对硝基苯甲醚的工艺设计.docx

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对硝基苯甲醚的工艺设计

化工开发设计任务书

题目:

年产_286.767_吨对硝基苯甲醚部分工艺设计

学生姓名___祁婕___班级08107341学号0810731219专业_应用化学指导教师____叶斌______

一、任务和目的

对硝基苯甲醚是一种重要的中间体,主要用于生产染料、农药和医药工业中。

对硝基苯甲醚的工艺设计的目的,主要是以专业基础课的学习为基础,针对要求的化工项目,设计合理的工艺流程,选择相应的工艺设备等。

解决化工产品生产车间设计实际问题的能力,掌握化工工艺流程设计、物料恒算、设备选型、车间工艺布置设计等的基本方法和步骤;从技术上的可行性与合理性两个方面树立正确的设计思想。

通过本课程设计,提高运用计算机设计绘图（AutoCAD的能力。

二、基本内容和要求

学习工艺设计的基本原理、方法和应遵循的原则。

能依据给出的设计要求和关键参数,能设计提出合理的工艺流程。

并用计算机画出带有工艺控制点的工艺流程图。

写出工艺操作过程及过程分析、控制要点。

学习查阅主要的工艺设计数据参考书,正确地进行工艺过程的物料衡算和热量衡算并进行设备的选型和设计计算。

完成设计说明书的编写并提交打印件。

三、时间安排

1.设计时间为3周,即2011-10-24-------2011-11-11。

2.第一周进行课程设计动员、下达课程设计任务书;查阅资料、确定生产工艺;物料衡算;开始能量计算。

3.第二周继续查阅资料;能量计算;结合工程设备选型;绘制工艺流程图。

4.第三周结合工程实际收集所需资料及检索相关规范标准规范,以及计算的内容编写设计说明书;装订并交设计报告。

摘要

本设计书设计了以对硝基氯苯、甲醇和氢氧化钠为原料,用苄基三乙基氯化铵作相转移催化剂,在常压下合成对硝基苯甲醚的工艺路线。

设计书中对比了不同的原料配比、不同的碱浓度、不同类的催化剂对产品质量和产率的影响,选择了最优的方案进行工业化放大,论证了工业放大的可行性。

设计重点主要在:

全流程物料衡算,热量衡算,设备设计与选型,流程设计及车间布置设计。

对全流程的热量进行了衡算,确定了反应设备所需要的传热面积,又对全流程进行了物料衡算,结合所需传热面积,确定了反应器的参数。

本设计书根据设计要求和关键参数,设计了合理的工艺流程,绘制了工艺流程图。

本设计书还给出了原料定额表、排出物料综合表、原料消耗综合表,并根据产品及原料的物化性质,给出了常用的安全的产品包装、储藏、运输方式和安全注意事项。

关键词:

对硝基氯苯,相转移催化,对硝基苯甲醚,设计

Abstract

Thisdesigndocumentismainlydesignedtoondinitrochlorobenzene,methanolandsodiumhydroxideasrawmaterial,benzyltriethylammoniumchloridefor

phase-transfercatalysts,inatmosphericpressuresynthesisofp-anisidineroute.Designoffocusedprimarilyat:

thewholeprocessofmaterialbalance,caloric,equipmentdesignandselection,processdesignandlayoutdesignworkshop.Designbookcomparesthedifferentcomposition,differentalkaliconcentration,differenttypesofcatalystonproductqualityandyield,chosethebestprogrammesforindustrializedmagnify,demonstratesthefeasibilityofindustrialamplification.Onthewholeprocessofheatforaccountancy,determinesthereactionequipmentneededfortheheattransferarea,onthewholeprocessmaterialbalance,combinedwiththerequiredheattransferarea,designstereotypiathereactorparameters.Thisdesigndocumentaccordingtothedesignrequirementsandkeyparameters,designpresentsareasonableflow,andthecomputerdrawwithprocesscontrolpointoftheprocessflowdiagram.ThePDDalsodischargedfixedtables,rawmaterialsintegratedcomprehensivetables,theconsumptionofrawmaterials,anddependingontheproducttableandthephysicalandchemicalpropertiesofrawmaterials,awell-knownsecurityproductspackaging,storage,transportandsecurityconsiderations.

