1、 本 科 毕 业 论 文年产 5 万吨环氧大豆油工艺设计Process Design of Epoxy Soybean Oil （50kt/a）目 录摘要 .IAbstract.II引言 .1第一章 环氧大豆油合成工艺进展 .21.1 大豆油的物理性质 .21.2 环氧大豆油简介 .21.3 生产环氧大豆油的意义 .31.4 环氧大豆油生产现状及发展前景 .31.5 工业上制备环氧大豆油的方法 .41.5.1 溶剂法 .41.5.2 无溶剂法 .51.6 换热器研究现状 .81.6.1 换热器研究的目的和意义 .81.6.2 换热器研究新进展 .81.7 本课题研究的主要内容 .10第二章 环
2、氧大豆油生产工艺流程 .112.1 环氧大豆油制备方法对比 .112.2 环氧大豆油工艺流程 .122.2.1 工艺条件的确定 .122.2.2 反应机理 .122.2.3 反应工艺过程 .13第三章 换热器的工艺选型与计算 .153.1 设计任务及内容 .153.1.1 设计任务及操作条件 .153.1.2 设计内容 .153.2 选择换热器的类型 .163.3 换热器材质的选择 .173.4 流动空间及流速的测定 .173.4.1 流体流入空间的选择 .173.4.2 流体流速的选择 .173.4.3 列管式换热器内部排列方式的确定 .183.5 确定物性数据 .183.6 计算总传热系数
3、 .183.7 估算传热面积 .193.8 工艺结构尺寸 .193.8.1 管程数与传热管数 .193.8.2 传热管排列和分程方法 .203.8.3 管体内径 .203.8.4 折流板 .203.8.5 接管 .213.9 换热器核算 .213.9.1 热量核算 .213.9.2 核算壁温 .233.9.3 换热器内流体的流动阻力 .233.10 换热器各个部件参数 .263.10.1 椭圆形封头 .263.10.2 封头与壳体连接部位法兰 .263.10.3 管子尺寸选取 .26结论与展望 .28致谢 .29参考文献 .30附录 A 主要符号说明 .31附录 B 工艺流程图 .32附录 C
4、 换热器设备图 .33I年产 5 万吨环氧大豆油工艺设计摘要：环氧大豆油是国内外开发应用较早的一种环氧增塑剂，已发展成为第三大类增塑剂。该设计对环氧大豆油工业化生产进行了设计研究，设计出合理的生产工艺路线：以大豆油为原料，滴加双氧水为氧源，以过氧磷钨酸季铵盐为催化剂。原料的质量配比为大豆油双氧水催化剂10.5 0.01，反应时间 6-8h,反应温度 60-70，双氧水滴加时间控制在 5h 左右，得到环氧值较高、收率较高的环氧大豆油。该方法是一种能耗低、工艺简单、操作安全、生产成本低、能满足工业化规模生产的环氧化方法。通过物料衡算和热量衡算对工艺设备换热器进行优化设计、选型，确定其尺寸。结果为：
5、选用壳体直径为 400mm 管子为 252.5mm，单壳程四管程，管子个数为 60 根的换热器，经核算符合工业设计要求。关键字：环氧大豆油；增塑剂；过氧磷钨酸季铵盐；换热器IIProcess Design of Epoxy Soybean Oil （50kt/a）Abstract: Epoxy soybean oil is one of the earliest domestic development and application of epoxy plasticizer, has become the third largest category plasticizer. The des
6、ign for the industrial production of epoxy soybean oil were designed research, design reasonable production process route: soybean oil as raw material, dropping hydrogen peroxide as an oxygen source to the quaternary ammonium salt of phosphotungstic acid peroxide catalyst. The ratio of the quality o
7、f raw soybean oil: hydrogen peroxide: catalyst = 1:0.5:0.01, reaction time 6-8h, the reaction temperature is 60 -70 , hydrogen peroxide dropping time control in about 5h, get high epoxy value close higher rate of epoxy soybean oil. The method is a low energy consumption, simple process, safe operati
