化学工程工艺专业毕业论文

化学工程与工艺专业毕业论文

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题 目：年产 8 万吨邻苯二甲酸二辛酯

生产车间初步工艺设计

学 院： 材料与化工学院

专 业： 化学工程与工艺

摘要

邻苯二甲酸二辛酯, 简称DOP 。分 子 式C H O 是重要的通用型增

24 38 4

塑剂是目前国内外用量最大的增塑剂之一广泛用于橡胶、塑料和医药 工业用途广泛在国民经济中占有十分重要的地位。经过分析比较各种生 产原料、合成工艺后本设计工艺流程是采用串联多釜反应器连续酯化技 术催化剂是采用氧化铝与辛酸亚锡以1：1比例复配催化剂年产8万吨邻 苯二甲酸二辛酯以满足国内需求。

本设计遵循“技术成熟、工艺先进、设备配置科学、环保安全、经济

效益”等原则。在比较国内外各种先进生产方法、工艺流程和设备配置基 础上。选用是从苯酐和异辛醇出发经过酯化反应、脱醇、精制得到产品的 工艺路线生产邻苯二甲酸二辛酯。设计的重点是生产工艺设计论证、工艺 计算及设备设计选型，附有带控制点的工艺流程图�主要生产设备结构尺 寸图�生产车间的设备配置图。最后部分考虑环境保护和劳动安全�以达 到减少“三废”排放�加强“三废”治理�确保安全生产�消除并尽可能

减少工厂生产对职工的伤害。

关键词�DOP 异辛醇 苯酐 工艺设计 工艺计算 设备选型

Abstract

Dioctyl phthalate ,referred to as DOP, Molecular Formula:

24C H O .It is important to general-purpose plasticizer and has 38 4

become the largest amount used of plasticizerthe at home and abroad,

now it is widely used in rubber, plastics and pharmaceutical

industry, plays an important role in the national economy. After

analysis and comparison of various raw materials, synthesis, the

design process is the use of multi-tank reactors in series

continuous esterification technology, the catalyst is alumina with

a 1:1 ratio of Sn catalyst compound annual output of 100,000 tons

Dioctyl phthalate, to meet domestic demand.

The design follows the "mature technology, advanced

technology, equipment configuration scientific, environmental

safety, economic efficiency," the principle of reciprocity. After

comparing domestic and foreign advanced production methods,

process and equipment configuration , the choices are starting from

phthalic anhydride and iso-octanol after esterification, de

alcohol, refined by product line production process octyl phthalate.

Design for production process design argument, the design of

facilities and process selection, with a flow chart with control

points, the main production equipment and size chart, workshop

equipment configuration diagram. The last part is about

environmental protection and labor safety, in order to achieve

reduction of the "three wastes" emissions, strengthen the "three

wastes" treatment, to ensure safe production purposes.

Key word: DOP Ethylhexanol Phthalic Process Design

Process Calculation Equipment Selection

目录

一�总论 ...................................................... 7

1�概述 .................................................... 7

1.1增塑剂DOP 的性质 .................................... 7

1.2产品用途 ............................................ 7

1.3DOP 在国民经济中的重要性 ............................ 7

1.4 DOP 的市场需求 ..................................... 8

2�设计的目的和意义 ........................................ 8

3�设计依据和原则 .......................................... 8

3.1设计依据 ............................................ 8

3.2设计原则 ............................................ 8

4�设计范围 ................................................ 9

5�DOP 生产能力及产品质量标准 .............................. 9

5.1生产能力 ............................................ 9

5.2产品质量标准 ........................................ 9

二�生产工艺流程设计与论证 ……………………………………………10

1�生产工艺选择与论证………………………………………………10

2�工艺参数的确定 ……………………………………………………11

2.1酯化工序 ..........................................11

2.2中和、洗涤工序 ....................................11

2.3脱醇工序 ..........................................12

2.4干燥、过滤工序 ....................................12

3�产工艺流程图及其说明 ……………………………………………13

3.1 DOP生产工艺流程图 …………………………………………13

3.2 生产工艺流程说明……………………………………………13

三�工艺计算………………………………………………………………………14

1. 物料衡算……………………………………………………………………14

1.1设计生产能力 …………………………………………………………14

1.2二级酯化段釜1物料计算…………………………………………… 15

1.3酯化工段物料衡结果 …………………………………………………16

2�热量衡算 …………………………………………………………………17

四�主要设备设计与选型…………………………………………………………18

1�反应釜的设计与选型………………………………………………………19

1.1反应釜体积确定 ………………………………………………………19

1.2反应釜高度与底面直径 ………………………………………………20

1.3反应釜温度与压力 ……………………………………………………20

1.4反应釜壁厚度计算 ……………………………………………………21

1.5搅拌器的设计及选型 …………………………………………………22

1.5.1搅拌器型式适用条件表 ………………………………………23

1.5.2 搅拌器的选用及尺寸 …………………………………………23

1.5.3搅拌功率的计算 ………………………………………………23

1.6夹套传热面积的计算与核算 …………………………………………23

1.6.1 被搅拌液体侧的对流传热系数 ………………………………23

1.6.2夹套冷却水对流传热系数 ……………………………………24

1.6.3夹套传热面积……………………………………………………25

1.7 反应釜的主要技术特性汇总 …………………………………………26

2�冷凝器的设计与选型 ………………………………………………………27

2.1选择换热器的类型 ……………………………………………………28

2.2流动空间及流速的确定 ………………………………………………28

2.3传热面积的确定 ………………………………………………………28

2.4冷凝器工艺尺寸的计算 ………………………………………………29

2.4.1管子数n 的确定 …………………………………………………29

2.4.2管子的排列方式�管间距的确定 ……………………………… 30

2.4.3 壳体直径的确定 …………………………………………………30

2.4.4折流板 ………………………………………………………… 30

2.4.5接管 …………………………………………………………… 30

2.5. 壳体厚度 ………………………………………………………………31

2.6换热器封头的确定 ……………………………………………………31

2.7容器法兰的选择 ………………………………………………………31

2.8开孔补强 ………………………………………………………………31

2.9支座 ……………………………………………………………………31

2.10冷凝器设计汇总 ………………………………………………………31

五�环境保护与劳动安全 .......................................... 32

1�DOP 三废处理............................................... 32

2.DOP 安全生产................................................ 33

六�设计结果评析与总结........................................... 34

致谢............................................................. 35

参考文献 ................................................................ ...........................................................35