Keywords:

Nitrochlorobenzene,PTC,p-anisidine,design

设计简介（1

第一章设计依据及工艺路线（2

1.1产品的生产和应用（2

1.2设计依据与原则（2

第二章设计方案论证（3

2.1原料路线的选择（3

2.2生产方法的可行（3

2.3生产规模的确定（3

第三章产品方案（4

3.1产品名称与性质（4

3.2性状及理化性质（4

3.3产品的质量规格（4

3.4产品的生产制度（4

3.5包装与储藏（4

第四章生产方法与主要工艺流程（5

4.1生产方法（5

4.2主要流程（5

第五章生产工艺控制和中间体质量标准（6

5.1生产工艺控制（6

5.2中间体质量标准（6

第六章物料衡算（7

6.1配碱过程（7

6.2反应过程（8

6.4结晶过程（10

6.5过滤过程（11

6.6洗涤过程（12

6.7干燥过程（13

第七章能量衡算（15

7.1计算依据（15

7.2计算过程（15

7.3单号表（17

第八章工艺设备选型与设计计算（18

8.1设计方法与原则（18

8.2设计计算（18

第九章车间布置设计（22

9.1车间划分依据（22

9.2车间的布置设计（22

9.3设备间的距离（22

9.4安全和防腐要求（22

第十章劳动组织和安全生产（23

10.1安全生产（23

第十一章“三废”及综合处理（24

11.1废水的排放及处理（24

11.2废渣的排放及处理（24

11.3废气的排放及处理（25

结束语（26

心得体会（27

参考文献（28

附录Ⅰ设备一览表（29

附录Ⅱ物料流程框图（30

设计简介

对硝基苯甲醚又称对硝基茴香醚（P—nitroanisole,是染料的重要中间体对氨基苯甲醚的重要前期化合物.对硝基苯甲醚的产量与质量直接影响着对氨基苯甲醚的产量与质量,因此长期以来不少学者对其合成进行了不少探讨。

对硝基苯甲醚主要用于制取枣红色基GP、蓝色盐VB、色酚AS等染料,是重要的染料中间体。

目前,国内生产对硝基苯甲醚的方法是以对硝基氯苯、甲醇和氢氧化钠为原料,在0.3MPa的压力下进行甲氧基化反应,再经减压蒸馏得对硝基苯甲醚[1]。

反应需在压力釜中进行,时间长,副产物多,甲醇用量大,转化率及收率均低。

针对上述工艺缺点,本设计采用相转移催化法合成PNA,相转移催化法不需要特殊的仪器设备,也不需要价格昂贵的无水溶剂或非质子溶剂,且反应条件温和、操作简单、副反应少,以克服现行工艺中反应条件要求苛刻,水解副产物多,废水量大等缺点,创造更多的社会、经济和环境效益。

本次实践对硝基苯甲醚的工艺设计的目的,主要是以专业基础课的学习为基础,针对要求的化工项目,设计合理的工艺流程,选择相应的工艺设备等。

解决化工产品生产车间设计实际问题的能力,掌握化工工艺流程设计、物料恒算、设备选型、车间工艺布置设计等的基本方法和步骤;从技术上的可行性与合理性两个方面树立正确的设计思想。

第一章设计依据及工艺路线

1.1产品的生产和应用

对硝基苯甲醚（PNA,是十分重要的化工原料,用于制备多种染料、医药、食品添加剂。

在染料工业中可用作染料中间体,制备色酚AS—OL、大红色酚B、直接湖蓝6B、活性深蓝KD7G等;有机工业中用于制造氨基苯甲醚、联大茴香醚等;医药上用作合成愈创木酚等;印染工业用于制造洁净剂Ls等。

其合成路线主要有以下3种:

对硝基苯酚与氯甲烷反应法、对硝基氯苯与甲醇钠反应法和苯甲醚硝化法。

对硝基苯酚与氯甲烷反应法和苯甲醚硝化法合成路线长,分离过程复杂,而且原料供应紧张,不适宜工业化生产[1]。

目前,我国多采用对硝基氯苯（PCNB法。

在大量甲醇存在下与固体NaOH在加压釜中反应约10~13h合成PNA。

但该工艺存在着甲醇消耗量大,反应时间长,反应收率低,副产物生成量大,环境污染严重等问题。

1.2设计依据与原则

对硝基苯甲醚可用于合成蓝色盐VB、枣红色基GP、色酚AS等染料和医药产品等,是重要的染料和医药中间体。

它的质量优、劣取决于对硝基苯甲醚的质量。

对硝基苯甲醚的制备主要有以下几种方法:

对硝基氯苯加压下甲氧基化、对硝基氯苯常压下甲氧基化、利用相转移催化剂对对硝基氯苯进行甲氧基化。

由于前两种方法操作较繁琐,产品产量和质量不高,而相转移催化法不需要特殊的仪器设备,也不需要价格昂贵的无水溶剂或非质子溶剂,且反应条件温和、操作简单、副反应少,近年来,相转移催化法制取醚类化合物,已有很多文献报导。

