安徽工程大学毕业设计-年产二十万吨醋酸生产工艺设计

1、安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）年产二十万吨醋酸生产工艺设计方 浩(安徽工程大学，芜湖，241000)摘 要在醋酸的生产设计中，采用以重金属醋酸盐为催化剂，用乙醛在常压下与氧气进行液相氧化反应生成醋酸的生产方法，乙醛氧化法具有工艺简单、技术成熟、收率高、成本较低等特点。对生产工艺和吸收部分做进一步的了解，分别对吸收塔的塔径和塔高进行计算，使达到设计的要求，目的使生产高纯度的醋酸产品，降低生产成本，减少热量损失，提高原料利用率，实现预期20万吨/年醋酸的生产工艺设计目标。工艺设计内容包括：工艺流程设计、物料衡算、能量衡算、精馏塔设计工艺计算以及生产装置中其他设备的选择等。图纸包括生产流程图、

2、工厂布置图以及塔设备结构图。关键词：醋酸；生产工艺；物料衡算Million tons annual output of acetic acid production process designFangHao（Anhui Polytechnic university of Electrical and Mechanical College,Wuhu,Zip:241000）AbstractDesign in the production of acetic acid, using the metal acetate as catalyst, acetaldehyde and oxygen und

3、er normal pressure liquid-phase oxidation reaction of acetic acid production methods, with acetaldehyde oxidation process is simple, mature technology, high yield, lower cost and so on. Part of the production process and further the understanding of absorption, respectively, on the absorber tower an

4、d the tower diameter is calculated, so that to meet the design requirements, the purpose of production of acetic acid of high purity products, reduce production costs, reduce heat loss and improve the use of raw materials rate, to achieve the expected 20 million tons / year acetic acid production pr

5、ocess design goals.Process design include: process design, material balance, energy balance, distillation column design process calculation and other equipment in the plant selection.Drawings, including production flow, plant layout and structure tower equipmentKey words: acetic acid; production pro

6、cess; material balance目 录摘 要1引 言6第一章 概述71.1 醋酸生产的历史沿革71.2 醋酸的物理性质81.3 醋酸的化学性质91.3.1 酸性91.3.2 溶剂91.3.3 乙酸的二聚体,虚线表示氢键91.3.4 鉴别91.3.5 化学反应91.4 醋酸的生产方法评述101.4.1 发酵法101.4.2 甲醇羰基化101.4.3 乙醇氧化法111.4.4 丁烷氧化法111.4.5 乙烯氧化法111.4.6 巴斯夫高压法111.4.7 乙醛氧化法11第二章 工艺条件的选择122.1 气液传质的影响因素122.1.1 氧气通入速度122.1.2 氧气分布板孔径122.

7、1.3 氧气通过的液柱高度122.2 乙醛氧化速率的影响因素122.2.1 反应温度122.2.2 反应压力122.2.3 原料纯度122.2.4 氧化液的组成122.2.5 乙醛氧化法生产工艺的主要特点13第三章 工艺参数的整定143.1 吸收塔的选择要求143.2 吸收剂的选择143.3 吸收操作参数的选择143.3.1 操作压力的选择143.3.2 吸收温度的选择15第四章 工艺流程设计16第五章 物料衡算175.1 设计依据175.2 氧化塔物料衡算175.3 蒸发器物料衡算215.4 精馏塔物料衡算225.4.1 精馏塔1物料衡算225.4.2 精馏塔物料衡算235.5 醋酸回收塔物

8、料衡算23第六章 能量衡算25第七章 精馏塔的设计267.1 回流比和理论塔板数的计算267.2 塔的有效高度计算277.3 塔径的计算287.4 塔板设计297.5 塔体厚度的计算307.6 流体力学验算31结论与展望34致 谢35参考文献36附录37插图清单图4-1 外冷却乙醛氧化生产醋酸工艺流程图17图5-1 氧化塔进出物料图19图5-2 蒸发塔进出物料图23图5-3 精馏塔1进出物料图23图5-4 精馏塔进出物料图24图5-5 醋酸回收塔物料图25表格清单表1-1 纯醋酸的物理性质8表5-1 消耗定额18表5-2 原料组成18表5-3 氧化塔物料衡算结果22表5-4 总物料衡算结果26

