毕业设计（论文）-年产500吨马来酸二乙酯车间工艺设计--填料精馏塔的设计

教学单位 化学化工学院 学生学号 200992074061 编 号 本科毕业设计全套图纸加扣 3346389411或3012250582题 目 年产500吨马来酸二乙酯车间工艺设计 填料精馏塔设计 学生姓名 专业名称 化学工程与工艺 指导教师 2013 年 5 月 27 日目 录摘要1关键词11 简介21.1马来酸二乙酯的形状及应用2 1.1.1马来酸二乙酯的性状2 1.1.2马来酸二乙酯的危险性概述2 1.1.3马来酸二乙酯的消防措施3 1.1.4马来酸二乙酯的应用及储存31.2 马来酸二乙酯的操作注意事项及运输注意事项31.3 马来酸二乙酯的应急处理42 马来酸酐合成马来酸二乙酯的方法及工艺流程42.1马来酸二乙酯的生产方法4 2.1.1硫酸催化酯化法5 2.1.2离子交换法52.2 马来酸二乙酯的生产工艺选择62.3 生产工艺流程63 选择精馏塔的原则74 马来酸二乙酯-马来酸酐分离过程填料精馏塔设计74.1 设计条件74.2设计任务84.3 设计计算8 4.3.1 精馏塔的物料衡算8 4.3.2塔板数的确定9 4.3.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算11 4.3.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算14 4.3.5 填料层高度计算16 4.3.6 填料层压降计算16结 束 语17参考文献及谢辞19 年产500吨马来酸二乙酯车间工艺设计 填料精馏塔的设计摘 要：马来酸二乙酯（DEM）是高分子化合物单体，农药、医药、香料、水质稳定剂（有机多元羧酸磷酸化合物）的中间体；本文总述了马来酸二乙酯的性质、用途、主要生产方法、市场前景及发展趋势；介绍了年产500吨马来酸二乙酯车间工艺中马来酸二乙酯-马来酸酐分离过程填料精馏塔的设计，根据物料衡算确定了填料精馏塔的工艺参数及塔体类型。关键词：马来酸二乙酯-马来酸酐；分离过程；填料精馏塔The Process Design of a Plant Producing 500t/a Diethyl MaleateThe design of packing distillation column Abstract: Diethyl Maleate is a macromolecular monomer and intermediates of pesticide , medicine spices, water quality stabilizer(organic polybasic carboxylic acid phosphate compound). Its natures, uses, main production methods, the market prospect and the trend of development are mainly introduced in this paper. This paper introduces the design of packing distillation column in the annual output of 500 tons diethyl maleate process between diethyl maleate-maleic anhydride separation process , According to the material balance of the packing distillation column,the technological parameters and the tower body types were determined.Key words: diethyl maleate - maleic anhydride ; separation process; packed column.1.