年产30万吨乙酸乙酯的工艺设计

年产 30 万吨乙酸乙酯的工艺设计 摘摘 要要 乙酸乙酯是重要的精细化工原料 它是一种具有优异溶解性能和快干性能的 溶剂 已广泛应用于生产中 目前 乙酸乙酯的工业生产方法已趋于成熟 而乙 醛缩合法因其具有原料来源广泛 绿色 环保等优点在众多生产方法中脱颖而出 最具发展前景 本设计采用乙醛缩合法 对工艺中的主要设备进行物料与能量衡算 并对乙 酸乙酯的精馏塔 反应器进行了设计选型 根据设计要求对设备进行选型 就脱 乙醇塔而言 塔体压力为常压 回流比取 3 操作条件 XD 99 XW 0 01 计 算出塔板数为 46 块 塔高 22 4m 对塔体的主要尺寸设计 精馏段 算得堰长为 0 72m 出口堰高为 0 045m 堰宽为 0 106m 降液管底隙高度为 0 028m 提馏段 算得堰长为 1 2 出口堰高为 0 049m 堰宽为 0 176m 降液管底隙高度为 0 027m 对于反应器选择连续型搅拌反应釜 算得筒体高度 4 8m 筒体和封头直 径 3m 内筒筒体厚度为 10mm 设计中 首先根据工艺操作的要求和特点 参照 相关工艺的资料 绘制工艺流程图 然后根据工艺计算结构设计的最终数据画出 主要设备图 设计满足安全生产要求 而且经济合理 关键词关键词 乙酸乙酯 乙醛缩合法 物料衡算 精馏塔 工艺流程图 PRODUCTION DESIGN WITH AN ANNUAL OUTPUT OF 300 THOUSANDS TONS OF ETHYL ACETATE ABSTRACT Ethyl acetate is an important fine chemical raw material It is a kind of excellent solubility and fast drying solvent has been widely used in production At present the industrial production of ethyl acetate have been more and more mature and the condensation of acetaldehyde because of its wide raw material sources green environmental protection and other advantages stand out from many production methods in the most development prospect The condensation of acetaldehyde had been used in the design material and energy balance calculation of the main process equipment and distillation tower reactor for ethyl acetate were design selection According to the design requirements we selected the suitable equipment As far as alcohol tower the tower body was at atmospheric pressure reflux ratio was 3 the operating conditions XD 99 XW 0 01 We could calculate that the plate number was 46 the height of the tower was 22 4m The main dimensions design of tower body rectifying section the length of the weir was 0 72m the outlet height of the weir was 0 045m the width was 0 106m the down comer height of the bottom clearance was 0 028m stripping section the length of weir was 1 2mr the outlet height of the weir was 0 049m the width was 0 176m the down comer height of the bottom clearance was 0 027m The reactor was selected continuous stirred tank reactor the height of cylinder was 4 8m by calculation the diameter of cylinder and head was 3m the thickness of the inner cylinder was 10mm In the design according to the process requirements and characteristics reference to the related