完整版年产2万吨对硝基苯甲酸乙酯工艺设计毕业设计.docx
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完整版年产2万吨对硝基苯甲酸乙酯工艺设计毕业设计
年产2万吨对硝基苯甲酸乙酯工艺设计
ProcessDesignofEthy4-nitrobenzoatefor20kta
目录
摘要
Abstract
引言1
第一章文献综述2
1.1生产对硝基苯甲酸乙酯的反应原理2
1.2新型催化剂2
1.2.1苯磺酸2
1.2.2对甲苯磺酸2
1.2.3三氧化二钕2
1.2.4钨锗杂多酸3
1.2.5硫酸氢钾3
1.3精馏塔的发展状况3
1.4对硝基苯甲酸乙酯的发展趋势5
第二章对硝基苯甲酸乙酯的生产工艺流程6
2.1产品及原料性能6
2.2对硝基苯甲酸乙酯生产原理7
2.2.1催化剂的选择7
2.2.2反应原理7
2.3生产工艺简介及工艺流程8
2.3.1连续酯化工艺8
2.3.2预酯化反应阶段8
2.3.3连续酯化反应阶段8
2.3.4精馏阶段9
第三章工艺计算10
3.1物料组成及设计方案10
3.2精馏塔的物料衡算10
3.2.1原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分率10
3.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量10
3.2.3物料衡算11
3.3塔板数的确定11
3.3.1泡点进料温度11
3.3.2最小回流比及操作回流比12
3.3.3精馏塔气液相负荷13
3.3.4操作线方程13
3.3.5图解法求理论板数13
3.3.6实际板层数14
3.4精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算15
3.4.1操作压力计算15
3.4.2操作温度计算15
3.4.3平均摩尔质量计算15
3.4.4平均密度计算16
3.4.5液体平均表面张力计算16
3.4.6液体平均粘度计算17
3.5精馏塔的塔体工艺尺寸的计算17
3.5.1塔径的计算17
3.5.2精馏塔有效高度的计算19
3.6塔板主要工艺尺寸的计算20
3.6.1溢流装置计算20
3.6.2塔板布置22
3.7筛板的流体力学验算23
3.7.1塔板压降23
3.7.2液面落差24
3.7.3液沫夹带24
3.7.4漏液25
3.7.5液泛25
3.8塔板负荷性能图25
3.8.1漏液线25
3.8.2液沫夹带线26
3.8.3液相负荷下限线27
3.8.4液相负荷上限线27
3.8.5液泛线27
第四章塔及其它设备的选型31
4.1塔管径计算31
4.1.1进料管计算31
4.1.2塔顶出料管计算31
4.1.3塔底出口管径计算31
4.1.4塔顶蒸汽出口管径31
4.2塔高计算32
4.2.1孔径32
4.2.2塔顶空间32
4.2.3塔底空间32
4.2.4裙座32
4.2.5塔的壁厚32
4.2.6封头的壁厚32
4.2.7封头高度32
4.3反应釜33
4.3.1釜体积33
4.3.2釜高33
4.3.3釜壁厚33
4.3.4夹套直径和高度的确定33
4.3.5搅拌装置33
4.4冷凝器33
4.5管式反应器34
4.5.1内筒体计算34
4.5.2外筒体计算34
4.5.3封头计算34
4.6离心泵34
结论35
致谢36
参考文献37
附录39
年产2万吨对硝基苯甲酸乙酯工艺设计
摘要：
本设计在简要介绍对硝基苯甲酸乙酯生产能力现状及分析对硝基苯甲酸乙酯生产工艺技术进展的基础上，以年产2万吨对硝基苯甲酸乙酯为生产目标，采用直接连续酯化制取对硝基苯甲酸乙酯的工艺方法，对整个工段进行工艺设计，设计出完整的工艺流程，并设计精馏塔分离出高纯度的对硝基苯甲酸乙酯。
根据物料平衡得精馏塔进料量为23.015kmolofEthy4-nitrobenzoatefor20kta
Abstract:
Thisdesignisonabriefethy4-nitrobenzoateproductionpresentsituationandanalysisofethy4-nitrobenzoateonthebasisofprogressinproductiontechnologyofethy4-nitrobenzoate.Thetargetis20ktaofethy4-nitrobenzoate.Preparationofethy4-nitrobenzoatebydirectesterificationmethod.Theentiresectionfortechnologicaldesignedacompleteprocessandseparatethecolumnis23.015kmolrequirementsthatthediameteroftherectifyingtoweris600mmandoffluidmechanicsofsieveplateanddrawuptheloadperformancediagram.Finally,thepurityofethy4-nitrobenzoateproductscanbe99.5%.
