【年产五万吨乙醛工艺设计7100字（论文）】

年产五万吨乙醛工艺设计摘要:在化工生产中，乙醛是重要中间体，常见的制乙醛工艺方法有乙烯直接氧化法、乙醇氧化法等等。上述方法各有自己的优缺点。参考已有生产方法，比较优缺点，对于其不合理之处进行改进。本设计是采用乙烯直接氧化法，其工作原理是乙烯和氧气通过催化剂，直接氧化合成粗乙醛，最后蒸馏得到所需成品，主要是由经过氧化、蒸馏、精馏后得到产品。并对反应设备、物料进行设计和修改，力求最大利用率，在此之后进行了成本估算和原料消耗的计算。本机还包含物料衡算、能量衡算以及设备选型与计算，并对后续处理做了一些说明，附有流程图。关键词：乙烯、氧化、乙醛目录引言 11设计说明 11.1概述 11.2生产方法 21.3材料与成品 31.4流程叙述 41.4.1总反应方框简图 41.4.2反应工段简述 51.4.3再生工段简述 51.4.4精馏工段简述 62设计工艺计算 72.1物料衡算 72.2热量衡算 93设备选型计算与选型 143.1反应器设备计算 143.2鼓泡塔高度HGL核算 143.3纯醛冷凝器设备计算 153.3.1热负荷和冷却水的需求量 153.3.2冷凝器选型 153.4校核传热面积 154经济效益评估 164.1原料消耗 164.2成本估算 165三废处理 176结论 17参考文献 19 引言近十年来,随着我国的国际实力不断提高，化工产业得到快速发展，对基础化工关注度也越来越高。乙醛的生产历史悠久，可以追溯到1774年，一位名叫scheele的瑞典科学家利用乙醛经过一系列的化学反应，得到了乙醛。期间历经漫长的衍变，1835年，liebig成功地分离了一种聚丙烯和乙醇的结构形态[7]。1881年，库切洛夫通过研究乙炔的液相水合成了乙醛，再往后的几十年，德国是第一个成功地建造了制备乙醛工厂的国家，在两次世界大战的冲击和影响下，得到了迅猛的经济发展，乙醛从此在德国得到广泛应用。乙醛是非常重要基本原料，在药物、香料和农药等有机合成中都有很重要作用[5]。乙醛在化工生产中，有很大的作用，它是合成多种化工产品的原料。一开始人们为了制备乙醛是用乙炔法，但是因为它的局限性（生产成本太高），后来就出现了各种各样的其他方法。乙烯氧化法其生产工艺简单，生产过程较为稳定，而且还有一个优势就是成本低但收益高，乙醇氧化法有一定的优势而且成本较低，收到许多国家化工从业者的钟爱[1]。由于我国当时情况的限制，所以我国发展乙醛工艺发展得比较晚，到二十一世纪中期才开始有乙醛的生产工厂，另外技术也不成熟，完完全全需要别的国家的专家来帮助我们来进行设计和安装，在经过几十年的发展，我国现在已经有了大批从事这方面的专家，不用在依靠别人的技术，这是一个前所未有的飞跃。本设计的是通过乙烯氧化成乙醛工艺设计，达到年产五万吨乙醛的要求，通过已有的工艺流程，对其进行改进和优化。通过对催化剂和原材料的改进，得到更高的转换率，从而提高收益，与此同时对三废也做了适当的改变，对环境的污染更少，对环境达到更高水平的保护。1设计说明1.1概述乙醛在很多地方都有重要作用，比方在农药、药物、香料等有机合成方面。随着我国的快速发展，对乙醛的需求量越来越大，但生产水平却达不到所需，远远满足不了国内需求。乙醛有刺激性气味，易燃易挥发，可以溶于很多化学产品，例如乙醇、乙醚等等。国内目前有四种方法生产乙醛，其中三种缺点比较明显，一个是对环境污染大，一个是收益不大和副产品多。我们这次工艺设计采用的是乙烯氧化法制乙醛。1.2生产方法乙醛的合成方法多种多样，其中较为常见也是使用最多的方法是乙烯氧化法。在中国，乙烯氧化法和乙醇氧化法两条路线比较成熟，但只有少部分是采用乙醇氧化法，大部分还是采用乙烯氧化法，因为相比较乙醇氧化法，乙烯氧化法对原材料消耗少，而且方法成熟，收到化工产业的喜爱。