年產(chǎn)10萬(wàn)噸醋酸的工藝設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

年產(chǎn)10萬(wàn)噸醋酸的工藝設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文東營(yíng)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)年產(chǎn)10萬(wàn)噸醋酸的工藝設(shè)計(jì)東營(yíng)職業(yè)學(xué)院DongyingProfessional第一章概述醋酸是一種有機(jī)化合物乙酸別名醋酸冰醋酸分子式常簡(jiǎn)寫為或是典型的脂肪酸被公認(rèn)為食醋內(nèi)酸味及刺激性氣味的來(lái)源純的無(wú)水乙酸冰醋酸是無(wú)色的吸濕性液體凝固點(diǎn)為167°C62°F凝固后為無(wú)色晶體盡管根據(jù)乙酸在水溶液中的離解能力它是一個(gè)弱酸但是乙酸是具有腐蝕性的其蒸汽對(duì)眼和鼻有刺激性作用乙酸是一種簡(jiǎn)單的羧酸是一個(gè)重要的化學(xué)試劑乙酸也被用來(lái)制造電影膠片所需要的醋酸纖維素和木材用膠粘劑中的聚乙酸乙烯酯以及很多合成纖維和織物在家庭中乙酸稀溶液常被用作除垢劑食品工業(yè)方面在食品添加劑列表E260中乙酸是規(guī)定的一種酸度也是化工醫(yī)藥紡織輕工食品等行業(yè)不可缺少的重要原料隨著醋酸衍生產(chǎn)品的不斷發(fā)展以醋酸為基礎(chǔ)的工業(yè)不僅直接關(guān)系到化學(xué)工業(yè)的發(fā)展而且與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)息息相關(guān)醋酸生產(chǎn)與消費(fèi)正引起世界各國(guó)的普遍重視醋酸生產(chǎn)工藝及相關(guān)問(wèn)題的研究開(kāi)發(fā)正在日益加深和發(fā)展從最初的糧食發(fā)酵木材干餾生產(chǎn)醋酸開(kāi)始合成醋酸的工藝路線主要有乙醛氧化法乙炔電石法乙醇氧化法乙烯氧化法丁烷氧化法和羰基合成法等這些方法都各有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)在選擇合成醋酸的路線時(shí)應(yīng)與當(dāng)?shù)氐脑腺Y源情況密切聯(lián)系起來(lái)因地制宜按醋酸用量的大小工業(yè)技術(shù)條件等作綜合的平衡本設(shè)計(jì)采用成熟的乙醛氧化法合成醋酸首先確定乙醛氧化法生產(chǎn)醋酸工藝流程其次對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行物料和能量衡算然后對(duì)其中的單元設(shè)備精餾塔進(jìn)早在公元前三千年人類已經(jīng)能夠用酒經(jīng)過(guò)各種醋酸菌氧化發(fā)酵制醋[1]十九世紀(jì)后期人們發(fā)現(xiàn)從木材干餾制木炭的副產(chǎn)餾出液中可以回收醋酸成為醋酸的另一重要來(lái)源但這兩種方法原料來(lái)源有限都需要脫除大量水分和許多雜質(zhì)濃縮提純費(fèi)用甚高因此隨著20世紀(jì)有機(jī)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展誕生了化學(xué)合成醋酸的工業(yè)乙醛易氧化生成醋酸收率甚高成為最早的合成醋酸的有效方法1911年德國(guó)建成了第一套乙醛氧化合成醋酸的工業(yè)裝置并迅速推廣到其它國(guó)家[2]早期的乙醛來(lái)自糧食糖蜜發(fā)酵生成的乙醇的氧化1928年德國(guó)以電石乙炔進(jìn)行水合反應(yīng)生成乙醛是改用礦物原料生成醋酸的開(kāi)始二次大戰(zhàn)后石油化工興起發(fā)展了烴直接氧化生產(chǎn)醋酸的新路線但氧化產(chǎn)物組分復(fù)雜分離費(fèi)用昂貴因此1957～1959年德國(guó)Wacher-chemie和Hoechst兩公