间甲苯酚工艺制备

《化工过程设计》课程设计间甲苯酚制备工艺流程设计

2010年4月15号

1.工艺过程原理

在高温、高压条件下，间甲苯胺与磷酸和水反应，生成间甲苯酚和磷酸二氢铵，化学反应式如下：

CH

3

NH

2

CH

3

OH

H

3

PO

4

NH

4

H

2

PO

4

除上述主反应以外，在高温、高酸度反应条件下，还伴随有重质焦油物产生等副反应，其中最主要的副反应是产物间甲苯酚与反应物间甲苯胺之间脱水生成3,3-二甲基二苯胺：

CH

3

NH

2CH

3

OH

CH

3

N

H

C

H

3

影响上述主副反应的主要因素包括反应物料比、反应时间、反应温度、反应压力等。在弄清上述这些因素对反应的影响之后，最佳工艺的确定还需要对这些变量进行协同优化，强化主反应速度、提高反应底物的转化率和目标产物的选择性、抑制副反应的发生将是降低原材料消耗、减化反应后处理程序和提高技术先进性的关键。制备间甲苯酚的主反应是一个强放热反应，而副反应则是一个吸热反应，因此，需要保证反应的温度适中，在保证适度的反应速率的情况下，尽量降低温度，为了反应能在恒温的条件下进行，要移走多余的反应热。

2.设计基础

在进行间甲苯酚制造过程的工艺流程设计之前，需要明确一些基本数据，例如装置构成及规模、原材料及产品规格和基本物理化学性质、主要的反应工艺条件、公用工程等。

(1).间甲苯酚制造过程反应装置包括：反应物配料装置、中和反应装置、加压水解装置、萃取分离装置、精馏装置等；

(2).间甲苯酚制造中试线的设计按照间歇式生产方式，年产量为间甲苯酚1.8 t·a-1(0.25 kg·h-1)；

(3).间甲苯酚制造过程中涉及的化学品包括：间甲苯胺(固体)、浓度为85%的磷酸、氮气、甲苯及其产生的废水、废气，这些物质的规格及理化学性质可查阅相关手册；

(4). 根据间甲苯酚制备小试究结果，最佳反应条件如下：在温度280~285℃，反应时间12~20h，H3PO4/胺摩尔比为1.96~2.55，水/胺摩尔比为20~35条件下，间甲苯酚收率83.2%~84.6%。

根据上述结果，选择采用如下条件来设计间甲苯酚产品中试装置：间甲苯胺投料3.6Kg/次，H3PO4/胺摩尔比＝2.20，水/胺摩尔比=29.80；反应温度280℃；

反应时间14h。具体见表2.5.2。

表1 间甲苯酚产品设计采用的主要反应工艺条件

(5). 在进行工艺流程设计之前，应对公用工程的条件做必要的了解，并针对本设计的公用工程供应提出要求；另外，在流程设计中还要对产品储存、“三废”排放等作相应考虑。

3.工艺流程说明

设计间甲苯胺在磷酸作用下的直接水解反应采用间歇式工艺，磷酸与间甲苯胺之间的中和反应以及反应液进一步水解反应分开进行，其中水解反应采用折叶式搅拌鼓泡反应工艺。由原料计量、酸胺中和、高压水解、甲苯萃取、副产物分离、间甲苯酚产品精馏、甲苯再生等单元构成。生产过程大致如下：先将浓度为85%的磷酸加水稀释溶解，然后加入间甲苯胺进行酸胺中和反应。将上述混合物转入高压釜中，密闭后通入氮气以置换高压釜内的空气，缓慢升温至设定的反应温度，搅拌反应一定时间使水解反应完全。反应结束后，从高压釜内取出反应混合物冷却至设定温度后，加入溶剂甲苯萃取。水相经浓缩结晶可得到副产物磷酸二氢铵；有机相经减压蒸馏，分离出主产物间甲苯酚并回收溶剂甲苯。

4.物料平衡及操作条件

间甲苯酚装置物料平衡见表2，部分物料的物理性质汇总于表3。

表2 间甲苯酚装置物料平衡表

*：包括甲苯萃取液水洗用；

**：氮气流量以一段时间内的消耗累计与时间的比值来表示。

表3 部分物料的物理性质表

5.1水解反应釜物料衡算

水解反应釜进口物料组成

按照上述的条件对间甲苯酚产品进行物料恒算，具体见表2（其中间甲苯胺每天投料两次，一天生产24个小时，一年300个工作日）。

间甲苯胺：3.6kg/次×2次×1000/(107g/mol×24h)=2.80mol/h=0.3kg/h

反应磷酸/间甲苯胺比为2.2

磷酸：2.80mol/h×2.2=6.16 mol/h=0.6kg/h

反应水/间甲苯胺比29.8

水：2.80mol/h×29.8=83.44 mol/h=1.5kg/h

水解反应釜出口物料组成

间甲苯酚：2.75 mol/h×84%=2.31 mol/h =0.25kg/h

磷酸二氢铵：2.75 mol/h×84%=2.31 mol/h =0.27kg/h

水：83.44 mol/h-2.31 mol/h=81.13 mol/h =1.46kg/h

表2 间甲苯酚装置物料平衡表

5.2精馏塔物料衡算

工艺要求：塔顶甲苯含量98%，塔底甲苯含量为0.5%；

已知甲苯摩尔质量——92kg/kmol ；间甲苯酚摩尔质量——108kg/kmol 由高压反应釜的物料平衡数据可知，进入精馏塔的混合物中甲苯：1.23kg/h ，间甲苯酚：0.25kg/h ，所以原料液中甲苯的质量分数为

W=1.23/(1.23+0.25)=83.11％ 原料液组成F x （摩尔分数，下同）：

F x =

83.11/92

83.11/9216.89/108

+=0.8524=85.24%

塔顶组成D x ：D x =98.0/92

98.0/922/108

+=0.9829=98.29%

塔底组成W x ：W x =0.5/92

0.5/9299.5/108+=0.00586=0.586%

原料液的平均摩尔质量M ：

M =0.8524×

92+(1-0.8524)×108=94.36kg/kmol 进料量F ：F =（1.23+0.25）/94.36kg/h=15.68 mol/h

物料衡算式：F =D +W ，F F x =D D x +W W x 其中D 为塔顶产品流量，mol/h;W 为塔釜残液流量，mol/h

联立解得：D =13.59mol/h,W =2.09mol/h 5.3 热量衡算

水解反应釜热量衡算