醚类合成的相转移催化剂,多采用季铵盐、季磷盐、冠醚以及线状聚氧乙烯化合物。

但季铵盐的乳化作用明显,给产物的分离、纯化会带来一定的困难;冠醚类价格昂贵,且有毒性,应用亦受到一定限制。

因此成为近年来的研究热点[2]。

相转移催化反应的基本原理,是利用催化剂的分子结构中既有可溶于水相,又可溶于有机相的官能团。

对于亲和取代反应,在少量水存在时,催化剂可先与水相中的亲核试剂反应形成离子对,使原来不溶于有机相的亲核试剂易入有机相中参与反应。

第二章设计方案论证

2.1原料路线的选择

对硝基苯甲醚是合成医药,有机染料和颜料等重要原料,历来的合成路线主要有3种:

对硝基苯酚与氯甲烷反应法、苯甲醚硝化法和对硝基氯苯和甲醇钠反应法。

前两种方法因为合成路线长,分离过程复杂,且原料供应紧张,不适宜工业化生产,目前我国都采用对硝基氯苯法,在大量甲醇存在下和固体氢氧化钠在加压釜中反应约10h-13h合成PNA。

但该工艺存在着甲醇消耗量大,反应时间长,反应收率低,副产物生产量大,环境污染严重等问题。

根据上述工艺缺点,采用相转移催化法合成PNA,以克服现行工艺中反应条件苛刻,水解副产物多,废水量大等缺点,所以采用相转移催化法能创造更多的社会、经济和环境的效益[3]。

通过对不同工艺路线的研究和对比,确定了以对硝基氯苯、甲醇和氢氧化钠为原料,用苄基三乙基氯化铵作相转移催化剂,在常压下合成对硝基苯甲醚的工艺路线。

2.2生产方法的可行

本工艺应用对硝基氯苯与甲醇反应,以TEBAC为相转移催化剂制得对硝基苯甲醚。

反应如下:

ClC6H4NO2+CH3OH+NaOH+TEBAC→NO2C6H4OCH3

反应温度80℃,反应时问10h的条件下成了对硝基甲醚。

对硝基氯苯的转化率为96.71%,对硝基苯甲醚的收率87.42%,纯度为99%。

此工艺操作简单,副反应少,季铵盐的催化效果好。

季铵盐作为催化剂虽然不太稳定,但却是相转移催化剂中研究的最早、应用较广的一类相转移催化剂。

同时,随着氢氧化钠用量增加,转化率增高。

因此本反应选则了35%的NaOH溶液。

本工艺反应条件温和,在常压下,反应时间短,转化率和收率均高,是一条可行的新的工艺路线和方法。

本反应需要进行2次结晶,借此保证产品的纯度。

2.3生产规模的确定

工业化日产量:

868.77kg

平均工作日:

300天

工业化年产量:

260.63吨/年

第三章产品方案

3.1产品名称与性质

名称:

对硝基苯甲醚

中文别名:

4-硝基苯甲醚,对硝基茴香醚,对硝基苯甲醚,对甲氧基硝基苯

英文别名:

4-Nitroanisole,p-Nitroanisole,p-Methoxynitrobenzene,p-Nitrophenylmethylether,1-Methoxy-4-nitrobenzene

分子式:

C7H7NO3

性质:

黄色梭柱体结晶。

3.2性状及理化性质

分子量:

153.14沸点:

274℃熔点:

54℃

溶解性:

易溶于醇、醚和沸石油醚,微溶于冷石油醚,水中溶解度约为7%。

密度:

相对密度（水=11.20稳定性:

稳定

危险标记:

14（有毒品主要用途:

用作有机合成中间体[4]

3.3产品的质量规格

产品PNA的收率大于95%（按对硝基氯苯计算,经气相色谱分析,产品纯度>99.0%

对硝基氯苯工业品（>99%,甲醇（AR氢氧化钠（AR

3.4产品的生产制度

工业化日产量:

868.77kg

平均工作日:

300天

工业化年产量:

260.63t/Y

3.5包装与储藏

危险货物编号:

61697

UN编号:

2730

包装类别:

O53

包装方法:

液态:

小开口钢桶;螺纹口玻璃瓶、铁盖压口玻璃瓶、塑料瓶或金属桶（罐外普通木箱;螺纹口玻璃瓶、塑料瓶或镀锡薄钢板桶（罐外满底板花格箱、纤维板箱或胶合板箱。

固态:

