1、年产 2 万吨乙酸精制工艺设计The Refining Process Design for Annual Output 20000 Tons of Acetic Acid 目录摘要 .IAbstract .II引言 .1第 1 章 文献综述 .21.1 本设计的研究意义及内容 .21.2 乙酸性质 .21.2.1 乙酸的物理性质 .21.2.2 乙酸化学性质 .31.3 乙酸的工业用途 .31.4 乙酸的生产工艺现状 .31.4.1 乙烯氧化法 .41.4.2 乙烷氧化法 .41.4.3 甲醇羰基化法 .51.5 国内外乙酸研究现况 .61.5.1 国内乙酸生产现状 .61.5.2 国外乙酸
2、生产现状 .71.6 乙酸未来发展趋向 .7第 2 章 乙酸精制工艺设计概论 .92.1 乙酸生产工艺设计 .92.1.1 概述 .92.1.2 乙酸生产设计方案 .92.1.3 甲醇羰基化法生产原理 .92.1.4 工艺流程 .102.2 乙酸 水体系精制设计 .112.2.1 概述 .112.2.2 精馏工段乙酸 水体系设计方案 .12第 3 章 工艺计算 .143.1 乙酸 水体系物料衡算 .143.1.1 基本数据及工艺要求 .143.1.2 精馏塔的物料衡算 .143.2 乙酸 水体系有关物性数据计算 .153.2.1 塔体温度计算 .153.2.2 平均摩尔质量的计算 .163.2
3、.3 平均密度的计算 .183.2.4 液相平均表面张力计算 .203.2.5 液体平均相对粘度计算 .203.3 乙酸 水体系理论塔板数求解 .213.3.1 最小回流比及操作回流比计算 .213.3.2 操作线方程计算 .223.3.3 理论板数计算 .223.4 乙酸 水体系实际塔板数计算 .233.4.1 求解全塔效率 .233.4.2 实际塔板数求取 .243.5 乙酸 水体系热量衡算 .243.5.1 基本数据 .243.5.2 再沸器的热负荷和加热蒸汽量 .263.5.3 冷凝器热负荷冷凝热量 QC 和冷却水用量 .27第 4 章 塔设计 .294.1 精馏塔简介 .294.1.
4、1 概论 .294.1.2 精馏塔选型 .304.2 精馏塔塔体工艺尺寸的设计计算 .304.2.1 塔径的计算与圆整 .304.2.2 泛点气速与喷淋密度校核 .334.3 填料高度设计计算 .354.3.1 填料层高度计算 .354.3.2 填料层的分段设计 .364.3.3 塔体压降计算 .364.3 管口设计及计算圆整 .374.4.1 塔顶气体出口装置设计 .374.4.2 塔顶回流液进口装置设计 .384.4.3 进料液进口装置设计 .384.4.4 塔釜馏出液管口装置设计 .38结论 .39致谢 .40参考文献 .41I年产 2 万吨乙酸精制工艺设计摘要：本设计以年产2万吨乙酸为
5、生产目标，由甲醇羰基化法制得乙酸的工艺方法，采用普通精馏方法对乙酸精制工段中乙酸与水分离体系进行工艺设计和设备选型。针对设计要求进行理论上的物料衡算、热量衡算，塔设备尺寸计算与选型，并对塔板直径校核验算，以达到所需要的工艺条件。通过对填料精馏塔及其辅助设备的工艺和设备设计参数的计算，确定塔径800mm，填料层高度28.8m，理论塔板总数55块，完成设计达到质量含量为99.88%的乙酸。从而获得到乙酸与水体系精馏过程中对实际生产具有指导意义的参数。改变了国内精制对苯二甲酸生产中溶剂脱水塔一直达不到工艺指标要求而造成的乙酸浪费，环境污染等问题。关键词：乙酸 甲醇 羰基化 普通精馏 填料塔IIThe
6、 Refining Process Design for Annual Output 20000 Tons of Acetic Acid Abstract：The design is aim at producing an annual production target of 20,000 tons acetic acid, So I use the carbonylation of methanol to finish acetic acid process and use distillation method to finish process design and equipment
7、 selection of acetic acid and water purification section in the separation system. According to the design requirements, I carried on the theoretical material balance and energy balance, and calculated equipment size and selection of tower. Then, I checked the diameter of plate for achieving the des
