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年產(chǎn)500噸馬來(lái)酸二乙酯車(chē)間工藝設(shè)計(jì) ——填料精餾塔的設(shè)計(jì) 摘 要：順丁烯二酸二乙酯是一種重要的精細(xì)化工中間體，是用于生產(chǎn)有機(jī)磷農(nóng)藥馬拉硫磷的重要物質(zhì)，也是合成高分子化合物的單體。本文主要介紹了年產(chǎn)500噸順丁烯二酸二乙酯車(chē)間工藝中分離苯、乙醇共沸物和順丁烯二酸二乙酯精餾塔的具體設(shè)計(jì)。根據(jù)物料衡算確定了填料精餾塔的工藝參數(shù)及塔體類(lèi)型，得到純度較大的順丁烯二酸二乙酯。 關(guān)鍵詞：苯；順丁烯二酸二乙酯；填料精餾塔；相對(duì)揮發(fā)度 Process design of worshop with annual output of 500 tons of maleic acid diethyl ester —The design of packing distillation column Abstract: Maleic acid diethyl ester is an important fine chemical intermediates, it is important for material production of organic phosphorus pesticide malathion, and it is also the synthesis of macromolecule. This paper mainly introduces the design of packing distillation column process for an annual output of 500 tons of concrete along the separation of benzene, ethanol azeotrope and maleic acid ethyl ester. According to material balance, the types of process parameters of packed distillation tower and tower body were determined. Key words: benzene; diethyl maleate; packed column; relative volatility degree. 目 錄 摘 要 1 Abstract 1 1. 概述 2 1.1 馬來(lái)酸二乙酯的性狀及應(yīng)用 2 1.1.1 馬來(lái)酸二乙酯的性狀 2 1.1.2 馬來(lái)酸二乙酯的應(yīng)用 2 1.2 馬來(lái)酸二乙酯的危險(xiǎn)性概述 2 1.3 馬來(lái)酸二乙酯的消防措施 3 1.4 馬來(lái)酸二乙酯的儲(chǔ)存 3 1.5 馬來(lái)酸二乙酯的操作注意事項(xiàng) 3 1.6 馬來(lái)酸二乙酯的應(yīng)急處理 4 1.7 運(yùn)輸注意事項(xiàng) 4 1.8 國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求 4 2. 馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)工藝介紹 5 2.1 馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)方法 5 2.1.1 硫酸催化酯化法 5 2.1.2 離子交換法 6 2.2 馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)工藝選擇 6 3. 生產(chǎn)工藝 6 3.1 工藝流程圖 6 3.2 反應(yīng)流程 7 4. 精餾概述和填料概述 8 4.1 填料精餾塔設(shè)計(jì)的依據(jù)及其發(fā)展?fàn)顩r 8 4.2 塔填料的類(lèi)型、材質(zhì)及選擇 8 4.2.1 填料的類(lèi)型 9 4.2.2 填料材質(zhì)的類(lèi)型 9 4.2.3 填料塔的選擇 10 5. 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)條件 10 5.1 要求 10 5.2 條件 10 5.3 設(shè)計(jì)任務(wù) 11 5.3.1 精餾塔的物料衡算 11 5.3.2 塔板數(shù)的確定 11 5.3.3 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 11 5.3.4 填料層壓降的計(jì)算 11 5.3.5 繪制生產(chǎn)工藝流程圖，繪制精餾塔設(shè)計(jì)圖 11 6. 精餾塔底物料衡算 11 6.1 馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)產(chǎn)量 11 6.2 各原料加入量及工藝各部分損耗 11 6.3 精餾塔Ⅰ計(jì)算數(shù)據(jù) 12 6.4 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 12 6.5 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 13 6.6 物料衡算 13 6.7 精餾塔的模擬計(jì)算 13 6.7.1 q=1進(jìn)料 14 6.7.2 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 14 6.7.3 操作線(xiàn)方程 14 6.7.4 逐板計(jì)算法 14 6.8 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 16 6.8.1 操作溫度計(jì)算 16 6.8.2 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 16 6.8.3 平均密度計(jì)算 17 7.