年产300吨对羟基苯甲醛生产车间工艺设计毕业设计.docx
《年产300吨对羟基苯甲醛生产车间工艺设计毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《年产300吨对羟基苯甲醛生产车间工艺设计毕业设计.docx（90页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
年产300吨对羟基苯甲醛生产车间工艺设计毕业设计
季戊四醇是由屮醛和乙醛缩合而成，在涂料、汽车、轻工、建筑、合成树脂、炸药等方面具有广泛的应用，此外，还用于医药、农药等生产。
基于在山西三维有限公司实习所得，同时结合专业课的深入学习以及老师的悉心教导，我开展了对季戊四醇的车间工艺设计。
本次设计内容以屮醛、乙醛和氢氧化钠为原料经过缩合反应，得到季戊四醇混合物，在经过中和、脱醛、蒸发、结晶工序得到季戊四醇晶体，最后经过分离、干燥等工序得到季戊四醇产品。
山此工艺可知，设计任务是非常庞大的，这不仅要求我们要有扎实的专业理论知识，更要有灵敬的理解感悟能力，同时要熟练掌握计算机，熟练运用画图工具，其成果包括工艺流程图、主设备图、车间布置图、物料衡算、热量衡算、工艺设备选型设计、经济核算、设计说明书的撰写、查阅英文文献并翻译等。
由此可见任务极其艰巨，在设计中我多次无从下手，苦恼之极，但静下心来仔细研究、摸索，终有路可寻，虽然很辛苦，当从中所学知识及能力是无法估量的，精神上更加丰富。
本设计为初步设计，我按照设计任务书要求内容，一步一步完成，但由于经验不足，理论和实践知识不够扎实，在设计中还有大量不足之处，诚请老师给予指正。
2011年05月30日
ThePrOdUCtiOlIPrOCeSSDeSignOftheWOrkShOPfor
PeIltaerythritOlVVithanAnnUaIOUtPUtOf300TOnS
AbStraCt
ThedesignisthePrOdUCtiOnPrOCeSSdesignOfdieWOrkShOPforPentaerythritOlWithanannualOUtPUtOf10,000tons.PentaerythritOlisatypicalStrUCtUreOffour-neopentylalcohol,alsoknownasfour-hydroxymethylmethane,anditsChenIiCalnameis2,2・bis（hydroxymethyl）-1,3-PrOPanediOhanditsappearanceisWhitePOWderCrystalline,odorless,Slightlysweet,flammable,toxic,SOkIbleinwater,SlightIySOklbIeinethanol,notSOkIbleinglycerol,ethyleneglycol,formamide,acetone,benzene,CarbOntetrachloride,etherandPetrOIeUmetherOrganiCSOlVentS・
TheroutesUSedinthedesignPrOCeSSarethefollowing:
formaldehydeandacetaldehydeasrawmaterials,SOdiUmhydroxideasCataIyStareCOndenSedintheCOndenSatiOnreactionkettle,andthentheyaerPaSSedintothereactorforneutralizationandremovalOfthetowerIeadStodealdehydesformaldehyde,andthenPartOftheWaterisSteamedthroughtheevaporator,andthenmixtureisCryStaniZedintheCryStaniZatiOnandreceivePentaerythritOLandthedryingCryStalisreceivedthroughthedryer,thefinalPrOdUCtCanbeObtained・ThedesignelementsincludePrOCeSSdesign,materialbalance,heatbalance,CalCUlatiOnandSeleCtiOnOfPrOCeSSequipment,SafetyandenvironmentalPrOteCtiOnandeconomicaccounting・ThemainresultsOfthedesignarethedesignspecifications,PrOCeSSmaps,masterplans,WOrkShOPlayout.
