年產(chǎn)300噸對(duì)羥基苯甲醛生產(chǎn)車(chē)間工藝設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、前 言季戊四醇是由甲醛和乙醛縮合而成，在涂料、汽車(chē)、輕工、建筑、合成樹(shù)脂、炸藥等方面具有廣泛的應(yīng)用，此外，還用于醫(yī)藥、農(nóng)藥等生產(chǎn)。基于在山西三維有限公司實(shí)習(xí)所得，同時(shí)結(jié)合專(zhuān)業(yè)課的深入學(xué)習(xí)以及老師的悉心教導(dǎo)，我開(kāi)展了對(duì)季戊四醇的車(chē)間工藝設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)內(nèi)容以甲醛、乙醛和氫氧化鈉為原料經(jīng)過(guò)縮合反應(yīng)，得到季戊四醇混合物，在經(jīng)過(guò)中和、脫醛、蒸發(fā)、結(jié)晶工序得到季戊四醇晶體，最后經(jīng)過(guò)分離、干燥等工序得到季戊四醇產(chǎn)品。由此工藝可知，設(shè)計(jì)任務(wù)是非常龐大的，這不僅要求我們要有扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，更要有靈敏的理解感悟能力，同時(shí)要熟練掌握計(jì)算機(jī)，熟練運(yùn)用畫(huà)圖工具，其成果包括工藝流程圖、主設(shè)備圖、車(chē)間布置圖、物料衡算、

2、熱量衡算、工藝設(shè)備選型設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)核算、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)、查閱英文文獻(xiàn)并翻譯等。由此可見(jiàn)任務(wù)極其艱巨，在設(shè)計(jì)中我多次無(wú)從下手，苦惱之極，但靜下心來(lái)仔細(xì)研究、摸索，終有路可尋，雖然很辛苦，當(dāng)從中所學(xué)知識(shí)及能力是無(wú)法估量的，精神上更加豐富。本設(shè)計(jì)為初步設(shè)計(jì)，我按照設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求內(nèi)容，一步一步完成，但由于經(jīng)驗(yàn)不足，理論和實(shí)踐知識(shí)不夠扎實(shí)，在設(shè)計(jì)中還有大量不足之處，誠(chéng)請(qǐng)老師給予指正。2011年05月30日年產(chǎn)300噸對(duì)羥基苯甲醛生產(chǎn)車(chē)間工藝設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)為年產(chǎn)300噸對(duì)羥基苯甲醛生產(chǎn)車(chē)間工藝設(shè)計(jì)。對(duì)羥基苯甲醛縮寫(xiě)為phb，分子式c7h6o2，為白色或淡黃色針狀結(jié)晶，具有芳香氣味。熔點(diǎn)116.4- 117

3、，微溶于水，易溶于熱水、甲醇、丙酮和乙醚等有機(jī)溶劑，在空氣中易升華，相對(duì)密度1.129。對(duì)羥基苯甲醛是一種十分重要的精細(xì)化工原料，廣泛用于醫(yī)藥、香料、農(nóng)藥、石油化工、電鍍等領(lǐng)域本設(shè)計(jì)所采用對(duì)甲酚催化氧化法，對(duì)甲酚催化氧化法與其它方法相比具有收率和純度高、三廢少、反應(yīng)緩和、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)該法已成為將來(lái)對(duì)羥基苯甲醛生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括工藝設(shè)計(jì)，物料衡算，熱量衡算，工藝設(shè)備計(jì)算與選型，安全與環(huán)保，經(jīng)濟(jì)核算。本設(shè)計(jì)所得成果主要有設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，工藝流程圖，主設(shè)備圖，車(chē)間布置圖。關(guān)鍵詞：對(duì)羥基苯甲醛，對(duì)甲酚催化氧化法，車(chē)間工藝，設(shè)計(jì)the production process design o

4、f the workshop for pentaerythritol with an annual output of 300 tonsabstractthe design is the production process design of the 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

5、, and its chemical name is 2,2 - bis (hydroxymethyl) - 1,3 - propanediol, and its appearance is white powder crystalline, odorless, slightly sweet, flammable, toxic, soluble in water, slightly soluble in ethanol, not soluble in glycerol, ethylene glycol, formamide, acetone, benzene, carbon tetrachlo

6、ride, ether and petroleum ether organic solvents.the routes used in the design process are the following: formaldehyde and acetaldehyde as raw materials, sodium hydroxide as catalyst are condensed in the condensation reaction kettle, and then they aer passed into the reactor for neutralization and r

7、emoval of the tower leads to dealdehydes formaldehyde, and then part of the water is steamed through the evaporator, and then mixture is crystallized in the crystallization and receive pentaerythritol, and the drying crystal is received through the dryer, the final product can be obtained. the desig

8、n elements include process design, material 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: pentaery

9、thritol, low sodium, shop process, design 目 錄1 引言11.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介11.2 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀及市場(chǎng)分析21.2.1 國(guó)外生產(chǎn)現(xiàn)狀21.2.2 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀31.2.3 國(guó)內(nèi)外季戊四醇市場(chǎng)分析41.3 主要生產(chǎn)方法61.3.1 cannizzaro（康尼扎羅）法61.3.2 縮合加氫法72 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)82.1 生產(chǎn)方法82.2 反應(yīng)原理82.3 工藝流程82.3.1 縮合92.3.2 中和92.3.3 脫醛92.3.4 蒸發(fā)102.3.5 結(jié)晶分離102.3.6 干燥103 物料衡算113.1 工藝流程框圖113.2 計(jì)算依據(jù)113.3 其他數(shù)據(jù)

