300噸年對羥基苯甲酸丁酯生產(chǎn)車間工藝設(shè)計畢業(yè)論文

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書一設(shè)計（論文）題目： 300噸/年對羥基苯甲酸丁酯生產(chǎn)車間工藝設(shè)計 二現(xiàn)有文獻(xiàn)、資料： 1 北京石油化工學(xué)院學(xué)報，2004，12(3)：9-14 2 中國食品添加劑，2003，(2)：19-25 三設(shè)計（論文）要點： 1 分析評估各生產(chǎn)方法和工藝，市場狀況 2 完成物料衡算和熱量衡算 3 完成投資估算 4 繪制工藝流程圖 四畢業(yè)設(shè)計（論文）完成項目：1.譯文 2 篇 2.文獻(xiàn)綜述 1 篇 3.開題報告 1 份 4.設(shè)計（論文）說明書 有無5.設(shè)計（論文）圖紙 有無 五畢業(yè)設(shè)計（論文）工作期限:任務(wù)書發(fā)給日期 2013 年 12 月 9 日設(shè)計（論文）工作自 2013 年

2、12 月 9日至 2014年 4月 31 日 設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師 系主任 主管院長 300噸/年對羥基苯甲酸丁酯生產(chǎn)車間工藝設(shè)計摘 要 對羥基苯甲酸丁酯目前是世界上用途最廣、用量最大、應(yīng)用頻率最高的一系列防腐劑，在食品，醫(yī)藥，化妝品等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用1。本文通過對幾種催化劑的比較，決定選擇使用濃硫酸為本次設(shè)計的生產(chǎn)工藝催化劑，并對羥基苯甲酸和正丁醇為原料，以環(huán)己烷為帶水劑，進(jìn)行對羥基苯甲酸丁酯的生產(chǎn)。該工藝過程簡單，產(chǎn)品純度高，是對羥基苯甲酸丁酯生產(chǎn)的一條高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低成本的有效途徑。本論文設(shè)計了一個年產(chǎn)300噸對羥基苯甲酸丁酯的生產(chǎn)車間，在該工藝過程中，原料進(jìn)料條件是25，1bar，對

3、于一次反應(yīng)， 對羥基苯甲酸進(jìn)料424.91kg；正丁醇進(jìn)料797.28kg；濃硫酸進(jìn)料4.50kg；環(huán)己烷進(jìn)料257.60 kg。得到的產(chǎn)品的純度是99.7，收率是83.8。此外，反應(yīng)釜一年工作2400小時，年產(chǎn)量達(dá)到300噸。同時，對反應(yīng)釜，精餾塔等進(jìn)行物料衡算，對反應(yīng)釜、 對換熱器等進(jìn)行熱量衡算，對釜體、精餾塔等進(jìn)行設(shè)備評估。最后對產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)合理性、投資等進(jìn)行分析，即投資估算，得到投資回收期為2.8年，對該工廠的財務(wù)、利潤等進(jìn)行評價，確認(rèn)該工藝在經(jīng)濟(jì)上可行。最后通過計算和選型給出了生產(chǎn)工藝流程圖，車間平面圖和設(shè)備圖。關(guān)鍵詞：對羥基苯甲酸丁酯，物料衡算，熱量衡算，工藝流程 the plant

4、 process design of 300tons/year butyl p-hydroxybenz0ate productionabstractnipagin ester is not only the worlds most widely used preservatives, but also used the most frequently. its widely used in chemical, pharmaceutical, food, feed and other industrial anti corrosion,it is also the organic synthes

5、is intermediates, but as an antiseptic in food is its main purpose.in this paper, concentrated sulfuric acid was used as the catalyst of this production through selecting, and p-hydroxybenzoic acid and butanol were used as raw materials for production of propyl acetate. it is a high-yield, high-qual

6、ity, low-cost effective way to product butyl p-hydroxybenzoate with simple process and high product purity. a plant process of producting 300 tons butyl p-hydroxybenzoate each year was designed. in one time ,the quantities of the materials of p-hydroxybenzoic butanol sulfuric acid and cyclohexane ar

7、e 424.91kg,797.28kg,4.50kg,257.60 kg at 1 bar and 25,and the purity of the production reaches 99.97 percent, and the yield is 83.8 percent .in addition,the reaction kettle works 2400 hours a year ,and the quantity reaches 300 ton.besides,we get the quality that each raw material needed through mater

8、ial balance and the heat that needed to pass to through heat balance;the economic rationality and investment of the product were analysed; the finance and profits of the factory were evaluated, which values the period for recovery of investment is 2.8 years.,and confirms that it can work economicall

9、y.the main product equipments was selected, and the production process flow diagram workshop floor plan diagram and equipment are finally drawed . key words: butyl p-hydroxybenzoate, material balance, heat balance, production flow diagram目 錄摘 要iabstractii第一章 緒論1 1.1 對羥基苯甲酸丁酯概述11.2 對羥基苯甲酸丁酯的性質(zhì)11.2.1

10、對羥基苯甲酸丁酯結(jié)構(gòu)式11.2.2 物理性質(zhì)21.2.3 化學(xué)性質(zhì)21.3 對羥基苯甲酸丁酯的用途21.4 對羥基苯甲酸丁酯的生產(chǎn)方法3第二章 市場需求42.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀42.2 市場需求52.3 國內(nèi)外貿(mào)易現(xiàn)狀62.3.1 市場份額統(tǒng)計62.4 發(fā)展趨勢7第三章 工藝路線93.1 合成路線93.2 合成工藝103.2.1 傳統(tǒng)工藝103.3 路線及工藝選擇113.3.1 合成路線113.3.2 合成工藝113.4 設(shè)計部分113.4.1 產(chǎn)品介紹123.4.2 原料簡介133.4.3 工藝流程設(shè)計143.4.4工藝流程簡述15第四章 能量衡算164.1 物料衡算164.1.1反應(yīng)釜物料衡算1