process data we could draw a process flow diagram then according to the process of structure design and calculation of the final data to draw the main equipment The design satisfied the requirement of safe production and reasonable in economy KEY WORDS ethyl acetate acetaldehyde material balance distillation process flow diagram 符号说明 符号意义单位 A 传热面积 m2 Af 弓形降液管面积 m2 AT 塔截面积 m2 C 气体负荷系数 m s CP 定压比热容 kJ kg D 精馏塔直径 m d0 阀孔直径 m E 液流收缩系数 ET 全塔效率 ev 雾沫夹带量kg 液 kg 气 F 原料液流量 kmol h H 塔高 m HB 塔底空间高度 m HD 塔顶空间高度 m Hd 降液管内清液层高度 m HF 进料板处高度 m hc 干板阻力m 液柱 hl 板上充气液层阻力m 液柱 hp 气相通过浮阀塔板的压降m 液柱 hw 出口堰高 m how 堰上液层高度 m K0 传热系数 W m2 L 精馏塔液相流量 kmol h lw 堰长 m MA A 物质的分子量 N 实际塔板数块 P 操作压力 KPa Pp 单层塔板压降 Pa t 物料温度 m t 平均温度差 u 速度 m s V 精馏塔气相流量 kmol h Wd 弓形降液管宽度 m Ws 破沫区宽度 m d x 馏出液中易挥发组分摩尔分数 f x 原料液中易挥发组分摩尔分数 W x 釜残液中易挥发组分摩尔分数 相对挥发度 液体在降液管中停留时间 s L 液相密度 kg m3 v 气相密度 kg m3 t 孔心距 m l 粘度Pa s 目 录 摘摘 要要 I 前前 言言 1 第第 1 1 章章 工艺流程的确定工艺流程的确定 8 1 1 本课题设计的内容和要求 8 1 1 1 设计要求 8 1 1 2 具体设计内容 8 1 2 设计方案的确定 8 1 2 1 设计原理 9 1 2 2 工艺流程 10 第第 2 2 章章 物料衡算物料衡算 12 2 1 数据采集 12 2 1 1 全流程的工艺数据 12 2 1 2 催化剂的配方 12 2 1 3 操作条件 12 2 1 4 原料和产品的控制指标 13 2 2 一步缩合反应釜的物料衡算 14 2 3 二步缩合反应釜的物料衡算 15 2 4 单效蒸发器的物料衡算 16 2 5 脱乙醛塔的物料衡算 18 2 6 脱乙醇塔的物料衡算 19 2 7 脱重组分塔物料衡算 20 第第 3 3 章章 热量衡算热量衡算 22 3 1 基本数据 22 3 2 一步缩合反应釜的热量衡算 23 3 3 二步缩合釜热量衡算 24 3 4 单效蒸发器的热量衡算 25 3 5 冷凝器的热量衡算 26 3 6 脱乙醛塔的热量衡算 27 3 6 1 再沸器的热负荷 27 3 6 2 冷凝器的冷凝量 28 3 7 脱乙醇塔的热量衡算 28 3 7 1 再沸器的热负荷 28 3 7 2 冷凝器的冷凝量 29 3 8 脱重组分精馏塔的热量衡算 29 3 8 1 再沸器的热负荷 29 3 8 2 冷凝器的冷凝量 30 第第 4 4 章章 设备选型及车间布置经济核算设备选型及车间布置经济核算 31 4 1 缩合釜的设计 31 4 1 1 缩合釜体的设计 31 4 1 2 搅拌装置的设计 33 4 2 单效蒸发器的设计与选型 34 4 2 1 蒸发器的选择理由 34 4 2 2 蒸发器计算与设计 34 4 3 脱乙醛塔的设计与计算 37 4 3 1 基础数据 37 4 3 2 塔径的确定 41 4 3 3 塔板结构设计 41 4 3 4 塔板布置 43 4 3 5 流体力学验算 44 4 3 6 塔高的确定 47 4 4 脱乙醇塔的设计 48 4 4 1 基础数据 48 4 4 2 塔径的确定 51 4 4 3 塔板结构设计 52 4 4 4 塔板布置 54 4 4 5 流体力学验算 55 4 4 6 塔高的确定 57 4 5 脱重组分塔的选型与计算 58 4 5 1 相关计算 58 4 5 2 塔体结构 59 4 6 辅助设备的选型 60 4 6 1 泵的选型 60 4 6 2 再沸器的选型 60 4 6 3 冷凝器选型 61 4 6 4 工艺设备一览表 62 4 7 车间布置的基本原则和要求 62 4 7 1 车间布置的基本原则 62 4 7 2 车间布置的要求 63 4 8 本设计的生产车间布置 66 4 9 建设项目投资 66 4 9 1 固定资产投资估算 67 4 9 2 建设期贷款利息 68 4 9 3 流动资金估算 68 4 10 生产成本估算 68 4 10 1 直接材料费 68 4 10 2 生产人员工资及福利 68 4 10 3 制造费用 69 4 11 经济效益 69 4 12 投资回收年限 70 4 13 核算总结 70 第第 5 5 章章 总结总结 71 5 1 乙酸乙酯的生产流程 71 5 2 生产设备设计 71 参参 