年產(chǎn)30萬噸乙酸乙酯的工藝設(shè)計

年產(chǎn)30萬噸乙酸乙酯的工藝設(shè)計年產(chǎn)30萬噸乙酸乙酯的工藝設(shè)計/NUMPAGES179年產(chǎn)30萬噸乙酸乙酯的工藝設(shè)計年產(chǎn)30萬噸乙酸乙酯的工藝設(shè)計年產(chǎn)30萬噸乙酸乙酯的工藝設(shè)計摘要乙酸乙酯是重要的精細(xì)化工原料。它是一種具有優(yōu)異溶解性能和快干性能的溶劑，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中。目前，乙酸乙酯的工業(yè)生產(chǎn)方法已趨于成熟，而乙醛縮合法因其具有原料來源廣泛、綠色、環(huán)保等優(yōu)點在眾多生產(chǎn)方法中脫穎而出最具發(fā)展前景。本設(shè)計采用乙醛縮合法，對工藝中的主要設(shè)備進(jìn)行物料與能量衡算，并對乙酸乙酯的精餾塔、反應(yīng)器進(jìn)行了設(shè)計選型。根據(jù)設(shè)計要求對設(shè)備進(jìn)行選型。就脫乙醇塔而言，塔體壓力為常壓，回流比取3，操作條件：XD=99%、XW=0.01。計算出塔板數(shù)為46塊，塔高22.4m。對塔體的主要尺寸設(shè)計：精餾段：算得堰長為0.72m，出口堰高為0.045m，堰寬為0.106m，降液管底隙高度為0.028m；提餾段：算得堰長為1.2，出口堰高為0.049m，堰寬為0.176m，降液管底隙高度為0.027m。對于反應(yīng)器選擇連續(xù)型攪拌反應(yīng)釜：算得筒體高度4.8m，筒體和封頭直徑3m，內(nèi)筒筒體厚度為10mm。設(shè)計中，首先根據(jù)工藝操作的要求和特點，參照相關(guān)工藝的資料，繪制工藝流程圖，然后根據(jù)工藝計算結(jié)構(gòu)設(shè)計的最終數(shù)據(jù)畫出主要設(shè)備圖。設(shè)計滿足安全生產(chǎn)要求，而且經(jīng)濟(jì)合理。關(guān)鍵詞：乙酸乙酯，乙醛縮合法，物料衡算，精餾塔，工藝流程圖

PRODUCTIONDESIGNWITHANANNUALOUTPUTOF300ThousandsTONSOFETHYLACETATEABSTRACTEthylacetateisanimportantfinechemicalrawmaterial.Itisakindofexcellentsolubilityandfast-dryingsolvent,hasbeenwidelyusedinproduction.Atpresent,theindustrialproductionofethylacetatehavebeenmoreandmoremature,andthecondensationofacetaldehydebecauseofitswiderawmaterialsources,green,environmentalprotectionandotheradvantagesstandoutfrommanyproductionmethodsinthemostdevelopmentprospect.Thecondensationofacetaldehydehadbeenusedinthedesign,materialandenergybalancecalculationofthemainprocessequipment,anddistillationtower,reactorforethylacetateweredesignselection.Accordingtothedesignrequirements,weselectedthesuitableequipment.Asfarasalcoholtower,thetowerbodywasatatmosphericpressure,refluxratiowas3,theoperatingconditions:XD=99%,XW=0.01.Wecouldcalculatethattheplatenumberwas46,theheightofthetowerwas22.4m.Themaindimensionsdesignoftowerbody:rectifyingsection:thelengthoftheweirwas0.72m,theoutletheightoftheweirwas0.045m,thewidthwas0.106m,thedowncomerheightofthebottomclearancewas0.028m;strippingsection:thelengthofweirwas1.2mr,theoutletheightoftheweirwas0.049m,thewidthwas0.176m,thedowncomerheightofthebottomclearancewas0.027m.Thereactorwasselectedcontinuousstirredtankreactor:theheightofcylinderwas4.8mbycalculation,thediameterofcylinderandheadwas3m,thethicknessoftheinnercylinderwas10mm.Inthedesign,accordingtotheprocessrequirementsandcharacteristics,referencetotherelatedprocessdata,wecoulddrawaprocessflowdiagram,thenaccordingtotheprocessofstructuredesignandcalculationofthefinaldatatodrawthemainequipment.Thedesignsatisfiedtherequirementofsafeproduction,andreasonableineconomy.KEYWORDS:ethylacetate,acetaldehyde,materialbalance,distillation,processflowdiagram

