年产4600吨乙二醇二缩水甘油醚实用工艺设计

1、ft. I设计年产4600吨乙二醇二缩水甘油醛工艺设计学院：化学化工学院班级：学号：:指导老师：时间：2012年05月文档实用目录设计任务说明-3 -第一章绪言-3 -1.1 乙二醇二缩水甘油醛的现状 -3 -1.1.1 用途及性质-3 -1.1.2 生产方法及其特点 -4 -1.2 产品质量标准-5 -1.3 国主要生产厂商 -6 -1.4 生产方法的选择 -6 -1.4.1 相转移催化法合成乙二醇二缩水甘油二 -6 -1.4.2 二步法合成乙二醇二缩水甘油醛 -7 -第二章 工艺过程分析 -7-2.1 反应原理-7-2.2 工艺流程示意图 -10-1 .原料、辅助原料规格 -10-2 .预

2、计原料及辅助原料的消耗定额 -11-3 .公用工程规格-11 -4 .预计公用工程消耗定额 -11 -第三章 物料衡算 -12 -3.1 生产任务-12 -3.2 计算依据-12 -3.3 物料衡算-12 -3.4 物料衡算平衡表 -14 -第四章热量衡算-16 -第五章 主要设备工艺计算 -18 -5.1 缩合反应釜-18 -5.2 环化反应釜-18 -第六章 主要设备 -19 -第七章 设备布置图 -20 -第八章结论-20 -文档设计任务说明1）设计项目名称：年产1140乙二醇二缩水甘油醴工艺设计2）工艺条件：A、缩合反应原料配比：乙二醇：0.5mol -509.82kg/8h1mol

3、环氧氯丙烷 一497.65kg/8h催化齐I0.5% -5.53kg/8h反应温度：80c操作方式：连续B、环化反应原料配比：甲苯一 2026kg/Jtt40%氢氧化钠溶液一 320.26kg/Jtt反应温度：40 c操作方式：连续第一章绪言1.1 乙二醇二缩水甘油醍的现状1.1.1 用途及性质氯代烷姓是由 C10C30的石蜡姓:经氯化而制得的氯代衍生物，通式 CnHxCLx根据氯化深度的不同其用途有多种。目前，广泛应用的是氯含量 为40%70的氯姓产品，可作为PVC的辅助增塑剂和阻燃剂以及润滑剂等。氯姓产品的热稳定性是衡量产品质量优劣的主要指标，而氯代烷姓的 热稳定剂则对其热稳定性起决定作用

4、。许多研究机构对热稳定剂的开发、 改性、复合做了大量的工作，但其主要成份仍是乙二醇二缩水甘油醴，所 以开展对乙二醇二缩水甘油醴合成工艺的研究是十分必要的。乙二醇二缩水甘油醴属于低黏度水溶性环氧树脂或脂肪族环氧树脂， 是一种淡黄色透明液体，分子式C8H14。4,分子量174.20,密度1.118,沸点112o C(4.5 mmHg),闪点110 o C。环氧当量112135g/eq或环氧基含量 28.5%33.0%。黏度10100mPas。含氯量9.5%。水溶率95%100%。 由乙二醇与环氧氯丙烷反应制得。常与双酚A型环氧树脂混合用作低黏度复合物、铸塑料、浸渍液、胶黏剂、树脂改性剂、织物处理剂

5、、PVC热稳定剂等。广泛用于无溶剂涂料、层压、胶粘剂等，可用作各种灌封料、地坪涂 料、胶粘剂。产品 牌号性能指标色度APHA粘度25o C mPa S环氧值eq/100g有机氯eq/100g无机氯eq/100g水份 %< 1001525> 0.70< 0.02< 0.005< 0.11.1.2 生产方法及其特点乙二醇二缩水甘油醴合成方法一般有3种：(1)一步法，(2)两步法，(3)烯姓氧 化法。1983年，Mouzin报导了相转移催化一步合成单缩水甘油醴的方法，随后Gu报道了相转移催化合成二缩水甘油醴的方法，使经典的多步反应简化成一步 反应，但是Gu法的产物纯化是