9、表7-1 水和醋酸的安托尼常数28表7-2 精馏塔设计结果35引 言本设计的内容为20万吨/年醋酸装置，包括工艺设计，设备设计及平面布置图。醋酸是一种重要的有机化工原料，在有机酸中产量最大。醋酸是乙醛最主要的衍生物，学名乙酸。醋酸是无色透明液体，有特殊的刺激性气味，具有腐蚀性。其沸点为391.3K，凝固点为289.9K,冬季纯醋酸会凝固成像冰一样的固体，固纯醋酸又俗称冰醋酸。醋酸能与水、醇类、苯等以任何比例混合。醋酸的最大用途是生产醋酸乙烯酯，其次是用于生产醋酸纤维素、醋酐、醋酸酯，并可用作对二甲苯生产对苯二甲酸的溶剂。此外，纺织、涂料、医药、农药、摄影、染料、食品、粘结剂、化妆品、皮革等行业

10、的生产都离不开醋酸。本设计使用乙醛氧化法来生产醋酸，该工艺的主要特点：1） 工业化最早,技术成熟,转化率和选择性高；2） 反应条件缓和，反应选择性高(可达99)，几乎无副产物生成；3） 产品收率高、纯度高。此设计过程中，为了计算方便，忽略了一些计算过程，故有一定的误差，另由于计算时间比较仓促，有些问题不能够直接解决。设计中有不少错误之处，请指导老师予以批评指正，多提出宝贵意见。第一章 概述乙酸又称醋酸1，广泛存在于自然界，它是一种有机化合物，是典型的脂肪酸。被公认为食醋内酸味及刺激性气味的来源。在家庭中，乙酸稀溶液常被用作除垢剂。食品工业方面，在食品添加剂列表E260中，乙酸是规定的一种酸度调

11、节剂。 醋酸是一种用途广泛的基本有机产品2, 也是化工、医药、纺织、轻工、食品等行业不可缺少的重要原料。随着醋酸衍生产品的不断发展, 以醋酸为基础的工业不仅直接关系到化学工业的发展, 而且与国民经济的各个行业息息相关, 醋酸生产与消费正引起世界各国的普遍重视, 醋酸生产工艺及相关问题的研究开发正在日益加深和发展。从最初的粮食发酵, 木材干馏生产醋酸开始, 合成醋酸的工艺路线主要有乙醛氧化法、乙炔电石法、乙醇氧化法、乙烯氧化法、丁烷氧化法和羰基合成法等。这些方法都各有它的优点和缺点，在选择合成醋酸的路线时，应与当地的原料资源情况密切联系起来，因地制宜，按醋酸用量的大小，工业技术条件等作综合的平衡

12、。本设计采用成熟的乙醛氧化法合成醋酸。 首先确定乙醛氧化法生产醋酸工艺流程，其次对整个工艺过程进行物料和能量衡算，然后对其中的单元设备精馏塔进行设备设计，最后对此进行经济效益分析。1.1 醋酸生产的历史沿革醋几乎贯穿了整个人类文明史3。乙酸发酵细菌（醋酸）能在世界的每个角落发现，每个民族在酿酒的时候，不可避免的会发现醋它是这些酒精饮料暴露于空气后的自然产物。如中国就有杜康的儿子黑塔因酿酒时间过长得到醋的说法。 乙酸在化学中的运用可以追溯到很古老的年代。在公元前3世纪，希腊哲学家泰奥弗拉斯托斯详细描述了乙酸是如何与金属发生反应生成美术上要用的颜料的，包括白铅（碳酸铅）、铜绿（铜盐的混合物包括乙酸

13、铜）。古罗马的人们将发酸的酒放在铅制容器中煮沸，能得到一种高甜度的糖浆，叫做“sapa”。“sapa”富含一种有甜味的铅糖，即乙酸铅，这导致了罗马贵族间的铅中毒。8世纪时，波斯炼金术士贾比尔，用蒸馏法浓缩了醋中的乙酸。 文艺复兴时期，人们通过金属醋酸盐的干馏制备冰醋酸。16世纪德国炼金术士安德烈亚斯·利巴菲乌斯就描述了这种方法，并且拿由这种方法产生的冰醋酸来和由醋中提取的酸相比较。仅仅是因为水的存在，导致了醋酸的性质发生如此大的改变，以至于在几个世纪里，化学家们都认为这是两个截然不同的物质。法国化学家阿迪（Pierre Adet）证明了它们两个是相同的。 1847年，德国科学家阿道夫

14、·威廉·赫尔曼·科尔贝第一次通过无机原料合成了乙酸。这个反应的历程首先是二硫化碳经过氯化转化为四氯化碳，接着是四氯乙烯的高温分解后水解，并氯化，从而产生三氯乙酸，最后一步通过电解还原产生乙酸。 1910年时，大部分的冰醋酸提取自干馏木材得到的煤焦油。首先是将煤焦油通过氢氧化钙处理，然后将形成的乙酸钙用硫酸酸化，得到其中的乙酸。在这个时期，德国生产了约10000吨的冰醋酸，其中30%被用来制造靛青染料。1.2 醋酸的物理性质 醋酸的主要物性数据列于表1-1表1-1 纯醋酸的物理性质4 名 称数 值熔点，沸点，比热容CP，J/(gk)蒸汽液体溶解热，J/g汽化热，J/

