化工机械本科毕业设计DOC.docx

1、化工机械本科毕业设计DOC本科毕业设计题 目年产5000吨邻苯二甲酸二乙酯的车间工艺设计 酯化反应釜的设计 学生姓名 专业名称 化学工程与工艺 指导教师 年 月 日目 录摘要 4Abstract 41 概述 51.1物理性质 51.2化学性质 61.3用途 61.4市场状况 61.4.1市场分析 61.4.2国内生产厂商 71.4.3产品价格与规格 82 生产方法介绍 82.1邻苯二甲酸二乙酯在工业上的合成方法 72.2合成路线的选择 82.3邻苯二甲酸二乙酯生成工艺介绍 92.3.1主要原料及规格 92.3.2原理 92.3.3工艺操作步骤 103 生产工艺流程示意图 104 酯化工段工艺设

2、计 104.1设计主要原则 104.2设计工艺要求 114.3物料衡算 114.4能量衡算 134.4.1总能量衡算 134.4.2相关物料的物性参数 134.4.3乙醇回流所需的汽化热 144.4.4酯化反应放出热 154.4.5外部给热量 154.5反应釜的尺寸计算 154.5.1反应釜体积 154.5.2换热面积 164.5.3所需蒸汽量 164.5.4酯化釜的选择 165 酯化釜的设计图 16小结 17参考文献 18谢辞 19附录1（酯化釜的设计图） 20附录2（开题报告） 21附录3（结题报告） 22附录4（答辩报告） 23年产5000吨邻苯二甲酸二乙酯车间工艺设计 酯化反应釜的设计

3、王 豪1（宝鸡文理学院 ，陕西 宝鸡 721007）摘 要：邻苯二甲酸二乙酯用作增塑剂，溶剂，润滑剂，定香剂，有色或稀有金属矿山浮选的起泡剂，酒精变性剂，喷雾杀虫剂等。本文介绍了邻苯二甲酸二乙酯的性质、用途和生产方法，确定了本设计所采用的生产工艺流程。根据设计任务，本文对酯化工段进行了工艺设计，进行了物料衡算，热量衡算、酯化反应器的工艺计算，并绘制了酯化反应器的图纸。关键词：邻苯二甲酸二乙酯；生产工艺；酯化工段设计The process design of diethyl phthalate workshop with annual production capacity of 5000 to

4、ns- The design of ester reactor Wanghao (Baoji university of arts and sciences , Baoji, Shaanxi 721007)Abstract:：Diethyl phthalate is used as plasticizers, solvents, lubricants, fixative agent, coloured or precious metal mine floatation of the foaming agent, alcohol denaturant, spraying pesticides.

5、This paper introduces the use, the production method for diethyl phthalate, and the process used in this design is determined. According to the design task, this article is about the design of ester reactor. The material balance and heat balance of esterification reactor was calculated and esterific

6、ation reactor drawing was drawn.Key words: Diethyl phthalate, The production process, design for the esterification. 交稿日期：2015-5-01 指导老师：作者简介：(1993-)，男，陕西汉中人，化学化工学院2015级毕业生。1概述邻苯二甲酸二乙酯（Diethyl phthalate），又称钛酸乙酯，是由C、H、O三种元素组成的有机化合物，其分子由苯环和酯基官能团两部分组成。分子式为C12H14O4，相对分子量为222.241.邻苯二甲酸二乙酯结构式为：1.1物理性质（1）

7、邻苯二甲酸二乙酯为无色至微黄色澄清油状液体，无色、无臭、透明、微具有芳香性。在乙醇、乙醚、丙酮等有机溶剂中极易溶解，几乎不溶于水。（2） 邻苯二甲酸二乙酯的理化常数表1 邻笨二甲酸二乙酯的理化常数表项 目工业级化学纯分析纯酯含量，%99.099.0100.599.5100.5酸度（C8H6O4），%0.010.010.01水份，%0.100.080.05色泽（铂钴比色），号302520相对密度（d420）1.1181.1221.1911.1951.1911.195折光率（n20D)1.5001.5051.5001.5051.5001.505灰份，%0.010.010.01热稳定性，号5050闪