11、74.1.2分水器物料衡算194.1.3結(jié)晶釜物料衡算194.1.4精餾塔物料衡算194.2熱量衡算204.2.1熱量衡算的原理204.2.2熱量衡算過程214.3動力消耗定額及消耗量23第五章 主要設(shè)備245.1 反應(yīng)釜的計算和選型11,12245.2泵的選型265.3 儲料罐的選型275.4 結(jié)晶釜的選型295.5精餾塔的選型295.5.1逐板計算法確定理論板數(shù)目29（2）各個方程參數(shù)的確定315.5.2 板式塔主要尺寸的計算335.5.3塔高的計算345.5.4溢流堰長計算34第六章 環(huán)境保護(hù)與安全措施366.1 廠址與環(huán)境現(xiàn)狀366.2執(zhí)行的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及排放標(biāo)準(zhǔn)366.3 三廢產(chǎn)生情

12、況分析376.3.1 工業(yè)廢水的來源及特征376.3.2 工業(yè)主要大氣污染物的特征376.3.3 工業(yè)固體廢棄物的來源及其特征376.3.4 噪聲376.4 主要防治措施386.5 廠內(nèi)綠化406.6 廠區(qū)供電40第七章 投資估算417.1編制依據(jù)417.2固定資產(chǎn)417.2.1工程費用417.2.2固定資產(chǎn)投資估算表447.3無形資產(chǎn)457.4遞延資產(chǎn)457.5預(yù)備費用457.6流動資產(chǎn)467.7總投資估算表467.8資金籌集47第八章 成本估算及財務(wù)評價488.1估算依據(jù)488.2成本估算488.2.1原料輔料費488.2.2動力費及污水處理費498.2.3工資及福利498.2.4車間經(jīng)費

13、508.2.5其他費用518.2.6 成本估算表518.3銷售收入和稅金估算528.3.1 銷售收入估算528.3.2 稅金估算538.4財務(wù)評價548.4.1 損益表548.4.2現(xiàn)金流量表548.4.3投資回收期558.4.4凈現(xiàn)值568.4.5內(nèi)部收益率57參考文獻(xiàn)58致謝60附錄61vi浙江工業(yè)大學(xué)2014屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第1章 緒論1.1 對羥基苯甲酸丁酯概述 對羥基苯甲酸丁酯又被稱為尼泊金丁酯，是無色細(xì)小結(jié)晶或者白色結(jié)晶性粉末，它是目前世界公認(rèn)的具有高效、安全、廣譜等特性的食品防腐劑2。與傳統(tǒng)的苯甲酸、山梨酸防腐劑相比,尼泊金酯的防腐效果不易隨ph值的變化而變化。尼泊金

14、酯對霉菌、酵母、細(xì)菌有廣泛的抗菌作用,目前世界上大多數(shù)國家都同意將對羥基苯甲酸甲酯、乙酯、丙酯、丁酯等作為食品防腐劑,我國也不例外。尼泊金酯類最大的特點是產(chǎn)品種類很多,在實際使用和生產(chǎn)過程中,一般是將兩種或兩種以上的酯混合后使用,得到的產(chǎn)品不僅溶解度提高了，而且具有更好的防腐性能。對羥基苯甲酸酯類可用于脂肪制品、魚制品、肉制品、糖果、調(diào)味料及果蔬保鮮等方面。同時，在制藥、化妝品及飼料方面也有廣泛的應(yīng)用。比較尼泊金酯中,以尼泊金丁酯的抗菌效果最好,應(yīng)用量最廣,因此對尼泊金丁酯合成及催化劑選擇的研究具有重要意義和極其廣闊的應(yīng)用前景3。根據(jù)相關(guān)報道,因為對羥基苯甲酸在成酯的過程中，它的羧基會被酯化,

15、分子也可以在較廣的ph值范圍內(nèi)不被電離,其中沒有電離的分子發(fā)揮了抗菌活性,能夠抑制微生物細(xì)胞呼吸酶系與電子傳遞酶系的活性,同時可以破壞微生物的細(xì)胞膜的構(gòu)造，因此，尼泊金酯的防腐應(yīng)用范圍比較廣泛。無獨有偶，也有研究表明，防腐劑能使微生物的蛋白質(zhì)凝固或者變性,以此干擾微生物的生長和繁殖;同時也可以破壞微生物的細(xì)胞壁,或阻止細(xì)胞壁的合成,使胞內(nèi)物質(zhì)外泄,從而能抵抗微生物；能破壞遺傳微粒結(jié)構(gòu),而影響遺傳物質(zhì)的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)的翻譯等。文獻(xiàn)中關(guān)于對羥基苯甲酸丁酯的研究并不多，主要集中在對其合成路線中催化劑選擇的改進(jìn)方面。除了傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)路線外，其他合成路線尚在實驗室研究之中。1.2 對羥基苯甲酸丁酯

16、的性質(zhì)1.2.1 對羥基苯甲酸丁酯結(jié)構(gòu)式1.2.2 物理性質(zhì)對羥基苯甲酸丁酯分子式為c11h14o3,分子量是194.23，通常情況下為無色細(xì)小結(jié)晶或白色結(jié)晶粉末,稍有特殊臭味,密度為1.168g/cm3 熔點為69-72，沸點為356.516，閃點為183.605。對羥基苯甲酸丁酯極難溶于水（0.2 g/l，25 ），易溶于乙醇（2.10 g/ml）、乙醚（2.10 g/g）、丙酮（2.40 g/g）和丙二醇(1.10 g/g)，難溶于甘油（0.002 g/g）。主要用作有機(jī)合成中間體,醫(yī)藥、食品、化妝品、膠片及高檔產(chǎn)品的防腐劑、殺菌劑。 1.2.3 化學(xué)性質(zhì)對羥基苯甲酸丁酯分子中含有-oh

