季戊四醇毕业设计共92页

精选优质文档-倾情为你奉上前 言季戊四醇是由甲醛和乙醛缩合而成，在涂料、汽车、轻工、建筑、合成树脂、炸药等方面具有广泛的应用，此外，还用于医药、农药等生产。基于在山西三维有限公司实习所得，同时结合专业课的深入学习以及老师的悉心教导，我开展了对季戊四醇的车间工艺设计。本次设计内容以甲醛、乙醛和氢氧化钠为原料经过缩合反应，得到季戊四醇混合物，在经过中和、脱醛、蒸发、结晶工序得到季戊四醇晶体，最后经过分离、干燥等工序得到季戊四醇产品。由此工艺可知，设计任务是非常庞大的，这不仅要求我们要有扎实的专业理论知识，更要有灵敏的理解感悟能力，同时要熟练掌握计算机，熟练运用画图工具，其成果包括工艺流程图、主设备图、车间布置图、物料衡算、热量衡算、工艺设备选型设计、经济核算、设计说明书的撰写、查阅英文文献并翻译等。由此可见任务极其艰巨，在设计中我多次无从下手，苦恼之极，但静下心来仔细研究、摸索，终有路可寻，虽然很辛苦，当从中所学知识及能力是无法估量的，精神上更加丰富。本设计为初步设计，我按照设计任务书要求内容，一步一步完成，但由于经验不足，理论和实践知识不够扎实，在设计中还有大量不足之处，诚请老师给予指正。2011年05月30日年产10000吨季戊四醇生产车间工艺设计摘要本设计为年产10000吨季戊四醇生产车间工艺设计。季戊四醇是一种典型的新戊基结构四元醇，又名四羟甲基甲烷，化学名称为 2，2双 （羟甲基）1，3丙二醇，其外观为白色粉末状结晶、无臭，略有甜味，可燃，无毒，溶于水，微溶于乙醇，不可溶于甘油、乙二醇、甲酰胺、丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和石油醚等有机溶剂。本设计所采用的工艺路线为：以甲醛和乙醛为原料，氢氧化钠为催化剂在缩合釜内发生缩合反应，再通入中和釜中进行中和，通入脱醛塔脱除甲醛，经过蒸发器蒸出部分水，再在结晶釜中结晶出季戊四醇，在通过干燥器干燥晶体，最终就可获得产品。本设计内容主要包括工艺设计，物料衡算，热量衡算，工艺设备计算与选型，安全与环保，经济核算。本设计所得成果主要有设计说明书，工艺流程图，主设备图，车间布置图。关键词：季戊四醇，低温钠法，车间工艺，设计目 录专心-专注-专业1 引言1.1 产品简介季戊四醇（pentaerythritol，简称PE）是一种典型的新戊基结构四元醇，又名四羟甲基甲烷，化学名称为 2，2双 （羟甲基）1，3丙二醇，分子式：C5H12O4，结构式见图1.1，其外观为白色粉末状结晶、无臭，略有甜味，可燃，无毒，溶于水，微溶于乙醇，不可溶于甘油、乙二醇、甲酰胺、丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和石油醚等有机溶剂。其部分物性数据见表1.1。PE与醛、酮反应生成缩醛和缩酮，与硝酸反应生成四硝基季戊四醇。与有机酸、酸酐反应制成有机酯，与卤化氢反应生成季戊四醇卤化物。季戊四醇是由甲醛和乙醛缩合而成，在涂料、汽车、轻工、建筑、合成树脂、炸药等方面具有广泛的应用，主要用于制、涂料和炸药等，也用于生产色漆、清漆和印刷油墨等的，还可用于制干性油、阻燃性涂料和航空润滑油等。季戊四醇的脂肪酸酯是高效的润滑剂和，其衍生物则是生产非离子的原料。此外，还用于医药、农药等生产14。图1.1 季戊四醇结构式表1.1 季戊四醇部分数据物性参数数值相对密度分子量熔点沸点折射率溶解性1.395g/cm3136.15261-2622761.5481g/18mL水（15）1.2 国内外生产现状及市场分析1.2.1 国外生产现状据有关文献得知1,56，2002年产量为38万吨左右，装置开工率约为76，其生产主要集中在西欧、北美和亚洲地区，其中西欧地区生产能力为15.9万吨年；亚洲地区（除日本外）生产能力为15.6万吨年；北美地区生产能力为101万吨年；日本生产能力为43万吨年；其他地区和国家生产能力为4.0万吨年左右。至2006年，当年全世界季戊四醇的总生产能力约为61.0万吨，产量约为45.0万吨，装置开工率约为73.8% ，其主要生产地依然在欧美地区。到2009年为止，国外有25家季戊四醇生产企业，其总生产能力为44万吨年，其中美国占12.95%。主要的生产厂家有美国 Hercules公司、美国赫司特塞拉尼斯公司、瑞典柏仕德(Perstorp)公司、中国台湾李长荣化工公司、加拿大Chemcel公司、德国德固萨公司、日本三菱瓦斯化学公司、日本广荣化学公司等，详情见表1.2。其中柏仕德(Perstorp)公司为全球最大的季戊四醇生产厂家，它在印度、意大利、美国和德国都建有生产企业和装置。其拥有5.7万吨年的季戊四醇生产能力，占全球生产总能力的9。20062011年期间，美国醇酸树脂消费量的年增长率2；西欧季戊四醇硝酸酯的年均增长率1；期间日本由于醇酸树脂需求少，季戊四醇消费量的年均增长率较缓慢。