乙烯直接氧化是把乙烯、氧气和催化剂混合，使乙烯氧化成乙醛[8]。其中催化剂是盐酸水、氯化铜、氯化钯组成的溶液。总反应式为： 实际每一步具体反应如下：乙烯氧化：催化剂氧化再生反应：合成乙醛的乙烯氧化是一个可靠的工艺。如果我们要节约能源和材料并提高收益率，就必须改进现有的设备，使之达到更加理性的水平。氧化制乙醛是一个非常复杂的过程，副反应得到的副产物很多，必须要精准控制它的每一步反应，减少不必要的消耗，提高收益。反应总方程：(4)下制乙醛每一步具体工艺的反应式：(1)(2)(3)在这些生产工艺流程中会产生一些副产品,如聚合物残渣,氯乙烷,甲醇,草酸铜等。这降低了催化剂中的Cu2+，从而影响反应正常的发生，降低了效益。挥发性副产物与反应气体一起从催化剂体系中排出。为防止因为催化剂中的Cu2+减少而导致收益降低，我们采用催化剂再生。（5）CuCl2+CuC2O4=2CuCl+2CO2在再生反应过程中，通过高温和加氧可以得到Cu2+，当达到一定条件（温度170摄氏度，压力0.9兆帕），一部分副产物（草酸铜）会分解[9]，从而导致催化剂中的铜离子浓度保持不变，这样就可以达到设计要求。造成钯消耗的途径有三种。第一，是设备问题可能会造成催化剂流失造成损失；第二，是蒸馏中的气体会有部分被有些物品带出设备，从而造成损失；第三，是用催化剂沉淀时，吸附在催化剂残渣和聚合物上[3]。下面是我们给出的针对上述问题解决方案:第一，发现和修复再生单元的液位测量系统故障,减少催化剂中钯不必要的消耗。第二，防止催化剂被夹带出去，在一定条件下（压力低于一千五帕，两个容器压差为十二万帕）可以防止催化剂被夹带出去[2]，反应整个过程都必须在这个条件以内发生，这样就可以达到设计目的。第三，增添催化剂时，防止堆积沉淀，在增添催化剂时，要搅拌静置，让其充分稳定下来，并用盐水冲洗，防止催化剂粘粘至反应器内壁上，重复上述流程，直到清洗干净[6]。总之，通过技术更新，可以有利于催化剂的活性，让催化剂完完全全得反应，另外可以节约乙烯的用量，减少不必要的消耗，达到理想收益效果，同时它还具有减少金属钯损失的优点，这对我们节约成本有巨大帮助，金属钯对人体有危害，减少工人与之接触，减少安全隐患。1.3材料与成品1.原材料乙烯(分子式为C2H4O)无色、易燃，微甜属于低毒气体，几乎不溶于水。它对呼吸的影响较小，但有很强的麻醉作用。如果吸入过量乙烯会对记忆造成损坏。空气中含量最多的就是氧气（化学式O2），氧气是无色、无味的。氧在标准条件下(0℃)密度是1.429g/L,在水中溶解度很小。在不同的环境条件下有不同的状态，-180℃左右时，是一种浅蓝色液体，在-218℃左右是一种浅蓝色固体。表1原材料的百分比化学式C2H4N2CH3CH3O2百分比≥99.5％≤1.5％≥0.5％≤99.0％2．成品表2成品的百分比化学式C2H4OH2OC4H8OCH3COOH百分比≥99.1％≤0.04％≤0.03％≤0.01％1.4流程叙述1.4.1总反应方框简图图1总反应工艺流程方框简图1.4.2反应工段简述图2反应工段工艺流程方框简图压缩机压缩气体，气体是来自吸收塔，然后经过压缩机压缩。气水分离器分离出气体后，进入反应器与乙烯和氧气充分混合后，开始发生反应。在压力2.9-3.5巴、温度120℃-125℃的条件下，在反应器R0101里，盐酸水溶液的作用中，产生了气态乙醛，气态乙醛依次经过第一冷凝器、第二冷凝器和第三冷凝器，此后一起进入吸收塔。在这中间有很多反应过剩的原料（氧气、乙烯、催化剂），未反应的原料经过除沫器的管道返回反应器，继续参加反应。1.4.3再生工段简述图3再生工段工艺流程方框简图催化剂和氮气混合进入到旋风分离器V0302，乙醛得到溶解，，并和醋酸一起经过压缩机后，由泵运送至再生器。