年产330吨丙酮酸乙酯车间工艺设计

摘要本设计为年产330吨丙酮酸乙酯车间工艺设计。丙酮酸乙酯通常情况下是一种无色透明液体，是重要的有机合成体，广泛应用于医药、农药、化妆品等领域。丙酮酸乙酯工艺主要有：丙酮酸和乙醇醇化法、乳酸乙酯氧化法和有机金属试剂催化法等。本设计采用间歇式生产丙酮酸乙酯。原理是原料在催化剂的作用下，乳酸乙酯进行氧化反应生成丙酮酸乙酯。生产工艺包括：氧化-过滤-蒸馏-水洗-干燥-精馏六个工序。此工艺关键在于催化剂的选用，通过选择负载型钒磷氧（VPO）作为催化剂，过氧化氢作为氧化剂氧化乳酸乙酯得到产品，是一种绿色、高效的合成方法。本设计进行了生产方案比较、工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、车间布置设计和对主要工艺设备计算并选型等。通过合理的计算，从而确定了车间与设备的具体设计参数，同时绘制了符合设计要求的CAD图纸，制定车间布局、厂区安排及安全规范，最后对此项目进行了成本和利润估算。关键词：丙酮酸乙酯乳酸乙酯氧化法生产工艺

AbstractThisdesignistheprocessdesignforanannualproductionof330tonsofethylpyruvateworkshop.Ethylpyruvateisusuallyacolorlessandtransparentliquid,whichisanimportantorganicsyntheticmaterialandwidelyusedinfieldssuchasmedicine,pesticides,cosmetics,etc.Themainprocessesofethylpyruvateinclude:alcoholizationofpyruvateandethanol,oxidationofethyllactate,andcatalysisoforganicmetalreagents.Thisdesignadoptsintermittentproductionofethylpyruvate.Theprincipleisthattherawmaterialundergoesanoxidationreactionofethyllactateundertheactionofacatalysttoproduceethylpyruvate.Theproductionprocessincludessixsteps:oxidationfiltrationdistillationwashingdryingdistillation.Thekeytothisprocessliesintheselectionofcatalysts.Byselectingsupportedvanadiumphosphorusoxide(VPO)asthecatalystandhydrogenperoxideastheoxidanttooxidizeethyllactatetoobtaintheproduct,itisagreenandefficientsynthesismethod.Thisdesigninvolvescomparisonofproductionplans,processdesign,materialbalance,heatbalance,workshoplayoutdesign,andcalculationandselectionofmainprocessequipment.Throughreasonablecalculations,thespecificdesignparametersoftheworkshopandequipmentweredetermined,andCADdrawingsthatmetthedesignrequirementsweredrawn.Theworkshoplayout,factoryarrangement,andsafetyregulationswereformulated.Finally,costandprofitestimatesweremadeforthisproject.Keywords:ethylpyruvateethyllactateoxidationmethodproductionprocess