考考 文文 献献 72 致致 谢谢 74 附录附录 75 外文资料译文及原文外文资料译文及原文 76 前 言 乙酸乙酯 EA 又名醋酸乙酯 英文名称 Ethyl acetate 分子式为 C2H8O4 它是一种无色透明具有流动性并且是易挥发的可燃性液体 1 呈强烈 清凉菠萝香气和葡萄酒香味 乙酸乙酯能很好的溶于乙醇 氯仿 乙醚 甘油 丙二醇 和大多数非挥发性油等有机溶剂中 稍溶于水 25 时 1mL 乙酸乙酯 可溶于 10mL 水中 而且在碱性溶液中易水解成乙酸和乙醇 水分能使其缓慢 分解而呈酸性 乙酸乙酯与水和乙醇皆能形成二元共沸混合物 与水形成的共 沸混合物沸点为 70 4 其中含水量为 6 1 质量分数 与乙醇形成的共沸混 合物的沸点为 71 8 还与 7 8 的水和 9 0 的乙醇形成三元共沸混合物 其 沸点为 70 2 下表为乙酸乙酯的一些物化参数 表 1 乙酸乙酯的物化参数 2 熔点 83 6 临界温度 250 1 折光率 20 1 3708 1 3730 临界压力 MPa 3 83 沸点 77 06 辛醇 水分配系数的 对数 值 0 73 对密度 水 1 0 894 0 898 闪点 7 2 相对蒸气密度 空气 1 3 04 引燃温度 426 饱和蒸气压 kPa 13 33 27 爆炸上限 V V 11 5 燃烧热 kJ mol 2244 2 爆炸下限 V V 2 0 室温下的分子偶极距 6 555 10 30 一 乙酸乙酯的用途 乙酸乙酯是重要的精细化工原料 是醋酸的一种重要的中下游产品 它是 一种具有优异溶解性能和快干性能的溶剂 已广泛应用于化工 医药 纺织 染料 橡胶 涂料 油墨 胶粘剂的生产中 或作为原料 或作为工艺溶剂 萃取剂 稀释剂等等 由于它具有天然水果香味 因此还可作为调香剂组分 应用于香 料 食品工业中 也可作为粘合剂用于印刷油墨 人造珍珠等的生产 作为提 取剂用于医药 有机酸的产品的生产等 此外还可用作生产菠萝 香蕉 草莓 等水果香精和威士忌 奶油等香料的原料 二 乙酸乙酯的产量及消费情况 国外乙酸乙酯的消费结构与我国有所不同 美国和欧洲国家乙酸乙酯最大 的应用领域是涂料 其中美国涂料方面的消费量约占总消费量的 60 欧洲在 涂料行业的消费量约占总消费量的 50 日本主要应用在涂料 油墨方面 分 别约占总消费量的 40 和 30 而我国主要应用于涂料 粘合剂和制药领域 3 近年来 世界乙酸乙酯的生产能力不断增加 2001 年全球乙酸乙酯的生产 能力只有 125 0 万吨 年 2006 年生产能力增加到 222 0 万吨 年 2001 2006 年 生产能力的年均增长率高达 12 2 其中英国 BP 化学公司是目前世界上最大的 乙酸乙酯生产厂家 生产能力为 22 0 万吨 年 约占世界总生产能力的 9 91 其次是中国江苏索普集团公司 生产能力为 20 0 万吨 年 约占 9 01 在涂料方面 乙酸乙酯涂料被水性和高固相含量涂料 粉末涂料和双组分 涂料夺取了市场额 乙酸乙酯市场仍然保持持续增长 东南亚地区开始成为全 球最重要的乙酸乙酯的产地和消费地 大部分投资于乙酸乙酯的资金开始将目 标投向乙酸乙酯需求量增长迅速的亚洲和中国 三 我国乙酸乙酯的产量及消费情况 我国乙酸乙酯的生产始于 20 世纪 50 年代 近年来 随着我国化学工业和 医药工业的快速发展 乙酸乙酯的生产发展很快 生产能力已经从 2001 年的 37 0 万吨 年增加到 2006 年的约 90 0 万吨 年 目前 我国乙酸乙酯的生产厂家 有 20 多家 生产企业主要集中在华南和华东地区 其中国内最大的乙酸乙酯生 产企业江苏索普集团产能达到 20 0 万吨 年 约占国内总生产能力的 22 2 与 乙酸产品实现了上下游一体化 产品竞争力较强 80 的乙酸乙酯用于出口 其次是山东金沂蒙集团公司 生产能力为 16 0 万吨 年 约占国内总生产能力的 13 3 随着生产能力的不断增加 我国乙酸乙酯的产量也不断增加 4 2001 年我 国乙酸乙酯的产量只有 17 9 万吨 2006 年进一步增加到 63 0 万吨 比 2005 年 增长约 22 19 2001 2006 年产量的平均增长率高达 15 09 截止到 2009 年 10 月底 我国乙酸乙酯生产能力达到约 150 0 万吨 年 目前 国内乙酸乙酯主要消费地区集中在华东 中南 华北 东北地区 产品主要用于生产涂料 制药和粘合剂 我国乙酸乙酯的总需求量已达 150 万 吨 年 供大于求 届时消费结构将有所变化 其中在制药和粘合剂行业消费的 比例将会有所下降 随着新型高档涂料的不断发展 预计涂料行业对乙酸乙酯 的需求量将会有较大幅度的增加 随着油墨方面的需求量也将有所上升 四 主要生产工艺 目前 乙酸乙酯的工业生产方法主要有醋酸酯化法 乙醛缩合法 乙醇脱 氢法和醋酸 乙烯加成法 4 种 传统的醋酸酯化法工艺在国外被逐步淘汰 而大 规模生产装置主要采用乙醛缩合法 乙醇脱氢法和醋酸 乙烯加成法 其中新建 装置多采用醋酸 乙烯加成法 我国的乙酸乙酯则主要采用醋酸酯化法进行生产 6 1 醋酸酯化法 醋酸酯化法是乙酸乙酯最常见的生产方法 是在催化剂 通常为硫酸 存 在下 醋酸和乙醇发生酯化反应生成乙酸乙酯 该方法适用于拥有大量低成本 乙醇的地区 传统的酯化法生产工艺技术成熟 原料供应充足 