符號說明符號意義單位A傳熱面積m2Af弓形降液管面積m2AT塔截面積m2C氣體負(fù)荷系數(shù)m/sCP定壓比熱容kJ/(kg·℃)D精餾塔直徑md0閥孔直徑mE液流收縮系數(shù)ET全塔效率ev霧沫夾帶量kg液/kg氣F原料液流量kmol/hH塔高mHB塔底空間高度mHD塔頂空間高度mHd降液管內(nèi)清液層高度mHF進(jìn)料板處高度mhc干板阻力m液柱hl板上充氣液層阻力m液柱hp氣相通過浮閥塔板的壓降m液柱hw出口堰高mhow堰上液層高度mK0傳熱系數(shù)W/(m2·℃)L精餾塔液相流量kmol/hlw堰長mMAA物質(zhì)的分子量N實際塔板數(shù)塊P操作壓力KPaΔPp單層塔板壓降Pat物料溫度℃平均溫度差℃u速度m/sV精餾塔氣相流量kmol/hWd弓形降液管寬度mWs破沫區(qū)寬度m餾出液中易揮發(fā)組分摩爾分?jǐn)?shù)原料液中易揮發(fā)組分摩爾分?jǐn)?shù)釜殘液中易揮發(fā)組分摩爾分?jǐn)?shù)相對揮發(fā)度θ液體在降液管中停留時間sρL液相密度kg/m3ρv氣相密度kg/m3t孔心距mμl粘度目錄摘要 I前言 1第1章工藝流程的確定 8§1.1本課題設(shè)計的內(nèi)容和要求 8§ 8§8§1.2設(shè)計方案的確定 8§9§ 10第2章物料衡算 12§2.1數(shù)據(jù)采集 12§ 12§ 12§ 12§ 13§2.2一步縮合反應(yīng)釜的物料衡算 14§2.3二步縮合反應(yīng)釜的物料衡算 15§2.4單效蒸發(fā)器的物料衡算 16§2.5脫乙醛塔的物料衡算 18§2.6脫乙醇塔的物料衡算 19§2.7脫重組分塔物料衡算 20第3章熱量衡算 22§3.1基本數(shù)據(jù) 22§3.2一步縮合反應(yīng)釜的熱量衡算 23§3.3二步縮合釜熱量衡算 24§3.4單效蒸發(fā)器的熱量衡算 25§3.5冷凝器的熱量衡算 26§3.6脫乙醛塔的熱量衡算 27§ 27§ 28§3.7脫乙醇塔的熱量衡算 28§ 28§ 29§3.8脫重組分精餾塔的熱量衡算 29§ 29§ 30第4章設(shè)備選型及車間布置經(jīng)濟(jì)核算 31§4.1縮合釜的設(shè)計 31§ 31§ 33§4.2單效蒸發(fā)器的設(shè)計與選型 34§ 34§ 34§4.3脫乙醛塔的設(shè)計與計算 37§ 37§ 41§ 41§43§ 44§ 47§4.4脫乙醇塔的設(shè)計 48§ 48§ 51§ 52§ 54§ 55§57§4.5脫重組分塔的選型與計算 58§ 58§59§4.6輔助設(shè)備的選型 60§ 60§ 60§ 61§ 62§4.7車間布置的基本原則和要求 62§ 62§ 63§4.8本設(shè)計的生產(chǎn)車間布置 66§4.9建設(shè)項目投資 66§ 67§ 68§ 68§4.10生產(chǎn)成本估算 68§ 68§ 68§ 69§4.11經(jīng)濟(jì)效益 69§4.12投資回收年限 70§4.13核算總結(jié) 70第5章總結(jié) 71§5.1乙酸乙酯的生產(chǎn)流程 71§5.2生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計 71參考文獻(xiàn) 72致謝 74附錄 75外文資料譯文及原文 76前言乙酸乙酯(EA)，又名醋酸乙酯，英文名稱：Ethylacetate。分子式為：C2H8O4。它是一種無色透明具有流動性并且是易揮發(fā)的可燃性液體[1]，呈強(qiáng)烈清涼菠蘿香氣和葡萄酒香味。乙酸乙酯能很好的溶于乙醇、氯仿、乙醚、甘油、丙二醇、和大多數(shù)非揮發(fā)性油等有機(jī)溶劑中，稍溶于水(25℃時，1mL乙酸乙酯可溶于10mL水中)，而且在堿性溶液中易水解成乙酸和乙醇。水分能使其緩慢分解而呈酸性。乙酸乙酯與水和乙醇皆能形成二元共沸混合物，與水形成的共沸混合物沸點為70.4℃，其中含水量為6.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。與乙醇形成的共沸混合物的沸點為71.8℃。還與7.8%的水和9.0%的乙醇形成三元共沸混合物，其沸點為70.2℃。下表為乙酸乙酯的一些物化參數(shù)。表1乙酸乙酯的物化參數(shù)[2]熔點(℃)-83.6臨界溫度(℃)250.1折光率（20℃)1.3708-1.3730臨界壓力(MPa)3.83沸點(℃)77.06辛醇/水分配系數(shù)的對數(shù)值0.73對密度(水=1)0.894-0.898閃點(℃)7.2相對蒸氣密度(空氣=1)3.04引燃溫度(℃)426飽和蒸氣壓(kPa)13.33(27℃)爆炸上限%(V/V)11.5燃燒熱(kJ/mol)2244.2爆炸下限%(V/V)2.0室溫下的分子偶極距6.555×10-30一、乙酸乙酯的用途乙酸乙酯是重要的精細(xì)化工原料，是醋酸的一種重要的中下游產(chǎn)品。