一�总论

1�概述

1.1增塑剂DOP 的性质

DOP 化学名为邻苯二甲酸二辛酯�是一个带有支链的侧链醇酯�无色油状液体�

有特殊气味。比重0.9861(20/20 ),熔点-55 �沸点370 �常压��不溶于水�溶于乙

醇、乙醚、矿物油等大多数有机溶剂。与二丁酯�DBP �相比�DOP 的挥发度只有

DBP 的1/20�与水的互溶性低�并有良好的电性能�但也有其不足点�其在热稳定

性、耐迁移性、耐寒性和卫生性方面稍差。

1.2产品用途

邻苯二甲酸二辛酯是重要的通用型增塑剂�主要用于聚氯乙烯树脂的加工�还可

用于化纤树脂、醋酸树脂、ABS 树脂及橡胶等高聚物的加工�也可用于造漆、染料、

分散剂等。

通用级DOP �广泛用于塑料、橡胶、油漆及乳化剂等工业中。用其增塑的PVC 可

用于制造人造革、农用薄膜、包装材料、电缆等。

电气级DOP �具有通用级DOP 的全部性能外�还具有很好的电绝缘性能�主要用

于生产电线。

品级DOP �主要用于生产食品包装材料。

医用级DOP �主要用于生产医疗卫生制品�如一次性医疗器具及医用包装材料等。

主要用途�DOP 是通用型增塑剂�主要用于聚氯乙烯脂的加工、还可用于化地树

脂、醋酸树脂、ABS 树脂及橡胶等高聚物的加工�也可用于造漆、染料、分散剂等、

DOP 增塑的PVC 可用于制造人造革、农用薄膜、包装材料、电缆等。本品是一种多种

树脂都有很强溶解力的增塑剂, 能与多种纤维素树脂、橡胶、乙烯基树脂相溶�有良 好的成膜性、粘着性和防水性。常与邻苯二甲酸二乙酯配合用于醋酸纤维素的薄膜、 清漆、透明纸和模塑粉等制作中。少量用于硝基纤维素的制作中。亦可用作丁腈胶的 增塑剂。本品还可用作驱蚊油�原油�、聚氟乙烯涂料、过氧化甲乙酮以及香料�人 造麝香�的溶剂。可以作为酯交换法生产邻苯二甲酸二环己酯和邻苯二甲酸高碳醇酯 以及其他有机合成的原料。

1.3 DOP在国民经济中的重要性

邻苯二甲酸二辛酯(DOP)是目前使用最广泛的增塑剂�约占我国增塑剂总量45%�

是重要的通用型增塑剂�任何增塑剂都是以它为基准来加以比较的�技术经济上占有 绝对优势。据有关资料报道�近年来国外增塑剂生产能力超过了6400kt �a �国内增 塑剂需求增长率为8�左右�产品具有质量高、品种多、环境污染少的特点。在石油 化学工业、医药工业、轻纺工业、生物化工以及能源、交通运输行业均有广泛用途� 在国民经济中占有十分重要的地位。

1.4 DOP的市场需求

随着我国国民经济快速增长�增塑剂作为基础化工合成材料助剂的市场需求量将 大幅提高。在用量大的新领域�国内市场需求将强劲增长。但由于邻苯二甲酸二异壬 酯(DINP)在某些应用领域的性能超过了DOP �预计未来几年内�全球DOP 市场将面临

DINP 的挑战。在市场上�DOP 一直占有价格优势�而未来时间估计DOP 的低价优势会

有所削弱。

2�设计的目的和意义

通过本课程设计力求达到以下目的和意义�

�1�在学习掌握所学的化学工艺学、化工机械设备基础、化工原理等课程的基本 理论和基础知识的基础上�通过这次课程设计�培养我们综合运用这些知识分析和解 决实际问题的能力以及协作攻关的能力�训练我们使用文献资料和进行技术设计、运 算的能力�提高文字和语言表达能力�为以后的学习和毕业论文�设计�打下基础。

�2�通过完成设计�可以知道 DOP 的用途�基本掌握苯酐和异辛醇制DOP 的生

产工艺�了解国内外DOP 工业的发展现状�以及DOP 工业的发展趋势。

3�项目设计依据和原则

3.1设计依据

本化工课程设计�以设计任务书为基础�综合文献检索、资料收集�综合分析�

以最新科研成果和实际经验为依据�搏众家之长�选择合适设计方案。

3.2设计原则

本课题遵循的设计原则和指导思想如下�

�1�按技术先进、成熟可靠、经济合理的原则对技术方案进行论证�以确定最

佳方案�

�2�尽可能采用节能工艺和高效设备�充分发挥规模效应�降低能耗、物耗和

生产成本�提高项目的经济效益和社会效益�

�3�考虑“三废” 治理和综合利用副产物�充分重视环保防污、科学生产、生

产安全和提高社会效益为原则主体。

4�设计范围

本设计范围包括�

�1�工艺生产方法确定、生产流程设计与论证

�2�工艺计算�包括物料衡算�热量衡算�

�3�酯化合成工艺主要生产设备设计与选型

�4�安全生产与环保治理措施

�5�设计绘图

设计重点�生产工艺设计与论证�工艺计算�设备设计与选型�设计绘图。

5�DOP 生产能力及质量标准

5.1生产能力

该项目年产8万吨DOP �年开工日为330天�全天候��日产DOP 242.42吨。

5.2产品质量标准

本产品质量规格为一级品�执行产品质量国标GBl1406—8标准�见表1 所示。

表1 DOP 质量指标 二、生产工艺流程设计

1�生产工艺选择与论证

生产过程操作分为间歇式和连续操作。间歇式生产的优点是设备简单改变生产品

种容量�缺点是原料消耗定额高�能量消耗大�劳动生产效率低�产品质量不稳定。 间歇式生产方式适用于多品种、小批量的生产。而连续法生产能力大�适合于大吨位 的DOP 的生产。由于本设计产品生产量较大�故采用连续法生产。

