精细化工课程设计10EO壬基酚聚氧乙烯醚.docx
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精细化工课程设计10EO壬基酚聚氧乙烯醚
前言
随着石油化工的发展,以石油化学品环氧乙烷、环氧丙烷的衍生物聚乙二醇,聚丙二醇及其相应的醇醚体系所形成的高分子表面活性剂得到迅速发展。
例如:
以环氧乙烷为基础的原料生产的聚氧乙烯型非离子表面活性剂,现在已经在表面活性剂中占有很大的比重。
表面活性剂工业是自五十年代末,随着石油化工的兴起而迅速发展的新兴产业,表面活性剂具有一系列独特的物理和化学性质。
它的应用特别广泛,从而是表面活性剂迅速的从工业助剂向精细化工产品方向发展。
聚氧乙烯型表面活性剂是以含有活泼氢原子的疏水性物质同环氧乙烷进行加成而得到的,脂肪醇聚氧乙烯醚对酸、碱及氧化剂都比较稳定,成本也比较低,硬脂酸聚氧乙烯酯在水中呈扩散状,具有良好的乳化、净洗效果。
在化妆品、药膏、膏体鞋油等产品中作乳化剂,兼有增稠作用。
在防止工业中,用于合成纤维整理的乳化剂和油剂,有柔软性和抗静电性。
做纸张淀粉图层中的增稠剂和稳定剂。
用于电缆管道中多路传输电线的润滑剂。
本产品工艺中以硬脂酸为链起始剂,以42%的K2CO3水溶液为催化剂在120—140℃,压力0.15—0.3MPA的条件下加入环氧乙烷与其进行环氧基化反应,生成脂肪酸聚氧乙烯醇的加成产品。
传统工艺中,由于采用间歇釜式搅拌器,产品质量较差,液相中溶解未反应的环氧化物,产品大量积累,随时有爆炸危险,且反应器顶部有大量未反应的环氧乙烷的汽相与搅拌器的机械转动相接触而产生静电,导致火灾,甚至爆炸。
另外,反应速度低,高温反应时间长所得AEO分布宽,产品色泽较深,副产物多。
本工艺采用意大利PRESS第三代工艺技术,克服了传统工艺中的缺陷,从而增加了反应的速度,产品质量也明显提高。
同时副产物也减少,产品生产适应性强,它是当今醇醚生产工艺中最理想的生产技术。
PRESS生产工艺路线具有以下优点:
1.PRESS工艺汽液接触式反应器,生产时间短,副产品少,分子量分布窄,产品色泽好。
2.PRESS工艺采用高效真空系统,使液相物料在雾化状态下脱水,脱水率高,减少副产品PEG的生成。
3.该工艺可以生产任何粘度低于0.5PAS的产品,可以广泛用来处理原料。
4.三废处理好,设有尾气处理系统,并新增设了一级酸洗塔,使含有EO的废气经处理后排入大气,减少污染。
5.PRESS的反应器没有机械转动部件,这就消除了釜式反应器因机械转动而产生的静电以及在填料函处环氧乙烷的泄漏,从而提高了装置的安全性。
第1章综述
1.1设计指导思想
(1)因地制宜,加快脂肪醇工程建设。
(2)引进与开创先进技术相结合。
要积极消化和吸收、开发、引进的乙氧基化技术,防止重复引进,尽快组织国内科研、设计部门自行研制,在已取得的成果基础上,尽快实现装置国有化。
(3)加强国内外技术交流,沟通信息,促进醇醚生产与应用技术更快地发展。
(4)对于易燃、易爆场所,设计采用可靠的方案检测,报警消防设施。
(5)三废处理要达到排放的标准。
(6)要积极扩大醇醚的应用市场。
(7)在加入WTO后,提高技术水平,提高商品在国际市场上的占有量。
1.2装置及其设计方案
装置中设有两套并列的反应装置。
中和单元,一套用于生产洗涤剂,一套用于生产工业助剂,从而适应醇醚产品的多系列、多品种的市场要求。
表1醇醚装置组成表
Table1theCompositionTableoftheAEODevice
序号
单元
名称
内容及功能
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
100
200
300
400
500
600
700
800
900
小试装置
反应中和单元1
反应中和单元2
废气处理
中间贮存
原料准备
产品包装
装卸车栈台
原料及产品罐区
控制室,配电室
进行EO缩合及中和反应
进行EO缩合及中和反应
处理生产过程中含EO的废弃
产品中间贮存酸碱配置洗涤水
化桶、倒桶、拆带融化
桶罐装、切片袋装
原料槽解冻,产品装槽车
原料及产品贮存,热水制备
生产控制及变配电
研究开发新产品
产品方案生产名称:
壬基酚聚氧乙烯醚生产能力:
30000吨/年(300天/年计)
日生产能力:
100吨/日每日批数:
10批批生产能力:
10000kg
1.3主要原材料规格
表2主要原材料规格