10、113.4 各工序的物料衡算123.4.1 縮合123.4.2 中和133.4.3 脫醛153.4.4 蒸發(fā)163.4.5 結(jié)晶173.4.6 分離183.4.7 干燥204 熱量衡算234.1 熱量衡算目的234.2 熱量衡算依據(jù)234.3 各物質(zhì)熱力學(xué)參數(shù)234.4 各工段的熱量衡算234.4.1 縮合234.4.2 中和274.4.3 脫醛304.4.4 蒸發(fā)334.4.5 結(jié)晶384.4.6 分離404.4.7 干燥425 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型475.1 主要設(shè)備設(shè)計(jì)與計(jì)算475.1.1 反應(yīng)釜475.1.2 脫醛塔565.1.3 脫醛塔的進(jìn)料儲(chǔ)罐605.2 其他設(shè)備選型625.3 設(shè)備一覽

11、表636 安全與環(huán)保646.1 安全646.1.1 危險(xiǎn)因素分析646.1.2 擬采取的措施656.2 環(huán)保706.2.1 主要污染源706.2.2擬采取的措施717 車(chē)間布置設(shè)計(jì)727.1車(chē)間布置的基本原則和要求727.1.1 基本原則727.1.2 基本要求727.2 車(chē)間布置747.2.1 廠房布置747.2.2 設(shè)備布置748 經(jīng)濟(jì)核算768.1 概述768.2 原材料消耗定額768.3 經(jīng)濟(jì)核算768.3.1工程費(fèi)用768.3.2 其他費(fèi)用788.3.3 預(yù)備費(fèi)用798.3.4 專(zhuān)項(xiàng)費(fèi)用798.3.5 產(chǎn)品單位成本808.3.6 流動(dòng)資金828.3.7 所得稅828.3.8 投資回收

12、期（靜態(tài)分析法）82參考文獻(xiàn)83結(jié)束語(yǔ)86致 謝87第 iii 頁(yè) 共 iii 頁(yè)1 引言1.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介季戊四醇（pentaerythritol，簡(jiǎn)稱(chēng)pe）是一種典型的新戊基結(jié)構(gòu)四元醇，又名四羥甲基甲烷，化學(xué)名稱(chēng)為 2，2雙 （羥甲基）1，3丙二醇，分子式：c5h12o4，結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖1.1，其外觀為白色粉末狀結(jié)晶、無(wú)臭，略有甜味，可燃，無(wú)毒，溶于水，微溶于乙醇，不可溶于甘油、乙二醇、甲酰胺、丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和石油醚等有機(jī)溶劑。其部分物性數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.1。pe與醛、酮反應(yīng)生成縮醛和縮酮，與硝酸反應(yīng)生成四硝基季戊四醇。與有機(jī)酸、酸酐反應(yīng)制成有機(jī)酯，與鹵化氫反應(yīng)生成季戊四醇鹵化物。季戊四醇是

13、由甲醛和乙醛縮合而成，在涂料、汽車(chē)、輕工、建筑、合成樹(shù)脂、炸藥等方面具有廣泛的應(yīng)用，主要用于制樹(shù)脂、涂料和炸藥等，也用于生產(chǎn)色漆、清漆和印刷油墨等的松香脂，還可用于制干性油、阻燃性涂料和航空潤(rùn)滑油等。季戊四醇的脂肪酸酯是高效的潤(rùn)滑劑和聚氯乙烯增塑劑，其環(huán)氧衍生物則是生產(chǎn)非離子表面活性劑的原料。此外，還用于醫(yī)藥、農(nóng)藥等生產(chǎn)14。圖1.1 季戊四醇結(jié)構(gòu)式表1.1 季戊四醇部分?jǐn)?shù)據(jù)物性參數(shù)數(shù)值相對(duì)密度分子量熔點(diǎn)沸點(diǎn)折射率溶解性1.395g/cm3136.15261-2622761.5481g/18ml水（15）1.2 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀及市場(chǎng)分析1.2.1 國(guó)外生產(chǎn)現(xiàn)狀據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)得知1,56，2002年

14、產(chǎn)量為38萬(wàn)噸左右，裝置開(kāi)工率約為76，其生產(chǎn)主要集中在西歐、北美和亞洲地區(qū)，其中西歐地區(qū)生產(chǎn)能力為15.9萬(wàn)噸年；亞洲地區(qū)（除日本外）生產(chǎn)能力為15.6萬(wàn)噸年；北美地區(qū)生產(chǎn)能力為101萬(wàn)噸年；日本生產(chǎn)能力為43萬(wàn)噸年；其他地區(qū)和國(guó)家生產(chǎn)能力為4.0萬(wàn)噸年左右。至2006年，當(dāng)年全世界季戊四醇的總生產(chǎn)能力約為61.0萬(wàn)噸，產(chǎn)量約為45.0萬(wàn)噸，裝置開(kāi)工率約為73.8% ，其主要生產(chǎn)地依然在歐美地區(qū)。到2009年為止，國(guó)外有25家季戊四醇生產(chǎn)企業(yè)，其總生產(chǎn)能力為44萬(wàn)噸年，其中美國(guó)占12.95%。主要的生產(chǎn)廠家有美國(guó) hercules公司、美國(guó)赫司特塞拉尼斯公司、瑞典柏仕德(perstorp)公

