年产4600吨乙二醇二缩水甘油醚工艺设计.doc

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1、年产4600吨乙二醇二缩水甘油醚工艺设计 学院： 化学化工学院 班级： 学号： 姓名： 指导老师： 时间：2012年 05月 目 录设计任务说明- 3 -第一章 绪言- 3 -1.1 乙二醇二缩水甘油醚的现状- 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国内主要生产厂商- 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醚- 6 -1.4.2 二步法合成乙二醇二缩水甘油醚- 7 -第二章 工艺过程分析- 8 -2.1反应原理- 8 -2.2工艺流程示意图- 8 -1.原料、辅助原料规格- 9 -2.预

2、计原料及辅助原料的消耗定额- 9 -3.公用工程规格- 9 -4.预计公用工程消耗定额- 9 -第三章 物料衡算- 10 - 3.1生产任务- 10 - 3.2计算依据- 10 - 3.3物料衡算- 10 - 3.4物料衡算平衡表- 12 -第四章 热量衡算- 14 -第五章 主要设备工艺计算- 15 - 5.1缩合反应釜- 15 - 5.2环化反应釜- 15 -第六章 主要设备- 16 -第七章 设备布置图- 17 -第八章 结论- 17 -设计任务说明1）设计项目名称：年产1140乙二醇二缩水甘油醚工艺设计2）工艺条件：A、缩合反应原料配比：乙二醇：0.5mol 509.82kg/8h 1

3、mol环氧氯丙烷 497.65kg/8h 催化剂0.5% 5.53kg/8h反应温度：80操作方式：连续B、环化反应原料配比：甲苯2026kg/批 40%氢氧化钠溶液320.26kg/批反应温度：40操作方式：连续第一章 绪言1.1 乙二醇二缩水甘油醚的现状1.1.1用途及性质氯代烷烃是由C10C30的石蜡烃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4070的氯烃产品，可作为 PVC的辅助增塑剂和阻燃剂以及润滑剂等。氯烃产品的热稳定性是衡量产品质量优劣的主要指标，而氯代烷烃的热稳定剂则对其热稳定性起决定作用。许多研究机构对热稳定剂的开

4、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醚，所以开展对乙二醇二缩水甘油醚合成工艺的研究是十分必要的。乙二醇二缩水甘油醚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C8H14O4，分子量174.20，密度1.118，沸点112C(4.5 mmHg)，闪点110 C。环氧当量112135g/eq或环氧基含量28.533.0。黏度10100mPas。含氯量9.5。水溶率95100。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、PVC热稳定剂等。广泛用于无溶剂涂料、层压、胶粘剂等，

5、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25CmPaS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醚合成方法一般有3种：(1)一步法，(2)两步法，(3)烯烃氧化法。1983年，Mouzin报导了相转移催化一步合成单缩水甘油醚的方法， 随后Gu报道了相转移催化合成二缩水甘油醚的方法，使经典的多步反应简化成一步反应，但是Gu法的产物纯化是采用高真空蒸馏的方法，真空度低于1mmHg，这对二缩水甘油醚的生产和应用及普及都十分不利。对于烯烃氧化法，常用

6、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BF3O(CH2CH3)2催化剂)开环加成，然后在碱的作用下闭环，得到二缩水甘油醚，国内外大多数生产厂家采用此法。但催化剂BF3O(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BF3O(CH2CH3)2、KOH等催化合成乙二醇醚有着非常好的催化效果： a以MTZ催化剂代替BF3O(CH2CH3)2合成乙二醇二缩水甘油醚是可行的，MTZ的用量仅为 BF3O(CH2CH3)2用量的126，产品性

7、能高于用BF3O(CH2CH3)2产品，达到了国内同类产品水平。 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：14016O；滴加时间：3 h；反应温度14016O，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 h。 c用 MTZ催化剂代替BF3O(CH2CH3)2，可降低乙二醇二缩水甘油醚的生产成本，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，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

8、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。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

9、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国内主要生产厂商a) 大连齐化公司b) 无锡锡平石化厂c) 南亚环氧树脂(昆山)有限公司d) 宏华润化工机械厂e) 张家

10、港乐余机械设备厂f) 江苏三木集团公司g) 亨斯迈先进材料公司h) 陶氏张家港公司i) 广州宏昌电子材料工业有限公司j) 沈阳化工机械厂k) 东莞市中堂裕康金属容器设备厂l) 南京奥桑涂装工程有限公司m) 长春化工(江苏)有限公司n) 江苏扬农化工集团有限公司1.4生产方法的选择 乙二醇二缩水甘油醚的合成方法一般有: 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醚在相转移催化剂(Q + X -)存在下, 乙二醇与环氧氯丙烷进行反应, 其反应式如下: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 +

