乙醛氧化制备乙酸分离工段设计毕业设计

北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计I目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 概述 .11.1.1 乙酸的工业现状 .11.2 工艺技术的比较与选择 .21.3 原料及产品规格 .21.4 三废处理 .21.4.1 废气处理 .21.4.2 废水处理 .21.5 确定方案 .31.5.1 设计依据 .31.5.2 设计方法 .31.5.3 设计流程 .31.6 操作条件的确定 .41.6.1 塔板类型的选取 .41.6.2 进料状态 .41.6.3 加热方式的选择 .42 精馏塔的工艺计算 .52.1 物性数据 .5北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计II2.1.1 粗醋酸中各组分的物理性质 .52.1.2 醋酸水溶液气-液平衡关系表 .52.1.3 水和醋酸的安托尼常数 .5tCBAP0lg2.2 物料平衡 .62.3 氧化塔物料衡算 .62.4 蒸发器物料衡算 .92.5 精馏塔 T101 物料衡算 .102.5.1 原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔质量 .102.5.2 物料衡算 .102.5.3 塔顶，进料和塔釜温度的计算 .102.5.4 平均相对挥发度的计算 .112.5.5 最小回流比的计算和适宜回流比的确定及 .112.5.6 最小理论塔板数确定 .122.5.7 全塔理论塔板数 .122.5.8 实际塔板数和进料位置 .122.6 精馏塔 T102 的物料衡算 .132.7 醋酸回收塔物料衡算 .133 精馏塔主要尺寸计算 .153.1 精馏塔 T101 设备计算 .153.1.1 操作压强 .153.1.2 操作温度 .153.1.3 平均分子量 .15北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计III3.1.4 平均密度（参考化工原理上册附录图 7 ） .163.1.5 表面张力的计算（参考化工原理上册附录图 7 ） .183.2 精馏塔 T101 主要尺寸计算 .183.2.1 流量的计算 .183.2.2 塔径的计算 .193.2.3 塔板结构的设计 .203.2.4 塔板流体力学验算 .233.2.5 塔板负荷性能图 .273.2.5 塔的高度计算 .334 热量衡算 .364.1.数据 .364.2 冷凝器的热负荷 .364.3 冷却水消耗量 .384.4 加热器热负荷及全塔热量衡算 .385 主要设备设计和选型 .405.1 接管的设计 .405.1.1 进料管 .405.1.2 回流管 .405.1.3 釜液出口管 .405.1.4 塔顶蒸汽管 .415.1.5 加热蒸汽管 .415.2 冷凝器的选型 .42北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计IV6.结论 .43参考文献 .44附 录 .45附录 1.45（1）英文字母： .45（2）希腊字母： .45（3）下标： .46（4）上标： .46附录 2.46谢 辞 .47北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计11 绪论1.1 概述乙酸又称醋酸，分子量为 60.05。 ，是无色透明带有刺激性气味的液体，是重要的有机酸之一 。乙酸是相当弱的一种盐基酸，与多种金属能生成盐类；乙酸的水溶液一般有很强的腐蚀性，纯的乙酸电导率很低，但加入少量的硫酸后，通电流时乙酸就分解为一氧化碳，二氧化碳和氧；乙酸分子结构中的羧基和烷基，能与卤素，氨，醇等发生多种化学反应，构成了乙酸在化学工业中的广泛用途。乙酸可以用来制取乙酸乙烯，乙酸纤维素，乙酸酯类溶剂，氯乙酸和乙酸盐类等等。还可以作为织物整理剂，用于制药工业 。1我国醋酸产量不足说明我国醋酸需求增长速度较快，也说明国内醋酸工业整体水平较差，受到国外规模化装置产品的冲击日趋严重。我国不仅大量进口醋酸，而且醋酸下游产品呈现快速发展态势，为醋酸产品的发展提供了广阔的市场前景。未来 10 年间，我国醋酸需求的平均增长率达 5.7%，2006 年我国需求量达到 1450kt，2010 年需求量达到1880kt。