15、司、中國(guó)臺(tái)灣李長(zhǎng)榮化工公司、加拿大chemcel公司、德國(guó)德固薩公司、日本三菱瓦斯化學(xué)公司、日本廣榮化學(xué)公司等，詳情見(jiàn)表1.2。其中柏仕德(perstorp)公司為全球最大的季戊四醇生產(chǎn)廠家，它在印度、意大利、美國(guó)和德國(guó)都建有生產(chǎn)企業(yè)和裝置。其擁有5.7萬(wàn)噸年的季戊四醇生產(chǎn)能力，占全球生產(chǎn)總能力的9。20062011年期間，美國(guó)醇酸樹(shù)脂消費(fèi)量的年增長(zhǎng)率2；西歐季戊四醇硝酸酯的年均增長(zhǎng)率1；期間日本由于醇酸樹(shù)脂需求少，季戊四醇消費(fèi)量的年均增長(zhǎng)率較緩慢。表1.2 國(guó)外季戊四醇的生產(chǎn)廠 單位：萬(wàn)噸年國(guó)家公司名稱(chēng)生產(chǎn)能力備注美國(guó)aqualon公司2.2美國(guó)賽拉尼斯（celanese）公司3.5美國(guó)柏仕

16、德（perstorp）公司2美國(guó)hercules2.5加拿大chemcell2.5巴西copenor公司0.88智利oxiquim公司1.5意大利阿爾德（alder）公司0.8意大利柏仕德（perstorp）公司3意大利polioli1.2西班牙polialco sa3.3續(xù)表1.2國(guó)家公司名稱(chēng)生產(chǎn)能力備注智利oxiquim公司意大利阿爾德（alder）公司意大利柏仕德（perstorp）公司意大利polioli西班牙polialco sa瑞典太爾（dynea）公司perstorp與neste oxo合資德國(guó)degussa ag俄羅斯uralkhimplast公司俄羅斯metafrax公司土耳

17、其polisan boya公司印度allied resins&chemicals印度kanoria公司印度柏仕德印度化工（perstorp india chemicals）公司印度rinki公司日本廣榮（koei）公司日本三菱瓦斯（mgc）公司日本三菱（mitsui）化學(xué)公司日本三井化學(xué)公司韓國(guó)yu-jin公司1.2.2 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀1,6,7我國(guó)季戊四醇的生產(chǎn)始于1957年，當(dāng)時(shí)年產(chǎn)量只有20噸，到20世紀(jì)90年代才開(kāi)始快速發(fā)展，1997年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)能力和產(chǎn)量分別為5萬(wàn)噸年和2萬(wàn)噸左右， 2002年的生產(chǎn)能力和產(chǎn)量分別為10萬(wàn)噸年和5.1萬(wàn)噸。隔年2003年生產(chǎn)能力和產(chǎn)量又增加到12萬(wàn)噸年以上

18、和6.5萬(wàn)噸左右，生產(chǎn)能力與產(chǎn)量年均增長(zhǎng)率分別為15.7和21.7。到2004年底，我國(guó)季戊四醇的生產(chǎn)能力達(dá)到16.5萬(wàn)噸年，2004年產(chǎn)量達(dá)到10.8萬(wàn)噸年。截止到2008年 8月，我國(guó)季戊四醇產(chǎn)能已達(dá)到29萬(wàn)噸年，產(chǎn)量為17.5萬(wàn)噸，開(kāi)工率約58%。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)季戊四醇的生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)水平逐步得到了較大的提高。至20世紀(jì)90年代以來(lái)到目前為止我國(guó)季戊四醇生產(chǎn)廠家有近30家，其中生產(chǎn)規(guī)模較大的企業(yè)有湖北省宜化集團(tuán)有限責(zé)任公司、湖南衡陽(yáng)三化實(shí)業(yè)股份有限公司、云南天然氣化工廠和保定市化工原料廠等。表1.3為我國(guó)季戊四醇主要生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)能力。表1.3 我國(guó)季戊四醇主要生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)能力

19、（ta）生產(chǎn)廠家生產(chǎn)能力備注湖北省宜化集團(tuán)有限責(zé)任公司湖南衡陽(yáng)三化實(shí)業(yè)股份有限公司云天化集團(tuán)公司定市化工原料廠吉化公司長(zhǎng)松化工廠江蘇力強(qiáng)集團(tuán)公司化工廠河南濮陽(yáng)甲醇廠遼河油田有機(jī)化工廠1500013000100001000075006000500030002002年擴(kuò)能1999年建成投產(chǎn)2003年建成投產(chǎn)近幾年來(lái)我國(guó)季戊四醇迅速發(fā)展，19952004年，我國(guó)季戊四醇產(chǎn)量年均增長(zhǎng)率為16.2。而且也由僅有一套萬(wàn)噸級(jí)規(guī)模增加到四套。其中有二套生產(chǎn)裝置為采用先進(jìn)技術(shù)新建的裝置。盡管我國(guó)近年來(lái)季戊四醇發(fā)展加快，但是與國(guó)際水平和國(guó)內(nèi)下游產(chǎn)品需求仍存在較大差距。存在主要問(wèn)題有：一是裝置規(guī)模小，至2004年國(guó)

20、內(nèi)生產(chǎn)能力超過(guò)5000ta廠家僅有7家，80企業(yè)生產(chǎn)能力低于5000ta，而且多數(shù)能力為1000-3000ta左右，還有的采用落后的鈣法生產(chǎn)，環(huán)境污染嚴(yán)重，生產(chǎn)成本高，長(zhǎng)期處于停產(chǎn)或半停產(chǎn)狀態(tài)；二是裝置能力過(guò)剩，開(kāi)工率低下，盡管到2004年國(guó)內(nèi)產(chǎn)量增長(zhǎng)幅度高于生產(chǎn)能力增長(zhǎng)幅度，裝置開(kāi)工率由1998年的40 增加到目前的55左右，但是仍有近一半裝置處于停產(chǎn)狀態(tài)；三是合成技術(shù)落后，目前國(guó)內(nèi)能夠采用自行開(kāi)發(fā)技術(shù)建設(shè)萬(wàn)噸級(jí)裝置，但是合成技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，仍存在環(huán)境污染嚴(yán)重，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，檔次低，產(chǎn)品質(zhì)量較差等差距。2002年以前我國(guó)每年大量進(jìn)口季戊四醇滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需求，從某種程度也說(shuō)明了當(dāng)時(shí)我國(guó)季戊