表1.2 国外季戊四醇的生产厂 单位：万吨年国家公司名称生产能力备注美国Aqualon公司2.2美国赛拉尼斯（Celanese）公司3.5美国柏仕德（Perstorp）公司2美国Hercules2.5加拿大Chemcell2.5巴西COPENOR公司0.88智利OXIQUIM公司1.5意大利阿尔德（Alder）公司0.8意大利柏仕德（Perstorp）公司3意大利Polioli1.2西班牙Polialco SA3.3续表1.2国家公司名称生产能力备注智利OXIQUIM公司意大利阿尔德（Alder）公司意大利柏仕德（Perstorp）公司意大利Polioli西班牙Polialco SA瑞典太尔（Dynea）公司Perstorp与Neste Oxo合资德国Degussa AG俄罗斯Uralkhimplast公司俄罗斯Metafrax公司土耳其Polisan Boya公司印度Allied Resins&Chemicals印度Kanoria公司印度柏仕德印度化工（Perstorp India Chemicals）公司印度Rinki公司日本广荣（Koei）公司日本三菱瓦斯（MGC）公司日本三菱（Mitsui）化学公司日本三井化学公司韩国Yu-Jin公司1.2.2 国内生产现状1,6,7我国季戊四醇的生产始于1957年，当时年产量只有20吨，到20世纪90年代才开始快速发展，1997年国内生产能力和产量分别为5万吨年和2万吨左右， 2002年的生产能力和产量分别为10万吨年和5.1万吨。隔年2003年生产能力和产量又增加到12万吨年以上和6.5万吨左右，生产能力与产量年均增长率分别为15.7和21.7。到2004年底，我国季戊四醇的生产能力达到16.5万吨年，2004年产量达到10.8万吨年。截止到2008年 8月，我国季戊四醇产能已达到29万吨年，产量为17.5万吨，开工率约58%。经过几十年的发展，国内季戊四醇的生产规模、生产水平逐步得到了较大的提高。至20世纪90年代以来到目前为止我国季戊四醇生产厂家有近30家，其中生产规模较大的企业有湖北省宜化集团有限责任公司、湖南衡阳三化实业股份有限公司、云南天然气化工厂和保定市化工原料厂等。表1.3为我国季戊四醇主要生产厂家和生产能力。表1.3 我国季戊四醇主要生产厂家和生产能力（ta）生产厂家生产能力备注湖北省宜化集团有限责任公司湖南衡阳三化实业股份有限公司云天化集团公司定市化工原料厂吉化公司长松化工厂江苏力强集团公司化工厂河南濮阳甲醇厂辽河油田有机化工厂1500013000100001000075006000500030002002年扩能1999年建成投产2003年建成投产近几年来我国季戊四醇迅速发展，19952004年，我国季戊四醇产量年均增长率为16.2。而且也由仅有一套万吨级规模增加到四套。其中有二套生产装置为采用先进技术新建的装置。尽管我国近年来季戊四醇发展加快，但是与国际水平和国内下游产品需求仍存在较大差距。存在主要问题有：一是装置规模小，至2004年国内生产能力超过5000ta厂家仅有7家，80企业生产能力低于5000ta，而且多数能力为1000-3000ta左右，还有的采用落后的钙法生产，环境污染严重，生产成本高，长期处于停产或半停产状态；二是装置能力过剩，开工率低下，尽管到2004年国内产量增长幅度高于生产能力增长幅度，装置开工率由1998年的40 增加到目前的55左右，但是仍有近一半装置处于停产状态；三是合成技术落后，目前国内能够采用自行开发技术建设万吨级装置，但是合成技术与国外先进技术相比，仍存在环境污染严重，产品结构单一，档次低，产品质量较差等差距。2002年以前我国每年大量进口季戊四醇满足国内需求，从某种程度也说明了当时我国季戊四醇已存在产品质量低、结构不合理等问题。1.2.3 国内外季戊四醇市场分析目前全球季戊四醇供需基本平衡，消费需求稳步缓慢增长，近年来年均增长率约为2.5 左右，从区域性结构来看，亚洲仍是今后世界季戊四醇工业发展的重点地区。市场需求增长速度较快，近几年亚洲地区（除日本外）市场需求年均增长率为8左右，今后继续保持较高增长速度。从产品结构上看，由于高档特种涂料及飞机、轿车润滑油工业发展，二和三季戊四醇市场需求增加。目前全球生产能力难以满足市场需求，且供需矛盾日益突出，成为世界季戊四醇工业新的增长点。在2002年以前，我国季戊四醇的进口量一直呈增加趋势，其中2001年进口量达到10667吨，历史最高记录。随后，随着国内生产能力和产量的不断增加，进口量大幅度减少。2006年进口量2445吨，2007年为2283吨，2008年进口量为2万吨，同比减少约7.8。2009年16月份进口量为914吨，同比减少25.4；在进口的同时，我国季戊四醇也有少量出口，且出口量逐年增加。