KeyWOrds：
PentaerythritOLIOvVsodium,ShOPprocess,design
1引言1
1.1产品简介1
1.2国内外生产现状及市场分析2
1.2.1国外生产现状2
1.2.2国内生产现状3
1.2.3国内外季戊四醇市场分析4
1.3主要生产方法6
1.3.1CanniZZarO（康尼扌L罗）法6
1.3.2缩合加氢法7
2生产工艺设计8
2.1生产方法8
2.2反应原理8
2.3工艺流程8
2.3.1缩合9
2.3.2中和9
2.3.3脱醛9
2.3.4蒸发10
2.3.5结晶分离10
2.3.6干燥10
3物料衡算H
3.1匸艺流程框图11
3.2计算依据11
3.3其他数据11
3.4各工序的物料衡算12
3.4.1缩合12
3.4.2中和13
3.4.3脱醛15
3.4.4蒸发16
3.4.5结晶17
3.4.6分离18
3.4.7干燥20
4热量衡算23
4.1热量衡算目的23
4.2热量衡算依据23
4.3各物质热力学参数23
4.4各工段的热量衡算23
4.4.1缩合23
4.4.2中和27
4.4.3脱醛30
4.4.4蒸发33
4.4.5结晶38
4.4.6分离40
4.4.7干燥42
5设备设计与选型47
5.1主要设备设计与计算47
5.1.1反应釜47
5.1.2脱醛塔56
5.1.3脱醛塔的进料储罐60
5.2其他设备选型62
5.3设备一览表63
6安全与环保64
6.1安全64
6.1.1危险因素分析64
6.1.2拟釆取的措施65
6.2环保70
6.2.1主要污染源70
6.2.2拟采取的措施71
7车间布置设计72
7」车间布置的基本原则和要求72
7.1.1基本原则72
7.1.2基本要求72
7.2车间布置74
7.2.1厂房布置74
7.2.2设备布置74
8经济核算76
8.1概述76
8.2原材料消耗定额76
8.3经济核算76
8.3.1工程费用76
8.3.2其他费用78
8.3.3预备费用79
8.3.4专项费用79
8.3.5产品单位成本80
8.3.6流动资金82
8.3.7所得税82
8.3.8投资回收期（静态分析法）82
参考文献83
结束语86
致谢87
1引言
1∙1产品简介
季戊四醇（PentaerythritOL简称PE）是一种典型的新戊基结构四元醇，乂名四疑甲基甲烷，化学名称为2,2—双（疑甲基）一1,3—丙二醇，分子式:
C5Hi2O4,结构式见图1.1,其外观为白色粉末状结晶、无臭，略有甜味，可燃，无毒，溶于水，微溶于乙醇，不可溶于甘油、乙二醇、屮酰胺、丙酮、苯、四氯化碳、乙醍和石油瞇等有机溶剂。
其部分物性数据见表1.1。
PE与醛、酮反应生成缩醛和缩酮，与硝酸反应生成四硝基季戊四醇。
与有机酸、酸酊反应制成有机酯，与卤化氢反应生成季戊四醇卤化物。
季戊四醇是山屮醛和乙醛缩合而成，在涂料、汽车、轻工、建筑、合成树脂、炸药等方面具有广泛的应用，主要用于制树脂、涂料和炸药等，也用于生产色漆、清漆和印刷油墨等的松香脂，还可用于制干性油、阻燃性涂料和航空润滑油等。
季戊四醇的脂肪酸酯是高效的润滑剂和聚氯乙烯增塑剂，其环氧衍生物则是生产非离子表面活性剂的原料。
此外，还用于医药、农药等生产
OH
I
CFb
I一
HO-H9C-C-CH7-OH
-I"
Cbb
I一
OH
图1.1季戊四醇结构式
表1.1季戊四醇部分数据
物性参数
数值
相对密度
1.395g∕cm3
分子量
136.15
熔点
261-262oC
沸点
276°C
折射率
1.548
溶解性
lg∕18mL水（15°C）
12国内外生产现状及市场分析
1.2.1国外生产现状
据有关文献得知Wl,2002年产量为38万吨左右，装置开工率约为76%,其生产主要集中在西欧、北美和亚洲地区，其中西欧地区生产能力为15.9万吨/年；亚洲地区（除日本外）生产能力为15.6万吨/年；北美地区生产能力为101万吨/年；日本生产能力为43万吨/年；其他地区和国家生产能力为4.0万吨/年左右。
至2006年，当年全世界季戊四醇的总生产能力约为61.0万吨，产量约为45.0万吨，装置开工率约为73.8%,其主要生产地依然在欧美地区。
