年产1000吨啶虫脒工艺设计

1 目 录 1.工艺设计基础 1.1 设计任务 .3 1.2 原辅材料性质及技术规格 .4 1.3 产品的性质及技术规格 .4 1.4 危险性物料的主要物性 .5 1.5 原辅材料的消耗定额 .6 2.工艺说明 2.1生产方法、工艺技术路线及工艺特点 7 2.2生产流程简述 7 3.工艺计算与主要设备选型 3.1 物料衡算 .9 3.1.1 计算的基准数据 .10 3.1.2 计算基准 .10 3.1.3 各单元物料衡算 .10 3.2 热量衡算 及设备选型 3.2.1 主要设备选型依据 .17 3.2.2 热量衡算 .17 3.2.3苄胺合成釜选型及能量衡算 .18 3.2.4赶气釜选型及热量衡算 .23 3.2.5萃取釜选型 .24 3.2.6脱溶釜物料选型及热量衡算 .25 3.2.7啶虫脒合成釜选型 .27 3.2.8一甲胺冷凝器热量衡算及选型 .31 3.2.9氯仿热量衡算及选型 .33 4.附图带控制点的工艺流程图（ PID） 2 1.工艺设计基础 1.1 设计任务 设计项目年产 1000 吨啶虫脒生 产工艺设计 产品规格纯度为 99.2的啶虫脒原料。（工艺计算时按纯度 100计） 生产能力 年产 1000吨啶虫脒； 考虑到设备检修，年开工时间为 10个月，每月开工 28天。 产品主要用途 啶虫脒属硝基亚甲基杂环类化合物，是一种新型广谱杀虫剂且具有一定杀螨活性。其作用方式为土壤和枝叶系统杀虫剂，干扰昆虫神经系统突触部位的烟碱乙酰胆碱受体，影响昆虫神经系统的刺激传导，引起神经系统通路阻塞，造成神经递质乙酰胆碱在突触部位的积累，从而导致昆虫麻痹，最终死亡。广泛用于水稻，尤其蔬菜、果树、茶叶的蚜虫、飞虱、蓟马、部 分鳞翅目害虫等的防治。 本设计的内容及意义 传统生产工艺存在产品转化率低，生产规模小，乙醇消耗大，劳动强度大，生产成本高，市场竞争力不强多方面问题。随着啶虫脒市场的扩大，一些生产能力较低的装置已经不能满足市场的需要，而且现有的生产工艺也存在不少问题，各项原材料消耗指标不够完美，因此本工艺设计内容及意义如下 （ 1） 查阅最新的国内外相关文献，优化生产工艺路线。 （ 2）完成年产 1000 吨啶虫脒的物料衡算、能量衡算完成主要设备的设计、选型等问题，优化当前啶虫脒生产工艺流程。 3 （ 3）绘制出本设计带控制点的工艺流程图等相 关图纸。 （ 4）通过本设计研究解决现有工艺存在的问题，降低各项原料的消耗指标，降低啶虫脒的生产成本。 1.2 原辅材料性质及技术规格 原辅材料性质及技术规格见下表 1-1. 表 1-1 原材料及技术规格 序号 名称 执行标准 主要控制指标 1 1 2-氯 -5-氯甲基吡啶 NClHC 236Q/SND02-0211-20002 外观无色或淡黄色 含量 95 2 一甲胺 23NHCHGB9011-88 外观无色透明 液化纯品 3 乙酯ONHC 283Q/SND02-0212-20002 外观无色透明 含量 99 4 氯仿 3CHClGB4118-92 外观无色透明 密度 1.4890g/3cm馏程 61-62 5 乙醇OHHC 52GB678-90 外观无色透明 含量 99.5 含水 0.5 注 1 本栏涉及的化学品均为工业品，空白栏目查询相关资料获得； 2 该化学品无国标，此处为某生产企业的企业标准。 4 1.3 原材料的性质 原材料的性质见下表 1-2. 表 1-2 原材料的主要物性 序号 名称 分子量 密度 1 g/cm3 凝固点 沸点 熔点 1 2-氯 -5-氯甲基吡啶 162.01 230 48 2 一甲胺 31.06 -6.3 93.5 3 乙酯 112.13 0.95 180 4 氯仿 119.37 1.4898 -63.5 6162 5 乙醇 46.07 0.7893 -114 78.3 注 120下的密度。 