这对我国醋酸的研究有着重大意义 。2目前国内外乙酸的生产工艺都比较成熟，本设计主要针对乙酸生产的分离工段进行研究。精馏塔设备作为汽一液和液一液之间进行传质与传热的重要设备，广泛应用于炼油、石油化工、精细化工、化肥、农药、医药、环保等行业的物系分离，涉及蒸(精)馏、吸收、解吸、汽提、萃取等化工单元操作。是化工、炼油生产装置中最重要的设备之一，塔设备的性能对于整个装置和企业的生产能力、产品质量、消耗额定以及三废和环保等各方面都有重大影响。当前工业上的大型蒸馏设备仍以板式塔为主，因为板式塔结构简单、成本低廉、易于放大而且在设计与操作方面已具备了比较成熟的经验。但板式塔与高效规整填料相比也有自身的缺点:其通量较小、压降较大、效率也较低，所以进入 90 年代以来，人们又开始寻求板式塔的新突破。欧美各国，尤其是美国的各大塔器生产商，研制、开发出大批新型塔板。这些新型塔板既克服了以前的一些缺点，同时又保留了以往普通塔板的优点，以更好适应现在对于大直径蒸馏设备大通量、高效率的要求达到相际间传质与传热的目的。当用这些新型高效塔板改造现有的筛板塔或浮阀塔时，无论是从操作性能，还是从改造费用上都显示出广泛的应用前景。因此我们可以从塔板的性能：塔板效率、处理能力、操作弹性、压降及抗堵性等几方面来研究来提高精馏塔的性能，从而优化塔设备，达到经济实用的目的。1.1.1 乙酸的工业现状近年来，世界乙酸需求年平均增长率为 6.9%，而我国年均增长率达到 10%左右。目北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计2前我国乙酸生产企业有 300 多家，2008 年生产能力约达 250 万 t/a。乙酸工业经过几十年的发展，目前乙酸工业生产方法主要有乙醛氧化法，甲醇羰基氧化法，丁烷（轻油）液相氧化法，乙烯直接氧化法。 甲醇低压液相碳化法由于原料低廉，操作条件缓和，乙酸产率高，质量好且工艺简单等优点，是近年来发展最快的方法，据统计，目前利用该工艺生产的装置占世界总产能的 60%以上，其次乙烯乙醛法约占 20%，轻烃氧化法约占 10%，其它方法约占 10% 。31.2 工艺技术的比较与选择按原料路线，乙醛氧化法分为乙醇-乙醛氧化法，乙炔-乙醛氧化法，乙烯-乙醛氧化法。乙醇-乙醛氧化法属传统方法，用该法生产 1t 乙酸耗粮食 2t，成本高，规模小，该工艺生产路线在发达国家已经被淘汰，在发展中国家仍有应用，但最终随着乙酸工艺技术的发展而取代。乙炔-乙醛氧化法因为需要使用硫酸汞作为催化剂，存在严重的汞污染，故该法在国外已经被淘汰，国内尚有 2.5 万 t/a 装置能力，已处于半停产状态，不久也将会被淘汰。乙烯-乙醛氧化法在 20 世纪 60 年代发展迅速，但因为该法所利用的自然资源限于石油，其技术经济指标不及用甲醇碳化工艺，国外利用该工艺建成的生产装置已全部停产，但在我国仍在应用，因此该方法没有得到更大发展 。4甲醇羰基化工艺，当装置规模向超大型发展时能显示其突出的经济性，一旦建厂，产量对市场的冲击性很大，在市场需求十分巨大的地区，甲醇羰基化工艺是首选目标。该工艺有高压法和低压法两种技术。本设计采用低压法甲醇羰基化工艺，该工艺以碘化铑为催化剂，工艺反应条件温和，收率高，生产成本低 。5本设计引用乙醛氧化法生产工艺。乙醛氧化法在孟山都法商业生产之前，大部分的乙酸是由乙醛氧化制得。尽管不能与甲基羰基化相比，此法仍然是第二种工业制乙酸的方法。1.3 原料及产品规格原料：乙醛乙醛含量 99.5wt% 水 含 量 0.5wt%产品规格：乙酸含量% 99wt%1.4 三废处理1.4.1 废气处理废气中主要成分为一氧化碳，可直接焚烧或通过变压吸附装置回收一氧化碳后焚烧。经处理后的废气符合国家现行排放标准。1.4.2 废水处理北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计3间歇排放的少量废水，这是设备、管道检修时的冲洗液及地面冲洗水，这些含醋酸的废水经一级中和处理后，送废水处理站，经生化处理后达到排放标准。废液量也很少，废液中含有有机组分，主要含醋酸、丙酸，可送去综合利用或送焚烧站焚烧。1.5 确定方案1.5.1 设计依据醋酸生产消耗定额见表 1-1表 1-1 消耗定额名称 单耗（每吨醋酸）乙醛氧气冷却水醋酸锰770kg260m3250m32kg本设计依据教科书实例，结合现在乙酸工业实际，提出设计要求，对通过分析做出理论计算，为工业设计人员提供理论上的设计依据。