简介1.1 马来酸二乙酯形状及应用 马来酸二乙酯的性状马来酸二乙酯又名顺丁烯二酸二乙酯、失水苹果酸二乙酯、失水苹果酸乙酯，英文名Diethyl maleate，化学式，分子量为172.18。结构式 马来酸二乙酯为无色透明液体，常温常压下稳定。禁配物：氧化剂、还原剂、酸类、碱类。微溶于水，溶于醇、醚、烃等有机溶剂，在碱性溶液中易水解。30时在水中溶解1.4；水在马来酸二乙酯中溶解1.9，与88.2的水形成共沸混合物，共沸点99.65。熔点（）：-11.5，沸点（）：225.0，相对密度（水=1）：1.0687（20），相对蒸气密度（空气=1）：5.93，饱和蒸汽压（kpa）：0.133（57.3），酸碱度（PH值）：1，折光率：1.4415，粘度（mpa.s，25）：3.14，蒸发热（kJ/mol）：52.3，蒸汽压（kpa，30）：0.30。技术指标：含量98%，酸度(一硫酸计)0.1%。 马来酸二乙酯的危险性概述侵入途径：吸入、食入、经皮吸收。健康危害：该品粉尘和蒸气具有刺激性。吸入后可引起咽炎、喉炎和支气管炎，可伴有腹痛。眼和皮肤直接接触有明显刺激作用，并引起灼伤。慢性影响：慢性结膜炎、鼻粘膜溃疡和炎症。有致敏性，可引起皮疹和哮喘。对眼睛、皮肤、粘膜有一定的刺激作用。 环境危害：该物质对环境有害，建议不要让其进入环境，应特别注意对水体的污染。燃爆危险：其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸，有腐蚀性。与氧化剂能发生强烈反应，引起燃烧或爆炸。若遇高热，可发生聚合反应，放出大量热量而引起容器破裂和爆炸事故。蒸气比空气重，沿地面扩散并易积存于低洼处，遇火源会着火回燃。 马来酸二乙酯的消防措施有害燃烧产物：一氧化碳、二氧化碳。 灭火方法：尽可能将容器从火场移至空旷处。喷水保持火场容器冷却，直至灭火结束。处在火场中的容器若已变色或从安全泄压装置中产生声音，必须马上撤离。灭火剂：雾状水、泡沫、二氧化碳、干粉、沙土灭火。灭火注意事项及措施：消防人员须佩戴防毒面具、穿全身消防服，在上风向灭火，尽可能将容器从火场移至空旷处，喷水保持火场容器冷却，直至灭火结束，处在火场中的容器若已变色或从安全泄压装置中产生声音，必须马上撤离；注意用火灭火无效。 马来酸二乙酯的应用及储存用途：马来酸二乙酯主要用于生产有机磷农药马拉硫磷。马来酸二乙酯也是合成高分子化合物的单体。马来酸二乙酯还用作医药、香料、水质稳定剂等的中间体，溶剂，杀虫剂，高聚物单体，塑料助剂。包装：200公斤/镀锌铁桶或200公斤/塑料桶。储存方法：储存在阴凉干燥通风的地方，远离火种、热源。防止阳关直射。保持容器密封。应与氧化剂、还原剂、酸类、碱类分开存放，切勿混储。配备相应品种和数量的消防器材。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。1.2 马来酸二乙酯的操作注意事项及运输注意事项 密闭操作，提供充分的局部排风；操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程；建议操作人员佩戴头罩型电动送风过滤式防尘呼吸器，穿胶布防毒衣，带橡胶手套；远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。使用防爆型的通风系统和设备；避免产生粉尘。避免与氧化剂、酸类接触；搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏；配备相应品种数量的消防器材及泄漏应急处理设备；倒空的容器可能残留有害物。运输前应先检查包装容器是否完整、密封，运输过程中要确保容器不泄露、不倒塌、不坠落、不损坏。严禁与氧化剂、还原剂、酸类、碱类等混装混运。船运时，应与机舱、电源、火源等部位隔离。公路运输时要按规定路线行驶。1.3 马来酸二乙酯的应急处理 迅速撤离泄露污染区人员至安全区，并进行隔离，严格限制出入。切断火源。