精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 18 7.1 塔徑的計(jì)算 18 7.1.1 精餾段塔徑按第1塊板的數(shù)據(jù)近似計(jì)算 18 7.1.2 提餾段塔徑計(jì)算 19 7.2 液體噴淋密度及空塔氣速核算（D以圓整后為準(zhǔn)） 19 7.3 填料層高度計(jì)算 20 7.4 填料層壓降計(jì)算 21 結(jié) 束 語(yǔ) 22 參考文獻(xiàn) 23 謝 辭 24 XX大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 題　　目 年產(chǎn)500噸馬來(lái)酸二乙酯車(chē)間工藝設(shè)計(jì) ——填料精餾塔的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名　 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)　 化學(xué)工程與工藝 指導(dǎo)教師　 20xx 年 5 月 26 日 目 錄 摘 要 1 Abstract 1 1. 概述 2 1.1 馬來(lái)酸二乙酯的性狀及應(yīng)用 2 1.1.1 馬來(lái)酸二乙酯的性狀 2 1.1.2 馬來(lái)酸二乙酯的應(yīng)用 2 1.2 馬來(lái)酸二乙酯的危險(xiǎn)性概述 2 1.3 馬來(lái)酸二乙酯的消防措施 3 1.4 馬來(lái)酸二乙酯的儲(chǔ)存 3 1.5 馬來(lái)酸二乙酯的操作注意事項(xiàng) 3 1.6 馬來(lái)酸二乙酯的應(yīng)急處理 4 1.7 運(yùn)輸注意事項(xiàng) 4 1.8 國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求 4 2. 馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)工藝介紹 5 2.1 馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)方法 5 2.1.1 硫酸催化酯化法 5 2.1.2 離子交換法 6 2.2 馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)工藝選擇 6 3. 生產(chǎn)工藝 6 3.1 工藝流程圖 6 3.2 反應(yīng)流程 7 4. 精餾概述和填料概述 8 4.1 填料精餾塔設(shè)計(jì)的依據(jù)及其發(fā)展?fàn)顩r 8 4.2 塔填料的類(lèi)型、材質(zhì)及選擇 8 4.2.1 填料的類(lèi)型 9 4.2.2 填料材質(zhì)的類(lèi)型 9 4.2.3 填料塔的選擇 10 5. 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)條件 10 5.1 要求 10 5.2 條件 10 5.3 設(shè)計(jì)任務(wù) 11 5.3.1 精餾塔的物料衡算 11 5.3.2 塔板數(shù)的確定 11 5.3.3 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 11 5.3.4 填料層壓降的計(jì)算 11 5.3.5 繪制生產(chǎn)工藝流程圖，繪制精餾塔設(shè)計(jì)圖 11 6. 精餾塔底物料衡算 11 6.1 馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)產(chǎn)量 11 6.2 各原料加入量及工藝各部分損耗 11 6.3 精餾塔Ⅰ計(jì)算數(shù)據(jù) 12 6.4 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 12 6.5 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 13 6.6 物料衡算 13 6.7 精餾塔的模擬計(jì)算 13 6.7.1 q=1進(jìn)料 14 6.7.2 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 14 6.7.3 操作線(xiàn)方程 14 6.7.4 逐板計(jì)算法 14 6.8 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 16 6.8.1 操作溫度計(jì)算 16 6.8.2 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 16 6.8.3 平均密度計(jì)算 17 7.精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 18 7.1 塔徑的計(jì)算 18 7.1.1 精餾段塔徑按第1塊板的數(shù)據(jù)近似計(jì)算 18 7.1.2 提餾段塔徑計(jì)算 19 7.2 液體噴淋密度及空塔氣速核算（D以圓整后為準(zhǔn)） 19 7.3 填料層高度計(jì)算 20 7.4 填料層壓降計(jì)算 21 結(jié) 束 語(yǔ) 22 參考文獻(xiàn) 23 謝 辭 24 年產(chǎn)500噸馬來(lái)酸二乙酯車(chē)間工藝設(shè)計(jì) ——填料精餾塔的設(shè)計(jì) 摘 要：順丁烯二酸二乙酯是一種重要的精細(xì)化工中間體，是用于生產(chǎn)有機(jī)磷農(nóng)藥馬拉硫磷的重要物質(zhì)，也是合成高分子化合物的單體。本文主要介紹了年產(chǎn)500噸順丁烯二酸二乙酯車(chē)間工藝中分離苯、乙醇共沸物和順丁烯二酸二乙酯精餾塔的具體設(shè)計(jì)。根據(jù)物料衡算確定了填料精餾塔的工藝參數(shù)及塔體類(lèi)型，得到純度較大的順丁烯二酸二乙酯。 