毕业设计论文-一段法乙烯直接氧化生产乙醛装置工艺设计.doc
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继续教育学院
毕业设计(论文)
论文题目
一段法乙烯直接氧化生产乙醛
(6.0万吨/年)工艺设计
学院名称
化学工程技术学院
专业
化学工程(本)
姓名
学号
起讫日期
2012年11月15日——2013年4月26日
指导教师
2013年04月26日
南京工业大学本科生毕业设计(论文)
一段法乙烯直接氧化生产乙醛装置工艺设计
摘要
乙醛是石油、化工的中间产品,乙烯直接氧化法生产乙醛是二十世纪六十年代的新工艺。
它具有原料便宜,成本低及乙醛收率高,副反应少等优点,目前被认为是生产乙醛最经济的方法,世界上约有70%的乙醛是采用此法来进行生产的,乙烯直接氧化制乙醛的工艺路线又有一步和两步法。
要生产过程是将乙烯和氧气以及催化剂氯化铜、氯化钯的盐酸水溶液混合后进入氧化反应器,在温度120-130℃,压力0.3MPa条件下,直接氧化生成乙醛,含醛10%的粗醛水溶液在轻组分塔蒸馏脱去二氧化碳、氯甲烷、氯乙烷等低沸物后,进入精馏塔,在塔底脱去少量高沸物,塔顶馏出物经冷凝后获得纯净的乙醛产品。
提高原料转化率意味着降低生产成本,增加生产效益,这对化工生产企业至关重要。
乙烯直接氧化法是将乙烯和空气(或氧气)通入氯化钯和氯化铜的盐酸溶液中,乙烯氧化而成乙醛。
这种方法流程简单,公用设施量少,故基建费用省;原料乙烯的来源丰富,价格便宜,处理、贮运安全;反应的选择性良好,副产物醋酸、草酸、高级醛和酮类,氯化烃类生成量少;乙醛的收率高。
其最大缺点是盐酸的腐蚀性大,需用钛合金钢设备。
本设计在已有的工艺方案的基础上对整个工艺过程进行物料衡算、能量衡算、反应设备的计算与选型。
以达到更合理更经济。
关键词:
乙醛设计精馏塔物料衡算能量衡算设备
III
Amethodfordirectoxidationofethylenetoacetaldehydeproductionplantprocessdesign
Abstract
Acetaldehydeisthepetroleum,chemicalintermediateproducts,directoxidationofethyleneproductionofacetaldehydewasnineteensixtiesnewtechnology.Ithastheadvantagesofcheaprawmaterial,lowcostandhighyieldofacetaldehyde,lesssideeffectandotheradvantages,isnowconsideredthemosteconomicalmethodofacetaldehydeproduction,about70%oftheworld'sacetaldehydeusingthismethodtoproduction,thedirectoxidationofethylenetoacetaldehydeprocesslineandonestepandtwostepmethod.totheproductionprocessistoethyleneandoxygenandcatalystcopperchlorideandhydrochloricacidaqueoussolutionofpalladiumchloridemixtureintooxidationreactor,thetemperatureof120-130℃,pressureis0.3MPa,undertheconditionofdirectoxidationofacetaldehydegenerated,aldehydecontaining10%ofthecrudedistillationtoweroflightcomponentformaldehydeinaqueoussolutiontookoffcarbondioxide,methanechloride,ethylchlorideafterthelowboiling,intothecolumn,thebottomoffasmallamountofhigherboiling,thetowerdistillateaftercondensationtoobtainpureacetaldehydeproducts.Increasetheconversionofrawmaterialsmeanstoreducetheproductioncost,increaseproductionefficiency,itisveryimportanttochemicalproductionenterprises.Directoxidationofethylenetoethyleneandair(oxygen)orventilationwithpalladiumchlorideandcopperchloridesolutionofhydrochloricacid,ethyleneoxideandacetaldehyde.Thismethodissimpleinprocess,publicfacilitiesquantityislittle,sotheinfrastructureexpenditure;Richsourceofethylenerawmaterial,cheap,processing,handlingsafety;Thereactionselectivityisgood,deputyseniorproductaceticacid,oxalicacid,aldehydeandketone,lesschlorinatedhydrocarbongeneration;Highrecoveryyieldofacetaldehyde.Itsbiggestdrawbackishydrochloricacidcorrosionresistanceisbig,needtitaniumalloysteelequipment.Thisdesignonthebasisoftheexistingprocessschemetothewholeprocessofmaterialbalance,energybalance,reactionequipment,calculationandselection.Inordertoachievemoreeconomicandreasonable.