15、g黏度，mPa. s202540介电常数液体固体折射率nD20生成热Ho，kJ/mol液体（25）气体（25）燃烧热Hc，kJ/mol液体标准熵So，J/(mol. k)液体（25）气体（25）闪点(闭杯)离解常数02550临界压力Pc，Mpa16.66118. 0（101. 3kp）1.110(25)2.043(19. 4)19.5394.5（沸点时）11.8310.978.186.170（20）2.665（-10）1.3719-484.50-432.25-874.8159.8282.5434.784.754.795.7861.3 醋酸的化学性质1.3.1 酸性羧酸中，例如乙酸，的羧基氢原子

16、能够部分电离变为氢离子（质子）而释放出来，导致羧酸的酸性。乙酸在水溶液中是一元弱酸，酸度系数为4.8，pKa=4.75（25），浓度为1mol/L的醋酸溶液（类似于家用醋的浓度）的pH为2.4，也就是说仅有0.4%的醋酸分子是解离的。乙酸的酸性促使它还可以与碳酸钠、氢氧化铜、苯酚钠等物质反应。 2CH3COOH + Na2CO32CH3COONa + CO2 + H2O2CH3COOH + Cu(OH)2 (CH3COO)2Cu + 2H2OCH3COOH + C6H5ONa C6H5OH (苯酚）+ CH3COONa1.3.2 溶剂液态乙酸是一个亲水（极性）质子化溶剂，与乙醇和水类似。因为介

17、电常数为6.2，它不仅能溶解极性化合物，比如无机盐和糖，也能够溶解非极性化合物，比如油类或一些元素的分子，比如硫和碘。它也能与许多极性或非极性溶剂混合，比如水，氯仿，己烷。乙酸的溶解性和可混合性使其成为了化工中广泛运用的化学品。 1.3.3 乙酸的二聚体,虚线表示氢键乙酸的晶体结构显，分子间通过氢键结合为二聚体（亦称二缔结物），二聚体也存在于120的蒸汽状态。二聚体有较高的稳定性，现在已经通过冰点降低测定分子量法以及X光衍射证明了分子量较小的羧酸如甲酸、乙酸在固态及液态，甚至气态以二聚体形式存在。当乙酸与水溶和的时候，二聚体间的氢键会很快的断裂。其它的羧酸也有类似的二聚现象。 1.3.4 鉴别

18、乙酸可以通过其气味进行鉴别。若加入氯化铁（III），生成产物为深红色并且会在酸化后消失，通过此颜色反应也能鉴别乙酸。乙酸与三氧化砷反应生成氧化二甲砷，通过产物的恶臭可以鉴别乙酸。1.3.5 化学反应 对于许多金属，乙酸是有腐蚀性的，例如铁、镁和锌，反应生成氢气和金属乙酸盐。因为铝在空气中表明会形成氧化铝保护层，所以铝制容器能用来运输乙酸。金属的乙酸盐也可以用乙酸和相应的碱性物质反应,比如最著名的例子：小苏打与醋的反应。除了醋酸铬（II），几乎所有的醋酸盐能溶于水。 Mg(s) + 2 CH3COOH(aq) (CH3COO)2Mg(aq) + H2(g) NaHCO3(s) + CH3COOH

19、(aq) CH3COONa(aq) + CO2(g) + H2O(l) 乙酸能发生普通羧酸的典型化学反应，特别注意的是，可以还原生成乙醇，通过亲核取代机理生成乙酰氯，也可以双分子脱水生成酸酐。同样，乙酸也可以成酯或氨基化合物。440的高温下，乙酸分解生成甲烷和二氧化碳或乙烯酮和水。1.4 醋酸的生产方法评述1.4.1 发酵法(1)有氧发酵【5】在人类历史中，以醋的形式存在的乙酸，一直是用醋杆菌属细菌制备。在氧气充足的情况下，这些细菌能够从含有酒精的食物中生产出乙酸。通常使用的是苹果酒或葡萄酒混合谷物、麦芽、米或马铃薯捣碎后发酵。有这些细菌达到的化学方程式为： C2H5OH + O2 CH3CO

20、OH + H2O做法是将醋菌属的细菌接种于稀释后的酒精溶液并保持一定温度，放置于一个通风的位置，在几个月内就能够变为醋。工业生产醋的方法通过提供氧气使得此过程加快。 现在商业化生产所用方法其中之一被称为“快速方法”或“德国方法”，因为首次成功是在1823年的德国。此方法中，发酵是在一个塞满了木屑或木炭的塔中进行。含有酒精的原料从塔的上方滴入，新鲜空气从他的下方自然进入或强制对流。改进后的空气供应使得此过程能够在几个星期内完成，大大缩短了制醋的时间。 现在的大部分醋是通过液态的细菌培养基制备的，由Otto Hromatka和Heinrich Ebner在1949年首次提出。在此方法中，酒精在持续