到2009年为止，国外有25家季戊四醇生产企业，其总生产能力为44万吨/年，其中美国占12.95%<>主要的生产厂家有美国HerCUleS公司、美国赫司特/塞拉尼斯公司、瑞典柏仕德（PerStOrP）公司、中国台湾李长荣化工公司、加拿大ChemCeI公司、德国德固萨公司、日本三菱瓦斯化学公司、日本广荣化学公司等,详情见表1.2o其中柏仕德（PerStOrP）公司为全球最大的季戊四醇生产厂家，它在印度、意大利、、美国和德国都建有生产企业和装置。
其拥有5.7万吨/年的季戊四醇生产能力，占全球生产总能力的9%。
2006~2011年期间，美国醇酸树脂消费量的年增长率2%；西欧季戊四醇硝酸酯的年均增长率1%;期间日本由于醇酸树脂需求少，季戊四醇消费量的年均增长率较缓慢。
表1.2国外季戊四醇的生产厂单位：
万吨/年
SS公司名称生产能力S⅛
续表1.2
国家
公司名称
生产能力备注
智利
OXIQUIM公司
意大利
阿尔徳（AIdCr）公司
意大利
柏仕徳（Pcrsiorp）公司
意大利
POIiOIi
西班牙
POIialCOSA
瑞典
太尔（DynCa）公司
PerStOrP与
NeSteOxo合资
徳国
DCgUSSaAG
俄罗斯
UralkhimPlaSt公司
俄罗斯
MetafraX公司
土耳其
POliSanBOya公司
印度
AlIiedRCSinS&Chemicals
印度
KanOria公司
印度
柏仕徳印度化工（PerStOIPIndiaChCnIiCalS）公司
印度
Rinki公司
日本
广荣（KOCi）公司
日本
三菱瓦斯（MGe）公司
日本
三菱（MitSUi）化学公司
日本
三井化学公司
韩国
YU-Jin公司
1.2.2国内生产现状"67】
我国季戊四醇的生产始于1957年，当时年产量只有20吨，到20世纪90年代才开始快速发展，1997年国内主产能力和产量分别为5万吨/年和2万吨左右,2002年的主产能力和产量分别为10万吨/年和5」万吨。
隔年2003年生产能力和产量乂增加到12万吨/年以上和6.5万吨左右，生产能力与产量年均增长率分别为15.7%和21.7%<>到2004年底，我国季戊四醇的生产能力达到16.5万吨/年，2004年产量达到10.8万吨/年。
截止到2008年8月，我国季戊四醇产能已达到29万吨/年，产量为17.5万吨，开工率约58%o经过儿十年的发展，国内季戊四醇的生产规模、生产水平逐步得到了较大的提高。
至20世纪90年代以来到IJ前为止我国季戊四醇生产厂家有近30家,其中生产规模较大的企业有湖北省宜化集团有限责任公司、湖南衡阳三化实业股份有限公司、云南天然气化工厂和保定市化工原料厂等。
表1.3为我国季戊四醇主要生产厂家和生产能力。
表1∙3我国季戊四醇主要生产厂家和生产能力（t∕a）
生产厂家
生产能力
备注
湖北省宜化集团有限责任公司
15000
2002年扩能
湖南衡阳三化实业股份有限公司
13000
云天化集团公司
IOOoO
1999年建成投产
泄市化工原料厂
IOOoO
2003年建成投产
吉化公司长松化工厂
75∞
江苏力强集团公司化工厂
6000
河南濮阳甲醇厂
5000
辽河油田有机化工厂
3000
近儿年来我国季戊四醇迅速发展，1995〜2004年，我国季戊四醇产量年均增长率为16.2%。
而且也山仅有一套万吨级规模增加到四套。
其中有二套生产装置为采用先进技术新建的装置。
尽管我国近年来季戊四醇发展加快，但是与国际水平和国内下游产品需求仍存在较大差距。
存在主要问题有：
一是装置规模小，至2004年国内生产能力超过5000t/a厂家仅有7家，80%企业主产能力低于5000t∕a,而且多数能力为1000-3OOOt/a左右，还有的采用落后的钙法生产，环境污染严重，生产成本高，长期处于停产或半停产状态；二是装置能力过剩，开工率低下，尽管到2004年国内产量增长幅度高于生产能力增长幅度，装置开工率由1998年的40%增加到LI前的55%左右，但是仍有近一半装置处于停产状态；三是合成技术落后，IJ前国内能够釆用自行开发技术建设万吨级装置，但是合成技术与国外先进技术相比，仍存在环境污染严重，产品结构单一，档次低，产品质量较差等差距。
2002年以前我国每年大量进口季戊四醇满足国内需求，从某种程度也说明了当时我国季戊四醇已存在产品质量低、结构不合理等问题。
1.2.3国内外季戊四醇市场分析