21、四醇已存在產(chǎn)品質(zhì)量低、結(jié)構(gòu)不合理等問(wèn)題。1.2.3 國(guó)內(nèi)外季戊四醇市場(chǎng)分析目前全球季戊四醇供需基本平衡，消費(fèi)需求穩(wěn)步緩慢增長(zhǎng)，近年來(lái)年均增長(zhǎng)率約為2.5 左右，從區(qū)域性結(jié)構(gòu)來(lái)看，亞洲仍是今后世界季戊四醇工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū)。市場(chǎng)需求增長(zhǎng)速度較快，近幾年亞洲地區(qū)（除日本外）市場(chǎng)需求年均增長(zhǎng)率為8左右，今后繼續(xù)保持較高增長(zhǎng)速度。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看，由于高檔特種涂料及飛機(jī)、轎車(chē)潤(rùn)滑油工業(yè)發(fā)展，二和三季戊四醇市場(chǎng)需求增加。目前全球生產(chǎn)能力難以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，且供需矛盾日益突出，成為世界季戊四醇工業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。在2002年以前，我國(guó)季戊四醇的進(jìn)口量一直呈增加趨勢(shì)，其中2001年進(jìn)口量達(dá)到10667噸，歷史最高記

22、錄。隨后，隨著國(guó)內(nèi)生產(chǎn)能力和產(chǎn)量的不斷增加，進(jìn)口量大幅度減少。2006年進(jìn)口量2445噸，2007年為2283噸，2008年進(jìn)口量為2萬(wàn)噸，同比減少約7.8。2009年16月份進(jìn)口量為914噸，同比減少25.4；在進(jìn)口的同時(shí)，我國(guó)季戊四醇也有少量出口，且出口量逐年增加。2006年出口量為32665噸，2007年增加到46014噸，2008年進(jìn)一步增加到63274噸，同比增長(zhǎng)37.5，2009年16月份出口量達(dá)到22429噸，同比減少39.3% 8。近幾年我國(guó)季戊四醇的進(jìn)出口情況見(jiàn)表1.4。表1.4 我國(guó)季戊四醇的進(jìn)出口情況年份進(jìn)口量(ta)進(jìn)口平均金額(萬(wàn)美元t)出口量(ta)出口平均金額(萬(wàn)

23、美元t)20022003200420052006200720082009(16)9822264122311986245522832104214867.41126.51289.11353.51349.51825.72281.41935.413278471560520151326654601463274224291984.81008.91081.81094.01154.91567.01876.31300.71997年至2008年底，季戊四醇市場(chǎng)大起大落。國(guó)內(nèi)一些老企業(yè)退出，溧陽(yáng)化工、鵬鑫化工等新興企業(yè)加入；國(guó)外塞拉尼斯裝置關(guān)閉、perstorp德國(guó)工廠爆炸，國(guó)內(nèi)外季戊四醇產(chǎn)能、產(chǎn)量的變化導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)

24、格大幅波動(dòng)，最高達(dá)到13300元噸，最低僅為5500元噸9。表1.5為近幾年來(lái)我國(guó)季戊四醇的供需平衡情況。表1.5 近幾年來(lái)我國(guó)季戊四醇的供需平衡情況（單位：萬(wàn)ta）年份產(chǎn)量進(jìn)口量出口量表觀消費(fèi)量2002200320045.106.5010.800.980.260.220.010.781.566.075.989.46續(xù)表1.5年份產(chǎn)量進(jìn)口量出口量表觀消費(fèi)量200514.600.202.0212.78200614.000.253.2710.98200715.000.234.6010.63200817.500.216.3311.38據(jù)預(yù)計(jì)，到2012年我國(guó)對(duì)季戊四醇的總需求量將達(dá)到約15.7萬(wàn)噸，

25、其中醇酸樹(shù)脂所占比例將有所下降，而潤(rùn)滑油松香酯和聚氨酯領(lǐng)域比例將有所上升，這些領(lǐng)域?qū)疚焖拇假|(zhì)量要求比醇酸樹(shù)脂領(lǐng)域要高，而且對(duì)雙季戊四醇和三季戊四醇的需求將快速增加。屆時(shí)的產(chǎn)能將達(dá)到約35萬(wàn)噸，屆時(shí)產(chǎn)能將過(guò)剩，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈10。1.3 主要生產(chǎn)方法自從1938年美國(guó)以甲醛與乙醛在堿性介質(zhì)中縮合季戊四醇實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)季戊四醇的合成工藝的研究就一直沒(méi)有停止，其生產(chǎn)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。主要的方法有cannizzaro法和縮合加氫法兩類(lèi)。1.3.1 cannizzaro（康尼扎羅）法1,11,12在堿存在下，首先是三分子甲醛與一分子乙醛縮合反應(yīng)形成季戊四糖（多羥甲基醛），季戊四