酯化反应设备分塔式反应器和串联多釜反应器两类。前者结构复杂�但紧凑�

投资较低�操作控制要求高�动力消耗少。而反应釜�流动形式接近返混�釜内各部 分组成和温度完全一致�多釜串连后�可使停留时间分布特性向平推流转化。并且DOP 等主增塑剂的需要量很大�且全连续化生产的产品质量稳定�原料及能量消耗低�劳 动生产率高�比较经济。因此本设计采用串联多釜反应器全连续化生产工艺。

催化剂分为酸性催化剂和非酸性催化剂�由于采用非酸性催化剂可以免去中和和 水洗两道工序�且通过过滤即可除去�跟酸性催化剂相比�优越性在于能生产出高质 量的增塑剂产品和减少污染。因此本设计采用的是非酸性催化剂。

非酸性催化剂又分为单催化剂和复配型催化剂�由于单催化剂催化反应时间长�

不适合做酯化反应催化剂�相反�复配型催化剂催化反应时间短�转化率高�酸值降 低幅度大�比较适合做酯化反应催化剂。氧化铝与辛酸亚锡以 1�1 比例复配非酸性

催化剂合成DOP 效果最佳�力求达到流程简单�设备少�热能利用合理�产品质量高。

根据国内在引进装置上成功使用国产催化剂的经验�选用国产催化剂�既满足了

工艺和产品质量的要求�又节约了外汇�可以收到良好的经济效果。连续非酸性催化 酯化工艺�是上世纪80年代初开始成功应用于工业化生产的先进技术�其典型的工艺 流程有两种�1、酯化—脱醇一中和水洗一汽提干燥一过滤�2、酯化一中和水洗一脱 醇--汽提--干燥一过滤。

二者比较�第①种技术用采用氧化铝与辛酸亚锡1�1比例复配催化剂酯化反应

具有反应时间短、酯收率高、产品质量好(酸值低、色度低、热稳定性好、体积电阻 率大) 、处理条件简单等优点。并且公用工程消耗低�热能利用合理�可以生产多牌 号的DOP 产品�结合国内条件和生产操作经验�故拟采用①类典型工艺流程�设计国 产化新的工艺流程。

综上分析�本设计选用酯化—脱醇一中和水洗一汽提干燥一过滤工艺流程�采用

串联多釜反应器连续酯化技术�催化剂采用氧化铝与辛酸亚锡以1�1比例复配型催化 剂。

2�工艺参数的确定

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2.1 酯化工序

苯酐和辛醇按比例在5个串联阶梯形的酯化釜中�在氧化铝与辛酸亚锡以1�1比例复 配催化剂作用下酯化反应生成粗酯�主要工艺参数确定如下� (1)进料温度及5釜的反应温度见表2。 (2)投料比�PA �2一EH=1�2�30 (wt) (3)催化剂量�0�03� (wt) (4)酯化压力�常压(带氮封)

表2 进料温度及与釜反应温度

(5)停留时间�约7h �酯化釜体积27.4m3 (6)酯化釜搅拌器转速�74r �min (7)总转化率�约99�5�

2.2 脱醇工序

由于酯化反应是在过量醇的条件下进行的�必须将粗酯中的醇脱除�回收重复利用。 本设计采用真空降膜脱醇工艺�热能利用合理�脱醇效率高�可脱醇至1�左右。脱 醇工艺参数确定如下� (1)进料粗酯温度�230℃ (2)进料粗酯含醇量�16��17� (3)降膜脱醇真空度�30mbar (4)加热蒸汽压力�20ba 2.3 中和、水洗工序

由于在酯化过程中会生成一些酸性杂质�如单酸酯等�本设计采用加入Na0H 水溶液进 行中和�生成可溶于水的钠盐与酯分离。中和水洗工艺参数确定如下� (1)Na0H水溶液浓度�0�3(wt�) (2)水洗温度�95℃ (3)粗酯�碱=6�1(vo1) (4)中和搅拌转速�180r �min (5)水洗搅拌转速�50r �min

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(6)NaOH单耗�0�4kg �tDOP

(7)中和水洗后酸值�0�01�0�02KOH mg�DOP 2.4 汽提工序

汽提是通过直接蒸汽减压蒸馏�除去粗酯中的醇和有气味的低沸物�本设计采用过热 蒸汽直接减压汽提工艺。汽提干燥工艺参数确定如下�

(1)粗酯人塔温度�140�160C

(2)汽提塔顶部真空度�40mbar (3)干燥塔顶部真空度�99mbar (4)粗酯量�汽提蒸汽量�10�1(wt)

(5)干燥塔出口酯中含水量�0�01� �0�05� (wt) 2.5 过滤工序

在粗酯中加入吸附剂和助滤剂�脱除粗酯中含色素的有机物和吸附脱除残存的催化剂 和其它机械杂质�以保证DOP 产品外观的透明度和纯度。本设计采用二级过滤工艺� 粗滤采用时间程控的芬达过滤器�精滤采用多层滤纸。过滤工序工艺参数确定如下� (1)粗酯温度�90℃

(2)芬达过滤器粗滤周期�48h (3)精滤后DOP 色值�10�15(HAzEN)

3. 生产工艺流程图及其说明

3.1DOP 生产工艺流程简图�见图1�

苯酐、 异辛醇

一级酯化

废水

图1 DOP 工艺流程方块图

催化剂、 N 2

N a OH 无离子水 助滤剂

二级酯化

中和水洗 汽提脱醇

干燥

过滤

滤液 产品

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3.2 生产工艺流程说明�参考CAD 图纸Ⅰ�工艺流程图�

熔融苯酐和辛醇以一定的摩尔比[(1:2.2�1:2.5)在130-150先制成单酯, 再经预

热后进入四个串联的阶梯式酯化釜的第一级. 非酸化催化剂也在此加入. 第二级酯化 釜温度控制不低于 180, 最后一级酯化温度为 220�230, 酯化部分用3.9MPa 的蒸汽加

热. 邻苯二甲酸单酯的转化率为99.5%�99.9%。为了防止反应混合物在高温下长期停

留而着色�并强化酯化过程�在各级酯化釜的底部都通入高纯度的氮气�氧含量� 10mg/kg中和�水洗是在一个带搅拌的容器中同时进行的。碱的用量为反应混合物酸

值的3�5倍。使用20%的NaOH 水溶液�当加入无离子水后碱液浓度仅为0.3%左右。

因此无需在进行一次单独的水洗。非酸性催化剂也在中和、水洗工序被洗去。

然后物料经脱醇�1.32�2.67 kPa,50�80℃�、干燥�1.32 kPa,50�80℃�后 送至过滤工序。过滤工序不用一般的活性炭�而用特殊的吸附剂和助滤剂。吸附剂成 分为SiO 2、AL 2O 3、Fe 2O 3 、MgO 等�助滤剂�硅藻土�成分为SiO 2、AL 2O 3、Fe 2O 3 、CaO 、