塑料袋或二层牛皮纸袋外全开口或中开口钢桶;螺纹口玻璃瓶、铁盖压口玻璃瓶、塑料瓶或金属桶（罐外普通木箱;螺纹口玻璃瓶、塑料瓶或镀锡薄钢板桶（罐外满底板花格箱、纤维板箱或胶合板箱[5]。

储存:

密封阴凉保存

第四章生产方法与主要工艺流程

4.1生产方法

使用间歇式反应,在常压下用氢氧化钠,甲醇与对硝基氯苯反应,TEBAC为相转移催化剂,制取对硝基苯甲醚。

4.2主要流程:

图4.2主要流程示意图

配碱反应回收、结晶

洗涤过滤

重结晶

洗涤过滤

重结晶

洗涤过滤氢氧化钠甲醇、对硝基氯苯、TEBAC

干燥

产品

混合反应

氢氧化钠

水

35%氢氧化钠溶液

反应

35%氢氧化钠溶液

产物

甲醇、对硝基氯苯、TEBAC

洗涤、过滤

粗结晶

结晶

产物

回收

甲醇

母液

结晶

第五章生产工艺控制和中间体质量标准

5.1生产工艺控制

影响此反应的主要因素有:

氢氧化钠的浓度、配料比、催化剂的用量和种类、反应时间、反应温度等。

当碱浓度增加,转化率及收率均提高,但成本也有所提高。

当催化剂的用量<1%时,催化效量不好,用量达6%（摩尔数时催化效果较理想,由于催化剂交换量一般为3mmol/g,所以加入量约10%（重量。

随着反应时间的延长,转化率上升,刚开始时转化率转快,随着反应进行,转化率趋于平缓。

配碱过程中控制35%氢氧化钠的温度,温度控制在65℃。

反应过程温度控制在70℃,甲醇回流过程温度控制在80℃,离心分离过程注意结晶的颗粒度,速度不能太快也不能太慢,能控制晶体颗粒度小一些。

5.2中间体质量标准

序号名称规格分子量

1甲醇0.9832.04

2对硝基氯苯0.988157.56

3氢氧化钠0.9840.01

4水1.0018.01

5TEBAC0.99227.78

各步反应的收率:

配碱主反应回收结晶过滤洗涤干燥

100%96.78%98%98%99%

实验产品含水量5%

实际得到产品量=产量×（1-5%=G实际得到产品×（1-5%=37.4×（1-5%=35.53g对硝基氯苯投入摩尔量=对硝基氯苯投入质量×规格/对硝基氯苯分子量=G对硝基氯苯×0.988/M对硝基氯苯=39.4×0.988/157.56=0.2471mol

对硝基苯甲醚理论产量=对硝基氯苯投入摩尔量×对硝基苯甲醚分子量=G投入对硝基氯苯×M对硝基苯甲醚=0.2471×153.14=37.84g

折纯对硝基苯甲醚量=实际得到产品量×规格=G实际得到产品×0.99=35.53×0.99=35.1747g

总收率=折纯对硝基苯甲醚量/对硝基苯甲醚理论=35.174/37.84=0.9296=92.96%

总收率=各部收率乘积=Y配碱收率×Y硝化反应收率×Y回收甲醇冷却纯品收率×Y过滤洗涤收率×Y干燥收率

主反应收率=92.96%/（100%×98%×99%×99%=96.78%

第六章物料衡算

6.1配碱过程

氢氧化钠工业量=氢氧化钠×28000=G投料氢氧化钠×28000=672kg

氢氧化钠折纯量=氢氧化钠工业量×规格=G工业氢氧化钠×S氢氧化钠

=672×98%=658.56kg

氢氧化钠摩尔数=氢氧化钠折纯量/氢氧化钠分子量=G纯氢氧化钠/M氢氧化钠

=658.56/M氢氧化钠=658.56/0.04001kg/mol=16459.9mol

氢氧化钠体积=氢氧化钠工业品量/氢氧化钠密度=G纯工业氢氧化钠/ρ氢氧化钠

=672/2130=0.31549m3

水工业量=水投料量×28000=G投料水×28000=45g×28000=1260kg水折纯量=水工业量×规格=G工业水量×S水=1260×100%=1260kg

水摩尔数=水折纯量/水分子量=G纯水/M纯水=1260/0.01801=69961.13mol水体积=水工业品量/水密度=G工业水/ρ水=1260/1000=1.26m3