在此加入氧气约为50－100m3/h，控制温度在120℃，压力9－11bar，在这种条件下，大多数残渣都可以被分解，同时也分解了草酸铜。这样就可以保持残渣量稳定在左右100克/升，防止残渣过多影响反应。在此过后，把符合条件的触媒输送制反应器R0101，继续参加反应工段的反应。这样一个完整可以循环利用的再生工段就完成了，再生工段的反应提高了原料的利用率，同时也提高了生成产品的效率。排出的气体中含有部分气体乙醛，为了回收这些乙醛，要把这些气体运输至冷凝器中冷凝，这样可以得到气体中夹杂着的乙醛，把冷凝出来的乙醛运送至粗乙醛储槽，其他杂物气体送至火炬燃烧排放[4]。1.4.4精馏工段简述图4精馏工段流程简图首先把粗乙醛用泵抽到换热器中，在换热器中温度达到达九十摄氏度，此后进入脱轻组分塔，这时让温度控制在六十摄氏度，压力在3bar。我们需要采取一些措施来减少被气体带走的乙醛。首先就得要加入萃取液，去除掉存在于沸物中的粗乙醛，从塔顶出来的纯醛进入到纯醛冷凝器，最后运送到成品中去。反应过程中的很多气体都被压缩后继续参加反应，这样一来可以反正其他堆积损坏设备，二来还可以节约原材料，充分利用，提高利用率。还有剩余的气体我们需要运送至火炬燃烧排放掉。燃烧过程可能会有浓浓的黑色的烟雾产生，为了防止这种现象发生，必须加入一些消烟的化学气体，这样不仅可以解决黑烟问题，同时在此过程中可以产生盐酸，可以补贴原材料。生产过程中会产生一些不符合质量规格的乙醛，将这些不符合规格的乙醛放入乙醛储罐中，然后与工艺废水一起进入萃取塔，并同时加入从精馏段中出来的巴豆醛馏分，最后从混合液中萃取出乙醛，其他的废料拉去焚烧厂焚烧。粗醛储罐和巴豆醛储罐用氮气保持在3×104帕，纯醛储罐用氮气保持在0.8-1.6×105帕。各储罐排出的气体进入吸收塔回收乙醛[10]。2设计工艺计算为了计算工艺过程的正确性，了解收益的准确值，我们必须得在整个生产工艺进行物料平衡和热量平衡，因为我们需要知道设计的工艺过程是否合理，是否符合科学依据，是否有实际意义。我们首先得进行物料平衡的计算，这是第一步，也是最重要的一步，其次在进行热量衡算，保证各个方面都符合设计要求。2.1物料衡算1.实际生产乙醛量的计算损耗的乙醛量＋理论计算产的乙醛量＝现实得到乙醛量X×0.72％113.363X所以113.636＋0.72％×X＝X解方程得：X＝40.486（kmol/h）2.乙烯量的计算（一开始反应器）乙醛损耗的乙烯量/反应中的乙烯量×100％=转化率36.24%=198.640/XX=533.405（kmol/h）3.乙烯损耗的计算（目标产物）C2H4+O2→CH3CHO1X198.640X=198.640（kmol/h）4.乙烯量的计算（副产物损耗）选择性＝为了得到目标产品所要消耗的乙烯/消耗掉原料数量×100％97.92％＝203.502/XX=207.828单位：（kmol/h）乙烯消耗量（副产物）＝267.846-201.502＝4.344（kmol/h）5.耗氧量（得到乙醛）C2H4+O2→CH3CHO1203.502XX=101.751（kmol/h）6.总的耗氧量计算副产物的耗氧量＝2.933×1＋0＋0＋0.230×0.5＋0＋2.448＝5.496（kmol/h）总耗氧量＝114.33+5.503＝119.833（kmol/h）图5物料流程图：放空量×7.13％=氧气量×1％：乙烯量×96.7％=621.914−循环气量×65.99％：放空量×4.25％=乙烯量×0.29％：循环气量×8.97％＋放空量×8.97％=氧气量×99.1％＋循环气量×8.97％−119.734解方程组可得单位：kmol/h乙烯量=247.432氧气量=124.125循环气量=578.718放空量=17.3842.2热量衡算我们依靠两大定律来进行热量衡算，分别是能量守恒定律和质量守恒定律。