邻苯二甲酸二异辛酯工艺设计说明书.doc
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毕业设计
系别：
化学工程技术系
课题名称：
500吨/200天邻苯二甲酸二异辛酯工艺设计
班级：
学生姓名：
指导教师：
2011年1月
目录
目录
1总论 1
1.1设计依据 1
1.2建设规模 1
1.2.1产品品种、规格、数量 1
1.2.2主要原料、产品的物理化学性质、规格、来源 1
1.3产品方案 3
1.3.1产品的用途 3
1.3.2工艺路线的确定 3
1.3.3工艺流程简述 4
2工艺计算 5
2.1物料衡算 5
2.1.1基础数据 5
2.1.2原料、产品的技术规格 5
2.1.3物料衡算 6
2.2热量衡算 16
2.2.1基础数据 16
2.2.2动力（水、电、汽、气）技术规格 16
2.2.3热量衡算 16
设备选型计算 21
2.3反应设备的选型说明及计算 21
2.4贮罐的选型说明及计算 24
2.5换热器的选型说明及计算 26
2.6塔设备的选型说明及计算 27
2.7泵的选型说明及计算 30
2.8其他设备选型说明及计算 32
3设备布置 6
3.1设备布置原则 6
3.2车间建筑要求 6
3.3设备布置 6
4消耗定额、控制指标、定员 6
4.1原材料、动力消耗定额及消耗量 6
4.2生产控制分析 7
4.3定员 7
5三废处理及环境保护 8
5.1车间三废排量及组成 8
5.2三废处理措施及效果 8
6安全生产与劳动保护 8
6.1危险性物质物性一览表 8
6.2消防安全措施 9
7节能措施 10
致谢 10
03设备选型计算
1总论
1.1设计依据
本化工课程设计，以设计任务书为基础，综合文献检索、资料收集，老师指导，小组讨论，综合分析，以实际经验为依据，搏众家之长，选择合适设计方案。
1.2建设规模
1.2.1产品品种、规格、数量
产品品种：
邻苯二甲酸二异辛酯,简称DIOP
规格：
99%工业合格品
数量：
500吨
工业合格品的相关指标，见下表。
［1］
质量标准GB11406—2001
质量指标
优等品
一等品
合格品
色度/（铂-钴）号 30 4060
≤
30
40
60
纯度/%
≥
99.5
99.0
99.0
密度/（g/cm3）（20℃）
0.982～0.998
酸度（以苯二甲酸计）/%
≤
0.01
0.015
0.030
水分/% 0.10 0.150.15
≤
0.10
0.15
0.15
闪点
≥
196
192
192
体积电阻率/（10^9m） ≥ 1.0
≥
1.0
\
\
1.2.2主要原料、产品的物理化学性质、规格、来源
（1）异辛醇
又名：
2-乙基己醇。
分子量：
130.23。
分子式：
C8H18O。
物化性质：
它是无色特殊气味的可燃性液体。
具强刺激性，具致敏性。
相对密度0.831（水=1），沸点183.5℃，熔点为-76℃，闪点为77℃。
水溶性：
不溶于水，可与多数有机溶剂互溶。
溶解度（20℃）：
辛醇在水中0.1%（重量），水在辛醇中2.6%（重量）；共沸组成（760mmHg）：
醇20%，水80%，共沸点为99.1℃
危险特性：
遇明火、高热可燃。
与氧化剂可发生反应。
若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。
健康危害：
本品属于低毒类。
摄入、吸入或经皮肤吸收后对身体有害。
对眼睛有强烈刺激作用，可致眼睛损害；可引起皮肤的过敏反应。
燃爆危险：
本品可燃，具强刺激性，具致敏性。
注意事项：
高温、强氧化剂有燃烧的危险。
可用镀锌铁桶或槽车盛装，常温下贮运，防止曝晒。
规格:
≥99.5℅工业一级品，见下表。
［2］
产品标准
外观
透明液体，无悬浮物
密度/g.cm-3 0.829～0.834
0.829～0.834
沸程（馏出100%体积）/℃ 179～187
179～187
含量/% ≤99.7
≤99.7
酸含量/% ≤0.025
≤0.025
醛含量/% ≤0.2
≤0.2 ≤0.05