Ll前全球季戊四醇供需基本平衡，消费需求稳步缓慢增长，近年来年均增长率约为2.5%左右，从区域性结构来看，亚洲仍是今后世界季戊四醇工业发展的重点地区。
市场需求增长速度较快，近儿年亚洲地区（除日本外）市场需求年均增长率为8%左右，今后继续保持较高增长速度。
从产品结构上看，由于高档特种涂料及飞机、轿车润滑油工业发展，二和三季戊四醇市场需求增加。
IJ前全球生产能力难以满足市场需求，且供需矛盾日益突出，成为世界季戊四醇工业新的增长点。
在2002年以前，我国季戊四醇的进口量一直呈增加趋势，其中2001年进口量达到10667吨，历史最高记录。
随后，随着国内生产能力和产量的不断增加，进口量大幅度减少。
2006年进口量2445吨，2007年为2283吨，2008年进口量为2万吨，同比减少约7.8%o2009年1〜6月份进口量为914吨，同比减少25.4%；在进口的同时，我国季戊四醇也有少量出口，且出口量逐年增加。
2006年出口量为32665吨,2007年增加到46014吨，2008年进一步增加到63274吨，同比增长37.5%,2009年1〜6月份出口量达到22429吨，同比减少39.3%18L近儿年我国季戊四醇的进出口情况见表1.4o
表1.4我国季戊四醇的进出口情况
年份
进口量/（t/a）
进口平均金额
/（万美元/1）
岀口量/（t/a）
出口平均金额
/（万美元/1）
2002
9822
867.4
132
1984.8
2003
2641
1126.5
7847
100&9
2004
2231
1289.1
15605
1081.8
2005
1986
1353.5
20151
1094.0
2006
2455
1349.5
32665
1154.9
2007
2283
1825.7
46014
1567.0
2008
2104
2281.4
63274
1876.3
2009（1-6）
214
1935.4
22429
1300.7
1997年至2008年底，季戊四醇市场大起大落。
国内一些老企业退出，漂阳化工、鹏鑫化工等新兴企业加入；国外塞拉尼斯装置关闭、PerStorP德国工厂爆炸，国内外季戊四醇产能、产量的变化导致产品价格大幅波动，最高达到13300元/吨，最低仅为5500元/吨【9】。
表1.5为近儿年来我国季戊四醇的供需平衡情况。
表1.5近几年来我国季戊四醇的供需平衡情况（单位：
万t∕a）
年份
产虽
进口量
出口量
表观消费量
2002
5」0
0.98
0.01
6.07
2003
6.50
0.26
0.78
5.98
2004
10.80
0.22
1.56
9.46
续表1.5
年份
产量
进口量
出口量
表观消费量
2005
14.60
0.20
2.02
12.78
2006
14.00
0.25
3.27
10.98
2∞7
15.00
0.23
4.60
10.63
2008
17.50
0.21
6.33
11.38
据预计，到2012年我国对季戊四醇的总需求量将达到约15.7万吨，其中醇酸树脂所占比例将有所下降，而润滑油松香酯和聚氨酯领域比例将有所上升，这些领域对季戊四醇质量要求比醇酸树脂领域要高，而且对双季戊四醇和三季戊四醇的需求将快速增加。
届时的产能将达到约35万吨，届时产能将过剩，市场竞争将更加激烈卩叭
13主要生产方法
自从1938年美国以屮醛与乙醛在碱性介质中缩合季戊四醇实现了工业化生产以来，国内外对季戊四醇的合成工艺的研究就一直没有停止，其生产技术得到了快速的发展。
主要的方法有CanniZZarO法和缩合加氢法两类。
1.3.1CanniZZarO（康尼扎罗）法lk,1,121
在碱存在下，首先是三分子甲醛与一分子乙醛缩合反应形成季戊四糖（多疑屮基醛），季戊四糖与屮醛都无α氢原子，进一步发生氧化还原，屮醛较活泼，被氧化为酸，生成屮酸钠，季戊四糖被还原成醇根据催化剂的不同，该法乂分为以下四种。
1.3.1.1氢氧化钙法
以氢氧化钙作为碱性催化剂，简称“钙法”。
“钙法”原材料成本低廉，但后处理增加沉淀和过滤步骤以除去钙离子。
此外，产品中残余“钙灰”在高温下对季戊四醇的分解有催化作用。
另外有些研究认为Ca"会催化屮醛缩合为屮醛聚糖的副反应，对提高季戊四醇的收率不利。
1.3.1.2氢氧化钠法
氢氧化钠法是以氢氧化钠作为碱性催化剂，简称钠法。