2006年出口量为32665吨，2007年增加到46014吨，2008年进一步增加到63274吨，同比增长37.5，2009年16月份出口量达到22429吨，同比减少39.3% 8。近几年我国季戊四醇的进出口情况见表1.4。表1.4 我国季戊四醇的进出口情况年份进口量(ta)进口平均金额(万美元t)出口量(ta)出口平均金额(万美元t)20022003200420052006200720082009(16)9822264122311986245522832104214867.41126.51289.11353.51349.51825.72281.41935.413278471560520151326654601463274224291984.81008.91081.81094.01154.91567.01876.31300.71997年至2008年底，季戊四醇市场大起大落。国内一些老企业退出，溧阳化工、鹏鑫化工等新兴企业加入；国外塞拉尼斯装置关闭、Perstorp德国工厂爆炸，国内外季戊四醇产能、产量的变化导致产品价格大幅波动，最高达到13300元吨，最低仅为5500元吨9。表1.5为近几年来我国季戊四醇的供需平衡情况。表1.5 近几年来我国季戊四醇的供需平衡情况（单位：万ta）年份产量进口量出口量表观消费量2002200320045.106.5010.800.980.260.220.010.781.566.075.989.46续表1.5年份产量进口量出口量表观消费量200514.600.202.0212.78200614.000.253.2710.98200715.000.234.6010.63200817.500.216.3311.38据预计，到2012年我国对季戊四醇的总需求量将达到约15.7万吨，其中醇酸树脂所占比例将有所下降，而润滑油松香酯和聚氨酯领域比例将有所上升，这些领域对季戊四醇质量要求比醇酸树脂领域要高，而且对双季戊四醇和三季戊四醇的需求将快速增加。届时的产能将达到约35万吨，届时产能将过剩，市场竞争将更加激烈10。1.3 主要生产方法自从1938年美国以甲醛与乙醛在碱性介质中缩合季戊四醇实现了工业化生产以来，国内外对季戊四醇的合成工艺的研究就一直没有停止，其生产技术得到了快速的发展。主要的方法有Cannizzaro法和缩合加氢法两类。1.3.1 Cannizzaro（康尼扎罗）法1,11,12在碱存在下，首先是三分子甲醛与一分子乙醛缩合反应形成季戊四糖（多羟甲基醛），季戊四糖与甲醛都无氢原子 ，进一步发生氧化还原，甲醛较活泼，被氧化为酸，生成甲酸钠，季戊四糖被还原成醇根据催化剂的不同，该法又分为以下四种。1.3.1.1 氢氧化钙法以氢氧化钙作为碱性催化剂，简称“钙法”。“钙法”原材料成本低廉，但后处理增加沉淀和过滤步骤以除去钙离子。此外，产品中残余“钙灰”在高温下对季戊四醇的分解有催化作用。另外有些研究认为Ca2+会催化甲醛缩合为甲醛聚糖的副反应，对提高季戊四醇的收率不利。1.3.1.2 氢氧化钠法氢氧化钠法是以氢氧化钠作为碱性催化剂，简称钠法。季戊四醇的生产经历了由钙法向钠法转变的过程。根据反应温度的不同，钠法又分为高温法和低温法。高温法使反应的温度控制在 4080，在反应终了时升温至85，以甲醛自身的Cannizzaro反应破坏过量甲醛。低温法则将反应温度控制在2530，以减少副反应。1.3.1.3 混合碱法13该方法采用碱性相对较弱的碳酸盐和碳酸氢盐混合物作为碱性缩合反应的催化剂，合成原理与传统方法“钠法”相似，即先进行Aldol醇醛缩合反应，再经过Cannizzaro反应得到季戊四醇和甲酸钠，不同的是该工艺中增加了将甲酸盐在贵金属催化剂作用下，通过氧化或水解转化为碳酸盐和碳酸氢盐的工序，作为后批次生产用催化剂从而实现催化剂的循环利用，节省了大量的碱，降低了生产成本，有利于提高产量和经济效益；该工艺副产物少，无“三废”产生，对设备的腐蚀性小是一种可持续发展的绿色工艺，发展前景看好。目前，该工艺还处于中试阶段。1.3.1.4 交换离子催化法该工艺使用的是固定床间歇式反应器，以强碱性离子交换树脂为缩合剂，控制一定的停 留时间。交换柱的流出物经蒸馏分离出甲醛，母液浓缩分离出季戊四醇和甲酸钠。离子交换树脂用稀的强碱溶液（如质量分数为6%的NaOH溶液）再生，然后用蒸馏回收的甲醛溶液进行洗涤。该法能有效地抑制甲醛的自身缩合的副产物，但工艺较为复杂，对离子交换树脂的再生和洗涤较为繁琐，且同样面临着副产物甲酸钠的问题，产品的规模也不会太大，该法尚处在摸索阶段。1.3.2 缩合加氢法1415该方法是将甲醛、乙醛和三乙胺及水按一定比例混合后，在低温下缩合生成三羟甲基乙醛，再在减压下蒸馏，分离出来的三乙胺返回缩合工序循环使用。三羟甲基乙醛再在加压下催化加氢，使醛基还原为羟基而制得季戊四醇。