周围设警告标志，建议应急处理人员戴好防毒面具，穿化学防护服。不要直接接触泄漏物，尽可能切断泄漏源，防止流入下水道、排洪沟等限制性空间。小量泄漏：用沙土、蛭石或其它惰性材料吸收。大量泄漏，构筑围堤或挖坑收容，用泵转移至槽车或专用收集器内，回收或运至废物处理场所处理。呼吸系统防护：空气中浓度超标时，应该佩带防毒口罩。眼睛防护：戴安全防护眼镜。防护服：穿工作服（防腐材料制作）。手防护：带橡皮手套。其他：工作后，淋浴更衣，注意个人清洁卫生。皮肤接触：脱去污染的衣着，立即用水冲洗至少15分钟。若有灼伤，就医治疗。眼镜接触：立即提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗至少15分钟。吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处，保持呼吸道畅通，必要时进行人工呼吸或就医。食入：误食者立即漱口，给饮牛奶或蛋清或就医。2. 马来酸酐合成马来酸二乙酯的方法及工艺流程2.1 马来酸二乙酯的生产方法马来酸二乙酯由顺丁烯二酸酐和乙醇在硫酸存在下酯化制得;也可用阳离子交换树脂为催化剂进行交换转化而得。工业品顺丁烯二酸二乙酯含量98%，每吨产品消耗顺丁烯二酸酐(95%)585kg，乙醇(95%)604kg。马来酸二乙酯的传统生产工艺是用浓硫酸做催化剂，马来酸酐和乙醇酯化反应合成。 其反应方程式为： 硫酸催化酯化法 本工艺分有苯正压操作和无苯负压操作。有苯正压操作工艺过程为，将一定量的苯和乙醇加入酯化锅，投入顺丁烯二酸酐在搅拌的情况下，向酯化锅滴加浓硫酸，加料后，将温度升至75左右，酯化反应产生的水分与苯、乙醇形成三元共沸物上升到蒸馏塔，塔顶温度保持在65左右，共沸物由塔顶进入冷凝器，被冷凝器冷却到50左右流入分离器分层，分离器蛇管通入低温水，使温度降至25左右，此时上层液体含苯84.5%，水1%，乙醇14.5%，回流入反应锅内继续酯化蒸馏带水，使可逆的酯化反应进行完全。分离器下层水进一步处理，可回收苯和乙醇。当塔顶温度上升至68.2、分离器下层水液位不再上升时，表示反应锅内水分已经全部蒸出，酯化反应已经完成。此时蒸出的苯和乙醇二元共沸物，不再回流直接由分离器放入储槽，经干燥后，此苯、乙醇共沸物供酯化反应配料使用。无苯负压操作 这是一种重要改进。顺丁烯二酸酐和乙醇在硫酸作用下酯化。借一定的真空和温度将乙醇和反应生成的水呈气态带出，然后通过分馏塔分离出乙醇回流酯化，使反应趋向完全。这种操作方法能缩短反应周期，提高收率和产品质量，改善操作环境，国内生产厂大都采用此法。但考虑到经济效益，正压比负压更容易得到，所以采用有苯正压操作。 离子交换法 顺丁烯二酸酐和乙醇的酯化反应在阳离子交换树脂的作用下进行。交换柱直径400、高4m，工作温度为952。此法可以避免硫酸催化法正压有苯操作工艺中的苯污染，但对反应原料和设备要求提高，因为交换树脂容易与高价金属离子如铁、钙、铝等进行交换而失去催化活性，故反应原料中应不含这些金属离子，反应设备要求采用搪玻璃、不锈钢材质。 用粉末型苯乙烯-二乙烯苯强酸性离子交换树脂催化合成顺丁烯二酸二乙酯，能取得提高产品质量、简化工艺、避免游离酸腐蚀的效果。这种粉末树脂是一种能显示离子交换功能的高分子材料，在它交联结构的高分子基体上以化学键结合着许多酸性或碱性基团，能和一般低分子酸、碱一样对某些有机化学反应起催化作用，将苯乙烯-二乙烯苯强酸性离子交换树脂经过10%氢氧化钠及10%盐酸交换浸泡后，洗至近中性，在烘箱110120温度下干燥，按顺丁烯二酸酐重量的1%20%加入反应系统，乙醇过量05%，在50100进行酯化反应。在反应过程中，不断蒸馏出乙醇-水共沸物带出反应生成的水分，在催化剂用量为10%时，完成酯化反应所需时间为46h。然后将反应物中的催化剂粉末树脂过滤分离，就可获得纯度较高的产品，粉末树脂经活化后继续使用。2.2 马来酸二乙酯的生产工艺选择传统方法成熟，产率稳定。对设备的要求比较低，大规模工业生产经济效益相对比较高且催化剂在液相中具有良好的催化活性。