21、的搅拌中发酵为乙酸，空气通过气泡的形式被充入溶液。通过这个方法，含乙酸15%的醋能够在两至三天制备完成。(2)无氧发酵部分厌氧细菌，包括梭菌属的部分成员，能够将糖类直接转化为乙酸而不需要乙醇作为中间体。总体反应方程式如下： C6H12O6 3 CH3COOH更令工业化学感兴趣的是，许多细菌能够从仅含单碳的化合物中生产乙酸，例如甲醇，一氧化碳或二氧化碳与氢气的混和物。 2CO2 + 4H2 CH3COOH+2H2O2CO + 2H2 CH3COOH梭菌属因为有能够直接使用糖类的能力，减少了成本，这意味着这些细菌有比醋菌属细菌的乙醇氧化法生产乙酸更有效率的潜力。然而，梭菌属细菌的耐酸性不及醋菌属细

22、菌。耐酸性最大的梭菌属细菌也只能生产不到10%的乙酸，而有的醋酸菌能够生产20%的乙酸。到现在为止，使用醋酸属细菌制醋仍然比使用梭菌属细菌制备后浓缩更经济。所以，尽管梭菌属的细菌早在1940年就已经被发现，但它的工业应用仍然被限制在一个狭小的范围。1.4.2 甲醇羰基化 大部分乙酸是通过甲基羰基化合成的6。此反应中，甲醇和一氧化碳反应生成乙酸，方程式如下 CH3OH + CO CH3COOH 这个过程是以碘代甲烷为中间体，分三个步骤完成，并且需要一个一般由多种金属构成的催化剂（第二部中） (1) CH3OH + HI CH3I + H2O (2) CH3I + CO CH3COI (3) CH

23、3COI + H2O CH3COOH + HI 通过控制反应条件，也可以通过同样的反应生成乙酸酐。因为一氧化碳和甲醇均是常用的化工原料，所以甲基羰基化一直以来备受青睐。早在1925年，英国塞拉尼斯公司的Henry Drefyus已经开发出第一个甲基羰基化制乙酸的试点装置。然而，由于缺少能耐高压（200atm或更高）和耐腐蚀的容器，此法一度受到抑制。直到1963年，德国巴斯夫化学公司用钴作催化剂，开发出第一个适合工业生产的办法。到了1968年，以铑为基础的催化剂的(cisRh(CO)2I2)被发现，使得反映所需压力减到一个较低的水平并且几乎没有副产物。1970年，美国孟山都公司建造了首个使用此催

24、化剂的设备，此后，铑催化甲基羰基化制乙酸逐渐成为支配性的方法（孟山都法）。90年代后期，BP化学成功的将Cativa催化法商业化，此法是基于钌，使用(Ir(CO)2I2)它比孟山都法更加绿色也有更高的效率，很大程度上排挤了孟山都法。1.4.3 乙醇氧化法由乙醇在有催化剂的条件下和氧气发生氧化反应制得【7】。工艺陈旧,生产规模小,原料和动力消耗高,应严格控制,杜绝新建小规模生产装置。1.4.4 丁烷氧化法丁烷氧化法又称为直接氧化法，这是用丁烷为主要原料，通过空气氧化而制得乙酸的一种方法，也是主要的乙酸合成方法。1.4.5 乙烯氧化法由乙烯在催化剂(所用催化剂为氯化钯:PdCl2、氯化铜：CuCl

25、2和乙酸锰：(CH3COO)2Mn）存在的条件下,与氧气发生反应生成.此反应可以看作先将乙烯氧化成乙醛，再通过乙醛氧化法制得。乙烯法醋酸虽然比乙炔法和酒精法先进,但与低压甲醇羰基合成法相比,原料和动力消耗高,技术经济上缺乏竞争性,不宜再用该技术新建装置。原有装置可借鉴乙烯直接氧化法进行改造。1.4.6 巴斯夫高压法巴斯夫高压法尽管已工业化多年,与其它原料路线相比,具有一定的竞争性;但与低压法相比,相应压力高,原料消耗定额高,副反应多,工艺复杂。因此,不提倡发展高压法。1.4.7 乙醛氧化法乙醛氧化法在孟山都法商业生产之前8，大部分的乙酸是由乙醛氧化制得。尽管不能与甲基羰基化相比，此法仍然是第二