26、糖與甲醛都無(wú)氫原子 ，進(jìn)一步發(fā)生氧化還原，甲醛較活潑，被氧化為酸，生成甲酸鈉，季戊四糖被還原成醇根據(jù)催化劑的不同，該法又分為以下四種。1.3.1.1 氫氧化鈣法以氫氧化鈣作為堿性催化劑，簡(jiǎn)稱(chēng)“鈣法”。“鈣法”原材料成本低廉，但后處理增加沉淀和過(guò)濾步驟以除去鈣離子。此外，產(chǎn)品中殘余“鈣灰”在高溫下對(duì)季戊四醇的分解有催化作用。另外有些研究認(rèn)為ca2+會(huì)催化甲醛縮合為甲醛聚糖的副反應(yīng)，對(duì)提高季戊四醇的收率不利。1.3.1.2 氫氧化鈉法氫氧化鈉法是以氫氧化鈉作為堿性催化劑，簡(jiǎn)稱(chēng)鈉法。季戊四醇的生產(chǎn)經(jīng)歷了由鈣法向鈉法轉(zhuǎn)變的過(guò)程。根據(jù)反應(yīng)溫度的不同，鈉法又分為高溫法和低溫法。高溫法使反應(yīng)的溫度控制在 4

27、080，在反應(yīng)終了時(shí)升溫至85，以甲醛自身的cannizzaro反應(yīng)破壞過(guò)量甲醛。低溫法則將反應(yīng)溫度控制在2530，以減少副反應(yīng)。1.3.1.3 混合堿法13該方法采用堿性相對(duì)較弱的碳酸鹽和碳酸氫鹽混合物作為堿性縮合反應(yīng)的催化劑，合成原理與傳統(tǒng)方法“鈉法”相似，即先進(jìn)行aldol醇醛縮合反應(yīng)，再經(jīng)過(guò)cannizzaro反應(yīng)得到季戊四醇和甲酸鈉，不同的是該工藝中增加了將甲酸鹽在貴金屬催化劑作用下，通過(guò)氧化或水解轉(zhuǎn)化為碳酸鹽和碳酸氫鹽的工序，作為后批次生產(chǎn)用催化劑從而實(shí)現(xiàn)催化劑的循環(huán)利用，節(jié)省了大量的堿，降低了生產(chǎn)成本，有利于提高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益；該工藝副產(chǎn)物少，無(wú)“三廢”產(chǎn)生，對(duì)設(shè)備的腐蝕性小是一

28、種可持續(xù)發(fā)展的綠色工藝，發(fā)展前景看好。目前，該工藝還處于中試階段。1.3.1.4 交換離子催化法該工藝使用的是固定床間歇式反應(yīng)器，以強(qiáng)堿性離子交換樹(shù)脂為縮合劑，控制一定的停 留時(shí)間。交換柱的流出物經(jīng)蒸餾分離出甲醛，母液濃縮分離出季戊四醇和甲酸鈉。離子交換樹(shù)脂用稀的強(qiáng)堿溶液（如質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的naoh溶液）再生，然后用蒸餾回收的甲醛溶液進(jìn)行洗滌。該法能有效地抑制甲醛的自身縮合的副產(chǎn)物，但工藝較為復(fù)雜，對(duì)離子交換樹(shù)脂的再生和洗滌較為繁瑣，且同樣面臨著副產(chǎn)物甲酸鈉的問(wèn)題，產(chǎn)品的規(guī)模也不會(huì)太大，該法尚處在摸索階段。1.3.2 縮合加氫法1415該方法是將甲醛、乙醛和三乙胺及水按一定比例混合后，在低溫下

29、縮合生成三羥甲基乙醛，再在減壓下蒸餾，分離出來(lái)的三乙胺返回縮合工序循環(huán)使用。三羥甲基乙醛再在加壓下催化加氫，使醛基還原為羥基而制得季戊四醇。與傳統(tǒng)的方法相比較。該法不僅反應(yīng)溫度較低、后處理步驟簡(jiǎn)單、產(chǎn)品質(zhì)量好、節(jié)省了甲醛和大量的堿。而且解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)方法中副產(chǎn)甲酸鹽的存在問(wèn)題，對(duì)環(huán)境污染較小。另外，該法提純精制工藝簡(jiǎn)單、所需設(shè)備少、投資省、成本低，適合規(guī)?；B續(xù)生產(chǎn)，但該工藝對(duì)氫源質(zhì)量、加氫設(shè)備和催化劑等的要求高，因而目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。2 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)2.1 生產(chǎn)方法本設(shè)計(jì)采用以氫氧化鈉為催化劑的“氫氧化鈉法”（即鈉法）。雖然氫氧化鈉的價(jià)格較貴，但由于副產(chǎn)物甲酸鈉易溶于水，使后處理步驟

30、減少，減少了處理成本。此外，產(chǎn)品中“鈉灰”的存在不致促進(jìn)季戊四醇的分解反應(yīng)，減少了副產(chǎn)物的生成，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，并且鈉法工藝在我國(guó)普遍采用，技術(shù)成熟易于操作。2.2 反應(yīng)原理1517反應(yīng)式：反應(yīng)機(jī)理：2.3 工藝流程本設(shè)計(jì)采用低溫鈉法，生產(chǎn)過(guò)程分為七個(gè)工序，包括縮合、中和、脫醛、蒸發(fā)、結(jié)晶、分離、干燥。首先甲醛（過(guò)量較多）與乙醛在堿性水溶液中反應(yīng)，生成物為含有季戊四醇、甲酸鈉和甲醛的水溶液，其中甲酸鈉含量約是季戊四醇的一半。因?yàn)榧姿徕c在水中的溶解度比季戊四醇大的多（季戊四醇易溶于熱水），因此將縮合反應(yīng)液經(jīng)過(guò)脫醛、降溫、濃縮、結(jié)晶、離心分離、水洗等步驟處理后得到不含甲酸鈉和甲醛的季戊四醇濕結(jié)晶，

