年产1万吨异丁酸生产车间工艺设计 毕业设计开题报告

毕业设计开题报告
学生姓名：学号：
学院、系：化工与环境系
专业：化学工程与工艺
设计题目：年产1万吨异丁酸
生产车间工艺设计
指导教师:
2012年3 月9 日
毕业设计开题报告
1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：
文献综述
1.1 产品概述
异丁酸又称2-甲基丙酸，分子式C4H8O2，结构式(CH3)2CHCOOH。

异丁酸为无色稠厚的液体，有刺激性气味，熔点：-46.7℃，沸点：152～155℃，相对密度：0.9681(20/4℃)，易溶于水和一般有机溶剂中。

有类似丁酸的刺激性气味，能与乙醇、乙醚、氯仿混溶。

折光率(n20D)1.3930，闪点(开杯)77℃，易燃，低毒，有腐蚀性。

以游离状态存在于稻谷、豆类和山金车花的根中，其乙酯存在于巴豆油中[1]。

异丁酸能发生脂肪酸的一般反应,因其分子中含有一个三级碳原子，经碱性高锰酸钾氧化，可形成α-羟基酸。

异丁酸可除去汽油中具有恶臭的硫化物，其酯可用作合成香精。

例如，异丁酸甲酯似杏香，丙酯似菠萝香，异戊酯似香蕉香。

异丁酸是一种重要的化工原料，它的用途十分广泛。

主要应用于酯类产品的合成，其品种多达百余种，也可作为食品保鲜剂、香料的原料和制药工业。

用作脂类的溶剂，也用于香精、香料的制备和作防腐剂、消毒剂等。

异丁酸有一些重要的衍生物，工业上实际用于生产异丁腈的中间体，再转化为盐酸异丁脒，它是杀虫剂二榛农的原料，常用于牛奶制品、烘烤食品、甜沙司酱[2,3]。

1.2 市场状况
相关资料[4]显示目前全世界异丁酸的产量30000t/a，主要集中在中欧及美国的各大公司，如德国赫斯特公司、哈斯公司以及伊斯曼公司。

1988年美国异丁酸产量约1.1万吨，并将以年均3.5%的速度增长,估计1993年产量可达1.3万吨。

根据科赫合成制备异丁酸及其酯，到现在为止在技术规模上尚未得到实现。

虽然反应已经被深入研究，以及无数的变量方法和实验条件已经过测试，但对技术工艺所必需的高选择性、收率以及停留时间问题尚未解决[5]。

在国内，由中油吉林石化公司研究院(吉化研究院)开发成功的异丁酸分离技术[6]，日前正式通过专家鉴定验收。

根据吉化化肥厂发展规划，2001年要以异丁酸为合成原料建设一套1000t/a甲基异丙基酮装置，异丁酸的质量直接影响甲基异丙基酮的产品质量
和收率。

同时，由于目前异丁酸市场销售非常好，该厂决定再新建一套2500t/a 异丁酸装置。

为确保异丁酸分离装置的技术可靠性和经济合理性，该厂委托吉化研究院进行技术攻关。

吉化研究院在流程模拟优化的基础上，验证了采用双塔精馏工艺分离异丁酸技术的可行性，达到了厂家提出的技术指标要求。

而且异丁酸收率可提高15%，专家认为，吉林石化公司研究院开发的异丁酸连续分离技术，经模拟计算、试验研究，提出2500t/a 异丁酸分离装置基础设计，采用双塔精馏工艺实现异丁酸的连续分离，产品质量高于目前国内外标准，产品收率比吉化化肥厂现行异丁酸间歇分离装置提高15%以上，技术上有一定先进性，具有良好的经济效益。

近几年来，采用异丁酸生产异丁睛产品的市场令人看好。

异丁睛的最大用途是转化为异丁脒，它是高效低残毒有机麟农药地亚农的中间体，地亚农是有机麟农药中吨位较大的产品，广泛用于农业、畜牧业、卫生和贮粮等的防虫和灭虫，尤其是对地下害虫和果树害虫防治效果最佳。

在国外异丁睛用量增长速度很快，平均以3.5% 的速度增长在我国异丁睛用量增长速度也很快，这无疑是促进异丁酸消费量增长的原因[7]。

目前国内异丁酸产品的生产能力不能满足国内异丁酸下游产品生产企业的需求。

因此每年需进口，1994年我国异丁酸产品产量仅有300t/a 左右，进口量约为400t/a ，国内需求量为700t 左右。

如今，我国异丁酸产量已达到700t/a 左右，进口量约为500t/a ，国内需求量为1200t/a 左右。

照此计算，其年增长率约为11.38%。

因此，今后几年我国异丁酸产品年需求量将会有大幅度的增长，市场前景看好。

1.3 主要生产方法 1.3.1 异丁醛空气氧化法
本方案采用催化剂对异丁醛液相氧化制异丁酸的工艺进行考察[8,9]。

结果表明，在反应温度20～50℃、氧醛摩尔比1.2:1、催化剂用量占异丁酸总质量的0.01%～0.05%、反应时间3～4小时条件下，异丁醛转化率大于99.5%，异丁酸选择性在90%以上。