26、种工业制乙酸的方法。乙醛可以通过氧化丁烷或轻石脑油制得，也可以通过乙烯水合后生成。当丁烷或轻石脑油在空气中加热，并有多种金属离子包括镁，钴，铬以及过氧根离子催化，会分解出乙酸。化学方程式如下： 2 C4H10 + 5 O2 4 CH3COOH + 2 H2O 此反应可以在能使丁烷保持液态的最高温度和压力下进行，一般的反应条件是150和55 atm。副产物包括丁酮，乙酸乙酯，甲酸和丙酸。因为部分副产物也有经济价值，所以可以调整反应条件使得副产物更多的生成，不过分离乙酸和副产物使得反应的成本增加。 在类似条件下，使用上述催化剂，乙醛能被空气中的氧气氧化生成乙酸 2 CH3CHO + O2

27、 2 CH3COOH 使用新式催化剂，此反应能获得95%以上的乙酸产率。主要的副产物为乙酸乙酯，甲酸和甲醛。因为副产物的沸点都比乙酸低，所以很容易通过蒸馏除去。 第二章 工艺条件的选择2.1 气液传质的影响因素2.1.1 氧气通入速度通入氧气速率越快【9】，气液接触面积越大，氧气的吸收率越高，设备的生产能力也就会增大。但是，通氧速率并非是可以无限增加的，因为氧气的吸收率与通入氧气的速率不是简单的线性关系。当通入氧气速率超过一定值后，氧气的吸收率反而会降低，氧气的损耗相应地加大，甚至还会把大量乙醛与醋酸液物料带出。此外，氧气的吸收不完全会引起尾气中氧的浓度增加，造成不安全因素。所以，氧气的通入速

28、率受到经济性和安全性的制约，存在一适宜值。2.1.2 氧气分布板孔径为防止局部过热，生产中采取氧气分段通入氧化塔，各段氧气通入处还设置有氧气分布板，以使氧气均匀地分布成适当大小的气泡，加快氧的扩散与吸收。氧气分布板的孔径与氧的吸收率成反比，孔径小可增加气泡的数量和气液两相接触面积，但孔径过小则造成流体流动阻力增加，使氧气的输送压力增高。孔径过大则会造成气液接触面积降低，并会加剧液相物料的带出，所以氧气分布板孔径要根据生产工艺的要求合理设计。2.1.3 氧气通过的液柱高度在一定的通氧速率条件下，氧的吸收率与其通过的液柱高度成正比。液柱高，气液两相接触时间长，吸收效果好，吸收率增加。此外，气体的溶

29、解性能也与压力有关，液柱高则静压高，有利于氧气的溶解和吸收。一般，液柱超过4m时，氧的吸收率可达9798以上，液柱再增加，氧的吸收率无明显变化。2.2 乙醛氧化速率的影响因素2.2.1 反应温度温度在乙醛的氧化过程中是一个非常重要的因素【10】，乙醛氧化成过氧醋酸及过氧醋酸分解的速率都随温度的升高而加快。但温度不宜太高，过高的温度会使副反应加剧，同时，为使乙醛保持液相，必须提高系统压力，否则，在氧化塔顶部空间乙醛与氧气的浓度会增加，增加了爆炸的危险性，并且温度过高会造成催化剂烧结甚至失活，还会增加设备投资。但温度也不宜过低，温度过低会降低乙醛氧化为过氧醋酸以及过氧醋酸分解的速率，易导致过氧醋酸

30、的积累，同样存在不安全性。因此，用氧气氧化时，适宜温度控制为343353K，所以生产中必须及时连续地除去反应热。2.2.2 反应压力提高反应压力，既可以促进氧向液体界面扩散，又有利于氧被反应液吸收，还能使乙醛沸点升高，减少乙醛的挥发。但是，升高压力会增加设备投资费用和操作费用。实际生产操作压力控在0.15Mpa左右。2.2.3 原料纯度乙醛氧化生成醋酸反应的特点是以自由基为链载体，所以凡能夺取反应链中自由基的杂质，称为阻化剂。阻化剂的存在，会使反应速度显著下降。水就是一种典型的能阻抑链反应进行的阻化剂。故要求原料乙醛含量(质量分数)>99.7，其中水分含量<0.03。乙醛原料中三聚