MgO 等。该工序的主要目的是通过吸附剂和助滤剂的吸附�脱色作用�保证产品 DOP 的色泽和体积电阻率两项指标�同时除去DOP 中残存的微量催化剂和其他机械杂质。

最后得到高质量的DOP 。DOP 的收率以苯酐或以辛醇为99.3%。

回收的辛醇一部分直接循环到酯化部分使用�另一部分需进行分馏和催化加氢 处理。生产废水�COD 值700�1500mHg/L�用活性污泥进行生化处理后再排放。

本工艺流程特点�原料简单�工艺流程短�物料循环使用�生产效率高。

三、工艺计算

1、物料衡算

1.1 设计生产能力

DOP 年生产能力为年生产30000吨/年�设工作日为330天

DOP

30000吨

年生产日

330天

日产DOP30000÷330=90.90吨

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每小时DOP 的产量生

90.90÷24=3.79吨

要求DOP 的生产规格

产品规格�一等品 DOP 含量99.5%

每小时要得纯DOP 为�3.79×99.5%=3.77吨

设整个过程之中DOP 损失量为4%

则实际每小时产纯DOP 为3.77÷�1�4%�=3.93吨

分子量�苯酐 148.12 异辛醇130.0 DOP 390.3 H 2O 18

1.2一级酯化段物料计算

根据一级酯化反应式�

二级酯化反应式�

第一步酯化转化率为100%�第二步酯化转化率为99.5%.

一小时一级酯化反应釜

进釜 苯酐的量为�3.93×1000÷390.3÷0.995= 10.12 kmol

根据投料比 苯酐�异辛醇=1 : 2.3 异辛醇投入量为10.12×2.2=23.28 kmol

异辛醇一部分作为带水剂与水一起出釜�异辛醇经冷凝器冷却再回流至反应釜中�经 测定 回流比为2.5�设回流异辛醇量X kmol 则出釜异辛醇为 2.5X kmol

总异辛醇量(23.28 +X) kmol

出釜 异辛醇量为2.5X=23.28—10.12+X

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X=8.77kmol

总异辛醇为 23.28+8.77=32.05 kmol

出釜异辛醇为 21.93 kmol 单酸酯的量 10.12 kmol

1.2二级酯化段釜1物料计算

进釜 异辛醇 21.93 kmol

单酸酯的量 10.12 kmol

氧化铝与辛酸亚锡复配催化剂量0.12 kmol

N 2 3 m/h

3

出釜 设转化率为X

第一釜 DOP 产量为 10.12X kmol

第二釜 DOP 产量为 10.12X �1-X �kmol

第三釜 DOP 产量为 10.12X �1-X �kmol

第四釜 DOP 产量为 10.12X(1-X)(1-X) kmol

第五釜 DOP 产量为 10.12X �1-X �(1-X)(1-X) kmol

所以

2 3

10.12X+10.12X(1-X)+10.12X(1-X)+10.12X(1-X) +10.12X(1-X) ≤10.12

X=0.523

即反映的转化率为X=0.523

DOP 的物质的量n D =10. 12×0.523=5.29kmol /h

异辛醇量为n B =21.93−5.29 =16.64kmol /h

单酸酯的量 10.12 �5.29=4.83kmol /h

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氧化铝与辛酸亚锡复配催化剂量0.12kmol

产生的水的物质的量n 水=10.12×0.523=5.29kmol /h

异辛醇一部分作为带水剂与水一起出釜�异辛醇经冷凝器冷却再回流至反应釜中�经 测定 n B :n水=2.5:1。所以n B =5.29×2.5=13.23 kmol/h

3×101500

N 3m /h,转化为摩尔流量� =0.121kmol

8.314×303.15

nRT (0.121+5.29 +13.23) ×8.314×473.15

V = = 722.46m

∴每一小时将有� 排

出反应釜。

1.3酯化工段物料衡结果

表4�一级酯化段物料衡算表

表5 二级酯化段釜1物料衡算表

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2. 热量衡算

表6 各物质比热容

物质 C /kJ/(mol.k)

p,m

C /kJ/(mol.k)

p,m

C p ,m /kJ/(mol.K ) ∆f H m (298K ) /k

(303K�

异辛醇 苯酐

(423K� 0..3454 0.2829 0.5347

0.3155 0.2694 0.4935

J/mol -373.2 -672.6 -1120.6

0.2856 0.2559

邻苯二甲酸一辛 0.4523 酯

注�A------苯酐�B-----异辛醇;C------邻苯二甲酸一辛酯

1. 预热器显热计算�

预热器采用3.9MPa 蒸汽将原料先预热到150C

Q A =nA C p,m A ∆T =10.12×269.4×[(150−30) +273.15] =1.072×10 kJ

6

Q B =n B C p,m B ∆T =32.05×315.5×(120+273.15) =3.975×10 kJ 6

2. 反应釜热量的衡算 以一级酯化反应釜为例�

连续釜式反应器可看成为一敞开物系�根据热力学第一定律�其热力学衡算式可表达 为�

∆H =q

式中�∆H ————物系焓变及反应焓变�kJ;

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q ————物系与环境交换的热。

由于反应是在恒温下进行�所以物系焓变为零。

反应 焓变的计算如下�

A (l�423.15K)+ B(l,423.15K) ∆H 7 C(l,423.5K)

∆H 1 ∆H 4

A(l�404.75K)

∆H 2 ∆H 6

A(s�404.75K)

∆H 3 ∆H 5

A (s�298.15K)+ B(l,298.15K) C(l,298.5K)