關(guān)鍵詞：苯；順丁烯二酸二乙酯；填料精餾塔；相對(duì)揮發(fā)度 Process design of worshop with annual output of 500 tons of maleic acid diethyl ester —The design of packing distillation column Abstract: Maleic acid diethyl ester is an important fine chemical intermediates, it is important for material production of organic phosphorus pesticide malathion, and it is also the synthesis of macromolecule. This paper mainly introduces the design of packing distillation column process for an annual output of 500 tons of concrete along the separation of benzene, ethanol azeotrope and maleic acid ethyl ester. According to material balance, the types of process parameters of packed distillation tower and tower body were determined. Key words: benzene; diethyl maleate; packed column; relative volatility degree. 1. 概述 1.1 馬來(lái)酸二乙酯的性狀及應(yīng)用 1.1.1 馬來(lái)酸二乙酯的性狀 馬來(lái)酸二乙酯又名順丁烯二酸二乙酯、失水蘋(píng)果酸二乙酯、失水蘋(píng)果酸乙酯，英文名 Diethyl maleate，化學(xué)式為，分子量為172.18。結(jié)構(gòu)式為： 馬來(lái)酸二乙酯為無(wú)色透明液體，常溫常壓下穩(wěn)定。微溶于水，溶于醇、醚、烴等有機(jī)溶劑，在堿性溶液中易水解[1]。30℃時(shí)在水中溶解1.4％；水在馬來(lái)酸二乙酯中溶解1.9％，與88.2％的水形成共沸混合物，共沸點(diǎn)99.65℃。 熔點(diǎn)（℃）：-11.5， 沸點(diǎn)（℃）：225.0， 相對(duì)密度（水=1）：1.0687（20℃），相對(duì)蒸氣密度（空氣=1）：5.93，飽和蒸汽壓（kPa）：0.133（57.3℃），酸堿度（PH值）：1，折光率：1.4415，粘度（mPa·s，25℃）：3.14，蒸發(fā)熱（kJ/mol）：52.3，蒸汽壓（kPa，30℃）：0.30。 1.1.2 馬來(lái)酸二乙酯的應(yīng)用 馬來(lái)酸二乙酯主要用于生產(chǎn)有機(jī)磷農(nóng)藥馬拉硫磷，是合成高分子化合物的單體，用作醫(yī)藥、香料、水質(zhì)穩(wěn)定劑等的中間體，還作為溶劑，殺蟲(chóng)劑，高聚物單體，塑料助劑等。 1.2 馬來(lái)酸二乙酯的危險(xiǎn)性概述 侵入途徑：吸入、食入、經(jīng)皮膚吸收。 健康危害：該品粉塵和蒸氣具有刺激性。吸入后可引起咽炎、喉炎和支氣管炎，可伴有腹痛。眼睛和皮膚直接接觸有明顯刺激作用，并引起灼傷。慢性影響：慢性結(jié)膜炎、鼻粘膜潰瘍和炎癥。有致敏性，可引起皮疹和哮喘。 對(duì)眼睛、皮膚、粘膜有一定的刺激作用。 環(huán)境危害：該物質(zhì)對(duì)環(huán)境有害，建議不要讓其進(jìn)入環(huán)境，應(yīng)特別注意對(duì)水體的污染。 燃爆危險(xiǎn)：其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱極易燃燒爆炸，有腐蝕性。與氧化劑能發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，引起燃燒或爆炸。若遇高熱，可發(fā)生聚合反應(yīng)，放出大量熱量而引起容器破裂和爆炸事故。蒸氣比空氣重，沿地面擴(kuò)散并易積存于低洼處，遇火源會(huì)著火回燃。 1.3 馬來(lái)酸二乙酯的消防措施 有害燃燒產(chǎn)物：一氧化碳、二氧化碳。 滅火方法：盡可能將容器從火場(chǎng)移至空曠處。噴水保持火場(chǎng)容器冷卻，直至滅火結(jié)束。處在火場(chǎng)中的容器若已變色或從安全泄壓裝置中產(chǎn)生聲音，必須馬上撤離。 滅火劑：霧狀水、泡沫、二氧化碳、干粉、沙土滅火。 滅火注意事項(xiàng)及措施：消防人員須佩戴防毒面具、穿全身消防服，在上風(fēng)向滅火，盡可能將容器從火場(chǎng)移至空曠處，噴水保持火場(chǎng)容器冷卻，直至滅火結(jié)束，處在火場(chǎng)中的容器若已變色或從安全泄壓裝置中產(chǎn)生聲音，必須馬上撤離；注意用火滅火無(wú)效。 1.4 馬來(lái)酸二乙酯的儲(chǔ)存 儲(chǔ)存在陰涼干燥通風(fēng)的地方，遠(yuǎn)離火種、熱源。防止陽(yáng)光直射。需保持容器密封。應(yīng)與氧化劑、還原劑、酸類(lèi)、堿類(lèi)分開(kāi)存放，切勿混儲(chǔ)。配備相應(yīng)品種和數(shù)量的消防器材。儲(chǔ)區(qū)應(yīng)備有泄漏應(yīng)急處理設(shè)備和合適的收容材料。 1.5 馬來(lái)酸二乙酯的操作注意事項(xiàng) 密閉操作，提供充分的局部排風(fēng)；操作人員必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程；建議操作人員佩戴頭罩型電動(dòng)送風(fēng)過(guò)濾式防塵呼吸器，穿膠布防毒衣，帶橡膠手套；遠(yuǎn)離火種、熱源，工作場(chǎng)所嚴(yán)禁吸煙。使用防爆型的通風(fēng)系統(tǒng)和設(shè)備；避免產(chǎn)生粉塵。