乙酸乙酯车间工艺设计

1、1 / 33目录一. 设计任务.2.二. 概述.2.1 1 乙酸乙酯性质及用途.2.2.2.乙酸乙酯发展状况.3.三. 乙酸乙酯的生产方案及流程 .4.1 1、 酯化法.4.2 2、 乙醇脱氢歧化法.5.3 3、 乙醛缩合法.6.4 4、 乙烯、乙酸直接加成法 .7.5 5、 确定工艺方案及流程 .8.四.工艺计算.9.4.1.4.1.物料衡算.9.4.24.2 初步物料衡算 .11五. 设备设计.1.65.15.1 精馏塔U的设计.165.25.2 最小回流比的估算.185.35.3 逐板计算.205.45.4 逐板计算的结果及讨论.21六. 热量衡算.21.6 6、.1 1 热力学数据收集

2、216 6. 2 2 热量计算，水汽消耗，热交换面积 .236 6. 3 3 校正热量计算、水汽消耗、热交换面积（对塔U） .26表 1010 校正后的热量计算汇总表 .332 / 33乙酸乙酯车间工艺设计一、设计任务1设计任务：乙酸乙酯车间2产品名称：乙酸乙酯3产品规格：纯度 99%4年生产能力：折算为 100%乙酸乙酯 1880 吨/年5产品用途：作为制造乙酰胺、乙酰乙酸酯、甲基庚烯酮、其他有机化合物、合成香料、合 成药物等的原料；用于乙醇脱水、乙酸浓缩、萃取有机酸；作为溶剂广泛应用于各种工业中； 食品工业中作为芳香剂等。由于本设计为假定设计， 因此有关设计任务书中的其他项目如： 进行设计

3、的依据、 厂区 或厂址、主要技术经济指标、原料的供应、技术规格以及燃料种类、水电汽的主要来源，与 其他工业企业的关系、建厂期限、设计单位、设计进度及设计阶段的规定等均从略。二、概述1 乙酸乙酯性质及用途乙酸乙酯又名乙酸乙酯，乙酸醚，英文名称Ethyl Acetate 或 Acetic Ether Vinegarnaphtha 乙酸乙酯是具有水果及果酒芳香的无色透明液体，其沸点为77C，熔点为-83.6C，密度为 0.901g/cm3，溶于乙醇、氯仿、乙醚和苯等有机溶剂。乙酸乙酯的重要用途是工业溶剂，它是许多树脂的高效溶剂，广泛应用于油墨、人造革、 胶粘剂的生产中，也是清漆的组份。它还用于乙基纤

4、维素、人造革、油毡、着色纸、人造珍 珠的粘合剂、医用药品、有机酸的提取剂以及菠萝、香蕉、草莓等水果香料和威士忌、奶油 等香料。此外，还用于木材纸浆加工等产业部门。对于用很多天然有机物的加工，例如樟脑、3 / 33脂肪、抗生素、某些树脂等，常使用乙酸乙酯和乙醚配制成共萃取剂，它还可用作纺织工业 和金属清洗剂。2.乙酸乙酯发展状况(1) 国内发展状况为了改进硫酸法的缺点，国内陆续开展了新型催化剂的研究，如酸性阳离子交换树脂、全氟磺酸树脂、HZSM -5 等各种分子筛、铌酸、ZrO2- SO42 等各种超强酸，但均未用于工 业生产。国内还开展了乙醇一步法制取乙酸乙酯的新工艺研究，其中有清华大学开发的

5、乙醇脱氢 歧化酯化法，化学工业部西南化工研究院开发的乙醇脱氢法和中国科学院长春应用化学研究 所的乙醇氧化酯化法。中国科学研究院长春应用化学研究所对乙醇氧化酯化反应催化剂进行了研究，认为采用Sb2O4- MOO3复合催化剂可提高活性和选择性。化学工业部西南化工研究院等联合开发的乙 醇脱氢一步合成乙酸乙酯的新工艺，已通过单管试验连续运行 1000 小时，取得了满意的结果。 现正在进行工业开发工作。近来关于磷改性 HZSM-5 沸石分子筛上乙酸和乙醇酯化反应的研究表明，用HZSM-5及磷改性 HZSM-5 作为乙酸和乙醇酯化反应的催化剂，乙醇转化率变化不大，但酯化反应选 择性明显提高。使用 H3PM