它是一種具有優(yōu)異溶解性能和快干性能的溶劑，已廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、紡織、染料、橡膠、涂料、油墨、膠粘劑的生產(chǎn)中，或作為原料、或作為工藝溶劑、萃取劑、稀釋劑等等；由于它具有天然水果香味，因此還可作為調(diào)香劑組分，應(yīng)用于香料、食品工業(yè)中；也可作為粘合劑用于印刷油墨、人造珍珠等的生產(chǎn)；作為提取劑用于醫(yī)藥、有機(jī)酸的產(chǎn)品的生產(chǎn)等；此外還可用作生產(chǎn)菠蘿、香蕉、草莓等水果香精和威士忌、奶油等香料的原料。二、乙酸乙酯的產(chǎn)量及消費情況國外乙酸乙酯的消費結(jié)構(gòu)與我國有所不同，美國和歐洲國家乙酸乙酯最大的應(yīng)用領(lǐng)域是涂料，其中美國涂料方面的消費量約占總消費量的60%，歐洲在涂料行業(yè)的消費量約占總消費量的50%。日本主要應(yīng)用在涂料，油墨方面，分別約占總消費量的40%和30%。而我國主要應(yīng)用于涂料，粘合劑和制藥領(lǐng)域[3]。近年來，世界乙酸乙酯的生產(chǎn)能力不斷增加。2001年全球乙酸乙酯的生產(chǎn)能力只有125.0萬噸/年，2006年生產(chǎn)能力增加到222.0萬噸/年，2001~2006年生產(chǎn)能力的年均增長率高達(dá)12.2%。其中英國BP化學(xué)公司是目前世界上最大的乙酸乙酯生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)能力為22.0萬噸/年，約占世界總生產(chǎn)能力的9.91%。其次是中國江蘇索普集團(tuán)公司，生產(chǎn)能力為20.0萬噸/年，約占9.01%。在涂料方面，乙酸乙酯涂料被水性和高固相含量涂料、粉末涂料和雙組分涂料奪取了市場額。乙酸乙酯市場仍然保持持續(xù)增長。東南亞地區(qū)開始成為全球最重要的乙酸乙酯的產(chǎn)地和消費地。大部分投資于乙酸乙酯的資金開始將目標(biāo)投向乙酸乙酯需求量增長迅速的亞洲和中國。三、我國乙酸乙酯的產(chǎn)量及消費情況我國乙酸乙酯的生產(chǎn)始于20世紀(jì)50年代，近年來，隨著我國化學(xué)工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)的快速發(fā)展，乙酸乙酯的生產(chǎn)發(fā)展很快。生產(chǎn)能力已經(jīng)從2001年的37.0萬噸/年增加到2006年的約90.0萬噸/年。目前，我國乙酸乙酯的生產(chǎn)廠家有20多家，生產(chǎn)企業(yè)主要集中在華南和華東地區(qū)。其中國內(nèi)最大的乙酸乙酯生產(chǎn)企業(yè)江蘇索普集團(tuán)產(chǎn)能達(dá)到20.0萬噸/年，約占國內(nèi)總生產(chǎn)能力的22.2%，與乙酸產(chǎn)品實現(xiàn)了上下游一體化，產(chǎn)品競爭力較強(qiáng)，80%的乙酸乙酯用于出口；其次是山東金沂蒙集團(tuán)公司，生產(chǎn)能力為16.0萬噸/年，約占國內(nèi)總生產(chǎn)能力的13.3%。隨著生產(chǎn)能力的不斷增加，我國乙酸乙酯的產(chǎn)量也不斷增加[4]。2001年我國乙酸乙酯的產(chǎn)量只有17.9萬噸，2006年進(jìn)一步增加到63.0萬噸，比2005年增長約22.19%，2001~2006年產(chǎn)量的平均增長率高達(dá)15.09%，截止到2009年10月底，我國乙酸乙酯生產(chǎn)能力達(dá)到約150.0萬噸/年。目前，國內(nèi)乙酸乙酯主要消費地區(qū)集中在華東、中南、華北、東北地區(qū)，產(chǎn)品主要用于生產(chǎn)涂料、制藥和粘合劑。我國乙酸乙酯的總需求量已達(dá)150萬噸/年，供大于求，屆時消費結(jié)構(gòu)將有所變化，其中在制藥和粘合劑行業(yè)消費的比例將會有所下降，隨著新型高檔涂料的不斷發(fā)展，預(yù)計涂料行業(yè)對乙酸乙酯的需求量將會有較大幅度的增加，隨著油墨方面的需求量也將有所上升。四、主要生產(chǎn)工藝目前，乙酸乙酯的工業(yè)生產(chǎn)方法主要有醋酸酯化法、乙醛縮合法、乙醇脫氫法和醋酸/乙烯加成法4種。傳統(tǒng)的醋酸酯化法工藝在國外被逐步淘汰，而大規(guī)模生產(chǎn)裝置主要采用乙醛縮合法、乙醇脫氫法和醋酸/乙烯加成法，其中新建裝置多采用醋酸/乙烯加成法，我國的乙酸乙酯則主要采用醋酸酯化法進(jìn)行生產(chǎn)[6]。（1）醋酸酯化法醋酸酯化法是乙酸乙酯最常見的生產(chǎn)方法，是在催化劑（通常為硫酸）存在下，醋酸和乙醇發(fā)生酯化反應(yīng)生成乙酸乙酯，該方法適用于擁有大量低成本乙醇的地區(qū)。傳統(tǒng)的酯化法生產(chǎn)工藝技術(shù)成熟，原料供應(yīng)充足，生產(chǎn)工藝簡單，投資少，在世界范圍內(nèi)，尤其是在美國和西歐地區(qū)被廣泛采用。由于酯化反應(yīng)可逆，轉(zhuǎn)化率只有約67%，為增加轉(zhuǎn)化率，一般采用乙醇過量的方法，并在反應(yīng)過程中不斷分離出生成的水。根據(jù)生產(chǎn)需要，既可采取間歇生產(chǎn)，也可采取連續(xù)式生產(chǎn)。由于濃硫酸有酸性強(qiáng)、吸水性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、價廉等優(yōu)點，而且溶于反應(yīng)物料中，是均相催化反應(yīng)，反應(yīng)均勻，因而在全塔內(nèi)都能進(jìn)行催化反應(yīng)。催化作用不受塔內(nèi)溫度限制，反應(yīng)機(jī)理清楚，容易實現(xiàn)控制，這些優(yōu)點可以使反應(yīng)精餾生產(chǎn)裝置大型化。