避免與氧化劑、酸類(lèi)接觸；搬運(yùn)時(shí)要輕裝輕卸，防止包裝及容器損壞；配備相應(yīng)品種數(shù)量的消防器材及泄漏應(yīng)急處理設(shè)備；倒空的容器可能殘留有害物。 1.6 馬來(lái)酸二乙酯的應(yīng)急處理 迅速撤離泄露污染區(qū)人員至安全區(qū)，并進(jìn)行隔離，嚴(yán)格限制出入。切斷火源。周?chē)O(shè)警告標(biāo)志，建議應(yīng)急處理人員戴好防毒面具，穿化學(xué)防護(hù)服。不要直接接觸泄漏物，盡可能切斷泄漏源，防止流入下水道、排洪溝等限制性空間。小量泄漏：用沙土、蛭石或其它惰性材料吸收。大量泄漏，構(gòu)筑圍堤或挖坑收容，用泵轉(zhuǎn)移至槽車(chē)或?qū)Ｓ檬占鲀?nèi)，回收或運(yùn)至廢物處理場(chǎng)所處理。 呼吸系統(tǒng)防護(hù)：空氣中濃度超標(biāo)時(shí)，應(yīng)該佩帶防毒口罩。 眼睛防護(hù)：戴安全防護(hù)眼鏡。 防護(hù)服：穿工作服（防腐材料制作）。 手防護(hù)：帶橡皮手套。 其他：工作后，淋浴更衣，注意個(gè)人清潔衛(wèi)生。 皮膚接觸：脫去污染的衣著，立即用水沖洗至少15分鐘。若有灼傷，就醫(yī)治療。 眼鏡接觸：立即提起眼瞼，用流動(dòng)清水或生理鹽水沖洗至少15分鐘。 吸入：迅速脫離現(xiàn)場(chǎng)至空氣新鮮處，保持呼吸道暢通，必要時(shí)進(jìn)行人工呼吸或就醫(yī)。 食入：誤食者立即漱口，給飲牛奶或蛋清或就醫(yī)。 1.7 運(yùn)輸注意事項(xiàng) 運(yùn)輸前應(yīng)先檢查包裝容器是否完整、密封，運(yùn)輸過(guò)程中要確保容器不泄露、不倒塌、不墜落、不損壞。嚴(yán)禁與氧化劑、還原劑、酸類(lèi)、堿類(lèi)等混裝混運(yùn)。船運(yùn)時(shí)，應(yīng)與機(jī)艙、電源、火源等部位隔離。公路運(yùn)輸時(shí)要按規(guī)定路線(xiàn)行駛。 1.8 國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求 順丁烯二酸二乙酯是一種重要的精細(xì)化工中間體，是用于生產(chǎn)有機(jī)磷農(nóng)藥馬拉硫磷的重要物質(zhì)，也是合成高分子化合物的單體。在21世紀(jì)的今天，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)越來(lái)越受到重視，對(duì)有機(jī)農(nóng)藥的品種及數(shù)量需求也有一定幅度的增長(zhǎng)，因此順丁烯二酸二乙酯的需求也會(huì)相應(yīng)增加，市場(chǎng)前景相當(dāng)樂(lè)觀。 2. 馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)工藝介紹 2.1 馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)方法 馬來(lái)酸二乙酯由順丁烯二酸酐和乙醇在硫酸存在下酯化制得;也可用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂為催化劑進(jìn)行交換轉(zhuǎn)化而得。工業(yè)品順丁烯二酸二乙酯含量≥98%，每噸產(chǎn)品消耗順丁烯二酸酐(95%)585kg，乙醇(95%)604kg。馬來(lái)酸二乙酯的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是用濃硫酸做催化劑，馬來(lái)酸酐和乙醇酯化反應(yīng)合成。 2.1.1 硫酸催化酯化法 本工藝分有苯正壓操作和無(wú)苯負(fù)壓操作[2]。 有苯正壓操作 工藝過(guò)程為，將一定量的苯和乙醇加入酯化鍋，投入順丁烯二酸酐在攪拌的情況下，向酯化鍋滴加濃硫酸，加料后，將溫度升至75℃左右，酯化反應(yīng)產(chǎn)生的水分與苯、乙醇形成三元共沸物上升到蒸餾塔，塔頂溫度保持在65℃左右，共沸物由塔頂進(jìn)入冷凝器，被冷凝器冷卻到50℃左右流入分離器分層，分離器蛇管通入低溫水，使溫度降至25℃左右，此時(shí)上層液體含苯84.5%，水1%，乙醇14.5%，回流入反應(yīng)鍋內(nèi)繼續(xù)酯化蒸餾帶水，使可逆的酯化反應(yīng)進(jìn)行完全。分離器下層水進(jìn)一步處理，可回收苯和乙醇。當(dāng)塔頂溫度上升至68.2℃、分離器下層水液位不再上升時(shí)，表示反應(yīng)鍋內(nèi)水分已經(jīng)全部蒸出，酯化反應(yīng)已經(jīng)完成。此時(shí)蒸出的苯和乙醇二元共沸物，不再回流直接由分離器放入儲(chǔ)槽，經(jīng)干燥后，此苯、乙醇共沸物供酯化反應(yīng)配料使用。 無(wú)苯負(fù)壓操作 這是一種重要改進(jìn)。順丁烯二酸酐和乙醇在硫酸作用下酯化。借一定的真空和溫度將乙醇和反應(yīng)生成的水呈氣態(tài)帶出，然后通過(guò)分餾塔分離出乙醇回流酯化，使反應(yīng)趨向完全。這種操作方法能縮短反應(yīng)周期，提高收率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善操作環(huán)境，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠(chǎng)大都采用此法。 但考慮到經(jīng)濟(jì)效益，正壓比負(fù)壓更容易得到，所以采用有苯正壓操作。 2.1.2 離子交換法 順丁烯二酸酐和乙醇的酯化反應(yīng)在陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的作用下進(jìn)行。交換柱直徑400㎜、高4m，工作溫度為95±2℃。此法可以避免硫酸催化法正壓有苯操作工藝中的苯污染，但對(duì)反應(yīng)原料和設(shè)備要求提高，因?yàn)榻粨Q樹(shù)脂容易與高價(jià)金屬離子如鐵、鈣、鋁等進(jìn)行交換而失去催化活性，故反應(yīng)原料中應(yīng)不含這些金屬離子，反應(yīng)設(shè)備要求采用搪玻璃、不銹鋼材質(zhì)。 