Keywods:
Ethy4-nitrobenzoate;Rectification;Materialbalance;Heatbalance;Processdesign
引言
对硝基苯甲酸乙酯（Ethy4-nitrobenzoate）又名4-硝基苯甲酸乙酯，分子式是C9H9NO4，无色或浅黄色针状结晶，熔点为57℃、沸点为186.3℃，易溶于乙醇、乙醚，不溶于水，常用作有机合成中间体。
在医药工业，用于生产苯佐卡因、盐酸普鲁卡因等麻醉药剂，同时也是一种用于防止皮革制品、软塞产品和某些颜料霉变的最有效的杀菌剂。
目前世界上生产对硝基苯甲酸乙酯的主要方法是对硝基苯甲酸与乙醇酯化反应生成对硝基苯甲酸乙酯。
最常用的合成方法是对硝基苯甲酸与相应醇的直接酯化法，这是一个典型的可逆过程，反应速度慢平衡常数小，即使在加热回流的情况下,也需要很长时间才能达到平衡。
为了提高酯的产率，可增加其中一种较便宜、易分离原料的用量,使平衡向生成物方向移动；也可以加装分水器不断除去反应生成的水；另一种有效的方法是加入催化剂,在这方面近年来出现大量卓有成效的工作。
工业上羧酸酯的合成一般采用硫酸为催化剂[1]，但是严重腐蚀设备，副反应多，后处理复杂，故本设计采用新型催化剂，对年产量为2万吨的对硝基苯甲酸乙酯生产工艺流程和精馏段工艺进行设计，设计出产量高、副反应少、工艺流程简单、对环境污染小的对硝基苯甲酸乙酯生产工艺流程，为新型对硝基苯甲酸乙酯生产装置的投产提供理论支持，以满足我国日益增长的对硝基苯甲酸乙酯的供应需求。
第一章文献综述
1.1生产对硝基苯甲酸乙酯的反应原理
目前工业上生产对硝基苯甲酸乙酯的主要方法是对硝基苯甲酸与乙醇在硫酸为催化剂的条件下脱水酯化反应生成酯。
对设备腐蚀严重，副反应多，后处理复杂。
随着众多环境友好型催化剂被开发出，采用新型催化剂的工业生产也势在必行。
目前生产对硝基苯甲酸乙酯的主要方法是直接酯化法。
直接酯化生产对硝基苯甲酸乙酯即是用对硝基苯甲酸和乙醇在催化剂的作用下脱水酯化生成对硝基苯甲酸乙酯。
反应方程式如下[2]：
1.2新型催化剂
1.2.1苯磺酸
周虹屏等[3]以苯磺酸为催化剂，实现了对硝基苯甲酸与乙醇反应合成对硝基苯甲酸乙酯。
苯磺酸对硝基苯甲酸乙酯的合成具有良好的催化性能，催化产率高且外观颜色较深。
并在实验的基础上得出最佳反应条件：
以0.025mol对硝基苯甲酸为准，n（对硝基苯甲酸）:
n（乙醇）=1:
4催化剂用量为1.2g反应4h，反应温度78~82C，产率达98.6%。
1.2.2对甲苯磺酸
唐明明等[4]以对甲苯磺酸为催化剂，合成了对硝基苯甲酸乙酯。
在实验的基础上得出：
其最佳反应条件为：
醇酸摩尔比4:
1，催化剂用量为醇酸总量9%，反应时间2.5h，反应温度81~85℃，酯化反应产率高达95.8%。
对甲苯磺酸作催化剂合成对硝基苯甲酸乙酯，生产工艺简单，反应时间短，产品色泽浅，收率高。
合成对硝基苯甲酸乙酯的最佳工艺条件为：
醇酸摩尔比4:
1，催化剂用量9%，反应时间2.5h，反应温度81℃~85℃。
1.2.3三氧化二钕
李晓莉等[5]用三氧化二钱作催化剂用于对硝基苯甲酸乙醋的合成，具有活性高、不腐蚀设备、污染少的优点。
并得出了合成对硝基苯甲酸乙醋的最佳工艺条件为：
0.015mol对硝基苯甲酸，n（对硝基苯甲酸）:
n（乙醇）=1:
6，催化剂用量0.10g，带水剂用量为9.5mL，反应时间为3h，反应温度79~81℃，收率大于89％。
1.2.4钨锗杂多酸
吴庆银等[6]经实验研究得出杂多酸是固体超强酸，具有活性高、不腐蚀设备、污染少等优点，但是钨锗酸催化合成对硝基苯甲酸乙酯的产率较低，这主要是由于对硝基苯甲酸本身的结构所造成的。
羧酸的共轭效应越强，羰基吸电子性越弱，其酯化的产率越低，这与杂多酸催化酯化反应的规律相一致。
对硝基苯甲酸乙酯的适宜工艺条件为：
对硝基苯甲酸10g，钨锗杂多酸1.0g，反应时间8.0h,醇酸摩尔比5.8，带水剂甲苯10ml，反应温度79～81℃，此时，酯的收率达78.8%。
1.2.5硫酸氢钾
王浩等[7]在对硝基苯甲酸乙酯的合成中首次采用硫酸氢钾作为催化剂，在实验的基础上得出：
