【導(dǎo)讀】題目對(duì)羥基苯甲醚的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)。院系化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院。專業(yè)化學(xué)工程與工藝。指導(dǎo)教師職稱副教授。完成畢業(yè)論文時(shí)間2021年5月

　　

【正文】 行重氮化反應(yīng)。通常，重氮化試劑是由 亞硝酸鈉 與鹽酸作用臨時(shí)產(chǎn)生的。除鹽酸外，也可使用硫酸、過(guò)氯酸和氟硼酸等無(wú)機(jī)酸。芳香族重氮基可以被其他基團(tuán)取代，生成多種類型的產(chǎn)物。重氮化反應(yīng)的機(jī)理是首先由一級(jí)胺與重氮化試劑結(jié)合，然后通過(guò)一系列質(zhì)子轉(zhuǎn)移，最后生成重氮鹽。重氮化試劑的形式與所用的無(wú)機(jī)酸有關(guān)。當(dāng)用較弱的酸時(shí)，亞硝酸在溶液中與三氧化二氮達(dá)成平衡，有效的重氮化試劑是三氧化二氮。當(dāng)用較強(qiáng)的酸時(shí)，重氮化試 劑是質(zhì)子化的亞硝酸和亞硝酰正離子。因此重氮化反應(yīng)中，控制適當(dāng)?shù)?pH 值是很重要的。芳香族一級(jí)胺堿性較弱，需要用較強(qiáng)的亞硝化試劑，所以通常在較強(qiáng)的酸性下進(jìn)行反應(yīng) [18]。 重氮化反應(yīng)考慮因素 （ 1） 酸的用量 ， 重氮鹽一般是容易分解的，只有在過(guò)量的酸液中才比較穩(wěn)定，所以重氮化時(shí)實(shí)際上用酸量過(guò)量很多 。 （ 2） 亞硝酸的用量 ， 重氮化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)自始至終必須保持亞硝酸稍過(guò)量 ， 必須保持一定的加料速度 。 （ 3） 反應(yīng)溫度 ， 在間歇反應(yīng)鍋中重氮反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，保持較低的反應(yīng)溫度 ,一般在05℃ 進(jìn)行，因?yàn)?此時(shí)大部分 重氮鹽在低溫下較穩(wěn) 定， 但在管道中進(jìn)行重氮化時(shí)，反應(yīng)中生成的重氮鹽會(huì)很快轉(zhuǎn)化，因此重氮化反應(yīng)可在較高溫度下進(jìn)行。 （ 4） 重氮化方法有順?lè)ê湍娣▋煞N， 大多數(shù)溶于稀無(wú)機(jī)酸的芳伯胺采用順?lè)ㄖ氐?， 在稀酸中難溶解的氨基芳磺酸等用 逆法 重氮化。 過(guò)量亞硝基的除去 重氮化反應(yīng)結(jié)束后，體系中經(jīng)常還存有過(guò)量的亞硝基，需予以除去，否則易促使重 氮鹽的分解，或于水解反應(yīng)階段與加入的有關(guān)試劑起反應(yīng)，從而影響反應(yīng)的進(jìn)程或結(jié)果。 考慮到非芳香重氮化合物的不穩(wěn)定性，故本研究采取添加尿素的方法，除去體系中過(guò)量 的亞硝基，直到體系中無(wú)氣泡放出為止。 水解反應(yīng)機(jī)理 芳胺經(jīng)重氮化生成重氮鹽，再在酸性環(huán)境下水解可得酚，利用該法可將羥基導(dǎo)入至指定的位置。但由于重氮鹽的活性很高，水解時(shí)也會(huì)發(fā)生很多的副反應(yīng)，故酚的收率通常不高。一般情況下，重氮鹽水解制酚不采用 HCI或重氮鹽酸鹽，這是由于氯離子的親核性比水分予強(qiáng)，故重氮基易被氯離子所置換。此外，由于硝基的氧化電勢(shì) Ev=，即硝基也會(huì)進(jìn)攻芳賀雪峰： 對(duì)羥基苯甲醚的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 共 28 頁(yè) 香自由基，故水解制酚生產(chǎn)中通常也不選擇 HN03，而多數(shù)采用 H2S04，常見(jiàn)的重氮鹽多為重氮硫酸鹽。目前，有關(guān)重氮鹽的水解過(guò)程主要有兩種不同的反應(yīng)機(jī)理，即苯正離子機(jī)理和催化 氧化機(jī)理。 2021 屆化學(xué)工程與工藝專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 共 28 頁(yè) 6 精餾塔設(shè)計(jì) 塔型選擇 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，每天開(kāi)動(dòng)設(shè)備 24 小時(shí)計(jì)算，產(chǎn)品流量為 1500kg/h，由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價(jià)，降低生產(chǎn)過(guò)程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率，選用浮閥塔 [19]。 操作壓力 由于對(duì)羥基苯甲醚 ～ 35%H2SO4體 系對(duì)溫度的依賴性不強(qiáng)，常壓下為液態(tài)，為降低塔的操作費(fèi)用，操作壓力選為常壓 其中塔頂壓力為 105Pa 塔底壓力 105Pa + N(265～ 530)Pa 進(jìn)料狀態(tài) 雖然進(jìn)料方式有多種，但是飽和液體進(jìn)料時(shí)進(jìn)料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動(dòng)的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進(jìn)料時(shí)精餾段和提餾段的塔徑相同，無(wú)論是設(shè)計(jì)計(jì)算還是實(shí)際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，為此，本次設(shè)計(jì)中采取飽和液體進(jìn)料 。 