醇醚化工课程设计

PAGEPAGEI目录TOC\o"1-2"\h\z\u前言 1第1章综述 21.1设计指导思想 21.2装置及其设计方案 21.3主要原材料规格 31.4产品规格 41.5生产方法论述 41.6设计基本要求 51.7生产工艺流程叙述 5第2章物料衡算及热量衡算 72.1物料衡算基准 72.2管道物料衡算及有关反应时间计算 72.3预反应，反应及熟化阶段的物料衡算 92.4阶段数据表格 10第3章设备计算 113.1反应回路换热器EO101的选型计算 113.2pc-0101反应回路循环泵扬程计算 15设备一览表 17致谢 21参考文献 22主要符号说明 23PAGE1前言随着石油化工的发展，以石油化学品环氧乙烷、环氧丙烷的衍生物聚乙二醇，聚丙二醇及其相应的醇醚体系所形成的高分子表面活性剂得到迅速发展。例如：以环氧乙烷为基础的原料生产的聚氧乙烯型非离子表面活性剂，现在已经在表面活性剂中占有很大的比重[1]。表面活性剂工业是自五十年代末，随着石油化工的兴起而迅速发展的新兴产业，表面活性剂具有一系列独特的物理和化学性质。它的应用特别广泛，从而是表面活性剂迅速的从工业助剂向精细化工产品方向发展[2]。聚氧乙烯型表面活性剂是以含有活泼氢原子的疏水性物质同环氧乙烷进行加成而得到的，脂肪醇聚氧乙烯醚对酸、碱及氧化剂都比较稳定，成本也比较低，脂肪醇聚氧乙烯酯在水中呈扩散状，具有良好的乳化、净洗效果。在化妆品、药膏、膏体鞋油等产品中作乳化剂，兼有增稠作用。在纺织工业中，用于合成纤维整理的乳化剂和油剂，有柔软性和抗静电性。做纸张淀粉图层中的增稠剂和稳定剂。用于电缆管道中多路传输电线的润滑剂。本产品工艺中以脂肪醇为链起始剂，以42%的K2CO3水溶液为催化剂在120—140℃，压力0.15—0.3MPA的条件下加入环氧乙烷与其进行环氧基化反应，生成脂肪酸聚氧乙烯醇的加成产品。传统工艺中，由于采用间歇釜式搅拌器，产品质量较差，液相中溶解未反应的环氧化物，产品大量积累，随时有爆炸危险，且反应器顶部有大量未反应的环氧乙烷的汽相与搅拌器的机械转动相接触而产生静电，导致火灾，甚至爆炸。另外，反应速度低，高温反应时间长所得AEO分布宽，产品色泽较深，副产物多。本工艺采用意大利PRESS第三代工艺技术，克服了传统工艺中的缺陷，从而增加了反应的速度，产品质量也明显提高。同时副产物也减少，产品生产适应性强，它是当今醇醚生产工艺中最理想的生产技术。PRESS生产工艺路线具有以下优点：1.PRESS工艺汽液接触式反应器，生产时间短，副产品少，分子量分布窄，产品色泽好。2.PRESS工艺采用高效真空系统，使液相物料在雾化状态下脱水，脱水率高，减少副产品PEG的生成。3.该工艺可以生产任何粘度低于0.5PAS的产品，可以广泛用来处理原料。4.三废处理好，设有尾气处理系统，并新增设了一级酸洗塔，使含有EO的废气经处理后排入大气，减少污染。5.PRESS的反应器没有机械转动部件，这就消除了釜式反应器因机械转动而产生的静电以及在填料函处环氧乙烷的泄漏，从而提高了装置的安全性。

第1章综述1.1设计指导思想（1）因地制宜，加快脂肪醇工程建设。（2）引进与开创先进技术相结合。要积极消化和吸收、开发、引进的乙氧基化技术，防止重复引进，尽快组织国内科研、设计部门自行研制，在已取得的成果基础上，尽快实现装置国有化。（3）加强国内外技术交流，沟通信息，促进醇醚生产与应用技术更快地发展。（4）对于易燃、易爆场所，设计采用可靠的方案检测，报警消防设施。（5）三废处理要达到排放的标准。（6）要积极扩大醇醚的应用市场。（7）在加入WTO后，提高技术水平，提高商品在国际市场上的占有量。1.2装置及其设计方案装置中设有两套并列的反应装置。中和单元，一套用于生产洗涤剂，一套用于生产工业助剂，从而适应醇醚产品的多系列、多品种的市场要求。