目录摘要 [10]其过程中的主要反应为：(EtO)3CCN+CH3MgX→(EtO)3CCH3+(EtO)3CC(NH)CH3→H3COCOOEt+H3CCOOEt此方法的合成路线较短，原料易得，但是存在安全隐患，不适合用于工业的大规模生产。本工艺拟采取的丙酮酸乙酯的生产工艺对比上述三种生产方法，结合发展前景和生产需要，综合考虑采用乳酸乙酯氧化法生产丙酮酸乙酯。直接氧化乳酸乙酯是十分困难的，这是因为在一般情况下，乳酸乙酯的C-C键断裂比氧化脱氢更容易一些。然而乳酸乙酯氧化制备丙酮酸乙酯不涉及分子链的变化，因此选用合适的氧化剂和催化剂是非常重要的。本工艺选用过氧化氢为氧化剂，负载型钒磷氧（VPO）为催化剂生产丙酮酸乙酯。其反应原理为：CH3CH(OH)COOCH2CH3+H2O2⟶CH3COCOOCH2CH3+2H2O本工艺的影响因素反应温度对本反应的影响乳酸乙酯氧化生成丙酮酸乙酯为放热反应，低温有利于反应向着正反应的方向进行，但是温度过低，分子的碰撞几率会变低，反应速率变慢，不符合实际的生产要求。所以要控制温度为55~65℃，当温度为65℃时，所得到产品的收率最高。反应时间对本反应的影响随着反应的进行，乳酸乙酯的转化率不断提高，而丙酮酸乙酯的收率和转化率会呈现先升高后降低的趋势。这是因为反应进一步进行，底物发生了水解和深度氧化，从而导致丙酮酸乙酯的转化率和收率都下降。因此确定适宜的反应时间为5h。催化剂用量对本反应的影响本工艺选用负载型催化剂，其实际的活性组分对反应的影响较大。当催化剂的用量过低时，催化剂中的活性组分少，反应的速率低。当催化剂的用量过高时，会发生底物的深度氧化，从而导致产物的选择率和收率下降。因此确定催化剂用量为乳酸乙酯质量的10％。2.6工艺流程乙腈、过氧化氢和乳酸乙酯以摩尔比为12：2：1的配比加入反应釜（R101），然后加入乳酸乙酯质量10％的负载型钒磷氧（VPO）作为催化剂进行反应，在反应釜夹套中通入水蒸汽将物料加热至65℃，反应5个小时。氧化后的物料转入过滤器（G101），分离出大部分的催化剂，以便多次利用。然后进入蒸馏塔（T101）以除去大部分的溶剂乙腈，经过蒸馏得到的物料含有少量的乙腈和未反应完的乳酸乙酯以及丙酮酸乙酯。然后进入水洗釜（R102）分离出乳酸乙酯和丙酮酸乙酯（利用乳酸乙酯与丙酮酸乙酯溶解度的差异，乳酸乙酯微溶于水而丙酮酸乙酯与水混溶）。并将丙酮酸乙酯送入萃取塔（T102）脱去残余的水分，最后进入精馏塔（T103）获得产品丙酮酸乙酯。2.7工艺流程图大部分催化剂催化剂大部分催化剂催化剂乙腈、乳酸乙酯、双氧水氧化过滤蒸馏乙腈、乳酸乙酯、双氧水氧化过滤蒸馏产品精馏干燥水洗产品精馏干燥水洗图1丙酮酸乙酯的生产工艺过程3工艺计算3.1物料衡算该设计的生产任务为年产330吨的丙酮酸乙酯，假设一年按300个工作日来计算，每6个小时可以生产一次产品，一天可以生产四次产品，则每次生产出丙酮酸乙酯的量为330吨/(300天*4)=275kg/次。根据质量守恒定律:输入物料总和=输出物料总和+损失量总和+累积量总和，进行物料衡算。计算采用倒推法，由产品开始倒推计算。精馏精馏收率为97.5％，丙酮酸乙酯为275/0.975=282.05kg/次干燥干燥收率为99％，丙酮酸乙酯为282.05/0.99=284.9kg/次水洗水洗收率为97％，丙酮酸乙酯为284.9/0.97=293.71kg/次蒸馏蒸馏收率为97％，丙酮酸乙酯为293.71/0.97=302.79kg/次过滤过滤收率为99％，丙酮酸乙酯为302.79/0.99=305.85kg/次氧化乳酸乙酯的转化率为85.24％，氧化收率为99％。丙酮酸乙酯为305.85/0.99=308.94kg/次方程式为：CH3CH(OH)COOCH2CH3+H2O2⟶CH3COCOOCH2CH3+2H2O丙酮酸乙酯物质的量为308.94/116.12=2.6605kmol乳酸乙酯物质的量为2.6605/0.8524=3.1212kmol乳酸乙酯质量为3.1212kmol×118.13=368.71kg根据乙腈、过氧化氢和乳酸乙酯投料的摩尔比为12：2：1可得过氧化氢的质量为212.24kg乙腈的质量为1537.50kg,生成水为95.778kg。实际加入98％乳酸乙酯376.23kg,加入30％双氧水707.47kg，加入99％乙腈1553.03kg，加入催化剂36.87kg。反应结束后剩余乳酸乙酯54.42kg，过氧化氢31.33kg。反应釜进/出料名称kg/次进料98％乳酸乙酯376.2330％双氧水704.4799％乙腈1553.03催化剂36.87合计2670.6出料丙酮酸乙酯308.94乳酸乙酯54.42过氧化氢31.33乙腈1537.49催化剂36.87水591.01杂质110.54合计2670.63.2能量衡算氧化阶段反应过程热量衡算：CH3CH(OH)COOCH2CH3+H2O2⟶CH3COCOOCH2CH3+2H2OΔH=-346KJ/mol假设每釜物料的乳酸乙酯为368.71kg，过氧化氢为212.24kg,乙腈为1537.49kg,其他（以水计）为500.65kg。