加熱方式 精餾塔的設(shè)計(jì)中多在塔底加一個(gè)再沸器以采用間接蒸汽加熱以保證塔內(nèi)有足夠的熱量供應(yīng)；由于乙醇 ～ 水體系中，乙醇是輕組分，水由塔底排出，且水的比熱較大，故可采用直接水蒸氣加熱，這時(shí)只需 在塔底安裝一個(gè)鼓泡管，于 是可省去一個(gè)再沸器，并且可以利用壓力較低 的蒸汽進(jìn)行加熱，無(wú)論是設(shè)備費(fèi)用還是操作費(fèi)用都可以降低。 熱能利用 精餾過(guò)程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此熱效率較低，通常進(jìn)入再沸器的能量只有 5%左右可以被有效利用。雖然塔頂蒸汽冷凝可以放出大量熱量，但是由于其位能較低，不可能直接用作為塔底的熱源。為此，我們擬采用塔釜?dú)堃簩?duì)原料液進(jìn)行加熱 [20]。 賀雪峰： 對(duì)羥基苯甲醚的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 共 28 頁(yè) 精餾塔相關(guān)計(jì)算 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的轉(zhuǎn)換計(jì)算 因?yàn)?精餾過(guò)程的計(jì)算均以摩爾分?jǐn)?shù)為準(zhǔn) [22]，需先把設(shè)計(jì)要求中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為摩爾分?jǐn)?shù)。 原料液的摩 爾組成： 182512475124752287287 ?????OHOHCOHCf nn nx (61) 同理可求得： 0 0 ,7 7 ?? wD xx 原料液的平均摩爾質(zhì)量： ? ? ? ? k m o lkgMxMxM OHfOHCff / 2287 ????????? 同理可求得： k mo lkgMk mo lkgM WD /,/ ?? 45℃下，原料液中2 3 2339 7 1 . 1 / , 7 3 5 /H O C H C H O Hk g m k g m???? 由此可查得原料液，塔頂和塔底混合物的沸點(diǎn)，以上計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 61。 表 61 原料液、餾出液與釜?dú)堃旱哪栙|(zhì)量與沸點(diǎn)溫 度 名稱 原料液 餾出液 釜?dú)堃? /%fx 75 90 fx (摩爾分?jǐn)?shù) ) 摩爾質(zhì)量 /kgkmol 沸點(diǎn)溫度 t /℃ 塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量、釜?dú)堃毫考凹訜嵴羝康挠?jì)算 每小時(shí)對(duì)羥基苯甲醚的進(jìn)料量 FA0: hk m o lhk m o lF A /??? ?? (62) 由全塔的物料衡算方程可寫(xiě)出： 0V F D W? ? ? ? ?蒸汽00 ?y hD /? 2021 屆化學(xué)工程與工藝專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁(yè) 共 28 頁(yè) WDf WxDxFxyV ???00 hkmolW /? qFRDqFLLW ????? ? ?泡點(diǎn)1?q hV /k mo ? 全凝器冷凝介質(zhì)的消耗量 塔頂全凝器的熱負(fù)荷： ? ? ? ?LDVDC LLDRQ ??? 1 (63) 可以查得 1 2 6 6 / , 2 5 3 . 9 /V D L DI k J k g I k J k g??， 所以 取水為冷凝介質(zhì)，其進(jìn)出冷凝器的溫度分別為 25℃和 35℃則 平均溫度下的比熱 4 .1 7 4 /pcc kJ kg C??186。， 于是冷凝水用量可求： ? ? ? ? hkJQ C / 5???????? (64) ? ? ? ? hkgttc QW pc CC / 6 07 512 ??? ???? (65) 熱能利用 以釜?dú)堃簩?duì)預(yù)熱原料液，則將原料加熱至泡點(diǎn)所需的熱量 fQ 可記為： ? ?12 ffpfff ttcWQ ?? (66) 其中 Ctfm ? ?? 在進(jìn)出預(yù)熱器的平均溫度以及 ? 186。 的 情 況 下 可 以 查 得 比 熱4 .2 7 5 /pfc kJ kg C??186。， 所以 ? ? hkJQ f / 3 52 4?????? (67) 釜?dú)堃悍懦龅臒崃?? ?21 wwpwWW ttcWQ ?? 若將釜?dú)堃簻囟冉抵?2 55wtC? 186。 那么平均溫度 Ctwm ? ??? 其比熱為 4 .1 9 1 /pwc kJ kg C??186。， 因此， ? ? hkJQ w / 4?????? (68) 可知， w f? ，于是理論上不可以用釜?dú)堃杭訜嵩弦褐僚蔹c(diǎn) 賀雪峰： 對(duì)羥基苯甲醚的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 共 28 頁(yè) 理論塔板層數(shù)的確定 精餾段操作線方程 1 0. 5 0. 3911 Dnnn xRy x xRR? ? ? ? ??? (69) 提餾段操作線方程： 001 2 02 4m w mm WWy x x xVV? ? ? ? ? (610) q 線方程 ： ?x 利用 逐板計(jì)算 法可以求出 10TN ? 