名称规格分子量工业量/kg

组分折纯量摩尔数

密度g/cm3体积/m3氢氧化钠0.9840.01672

NaOH658.56658.5616459.92.130.315

49

杂质13.44水

1.0018.011260水1260

126069961.1311.26总计

1932

1918.5686421.03

1.575

氢氧化钠溶液质量=水的质量+氢氧化钠工业量=G水+G纯氢=1260+672=1932kg杂质的质量=工业氢氧化钠带入的杂质量+水中杂质的量=G工业氢氧化钠带入的杂质+G水

中杂质=672×

名称

质量/kg组分

密度g/cm3体积/m335%氢氧化钠1932kgNaOH658.561.381.3H2O1260杂质13.44kg

混合反应

水

氢氧化钠溶液

氢氧化钠

6.2反应过程

图6.2反应过程示意图

甲醇工业品量=甲醇投料量×28000=m投料甲醇×28000=60.968×28000=1707.12kg甲醇折纯量=甲醇工业量×规格=1707.12×98%=1672.978kg

甲醇摩尔数=甲醇折纯量/甲醇分子量=m纯甲醇/M甲醇=1672.978/0.03204=52215.31mol

甲醇体积=甲醇工业品量/甲醇密度=m工业甲醇/ρ甲醇=1707.12/791.8=2.157m3

对硝基氯苯工业品量=对硝基氯苯投料量×28000=m投料对硝基氯苯

×28000=39.4×28000=1103.2kg

对硝基氯苯折纯量=对硝基氯苯工业量×规格=m对硝基氯苯工业量×S规格=1103.2×98.8%=1089.962kg

对硝基氯苯摩尔数=对硝基氯苯折纯量/对硝基氯苯分子量=m纯对硝基氯苯/M对硝基氯苯

分子量=1089.962/0.15756=6918mol

对硝基氯苯体积=对硝基氯苯工业品量/对硝基氯苯密度=m工业对硝基氯苯/ρ对硝基氯苯密

度=1103.2/1520=0.72579m3

氢氧化钠工业品量=氢氧化钠投料量×28000=m投料氢氧化钠

×28000=24×28000=672kg

氢氧化钠折纯量=氢氧化钠工业量×规格=m工业氢氧化钠×S氢氧化钠

=672×98%=658.56kg

氢氧化钠摩尔数=氢氧化钠折纯量/氢氧化钠分子=658.56/0.04001=16459.9mol氢氧化钠体积=氢氧化钠工业品量/氢氧化钠密度=672/2130=0.31549m3水工业品量=水投料量×28000=m投料水×28000=1260kg水折纯量=水工业量×规格=G工业水量vS水=1260×100%=1260kg

水摩尔数=水折纯量/水分子量=G纯水/M纯水=1260/0.01801=69961.31mol水体积=水工业品量/水密度=G工业水/ρ水=1260/1000=.126m3TEBAC工业品量=TEBAC投料量×28000=m投料TEBAC×28000=4×28000=112kgTEBAC折纯量=TEBAC工业量×规格=m工业TEBAC×STEBAC=112×99%=110.88kgTEBAC摩尔数=TEBAC折纯量/TEBAC分子=mTEBAC/MTEBAC=110.88/0.22778=486.79mol

序号

名称规格分子量工业品量

折纯量摩尔数密度体积杂质1甲醇

0.9832.041707.121672.97

8

52215.310.79182.15534.1042对硝基氯苯

0.988157.5611103.21089.96

269181.520.84513.238

3氢氧化钠0.9940.01672658.5616459.9

2.13

0.315

4913.444水1.0018.0112601260

69961.311.00

1.26

反应氢氧化钠溶液

甲醇、对硝基苯甲醚、氯化钠、杂质甲醇、对硝基氯苯、

对硝基苯酚钠、TEBAC、氢氧化钠、水

5TEBAC0.99227.78112110.88486.791.12

6总共4854.361.902

对硝基苯甲醚摩尔量=对硝基氯苯摩尔量×反应收率=G

对硝基氯苯×0.93=6918×0.93=6433.7mol

对硝基苯甲醚质量=对硝基苯甲醚摩尔量×对硝基苯甲醚分子量=G

对硝基苯甲醚

×M对硝基苯甲醚

=6433.7×0.1534=985.26kg

氯化钠摩尔量=对硝基氯苯摩尔量×（主反应收率+副反应收率=G

对硝基氯苯×（0.93+0.01=6502.92mol

氯化钠质量=氯化钠摩尔量×氯化钠分子量=G

氯化钠×M

氯化钠

=6502.92×0.05844=380.03kg

对硝基苯酚钠摩尔量=对硝基氯苯摩尔量×副反应收率=G

对硝基氯苯×0.01=6918×0.01=69.18mol

对硝基苯酚钠质量=对硝基苯酚钠摩尔