6、oi2O4o?19H2O 代替乙醇-乙酸酯化反应中的硫酸催化剂，可获得的产率为91. 48%,但是关于催化剂的剂量、反应时间和乙醇/乙酸的质量比对产品产量的研究还在进行 之中。(2) 国外发展状况由于使用硫酸作为酯化反应的催化剂存在硫酸腐蚀性强、副反应多等缺点，近年各国均在致力于固体酸酯化催化剂的研究和开发，但这些催化剂由于价格较贵、活性下降快等原因,4 / 33至今工业应用不多。据报道，美 Davy Vekee 公司和 UCC 公司联合开发的乙醇脱氢制乙酸乙酯新工艺已工业化。据报道，国外开发了一种使用 Pd/ silicoturgstic 双效催化剂使用乙烯和氧气一步生成乙酸 乙酯的新工艺。

7、低于 180C和在 25%的乙烯转化率的条件下，乙酸乙酯的选择性为46%。催化剂中的 Pd 为氧化中心 silicoturgstic 酸提供酸性中心。随着科技的不断进步，更多的乙酸乙酯的生产方法不断被开发，我国应不断吸收借鉴国 外的先进技术，从根本上改变我国乙酸乙酯的生产状况。三.乙酸乙酯的生产方案及流程1 1 酯化法酯化工艺是在硫酸催化剂存在下，乙酸与乙醇发生酯化脱水反应生成乙酸乙酯的工艺 ,其工艺流程见图 1SB 1乙酸、过量乙醇与少量的硫酸混合后经预热进入酯化反应塔。酯化反应塔塔顶的反应混合物一部分回流， 一部分在 80C左右进入分离塔。 进入分离塔的反应混合物中一般含有 约 70%勺乙

8、醇、20%勺酯和 10%勺水（乙酸完全消耗掉）。塔顶蒸出含有 83%乙酸乙酯、9%乙 醇和 8%水分的塔顶三元恒沸物，送人比例混合器，与等体积的水混合，混合后在倾析器倾析，分成含少量乙醇和酯的较重的水层，返回分离塔的下部，经分离塔分离,酯重新以三元恒沸物 的形式分出，而蓄集的含水乙醇则送回醋化反应塔的下部，经气化后再参与酯化反应。含约5 / 3393%的乙酸乙酯、5%水和 2%乙醇的倾析器上层混合物进人干燥塔,将乙酸乙酯分离出来 所得产品质量见表 1表一工业品级乙酸乙酯的质量指标项目指标乙酸乙酯含量，%三 99.5乙醇含量，%三 0.20水分，%三 0.05酸度（以乙酸计），%三 0.005色

9、度（铂-钻）10传统的酯化法乙酸乙酯生产工艺技术成熟，在世界范围内，尤其是美国和西欧被广泛采用。由于酯化反应可逆，转化率通常只有约 67%,为增加转化率，一般采用一种反应物过量的 办法,通常是乙醇过量，并在反应过程中不断分离出生成的水。根据生产需要，既可采取间歇式生产,也可采取连续式生产。该法也存在腐蚀严重、副反应多、副产物处理困难等缺点。近年来开发的固体酸酯化催化剂虽然解决了腐蚀问题，但由于价格太高，催化活性下降快等缺点,在工业上仍无法大规模应用。2.2.乙醇脱氢歧化法该法不用乙酸，直接用乙醇氧化一步合成乙酸乙酯，其催化剂主要是Pd/C 和架 Ni，Cu-Co-Zn-AI 混合氧化物及 Mo