Table2PrimarilyOriginalMaterialSpecification
序号
名称
指标名称
规格
1
EO
外观
透明液体
气味
甜
色号(Pt—Co)
无
密度(0/14℃)
0.894~0.896
含量
99.5WT%min
水
0.05WT%max
CO2
0.0015T%max
酸度(乙酸)
0.0012T%max
醇(乙醇)
0.01WT%max
蒸发残渣
0.01G/100molmax
2
壬基酚
外观(20℃)
白色或微黄色颗粒
密度(80℃)
0.9408kg/l
水分值
0.2%max
羟值
197.2mgKOH/g
碘值
酸值
207±3mgKOH/gmax
熔点
71.5—72℃
皂化值
211mgKOH/gmax
3
NAOH
含量
45.0WT%
Na2CO3
0.30Wt%
Ni
0.040Wt%
Fe2CO3
0.003Wt%
颜色
待确定
4
工业醋酸
色号
<30Pt—Co
铁
1ppmmax
甲酸
0.5ppmmax
醛
0.1
醋酸
80Wt%max
蒸发残渣
0.03max
重金属
4ppmmax
比重(20—30℃)
1.070kg
水分
20%
APHA
10max
5
过氧化氢
含量
25%
游离酸(H2SO4)
0.6%
不挥发物含量
0.12
稳定度
95%
6
导热油
牌号
YD—300
外观
透明
比重
1.01
闪电(开杯0
130kmin
凝固点
—10kmax
酸值
0.02mgKOH/gmax
总硫
0.12Wt%
粘度(50℃)
56m2/S
毒性
馏程:
50%
低毒
25K/min
1.4产品规格
表3产品规格
Table3ProductSpecification
C17H35COO(CH2CH2)4H
期望值
保证值
外观(25℃)
乳白色固体
乳白色固体
水分
0.1
0.2%max
皂化值
75~85
75~85mgKOH/g
羟基重复值
±1
±2mgKOH/g
PH(1%水溶液)25℃
5.0—7.0
5.0—7.0
HLB
12—13
12—13
聚乙二醇
0.5
1
APHA
20
50max
1.5生产方法论述
工业上,EO缩合反应是在一定温度下(120—200℃)和压力(0.2—0.6MPa)以及催化剂存在在下进行的。
传统的生产方法时带搅拌的釜式反应器中进行的间歇操作。
埃索(ESSO)公司、壳牌(SHELL)公司和国内的生产方法都是如此。
液态环氧乙烷从反应釜下部通入,用搅拌器使其同链起始剂混合,由于反应物间的接触面积小,反应不均匀,在同一反映其中与链起始剂混合的分子数相差不大。
产品质量较差,副产物较多、反应时间长,反应不好控制反应热不易导出,反应器的生产能力受到限制,而且因溶解在反应物中的环氧乙烷含量大,它与搅拌器机械转动产生经典往往会产生火灾,甚至发生爆炸事故。
意大利PRESS公司的“汽液接触法”生产技术,彻底改变了传统的生产工艺,其反应器的设计具有生产能力大、反应速度快、产品质量好、生产安全等有点。
属于世界前列,其特点如下:
(1)提高了反应器的反应效率,(通常时釜式反应器的3—5倍)和生产能力。
同时由于起始剂与环氧乙烷的反应面积增加,使反应器速度快而均匀,在反应过程中反应分子有着基本相同的增长速度。
因此,最终产品醇醚的分子量分布较窄,副产物也明显减少。
由于反应速度快,生产周期短,制得的醇醚色泽好,无需进行脱色处理。
而且,批量之间有着良好的重复性,从而保证了产品质量。
(2)PRESS没有机械传动部件,这就消除了釜式反应器因机械传动部件转动而产生的经典以及在填料函处泄露EO,从而提高了装置安全性。
(3)PRESS反应器反应速度提高很快,因此,生产成本大幅下降,工程消耗亦低于传统方法。
工艺参数
【化学成分】壬基酚聚氧乙烯醚
【类型】非离子
【技术指标】
规格
外观(25℃)
色泽Pt—Co
皂化值
mgKOH/g
水数ml
水份(%)
PH值
(1%水溶液)
HLB值
SG—10
乳白色固体
≤40
75~85
—
≤1.0
5.0~7.0
12~13
设计基本要求
壬基酚(C18H36O2)±4EO,年产量24000吨,日产量(按300天计)80吨
每批10吨=10000kg,每天8批
链起始剂分子量Mst=284.48
最终产品分子量Mfp=284.48+4*44=460.48
1.7生产工艺流程叙述
100号单元和200号单元是两套并列的反应中和生产线,分别设置在两个独立的厂房内。
