安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-年產(chǎn)二十萬噸醋酸生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

1、安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）年產(chǎn)二十萬噸醋酸生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)方 浩(安徽工程大學(xué)，蕪湖，241000)摘 要在醋酸的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，采用以重金屬醋酸鹽為催化劑，用乙醛在常壓下與氧氣進(jìn)行液相氧化反應(yīng)生成醋酸的生產(chǎn)方法，乙醛氧化法具有工藝簡單、技術(shù)成熟、收率高、成本較低等特點(diǎn)。對生產(chǎn)工藝和吸收部分做進(jìn)一步的了解，分別對吸收塔的塔徑和塔高進(jìn)行計(jì)算，使達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，目的使生產(chǎn)高純度的醋酸產(chǎn)品，降低生產(chǎn)成本，減少熱量損失，提高原料利用率，實(shí)現(xiàn)預(yù)期20萬噸/年醋酸的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)。工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：工藝流程設(shè)計(jì)、物料衡算、能量衡算、精餾塔設(shè)計(jì)工藝計(jì)算以及生產(chǎn)裝置中其他設(shè)備的選擇等。圖紙包括生產(chǎn)流程圖、

2、工廠布置圖以及塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。關(guān)鍵詞：醋酸；生產(chǎn)工藝；物料衡算Million tons annual output of acetic acid production process designFangHao（Anhui Polytechnic university of Electrical and Mechanical College,Wuhu,Zip:241000）AbstractDesign in the production of acetic acid, using the metal acetate as catalyst, acetaldehyde and oxygen und

3、er normal pressure liquid-phase oxidation reaction of acetic acid production methods, with acetaldehyde oxidation process is simple, mature technology, high yield, lower cost and so on. Part of the production process and further the understanding of absorption, respectively, on the absorber tower an

4、d the tower diameter is calculated, so that to meet the design requirements, the purpose of production of acetic acid of high purity products, reduce production costs, reduce heat loss and improve the use of raw materials rate, to achieve the expected 20 million tons / year acetic acid production pr

5、ocess design goals.Process design include: process design, material balance, energy balance, distillation column design process calculation and other equipment in the plant selection.Drawings, including production flow, plant layout and structure tower equipmentKey words: acetic acid; production pro

6、cess; material balance目 錄摘 要1引 言6第一章 概述71.1 醋酸生產(chǎn)的歷史沿革71.2 醋酸的物理性質(zhì)81.3 醋酸的化學(xué)性質(zhì)91.3.1 酸性91.3.2 溶劑91.3.3 乙酸的二聚體,虛線表示氫鍵91.3.4 鑒別91.3.5 化學(xué)反應(yīng)91.4 醋酸的生產(chǎn)方法評述101.4.1 發(fā)酵法101.4.2 甲醇羰基化101.4.3 乙醇氧化法111.4.4 丁烷氧化法111.4.5 乙烯氧化法111.4.6 巴斯夫高壓法111.4.7 乙醛氧化法11第二章 工藝條件的選擇122.1 氣液傳質(zhì)的影響因素122.1.1 氧氣通入速度122.1.2 氧氣分布板孔徑122.

7、1.3 氧氣通過的液柱高度122.2 乙醛氧化速率的影響因素122.2.1 反應(yīng)溫度122.2.2 反應(yīng)壓力122.2.3 原料純度122.2.4 氧化液的組成122.2.5 乙醛氧化法生產(chǎn)工藝的主要特點(diǎn)13第三章 工藝參數(shù)的整定143.1 吸收塔的選擇要求143.2 吸收劑的選擇143.3 吸收操作參數(shù)的選擇143.3.1 操作壓力的選擇143.3.2 吸收溫度的選擇15第四章 工藝流程設(shè)計(jì)16第五章 物料衡算175.1 設(shè)計(jì)依據(jù)175.2 氧化塔物料衡算175.3 蒸發(fā)器物料衡算215.4 精餾塔物料衡算225.4.1 精餾塔1物料衡算225.4.2 精餾塔物料衡算235.5 醋酸回收塔物

8、料衡算23第六章 能量衡算25第七章 精餾塔的設(shè)計(jì)267.1 回流比和理論塔板數(shù)的計(jì)算267.2 塔的有效高度計(jì)算277.3 塔徑的計(jì)算287.4 塔板設(shè)計(jì)297.5 塔體厚度的計(jì)算307.6 流體力學(xué)驗(yàn)算31結(jié)論與展望34致 謝35參考文獻(xiàn)36附錄37插圖清單圖4-1 外冷卻乙醛氧化生產(chǎn)醋酸工藝流程圖17圖5-1 氧化塔進(jìn)出物料圖19圖5-2 蒸發(fā)塔進(jìn)出物料圖23圖5-3 精餾塔1進(jìn)出物料圖23圖5-4 精餾塔進(jìn)出物料圖24圖5-5 醋酸回收塔物料圖25表格清單表1-1 純醋酸的物理性質(zhì)8表5-1 消耗定額18表5-2 原料組成18表5-3 氧化塔物料衡算結(jié)果22表5-4 總物料衡算結(jié)果26

9、表7-1 水和醋酸的安托尼常數(shù)28表7-2 精餾塔設(shè)計(jì)結(jié)果35引 言本設(shè)計(jì)的內(nèi)容為20萬噸/年醋酸裝置，包括工藝設(shè)計(jì)，設(shè)備設(shè)計(jì)及平面布置圖。醋酸是一種重要的有機(jī)化工原料，在有機(jī)酸中產(chǎn)量最大。醋酸是乙醛最主要的衍生物，學(xué)名乙酸。醋酸是無色透明液體，有特殊的刺激性氣味，具有腐蝕性。其沸點(diǎn)為391.3K，凝固點(diǎn)為289.9K,冬季純醋酸會凝固成像冰一樣的固體，固純醋酸又俗稱冰醋酸。醋酸能與水、醇類、苯等以任何比例混合。醋酸的最大用途是生產(chǎn)醋酸乙烯酯，其次是用于生產(chǎn)醋酸纖維素、醋酐、醋酸酯，并可用作對二甲苯生產(chǎn)對苯二甲酸的溶劑。此外，紡織、涂料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、攝影、染料、食品、粘結(jié)劑、化妝品、皮革等行業(yè)