8、点，1301301301.2化学性质（1） 邻苯二甲酸二乙酯在二氧化碳气氛中煮沸8小时，分解成乙烯、乙醇、邻苯二甲酸酐、苯二甲酸一乙酯等。（2） 常温下与水一起放置时没有反应，在250325、10MPa时生成邻甲基苯甲酸、邻苯二甲酸及少量苯甲酸、甲烷、二氧化碳等。在氢氧化钠醇溶液中，25进行水解时，5分钟有10%，25分钟有30%，4小时有60%发生水解。（3） 邻苯二甲酸二乙酯在二氧化碳气氛中煮沸8小时，分解成乙烯、乙醇、邻苯二甲酸酐、苯二甲酸一乙酯等。常温下与水一起放置时没有反应，在250325、10MPa时生成邻甲基苯甲酸、邻苯二甲酸及少量苯甲酸、甲烷、二氧化碳等。在氢氧化钠醇溶液中，2

9、5进行水解时，5分钟有10%，25分钟有30%，4小时有60%发生水解。（4） 邻苯二甲酸二乙酯与金属盐形成结晶性的分子化合物。1.3用途（1）与乙醇、乙醚、丙酮、苯有机溶剂混溶，不溶于水。对氯化橡胶、松香、硝酸纤维素、松香酸苄酯、香豆酮树脂、甘油三松香酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙酸乙烯酯、乙基纤维素、氯乙烯 乙酸乙烯酯共聚物等都有很好的溶解能力。但醋酸纤维素不大溶解。可燃。着火时用泡沫灭火剂、二氧化碳或四氯化碳等灭火。（2）邻苯二甲酸二乙酯在二氧化碳气氛中煮沸8小时，分解成乙烯、乙醇、邻苯二甲酸酐、苯二甲酸一乙酯等。常温下与水一起放置时没有反应，在250325、10MPa时生成邻甲

10、基苯甲酸、邻苯二甲酸及少量苯甲酸、甲烷、二氧化碳等。在氢氧化钠醇溶液中，25进行水解时，5分钟有10%，25分钟有30%，4小时有60%发生水解。（3）邻苯二甲酸二乙酯与氨的甲醇溶液反应生成邻苯二甲酰胺。在沸腾的醇中与尿素和乙醇钠反应生成邻苯二甲酰亚胺。与苯基溴化镁反应生成10,10-二苯基蒽酮。与乙二醇一起在真空中加热时，190以上开始反应，300生成邻苯二甲酸乙二醇酯的聚合物。（4）邻苯二甲酸二乙酯与金属盐形成结晶性的分子化合物。例如与四氯化锡形成熔点为104的晶体，该晶体容易水解。1.4市场状况1.4.1市场分析DEP可用作聚乙酸乙烯酯乳化液的增粘剂、 在药剂制造中也用作溶剂及润滑剂、香

11、料留香剂、 食品包装薄膜的无毒胶粘剂、 有色或稀有金属矿山浮选的起泡剂、 气相色谱固定液、酒精变性剂、 喷雾杀虫剂、 火箭推进剂的稳定剂等。尽管DEP由于挥发性大，工业生产难度很大，使其发展受到一定限制，但在其它领域用处颇多，仍有非常广阔的市场。采用合理的催化剂及分水剂，并合理调整酯化工艺条件，可是DEP产品收率提高至90.0%，降低了DEP产品生产成本，从而使产品更具有市场竞争力。1.4.2国内生产厂商介绍（1）轩威化工：依托着与中国石油天然气集团建立的良好合作关系和资源共享的平台上，研发的新一代YQ1-YQ-5系列的轻质环保燃料油，是国家认证的环保优质燃料，溶剂油，（部分产品已申请了国家发

