产18万吨醋酸生产装置初步设计毕业论文.doc
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1、 2012 届届毕业毕业生生 毕业论毕业论文文 题题 目目: 年产年产 18 万吨醋酸生产装置初步设计万吨醋酸生产装置初步设计 2012 年年 5 月月 18 日日 II 摘要 醋酸是一种用途广泛的基本有机产品。本设计拟采用以乙醛为原料生产醋 酸(180kt/a)的工艺。该工艺原料来源广泛,污染较小,工艺简单,投资费用省, 产品质量高。本设计介绍了醋酸的性质、用途、工业现状以及各种醋酸生产方 法,对乙醛氧化工艺流程做了阐述。设计重点对氧化、精馏工段进行了详细的 物料衡算和热量衡算,同时对主要设备进行了计算和选型,绘制了工艺流程图 和主要设备装配图。 关键词:乙醛氧化;醋酸;工艺设计;物料衡算;
2、热量衡算 III The preliminary design of annual output of 180,000 tons of acetic acid production plant Abstract Acetic acid is a versatile basic organic product. The project designs process of acetic acid (180kt/a) production through the oxidation of acetaldehyde. The process has the advantages of wide ra
3、nge of sources of raw materials, less pollution, simple equipment, low investment, higher product quality. The design described properties, application, industrial status, and manufacture methods of acetic acid, as well as process flow of acetaldehyde oxidation. The design focused on the oxidation a
4、nd distillation sections to detail material balance and heat balance. The process calculation and selection of main equipments were done. Finally, process flow diagrams and assembly drawings of major equipments were drawn. Keywords: Oxidation of acetaldehyde, Acetic acid, Process design, Material ba
5、lance, Heat balance IV 目录 第一章 文献综述1 1.1 醋酸简介.1 1.2 醋酸性质.1 1.3 工业现状.1 1.4. 醋酸的制备2 第二章 工艺简介4 2.1 产品品种、规格、质量指标及拟建规模.4 第三章 物料衡算5 3.1 氧化部分物料衡算.5 3.2 蒸发器物料衡算8 3.3 精馏塔物料衡算9 3.4 醋酸回收塔物料衡算.9 第四章 热量衡算11 4.1 氧化塔热量衡算.11 4.2 蒸发器热量衡算.15 4.3 精馏段热量衡算.16 第五章 塔体设计18 5.1 精馏塔设计.18 第六章 板式塔的结构27 6.1 接管.27 6.2 筒体封头和除沫器.28
6、 6.3 人孔及裙座.28 6.4 塔板结构.29 6.5 吊柱.29 6.6 塔的立体高度.29 第七章 劳动安全卫生及环境保护措施30 7.1 主要污染源以及主要污染物.30 7.2 环保措施及主要处理方法.30 第八章 全厂总平面布置31 参考文献32 致 谢34 附表35 一、吉利兰图35 二、史密斯关联图35 三、液流收缩系数计算图35 V 四、弓形降液管参数图36 五、干筛孔流量系数图36 六、充气系数关联图36 1 第一章 文献综述 1.1 醋酸简介醋酸简介 醋 酸 又 称 乙 酸 或 者 冰 醋 酸 ,被 公 认 为 是 食 醋 的 酸 味 和 刺 激 气 味 的 来 源 ,在
7、 自 然 界 中 广 泛 存 在 , 是 一 种 环 境 友 好 的 有 机 酸 。在 生 活 中 ,乙 酸 的 稀 溶 液 常 被 用 作 除 垢 剂 。 工 业 方 面 , 它 被 用 于 制 造 聚 对 苯 二 甲 酸 乙 二 酯 , 醋 酸 纤 维 素 和聚 乙 酸 乙 烯 酯。 在 食 品 添 加 剂 列 表 E 2 6 0 中 ,乙 酸 是 规 定 的 一 种 酸 度 调 节 剂 。 1.2 醋酸性质醋酸性质 1.21 醋醋 酸酸 的的 物物 理理 性性 质质 1,2 乙 酸 在 常 温 下 是 一 种 有 强 烈 刺 激 性 酸 味 的 无 色 液 体 。 熔 点 为 1 6 .