采用减压精馏对氧化产物进行分离精制，产品纯度高于99.3%。

工艺路线较成熟，产率高达95%。

因此可作为本设计的工艺方法。

主要反应方程式如下[10]：
CH 3CHCH 2OH O 2 CH 3CHCHO CH 3
CH 3 H 2O
CH 3CHCHO CH 3
CH 3 1/2O 2
CH 3CHCOOH
1.3.2 异丁醛水氧化法
以Cu 、Zn 、Al 、Zr 复合氧化物为催化剂，异丁醛水氧化生产异丁酸，在异丁醛含水量60% ，0.75M Pa ，310℃下，异丁醛单程转化率为55%，生成异丁酸选择性90%。

反应机理为在同一催化剂上先后进行醛歧化为酸和醇，醇再进行两步脱氢反应。

反应式如下：
(CH 3)2CHCHO
H 2O
(CH 3)2CHCOOH H 2
该反应为微放热反应，比异丁醛氧气氧化成异丁酸的反应热小的多，反应平稳，容易控制。

由于水是比氧气弱的多的氧化剂，因此不会像氧气氧化时容易造成化合物的C-C 键断裂，产生的副产物种类和数量较少。

水将异丁醛氧化成酸以后，自身被还原成氢气放出。

生产每吨异丁酸可副产氢气255Nm 3，对于需要氢气的用户来说尤为合适。

该方法中催化剂能促进反应液中过氧化物分解，安全性较高，工艺路线较合理，但其为新工艺，仍处于试用阶段，工艺路线不成熟，故不能用于设计[11,12]。

1.3.3异丁醛自身缩合法
异丁醛在碱性条件下自身缩合生成3-羟基-2,2,4-三甲基戊醛，后者在碱性条件下与异丁醛进行歧化反应生成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇（TMPD ）和异丁酸盐反应如下[4]：
CH 3 CH 3
CHCHO
2
CH 3CHCHCCHO
OH
OH
OH CH 3
CH 3
CH 3CHCHCCH 2OH
OH
OH CH 3
CH 3
CH 3CH 3CHCHCCHO
CH 3CH 3OH CH 3
CH 3CHCHO CH 3
NaOH
CH 3CHCOONa
反应温度为90℃，NaOH 浓度为18%～20%，异丁醛与氢氧化钠之比为5:1，生成的异丁酸钠可用稀硫酸中和而得到异丁酸。

CH 3
CH 3
2CH 3CHCOONa H 2SO 4 2CH 3CHCOOH Na 2SO 4
上述反应会有大量副反应，因此TMPD 的收率不超过40%，故反应产生异丁酸钠的量较少，不适合用于工艺设计[13]。

1.3.4 异丁醇铬氧化法
采用氧化媒质Cr(VI)在相转移催化剂( PTC ) 存在下氧化异丁醇制备异丁酸，同时生
成的Cr(III)可电解再生为Cr(VI)达到循环使用。

所用试剂均为分析纯，水溶液以及蒸馏水配制，红外光谱以岛津IR-408光谱仪测定。

氧化媒质Cr(VI)电解再生在三级室隔膜槽进行，β-Al2O3为隔膜，其电阻率为0.26 Ω/m，Pb-PbO2为阳极，不锈钢板为阴极，极间距40 mm，在合适的电解液中控制恒电流电解再生，槽压2. 4～2. 6 V，再生1molCr(VI) 约耗0. 22 kWh的电能，由电解所得氧化媒质Cr(VI) 氧化异丁醇制得异丁酸，经氯仿萃取、精馏便得产品[14]。

本工艺中异丁酸由异丁醇在减性介质中以KMnO4为氧化剂氧化后经精馏而成，产率仅为73%～76%，且生产一吨异丁酸除主原料异丁醇外，尚需耗约3.2吨KMnO4，1.6吨H2SO4，0.3吨Na2CO3等辅助材料，成本高且产生近2吨MnO2废渣，污染了环境[15]。

1.3.5异丁醇高锰酸钾氧化法
本方法属于实验室法，其实验过程如下：于装有搅拌器、滴液漏斗、温度计的5L 反应瓶中，加入37.1g(0.5mol)异丁醇，碳酸钠水溶液100mL，冰水浴冷却，温度10～15℃，滴加高锰酸钾103g（0.65mol）溶于2.5L水配成的溶液，约4~5h加完，加完后室温放置过夜。

