300噸/年鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)摘要鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚可用于合成熒光增白劑，例如它是2,5雙[5-叔丁基-2-苯并惡唑基]噻吩的關(guān)鍵中間體。它還可用于合成MN,EFT,ER,ERM等產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)從鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚的用途以及生產(chǎn)其原料性質(zhì)開始，設(shè)計(jì)生產(chǎn)鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚的初步工藝設(shè)計(jì)：通過查找鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚的相關(guān)文獻(xiàn)，篩選出較為適宜的合成方法及催化劑等。在此設(shè)計(jì)中，采用催化加氫還原鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚的方法，此方法較傳統(tǒng)的用硫化堿來還原的方法更為的綠色環(huán)保，且工藝更加簡單。我設(shè)計(jì)了年產(chǎn)300噸的鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚生產(chǎn)車間，完成了大致的工藝流程和廠房布置設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，采用無水乙醇為溶劑，以Ni/TiO2為催化劑，催化加氫還原鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚制得鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚，分離提純得到高純度的產(chǎn)品。關(guān)鍵詞：鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚、鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚、催化加氫、工藝設(shè)計(jì)Abstract2-Amino-4-tert-butylphenolcanbeusedinthesynthesisoffluorescentbrighteners,forexampleasakeyintermediateof2,5-Bis(5-tert-butyl-2-benzoxazolyl)thiophene.ItcanalsobeusedtosynthesizeMN,EFT,ER,ERMandotherproducts.Thisdesignstartsfromtheuseof2-Amino-4-tert-butylphenolandthepropertiesofitsrawmaterials,anddesignsthepreliminaryprocessdesignfortheproductionof2-Amino-4-tert-butylphenol:throughsearchingrelevantliteraturesof2-Amino-4-tert-butylphenol,arelativelysuitablesynthesismethodandcatalystareselected.Inthisdesign,catalytichydrogenationisadoptedtoreduce2-Nitro-4-tert-butylphenol,whichismoreenvironmentallyfriendlyandsimplerthanthetraditionalmethodofreductionbyalkalisulfide.Idesignedtheproductionworkshopwithanannualoutputof300tonsof2-Amino-4-tert-butylphenol,andcompletedthegeneralprocessflowandplantlayoutdesign.Inthisdesign,anhydrousethanolwasusedasthesolventandNi/TiO2asthecatalysttocatalyzethehydrogenationreductionof2-Nitro-4-tert-butylphenoltoproduce2-Amino-4-tert-butylphenol,whichwasseparatedandpurifiedtoobtainhighpurityproducts.Keywords:2-Amino-4-tert-butylphenol,2-Nitro-4-tert-butylphenol,catalytichydrogenation,ProcessDesign目錄摘要 原料與產(chǎn)品的概述1.1主要原料的性質(zhì)和用途鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚的制備采用以雷尼鎳為催化劑的作用下，通氫氣進(jìn)入鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚和酒精的混合溶液中，升溫至75-85℃氫化還原得到鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚。其中酒精濃度為95%，氫氣純度99.9%。鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚的性質(zhì)：CASNo:3279-07-0EINECS號(hào)：221-914-8分子式：C10H13NO3分子量：195.2151熔點(diǎn)：27-29℃沸點(diǎn)：262.6℃閃點(diǎn)：107.5℃密度：1.173g/cm3鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚是淡黃色晶體，不溶于水，溶于大部分有機(jī)溶劑，例如乙醇，甲醇等鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚的用途：經(jīng)還原后，可用于生產(chǎn)一系列高檔熒光增白劑，如熒光增白劑OB等氫氣的性質(zhì)：CASNo:1333-74-0EINECS號(hào)：215-605-7分子式：H2分子量：2.01588熔點(diǎn)：-259℃沸點(diǎn)：-253℃閃點(diǎn)：可燃?xì)怏w密度：0.0899g/L氫氣是無色無味的氣體，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下密度是0.09克/升，是已知的最輕的氣體，難溶于水。在-252℃,變成無色液體,-259℃時(shí)變?yōu)檠┗罟腆w。在常溫時(shí)其化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定。但在點(diǎn)燃，加熱，使用催化劑等條件時(shí)，如氫氣被鈀或鉑等金屬吸附后具有較強(qiáng)的活性。氫氣雖然無毒，但卻有窒息性，還有易燃易爆性。如果氫氣燃燒時(shí)有爆鳴聲，則說明氫氣不純，容易發(fā)生爆炸。氫氣的用途：可用作合成氨、甲醇、鹽酸的原料，還可用做還原劑、脫硫劑等。在生物學(xué)中還是毒性自由基的良好清除劑。在醫(yī)學(xué)中，氫氣還對(duì)器官缺血再灌注損傷和炎癥相關(guān)疾病有良好的治療效果。在化工領(lǐng)域中，氫氣還是一種良好的清潔能源，還可作示蹤劑等等。乙醇的性質(zhì)：CASNo:64-17-5EINECS號(hào)：200-578-6分子式：C?H?O分子量：46.07熔點(diǎn)：-114℃沸點(diǎn)：78℃閃點(diǎn)：13℃，閉口閃點(diǎn)密度：789kg/m3（20℃）乙醇無色透明的液體，有特殊香味，易揮發(fā)。低毒性，極易溶于水，可溶于醚類，甲醇，丙酮，甘油，氯仿等多數(shù)有機(jī)溶劑。乙醇有很強(qiáng)的潮解性，可吸收空氣中的水分。羥基的極性使得許多的離子化合物可溶于乙醇，例如氯化鈉，溴化銨，氫氧化鈉等。烴基的非極性也使得其可溶解部分非極性物質(zhì)，例如大部分香精油，增味劑，增色劑和醫(yī)藥試劑。乙醇的用途：乙醇是一種良好的有機(jī)溶劑，洗滌劑，萃取劑，粘合劑，脫漆劑，防凍劑，消毒劑等。乙醇還是酒的主要成分，也是一種常見的有機(jī)原料，還可作為燃料，改善油品，減少碳排放。1.2產(chǎn)品的性質(zhì)及用途鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚的性質(zhì)：物理性質(zhì)①白色至灰白色結(jié)晶粉末。②溶解性：溶于乙醇、乙醚和氯仿，難溶于苯，幾乎不溶于冷水③熔點(diǎn)：160~164℃④沸點(diǎn)：274.℃（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）⑤閃點(diǎn)：120.1℃化學(xué)性質(zhì)①一般情況下穩(wěn)定，會(huì)被強(qiáng)氧化劑氧化，應(yīng)避免與強(qiáng)氧化劑接觸。②由于氨基和羥基的存在，使得鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚應(yīng)避免與?；取⑺狒?、酸類、氯仿等直接接觸。③氨基可重氮化制重氮染料④遇明火，高熱可燃，受熱分解會(huì)放出有毒的氧化氮煙氣，燃燒產(chǎn)物有一氧化氮、二氧化碳、氧化氮。鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚的用途：可作為合成熒光增白劑2,5雙[5-叔丁基-2-苯并惡唑基]噻吩的關(guān)鍵中間體還可用于農(nóng)藥、染料、感光材料等的生產(chǎn)。2生產(chǎn)流程2.1生產(chǎn)方案選擇及原理2.1.1合成機(jī)理選擇反應(yīng)得到鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚有幾種不同的反應(yīng)機(jī)理：還原鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚；苯胺重氮化后和與對(duì)叔丁基苯酚耦合。苯胺重氮化后和與對(duì)叔丁基苯酚耦合這一工藝操作煩瑣,路線長,成本高,因?yàn)椴捎弥氐詈瞎に?污染嚴(yán)重。而采用還原劑還原鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚，污染小，操作簡答。[1]2.1.2原料的選擇還原劑的選擇：早期使用硫化堿來還原鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚，用硫化堿來還原收率低污染重，而用氫氣做還原劑提高了收率減小了污染。[2]催化劑的選擇：Ni/TiO2催化劑的Ni負(fù)載量對(duì)鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚加氫反應(yīng)有較大的影響,隨Ni負(fù)載量的增加,催化劑活性明顯提高,反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性逐漸增加，當(dāng)Ni負(fù)載量達(dá)到20%以后,轉(zhuǎn)化率和選擇性的增加不明顯。綜合考慮,Ni負(fù)載量為20%最佳。溶劑的選擇：查閱資料可得，乙醇和正丁醇對(duì)鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚的轉(zhuǎn)化率和鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚的選擇性較高，這里我們采用乙醇作為溶劑。2.1.3反應(yīng)條件的選擇[3]反應(yīng)溫度的選擇：查閱資料可得，隨反應(yīng)溫度的升高,反應(yīng)時(shí)間縮短,反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性都逐步提高,反應(yīng)溫度到達(dá)70℃時(shí)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性都達(dá)到了最高值。