17、,-ch3，-c0-等官能團(tuán)，因而具有一定的反應(yīng)活性。尼泊金酯鈉鹽的水溶液呈堿性，是一種性質(zhì)不穩(wěn)定的物質(zhì)，放置時間稍長會產(chǎn)生尼泊金酯的水解反應(yīng)2，水解生成對羥基苯甲酸和丁醇。苯環(huán)上的羥基易發(fā)生取代反應(yīng)或氯化反應(yīng)，被-ch3，-cl等基團(tuán)取代。此外，對羥基苯甲酸丁酯分子中的羰基受到親核攻擊時，?；?氧鍵斷裂，形成羰基化合物。1.3 對羥基苯甲酸丁酯的用途對羥基苯甲酸丁酯毒性低、無刺激性，且適用于較寬ph范圍等，廣泛用于食品、化妝品和醫(yī)藥工業(yè),是我國重點發(fā)展的食品防腐劑產(chǎn)品之一。 （1）在藥劑工作中的應(yīng)用由于對羥基苯甲酸酯類刺激性極小，毒性和副作用極微，與多種藥物及酸堿等不產(chǎn)生配伍禁忌，所以可作為

18、眼藥抑菌劑。同時可以被廣泛地應(yīng)用于臨床治療中，此外，在天熱時，由于藥液經(jīng)稀釋后容易霉壞，可用對羥基苯甲酸丁酯來防腐6。（2）在食品行業(yè)的應(yīng)用 尼泊金酯鈉對醬油有極好的防腐作用，只需要少許量就可以很好的抑制醬油中細(xì)菌的生長；因為食醋是人們生活中常用的生活品，因此對食醋中添加的防腐劑要求極高，對羥基苯甲酸丁酯具有高效、低毒、廣譜等特點，同時易于兼容，因而被選擇作為食醋的防腐劑；啤酒以往是采用巴氏消毒法去除雜菌，但由于這樣會影響啤酒風(fēng)味，所以最近幾年，很多國家開始采用化學(xué)殺菌法，使啤酒既可以保持應(yīng)有的生物穩(wěn)定性，又不影響風(fēng)味。因此，將對羥基苯甲酸酯應(yīng)用到含有醇的飲料和果醬中，可以發(fā)揮很好的防腐作用。

19、（3）在化妝品行業(yè)的應(yīng)用 尼泊金酯在化妝品行業(yè)使用量和使用頻率都較高，其中的尼泊金甲酯，尼泊金丙酯，尼泊金丁酯，尼泊金乙酯分別位居2005年化妝品防腐劑使用頻率排名的前四名4。由此看來，對羥基苯甲酸酯類在化妝品行業(yè)具有非常廣闊的市場前景。1.4 對羥基苯甲酸丁酯的生產(chǎn)方法現(xiàn)行的生產(chǎn)對羥基苯甲酸丁酯的方法是對羥基苯甲酸和正丁醇在濃硫酸的催化下進(jìn)行酯化反應(yīng)，然后趁熱過濾分離，把得到的液體進(jìn)行蒸餾分離，冷卻，然后用5%的nahco3中和至7-8，結(jié)晶，抽濾，得到白色晶體產(chǎn)物。正丁醇，對羥基苯甲酸，環(huán)己烷，濃硫酸結(jié)晶釜分水器 反應(yīng)釜 精餾塔環(huán)己烷、水分層正丁醇、環(huán)己烷回收利用過濾 產(chǎn)品烘箱烘干堿洗、水

20、洗 圖1.1 對羥基苯甲酸丁酯的工藝流程圖第二章 市場需求2.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀尼泊金酯具有抗菌活性的報道第一次曝光后，尼泊金酯類被提議作為食品和藥品防腐劑，同年尼泊金酯還被正式批準(zhǔn)應(yīng)用于食品中。此后,尼泊金酯又先后被應(yīng)用到化妝品的防腐中。尼泊金酯的最大特點是：毒性不高，抑菌作用所處的ph值范圍廣，抑菌性能廣泛等。但是,尼泊金酯也有其缺點，水溶性低,量大時有特殊氣味等。更由于苯甲酸鈉的大量生產(chǎn),占據(jù)了防腐劑市場的很大一部分，尼泊金酯的生產(chǎn)因此大量減少。五六十年代曾打算將尼泊金酯廣泛應(yīng)用到食品防腐中，但由于當(dāng)時技術(shù)有限，沒有辦法解決尼泊金酯的水溶性缺陷，再加上市場上苯甲酸鈉占據(jù)了很大份額，造成尼泊金酯

21、在食品工業(yè)中的應(yīng)用一直得不到普遍。九十年代以后,我國加入了wto,自此我國和國際市場的接觸越來越多,這要求我國的食品生產(chǎn)必須與國際接軌,食品安全性問題也越來越受到了人們的關(guān)注和重視。我國有相關(guān)規(guī)定，即a級綠色食品中不能有苯甲酸和苯甲酸鈉存在。而尼泊金酯則是公認(rèn)的安全高效的食品防腐劑。這為尼泊金酯在我國防腐劑市場上占據(jù)一席之地創(chuàng)造了十分有利的條件。當(dāng)尼泊金酯醇烷基的碳原子數(shù)增加時，其殺菌能力增加,但是溶解性減小，而且毒性也降低。為解決溶解性這一矛盾，常用通過復(fù)配法來提高溶解度,并通過增效作用來提高防腐能力7。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們在對物質(zhì)追求的同時更加關(guān)注的是食品或者生活用品的安全性問