表1醇醚装置组成表序号单元名称内容及功能12345678910100200300400500600700800900小试装置反应中和单元1反应中和单元2废气处理中间贮存原料准备产品包装装卸车栈台原料及产品罐区控制室，配电室进行EO缩合及中和反应进行EO缩合及中和反应处理生产过程中含EO的废弃产品中间贮存酸碱配置洗涤水化桶、倒桶、拆带融化桶罐装、切片袋装原料槽解冻，产品装槽车原料及产品贮存，热水制备生产控制及变配电研究开发新产品产品方案生产名称：脂肪醇聚氧乙烯醚生产能力：30000吨/年（300天/年计）日生产能力：100吨/日每日批数：10批批生产能力：10000kg1.3主要原材料规格表2主要原材料规格序号名称指标名称规格1EO外观透明液体气味甜色号（Pt—Co）无密度（0/14℃）0.894~0.896含量99.5WT%min水0.05WT%maxCO20.0015T%max酸度（乙酸）0.0012T%max醇（乙醇）0.01WT%max蒸发残渣0.01G/100molmax2脂肪醇外观（20℃）白色或微黄色颗粒密度（80℃）0.9408kg/l水分值0.2%max羟值197.2mgKOH/g碘值酸值207±3mgKOH/gmax熔点71.5—72℃皂化值211mgKOH/gmax3NAOH含量45.0WT%Na2CO30.30Wt%Ni0.040Wt%Fe2CO30.003Wt%颜色待确定4工业醋酸色号<30Pt—Co铁1ppmmax甲酸0.5ppmmax醛0.1醋酸80Wt%max蒸发残渣0.03max重金属4ppmmax比重（20—30℃）1.070kg水分20%APHA10max5过氧化氢含量25%游离酸（H2SO4）0.6%不挥发物含量0.12稳定度95%6导热油牌号YD—300外观透明比重1.01闪电（开杯0130kmin凝固点—10kmax酸值0.02mgKOH/gmax总硫0.12Wt%粘度（50℃）56m2/S毒性馏程：50%低毒25K/min1.4产品规格表3产品规格C17H35COO(CH2CH2)4H期望值保证值外观（25℃）乳白色固体乳白色固体水分0.10.2%max皂化值75~8575~85mgKOH/g羟基重复值±1±2mgKOH/gPH(1%水溶液)25℃5.0—7.05.0—7.0HLB12—1312—13聚乙二醇0.51APHA2050max1.5生产方法论述工业上，EO缩合反应是在一定温度下（120—200℃）和压力（0.2—0.6MPa）以及催化剂存在在下进行的。传统的生产方法时带搅拌的釜式反应器中进行的间歇操作。埃索（ESSO）公司、壳牌（SHELL）公司和国内的生产方法都是如此。液态环氧乙烷从反应釜下部通入，用搅拌器使其同链起始剂混合，由于反应物间的接触面积小，反应不均匀，在同一反映其中与链起始剂混合的分子数相差不大。产品质量较差，副产物较多、反应时间长，反应不好控制反应热不易导出，反应器的生产能力受到限制，而且因溶解在反应物中的环氧乙烷含量大，它与搅拌器机械转动产生经典往往会产生火灾，甚至发生爆炸事故。意大利PRESS公司的“汽液接触法”生产技术，彻底改变了传统的生产工艺，其反应器的设计具有生产能力大、反应速度快、产品质量好、生产安全等有点。属于世界前列，其特点如下：（1）提高了反应器的反应效率，（通常时釜式反应器的3—5倍）和生产能力。同时由于起始剂与环氧乙烷的反应面积增加，使反应器速度快而均匀，在反应过程中反应分子有着基本相同的增长速度。因此，最终产品醇醚的分子量分布较窄，副产物也明显减少。由于反应速度快，生产周期短，制得的醇醚色泽好，无需进行脱色处理。而且，批量之间有着良好的重复性，从而保证了产品质量。（2）PRESS没有机械传动部件，这就消除了釜式反应器因机械传动部件转动而产生的经典以及在填料函处泄露EO，从而提高了装置安全性。（3）PRESS反应器反应速度提高很快，因此，生产成本大幅下降，工程消耗亦低于传统方法。