结果如下1.反应热每一个热容与生成热如表4：C2H4+O2→CH3CHO=−193−52.25−0=−245.25（kJ/mol）=−58672.25(kcal/kmol)C2H4+O2=CH3COOH=−484.7−52.25−0=−536.95（kJ/mol）=−128456.93(kcal/kmol)C2H4+3O2=2H2O+2CO2=2×(−285.84)+2×(−393.54)−3×0−52.25=−1411.01（kJ/mol）=−337562.20(kcal/kmol)查阅资料可知，在表压为3bar，相变温度是61.32℃条件下。图6反应热量过程图60.98℃下比热容Cp=27.02kcal/（kmol·K）93.21℃下比热容Cp=14.83kcal/（kmol·K），则ΔH1´´=Cp×ΔT=14.83×(125–60.98)=944.37（kcal/kmol）=11.69kcal/（kmol·K）,=6.805kcal/（kmol·K）；则=(11.69+6.805)×(125−25)=1849.5(kcal/kmol)；由等式可知ΔHT1=−58506+974.282+5836.668+944.37-1849.5=−52599.26(kcal/kmol)。2.水的放热量图7反应热量过程图T1＝75(℃)（平均温度）二氧化碳比热容Cp=9.463kcal/（kmolK故ΔH3´CO2=Cp×ΔT=9.463×(125−25)=946.3(kcal/kmol)在142.67℃条件下ΔH3θ=9211.09kcal/kmolT2＝83.835(℃)水的比热容Cp(l)=17.99kcal/（kmol·K） ＝17.99×（142.67－25）＝2116.88（）T3＝133.835℃在133.835℃温度下，水的比热容为Cp=7.9kcal/（kmol·K）ΔH3´´=Cp×ΔT=7.9×（125－142.67）＝－139.593（kcal/kmol），温度T1=（125+25）/2=CpC2H4＝12.01kcal/（kmol·K）,CpO2＝6.896kcal/kmol(温度为75℃)所以ΔH3´´´=Cp×ΔT=（12.01＋6.896）×（125－25）＝1890.6（kcal/kmol）ΔH3´´´+ΔHT3=ΔH3θ298+ΔH3´CO2+ΔH3θ+ΔH3´´+ΔH3´H2O故ΔHT3=−3150850639（kcal/kmol）总的反应热为：Q反=M1ΔHT1+M2ΔHT2+M3ΔHT3=232.998×（-52598.23）+2.546×（-121214.945）+2.954/2×（-315087.598）=-13029280.03（kcal/kmol）3.副产物放热量图8反应热量过程图温度（平均温度）T1＝（25＋168）/2＝96.5(℃)，乙酸比热容Cp=33.63kcal/（kmol·K）（96.5℃）。＝33.63×（168－25）＝4809.09(kcal/kmol)醋酸ΔH2θ=5091.6(kcal/kmol)（168℃）T2＝＝146.5(℃)此时Cp＝20.285kcal/（kmol·K）所以ΔH2´´＝Cp×ΔT＝20.285×（125－168）＝－872.255(kcal/kmol)温度（平均）T3＝（125＋25）/2＝75(℃)CpC2H4＝11.68kcal/（kmol·K）CpO2＝6.806kcal/（kmol·K）ΔH2´´´=Cp×ΔT=（11.68+6.806）×（125－25）＝1849.5(kcal/kmol)由ΔH2´´´+ΔHT2=ΔH2θ298+ΔH2´+ΔH2θ+ΔH2´´可得ΔHT2=−128456.93+4809.09+5154.65－872.255－1849.4=−121213.944(kcal/kmol)4.