∆H 1= n A C p, m ∆T =−10.12×269.4×(423.15 −404.75) =−0.502×10

kJ/h

由于在恒温恒压下进行�所以∆H 2=-32 kJ/h

∆H 3 =n A C p, m ∆T

=−10.12×269.4×(404.75−298.15) = −0.291×106

kJ/h

6

∆H 4 =n B C p, m ∆T = −32.05×311.5×(423.15 −298.15) =−1.248×10

kJ/h

6

∆H 5= n C (∆fHmC − ∆f H mA −∆f H mB ) =10.12(−1120.6 +672.6 +373.2) =−0.757×10

5

kJ/h

∆H 6= n C ∆C p, mC ∆T =10.12×493.5×(423.15 −298.15) =0.624×10 kJ/h 6

所以�∆H 7 =∆H 1+∆H 2 +∆H 3+∆H 4 +∆H 5+ ∆H 6 =−1.73×10 kJ/h 6

故反应物系将放出-1.73×10kJ/h�为保持反应在恒温下进行�需在夹套中冲一定流

6

量的冷却水。 3. 换热器的热量衡算

分子量�苯酐 148.12 异辛醇130.0 DOP 390.3 H 2O 18

由于反应温度在2000C 以下进行 � 两流体温度变为 � 热流体进入换热器的温度为 190 0 C �

出口温度定为700C 进口温度为C � 冷流体 � 循环水 � 25 0 � 出口温度为 60 C 0 。

T, △T=130C 0 A-异丙醇 B-水 C-N Q =mc p △

m A = nA M A =16.64×130=2163.2 kg/h

m = nM =5.29×18 =95.22 kg/h B B B

m = nM = 0.121×14=1.694 c c c

Q =mc △T=2163.2×1.97×130+95.22×4.34×130+1.694×0.771×130

p

=553995.52+53723.124+169.789 =607888.43 KJ/h

表10入冷凝器的气体的比热容

表 11 冷凝液组分气化热和液体热容

Q = 16.64×61.99×1000+5.29×40.69×1000 2

= 1031513.6+215250.1 = 1246763.7 kJ/h

冷凝放出总热Q 2=1031513.6+215250.1=1246763.7 kJ/h

Q 总=Q1 + Q2 =607888.43+1246763.7=1854652.13kJ/h =515.18 kw

故冷却水用量�w

水

Q 总 1854652.13

= =12683.12kg /h =

c 水∆t 4.178×35

四、主要设备设计与选型

1、反应釜的设计与选型

1.1反应釜体积确定

为方便起见�以下用 A 表示苯酐�用 B 表示异辛醇。物料在反应过程中的体积 基本不变。由于搅拌速度较大�反应物料在反应器内的流动状况可视为呈全混流�在 定态时�在等温等容条件下对整个反应器作A 的物料衡算�

反应釜容积按下式计算�

V R =Q0×t×(1+η)

(8)

(10)

Q 0=QA +(9) Q A =nA M A /ρA t Q B

式中�n A 单位时间内�1小时�处理的苯酐摩尔数�M A 苯酐的分子量�苯酐密度

ρ

A

=1.527g/cm; t 单位时间�1 h�Q 和Q �分别为苯酐和异辛醇的体积流量;η

A B

3

为搅拌容器的备用系数�一般取0.1�0.15�取0.1。

3

Q A =nA M A /ρt=10.12×1000×148.12 ÷(1.527 ×3600)=272.68cm / S

同理异辛醇体积流量Q B 异辛醇密度ρB =0.8176g/cm 3

Q B =nB M B /ρB t=32.05×1000×130.0 ÷(0.8176 ×3600)=1415.56m / S 3

Q 0=QA +QB =272.68+1415.56=1688.24cm / S

3

单级酯化反应釜中�物料的平均停留时间为6.95÷5=1.37 h

V R =Q0t �1+η�

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=1688.24×1.37×3600×1.1

3 =9.25m

装料系数φ�根据实际生产条件或实验结果而定�若搅拌状态平稳或物料的粘

度较高φ可取0.8�0.85。本设计物料搅拌状态较平稳�φ取0.85。

故搅拌釜的有效体积为� V=VR /0.85=9.25/0.85=10.88m

3

1.2反应釜高度与底面直径

反应釜的高度与底面直径关系�

H=1.3Di 底面直径�

3

4V 4×10.88. 3

1.3π 1.3×3.14

H=1.3Di=1.3×2.2=2.86m

2 故液面深度h=4VR /πD i =4×9.25÷3.14×2.2×2.2=2.43m

当D i =2200mm �查表16-6得各参数如表6所示

表6 所查得的各参数

曲面高度 h 1 550mm

直边高度h 2

40mm

1.3反应釜温度与压力

查表4—5 设计温度�150℃+20℃�170℃

P T =ρgh+Pw

混合液平均密度

ρ=nA M A /(nA M A +nB M B )×ρA + nB M B /(nA M A +nB M B )×ρB

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=0.2646×1.527 + 0.8176×0.7354

=1.005g/m

已知�P =0.1015MPa W 则工作压力�

3

P T =ρgh+Pw =1.005×103 ×9.81×2.43+0.1015×1000000 =0.125MPa

设计压力为工作压力的110%�则设计压力为�

P c =1.1PT =1.1×0.125MPa=0.1375MPa

设备选材�由于原料和产物对钢材的腐蚀不大�温度为150℃�压力为常压�本设计

从满足生产工艺需要及保证酯化釜使用寿命的角度出发�酯化釜的材质选用高合金钢 0Cr18Nil2M-o2Ti 。 1.4厚度计算

P c =0.1375MPa�T=170℃�D i =2200mm�t [δ]=104MPa�φ=1.0(双面焊对接�100%探伤) �

腐蚀裕量C 2=2mm

计算厚度δ如下�

δ=

P c D i

2[ζ t ]Φ − P c

= 2 ×104 MPa ×1. 0 − 0. 1375 MPa = 1. 46 mm

设计厚度S d 如下�

C 2 δ d =δ+

=1.46mm +2mm =3.46mm

δd =4.3�查表4--9

负偏差C 1=0.25mm

δd +C1=3.71mm 圆整后为4mm �即名义厚度δn =4mm

复验δn ×6%=0.24mm

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所以该反应釜可以用4mm 的 0Cr18Nil2M-o2Ti 高合金钢板制作。

水压校验�

1.25P (D +δe)

根据ζ = ≤0.9Φζ 有�

2δe

0.9Φζs = 0.9×1.0×200MPa =180MPa

ζ =

=

1.25P (D +δe)

2δe

1.25×0.1375MPa ×(2200mm + 4mm − 2mm )