31、最后干燥得到季戊四醇成品。結(jié)晶后的母液經(jīng)分步結(jié)晶法逐一回收甲酸鈉及季戊四醇。為提高回收率，可進(jìn)行多次循環(huán)回收。圖2.1為生產(chǎn)工藝流程方框圖。圖2.1 季戊四醇生產(chǎn)工藝方框圖2.3.1 縮合縮合為放熱反應(yīng)，反應(yīng)釜為夾套式，冷卻介質(zhì)為冷凍鹽水。首先將適量的甲醛溶液（濃度為37%）用泵送入縮合釜。在攪拌的情況下，調(diào)節(jié)冷卻器鹽水，使溫度保持在l012。于15分鐘內(nèi)將適量的稀堿（30%naoh溶液）加入縮合釜內(nèi)。調(diào)節(jié)鹽水量控制料溫，逐步升溫至15l8，然后將適量的乙醛（98%）根據(jù)先快后慢的程序在4小時(shí)內(nèi)加完。在前半小時(shí)內(nèi)加入乙醛總量的60。使料液上升到高峰溫度3334，然后繼續(xù)加乙醛用鹽水將溫度控制在

32、（291）。其反應(yīng)條件如下：投料配比（甲醛乙醛堿）為6.511.3（摩爾比）。2.3.2 中和加完乙醛后，保溫反應(yīng)1.5小時(shí)，料液殘醛、殘堿合格為反應(yīng)終點(diǎn)，用甲酸中和至酸值為ph=57為中和終點(diǎn)，將此縮合液用泵送入縮合液貯槽。2.3.3 脫醛縮合液自縮合液貯槽，經(jīng)預(yù)熱器，從塔中部進(jìn)入脫醛塔。經(jīng)過(guò)脫醛塔精餾，一次濃縮液自塔釜流出，進(jìn)入蒸發(fā)原液槽。塔頂餾出稀醛溶液，從塔中部進(jìn)入加壓脫醇塔，經(jīng)過(guò)脫醇塔精餾，塔頂餾出甲醇液，進(jìn)入甲醇貯槽，甲醛自塔釜流出進(jìn)入甲醛槽。2.3.4 蒸發(fā)脫醛濃縮液進(jìn)入蒸發(fā)器，用蒸汽加熱蒸發(fā)，真空度控制在（4754）kpa，水分在加熱室里汽化，在蒸發(fā)室里進(jìn)行汽液分離，水蒸汽被抽

33、真空的下水冷凝帶走。料液在設(shè)備內(nèi)濃縮。當(dāng)相對(duì)密度達(dá)到1.201.28后，停止加熱，將濃縮液放入結(jié)晶釜攪拌、冷卻。2.3.5 結(jié)晶分離1820蒸發(fā)濃縮液在結(jié)晶釜內(nèi)攪拌、冷卻降溫至3025，形成季戊四醇結(jié)晶液，流入離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行分離。母液用泵打入母液沉降槽，濾餅用水洗滌至洗液有甜味為止，洗液再打入蒸發(fā)原液槽。洗滌后的濾餅繼續(xù)脫水515分鐘，含水（612）為離心終點(diǎn)，停機(jī)后將濕結(jié)晶出料至料斗，用螺旋輸送機(jī)送去干燥 。2.3.6 干燥空氣經(jīng)過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)、蒸汽加熱器、電加熱器等設(shè)備加熱到150180，再經(jīng)過(guò)文丘里管，進(jìn)入干燥直管。離心后的季戊四醇濕結(jié)晶經(jīng)料斗、螺旋輸送機(jī)進(jìn)入文丘里管上口與熱風(fēng)混合，在干燥直

34、管內(nèi)被熱風(fēng)干燥，干料進(jìn)入一級(jí)旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離，干料自底部流入料倉(cāng)，含有細(xì)料的粉塵自上部排出進(jìn)入二級(jí)旋風(fēng)分離器。分離的細(xì)料每小時(shí)放料一次進(jìn)行回收。分離后含有粉塵的熱空氣進(jìn)入脈沖袋濾器進(jìn)行過(guò)濾，每?jī)尚r(shí)放料一次。化驗(yàn)合格后包裝入庫(kù)。3 物料衡算3.1 工藝流程框圖3.2 計(jì)算依據(jù)（1）生產(chǎn)能力：年產(chǎn)1萬(wàn)噸季戊四醇按工作日為300天每年來(lái)計(jì)算日產(chǎn)量=33 噸（2）相關(guān)物性數(shù)據(jù)表3.1 物性數(shù)據(jù)表原料名稱(chēng)規(guī)格配比分子量熔點(diǎn) 沸點(diǎn)密度g/氫氧化鈉純度30%1.340.00318.413901.3279甲醛純度37%6.530.03-92-19.20.815乙醛純度98%144.05-123.521

35、0.788甲酸純度87%0.346.038.6100.81.226甲酸鈉68.012533601.92注：以日產(chǎn)量為基準(zhǔn)3.3 其他數(shù)據(jù)物料比：甲醛乙醛naoh=6.511.3（摩爾比）損耗率：1%日最終生產(chǎn)季戊四醇量=日實(shí)際生產(chǎn)季戊四醇量=反應(yīng)式：日用氫氧化鈉量=日甲醛用量=日乙醛用量=日甲酸用量=3.4 各工序的物料衡算3.4.1 縮合（1）流程示意圖（2）反應(yīng)式（3）計(jì)算過(guò)程流股1為30%naoh溶液，其中： naoh：噸 水：噸流股2為37%甲醛溶液，其中： 甲醛：噸 水：噸流股3為98%乙醛溶液，其中： 乙醛：噸 水： 噸流股4為混合液，其中： 季戊四醇： 氫氧化鈉： 甲醛： 雙季戊