12、明专利）。是节能性优越的产品，完全可以替代柴油的燃烧使用，减少企业对用油的成本，并具有良好的经济效益和社会效益，该系列产品适用于各大生产型企业（包括化学工业、纺织工业、食品工业、金属锻炼、矿石衍炼、陶瓷烧制、宾馆、医院、温水游泳池等各行业领域的各种型号的蒸汽锅炉、导热油锅炉、热风烘干锅炉，回火炉等。（2）苏州乐诚化工：是一家化工超市性质的化工原料经营企业。我公司专业从事有机溶剂、无机酸碱、印染助剂、化工辅料、水处理药剂等化工原料的经营批发，产品涵盖印染、涂料、环保、电子、电镀、玻璃、橡胶等多个行业。目前经营的化学品种类有近200种，产品种类还在不断扩展。（3）青岛益进中贸易有限公司：生产和经营

13、多种化工涂料。主要以代理国内国际知名品牌化工原材料和批发的汽车修补涂料及辅料为主。主要产品有碳酸二甲酯、丙二醇，二乙胺，二甘醇，三甘醇，丙二醇等。公司与多家零售商和代理商建立了长期稳定的合作关系。（4）德泰辉化工：德泰辉化工是一家以磷化工系列产品和精细化工产品的开发、生产和销售为主业的公司，现拥有工业级、食品级、牙膏级、饲料级等系列产品70多个，主导产品出口亚、欧、美、非等全球30多个国家和地区，与世界500强企业宝洁、陶氏、联合利华等国际化工巨头建立了战略合作关系。（5）广州全澳化工产品有限公司：广州全奥化工产品有限公司成立于2014年，是主要从事精细化工，香精香料，食品添加剂，医药原料及中

14、间体系列产品的生产和经营（乙酰唑胺，D-酒石酸二乙酯，阿那曲唑，盐酸二甲双胍，盐酸氯丙那林，右旋糖20，吉非替尼，索拉非尼,达沙替尼，埃罗替尼，拉帕替尼，伊马替尼，尼罗替尼，舒尼替尼，西他列汀，西洛他唑，西洛他唑中间体等）。（6）上海八源化工有限公司：专业经营美国陶氏、日本三菱、日本住友、韩国三星、德国巴斯夫、英国壳牌、台湾中纤等进口原装化工原料。公司以“客户至上”为服务理念，本着“创新、进取”的企业精神。1.4.3产品价格与规格邻苯二甲酸二乙酯的市场价格为15000元/吨产品等级：优等品 含量99.9（%） 包装规格220Kg密度：1.120（g/cm3）执行质量标准国际标准 CAS：84-

15、66-2类目：羧酸衍生物 酯2生产方法介绍2.1邻苯二甲酸二乙酯在工业上的合成方法（1）国内传统方法醇酸直接酯化法2。由邻苯二甲酸酐和无水乙醇在浓硫酸作用下进行酯化反应，酯化液经中和、脱水、分馏而得成品。（2）固体酸催化法。固体酸催化剂主要包括分子筛型、功能高分子型、杂多酸型及固体超强酸等。（3）以乙醇-D6和苯酐为原料，在缩合剂的催化下生成邻苯二甲酸二乙酯化合物。（4）硫酸氢钠法。（5）对甲苯磺酸法等3。2.2合成路线的选择在合成邻笨二甲酸二乙酯的传统酯化反应中，选择浓硫酸为催化剂，其具有酸性强、吸水性强且价格便宜等优点，但是其同时具有强氧化性，在反应过程中可能导致磺化、碳化或聚合反应等副反