与传统的方法相比较。该法不仅反应温度较低、后处理步骤简单、产品质量好、节省了甲醛和大量的碱。而且解决了传统生产方法中副产甲酸盐的存在问题，对环境污染较小。另外，该法提纯精制工艺简单、所需设备少、投资省、成本低，适合规模化连续生产，但该工艺对氢源质量、加氢设备和催化剂等的要求高，因而目前还没有实现工业化生产。2 生产工艺设计2.1 生产方法本设计采用以氢氧化钠为催化剂的“氢氧化钠法”（即钠法）。虽然氢氧化钠的价格较贵，但由于副产物甲酸钠易溶于水，使后处理步骤减少，减少了处理成本。此外，产品中“钠灰”的存在不致促进季戊四醇的分解反应，减少了副产物的生成，提高了产品质量，并且钠法工艺在我国普遍采用，技术成熟易于操作。2.2 反应原理1517反应式：反应机理：2.3 工艺流程本设计采用低温钠法，生产过程分为七个工序，包括缩合、中和、脱醛、蒸发、结晶、分离、干燥。首先甲醛（过量较多）与乙醛在碱性水溶液中反应，生成物为含有季戊四醇、甲酸钠和甲醛的水溶液，其中甲酸钠含量约是季戊四醇的一半。因为甲酸钠在水中的溶解度比季戊四醇大的多（季戊四醇易溶于热水），因此将缩合反应液经过脱醛、降温、浓缩、结晶、离心分离、水洗等步骤处理后得到不含甲酸钠和甲醛的季戊四醇湿结晶，最后干燥得到季戊四醇成品。结晶后的母液经分步结晶法逐一回收甲酸钠及季戊四醇。为提高回收率，可进行多次循环回收。图2.1为生产工艺流程方框图。图2.1 季戊四醇生产工艺方框图2.3.1 缩合缩合为放热反应，反应釜为夹套式，冷却介质为冷冻盐水。首先将适量的甲醛溶液（浓度为37%）用泵送入缩合釜。在搅拌的情况下，调节冷却器盐水，使温度保持在l012。于15分钟内将适量的稀碱（30%NaOH溶液）加入缩合釜内。调节盐水量控制料温，逐步升温至15l8，然后将适量的乙醛（98%）根据先快后慢的程序在4小时内加完。在前半小时内加入乙醛总量的60。使料液上升到高峰温度3334，然后继续加乙醛用盐水将温度控制在（291）。其反应条件如下：投料配比（甲醛乙醛碱）为6.511.3（摩尔比）。2.3.2 中和加完乙醛后，保温反应1.5小时，料液残醛、残碱合格为反应终点，用甲酸中和至酸值为pH=57为中和终点，将此缩合液用泵送入缩合液贮槽。2.3.3 脱醛缩合液自缩合液贮槽，经预热器，从塔中部进入脱醛塔。经过脱醛塔精馏，一次浓缩液自塔釜流出，进入蒸发原液槽。塔顶馏出稀醛溶液，从塔中部进入加压脱醇塔，经过脱醇塔精馏，塔顶馏出甲醇液，进入甲醇贮槽，甲醛自塔釜流出进入甲醛槽。2.3.4 蒸发脱醛浓缩液进入蒸发器，用蒸汽加热蒸发，真空度控制在（4754）kPa，水分在加热室里汽化，在蒸发室里进行汽液分离，水蒸汽被抽真空的下水冷凝带走。料液在设备内浓缩。当相对密度达到1.201.28后，停止加热，将浓缩液放入结晶釜搅拌、冷却。2.3.5 结晶分离1820蒸发浓缩液在结晶釜内搅拌、冷却降温至3025，形成季戊四醇结晶液，流入离心机内进行分离。母液用泵打入母液沉降槽，滤饼用水洗涤至洗液有甜味为止，洗液再打入蒸发原液槽。洗涤后的滤饼继续脱水515分钟，含水（612）为离心终点，停机后将湿结晶出料至料斗，用螺旋输送机送去干燥 。2.3.6 干燥空气经过滤器、风机、蒸汽加热器、电加热器等设备加热到150180，再经过文丘里管，进入干燥直管。离心后的季戊四醇湿结晶经料斗、螺旋输送机进入文丘里管上口与热风混合，在干燥直管内被热风干燥，干料进入一级旋风分离器进行气固分离，干料自底部流入料仓，含有细料的粉尘自上部排出进入二级旋风分离器。分离的细料每小时放料一次进行回收。分离后含有粉尘的热空气进入脉冲袋滤器进行过滤，每两小时放料一次。化验合格后包装入库。3 物料衡算3.1 工艺流程框图3.2 计算依据（1）生产能力：年产1万吨季戊四醇按工作日为300天每年来计算日产量=33 吨（2）相关物性数据表3.1 物性数据表原料名称规格配比分子量熔点 沸点密度g/氢氧化钠纯度30%1.340.00318.413901.3279甲醛纯度37%6.530.03-92-19.20.815乙醛纯度98%144.05-123.5210.788甲酸纯度87%0.346.038.6100.81.226甲酸钠68.012533601.92注：以日产量为基准3.3 其他数据物料比：甲醛乙醛NaOH=6.511.3（摩尔比）损耗率：1%日最终生产季戊四醇量=日实际生产季戊四醇量=反应式：日用氢氧化钠量=日甲醛用量=日乙醛用量=日甲酸用量=3.4 各工序的物料衡算3.4.1 缩合（1）流程示意图（2）反应式（3）计算过程流股1为30%NaOH溶液，其中： NaOH：吨 水：吨流股2为37%甲醛溶液，其中： 甲醛：吨 水：吨流股3为98%乙醛溶液，其中： 乙醛：吨 水： 吨流股4为混合液，其中： 季戊四醇： 氢氧化钠： 