36、四醇： 甲酸鈉： 水： （4）物料衡算一覽表表3.2 縮合工序物料衡算一覽表組分進(jìn)料（流股1）出料（流股2）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）h2o643574.166373.1983.99naoh331.243.8275.681.00cho1656.219.09630.638.31ch3cho254.82.94c10h24o75.0450.066hcoona252.253.32c5h12o4252.253.32總計(jì)8677.2410075891003.4.2 中和（1）流程示意圖（2）反應(yīng)式（3）計(jì)算過(guò)程流股1為縮合釜出來(lái)的混合液，其中： 季戊四醇： 氫氧化鈉： 甲醛： 雙季戊

37、四醇： 甲酸鈉： 水： 流股2為85%甲酸溶液，其中： 甲酸： 水： 流股3為中和釜出來(lái)的混合液，其中： 季戊四醇： 甲醛： 雙季戊四醇： 甲酸鈉： 水： （4）物料衡算一覽表表3.3 中和工序物料衡算一覽表組分進(jìn)料（流股1）進(jìn)料（流股2）出料（流股3）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）naoh75.681.00hcooh630.6394.86c5h12o252.253.64249.733.31續(xù)表3.3組分進(jìn)料（流股1）進(jìn)料（流股2）出料（流股3）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）c10h24o75.0450.704

38、.994550.066cho252.253.64624.328.27h2o6339.0491.0234.155.146343.2784.06hcoona324.654.30總計(jì)6924.265100664.7810075471003.4.3 脫醛（1）流程示意圖（2）計(jì)算過(guò)程流股1為中和釜出來(lái)的混合液，其中： 季戊四醇： 甲醛： 雙季戊四醇： 甲酸鈉： 水： 流股2為輕組分，其中：甲醛： 由于甲醛沸點(diǎn)低常溫下就為氣體，故假設(shè)其完全脫除流股3為脫醛塔出來(lái)的混合液，其中： 季戊四醇： 雙季戊四醇： 甲酸鈉： 水： （3）物料衡算一覽表表3.4 脫醛工序物料衡算一覽表組分進(jìn)料（流股1）出料（流股2）

39、出料（流股3）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）c5h12o249.733.31247.233.61c10h24o74.990.0664.9450.72cho624.328.27618.08100h2o6343.2784.066279.8491.63hcoona324.654.30321.404.04總計(jì)7547100618.081006853.4151003.4.4 蒸發(fā)（1）流程示意圖（2）計(jì)算過(guò)程流股1為脫醛塔出來(lái)的混合液，其中： 季戊四醇： 雙季戊四醇： 甲酸鈉： 水： 流股2為蒸發(fā)出去的水，其中：水： 噸 流股3為蒸發(fā)后的混合液，其中： 季戊四醇

40、： 雙季戊四醇： 甲酸鈉： 水： （3）物料衡算一覽表表3.5 蒸發(fā)工序物料衡算一覽表組分進(jìn)料（流股1）出料（流股2）出料（流股3）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）c5h12o247.233.61244.767.92c10h24o74.9450.724.8961.58h2o6279.8491.633755.521002524.3281.64hcoona321.404.04318.1910.29總計(jì)6853.4151003755.521003092.1661003.4.5 結(jié)晶（1）流程示意圖（2）計(jì)算過(guò)程流股1為蒸發(fā)后的混合液，其中： 季戊四醇： 雙季戊

41、四醇： 甲酸鈉： 水： 流股2為結(jié)晶后的混合晶液 季戊四醇： 雙季戊四醇： 甲酸鈉： 水： （3）物料衡算一覽表表3.6 結(jié)晶工序物料衡算一覽表組分進(jìn)料（流股1）出料（流股2）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）c5h12o244.767.92242.317.92c10h24o74.8960.164.8470.14h2o2524.3281.642499.0881.64hcoona318.1910.29315.0110.29總計(jì)3092.1661003061.2471003.4.6 分離（1）流程示意圖（2）計(jì)算過(guò)程流股1為結(jié)晶后的混合晶液，其中： 季戊四醇： 雙季戊四醇： 甲酸鈉：

42、 水： 流股2為廢液，其中： 甲酸鈉： 水：假設(shè)季戊四醇中的含水量為9%，那么季戊四醇中的水 廢液中的水 雙季戊四醇：假設(shè)廢液中的雙季戊四醇占總量的50%那么廢液中雙季戊四醇為雙季戊四醇流股3為產(chǎn)品，其中： 季戊四醇晶體中的季戊四醇： 雙季戊四醇： 季戊四醇晶體中的水：假設(shè)季戊四醇中的含水量為9%，那么季戊四醇中的水（3）物料衡算一覽表表3.7 分離工序物料衡算一覽表組分進(jìn)料（流股1）出料（流股2）出料（流股3）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）c5h12o242.317.92239.8956.88c10h24o74.8470.142.399511.952

43、.39950.57h2o2499.0881.642294.6387.95179.4642.55hcoona315.0110.29311.860.092總計(jì)3061.2471002608.8895100421.74951003.4.7 干燥（1）流程示意圖（2）計(jì)算過(guò)程流股1為產(chǎn)品，其中： 季戊四醇晶體中的季戊四醇： 雙季戊四醇： 季戊四醇晶體中的水：假設(shè)季戊四醇中的含水量為9%，那么季戊四醇中的水流股2為干燥出去的物質(zhì)，其中： 雙季戊四醇：假設(shè)在成品季戊四醇中雙季戊四醇占0.5%則成品中的雙季戊四醇量為雙季戊四醇干燥出去的雙季戊四醇量為雙季戊四醇 水：假設(shè)在成品季戊四醇中水的含量占1.5%，則