16、应发生，使得酯化反应的产率低，对合成反应的选择性差，并且硫酸会腐蚀设备，产生大量废液，造成一定程度的环境污染。采用固体酸作催化剂可以避免传统醇酸直接酯化法的缺点，并具有反应活性较高、反应速度较快、反应时间较短、选择性较好等优点，工艺过程比较简单、且易于工业化。不仅可以克服传统酯化工艺中，浓硫酸作催化剂腐蚀设备、污染环境等缺点，而且回收得到的催化剂可以重复使用，提高了利用率2。催化剂对反映的影响情况见表2。表2 催化剂对反映的影响4催化剂 反应时间/h 转化率(%)硫 酸 7 90对甲基苯磺酸 10 60 无 16 40由表4可见，添加催化剂的效果均好于未添加催化剂的效果；而采用硫酸作催化剂的效

17、果好于其他类型催化剂。故而，此次邻苯二甲酸二乙酯的厂房车间设计选用硫酸催化法。2.3邻苯二甲酸二乙酯的生产工艺介绍2.3.1主要原料及其规格主要原料及其规格如表3所示：表3 主要原料及规格品 名 规 格 苯 酐 一级品酒 精 95%对甲苯磺酸 一级品碳酸钠 分析纯活性炭 一级品环己烷 分析纯 2.3.2原理单酯化：酯化时，苯酐先醇解为单酯，该过程为快速反应，无需催化剂参与进行。双酯化：单酯酰基上碳的正电性较低，难以与醇羟基上的氧进行加成反应，因此必须在催化剂参与下才能与醇以较快速度反应。双酯化是个可逆反应，在整个酯化反应过程中反应速度最慢。为了加快反应进程，促使酯化反应向正反应方向（生成DEP

18、的方向）进行，可以采用以下两种方法：（1）醇过量（国内企业现用生产方法），（2）采用合适的分水法除去酯化反应中生成的水。2.3.3工艺操作步骤以邻苯二甲酸酐和无水乙醇为原料， 对甲基苯磺酸为催化剂， 在加热搅拌条件下回流8 h，合成邻苯二甲酸二乙酯。反应结束后， 常压蒸馏除去乙醇。冷却后， 经减压蒸馏得产品， 产率为49.5%， 产物经IR和折光率表征为目标产物。取一定量的无水乙醇、苯酐、催化剂（对甲苯磺酸）分别加入带有回流分水器的搅拌式酯化反应釜中，打开搅拌器。水浴加热至回流，进行常压酯化，并不断蒸出乙醇-水-分水剂的三元气相混合物；再经冷凝器冷凝至液态，导入分水器中分水，分水后的乙醇重新导

19、回酯化釜中进行酯化反应，反应至无水带出时为反应终点；再次升高酯化釜的反应温度，蒸出体系中过量的乙纯。待反应结束后，使反应器冷却至一定温度，用碱液（碳酸钠饱和溶液）中和，然后用水洗涤酯液。向洗涤后的粗酯中加入适量的活性炭，再经减压蒸馏。除去低沸点的馏分，蒸馏剩余物经抽滤即得邻苯二甲酸二乙酯成品5。在实验室中的合成操作：在1000L反应器中加入370Kg邻苯二甲酸酐，500L无水乙醇，在搅拌下溶解，再加入15L浓硫酸，加热回流8小时，取样测定酸值（每10mL测定1次，至不再增加为止），利用精馏装置回收过量的乙醇，然后用5%碳酸钠水溶液中和催化用的浓硫酸，至平pH值为6-7时，再用水洗涤1次，分出油

20、层，用无水氯化钙干燥，过滤，将滤液经减压蒸馏的成品邻苯二甲酸二乙酯500Kg（产率90%）。3生产工艺流程示意图4酯化工段工艺设计 我的设计任务主要是根据实际需要对酯化工段酯化釜的设计。4.1设计主要原则（1）从实际情况出发，按不同的要求选择合理的方案；（2）采用科学技术研究的新成果，包括先进工艺、高效设备和机械化、自动化手段以及计算机辅助管理等方法;（3）采用的技术和装备应与原料、技术、劳动力等资源条件相适应;（4）讲究投资的经济效益和建设的社会效果。在各个设计阶段对不同的设计方案应进行技术经济分析和效果评价。技术经济分析选用多项相互联系的技术经济指标，一般是采用投资回收期（投资总额与年收额