= 94.62MPa

由此得�ζT ≤ 0.9Φζ =180 故其强度满足要求。

S

1.5 搅拌器的设计及选型

表8 搅拌器型式适用条件表

注�有○者为合用�空白者不详或不合用。

1.5.1 搅拌器的选用及尺寸

搅拌器的选型要根据搅拌目的�物料粘度�搅拌容器容积的大小来综合考虑。 参照上表�为了实现物料的均相混合�达到返混�所以本设计选用六片平直叶圆盘涡

轮式搅拌器。由《化工原理》上册教材中表 4-1�选取叶轮直径 d /Di =0.33, 即d=0.73m,

叶宽 b=0.2m 转速取 n=1.2r/s�叶轮距槽底高度 C 为 D/3=0.73m。

为了消除可能的打旋现象�强化传热和传质�安装n b =6块宽度W 为0.1Di 即0.22m

的挡板。全档板判断如下�

W 0.22

( ) N=( ) ×6=0.379�由于 0.379>0.35,因此�符合全档板条件。 D 2.20

1.5.2 搅拌功率的计算 采用永田进治公式法计算。

Re=(d2 nρ)/µ

10 Pa.s -4 式中�d=0.22m,n=1.2r/s,混合液平均密度ρ=1.005g/cm µ 3, =3.5×

6 4 故 Re=1.83×10 >10 为湍流�φ=Np , φ为功率因数�N p 为功率数

6 查图 Rushton 算图�当 Re=4.7×10 时φ=Np =6.3

5 3 5 故 搅拌功率 N=Np ρn3 d =6.3×1.005×1.2 ×0.73 ×1000=2268W

1.6 夹套传热面积的计算与核算

选用螺旋板夹套�环隙 E=100mm�螺距 P=50mm。

1.6.1 被搅拌液体侧的对流传热系数αj

采用佐野雄二推荐的关联式计算:

4 3 0.227 0.33 0.52

Nu j =0.512(εD /ν ) Pr (d/Di ) (b/Di ) 0.08

2 3

ε= 4N/(πDi Hρ),式中 N=2268W,Di=2.20m,ρ=1005kg/m ,H=2.86m

故ε=4×2268/�3.14×2.2×2.2×2.86×1005�=0.21w/kg

ν =µ /ρ=3.5×10 /1005=3.48×-4 10 m /s -7 2

(εD i 4/ν = =3.59× ) 3 0.227 � 0.21× 2.2 /42.14× 4 10 � -21 0.227 10 4

c p µ 223.9×0.00035 Pr = λ = =0.71 0.110

αj D i /λ=0.512(εD /ν4 ) Pr 0.33(d/D) 3 0.227 (b/D) 0.52 0.08

=0.512×3.59×10 ×0.71××4 0.330.33 0.09 0.52 0.08 =0.76×10 4

故αj =0.11×0.76×10 /2.2=380W/(m4 . C) 2 o

1.6.2 夹套冷却水对流传热系数α

0.33 0.14 采用下式计算�α D e /λ =0.027Re 0.8 Pr V (1+3.5(De /Dc))

即α =0.027Re 0.8 Pr 0.33 V 0.14 (1+3.5(De /Dc )) λ/De

冷却水进入夹套温度 25 C, C �则其定性温度 o 冷却水出夹套温度 55 o

t=40o C �在此温度下�水的相关物性如下�

o 比热容 c p =4.174kJ/(kg.C)

导热系数λ=63.38

密度ρ=992.2kg/m 3 黏度µ =0.000656Pa.s。

c p µ

Pr = λ =4.174×0.000656/63.38=4.32×10

由于反应物系放出热量 Q 1=1.73×10 kJ/h=480.56kW�搅拌功率 N=2268W 6

故搅拌槽需移出热 Q=Q1+N=482.72kW。

所以冷却水质量流量 m=Q/cp (t2-t 1)= 482.72/(4.174×30)=3.85kg/s。

夹套中水流速 u =m/(ρPE)=3.85/(992.2×0.05×0.1)=0.78m/s�

D e =4E=0.4m D c =2.2m

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Re=De uρ/µ =0.4×0.78×992.2/0.000656=0.47×10

6

c p µ 4.174×0.000656

Pr = = = 4.32×10

λ 63.38

0.8 0.33 0.14

α D e /λ=0.027Re Pr V (1+3.5(De /Dc))

0.33 0

α D e /λ=0.027Re P r (1+3.5(De /Dc ))

0.8

当液体被加热时 φ=1.05

μb

V = =1.05

μw

=0.027×(0.47×10 )

60.8

-5 0.33

×(4.32×10

) ×1.05

0.14

×(1+3.5×0.4/2.2)

=931.5×0.036×1.007×1.64=55. 38

2o

α =55.38×63.38/0.4=8775.1W/(m . C)

所以总传热系数�

1/K=1/αj +1/α =1/380+1/8775.1=0.0027

2 o K=370.4W/(m . C)

1.6.3夹套传热面积

由 Q=KF∆t m

∆t 1−∆t 2 (150−25) −(150−55)

∆t m = =109.5 C

ln(∆t1/∆t 2) ln(125/95)