KeyWords:
Acetaldehyde;Design; Materialbalance;Energybalance;Device
目录
摘要 I
Abstract II
目录 III
第一章设计项目 1
第二章前言 2
第三章工艺设计说明书 3
3.1概述 3
3.1.1简介 3
3.1.2本地区的自然条件 4
3.2产品说明 4
3.2.1产品名称 4
3.2.2产品的基本物理化学性质 4
3.2.3产品质量标准 6
3.2.4产品的主要用途 6
3.3原材料规格 7
3.4公用工程规格 7
3.5生产基本原理及化学反应方程式 8
3.6生产工序及工艺流程叙述 10
3.6.1反应工序 11
3.6.2蒸馏工序 12
3.6.3触媒再生工序 13
3.6.4中间罐区工序 13
3.6.5成品罐区工序 14
3.7不正常现象发生的原因及处理方法 14
3.7.1反应工序 14
3.7.2蒸馏工序 16
3.8生产控制一览表 18
3.8.1反应工序 18
3.8.2蒸馏工序 19
3.9原材料及动力消耗定额 20
3.10副产品及排出物 20
3.11安全生产基本原则 21
3.11.1防火、防爆及卫生等级 21
3.11.2原材料成品及卫生安全浓度 22
3.11.3防火须知 22
3.12主要设备一览表 23
3.12.1反应工序 23
3.12.2蒸馏工序及其他工序 24
3.13主要设备及催化剂溶液组成的选择 25
3.13.1反应器 25
3.13.2催化剂溶液的组成对其活性和稳定性的影响 25
第四章设计计算书 28
4.1物料衡算 28
4.1.1反应系统的物料衡算 28
4.1.2精馏系统的物料衡算 35
4.2热量衡算 36
4.3反应器的设备计算 43
4.3.1反应器的设备计算 43
4.3.2反应器(鼓泡塔)气液鼓泡层高度HGL的计算 44
4.3.3成品冷凝器计算 45
4.3.4冷凝液泵计算 46
4.3.5醛塔最小回流比的计算 48
4.3.6纯醛塔理论板数的计算 52
4.3.7精馏塔计算 54
4.4经济技术分析 60
第五章结论 64
参考文献 65
附表 67
致谢 79
南京工业大学本科生毕业设计(论文)
第一章设计项目
一、设计项目名称:
一段法乙烯直接氧化生产乙醛装置工艺设计(年产6.0万吨乙醛)
二、工艺设计条件:
(1)新鲜乙烯纯度99.7%(余已乙烷计)
(2)新鲜氧气纯度99.0%(余已氮气计)
(3)原料气配比C2H4:
O2:
其它=65∶17∶18
(4)乙烯单程转化率38.08%
(5)催化剂选择性97.92%
(6)催化剂生产能力134.90Kg乙醛/m催化剂小时
(7)副产物分配(表1-1)
表1-1副产物分配
组分
二氧化碳
氯甲烷
氯乙烷
巴豆醛
高沸物
醋酸
%(mol)
48.02
3.53
1.54
3.74
3.08
40.09
(8)循环气组成(表1-2)
表1-2循环气组成
组分
合计
Mol%
0.82
7.14
8.01
65.01
4.27
13.0
0.94
0.11
100.0
(9)乙醛损失量占反应器生成乙醛的0.72%
三、规模:
全年生产时间为8000小时,合333天,年产乙醛6.0万吨。
四、成品要求:
乙醛的纯度为99.7%,水0.06%,巴豆醛0.02%,醋酸0.02%。
79
第二章前言
乙醛是一种醛,性状为无色易流动液体,有刺激性气味。
熔点-121℃,沸点20.8℃,相对密度小于1。
可溶于水和乙醇等一些有机物质。