8、 6 , 沸 点 1 1 7 . 9 , 相 对 密 度 1 . 0 5 , 闪 点 3 9 , 4 % 1 7 % ( 体 积 ) , 折 光 率 1 . 3 7 1 6 。 纯 乙 酸 在 1 6 . 6 以 下 时 能 结 成 冰 状 的 固 体 ,所 以 常 称 为 冰 醋 酸 3 。 易 溶 于 水 、 乙 醇 、 乙 醚 和 四 氯 化 碳 。它具 有 腐 蚀 性 , 其 蒸 汽 对 眼 和 鼻 有 刺 激 性 作 用 。 1.22 醋醋 酸酸 的的 化化 学学 性性 质质 乙 酸 在 水 溶 液 中 是 一 元 弱 酸 , 酸 度 系 数 为 4.8, pKa=4.75 (25)
9、,浓 度 为 1 m o l / L 的 醋 酸 溶 液 ( 类 似 于 家 用 醋 的 浓 度 )的 p H 为 2 . 4 ,也 就 是 说 仅 有 0 . 4 % 的 醋 酸 分 子 是 解 离 的 4 。 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 面 会 形 成 氧 化 铝 保 护 层 , 所 以 铝 制 容 器 能 用 来 运 输 乙 酸 。 1.3 工业现状工业现状 据 S R I 咨 询 公 司 统 计 , 2 0 0 6 年 全 球 醋 酸 总 生
10、 产 能 力 达 到 1 1 . 0 9 9 M t / a , 其 产 能 分 布 为 :北 美 占 有 3 . 5 1 5 M t / a , 南 美 占 有 1 1 2 k t / a , 西 欧 占 有 1 . 2 2 7 M t / a , 东 欧 占 有 4 3 0 k t / a , 中 东 占 有 2 1 4 k t / a , 非 洲 占 有 2 0 k t / a , 亚 州 占 有 5 . 5 8 1 M t / a 。 近 年 来 , 亚 洲 地 区 生 产 能 力 增 加 较 快 , 年 均 增 长 率 为 7.2%, 高 于 世 界 3 . 8 % 的 年 均 增
11、长 率 。 2 世 界 两 大 醋 酸 生 产 商 C l e a n e s e 和 英 国 B P 公 司 控 制 了 全 球 的 醋 酸 生 产 5 , 两者 合 计 生 产 能 力 已 达 到 4 . 3 8 4 M t / a , 约 占 全 球 总 生 产 能 力 的 4 0 % 以 上 。 2 0 0 9 年 , 统 计 表 明 我 国 采 用 甲 醇 羰 基 合 成 法 生 产 的 醋 酸 占 醋 酸 总 产 量 的 8 2 . 6 % 。 预 计 我 国 2 0 1 0 年 醋 酸 产 能 及 需 求 将 分 别 达 到 5 4 0 万 t / a 和 3 2 5 万 t /
12、 a , 已 出 现 产 能 远 大 于 需 求 的 状 况 6 。 1.4. 醋酸的制备醋酸的制备 醋 酸 的 制 备 可 以 通 过 人 工 合 成 和 细 菌 发 酵 两 种 方 法 。 1.4.1 细菌发酵细菌发酵 生 物 合 成 法 ,即 利 用 细 菌 发 酵 ,由 此 而 产 生 的 醋 酸 产 量 仅 占整 个 世 界 产 量 的10%,但 是 仍 然 是 生 产 醋 酸 的 最 重 要 的 方 法 ,因 为 很 多 国 家 的 食 品 安 全 法 规 规 定 用 于 食 物 的 醋 必 须 是 由 生 物 制 备 的 。 1.4.1.1 有氧发酵有氧发酵 在 氧 气 充 足
13、的 情 况 下 , 醋 酸 杆 菌 能 够 从 含 有 酒 精 的食 物 中 生 产 出 乙 酸 。 这 些 细 菌 反 应 的 化 学 方 程 式 为 : C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O 1.4.1.2 无氧发酵无氧发酵 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 7。 C6H12O6 3CH3COOH 1.4.2 人工合成法人工合成法 1.4.2.1 甲醇羰基化法甲醇羰基化法5 大 部 分 乙 酸 是 通 过 甲 基 羰 基 化 合 成 的 。 此 反