1.4 危险性物料的主要物性 （ 1） 氯仿微溶于水，能与醇、醚、石油醚、四氯化碳、卤烃、苯等多种有机溶剂混溶，并能溶解蜡、脂肪、橡胶、树脂等，液体氯 仿接触皮肤有很强的脱脂作用，易引起皮炎。氯仿蒸汽对眼粘膜有较强的刺激作用，最终导致死亡，本品在高温和光作用下易产生剧毒光气 ,因此，应贮存阴凉、千燥、避光、隔热的地方。 （ 2） 一甲胺无色气体，有强烈的氨气味，易溶于水、醇和醚。对人体呼吸系统、皮肤、眼睛均有刺激作用，一甲胺可与空气形成混合性爆炸气体，爆炸极限 4.95-20.75V/V，在空气中遇火能燃烧，一甲胺发生火灾可用水灭火，工业一甲胺为液体或 40水溶液，通常盛于密封容器中，放置于阴凉之处贮存。液化一甲胺在常温下，压力为 0.2-0.4MPa，同乙醇有 很好的互溶性。 （ 3） 乙酯无色或淡黄色液体，不溶于水，易溶于氯仿、 DMF等有机溶剂，有强烈的蒜臭味，在高温下易分解，通常盛于密封容器中，放置于阴凉之处贮存。 （ 4） 无水乙醇无色、透明、易挥发、易燃液体，能与无水氯化钙生成结5 晶性化合物，其蒸气可通过口腔、胃壁、粘膜而对人体产生刺激作用，严重时可引起恶心、呕吐甚至昏迷。本品与空气可形成爆炸性混合物，遇高温、明火有燃烧爆炸危险，应于阴凉通风、远离火种处贮存。 （ 5） 二氯化物纯品为白色或淡灰色粒状晶体。熔点 48，沸点 230，不溶于水，可溶于氯仿、 DMF等有机溶剂 ,对皮肤 有强烈的刺激性。 （ 6）啶虫脒本物料为白色或淡黄色晶体，熔点为 101-102 ,蒸气压 2000mg/Kg，雌502000mg/Kg 据生理学家的研究报告，啶虫脒 有较高的毒性选择性，它对人体和其它哺乳动物低毒。如啶虫脒原油发生泄露应及时用大量水冲洗，并保证现场通风。 1.5 原辅材料的消耗定额 见下表 1-3. 表 1-3 原材料消耗定额及消耗量 序号 名称 规格 单位 消耗量 每吨产品 每小时 每年 1 2-氯 -5-氯甲基吡啶 Q/SND02-0211-20002 kg 760 113.1 760000 2 一甲胺 GB9011-88 kg 370 55.06 370000 3 乙酯 Q/SND02-0212-20002 kg 552 82.14 552000 4 氯仿 GB4118-92 kg 150 22.32 150000 5 乙醇 GB678-90 kg 400 59.52 400000 6 氢氧化钠 10 kg 1880 279.76 1880000 6 2.工艺说明 2.1 生产方法、工艺技术路线及工艺特点 目前，啶虫脒生产工艺主要有四种，它们是 A. 2-氯 -5氯甲基吡啶法； B. 2-氯 -5-氯吡啶甲胺化法； C. N-氰基乙脒甲基化法； D. 2-氯 -5-甲胺基吡啶法。 工艺 A生产中要使用危险性较大的 氢化钠；而工艺 C和 D需要甲基化反应，而甲基化反应收率一般不高，导致生产成本较高；工艺 B具有反应步骤少，操作方便、收 率高、产品质量稳定等优点，所以工业上基本采用该方法 B 生产啶虫脒。 2.2 生产流程简述 啶虫脒生产主要由苄胺合成工序（包括苄胺合成、赶气、萃取和脱溶岗位）、啶虫脒合成工序和结晶离心工序组成。 将 30的二氯化物氯仿溶液由泵送至计量罐备用，开启苄胺合成釜冷冻盐水，当温度降至 50以下时，先将一甲胺通入苄胺合成釜的氯仿溶液中，待一甲胺的投量达到要求时（一甲胺氯仿溶液循环使用，一甲胺量不足 时，补充新鲜一甲胺），开始滴加二氯化物，滴加过程中要控制温度在 0以下。滴加完毕后，保温反应 4小时，之后将合成的物料转移至苄胺赶气釜。在赶气釜中，常压下升温脱去一甲胺，赶气终点为 60。然后在萃取釜中先加碱中和生成的一甲胺盐酸盐，然后分去下层有机相，上层水相再用氯仿萃取三次。