6、采用高真空蒸储的方法，真空度低于1mmHg,这对二缩水甘油醴的生产和应用及普及都十分不利。对于烯姓氧化法，常用氧化剂来氧化辛烯，而其要求条件复杂，消耗大量能源，成本高，效果不好。两步法 是用二元醇与环氧氯丙烷在催化下(一般采用BF3 O(CH2CH3)2催化剂)开环加 成，然后在碱的作用下闭环，得到二缩水甘油醴，国外大多数生产厂家采用此法。 但催化剂BF3 O(CH2CH3)2腐蚀设备，污染严重，所以急待开发一种无污染高 效率的催化剂。天津石化公司研究院研制的MTZ催化剂是一种有机磺酸盐，用于代替BF3 O(CH2CH3)2、KOH等催化合成乙二醇醴有着非常好的催化效果：a以MTZ催化剂代替B

7、F3 O(CH2CH3)2合成乙二醇二缩水甘油醴是可行 的，MTZ的用量仅为BF3 O(CH2CH3)2用量的1/2. 6,产品性能高于用 BF3 O(CH2CH3)2产品，达到了国同类产品水平。b.较佳的开环反应条件为：MTZ为乙二醇质量的0.1;羟基：ECH=1 :1(too1); 滴加温度：14016OC；滴加时间：3 h;反应温度14016OC,恒温1 h闭环 反应 条件：二氧六环为溶剂、NaAIO为碱催化剂，回流时间8 hoc.用MTZ催化剂代替BF3 O(CH2CH3)2,可降低乙二醇二缩水甘油醴的 生产成本，改进工艺、提高产品质量，应继续进行MTZ催化剂的复配试验。以降低引发温度

8、，减少能耗，进一步提高产品性能。1.2 产品质量标准工业上作为树脂的控制指标如下：环氧值。环氧值是鉴别环氧树脂性质的最主要的指标，工业环氧树脂型号就是按环氧值不同来区分的。环氧值是指每100g树脂中所含环氧基的物质的量数。环氧值的倒数乘以100就称之为环氧当量。环氧当量的含义是：含有1mol环氧基的环氧树脂的克数。无机氯含量。树脂中的氯离子能与胺类固化剂起络合作用而影响树脂的 固化，同时也影响固化树脂的电性能，因此氯含量也环氧树脂的一项重要 指标。有机氯含量。树脂中的有机氯含量标志着分子中未起闭环反应的那部分 氯醇基团的含量，它含量应尽可能地降低，否则也要影响树脂的固化及固 化物的性能。挥发分

9、。粘度或软化点。a.从用途上选择作粘接剂时最好选用中等环氧值(0.25-0.45)的树脂，如6101、634;作浇注料 时最好选用高环氧值(>0.40)的树脂，如618、6101;作涂料用的一般选用低环 氧值(<0.25)的树脂,如 601、604、607、609等。b.从机械强度上选择环氧值过高的树脂强度较大，但较脆；环氧值中等的高低温度时强度均好； 环氧 值低的则高温时强度差些。因为强度和交联度的大小有关，环氧值高固化后交联 度也高，环氧值低固化后交联度也低，故引起强度上的差异。c.从操作要求上选择不需耐高温，对强度要求不大，希望环氧树脂能快干，不易流失，可选择环氧值 较低的树

10、脂；如希望渗透性也，强度较好的，可选用环氧值较高的树脂。1.3 国主要生产厂商a）齐化公司b）锡平石化厂c）南亚环氧树脂（昆山）d）宏华润化工机械厂e）家港乐余机械设备厂f）三木集团公司g）亨斯迈先进材料公司h）陶氏家港公司i）宏昌电子材料工业j）化工机械厂k）市中堂裕康金属容器设备厂1）奥桑涂装工程m）化工（）n）扬农化工集团1.4 生产方法的选择乙二醇二缩水甘油醴的合成方法一般有：1、相转移催化法；2、两步法1.4.1 相转移催化法合成乙二醇二缩水甘油醴在相转移催化剂（Q + X-）存在下，乙二醇与环氧氯丙烷进行反应，其反应式如 下：KOH 一 £?'a" iC