将析出的二氧化锰滤去，滤液减压浓缩至约150mL，冷后用50%的硫酸酸化，提纯，干燥。

收集153～155℃的馏分，得异丁酸33g，收率75.5%[16]。

此方法仅适用于实验研究，还未实施生产，尚不成熟，故不能用于本设计。

参考文献：
[1] 张跃. 精细化工中间体生产流程图解[M]. 北京: 化学工业出版社, 1999, 34
[2] 物竞化学品数据库. /
[3] 魏文德. 有机化工原料大全[M]. 1～4卷. 北京: 化学工业出版社, 1989, 87
[4] 洪仲芩. 化工有机原料深加工[M]. 北京: 化学工业出版社, 1997,(6): 32
[5] Siegmund Besecke, Darmstadt. Method For Making Isobutyric Acid[P]. United States
Patent: 4,452,999 , Jun.5, 1984
[6] 张晓君. 异丁酸分离技术开发成功[J]. 石油炼制与化工, 2001, 6(1): 30
[7] 王跃志. 异丁酸产品市场看好[J]. 化工时刊, 2000, 16(7): 32
[8] 刁香, 周建平, 刘宝坤. 异丁醛氧化制异丁酸的工艺研究[J]. 化工时刊, 2004, 5
（11）:11
[9] 李兴存. 化学反应工程与工艺[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002（2）: 144～147
[10] 黄中九, 房鼎业. 化学工艺学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010, 428
[11] 曹卫华, 王恒秀, 陈维斌. 异丁醛加水氧化制异丁酸新工艺[J]. 安徽大学学报,
2008, 32（3）: 2.
[12] 王恒秀, 陈维斌, 潘伟雄等. 异丁酸合成用锆基催化剂及其制方法. 中国专利,
200410065884 [P]. 2004-12-24.
[13] 邓明志. 精细石油化工[M]. 北京: 高等教育出版社, 1988, 7～12
[14] 赵崇涛, 朱则善. 异丁酸的合成[J]. 化工时刊, 1997,（12）：87
[15] 段行信. 使用精细有机合成手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2000, 12
[16] 孙昌俊, 曹晓冉, 王秀菊. 药物合成反应理论和实践[M]. 北京: 高等教育出版社，
2007
毕 业 设 计 开 题 报 告
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
2.1 本设计的任务
选择合适的生产路线，采用先进的制备工艺和控制手段，完成年产1万吨异丁酸生产车间工艺设计。

同时应该考虑到工艺成熟可行、经济效益高、安全生产和环保，并撰写毕业设计说明书，绘制相关图纸，完成外文翻译。

2.2 工艺路线选择
通过对文献的综合理解，以及对众多生产方法的分析，决定采用空气氧化法。

用异丁醛氧化合成异丁酸是一种工艺成熟、产品质量好且收率较高的工艺方法。

（1）反应原理 主反应：
CH 3CHCH 2OH O 2 CH 3CHCHO CH 3
CH 3 H 2O
CH 3CHCHO CH 3
CH 3 1/2O 2
CH 3CHCOOH
副反应：
(CH 3)2CHCHO
O 2
CH 3COCH 3HCOOH
(CH 3)2CHCHO O 2
(CH 3)2CHOH CO 2
(CH 3)2CHOH HCOOH (CH 3)2
HCOOCH
（2）流程简述
本设计采用异丁醛氧化来合成异丁酸在反应温度20～50℃、氧醛摩尔比1.2:1、催 化剂用量占异丁酸总质量的0.01%～0.05%、反应时间3～4小时条件下，异丁醛转化率 大于99.5%，异丁酸选择性在90%以上。

异丁醇经汽化进入反应器反应，通过冷凝器，经精馏去除丙酮及甲酸异丙酯，再次 冷凝得到产品异丁酸。

(3)工艺流程方框图如下：
冷凝器
贮罐
反应器
空气
热水
丙酮、甲酸异丙酯冷却水
精馏塔
冷凝器
冷却水
热水
产品槽产品
放空
异丁醇
3. 毕业设计工作进度计划
起 迄 日 期 工 作 内 容
2012年
2月13日～2月24日 查阅文献，翻译文献 2月25日～3月09日 确定生产方法，撰写开题报告 3月10日～3月16日 工艺流程设计 3月17日～3月30日 进行物料及热量衡算
3月31日～4月13日 设备计算，选型和关键设备结构设计 4月14日～4月21日 车间布置设计 4月22日～5月04日 绘制图纸
5月05日～5月18日 环保与安全评价、经济核算 5月19日～5月25日 撰写毕业设计说明书 5月26日～6月01日 毕业答辩
毕业设计开题报告
指导教师意见：
指导教师：
年月日所在系审查意见：
系主任：
年月日。