年产300吨对羟基苯甲醛生产车间工艺设计毕业设计.docx

1、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

2、，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The PrOdUCtiOlI PrOCeSS DeSign Of the WOrkShOP forPeIltaerythritOl

3、VVith an AnnUaI OUtPUt Of 300 TOnSAbStraCtThe design is the PrOdUCtiOn PrOCeSS design Of die WOrkShOP for PentaerythritOl With an annual OUtPUt Of 10,000 tons. PentaerythritOl is a typical StrUCtUre Of four-neopentyl alcohol, also known as four-hydroxymethyl methane, and its ChenIiCal name is 2,2 bi

4、s (hydroxymethyl) - 1,3 - PrOPanediOh and its appearance is White POWder Crystalline, odorless, Slightly sweet, flammable, toxic, SOkIble in water, SlightIy SOklbIe in ethanol, not SOkIble in glycerol, ethylene glycol, formamide, acetone, benzene, CarbOn tetrachloride, ether and PetrOIeUm ether Orga

5、niC SOlVentSThe routes USed in the design PrOCeSS are the following: formaldehyde and acetaldehyde as raw materials, SOdiUm hydroxide as CataIySt are COndenSed in the COndenSatiOn reaction kettle, and then they aer PaSSed into the reactor for neutralization and removal Of the tower IeadS to dealdehy

6、des formaldehyde, and then Part Of the Water is Steamed through the evaporator, and then mixture is CryStaniZed in the CryStaniZatiOn and receive PentaerythritOL and the drying CryStal is received through the dryer, the final PrOdUCt Can be Obtained The design elements include PrOCeSS design, materi

7、al balance, heat balance, CalCUlatiOn and SeleCtiOn Of PrOCeSS equipment, Safety and environmental PrOteCtiOn and economic accounting The main results Of the design are the design specifications, PrOCeSS maps, master plans, WOrkShOP layout.KeyWOrds： PentaerythritOL IOvV sodium, ShOP process, design1

8、引言 11.1产品简介 11.2国内外生产现状及市场分析 21.2.1国外生产现状 21.2.2国内生产现状 31.2.3国内外季戊四醇市场分析 41.3主要生产方法 61.3.1CanniZZarO （康尼扌L罗）法 61.3.2缩合加氢法 72生产工艺设计 82.1生产方法 82.2反应原理 82.3工艺流程 82.3.1缩合 92.3.2中和 92.3.3脱醛 92.3.4蒸发 102.3.5结晶分离 102.3.6 干燥 103物料衡算 H3.1匸艺流程框图 113.2计算依据 113.3其他数据 113.4各工序的物料衡算 123.4.1缩合 123.4.2中和 133.4.3脱醛

9、153.4.4蒸发 163.4.5结晶 173.4.6分离 183.4.7干燥 204热量衡算 234.1热量衡算目的 234.2热量衡算依据 234.3各物质热力学参数 234.4各工段的热量衡算 234.4.1缩合 234.4.2中和 274.4.3脱醛 304.4.4蒸发 334.4.5结晶 384.4.6分离 404.4.7干燥 425设备设计与选型 475.1主要设备设计与计算 475.1.1反应釜 475.1.2脱醛塔 565.1.3脱醛塔的进料储罐 605.2其他设备选型 625.3设备一览表 636安全与环保 646.1安全 646.1.1 危险因素分析 646.1.2拟釆取的

10、措施 656.2环保 706.2.1主要污染源 706.2.2拟采取的措施 717车间布置设计 727车间布置的基本原则和要求 727.1.1基本原则 727.1.2 基本要求 727.2车间布置 747.2.1厂房布置 747.2.2设备布置 748经济核算 768.1概述 768.2原材料消耗定额 768.3经济核算 768.3.1工程费用 768.3.2其他费用 788.3.3预备费用 798.3.4专项费用 798.3.5产品单位成本 808.3.6流动资金 828.3.7所得税 828.3.8投资回收期（静态分析法） 82参考文献 83结束语 86致 谢 871引言11产品简介季戊四

11、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

12、、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OHICFbI 一HO-H9C-C-CH7-OH-I CbbI 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1.395gcm3分子量136.15熔点261-262oC沸点276 C折射率1.548溶解性lg18mL 水（15C）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

13、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

14、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%。20062011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 S续表1.2国家公司名称生产能力 备注智利OXIQUIM 公司意

15、大利阿尔徳（AIdCr）公司意大利柏仕徳（Pcrsiorp）公司意大利POIiOIi西班牙POIialCO SA瑞典太尔（DynCa）公司PerStOrP 与NeSte Oxo 合资徳国DCgUSSa AG俄罗斯UralkhimPlaSt 公司俄罗斯MetafraX 公司土耳其POliSan BOya 公司印度AlIied RCSinS&Chemicals印度KanOria 公司印度柏仕徳印度化工(PerStOIP India ChCnIiCalS)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

16、.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

17、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13我国季戊四醇主要生产厂家和生产能力(ta)生产厂家生产能力备注湖北省宜化集团有限责任公司150002002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IOOoO1999年建成投产泄市化工原料厂IOOoO2003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

18、近儿年来我国季戊四醇迅速发展，19952004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

19、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

20、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16月份进口量为914吨，同比减少25.4%； 在进口的同时，我国

21、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16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）20029822867.41321984.8200326411126.57847100&9200422311289.1156051081.8200519861353.52015110

22、94.0200624551349.5326651154.9200722831825.7460141567.0200821042281.4632741876.32009(1-6)2141935.4224291300.71997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ta）年份产虽进

23、口量出口量表观消费量2002500.980.016.0720036.500.260.785.98200410.800.221.569.46续表1.5年份产量进口量出口量表观消费量200514.600.202.0212.78200614.000.253.2710.982715.000.234.6010.63200817.500.216.3311.38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

24、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。1.3.1 CanniZZarO （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

25、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4080C,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2530C,以减少副反应。1.3.1.3混合碱法【四该方

26、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

27、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。

28、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

29、我国普遍采用，技术成熟易于操作。2.2反应原理【反应式：4CH2O + CH3CHO + NaOH、 - C（ CH2OH） 4 + HCOONa反应机理：CH3CHO HCHO CH2OHCH2-CHOCHoHI -HOHOC-CH-CHO + HCHO I -HOH7C-C-CHO乙 ICH9OHCH2OHCHooHCHoOHI 一I NaOHHoHC-C-CHO + HCHO HoFbC-C-CFbOH ICHMDHICFbOHCH2OH-CH2-CHO + HCHO HOH7C-CH-CHO I CH7OHHCOONa2.3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

30、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1012C。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1518C,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