烯类含量/%
≤0.05
硫酸试验
合格 15号
色泽（铂-钴比色）
15号
（2）苯酐
又名：
邻苯二甲酸酐。
分子量：
148.12。
分子式：
C8H4O3
物化性质：
外观为白色鳞片状或结晶性粉末，白色微带其它色调的鳞片状或结晶性粉末。
具有轻微的气味。
熔点为131.6℃，沸点为295℃，相对密度为1.527（水=1），相对蒸气密度为5.10（空气=1），饱和蒸气压为0.13kPa（96.5℃），引燃温度为570℃，
闪点为151.7℃。
水溶性：
不溶于冷水，溶于热水、乙醇、乙醚、苯等多数有机溶剂。
危险特性：
遇明火、高热或与氧化剂接触，有引起燃烧的危险。
健康危害：
中等毒性。
对皮肤有刺激作用，空气中最大允许浓度为2mg/L。
规格:
≥99℅工业一级品，见下表。
［2］
产品标准
外观
白色鳞片状，块状或结晶性粉末
总酸度/% ≥99.7
≥99.7
凝固点/℃ ≥130.5
≥130.5
苯二甲酸/℃ ≤0.6
≤0.6 ≤
色泽（按P-CO标准色号）
≤60
（3）硫 酸
硫酸，俗称：
98酸。
化学式为H2SO4。
相对分子质量：
98.08g/mol
物化性质：
浓硫酸是一种无色无味油状液体，是一种高沸点难挥发的强酸，易溶于水，能以任意比与水混溶。
20℃时的密度为1.836g/cm3，相对密度：
1.84，沸点：
338℃,溶解性：
与水和乙醇混溶,凝固点：
无水酸在10℃，98%硫酸在3℃时凝固。
结晶温度0.7℃，它可以与水任 何比例混合并放出大量热。
它具有强烈的腐蚀性、氧化性、吸水性，能与多种金属和非金属发生作用。
（5）纯碱
分子式：
，分子量：
106
物化性质：
白色粉末状结晶，与酸起中和反应，易溶于水。
碳酸钠YQB-13
项目
指标
优等品
一等品
合格品
外观
白色结晶粉末
总碱量（以计），%≥
99.2
98.8
98.0
（4）邻苯二甲酸二异辛酯
又名邻酞酸二异辛酯，简称DIOP。
化学式：
C24H38O4。
分子质量390.56。
物化性质：
无色或浅黄色粘稠液体，微具气味。
色泽（APHA）＜50，酯含量>99%，水含量＜0.1%，相对密度0.986（20℃）。
粘度0.053～0.083Pa·s（20℃）。
凝固点＜-45℃。
沸点235℃。
折光率（n20D）1.4860。
闪点210℃。
在水中的溶解度（25℃）＜0.01，水在本品中的溶解度为（25℃）0.4。
饱和蒸气压（kPa）为<0.027（150℃），溶于脂肪烃、芳香烃和大多数有机溶剂，完全溶于汽油、矿物油。
微溶于甘油、乙二醇和一些胺类，不溶于水。
毒性与卫生性：
本品毒性低，毒性系数T=200，大白鼠经口LD50为22.6ml/kg，本品对动物的生长、繁殖均无影响，亦无致癌性。
由于本品易被油脂抽出，故含有本品的容器不宜长期存放油脂含量大的食品。
［3］
规格:
≥99%，工业一级品
1.3产品方案
1.3.1产品的用途
邻苯二甲酸二异辛酯（DIOP）作为塑料、皮革、橡胶的主增塑剂，它具有良好的综合性能：
挥发性较低、增塑效率高、混合性能好、耐紫外光强、耐水抽出、迁移性小、低温柔软性好、电气性能高、耐热性和耐候性良好等优点．在工业上广泛用作聚氯乙烯、氯乙烯共聚和纤维树脂的增塑剂对各种软质制品的加工，如制造薄膜、模板、人造革、电缆料、模塑品、片材增塑糊等⋯；与除醋酸纤维素、聚乙酸乙烯以外的几乎所有的工业用树脂和橡胶有良好的相容性，性能与邻苯二甲酸二辛酯（DOP）类似，但电性能、增塑效率、低温性能较DOP稍差。
可用作聚氯乙烯，氯乙烯共聚物，纤维素树脂和合成橡胶的主增塑剂。
本品是DOP的有效代用品，主要用途与DOP相同，本品在增塑糊中特别适用，其初始粘度低，而且贮存过程中粘度的变化小。
［3］
1.3.2工艺路线的确定
（1）生产过程采用间歇法
生产方法：
由苯酐与异辛醇酯化而成。
生产过程有间歇法和连续法两种。
连续式生产
间歇式生产
优点
1）产品质量好，且质量稳定
2）能耗、物耗低，经济效益好
3）工艺先进，劳动生产率高
4）自动化水平高，劳动强度小
1）投资少，建设快
