年产10万吨醋酸的工艺设计毕业设计论文

年产10万吨醋酸的工艺设计毕业设计论文东营职业学院毕业设计年产10万吨醋酸的工艺设计东营职业学院DongyingProfessional第一章概述醋酸是一种有机化合物乙酸别名醋酸冰醋酸分子式常简写为或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纯的无水乙酸冰醋酸是无色的吸湿性液体凝固点为167°C62°F凝固后为无色晶体尽管根据乙酸在水溶液中的离解能力它是一个弱酸但是乙酸是具有腐蚀性的其蒸汽对眼和鼻有刺激性作用乙酸是一种简单的羧酸是一个重要的化学试剂乙酸也被用来制造电影胶片所需要的醋酸纤维素和木材用胶粘剂中的聚乙酸乙烯酯以及很多合成纤维和织物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早在公元前三千年人类已经能够用酒经过各种醋酸菌氧化发酵制醋[1]十九世纪后期人们发现从木材干馏制木炭的副产馏出液中可以回收醋酸成为醋酸的另一重要来源但这两种方法原料来源有限都需要脱除大量水分和许多杂质浓缩提纯费用甚高因此随着20世纪有机化学工业的发展诞生了化学合成醋酸的工业乙醛易氧化生成醋酸收率甚高成为最早的合成醋酸的有效方法1911年德国建成了第一套乙醛氧化合成醋酸的工业装置并迅速推广到其它国家[2]早期的乙醛来自粮食糖蜜发酵生成的乙醇的氧化1928年德国以电石乙炔进行水合反应生成乙醛是改用矿物原料生成醋酸的开始二次大战后石油化工兴起发展了烃直接氧化生产醋酸的新路线但氧化产物组分复杂分离费用昂贵因此1957～1959年德国Wacher-chemie和Hoechst两公司联合开发了乙烯直接氧化制乙醛法后乙烯乙醛醋酸路线迅速发展为主要的醋酸生产方法70年代石油价格上升以廉价易得原料资源不受限制的甲醇为原料的羰基化路线开始与乙烯路线竞争甲醇羰基化制醋酸虽开始研究于20年代60年代已有BASF公司的高压法工业装置但直到1971年美国Monsanto公司的甲醇低压羰基化制醋酸工厂投产成功证明经济上有压倒优势现已取代乙烯路线而占领先地位1989年世界醋酸总生产能力为480kt一套甲醇低压羰基化装置的生产能力总计2000kta以上除个别厂外都已中国工业生产合成醋酸同样从发酵法乙醇乙醛氧化法及电石乙路线开始60年代末全国已形成60kta的生产能力70年代开始发展乙烯路线引进了每套年产约7万吨大型装置轻油氧化制醋酸天然气制甲醇低压羰基化制醋酸的工艺路线正积极研究可以肯定这些将会使我国的醋酸生产出现一个飞跃12酷酸的物理性质酷酸的主要物性数据列于表1-1沸点℃蒸汽液体黏度mPas介电常数液体固体折射率nD20液体25℃气体25℃液体液体25℃气体25℃离解常数3945沸点时5786表1-1纯醋酸的物理性质[3]13醋酸的化学性质com酸性羧酸中例如乙酸的羧基氢原子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48pKa47525℃浓度为1molL的醋酸溶液类似于家用醋的浓度的pH为24也就是说仅有04的醋酸分乙酸的酸性促使它还可以与碳酸钠氢氧化铜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电常数为62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化学反应对于许多金属乙酸是有腐蚀性的例如铁镁和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NaHCO3sCH3COOHa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鉴别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大部分乙酸是通过甲基羰基化合成的此反应中甲醇和一氧化碳反应生成乙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HenryDrefyus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cis[RhCO2I2]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[IrCO2I2]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由乙醇在有催化剂的条件下和氧气发生氧化反应制得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由乙烯在催化剂所用催化剂为氯化钯PdC12氯化铜CuC12和乙酸锰CH3C002Mn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[6]因此不提倡发展高压法comUOP千代田工艺LOP千代田工艺技术先进在某些方面比BP技术更有吸引力但还没有工业化生产装置引进的风险大[7]周修和国外合成醋酸概括[J]石油化工199323251～263可积极引进com乙醛氧化法乙醛氧化法在孟山都法商业生产之前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55atm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[]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2-1图2-1工艺流程图第三章物料衡算醋酸生产消耗定额见表3-1名称单耗每吨醋