用粉末型苯乙烯-二乙烯苯強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂催化合成順丁烯二酸二乙酯，能取得提高產(chǎn)品質(zhì)量、簡(jiǎn)化工藝、避免游離酸腐蝕的效果。這種粉末樹(shù)脂是一種能顯示離子交換功能的高分子材料，在它交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子基體上以化學(xué)鍵結(jié)合著許多酸性或堿性基團(tuán)，能和一般低分子酸、堿一樣對(duì)某些有機(jī)化學(xué)反應(yīng)起催化作用，將苯乙烯-二乙烯苯強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂經(jīng)過(guò)10%氫氧化鈉及10%鹽酸交換浸泡后，洗至近中性，在烘箱110℃～120℃溫度下干燥，按順丁烯二酸酐重量的1%～20%加入反應(yīng)系統(tǒng)，乙醇過(guò)量0～5%，在50～100℃進(jìn)行酯化反應(yīng)。在反應(yīng)過(guò)程中，不斷蒸餾出乙醇-水共沸物帶出反應(yīng)生成的水分，在催化劑用量為10%時(shí)，完成酯化反應(yīng)所需時(shí)間為4～6h。然后將反應(yīng)物中的催化劑粉末樹(shù)脂過(guò)濾分離，就可獲得純度較高的產(chǎn)品，粉末樹(shù)脂經(jīng)活化后繼續(xù)使用。 2.2 馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)工藝選擇 傳統(tǒng)方法成熟，產(chǎn)率穩(wěn)定。對(duì)設(shè)備的要求比較低，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)比較高且催化劑在液相中具有良好的催化活性。所以馬來(lái)酸二乙酯生產(chǎn)工藝是用濃硫酸做催化劑，馬來(lái)酸酐和乙醇酯化反應(yīng)合成。 3. 生產(chǎn)工藝 3.1 工藝流程圖[3] 中 和 過(guò) 濾 精 餾 精 餾 反 應(yīng) 釜 脫 色 冷 凝 冷 凝 馬來(lái)酸酐 濃硫酸 乙醇 乙醇、苯 活性炭 碳酸鈉 馬來(lái)酸二乙酯 3.2 反應(yīng)流程 本設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝用濃硫酸做催化劑，馬來(lái)酸酐和乙醇反應(yīng)合成。雖然，以馬來(lái)酸酐、乙醇、濃硫酸為原料經(jīng)過(guò)酯化制得馬來(lái)酸二乙酯這一工藝路線(xiàn)有很多缺陷，但是它還是目前比較成熟的工藝方法[4]。所以本文工藝設(shè)計(jì)所選擇的方法也是以馬來(lái)酸酐、乙醇、濃硫酸為原料經(jīng)過(guò)酯化制備。 反應(yīng)方程式 酯化反應(yīng)完全后混合物用碳酸鈉中和。 酯化反應(yīng)是一個(gè)典型的可逆反應(yīng)。馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)主要依靠如何優(yōu)化反應(yīng)而提高生產(chǎn)效率。常有以下方法： （1）將反應(yīng)原料中任何一種過(guò)量，使平衡盡量向右移動(dòng)。 （2）將反應(yīng)中生成的水或酯及時(shí)從系統(tǒng)中除去，促使酯化反應(yīng)完全。生產(chǎn)中常以過(guò)量的醇做溶劑與水形成共沸作用，且這種共沸溶劑可以在生產(chǎn)過(guò)程中循環(huán)使用. 在本生產(chǎn)中，由于馬來(lái)酸酐價(jià)格較貴，考慮到生產(chǎn)成本，采用乙醇過(guò)量。以濃硫酸做催化劑，苯做帶水劑，來(lái)促進(jìn)酯化反應(yīng)完全。 我在本次設(shè)計(jì)中，擔(dān)任分離苯、乙醇共沸物和馬來(lái)酸二乙酯的填料精餾塔的設(shè)計(jì)。以下是對(duì)精餾塔的選擇、設(shè)計(jì)。 4. 精餾概述和填料概述 4.1 填料精餾塔設(shè)計(jì)的依據(jù)及其發(fā)展?fàn)顩r 混合物的分離是化工生產(chǎn)中的重要過(guò)程。蒸餾是分離液體混合物的典型單元操作。它是通過(guò)加熱造成氣液兩相物系，利用物系中各組分的揮發(fā)度不同的特性以實(shí)現(xiàn)分離目的。精餾是多級(jí)分離過(guò)程，即同時(shí)進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝的過(guò)程，因此可使混合液得到幾乎完全得分離。精餾可視為有多次蒸餾變來(lái)得。不管用何種操作方式，混合液組分間揮發(fā)度差異是蒸餾分離的前提和依據(jù)[5]。填料塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓降小，填料易用耐腐蝕材料制造。過(guò)去，由于填料本體及塔內(nèi)構(gòu)件不夠完善，填料塔大多局限于處理腐蝕性介質(zhì)或不適宜安裝塔板的小直徑塔。近年來(lái)，由于填料結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和新型高效、高負(fù)荷填料的開(kāi)發(fā)，既提高了塔的通過(guò)能力和分離效率，又保持了壓力降小及性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此，填料塔已經(jīng)被推廣到許多大型氣液傳質(zhì)的操作中。 填料精餾塔為連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)量設(shè)備。自它發(fā)明以來(lái)，已廣泛地應(yīng)用于化工生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。