甲醛： 双季戊四醇： 甲酸钠： 水： （4）物料衡算一览表表3.2 缩合工序物料衡算一览表组分进料（流股1）出料（流股2）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）H2O643574.166373.1983.99NaOH331.243.8275.681.00CHO1656.219.09630.638.31CH3CHO254.82.94C10H24O75.0450.066HCOONa252.253.32C5H12O4252.253.32总计8677.2410075891003.4.2 中和（1）流程示意图（2）反应式（3）计算过程流股1为缩合釜出来的混合液，其中： 季戊四醇： 氢氧化钠： 甲醛： 双季戊四醇： 甲酸钠： 水： 流股2为85%甲酸溶液，其中： 甲酸： 水： 流股3为中和釜出来的混合液，其中： 季戊四醇： 甲醛： 双季戊四醇： 甲酸钠： 水： （4）物料衡算一览表表3.3 中和工序物料衡算一览表组分进料（流股1）进料（流股2）出料（流股3）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）NaOH75.681.00HCOOH630.6394.86C5H12O252.253.64249.733.31续表3.3组分进料（流股1）进料（流股2）出料（流股3）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）C10H24O75.0450.704.994550.066CHO252.253.64624.328.27H2O6339.0491.0234.155.146343.2784.06HCOONa324.654.30总计6924.265100664.7810075471003.4.3 脱醛（1）流程示意图（2）计算过程流股1为中和釜出来的混合液，其中： 季戊四醇： 甲醛： 双季戊四醇： 甲酸钠： 水： 流股2为轻组分，其中：甲醛： 由于甲醛沸点低常温下就为气体，故假设其完全脱除流股3为脱醛塔出来的混合液，其中： 季戊四醇： 双季戊四醇： 甲酸钠： 水： （3）物料衡算一览表表3.4 脱醛工序物料衡算一览表组分进料（流股1）出料（流股2）出料（流股3）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）C5H12O249.733.31247.233.61C10H24O74.990.0664.9450.72CHO624.328.27618.08100H2O6343.2784.066279.8491.63HCOONa324.654.30321.404.04总计7547100618.081006853.4151003.4.4 蒸发（1）流程示意图（2）计算过程流股1为脱醛塔出来的混合液，其中： 季戊四醇： 双季戊四醇： 甲酸钠： 水： 流股2为蒸发出去的水，其中：水： 吨 流股3为蒸发后的混合液，其中： 季戊四醇： 双季戊四醇： 甲酸钠： 水： （3）物料衡算一览表表3.5 蒸发工序物料衡算一览表组分进料（流股1）出料（流股2）出料（流股3）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）C5H12O247.233.61244.767.92C10H24O74.9450.724.8961.58H2O6279.8491.633755.521002524.3281.64HCOONa321.404.04318.1910.29总计6853.4151003755.521003092.1661003.4.5 结晶（1）流程示意图（2）计算过程流股1为蒸发后的混合液，其中： 季戊四醇： 双季戊四醇： 甲酸钠： 水： 流股2为结晶后的混合晶液 季戊四醇： 双季戊四醇： 甲酸钠： 水： （3）物料衡算一览表表3.6 结晶工序物料衡算一览表组分进料（流股1）出料（流股2）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）C5H12O244.767.92242.317.92C10H24O74.8960.164.8470.14H2O2524.3281.642499.0881.64HCOONa318.1910.29315.0110.29总计3092.1661003061.2471003.4.6 分离（1）流程示意图（2）计算过程流股1为结晶后的混合晶液，其中： 季戊四醇： 双季戊四醇： 甲酸钠： 水： 流股2为废液，其中： 甲酸钠： 水：假设季戊四醇中的含水量为9%，那么季戊四醇中的水 废液中的水 双季戊四醇：假设废液中的双季戊四醇占总量的50%那么废液中双季戊四醇为双季戊四醇流股3为产品，其中： 