10、的生產(chǎn)都離不開醋酸。本設(shè)計(jì)使用乙醛氧化法來生產(chǎn)醋酸，該工藝的主要特點(diǎn)：1） 工業(yè)化最早,技術(shù)成熟,轉(zhuǎn)化率和選擇性高；2） 反應(yīng)條件緩和，反應(yīng)選擇性高(可達(dá)99)，幾乎無副產(chǎn)物生成；3） 產(chǎn)品收率高、純度高。此設(shè)計(jì)過程中，為了計(jì)算方便，忽略了一些計(jì)算過程，故有一定的誤差，另由于計(jì)算時間比較倉促，有些問題不能夠直接解決。設(shè)計(jì)中有不少錯誤之處，請指導(dǎo)老師予以批評指正，多提出寶貴意見。第一章 概述乙酸又稱醋酸1，廣泛存在于自然界，它是一種有機(jī)化合物，是典型的脂肪酸。被公認(rèn)為食醋內(nèi)酸味及刺激性氣味的來源。在家庭中，乙酸稀溶液常被用作除垢劑。食品工業(yè)方面，在食品添加劑列表E260中，乙酸是規(guī)定的一種酸度調(diào)

11、節(jié)劑。 醋酸是一種用途廣泛的基本有機(jī)產(chǎn)品2, 也是化工、醫(yī)藥、紡織、輕工、食品等行業(yè)不可缺少的重要原料。隨著醋酸衍生產(chǎn)品的不斷發(fā)展, 以醋酸為基礎(chǔ)的工業(yè)不僅直接關(guān)系到化學(xué)工業(yè)的發(fā)展, 而且與國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)息息相關(guān), 醋酸生產(chǎn)與消費(fèi)正引起世界各國的普遍重視, 醋酸生產(chǎn)工藝及相關(guān)問題的研究開發(fā)正在日益加深和發(fā)展。從最初的糧食發(fā)酵, 木材干餾生產(chǎn)醋酸開始, 合成醋酸的工藝路線主要有乙醛氧化法、乙炔電石法、乙醇氧化法、乙烯氧化法、丁烷氧化法和羰基合成法等。這些方法都各有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在選擇合成醋酸的路線時，應(yīng)與當(dāng)?shù)氐脑腺Y源情況密切聯(lián)系起來，因地制宜，按醋酸用量的大小，工業(yè)技術(shù)條件等作綜合的平衡

12、。本設(shè)計(jì)采用成熟的乙醛氧化法合成醋酸。 首先確定乙醛氧化法生產(chǎn)醋酸工藝流程，其次對整個工藝過程進(jìn)行物料和能量衡算，然后對其中的單元設(shè)備精餾塔進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)，最后對此進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。1.1 醋酸生產(chǎn)的歷史沿革醋幾乎貫穿了整個人類文明史3。乙酸發(fā)酵細(xì)菌（醋酸）能在世界的每個角落發(fā)現(xiàn)，每個民族在釀酒的時候，不可避免的會發(fā)現(xiàn)醋它是這些酒精飲料暴露于空氣后的自然產(chǎn)物。如中國就有杜康的兒子黑塔因釀酒時間過長得到醋的說法。 乙酸在化學(xué)中的運(yùn)用可以追溯到很古老的年代。在公元前3世紀(jì)，希臘哲學(xué)家泰奧弗拉斯托斯詳細(xì)描述了乙酸是如何與金屬發(fā)生反應(yīng)生成美術(shù)上要用的顏料的，包括白鉛（碳酸鉛）、銅綠（銅鹽的混合物包括乙酸

13、銅）。古羅馬的人們將發(fā)酸的酒放在鉛制容器中煮沸，能得到一種高甜度的糖漿，叫做“sapa”?！皊apa”富含一種有甜味的鉛糖，即乙酸鉛，這導(dǎo)致了羅馬貴族間的鉛中毒。8世紀(jì)時，波斯煉金術(shù)士賈比爾，用蒸餾法濃縮了醋中的乙酸。 文藝復(fù)興時期，人們通過金屬醋酸鹽的干餾制備冰醋酸。16世紀(jì)德國煉金術(shù)士安德烈亞斯·利巴菲烏斯就描述了這種方法，并且拿由這種方法產(chǎn)生的冰醋酸來和由醋中提取的酸相比較。僅僅是因?yàn)樗拇嬖冢瑢?dǎo)致了醋酸的性質(zhì)發(fā)生如此大的改變，以至于在幾個世紀(jì)里，化學(xué)家們都認(rèn)為這是兩個截然不同的物質(zhì)。法國化學(xué)家阿迪（Pierre Adet）證明了它們兩個是相同的。 1847年，德國科學(xué)家阿道夫

14、·威廉·赫爾曼·科爾貝第一次通過無機(jī)原料合成了乙酸。這個反應(yīng)的歷程首先是二硫化碳經(jīng)過氯化轉(zhuǎn)化為四氯化碳，接著是四氯乙烯的高溫分解后水解，并氯化，從而產(chǎn)生三氯乙酸，最后一步通過電解還原產(chǎn)生乙酸。 1910年時，大部分的冰醋酸提取自干餾木材得到的煤焦油。首先是將煤焦油通過氫氧化鈣處理，然后將形成的乙酸鈣用硫酸酸化，得到其中的乙酸。在這個時期，德國生產(chǎn)了約10000噸的冰醋酸，其中30%被用來制造靛青染料。1.2 醋酸的物理性質(zhì) 醋酸的主要物性數(shù)據(jù)列于表1-1表1-1 純醋酸的物理性質(zhì)4 名 稱數(shù) 值熔點(diǎn)，沸點(diǎn)，比熱容CP，J/(gk)蒸汽液體溶解熱，J/g汽化熱，J/