11、H iOH / CH O-CH CH Q-CH 士一飞 2OO首先，乙二醇与氢氧化钾作用，乙二醇失去质子生成烷氧负离子，该负离子与相转移催化剂发生交换反应，生成离子对Q + -ORO - Q + （R = - CH 2CH 2-）HO R QH2 KQHQ+ ORO- 其次，Q +-ORO - Q +进入有机相,进行催化反应，催化机理如下:里乎8一日© +g- ORO Q-4etc H 工一弋 /AT 20火_CU OR DCH 2一弋 /打二0O1.4.2 二步法合成乙二醇二缩水甘油醴两步法由于原料易得，生产工艺过程易于控制，产品的性能较好，因而国外 大多数生产厂家采用此法。在装有

12、冷凝管、搅拌器、滴液漏斗的反应瓶中,加人0.5mol乙二醇和0.5g崔 化剂，开动搅拌，当温度升至70c时，缓慢滴加1mol环氧氯丙烷，此过程为一放 热反应，因此，要控制滴加速度，使反应液温度维持在80c左右，滴加完成后继续 反应3h,加人溶剂，在40 c时搅拌加人1mol氢氧化钠溶液，再继续反应3h,分出 水相，蒸出溶剂即得乙二醇二缩水甘油醴产品。本设计采用的是二步法，以乙二醇和环氧氛丙烷为原料在催化剂存在下发生开环加成反应，并在碱性条件下脱除氯化氢生成乙二醇二缩水甘油醴。 由于本方 法原料易得，生产工艺过程易于控制，产品的性能较好，因而可作为设计的最佳 生产方法。第二章工艺过程分析2.1

13、反应原理主反应：CO'HCHq也如）0血笛出第一步乙二醇与环氧氯丙烷在催化剂（BF3 O（CH2CH3）2）存在下发生开环加 成反应，第二步在碱性（NaOH）条件下脱除氯化氢生成乙二醇二缩水甘油醴 副反应：合成反应第一步是开环加成反应，是伴随氢原子的转移而进行的，当反应条件变 化，温度过高，就会主要发生连续加成的副反应。2.2 工艺流程示意图2.3 所用原材料1.原料、辅助原料规格:- 原材料生产厂家规格乙二醇（工业）燕山石化化学纯环氧氯内烷（，业）齐鲁石化分析纯三氟化硼络乙醛省新化工股份分析纯氢氧化钠溶液（30%工业）农药厂分析纯溶剂（工业）焦化厂化学纯2 .预计原料及辅助原料的消耗

14、定额-:名称单耗（母吨产品）日耗(t/d)乙二醇0.50t1150环氧氯乙烷wi.1t2530稳定剂2 -3kg4.6 6.9催化剂0.9kg2.073 .公用工程规格-! 盐水1新标准氯化钠指标为优级96.00%、一级94.50%、二级i 92.00%新标准 GB/T5462 2003 代替 GB5462 1992冷却用水硬度w 10ppm,水压0.2Mpa,水温 上水w 30 C ,回水w 40 C ;电FKnEiaa rsani eiuiimi i emiii蒸汽380V220V1 illUi II iBJ 1 IIAiHI i B Jllflii-! i i ! i i ilAHI E

15、IUIIM1 1 EKI： IIBni tlUIIH I 1 EH1IC 1 lEBni IUIEM3 1 ,Bi i i iiii faii i KUIIM3 1 EMifii « 1 BiflllAi 1 1 KTVnrq0.2 0.6MPa4 .预计公用工程消耗定额1名称单耗日耗取人流里；;水5t/t产品1.15X10 4 t/d8t/h电汽40kwh/t 产品1t/t产品9.2 x 103kw - h/d一2.3X 103t/d60kw - h/h1t/h第三章物料衡算3.1 生产任务乙二醇二缩水甘油醴产量为4600吨/年乙二醇二缩水甘油醴收率：94% （其中缩合、环化、脱溶

16、收率均为 98%）4600000kg / 年174 kg / kmol乙二醇二缩水甘油醴的年产率：（按每年生产天数300、生产周期为8小时）26436.78kmol /年 88.12kmol /天=638.89kg/h3.2 计算依据1、乙二醇二缩水甘油醴产量 =0.639吨/h,即3.67kmol/h2、反应器的原料配比（摩尔比）为乙二醇：环氧氯丙烷 =1:2.253、反应后各产物的单程收率为物质C8H1604cl2C8H14O4蒸储后C8H14。4摩尔收率98%98%98%4、缩合反应器进口温度25 C,反应温度70-80 C ,出口温度40 C5、催化剂添加量为0.5%6、溶剂添加量为反