季戊四醇的生产经历了山钙法向钠法转变的过程。
根据反应温度的不同，钠法乂分为高温法和低温法。
高温法使反应的温度控制在40~80°C,在反应终了时升温至85oC,以中醛自身的CanniZZarO反应破坏过量屮醛。
低温法则将反应温度控制在25~30°C,以减少副
反应。
1.3.1.3混合碱法【四
该方法采用碱性相对较弱的碳酸盐和碳酸氢盐混合物作为碱性缩合反应的催化剂，合成原理与传统方法“钠法”相似，即先进行AIdOl醇醛缩合反应，再经过CanniZZarO反应得到季戊四醇和甲酸钠，不同的是该工艺中增加了将屮酸盐在贵金属催化剂作用下，通过氧化或水解转化为碳酸盐和碳酸氢盐的工序，作为后批次生产用催化剂从而实现催化剂的循环利用，节省了大量的碱，降低了生产成本，有利于提高产量和经济效益；该工艺副产物少，无“三废”产生，对设备的腐蚀性小是一种可持续发展的绿色工艺，发展前景看好。
Ll前，该工艺还处于中试阶段。
1.3.1.4交换离子催化法
该工艺使用的是固定床间歇式反应器，以强碱性离子交换树脂为缩合剂，控制一定的停留时间。
交换柱的流出物经蒸谓分离出中醛，母液浓缩分离出季戊四醇和屮酸钠。
离子交换树脂用稀的强碱溶液（如质量分数为6%的NaoH溶液）再生，然后用蒸谓回收的屮醛溶液进行洗涤。
该法能有效地抑制屮醛的自身缩合的副产物，但工艺较为复杂，对离子交换树脂的再生和洗涤较为繁琐，且同样面临着副产物屮酸钠的问题，产品的规模也不会太大，该法尚处在摸索阶段。
1.3.2缩合加氢法I屮⑸
该方法是将屮醛、乙醛和三乙胺及水按一定比例混合后，在低温下缩合生成三疑中基乙醛，再在减压下蒸憎，分离出来的三乙胺返回缩合工序循环使用。
三疑屮基乙醛再在加压下催化加氢，使醛基还原为疑基而制得季戊四醇。
与传统的方法相比较。
该法不仅反应温度较低、后处理步骤简单、产品质量好、节省了甲醛和大量的碱。
而且解决了传统生产方法中副产屮酸盐的存在问题，对环境污染较小。
另外，该法提纯精制工艺简单、所需设备少、投资省、成本低，适合规模化连续生产，但该工艺对氢源质量、加氢设备和催化剂等的要求高，因而IJ前还没有实现工业化生产。
2生产工艺设计
2.1生产方法
本设计釆用以氢氧化钠为催化剂的“氢氧化钠法”（即钠法）。
虽然氢氧化钠的价格较贵，但由于副产物屮酸钠易溶于水，使后处理步骤减少，减少了处理成本。
此外，产品中“钠灰”的存在不致促进季戊四醇的分解反应，减少了副产物的生成，提高了产品质量，并且钠法工艺在我国普遍采用，技术成熟易于操作。
2.2反应原理【‘⑺
反应式：
4CH2O+CH3CHO+NaOH、-C（CH2OH）4+HCOONa
反应机理：
CH3CHO÷HCHOCH2OH—CH2-CHO
CHoH
I-
HOHOC-CH-CHO+HCHO—
I■
―-HOH7C-C-CHO
乙I
CH9OH
CH2OH
CHooH
CHoOH
I一
I「NaOH
HoHC-C-CHO+HCHO
HoFbC-C-CFbOH•
I
CHMDH
I
CFbOH
CH2OH-CH2-CHO+HCHO
HOH7C-CH-CHO
^ICH7OH
HCOONa
2.3工艺流程
本设计釆用低温钠法，生产过程分为七个工序，包括缩合、中和、脱醛、蒸发、结晶、分离、干燥。
首先屮醛（过量较多）与乙醛在碱性水溶液中反应，生成物为含有季戊四醇、屮酸钠和屮醛的水溶液，其中屮酸钠含量约是季戊四醇的一半。
因为屮酸钠在水中的溶解度比季戊四醇大的多（季戊四醇易溶于热水），因此将缩合反应液经过脱醛、降温、浓缩、结晶、离心分离、水洗等步骤处理后得到不含屮酸钠和屮醛的季戊四醇湿结晶，最后干燥得到季戊四醇成品。
结晶后的母液经分步结晶法逐一回收屮酸钠及季戊四醇。
为提高回收率，可进行多次循环回收。
图2」为生产工艺流程方框图。
甲醛
乙醛
氢氧化钠
图2.1季戊四醇生产工艺方框图
2.3.1缩合
缩合为放热反应，反应釜为夹套式，冷却介质为冷冻盐水。
首先将适量的屮醛溶液（浓度为37%）用泵送入缩合釜。
在搅拌的情况下，调节冷却器盐水，使温度保持在10〜12°C。
于15分钟内将适量的稀碱（30%NaOH溶液）加入缩合釜内。
调节盐水量控制料温，逐步升温至15〜18°C,然后将适量的乙醛（98%）根据先快后慢的程序在4小时内加完。
在
升级会员 