15、g黏度，mPa. s202540介電常數(shù)液體固體折射率nD20生成熱Ho，kJ/mol液體（25）氣體（25）燃燒熱Hc，kJ/mol液體標(biāo)準(zhǔn)熵So，J/(mol. k)液體（25）氣體（25）閃點(diǎn)(閉杯)離解常數(shù)02550臨界壓力Pc，Mpa16.66118. 0（101. 3kp）1.110(25)2.043(19. 4)19.5394.5（沸點(diǎn)時）11.8310.978.186.170（20）2.665（-10）1.3719-484.50-432.25-874.8159.8282.5434.784.754.795.7861.3 醋酸的化學(xué)性質(zhì)1.3.1 酸性羧酸中，例如乙酸，的羧基氫原子

16、能夠部分電離變?yōu)闅潆x子（質(zhì)子）而釋放出來，導(dǎo)致羧酸的酸性。乙酸在水溶液中是一元弱酸，酸度系數(shù)為4.8，pKa=4.75（25），濃度為1mol/L的醋酸溶液（類似于家用醋的濃度）的pH為2.4，也就是說僅有0.4%的醋酸分子是解離的。乙酸的酸性促使它還可以與碳酸鈉、氫氧化銅、苯酚鈉等物質(zhì)反應(yīng)。 2CH3COOH + Na2CO32CH3COONa + CO2 + H2O2CH3COOH + Cu(OH)2 (CH3COO)2Cu + 2H2OCH3COOH + C6H5ONa C6H5OH (苯酚）+ CH3COONa1.3.2 溶劑液態(tài)乙酸是一個親水（極性）質(zhì)子化溶劑，與乙醇和水類似。因?yàn)榻?/p>

17、電常數(shù)為6.2，它不僅能溶解極性化合物，比如無機(jī)鹽和糖，也能夠溶解非極性化合物，比如油類或一些元素的分子，比如硫和碘。它也能與許多極性或非極性溶劑混合，比如水，氯仿，己烷。乙酸的溶解性和可混合性使其成為了化工中廣泛運(yùn)用的化學(xué)品。 1.3.3 乙酸的二聚體,虛線表示氫鍵乙酸的晶體結(jié)構(gòu)顯，分子間通過氫鍵結(jié)合為二聚體（亦稱二締結(jié)物），二聚體也存在于120的蒸汽狀態(tài)。二聚體有較高的穩(wěn)定性，現(xiàn)在已經(jīng)通過冰點(diǎn)降低測定分子量法以及X光衍射證明了分子量較小的羧酸如甲酸、乙酸在固態(tài)及液態(tài)，甚至氣態(tài)以二聚體形式存在。當(dāng)乙酸與水溶和的時候，二聚體間的氫鍵會很快的斷裂。其它的羧酸也有類似的二聚現(xiàn)象。 1.3.4 鑒別

18、乙酸可以通過其氣味進(jìn)行鑒別。若加入氯化鐵（III），生成產(chǎn)物為深紅色并且會在酸化后消失，通過此顏色反應(yīng)也能鑒別乙酸。乙酸與三氧化砷反應(yīng)生成氧化二甲砷，通過產(chǎn)物的惡臭可以鑒別乙酸。1.3.5 化學(xué)反應(yīng) 對于許多金屬，乙酸是有腐蝕性的，例如鐵、鎂和鋅，反應(yīng)生成氫氣和金屬乙酸鹽。因?yàn)殇X在空氣中表明會形成氧化鋁保護(hù)層，所以鋁制容器能用來運(yùn)輸乙酸。金屬的乙酸鹽也可以用乙酸和相應(yīng)的堿性物質(zhì)反應(yīng),比如最著名的例子：小蘇打與醋的反應(yīng)。除了醋酸鉻（II），幾乎所有的醋酸鹽能溶于水。 Mg(s) + 2 CH3COOH(aq) (CH3COO)2Mg(aq) + H2(g) NaHCO3(s) + CH3COOH

19、(aq) CH3COONa(aq) + CO2(g) + H2O(l) 乙酸能發(fā)生普通羧酸的典型化學(xué)反應(yīng)，特別注意的是，可以還原生成乙醇，通過親核取代機(jī)理生成乙酰氯，也可以雙分子脫水生成酸酐。同樣，乙酸也可以成酯或氨基化合物。440的高溫下，乙酸分解生成甲烷和二氧化碳或乙烯酮和水。1.4 醋酸的生產(chǎn)方法評述1.4.1 發(fā)酵法(1)有氧發(fā)酵【5】在人類歷史中，以醋的形式存在的乙酸，一直是用醋桿菌屬細(xì)菌制備。在氧氣充足的情況下，這些細(xì)菌能夠從含有酒精的食物中生產(chǎn)出乙酸。通常使用的是蘋果酒或葡萄酒混合谷物、麥芽、米或馬鈴薯搗碎后發(fā)酵。有這些細(xì)菌達(dá)到的化學(xué)方程式為： C2H5OH + O2 CH3CO

