开题报告-醋酸加氢制乙醇合成工段设计.doc

毕业设计（论文）材料之二（2）本科毕业设计(论文)开题报告题目： 醋酸加氢制乙醇合成工段设计 课 题 类 型： 设计 实验研究 论文学 生 姓 名： 学 号： 专 业 班 级： 化工123学 院： 生物与化学工程学院指 导 教 师： 开 题 时 间： 2016年3月15日 2016年 3 月 15日1、 本课题的研究意义、研究现状和发展趋势（文献综述）1.1 研究意义乙醇是一种重要的化工原料和有机溶剂，广泛应用于化工、医药、农药、食品工业以及香料、化妆品等行业。同时，乙醇也是一种发展潜力巨大的燃料。 目前全球燃料乙醇产需量已超过7000万吨/年。美国、巴西在燃料乙醇应用上走在世界前列，目前已推广在汽油中以25%比例添加燃料乙醇。 计划2030年燃料乙醇产量发展到 1.8 亿吨。我国石油资源紧缺，对外依存度已逼近 60%，且汽油消费仍不断增长，预计2015年、2020年国内汽油消费量将达9700万吨和1.18 亿吨。在此背景下，发展燃料乙醇得到了我国政府的重视，2002年，我国开始推广燃料乙醇试点，按10%比例加入汽油中（E10 汽油），并提出了2015年和2020年乙醇汽油占汽油消费的比重分别达39.2%和76.3%的远景目标1。按照国家“十二五”发展规划，2020 年我国生物燃料乙醇年利用量要达到1000万吨。乙醇的生产方法主要有粮食发酵法和乙烯直接水化法。目前粮食发酵法是最主要的乙醇生产方法。该工艺面临着生产成本高、废水难处理、消耗大量粮食等诸多问题。我国已停止审批新的粮食乙醇项目，粮食乙醇面临发展瓶颈。这造成我国燃料乙醇生产近年徘徊不前，我国燃料乙醇主要有吉林燃料乙醇有限公司等5家，年生产能力 184 万吨3,4。因此，亟需新的乙醇工艺的出现来填补需求缺口。我国煤炭资源丰富，发展煤基乙醇是一种现实的选择，且一些技术已可投入工业应用，具备了技术经济上的可行性。在多种煤制乙醇工艺路线中，醋酸直接加氢制乙醇是比较有竞争能力的工艺路线，该工艺已成为国内外研究的热点。2011年我国醋酸产能突破700万吨，产量425万吨，装置平均开工率仅60%2。预计到2015年，我国醋酸产能将突破1000万吨，消费需求为 538 万吨。由于产能严重过剩，我国醋酸价格从2008年至今一直低位徘徊，亟需开发有竞争力的下游产品。醋酸直接加氢制乙醇技术为醋酸行业带来了新的机遇4。1.2研究现状1.2.1 乙醇概述 乙醇（简称ET）是一种有机物，俗称酒精，化学式为CH3CH2OH，目前工业生产方法主要有粮食发酵法和乙烯直接水化法。本次设计主要是醋酸直接加氢法完成年产20万吨乙醇的制备。首先醋酸和氢气经加热后混合气化，气态醋酸和氢气在醋酸加氢反应器内进行加氢反应，反应产物经冷却分离后，一部分气相产物返回，另一部分粗乙醇送入纯化工序，经提纯后，得到燃料乙醇产品10。1.2.2 醋酸加氢制乙醇工艺路线发展 醋酸制乙醇工艺路线可分为间接法和直接法。间接法是先将醋酸通过酯化反应生成相应的醋酸酯，再对醋酸酯加氢生成乙醇；而直接法是将醋酸直接和氢气反应一步生成乙醇。西南化工研究院是我国研发醋酸酯加氢技术的先驱， 该研究院拥有乙酸甲酯和乙酸乙酯两条工艺路线6。乙酸和甲醇先发生酯化反应生成乙酸甲酯，提纯后的乙酸甲酯经催化加氢得到甲醇和乙醇产品，粗醇经分离后得到的甲醇返回反应器，作为原料循环使用，粗乙醇经精制得到所需的乙醇产品7。目前醋酸加氢制乙醇主要有两种方法，现将两种方法进行分析比较:（a）一步法醋酸加氢制乙醇技术醋酸加氢分离乙醇氢气副产物回流图 1-1 醋酸一步法制加氢工艺示意图主反应: CH3COOH +2H2C2H5OH+H2O 43.46kJ /mol副反应: CH3COOH+CH3CH2OHCH3COOCH2CH3+H2O 1886kJ /mol通过化学方程式可以得出：理论上，生产1t乙醇需消耗1.304 t 醋酸、973 m3 氢气（标准状态）并产生391 kg 水。在实际生产中，醋酸不一定完全被消耗，而产物也不全是乙醇，会产生多种副产物。因此，醋酸直接加氢制乙醇的催化剂起着关键作用。提高醋酸转化率的同时提高产物乙醇的选择性是目前催化剂的研发需要解决的主要问题5。粗醇醋酸乙酸乙酯 乙醇氢气回流乙醇(b) 两步法醋酸加氢制乙醇技术图 1-2 醋酸两步法制加氢工艺示意图第一步: 酯化反应 CH3COOH + CH3CH2OHCH3COOCH2CH3 + H2O第二步: 酯加氢反应 CH3COOCH2CH3 + 2H22C2H5OH首先，乙酸和乙醇酯化生成乙酸乙酯，提纯后的乙酸乙酯经催化加氢生成乙醇，部分粗乙醇产品返回酯化工序作为原料循环使用，部分精制成所需的乙醇产品，其工艺流程如图1-2所示6。1.3 两种技术比较表1-1两种技术比较技术路线 一步法 两步法催化剂 铜系催化剂 贵金属催化剂加氢性能 转化率大于99%,乙醇选择性大于 92%,稳定性好 乙醇选择性91.9% ，转化率 94.4%1.4 两种技术生产成本测算两种技术生产成本测算见表 2。 