該法存在反應(yīng)溫度高，乙酸利用率低，易發(fā)生副反應(yīng)，產(chǎn)品處理困難、催化劑對設(shè)備腐蝕性強(qiáng)，廢液污染環(huán)境以及生產(chǎn)成本高等缺點。乙醛縮合法醛類在醇鹽的催化作用下，可進(jìn)行自身縮合為酯類[7]。如在乙醇鋁的參與下，兩分子的乙醛重排成一分子的乙酸乙酯：乙醇鋁會在反應(yīng)過程中被破壞，因此為使反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，須配備足夠的催化劑來維持反應(yīng)的進(jìn)行；在低溫反應(yīng)條件下，乙酸乙酯的收率可達(dá)98%。乙醛縮合法具有反應(yīng)條件溫和、原料消耗少、工藝簡單、設(shè)備腐蝕小等特點，因而此工藝在生產(chǎn)成本方面具有突出優(yōu)勢，同時又有較好的環(huán)境效益，發(fā)達(dá)國家多采用這種工藝。此種工藝受原料的限制較大，適合于乙醛原料來源廣泛的地區(qū)。原料乙醛一是石油路線，二是生物發(fā)酵路線。近年來，隨著石油資源的逐漸減少，石油價格逐漸上升，生物資源作為一種新型、綠色、可持續(xù)能源，其前景會更加廣闊。加之此種工藝的高轉(zhuǎn)化率和高選擇性，相對于其它工藝方法的優(yōu)勢地位更加明顯。（3）乙醇脫氫歧化法乙醇脫氫歧化法有三個基本步驟[8]。在第一反應(yīng)器中，乙醇脫氫生產(chǎn)乙醛，再進(jìn)一步反應(yīng)生成粗乙酸乙酯。固定床反應(yīng)器裝填了一種改進(jìn)的銅基催化劑，反應(yīng)在適中的壓力和200-250℃溫度下進(jìn)行，催化劑每六個月在裝置內(nèi)再生一次，其總壽命不短于1年。從第一反應(yīng)器中產(chǎn)生的氫氣經(jīng)一個簡單的分離器收集，部分氫氣送第二反應(yīng)器進(jìn)行選擇性加氫反應(yīng)，在該固定床絕熱反應(yīng)器中，裝填著一種能有效地將乙醛和在粗乙酸乙酯混亂合物中的其它羰基組分轉(zhuǎn)換為當(dāng)量乙醇，而又不影響乙酸乙酯收率的催化劑，反應(yīng)器操作溫度不超過150℃，操作壓力與第一反應(yīng)器基本一致，催化劑壽命在1年以上。送至最后精餾工序的產(chǎn)品蒸汽中含有大量的共沸組份，通過采用高低不同的雙壓力精餾系統(tǒng)，最有效地去除共沸物組份，以及最大限度地回收到高純度(99.8%以上)乙酸乙酯。3醋酸/乙烯加成法醋酸/乙烯加成法是一種直接用乙烯和醋酸工業(yè)化生產(chǎn)乙酸乙酯的新工藝。反應(yīng)系統(tǒng)由3個串聯(lián)反應(yīng)塔組成，反應(yīng)塔中裝填磷鎢鉬酸催化劑(擔(dān)載于球狀二氧化硅)。反應(yīng)塔設(shè)置了中間冷卻，反應(yīng)溫度維持在140-180℃，反應(yīng)塔壓力控制在0.44-1.0MPa。反應(yīng)在擔(dān)載于金屬載體上的雜多酸或雜多酸鹽催化下于氣相或液相中進(jìn)行。在水蒸氣存在條件下，乙烯將發(fā)生水合反應(yīng)生成乙醇，然后生成的乙醇又繼續(xù)與醋酸發(fā)生酯化反應(yīng)生成乙酸乙酯產(chǎn)物。而且，逆向的乙酸乙酯水解生成乙醇或乙酸的反應(yīng)也可能發(fā)生。該工藝醋酸的單程轉(zhuǎn)化率為66%，以乙烯計，酸酸乙酯的選擇性約為94%。與傳統(tǒng)的乙酸酯化法或乙醛縮合法相比，該方法產(chǎn)率高，原料損耗降低了35%，能耗降低了約20%，裝置容易進(jìn)行擴(kuò)能改造，且乙酸乙酯產(chǎn)品質(zhì)量高，純度易于控制，因此是近年來的研究開發(fā)熱點。但該工藝的缺點是裝置必須設(shè)置在乙烯裝置的附近。五、工藝改進(jìn)針對以上四種乙酸乙酯生產(chǎn)工藝的對比，可看出每種工藝都有他的不足之處，對于部分工藝存在的問題，國內(nèi)國外的學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的改進(jìn)，包括催化劑的改進(jìn)、精餾系統(tǒng)的改進(jìn)和回收系統(tǒng)的改進(jìn)。（1）酯化法中催化劑的改進(jìn)和精餾系統(tǒng)的改進(jìn)①催化劑的改進(jìn)采用超強(qiáng)固體酸，將原來的催化劑改為SO42-/ZrO2或SO42-/Zr(OH)4催化劑[11]，在此催化劑制備中引入H2SO4，使ZrO2產(chǎn)生酸中心而對酯化反應(yīng)產(chǎn)生催化作用，熔燒溫度和熔燒時間影響SO42-/ZrO2或SO42-/Zr(OH)4的催化活性，最佳熔燒溫度和熔燒時間分別為550℃和3h。催化劑經(jīng)再活化可重復(fù)使用，對乙酸乙醇的催化酯化反應(yīng)的選擇性為100%，酯化率為84%。另外SO42-/MnOm型超強(qiáng)固體酸制備方法簡單，使用溫度較高，易同產(chǎn)物分離及易再生，不易腐蝕設(shè)備等優(yōu)點。其它的一些催化劑的改進(jìn)還有用磷改性HZSM-5沸石分子篩為催化劑,用全氟磺酸樹脂作催化劑，用HZSM-5分子篩、鈮酸等作為催化劑[12]。②精餾系統(tǒng)的改進(jìn)傳統(tǒng)的精餾工藝中由于存在水-乙醇-乙酸乙酯的共沸，導(dǎo)致回流酯的帶水能力很差，導(dǎo)致酯化塔和回流塔的回流比過大，結(jié)果使乙酸乙酯的生產(chǎn)能耗很高。在新工藝中，通過添加促進(jìn)劑萃取精餾提純[13]，即向乙酸乙酯-水及乙酸乙酯-乙醇-水體系中添加促進(jìn)劑，可以改變它們的互溶度，使乙酸乙酯、水得到較好的分離，同時使水相中乙酸乙酯的含量大大降低，減少其回收能耗。其它的方法還有加飽和鹽水萃取脫水精制、采用有機(jī)溶劑萃取分離和添加恒沸蒸餾分離等。乙醛縮合法中的工藝改進(jìn)①水與乙醇平衡的工藝優(yōu)化原三塔串聯(lián)精餾工序中會出現(xiàn)以下問題：（1）粗乙酸乙酯中含水量達(dá)到0.03%的標(biāo)準(zhǔn)；（2）二塔回收的乙醇含水量高，而不能作為催化劑制備的原料；（3）含水量不能有效的控制而導(dǎo)致催化劑不能穩(wěn)定的被破壞，間接導(dǎo)致乙酸乙酯產(chǎn)品的質(zhì)量。為此國內(nèi)學(xué)者通過對工藝的改進(jìn)解決了以上存在的問題。解決辦法：將原一塔的加壓操作改為常壓操作；在原催化劑破壞系統(tǒng)中加入足量的蒸餾水，以達(dá)到催化劑的充分破壞；在一塔塔頂采出乙醇、乙酸乙酯、乙醛、水來達(dá)到脫除水和乙醛的目的，采出的頂液加入適量的水作為催化劑破壞液。通過改進(jìn)工藝，二塔和三塔的含水率達(dá)到控制，成品乙酸乙酯的含水量也下降到0.01%[15]。②乙醇回收工藝的優(yōu)化在原工藝中，乙醛雖在一塔被大量脫除，但仍有少量乙醛進(jìn)入二塔和三塔，導(dǎo)致乙酸乙酯產(chǎn)品含有過量的乙醛。在改進(jìn)的工藝中[16]，一塔采用側(cè)線出料，并在一塔頂部通過使頂液全部回流及調(diào)節(jié)回流罐液位來富集乙醛，然后采取不定期采出頂液的方法來達(dá)到回收高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙醛的目的。而且，降低了乙醛的單耗，減少了乙醛的揮發(fā)，并能使產(chǎn)品中的乙醛含量降低。表2幾種方法的比較工藝方法優(yōu)點缺點酯化法濃硫酸有酸性強(qiáng)、吸水性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、價廉等優(yōu)點，而且溶于反應(yīng)物料中，是均相催化反應(yīng)，反應(yīng)均勻，因而在全塔內(nèi)都能進(jìn)行催化反應(yīng)。催化作用不受塔內(nèi)溫度限制，反應(yīng)機(jī)理清楚，容易實現(xiàn)最優(yōu)控制設(shè)備腐蝕性大，濃硫酸易引起磺化、炭化和聚合等的副反應(yīng)，產(chǎn)品純度低，后處理過程復(fù)雜，三廢量大乙醛縮合法反應(yīng)條件溫和、原料消耗少、工藝簡單、設(shè)備腐蝕小，國外工藝成熟，國內(nèi)也取得重大進(jìn)展必須在乙醛的來源廣泛區(qū)，催化劑處理上存在一定污染乙醇脫氫法原料利用上也較為的經(jīng)濟(jì)，可以副產(chǎn)氫氣，沒有腐蝕性催化劑選擇性較差，分離工段塔多，因而能耗比傳統(tǒng)工藝還高，工藝不成熟乙烯乙酸加成法反應(yīng)有較高的選擇性和轉(zhuǎn)化率適合乙烯來源廣的地區(qū)，乙烯價格上漲后，不利，工藝不成熟③高沸點殘液回收的工藝優(yōu)化原工藝中三塔塔釜得到的重組分殘液中除含有乙酸乙酯外，還含有縮合反應(yīng)中產(chǎn)生的副產(chǎn)物-乙縮醛，另外還有原來中帶來的巴豆醛、三聚乙醛和乙酸等高沸物。該殘液通常采用焚燒的方法來處理，該處理方法既浪費原料，而且焚燒殘液會給環(huán)境帶來污染。國內(nèi)學(xué)者通過向殘液中加入水和適當(dāng)?shù)拇呋瘎17]，并在加熱的條件下使乙縮醛分解生成乙醇和乙醛，此時將殘液中得到的乙醇、乙醛和乙酸乙酯回收再利用，不僅降低了乙醛和乙醇原料的單耗，而且有效的減少了環(huán)境的污染。六、本課題研究的內(nèi)容和意義乙酸乙酯是一種重要的基本有機(jī)化工原料，其生產(chǎn)方法有直接酯化法和間接酯化法。該產(chǎn)品在酯化工藝中為最基礎(chǔ)、也是最重要的酯化產(chǎn)品。研究并設(shè)計其生產(chǎn)工藝具有很重要的意義。乙酸乙酯是用途廣泛的重要化工產(chǎn)品。其主要用途有：作為工業(yè)溶劑，用于涂料、粘合劑、乙基纖維素、人造革、油氈著色劑、人造纖維等產(chǎn)品中；作為粘合劑，用于印刷油墨、人造珍珠的生產(chǎn)；作為提取劑，用于醫(yī)藥、有機(jī)酸等產(chǎn)品的生產(chǎn)；作為香料原料，用于菠蘿、香蕉、草莓等水果香精和威士忌、奶油等香料的主要原料。用作溶劑，及用于染料和一些醫(yī)藥中間體的合成。是食用香精中用量較大的合成香料之一，大量用于調(diào)配香蕉、梨、桃、菠蘿、葡萄等香型食用香精.是硝酸纖維素、乙基纖維素、乙酸纖維素和氯丁橡膠的快干溶劑，也是工業(yè)上使用的低毒性溶劑。還可用作紡織工業(yè)的清洗劑和天然香料的萃取劑，也是制藥工業(yè)和有機(jī)合成的重要原料近些年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定增長，建筑、汽車等行業(yè)的迅速發(fā)展，采用高檔溶劑生產(chǎn)涂料、油墨、粘合劑等產(chǎn)品已成大勢所趨，進(jìn)一步帶動了乙酸乙酯溶劑需求的快速增長。雖然目前在國內(nèi)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東南亞地區(qū)，從亞洲這個范圍來說，乙酸乙酯還是處于供不應(yīng)求地區(qū)。其次，國內(nèi)約有65%以上的乙酸乙酯生產(chǎn)廠家是采用酯化法生產(chǎn)乙酸乙酯，生產(chǎn)技術(shù)較國外相對落后，同時針對一些缺乏市場競爭力的，工藝落后的小型裝置進(jìn)行淘汰。因此，本課題采用乙醛縮合法設(shè)計一套年產(chǎn)30萬噸乙酸乙酯且具有先進(jìn)、可行、經(jīng)濟(jì)效益高的生產(chǎn)方案，不僅彌補(bǔ)亞洲對乙酸乙酯消耗的空缺，對提高國內(nèi)乙酸乙酯在世界市場中的競爭力以及對提升我國整體技術(shù)水平是有很重要的意義。