易燃易挥发,蒸气与空气能形成爆炸性混合物,爆炸极限4.0%~57.0%(体积)。
市场上出售的大都是40%乙醛水溶液,要想得到纯度高的乙醛,可往三聚乙醛中加入1%-5%的98%的浓硫酸,蒸馏制得。
冷凝水要用冰水,盛接瓶放在冰水中,小心操作。
得到的乙醛密封放到冰箱中。
主要用途:
用于制造醋酸、醋酐、合成树脂、橡胶、塑料、香料,也用于制革、制药、造纸、医药,用作防腐剂、防毒剂、显像剂、溶剂、还原剂等。
乙炔液相水合法已有60多年的工业化历史,至今工业化还在采用,该法以乙炔为原料,在硫酸溶液用高价汞盐为催化剂,乙炔与水直接反应生成乙醛,可以得到高纯度、高产率的乙醛。
但有三个缺点:
一是需要使用毒性大、价格昂贵的汞盐做催化剂,有损生产操作者的健康;二是因反应在硫酸溶液中进行,必须使用耐腐蚀的生产设备;三是催化剂稳定性差,需要庞大的催化剂再生设备。
故其发展受到限制。
虽然非汞盐催化剂气相制乙醛的方法,已进行了大量研究工作,但尚未大规模生产。
乙醇氧化脱氢法虽然技术成熟,乙醛的产量高,但其原料来源困难,故不能大规模生产。
丙烷—丁烷气相氧化制乙醛的方法,一方面受到原料产地的限制,同时氧化物比较复杂,分离困难,乙醛收率不高。
乙烯直接氧化法是直接以石油裂解乙烯为原料一步合成,原料来源丰富,工艺过程简单,反应条件温和,选择性高,易于实现工业化,是生产乙醛最经济的一种方法。
乙烯液相氧化法制乙醛是六十年代的新工艺,是目前公认的最经济的方法。
乙烯直接氧化法是将乙烯和空气(或氧气)通入氯化钯和氯化铜的盐酸溶液中,乙烯氧化而成乙醛。
这种方法流程简单,公用设施量少,故基建费用省;原料乙烯的来源丰富,价格便宜,处理、贮运安全;反应的选择性良好,副产物醋酸、草酸、高级醛和酮类,氯化烃类生成量少;乙醛的收率高(90-95%)。
其最大缺点是盐酸的腐蚀性大,需用钛合金钢设备。
目前世界上主要有两条生产乙醛的工艺路线,一条是以乙醇为原料,经催化氧化生产乙醛;另一条是以乙烯为原料进行催化氧化反应生产乙醛。
国际上几乎都采用乙烯路线生产乙醛而我国乙醇法和乙烯法两条路线都存在,但大型乙醛生产装置多数以乙烯为原料生产乙醛。
乙烯直接氧化法是直接以石油裂解乙烯为原料一步合成,原料来源丰富,工艺过程简单,反应条件温和,选择性高,易于实现工业化,是生产乙醛最经济的一种方法。
本设计在考虑了种种原因的基础上,采用了一段乙烯直接氧化法制乙醛的工艺。
第三章工艺设计说明书
3.1概述
3.1.1简介
乙醛是重要的有机化工中间体,由乙醛可以制取醋酸、醋酸酐、醋酸乙烯、2—乙基己醇、季戊四醇等。
其中制醋酸用乙醛约占总产量的一半。
由乙醛出发生产的一系列有机产品,是制取医药、农药、溶剂、合成纤维、树脂、塑料、染料、炸药、降雨剂等不可缺少的原料。
近年来,随着石油化学工业的发展和乙烯均相氧化法开发成功,乙醛的产量迅速增长,目前乙醛的年产量在200万吨以上。
工业生产乙醛的主要方法有四种:
(1)乙炔在汞盐催化作用下液相水合法:
△H=-141.52KJ/mol
(2)乙醇氧化脱氢法或者乙醇脱氢法:
△H=-242KJ/mol
上列方程中氧用量为理论量的70%左右。
(3)丙烷—丁烷气相直接氧化法:
(4)乙烯均相氧化法:
上述四种方法中,乙炔液相水合法已有60多年的工业化历史,至今工业化还在采用,该法以乙炔为原料,乙炔用电石水解得到,耗电量大,而且需要有毒的汞盐做催化剂,污染环境,故其发展受到限制。
虽然非汞盐催化剂气相制乙醛的方法,已进行了大量研究工作,但尚未大规模生产。