20、OH + H2O做法是將醋菌屬的細(xì)菌接種于稀釋后的酒精溶液并保持一定溫度，放置于一個通風(fēng)的位置，在幾個月內(nèi)就能夠變?yōu)榇住９I(yè)生產(chǎn)醋的方法通過提供氧氣使得此過程加快。 現(xiàn)在商業(yè)化生產(chǎn)所用方法其中之一被稱為“快速方法”或“德國方法”，因?yàn)槭状纬晒κ窃?823年的德國。此方法中，發(fā)酵是在一個塞滿了木屑或木炭的塔中進(jìn)行。含有酒精的原料從塔的上方滴入，新鮮空氣從他的下方自然進(jìn)入或強(qiáng)制對流。改進(jìn)后的空氣供應(yīng)使得此過程能夠在幾個星期內(nèi)完成，大大縮短了制醋的時間。 現(xiàn)在的大部分醋是通過液態(tài)的細(xì)菌培養(yǎng)基制備的，由Otto Hromatka和Heinrich Ebner在1949年首次提出。在此方法中，酒精在持續(xù)

21、的攪拌中發(fā)酵為乙酸，空氣通過氣泡的形式被充入溶液。通過這個方法，含乙酸15%的醋能夠在兩至三天制備完成。(2)無氧發(fā)酵部分厭氧細(xì)菌，包括梭菌屬的部分成員，能夠?qū)⑻穷愔苯愚D(zhuǎn)化為乙酸而不需要乙醇作為中間體。總體反應(yīng)方程式如下： C6H12O6 3 CH3COOH更令工業(yè)化學(xué)感興趣的是，許多細(xì)菌能夠從僅含單碳的化合物中生產(chǎn)乙酸，例如甲醇，一氧化碳或二氧化碳與氫氣的混和物。 2CO2 + 4H2 CH3COOH+2H2O2CO + 2H2 CH3COOH梭菌屬因?yàn)橛心軌蛑苯邮褂锰穷惖哪芰?，減少了成本，這意味著這些細(xì)菌有比醋菌屬細(xì)菌的乙醇氧化法生產(chǎn)乙酸更有效率的潛力。然而，梭菌屬細(xì)菌的耐酸性不及醋菌屬細(xì)

22、菌。耐酸性最大的梭菌屬細(xì)菌也只能生產(chǎn)不到10%的乙酸，而有的醋酸菌能夠生產(chǎn)20%的乙酸。到現(xiàn)在為止，使用醋酸屬細(xì)菌制醋仍然比使用梭菌屬細(xì)菌制備后濃縮更經(jīng)濟(jì)。所以，盡管梭菌屬的細(xì)菌早在1940年就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，但它的工業(yè)應(yīng)用仍然被限制在一個狹小的范圍。1.4.2 甲醇羰基化 大部分乙酸是通過甲基羰基化合成的6。此反應(yīng)中，甲醇和一氧化碳反應(yīng)生成乙酸，方程式如下 CH3OH + CO CH3COOH 這個過程是以碘代甲烷為中間體，分三個步驟完成，并且需要一個一般由多種金屬構(gòu)成的催化劑（第二部中） (1) CH3OH + HI CH3I + H2O (2) CH3I + CO CH3COI (3) CH

23、3COI + H2O CH3COOH + HI 通過控制反應(yīng)條件，也可以通過同樣的反應(yīng)生成乙酸酐。因?yàn)橐谎趸己图状季浅Ｓ玫幕ぴ?，所以甲基羰基化一直以來備受青睞。早在1925年，英國塞拉尼斯公司的Henry Drefyus已經(jīng)開發(fā)出第一個甲基羰基化制乙酸的試點(diǎn)裝置。然而，由于缺少能耐高壓（200atm或更高）和耐腐蝕的容器，此法一度受到抑制。直到1963年，德國巴斯夫化學(xué)公司用鈷作催化劑，開發(fā)出第一個適合工業(yè)生產(chǎn)的辦法。到了1968年，以銠為基礎(chǔ)的催化劑的(cisRh(CO)2I2)被發(fā)現(xiàn)，使得反映所需壓力減到一個較低的水平并且?guī)缀鯖]有副產(chǎn)物。1970年，美國孟山都公司建造了首個使用此催

24、化劑的設(shè)備，此后，銠催化甲基羰基化制乙酸逐漸成為支配性的方法（孟山都法）。90年代后期，BP化學(xué)成功的將Cativa催化法商業(yè)化，此法是基于釕，使用(Ir(CO)2I2)它比孟山都法更加綠色也有更高的效率，很大程度上排擠了孟山都法。1.4.3 乙醇氧化法由乙醇在有催化劑的條件下和氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)制得【7】。工藝陳舊,生產(chǎn)規(guī)模小,原料和動力消耗高,應(yīng)嚴(yán)格控制,杜絕新建小規(guī)模生產(chǎn)裝置。1.4.4 丁烷氧化法丁烷氧化法又稱為直接氧化法，這是用丁烷為主要原料，通過空氣氧化而制得乙酸的一種方法，也是主要的乙酸合成方法。1.4.5 乙烯氧化法由乙烯在催化劑(所用催化劑為氯化鈀:PdCl2、氯化銅：CuCl

25、2和乙酸錳：(CH3COO)2Mn）存在的條件下,與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成.此反應(yīng)可以看作先將乙烯氧化成乙醛，再通過乙醛氧化法制得。乙烯法醋酸雖然比乙炔法和酒精法先進(jìn),但與低壓甲醇羰基合成法相比,原料和動力消耗高,技術(shù)經(jīng)濟(jì)上缺乏競爭性,不宜再用該技術(shù)新建裝置。原有裝置可借鑒乙烯直接氧化法進(jìn)行改造。1.4.6 巴斯夫高壓法巴斯夫高壓法盡管已工業(yè)化多年,與其它原料路線相比,具有一定的競爭性;但與低壓法相比,相應(yīng)壓力高,原料消耗定額高,副反應(yīng)多,工藝復(fù)雜。因此,不提倡發(fā)展高壓法。1.4.7 乙醛氧化法乙醛氧化法在孟山都法商業(yè)生產(chǎn)之前8，大部分的乙酸是由乙醛氧化制得。盡管不能與甲基羰基化相比，此法仍然是第二