第1章工藝流程的確定§1.1本課題設(shè)計的內(nèi)容和要求§設(shè)計要求乙酸乙酯是一種重要的基本有機(jī)化工原料，其生產(chǎn)方法有直接酯化法和間接酯化法。該產(chǎn)品在酯化工藝中為最基礎(chǔ)、也是最重要的酯化產(chǎn)品。研究并設(shè)計其生產(chǎn)工藝具有很重要的意義。§具體設(shè)計內(nèi)容（1）查閱文獻(xiàn)，了解該產(chǎn)品的性質(zhì)、性能、合成、應(yīng)用等。選擇合理的生產(chǎn)原料和制備工藝，采用先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和控制手段，編制開題報告(工藝流程方框圖、開題報告)；（2）根據(jù)原料、產(chǎn)品和生產(chǎn)規(guī)模，繪制工藝流程草圖，進(jìn)行物料衡算和熱量衡算(物料平衡圖、原料消耗、能量消耗綜合表)；（3）進(jìn)行主體設(shè)備和輔助設(shè)備的工藝計算與設(shè)備選型，并列出設(shè)備一覽表；（4）繪制主體設(shè)備圖；（5）繪制帶控制點的工藝流程圖；（6）進(jìn)行生產(chǎn)車間布置設(shè)計(生產(chǎn)車間平面布置圖和立面布置圖)；（7）進(jìn)行技術(shù)分析、經(jīng)濟(jì)效益分析、安全評價與環(huán)保評價?！?.2設(shè)計方案的確定目前，乙酸乙酯的工業(yè)生產(chǎn)方法主要有乙酸/乙醇酯化法、乙醛縮合法、乙醇脫氫法和乙酸/乙烯加成4種。在世界范圍內(nèi)，上述四種工藝都已經(jīng)投入運行，但在國內(nèi)投入運行的只有酯化法、乙醛縮合法、乙醇脫氫法，乙酸/乙烯加成法在國內(nèi)還不夠成熟。酯化法中新研究出的催化劑造價過高，乙醇脫氫法適合在乙醇產(chǎn)量高的地區(qū)或者是價格廉價的地區(qū)較合適，日本所有的乙酸乙酯都是采用乙醛縮合法,并且綜合上面的概述中幾種工藝的對比，本課題采用乙醛縮合法生產(chǎn)乙酸乙酯?！煸O(shè)計原理乙醛縮合法制乙酸乙酯可分為三個階段：催化劑的制備、乙醛的縮合反應(yīng)、催化劑的脫除和精餾提純。（1）乙醛的縮合反應(yīng)反應(yīng)在兩個串聯(lián)的反應(yīng)器中進(jìn)行，第一個是釜式的反應(yīng)器，第二個也是采用釜式的反應(yīng)器。反應(yīng)方程式為：這樣做的好處是，在第一個反應(yīng)器之中，反應(yīng)劇烈放出大量的熱量，采用釜式的反應(yīng)器攪拌的均勻，易于把熱量移出，相對于管式的來說，溫度易于控制，雖然轉(zhuǎn)化率情況有所降低，但反應(yīng)的可控性、安全性提高；第二個也采用釜式的反應(yīng)器，是考慮到反應(yīng)進(jìn)行到后來，放熱量已經(jīng)不多，而且造價低。圖1-1縮合工序的流程簡圖（2）催化劑的脫除圖1-2蒸發(fā)工序的流程簡圖我們通過加水的方法破壞掉催化劑，然后經(jīng)過蒸發(fā)器將粗乙酸乙酯蒸出，氫氧化鋁殘液從下面排除，殘液再經(jīng)過一個分離器進(jìn)一步分離出氫氧化鋁，液體部分可以再返回蒸發(fā)器。精餾提純我們采用了三塔的模式，三塔均是常壓操作，一塔脫乙醛；二塔脫出乙醇，脫出的乙醇用作生產(chǎn)催化劑；第三塔，塔上得到產(chǎn)品，塔下出重組分。同時還可以設(shè)計一個小塔，用來分離第三塔得到的重組分，有效地分離較純副產(chǎn)物乙縮醛，產(chǎn)出乙縮醛，做到了副產(chǎn)品的有效利用。圖1-3精餾提純工序的流程簡圖§工藝流程圖1-4乙醛縮合法生產(chǎn)乙酸乙酯工藝流程圖以乙醇鋁作為催化劑，乙醛通過自縮合反應(yīng)生成乙酸乙酯，通過向單效蒸發(fā)器中加入過量的水，將催化劑乙醇鋁破壞，再經(jīng)過蒸發(fā)器將生成的氫氧化鋁脫除。再依次通過脫乙醛精餾塔、脫乙醇粗餾塔和脫重組分塔，分別脫除粗乙酯中的乙醛、乙醇和乙縮醛，在脫重組分精餾塔塔頂?shù)玫捷^純凈的乙酸乙酯產(chǎn)品。

第2章物料衡算§2.1數(shù)據(jù)采集§全流程的工藝數(shù)據(jù)設(shè)計項目：乙醛在催化劑作用下生產(chǎn)乙酸乙酯（假定乙醛純度為99.7%）產(chǎn)品名稱：乙酸乙酯生產(chǎn)規(guī)模：年產(chǎn)30萬噸（優(yōu)等品純度=99.7%）折算為100%的年產(chǎn)量為29.91萬噸生產(chǎn)時間：年工作時間330天，共7920小時生產(chǎn)效率：一步縮合釜中乙醛轉(zhuǎn)化率86.9%，二步縮合釜中乙醛轉(zhuǎn)化率89.3%，兩個反應(yīng)釜中主反應(yīng)的選擇性為99.2%?！齑呋瘎┑呐浞剑?）催化劑的原料配比：見表2-1表2-1催化劑的原料配比（單位：g）乙酸乙酯乙醇鋁氯化鋁氯化汞碘總計1402852微量微量175催化劑與原料的質(zhì)量比該反應(yīng)中將催化劑和純原料的質(zhì)量比控制在1:8?！觳僮鳁l件（1）操作壓力：全流程的操作為常壓操作（2）操作溫度：一步反應(yīng)縮合釜和二步反應(yīng)縮合釜的操作溫度都為10℃。單效蒸發(fā)器的操作溫度為90℃。脫乙醛塔塔頂溫度和塔底溫度為：26.2℃和77.2℃。脫乙醇塔塔頂溫度和塔底溫度為：76.3℃和78.2℃。脫重組分塔塔頂溫度和塔底溫度為：83℃和110℃?！