8、ired process conditions. For the distillation tower and auxiliary equipment, I calculated the process and equipment design parameters. I make sure that the diameter of tower is 800mm, and the height of filling layer is 28.8m, and theoretical plate number is 55, and complete the design of acetic acid
9、 with the quality of 99.88% . From all of them, the dates what I got from the distillation of acetic acid and water have instructive significance. They can change the situation that solvent dehydration tower is not up to process requirements in the production of the purified terephthalic acid in our
10、 country, and change the waste of acetic acid , environmental pollution and other issues.Keywords：acetic acid methanol carbonylation general distillation filled tower 1引言本文旨在设计为年产2万吨乙酸精制工艺设计。乙酸作为一种应用广泛的重要化工原料,主要被用于合成乙酸乙烯酯的(VAM)、乙酸酐的原料以及生产对苯二甲酸 (PTA)的溶剂等。乙酸可由以乙醛、甲醇、乙烯、乙烷，以及丁烷(或轻油)为原料制的。20世纪70年代BP 公司利
11、用孟山都(Monsanto)技术成功开发孟山都 /BP工艺。该工艺已成为羰基合成乙酸的主导工艺技术，采用铑基均相络合为主催化剂、碘化物为助催化剂，反应活性高，以甲醇计乙酸的收率为99%,以CO计为85%。由于该工艺的反应条件为150-200 、3-6MPa，故此法常被称为低压法甲醇合成乙酸。但是孟山都(Monsanto) 工艺也存在一些固有的缺点:主催化剂金属铑价格昂贵；Rh(I)催化剂不稳定,在CO 不足时易被氧化为Rh()而从体系中沉淀出RhI 3；反应体系中存在大量的水会造成产物分离的困难和投资的增加；碘化物的存在会造成严重的设备腐蚀。针对这些不足的改进研究工作一直没有中断,其中主要是对
12、催化剂的改进优化。本文设计以孟山都(Monsanto )工艺为基础，采用催化剂优化工艺 酚醛树脂基活性炭(PHAC)负载镍代替传统铑催化剂作为主催化剂、碘甲烷为助催化剂，镍作为一种廉价金属对甲醇羰基化合成乙酸有较高的活性，在搅拌式反应器中催化甲醇羰基化合成乙酸的反应，同时用普通精馏的方法精制乙酸，完成年产2万吨乙酸精制工艺设计，使目的产品达到99.88%(w%)。2第 1 章 文献综述1.1 本设计的研究意义及内容对苯二甲酸(PTA)是生产聚酯的主要原料，聚酯工业的高速发展使得PTA的需求越来越大，由于国内PTA的生产大都是从国外引进的专利技术，中国石化总公司把 PTA国产化技术的研究作为“十
13、五”攻关课题，乙酸精制工艺设计作为PTA国产化生产技术的重要一部分，对开发具有自主知识产权的分离技术具有极其重要的意义。随着扬子石化公司化工厂PTA 装置高负荷运行，已不能满足PTA60万/a 生产的需要，溶剂脱水塔一直达不到工艺指标要求，塔顶馏出物含乙酸在0.6%1.1% ，塔顶出水乙酸不达标不仅造成乙酸浪费，且对环境造成污染。针对乙酸精制工艺设计过程存在的一些问题，本文拟在乙酸合成工段工艺优劣比较，选取适当的合成工艺，乙酸精制工段工艺设计等方面进行研究，以期为现有的普通精馏提供优化操作参数，主要研究内容如下：一. 总结国内外乙酸生产工艺现状及未来发展趋势，分析研究现有工艺的优点及存在的问题