物料由室温（25℃）经过一个小时后上升至65℃，用110℃水蒸气加热，然后在65℃下反应5个小时。①第一阶段：升温吸热温度由25℃上升至65℃，平均温度取45℃。根据Q=△t∑Cpini可求得吸热量乳酸乙酯的恒压热容约为227J/(mol·℃)过氧化氢的恒压热容约为96.45J/(mol·℃)乙腈的恒压热容为约为126.2J/(mol·℃)水的恒压热容约为75.3J/(mol·℃)乳酸乙酯的吸热量Q1=(65-25)*(227*368.71/118.13)=28340kJ/h过氧化氢的吸热量Q2=(65-25)*(96.45*212.21/34.01)=24072kJ/h乙腈的吸热量Q3=(65-25)*(126.2*1537.49/41.05)=189068kJ/h水的吸热量Q4=(65-25)*(75.3*500.65/18)=83775kJ/h物料升温过程Q总=Q1+Q2+Q3+Q4=325255kJ/h热损失为5％，此时Q总=342374kJ/h②第二阶段：反应过程放热（5小时）乳酸乙酯的标准生成焓为-563kJ/mol过氧化氢的标准生成焓为-196.2kJ/mol丙酮酸乙酯的标准生成焓为-1122kJ/mol水的标准生成焓为-285.8kJ/mol根据化学反应焓变=生成物的焓值总和-反应物的焓值总和得化学反应焓变ΔH=（-1122-285.8*2）-（-563-196.2）=-934.4kJ/mol反应过程放热量Q5=-934.4*368.71*0.8524/118.13=-2485.99kJ以每小时记Q5=-497.19kJ/h③反应釜传热面积的估算（材质为陶瓷）Q=K·A·△t式中：K——陶瓷的传热系数，kJ/(h·m2·℃)；A=Q/（K·△t）Q=371344kJ/h平均温差的△t计算△tm=（△t1－△t2）/ln（△t1/△t2）式中：△t——平均温差，℃；△t1、△t2——分别为换热器进、出口温差。△tm=［(110－25)－(110－65)］/ln［（110－25）/（110－65）］=62.89℃A=Q/（K△t）=371344/(895.37*62.89)=6.59m2实际传热面积应比理论计算的面积大一些，取A＇=1.35A=1.35*6.59=8.90m2④反应釜加热所需的蒸汽量W=Q总/△H=325255/38169*18=153.38kg/h2.干燥阶段物料中含水135.6kg，假设水全部气化，水的汽化热为40.7kJ/mol。丙酮酸乙酯284.9kg,丙酮酸乙酯的汽化热为29.5kJ/mol,则Q3=40.7*135.6*1000/18+29.5*284.9*1000/88.11=401993.68kJ/h4工艺设备计算及选型4.1反应釜选型与计算本设计合成丙酮酸乙酯中氧化时间均为5个小时左右，每天投料4次，每班投料1次，每次投入乳酸乙酯376.23kg，双氧水704.47kg，乙腈1553.03kg，催化剂36.87kg。由于催化剂占比体积很小，所以可以忽略不计。为了确保生产的安全性，反应釜的体积会比填料体积大一些。376.23kg的乳酸乙酯的体积为376.23/0.997=377.36L704.47kg的双氧水的体积为704.47/1.01=697.49L1553.03kg的乙腈的体积为1553.03/0.786=1975.87L总体积为377.36+697.49+1975.87=3050.72L取装填系数为0.75，所需体积为3050.72/0.75=4067.63L可以使用一个容积为6.0m3的反应釜设备，反应釜采用搪瓷材质。4.2蒸馏塔选型与计算进入蒸馏塔的物料的总质量为2534.46kg。取装填系数为0.9，所需容积为2816.07L..可以使用一个容积为3.0m3的蒸馏塔，材质选用不锈钢。4.3水洗釜选型与计算经蒸馏后的反应液进入水洗塔，物料总体积为1133.1L。水洗过程中会加入部分水，假设加入水的体积为200L，则总体积为1333.1L。故可以选用一个容积为2m3的水洗塔。4.4萃取塔选型与计算进入干燥塔的丙酮酸乙酯粗品的量为1131.27L，故选用一个容积为2m3的干燥塔。4.5精馏塔的选型与计算选用容积为1.0m3的精馏塔，材质选用不锈钢。4.6主要设备选型一览表名称规格材料单位数量反应釜6000L搪瓷台1蒸馏塔3000L不锈钢个1水洗釜2000L不锈钢个1萃取塔2000L不锈钢个1精馏塔1000L不锈钢个1泵ISW80-160不锈钢个35车间布局设计厂区安排及安全5.1车间布局原则1.按照生产流程进行布局，将每个生产单元紧密相连，提高生产效率。2.设计合理的车间布局，确保操作人员的安全，并定期检查消防设备。3.车间环境要保持干净，保证生产产品的质量和操作人员的健康。4.