26、種工業(yè)制乙酸的方法。乙醛可以通過氧化丁烷或輕石腦油制得，也可以通過乙烯水合后生成。當(dāng)丁烷或輕石腦油在空氣中加熱，并有多種金屬離子包括鎂，鈷，鉻以及過氧根離子催化，會分解出乙酸?；瘜W(xué)方程式如下： 2 C4H10 + 5 O2 4 CH3COOH + 2 H2O 此反應(yīng)可以在能使丁烷保持液態(tài)的最高溫度和壓力下進(jìn)行，一般的反應(yīng)條件是150和55 atm。副產(chǎn)物包括丁酮，乙酸乙酯，甲酸和丙酸。因?yàn)椴糠指碑a(chǎn)物也有經(jīng)濟(jì)價值，所以可以調(diào)整反應(yīng)條件使得副產(chǎn)物更多的生成，不過分離乙酸和副產(chǎn)物使得反應(yīng)的成本增加。 在類似條件下，使用上述催化劑，乙醛能被空氣中的氧氣氧化生成乙酸 2 CH3CHO + O2

27、 2 CH3COOH 使用新式催化劑，此反應(yīng)能獲得95%以上的乙酸產(chǎn)率。主要的副產(chǎn)物為乙酸乙酯，甲酸和甲醛。因?yàn)楦碑a(chǎn)物的沸點(diǎn)都比乙酸低，所以很容易通過蒸餾除去。 第二章 工藝條件的選擇2.1 氣液傳質(zhì)的影響因素2.1.1 氧氣通入速度通入氧氣速率越快【9】，氣液接觸面積越大，氧氣的吸收率越高，設(shè)備的生產(chǎn)能力也就會增大。但是，通氧速率并非是可以無限增加的，因?yàn)檠鯕獾奈章逝c通入氧氣的速率不是簡單的線性關(guān)系。當(dāng)通入氧氣速率超過一定值后，氧氣的吸收率反而會降低，氧氣的損耗相應(yīng)地加大，甚至還會把大量乙醛與醋酸液物料帶出。此外，氧氣的吸收不完全會引起尾氣中氧的濃度增加，造成不安全因素。所以，氧氣的通入速

28、率受到經(jīng)濟(jì)性和安全性的制約，存在一適宜值。2.1.2 氧氣分布板孔徑為防止局部過熱，生產(chǎn)中采取氧氣分段通入氧化塔，各段氧氣通入處還設(shè)置有氧氣分布板，以使氧氣均勻地分布成適當(dāng)大小的氣泡，加快氧的擴(kuò)散與吸收。氧氣分布板的孔徑與氧的吸收率成反比，孔徑小可增加氣泡的數(shù)量和氣液兩相接觸面積，但孔徑過小則造成流體流動阻力增加，使氧氣的輸送壓力增高?？讖竭^大則會造成氣液接觸面積降低，并會加劇液相物料的帶出，所以氧氣分布板孔徑要根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求合理設(shè)計(jì)。2.1.3 氧氣通過的液柱高度在一定的通氧速率條件下，氧的吸收率與其通過的液柱高度成正比。液柱高，氣液兩相接觸時間長，吸收效果好，吸收率增加。此外，氣體的溶

29、解性能也與壓力有關(guān)，液柱高則靜壓高，有利于氧氣的溶解和吸收。一般，液柱超過4m時，氧的吸收率可達(dá)9798以上，液柱再增加，氧的吸收率無明顯變化。2.2 乙醛氧化速率的影響因素2.2.1 反應(yīng)溫度溫度在乙醛的氧化過程中是一個非常重要的因素【10】，乙醛氧化成過氧醋酸及過氧醋酸分解的速率都隨溫度的升高而加快。但溫度不宜太高，過高的溫度會使副反應(yīng)加劇，同時，為使乙醛保持液相，必須提高系統(tǒng)壓力，否則，在氧化塔頂部空間乙醛與氧氣的濃度會增加，增加了爆炸的危險性，并且溫度過高會造成催化劑燒結(jié)甚至失活，還會增加設(shè)備投資。但溫度也不宜過低，溫度過低會降低乙醛氧化為過氧醋酸以及過氧醋酸分解的速率，易導(dǎo)致過氧醋酸

30、的積累，同樣存在不安全性。因此，用氧氣氧化時，適宜溫度控制為343353K，所以生產(chǎn)中必須及時連續(xù)地除去反應(yīng)熱。2.2.2 反應(yīng)壓力提高反應(yīng)壓力，既可以促進(jìn)氧向液體界面擴(kuò)散，又有利于氧被反應(yīng)液吸收，還能使乙醛沸點(diǎn)升高，減少乙醛的揮發(fā)。但是，升高壓力會增加設(shè)備投資費(fèi)用和操作費(fèi)用。實(shí)際生產(chǎn)操作壓力控在0.15Mpa左右。2.2.3 原料純度乙醛氧化生成醋酸反應(yīng)的特點(diǎn)是以自由基為鏈載體，所以凡能奪取反應(yīng)鏈中自由基的雜質(zhì)，稱為阻化劑。阻化劑的存在，會使反應(yīng)速度顯著下降。水就是一種典型的能阻抑鏈反應(yīng)進(jìn)行的阻化劑。故要求原料乙醛含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))>99.7，其中水分含量<0.03。乙醛原料中三聚