14、，为本设计提出合适生产工艺方案提供有力的参考依据。二. 针对本设计题目为“年产2万吨乙酸精制工艺设计” ，选择合适的乙酸生产工艺方案，为后面精制工艺计算及塔体设计提供依据。三. 本设计工艺计算着重对精制工艺中中乙酸水体系进行普通精馏过程计算，包括物料衡算和能量衡算，其中包括：进出料温度、进出料浓度、回流比、理论板、实际板、进料位置和进出能量计算，从而获得到对乙酸精制设计中乙酸水体系精馏过程实际生产具有指导意义的参数。四. 利用普通精馏工艺计算的基石，选择合适精馏塔类型，进行塔体尺寸的计算，以及主要塔内件及辅助设备的选型及计算。五. 对本设计过程存在的问题进行讨论研究，以期得到乙酸精制工艺设计的
15、优化。1.2 乙酸性质1.2.1 乙酸的物理性质乙酸，又称醋酸(acetic acid)、冰醋酸(glacial acetic acid)，分子式为CH 3COOH(常简写成HAC)，无色透明液体，有刺激性气味，相对密度1.0492，熔点16.635，沸点117.9，折射率 1.3716，闪点 57，自然点465，粘度11.83mpa*s ,与水、乙醇、乙醚和苯混溶，不溶于二硫化碳。是典型的脂肪酸，被公认为食醋内酸味及刺激性味的主要来3源。纯无水乙酸(冰乙酸) 是无色的吸湿性液体，凝固后是无色固体。尽管乙酸在水溶液中的理解能力弱，是一个弱酸，但乙酸是具有腐蚀性的，其蒸气对眼和鼻都有刺激性作用。
16、乙酸是一种简单的羧酸，是一种重要的化学试剂 1。1.2.2 乙酸化学性质乙酸中的羰基碳与氧原子相连，因此,O 与 C=O 之间存在 p 共轭效应，导致 CO 键极性增大，而呈现酸性；CO 键为极性键，故OH 可被其他基团取代而发生取代反应；由于羧基的吸电子作用，导致烃基上的 H 原子可被其他原子或原子团取代生成取代酸 2。乙酸和成盐反应乙酸在水溶液中离解出氢离子而显酸性，具有酸的一般性质。乙酸能与强碱、碳酸盐、金属氧化物反应，生成盐和水。生成羧酸衍生物乙酸羧基中的羟基可以被卤素、酰氧基、烃氧基、氨基取代，分别得到酰氯、酸酐、酯、酰胺。脱羧反应在特定条件下，乙酸分子脱去羧基，放出二氧化碳。还原反
17、应再强还原剂氧化铝锂的作用下可将还原成伯醇。H的氯代反应在P、S、I 2或光照的催化下可被Cl 2、Br 2逐步取代。1.3 乙酸的工业用途乙酸是一种重要的基本有机化工原料，主要用来制取醋酸乙烯单体(VCM)、醋酸纤维、醋酐、精对苯二甲酸（PTA）、氯乙酸、聚乙烯醇、醋酸酯及金属醋酸盐等。醋酸也被用来制造电影胶片所需要的醋酸纤维素和木材所用胶粘剂中的 聚乙酸乙烯酯，以及很多合成纤维和织物。在染料、农药、医药及粘合剂、有机溶剂等方面有着广泛的用途，是近几年来发展较快的重要的有机化工产品之一。工业上合成乙酸的原料最初是粮食，然后转向矿石、木材、石油、煤炭、天然气。现在主要工艺方法采用的原料是石油和
18、煤炭 3。1.4 乙酸的生产工艺现状现已工业化的乙酸生产技术主要有：乙烯氧化法、乙烷氧化法、甲醇羰基化法。其4中，甲醇羰基化法是应用最广泛的技术，占全球总产能的60%以上，而且这种趋势还在不断增长 4。1.4.1 乙烯氧化法乙烯氧化法 乙烯氧化法分两步反应完成，依稀在催化剂作用下，在温度为100150、压力0.3MPa的条件下反应生成乙醛；乙醛在醋酸锰催化剂作用下，与纯氧、富氧或空气在液相条件下氧化成乙酸，该工艺简单，技术成熟，成本较低等特点，是60年代最主要的生产方法 5。本工艺涉及的主反应：CHO2+CH2323乙烯直接氧化乙烯直接氧化工艺是由昭和电工公司开发的一步法气相工艺(Showa
19、Denko工艺)并于1997年实现工业化该工艺由于所用投资费用相对缩减( 不需要生产一氧化碳所需基本施) ，因此，对于生产生产能力较小的乙酸装置，颇具经济性 6。该工艺是在负载型鈀催化剂作用下，乙烯与氧气的混合气于160210下高选择性的制备乙酸。在已报道的反应条件下，乙酸、乙醛和二氧化碳的单程选择性分别为85.5%、 8.9%、5.2% 。因此，反应过程中生成大量的水，故乙酸提纯是一个能耗很高的过程。为解决这一问题，昭和公司开发了一种萃取与精馏相结合的节能工艺，使水从乙酸中有效的分离出去。昭和公司称，该工艺只产生少量的废水，是一种环境友好的工艺。本工艺涉及的反应：主反应 COH2+HC22副反应 32 3221.4.2 乙烷氧化法乙烷气相催化氧化工艺(SABIC工艺)是由SABIC公司开发的。按照SABIC专利，乙烷与纯氧或空气在150450 、0.15.0MPa下发生氧化反应生成乙酸，副产物有一氧化碳、二氧化碳和乙烯 7。该工艺使用的催化剂由Mo、V、Nb、Pd氧化物的混合物焙烧制得，催化剂有助于减少副反应。当以乙烷、氧气为原料时，乙酸的选择性为71%，乙烷与氧气的单程转化率分