17、应液的1倍7、NaOH溶液的摩尔分数为40%3.3 物料衡算原材料比重黏度沸点乙二醇（工业）1.113g/mL25.66mPa.s.4C环氧氯丙烷（工业）1.1761 gmL1.03mPa - s117.9C三氟化硼络乙醛1.125g/mL125.7 C甲苯（工业）0.87g/mL110.6C(1)缩合反应器进口原料气中各组分的流量C2H6。2 :29.37kmo1 /h =3.823kmol / h 237.00kg/h=0.134m3 / h8X0.98X0.98C3H50cl : 29.37kmol/8h 2.25=8.26kmol / h 764.08kg/h=0.881m3/h(29

18、.37 66.08) 0.5% 0.477kmol /8hBF3 - O(CH2CH3)2：0.0596kmol/h 8.459kg /hL 0.134 1.1132+0.881 1.1761浴剂：=1.21kmol /h98%总的物质流量：1009.539kg/h(2)缩合反应器出口混合器中各组分的流量C8H1604cl2： 30.58kmol/8h 0.98 =29.97kmol/ 批=3.746kmol/ h=925.32kg/ hC2H6O2: 30.58mol/8h 0.02=0.07645kmol/h=2.4464kg/h八一66.08 29.37 2,C3H50cl:=0.918

19、kmol/h=848.87kg/hBF3 O(CH2CH3)2： (29.37 66.08) 0.5% 0.0597kmol/h 8.459kg /h溶剂:0.134 1.1132+0.881 1.1761= 1.21kmol /h98%总的物质流量：1785.10kg/h(3)环化反应器进口原料气中各组分的流量C8H1604cl2： 30.58kmol/8h 0.98 =3.746kmol/h =894.8kg/hC2H6O2： 30.58mol/ 批 0.02=0.6116 kmol/8h=2.4464kg/h=0.00229m3/hC3H5OCl: 66.08 29.37 2=0.917

20、5kmol/h=84.87kg/hBF3 O(CH2CH3)2： (29.37 66.08) 0.5% 0.0597 kmol / h 8.459kg/批溶剂:。134 1.1132+0.881 1.176198%2=2.42kmol /hNaOH :30.58kmol / 8h 2=7.645kmol/ h=305.8kg/ h一 7 645H2O: 7.645 11.47mol /h=206.42 kg/h0.4总的物质流量：1725.435 kg/h(4)环化反应器出口混合器中各组分的流量C8Hl4O4: 29.968kmol/8h 0.98 =3.671kmol/h =638.75kg

21、/hC8H1604cl2： 29.968kmol/8h29.368kmol/8 h=0.075kmol/h=13.05kg/hC2H6O2: 29.968mol/8h 0.02=0.0749kmol / h=2.397kg/hC3H50cl: 66.08 29.37 2=0.918kmol/h=84.87kg/hNaOH :6116kmol/8h-29.368 2kmol/8h 0.303kmol/h 12.1kg/hNaCl: 29.368 2kmol/8h=7.342 kmol/h = 429.5kg/hH2O: 7.342 kmol / h 18+206.42=338.576kg / h

22、溶剂:2=2.42kmol /h0.134 1.1132+0.881 1.176198%总的物质流量：1750.342kg/h3.4物料衡算平衡表组成组分、缩合反应进口缩合反应出口Kmol/hKg/h%Kmol/hKg/ h%(mol)(wt)(mol)(wt)环氧氯丙烷8.26764.080.6800.7570.918848.870.1910.476乙二醇3.8232370.3150.2350.076452.44640.0160.001BF3 - O(CH 2CH 3)20.05968.4590.0050.0080.05978.4590.0120.005C8H1604cl200003.746

23、925.320.7800.518合计12.14261009.5391001004.80021785.10100100组成组分 环化反应进口环化反应出口Kmol/hKg/h%Kmol/hKg/h%(mol)(wt)(mol)(wt)C8H1604c123.746894.813.94151.8590.13.050.2230.746C2H6020.61162.44642.2760.1420.07472.3970.2220.137C3H50C10.91884.873.4164.9190.91884.872.7264.849BF3 - O(CH2CH3)20.05968.4590.2220.4900.0