苄胺氯仿溶液在脱溶釜中升温脱除氯仿，为防止苄胺结晶，要往其中加入无水乙醇作为溶剂。脱溶结束后的溶液供下一岗位使用。 在啶虫脒合成釜内投入定量乙酯，开启冷冻盐水，当温度降至 -5以下时，开始往釜里滴加已计量过的苄胺乙醇溶液，滴加过程中要 控制温度在 50以下，滴加完毕后，在该温度下保温反应 3小时后放料至啶虫脒结晶釜。将上一步的反应液放入结晶釜内，搅动降温至 0左右，低温维持 2个小时，然后将结晶母液送至离心机，离心过滤 l小时后进入下道工序，进行粉碎、包装。 上述过程可以用如下工艺流程图 1-1 直观表示 7 苄 胺 合 成 釜 赶 气 釜 萃 取 釜 脱 溶 釜苄 胺 氯 仿 罐啶 虫 脒 合 成 釜啶 虫 脒 结 晶 釜离 心 机啶 虫 脒 乙 醇饱 和 液 储 罐粉 碎 机 原 粉 产 品原 油 产 品氯 仿 冷 凝 器一 甲 胺 冷 凝 器 废 水 罐一 甲 胺 回 收 套 用 氯 仿 回 收 套 用去 污 水 处 理一 甲 胺氯 仿 溶 液二 氯 化 物氯 仿 溶 液氯 仿烧 碱乙 醇乙 酯图 1-1 工艺流程图 8 3.工艺计算与主要设备选型 3.1 物料衡算 3.1.1 计算的基准数据 （ 1）本设计要达到的 原材料目标单耗 二氯化物 760kg/吨啶虫脒； 氯仿 150kg/吨啶虫脒； 一甲胺 370kg/吨啶虫脒； 乙醇 400kg/吨啶虫脒； 乙酯 552kg/吨啶虫脒； 烧碱 1880kg/吨啶虫脒； （ 2） 主要物料配比 苄胺合成反应，原料配比为二氯化物 一甲胺 1 5（摩尔比） 啶虫脒合成反应，原料配比为苄胺 乙酯 1 1.1（摩尔比）； （ 3） 基本生产数据 来自实验室及生产现场采集的数据汇总如下 苄胺合成在规定的工艺条件下二氯化物的残留量 0.05； 赶气结束后，苄胺合成反应液中各组分含量为苄胺（ 26.69）；氯仿（ 61.35）；盐酸 甲胺（ 11.51）；一甲胺（ 0.45）；在规定工艺条件下回收的一甲胺溶液中一甲胺含量为 50（其余为氯仿）； 苄胺废水中的苄胺含量为 1，一甲胺含量为 7，氯仿含量为 1.2； 脱溶后的苄胺中含有 1.5的氯仿； 一甲胺冷凝器放空尾气中一甲胺与氯仿的摩尔比为 3 1； （ 4） 计算所涉及到的化合物的摩尔质量（ g/mol 或 kg/mol N-甲基 -2-氯 -5吡啶甲基胺的相对摩尔质量为 156.51 2-氯 -5氯甲基吡啶的相对摩尔质量为 162.01 乙酯的相对摩尔质量为 112.13 乙醇的相对摩尔质量为 46 9 烧碱 的相对摩尔质量 40 水的相对摩尔质量 18 氯化钠的相对摩尔质量 58.5 啶虫脒的相对摩尔质量 222.68 氯化氢的相对摩尔质量 36.5 一甲胺的相对摩尔质量 31 盐酸甲胺的相对摩尔质量 68.5 氯仿的的相对摩尔质量 119.5 3.1.2 计算基准 衡算基准以生产 1吨 1000kg）啶虫脒为计算基准 3.1.3 各单元物料衡算 （ 1）苄胺合成釜、赶气釜、萃取釜物料衡算 在苄胺合成釜内存在以下反应 主反应 NC l NC lC H 2 C l C H 3 N H 2C H 2 N H C H 3 H C lH C l C H 3 N H 2 C H 3 N H 2 H C l 副反应 NC lC H 2 C lNC lC H 2 N H C H 3N C lN C H 2C H 3NC lC H 2本工艺设计要求 2-氯 -5 氯甲基吡啶的单耗为 760kg,一甲胺的单耗为 370kg,氯仿的单耗为 150kg。 2-氯 -5氯甲基吡啶是以 30的氯仿溶液的形式从另一生产车间转运而来。 生产 1000kg 啶虫脒需耗 2-氯 -5 氯甲基吡啶 760kg,则二氯五氯甲基吡啶氯仿溶10 液为 760/0.32533.33kg；其中氯仿为 2533.33-7601773.33kg。 