31、乙醛可使乙醛氧化反應(yīng)的誘導(dǎo)期增長，并易被帶入成品醋酸中，影響產(chǎn)品質(zhì)量，故要求原料乙醛中三聚乙醛含量<0.01。2.2.4 氧化液的組成在一定條件下，乙醛液相氧化所得的反應(yīng)液稱為氧化液。其主要成分有醋酸錳、醋酸、乙醛、氧、過氧醋酸，此外還有原料帶入的水分及副反應(yīng)生成的醋酸甲分有醋酸錳、醋酸、乙醛、氧、過氧醋酸，此外還有原料帶入的水分及副反應(yīng)生成的醋酸甲酯、甲酸、二氧化碳等。氧化液中醋酸濃度和乙醛濃度的改變對氧的吸收能力有較大影響。當(dāng)氧化液中醋酸含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為8295時，氧的吸收率保持在98左右，超出此范圍，氧的吸收率下降。當(dāng)氧化液中乙醛含量在515時，氧的吸收率也可保持在98左右，超出

32、此范圍，氧的吸收率下降。從產(chǎn)品的分離角度考慮，一般在流出的氧化液中，乙醛含量不應(yīng)超過23。2.2.5 乙醛氧化法生產(chǎn)工藝的主要特點(diǎn)1、工業(yè)化最早 ,技術(shù)成熟 ,轉(zhuǎn)化率和選擇性高；2、反應(yīng)條件緩和，反應(yīng)選擇性高(可達(dá)99)，幾乎無副產(chǎn)物生成；3、產(chǎn)品收率高、純度高。第三章 工藝參數(shù)的整定3.1 吸收塔的選擇要求工業(yè)吸收塔應(yīng)具備以下基本要求：1、塔內(nèi)氣體與液體應(yīng)有足夠的接觸面積和接觸時間；2、氣液兩相應(yīng)具有強(qiáng)烈擾動，減少傳質(zhì)阻力，提高吸收效率；3、操作范圍寬，運(yùn)行穩(wěn)定；4、設(shè)備阻力小，能耗低；5、具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕能力；6、結(jié)構(gòu)簡單、便于制造和檢修。3.2 吸收劑的選擇吸收劑的選擇是吸收操

33、作的關(guān)鍵，吸收劑的選擇與吸收方法的選擇有一定的聯(lián)系。選擇吸收劑時，首先要考慮吸收過程在整個生產(chǎn)流程中的作用和前后工序所提供的工藝條件和要求；其次從吸收過程的基本原理出發(fā)，按照各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求加以分析和選擇。選擇吸收劑的基本要求如下：（1）溶解度要大 減少吸收劑用量，降低輸送與再生的能耗。吸收劑應(yīng)對混合氣體中被分離組分有很大的溶解度，或者說在一定的溫度與濃度下，吸收質(zhì)打的平衡分壓要低。這樣從平衡角度來說，處理一定量混合氣體所需的溶劑量較少，氣體中吸收質(zhì)的極限殘余亦可降低；（2）選擇性好 吸收劑的選擇性好可以減少惰性組分的溶解損失，提高解吸后所得溶質(zhì)的純度?；旌蠚怏w中其他組分在吸收劑中的溶解度要小

34、，即吸收劑具有較高的選擇性；（3）易于再生 再生性能的優(yōu)劣和再生過程的經(jīng)濟(jì)性是評價吸收劑乃至整個吸收過程的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。吸收質(zhì)在吸收劑中的溶解度應(yīng)對溫度的變化比較敏感，即不僅在低溫下溶解度要大，平衡分壓要小，而且隨溫度升高，溶解度應(yīng)迅速下降，平衡分壓迅速上升；（4）揮發(fā)性小 揮發(fā)性小，對應(yīng)一定溫度，其蒸汽壓要低。這樣可以減少吸收劑的損耗，并提高溶質(zhì)氣體純度。在操作溫度下吸收劑的蒸氣壓要低，因?yàn)槲瘴矚馔鶠槲談┱魵馑柡?，吸收劑揮發(fā)度越高，其損失量越大；（5）穩(wěn)定性好 具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，以減少吸收劑的降解和變質(zhì)，尤其在使用化學(xué)吸收劑時；（6）粘度低 粘度低，以利于傳質(zhì)與輸送

35、；不易發(fā)泡，以利于實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定操作。吸收劑在操作溫度下粘度越低，其在塔內(nèi)的流動性越好，有利于傳質(zhì)和傳熱；（7）安全性好 安全性能好(無毒,不易燃燒和爆炸)；（8）經(jīng)濟(jì)性 經(jīng)濟(jì),易得、無毒、不易燃燒、冰點(diǎn)低。3.3 吸收操作參數(shù)的選擇3.3.1 操作壓力的選擇（1）吸收壓力高優(yōu)點(diǎn)：提高吸收過程的推動力，減少了氣體的體積流量，可以減小塔徑；缺點(diǎn)：降低了吸收劑的選擇性； 吸收塔的造價可能升高。（2）吸收壓力低則相反一般應(yīng)該從過程的經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，必須兼顧吸收和解吸以及整個工藝的操作條件，選擇合適的操作壓力。3.3.2 吸收溫度的選擇（1）物理吸收 優(yōu)點(diǎn)： 溶質(zhì)的溶解度增大,減少溶劑用量，

36、推動力增大，降低塔高度，減輕解吸塔的負(fù)荷；缺點(diǎn)：低于常溫的操作會增加操作費(fèi)用。（2）化學(xué)吸收優(yōu)點(diǎn)： 化學(xué)反應(yīng)速度快；缺點(diǎn)：傳質(zhì)推動力降低。第四章 工藝流程設(shè)計(jì)綜合文獻(xiàn)分析，結(jié)合本地區(qū)特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用乙醛氧化法生產(chǎn)醋酸工藝。 乙醛液相催化自氧化合成醋酸是一強(qiáng)放熱反應(yīng)，總反應(yīng)式為： 乙醛氧化時先生成過氧醋酸，再與乙醛合成AMP 10分解即為醋酸： 乙醛和催化劑溶液自反應(yīng)塔中上部加入，為了使乙醛不被大量惰性氣體帶走，工業(yè)上一般采用氧作催化劑，且氧分段鼓泡通入反應(yīng)液中，與乙醛進(jìn)行液相氧化反應(yīng)，氧化過程釋放的大量反應(yīng)熱通過外循環(huán)冷卻而移出，出反應(yīng)器的反應(yīng)尾氣經(jīng)冷凝回收乙醛后放空，反應(yīng)液首先經(jīng)蒸發(fā)器除掉醋