生产工艺简单 投资少 在世界范围内 尤其是在美国和西欧地区被广泛采用 由于酯化反应 可逆 转化率只有约 67 为增加转化率 一般采用乙醇过量的方法 并在反 应过程中不断分离出生成的水 CH3COOH CH3CH2OHCH3COOC2H5 H2O 根据生产需要 既可采取间歇生产 也可采取连续式生产 由于浓硫酸有酸性强 吸水性强 性能稳定 价廉等优点 而且溶于反应 物料中 是均相催化反应 反应均匀 因而在全塔内都能进行催化反应 催化 作用不受塔内温度限制 反应机理清楚 容易实现控制 这些优点可以使反应 精馏生产装置大型化 该法存在反应温度高 乙酸利用率低 易发生副反应 产品处理困难 催化剂对设备腐蚀性强 废液污染环境以及生产成本高等缺点 2 乙醛缩合法 醛类在醇盐的催化作用下 可进行自身缩合为酯类 7 如在乙醇铝的参与 下 两分子的乙醛重排成一分子的乙酸乙酯 CH3CHO CH3COOC2H5 2 乙醇铝会在反应过程中被破坏 因此为使反应连续进行 须配备足够的催 化剂来维持反应的进行 在低温反应条件下 乙酸乙酯的收率可达 98 乙醛缩合法具有反应条件温和 原料消耗少 工艺简单 设备腐蚀小等特 点 因而此工艺在生产成本方面具有突出优势 同时又有较好的环境效益 发 达国家多采用这种工艺 此种工艺受原料的限制较大 适合于乙醛原料来源广泛的地区 原料乙醛 一是石油路线 二是生物发酵路线 近年来 随着石油资源的逐渐减少 石油 价格逐渐上升 生物资源作为一种新型 绿色 可持续能源 其前景会更加广 阔 加之此种工艺的高转化率和高选择性 相对于其它工艺方法的优势地位更 加明显 3 乙醇脱氢歧化法 乙醇脱氢歧化法有三个基本步骤 8 在第一反应器中 乙醇脱氢生产乙醛 再进一步反应生成粗乙酸乙酯 固定床反应器装填了一种改进的铜基催化剂 反应在适中的压力和 200 250 温度下进行 催化剂每六个月在装置内再生一 次 其总寿命不短于 1 年 从第一反应器中产生的氢气经一个简单的分离器收集 部分氢气送第二反 应器进行选择性加氢反应 在该固定床绝热反应器中 装填着一种能有效地将 乙醛和在粗乙酸乙酯混乱合物中的其它羰基组分转换为当量乙醇 而又不影响 乙酸乙酯收率的催化剂 反应器操作温度不超过 150 操作压力与第一反应 器基本一致 催化剂寿命在 1 年以上 送至最后精馏工序的产品蒸汽中含有大 量的共沸组份 通过采用高低不同的双压力精馏系统 最有效地去除共沸物组 份 以及最大限度地回收到高纯度 99 8 以上 乙酸乙酯 3 醋酸 乙烯加成法 醋酸 乙烯加成法是一种直接用乙烯和醋酸工业化生产乙酸乙酯的新工艺 反 应系统由 3 个串联反应塔组成 反应塔中装填磷钨钼酸催化剂 担载于球状二氧 化硅 反应塔设置了中间冷却 反应温度维持在 140 180 反应塔压力控制 在 0 44 1 0MPa 反应在担载于金属载体上的杂多酸或杂多酸盐催化下于气相或 液相中进行 在水蒸气存在条件下 乙烯将发生水合反应生成乙醇 然后生成 的乙醇又继续与醋酸发生酯化反应生成乙酸乙酯产物 而且 逆向的乙酸乙酯 水解生成乙醇或乙酸的反应也可能发生 该工艺醋酸的单程转化率为 66 以 乙烯计 酸酸乙酯的选择性约为 94 与传统的乙酸酯化法或乙醛缩合法相比 该方法产率高 原料损耗降低了 35 能耗降低了约 20 装置容易进行扩能 改造 且乙酸乙酯产品质量高 纯度易于控制 因此是近年来的研究开发热点 但该工艺的缺点是装置必须设置在乙烯装置的附近 五 工艺改进 针对以上四种乙酸乙酯生产工艺的对比 可看出每种工艺都有他的不足之 处 对于部分工艺存在的问题 国内国外的学者进行了相关的改进 包括催化 剂的改进 精馏系统的改进和回收系统的改进 1 酯化法中催化剂的改进和精馏系统的改进 催化剂的改进 采用超强固体酸 将原来的催化剂改为 SO42 ZrO2或 SO42 Zr OH 4催化剂 11 在此催化剂制备中引入 H2SO4 使 ZrO2产生酸中心而对酯化反应产生催化 作用 熔烧温度和熔烧时间影响 SO42 ZrO2或 SO42 Zr OH 4的催化活性 最佳 熔烧温度和熔烧时间分别为 550 和 3h 催化剂经再活化可重复使用 对乙酸 乙醇的催化酯化反应的选择性为 100 酯化率为 84 另外 SO42 MnOm型超 强固体酸制备方法简单 使用温度较高 易同产物分离及易再生 不易腐蚀设 备等优点 其它的一些催化剂的改进还有用磷改性 HZSM 5 沸石分子筛为催化 剂 用全氟磺酸树脂作催化剂 用 HZSM 5 分子筛 铌酸等作为催化剂 12 精馏系统的改进 传统的精馏工艺中由于存在水 乙醇 乙酸乙酯的共沸 导致回流酯的带水 能力很差 导致酯化塔和回流塔的回流比过大 结果使乙酸乙酯的生产能耗很 高 在新工艺中 通过添加促进剂萃取精馏提纯 13 即向乙酸乙酯 水及乙酸 乙酯 乙醇 水体系中添加促进剂 可以改变它们的互溶度 使乙酸乙酯 水得 到较好的分离 同时使水相中乙酸乙酯的含量大大降低 减少其回收能耗 其 它的方法还有加饱和盐水萃取脱水精制 采用有机溶剂萃取分离和添加恒沸蒸 馏分离等 2 乙醛缩合法中的工艺改进 水与乙醇平衡的工艺优化 原三塔串联精馏工序中会出现以下问题 1 粗乙酸乙酯中含水量达到 0 03 的标准 2 二塔回收的乙醇含水量高 而不能作为催化剂制备的原料 3 含水量不能有效的控制而导致催化剂不能稳定的被破坏 