31、乙醛可使乙醛氧化反应的诱导期增长，并易被带入成品醋酸中，影响产品质量，故要求原料乙醛中三聚乙醛含量<0.01。2.2.4 氧化液的组成在一定条件下，乙醛液相氧化所得的反应液称为氧化液。其主要成分有醋酸锰、醋酸、乙醛、氧、过氧醋酸，此外还有原料带入的水分及副反应生成的醋酸甲分有醋酸锰、醋酸、乙醛、氧、过氧醋酸，此外还有原料带入的水分及副反应生成的醋酸甲酯、甲酸、二氧化碳等。氧化液中醋酸浓度和乙醛浓度的改变对氧的吸收能力有较大影响。当氧化液中醋酸含量(质量分数)为8295时，氧的吸收率保持在98左右，超出此范围，氧的吸收率下降。当氧化液中乙醛含量在515时，氧的吸收率也可保持在98左右，超出

32、此范围，氧的吸收率下降。从产品的分离角度考虑，一般在流出的氧化液中，乙醛含量不应超过23。2.2.5 乙醛氧化法生产工艺的主要特点1、工业化最早 ,技术成熟 ,转化率和选择性高；2、反应条件缓和，反应选择性高(可达99)，几乎无副产物生成；3、产品收率高、纯度高。第三章 工艺参数的整定3.1 吸收塔的选择要求工业吸收塔应具备以下基本要求：1、塔内气体与液体应有足够的接触面积和接触时间；2、气液两相应具有强烈扰动，减少传质阻力，提高吸收效率；3、操作范围宽，运行稳定；4、设备阻力小，能耗低；5、具有足够的机械强度和耐腐蚀能力；6、结构简单、便于制造和检修。3.2 吸收剂的选择吸收剂的选择是吸收操

33、作的关键，吸收剂的选择与吸收方法的选择有一定的联系。选择吸收剂时，首先要考虑吸收过程在整个生产流程中的作用和前后工序所提供的工艺条件和要求；其次从吸收过程的基本原理出发，按照各项技术经济要求加以分析和选择。选择吸收剂的基本要求如下：（1）溶解度要大 减少吸收剂用量，降低输送与再生的能耗。吸收剂应对混合气体中被分离组分有很大的溶解度，或者说在一定的温度与浓度下，吸收质打的平衡分压要低。这样从平衡角度来说，处理一定量混合气体所需的溶剂量较少，气体中吸收质的极限残余亦可降低；（2）选择性好 吸收剂的选择性好可以减少惰性组分的溶解损失，提高解吸后所得溶质的纯度。混合气体中其他组分在吸收剂中的溶解度要小

34、，即吸收剂具有较高的选择性；（3）易于再生 再生性能的优劣和再生过程的经济性是评价吸收剂乃至整个吸收过程的重要技术经济指标。吸收质在吸收剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小，而且随温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压迅速上升；（4）挥发性小 挥发性小，对应一定温度，其蒸汽压要低。这样可以减少吸收剂的损耗，并提高溶质气体纯度。在操作温度下吸收剂的蒸气压要低，因为吸收尾气往往为吸收剂蒸气所饱和，吸收剂挥发度越高，其损失量越大；（5）稳定性好 具有较好的化学稳定性及热稳定性，以减少吸收剂的降解和变质，尤其在使用化学吸收剂时；（6）粘度低 粘度低，以利于传质与输送

35、；不易发泡，以利于实现高效、稳定操作。吸收剂在操作温度下粘度越低，其在塔内的流动性越好，有利于传质和传热；（7）安全性好 安全性能好(无毒,不易燃烧和爆炸)；（8）经济性 经济,易得、无毒、不易燃烧、冰点低。3.3 吸收操作参数的选择3.3.1 操作压力的选择（1）吸收压力高优点：提高吸收过程的推动力，减少了气体的体积流量，可以减小塔径；缺点：降低了吸收剂的选择性； 吸收塔的造价可能升高。（2）吸收压力低则相反一般应该从过程的经济性角度出发，必须兼顾吸收和解吸以及整个工艺的操作条件，选择合适的操作压力。3.3.2 吸收温度的选择（1）物理吸收 优点： 溶质的溶解度增大,减少溶剂用量，

36、推动力增大，降低塔高度，减轻解吸塔的负荷；缺点：低于常温的操作会增加操作费用。（2）化学吸收优点： 化学反应速度快；缺点：传质推动力降低。第四章 工艺流程设计综合文献分析，结合本地区特点，本设计采用乙醛氧化法生产醋酸工艺。 乙醛液相催化自氧化合成醋酸是一强放热反应，总反应式为： 乙醛氧化时先生成过氧醋酸，再与乙醛合成AMP 10分解即为醋酸： 乙醛和催化剂溶液自反应塔中上部加入，为了使乙醛不被大量惰性气体带走，工业上一般采用氧作催化剂，且氧分段鼓泡通入反应液中，与乙醛进行液相氧化反应，氧化过程释放的大量反应热通过外循环冷却而移出，出反应器的反应尾气经冷凝回收乙醛后放空，反应液首先经蒸发器除掉醋

