂氧化，应避免与强氧化剂接触。②由于氨基和羟基的存在，使得邻氨基对叔丁基苯酚应避免与酰基氯、酸酐、酸类、氯仿等直接接触。③氨基可重氮化制重氮染料④遇明火，高热可燃，受热分解会放出有毒的氧化氮烟气，燃烧产物有一氧化氮、二氧化碳、氧化氮。邻氨基对叔丁基苯酚的用途：可作为合成荧光增白剂2,5双[5-叔丁基-2-苯并恶唑基]噻吩的关键中间体还可用于农药、染料、感光材料等的生产。2生产流程2.1生产方案选择及原理2.1.1合成机理选择反应得到邻氨基对叔丁基苯酚有几种不同的反应机理：还原邻硝基对叔丁基苯酚；苯胺重氮化后和与对叔丁基苯酚耦合。苯胺重氮化后和与对叔丁基苯酚耦合这一工艺操作烦琐,路线长,成本高,因为采用重氮耦合工艺,污染严重。而采用还原剂还原邻硝基对叔丁基苯酚，污染小，操作简答。[1]2.1.2原料的选择还原剂的选择：早期使用硫化碱来还原邻硝基对叔丁基苯酚，用硫化碱来还原收率低污染重，而用氢气做还原剂提高了收率减小了污染。[2]催化剂的选择：Ni/TiO2催化剂的Ni负载量对邻硝基对叔丁基苯酚加氢反应有较大的影响,随Ni负载量的增加,催化剂活性明显提高,反应的转化率和选择性逐渐增加，当Ni负载量达到20%以后,转化率和选择性的增加不明显。综合考虑,Ni负载量为20%最佳。溶剂的选择：查阅资料可得，乙醇和正丁醇对邻硝基对叔丁基苯酚的转化率和邻氨基对叔丁基苯酚的选择性较高，这里我们采用乙醇作为溶剂。2.1.3反应条件的选择[3]反应温度的选择：查阅资料可得，随反应温度的升高,反应时间缩短,反应的转化率和选择性都逐步提高,反应温度到达70℃时，反应的转化率和选择性都达到了最高值。当反应温度低于70℃时,由于反应温度过低,催化剂活性不高,导致反应不能顺利进行;当反应温度高于70℃时,反应速率较快,但副反应增多,选择性明显下降。因此,最佳的反应温度为70℃。压力的选择：查阅资料可得，随着反应压力的上升，催化活性在不断上升，到0.05MPa以上其上升趋势变快，而且邻氨基对叔丁基苯酚选择性随反应压力的上升总体呈下降趋势，到0.10MPa以上其上升趋势变快，因而其适宜反应压力为0.10MPa。搅拌转速的选择：查阅资料可得，随搅拌转速的增大,反应时间明显缩短,反应的转化率和选择性逐渐提高,当搅拌转速达到I000r/min时,反应的转化率和选择性达到最高值;当搅拌转速超过1000r/min时转化率和选择性已无明显变化,故最佳搅拌转速为1000r/min。乙醇与反应物的质量比的选择：查阅资料可得，随溶剂比的增加，反应的转化率和选择性逐渐提高,当溶剂比达到2.0:1时,转化率和选择性都达到了最高值。溶剂比过大不仅增加了原料成本，也降低了生产能力,不符合生产需要。故最佳的溶剂比为2.0:1。2..2反应原理邻硝基对叔丁基苯酚在Ni/TiO2催化剂的作用下催化加氢，得到邻氨基对叔丁基苯酚，温度为70℃，压力为0.1MPa:C10H13NO3+3H2催化剂、△C10H15N0+2H2O2.3工艺流程2.3.1生产流程在氢化反应釜中加入邻硝基对叔丁基苯酚和乙醇，混合均匀后，加入催化剂后密闭，氮气置换三次，氢气置换三次后升温至70-75℃，保持压力0.1-0.2MPa，不断通入氢气至不再吸氢，继续保温一小时，降温至室温，排出氢气，氮气置换后放入过滤釜过滤，过滤后残渣回收，清夜压入结晶釜冷却结晶，温度控制在0℃左右，结晶放入离心机离心分离，母液收集到母液储槽，而邻氨基对叔丁基苯酚进入真空干燥机干燥，最后包装。而酒精母液可以抽入蒸馏釜回收酒精。剩余的残渣和过滤的残渣可收集在一起，抽入反应釜内，加入活性炭脱色，然后过滤、结晶、回收二级品出售。2.3.2工艺条件查阅相关文献资料可知，最佳的生产调节为：催化加氢温度是70℃，压力为0.1MPa，冷却结晶温度是0℃，乙醇与反应物的质量比为2：1，搅拌转速为1000r/min。2.3.3工艺流程示意图3工艺计算3.1物料衡算生产方式：间歇式生产；基准为“批”，计算结果为kg/B；要达到年生产300吨，一年按300个工作日，工作制为三班倒，年工作时数为7200小时，生产一批邻氨基对叔丁基苯酚所需的时间是6小时，所以一年可以生产1200批，收率为99%。