11、-ORO - Q + (R = - CH 2CH 2- )。其次, Q + -ORO - Q +进入有机相, 进行催化反应, 催化机理如下:1.4.2 二步法合成乙二醇二缩水甘油醚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, 因而国内外大多数生产厂家采用此法。在装有冷凝管、搅拌器、滴液漏斗的反应瓶中, 加人0.5mol乙二醇和0.5g催化剂, 开动搅拌, 当温度升至70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80左右, 滴加完成后继续反应3h, 加人溶剂, 在40时搅拌加人1mol氢氧化钠溶液, 再继续反应3h,

12、分出水相, 蒸出溶剂即得乙二醇二缩水甘油醚产品。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醚。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反应原理主反应： 第一步乙二醇与环氧氯丙烷在催化剂（BF3O(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醚。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

13、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丙烷（工业）齐鲁石化分析纯三氟化硼络乙醚河北省新朝阳化工股份有限公司分析纯氢氧化钠溶液（30%工业）郑州农药厂分析纯溶剂（工业）安阳焦化厂化学纯2.预计原料及辅助原料的消耗定额名称单耗(每吨产品)日耗(t/d)乙二醇0.50t1150环氧氯乙烷1.1t2530稳定剂2-3kg4.66.9催化剂0.9kg2.073.公用工程规格盐水 新标准氯化钠指标为优级96.00%、一级94.50、二级92.00新标准GBT54622003代替GB54621992冷却用水硬度10ppm，水压0.2Mpa，水温 上水

14、30，回水40电380V 220V蒸汽0.20.6MPa4.预计公用工程消耗定额名称单耗日耗最大流量水5t/t产品1.1510t/d8t/h电40kwh/t产品9.210kwh/d60kwh/h汽1t/t产品2.310t/d1t/h第三章 物料衡算3.1生产任务乙二醇二缩水甘油醚产量为4600吨/年乙二醇二缩水甘油醚收率：94%（其中缩合、环化、脱溶收率均为98%）乙二醇二缩水甘油醚的年产率：（按每年生产天数300、生产周期为8小时）3.2计算依据1、乙二醇二缩水甘油醚产量=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

15、的单程收率为物质C8H16O4Cl2C8H14O4蒸馏后C8H14O4摩尔收率98%98%98%4、缩合反应器进口温度25，反应温度70-80，出口温度405、催化剂添加量为0.5%6、溶剂添加量为反应液的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.s197.4环氧氯丙烷（工业）1.1761 gmL1.03mPas117.9三氟化硼络乙醚1.125g/mL125.7甲苯（工业）0.87g/mL110.6（1）缩合反应器进口原料气中各组分的流量 ： ： BF3O(CH2CH3)2： 溶剂：总的物质流量：1009.539k

16、g/h（2）缩合反应器出口混合器中各组分的流量 BF3O(CH2CH3)2： 溶剂： 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 BF3O(CH2CH3)2：溶剂： 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 溶剂：总的物质流量：1750.342kg/h3.4物料衡算平衡表流量和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8.26764.080.680 0.757 0.918848.870.191 0.476 乙二醇3.8232370.315

17、0.235 0.076452.44640.016 0.001 BF3O(CH2CH3)20.05968.4590.005 0.008 0.05978.4590.012 0.005 C8H16O4Cl200003.746925.320.780 0.518 合计12.14261009.5391001004.80021785.10100100流量和组成组分 环化反应进口环化反应出口Kmol/hKg/h%Kmol/hKg/h%(mol)(wt)(mol)(wt)C8H16O4Cl23.746894.813.941 51.859 0.07513.050.223 0.746 C2H6O20.61162.4

18、4642.276 0.142 0.07472.3970.222 0.137 C3H5OCl0.91884.873.416 4.919 0.91884.872.726 4.849 BF3O(CH2CH3)20.05968.4590.222 0.490 0.05968.4590.177 0.483 NaOH7.645305.828.452 17.723 0.30312.10.900 0.691 H2O11.47206.4242.687 11.963 18.81338.57655.860 19.343 溶剂2.42222.649.006 12.903 2.42222.647.187 12.720 C

19、8H14O400003.671638.7510.902 36.493 NaCl00007.342429.521.804 24.538 合计26.87021725.43510010033.67331750.342100100第四章 热量衡算4.1缩合反应釜C2H6O2的燃烧热=108.9910+254.39=1198.68kJ/molC3H5OCl的燃烧热=108.99（33+5）+81.59-32.22=1575.25kJ/molC8H16O4Cl2的燃烧热=108.99（83+14）+227.2+81.592-232.22=4296.76kJ/molHr=4296.76-1198.68-21