10、-Sb 二元氧化物等催化剂，这些体系对乙醇的氧化有一定的 活性，但其催化性还有待进一步改进。95%乙醇从储槽出来，经泵加压至 0.30.4MPa，进入原料预热器，与反应产物热交换被 加热至130C，部分气化，再进入乙醇汽化器，用水蒸气或导热油加热至160C170C,达到完全气化，然后进入原料过热器，与反应产物换热，被加热至230C，再进入脱硫加热器，用导热油加热到反应温度 240270C，然后进入脱氢反应器，脱氢反应为吸热反应，6 / 33要用导热油加热以维持恒温反应。从脱氢反应器出来的物料进入原料过热器，被冷却至180C， 再进入加氢反应器将酮和醛加氢为醇， 以便后续分离。 然后进入原料预热

11、器， 被冷 却至 60C，再进入产物冷凝器，被水冷却至 30C，从冷凝器出来的液体，进入反应产物储 罐，然后进入分离工段，氢气则从上部进入水洗器，以回收氢气中带走的易挥发物料，然 后放空或到氧气用户。该工艺的特点是产品收率高，对设备腐蚀性小，产品成本较酯化法低，不产含酸废水， 有利于大规模生产，若副产的氢气能有效合理的利用，该工艺是比较经济的方法。3 3、乙醛缩合法由乙醛生产乙酸乙酯包括催化剂制备、反应、分离和精馏4 大部分,工艺流程见图 3。在氯化铝和少量的氯化锌存在下将铝粉加人盛有乙醇和乙酸乙酯混合物的溶液中溶解得到 乙氧基铝溶液。催化剂制备装置与主体装置分开，制备反应过程产生的含氢废气经

12、冷回收冷 凝物后排放，制备得到的催化剂溶液搅拌均匀后备用。乙醛和催化剂溶液连续进人反应塔 控制反应物的比例，使进料在混合时就有约 98%的乙醛转化为目的产物，1.5%的乙醛在此 后的搅拌条件下转化。通过间接盐水冷却维持反应温度在0C,反应混合物在反应塔内的停留时间约 1h 后进人分离装置。7 / 33分离装置中粗乙酸乙酯从塔顶蒸出，塔底残渣用水处理得到乙醇和氢氧化铝，将乙醇与蒸出组分一起送人精馏塔，在此回收未反应的乙醛并将其返回反应塔，乙醇和乙酸乙酯恒沸物用于制备乙氧基铝催化剂溶液。如有必要，乙酸乙酯还可进一步进行干燥。乙醛缩合制乙酸乙酯工艺由俄罗斯化学家 Tischenko 于 20 世纪初

13、开发成功,因而该工艺 又称为 Tischenko 工艺。反应在醇化物（乙氧基铝）的存在下进行。由乙醛生产乙酸乙酯的 第一步实际上先由乙烯制取乙醛，由乙烯生产乙醛通常在氯化钯存在下于液相中进行（即 Wacker 工艺）。根据保持催化剂活性方法的不同,又有两种工艺可选择，一种为一步法工艺, 即乙烯和氧气一起进人反应器进行反应；另一种是两步法工艺，即乙烯氧化为乙醛在一个反 应器内进行,而催化剂的空气再生在另一反应器内进行，两种工艺在经济上并无大的差异。乙 醛缩合制乙酸乙酯工艺受原料来源的限制，一般应建在乙烯-乙醛联合装置内。日本主要采取 此工艺路线,装置能力已达 200kt/a.4 4、乙烯、乙酸直

14、接加成法在酸性催化剂存在下，羧酸与烯烃发生酯化反应可生成相应的醋类。罗纳普朗克公司 在80 年代进行了开发，但由于工程放大问题未解决，一直未实现工业化。日本昭和电工公司 开发的乙烯与乙酸一步反应制取乙酸乙酯工艺终于在90 年代实现了工业化。图4乙烯一歩法工艺涼程反应原料中乙烯：乙酸：水：氮体积组成为80: 6.7: 3: 10.3。反应系统由 3 个串联反应塔组成，反应塔中装填磷钨钥酸催化剂（担载于球状二氧化硅上）。反应塔设置了中间 冷8 / 33却，反应温度维持在 140-180C，反应塔压力控制在 0.441MPa。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