工艺参数：表4技术指标规格外观（25℃）色泽Pt—Co皂化值mgKOH/g水数ml水份（%）PH值（1%水溶液）HLB值SG—10乳白色固体≤4075~85—≤1.05.0~7.012~131.6设计基本要求脂肪醇（C15H24O）±10EO,年产量30000吨，日产量（按300天计）100吨每批10吨=10000kg，每天10批链起始剂分子量Mst=220最终产品分子量Mfp=220+10*44=6601.7生产工艺流程叙述100号单元和200号单元是两套并列的反应中和生产线，分别设置在两个独立的厂房内。反应工序来自原料准备单元（500）或原料罐区（800）的链起使剂，通过质量流量计后进入反应收集器（R0102），链起始剂的数量根据产品的配方由DCS软件决定，达到规定数量时，送料泵停止，开关闭管线上的自动阀，液体催化剂氢氧化钠从催化剂计量罐（V102），用催化剂计量泵（P0103）加入气液反应器（R0101），催化剂的数量用计量罐液位减少的方法自动控制。在达到配方规定数量时，由DCS软件自动停计量泵，链起始剂喝催化剂溶液中含有水分，反应也生成一些水分。这些水分在反应器的循环和加热过程中通过真空脱出，真空系统是由反应真空泵(P0204)和蒸汽喷射泵（P0202）串联组成，吸入压力为1.33千帕（绝压）。在链起始剂与EO反应前，反应器用氮气置换，被催化了的链起始剂在反应回路换热器(EO101/EO102)中被加热到反应开始温度120度。在流量，温度，压力控制下向反应器R101通入EO开始反应，反应用导热油通过反应回路换热器（EO101/EO102）移出，导热油用导热油循环泵P0104通过导热油冷却器EO104用冷却水冷却。反应器操作压力为400-500千帕，操作温度为120-185度，反应温度自动法控制，通过来自导热油加热器EO103得导热油冷却器EO104的冷却导热油的比率进行调节。在EO加入量达到反应要求时，EO进料阀自动关闭，此时仍有少量EO存在气象以及溶于液相中，因此要保持物料循环，熟化一段时间，直到氧化物全部反应完。反应结束后反应器中剩余气体首先排至废气处理单元，然后在真空下脱气直到循环产品冷却至120-140度，然后用反应循环泵（PG101/PG102）卸入中和器，管道中剩余的产品用氮气吹出，以上全部操作均由DCS软件自动控制。

第2章物料衡算及热量衡算2.1物料衡算基准脂肪醇（C15H24O）+10EO,年产量30000吨，日产量（按300天计）100吨，每批10吨=10000kg，每天10批链起始剂分子量Mst=220最终产品分子量Mfp=220+10ｘ44=660每批起始剂的量Wst=Mst/Mfpｘ10000=3333kg环氧乙烷EO的量：MEO=Wst/Mstｘ10ｘ44=3333/220ｘ10ｘ44=6666kg故：3333+6666=9999kg催化剂的量：NaOHMNaOH=100ｘ0.1％/42％=23.81kg中和剂：2.2管道物料衡算及有关反应时间计算2.2.1管线（2）由附录已知EO液体流速WEO=10000kg/hEO最快加料时间：=MEO/WEO=6666/10000=0.6666h=40.0min实际操作中管道内流体流速不能达到最大值对加料时间进行取整：'=45min[3]2.2.2管线（3）已知链起始剂的质量流量WST=30000kg/h起始剂剂最快加料时间：=Wst/WST=3333/30000=0.1111h=6.666min对加料时间取整为：'=15min此时管内实际质量流量：WST'=MST/'=3333/（15/60)=13332kg/h。2.2.3管线（5）、（7）、（8）催化剂的质量流量860kg/h其中：58％水质量流量86058％=498.80kg/h42％NaOH质量流量86042％=361.20kg/h取整为'=5min以PD101为衡算范围，输入=输出，故（7）、（8）号管线质量流量流速相等。