2）产品切换容易，可生产多种增塑剂
3）工艺技术简单，人员素质易满足
缺点
1）建设周期长，一次性投资大
2）主要设备制作加工比较困难
3）产品切换困难，不适合多品种增塑剂的生产
4）对工人的素质要求高
1）产品质量波动大，不太稳定
2）工艺落后，劳动强度大
3）能耗物耗高
连续式生产适合原料来源有保证，有较高生产管理水平和较高人员素质的大规模生产。
间歇式生产适合于小规模、多种增塑剂的生产，投资少见效快。
并且三废排放最低，对环境污染小。
由于每年500吨200天，产量小，所以选用间歇法更好。
间歇法是将苯酐、异辛醇、硫酸和活性碳进行酯化反应，反应液用纯碱中和，经水洗、脱醇、压滤而得．
（2）酯化催化剂选用硫酸
酸催化法以硫酸等为催化剂，其活性顺序为：
硫酸＞对甲苯磺酸＞苯磺酸＞2-萘磺酸＞氨基磺酸＞磷酸。
一般在常压下进行酯化反应，反应产物经中和、水洗、真空蒸馏，回收醇后脱色、压滤，即得成品。
缺点为反应时间长，收率低，产品质量差，废水量大，污染环境，腐蚀设备。
非酸性催化法:
以钛酸酯类、硅酸酯、铝酸钠、金属氧化物（如ＳＯ）为催化剂。
优点为副反应少，反应混合物着色性低，产品精制过程简单，质量好（酸值低、色度低、热稳定性好、体积电阻率大），无腐蚀问题，废水少，工艺简单，设备投资省。
惟酯化温度较高，且需纯氮保护。
非催化酯化法为不用催化剂及水的共沸物，而以单酯本身起自催化作用的方法，转化率可达97.5﹪～98﹪，产品酸度0.05，色度＜10.废水少，污染轻。
但有混合物停留时间长、需用大容量反应器、占地面积大、动力消耗高、产品质量不稳定、产品需分离、工艺复杂等问题，故采用者尚不多。
在七十年代以前，国外生产邻苯二酸酯类增塑剂，几乎全是采用硫酸之类的酸性催化剂进行酯化反应。
因此采用硫酸为催化剂的技术很成熟。
［4］
我们采用硫酸为催化剂。
因为硫酸活性高，价格便宜，是应用最普遍的酯化催化剂，且采用硫酸为催化剂的技术成熟。
1.3.3工艺流程简述
（1）酯化反应:
在酯化釜中加入邻苯二甲酸酐，异辛醇以1：
2（摩尔）的比例，在0.25%硫酸（按总物料量下）催化下于150℃左右进行酯化，酯化在减压（80Kpa）下进行。
利用水蒸汽间歇加热。
（2）中和：
酯化液冷却到80℃左右，与5%碳酸钠水溶液进行中和，以除去其中的硫酸及未反应的苯酐，澄清后，分去水层。
（3）水洗：
用清水洗涤两次，使酯层酸值低于0.02mg.koH/g，同时又不得呈碱性。
（4）脱醇：
中和后的酯液在脱醇釜内减压（＜150℃，真空下）加热，利用水蒸汽加热，除去其中过量的异辛醇及水分，
（5）脱色压滤：
脱色后的酯若色泽不好，需加0.1%的活性炭，用活性炭吸附，在60℃条件下搅拌，后经板框式压滤机除去机械杂质而得到产品。
2工艺计算
2.1物料衡算
2.1.1基础数据
年产量500吨邻苯二甲酸二异辛酯，规格为99.0%（wt）；年开工时间200天；每天3批，每批操作周期8小时。
酯化工序：
酯化温度150℃；酯化压力80Kp；投料比（苯酐：
异辛醇）为1：
3（摩尔比）；98%H2SO4：
占物料的0.25（wt）;苯酐的转化率：
100%；双酯的转化率：
80%
中和工序：
中和温度60℃，5%Na2CO3,且过量2%
水洗工序：
水洗温度80℃，等量软水，水洗两次
脱醇工序：
操作温度150℃下，压力为80Kp（绝压）；水、异辛醇均可从塔顶蒸出，一部分为水、异辛醇的恒沸混合物；另一部分为含水2%（wt）的异辛醇，双酯损失0.5%
脱色过滤工序:
操作温度60℃，活性炭加入量占进料量的0.1%，吸附杂质98%（wt），双酯损失0.5%
双酯在水中溶解度＜0.01%（25℃）；异辛醇在水中溶解度0.1℃（20℃）；水在双酯中的溶解度0.4%（25℃）；水在异辛醇中的溶解度2.6%（25℃）
计算基准：
间歇反应操作过程以Kg/批为基准
2.1.2原料、产品的技术规格
表2 1原料、产品的技术规格
序号
名称
规格
物性
备注
1
异辛醇
≥99.5%
易燃、易爆
2
苯酐
≥99%
易燃、有毒
3
浓硫酸
≥98%
腐蚀性、氧化性、吸水性