當(dāng)反應(yīng)溫度低于70℃時(shí),由于反應(yīng)溫度過低,催化劑活性不高,導(dǎo)致反應(yīng)不能順利進(jìn)行;當(dāng)反應(yīng)溫度高于70℃時(shí),反應(yīng)速率較快,但副反應(yīng)增多,選擇性明顯下降。因此,最佳的反應(yīng)溫度為70℃。壓力的選擇：查閱資料可得，隨著反應(yīng)壓力的上升，催化活性在不斷上升，到0.05MPa以上其上升趨勢(shì)變快，而且鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚選擇性隨反應(yīng)壓力的上升總體呈下降趨勢(shì)，到0.10MPa以上其上升趨勢(shì)變快，因而其適宜反應(yīng)壓力為0.10MPa。攪拌轉(zhuǎn)速的選擇：查閱資料可得，隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大,反應(yīng)時(shí)間明顯縮短,反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性逐漸提高,當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速達(dá)到I000r/min時(shí),反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性達(dá)到最高值;當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速超過1000r/min時(shí)轉(zhuǎn)化率和選擇性已無明顯變化,故最佳攪拌轉(zhuǎn)速為1000r/min。乙醇與反應(yīng)物的質(zhì)量比的選擇：查閱資料可得，隨溶劑比的增加，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性逐漸提高,當(dāng)溶劑比達(dá)到2.0:1時(shí),轉(zhuǎn)化率和選擇性都達(dá)到了最高值。溶劑比過大不僅增加了原料成本，也降低了生產(chǎn)能力,不符合生產(chǎn)需要。故最佳的溶劑比為2.0:1。2..2反應(yīng)原理鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚在Ni/TiO2催化劑的作用下催化加氫，得到鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚，溫度為70℃，壓力為0.1MPa:C10H13NO3+3H2催化劑、△C10H15N0+2H2O2.3工藝流程2.3.1生產(chǎn)流程在氫化反應(yīng)釜中加入鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚和乙醇，混合均勻后，加入催化劑后密閉，氮?dú)庵脫Q三次，氫氣置換三次后升溫至70-75℃，保持壓力0.1-0.2MPa，不斷通入氫氣至不再吸氫，繼續(xù)保溫一小時(shí)，降溫至室溫，排出氫氣，氮?dú)庵脫Q后放入過濾釜過濾，過濾后殘?jiān)厥眨逡箟喝虢Y(jié)晶釜冷卻結(jié)晶，溫度控制在0℃左右，結(jié)晶放入離心機(jī)離心分離，母液收集到母液儲(chǔ)槽，而鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚進(jìn)入真空干燥機(jī)干燥，最后包裝。而酒精母液可以抽入蒸餾釜回收酒精。剩余的殘?jiān)瓦^濾的殘?jiān)墒占谝黄?，抽入反?yīng)釜內(nèi)，加入活性炭脫色，然后過濾、結(jié)晶、回收二級(jí)品出售。2.3.2工藝條件查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，最佳的生產(chǎn)調(diào)節(jié)為：催化加氫溫度是70℃，壓力為0.1MPa，冷卻結(jié)晶溫度是0℃，乙醇與反應(yīng)物的質(zhì)量比為2：1，攪拌轉(zhuǎn)速為1000r/min。2.3.3工藝流程示意圖3工藝計(jì)算3.1物料衡算生產(chǎn)方式：間歇式生產(chǎn)；基準(zhǔn)為“批”，計(jì)算結(jié)果為kg/B；要達(dá)到年生產(chǎn)300噸，一年按300個(gè)工作日，工作制為三班倒，年工作時(shí)數(shù)為7200小時(shí)，生產(chǎn)一批鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚所需的時(shí)間是6小時(shí)，所以一年可以生產(chǎn)1200批，收率為99%。3.1.1鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚的摩爾數(shù)年產(chǎn)300噸鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚，那么每批99%鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚的產(chǎn)量為：300t÷1200＝250kg/B不含雜質(zhì)的鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚的量為250÷0.99≈252.5253kg/B鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚的分子量為：165g/mol鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚的摩爾數(shù)n＝252.5253÷165×1000≈1530.4564mol3.1.2各原料的用量工業(yè)級(jí)鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚純度為98%,其余2%為雜質(zhì)；工業(yè)級(jí)無水乙醇純度為99.9%，其余0.1%