管线（5）中的催化剂NaoH的最大质量流量为2860kg/h则经验系数：=2860/860=3.33由《技术文件及装置操作手册》知，加料时间定为5min42％NaOH质量流量2265.3742％=951.46kg/h58％水质量流量2265.3758％=1313.91kg/h2.2.4管线（6）（9）（10）管（9）中和剂的质量流速为：600kg/h其中：98％质量流速：98％600=588kg/h，2％质量流速：2％600=12kg/h98%最快加料时间：取整为'=5min则此时98％的实际质量流量：其中：98％流量：183.7298％=180.05kg/h2％流量：183.72×2％=3.67kg/h以中和计量泵为衡算范围：输入=输出，所以（9）（10）号管线质量流量相等管（6）中合剂最大质量流量为2000kg/h，经验系数=2000/600=3.33由《技术文件及装备操作手册》知加料时间定为5min则（6）中流量：98％的质量流量：611.7998％=599.55kg/h2%质量流量：611.792％=12.24kg/h2.2.5管线（11）、（12）、（13）反应回路小循环泵Pc-103每次循环量为10000kg，每小时循环次数为6.5次，质量流量W=6.5×10000=65000kg/h。流经管线（11）的物料通过反应循环泵Pc-103之后，流经管线（12），最后经反应换热器E-102流经管线（13）的连续过程中，崩和换热器内部都没有积累，即对每一个设备来说，输入=输出，故管线（11）、（12）、（13）的质量流量均为W=65000kg/h2.2.6管线（17）、（18）、（19）反应回路大循环泵Pc-101每次循环量为10000kg，循环次数为36次/h，每小时质量流量36000kg/h，在连续操作过程中，Pc-101和换热器（E-101）中不可有积累，所以管线（17）、（18）、（19）中的质量流量都为36000kg/h2.2.7管线（16）、（22）、（23）管线（16）是小循环产品出料管线流速已知为40000kg/h，管线（22）是大循环产品出料管线流速已知为15000kg/h，若卸料只靠小循环回路泵，即指从管线（16）卸料，这10吨产品出料时间=10000/40000=0.25h=15min若卸料只靠大循环回路泵，即只从管线（22）出料时，则10吨产品出料时间为=10000/150000=0.067h=4min。而实际生产中卸料应先是大小循环回路同时卸料，即（16）、（22）同时卸料，达到一定程度，液位不再满足大循环回路是，就只能从（16）管线卸料考虑上述原因，每笔醇醚产品出料时间取=10min，则管线平均每小时卸料W=10000/1060=60000kg/h，卸料只靠小循环泵时，（23）的实际流速W=40000kg/h，卸料前期管线（23）的流速W=60000kg/h取为150000kg/h。2.2.8中和部分管线（13）（14）管线（13）的流速为35000kg/h卸料=10000/35000=0.29h=17min取整=25min此时，实际流量W=10000/2560=24000kg/h，因为Pv-104A/B为衡算范围，输入=输出。所以管线（13）（14）流量相等。2.3预反应，反应及熟化阶段的物料衡算2.3.1预反应EO总量为6666kg/h在预反应阶段加入5％220440660x66665％y∴x=22066665％/440=166.65kgy=66066665％/440=499.95kg所以，在预反应阶段反应链起始剂用量166.65kg，得499.95kg产品。