塊 (含塔釜 ) 其中，精餾段 7 塊，提餾段 3 塊。 實(shí)際塔板數(shù) PN NP=19 塊 (含塔釜 ) 其中，精餾段的塔板數(shù)為： 10 塊 ， 提餾段 9 塊。 由于 ?? vsV ? ,[22]， 取速率為 [22],塔徑可以由下面的公式給出 , ， 因此 塔徑 ： （ 611） 塔的高度可以由下式計(jì)算： ? ? WFTTP HHSHHSNHZ ??????? 2 (612) 已知實(shí)際塔板數(shù)為 N=19 塊，板間距 ? ， 取每隔 5塊板設(shè)一個(gè)人孔，則人孔的數(shù)目 S 為： (613) 取人孔兩板之間的間距 HT=， 則塔頂空間 HD=， 塔底空間 HW=，進(jìn)料板空間高度 HF=， 那么，全塔高度： 1 . 2 ( 2 8 2 3 ) 0 . 4 3 0 . 6 0 . 5 2 . 5 1 5 . 2Zm? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (614) muVD s ?? ?31519 ???S2021 屆化學(xué)工程與工藝專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁(yè) 共 28 頁(yè) 7 計(jì)算結(jié)果匯總 聚合攪拌釜式反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 通過(guò)計(jì)算， 聚合 攪拌 釜 式反應(yīng) 器 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總于表 71。 表 71 聚合 攪拌 釜 式反應(yīng) 器 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總表 設(shè)計(jì)參數(shù) 參數(shù)值及設(shè)備選型 設(shè)計(jì)參數(shù) 參數(shù)值及設(shè)備選型 內(nèi)筒體有效體積 v/m3 內(nèi)筒體實(shí)際體積 v/m3 攪拌釜體積流 量 m3/h 夾套筒體壁厚 δ/mm 內(nèi)筒體高度 H/m 攪拌器型號(hào) HG522065 內(nèi)筒體直徑 Di/m 電機(jī) 型號(hào) Y90L4 封頭直邊高度 h2/mm 40 聯(lián)軸器型號(hào) TQ50 夾套直徑 Dj/mm 2340 支座型號(hào) B4JB/T472592 夾套高度 Hj/mm 1180 蒸汽消耗量 kg/h 浮閥式精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 通過(guò)計(jì)算， 浮閥式精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 匯 總于表 72 表 72 浮閥式精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 匯 總 設(shè)計(jì)參數(shù) 參數(shù)值 塔 頂壓力 Pa 冷凝水熱能消耗 KJ/h 105 105 冷凝水消耗量 kg/h 理論塔板數(shù)（含塔釜） 19 精餾段 10 各工段主要計(jì)算數(shù)據(jù) 整理全文，列出主要的計(jì)算數(shù)據(jù)如下表 表 73 各工段的主要計(jì)算數(shù)據(jù) 設(shè)計(jì)參數(shù) 參數(shù)值 對(duì)羥基苯甲醚進(jìn)料量 kmol/h 每批生產(chǎn)總時(shí)間 h 7 反應(yīng)器體積 m3 蒸汽消耗量 kg/h 夾套高度 m 精餾塔原料液所需熱量 kJ/h 104 賀雪峰： 對(duì)羥基苯甲醚的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 共 28 頁(yè) 8 設(shè)備保養(yǎng)及 三廢的處理 生產(chǎn)設(shè)備的保養(yǎng) 化工設(shè)備是化工企業(yè)生產(chǎn)的重要技術(shù)物質(zhì)基礎(chǔ)和必要條件 , 隨著企業(yè)自動(dòng)化程度的提高 , 化工設(shè)備在化工生產(chǎn)中影響到企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、成本、安全、環(huán)保及操作者的勞動(dòng)情緒 , 所以機(jī)器設(shè)備的管理使用、維護(hù)修理將直接關(guān)系到化工企業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)能力。 化工設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)是設(shè)備自身運(yùn)動(dòng)的客觀要求。設(shè)計(jì)制造出來(lái)的設(shè)備 , 雖然具有一定的可靠性能 , 但在使用過(guò)程中由于設(shè)備自身運(yùn)動(dòng)和外界條件的作用影響 , 會(huì)產(chǎn)生技術(shù)狀態(tài)的不斷變化 ,不可避免出現(xiàn)干摩擦、零件松動(dòng)、變形、聲響異常、腐蝕、泄漏等不正?，F(xiàn)象。這是化工 設(shè)備的缺陷隱患 , 若不及時(shí)處理 , 就會(huì)造成設(shè)備過(guò)早磨損 , 性能減退 , 甚至釀成重大化工生產(chǎn)事故。因此 , 根據(jù)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律和企業(yè)的資源條件