间接导致乙酸乙 酯产品的质量 为此国内学者通过对工艺的改进解决了以上存在的问题 解决 办法 将原一塔的加压操作改为常压操作 在原催化剂破坏系统中加入足量的 蒸馏水 以达到催化剂的充分破坏 在一塔塔顶采出乙醇 乙酸乙酯 乙醛 水来达到脱除水和乙醛的目的 采出的顶液加入适量的水作为催化剂破坏液 通过改进工艺 二塔和三塔的含水率达到控制 成品乙酸乙酯的含水量也下降 到 0 01 15 乙醇回收工艺的优化 在原工艺中 乙醛虽在一塔被大量脱除 但仍有少量乙醛进入二塔和三塔 导致乙酸乙酯产品含有过量的乙醛 在改进的工艺中 16 一塔采用侧线出料 并在一塔顶部通过使顶液全部回流及调节回流罐液位来富集乙醛 然后采取不 定期采出顶液的方法来达到回收高质量分数的乙醛的目的 而且 降低了乙醛 的单耗 减少了乙醛的挥发 并能使产品中的乙醛含量降低 表 2 几种方法的比较 工艺方法优点缺点 酯化法 浓硫酸有酸性强 吸水性强 性能稳定 价廉等优点 而且溶于反应物料中 是均 相催化反应 反应均匀 因而在全塔内都 能进行催化反应 催化作用不受塔内温度 限制 反应机理清楚 容易实现最优控制 设备腐蚀性大 浓硫酸易引起 磺化 炭化和聚合等的副反应 产品纯度低 后处理过程复杂 三废量大 乙醛缩合法 反应条件温和 原料消耗少 工艺简单 设备腐蚀小 国外工艺成熟 国内也取得 重大进展 必须在乙醛的来源广泛区 催 化剂处理上存在一定污染 乙醇脱氢法 原料利用上也较为的经济 可以副产氢气 没有腐蚀性 催化剂选择性较差 分离工段 塔多 因而能耗比传统工艺还 高 工艺不成熟 乙烯乙酸加成法反应有较高的选择性和转化率 适合乙烯来源广的地区 乙烯 价格上涨后 不利 工艺不成 熟 高沸点残液回收的工艺优化 原工艺中三塔塔釜得到的重组分残液中除含有乙酸乙酯外 还含有缩合反 应中产生的副产物 乙缩醛 另外还有原来中带来的巴豆醛 三聚乙醛和乙酸等 高沸物 该残液通常采用焚烧的方法来处理 该处理方法既浪费原料 而且焚 烧残液会给环境带来污染 国内学者通过向残液中加入水和适当的催化剂 17 并在加热的条件下使乙缩醛分解生成乙醇和乙醛 此时将残液中得到的乙醇 乙醛和乙酸乙酯回收再利用 不仅降低了乙醛和乙醇原料的单耗 而且有效的 减少了环境的污染 六 本课题研究的内容和意义 乙酸乙酯是一种重要的基本有机化工原料 其生产方法有直接酯化法和间 接酯化法 该产品在酯化工艺中为最基础 也是最重要的酯化产品 研究并设 计其生产工艺具有很重要的意义 乙酸乙酯是用途广泛的重要化工产品 其主要用途有 作为工业溶剂 用 于涂料 粘合剂 乙基纤维素 人造革 油毡着色剂 人造纤维等产品中 作 为粘合剂 用于印刷油墨 人造珍珠的生产 作为提取剂 用于医药 有机酸 等产品的生产 作为香料原料 用于菠萝 香蕉 草莓等水果香精和威士忌 奶油等香料的主要原料 用作溶剂 及用于染料和一些医药中间体的合成 是 食用香精中用量较大的合成香料之一 大量用于调配香蕉 梨 桃 菠萝 葡 萄等香型食用香精 是硝酸纤维素 乙基纤维素 乙酸纤维素和氯丁橡胶的快 干溶剂 也是工业上使用的低毒性溶剂 还可用作纺织工业的清洗剂和天然香 料的萃取剂 也是制药工业和有机合成的重要原料 近些年来 随着世界经济的持续稳定增长 建筑 汽车等行业的迅速发展 采用高档溶剂生产涂料 油墨 粘合剂等产品已成大势所趋 进一步带动了乙 酸乙酯溶剂需求的快速增长 虽然目前在国内乙酸乙酯的供大于求 但世界上 乙酸乙酯的消耗主要集中在东南亚地区 从亚洲这个范围来说 乙酸乙酯还是 处于供不应求地区 其次 国内约有 65 以上的乙酸乙酯生产厂家是采用酯化 法生产乙酸乙酯 生产技术较国外相对落后 同时针对一些缺乏市场竞争力的 工艺落后的小型装置进行淘汰 因此 本课题采用乙醛缩合法设计一套年产 30 万吨乙酸乙酯且具有先进 可行 经济效益高的生产方案 不仅弥补亚洲对乙酸乙酯消耗的空缺 对提高 国内乙酸乙酯在世界市场中的竞争力以及对提升我国整体技术水平是有很重要 的意义 第 1 章 工艺流程的确定 1 1 本课题设计的内容和要求 1 1 1 设计要求 乙酸乙酯是一种重要的基本有机化工原料 其生产方法有直接酯化法和间 接酯化法 该产品在酯化工艺中为最基础 也是最重要的酯化产品 研究并设 计其生产工艺具有很重要的意义 1 1 2 具体设计内容 1 查阅文献 了解该产品的性质 性能 合成 应用等 选择合理的生 产原料和制备工艺 采用先进的生产设备和控制手段 编制开题报告 工艺流程 方框图 开题报告 2 根据原料 产品和生产规模 绘制工艺流程草图 进行物料衡算和热 量衡算 物料平衡图 原料消耗 能量消耗综合表 3 进行主体设备和辅助设备的工艺计算与设备选型 并列出设备一览表 4 绘制主体设备图 5 绘制带控制点的工艺流程图 6 进行生产车间布置设计 生产车间平面布置图和立面布置图 7 进行技术分析 经济效益分析 安全评价与环保评价 1 2 设计方案的确定 目前 乙酸乙酯的工业生产方法主要有乙酸 乙醇酯化法 乙醛缩合法 乙醇脱氢法和乙酸 乙烯加成 4 种 在世界范围内 上述四种工艺都已经投入运 行 但在国内投入运行的只有酯化法 乙醛缩合法 乙醇脱氢法 乙酸 乙烯加 成法在国内还不够成熟 酯化法中新研究出的催化剂造价过高 乙醇脱氢法适 合在乙醇产量高的地区或者是价格廉价的地区较合适 