44、成品中的水的含量為：水那么干燥出去的水的量為水 流股3為最終成品，其中： 季戊四醇： 雙季戊四醇： 假設(shè)在成品季戊四醇中雙季戊四醇占0.5%，則成品中的雙季戊四醇量為：雙季戊四醇 水：假設(shè)在成品季戊四醇中水的含量占1.5%則成品中的水的含量為水（3）物料衡算一覽表表3.8 干燥工序物料衡算一覽表組分進(jìn)料（流股1）出料（流股2）出料（流股3）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）c5h12o239.8956.88237.4989.41c10h24o72.39950.571.749891.150.649610.24h2o179.4642.55150.1798.85

45、27.5010.35總計(jì)421.7495100151.91989100265.639611004 熱量衡算4.1 熱量衡算目的熱量衡算的主要目的是為了確定設(shè)備的熱負(fù)荷，根據(jù)設(shè)備熱負(fù)荷的大小、所處理物料的性質(zhì)及工藝要求在選擇傳熱面積的型式、計(jì)算傳熱面積、確定設(shè)備的主要工藝尺寸。4.2 熱量衡算依據(jù)熱量衡算的主要依據(jù)是能量守恒定律22，以車(chē)間物料衡算的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行的，所以車(chē)間物料衡算表是進(jìn)行車(chē)間熱量衡算的首要條件。4.3 各物質(zhì)熱力學(xué)參數(shù)（標(biāo)況下）表4.1 物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)2324物質(zhì)溫度k甲醛298570.8-115.90-109.91218.7835.39乙醛298-166.36-133.3

46、0264.2255.32氫氧化鈉298-425.60-379.5364.4859.54甲酸298254.6-424.72-361.41128.9599.04季戊四醇2982761.9-920.5-613.92198.07190.41雙季戊四醇298甲酸鈉298111.46水298-285.83-237.17869.9175.2914.4 各工段的熱量衡算4.4.1 縮合4.4.1.1 計(jì)算條件（1）流程示意圖（2）衡算數(shù)據(jù)流股1為30%naoh溶液，其中naoh的量為噸，水的量為噸流股2為37%甲醛溶液，其中甲醛的量為噸，水的量為噸流股3為98%乙醛溶液，其中乙醛的量為噸，水的量為噸流股4為混

47、合液，其中季戊四醇的量為，氫氧化鈉的量為，甲醛的量為，雙季戊四醇的量為，甲酸鈉的量為，水的量為4.4.1.2 計(jì)算過(guò)程對(duì)于有傳熱要求的設(shè)備，其熱平衡方程式為：式中：物料帶入設(shè)備的熱量 kj 過(guò)程熱效應(yīng) kj 物料離開(kāi)設(shè)備所帶走的熱量 kj 加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量 kj 設(shè)備向環(huán)境散失的熱量 kj（1）的計(jì)算（物料帶入設(shè)備的熱量）（以0為基準(zhǔn)） cp計(jì)算cp的計(jì)算可以通過(guò)熱熔溫度關(guān)聯(lián)式來(lái)計(jì)算，則所得各物質(zhì)的cp值見(jiàn)下表：表4.2 物質(zhì)的cp值一覽表 單位：j / (molk) 溫度a（naoh）b（甲醛）c（乙醛）d（水）2559.5435.3955.3275.291 各物質(zhì)的： j j j

48、 j j j其中雜質(zhì)的忽略不計(jì)（2）的計(jì)算（過(guò)程熱效應(yīng)）為縮合釜中的過(guò)程反應(yīng)熱，作為反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)常以0作為基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行熱量衡算，在縮合反應(yīng)中由副反應(yīng)的發(fā)生，但發(fā)生的量少，反應(yīng)熱較小，故可以忽略不計(jì)，只以主反應(yīng)來(lái)計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)0時(shí)的反應(yīng)熱與25時(shí)的反應(yīng)熱相差不大，在實(shí)際的熱量衡算時(shí)常用25時(shí)的反應(yīng)熱。據(jù)化學(xué)工程手冊(cè)得25時(shí)的各物質(zhì)的生成熱如下表所示：表4.3 25下各物質(zhì)的生成焓 單位：kj / mol溫度a（naoh）b（甲醛）c（乙醛）d（季戊四醇）e（甲酸鈉）25-425.60-115.90-166.36-920.5-424.72反應(yīng)式：計(jì)算式： kj / mol其副反應(yīng)忽略不計(jì)，縮合釜中總

49、的反應(yīng)熱為： kj / mol kj（3）的計(jì)算（物料離開(kāi)設(shè)備所帶走的熱量）縮合釜內(nèi)反應(yīng)生成季戊四醇，最終還有甲醛及氫氧化鈉剩余，反應(yīng)為放熱反應(yīng)但釜內(nèi)溫度保持在29作用，并假設(shè)雙季戊四醇的cp值與季戊四醇的相等。（以0為基準(zhǔn)） cp計(jì)算cp的計(jì)算可以通過(guò)熱熔溫度關(guān)聯(lián)式來(lái)計(jì)算則出料液中各物質(zhì)的cp值見(jiàn)下表：表4.4 出料液中各物質(zhì)的cp值 單位：j(molk) 溫度a（季戊四醇）b（naoh）c（甲醛）d（雙季戊四醇）e（甲酸鈉）f（水）25190.4159.5435.01190.41111.4675.291 各物質(zhì)的jjjjjjj（4）的計(jì)算有熱平衡方程式可得：因?yàn)樗杂梢陨蠑?shù)據(jù)可得 j4.4.2 中和4.4.2.1 計(jì)算條件（1）流程示意圖（2）衡算數(shù)據(jù)流股1為縮合釜出來(lái)的混合液，其中季戊四醇的量為，氫氧化鈉的量為，甲醛的量為，雙季戊四醇的量為，甲酸鈉的量為，水的量為流股2為85%甲酸溶液，其中甲酸的量為，水的量為