22、題,這一群眾性需求必將對食品，藥品和化妝品等生活用品的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)條件和原料來源等,尤其是對食品添加劑的安全性提出更高水平更高層次的要求。化學(xué)防腐劑在食品保存和加工過程中使用得比較多，但如果防腐劑使用不當(dāng)也會有造成一定的影響，因此我們必須正確認(rèn)識防腐劑的副作用，控制使用量和使用條件，確保安全使用。有專家指出，苯甲酸的生產(chǎn)量不應(yīng)再繼續(xù)擴(kuò)大，而擴(kuò)大對羥基苯甲酸酯的生產(chǎn)和應(yīng)用才有利于使我國的食品防腐劑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐步趨于合理化。就食品防腐劑而言,目前國內(nèi)生產(chǎn)量已達(dá)2萬噸,最主要的是苯甲酸鈉和山梨酸鉀兩種。其中苯甲酸鈉1.8萬噸,山梨酸鉀0.3萬噸。而尼泊金酯只有一小部分廠家生產(chǎn),而且他們只能生產(chǎn)單酯,

23、國內(nèi)同類生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品不全并且無復(fù)配方技術(shù)及使用技術(shù),存在應(yīng)用行業(yè)狹窄的巨大缺點。目前國內(nèi)生產(chǎn)對羥基苯甲酸酯的廠家主要有浙江圣效化學(xué)品有限公司，浙江金鶴來食品添加劑有限公司，廣州市品尼高食品添加劑有限公司，啟東晉盛大公化工有限公司和無錫江大百泰科技有限公司等等。國內(nèi)目前均采用濃硫酸催化對羥基苯甲酸和丁酯生產(chǎn)對羥基苯甲酸丁酯，該生產(chǎn)方法是比較經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方法，但后處理較為繁瑣。2.2 市場需求從尼泊金酯應(yīng)用于食品工業(yè)至今已有70年左右的歷史。在很多防腐領(lǐng)域尼泊金酯和尼泊金酯鈉已經(jīng)可以基本取代苯甲酸和苯甲酸鈉了。尼泊金酯最大的缺點是水溶性很低，但隨著尼泊金酯鹽衍生物(如尼泊金酯鈉)的開發(fā)和應(yīng)用,尼泊金

24、酯這一缺陷將成為歷史，預(yù)計尼泊金酯和尼泊金酯鈉可能成為世界上用量最大的食品防腐劑之一。市場需求分析得到：醬油產(chǎn)量500萬噸/年,醬類100萬噸/年,醬菜類200萬噸/年，加上其他行業(yè)全國防腐劑用量達(dá)2萬噸/年,其中僅在化妝品行業(yè)全國每年的需求量就超過了50噸，前景十分廣闊。按一般添加量計算:l 醬油行業(yè):尼泊金酯用量750噸/年l 醬菜行業(yè):尼泊金酯用量450噸/年l 肉制品行業(yè):尼泊金酯用量1500噸/年l 乳飲料行業(yè):尼泊金酯用量300噸/年l 海鮮制品:尼泊金酯用量1000噸/年19碳酸飲料、豆制品、啤酒、低度酒等行業(yè)作為潛在行業(yè)存在。防腐劑的世界市場1992年為2億美元，年增長率為4.

25、1，1997年達(dá)到2.4億美元，2002年將達(dá)到3億美元。1991年，美國共消費3.8萬噸防腐劑，價值1.85億美元，人均使用量達(dá)到200g/a。中國的年產(chǎn)量約為2萬噸，人均使用量不足10g/a，美國對其的用途大致分為，飲料占30，乳品占25，方便食品占20，其他占255。圖2.1 2007-2012年中國尼泊金酯行業(yè)需求情況見下圖表：2.3 國內(nèi)外貿(mào)易現(xiàn)狀尼泊金酯是公認(rèn)的抑菌廣泛，效果顯著的食品防腐劑。目前我國在食品工業(yè)中應(yīng)用的尼泊金系列酯還不多，主要是甲酯等短鏈酯；而美國、歐洲等國則主要使用尼泊金甲酯、乙酯和丙酯；日本主要使用的是尼泊金丁酯。2.3.1 市場份額統(tǒng)計尼泊金酯主要國家和地區(qū)概

26、況圖2.2 2012年全球尼泊金酯市場分布圖（按產(chǎn)量分） 圖2.3 2012年我國尼泊金酯產(chǎn)業(yè)主要地區(qū)概況（按企業(yè)數(shù)量分） 2.4 發(fā)展趨勢尼泊金酯幾十年前就被應(yīng)用于食品和藥品行業(yè),但由于水溶性差的缺陷,尼泊金酯在食品工業(yè)的應(yīng)用一直受到很大的限制17。隨著技術(shù)水平的不斷先進(jìn)，可以利用尼泊金酯對位酚基的酸性生產(chǎn)出不同于尼泊金酯的尼泊金酯鹽，該鹽極易溶于水，但起抗菌作用的還是分子態(tài)的尼泊金酯，是值得在食品工業(yè)推廣應(yīng)用的防腐劑。尼泊金酯是公認(rèn)的抑菌廣泛，效果顯著的食品防腐劑。目前我國在食品工業(yè)中應(yīng)用的尼泊金系列酯還不多，主要是甲酯等短鏈酯；而美國、歐洲等國則主要使用尼泊金甲酯、乙酯和丙酯；日本主要使

27、用的是尼泊金丁酯。 食品防腐劑發(fā)展趨勢有以下幾種，即防腐劑品種多樣化,使用微量化和應(yīng)用技術(shù)制劑化。尼泊金酯分子中含有親水活性基團(tuán)酚基，通過改造，可以在很大程度上提高尼泊金酯的水溶性，彌補(bǔ)尼泊金酯在應(yīng)用上的缺陷。此外，可以根據(jù)不同鏈長的烷基醇，可以開發(fā)出同一系列的產(chǎn)品,尤其是長鏈尼泊金酯系列產(chǎn)品。通過一系列尼泊金酯類防腐劑間的復(fù)配作用，可以制備出不同食品專用的防腐劑。因此,產(chǎn)品系列化是尼泊金酯類防腐劑不可避免的發(fā)展方向,在產(chǎn)品系列化的同時，又可以實現(xiàn)防腐劑使用微量化的目標(biāo)；其次是產(chǎn)品的改性技術(shù)和復(fù)配技術(shù)不僅能夠克服尼泊金酯的水溶性缺陷和增加穩(wěn)定性,而且可以提高其抑菌活性，使產(chǎn)品使用滿足微量化和專