乙醇氧化脱氢法虽然技术成熟,乙醛的产量高,但其原料来源困难,故不能大规模生产。
丙烷—丁烷气相氧化制乙醛的方法,一方面受到原料产地的限制,同时氧化物比较复杂,分离困难,乙醛收率不高。
乙烯直接氧化法是直接以石油裂解乙烯为原料一步合成,原料来源丰富,工艺过程简单,反应条件温和,选择性高,易于实现工业化,是生产乙醛最经济的一种方法。
本设计在考虑了以上种种原因的基础上,采用了乙烯直接氧化法制乙醛的工艺。
3.1.2本地区的自然条件
平均气压760mmHg最高温度35.1℃
最低温度-10℃平均相对温度71%
最深冻土深度30cm最大降雪量420mm
平均风速3.5m/s
最高自然水温24℃
3.2产品说明
3.2.1产品名称
3.2.2产品的基本物理化学性质
1、纯乙醛是无色透明、易挥发、易燃、易流动的液体,大量乙醛有刺激性的窒息气味,少量乙醛则有苹果香味。
乙醛能与大多数有机溶剂(如:
乙醇、乙醚、苯等)以任意比例完全混合。
虽然溶解性能非常之好,但由于其本身的不稳定性及活性不能做溶剂使用。
2、乙醛的物理常数见下表(表3-1):
表3-1乙醛的物理常数
编号
常数名称
单位
数值
备注
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
分子量
液体重度
沸点
熔点
临界压力
临界温度
临界比容
液体热容
蒸汽热容
气体比热
蒸汽导热系数
熔化热
蒸汽压
蒸发热
液体粘度
生成热
水中溶解度
其他溶剂中溶解度
燃烧热
溶解热
蒸汽密度
折射线
比重
闪点
自燃点
和空气混合的爆炸极限
操作环境允许浓度
公斤/
℃
℃
大气压
℃
克/毫升
千卡/公斤·℃
千卡/公斤·℃
千卡/公斤·℃
千卡/米·时
千卡/公斤
mmHg柱
千卡/公斤
千卡/克分子
千卡/克分子
千卡/克分子
公斤/
℃
℃
w%
mg/l
44.05
779
20.3
-123.5
63.2
181.5
0.263
0.51
0.525
0.296
0.0092
17.6
760
136.2
22.6
46
∞
乙醚、苯
278.8
4.48
1.845
1.3316
0.7883
低于-20℃
156
4—51%
0.1
20℃时
10℃时
30℃时
24℃时
21℃时
-123℃
20.8℃
20℃时
在水中
25℃
3、乙醛与下列物质形成恒沸混合物(表3-2)
表3-2乙醛与下列物质形成恒沸混合物
成分
沸点
恒沸物组成
甲
乙
甲
乙
恒沸物
中甲的重量
乙醛
氯乙烷
20.8
12.2
<9
<32%
乙醛
1-3丁二烯
20.8
-4.41
50
52%
4、纯乙醛的压力与沸点的关系:
表3-3纯乙醛的压力与沸点的关系
大气压
1
2
3
4
5
沸点
20.8
44.5
58.3
68.0
75.7
注:
压力为750mmHg柱
5、由于乙醛具有碳氧双键,及氧的诱导效应,双键中的电子偏向于氧的一方面,使氧略带负电性,而碳略带正电性。
所以,在双键处可进行加成反应,及羰基上氧原子的取代反应;同时,和羰基相连的a碳原子上的氢,受羰基的影响也很活泼,使易醛氧化;与羰基相连的甲基尚可发生烃基所特有的一系列反应。
现将这三方面的化学反应分述如下:
乙醛和亚硫酸氢钠发生加成作用,生成难溶的亚硫酸氢钠加成物:
这个加成物受酸或碱的作用后,很容易再分解成原来的醛。
用这个方法可分离醛和其他有机物的混合物,将这个混合物和亚硫酸氢钠的溶液混合振荡,醛的亚硫酸氢钠加成物即结晶而出,把结晶提纯后,再使之分解就可得到纯的醛。