得 F=Q/K∆t m =482.72×10/(370.4×109.5)=11.9m

3

2

需要核算一下夹套可能传热面积是否满足传热要求。由于搅拌槽能提供的最小传

2 2

热面积�π DiH=3.14×2.2×2.86=19.76m 。该面积大于所需传热面积 F=11.9m �因此

夹套设计符合要求。

o

图 2 反应釜基本构造

1.7 反应釜的主要技术特性汇总

表 9 反应釜的主要技术特性

由于釜内介质具有一定的腐蚀性, 要求对釜体及釜盖内表面进行搪铅处理(铅

层厚6—8 )并衬耐酸瓷板二层。考虑到搪铅工艺的实施和搪铅时的铅中毒� 釜体和

釜盖须采用法兰连接。此外 �还考虑到釜内介质的反应速度难以控制以及介质的腐

蚀性� 设备不宜采用安全阀作超压泄放装置� 故设置了一泄放口径为 200mm 的爆破

片 �厚 3mm 的铅制平板型爆破片内衬厚 2mm 的耐酸橡胶板�作为设备的超压泄放装

置。

2、冷凝器的设计与选型

对于二级酯化反应�由于是可逆反应�过程中有水生成�从而会影响反应的进

行程度。所以需要将水带出反应釜�促进反应向产物方向进行。反应液中�异辛醇将

作为带水剂把水从反应釜中带出�而这样必将浪费原料�因此在反应釜上安装一个换

热器加一个分离器�用于排水和回流异辛醇。

这里将以二级反应第一个釜为例进行换热器的计算与选型。

2.1 选择换热器的类型

由于反应温度在 200 C 以下进行�两流体温度变为�热流体进入换热器的温度为 0 0 0 0

190 C �出口温度定为 70 C �冷流体�循环水�进口温度为25C �出口温度为 60 C 。该

换热器用循环冷却水冷却�冬季操作时进口温度会降低�考虑到这一因素�估计该换

热器的管壁温和壳体壁温之差较大�因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热

器。

2.2 传热面积的确定 选用 Φ25×2.5的碳钢管�

两股流体的进出口温度为�热流体�出换热器气� 200→70℃

冷流体 �水� 65 ← 25 ℃

故传热推动力�

∆t

(200−65) −(70−25) = =72.4℃ m 逆

ln

(70−25)

(200−65)

热流体的温降 130

修正系数ψ R= = =3.7

冷流体的温降 35

P=

冷流体的温度 35

= =0.2

两流体的最初温度 175

初步假设采用单壳程�偶数管的固定板换热器

经查表 ψ=0.88>0.8 所以假设可行�采用单壳程�偶数管的固定板换热器

∆t m =ψ∆tm 逆 =0.88×72.4 =63.7℃

初步估计传热系数 K=370.4W/(㎡·℃) �则由公式 Q=AK △T m 可得 A =Q/�K

2

△Tm �=515.18/�63.7×370.4�=21.83m

表 2 列管换热器参数表

’

4 计算管程、壳程的对流传热系数和压降

4.1 管程的对流传热系数和压降

为了充分利用的热量�采用液体走管程、水走壳程。

�1�管程流通面积 2

A i =π/4di ·N T /Np

2

=π/4×0. 02×106/4

=0.0083 ㎡

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假设物料流速 0.5m/s

= i

du i 0.02×0.5×1005 i = 2.87 × 10 4

µi

混合物被冷却�所以

−3

223.9×0.35×10 −3 0.3 0.11 λi 0.3 0.8 ×28700 ×( α i =0. 023 R i P i = 0.023×) = 421W /(m 2 • C) 0.02 0.11 d i e r �

u ρ l i

管程压降为 ∆P i = (λ d +3) f i N i i

2

取管壁粗糙度ε =0.15mm �ε/d = 0.00752 �经查图可得摩擦系数

λ =0.034

∴

u 2 ρ i

i ∆P = (λ +3) f N =(0.034× +3) ×1.4×4× = 5.7×10 Pa

d 2 0.02 2

b �壳程

选用缺口高度为25�的弓形挡板�取折流板间距 B=0.3Di , 则 B=135mm。

�故折流挡板数为N = −1= −1= 22

l 3

B 0.135

0.025

流道面积 S =hD(1−d t) = 0.135×0.45×(1− ) = 0.0133m

0.032

水流速 u = = 0.27m /s

3600ρ0S 0 3600×992.2×0.0133

正三角排列的当量直径为

3 π 3 π

4( t − d ) 4×( ×0.032 − ×0.025 )

4 = 2 4 d = 2 = 0.0202m πd0 π ×0.025

= 8.25× 3 Re = 10

µ0 0.000656

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c µ 4.174×0.000656

=4.32×10 −5 P 0 = p =

r

λ 63.38

壳中原油被加热�取 (

µW

= 1.05 �所以

α 0 = 0.36

(R) d e e 0

0.55

µ µ 0.14 P 0 3 ( ) )

µ r W

1

1

0.55 =0.36× 63.38 ××0.0000432 3 ×1.05= 6135.53W /(m 2 • C)

0.0202 8250

�

壳程压降

′ 0

−0.190

=1.72×8250 −0.1

=0.31 9

D N + 0.45×(22+1) 0.27 2 ×992.2 ′ B 1) 0 0 3

× =0.41× × = 7.6×10 Pa ∆P 0 =λ 0

2 0.0202 d e

2

③计算传热面积 传热系数

u 2 × 1 1 1 = + + K

α0 αi 计

�忽略管壁热阻�则

1 1

= + 1 = 0.00254 K 6135.53 421 计

2

K 计 =393.97W /(m • C)

= = 20.53m 2 A 计 =

K ∆t 393.97×63.7 计 m

Q

且

�

A 实 24.1

A = 20.53 =1.174 计

即传热面积有17.4�的裕度。

515180

2.5. 壳体厚度

壳体材料选用 20R 钢�计算壁厚的公式为�

t

S=PcDi /�2「ζ」 Ф-Pc � 式中�Pc ——计算压力�取 Pc 为 1×1.1=1.1MPa �

D i =450mm�Ф=0.85(局部无损检测)