為雜質(zhì)；鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚：W1＝1530.4564×195÷1000≈298.4390Kg/B即工業(yè)級(jí)鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚用量為298.4390÷0.98≈304.5296Kg/BV1＝304.5296÷1.173÷1000≈0.2596m3無水乙醇：W2＝252.5253×2＝505.0506Kg\B即工業(yè)級(jí)無水乙醇用量為505.0506÷0.999≈505.5562Kg/BV2＝505.5562÷789≈0.6408m33.1.3生成水的量W水＝1530.4564×2×18÷1000＝55.0964Kg/B原料中所含雜質(zhì)的量為304.5296×0.02＝6.0906Kg/B3.1.4氮?dú)夂蜌錃獾挠昧繗浠磻?yīng)釜選用1500L的不銹鋼反應(yīng)釜，除氮?dú)馔獾姆磻?yīng)物總體積為0.9004m3，通氫氣前通氮?dú)馊?，反?yīng)完后還需同一次氮?dú)猓偣餐ǖ獨(dú)馑拇?，故氮?dú)庥昧繛?.5996×4＝2.3984m3已知標(biāo)況下氮?dú)饷芏葹?.160Kg/m3那么氮?dú)赓|(zhì)量為1.160×2.3984＝2.7821Kg/B；已知標(biāo)況下氫氣的密度為0.0899g/L用來反應(yīng)的氫氣的物質(zhì)的量為：1530.4564×3＝4591.3692mol反應(yīng)的氫氣的質(zhì)量為4591.3692×2÷1000＝9.1827Kg/B即體積為9.1827÷0.0899≈102.1435m3用來置換的反應(yīng)釜氮?dú)馑璧臍錃怏w積為0.5996m3即質(zhì)量為0.5996×0.0899＝0.0539Kg/B即總的所需的氫氣的質(zhì)量為0.0539+9.1827＝9.2366Kg/B3.2反應(yīng)釜一物料衡算表反應(yīng)釜進(jìn)出料Kg/B進(jìn)料鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚304.5296氫氣9.2366乙醇505.5562合計(jì)819.3224出料鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚252.5253水55.0964廢氫氣+廢乙醇+雜質(zhì)511.7007合計(jì)819.3224反應(yīng)釜過程：表1流入量/Kg流出量/kg鄰硝基對(duì)叔丁基苯酚304.52960氫氣9.23660.0539氮?dú)?.78212.7821乙醇505.5562505.5562鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚0252.5253水055.0964雜質(zhì)06.0906總計(jì)822.1045822.1045在此過程中多余的氫氣和氮?dú)馀懦觯催M(jìn)入下一過程。過濾板過程：表2流入量/Kg流出量/kg鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚252.5253252.27280.2525乙醇505.5562505.05060.5056水55.096455.04130.0551雜質(zhì)6.09066.0906合計(jì)819.2685819.2685在此過程中除去不溶性雜質(zhì)，但有少量損失冷卻結(jié)晶過程：表3流入量/Kg流出量/kg鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚252.2728249.75012.5227乙醇505.0506500.00015.0505水55.041354.49090.5504合計(jì)812.3647812.3647在此過程中使鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚降至0℃冷卻結(jié)晶，同時(shí)有少量乙醇損失離心過程：表4流入量/Kg流出量/kg鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚249.7501247.25262.4975乙醇500.00010.0001500.000水54.490910.898243.5927合計(jì)804.2411804.2411在此過程中除去大部分的乙醇和水，對(duì)離心出來的乙醇溶液進(jìn)行精餾回收，而鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚進(jìn)入干燥器干燥干燥過程：表5流入量/Kg流出量/kg鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚247.2526247.2526水10.898210.8982合計(jì)258.1508258.1508在此過程中除去剩余的乙醇和水。對(duì)鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚進(jìn)行打包。3．3熱量衡算反應(yīng)釜和冷卻結(jié)晶中水的熱量交換：H2O（70oC，l）H2O（30oC，l）H2O（30oC，l）H2O（0oC，l）熱量Q1為反應(yīng)釜中70℃的水降溫到室溫30℃釋放的熱量,熱量Q2為冷卻結(jié)晶器中30℃的水降溫到0℃釋放的熱量。已知水的比熱容為C1=4.2kJ/kg*K那么Q1=C1m1ΔT1=4.2×55.0964×（70-30）=9256.1952kJQ2=C1m2ΔT2=4.2×55.0413×（30-0）=6935.2038kJ蒸餾釜中乙醇的熱量交換：EtOH(0oC，l)EtOH(78oC，l)EtOH(78oC，l)EtOH(78oC，g)已知乙醇的在0℃比熱容C2為2.2348kJ/kg*K，在78℃潛熱為840KJ/kgQ3=C3mΔT3=2.2348×500×78=87157.2KJQ4=840×500=420000KJ此步中熱損失設(shè)為5%，則Q=(Q3+Q4）÷0.95=（87157.2