季戊四醇晶体中的季戊四醇： 双季戊四醇： 季戊四醇晶体中的水：假设季戊四醇中的含水量为9%，那么季戊四醇中的水（3）物料衡算一览表表3.7 分离工序物料衡算一览表组分进料（流股1）出料（流股2）出料（流股3）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）C5H12O242.317.92239.8956.88C10H24O74.8470.142.399511.952.39950.57H2O2499.0881.642294.6387.95179.4642.55HCOONa315.0110.29311.860.092总计3061.2471002608.8895100421.74951003.4.7 干燥（1）流程示意图（2）计算过程流股1为产品，其中： 季戊四醇晶体中的季戊四醇： 双季戊四醇： 季戊四醇晶体中的水：假设季戊四醇中的含水量为9%，那么季戊四醇中的水流股2为干燥出去的物质，其中： 双季戊四醇：假设在成品季戊四醇中双季戊四醇占0.5%则成品中的双季戊四醇量为双季戊四醇干燥出去的双季戊四醇量为双季戊四醇 水：假设在成品季戊四醇中水的含量占1.5%，则成品中的水的含量为：水那么干燥出去的水的量为水 流股3为最终成品，其中： 季戊四醇： 双季戊四醇： 假设在成品季戊四醇中双季戊四醇占0.5%，则成品中的双季戊四醇量为：双季戊四醇 水：假设在成品季戊四醇中水的含量占1.5%则成品中的水的含量为水（3）物料衡算一览表表3.8 干燥工序物料衡算一览表组分进料（流股1）出料（流股2）出料（流股3）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）kmol/d%（mol）C5H12O239.8956.88237.4989.41C10H24O72.39950.571.749891.150.649610.24H2O179.4642.55150.1798.8527.5010.35总计421.7495100151.91989100265.639611004 热量衡算4.1 热量衡算目的热量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷，根据设备热负荷的大小、所处理物料的性质及工艺要求在选择传热面积的型式、计算传热面积、确定设备的主要工艺尺寸。4.2 热量衡算依据热量衡算的主要依据是能量守恒定律22，以车间物料衡算的结果为基础进行的，所以车间物料衡算表是进行车间热量衡算的首要条件。4.3 各物质热力学参数（标况下）表4.1 物质的热力学参数2324物质温度K甲醛298570.8-115.90-109.91218.7835.39乙醛298-166.36-133.30264.2255.32氢氧化钠298-425.60-379.5364.4859.54甲酸298254.6-424.72-361.41128.9599.04季戊四醇2982761.9-920.5-613.92198.07190.41双季戊四醇298甲酸钠298111.46水298-285.83-237.17869.9175.2914.4 各工段的热量衡算4.4.1 缩合4.4.1.1 计算条件（1）流程示意图（2）衡算数据流股1为30%NaOH溶液，其中NaOH的量为吨，水的量为吨流股2为37%甲醛溶液，其中甲醛的量为吨，水的量为吨流股3为98%乙醛溶液，其中乙醛的量为吨，水的量为吨流股4为混合液，其中季戊四醇的量为，氢氧化钠的量为，甲醛的量为，双季戊四醇的量为，甲酸钠的量为，水的量为4.4.1.2 计算过程对于有传热要求的设备，其热平衡方程式为：式中：物料带入设备的热量 kJ 过程热效应 kJ 物料离开设备所带走的热量 kJ 加热或冷却设备所消耗的热量 kJ 设备向环境散失的热量 kJ（1）的计算（物料带入设备的热量）（以0为基准） Cp计算Cp的计算可以通过热熔温度关联式来计算，则所得各物质的Cp值见下表：表4.2 物质的Cp值一览表 单位：J / (molK) 温度A（NaOH）B（甲醛）C（乙醛）D（水）2559.5435.3955.3275.291 各物质的： J J J J J J其中杂质的忽略不计（2）的计算（过程热效应）为缩合釜中的过程反应热，作为反应器设计时常以0作为基准来进行热量衡算，在缩合反应中由副反应的发生，但发生的量少，反应热较小，故可以忽略不计，只以主反应来计算。一般来说0时的反应热与25时的反应热相差不大，在实际的热量衡算时常用25时的反应热。