21、之比）和投资收益率（年收益额与投资总额之比）等作为重要指标。资金支付与收益年分并不相同，因此应根据贴现利率将资金折算为同一年分的现值，使经济比较建立在可比的基础上6。4.2设计工艺要求酯化釜的材料选择应满足生产工艺的要求，根据要达到的要求选择耐压、耐温、耐介质腐蚀或保证产品清洁的材料等。由于材料选择的不同，搅拌器的制造工艺、机械构造也不相同，可分为钢制搅拌器、搪玻璃搅拌器和带衬里的搅拌器等。装衬里的目的是为了耐蚀或保护产品清洁，衬里的种类很多，列如：不锈钢、铝、钛、铅、镍、锆、耐酸瓷砖、辉绿岩板、橡胶等。4.3物料衡算主反应： +2H2OH2SO4+2C2H5OH 副反应：2C2H5OH CH

22、3CH2OCH2CH3 + H2O查文献得以下数据：370Kg苯酐与500L无水乙醇反应生成500Kg的邻苯二甲酸二乙酯（产率为90%）。根据设计要求，副反应可以忽略，不参加物料衡算。查表得20时,无水乙醇的密度为0.7895g/cm3，则乙醇的投料量为500*1000*0.7895=394.75Kg，用A表示苯酐，B表示无水乙醇，C表示DEP，D表示水，则酯化反应方程式可表示为：A + 2B C + 2D表4 文献数据物料衡算表进 料 出 料A 370Kg C 500KgB 394.75Kg D 89.93Kg则投料比（以苯酐为基准）A:B=370/394.75=1:1.067理论产量为55

23、5.19Kg，则产率为500/555.19=90%文献计算值设为设计已知量。根据年产5000吨邻苯二甲酸二乙酯的总设计任务可知：要完成给定任务量，需日产16.67t产品（一年按300天算），时产0.7t产品。选择酯化反应操作为间歇操作，已知该酯化反应需回流8小时，辅助时间为两小时，则一个反应周期为10小时。对操作数据整理，进行物料衡算：表5 操作数据物料衡算表进 料 出 料A 4.67t C 7tB 4.98t D 1.13t根据实际情况，考虑到工业生产投料量大及过程损耗大等特点，加大原料进料量，以提高产量。反算结果如下表：表6 反算结果物料衡算表进 料 出 料A 5.5t C 8.25tB

24、6t D 1.34t根据文献给定的催化剂用量，可计算出实际所需的催化剂用量。已知浓硫酸的密度为1.84g/cm3，则370kg苯酐所需15*1.84=27.6 kg浓硫酸作催化剂，投料比为1:13.41（以浓硫酸为基准）。由此可知，5.5吨的苯酐需用410 kg浓硫酸作催化剂。反应图示：DEP 8.2t苯酐5.5t水 1.34t酯化釜乙醇6t过量乙醇1.91t硫酸410kg4.4能量衡算4.4.1总能量衡算经分析得此邻苯二酸二乙酯生产工艺能量衡算式为：乙醇回流所需的汽化热 = 反应放热 + 外部给热4.4.2相关物料的物性参数7表7 液态苯酐的比热容数据表温度（） 140 160 180 20

25、0 220 240 比热（J/mol.k） 280.2 285.5 290.9 296.2 301.6 306.9 温度（） 260 280 300 320 340 360 比热（J/mol.k） 312.2 317.5 322.9 328.4 334.1 340.1 由上表可知，苯酐的比热随温度变化不大。此次工艺设计反应工段要求反应釜的温度控制在80左右。所以选取140时的液态苯酐的比热（280.2 J/mol.k）参与能量衡算。表8.1 液态乙醇的比热容数据表温度（） 20 40 60 80 100 120 比热（J/mol.k） 109.4 117.5 127.1 138.5 151.5

