1、 2012 届毕业生毕业论文题 目: 年产 18 万吨醋酸生产装置初步设计 2012 年 5 月 18 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；热量衡算IIIThe preliminary design of annua
2、l output of 180,000 tons of acetic acid production plant AbstractAcetic 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 range of sources of raw materials, less pol
3、lution, 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 and distillation sections to detail materi
4、al 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 balance, Heat balanceIV目录第一章 文献综述 .11.1 醋酸简介
5、 .11.2 醋酸性质 .11.3 工业现状 .11.4. 醋酸的制备 .2第二章 工艺简介 .42.1 产品品种、规格、质量指标及拟建规模 .4第三章 物料衡算 .53.1 氧化部分物料衡算 .53.2 蒸发器物料衡算 .83.3 精馏塔物料衡算 .93.4 醋酸回收塔物料衡算 .9第四章 热量衡算 .114.1 氧化塔热量衡算 .114.2 蒸发器热量衡算 .154.3 精馏段热量衡算 .16第五章 塔体设计 .185.1 精馏塔设计 .18第六章 板式塔的结构 .276.1 接管 .276.2 筒体封头和除沫器 .286.3 人孔及裙座 .286.4 塔板结构 .296.5 吊柱 .29
6、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 .307.1 主要污染源以及主要污染物 .307.2 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 .35V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 .361第一章 文献综述1.1 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 自 然 界 中 广 泛 存 在 ， 是 一 种 环 境 友 好
7、 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 1.2.1 醋 酸 的 物 理 性 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 . 6 ， 沸 点 1 1 7 . 9 ， 相 对 密 度 1 . 0 5 ，
8、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 。 1.2.2 醋 酸 的 化 学 性 质乙 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 1 m o l / L 的 醋 酸 溶 液 （ 类 似 于 家 用 醋
9、 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 工业现状据 S R I 咨 询 公 司 统 计 ， 2 0 0 6 年 全 球 醋 酸 总 生 产 能 力 达 到 1 1 . 0 9 9 M t / a ， 其 产 能 分 布
10、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 长 率 。2世 界 两 大 醋 酸 生 产 商 C l e a n e s e 和
11、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 / a ， 已 出 现 产 能 远 大 于 需 求 的 状 况 6 。1.4. 醋酸的制
12、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 在 氧 气 充 足 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
13、细 菌 反 应 的 化 学 方 程 式 为 ： C2H5OH + O2 CH 3COOH + H2O 1.4.1.2 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 7。C6H12O6 3CH 3COOH 1.4.2 人工合成法1.4.2.1 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 应 中 ， 甲 醇 和 一 氧 化 碳 反 应 生 成 乙 酸 ， 方 程 式 如 下 ：CH 3OH + CO CH 3COOH 1.4
14、.2.2 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 。 C 2H5OH + O2 CH 3COOH + H2O 31.4.2.3 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 ， 会 分 解 出 乙 酸 ： 2C 4H10 + 5O2 4CH 3COOH + 2H2O 1.4.2.4 乙烯氧化法由乙烯在催化剂（所用催化剂为氯化钯
15、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 低碳烃氧化法反应式：2C 4H10+5O2 4CH 3COOH+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 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 法 。2CH 3CH2CH2CH3 + 5O24CH 3COOH + 2H2O 1.4.2.7 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
16、 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 工艺简介2.1 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
17、 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 CH 3COOH(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 3COOOHCH3COOOH + CH3CHO 中间复合物 2CH 3COOH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
18、 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 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
19、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 物料衡算醋酸年产量为 18 万吨，选择年开工时间：8000 小时，收率按 91.7%计算，每小时醋酸产量： 22500kg/h；801.5根据总反应方程式：CH 3CHO+1/2O2CH 3COOH 确定乙醛进料量为：=17993.46kg/h。选择每小时乙醛进料量为 18000kg。917.604253.1 氧化部分物料衡算氧 化 塔 各 项
20、 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 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 %；53.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 各 副 反 应 的 转 化 率 分 配 ：主反应： CH3CHO+ O2 CH 3COOH (96%)1副反应：3CH 3CHO+3O2 HCOOH+2CH 3COOH+CO2+H2O ( 4%)(2) 氧 化 塔 物 料 衡 算 图 见 图 3 1 。