2.3.2反应阶段加入剩余的EO，但只有95％参加反应，故220440660x666695％95％y∴x=220666695％95％/440=3008.03kgy=660666695％95％/440=9024.10kg2.3.3熟化阶段220440660x666695％5％y∴x=220666695％5％/440=158.32kgy=660666695％5％/440=474.95kg因为原料中有0.1％的水，所以实际投料量：（166.65+3008.03+158.32）（1+0.1％）=3336.33kg其中预反应起始剂量：166.65（1+0.1％）=166.82kg反应阶段起始剂量（3008.03+158.32）（1+0.1％）=3169.52kg2.4阶段数据表格反应时间MinEO投料量kg起始剂投量kgCat用量kg反应率％产品量kg预反应反应熟化333.36106.7166.823169.521.19121.4881.131100％95％5％499.959024.10474.75

第3章设备计算3.1反应回路换热器EO101的选型计算根据工艺条件选择U型管式换热器，因反应产品的黏度较大且需要冷却，所以水走壳程，导热油走管程，设管程数为NP=2.3.1.1计算定性温度下物理常数表5定性温度下物理常数管程（导热油）壳程（产品）定性温度物理常数3.1.2初设总传热系数3.1.3计算对数平均温度计算温度校正系数根据R、S值查得温度校正系数3.1.4热负荷Q及导热的量W23.1.5计算所需的传热面积F13.1.6温度换热器的参数选取换热器的参数管外径，管内径，管心距，折流板缺口为，管子为正方形450排列，管长=6m，管子数根，考虑到管子的排列问题，管子数取为275根。由P2-69图8-28查得所以Ds-do=352mm，Ds=403mm。根据加工原则取Ds=500mm。3.1.7计算给热系数[4]（一）管程：雷诺准数为：由p2-58图8-13查得柯尔因子Jh=0.0058.由公式因为液体被加热，黏度校正系数管内给热系数（二）壳程相邻管间隙假定折流板间距横过管来的流动截面积质量流量当量直径雷诺准数由P2-59图8-14查得管子为正方形排列，折流版缺口为25％，管外膜给热系数Js=20液体被冷却:3.1.8计算总传热系数K1由P2-86附表8-18查得管内污垢系数管外污垢系数材质采用不锈钢，查得导热系数管壁热阻总传热系数k计/k选=1至1.3时，可以为初选合值，所以选型合理。3.1.9压力降的计算管程Rei=12801.29由P2-63图8-21查得摩擦因子Jft=0.006管内流体流速：按公式式中m-黏度系数：m=0.14(Rei>2100,m=0.14)取壳程由P2-63图8-22查得当Res=1756.44时壳程压降摩擦因子Jfs=0.055壳内流体流速3.1.10列出计算结果如下：选出单程u型管式换热器，管程数NP=2项目单位数值壳径Dsmm500公径压力atm16传热面积26.1管程数2管程数100管长lm3管径dmmΦ252.5板间距Bm0.3管子排列正方形旋转4503.2pc-0101反应回路循环泵扬程计算用途：把（17）号管线的液体输送到SA-0101管程上有三个90弯头，三个阀门，一个换热器ED101，二个三通，pc-0101流体流速360000，密度1000，温度180，入口压力450，排出压力855，转速1450，黏度10.3.2.1流体形态计算[6,7]所以为湍流流动3.2.2摩擦因子忽略动能变化，即8u2/2g=0名称阻力系数数量管出口管入口90弯头=0.75三个三角落=1二个管道长5m中途经过E0101换热器，此处局部助力为△hf2E0101Ds=1.0mNt=404di=0.017l=6mV1=V2 Au=A2u2属于湍流区，取入=0.022，则3.2.3PC-0101反应回路循环泵的选型查得泵型号200YG75项目数值流量Q扬程H转数效率配电机功率允许气蚀余量△h泵壳许用压力轴功率