14、应 中 ,甲 醇 和 一 氧 化 碳 反 应 生 成 乙 酸 , 方 程 式 如 下 : CH3OH + CO CH3COOH 1.4.2.2 乙醇氧化法乙醇氧化法 由 乙 醇 在 有 催 化 剂 的 条 件 下 和 氧 气 发 生 氧 化 反 应 制得 。 C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O 3 1.4.2.3 乙醛氧化法乙醛氧化法 乙 醛 可 以 通 过 氧 化 丁 烷 或 轻 石 脑 油 制 得 8 ,或 者 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 及 过 氧 根 离 子 催 化 ,
15、 会 分 解 出 乙 酸 : 2C4H10 + 5O2 4CH3COOH + 2H2O 1.4.2.4 乙烯氧化法乙烯氧化法 由乙烯在催化剂(所用催化剂为氯化钯 PdCl2、氯化铜 CuCl2和乙酸锰 (CH3COO)2Mn)存在的条件下,与氧气发生反应生成。 1.4.2.5 低碳烃氧化法低碳烃氧化法 反应式:2C4H10+5O2 4CH3COOH+2H2O (催化剂:Co(Ac)2和Mn(Ac) 2) 1.4.2.6 丁烷氧化法丁烷氧化法 丁 烷 氧 化 法 又 称 为 直 接 氧 化 法 , 是 用 丁 烷 为 主 要 原料 , 通 过 空 气 氧 化 而 制 得 乙 酸 的 一 种 方
16、法 。 2CH3CH2CH2CH3 + 5O24CH3COOH + 2H2O 1.4.2.7 托普索法(合成气法或者两步法)托普索法(合成气法或者两步法) 低 压 甲 醇 羰 基 化 法 以 甲 醇 ,CO 是 由 天 然 气 或 水 煤 气 获 得 ,甲 醇 是 重 要 化 工 原 料 ,其 货 源 和 价 格 波 动 较 大 9 。 托 普 索 法 以 单 一 天 然 气 或 煤 为 原 料 。 第一步:合 成 气 在 催 化 剂 下 生 成 甲 醇 和 二 甲 醚 ; 第二步:甲醇和二甲醚和CO。(两者不需提纯)羰基化生成醋酸 4 第二章第二章 工艺简介工艺简介 2.1 产品品种、规格、
17、质量指标及拟建规模产品品种、规格、质量指标及拟建规模 本设计拟完成年产 18 万吨醋酸生产工艺的初步设计, 综 合 文 献 分 析 , 结 合 本 地 区 特 点 10, 决 定 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 项 强 放 热 反 应 ,总 反 应 式 为 : CH3CHO(aq) + 1/2O2 CH3COOH(aq) H298k= -294 kJ/mol 乙 醛 氧 化 时 首 先 生 成 过 氧 乙 酸 ,再 与 乙 醛 生 成 中 间 复 合 物 ,分 解 即 为 醋 酸 : CH3CHO + O2CH
18、3COOOH CH3COOOH + CH3CHO 中间复合物 2CH3COOH 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 釆 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 1 1 ,1 2 , 反 应 液 首 先 经 蒸 发 器 除 掉 醋
19、 酸 锰 催 化 剂 , 醋 酸 蒸 汽 经 精 馏 塔 蒸 出 未 反 应 的 乙 醛 、 甲 酸 、 醋 酸 甲 酯 、 水 、 三 聚 乙 醛 等 轻 组 分 , 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 所示。 回流乙醛 蒸发器 成品醋酸 副产物 催化剂残液 尾气 工 业 氧 氧 化 反 应 器 工 业 氮 乙 醛 催 化 剂 乙 醛 回 收 塔 精 馏 塔 粗醋酸 醋 酸 回 收 塔 5 图 2-1 乙醛氧化制醋酸工艺流程图 第三章第三章 物料衡算物料衡算 醋酸年产量为 18 万吨,选择年开工时间:8000