日本所有的乙酸乙酯都 是采用乙醛缩合法 并且综合上面的概述中几种工艺的对比 本课题采用乙醛缩 合法生产乙酸乙酯 1 2 1 1 2 1 设计原理设计原理 乙醛缩合法制乙酸乙酯可分为三个阶段 催化剂的制备 乙醛的缩合反应 催化剂的脱除和精馏提纯 1 乙醛的缩合反应 反应在两个串联的反应器中进行 第一个是釜式的反应器 第二个也是采 用釜式的反应器 反应方程式为 CH3CHO Al OC2H5 3 CH3COOC2H5 这样做的好处是 在第一个反应器之中 反应剧烈放出大量的热量 采用 釜式的反应器搅拌的均匀 易于把热量移出 相对于管式的来说 温度易于控 制 虽然转化率情况有所降低 但反应的可控性 安全性提高 第二个也采用 釜式的反应器 是考虑到反应进行到后来 放热量已经不多 而且造价低 图 1 1 缩合工序的流程简图 2 催化剂的脱除 图 1 2 蒸发工序的流程简图 我们通过加水的方法破坏掉催化剂 然后经过蒸发器将粗乙酸乙酯蒸出 氢氧化铝残液从下面排除 残液再经过一个分离器进一步分离出氢氧化铝 液 体部分可以再返回蒸发器 3 精馏提纯 我们采用了三塔的模式 三塔均是常压操作 一塔脱乙醛 二塔脱出乙醇 脱出的乙醇用作生产催化剂 第三塔 塔上得到产品 塔下出重组分 同时还 可以设计一个小塔 用来分离第三塔得到的重组分 有效地分离较纯副产物乙 缩醛 产出乙缩醛 做到了副产品的有效利用 图 1 3 精馏提纯工序的流程简图 1 2 2 工艺流程 图 1 4 乙醛缩合法生产乙酸乙酯工艺流程图 以乙醇铝作为催化剂 乙醛通过自缩合反应生成乙酸乙酯 通过向单效蒸 发器中加入过量的水 将催化剂乙醇铝破坏 再经过蒸发器将生成的氢氧化铝 脱除 再依次通过脱乙醛精馏塔 脱乙醇粗馏塔和脱重组分塔 分别脱除粗乙 酯中的乙醛 乙醇和乙缩醛 在脱重组分精馏塔塔顶得到较纯净的乙酸乙酯产 品 第 2 章 物料衡算 2 1 数据采集 2 1 1 全流程的工艺数据 1 设计项目 乙醛在催化剂作用下生产乙酸乙酯 假定乙醛纯度为 99 7 2 产品名称 乙酸乙酯 3 生产规模 年产 30 万吨 优等品纯度 99 7 折算为 100 的年产量为 29 91 万吨 4 生产时间 年工作时间 330 天 共 7920 小时 5 生产效率 一步缩合釜中乙醛转化率 86 9 二步缩合釜中乙醛转化率 89 3 两个反应釜中主反应的选择性为 99 2 2 1 2 催化剂的配方 1 催化剂的原料配比 见表 2 1 表 2 1 催化剂的原料配比 单位 g 乙酸乙酯乙醇铝氯化铝氯化汞碘总计 1402852 微量微量 175 2 催化剂与原料的质量比 该反应中将催化剂和纯原料的质量比控制在 1 8 2 1 3 操作条件 1 操作压力 全流程的操作为常压操作 2 操作温度 一步反应缩合釜和二步反应缩合釜的操作温度都为 10 单效蒸发器的操作温度为 90 脱乙醛塔塔顶温度和塔底温度为 26 2 和 77 2 脱乙醇塔塔顶温度和塔底温度为 76 3 和 78 2 脱重组分塔塔顶温度和塔底温度为 83 和 110 2 1 4 原料和产品的控制指标 表 2 2 原料和产品的控制指标 项目优等品指标 乙酸乙酯乙醛 纯度 99 799 7 水分 0 30 03 乙醇含量 0 1 在乙醛进料前进行干燥 干燥后的乙醛纯度为 99 9 2 1 5 物料平衡关系图 Ao1 一步反应混合物料 乙醛进料一步缩合反应釜二步缩合反应釜 A0 A1 破坏液 乙醛回收乙醇 B1 二步反应混合物料 单效蒸发器 脱乙醛塔脱乙醇塔 A2 A3 A4 B2 脱重组分塔产品 A5 A6 乙缩醛 图 2 1 物料衡算关系式 2 2 一步缩合反应釜的物料衡算 本设计为连续操作 单位以 kg h 为基准 纯净的乙酸乙酯在脱重组分出口量应为 W 33765 15kg h 24330 997 0 103 8 则需要的乙醛进料 纯度为 99 9 m 37802 95kg h 999 0 W 因反应过程中有损失 所以将乙醛的进料量定位 39000kg h 则 m 中含有 乙醛 m1 39000 0 999 38961kg h 水 m10 39000 0 001 39kg h 催化剂的用量为 m2 39000 8 4875kg h 则催化剂原料中含 乙酸乙酯 4875 3900kg h 175 140 乙醇 4875 780kg h 175 28 铝 4875 139 29kg h 175 5 氯化铝 4875 55 71kg h 175 2 乙醇和铝在催化剂作用下生成乙醇铝 2AL 6CH3CH2OH 2AL CH3CH2O 3 3H2 53 96 276 36 324 32 132 29 0 98699 12kg h820 44kg h 136 50kg h 物料中需要加入 600kg h 的乙醇来保护催化剂乙醇铝 以防止其水解失效 则一步缩合反应釜中含有 乙酸乙酯 3900kg h 铝 139 29 1 0 98 2 79kg h 乙醇铝 820 44kg h 其它轻组分 55 71 2 79 58 50kg h 反应器中主反应方程式 催化剂 2C2H4OC4H8O2 88 1288 12 38961 0 869 0 992 33586 25kg h33586 25kg h 副反应方程式 C2H4O 2C2H6O C6H14O2 H2O 44 