填料塔不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且阻力小，便于用耐腐蝕材料制造。對(duì)于直徑較小的塔，處理有腐蝕性的物料或要求壓降較小的真空餾塔系統(tǒng)和容易產(chǎn)生泡沫的物料，填料塔都具有明顯而獨(dú)特的優(yōu)越性。近二十年來(lái)，規(guī)整填料塔對(duì)板式塔、散裝填料以及其它多種塔設(shè)備產(chǎn)生了巨大的沖擊，在國(guó)內(nèi)外引起眾多研究者的極大興趣。在近幾年的文獻(xiàn)中，國(guó)外有大量規(guī)整填料的研究報(bào)道。它因其高通量、低壓降、操作穩(wěn)定而廣泛地用于氣—液，液—液接觸的塔設(shè)備中。如蒸餾、吸收、萃取等諸多領(lǐng)域，特別是在氣液接觸中，已越來(lái)越多地被采用，如已有設(shè)備通過(guò)塔負(fù)荷的目的。但是，國(guó)內(nèi)在這方面的研究則較少。因此如何設(shè)計(jì)規(guī)整填料蒸餾塔已成為一個(gè)重要的研究課題。 填料精餾塔的設(shè)計(jì)內(nèi)容有：（1）填料和塔內(nèi)件類(lèi)型的選擇；（2）填料徑流塔的工藝尺寸的計(jì)算，包括塔高、塔徑、液體噴林密度塔氣速的計(jì)算等。 4.2 塔填料的類(lèi)型、材質(zhì)及選擇 在填料塔中，氣液兩相間的傳質(zhì)過(guò)程只要是在填料表面上進(jìn)行的，故填料的選擇是填料塔設(shè)計(jì)的一個(gè)核心，它直接關(guān)系著塔的分離性能。 4.2.1 填料的類(lèi)型 填料塔按其單元結(jié)構(gòu)與在塔內(nèi)裝填方式的不同分為散堆（或顆粒）型填料和規(guī)整（或整砌）型填料兩類(lèi)[6]。對(duì)于每種類(lèi)型的填料，基于減少壓降、增大比表面積、增加流體的流動(dòng)、改善液體的分散和匯聚特性增加表面對(duì)工藝流體的潤(rùn)濕性能以滿(mǎn)足傳質(zhì)分離過(guò)程的要處理能力大，比表面積大。其缺點(diǎn)是不適合處理黏度大，易聚合或有懸浮物的物料求，從而又形成各自的發(fā)展列。 規(guī)整填料是按一定的幾何圖形排列整齊堆砌的填料。根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。散堆型填料是單元成型，散裝于塔內(nèi)的顆粒狀填料。按其基本構(gòu)形可劃分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料和球形填料等四個(gè)系列。工業(yè)上應(yīng)用的絕大部分是規(guī)整填料中的波紋填料。波紋填料按結(jié)構(gòu)分為網(wǎng)波紋填料和板波形填料。 波紋填料是由若干波紋平行且垂直排列的波紋片組成的盤(pán)狀規(guī)整填料。盤(pán)高通常為40—200mm，波紋片上的波紋方向與塔軸傾角為30°或45°，相鄰兩片波紋方向相反。在塔內(nèi)安裝時(shí)，盤(pán)間波紋片成90°交錯(cuò)，盤(pán)外徑略小于塔內(nèi)徑。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊，阻力小，傳質(zhì)效率高，且裝卸、清理困難，造價(jià)高。 4.2.2 填料材質(zhì)的類(lèi)型 金屬填料可用多種材質(zhì)制成。金屬材質(zhì)的選擇主要根據(jù)物系的腐蝕性和金屬材質(zhì)的耐腐蝕性來(lái)綜合考慮。碳鋼填料造價(jià)低，且具有良好的表面潤(rùn)濕性能，對(duì)于無(wú)腐蝕或低腐蝕物系應(yīng)優(yōu)先考慮使用；不銹鋼填料耐腐蝕性強(qiáng)，一般能耐除Cl以外常見(jiàn)物系的腐蝕，但其造價(jià)較高；鈦材，特種合金鋼等材質(zhì)制成的填料造價(jià)極高，一般只在某些腐蝕性極強(qiáng)的物系下使用[7]。 金屬填料可制成薄壁結(jié)構(gòu)（0.2mm～0.1mm），與同種類(lèi)型，同種規(guī)格的陶瓷、塑料填料相比，它的通量大，氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強(qiáng)度下使用，工業(yè)應(yīng)用主要以金屬填料為主。 4.2.3 填料塔的選擇 目前，金屬絲網(wǎng)的波紋填料是世界各國(guó)應(yīng)用最廣泛的高效規(guī)整填料[8]，其主要優(yōu)點(diǎn)有： （1）理論板數(shù)高； （2）低負(fù)荷性能好，理論板數(shù)隨氣體負(fù)荷的降低而增加，幾乎沒(méi)有負(fù)荷的極限； （3）操作彈性大； （4）放大效應(yīng)不明顯； （5）能夠滿(mǎn)足精密大型高真空精餾裝置的要求。為難分離物系、熱敏性物質(zhì)及高純度產(chǎn)品的精餾分離提供了有利的條件。 根據(jù)本次設(shè)計(jì)年產(chǎn)500噸馬來(lái)酸二乙酯和苯與乙醇共沸物的精餾分離任務(wù)及分離物相關(guān)物性和填料的有關(guān)物性參數(shù)，選擇500Y金屬孔板波紋填料作為此精餾塔設(shè)計(jì)的填料。 5. 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)條件 5.1 要求 設(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)精餾裝置要求分離苯、乙醇和順丁烯二酸二乙酯的混合物，要求釜?dú)堃褐许樁∠┒岫阴サ幕厥章蕿?8%，餾出液中順丁烯二酸二乙酯含量不高于2%。由同組其他設(shè)計(jì)人提供的數(shù)據(jù)可知，從過(guò)濾器中出來(lái)的苯為96.23㎏，順丁烯二酸二乙酯為71.5922㎏，乙醇為10.0732㎏。因在常壓下，苯的沸點(diǎn)為80.1oC，乙醇的沸點(diǎn)為78.3oC，而且苯可與乙醇形成共沸物，共沸物沸點(diǎn)為68.3oC[9]，所以采取常壓精餾。