37、酸錳催化劑，醋酸蒸汽則先經(jīng)精餾塔1蒸出未反應(yīng)的乙醛、甲酸、醋酸甲酯、水、三聚乙醛等輕組分，然后經(jīng)精餾塔2脫除高沸點(diǎn)副產(chǎn)物后得成品醋酸，要求純度99%，其余的則進(jìn)入醋酸回收塔回收粗醋酸。工藝流程圖如圖 4-1圖4-1 外冷卻乙醛氧化生產(chǎn)醋酸工藝流程圖第五章 物料衡算5.1 設(shè)計(jì)依據(jù) 醋酸生產(chǎn)消耗定額見表5-1表5-1消耗定額11名稱單耗（每噸醋酸）乙醛氧氣冷卻水醋酸錳770kg260m3250m32kg醋酸年產(chǎn)量：20萬噸 選擇年開工時間：8000小時則 每小時生產(chǎn)醋酸 根據(jù)消耗定額得每小時乙醛進(jìn)料量為： 所以，選擇每小時乙醛進(jìn)料量為20000kg5.2 氧化塔物料衡算（1）氧化塔物料衡算中的已

38、知數(shù)據(jù) 每小時通入氧化塔的乙醛量為20000kg/h； 氧化過程中乙醛總轉(zhuǎn)化率為99. 3%； 氧化過程中氧的利用率為98. 4%； 氧化塔塔頂補(bǔ)充的工業(yè)氮使其濃度達(dá)到45%； 未轉(zhuǎn)化的乙醛在氣液相中的分配率（體積%） 氣相：34% 液相：66%； 原料組成見表5-2；表5-2 原料組成12原料乙醛%（質(zhì)量）工業(yè)氧%（質(zhì)量）工業(yè)氮%（質(zhì)量）催化劑溶液%（質(zhì)量）乙醛 99. 5醋酸 0. 1水 0. 3三聚乙醛0. 1氧氣 98氮?dú)?2氮?dú)?97氧氣 3醋酸 60醋酸錳 10水 30催化劑中醋酸錳用量為氧化塔進(jìn)料乙醛重量的0. 08% 氧化過程中乙醛的分配率12主反應(yīng) 96%副反應(yīng) 1. 4%

39、0. 25% 0. 95% 1. 4%（2）氧化塔物料衡算圖見圖5-1圖5-1氧化塔物料衡算圖（3）反應(yīng)式衡算純乙醛量：20000×99. 5%=19900 主反應(yīng) 96%a. 乙醛用量：19900×0. 993×0. 96=18970.28kg b. 需用氧量(x) 44:16=18970.28:x x=6898.28kgc. 生成醋酸量(y) 44:60=18970.28:y y=25868.56kg 副反應(yīng) 1. 4% a. 乙醛用量：19900×0. 993×0. 014=276.64kg b. 需用氧量(x) 132:96=276.6

40、4:x x=201.20kg c. 生成醋酸量(y) 132:120=276.64:y y=251.50kg d. 生成甲酸量(z) 132:46=276.64:z z=96.40kg e. 生成水量(w) 132:18=276.64:w w=37.72kg f. 生成二氧化碳量(v) 132:44=276.64:v v=92.22kg 副反應(yīng) 0. 25% a. 乙醛用量：19900×0. 993×0. 0025=49.40kg b. 需用氧量(x) 132:32=49.40:x x=11.98kg c. 生成亞乙基二醋酸量(y) 132:146=49.40:y y=98

41、.8kg d. 生成水量(z) 132:18=49.40:z z=6.74kg 副反應(yīng) 0. 95% a.乙醛用量：19900×0. 993×0. 0095=187.72kg b.需用氧量(x) 88:48=187.72:x x=102.40kg c.生成醋酸甲酯量(y) 88:74=187.72:y y=157.86kg d.生成二氧化碳量(z) 88:44=187.72:z z=93.86kg e.生成水量(w) 88:18=187.72:w w=38.40kg 副反應(yīng) 1. 4% a.乙醛用量：19900×0. 993×0. 014=276.64k

42、g b.需用氧量(x) 88:160=276.64:x x=502.98kg c.生成水量(y) 88:72=276.64:y y=226.28kg d.生成二氧化碳量(z) 88:176=276.64:z z=553.28kg 根據(jù)反應(yīng)式衡算出來的反應(yīng)物總耗量及反應(yīng)生成物總量如下： 反應(yīng)掉的乙醛總量 20000×0. 995×0. 993=19760.7kg 未轉(zhuǎn)化的乙醛量 20000×0. 995×0. 007=139.3kg （其中液相中乙醛含量139.3×0. 66=91.94 氣相中乙醛含量139.3×0. 34=47.36

43、kg) 反應(yīng)掉的氧氣總量 6898.28+201.20+11.98+102.40+502.98=7716.84kg 則所需工業(yè)氧氣量 其中： 氧氣=8002.36×0. 98=7842.32kg 氮?dú)?8002.36×0. 02=160.04kg 所以未反應(yīng)的氧氣=7842.32-7716.84=125.48kg 反應(yīng)生成物重量 醋酸：25868.56+251.50=26120.06kg 二氧化碳：92.22+93.86+553.28=739.36g 水：37.72+6.74+38.40+226.34=309.2kg 甲酸：96.40kg 亞乙基二醋酸酯：54.64kg 醋