设备一览表序号位号设备名称技术规格介质数量单位材料重量（kg）备注单总1R0101反应气液接触器卧式Ф1200×10×7000；V=0.148m3外半管Ф73/60.3×3保温层厚度120mm缩合物+EOH蒸汽1台A240TP31545009000P.C.E2R0102反应收集器立式Ф2400×15×2200；V=14.25m3外半管Ф73×3/19/0.5×1.65保温层厚度120mm缩合物+EO蒸汽1台A240TP316750015000P.C.E3R0103反应中和器立式Ф2400×10×4540；V=17.8m3半管Ф108×4L=180m醇醚蒸汽/冷却水2台Oct17Ni112-M2461018440吉化重机厂4V0102碱计量罐立式Ф600×3×3428；V=17.6m3保温层厚度60mm加温盘管Ф25×3L=51800m碱溶液蒸汽1台OCr19Ni1920450900吉化重机厂5V0109酸计量罐立式Ф600×3×3428;V=17.6m3保温层厚度60mm加温盘管Ф25×3L=51800m醋酸蒸汽1台OCr17Ni14M-A0220450900吉化重机厂6V0101导热油膨胀管立式Ф1200×6×2756；V=2.26m3;保温层厚度100mm导热油1台Q235-A5501100吉化重机厂7V0104反应系统气液分离罐立式Ф700×6×2718V=0.86m3有机物1台Q235-A370740吉化重机厂8V0105反应系统有机物分离罐立式Ф800×6×2600；V=0.85m3保温层厚度100mm外盘管Ф25×3L=19980N2,EO蒸汽有机物蒸汽1台OCr17Ni12Mo2020420840吉化重机厂9V0107中和系统有机物分离罐立式Ф800×6×2600；V=0.85m3保温层厚度100mm外盘管Ф25×3L=26000EO蒸汽有机物蒸汽1台OCr17Ni12Mo2020385770吉化重机厂10V0108气液分离罐立式Ф700×6×2718；V=0.86m3有机物，蒸汽1台Q235-A370740吉化重机厂11E0101反应回路换热器BEUФ500×4730×6,A=11904m2,n=250,保温层厚度120mm缩合物+EO，导热油1台A240TP31627005400P&L12E0102反应回路换热器BEUФ267×4731×3460;A=25.8m2,n=100Ф25×2.2,保温层厚度120mm缩合物+EO，导热油1台A240TP3165001000P&L13E0103导热油加热器BIUФ500×8×4210；A=25.6m2，n=75Ф25×2.5保温层厚度1200mm导热油蒸汽1台20R2017733456吉化重机厂14E0104导热油冷却器BEMФ900×8×7443,V=350m3,n=750Ф25×2.5导热油冷却水1台20R20698913978吉化重机厂15E0105反应真空冷凝器BEMФ325×8×3764,A=13.7m2,Ф19×2×3000保温层厚度50mm蒸汽、氮气、冷却水1台20R206391278吉化重机厂16E0106中和真空冷凝器BEM卧式Ф325×8×3764，A=13.7m2Ф19×2×3000保温层厚度50mm氮气、蒸汽、冷却水1台20R206391278吉化重机厂17P0101反应大循环泵8HNN194离心泵Q=360m3/h,H=45m缩合物+EO1台AISTI31623404680Worthington18P0103导热油循环泵8HNN194离心泵Q=360m3/h,H=35m导热油1台AISTI30421204240Worthington19P0102反应小循环泵3HNN143离心泵Q=65m3/h,H=45m缩合物+EO1台AISTI3169831966Worthington20P0104催化剂计量泵DOXA,M80×25柱塞泵Q=0.06―0.6m3/h氢氧化钠1台AISTI316125250OMG21P0108中和剂计量泵DOXA,M80×25柱塞泵Q=0.06―0.6m3/h醋酸1台AISTI316125250OMG22P0106反应真空泵TRHC80-75/B/A3Q=600m3/h氮气

水蒸气1台AISTI31610002000Pompeii2