在輕組分中，乙醇沸點(diǎn)低，較易全部從塔頂出去，故全塔物料衡算主要用苯和順丁烯二酸二乙酯的數(shù)據(jù)計(jì)算。 5.2 條件 設(shè)計(jì)采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔中。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)。塔底物料送至下一級(jí)精餾塔中，以便進(jìn)一步除雜純化，得到純度為98%的順丁烯二酸二乙酯。 5.3 設(shè)計(jì)任務(wù) 5.3.1 精餾塔的物料衡算。 5.3.2 塔板數(shù)的確定。 5.3.3 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算。 5.3.4 填料層壓降的計(jì)算。 5.3.5 繪制生產(chǎn)工藝流程圖，繪制精餾塔設(shè)計(jì)圖。 6. 精餾塔底物料衡算 6.1 馬來(lái)酸二乙酯的生產(chǎn)產(chǎn)量 精餾塔Ⅱ塔頂馬來(lái)酸二乙酯的工作量的計(jì)算 年產(chǎn)500噸馬來(lái)酸二乙酯總工作日按300天，每天按24小時(shí)算： 精餾塔Ⅱ塔頂輸出純度為98%馬來(lái)酸二乙酯的量為：=68.0556kg/h 6.2 各原料加入量及工藝各部分損耗 A 設(shè)酯化操作、脫色中和操作、過(guò)濾操作分別損耗5%、1%、1%，精餾塔Ⅰ部分損耗2%，精餾塔Ⅱ部分損耗3%，最后得到的馬來(lái)酸二乙酯的純度為98%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。 B 酯化部分的收率為95%。 C H：1.0079，O：15.999，C：12.011。 D 乙醇的加入量為：乙醇的物質(zhì)的量比馬來(lái)酸酐的物質(zhì)的量為2.4。 催化劑濃的加入量為：濃的物質(zhì)的量比馬來(lái)酸酐的物質(zhì)的量為0.03。 帶水劑苯的加入量為：每mol馬來(lái)酸酐加入苯250ml，苯的密度為0.8786g/ml。 6.3 精餾塔Ⅰ計(jì)算數(shù)據(jù)： 乙醇的質(zhì)量：10.0732kg/h 馬來(lái)酸酐的質(zhì)量：2.147kg/h 苯的質(zhì)量：96.23kg/h 馬來(lái)酸二乙酯的質(zhì)量：71.5922kg/h 6.4 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 苯的摩爾質(zhì)量 =78.11kg/kmol,質(zhì)量為=96.23kg/h 馬來(lái)酸二乙酯的摩爾質(zhì)量 =172.18kg/kmol,質(zhì)量為=71.5922kg/h 塔頂?shù)谋?96.23×0.98=94.305kg/h 塔底的苯=96.23－94.305=1.925kg/h 塔底的馬來(lái)酸二乙酯=71.5922×0.98=70.1604kg/h 塔頂?shù)鸟R來(lái)酸二乙酯=71.5922－70.1604=1.4318kg/h 6.5 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 =0.748×78.11+(1－0.748)×172.18=101.82kg/kmol ==0.993×78.11+(1－0.993)×172.18=78.768kg/kmol =0.057×78.11+(1－0.057)×172.18=166.82kg/kmol 6.6 物料衡算 假設(shè)在酯化、脫色中和、過(guò)濾過(guò)程中損失率分別為5%、1%、1%，每年按300天工作日計(jì)算。 原料處理量 F= =1.65kmol/h 總物料衡算：F=D+W 苯的物料衡算： 1.65=D+W 1.65×0.748=0.993D+0.057W D=1.22kmol/h W=0.43kmol/h 6.7 精餾塔的模擬計(jì)算 120oC，101.3KPa下,苯與馬來(lái)酸二乙酯的相對(duì)揮發(fā)度α=3.6 依據(jù)安托尼公式(P---KPa,T---K) 苯的安托尼常數(shù)： A=6.06832 B=1236.034 C=－48.99 T=393.15K時(shí) P=11.9 依據(jù)安托尼公式(P---KPa，T---K) 馬來(lái)酸二乙酯的安托尼常數(shù)[10]： A=7.1159 B=2392.18 C=－30.693 T=393.15K時(shí) P=3.31 6.7.1 q=1進(jìn)料 最小回流比為： 取操作回流比為： 6.7.2 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 6.7.3 操作線(xiàn)方程 精餾段方程： 提餾段方程： 6.7.4 逐板計(jì)算法： 精餾段需5-1=4塊板 提餾段需6-1=5塊板 總理論板層數(shù)：=10 進(jìn)料板位置：=5 全塔效率取=0.5 所以，精餾段實(shí)際板層數(shù)N精=8塊，提餾段N提=10塊 6.8 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 6.8.1 操作溫度計(jì)算 由試差法可得： 塔頂溫度=81.4oC 進(jìn)料板溫度=91oC 精餾段平均溫度Tm==86.2oC 塔釜溫度=121oC 提餾段平均溫度Tm ==106oC 6.8.2 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 塔頂： 由 查平衡線(xiàn) 上升蒸汽 下降液體 進(jìn)料板： 由逐板計(jì)算得： =0.914×78.11+(1－0.914)×172.18 =86.2kg/kmol =0.748×78.11+(1－0.748)×172.18 =101.82kg/kmol 精餾段平均摩爾質(zhì)量 kg/kmol kg/kmol 6.8.3 平均密度計(jì)算 a由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即氣體平均密度 b 液相平均密度[11]計(jì)算 塔頂：由=81.4oC，利用試差法得 進(jìn)料板：由 =91oC,利用試差法得 精餾段液相平均密度為： 提餾 7.