反应工序来自原料准备单元(500)或原料罐区(800)的链起使剂,通过质量流量计后进入反应收集器(R0102),链起始剂的数量根据产品的配方由DCS软件决定,达到规定数量时,送料泵停止,开关闭管线上的自动阀,液体催化剂氢氧化钠从催化剂计量罐(V102),用催化剂计量泵(P0103)加入气液反应器(R0101),催化剂的数量用计量罐液位减少的方法自动控制。
在达到配方规定数量时,由DCS软件自动停计量泵,链起始剂喝催化剂溶液中含有水分,反应也生成一些水分。
这些水分在反应器的循环和加热过程中通过真空脱出,真空系统是由反应真空泵(P0204)和蒸汽喷射泵(P0202)串联组成,吸入压力为1.33千帕(绝压)。
在链起始剂与EO反应前,反应器用氮气置换,被催化了的链起始剂在反应回路换热器(EO101/EO102)中被加热到反应开始温度120度。
在流量,温度,压力控制下向反应器R101通入EO开始反应,反应用导热油通过反应回路换热器(EO101/EO102)移出,导热油用导热油循环泵P0104通过导热油冷却器EO104用冷却水冷却。
反应器操作压力为400-500千帕,操作温度为120-185度,反应温度自动法控制,通过来自导热油加热器EO103得导热油冷却器EO104的冷却导热油的比率进行调节。
在EO加入量达到反应要求时,EO进料阀自动关闭,此时仍有少量EO存在气象以及溶于液相中,因此要保持物料循环,熟化一段时间,直到氧化物全部反应完。
反应结束后反应器中剩余气体首先排至废气处理单元,然后在真空下脱气直到循环产品冷却至120-140度,然后用反应循环泵(PG101/PG102)卸入中和器,管道中剩余的产品用氮气吹出,以上全部操作均由DCS软件自动控制。
第2章物料及热量衡算
2.1物料横算基准
说明:
壬基酚(C15H24O)+4EO,年产量24000吨,日产量(按300天计)80吨,每批10吨=10000kg,每天8批
链起始剂分子量Mst=220
最终产品分子量Mfp=220+10x44=660
每批起始剂的量Mst=Mst/Mfpx10000x220/660=3333.33kg
环氧乙烷EO的量:
MEO=Wst/Mstx10x44=3333.33/220x10x44=6666.67
故:
3333.33+6666.67=10000kg
催化剂的量:
NaOH
MNaOH=100x0.1%/42%=23.81kg
中和剂:
CH3COOH
10000x0.1%xMHAC/MNaOH/CHAC=10000x0.1%60/40/98%=15.31kg
2.2管道物料衡算及有关反应时间计算
2.2.1管线
(2)
由附录已知EO液体流速WEO=10000kg/h
EO最快加料时间:
τ=MEo/WEO=6666.67/10000=0.667h=40.02min
实际操作中管道内流体流速不能达到最大值
对加料时间进行取整:
τ、=45min
此时管线内质量流量为WEO、=MEO/τ=6666.67/45x60=8888.89kg/h
2.2.2管线(3)
已知链起始剂的质量流量WST=30000kg/h
起始剂剂最快加料时间:
τ=MST/WST=3333.33÷30000=0.111h=6.67min
对加料时间取整为:
τ、=8min
此时管内实际质量流量:
WST、=MST/τ、=3333.33/8⨯60=25000kg/h
2.2.3管线(5)、(7)、(8)
催化剂的质量流量860kg/h
其中:
58%水质量流量860⨯58%=498.80kg/h
42%NaoH质量流量860⨯42%=361.20kg/h
42%NaoH最快加料时间:
τ=MNaoH/WNaoH=23.81÷361.20=0.066h=3.95min
取整为τ、=5min
此时42%NaoH溶液在管中实际质量流量:
WNaoH=23.81÷5⨯60=285.72kg/h
催化剂在管道内实际质量流量
WNaoH、=WNaoH÷42%=285.72÷42%=680.29kg/h
因为:
以PD101为衡算范围,输入=输出
所以:
(7)、(8)号管线质量流量流速相等。
管线(5)中的催化剂NaoH的最大质量流量为2860kg/h
则经验系数:
α=2860/860=3.33
由《技术文件及装置操作手册》知,加料时间定为5min
则(5)中质量流量:
W=α⨯WNaoH、=3.33⨯680.29=2265.37kg/h