据化学工程手册得25时的各物质的生成热如下表所示：表4.3 25下各物质的生成焓 单位：kJ / mol温度A（NaOH）B（甲醛）C（乙醛）D（季戊四醇）E（甲酸钠）25-425.60-115.90-166.36-920.5-424.72反应式：计算式： kJ / mol其副反应忽略不计，缩合釜中总的反应热为： kJ / mol kJ（3）的计算（物料离开设备所带走的热量）缩合釜内反应生成季戊四醇，最终还有甲醛及氢氧化钠剩余，反应为放热反应但釜内温度保持在29作用，并假设双季戊四醇的Cp值与季戊四醇的相等。（以0为基准） Cp计算Cp的计算可以通过热熔温度关联式来计算则出料液中各物质的Cp值见下表：表4.4 出料液中各物质的Cp值 单位：J(molK) 温度A（季戊四醇）B（NaOH）C（甲醛）D（双季戊四醇）E（甲酸钠）F（水）25190.4159.5435.01190.41111.4675.291 各物质的JJJJJJJ（4）的计算有热平衡方程式可得：因为所以由以上数据可得 J4.4.2 中和4.4.2.1 计算条件（1）流程示意图（2）衡算数据流股1为缩合釜出来的混合液，其中季戊四醇的量为，氢氧化钠的量为，甲醛的量为，双季戊四醇的量为，甲酸钠的量为，水的量为流股2为85%甲酸溶液，其中甲酸的量为，水的量为流股3为中和釜出来的混合液，其中季戊四醇的量为，甲醛的量为，双季戊四醇的量为，甲酸钠的量为，水的量为4.4.2.2 计算过程对于有传热要求的设备，其热平衡方程式为：式中：物料带入设备的热量 kJ 过程热效应 kJ 物料离开设备所带走的热量 kJ 加热或冷却设备所消耗的热量 kJ 设备向环境散失的热量 kJ（1）的计算（物料带入设备的热量）中和釜中主要是除去氢氧化钠剩余物质，本设计假设其完全中和。中和釜中进料来自缩合釜的出料，假设物料在管道中无热损耗，并控制温度在29。那么J即：JJJJJJJ其中杂质的忽略不计（2）的计算（过程热效应）为中和釜中的反应热，反应温度保持在29，29下反应物的生成热即生成焓如下表：表4.5 29下各物质生成焓 单位：kJ / mol 温度A（甲酸）B（NaOH）C（甲酸钠）D（水）29-424.72-425.60-424.72-285.83反应式计算式 kJ / mol甲酸钠的量为：J（3）的计算 Cp计算中和釜中用甲酸与氢氧化钠反应完全中和碱，最终得到甲酸钠，假设29下Cp近似取25下的Cp值。（以0为基准）Cp的计算可以通过热熔温度关联式来计算，则出料液中各物质的Cp值见下表：表4.6 各物质Cp值 单位：J(molK) 温度A（季戊四醇）B（甲醛）C（双季戊四醇）D（甲酸钠）E（水）25190.4135.01190.41111.4675.291 各物质的JJJJJJ（4）的计算有热平衡方程式可得：即：由以上数据可得 J4.4.3 脱醛4.4.3.1 计算条件（1）流程示意图（2）衡算数据流股1为中和釜出来的混合液，其中季戊四醇的量为，甲醛的量为，双季戊四醇的量为，甲酸钠的量为，水的量为流股2为轻组分，其中甲醛的量为，由于甲醛沸点低常温下就为气体，故假设其完全脱除流股3为脱醛塔出来的混合液，其中季戊四醇的量为，双季戊四醇的量为，甲酸钠的量为，水的量为4.4.3.2 计算过程对于有传热要求的设备，其热平衡方程式为：式中：物料带入设备的热量 kJ 过程热效应 kJ 物料离开设备所带走的热量kJ 加热或冷却设备所消耗的热量kJ 设备向环境散失的热量kJ（1）的计算脱醛塔中进料来自中和釜的出料，假设物料在管道中无热损耗那么JJJJJJ（2）的计算脱醛塔中无化学反应，故无化学反应热即J（3）的计算 Cp计算脱醛塔中主要是脱去中的甲醛，因为甲醛的沸点非常低，低于常温，故假设甲醛完全脱去。（以0为基准）Cp的计算可以通过热熔温度关联式来计算，则出料液中各物质的Cp值见下表：表4.6 各物质Cp值 单位：J(molK) 温度A（季戊四醇）B（甲醛）C（双季戊四醇）D（甲酸钠）E（水）29190.4135.01190.41111.4675.291 各物质的JJJJJJ（4）的计算有热平衡方程式可得：即：由以上数据可得J4.4.4 蒸发4.4.4.1 计算条件（1）流程示意图（2）衡算数据流股1为脱醛塔出来的混合液，其中季戊四醇的量为，双季戊四醇的量为，甲酸钠的量为，水的量为流股2为蒸发出去的水，其中水的量为流股3为蒸发后的混合液，其中季戊四醇的量为，双季戊四醇的量为，甲酸钠的量为，水的量为4.4.4.2 计算过程（1）的计算（物料带入设备的热量） Cp计算蒸发器中进料来自脱醛塔的釜液，假设物料在管道中无热损耗，则进料液中各物质的Cp值见下表：表4.6 各物质Cp值 单位：J(molK)温度A（季戊四醇）B（双季戊四醇）C（甲酸钠）D（水）29190.41190.41111.4675.291 各物质的：JJJJJ（2）的计算水在100，50kPa下发生汽化，变为气态的水蒸汽，并从蒸发室中蒸发出去。