26、 160.8 温度（） 140 160 180 200 比热（J/mol.k） 165.7 174.6 189.3 220.4 表8.2 液态苯酐的比热容数据表温度（） 20 40 60 80 100 120 比热（kJ/kg.k） 2.403 2.483 2.575 2.784 3.023 3.304 根据上表数据，选择80时的液态乙醇的比热（2.784 kJ/kg.k）参与能量衡算。表9 液态邻苯二甲酸二乙酯的比热容数据表温度（K） 250 300 350 400 450 比热（J/mol.k） 278.1 324.8 368.7 409.9 448.4 温度（K） 500 550 600

27、 比热（J/mol.k） 484.4 517.9 548.8 根据上表数据，选择350K时的液态邻苯二甲酸二乙酯的比热（368.7J/mol.k）参与能量衡算。表10 饱和水的定压比热容数据表温度（） 20 30 40 50 60 比热（kJ/kg.k） 4.182 4.179 4.179 4.181 4.185温度（） 70 80 90 100 比热（kJ/kg.k） 4.190 4.197 4.205 4.216 根据上表数据，选择80时的饱和水的定压比热（4.197 kJ/kg.k）参与能量衡算。表11 乙醇的汽化热数据表温度（） 20 40 60 80 100 120 比热（kJ/mo

28、l） 43.91 42.30 40.53 38.61 36.51 34.21温度（） 140 160 180 200 220 比热（kJ/mol） 31.69 28.88 25.69 21.93 17.11 4.4.3乙醇回流所需的汽化热根据工艺设计需要，设定乙醇按10%的回流比回流，回流温度按80计算，则乙醇回流量为6*1000000/46.07*10%=13023.66 mol80时，乙醇的汽化热为38.61 kJ/mol,则回流所需热量为13023.66*38.61=502843.51 kJ4.4.4酯化反应放出热H苯酐=nCpT=5.5*1000000/148.11*280.2*60=

29、624306.26 kJH乙醇=nCpT=5.5*1000000/148.11*2*138.5*60=617176.42 kJHDEP=nCpT=5.5*1000000/148.11*368.7*60=821490.78 kJH水=CmT=4.197*1.34*1000*60=337438.8 kJ根据以上计算数据得，该酯化反应的放热量为H总=H水+HDEP-H苯酐-H乙醇 =337438.8+821490.78-617176.42-624306.26=-82553.1 kJ根据以上运算得，该酯化反应的放热量为82553.1 kJ4.4.5外部给热量外部给热=乙醇回流所需的汽化热-反应放热 =

30、502843.51-82553.1=420290.41 kJ4.5反应釜尺寸的计算4.5.1反应釜体积根据物料衡算结果可知，该酯化釜一次进料5.5t苯酐，6t乙醇及410kg浓硫酸。由其相关物性的下表表12 进料物质体积对照表苯酐 乙醇 浓硫酸 质量（t） 5.5 6.0 0.41密度（g/cm3） 1.29 0.79 1.84 体积（L） 4263.57 7594.94 222.83由上表可知，该反应釜所需的有效体积为4263.57+7594.94+222.83=12081.34 L已知反应釜的装料系数为0.81，得12081.34/0.81=14915.23L，故选择3台6300L的搪玻璃反应釜。4.5.2换热面积已知该酯化反应所需的外部给热量为420290.41kJ，根据经验选择内衬为搪玻璃外表为不锈钢的酯化反应釜。查相关数据表得，搪玻璃反应釜的传热系数为250W/(m2. )。则根据公式Q=KSTm8得420290.41*1000/3600000=116.75 kw=116750 wS=Q/(K*Tm)=116750/(250*60)=7.78 m24.5.3所需蒸汽量根据各方面条件，选用间接蒸汽加热提供外部