42%NaoH质量流量2265.37⨯42%=951.46kg/h
58%水质量流量2265.37⨯58%=1313.91kg/h
2.2.4管线(6)(9)(10)
管(9)中和剂的质量流速为:
600kg/h
其中:
98%CH3COOH质量流速:
98%⨯600=588kg/h
2%H2O质量流速:
2%⨯600=12kg/h
98%CH3COOH最快加料时间:
τ=MCH3COOH/WCH3COOH=15.31/588=0.026h
=1.56min
取整为τ、=5min
则此时98%CH3COOH的实际质量流量:
W、CH3COOH=15.31/5⨯60=183.72kg/h
其中:
98%CH3COOH流量183.72⨯98%=180.05kg/h
2%H2O流量183.72⨯2%=3.67kg/h
以中和计量泵为衡算范围:
输入=输出
所以(9(10)号管线质量流量相等
管(6)中合剂最大质量流量为2000kg/h
经验系数α=2000/600=3.33
由《技术文件及装备操作手册》知加料时间定为5min
则(6)中流量:
W=α⨯W、CH3COOH=3.33⨯183.72=611.79kg/h
98%CH3COOH的质量流量611.79⨯98%=599.55kg/h
2%H2O质量流量611.79⨯2%=12.24kg/h
2.2.5管线(11)、(12)、(13)
反应回路小循环泵Pc-103每次循环量为10000kg,每小时循环次数为6.5次每小时质量流量W=6.5⨯10000=65000kg/h。
流经管线(11)的物料通过反应循环泵Pc-103之后,流经管线(12),最后经反应换热器E-102流经管线(13)的连续过程中,崩和换热器内部都没有积累,即对每一个设备来说,输入=输出,故管线(11)、(12)、(13)的质量流量均为W=65000kg/h
2.2.6管线(17)、(18)、(19)
反应回路大循环泵Pc-101每次循环量为10000kg,循环次数为36次/h,每小时质量流量36000kg/h,在连续操作过程中,Pc-101和换热器E-101中不可有积累,所以管线17)、(18)、(19)中的质量流量都为36000kg/h
2.2.7管线(16)、(22)、(23)
管线(16)是小循环产品出料管线流速已知为40000kg/h,管线(22)是大循环产品出料管线流速已知为15000kg/h,若卸料只靠小循环回路泵,即指从管线(16)卸料,这10吨产品出料时间τ=10000/40000=0.25h=15min若卸料只靠大循环回路泵,即只从管线(22)出料时,则10吨产品出料时间为τ=10000/150000=0.067h=4min
而实际生产中卸料应先是大小循环回路同时卸料,即(16)、(22)同时卸料,达到一定程度,液位不再满足大循环回路是,就只能从(16)管线卸料考虑上述原因,每笔醇醚产品出料时间取τ=10min,则管线平均每小时卸料W=10000/10⨯60=60000kg/h,卸料只靠小循环泵时,(23)的实际流速W=40000kg/h,卸料前期管线|(23)的流速W=60000kg/h取为150000kg/h
2.2.8中和部分管线(13)(14)
管线(13)的流速为35000kg/h
卸料τ=10000/35000=0.29h=17min取整τ=25min
此时,实际流量W=10000/25⨯60=24000kg/h,
因为Pv-104A/B为衡算范围,输入=输出。
所以管线(13)(14)流量相等。
2.3预反应,反应及熟化阶段的物料衡算
2.3.1预反应
EO总量为6666.67kg/h在预反应阶段加入5%
C13H23OH+10EO→C15H23O(CH2CH2O)10H
220440660
x6666.67⨯5%y
∴x=220⨯6666.67⨯5%/440=166.67kg
y=660⨯6666.67⨯5%/440=500.00kg
所以,在预反应阶段反应链起始剂用量166.67kg,得5000.00kg产品。
2.3.2反应阶段
加入剩余的EO,但只有95%参加反应,故
C13H23OH+10EO→C15H23O(CH2CH2O)10H
220440660
x6666.67⨯95%⨯95%y
∴x=220⨯6666.67⨯95%⨯95%/440=3008.33kg
y=660⨯6666.67⨯95%⨯95%/440=9025.00kg
2.3.3熟化阶段