硫酸氢钾对此反应具有极高的催化活性，在对硝基苯甲酸0.015mol、醇酸摩尔比4:
1、催化剂用量0.40g、反应时间4（乙醇）:
n（对硝基苯甲酸）=12.5:
1
根据反应方程式，反应后n（乙醇）:
n（对硝基苯甲酸乙酯）=11.5:
1
过量乙醇在塔顶以蒸汽形式排出并冷凝，除去95%的乙醇，剩下5%与塔釜的对硝基苯甲酸乙酯互溶形成混合物。
故在塔釜n（乙醇）:
n（对硝基苯甲酸乙酯）=0.575:
1。
对硝基苯甲酸乙酯的分率：
（3-1）
全年365天，除去保养、设备的检修以及开停车、放假等总计65天，年工作时间为300天，每天24小时，总工作时间为24×300=7200小时。
生产能力为2万吨每年；进料组成：
12.95%（乙醇的质量分率，下同）；塔顶产品组成>99.5%；塔釜产品组成<0.5%。
常压、泡点进料。
产品不易结焦粘度不大，故采用筛板塔。
操作压力4kPa（塔顶表压），单板压降<0.7kPa。
冷却剂与蒸汽自选合适条件。
3.2精馏塔的物料衡算
3.2.1原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分率
对硝基苯甲酸乙酯的摩尔质量MA=195.17kgkmol
乙醇的摩尔质量MB=46.07kgkmol
（3-2）
（3-3）
（3-4）
3.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MF=0.3839×46.07+（1-0.3839）×195.17=137.93kgkmol（3-5）
MD=0.9988×46.07+（1-0.9988）×195.17=46.25kgkmol（3-6）
MW=0.0208×46.07+（1-0.0208）×195.17=192.07kgkmol（3-7）
3.2.3物料衡算
总物料衡算：
F=D+W（3-8）
式中，F为进料量（kmol=0.92
3.3.3精馏塔气液相负荷
L=RD=0.92×8.545=7.86kmol
稳定系数为（3-47）
故设计中无明显漏液。
3.7.5液泛
为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从下式的关系，即：
Hd≤φ（HT+=0.0906m3s
故操作弹性为
。
Ls10-4，m3s
图3.6精馏段筛板负荷性能图
根据工艺计算[19-21]，所设计筛板的主要结果汇总与表3.6。
表3.6筛板塔设计计算结果
序号
项目
数值
1
平均温度，oC
83.5
2
平均压力，kPa
108.8
3
气相流量，（m3s）
0.124
4
液相流量，（m3s）
0.00024
5
实际塔板数
20
6
有效段高度，m
7.65
7
塔径，m
0.6
8
板间距，m
0.4
9
溢流形式
单溢流
10
降液管形式
弓形
11
堰长，m
0.396
12
堰高，m
0.0452
续表3.6筛板塔设计计算结果
序号
项目
数值
13
板上液层高度，m
0.05
14
堰上液层高度，m
0.0048
15
降液管底隙高度，m
0.00863
16
安定区宽度，m
0.02
17
边缘区宽度，m
0.03
18
开孔区面积，m2
0.263
19
筛孔直径，m
0.005
20
筛孔数目
760
21
孔中心距，m
0.02
22
开孔率，%
5.67
23
空塔气速，ms
0.4389
24
筛孔气速，ms
8.32
25
稳定系数
2
26
每层塔板压降，Pa
467.4
27
负荷上限
液泛控制
28
负荷下限
漏液控制
29
液沫夹带，（kg液kg气）
0.00156
30
气相负荷上限，m3s
0.00056
31
气相负荷下限，m3s
0.00204
32
操作弹性
3.72
第四章塔及其它设备的选型
4.1塔管径计算
4.1.1进料管计算
若uF在0.4-0.8中取值，取0.4ms
由公式（4-1）
可得：
D=49mm
所以取进料管取管径为50mm。
4.1.2塔顶出料管计算
取uD=0.4ms
由公式（4-2）
可得：
D=22mm
所以取塔顶出料管管径为30mm。
4.1.3塔底出口管径计算