煸虾彤a(chǎn)品的控制指標(biāo)表2-2原料和產(chǎn)品的控制指標(biāo)項目優(yōu)等品指標(biāo)乙酸乙酯乙醛純度/%≥99.799.7水分/%≤0.30.03乙醇含量≤0.1在乙醛進(jìn)料前進(jìn)行干燥，干燥后的乙醛純度為99.9%?！煳锪掀胶怅P(guān)系圖 Ao1一步反應(yīng)混合物料 乙醛進(jìn)料 一步縮合反應(yīng)釜 二步縮合反應(yīng)釜（A0） （A1） 破壞液 乙醛 回收乙醇 B1二步反應(yīng)混合物料 單效蒸發(fā)器 脫乙醛塔 脫乙醇塔（A2） （A3） (A4) B2 脫重組分塔 產(chǎn)品(A5) (A6)乙縮醛圖2-1物料衡算關(guān)系式§2.2一步縮合反應(yīng)釜的物料衡算本設(shè)計為連續(xù)操作，單位以kg/h為基準(zhǔn)。純凈的乙酸乙酯在脫重組分出口量應(yīng)為：W==33765.15kg/h則需要的乙醛進(jìn)料（純度為99.9%）：m==37802.95kg/h因反應(yīng)過程中有損失，所以將乙醛的進(jìn)料量定位39000kg/h則m中含有：乙醛m1=39000×0.999=38961kg/h水m10=39000×0.001=39kg/h催化劑的用量為m2=39000÷8=4875kg/h則催化劑原料中含：乙酸乙酯：4875×=3900kg/h乙醇：4875×=780kg/h鋁：4875×=139.29kg/h氯化鋁：4875×=55.71kg/h乙醇和鋁在催化劑作用下生成乙醇鋁：2AL+6CH3CH2OH 2AL(CH3CH2O)3+3H253.96276.36 324.32132.29×0.98 699.12kg/h 820.44kg/h=136.50kg/h物料中需要加入600kg/h的乙醇來保護(hù)催化劑乙醇鋁，以防止其水解失效。則一步縮合反應(yīng)釜中含有：乙酸乙酯：3900kg/h鋁：139.29×（1-0.98）=2.79kg/h乙醇鋁：820.44kg/h其它輕組分：55.71+2.79=58.50kg/h反應(yīng)器中主反應(yīng)方程式： 催化劑2C2H4O C4H8O2 88.12 88.12 38961×0.869×0.992 =33586.25kg/h 33586.25kg/h副反應(yīng)方程式：C2H4O+2C2H6O C6H14O2+H2O44.0692.14118.1718.0238961×0.869×（1-0.992）=270.86kg/h566.43kg/h726.45kg/h110.78kg/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乙縮醛：726.45kg/h水：39+110.78=149.78kg/h乙醇鋁：820.44kg/h其它微量雜質(zhì)：58.50kg/h則一步縮合釜的物料衡算表可看表2-3。§2.3二步縮合反應(yīng)釜的物料衡算主反應(yīng)方程式：2C2H4OC4H8O2 88.12 88.125103.89×0.893×0.992=4521.31kg/h 4521.31kg/h副反應(yīng)方程式：C2H4O+2C2H6O C6H14O2+H2O44.0692.14118.1718.025103.89×0.893×（1-0.992）=36.46kg/h 76.26kg/h 97.79kg/h14.92kg/h表2-3一步縮合釜物料衡算名稱進(jìn)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乙縮醛0726.45輕組分58.5058.50乙醇鋁820.44820.44總計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乙縮醛：726.45+97.79=824.24kg/h乙醇：114.45-76.25=38.20kg/h水：149.78+14.92=164.70kg/h其它輕組分：58.50kg/h乙醇鋁：820.44kg/h二步縮合釜的物料衡算關(guān)系如表2-4所示?！?.4單效蒸發(fā)器的物料衡算此過程主要目的是為了破壞物流中的乙醇鋁催化劑。B2中含有氫氧化鋁、鋁、氯化鋁重組分，重組分被完全脫除，并且B2中重組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27（經(jīng)驗值）?？汕蟮肂2中總質(zhì)量流量為=1678.48kg/h乙縮醛在B2中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%則B2中含有：乙縮醛：1678.48×5%=83.92kg/h乙酸乙酯：1678.45×（1-5%-27%）=1141.37kg/h該過程發(fā)生的反應(yīng)：3H2O+AL(C2H5O)3 AL(OH)3+3CH3CH2OH54.06162.16 78.01 138.12273.51kg/h820.44kg/h394.69kg/h699.26kg/h表2-4二步縮合反應(yīng)釜物料衡算進(jìn)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乙縮醛726.45824.44輕組分58.5058.50乙醇鋁820.44820.44總計44459.8244459.82B1中：水：260kg/h乙醇：22.54kg/h乙酸乙酯：210.75kg/h乙醛：28.38kg/hA3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乙縮醛：824.24-83.92=740.32kg/h單效蒸發(fā)器的物料衡算關(guān)系式可查看表2-5。