4
Na2CO3溶液
≥5%
溶于水
5
邻苯二甲酸酸二异辛酯
99.0%
低毒
2.1.3物料衡算
1、酯化釜物料衡算
酯化釜物料衡算如图1-1所示
进料系统
需要纯的双酯:
500×99.0%=495t
每批所需纯的双酯:
495/（200×3）=0.825t/批=825Kg/批
所需纯双酯产量扩大5%：
825×105%=866.25Kg/批
主反应：
27813039018
x y866.25z
即列：
得：
需转化的单酯x为617.4808Kg；消耗异辛醇y为288.75Kg；水z为39.9808Kg
148 130278
mn 617.4808÷0.8
根据单酯转化率为80%，则单酯的总质量为617.4808÷80%=771.8510Kg
即列：
得：
纯苯酐m=410.9135Kg；消耗的异辛醇n=360.9375Kg
根据99%的纯苯酐为410.9135Kg
则苯酐总量为410.9135÷99%=415.0641Kg
苯酐中含有1%的杂质:
415.0641─410.9135=4.1506Kg
因为苯酐：
异辛醇为1：
3（摩尔比）
则
得99.5%的异辛醇为1082.8126Kg
异辛醇总量：
1082.8126÷99.5%=1088.2539Kg
异辛醇中0.5%的杂质：
1088.2539─1082.8126=5.4413Kg
浓H2SO4总量:
（415.0641+1088.2539）×0.25%=3.7583Kg
其中98%的纯硫酸：
3.7583×0.98=3.6831Kg
硫酸中2%的水：
3.7583─3.6831=0.0752Kg
在主反应中生成水量为39.9808Kg，而硫酸中生成0.0752Kg的水，共有水量40.0560Kg
出料系统
双酯总量：
866.25Kg
单酯总量：
771.8510─617.4808=154.3702Kg
纯硫酸：
3.6931Kg
水中异辛醇：
40.0560×0.3%=0.1202Kg（异辛醇在水中溶解度0.1%[20℃]，温度综合60℃左右，溶解度扩大3倍，设异辛醇在水中溶解度0.3%）
流出的纯异辛醇：
1088.2539─0.1202─360.9375─288.75=433.0049Kg
（360.9375和288.75为反应掉的异辛醇）
杂质：
4.1506+5.4413=9.5919Kg（杂质来自苯酐和异辛醇）
整理上述计算结果列下表：
组分
Kg/批
w
进
料
原料
苯酐
99%苯酐
410.9135
27.27%
1%杂质
4.1506
0.28%
原料
异辛醇
99．5%异辛醇
1082.8126
71.85%
0.5%杂质
5.4413
0.36%
原料浓硫酸
98%浓硫酸
3.6831
0.24%
2%水
0.0752
0
进料总计
1507.0763
100%
出
料
水
40.0560
2.66%
水中异辛醇
0.1202
0.01%
单酯
154.3702
10.24%
双酯
866.25
57.48%
纯硫酸
3.6831
0.24%
异辛醇
433.0049
28.73%
杂质
9.5919
0.64%
出料总计
609.1918
100%
2、中和器物料衡算
中和器物料衡算图如图1-2所示
中和反应式：
556 106 600 4418XYZM154.3702
列等式：
求得：
反应消耗Na2CO3X为29.4303Kg，得到单酯钠盐Y为166.5865Kg，得到二氧化碳Z为12.2163Kg，得到水M为4.9976Kg
（2）H2SO4+Na2CO3───＞Na2SO4+H2O+CO2
98 106 1421844
3.6831 H IL G
列等式：
求得：
反应消耗Na2CO3H为3.9838Kg；生成Na2SO4I为5.3367Kg；生产H2OL为0.6765Kg；生成CO2G为1.6536Kg
进料系统
已知反应掉的纯Na2CO3=3.9838+29.4303=33.4141Kg
需要的Na2CO3总量：
33.4141÷5%=668.2820Kg
总Na2CO3要求超量2%：