28、業(yè)化8。第3章 工藝路線3.1 合成路線目前生產(chǎn)對羥基苯甲酸丁酯的合成路線僅有一種，即用對羥基苯甲酸和正丁醇為原料，選用不同的催化劑，發(fā)生酯化反應(yīng)生成對羥基苯甲酸丁酯，其反應(yīng)式為： 本研究的傳統(tǒng)催化劑為濃硫酸，為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需要，多年來研究者對催化劑的催化性能做了很多研究，逐漸開發(fā)出來很多種催化劑?？偨Y(jié)出來，合成對羥基苯甲酸丁酯的催化劑主要有固體酸催化劑、磺酸催化劑、無機(jī)鹽及氧化催化劑及維生素c9，10催化劑等分為以下幾種： （1）硫酸：催化合成對羥基苯甲酸丁酯，該方法可得到純度較高的對羥基苯甲酸丁酯，但由于濃硫酸具有很強(qiáng)的腐蝕性，會嚴(yán)重腐蝕反應(yīng)設(shè)備，而且對環(huán)境的污染較大； （2）固體酸催

29、化劑：與濃硫酸作為催化劑相比,這些新型催化劑具有后處理簡單方便，容易分離、無廢液排放，對環(huán)境危害小，無腐蝕性，可重復(fù)使用等優(yōu)點,因此將越來越受到人們的關(guān)注。新成果包括結(jié)晶硫酸鐵,濃硫酸(微波輻照)固體超強(qiáng)酸la3+-so42-/tio2-fe2o3催化劑,tisiw12o40/tio2,so42-/膨潤土,磷鎢、硅鎢雜多酸，so42-/tio2凹凸捧土等新型催化劑。但固體酸催化劑的制備工藝相對較為復(fù)雜，在一定程度上限制了其應(yīng)用； （3）磺酸催化劑：磺酸催化劑具有價格便宜、容易制備、性能穩(wěn)定，方便運(yùn)輸、保管和使用等優(yōu)點，此外難溶于有機(jī)溶液，能夠循環(huán)利用，對設(shè)備腐蝕性小，不存在副反應(yīng)，收率高，是一

30、種發(fā)展前途非常廣闊的新型催化劑；（4）無機(jī)鹽及氧化物催化：levis酸屬于無機(jī)物，它們價格實惠，容易制備。由于levis酸的金屬原子中有一些空軌道，它們可以和羧酸中的羰基氧配位，因此具備了催化酯化的能力。使用這類催化劑，對設(shè)備幾乎沒有腐蝕性，環(huán)境污染也小，催化劑的使用量少，它可以作為某些酯化反應(yīng)的良好催化劑。但由于無機(jī)鹽容易潮解，會影響其催化的效果，且操作較為復(fù)雜；（5） 維生素： 維生素具有一定的酸性，能催化合成了縮醛（酮）和乳酸酯，是第一次利用維生素為催化劑的實例。維生素c價格便宜，來源廣泛，催化活性較好，并且制備工藝較為簡單,沒有毒、沒有污染、沒有腐蝕性,在尼泊金酯合成中有較廣闊的應(yīng)用前

31、景，同時這項研究為國內(nèi)維生素c的應(yīng)用提供了新的領(lǐng)域。 對近年來國內(nèi)外對催化合成對羥基苯甲酸丁酯的催化劑進(jìn)行了分析與比較，同時根據(jù)近年來綠色化學(xué)的不斷深入和環(huán)保工作的不斷重視，這更是引發(fā)了化工行業(yè)中相關(guān)催化劑的研究探索。在很多文獻(xiàn)中都提到了不少新型催化劑，它們都屬于環(huán)境友好型催化劑(如氨基磺酸、強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂、固體超強(qiáng)酸、雜多酸和維生素c等)，對環(huán)境無害無毒，此外，其中有一部分還可循環(huán)使用，這更激勵不少學(xué)者們更加深入和深刻對它們進(jìn)行研究和篩選，希望可以找到合成對羥基苯甲酸丁酯的最理想的催化劑。3.2 合成工藝3.2.1 傳統(tǒng)工藝傳統(tǒng)的合成工藝是間歇操作，即將對羥基苯甲酸，正丁醇和濃硫酸分別

32、加入反應(yīng)釜，開動攪拌，加熱回流，至反應(yīng)完全為止，停止通入蒸汽，冷卻，結(jié)晶，過濾濾餅用5碳酸鈉溶液和水洗至中性，烘干后得到對羥基苯甲酸丁酯產(chǎn)品。如圖所示：產(chǎn)品結(jié)晶釜正丁醇，對羥基苯甲酸，環(huán)己烷，濃硫酸 反應(yīng)釜 圖3.1 工藝流程簡圖3.3 路線及工藝選擇3.3.1 合成路線 通過閱讀大量的文獻(xiàn)可以看出，目前對羥基苯甲酸丁酯的合成路線幾乎均采用傳統(tǒng)的直接酯化法合成。其他的合成路線都尚在開發(fā)研究階段，還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。本文以正丁醇和對羥基苯甲酸為原料，采用濃硫酸為催化劑合成對羥基苯甲酸丁酯。因為別的新型催化劑還在實驗室中進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，尚且不能應(yīng)用到現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中。這里選用濃度為98的硫酸