37、酸锰催化剂，醋酸蒸汽则先经精馏塔1蒸出未反应的乙醛、甲酸、醋酸甲酯、水、三聚乙醛等轻组分，然后经精馏塔2脱除高沸点副产物后得成品醋酸，要求纯度99%，其余的则进入醋酸回收塔回收粗醋酸。工艺流程图如图 4-1图4-1 外冷却乙醛氧化生产醋酸工艺流程图第五章 物料衡算5.1 设计依据 醋酸生产消耗定额见表5-1表5-1消耗定额11名称单耗（每吨醋酸）乙醛氧气冷却水醋酸锰770kg260m3250m32kg醋酸年产量：20万吨 选择年开工时间：8000小时则 每小时生产醋酸 根据消耗定额得每小时乙醛进料量为： 所以，选择每小时乙醛进料量为20000kg5.2 氧化塔物料衡算（1）氧化塔物料衡算中的已

38、知数据 每小时通入氧化塔的乙醛量为20000kg/h； 氧化过程中乙醛总转化率为99. 3%； 氧化过程中氧的利用率为98. 4%； 氧化塔塔顶补充的工业氮使其浓度达到45%； 未转化的乙醛在气液相中的分配率（体积%） 气相：34% 液相：66%； 原料组成见表5-2；表5-2 原料组成12原料乙醛%（质量）工业氧%（质量）工业氮%（质量）催化剂溶液%（质量）乙醛 99. 5醋酸 0. 1水 0. 3三聚乙醛0. 1氧气 98氮气 2氮气 97氧气 3醋酸 60醋酸锰 10水 30催化剂中醋酸锰用量为氧化塔进料乙醛重量的0. 08% 氧化过程中乙醛的分配率12主反应 96%副反应 1. 4%

39、0. 25% 0. 95% 1. 4%（2）氧化塔物料衡算图见图5-1图5-1氧化塔物料衡算图（3）反应式衡算纯乙醛量：20000×99. 5%=19900 主反应 96%a. 乙醛用量：19900×0. 993×0. 96=18970.28kg b. 需用氧量(x) 44:16=18970.28:x x=6898.28kgc. 生成醋酸量(y) 44:60=18970.28:y y=25868.56kg 副反应 1. 4% a. 乙醛用量：19900×0. 993×0. 014=276.64kg b. 需用氧量(x) 132:96=276.6

40、4:x x=201.20kg c. 生成醋酸量(y) 132:120=276.64:y y=251.50kg d. 生成甲酸量(z) 132:46=276.64:z z=96.40kg e. 生成水量(w) 132:18=276.64:w w=37.72kg f. 生成二氧化碳量(v) 132:44=276.64:v v=92.22kg 副反应 0. 25% a. 乙醛用量：19900×0. 993×0. 0025=49.40kg b. 需用氧量(x) 132:32=49.40:x x=11.98kg c. 生成亚乙基二醋酸量(y) 132:146=49.40:y y=98

41、.8kg d. 生成水量(z) 132:18=49.40:z z=6.74kg 副反应 0. 95% a.乙醛用量：19900×0. 993×0. 0095=187.72kg b.需用氧量(x) 88:48=187.72:x x=102.40kg c.生成醋酸甲酯量(y) 88:74=187.72:y y=157.86kg d.生成二氧化碳量(z) 88:44=187.72:z z=93.86kg e.生成水量(w) 88:18=187.72:w w=38.40kg 副反应 1. 4% a.乙醛用量：19900×0. 993×0. 014=276.64k

42、g b.需用氧量(x) 88:160=276.64:x x=502.98kg c.生成水量(y) 88:72=276.64:y y=226.28kg d.生成二氧化碳量(z) 88:176=276.64:z z=553.28kg 根据反应式衡算出来的反应物总耗量及反应生成物总量如下： 反应掉的乙醛总量 20000×0. 995×0. 993=19760.7kg 未转化的乙醛量 20000×0. 995×0. 007=139.3kg （其中液相中乙醛含量139.3×0. 66=91.94 气相中乙醛含量139.3×0. 34=47.36

43、kg) 反应掉的氧气总量 6898.28+201.20+11.98+102.40+502.98=7716.84kg 则所需工业氧气量 其中： 氧气=8002.36×0. 98=7842.32kg 氮气=8002.36×0. 02=160.04kg 所以未反应的氧气=7842.32-7716.84=125.48kg 反应生成物重量 醋酸：25868.56+251.50=26120.06kg 二氧化碳：92.22+93.86+553.28=739.36g 水：37.72+6.74+38.40+226.34=309.2kg 甲酸：96.40kg 亚乙基二醋酸酯：54.64kg 醋