668.2820×102%=681.6476Kg
其中总Na2CO3中含有的水：
681.6476×95%=647.5653Kg
总的纯Na2CO3：
681.6476─647.5653=34.0823Kg
总的水量：
4.9976+0.6765+647.5653=653.2394Kg（包括Na2CO3中的水、生成的两部分水）
出料系统
设水层中的异辛醇为x1,油层中的水为x2，异辛醇总量为433.0049Kg（已知）
水层中的双酯为y1，油层中的双酯为y2，双酯总量为866.25Kg（已知）
水层中的水为m1，油层中的水为m2，水的总量为653.2315Kg（已求）
列方程组：
0.3%m1=x1 x1+x2=433.0049Kg
0.03%m1=y1且y1+y2=866.25Kg
7.8%x2+1.2%y2=m2 m1+m2=653.2394Kg
（温度在60℃左右，溶解度扩大3倍，即为0.03%）
由方程式可知x2=433.0049─x1
y2=866.25─y1
m2=653.2394─m1
代入方程式7.8%x2+1.2%y2=m2中
得到：
7.8%（433.0049─x1）+1.2%（866.25─y1）=653.2394─m1
7.8%（433.0049─0.3%m1）+1.2%（866.25─0.03%m1）=653.2394─m1
求得：
m1=609.1918Kg
根据m1+m2=653.2394，求得m2=44.0476Kg
由0.03%m1=y1
y1+y2=866.25
可得：
y1=0.1828Kgy2=866.0672Kg
由0.3%m1=x1
x1+x2=433.0049
可得：
x1=1.8276Kgx2=431.1773Kg
由于Na2CO3、Na2SO4、单酯钠盐都溶于水中
已知R=水层中的水：
油层中的水=609.1918÷44.0476=13.8303Kg
设溶于水相中的Na2SO4质量为b1,溶于油相中的Na2SO4质量为b2
立方程组：
b1+b2=5.3367（已求）
b1/b2=R=13.8303
得：
b1=4.9768Kgb2=0.3599Kg
同理，可求得单酯钠盐的分布，溶于水层中155.3537Kg，溶于油层11.2329Kg
Na2CO3的分布，溶于水层中0.6231Kg，溶于油层中0.0451Kg
反应中生成的CO2：
1.6536+12.2163=13.8699Kg（反应中产生的）
整理上述结果列下表：
组分
Kg/批
w
原料异辛醇
433.0049
21.15
双酯
866.25
40.32
单酯
154.3702
7.18
纯H2SO4
3.6831
0.17
原料
Na2CO3
95%水
647.5653
30.14
5%Na2CO3
34.0823
1.59
杂质
9.5919
0.45
进料总计
2148.5477
100
出
料
油
相
异辛醇
431.1773
20.07
双酯
866.0672
40.31
水
44.0476
2.05
Na2SO4
0.3599
0.02
单酯钠盐
11.2329
0.52
Na2CO3
0.0451
0
杂质
9.5919
0.45
水
相
水
609.1918
28.35
异辛醇
1.8276
0.09
双酯
0.1828
0
Na2SO4
4.9768
0.23
单酯钠盐
155.3537
7.23
Na2CO3
0.6231
0.3
CO2
13.8700
0.65
出料总计
2148.5477
100
3、水洗工序物料衡算
水洗工序物料衡算图如图1-3所示
（1）一次水洗工序
已知：
进入水洗工序的物质有异辛醇431.1773Kg，双酯866.0672Kg，水44.0476Kg，Na2SO40.3599Kg，单酯钠盐11.2329Kg，Na2CO30.0451，杂质9.5919Kg，进入水洗工序的总量为1362.5219Kg，则等量软水为1362.5219Kg
总水量（进入的水+软水）=1362
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