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了乙烯直接氧化制乙醛法后乙烯乙醛醋酸路線迅速發(fā)展為主要的醋酸生產(chǎn)方法70年代石油價(jià)格上升以廉價(jià)易得原料資源不受限制的甲醇為原料的羰基化路線開(kāi)始與乙烯路線競(jìng)爭(zhēng)甲醇羰基化制醋酸雖開(kāi)始研究于20年代60年代已有BASF公司的高壓法工業(yè)裝置但直到1971年美國(guó)Monsanto公司的甲醇低壓羰基化制醋酸工廠投產(chǎn)成功證明經(jīng)濟(jì)上有壓倒優(yōu)勢(shì)現(xiàn)已取代乙烯路線而占領(lǐng)先地位1989年世界醋酸總生產(chǎn)能力為480kt一套甲醇低壓羰基化裝置的生產(chǎn)能力總計(jì)2000kta以上除個(gè)別廠外都已中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)合成醋酸同樣從發(fā)酵法乙醇乙醛氧化法及電石乙路線開(kāi)始60年代末全國(guó)已形成60kta的生產(chǎn)能力70年代開(kāi)始發(fā)展乙烯路線引進(jìn)了每套年產(chǎn)約7萬(wàn)噸大型裝置輕油氧化制醋酸天然氣制甲醇低壓羰基化制醋酸的工藝路線正積極研究可以肯定這些將會(huì)使我國(guó)的醋酸生產(chǎn)出現(xiàn)一個(gè)飛躍12酷酸的物理性質(zhì)酷酸的主要物性數(shù)據(jù)列于表1-1沸點(diǎn)℃蒸汽液體黏度mPas介電常數(shù)液體固體折射率nD20液體25℃氣體25℃液體液體25℃氣體25℃離解常數(shù)3945沸點(diǎn)時(shí)5786表1-1純醋酸的物理性質(zhì)[3]13醋酸的化學(xué)性質(zhì)com酸性羧酸中例如乙酸的羧基氫原子能夠部分電離變?yōu)闅潆x子質(zhì)子而釋放出來(lái)導(dǎo)致羧酸的酸性乙酸在水溶液中是一元弱酸酸度系數(shù)為48pKa47525℃濃度為1molL的醋酸溶液類似于家用醋的濃度的pH為24也就是說(shuō)僅有04的醋酸分乙酸的酸性促使它還可以與碳酸鈉氫氧化銅溶劑液態(tài)乙酸是一個(gè)親水極性質(zhì)子化溶劑與乙醇和水類似因?yàn)榻殡姵?shù)為62它不僅能溶解極性化合物比如無(wú)機(jī)鹽和糖也能夠溶解非極性化合物比如油類或一些元素的分子比如硫和碘它也能與許多極性或非極性溶劑混合比如水氯仿己烷乙酸的溶解性和可混合性使其成為了化工中廣泛運(yùn)用的化學(xué)品化學(xué)反應(yīng)對(duì)于許多金屬乙酸是有腐蝕性的例如鐵鎂和因?yàn)殇X在空氣中表明會(huì)形成氧化鋁保護(hù)層所以鋁制容器能用來(lái)運(yùn)輸乙酸金屬的乙酸鹽也可以用乙酸和相應(yīng)的堿性物質(zhì)反應(yīng)比如最著名的例子小蘇打與醋的反應(yīng)除了醋酸鉻II幾乎所有的醋酸鹽能溶于水NaHCO3sCH3COOHa乙酸能發(fā)生普通羧酸的典型化學(xué)反應(yīng)特別注意的是可以還原生成乙醇通過(guò)親核取代機(jī)理生成乙酰氯也可以雙分子脫水生成酸酐同樣乙酸也可以成酯或氨基化合物440的高溫下乙酸分解生成甲烷和二氧化碳或乙烯酮和水鑒別乙酸可以通過(guò)其氣味進(jìn)行鑒別若加入氯化鐵III生成產(chǎn)物為深紅色并且會(huì)在酸化后消失通過(guò)此顏色反應(yīng)也能鑒別乙酸乙酸與三氧化砷反應(yīng)生成氧化二甲大部分乙酸是通過(guò)甲基羰基化合成的此反應(yīng)中甲醇和一氧化碳反應(yīng)生成乙這個(gè)過(guò)程是以碘代甲烷為中間體分三個(gè)步驟完成并且需要一個(gè)一般由多種通過(guò)控制反應(yīng)條件也可以通過(guò)同樣的反應(yīng)生成乙酸酐因?yàn)橐谎趸己图状季浅Ｓ玫幕ぴ纤约谆驶恢币詠?lái)備受青睞[]早在1925年英國(guó)塞拉尼斯公司的HenryDrefyus已經(jīng)開(kāi)發(fā)出第一個(gè)甲基羰基化制乙酸的試點(diǎn)裝置然而由于缺少能耐高壓200atm或更高和耐腐蝕的容器此法一度受到抑制直到1963年德國(guó)巴斯夫化學(xué)公司用鈷作催化劑開(kāi)發(fā)出第一個(gè)適合工業(yè)生產(chǎn)的辦法到了1968年以銠為基礎(chǔ)的催化劑的cis[RhCO2I2]被發(fā)現(xiàn)使得反映所需壓力減到一個(gè)較低的水平并且?guī)缀鯖](méi)有副產(chǎn)物1970年美國(guó)孟山都公司建造了首個(gè)使用此催化劑的設(shè)備此后銠催化甲基羰基化制乙酸逐漸成為支配性的方法孟山都法[]90年代后期BP化學(xué)成功的將Cativa催化法商業(yè)化此法是基于釕使[IrCO2I2]它比孟山都法更加綠色也有更高的效率很大程度上排擠了孟山都法由乙醇在有催化劑的條件下和氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)制得生產(chǎn)規(guī)模小原料和動(dòng)力消耗高應(yīng)嚴(yán)格控制杜絕新建小規(guī)模生產(chǎn)裝置由乙烯在催化劑所用催化劑為氯化鈀PdC12氯化銅CuC12和乙酸錳CH3C002Mn存在的條件下與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成此反應(yīng)可以看作先將乙烯氧化成乙醛再通過(guò)乙醛氧化法制得但與低壓甲醇羰基合成法相比原料和動(dòng)力消耗高技術(shù)經(jīng)濟(jì)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)性不宜再用該技術(shù)新建裝置原有裝置可借鑒乙烯直接氧化法進(jìn)行改造丁烷氧化法又稱為直接氧化法這是用丁烷為主要原料通過(guò)空氣氧化而制得乙酸的一種方法也是主要的乙酸合成方法與其它原料路線相比具有一定的競(jìng)爭(zhēng)性但與低壓法相比相應(yīng)壓力高原料消耗定額高副反應(yīng)多工藝復(fù)雜[6]因此不提倡發(fā)展高壓法comUOP千代田工藝LOP千代田工藝技術(shù)先進(jìn)在某些方面比BP技術(shù)更有吸引力但還沒(méi)有工業(yè)化生產(chǎn)裝置引進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)大[7]周修和國(guó)外合成醋酸概括[J]石油化工199323251～263可積極引進(jìn)com乙醛氧化法乙醛氧化法在孟山都法商業(yè)生產(chǎn)之前大部分的乙酸是由乙醛氧化制得盡管不能與甲基羰基化相比此法仍然是第二種工業(yè)制乙酸的方法乙醛可以通過(guò)氧化丁烷或輕石腦油制得也可以通過(guò)乙烯水合后生成當(dāng)丁烷或輕石腦油在空氣中加熱并有多種金屬離子包括鎂鈷鉻以及過(guò)氧根離子催化會(huì)分解出乙酸此反應(yīng)可以在能使丁烷保持液態(tài)的最高溫度和壓力下進(jìn)行一般的反應(yīng)條件是150和55atm副產(chǎn)物包括丁酮乙酸乙酯甲酸和丙酸因?yàn)椴糠指碑a(chǎn)物也有經(jīng)濟(jì)價(jià)值所以可以調(diào)整反應(yīng)條件使得副產(chǎn)物更多的生成不過(guò)分離乙酸和副產(chǎn)物使得反應(yīng)的成本增加在類似條件下使用上述催化劑乙醛能被空氣中的氧氣氧化生成乙酸使用新式催化劑此反應(yīng)能獲得95以上的乙酸產(chǎn)率主要的副產(chǎn)物為乙酸乙酯綜合文獻(xiàn)分析結(jié)合本地區(qū)特點(diǎn)本設(shè)計(jì)采用乙醛氧化法生產(chǎn)醋酸工藝乙醛液相催化自氧化合成醋酸是一強(qiáng)放熱反應(yīng)總反應(yīng)式為乙醛氧化時(shí)先生成過(guò)氧醋酸再與乙醛合成AMP[]分解即為醋酸乙醛和催化劑溶液自反應(yīng)塔中上部加入為了使乙醛帶走工業(yè)上一般采用氧作催化劑且氧分段鼓泡通入反應(yīng)液中與乙醛進(jìn)行液相氧化反應(yīng)氧化過(guò)程釋放的大量反應(yīng)熱通過(