根据资料可查得，任何压强下化合物的活化热均可按下式计算：式中：对比压强（实际压强与临界压强之比值）对比温度（实际温度与临界温度之比值）临界温度 K水的临界压力为：MPa水的临界温度为： J（3）的计算 Cp计算固体的比热容可采用科普定律来计算即：式中：元素的原子比热容 kJ / kg固体分子中同种原子的个数化合物分子量表4.7 元素原子的比热容元素 液态固体碳2.81.8氢4.32.3氧6.04.0其它元素8.06.2注：上述公式计算出的时20时的比热容，不在20时各化合物的比热容将与算出的比热容有出入，凡高于20时的化合物，比热容可根据上述公式计算所得结果再加大2025%。本设计将所得结果加大为原来的120%。即：季戊四醇： kJ/(kg)双季戊四醇： kJ/(kg)甲酸钠： kJ/(kg)水： kJ/(kg) 各物质的：JJJJJJ（4）的计算有热平衡方程式可得：即：由以上数据可得J4.4.5 结晶4.4.5.1 计算条件（1）流程示意图如下（2）衡算数据流股1为蒸发后的混合液，其中季戊四醇的量为，双季戊四醇的量为，甲酸钠的量为，水的量为流股2为结晶后的混合晶液，其中季戊四醇的量为，双季戊四醇的量为，甲酸钠的量为，水的量为4.4.5.2 计算过程（1）的计算结晶釜中进料来自蒸发器的釜液，假设物料在管道中无热损耗JJJJJ（2）的计算此过程中无化学反应，也无相变化，故J（3）的计算 Cp计算结晶釜中来自蒸发器的混合液将其冷却降温至25，形成季戊四醇晶液（以0为基准）Cp的计算可以通过热熔温度关联式来计算，则出料液中各物质的Cp值见下表：表4.8 各物质Cp值 单位：J(molK)温度A（季戊四醇）B（双季戊四醇）C（甲酸钠）D（水）25190.41190.41111.4675.291 各物质的JJJJJ（4）的计算有热平衡方程式可得：即：由以上数据可得J4.4.6 分离4.4.6.1 计算条件（1）流程示意图（2）衡算数据流股1为结晶后的混合晶液，其中季戊四醇的量为，双季戊四醇的量为，甲酸钠的量为，水的量为流股2为废液，其中甲酸钠的量为，水的量为，双季戊四醇的量为4.4.6.2 计算过程（1）的计算分离器中进料来自结晶釜的釜液，假设物料在管道中无热损耗JJJJJ（2）的计算此过程中无化学反应，也无相变化，故J（3）的计算 Cp计算物料离开设备所带走的热量为废液中的物料带走的热量与产品中物料带走的热量之和。（以0为基准）Cp的计算可以通过热熔温度关联式来计算，则出料液中各物质的Cp值见下表：表4.8 各物质Cp值 单位：J(molK)温度A（季戊四醇）B（双季戊四醇）C（甲酸钠）D（水）25190.41190.41111.4675.291 各物质的季戊四醇：J双季戊四醇：JJ甲酸钠J水：JJJ（4）的计算有热平衡方程式可得：即：由以上数据可得J4.4.7 干燥4.4.7.1 计算条件（1）流程示意图（2）衡算数据流股1为产品，其中季戊四醇晶体中的季戊四醇的量为，双季戊四醇的量为，季戊四醇晶体中的水的量为流股2为干燥出去的物质，其中双季戊四醇的量为，水的量为流股3为最终成品，其中季戊四醇的量为，双季戊四醇的量为，水的量为4.4.7.2 计算过程（1）的计算干燥器中进料来自分离器，假设物料在管道中无热损耗季戊四醇：J双季戊四醇：JJ甲酸钠J水：JJJ（2）的计算部分水在160下发生相变化，变为气态的水蒸汽，有汽化热产生。根据资料可查得，任何温度压强下化合物的汽化热均可按下式计算：式中：对比压强（实际压强与临界压强之比值）对比温度（实际温度与临界温度之比值）临界温度 K水的临界压力为：MPa水的临界温度为： J（3）的计算 Cp计算固体的比热容可采用科普定律来计算即：式中：元素的原子比热容 kJ/kg固体分子中同种原子的个数化合物分子量表4.9 元素原子的比热容元素 液态固体碳2.81.8氢4.32.3氧6.04.0其它元素8.06.2注：上述公式计算出的时20时的比热容，不在20时各化合物的比热容将与算出的比热容有出入，凡高于20时的化合物，比热容可根据上述公式计算所得结果再加大2025%。本设计将所得结果加大为原来的120%。即：季戊四醇： kJ/(kg)双季戊四醇： kJ/(kg)水： kJ/(kg) 各物质的：季戊四醇：J双季戊四醇：JJ水：JJJ(4）的计算有热平衡方程式可得：即：由以上数据可得J5 设备设计与选型5.1 主要设备设计与计算本设计主要设备采用的是釜式反应器，在设计计算前需要了解搅拌釜的容积、搅拌目的、釜内物料的性质、操作温度和压力，最后决定搅拌釜的类型与结构。在确定反应釜直径及高度时还应根据反应釜操作时所允许的装料程度装料系数，予以综合考虑，通常装料系数可取0.60.8522,25。釜体的容积V与操作容积V0应有如下关系：如果物料在反应过程中产生泡沫或显沸腾状态，应取较低值，一般为0.60.7；若反应状态平稳，可取0.80.85（物料