06 92 14 118 17 18 02 38961 0 869 1 0 992 270 86kg h 566 43kg h 726 45kg h 110 78kg h 因此在 A1流股中含有 乙酸乙酯 38961 0 869 0 992 3900 37486 25kg h 乙醛 38961 33586 25 270 86 5103 89kg h 乙醇 680 88 566 43 114 45kg h 乙缩醛 726 45kg h 水 39 110 78 149 78kg h 乙醇铝 820 44kg h 其它微量杂质 58 50kg h 则一步缩合釜的物料衡算表可看表 2 3 2 3 二步缩合反应釜的物料衡算 主反应方程式 2C2H4O C4H8O2 88 1288 12 5103 89 0 893 0 992 4521 31kg h4521 31kg h 副反应方程式 C2H4O 2C2H6O C6H14O2 H2O 44 06 92 14 118 17 18 02 5103 89 0 893 1 0 992 36 46kg h76 26kg h97 79kg h 14 92kg h 表 2 3 一步缩合釜物料衡算 名称进口物料 kg h 出口物料 kg h 乙酸乙酯 390037486 25 乙醛 389615103 89 乙醇 680 88114 45 水 39149 78 乙缩醛 0726 45 轻组分 58 5058 50 乙醇铝 820 44820 44 总计 44459 8244459 82 所以在 A2流股中 乙酸乙酯 37486 25 4521 31 42007 56kg h 乙醛 5103 89 4521 31 36 46 546 12kg h 乙缩醛 726 45 97 79 824 24kg h 乙醇 114 45 76 25 38 20kg h 水 149 78 14 92 164 70kg h 其它轻组分 58 50kg h 乙醇铝 820 44kg h 二步缩合釜的物料衡算关系如表 2 4 所示 2 4 单效蒸发器的物料衡算 此过程主要目的是为了破坏物流中的乙醇铝催化剂 B2中含有氢氧化铝 铝 氯化铝重组分 重组分被完全脱除 并且 B2中 重组分的质量分数为 0 27 经验值 可求得 B2中总质量流量为 1678 48kg h 27 0 50 5869 394 乙缩醛在 B2中所占的质量分数为 5 则 B2中含有 乙缩醛 1678 48 5 83 92kg h 乙酸乙酯 1678 45 1 5 27 1141 37kg h 该过程发生的反应 3H2O AL C2H5O 3 AL OH 3 3CH3CH2OH 54 06 162 1678 01138 12 273 51kg h 820 44kg h 394 69kg h 699 26kg h 表 2 4 二步缩合反应釜物料衡算 进口物料 kg h 出口物料 kg h 乙酸乙酯 37486 2542007 56 乙醛 5103 89546 12 乙醇 114 4538 20 水 149 78164 70 乙缩醛 726 45824 44 轻组分 58 5058 50 乙醇铝 820 44820 44 总计 44459 8244459 82 B1中 水 260kg h 乙醇 22 54kg h 乙酸乙酯 210 75kg h 乙醛 28 38kg h A3流股中 乙醛 546 12 28 38 574 50kg h 乙醇 38 20 699 26 22 54 760kg h 乙酸乙酯 42007 56 210 75 1141 37 40655 44kg h 水 164 70 260 273 15 151 19kg h 乙缩醛 824 24 83 92 740 32kg h 单效蒸发器的物料衡算关系式可查看表 2 5 表 2 5 单效蒸发器的物料衡算 进口物料 kg h 出口物料 kg h 乙酸乙酯 42007 5640655 44 乙醛 546 12574 50 乙醇 38 20760 水 164 70151 19 乙缩醛 824 44740 32 轻组分 58 500 乙醇铝 820 440 总计 44459 8242881 45 2 5 脱乙醛塔的物料衡算 在该塔中 塔顶组分乙醛的质量分数 xd1 0 9903 xd2 0 0183 xw 0 00065 C1 D1 C1流股中 乙醛 523 15 0 9903 518 08kg h 乙酸乙酯 523 15 1 0 9903 5 07kg h C2流股中 侧线出料 水 1140 65 0 0581 66 27kg h 乙醇 1140 65 0 1649 188 09kg hA3C2 D2 乙酸乙酯 1140 65 0 7587 865 41kg h 乙醛 1140 65 0 0183 20 87kg hA4 图 2 2 脱乙醛塔示意图 A4流股中 乙醛 26 93kg h 乙醇 760 188 09 571 91kg h 乙酸乙酯 40655 44 5 07 865 41 39784 96kg h 水 151 19 66 27 84 92kg h 乙缩醛 740 32kg h 脱乙醛塔的物料衡算关系式可查看表 2 6 表 2 6 脱乙醛塔的物料衡算 进口物料 kg h 出口物料 kg