33、進(jìn)行催化反應(yīng)，并用環(huán)己烷作為帶水劑。3.3.2 合成工藝本設(shè)計采用傳統(tǒng)合成工藝，即反應(yīng)在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行，然后過濾結(jié)晶制得對羥基苯甲酸丁酯通過酯化反應(yīng)制得，采用的技術(shù)路線會直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)率及純度。文獻(xiàn)中提到的現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)路線幾乎都是先反應(yīng)再分離提純的間歇生產(chǎn)路線，通過閱讀大量資料發(fā)現(xiàn)使用反應(yīng)釜十分適合對羥基苯甲酸丁酯的合成。本研究擬采用反應(yīng)釜來合成對羥基苯甲酸丁酯。3.4 設(shè)計部分3.4.1 產(chǎn)品介紹對羥基苯甲酸丁酯商品名稱：尼泊金丁酯分子式c11h14o3cas：94-26-8物化性能：白色晶體，有特殊氣味，易溶于醇，醚等，難溶于水。用途：主要用于有機(jī)合成中間體，醫(yī)藥、食品、化妝品等的防腐劑

34、和殺菌劑。包裝:：25kg/紙板桶，內(nèi)襯聚乙烯袋對羥基苯甲酸丁酯又稱尼泊金酯，是目前世界上用途最廣、用量最大、應(yīng)用頻率最高的一系列防腐劑，具有高效、低毒、廣譜、易配伍等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于日化、醫(yī)藥、食品、飼料及各種工業(yè)防腐方面，也是有機(jī)合成中間體。食品防腐、殺菌是其主要用途，是我國重點發(fā)展的替代苯甲酸鈉等食品防腐劑的產(chǎn)品之一，在對羥基苯甲酸酯類中以丁酯的抗菌作用最強(qiáng)。雖然我國的尼泊金酯研究開發(fā)應(yīng)用較晚，但目前已成為防腐、滅菌等研究的熱門課題之一，其中以對羥基苯甲酸丁酯的合成研究最受人關(guān)注。目前我國使用的防腐劑仍以苯甲酸鈉為主，而一些發(fā)達(dá)國 家已經(jīng)禁止使用苯甲酸鈉作為食物防腐劑。尼泊金酯與傳統(tǒng)的苯

35、甲酸、山梨酸等 防腐劑相比，具有高效、低毒、易配伍、使用 ph 范圍寬等特點，是我國重點發(fā) 展的食品防腐劑之一。 尼泊金酯殺菌、抑菌作用隨著醇烴基碳原子數(shù)的增加而增加，如尼泊金辛酯 對酵母菌發(fā)育的抑制作用是丁酯的50倍，比乙酯強(qiáng) 200 倍左右；而在水中的溶 解度則隨著醇烴基碳原子數(shù)的增加而降低；另外，碳鏈愈長，毒性愈小，用量愈 少。通常的作法是將幾種產(chǎn)品混合使用，提高溶解度，并通過增效作用提高其防 腐能力。 就目前而言， 國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品都是一些低碳醇酯， 如尼泊金甲酯、 乙酯、 丙酯與丁酯等，對一些長碳鏈酯，如庚酯、辛酯、壬酯等，國內(nèi)尚未生產(chǎn)。因此， 對該類產(chǎn)品的系列化研究非常重要。目前，在

36、精細(xì)化工領(lǐng)域研究、開發(fā)新型尼泊 金酯異常活躍，根據(jù)我國今后精細(xì)化工的發(fā)展方向，預(yù)計尼泊金酯類將有很大的發(fā)展。 3.4.2 原料簡介（1） 正丁醇無色、有特殊氣味的液體，分子量為74.12，沸點為117.7，熔點-88.9，相對密度（相對于水）為0.81；微溶于水，易溶于乙醇，醚等多種溶劑。是多種涂料的溶劑和制增塑劑鄰苯二酸丁二酯的原料，也用于制造丙烯酸丁酯，醋酸丁酯等，還用于制造表面活性劑。（2）對羥基苯甲酸（俗稱：尼泊金酸）分子式：c7h6o3結(jié)構(gòu)式：cas號:99-96-7分子量：138.13密度：1.443g/cm熔點：199性狀：無色至白色棱柱結(jié)晶體。易溶于乙醇，能溶于乙醚，丙酮等，微

37、溶于水，不溶于二氧化碳。有毒，有刺激性，應(yīng)密封避光保存。用途：是用途廣泛的有機(jī)合成原料，特別是其酯類，包括對羥基苯甲酸甲酯，乙酯，丙酯等，可做食品添加劑，還廣泛用于食品、化妝品、藥品的防腐、防霉劑和殺菌劑等方面。（3）環(huán)己烷（cyclohexane） 分子式：c6h12結(jié)構(gòu)式：分子量：84.16性狀：有汽油氣味的無色流動性液體。不溶于水，可與乙醇、乙醚、丙酮、苯等多種有機(jī)溶劑混溶，在甲醇中的溶解度為100份甲醇可溶解57份環(huán)己烷（25）。密度（25）：0.7739 g/cm3 ; 熔點（）：6.5 ; 沸點（）：80.7; 閃點（）：-18（閉式）; 折射率：1.4264用途：主要用于制備環(huán)己

38、醇和環(huán)己酮，也用于合成尼龍6。在涂料工業(yè)中廣泛用作溶劑。是樹脂、脂肪、石蠟油類、丁基橡膠等的極好溶劑。3.4.3 工藝流程設(shè)計 采用直接酯化法值得對羥基苯甲酸丁酯，方法簡單，流程短，工藝技術(shù)純熟，節(jié)約設(shè)備成本和能耗。采用濃硫酸作為催化劑，在反應(yīng)釜中進(jìn)行，同時使用環(huán)己烷作為帶水劑。具體工藝流程圖如下：正丁醇，對羥基苯甲酸，環(huán)己烷，濃硫酸結(jié)晶釜分水器 反應(yīng)釜 精餾塔環(huán)己烷、水分層正丁醇、環(huán)己烷回收利用過濾 產(chǎn)品烘箱烘干堿洗、水洗 圖3.2工藝流程示意圖（1）反應(yīng)機(jī)理濃硫酸催化酯化反應(yīng)的機(jī)理如下： （2）催化劑說明以濃硫酸催化酯化反應(yīng)制備尼泊金酯工藝需要加環(huán)己烷作為共沸脫水劑。這一方法可以解決對羥基