15、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乙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。该工艺乙 酸的单程转化率为 66%,以乙烯计,乙酸乙酯的选择性约为 94%.5 5、确定工艺方案及流程从产量分析，生产任务要求是 1840 吨，产量不是太大，乙烯、乙酸直接合成法有利于大规模生产，而且该法对设备要求很高，设备造价高，因此不采用该工艺。从经济上考虑，乙 醇脱氢歧化法对催化剂要求高，采用该工艺不经济。最后从技术成熟方面考虑，虽然乙醇脱 氢歧化法在国外生产技术已经比较成熟， 且可以进行大规模的生产，但在国内实施尚有困难， 另外，该法总

16、生产能力比酯化法要低，综合考虑采用酯化法。在国内，乙酸乙酯的生产大都采用酯化法，生产乙酸乙酯的厂家主要有上海试剂一厂，苏州溶剂厂，北京化工三厂，天津有机化工一厂，吉化公司，徐州溶剂厂，杭州长征化工厂， 贵州有机化工溶剂分厂，沈阳市溶剂厂，大连酿酒厂，沈阳石油化工二厂，哈尔滨化工四厂六厂、七厂等。四.工艺计算4.1.4.1.物料衡算4.1.1 设计任务（1） 设计项目：乙酸和乙醇在催化剂浓硫酸存在下生产乙酸乙酯 （假定 70%的乙酸转化为乙酸乙酯）（2）产品名称：乙酸乙酯（3）产品规格：纯度 99%9 / 33（4）年生产能力：折算为 100%乙酸乙酯 1880 吨/年4.1.2 酯化法主要生产

17、步骤（1）等分子的冰乙酸和95%乙醇混合和少量的浓硫酸接触， 进行酯化反应达到平衡状态， 并加热至沸点。（2）达到平衡状态的混合液通入精馏塔I,由于不断移去难挥发的水分，在塔中反应趋于完全；由塔I顶部出来的流出液组成为：乙酸乙酯20%（重量百分率，下同）水10%乙醇70%（3）由塔I顶部出来的馏出液通入精馏塔U进行蒸馏，由塔U顶部出来的三组分恒沸液组成为：乙酸乙酯83%水8%乙醇9%由塔U底部出来的残液组成为乙醇和水，重新送入塔I作为第二进料。10 / 33(4)由塔U顶部出来的馏出液和塔川顶部出来的馏出液汇合并加等量的水，三者混合后流入沉降槽进行分层上层富有乙酸乙酯，其组成为:乙酸乙酯94%

18、4%乙醇2%下层主要是水，其组成为:乙酸乙酯8%88%乙醇4%下层(即水层)重新回入塔U作为第二进料。(5) 上层(即酯层)送入精馏塔川进行蒸馏，由塔川底部流出的即为成品的乙酸乙酯, 这是由于乙酸乙酯和三组分恒沸液和双组份恒沸液比较起来，其挥发度最小，由塔川顶部出 来的为三组分恒沸液，其组成如下：三组分恒沸液组成：乙酸乙酯83%水8%乙醇9%双组分恒沸液组成：乙酸乙酯94%水6%(6) 塔川顶部出来的馏出液包括三组成恒沸液送回沉降器中。(3)酯化器物料衡算11 / 3312 / 334.24.2 初步物料衡算(1)每小时生产能力的计算根据设计任务，乙酸乙酯的年生产能力规定为 180 吨/年(折

19、算为 100%乙酸乙酯，下同) 全年按 328 天计，每天 24 小时连续工作，则每昼夜的生产能力为 5732kg 乙酸乙酯；每小时 生产能力为 221kg 乙酸乙酯，这样的规模采用连续操作室比较合理的。每小时的生产能力为：1880X1000 十 328-24=239kg/h以上作为物料衡算基准。为了使物料衡算简单化，在初步物料衡算中假定成品乙酸乙酯的纯度为100%，在生产过程中无物料损失，塔顶馏出液等均属双组份或三组分恒沸液，这在事实上是不可能的，故将 在最终衡算中予以修正。(2)生产工艺流程图% % 5 5 : :5185181st1stE E V VIOO%ACOH95%EtOR(3)酯化器物料衡算13 / 33却1牛产I艺流程恥恿图14 / 33乙酸和乙醇酯化反应如下：CH3COOH+C2H5OHC2H3COOCH5+H