反应完成后， 2-氯 -5 氯甲基吡啶的含量 1.4m，所设计蛇管可以全部被料液覆盖。 通过蛇管移出的热量为 蛇Q 2KSmt700*0.876*6*22.582782KJ/h. 剩余热量通过夹套传热为 夹123764.864-8278240982.864KJ/h. 所需夹套面积为 A40982.864/233.33*22.57.812m又 3000L的夹套有效传热面积为 9.3*0.98.37 7.81 经校核所选反应釜在增加蛇管后可以满足设计要求。 3.2.4 赶气釜选型及能量衡算 （ 1）设备选型 工艺要求釜内常压 ,，采用完全间歇操作，从苄胺合成釜转来的物料一次投入釜内，开汽缓慢升温，当液温至 60时为操作终点。该釜填充系数不大于0.7。因物料有腐蚀，拟选用 3000L 的搪玻璃开式搅拌釜。 容积及套数的确定 根据上面的计算可知 ,从苄胺合成釜转来的物料一批为 10236.55/61706.09L 因此可选用 3000L 的搪玻璃开式搅拌釜。 填充系数为 1706.09/30000.576，所以一个釜就可以满足生产要求，但考虑设备备份及其它不可预测的因素，设计为两台 K3000L 的釜较为合适。 K3000 釜及搅拌器的参数同上。 （ 2） 赶气釜的能量衡算 衡算的目的校核所选设备能否满足换热需求及所需蒸汽量 衡算过程 进釜物料 组成（温度为 0） 苄胺 3570/1000/6*734.2436.849kg 氯仿 3570/1000/6*2130.451267.62kg 一甲胺 3570/1000/6*436.27259.58kg 一甲胺的盐酸盐 3570/1000/6*316.65188.41kg 赶气后物料组成（物料温度按 61计） 苄胺 3570/1000/6*734.2436.849kg 23 氯仿 1673.94/1000/6*2130.45995.99kg 一甲胺 12.37/1000/6*436.277.36kg 一甲胺的盐酸盐 3570/1000/6*316.65188.41kg 出釜物料 氯仿 1267.62-995.99271.63kg 一甲胺 259.58-7.36252.22kg 由此可看出，一甲胺可看作全部回收，可停止赶气操作。 查化学化工物性数据手册 有机卷 可知一甲胺及氯仿的汽化热数据 取 61氯仿的汽化热为1vH30.9KJ/mol 一甲胺的在不同温度下的汽化热数据 见表 3-9。 表 3-9 一甲胺的汽化热 温度， 0 20 40 60 汽化热， KJ/mol 25.62 24.34 22.94 21.38 本设计取 0 -60的平均汽化热作为一甲胺的汽化热数据，即 2vH23.57KJ/mol 则二者汽化需要吸收的热量为 Q 1n 1vH 22v271.63*1000*30.9/119.5252.22*1000*23.57/31 262005.942KJ 考虑热损失，计算时在氯仿与一甲胺汽化热的基础上增加 10，即 计Q1.1Q1.1*262005.942288206.54KJ 设计的赶气时间为 1.5h，所以单位时间内吸收的热量为 288206.54/1.5192137.69KJ/h 这部分热量通过夹套内的蒸汽获得。设计加热蒸汽压力为 0.5MPa。 其物性参数见表 3-10. 表 3-10 0.5MPa下水蒸气的物性参数 温度 / 汽化热， KJ/kg 比热容， KJ/kg.k 150 2121 2.4 反应釜内物料和蒸汽的换热视为全逆流，则 1t150-0150， 2t150-6090， 1t/ 2t150/901.674.572。 该釜满足设计要求。 所需加热蒸汽的流量为 192137.69/212190.59kg/h. 3.2.5 萃取釜设备选 型 （ 1） 设计温度 釜内小于 60；设计压力釜内常压。 （ 2） 工艺要求 采用完全间歇操作，每个单批操作需要的总时间约为 370min，其中加碱10min、搅拌 30min、分料 30min；加萃取用氯仿 10min、搅拌 30min、静置30min、分料 30min，共萃取三次。 （ 3）容积及套数的确定 根据表 3-3， 3-4 可知，生产 1000kg 啶虫脒需萃取的最大物料量为4613.59kg，则每天生产 3570kg 啶虫脒需要萃取的最大物料量为 3570*4613.59/100016470.52kg. 则每批量为 16470.52/62745.09kg. 进入萃取釜物料的比重在 30时的实测值为 1.3，则每批料的体积为 2745.09/1.32111.60L 可以选用 K3000L 的釜 ,填充系数最大时为 0.85。 实际的填充系数为 2111.60/30000.76.192， 该釜满足设计要求。 所需加热蒸汽的流量为 236106.77/2121111.32kg/h. 3.2.7 啶虫脒合成釜选型及能量衡算 （ 1） 设备选型 （ 1） 工艺要求釜内常压，釜内温度小于 60。 （ 2） 工艺要求采用完全间歇操作，先将所需乙酯投入啶虫脒合成釜 ,苄胺乙醇溶液采取滴加的方式，通过控制滴加速度来控制反应温度。滴加完后在反应温度下保温 3个小时，然后升温至 60将料放至结晶釜。 （ 3） 容积及套数确定 27 根据物料衡算 ,进入啶虫脒合成釜的物料最大量为3570*1683.33/1000*61001.58kg， 体积约为 1001.58/1.2834.65L釜内混合物密度实测约为 1.2。 可选用 1500L的釜，填充系数 834.65/15000.56，符合设计要求。 依据实际生产经验 ,每批料滴 加时间 2小时、保温时间 3小时、升温时间0.5 小时、备放料时间约为 1 小时，共计 6.5 小时。每个釜每天可生产24/6.53.7批料，顾两台釜可完成生产任务。 K3000L 的釜的技术参数如下 数据来至国家医药管理局上海医药设计院编制的化工工艺设计手册 下册 ,4-424、 425页 公称直径 DNmm 1200mmL 系列 计算容积 VJ,L 1641 容积系数 0.91 夹套换热面积 5.82m公称压力 PN 容器内 0.25、 0.6、 1.0MPa 夹套内 0.6MPa 介质温度及容器材质 介质温度 -20 一 200 ,材质为 20R 搅拌轴公称直径 DN,mm 80 电动机功率 Kw 桨式搅拌器 4.0 电动机型式 Y或 YB型系列 同步转速 1500r/min 搅拌轴公称转速 桨式搅拌器 125r/min 减速机 BLD-3 支撑型支座 1t3 重量 1910kg （ 2） 能量衡算 能量衡算目的 校核所选设备能否满足换热需求及冷冻盐水的用量 能量衡算过程 在啶虫脒合成釜内的主要反应为 进釜物料以及物性参数（ 25）见下表 3-11. 表 3-11 进釜物料以及物性参数（ 25） NC lC H 2 N H C H 3 C H 3 C O C 2 H 5N C N NC lC H 2 NC H 3N C NC C H 3反 应 4 C 2 H 5 O H28 名称 重量（ kg） 摩尔流量（ mol/h 比热容 （ J/mol.K 标准生成热 KJ/mol 苄胺 423.43 1352.73 256.1 107.77 乙醇 238 2583.03 117.2 -305.13 乙酯 353.7 232.1 -41.44 啶虫脒 595 397.8 297.22 先往反应釜内投 333.7kg乙酯，然后往釜内滴加苄胺乙醇溶液，通过控制滴加速度来控制反应温度。已知物料温度为 50 ,反应釜内控温 50，设计要求每批料滴加时间为 2小时。釜内产生的热量通过反应釜夹套内冷冻盐水移出。 