1.5.2 设计方法本设计在给定的已知条件下采用简捷计算法，设计出符合要求的筛板式连续精馏塔。1.5.3 设计流程本设计采用连续精馏，氧化液连续流入蒸发器 1，在 120 度到 125 度气化，醋酸锰和焦油状高沸物杂质则留存器底，定期清除。蒸发器 1 蒸出乙酸蒸汽，连续进入脱低沸物塔 2，该塔塔板数约 50 块，在塔内主要是将氧化液中低沸物如乙醛，甲酸，乙酸甲酯和水蒸出。塔顶装有回流冷凝器 3，自动调节冷凝器的水量。未冷凝的气体进入乙酸回收系统。塔底的乙酸含有少量的高沸物和微量的低沸物。经过调节后，以稳定的流量连续地进入脱高沸物塔。其塔顶也装有回流冷凝器 3，自动调节冷却水的水量，以控制温度。冷凝的乙酸，部分回流入塔，部分作为产品送往贮槽。该塔塔底脱出高沸点物 。1北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计4图 1-1 本设计的简易流程示意图1.6 操作条件的确定1.6.1 塔板类型的选取由于粗醋酸的腐蚀性较强，板式塔塔板更易被腐蚀，但随着化学工业不断发展，新的耐腐蚀材料不断研制成功，在醋酸生产中有的采用了板式塔。板式塔的生产能力高，在高压下，板式塔的分离效率优于填料塔，结构简单，造价低廉，易于操作。塔板的类型一般有泡罩塔，筛板塔，浮阀塔，斜孔塔等，本设计选取筛孔塔板，其结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率较高。但其也有不足的地方，筛孔易堵塞，不宜处理易结焦和粘度大的物料。1.6.2 进料状态采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，本设计采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提镏段上升蒸汽的摩尔流量相等，故精馏段和提镏段塔径相等，制造上较为方便。1.6.3 加热方式的选择间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化。上升蒸汽与回流下来的冷液进行传北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计5质，其优点是使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论塔板数。但其缺点只是增加了加热装置。本设计采用间接蒸汽加热。2 精馏塔的工艺计算2.1 物性数据2.1.1 粗醋酸中各组分的物理性质表 2-1 粗醋酸各组分的物理常数物品名称 分 子 式 分子量 沸点， 临界温度， 临界压强，Mpa醋 酸 CH 3COOH 60 118.1 321 5.786 甲 酸 HCOOH 46 100.8 乙 醛 CH 3CHO 44 20.8 188 5.573 醋酸锰 Mn(CH 3COO)2 172.94 水 H 2O 18 100 374.3 22.048 醋酸甲酯 CH 3COOCH3 74 57.1 233.8 4.691 三聚乙醛 (CH 3CHO)3 132 124.4 亚乙基二醋酸酯 CH 3CH(OCOCH3)2 146 10.8 2.1.2醋酸水溶液气-液平衡关系表 1表 2-2 醋酸水溶液气-液平衡关系表 1醋酸，分子% 醋酸，分子%液相 气相温度 t/液相 气相温度 t/05.010.020.030.040.050.003.77.013.620.528.437.4100100.3100.6101.3102.1103.2104.460.070.080.090.095.010047.057.569.888.889.0100105.8 107.5110.1118.8115.4118.1北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计62.1.3水和醋酸的安托尼常数 tCBAP0lg表 2-3 水和醋酸的安托尼常数常数 A B C水醋酸7. 074066. 424521657. 461479. 02227. 02216. 822.2 物料平衡年产 2.0 万吨/年乙酸，工作日 330 天。一年相当于 7920 小时。则每小时生产乙酸 200001000kg/7920=2525.253kg/h根据消耗定额得每小时乙醛进料量为：1000/770=2525.253/m 乙醛则 m 乙醛 =1944.445kg/h所以选择乙醛每小时进料量为 2000k