精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 7.1 塔徑的計(jì)算 7.1.1 精餾段塔徑按第1塊板的數(shù)據(jù)近似計(jì)算 液相質(zhì)量流量為： 氣相質(zhì)量流量為： 流動(dòng)參數(shù)為： 查圖5-22得 由得 7.1.2 提餾段塔徑計(jì)算 液相質(zhì)量流量： 氣相質(zhì)量流量： 流動(dòng)參數(shù)為： 查圖5-22得 比較取圓整值 D=200mm 7.2 液體噴淋密度及空塔氣速核算（D以圓整后為準(zhǔn)） 精餾段液體噴淋密度為： 精餾段空塔氣速為： 提餾段液體噴淋密度為： 提餾段空塔氣速為： 7.3 填料層高度計(jì)算 填料層高度計(jì)算采用理論板當(dāng)量高度法。 選500Y金屬孔板紋填料，查附錄六得，每米填料理論板數(shù)為4～4.5塊 取 則 由,精餾段填料層高度為： 考慮安全系數(shù)，校正得 提餾段填料層高度為： 考慮安全系數(shù)，校正得 設(shè)計(jì)取精餾段填料層高度為2.5m，提餾段填料層高度為3.125m，總填料5.625m 7.4 填料層壓降計(jì)算 對(duì)500Y金屬孔板波紋填料，查得每米填料層壓降為 精餾段填料層壓降為： 提餾段填料層壓降為： 填料層總壓降為： 結(jié) 束 語(yǔ) 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我們組的課題是選用工藝較先進(jìn)的硫酸催化酯化法制取順丁烯二酸二乙酯的工藝，這是一個(gè)相當(dāng)成熟的工藝，具有廣闊的市場(chǎng)前景及發(fā)展趨勢(shì)。我在本次畢業(yè)課題中主要承擔(dān)分離苯和乙醇共沸物與順丁烯二酸二乙酯的工藝設(shè)計(jì)。由于時(shí)間倉(cāng)促，手頭查到的資料欠缺再加上經(jīng)驗(yàn)貧乏，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在物料衡算過(guò)程中，做了一些忽略。還有計(jì)算時(shí)有的數(shù)據(jù)取的是經(jīng)驗(yàn)值和估計(jì)值，因而計(jì)算出的結(jié)果和實(shí)際有些偏差，雖然我的論文作品已經(jīng)完成，但還不是很成熟，還有很多不足之處，仍需要進(jìn)一步改進(jìn)。希望在今后的論文設(shè)計(jì)中盡量減少計(jì)算誤差，在已有條件的基礎(chǔ)上能對(duì)論文做更縝密的設(shè)計(jì)。 25 參考文獻(xiàn) [1] 司航.有機(jī)化工原料（第三版）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1999,1. [2] 徐克勛.精細(xì)有機(jī)化工原料及中間體手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998. [3] 王志祥.制藥工程學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008,3. [4] 樊能廷.有機(jī)合成事典[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1995. [5] 姚玉英.化工原理下冊(cè)[M].天津:天津大學(xué)出版社,1999. [6] 賈紹義,柴誠(chéng)敬.化工原理課程設(shè)計(jì)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2002. [7] 賀匡國(guó).化工容器及設(shè)備簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002. [8] 駱廣生,朱慎林.規(guī)整填料精餾塔的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].化學(xué)工程,1995,23(4):28. [9] 劉光啟,馬連湘,劉杰.化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002. [10] 馬沛生.有機(jī)化合物實(shí)驗(yàn)物性數(shù)據(jù)手冊(cè)（含碳、氫、氧、鹵素部分）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006. [11] 劉光啟,馬連湘,劉杰,等.化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)（有機(jī)卷）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002. 謝 辭 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在我的指導(dǎo)老師陳虎魁教授的悉心指導(dǎo)下完成的。在本次的設(shè)計(jì)期間，陳老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實(shí)的工作作風(fēng)、平易近人的待人風(fēng)格，都耳濡目染著自己。盡管我們接觸的時(shí)間不算很長(zhǎng)，但陳老師在我學(xué)習(xí)上的具體指導(dǎo)對(duì)我科研技能及業(yè)務(wù)能力的提高有著深遠(yuǎn)的影響。在此，我向陳老師表示衷心的感謝！ 最后在設(shè)計(jì)即將完成之際，對(duì)所有曾經(jīng)在工作和學(xué)習(xí)過(guò)程中給我提供過(guò)幫助的老師和同學(xué)表示最真誠(chéng)的感謝！