h 乙酸乙酯 40655 4439784 96 乙醛 574 5026 93 乙醇 760571 91 水 151 1984 92 乙缩醛 740 32740 32 总计 42881 4541209 04 2 6 脱乙醇塔的物料衡算 E E 流股中 乙醇和乙酸乙酯形成共沸精馏 该流股物料去回收工段 E 流股中 乙醇 566 08kg h 乙酸乙酯 1637 08kg h 乙醛 20 72kg hA4 水 53 58kg h A5 A5流股中 乙醇 5 82kg h 图 2 3 脱乙醇塔示意图 乙酸乙酯 38147 52kg h 乙醛 6 21kg h 水 31 34kg h 乙缩醛 740 32kg h 脱乙醇塔的物料衡算关系式可查看表 2 7 表 2 7 脱乙醇塔物料衡算 进口物料 kg h 出口物料 kg h 乙酸乙酯 39784 9638147 52 乙醛 26 936 21 乙醇 571 915 82 水 84 9231 34 乙缩醛 740 32740 32 总计 41209 0438931 21 2 7 脱重组分塔物料衡算 A6 该塔除去重组分乙缩醛 从精馏塔塔顶得到乙酸乙酯产品 塔底产品中乙缩醛的质量分数为 99 9 A5 则塔底产品中 乙缩醛 739 58kg h 乙酸乙酯 0 1347kg h乙缩醛 F 图 2 4 脱重组分塔示意图 A6流股中 水 31 34kg h 乙醛 6 21kg h 乙醇 5 82kg h 乙酸乙酯 38147 39kg h 脱重组分塔的物料衡算关系式可查看表 2 8 表 2 8 脱重组分塔物料衡算 进口物料 kg h 出口物料 kg h 乙酸乙酯 38147 5238147 39 乙醛 6 216 21 乙醇 5 825 82 水 31 3431 34 乙缩醛 740 320 74 总计 38931 2138191 5 第 3 章 热量衡算 3 1 基本数据 热量衡算所需要的物性数据可查看表 3 1 至 3 3 表 3 1 气体热容温度关系式系数 30 31 32 物质 4 4 3 3 2 210 11 TaTaTaTaaKmolJCid p 0 a 103 1 a 105 2 a 108 3 a 1011 4 a 乙醇 4 3960 6285 546 7 0242 685 乙醛 4 3790 0743 740 4 4771 641 水 4 395 4 1861 405 1 5640 632 乙酸乙酯 10 228 14 94813 033 15 7365 999 表 3 2 液体热容温度关联式系数 物质 321 1 DTCTBTAKmolJCp AB 102C 104D 106 乙醇 59 34236 358 12 1641 8030 乙醛 45 05644 853 16 6072 7000 水 92 053 3 9953 2 11030 53469 乙酸乙酯 65 83284 097 26 9983 6631 表 3 3 物质的沸点及正常沸点下的蒸发焓 物质沸点 蒸发焓 KJ mol 1m r 乙醇 78 438 93 乙醛 20 825 20 乙酸乙酯 77 0632 32 水 10040 73 乙缩醛102 735 83 3 2 一步缩合反应釜的热量衡算 工段温度 10 物料由 25 降到 10 的热量衡算 1 A01流股由 25 到 10 催化剂 1 乙酸乙酯 12 88 3900 dTDTCTBTA 15 283 15 298 32 2582 08 1 142 105kJ h 12 88 3900 2 乙醇 07 46 780 dTDTCTBTA 15 283 15 298 32 2 706 104kJ h 3 乙醇铝 dT 15 283 15 298 120 16 162 44 820 9 107 103kJ h 2 反应产生的热量 主 0 869 0 992 0 869 0 992 06 44 38961 dTDTCTBTA 15 298 15 283 32 0 869 0 992 乙酸乙酯 12 88 38961 dTDTCTBTA 15 283 15 298 32 12 88 38961 m r 5 795 107kJ h 副 0 869 1 0 992 06 44 38961 dTDTCTBTA 15 298 15 283 32 乙缩醛 25 10108 17 118 45 726 17 118 45 726 m r 02 18 78 110 dTDTCTBTA 15 283 15 298 32 4 052 104kJ h 则反应釜需要承受的热量 Q 1 乙酸乙酯 2 乙醇 3 乙醇铝 主 副 5 81 107kJ h 反应放出的热用 5 的冷冻盐水进行冷却 进口温度为 5 出口温度为 5 冷冻盐水的比热容为 4 0 P CkJkg K 则单位时间内需要冷冻的量为 W 1 45 106kg h 104 1081 5 7 3 3 二步缩合釜热量衡算 主 06 44 992 0 893 0 89 5103 dTDTCTBTA 15 298 15 283 32 12 88 992 0 893 0 89 5103 dTDTCTBTA 15 283 15 298 32 乙酸乙酯 12 88 992 0 893 0 89 5103 m r 7 80 106kJ h 副