所以马来酸二乙酯生产工艺是用浓硫酸做催化剂，马来酸酐和乙醇酯化反应合成。 2.3 生产工艺流程 工艺流程图如图1：中和过滤精馏精馏馏反应釜脱色冷 凝冷 凝马来酸酐浓硫酸乙醇乙醇、苯活性炭碳酸钠马来酸二乙酯图1生产马来酸二乙酯的工艺流程图3. 选择精馏塔的原则 混合物的分离是化工生产中的重要过程。蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作。它是通过加热造成气液两相物系，利用物系中各组分的挥发度不同的特性以实现分离目的。填料塔结构简单，压降小，填料易用耐腐蚀材料制造。过去，由于填料本体及塔内构件不够完善，填料塔大多局限于处理腐蚀性介质或不适宜安装塔板的小直径塔。近年来，由于填料结构的改进和新型高效、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效率，又保持了压力降小及性能稳定的特点，因此，填料塔已经被推广到许多大型气液传质的操作中。 精馏塔操作的基本要求是在连续定态和最经济的条件下处理更多的原料液，达到预定的分离要求或组分的回收率，即在允许范围内采用较小的回流比和比较大的再沸器传热量。所以在设计精馏塔的过程中，必须保持精馏定态操作的条件如：塔压稳定；进、出塔系统的物料量平衡和稳定；进料组成和热状况稳定；回流比恒定；再沸器和冷凝器的传热条件稳定；塔系统与环境间散热稳定等。填料塔操作时，液体自塔上部进入，通过液体分布装置均匀淋洒于填料层上，继而沿填料表面缓慢下流。气体自塔下部进入，穿过栅板沿着填料间隙上升。这样,气液两相沿着塔高在填料表面与填料自由空间连续逆流接触，进行传质和传热。 马来酸二乙酯-马来酸酐属于难分离物系，由于马来酸二乙酯和马来酸酐都有双键，使其对温度很敏感，必须在减压的条件下进行分离，选用填料精馏塔可以达到分离要求的温度，且不是物质发生变质。填料精馏塔的分离效率较高，压降小，容易满足生产要求。4. 马来酸二乙酯-马来酸酐分离过程填料精馏塔设计4.1 设计条件采用泡点进料，将原料通过预热器加热到泡点后送入塔中，马来酸酐常压下沸点，马来酸二乙酯常压下沸点，采用减压精馏，用循环水冷凝，塔顶上升蒸汽用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余送至冷凝。因所分离的重组分为马来酸酐，故选产品马来酸二乙酯从釜底直接获得。4.2 设计任务 塔的物料衡算；塔板数的确定 塔体工艺尺寸；填料层压降的计算 绘制生产工艺流程图，精馏塔设计图4.3 设计计算 精馏塔的物料衡算 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率马来酸酐的摩尔质量 马来酸二乙酯的摩尔质量 由上一步过滤及分层处理得 一进塔物料中产品马来酸二乙酯，马来酸酐。经过减压精馏，出塔产品的质量分数为w=98 %，产品的损耗为w=3%，由此得塔顶产品马来酸二乙酯，马来酸酐，塔底产品马来酸二乙酯，马来酸酐。物料衡算如下： 0.4294=D+W0.42940.05=0.3735D+0.0346W D=0.0195kmol/h W=0.4099kmol/h原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔质量4.3.2塔板数的确定因为精馏是在减压条件下进行，查图2图2减压蒸馏时沸点和压力的关系20mmHg下，马来酸酐与马来酸二乙酯的相对挥发度=1.4858马来酸二乙酯依据安托尼公式： P-物质的蒸汽压：T-绝对温度（57225），（T+273.15) 马来酸酐依据安托尼公式：P-物质的蒸汽压，mmHg;T-绝对温度（60160），（T+273.15)马来酸二乙酯 时 P=1.5332马来酸酐 时 P=2.278 q=1进料 最小回流比为：取操作回流比为： 求精馏塔的气、液相负荷操作线方程精馏段方程：提馏段方程：逐板计算法： 精馏段需 9-1=8 块板 提馏段板 3-1=2块总理论板层数：NT=10进料板位置： NF=9全塔效率取ET=0.5所以 精馏段实际板层数N精=16块，提馏段N提=4块 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算1. 