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

1、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 Process Design of Ethy 4-nitrobenzoate for 20kta目 录摘要 Abstract 引 言 1第一章 文献综述 21.1 生产对硝基苯甲酸乙酯的反应原理 21.2 新型催化剂 21.2.1 苯磺酸 21.2.2 对甲苯磺酸 21.2.3 三氧化二钕 21.2.4 钨锗杂多酸 31.2.5 硫酸氢钾 31.3 精馏塔的发展状况 31.4 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 62.1 产品及原料性能 62.2 对硝基苯甲酸乙酯生产原理 7

2、2.2.1 催化剂的选择 72.2.2 反应原理 72.3 生产工艺简介及工艺流程 82.3.1 连续酯化工艺 82.3.2 预酯化反应阶段 82.3.3 连续酯化反应阶段 82.3.4 精馏阶段 9第三章 工艺计算 103.1 物料组成及设计方案 103.2 精馏塔的物料衡算 103.2.1 原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分率 103.2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 103.2.3 物料衡算 113.3 塔板数的确定 113.3.1 泡点进料温度 113.3.2 最小回流比及操作回流比 123.3.3 精馏塔气液相负荷 133.3.4 操作线方程 133.3.5 图解法求理论板数

3、 133.3.6 实际板层数 143.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 153.4.1 操作压力计算 153.4.2 操作温度计算 153.4.3 平均摩尔质量计算 153.4.4 平均密度计算 163.4.5 液体平均表面张力计算 163.4.6 液体平均粘度计算 173.5 精馏塔的塔体工艺尺寸的计算 173.5.1 塔径的计算 173.5.2 精馏塔有效高度的计算 193.6 塔板主要工艺尺寸的计算 203.6.1 溢流装置计算 203.6.2 塔板布置 223.7 筛板的流体力学验算 233.7.1 塔板压降 233.7.2 液面落差 243.7.3 液沫夹带 243.7.4

4、漏液 253.7.5 液泛 253.8 塔板负荷性能图 253.8.1 漏液线 253.8.2 液沫夹带线 263.8.3 液相负荷下限线 273.8.4 液相负荷上限线 273.8.5 液泛线 27第四章 塔及其它设备的选型 314.1 塔管径计算 314.1.1 进料管计算 314.1.2 塔顶出料管计算 314.1.3 塔底出口管径计算 314.1.4 塔顶蒸汽出口管径 314.2 塔高计算 324.2.1 孔径 324.2.2 塔顶空间 324.2.3 塔底空间 324.2.4 裙座 324.2.5 塔的壁厚 324.2.6 封头的壁厚 324.2.7 封头高度 324.3 反应釜 3

5、34.3.1 釜体积 334.3.2 釜高 334.3.3 釜壁厚 334.3.4 夹套直径和高度的确定 334.3.5 搅拌装置 334.4 冷凝器 334.5 管式反应器 344.5.1 内筒体计算 344.5.2 外筒体计算 344.5.3封头计算 344.6 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

6、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23.015kmol of Ethy 4-nitrobenzoate for 20ktaAbstract: This design is on a brief ethy 4-nitrobenzoate production present situation and analysis of ethy 4-nitrobenzoate on the basis of progress in production technology of ethy 4-nitrobenzoate. The target is 20kta of e

7、thy 4-nitrobenzoate.Preparation of ethy 4-nitrobenzoate by direct esterification method.The entire section for technological designed a complete process and separate the column is 23.015 kmol requirements that the diameter of the rectifying tower is 600 mm and of fluid mechanics of sieve plate and d

8、raw up the load performance diagram. Finally, the purity of ethy 4-nitrobenzoate products can be 99.5%.Key wods: Ethy 4-nitrobenzoate;Rectification;Material balance;Heat balance;Process design引 言对硝基苯甲酸乙酯（Ethy 4-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。

9、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

10、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

11、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7882 C，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：

12、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8185，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8185。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，

13、反应时间为3h，反应温度7981，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7981，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

14、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0.015 mol、醇酸摩尔比4:1、催化剂用量0.40 g、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24300=7200小时。生产能力为2

15、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=0.383946.07+(1-0.3839)195.17=137.93kgkmol (3-5) MD=

16、0.998846.07+(1-0.9988)195.17=46.25kgkmol （3-6） MW=0.020846.07+(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=0.923.3.3 精馏塔气液相负荷 L=RD=0.928.545=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（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1