39、苯甲酸能夠獲得較高的酯化率，且生產(chǎn)工藝也比較純熟，技術(shù)比較成熟。但是存在的缺點是：會伴隨氧化、硫化等副反應(yīng)的發(fā)生,這使產(chǎn)品顏色較深,純度不是很高；后處理比較復(fù)雜；會造成一定的環(huán)境污染。因此，在使用過程中應(yīng)注意環(huán)境污染問題。3.4.4工藝流程簡述在反應(yīng)釜中加入1085.85kg對羥基苯甲酸、1748.11kg正丁醇、105.32kg濃硫酸和66.16 kg環(huán)己烷，在105下回流反應(yīng)4小時。待反應(yīng)液停止后，將反應(yīng)液馬上送進(jìn)結(jié)晶釜中，冷卻，結(jié)晶，過濾，然后用5%的nahco3將濾餅中和至7-8，送至干燥塔烘干，得到產(chǎn)品；同時將含有正丁醇的濾液送至蒸餾塔回收丁醇。第四章 能量衡算4.1 物料衡算（1）

40、原理物料衡算的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律，對于連續(xù)穩(wěn)定過程，物料衡算的方程是：m=m出 (4-1)即：初始輸入量=最終輸出量對不連續(xù)過程，物料衡算的方程為： m=m出+m累積 (4-2)即：初始輸入量+生成輸入量=最終輸出量+消耗量（2）方法本設(shè)計屬于間歇式反應(yīng)，采用第二種計算方法。（3）a 收集數(shù)據(jù)： 原料，產(chǎn)品規(guī)格 過程單位時間的物流量 有關(guān)消耗定額 有關(guān)轉(zhuǎn)化率，選擇性，單程收率b畫物料流程圖，確定衡算對象，根據(jù)題目要求它可以是總物料某個組分某個元素等；c 確定衡算范圍，根據(jù)題目要求它可以是一個系統(tǒng)一個車間某個設(shè)備，某個設(shè)備的局部等；d 確定衡算基準(zhǔn)：根據(jù)題目要求它可以是單位質(zhì)量單位時間等；e

41、 列出輸入輸出物料平衡表物料衡算它是指進(jìn)入一個裝置（或設(shè)備）的主物料的量（包括損失量）和系統(tǒng)內(nèi)部積累起來的物料的量。對于有化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)，可表示為：物料輸入量=物料輸出量生產(chǎn)量+物料消耗量積累量。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時為：物料輸入量=物料輸出量本流程涉及的化工操作包括反應(yīng)釜、分離提純和精餾等。表4.1 原料及產(chǎn)品的物性數(shù)據(jù)名稱密度(kg/m3) 摩爾質(zhì)量(g/mol) 沸點()純度(%)25比熱容 j/(mol.k)對羥基苯甲酸1443138.13無99.8180.64正丁醇81074.12117.599.9174.18對羥基苯甲酸丁酯1168194.23356.51699.7334.27水10

42、0018.01100420碳酸氫鈉98%表4.2 反應(yīng)參數(shù)表酸醇比酯化濃硫酸用量環(huán)己烷對羥基苯甲酸總收率溫度用量轉(zhuǎn)化率01:04.105占酸質(zhì)量1.06%與對羥基苯甲酸摩爾量一致98%83.84%一年生產(chǎn)對羥基苯甲酸300噸，按年工作日300天計算，則對羥基苯甲酸丁酯每天的產(chǎn)量為 300300=1 t/d設(shè)計每批物料反應(yīng)時間為4h，每天生產(chǎn)8h則每天剛好分2批進(jìn)行生產(chǎn)，每批產(chǎn)量為：1/2=0.5 t4.1.1反應(yīng)釜物料衡算（1）對羥基苯甲酸：每批產(chǎn)物的物質(zhì)的量為：0.5 106 99.7% / 194.23= 2566.54 mols = np /（na，in - na，out） 100%即8

43、5.3% = 2566.54/（na，in - na，out） 100%所以對羥基苯甲酸反應(yīng)實際耗量：na，in - na，out=3008.84 mol3008.84 138.13 10-3=415.61kgxa = （na，in - na，out）/na，in 100%即98% = 3008.84 / na，in 100%所以：na，in = 3070.24 mol對羥基苯甲酸的進(jìn)料量為： 3070.24138.12 / 99.8%10-3= 424.91kg對羥基苯甲酸的出料量為：（3070.24-3008.84）138.1310-3 = 8.48kg（2） 正丁醇：因為進(jìn)料酸醇比為：1

44、:3.5所以正丁醇的進(jìn)料量為：3070.243.574.12/ 99.9%10-3= 797.28kg正丁醇反應(yīng)實際耗量：74.12（424.91-8.48）/138.12=223.47kg所以正丁醇的出料量為： 797.28-223.47= 573.81kg（3）濃硫酸：因為催化劑用量占酸質(zhì)量的1.06%所以濃硫酸的進(jìn)料量為 ：（424.91-8.48）1.06%/98%=4.50kg假設(shè)反應(yīng)過程不消耗催化劑，濃硫酸的出料量也為4.50kg（4）環(huán)己烷：因為環(huán)己烷的摩爾量等于對羥基苯甲酸的摩爾量。所以環(huán)己烷進(jìn)料量為：3070.24 / 99.0% 84.16 10-3= 257.60 kg假

45、設(shè)環(huán)己烷能完全回收，環(huán)己烷出料量也為257.60kg(5）進(jìn)料物中雜質(zhì)量： 424.91 （1- 99.8%）+797.28（1- 99.9%）+ 4.50 （1- 98%）+ 257.60 1-99%）= 4.31kg（6）出料物中雜質(zhì)量（包括原料不純帶入的物質(zhì)）：1424.91+ 797.28- 8.48- 573.81-0.5 103 = 139.9kg其中水量為：223.4718/74.12=54.27kg（7）表4.3 物料衡算表進(jìn)料 出料名稱質(zhì)量（kg）名稱質(zhì)量（kg）對羥基苯甲酸424.91對羥基苯甲酸8.48正丁醇797.28正丁醇573.81環(huán)己烷257.6環(huán)己烷257.6硫