因氧气而造成的热量损失可以知道的条件如下，新鲜氧气的平均温度为72℃，新鲜氧气进入的温度是20℃，新鲜氧气参加反应温度是125℃。表3氧气和氮气含量和比热容氧气氮气Xi（％）98.91.1Cpi（kcal/（kmol·K））6.8136.87=6.734+0.0696＝6.8045（kcal/（kmol·K））,氧气损耗的热量：＝124.124×6.8045×(20－125)=－87683.85(kcal/h)5.催化剂带入的热量催化剂的比热容：Cp=∑XIiCpi=1.05kcal/（kmol·K）（温度为154℃）故热量为：＝9.00×1.05×(154－125)×1094.2＝299865.51（kcal/h）6.循环气带走的热量各成分的占比如下图表4混合气体比热容表格-O氧气N氮气H水C乙烯C乙烷C二氧化碳C氯甲烷C氯乙烷Xi00.56200.0057300.0500.753100.028900.0959400.0065900.00076CPikcal/（kmol·K）00.8188.63118.02112.01115.5599.599110.89117.32XiCPi0.3850.4250.1049.4950.4360.91160.07160.0133比热容（平均）＝11.39kcal/（kmol·K）Q2（循环气）=MCpΔt=（248.432+577.717）×11.40×（125-500）=3531786.975（kcal/h）7.盐酸损耗的热量比热容Cp=0.94kcal/（kmol·K），进料温度20℃盐酸损耗的热量：Q4=MCpΔt＝62.1×0.94×(20-125)＝-6207.97（kcal/h）。8.水的汽化热量水汽化分为盐酸Q5和催化剂Q6盐酸Q5=63.1×（1－30％）×523.94=23142.4298（kcal/h）催化剂Q6=（9.00-8.73）×1094.2×523.94=160522.6414（kcal/h）9.反应所需加水量由∑Q=0得汽化量QH2O′=12961058.2+297834.6－6263.8－705736.9365－123145.6×2－87571.996＝1161735.67，汽化量：QH2O=1221472.96-23142.4298-160522.6414=1037807.559单位：kcal/h10.反应器损失的热量其他因素损失的热量（环境，材料）：Q7=KAΔt=14×(3.14×2.53×21.52+2×3.14×（2.545/2）2)×45=122717.59（kcal/h）3设备选型计算与选型3.1反应器设备计算1.已知未开启设备反应时，塔的速度为0.54m/s（1）出口总流量∑MR＝1995.6kmol/h；（2）入口总流量Mt＝950.277kmol/h）（3）塔径D=2.550m；（4）清液层H。＝74.66/5.084＝14.69（m），（5）反应过程中，容器平均压力为4.73atm；（6）截面积At＝V/u＝2807.156×103/55＝5.104（m2）；（7）设塔顶压力为P底=6.2atmP顶＝P底-H。×Pct/1.0336＝6.2-14.82×1095.3/1.0336/104＝4.1(atm)，P均＝（P底＋P顶）/2＝（6.282+4）/2＝5.141(atm)；（8）乙醛气体的计算：Vct＝每小时乙醛生产量（kg）/乙醛理论生产量＝232.002×43.98/135.3＝75.41（m3/h）；3.2鼓泡塔高度HGL核算已知εOG＝0.4802，联立公式εG＝（HGL－H。）