17、9-21，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，oC83.52平均压力，kPa108.83气相流量，(m3s)0.1244液相流量，(m3s)0.000245实际塔板数206有效段高度，m7.657塔径，m0.68板间距，m0.49溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长，m0.39612堰高，m0.0452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，m0.0514堰上液层高度，m0.004815降液管底隙高度，m0.0086316安定区宽度，m0.0217边缘区宽度，m0.0318开孔区面积，m20.26319筛孔直径，

18、m0.00520筛孔数目76021孔中心距，m0.0222开孔率，%5.6723空塔气速，ms0.438924筛孔气速，ms8.3225稳定系数226每层塔板压降，Pa467.427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)0.0015630气相负荷上限，m3s0.0005631气相负荷下限，m3s0.0020432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：

19、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150mm4.2 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

20、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=12000mm4.2.4 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：8mm4.2.6 封头的壁厚校核后封头的壁厚25为：8mm4.2.7 封头高度公称直径：D=600mm直边高度：=16mm4.3.4 夹套直径和高度的确定标准椭圆封头曲面高度为h=990mm

21、 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n=12mm4.3.5 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=34.4 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：155+165=155 管道总表面积：3.140.0582.2155=62.10m24.5 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

22、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40mm4.5.2 外筒体计算 外筒体直径0.49m，长度2.5m 外壳壁厚30mm4.5.3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300mm4.6 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

23、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

24、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。参考文献1张雨中，陈爱英，张永峰，等.对硝基苯甲酸乙酯的制备J.河北化工，2001，24(1):11- 122吴庆银，铁梅，高元凯.杂多酸催化合成对硝基苯甲酸乙酯J.化学与粘合，1998，32(2):81-823李光禄，吴庆银.钨锗酸催化合成对硝基苯甲酸乙酯J.沈阳黄金学院学报，1996，15(4):392- 3944周虹屏，于金文，杨开炳.苯磺酸催化合成对硝基苯甲酸乙酯J

25、.化学世界，2001，42(9): 484- 4855林劲柱.TiO2SO42-Al2O3催化合成对硝基苯甲酸乙酯的研究J.山东化工，2001，30(1):11- 1216施新宇，施磊，张海军，等.活性炭固载固体催化合成对硝基苯甲酸乙酯J.南通工学院学报，2004，3(3):54- 627汪建红，王碧，付孝锦.高锰酸钾法制备对硝基苯甲酸乙酯J.内江师范学院学报，2009，24(6):37-398唐明明，刘葵，陈孟林.对甲苯磺酸催化合成对硝基苯甲酸乙酯J.应用化工2003，32(1):42-43.9周禾，李方实对.对硝基苯甲酸乙酯催化酯化研究进展J.江苏化工，2004，32(1):24-26.1

26、0林劲柱三.氯化铁催化合成对硝基苯甲酸乙酯的研究J.福建化工，2001(1):38-39.11陈连清，周忠强对.对硝基苯甲酸乙酯的合成中J.南民族大学学报:自然科学版，2008，27(2):4-6.12李晓莉，张永宏，张晓丰.三氯化铷催化合成对硝基苯甲酸乙酯J.精细石油工，2006，23(2):46-47.13郑超，王萍，常海涛，等.对硝基苯甲酸乙酯制备工艺的改进J.泰山医学院学报，2004，25(2):18-119.14章思规，辛忠主.精细有机化工制备手册M.北京:科学技术文献出版社，1994.15陈新志，蔡振云，胡望明，等.化工热力学M.北京:化学工业出版社，2011.16刘光启，马连湘，

27、刘杰化.工物性数据手册（有机卷）M.北京:化学工业出版社，2002.17刘爱科，陈亚军.AutoCAD图解法求精馏塔理论塔板数J.西华师范大学学报：自然科学版，2008， 18丁曙光，陈运，王健怀，等.AutoCAD在精馏塔设计中的应用J.化工设计通讯，2005，31(4):37-40.19贾绍义，柴诚敬化.工原理课程设计M.天津:天津大学出版社，2009.20黄璐，王保国化.化工设计M.北京:化学工业出版社，2011.21柴诚敬，贾绍义，张凤宝.化工原理（下册）M.北京:高等教育出版社，2011.22石鸣彦，胡冬滢，翟国栋，等.反应器长径比对连续酯化制备对硝基苯甲酸乙酯的影响J.精细化工中间体，2009，39(4):44-48.23兰格.兰式化学手册M.北京:化学工业出版社，1993.24波林，普劳斯尼茨，奥康奈尔气.液物性估算手册M.北京:化学工业出版社，2000.25刁玉玮，王立业，俞健良，等.化工设备机械基础M.大连:大连理工大学出版社，2011.附 录附录1 精馏塔设备图附录2 工艺流程图