取uW=0.4ms
由公式（4-3）
可得：
D=28mm
所以取塔底出口管径为30mm。
4.1.4塔顶蒸汽出口管径
常压操作时，塔顶蒸汽的适宜气速为12-20ms。
取气速u=13ms
已知塔内上升蒸汽流量Vs=0.124m3s
可得：
D=110mm
所以取塔顶蒸汽出口管径为150mm
4.2塔高计算
4.2.1孔径
全塔开3个手孔，分别在塔顶、塔釜和进料板处，手孔处板间距为800mm手孔为150mm。
4.2.2塔顶空间
塔顶空间是指最高一层板至塔顶的距离，为了减小塔顶蒸汽中液体中液体夹带量，塔顶空间取1450mm。
4.2.3塔底空间
为防止操作波动对后继设备操作的影响，塔底空间起贮槽的作用，塔底产品停留时间为3.5min。
为方便从再沸器进到塔内的蒸汽能均匀分布，以塔底液面到塔最下一块塔板还要有0.8米空间，塔底空间取1600mm。
综上所述：
塔高（不含裙座）：
H=12000mm
4.2.4裙座
裙座内径：
Dis=600mm
基础环内径：
Dib=500mm
基础环外径：
Dob=800mm
裙座高度：
4.2.5塔的壁厚
校核后塔的壁厚[25]为：
8mm
4.2.6封头的壁厚
校核后封头的壁厚[25]为：
8mm
4.2.7封头高度
公称直径：
D=600mm
直边高度：
=16mm
4.3.4夹套直径和高度的确定
标准椭圆封头曲面高度为h=990mm
直边高度为h=50mm
夹套高度H=3200mm
夹套传热面积F=54.056m2
夹套壁厚δn=12mm
4.3.5搅拌装置
选定为单层开启式直叶涡轮桨
搅拌器直径DJ=1900.00mm
搅拌器离底高度h=950.00mm
搅拌器宽度b=190.00mm
取桨叶数Z=3
4.4冷凝器
该工艺流程选用列管式冷凝器各部分数据如下：
管长校核后取2.2m
管道壁厚：
40mm
管道数量：
15×5+16×5=155
管道总表面积：
3.14×0.058×2.2×155=62.10m2
4.5管式反应器
工艺流程中管式反应器选用立管式反应器其各部分尺寸如下：
4.5.1内筒体计算
（1）选反应器长度为2.5米，半径为0.15米
反应操作容积为0.09m3，全容积0.136m3
（2）筒体内壳直径300mm
筒体内壳壁厚40mm
4.5.2外筒体计算
外筒体直径0.49m，长度2.5m
外壳壁厚30mm
4.5.3封头计算
平板型端盖厚度为70mm，基层厚度65mm，复层厚度5mm
封头接触面积直径300mm
4.6离心泵
该工艺流程中根据物性的不同，酯化产物的输送离心泵可选择FSB系列氟塑料合金离心泵，长期输送任意浓度的各种酸、碱、盐、强氧化剂等多种腐蚀性介质，其壳体及过流部分全部用F50氟合金制成，它集多种氟塑料之有点，具有特强的耐腐蚀性，并具有机械强度高，不老化，五毒素分解优点。
该产品机械强度高，设计合理，结构紧凑，性能可靠，使用维修方便，节约能源。
乙醇输送离心泵选择ISW80-160A，其流量（Ls）可达到13.0、16.9、8.4，对应的扬程（m）可达到28、24、26，对应的效率可达到70%、69%、68%。
结论
本设计采用乙醇和对硝基苯甲酸为原料，直接酯化生产出对硝基苯甲酸乙酯。
先后经过预酯化、连续酯化、精馏收集对硝基苯甲酸乙酯等工段，工艺合理，原料利用率高，产品质量和产率均达到预期标准。
通过物料衡算、热量衡算及一系列的工艺计算，理论上得到了对硝基苯甲酸乙酯精馏工段的主体设备精馏塔的主要工艺参数，其中塔径0.6m，塔高14.00m，实际板层数20块，产品纯度为99.5%。
采用新型催化剂和连续酯化进料生产工艺，工艺流程简单，后处理方便，生产效率高，对环境影响小，大幅提高了对硝基苯甲酸的转化率，减少了工业三废的排放量，适应绿色工艺的步伐。
适应于中小型企业选用。
综上所述本工艺设计是可行的，而且很有应用价值。
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附录
附录1精馏塔设备图
附录2工艺流程图
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