表2-5單效蒸發(fā)器的物料衡算進(jìn)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乙縮醛824.44740.32輕組分58.500乙醇鋁820.440總計44459.8242881.45§2.5脫乙醛塔的物料衡算在該塔中，塔頂組分乙醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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/hC2流股中（側(cè)線出料）：水：1140.65×0.0581=66.27kg/h乙醇：1140.65×0.1649=188.09kg/h A3 C2(D2)乙酸乙酯：1140.65×0.7587=865.41kg/h乙醛：1140.65×0.0183=20.87kg/h A4 圖2-2脫乙醛塔示意圖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乙縮醛：740.32kg/h脫乙醛塔的物料衡算關(guān)系式可查看表2-6。表2-6脫乙醛塔的物料衡算進(jìn)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乙縮醛740.32740.32總計42881.4541209.04§2.6脫乙醇塔的物料衡算 EE流股中，乙醇和乙酸乙酯形成共沸精餾，該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/h A4水：53.58kg/h A5A5流股中：乙醇：5.82kg/h 圖2-3脫乙醇塔示意圖乙酸乙酯：38147.52kg/h乙醛：6.21kg/h水：31.34kg/h乙縮醛：740.32kg/h脫乙醇塔的物料衡算關(guān)系式可查看表2-7。表2-7脫乙醇塔物料衡算進(jìn)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乙縮醛740.32740.32總計41209.0438931.21§2.7脫重組分塔物料衡算 A6該塔除去重組分乙縮醛，從精餾塔塔頂?shù)玫揭宜嵋阴ギa(chǎn)品。塔底產(chǎn)品中乙縮醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%。 A5則塔底產(chǎn)品中：乙縮醛：739.58kg/h乙酸乙酯：0.1347kg/h 乙縮醛F圖2-4脫重組分塔示意圖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脫重組分塔的物料衡算關(guān)系式可查看表2-8。表2-8脫重組分塔物料衡算進(jìn)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乙縮醛740.320.74總計38931.2138191.5

熱量衡算§3.1基本數(shù)據(jù)熱量衡算所需要的物性數(shù)據(jù)可查看表3-1至3-3。表3-1氣體熱容溫度關(guān)系式系數(shù)[30,31,32]物質(zhì)×103×105×108×1011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液體熱容溫度關(guān)聯(lián)式系數(shù)物質(zhì)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物質(zhì)的沸點及正常沸點下的蒸發(fā)焓物質(zhì)沸點/℃（）蒸發(fā)焓/KJ·mol-1乙醇78.438.93乙醛20.825.20乙酸乙酯77.0632.32水10040.73乙縮醛102.735.83§3.2一步縮合反應(yīng)釜的熱量衡算工段溫度10℃，物料由25℃降到10℃的熱量衡算：A01流股由25℃到10℃（催化劑）1（乙酸乙酯）=×=×（-2582.08）=-1.142×105kJ/h2(乙醇)= =-2.706×104kJ/h3（乙醇鋁）= =-9.107×103kJ/h反應(yīng)產(chǎn)生的熱量主=0.869×0.992×+0.869×0.992×+0.869×0.992×（乙酸乙酯）=-5.795×107kJ/h副=0.869×（1-0.992）×++×（乙縮醛）+=-4.052×104kJ/h則反應(yīng)釜需要承受的熱量：Q=-（1（乙酸乙酯）+2(乙醇）+3（乙醇鋁）+主+副）=5.81×107kJ/h反應(yīng)放出的熱用-5℃的冷凍鹽水進(jìn)行冷卻,進(jìn)口溫度為-5℃,出口溫度為5℃。冷凍鹽水的比熱容為：。則單位時間內(nèi)需要冷凍的量為：W==1.45×106kg/h?！?.3二步縮合釜熱量衡算主=++（乙酸乙酯）=-7.80×106kJ/h副=++108×（10-25）+（乙縮醛）+=-8.09×103kJ/h二步縮合釜所承受的熱量Q=-（主+副）=7.81×106kJ/h反應(yīng)放出的熱同樣用-5℃的冷凍鹽水進(jìn)行冷卻,進(jìn)口溫度為-5℃,出口溫度為5℃。冷凍鹽水的比熱容為：。則單位時間內(nèi)需要冷凍的量為：W==1.95×105kg/h?！?.4單效蒸發(fā)器的熱量衡算該蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度為90℃，有少量的水占用的熱量小，可忽略不計，且設(shè)單效蒸發(fā)器的熱量損失為1%。則進(jìn)