20、 小时,收率按 91.7%计算, 每小时醋酸产量:22500kg/h; 8000 1000108 . 1 5 根据总反应方程式:CH3CHO+1/2O2CH3COOH 确定乙醛进料量为: =17993.46kg/h。选择每小时乙醛进料量为 18000kg。 917. 0 1 60 44 22500 3.1 氧化部分物料衡算氧化部分物料衡算 氧 化 塔 各 项 进 料 的 工 业 标 准 组 成 见 表 3 - 1。 表 3-1 氧化塔各项进料的工业标准组成 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氧气 98氮气 97 醋酸 60 醋酸 0.1氮气
21、2氧气 3醋酸锰 10 水 0.3 水 30 三聚乙醛 0.1 (1) 在 氧 化 过 程 中 的 已 知 条 件 1 3 ,1 4 : 1.乙醛进料量 18000kg/h,乙 醛 转 化 率 为 99.3%, 氧 的 利 用 率 为 98.4% 2.工 业 氮 自 氧 化 塔 塔 顶 补 充 使 其 浓 度 达 到 %;45 3.未 转 化 的 乙 醛 在 气 液 相 中 的 分 配 率 ( 体 积 % ) :气 相 34%;液 相 66% 4.设 定 催 化 剂 中 醋 酸 锰 用 量 为 氧 化 塔 进 料 乙 醛 重 量 的 0.08% 5.乙 醛 的 总 转 化 率、主 反 应 及
22、各 副 反 应 的 转 化 率 分 配 : 主反应: CH3CHO+O2 CH3COOH (96%) 2 1 副反应:3CH3CHO+3O2 HCOOH+2CH3COOH+CO2+H2O ( 4%) (2) 氧 化 塔 物 料 衡 算 图 见 图 3 1 。 6 (3) 反应式的物料衡算 投入的乙醛(纯)量:1800099.5%=17910 kg CH3CHO+O2 CH3COOH 96% 2 1 计算结果见表 3-2。 表 3-2 主反应物料衡算计算结果 反应物生成物 乙醛179100.9930.96=17073.24 kg醋酸 17073.24=23281.69kg 44 60 氧 170
23、73.24=6208.45kg 44 16 3CH3CHO+3O2 HCOOH+2CH3COOH+CO2+H2O 4% 计算结果见表 3-3。 表 3-3 副反应物料衡算计算结果 反应物生成物 醋酸 711.39=646.72kg 132 120 乙醛179100.9930.04=711.39 kg 甲酸 711.39=247.91kg 132 46 水 711.39=97.01kg 132 18 氧 711.39=517.37kg 44 32 CO2 711.39=237.13kg 132 44 根 据 反 应 式 衡 算 出 来 的 反 应 物 总 消 耗 量 以 及 生 成 物 总量 如
24、 下 : 反应掉的乙醛:180000.9950.993=17784.63 kg 回 流 乙 醛 乙醛 工业氮 工业氧 尾气 乙醛 回收 塔 催化剂 图 3-1 氧化塔物料衡算图 氧 化 反 应 器 7 未转化的乙醛:180000.9950.007=125.37 kg (其中液相中乙醛 125.370.66=82.74 kg;气相中乙醛 125.370.34=42.62kg) 反应掉的氧气总量:6208.45+517.37=6725.82 kg 则工业用氧总量为:=6974.68 kg 0.98498 . 0 82.6725 (其中:氧气=6974.680.98=6835.18 kg;氮气=69
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