C13H23OH+10EO→C15H23O(CH2CH2O)10H
220440660
x6666.67⨯95%⨯5%y
∴x=220⨯6666.67⨯95%⨯5%/440=158.33kg
y=660⨯6666.67⨯95%⨯5%/440=475.00kg
因为原料中有0.1%的水,所以实际投料量:
(166.67+3008.33+158.33)⨯(1+0.1%)=3336.66kg
其中预反应起始剂量:
166.67⨯(1+0.1%)=166.84kg
反应阶段起始剂量(3008.33+158.33)⨯(1+0.1%)=3166.82kg
2.4阶段数据表格
反应时间EO投料量起始剂投量Cat用量反应率产品量
Minkgkgkg%kg
预反应333.33166.841.191100%500.00
反应6333.343166.8221.48895%9025.00
熟化--1.1315%475.00
第3章设备计算
3.1反应回路换热器EO101的选型计算
根据工艺条件选择U型管式换热器,因反应产品的黏度较大且需要冷却,所以水走壳程,导热油走管程,设管城数为NP=2.
3.1.1计算定性温度下物理常数
表2定性温度下物理常数
管程(导热油)壳程(产品)
定性温度t=(180+164.80)/2=172.4℃t=(60+86.20)/2=73.10℃
μ2=0.4824kg·m-1·h-1·℃-1
物理常数CP2=1.07kg-1·℃-1λ1=0.1kcal/(h·m·℃)
(定性温度下)ρg=860kg·m-3ρ1=1000kg/m3
λ2=0.1kcal·℃-1
3.1.2初设总传热系数
K0=321.43kcal/(h·m2·℃)=1350KJ/(h·m2·℃)
3.1.3计算对数平均温度
T1=180℃T2=164.80℃
t2=86.20t1=60℃
△t1=T1-t2=180-86.2=93.80℃
△t2=T2-t1=164.8-60=104.80℃
△tm=(△t2-△t1)/ln(△t2/△t1)
=(104.80-93.80)/ln(104.80/94.80)=99.20℃
计算温度校正系数
R=T1-T2/t2-t1180-104.80/86.20-60=0.58S=t2-t1/T1-t1=86.20-60/180-60=0.22
根据R、S值查得温度校正系数Ft=0.99
△tm=Ft⨯△tm=0.99⨯99.20=97.20℃
3.1.4热负荷Q及导热的量W2
Q=W1·CP1·△t1=360000⨯1.98⨯(180-86.2)=1.87⨯107KJ/h
W2=1660000KJ/h
3.1.5计算所需的传热面积F1
F1=Q/k△tm=1.87⨯107/1350⨯97.20=139.64m2
3.1.6温度换热器的参数
选取换热器的参数140.00m2
管外径d0=0.025,管内径di=0.02,管心距pt=0.032.折流板缺口为25%,
管子为正方形450排列,管长=6m,管子数Nt=F1/(π·d0·l)=273.82根,考虑到管子的排列问题,管子数取为275根。
由P2-69图8-28查得(Ds-do)/pt=11.8
所以Ds-do=352mm,Ds=403mm。
根据加工原则取Ds=500mm。
3.1.7计算给热系数
3.1.7.1管程:
Gi=4·W2·Np/π·Nt·di2=4⨯2⨯108529.38/3.14⨯(0.02)2⨯100=6912699kg/(m2·h)
雷诺准数为:
Rei=Gi·di/μi=6912699⨯0.020/10.80=12801.29.
由p2-58图8-13查得柯尔因子Jh=0.0058.
由公式Jh=[hi/(Cpi·Gi)](Cp-μi/λ2)2/3(μi/μw)0.14
因为液体被加热,黏度校正系数ϕμ=(μi/μw)0.14=1.00
管内给热系数hi=Jh·Gp·Gi·(Cp·μi-λ2)2/3(μi/μw)0.14=0.0058⨯2.01⨯6912693⨯(2.01⨯10.80/0.43)⨯0.1=5809.9KJ/(m·h·℃)
3.1
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- 精细化工 课程设计 10 EO 壬基 酚聚氧 乙烯
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