操作压力计算塔顶操作压力 每层塔板压降 (填料塔约为0.010.27KPa）进料板力 塔底压力 精馏段平均压力 提馏段平均压力 2. 操作温度计算 依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中马来酸二乙酯、马来酸酐的饱和蒸气压由按托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下： 塔顶温度 进料板温度 精馏段平均温度 塔底温度 提馏段平均温度 3.平均摩尔质量计算塔顶:由XD=Y1=0.3735 查平衡线 进料板： 塔底：由 得精馏段平均摩尔质量 提馏段平均摩尔质量4.平均密度计算a由理想气体状态方程计算， 精馏段气体平均密度 提馏段气体平均密度b液相平均密度计算 塔顶：由 得表1：表1 不同温度下马来酸酐和马来酸二乙酯的密度温度 80 100 120 140马来酸酐密度 1287 1263 1238 1213马来酸二乙酯 1.008 0.983 0.957 0.931由内插法得 进料板：由 由内插法得 塔底：由 由内插法得 精馏段液相平均密度为： 提馏段液相平均密度为： 精馏塔的塔体工艺尺寸计算（1）塔径的计算A.精馏段塔径按第1块板的数据近似计算 液相质量流量为： 气相质量流量为： 流动参数为： 查图4-6得 安全系数0.6 B、提馏段塔径计算 液相质量流量： 气相质量流量： 流动参数为： 查图4-6得安全系数0.6 比较取圆整值 （2）液体喷淋密度及空塔气速核算（D以圆整后为准）精馏段液体喷淋密度为： 空塔气速为： 提馏段液体喷淋密度为： 空塔气速： 填料层高度计算 采用理论板当量高度法 选500Y金属孔板纹填料，查附录，每米填料理论板数为44.5块设计取精馏段填料层高度为，提馏段填料层高度为，总填料根据式，取填料层的分段高度为 故精馏段不需分段，提馏段也不需分段。 填料层压降计算对500Y金属孔板纹查的每米填料层压降为：精馏段填料层压降为： 提馏段填料层压降为： ： 填料层总压降为： 结 束 语本文主要介绍了马来酸二乙酯制备的工业生产中填料精馏塔的工艺设计和选型，这是一个工艺，具有广阔的市场前景及发展趋势。但是在设计的整个过程中仍存在很多不足之处，由于时间仓促，手头查到的资料欠缺再加上经验贫乏，为了简化计算，在物料衡算过程中，做了一些忽略了。还有计算时有的数据取的是经验值和估计值，因而计算出的结果和实际有些偏差，仍需要进一步改进。参考文献1 章思规.精细有机化学品技术手册M.北京:科学出版社,1991.543.2 章思规,辛忠.精细有机化工制备手册M.北京:科学技术文献出版社, 1994.633.3 陈新志,蔡振云. 化工热力学M . 北京: 化学工业出版社, 2011年.4 姚玉英.化工原理下册M.天津:天津大学出版社,1999.5 贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计M.天津:天津大学出版社,2002.6 夏清,陈常贵.化工原理（下）,天津大学出版社,2005年.7 刘光启,马连湘.化学化工物性数据手册有机卷M.化学工业出版社,2002年.8 马沛生.有机化合物实验物性数据手册M.化学工业出版社,2006年.谢 辞本次毕业设计是在我的指导老师陈虎魁的悉心指导下完成的。在完成本次设计期间，我遇到了好多问题，陈老师给了我很大的帮助。陈老师严谨的治学态度、求实的工作作风、平易近人的待人风格，都耳濡目染着自己。尽管我们接触的时间不算很长，但陈老师在我学习上的具体指导对我科研技能及业务能力的提高有着深远的影响。在此，我向陈老师表示衷心的感谢！最后我的设计能完成，对所有曾经在工作和学习过程中给我提供过帮助的老师和同学表示最真诚的感谢！20