车间布局要考虑相关的国家法律法规，严格执行相关事宜。5.需充分利用空间，合理布置生产设备和人员的操作区域，节约资源，创造更大的经济效益。5.2车间设计依据名称标准号《化工装置管道布置设计规定》HG/T20549-1998《化工装置管道材料设计规定》HG/T20646-1999《管道仪表流程图设计规定》HG20559-1993《石油化工给水排水管道设计规定》SH3034-1999《石油化工管道布置设计通则》SH3011-2000《工业企业设计卫生标准》GBZ1-2010《石油化工设备和管道隔热技术规范》SH3010-2000《化学工业给水排水管道设计规范》GB50873-2013《建筑设计防火规范》GB50016-2014《石油化工企业设计防火规定》GB50160-2008《化工企业安全卫生设计规定》HG20571-19955.3厂区布局特点1.各工厂区域分隔明显，各个生产车间互不干扰。同时需控制厂区的噪音和污染源，确保厂区的干净整洁。2.合理布置防火、防盗、防爆等安全设施，设置标识和警戒灯等安全设备，确保人员和设备的安全。3.厂区布局需考虑员工的生活，合理分配员工宿舍、食堂、休闲场所等，使员工的生活舒适化，便捷化。5.4车间安全规程1.在车间进行丙酮酸乙酯生产前，必须对车间安全防范措施进行全面评估，并确定具体的安全防范方案，如在车间内设置防火墙、加装防尘装置、限制火源等。2.全体员工必须根据岗位的特点进行安全培训，掌握安全知识，并在日常工作中按照安全要求进行操作。3.定期检查车间生产设备和管路的完好性，以及物料的存放情况等。4.规定设备的安全操作，不得超过设备的负荷运转。5.在突发事件发生时，需拉响紧急报警装置，同时车间应配备灭火器、紧急喷淋水系统等设备。5.5车间制度车间人员需接受管理，严格遵守员工守则。员工守则如下；员工不得迟到早退，设立考勤制度，对全勤员工进行奖励，缺勤员工进行惩罚。员工进入生产车间需穿工作服，不得穿拖鞋、短裤，必要时需佩戴防护眼镜。员工不得在工作期间佩戴电子产品，如手机。员工需了解企业的文化背景，以激发员工的归属感和使命感。员工若有私事需请假，需向上级递交请假条，并经签字后方可休假。员工需具备良好的职业道德，公私分明、言行一致、不泄露公司信息。员工需具有安全意识和环保意识，确保工作环境的干净整洁。同事之间应和睦共处、互相沟通，提高工作的效率。员工上班时，不得窜岗，不得嬉戏打闹。5.6厂区人员生产丙酮乙酯的车间，需要车间主任一名，负责整个车间的管理；车间班长每班一名，共四名，负责员工的考勤和设备的检查与维修；每班配备四名员工，共十六名，负责反应釜、精馏塔以及干燥塔的生产操作。工种人数班制车间主任11车间班长14员工445.7环境保护1.生产丙酮酸乙酯会产生大量废水，不能直接排到江河中，要经过工厂的处理。2.生产过程会产生大量的有害气体，直接排放会对环境有较大的影响，可以处理废气中的有害物质，达到要求后方可排放。3.生产过程会产生一定量的废弃物，可先把废渣进行分类储存，然后集中处理。6成本概算6.1成本投资表序号项目投资/万元1生产装置1252厂区建设10003电器3004仪器及安装1005防腐及保温206其他30原料费用表序号原料名称单位消耗定额（吨/年）单价（万元/吨）单位成本（万元/吨）198％乳酸乙酯t4511.8811.8230％双氧水t8450.56473.23乙腈t18630.6812664催化剂t450.313.55总计2139工资表人员元/月万元/年车间主任1名82009.84班长4名630030.24操作工16名300057.6合计1750097.68由上述表可知成本大约为3800万元6.2收入及利润目前丙酮酸乙酯的平均售价为20元/kg,假设每年销售产值的95％，缴纳产品的增值税后年销售收入为5016万元。利润=5016-3800=1216万元7附图丙酮酸乙酯车间带控制点的工艺流程图.dwg；丙酮酸乙酯车间工艺设备平面图.dwg；丙酮酸乙酯车间主要设备反应釜图纸.dwg。参考文献王楚.丙酮酸乙酯对甜樱桃采后腐烂病的抑制机理[D].山西大学,2019.DOI:10.27284/ki.gsxiu.2019.000220.王晓云,王小刚,刘秒惜,刘鹏,何炜.丙酮酸乙酯的合成及药理作用研究[J].现代生物医学进展,2016,16(12):2387-2391+2208.DOI:10.13241/ki.pmb.2016.12.049.郭建军.过氧化氢氧化合成丙酮酸乙酯[J].香料香精化妆品,2004(01):12-13.占桂荣,刘明海,崔金海.酯化法合成丙酮酸乙酯的研究[J].广州化工,2010,38(5):155-156熊传武.乳酸乙酯催化氧化制备丙酮酸乙酯[D].湖南师范大学,2014.陈苏芳,袁华,喻宗沅