20、575.25=-52.42kJ/molH=-52.423.7461000=-1.964105kJ/h若热损失取H的5%，则放出热量为Q=(1-0.05)1.964105=1.865105kJ/h ,取总传热系数K=200W/(m2K)假设夹套式换热器里的流体为水，进口处水温为20，出口处温度为35.釜内流体进口温度为25，出口温度为70，温度的对数平均值为T=(T1-T2)/(T1/T2)= 28.8S=Q/（T*K）=1.865105/(20028.8)=32.378m24.2环化反应釜C8H14O4的燃烧热=（8x3+14）108.99+481.59=4467.98kJ/molC8H16O

21、4Cl2的燃烧热=108.99（83+14）+227.2+81.592-232.22=4296.76kJ/molHr=4296.76-4467.98=-171.22kJ/molH=-171.223.6711000=6.286*105kJ/h若热损失取H的5%，则放出热量为Q=(1-0.05) 6.286*105=5.972*105kJ/h 取总传热系数K=300W/(m2K)假设夹套式换热器里的流体为水， 进口处水温为20，出口处温度为35.釜内流体进口温度为80，出口温度为40，温度的对数平均值为T=(T1-T2)/(T1/T2)= 30.8S=Q/（T*K）=5.972*105/(3003

22、30.8)=21.54m2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/h C3H5OCl=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，反应温度80操作压力101.33kPa 催化剂为0.5%2、塔直径取塔的长径比i=1 =1.18m，圆整得d=1.2m，椭圆封头的曲边高度h1=300mm，直边高度h2=40mm，则封头内表面积A=1.7117m2，实际容积V=0.2714m3，筒体内表面积A=3.771.2=4.524m

23、2，容积V=1.1311.2=1.357m3。故实际容积V=1.6286m3。取=0.8，则夹套高度H2=（V-V封）/V1m=（0.81.6286-0.2714）/（1.2/2）2/3.14=0.912m，圆整取1.0m，则夹套内传热表面积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，须在反应釜内添加蛇管式传热器。主要设备条件 见附图5.2环化反应釜1、计算依据甲苯氢氧化钠V=(191.2+129.06)/1449=0.221m3反应体积=1.0152+0.206=2.236m3，反应釜体积=2.236/0.8=，圆整后反应体积=2.8m32、塔直径

24、 =1.528m，圆整得d=1.6m，椭圆封头的直边高度h2=400mm，内表面积A=2.9761m2，实际容积V封=0.6166m3；筒体内表面积A=5.031.6=8.048m2，容积V=2.0171.6=3.228m3。故实际容积V=3.844m3。取=0.8，则夹套高度H2=（V-V封）/V1m=(0.83.844-0.6166)/(1.6/2)2/3.14=1.124m,圆整取1.2m，则夹套传热表面积S=6.036+2.9761=9.012m2。经核算，夹套传热面积小于工艺要求的传热面积，须在反应釜内添加蛇管式传热器。第六章 主要设备09精工工程名称化工设计设备一览表编制编号430

25、913020077设计项目乙二醇二缩水甘油醚校核第 1 页共 1 页审核序号设备名称及规格图号或标准号单位数量材料重量（kg）备注单总1缩和反应釜1Q235-A677.942环化反应釜1Q235-A1202.83沉降釜1Q235-A1295.444蒸馏釜1Q235-A1260.245乙二醇贮罐1Q235-A2331.7926环氧氯丙烷贮罐1Q235-A51,299,4247催化剂贮罐1Q235-A1684.0728NaOH计量罐1Q335-A2100.02不锈钢3049甲苯贮罐1Q235-A14520.4310离心分离器1不锈钢316L11冷凝器112产品储罐113离心泵614废水塔1不锈钢3

26、04修改标注姓名日期第七章 设备布置图（另附图）第八章 结论乙二醇二缩水甘油醚含乙二醚链的环氧树脂，属低黏度水溶性环氧树脂或脂肪族环氧树脂。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、织物处理剂等。本设计是乙二醇二缩水甘油醚的工业化生产，该工艺研究为乙二醇二缩水甘油醚的工业化生产创造了有利条件。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醚。产品的性能较好。由于本方法原料易得，生产工艺过程易于控制，成本低,设备简单,收率较高,易实施工业化生产。同时，产品质量符合使用厂家要求和国内同类产品的指标。化工设计这门课程涉及到化学工业生产的各类计算、设备设计，以实现工业化生产，是综合性的课程设计。- 16 -