/HGLεG=0.312又因为0.312＝（HGL－14.82）/HGLHGL＝20.32m,由上面计算可得，我们应该选用的R2101是高度为20.32m,塔径为2.550m的鼓泡塔反应器。3.3纯醛冷凝器设备计算乙醛有部分气体直接进入到冷凝器冷凝，还有一部分是又进入到精馏塔，继续在冷凝器冷凝，然后在进入冷凝器冷凝，最终得到成品乙醛。纯醛塔中的乙醛气体温度为42℃，这时给它冷凝处理，使它从气体冷暖成液体状态。冷凝器入口温度29℃，出口温度是37℃。3.3.1热负荷和冷却水的需求量热负荷:q=1/2×3622793.722=1811396.35cal/h；已知需水量为w=15910.3kmol/h，平均温度7.5℃。假设k=749（/（）），则＝1811397.361/749/7.5＝322.46（㎡）。 3.3.2冷凝器选型管直径20×2毫米,管长度6米,管程4,壳程1，壳直径(毫米)为900,压力是16公斤(f)/平方厘米,换热面积325平方米,重量8500公斤,规格:FLA900-325-16-4的管子数量n=325/3.14/0.018/6=89,每道工艺的管数n=229。3.4校核传热面积 ＝0.0001；＝0.0004；＝0.00004＝1.52×6897.71/7.3＝1436.23；＝7669.364；单位：kcal/（m2·h·℃）传热系数K＝1/（1/7648.364＋1/1436.23＋0.0001＋0.0004＋0.00004）＝731.52kcal/（m2·h·℃）），所以=305m2实际传热面积为：=322㎡实际换热面积大于所需换热面积故设计是合理。4经济效益评估4.1原料消耗表5原料消耗一览表名称消耗（按一小时算）乙烯1.3t氧气0.2t催化剂0.13t电1755Kw·h水蒸气3.9t4.2成本估算网上的资料显示，乙烯一顿9400元，所以每小时花费1.3×9400=12220元假设工厂有150人，工资平均每人每月6000元6000×150=900000元工人每小时900000/（30×24）=1250元电力损耗方面是每小时1755kw，企业用电1.78每千瓦时1755×1.78/100=31.24元水蒸气每吨220元3.9×220=858元总计每小时成本（车间每小时损耗300元，后续处理150元）12220+1250+31.24+858+300+150=14809.24元一吨乙醛7500元，一小时生产3.4吨3.4×5000=25500元一个小时的利润25500-14809.24=10690.24元一个月利润10690.24×24×30=7.70×106元表6消耗明细名称单价合计（一小时）乙烯9400元/吨12220元电1.78分/千瓦时31.24元水蒸气220元/吨858.00元人工1250元/时1250.00元车间300元/时300.00元后续处理150元/时150.00元总计——14809.24元乙醛7500元/吨25500元剩余——10690.24元5三废处理日常的生产工艺中，任何一个设计都必须要注重三废处理，不管是废气、废水还是废液，都必须严格处理，否则就会造成不可挽回的后果，每一个步骤都必须认真设计，都必须符合国家的排放标准，这样才是一个合格的设计。本设计工艺有一个很大的优点就是没有废渣。我们需要处理好三废，如果处理不好，那对我们的经济将造成很大损失。本设计工艺主要的就是由循环气组成的废气，另外还有很多有毒的气体，因此必须要进行特殊处理，即通过焚烧处理，然后再排放到空气中。废液主要就是巴豆醛，巴豆胺在化学性质上面比较活跃[11]，有可燃性，溶于水，另外对人体也有一定副作用。如果长时间放置，那么巴豆胺就会氧化成酸，可以用异丙醇铝把把巴豆酸还原。从粗醛储存罐出来的废水需要进行冷却，让后进入到污水处理系统，最后才可以按要