80

「ζ」 =130Mpa�取壳体温度为 80℃�

δ=450×1.1/�2×130×0.85-0.11�=3.81m m

取 C 2=2mm �C 1=0.25mm�圆整后取δ=6mm�复验 6×6%=0.36〉0.25 故最终取 C 1=0.25mm

故δ=6mm

2.6 换热器封头的确定

上下封头均采用标准椭球形封头�根据封头为 DN1400×5。曲面高度 h 1=100mm�

直边高度 h 2=25mm�材料选用 20 R 钢。 2.7 容器法兰的选择

材料选用 16MnR 钢�根据 JB/4703-2000 标准�选用 PN1.6Mpa �DN400mm 的榫 槽密封面长颈对焊法兰。 2.8 开孔补强

换热器封头和壳体上的接管都需要补强�在开孔外面焊接上一块与容器壁材料和

厚度都相同的�即 5mm 厚的 20R 钢板。 2.9 支座

选用型号 JB/4712-92 鞍座 BI 700 F 。

三、换热器的主要结构尺寸和计算结果

设备结构参数

物料参数

计算结果

五�环境保护与劳动安全

1.DOP 生产过程“三废”处理

生产过程中工业废水的主要来源是酯化反应中生成的水�经多次中和后含有

单酯钠盐等杂质的废碱�洗涤粗酯用的水�脱醇时汽提蒸汽的冷凝水�它们的组

成大致如下面所示�

表12酯化液与中和废水的组成

治理的办法�首先应从工艺上减少废水的排放量�象本设计采用的是非酸催

化剂�则可革除中和水洗两个工序�其次�当然也不可避免地要进行废水处理。

一般说全部处理过程分为回收和净化两级。回收时必须考虑经济效益�如果回收

有效成分的费用很大�就不如用少量碱将其破坏除去。 对于本设计回收的辛醇一

部分直接循环到酯化部分使用�另一部分需进行分馏和催化加氢处理。而产生的

废水�CO D 值 700�1500mH g/L�可以用活性污泥进行生化处理后再排放。

2、DOP 生产过程安全事项

化工产品生产是一项具有高风险性的行业�因此在整个化工生产中�设备安装、

施工、操作等等都必要要考虑各方面安全因素�设计过程中要周密考虑�最大程度的

消除安全隐患�使事故概率降低到最小。

在设计中�流程上要考虑的安全因素主要是避免设备和管道内截止的压力超过允

许的超做压力而造成灾难性事故的发生。一般利用安全泄压装置来及时排放管道内的

介质�使管道内截止的压力迅速下降。设备及管道中可以采用的安全泄压装置主要有

爆破片和安全阀�或在管道上加安全水封和安全放空管。

介质的易燃与易爆是相互关联的�防爆的首要措施是防火�所以 DOP 生产的安全� 首要先从防火做起。根据 DOP 生产的特点�应采取下列防火措施�

�1� 贮存输送原料及产品的贮罐、管线附近严禁火源�并有明显的指示牌和标

志。

�2� 厂房内不存放易燃物质�地沟保持通畅�防止可燃气体、液体积聚�加强

厂房里通风。

�3� 电气设备须选用防防爆型�电缆、电源绝缘良好�防止产生电火花。接地

牢靠�防止产生静电。

�4� 备有必须的消防器材。 对于 DOP 生产防爆应该注意如下几点�

�1� 严格执行受压容器、受压设备使用、管理有关规定�操作人员必须经过严

格训练。

�2� 不准任意改变运行中的工艺参数�不得超温、超压及提高设备的使用等级。

�3� 受压容器、管线的安全设施齐全�且证明确实灵敏可靠�如安全阀、压力

表、防爆板及各种连锁信号、自动调节装置等。

严格执行防火规定及安全技术措施�严格控制可爆介质不得上升到爆炸范围。

六�设计结果评析与总结

经过一段时间的资料查询、文献搜索、设计整理�在老师的指导和同学的帮助下�

我们这组顺利地完成了本次课程设计。本次设计以“工艺先进、技术可靠、系统科学、

经济合理、安全环保”为原则�依据课程设计任务书�遵循工程设计的规则与要求来 完成�设计思路清晰�能结合生产实际辅助设计�引用资料和相关公式准确�设计数 据和设计结果可靠�自我感觉本次课程设计完成比较理想。

本设计在比较了现行国内工业生产上DO P �其典型的工艺流程有两种�1、酯化—

脱醇一中和水洗一汽提干燥一过滤�2、酯化一中和水洗一脱醇--汽提--干燥一过滤。

由于第①有公用工程消耗低�热能利用合理�可以生产多牌号的DOP 产品等种优点�

并且�结合国内条件和生产操作经验�在借鉴第1类典型工艺流程基础上�采用的是

非酸催化剂�可革除中和不洗两个工序�设计国产化新的工艺流程。是一种较适合我

国国情的生产方法。

本工艺设计与一般工艺相比�优势在于�

�1�原料预热处理步骤提高了原料的转化率�使苯酐在一级酯化釜转化率接近

100%。

�2�采用的是氧化铝与辛酸亚锡 1�1 比例复配非酸催化剂�反应时间短、酯收 率高、产品质量好(酸值低、色度低、热稳定性好、体积电阻率大) 、处理条件简单

等优点�同时可革除中和水洗两个工序。

�3�酯化反应在常压操作进行�对传统工艺的改进使得其能量消耗大为减少�

生产过程的稳定性和连续性大为提高�符合现代工艺绿色高效生产的要求。

�4�进行废水处理分为回收和净化两级。根据实际情况�最大限度地回收利用�

变废为宝。对于本设计回收的辛醇一部分直接循环到酯化部分使用�另一部分需进行 分馏和催化加氢处理。而产生的废水用活性污泥进行生化处理后再排放�对环境不具 有污染。既符合环保要求�还降低了生产综合成本。

由于本设计属于初步设计�需要更多的讨论与研究�才能投入生产实践�使得技 术得到改进�生产效率提高。在编写设计的过程中我们对本设计说明书作了多次修改�

但限于时间和水平�纰漏在所难免�恳请老师们指正。

七�致谢

本次设计在设计写作期间�得到了张老师的精心指导�老师严谨的治学态度�

精益求精的工作作风�朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。

本设计能够顺利的完成�离不开各位老师和同学给予的指导与关心�特别是我们 本设计小组各成员通力合作�迎难而上精神值得继续发扬。在此�对所有关心和帮助

过我的老师和同学表示崇高的敬意和衷心的感谢。

八�参考文献

[1] 王延吉. 化工产品手册. 第四版. 有机化工原料. 化学工业出版社.54.

[2] 汪寿建. 天然气的综合利用技术. 第 1 版. 化学工业出版社,2003.

[3] 宋维端�房鼎业. 甲醇工学. 第 1 版. 化学工业出版社,1991.

[4] 王延吉. 化工产品手册. 第四版. 有机化工原料. 化学工业出版社.55. [5] 薛荣书, 谭世语. 化工工艺学. 第二版. 重庆大学出版社.238-239.

[6] 吴志泉, 涂晋林. 工业化学. 华东理工大学出版社.35-36.

[7] 王永全. 甲醇精馏技术简述「J 」. 化肥设计,2004,42(5):22�25.

[8] 梁红涛主编. 最新化工生产工艺设计与化工产品检测技术手册. 银声音像出版

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[9] 刁玉玮, 王立业编著. 化工设备机械基础. 第 5 版. 大连理工大学出版社, 2003.

[10]刘道德等编著. 化工厂的设计和改造. 第二版. 中南大学出版社, 2005.

[11]娄爱娟等编著. 化工设计. 第 1版. 华东理工大学出版社,2002.