44、酸甲酯：157.86kg（4）催化劑用量 已知催化劑溶液中醋酸錳用量為氧化塔進(jìn)料乙醛重量的0.08%，催化劑中醋酸錳的含量為10%，設(shè)催化劑溶液用量為x 其中： 醋酸錳 161.30×0. 1=16.12kg 水 161.30×0. 3=48.40kg 醋酸 161.30×0. 6=96.78kg（5）保安氮用量 設(shè)保安氮為xkg 塔頂干氣量計(jì)算： 氮?dú)猓?60.04+0. 97x 氧氣 ：125.48+0. 03x 二氧化碳：739.36kg則 =45% x=579.15kg（其中氮?dú)猓?79.15×0. 97=561.76kg 氧氣：579.15&#

45、215;0. 03=17.38kg） 塔頂干氣量 氮?dú)? 160.04+0. 97x=721.80kg 氧氣:125.48+0. 03x=142.86kg 二氧化碳: 739.36kg 整理以上數(shù)據(jù)，列出氧化塔物料平衡結(jié)果，見表5-3表5-3氧化塔物料衡算結(jié)果進(jìn) 料出 料含量(%)質(zhì)量（kg）含量（%）質(zhì)量（kg）原料乙醛乙醛醋酸水三聚乙醛99. 50. 10. 30. 119900206020氧 化 液醋酸醋酸甲酯水亞乙基二醋酸甲酸乙醛三聚乙醛醋酸錳96. 00. 801. 500. 680. 390. 380. 180. 0726236.84157.86417.6054.6496.4091

46、.9420.0016.12工業(yè)氧氧氣氮?dú)?827842.32160.04工業(yè)氮氮?dú)庋鯕?73561.7617.38催化劑醋酸水醋酸錳60301096.7848.4016.12放空廢氣二氧化碳氮?dú)庋鯕庖胰?39.36721.80142.8647.36總計(jì)28742.80kg28742.80kg5.3 蒸發(fā)器物料衡算已知數(shù)據(jù)： （進(jìn)料中醋酸錳含量） （完成液中醋酸錳含量） 蒸發(fā)器進(jìn)出物料圖見圖5-2圖5-2 蒸發(fā)器進(jìn)出物料圖列衡算式： 5.4 精餾塔物料衡算 5.4.1 精餾塔1物料衡算已知數(shù)據(jù)：（1）進(jìn)料流量26491.36kg/h （2）醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0. 968，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0. 0154 （

47、3）餾出液中醋酸含量3%，釜液中醋酸的回收率為98% （4）醋酸和水的摩爾質(zhì)量分別為60kg/kmol和18kg/kmol精餾塔1進(jìn)出物料圖見圖5-3圖5-3 精餾塔1進(jìn)出物料圖則：進(jìn)料組成 進(jìn)料平均摩爾質(zhì)量進(jìn)料流量列衡算式： =0. 97 =0. 98得： 即： 5.4.2 精餾塔物料衡算已知數(shù)據(jù)：（1）進(jìn)料流量F=25651.84kg/h （2）進(jìn)料醋酸含量98%，釜?dú)堃捍姿岷?0%，成品醋酸含量99. 8% 精餾塔進(jìn)出物料圖見圖5-4圖5-4 精餾塔進(jìn)出物料圖列衡算式： 得： 5.5 醋酸回收塔物料衡算已知數(shù)據(jù)：（1）進(jìn)料流量F=839.52+514.18=1353.70kg/h （2

48、）經(jīng)回收后得到粗醋酸含量65%以上（按65%計(jì)算） （3）從精餾塔出來的醋酸含量20%，副產(chǎn)物中含5%的醋酸醋酸回收塔進(jìn)出物料圖見圖5-5圖5-5 醋酸回收塔物料圖列衡算式： F=X+Y F×0. 2=0. 05X+0. 65Y得： X=1015.28kg/h Y=338.42kg/h整理以上數(shù)據(jù)，得總物料衡算結(jié)果，見表5-4表5-4 總物料衡算結(jié)果進(jìn) 料出 料名 稱質(zhì)量（kg）名 稱質(zhì)量（kg）乙 醛乙醛醋酸水三聚乙醛19900206020放空廢氣二氧化碳氮?dú)庋鯕庖胰?39.36721.80142.8647.36工業(yè)氧氣氧氣氮?dú)?842.32160.04催化劑殘液成品醋酸粗醋酸其它

49、副產(chǎn)物量233.8425137.66338.421381.48工業(yè)氮?dú)獾獨(dú)庋鯕?61.7617.38催化劑醋酸水醋酸錳96.7848.4016.12總 計(jì)28742.80kg28742.80g第六章 能量衡算化工計(jì)算中的能量衡算是根據(jù)熱力學(xué)第一定律，即能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，對化工過程進(jìn)行能量計(jì)算?；どa(chǎn)中消耗的能量形式有機(jī)械能，電能和熱能等等，其中以熱能為主要形式，因此化工過程中的能量衡算重點(diǎn)是熱量衡算。由于本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換率很高，因此在能量恒算方面只考慮主反應(yīng)和一個副反應(yīng)，即：主反應(yīng)： 96%副反應(yīng)： 1.4% 1. 4%該反應(yīng)的進(jìn)料溫度為25，反應(yīng)溫度為95，出料溫度為110。以反應(yīng)為100mol進(jìn)料計(jì)算，主反應(yīng)為96mol，副反應(yīng)各位14mol。過程熱效率可以分為兩類：一類是化學(xué)過程的熱效率即化學(xué)反應(yīng)速率；另一類是物理過程熱效率。物料化學(xué)變化過程，除化學(xué)反應(yīng)外，往往伴隨著物料狀態(tài)變化熱效率，但本工藝流程中物理過程熱效率較低，可以忽略不計(jì)，該過程皆為放熱反應(yīng)，則過程熱效率可以由下式計(jì)算：主反應(yīng)： Q1=