己知 25时的苄胺的标准生成热为 1rH107.77KJ/mol; 乙醇的标准生成热为 2-305.13KJ/mol; 乙酯的标准生成热为3r-41.44KJ/mol; 啶虫脒的标准生成热为 4r297.22KJ/mol 由 25时的生成热数据可以计算出在 50时生成热fH0 ,关系式为 rH50 r25 pCt苄胺的生成热 1rH50 107.770.2561*25114.17KJ/mol 乙醇的生成热 250 -305.130.1172*25 -302.2KJ/mol 乙酯的生成热3r50 -41.440.2321*25-35.64KJ/mol 啶虫脒的生成热 4r50 297.220.3978*25307.165KJ/mol 所以 0标准反应热 H 2r 4rH- 1r3rH） -302.2307.165-114.17-35.64 -73.565KJ/mol 又苄胺的摩尔流速为 1n1352.73mol/h. 则反应热为 Q 1 rH1352.73*-73.565-99513.58KJ/h. 苄胺乙酯溶热滴加过程中在釜内产生的附加热量为 99513.58KJ/h. 如果要将这部分热量通过反应釜的夹套内的冷冻盐水移出 假设反应釜绝热良好，热损失可以忽略不计 。 查询化工设计手册（第二版）上册 P2-92，反应釜夹套换热总传热系数为 150kcal/m2h，即 K175W/2m 视整个反应釜与夹套为纯逆流，已知冷冻盐水 进t-25，出t-20；设计温度下的平均比热容为 2.81KJ/kgK 则 1t50--2575， 2t50--20） 70， 1t/ 2t75/701.070.397m，所设计蛇管可以全部被料液覆盖。 通过蛇管移出的热量为 蛇Q 2KSmt466.67*0.51*2*72.534510.25KJ/h. 剩余热量通过夹套传热为 夹99513.58-34510.2565003.33KJ/h. 所需夹套面积为 A65003.33/175*72.55.122m30 又 1500L的夹套有效传热面积为 5.8*0.95.3362m5.122经校核所选反应釜在增加蛇管后可以满足设计要求。 查化工工艺设计手册 第二版 上册 2-327页氯化钙水溶液比热容图可知 ,在设计温度下氯化钙的平均比热容pC2.81kJ/kg.K,则所需氯化钙水流量为 WQ/pCt99513.58/2.81/217707.04kg/h. 3.2.8 一甲胺冷凝器的热量衡算及选型 1工艺要求 赶气釜共用一套冷凝系统；假设一甲胺和氯仿全部被冷凝。 冷凝器进出口条件 进口条件一甲胺蒸汽温度从 -6.3到 61，取设计温度为 27.5，流量为 337.1286.78*3.57/3*3168.15kg/h. 氯仿蒸汽 61 流量为 （ 337.12111.39） *3.57/3*3177.9kg/h. 冷冻盐水 -15。 出口条件液态氯仿 -7； 液态一甲胺 -7； 冷冻盐水 -13。 2计算过程 61氯仿的冷凝热为 1vH29.79kJ/mol； 27.5一甲胺的冷凝热为 28.05kJ/mol 液态氯仿的平均热容为1pC115J/mol.K 液态一甲胺的平均热容为 2108J/mol.K 则经过冷凝器冷凝后，两种物料的能量变化分为两部分一部分是由气态变为液态时的冷凝热 q；另一部分是由高温液态变为低温时的焓变H。即 氯仿 1n 1vH177.9*29.79*1000/119.544348.46KJ/h 1HpC1t115*177.9*1000*61--7/119.511641.66KJ/h Qq 144348.4611641.6655990.12KJ/h. 一甲胺 2n 2vH168.15*28.05*1000/31152148.629KJ/h 2p2t108*168.15*1000*37/3121675.08KJ/h