表 1-2 一步法和两步法生产乙醇成本测算表名称单价一步法消耗吨乙醇两步法消耗吨乙醇一步法费用元 /吨乙醇两步法费用元 /吨乙醇氢气1.7 元 /m31015 m317251742.5-醋酸3100元/t1.34t1.4t41544340催化剂2224浓硫酸550元/t5kg2.75冷却水0.3元/t106t120t31.836电0.8元/kw90/kw280/kw72224燃料煤600元/t0.31t0.4t186240仪表空气0.2元/m325m330m356合计61696615 通过以上对比分析， 不难看出醋酸一步法直接加氢生产乙醇相比较而言在技术合理性及生产成本方面具有一定的优势7。二、毕业设计内容及研究意义乙醇（简称ET）是一种有机物，俗称酒精，化学式为CH3CH2OH，目前工业生产方法主要有粮食发酵法和乙烯直接水化法。本次设计主要是醋酸直接加氢法完成年产20万吨乙醇的制备8。首先醋酸和氢气经加热后混合气化，气态醋酸和氢气在醋酸加氢反应器内进行加氢反应， 反应产物经冷却分离后，一部分气相产物返回，另一部分粗乙醇送入纯化工序，经提纯后，得到燃料乙醇产品。三、研究方案及工作计划3.1 研究方案3.1.1 工作重点与难点醋酸直接加氢技术需要耗费较大的贵金属催化剂量，但相对能耗较低，制作流程更加顺畅，但在生产过程中需要注意下述几点问题：第一, 贵金属催化剂使用成本偏高；第二，催化剂活性和稳定性需要提供；第三，催化剂应用寿命；第四，醋酸的氢脆、高温氢腐蚀和腐蚀性现象；第四，固定床反应器的移热问题。醋酸 醋化加氢可以使用成本较低的铜基催化剂，经过醋化处理，但无醋化塔以外的任何其他材质，因而制作成本较低4。3.1.2 拟采用的途径通过以上对比分析，不难看出醋酸一步法直接加氢生产乙醇相比较而言在技术合理性及生产成本方面具有一定的优势。江苏索普（集团）有限公司是大型的醋酸生产企业，利用自身生产的质优价廉的醋酸为原料，采用Pd 基催化剂，在醋酸直接加氢制燃料乙醇工艺开发方面进行了深入的研究和探索，以下将针对醋酸直接加氢制燃料乙醇工艺进行详细介绍11。索普醋酸直接加氢工艺的流程简图如图1-1所示。首先醋酸和氢气经加热后混合气化，气态醋酸和氢气在醋酸加氢反应器内进行加氢反应，反应产物经冷却分离后，一部分气相产物返回，另一部分粗乙醇送入纯化工序，经提纯后，得到燃料乙醇产品。回流冷却分离醋酸提纯工序产品乙醇氢气混合气化醋酸加氢反应器 冷却分离图1 醋酸直接加氢制燃料乙醇工艺反应原理：CH3COOH+2H2 C2H5OH+H2O 该工艺中，每吨乙醇理论上消耗醋酸1.304 t、氢气973 m3，产生水391 kg。目前醋酸价格便宜，而且醋酸生产技术成熟，因此醋酸直接加氢生产燃料乙醇有望大型化、规模化12。3.2 工作计划第一周：参考相关文献，综合所学知识和技能，拟定毕业设计工作方案。第二周：查找并翻译相关外文文献。第三周: 在指导老师指导下，完成毕业设计（论文）开题报告。第四周：将翻译的外文文献和完成的开题报告初稿交予老师审阅，总结并修改。第五周：收集整理相关研究资料，作出毕业设计（论文）提纲。第六周：确立设计方案。第七周第十二周：完成设计方案。第十三周：修改方案，作出总结。第十四周：准备答辩有关资料。第十五周：制作答辩PPT。第十六周：答辩。第十七周：毕业。四、参考文献1李扬, 曾健, 王科, 等. 醋酸酯化合成乙醇工艺及经济性分析J. 精细化工原 料及中间体, 2011, (11): 6-10.2孙清.燃料乙醇技术讲座(二)：燃料乙醇的生产方法J. 可再生能源, 2010, 28(2): 154-156.3Johnston V J, Chapman J T, Chen L Y, et al. Ethanol production from acetic acid utilizing a cobalt catalyst P. US20110282109, 2011.4Zhou Z H, Jevtic R, Johnston V J, et al. Process for producing ethanol over catalysts containing platinum and palladiumP. US 20120209034,2012.5Johnston V. J., Chen L. Y., Kimmich B. F., et al. Direct and Selective Production of Ethanol from Acetic Acid Utilizing a Platinum/Tin CatalystP. US 7863489, 2011.6曾清湖,高雅娜.乙醇制备工艺路线研究进展J. 第十届全国工业催化技术及应 用年会论文集,2010,1(1):98-100.7高珠,苏海兰,孙淑英.乙酸加氢制乙醇技术发展与前景J. 科技前沿,2010,1(1): 27-30.8王科,李扬,范新等.乙酸醋化加氢制乙醇技术开发与经济性分析J. 化工进展, 2012,31(1):304-305.9李祝涛焦化脱酚后剩余氨水中溶剂油