guò)外循環(huán)冷卻而移出出反應(yīng)器的反應(yīng)尾氣經(jīng)冷凝回收乙醛后放空反應(yīng)液首先經(jīng)蒸發(fā)器除掉醋酸錳催化劑醋酸蒸汽則先經(jīng)精餾塔1蒸出未反應(yīng)的乙醛甲酸醋酸甲酯水三聚乙醛等輕組分然后經(jīng)精餾塔2脫除高沸點(diǎn)副產(chǎn)物后得成品醋酸要求純度>99其余的則進(jìn)入醋酸回收塔回收粗醋酸工藝流程圖如圖2-1圖2-1工藝流程圖第三章物料衡算醋酸生產(chǎn)消耗定額見(jiàn)表3-1名稱單耗每噸醋酸乙醛氧氣冷卻水醋酸錳770kg2kg醋酸年產(chǎn)量10萬(wàn)噸選擇年開(kāi)工時(shí)間8000小時(shí)則每小時(shí)生產(chǎn)醋酸所以選擇每小時(shí)乙醛進(jìn)料量為10000kg1氧化塔物料衡算中的已知數(shù)據(jù)①每小時(shí)通入氧化塔的乙醛量為10000kgh②氧化過(guò)程中乙醛總轉(zhuǎn)化率為993③氧化過(guò)程中氧的利用率為984④氧化塔塔頂補(bǔ)充的工業(yè)氮使其濃度達(dá)到45⑤未轉(zhuǎn)化的乙醛在氣液相中的分配率體積氣相34液相66⑥原料組成見(jiàn)表3-2原料乙醛質(zhì)量工業(yè)氧質(zhì)量工業(yè)氮質(zhì)量催化劑溶液質(zhì)量乙醛5三聚乙醛01氧氣98氮?dú)?氮?dú)?7氧氣3醋酸60醋酸錳1030催化劑中醋酸錳用量為氧化塔進(jìn)料乙醛重量的008⑦氧化過(guò)程中乙醛的分配率[1]副反應(yīng)142氧化塔物料衡算圖見(jiàn)圖3-13反應(yīng)式衡算純乙醛量10000×9959950①主反應(yīng)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副反應(yīng)095a乙醛用量9950×0993×000959386kgc生成醋酸甲酯量y88749386yy7893kga乙醛用量9950×0993×001413832kg①反應(yīng)掉的乙醛總量10000×0995×0993988035kg其中液相中乙醛含量6965×0664597氣相中乙醛含量6965×034③反應(yīng)掉的氧氣總量34491410060599512025149385842kg則所需工業(yè)氧氣量其中氧氣400148×098392116kg氮?dú)?00118×0028002kg所以未反應(yīng)的氧氣392116-3858426274kg④反應(yīng)生成物重量醋酸1293428125751306003kg二氧化碳461146932766436968kg水188633719201131715460kg甲酸4820kg亞乙基二醋酸酯2732kg醋酸甲酯7893kg4催化劑用量已知催化劑溶液中醋酸錳用量為氧化塔進(jìn)料乙醛重量的008催化劑中醋酸錳的含量為10設(shè)催化劑溶液用量為x其中醋酸錳8065×01806kg5保安氮用量塔頂干氣量計(jì)算氮?dú)?002097x氧氣6274003x二氧化碳36968kg其中氮?dú)?8957×09728088kg氧氣28957×003869kg塔頂干氣量氮?dú)?002097x36090kg氧氣6274003x7143kg二氧化碳36968kg整理以上數(shù)據(jù)列出氧化塔物料平衡結(jié)果見(jiàn)表3-3進(jìn)料出料含量質(zhì)量kg含量質(zhì)量醋酸水10氧化液醋酸水醋酸錳960806工業(yè)氧氧氣8002工業(yè)氮氮?dú)?69催化劑醋酸水醋酸錳6032蒸發(fā)器物料衡算蒸發(fā)器進(jìn)出物料圖見(jiàn)圖3-2列衡算式33精餾塔物料衡算已知數(shù)據(jù)1進(jìn)料流量1324568kgh2醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0968水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)001543餾出液中醋酸含量3釜液中醋酸的回收率為984