8、on, low production costs, to meet the epoxidation of industrial scale production.Operators of process equipment to optimize the heat exchanger design, selection by material balance and heat balance , determine its size. The results are: selection of 400mm diameter casing pipe is 25 2.5mm, single-hul
9、led four- tube , the tube is 60 the number of heat exchangers, industrial design review by the accounting requirements .Key words: Epoxidized soya bean oil; Plasticizer; Peracetic acid quaternary ammonium Phosphotungstic;Heat exchanger.1引 言环氧大豆油是一种性能良好的增塑剂兼稳定剂，在聚氯乙烯塑料涂料、新型高分子材料、橡胶等工业中有广泛的应用。环氧大豆油具有优
10、良的热稳定性、光稳定性、耐水性和耐油性，并且相容性好、挥发性小、迁移性小，已发展成为第三大类增塑剂。环氧大豆油不仅对 PVC 有增塑作用，而且由于其结构中的环氧基团可以吸收 PVC 因光和热降解产生的 HCl，阻止 PVC 脱 HCl 分解反应的进行，从而延长 PVC 制品的使用寿命。此外环氧大豆油对 PVC 制品具有交联增韧作用，能改善 PVC 耐光、耐热、抗老化、抗冲击、润滑等性能。环氧大豆油毒性极小，已被许多国家允许用于食品及医药的包装材料，是美国食品药物管理局批准的唯一可用于食品包装材料的环氧类增塑剂。本设计在之前研究基础上以保护环境减少污染，节约原料为准则进一步完善优化工艺流程，改善
11、工艺设备。2第一章 环氧大豆油合成工艺进展1.1 大豆油的物理性质大豆油取自大豆种子，是世界上产量最多的油脂。精炼过的大豆油为淡黄色，其主要成分为亚油酸(5157%)、油酸(32 36%)、棕榈酸 (2.42.8%)、硬脂酸(4.44.6%)，其具体脂肪酸组成如表 1.1 所示，其中亚油酸是人体必需的脂肪酸，具有重要的生理功能。幼儿缺乏亚油酸，皮肤变得干燥，鳞屑增厚，发育生长迟缓；老年人缺乏亚油酸，会引起白内障及心脑血管病变。表 1.1 大豆油脂肪酸组成脂肪酸名称 分子结构式 含量(%)十六酸 CH3（CH 2） 14COOH 2.3-10.6十八酸 CH3(CH2)16COOH 2.4-6顺
12、式-9-十八烯酸（油酸） CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 23.5-30.8顺式-9，顺式-12 十八烯酸（亚油酸） CH3(CH2)3(CH2CH=CH)2(CH2)7COOH 49-51.5顺式-9，顺式-12，顺式-15 十八烯酸（亚麻油酸）CH3(CH2CH=CH)3(CH2)7COOH 2-10.5大豆油的主要物理性质为：相对密度 0.915-0.9375，粘度：8.5 左右，折光指数1.4735-1.4775，凝固点：-18 -15，皂化值（mgKOH/g 油）188-195，总脂肪酸含量（ ）94.96 ，碘值（ g 碘/100g 油）120-137。1.2 环
13、氧大豆油简介环氧大豆油又名环氧甘油三酸酯，英文名为：Epoxidized soybean oil（简写为 ESO）分子式：C 57H98O12， 相对分子量约 1000。环氧大豆油是用精炼大豆油采用过氧化物处理而得的一种产品，其主要成分为不饱和的甘油脂肪酸酯（如环氧亚油酸酯、环氧油酸酯等）混合物，并含有微量的色素、磷脂、胶质等杂质。环氧大豆油常温下为浅黄色粘稠油状液体,流动点-1，沸点 150(0.5kPa)，着火点 310，密度 0.9850.005（25）粘度325mPa.s(25)，折光率 1.4713(25)。可溶于烃类、酮类、酯类、高级醇等有机溶剂。微溶于乙醇，不溶于水，在水中的溶解
14、度96 )，产品质量达到或超过国优标准。催化剂可重复使用 8 次，再生容易，无腐蚀，环境污染小。王龙江等 9以大孔强酸性树脂催化剂、过氧甲酸为环氧化剂，制备出 PVC 环保型增塑剂环氧化大豆油。粗豆油中除了甘油的脂肪酸酯外，还含有少量游离脂肪酸、磷酸、色素、蛋白质、胶质、蜡及固体杂质，原料的酸值和色泽将会影响成品的色泽、储存稳定性等性能指标，必须将所得粗油进行精制，除去油中的有害杂质。该方法制备出的环氧化大豆油具有环氧值高，酸值和碘值低的特点，是性能优异PVC 环保型增塑剂。采用先过氧化再环氧化的分步合成工艺，可使环氧化时间大大缩短，降低了副反应程度，提高了生产效率和产品质量。1.5.2.2 无羧酸氧化法陕西师范大学研究在无羧酸条件下，以乙酸乙酯为溶剂、甲基三辛基硫酸氢铵为相转移催化剂，用 30(质量分数)过氧化氢溶液直接环氧化大豆油合成了环氧大豆油。实验表明以过氧化氢为氧化剂可以成功地实现大豆油的环氧化，该法不使用羧酸，减少了副产物的生成量，得到的环氧大豆油产品色泽浅，生产成本低。并通过正交试验证明溶液pH 为 2、反应温度 60、反应时间 7h 的条件下，产物的环氧值为 6.27，碘值(100g)为