46、酸4.5硫酸4.5對羥基苯甲酸丁酯500雜質(zhì)139.9總量1484.29總量1484.29m進(jìn) = m出 （4-3）4.1.2分水器物料衡算分水器的作用主要是出去反應(yīng)過程中生成的水，又因為物料中有環(huán)己烷作為帶水劑，它與環(huán)己烷在61左右會形成共沸物，于是會和水一起被分水器除去一部分。假設(shè)反應(yīng)完成后分水器除去了混合物中50的水和100的環(huán)己烷。4.1.3結(jié)晶釜物料衡算 結(jié)晶釜中只是物料的狀態(tài)發(fā)生了改變，物料的含量和多少并沒有改變，所以不再進(jìn)行計算。4.1.4精餾塔物料衡算 假設(shè)從反應(yīng)釜出來后的物料經(jīng)過分水器除去了40的水和100環(huán)己烷，經(jīng)過結(jié)晶釜后。產(chǎn)物對羥基苯甲酸丁酯被完全分離出來，且剩余的對羥

47、基苯甲酸和除水以外的雜質(zhì)都不存在，則進(jìn)入精餾塔內(nèi)的物料只有正丁醇和水，進(jìn)行物料衡算如下：假設(shè)精餾后，釜液中的正丁醇的含量為98，餾出液中正丁醇的含量是2，則根據(jù)物料衡算式：f=d+w （4-4）已知f=634.17kg/h xd=98xw=2因為： d/f=（xf-xw)/(xd-xw) （4-5)可以得出：d=0.078f=0.078*634.17=49.46kg w=593.71kg 因此w=w(正丁醇）+（水）=d+f （4-6)4.2熱量衡算4.2.1熱量衡算的原理化工生產(chǎn)過程中往往伴隨有能量的變化，特別是反應(yīng)過程，為了維持反應(yīng)在一定溫度下得以進(jìn)行，常有熱量輸出和輸入。因而能量衡算也可

48、以說是化工設(shè)計中極為重要的組成部分。通常能量衡算以熱力學(xué)第一定律為依據(jù)，是電能、熱能、動能、化學(xué)能、輻射能的總稱。而在化工生產(chǎn)中最常用到的能量以熱能形式出現(xiàn)，故化工設(shè)計中常把能量計算也稱為熱量計算。熱量計算與設(shè)備計算的關(guān)系非常密切，因此經(jīng)常將熱量放在設(shè)備工藝計算內(nèi)同時進(jìn)行。一般在物料計算后先粗算一個過程的設(shè)備臺數(shù)大小，設(shè)定一個基本形式和傳熱形式，然后進(jìn)行該設(shè)備的熱量計算，如熱量計算的結(jié)果與設(shè)備形式、大小有矛盾，則必須重新設(shè)計設(shè)備的大小和形式或加上適當(dāng)?shù)母郊?，以使設(shè)備既能滿足物料衡算的要求又能滿足熱量衡算的要求。4.2.2熱量衡算過程生產(chǎn)對羥基苯甲酸丁酯的主要設(shè)備有反應(yīng)釜、常規(guī)精餾塔、結(jié)晶釜和泵

49、等。輸入整個生產(chǎn)系統(tǒng)的能量主要有電能、加熱劑帶入的能量和進(jìn)入物料的焓；輸出的能量有冷卻劑帶走的能量和輸出物料的焓。根據(jù)能量守恒定律：輸入系統(tǒng)的能量=輸出系統(tǒng)的能量+系統(tǒng)積累的能量 （4-7)對于連續(xù)生產(chǎn)，系統(tǒng)積累的能量為0，所以有，q+w=hout-hinq系統(tǒng)的換熱量，即與加熱劑或冷卻劑的換熱量w輸入系統(tǒng)的機(jī)械能hin進(jìn)入系統(tǒng)的物料的焓hout離開系統(tǒng)的物料的焓（1）原料帶入設(shè)備的熱量設(shè)進(jìn)料溫度為25，反應(yīng)終止出料溫度為105根據(jù)化工數(shù)據(jù)中的對應(yīng)狀態(tài)法估算25（298.15k）時，cp（正丁醇）=2.35kj/（kgk)cp（硫酸）=1.43kj/( kgk)cp（對羥基苯甲酸）=180.6

50、4j/(molk)cp（環(huán)己烷）=153.5j/(molk)正丁醇帶入設(shè)備的熱量：q=gcpt=797.28 2.35 298.15 = 558616.23kj硫酸帶入設(shè)備的熱量：q=gcpt=4.5 1.43 298.15= 1918.60 kj對羥基苯甲酸帶入設(shè)備的熱量：q=gcpt=424.91 180.64 298.15 / 138.13= 165675.27 kj環(huán)己烷帶入設(shè)備的熱量：q=gcpt= 257.60 153.5 298.15/84.16=140082.32 kj物料帶入設(shè)備的總熱量q1q1=558616.23+1918.60+165675.27+140082.32=866292.42kj（2）物料帶出設(shè)備的熱量q4根據(jù)化工數(shù)據(jù)中的對應(yīng)狀態(tài)法估算105（378.15k）時，cp（正丁醇）=3.22kj/（kgk)cp（硫酸）=1.49kj/( kgk)cp（對羥基苯甲酸）= 198.42j/(molk)cp（環(huán)己烷）=195.5 j/(molk)cp（對羥基苯甲酸丁酯）=1.841 kj/( kgk)cp（水）=4.209 kj/( kgk)未轉(zhuǎn)化正