醋酸和水的摩爾質(zhì)量分別為60kgkmol和18kgkmol精餾塔進(jìn)出物料圖見(jiàn)圖3-3進(jìn)料流量得即已知數(shù)據(jù)1進(jìn)料流量F1282592kgh2進(jìn)料醋酸含量98釜?dú)堃捍姿岷?0成品醋酸含量998精餾塔進(jìn)出物料圖見(jiàn)圖3-4得已知數(shù)據(jù)1進(jìn)料流量F419762570967685kgh2經(jīng)回收后得到粗醋酸含量65以上按65計(jì)算3從精餾塔出來(lái)的醋酸含量20副產(chǎn)物中含5的醋酸醋酸回收塔進(jìn)出物料圖見(jiàn)圖3-5整理以上數(shù)據(jù)得總物料衡算結(jié)果見(jiàn)表3-酷酸水放空廢氣二氧化碳2368工業(yè)氧氣氧氣氮?dú)獯呋瘎┐姿崴姿徨i48392塔頂溫度[]100～103℃塔底溫度118～124℃3常壓精餾P1013kp4水和醋酸的安托尼常數(shù)見(jiàn)表5-11相對(duì)揮發(fā)度的計(jì)算對(duì)水對(duì)醋酸則與十分接近故假設(shè)t1165℃泡點(diǎn)正確2回流比R的計(jì)算根據(jù)公式[18]?、偃亓鲿r(shí)理論板層數(shù)[18]則橫坐標(biāo)不變則縱坐標(biāo)讀數(shù)也不變既所以加料板為從塔頂往下數(shù)第12層1全塔效率[其中相對(duì)揮發(fā)度塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度則2塔的有效高度其中塔內(nèi)所需理論板層數(shù)塔板間距m取取上層塔板與塔頂蓋之間的距離為10m取下層塔板和塔底之間的距離為21氣液相密度①液相密度②氣相密度以進(jìn)料狀態(tài)計(jì)算由2氣液相流量3塔徑的確定查圖得則所以取安全系數(shù)為065則空塔氣速所以塔徑按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后取塔截面積44塔板設(shè)計(jì)從塔板的生產(chǎn)能力板面利用率結(jié)構(gòu)造價(jià)等方面考慮進(jìn)行比較后選擇篩板塔1溢流裝置計(jì)算根據(jù)塔徑及液體流量與溢流類型的關(guān)系可選用單溢流弓形降液管采用凹型①堰長(zhǎng)?、谝缌餮吒叨扔蛇x用平直堰堰上液層高度由計(jì)算其中E由附錄三液流收縮系數(shù)圖可查其橫坐標(biāo)為故其符合范圍故檢驗(yàn)液體在降液管中停留時(shí)間④降液管底隙高度2塔板布置3篩孔計(jì)算及其排列篩孔數(shù)日則所以開(kāi)孔率5流體力學(xué)驗(yàn)算1塔板壓降①干板壓降其中為氣體通過(guò)篩孔的速度由故故③液體表面張力所產(chǎn)生的壓降2液泛則而所以符合3漏液對(duì)篩板塔取漏量10時(shí)的氣相動(dòng)能因子為則4液沫夾帶其中則6塔板負(fù)荷性能圖前已求得故據(jù)此可作出與液體流量無(wú)關(guān)的水平漏線12液沫夾帶線故所以790由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線23液相負(fù)荷下限線由得據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線34液相負(fù)荷上限線3由據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線45液泛線令由聯(lián)系得故列表計(jì)算如下001由以上數(shù)據(jù)即可作出液泛線5根據(jù)以上各方程可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖見(jiàn)圖5-1在負(fù)荷性能圖上作出操作點(diǎn)A連接OA既所設(shè)計(jì)的篩板塔的主要結(jié)果匯總見(jiàn)表5-2序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值12456789溢流型式降液管型式板