24、5968.4590.1770.483NaOH7.645305.828.45217.7230.30312.10.9000.691H2O11.47206.4242.68711.96318.81338.57655.86019.343溶剂2.42222.649.00612.9032.42222.647.18712.720C8H140400003.671638.7510.90236.493NaCl00007.342429.521.80424.538合计26.87021725.43510010033.67331750.342100100第四章热量衡算4.1 缩合反应釜C2H6。2 的燃烧热=108.99X

25、 10+2 X 54.39=1198.68kJ/molC3H5OC1 的燃烧热=108.99X (3X 3+5) +81.59-32.22=1575.25kJ/molC8H1604c12 的 燃烧热=108.99 X ( 8 X 3+14 ) +2 乂 27.2+81.59 乂 2-2 乂 32.22=4296.76kJ/mo1 Hr=4296.76-1198.68-2X 1575.25=-52.42kJ/mol H=-52.42X3.746X 1000=-1.964X 105kJ/h若热损失取 H的5%,则放出热量为Q=(1-0.05)X 1.964X 105=1.865 X 105kJ/h

26、 ,取总传热系数 K=200W/(m 2 - K)假设夹套式换热器里的流体为水，进口处水温为 20C,出口处温度为35c.釜流 体进口温度为25C,出口温度为70C,温度的对数平均值为 T=(ATi-AT2)/ In (/ T2)= 28.8CS=Q/ ( T*K ) =1.865X 105/(200 乂 28.8)=32.378m24.2 环化反应釜C8H14O4 的燃烧热二(8x3+14) X 108.99+4X 81.59=4467.98kJ/molC8H1604cl2 的 燃烧热=108.99 x ( 8 x 3+14 ) +2 x 27.2+81.59 x 2-2 x 32.22=4

27、296.76kJ/molA Hr=4296.76-4467.98=-171.22kJ/molA H=-171.22X 3.671 乂 1000=6.286*105kJ/h若热损失取A H的5%,则放出热量为Q=(1-0.05)X 6.286*105=5.972*105kJ/h 取总传热系数 K=300W/(m 2 - K)假设夹套式换热器里的流体为水， 进口处水温为20C,出口处温度为35c.釜 流体进口温度为80C,出口温度为40 C,温度的对数平均值为4 T=(ATi-AT2)/ In (/ T2)= 30.8CS=Q/ (T*K) =5.972*105/(300X 3X 30.8)=21

28、.54m第五章主要设备工艺计算5.1 缩合反应釜1、计算依据C2H6O2=0.134m3/hC3H5OCl=0.881m3/h操作容积 V=0.134+0.881=1.015m3;全容积V=1.015/0.8=1.269 (取装填系数为0.8)圆整后，反应釜总体积为1.3 m3进料温度30 C,反应温度80 c操作压力101.33kPa催化剂为0.5%2、塔直径取塔的长径比i=1d 3 4V =1.18m,圆整得d=1.2m,椭圆封头白曲边高度 h1=300mm,直边 ,3.14i高度h2=40mm,则封头表面积A=1.7117m2,实际容积V=0.2714m3,筒体表面积 A=3.77X 1

29、.2=4.524m2,容积 V=1.131 X 1.2=1.357m30 故实际容积 V=1.6286m3。 取4=0.8,则夹套高度 H2=(4 V-V 封)/V1m= (0.8X 1.6286-0.2714) / (1.2/2) 2/3.14=0.912m,圆整取 1.0m,则夹套传热表面积 S=3.77+1.7117=5.4817m2 经核算，夹套传热面积小于工艺要求的传热面积，须在反应釜添加蛇管式传热器。 主要设备条件见附图5.2 环化反应釜1、计算依据甲苯(0.2128+0.8813 ) 1=1.094m3/h氢氧化钠 V=(191.2+129.06)/1449=0.221m3反应体积=1.015X2+0.206=2.236m3,反应釜体积=2.236/0.8=2.795m3 ,圆整后反应体积=2.8m32、塔直径d 3/ 4V =1.528m,圆整得d