6、和氢氰酸的加成作用生成氰烃化物:
(2—羟基丙腈)
和丙烯腈反应得甲醛基丁腈,可做杀虫剂及制备增塑剂。
(甲醛基丁腈)
7、和氢的加成作用:
乙醛的羰基加一分子氢后,生成乙醇。
(乙醇)
8、和氨及衍生物的加成作用:
氨及胺本身可以和乙醛发生加成作用,这个反应过程经过下列步骤:
先是一分子氨和一分子乙醛作用:
这个产物中一个羟基和一个氢基同时和一个碳原子相连,因此它极不稳定,立即失去一分子水,变成不稳定的亚氨基醛。
亚氨基醛也极不稳定,三个分子立即自相缔合,生成环状的己氨,它是橡胶硫化的促进剂。
9、和氧的加成作用:
乙醛极易被氧化,在空气中放置时可以被空气中的氧气氧化,首先生成过氧醋酸,它是相当强烈的氧化剂,可以将未反应的乙醛氧化成醋酸。
在有催化剂醋酸锰存在下,此反应进行得很快,当有条件能从反应物中除去水时,也可得到醋酐。
10、和乙炔的加成作用:
在有乙炔铜存在时,在加压下乙醛与乙炔反应得到3—羟基—1—丁炔。
这一产物及易继续进行反应,例如:
用脱水的方法可由它制得乙烯基乙炔。
(乙烯基乙炔)
3.2.3产品质量标准
乙醛99.7%;水0.03%;醋酸0.01%;总氯30ppm
过氧醋酸0.01%;巴豆醛0.03%;三聚乙醛0.01%
3.2.4产品的主要用途
乙醛是重要的有机合成中间体,有乙醛可以制备醋酸、醋酐、2—乙基乙醇、季戊四醇、四聚乙醛、合成吡啶碱等,其中制醋酸用乙醛约占总产量的一半。
乙醛及其衍生物,是制取医药、农药、溶剂、合成纤维、树脂、塑料、染料、炸药、降雨剂等不可缺少的原料,由此可见,以乙醛的原料制得的一系列化工产品,直接与人们的衣食住行息息相关。
所以,乙醛作为一种重要的有机合成中间体,在国民经济中占有十分重要的地位。
3.3原材料规格
表3-4原材料规格
序号
名称
控制项目
指标
备注
1
乙烯
杂质(饱和烃、
)
乙炔
甲基乙炔
硫(以计)
界区地面入口压力
温度
露点
环境温度
低于环境温度
体积百分比
体积百分比
体积百分比
仅短时间内
2
氧气
界区地面入口压力
温度
露点
1.51巴
环境温度
低于环境温度
体积百分比
3
盐酸
燃烧残渣
重量百分比
4
液碱
重量百分比
5
脱盐水
电导率
界区地面入口压力
温度
10—30℃
6
工艺水
无机氯
质量
界面地区入口压力
温度
℃
3.4公用工程规格
表3-5公用工程规格
序号
名称
控制项目
指标
备注
1
循环
冷却水
入口温度
温升
入口压力
回水压力
氯
30℃
12℃
2巴
100—150ppm
在短期内
允许达到
32℃
2
中压
蒸汽
入口压力
温度
27—31巴
℃
3
低压
蒸汽
入口压力
温度
6—9巴
℃
4
消防水
入口压力
温度
3—4巴
冬季:
℃
夏季:
℃
5
氮气
入口压力
温度
露点
5巴
环境温度
低于环境温度
体积百分比
体积百分比
6
仪表
空气
质量
入口压力
露点
无油无尘
巴
-45℃
7
吹相
空气
入口压力
温度
6—7巴
环境温度
8
引燃气
甲烷
压力
温度
露点
1—1.5巴
环境温度
低于环境温度
重量百分比
重量百分比
3.5生产基本原理及化学反应方程式
工业上生产乙醛的主要方法是乙烯直接氧化法。
乙烯直接氧化制乙醛属于均相络合氧化,它是均相催化氧化的另一重要领域,所用的催化剂是过渡金属的络合物
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