酸乙醛氧气冷却水醋酸锰770kg2kg醋酸年产量10万吨选择年开工时间8000小时则每小时生产醋酸所以选择每小时乙醛进料量为10000kg1氧化塔物料衡算中的已知数据①每小时通入氧化塔的乙醛量为10000kgh②氧化过程中乙醛总转化率为993③氧化过程中氧的利用率为984④氧化塔塔顶补充的工业氮使其浓度达到45⑤未转化的乙醛在气液相中的分配率体积气相34液相66⑥原料组成见表3-2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5三聚乙醛01氧气98氮气2氮气97氧气3醋酸60醋酸锰1030催化剂中醋酸锰用量为氧化塔进料乙醛重量的008⑦氧化过程中乙醛的分配率[1]副反应142氧化塔物料衡算图见图3-13反应式衡算纯乙醛量10000×9959950①主反应96a乙醛用量9950×0993×096948514kgb需用氧量x4416948514xx344914kga乙醛用量9950×0993×001413832kgf生成二氧化碳量v1324413832vv4611a乙醛用量9950×0993×000252470kg④副反应095a乙醛用量9950×0993×000959386kgc生成醋酸甲酯量y88749386yy7893kga乙醛用量9950×0993×001413832kg①反应掉的乙醛总量10000×0995×0993988035kg其中液相中乙醛含量6965×0664597气相中乙醛含量6965×034③反应掉的氧气总量34491410060599512025149385842kg则所需工业氧气量其中氧气400148×098392116kg氮气400118×0028002kg所以未反应的氧气392116-3858426274kg④反应生成物重量醋酸1293428125751306003kg二氧化碳461146932766436968kg水188633719201131715460kg甲酸4820kg亚乙基二醋酸酯2732kg醋酸甲酯7893kg4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008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8065×01806kg5保安氮用量塔顶干气量计算氮气8002097x氧气6274003x二氧化碳36968kg其中氮气28957×09728088kg氧气28957×003869kg塔顶干气量氮气8002097x36090kg氧气6274003x7143kg二氧化碳36968kg整理以上数据列出氧化塔物料平衡结果见表3-3进料出料含量质量kg含量质量醋酸水10氧化液醋酸水醋酸锰960806工业氧氧气8002工业氮氮气869催化剂醋酸水醋酸锰6032蒸发器物料衡算蒸发器进出物料图见图3-2列衡算式33精馏塔物料衡算已知数据1进料流量1324568kgh2醋酸质量分数0968水的质量分数001543馏出液中醋酸含量3釜液中醋酸的回收率为984醋酸和水的摩尔质量分别为60kgkmol和18kgkmol精馏塔进出物料图见图3-3进料流量得即已知数据1进料流量F1282592kgh2进料醋酸含量98釜残液醋酸含量10成品醋酸含量998精馏塔进出物料图见图3-4得已知数据1进料流量F419762570967685kgh2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3-5整理以上数据得总物料衡算结果见表3-酷酸水放空废气二氧化碳2368工业氧气氧气氮气催化剂醋酸水醋酸锰48392塔顶温度[]100～103℃塔底温度118～124℃3常压精馏P1013kp4水和醋酸的安托尼常数见表5-11相对挥发度的计算对水对醋酸则与十分接近故假设t1165℃泡点正确2回流比R的计算根据公式[18]取①全回流时理论板层数[18]则横坐标不变则纵坐标读数也不变既所以加料板为从塔顶往下数第12层1全塔效率[其中相对挥发度塔顶与塔底平均温度下的液相粘度则2塔的有效高度其中塔内所需理论板层数塔板间距m取取上层塔板与塔顶盖之间的距离为10m取下层塔板和塔底之间的距离为21气液相密度①液相密度②气相密度以进料状态计算由2气液相流量3塔径的确定查图得则所以取安全系数为065则空塔气速所以塔径按标准塔径圆整后取塔截面积44塔板设计从塔板的生产能力板面利用率结构造价等方面考虑进行比较后选择筛板塔1溢流装置计算根据塔径及液体流量与溢流类型的关系可选用单溢流弓形降液管采用凹型①堰长取②溢流堰高度由选用平直堰堰上液层高度由计算其中E由附录三液流收缩系数图可查其横坐标为故其符合范围故检验液体在降液管中停留时间④降液管底隙高度2塔板布置3筛孔计算及其排列筛孔数日则所以开孔率5流体力学验算1塔板压降①干板压降其中为气体通过筛孔的速度由故故③液体表面张力所产生的压降2液泛则而所以符合3漏液对筛板塔取漏量10时的气相动能因子为则4液沫夹带其中则6塔板负荷性能图前已求得故据此可作出与液体流量无关的水平漏线12液沫夹带线故所以790由上表数据即可作出液沫夹带线23液相负荷下限线由得据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线34液相负荷上限线3由据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线45液泛线令由联系得故列表计算如下001由以上数据即可作出液泛线5根据以上各方程可作出筛板塔的负荷性能图见图5-1在负荷性能图上作出操作点A连接OA既所设计的筛板塔的主要结果汇总见表5-2序号项目数值序号项目数值12456789溢流型式降液管型式板