44、酸甲酯：157.86kg（4）催化剂用量 已知催化剂溶液中醋酸锰用量为氧化塔进料乙醛重量的0.08%，催化剂中醋酸锰的含量为10%，设催化剂溶液用量为x 其中： 醋酸锰 161.30×0. 1=16.12kg 水 161.30×0. 3=48.40kg 醋酸 161.30×0. 6=96.78kg（5）保安氮用量 设保安氮为xkg 塔顶干气量计算： 氮气：160.04+0. 97x 氧气 ：125.48+0. 03x 二氧化碳：739.36kg则 =45% x=579.15kg（其中氮气：579.15×0. 97=561.76kg 氧气：579.15&#

45、215;0. 03=17.38kg） 塔顶干气量 氮气: 160.04+0. 97x=721.80kg 氧气:125.48+0. 03x=142.86kg 二氧化碳: 739.36kg 整理以上数据，列出氧化塔物料平衡结果，见表5-3表5-3氧化塔物料衡算结果进 料出 料含量(%)质量（kg）含量（%）质量（kg）原料乙醛乙醛醋酸水三聚乙醛99. 50. 10. 30. 119900206020氧 化 液醋酸醋酸甲酯水亚乙基二醋酸甲酸乙醛三聚乙醛醋酸锰96. 00. 801. 500. 680. 390. 380. 180. 0726236.84157.86417.6054.6496.4091

46、.9420.0016.12工业氧氧气氮气9827842.32160.04工业氮氮气氧气973561.7617.38催化剂醋酸水醋酸锰60301096.7848.4016.12放空废气二氧化碳氮气氧气乙醛739.36721.80142.8647.36总计28742.80kg28742.80kg5.3 蒸发器物料衡算已知数据： （进料中醋酸锰含量） （完成液中醋酸锰含量） 蒸发器进出物料图见图5-2图5-2 蒸发器进出物料图列衡算式： 5.4 精馏塔物料衡算 5.4.1 精馏塔1物料衡算已知数据：（1）进料流量26491.36kg/h （2）醋酸质量分数0. 968，水的质量分数0. 0154 （

47、3）馏出液中醋酸含量3%，釜液中醋酸的回收率为98% （4）醋酸和水的摩尔质量分别为60kg/kmol和18kg/kmol精馏塔1进出物料图见图5-3图5-3 精馏塔1进出物料图则：进料组成 进料平均摩尔质量进料流量列衡算式： =0. 97 =0. 98得： 即： 5.4.2 精馏塔物料衡算已知数据：（1）进料流量F=25651.84kg/h （2）进料醋酸含量98%，釜残液醋酸含量10%，成品醋酸含量99. 8% 精馏塔进出物料图见图5-4图5-4 精馏塔进出物料图列衡算式： 得： 5.5 醋酸回收塔物料衡算已知数据：（1）进料流量F=839.52+514.18=1353.70kg/h （2

48、）经回收后得到粗醋酸含量65%以上（按65%计算） （3）从精馏塔出来的醋酸含量20%，副产物中含5%的醋酸醋酸回收塔进出物料图见图5-5图5-5 醋酸回收塔物料图列衡算式： F=X+Y F×0. 2=0. 05X+0. 65Y得： X=1015.28kg/h Y=338.42kg/h整理以上数据，得总物料衡算结果，见表5-4表5-4 总物料衡算结果进 料出 料名 称质量（kg）名 称质量（kg）乙 醛乙醛醋酸水三聚乙醛19900206020放空废气二氧化碳氮气氧气乙醛739.36721.80142.8647.36工业氧气氧气氮气7842.32160.04催化剂残液成品醋酸粗醋酸其它

49、副产物量233.8425137.66338.421381.48工业氮气氮气氧气561.7617.38催化剂醋酸水醋酸锰96.7848.4016.12总 计28742.80kg28742.80g第六章 能量衡算化工计算中的能量衡算是根据热力学第一定律，即能量守恒与转化定律，对化工过程进行能量计算。化工生产中消耗的能量形式有机械能，电能和热能等等，其中以热能为主要形式，因此化工过程中的能量衡算重点是热量衡算。由于本次设计的转换率很高，因此在能量恒算方面只考虑主反应和一个副反应，即：主反应： 96%副反应： 1.4% 1. 4%该反应的进料温度为25，反应温度为95，出料温度为110。以反应为100mol进料计算，主反应为96mol，副反应各位14mol。过程热效率可以分为两类：一类是化学过程的热效率即化学反应速率；另一类是物理过程热效率。物料化学变化过程，除化学反应外，往往伴随着物料状态变化热效率，但本工艺流程中物理过程热效率较低，可以忽略不计，该过程皆为放热反应，则过程热效率可以由下式计算：主反应： Q1=