3.1.1邻氨基对叔丁基苯酚的摩尔数年产300吨邻氨基对叔丁基苯酚，那么每批99%邻氨基对叔丁基苯酚的产量为：300t÷1200＝250kg/B不含杂质的邻氨基对叔丁基苯酚的量为250÷0.99≈252.5253kg/B邻氨基对叔丁基苯酚的分子量为：165g/mol邻氨基对叔丁基苯酚的摩尔数n＝252.5253÷165×1000≈1530.4564mol3.1.2各原料的用量工业级邻硝基对叔丁基苯酚纯度为98%,其余2%为杂质；工业级无水乙醇纯度为99.9%，其余0.1%为杂质；邻硝基对叔丁基苯酚：W1＝1530.4564×195÷1000≈298.4390Kg/B即工业级邻氨基对叔丁基苯酚用量为298.4390÷0.98≈304.5296Kg/BV1＝304.5296÷1.173÷1000≈0.2596m3无水乙醇：W2＝252.5253×2＝505.0506Kg\B即工业级无水乙醇用量为505.0506÷0.999≈505.5562Kg/BV2＝505.5562÷789≈0.6408m33.1.3生成水的量W水＝1530.4564×2×18÷1000＝55.0964Kg/B原料中所含杂质的量为304.5296×0.02＝6.0906Kg/B3.1.4氮气和氢气的用量氢化反应釜选用1500L的不锈钢反应釜，除氮气外的反应物总体积为0.9004m3，通氢气前通氮气三次，反应完后还需同一次氮气，总共通氮气四次，故氮气用量为0.5996×4＝2.3984m3已知标况下氮气密度为1.160Kg/m3那么氮气质量为1.160×2.3984＝2.7821Kg/B；已知标况下氢气的密度为0.0899g/L用来反应的氢气的物质的量为：1530.4564×3＝4591.3692mol反应的氢气的质量为4591.3692×2÷1000＝9.1827Kg/B即体积为9.1827÷0.0899≈102.1435m3用来置换的反应釜氮气所需的氢气体积为0.5996m3即质量为0.5996×0.0899＝0.0539Kg/B即总的所需的氢气的质量为0.0539+9.1827＝9.2366Kg/B3.2反应釜一物料衡算表反应釜进出料Kg/B进料邻硝基对叔丁基苯酚304.5296氢气9.2366乙醇505.5562合计819.3224出料邻氨基对叔丁基苯酚252.5253水55.0964废氢气+废乙醇+杂质511.7007合计819.3224反应釜过程：表1流入量/Kg流出量/kg邻硝基对叔丁基苯酚304.52960氢气9.23660.0539氮气2.78212.7821乙醇505.5562505.5562邻氨基对叔丁基苯酚0252.5253水055.0964杂质06.0906总计822.1045822.1045在此过程中多余的氢气和氮气排出，未进入下一过程。过滤板过程：表2流入量/Kg流出量/kg邻氨基对叔丁基苯酚252.5253252.27280.2525乙醇505.5562505.05060.5056水55.096455.04130.0551杂质6.09066.0906合计819.2685819.2685在此过程中除去不溶性杂质，但有少量损失冷却结晶过程：表3流入量/Kg流出量/kg邻氨基对叔丁基苯酚252.2728249.75012.5227乙醇505.0506500.00015.0505水55.041354.49090.5504合计812.3647812.3647在此过程中使邻氨基对叔丁基苯酚降至0℃冷却结晶，同时有少量乙醇损失离心过程：表4流入量/Kg流出量/kg邻氨基对叔丁基苯酚249.7501247.25262.4975乙醇500.00010.0001500.000水54.490910.898243.5927合计804.2411804.2411在此过程中除去大部分的乙醇和水，对离心出来的乙醇溶液进行精馏回收，而邻氨基对叔丁基苯酚进入干燥器干燥干燥过程：表5流入量/Kg流出量/kg邻氨基对叔丁基苯酚247.2526247.2526水10.898210.8982合计258.1508258.1508在此过程中除去剩余的乙醇和水。对邻氨基对叔丁基苯酚进行打包。3．3热量衡算反应釜和冷却结晶中水的热量交换：H2O（70ºC，l）H2O（30ºC，l）H2O（30ºC，l）H2O（0ºC，l）热量Q1为反应釜中70℃的水降温到室温30℃释放的热量,热量Q2为冷却结晶器中30℃的水降温到0℃释放的热量。已知水的比热容为C1=4.2kJ/kg*K那么Q1=C1m1ΔT1=4.2×55.0964×（70-30）=9256.1952kJQ2=C1m2ΔT2=4.2×55.0413×（30-0）=6935.2038kJ蒸馏釜中乙醇的热量交换：EtOH(0ºC，l)EtOH(78ºC，l)EtOH(78ºC，l)EtOH(78ºC，g)已知乙醇的在0℃比热容C2为2.2348kJ/kg*K，在78℃潜热为840KJ/kgQ3=C3mΔT3=2.2348×500×78=87157.2KJQ4=840×500=420000KJ此步中热损失设为5%，则Q=(Q3+Q4）÷0.95=（87157.2