【正文】 乙醛氧化法屬傳統(tǒng)方法，用該法生產(chǎn) 1t乙酸耗糧食 2t，成本高，規(guī)模小，該工藝生產(chǎn)路線在發(fā)達國家已經(jīng)被淘汰，在發(fā)展中國家仍有應用，但最終隨著乙酸工藝技術的發(fā)展而取代。乙炔 乙醛氧化法因為需要使用 硫酸汞作為催化劑，存在嚴重的汞污染，故該法在國外已經(jīng)被淘汰，國內(nèi)尚有 萬 t/a裝置能力，已處于半停產(chǎn)狀態(tài)，不久也將會被淘汰。乙烯 乙醛氧化法在 20 世紀 60 年代發(fā)展迅速，但因為該法所利用的自然資源限于石油，其技術經(jīng)濟指標不及用甲醇碳化工藝，國外利用該工藝建成的生產(chǎn)裝置已全部停產(chǎn)，但在我國仍在應用，因此該方法沒有得到更大發(fā)展 ??4 。 甲醇羰基化工藝，當裝置規(guī)模向超大型發(fā)展時能顯示其突出的經(jīng)濟性，一旦建廠，產(chǎn)量對市場的沖擊性很大，在市場需求十分巨大的地區(qū)，甲醇羰 基化工藝是首選目標。該工藝有高壓法和低壓法兩種技術。本設計采用低壓法甲醇羰基化工藝，該工藝以碘化銠為催化劑，工藝反應條件溫和，收率高，生產(chǎn)成本低 ??5 。 本設計引用乙醛氧化法生產(chǎn)工藝。 乙醛氧化法在孟山都法商業(yè)生產(chǎn)之前，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，此法仍然是第二種工業(yè)制乙酸的方法。 原料及產(chǎn)品規(guī)格 原料：乙醛 乙醛含量 ≥ % 水含量≤ % 產(chǎn)品規(guī)格： 乙酸含量 % ≥ 99 wt% 三廢處理 廢氣處理 廢氣中主要成分為一氧化碳，可直接焚燒或通過變壓吸附裝置回收一氧化碳后焚燒。經(jīng)處理后的廢氣符合國家現(xiàn)行排放標準。 廢水處理 間歇排放的少量廢水，這是設備、管道檢修時的沖洗液及地面沖洗水，這些含醋酸的廢水經(jīng)一級中和處理后，送廢水處理站，經(jīng)生化處理后達到排放標準。 北京理工大學珠海學院 2020屆本科生畢業(yè)設計 3 廢液量也很少，廢液中含有有機組分，主要含醋酸、丙酸，可送去綜合利用或送焚燒站焚燒。 確定方案 設計依據(jù) 醋酸生產(chǎn)消耗定額見表 11 表 11 消耗定額 名稱 單耗（每噸醋酸） 乙醛 氧氣 冷卻水 醋酸錳 770kg 260m3 250m3 2kg 本設計依據(jù)教科書實例，結(jié)合現(xiàn)在乙酸工業(yè)實際，提出設計要求，對通過分析做出理論計算，為工業(yè)設計人員提供理論上的設計依據(jù)。 設計方法 本設計在給定的已知條件下采用簡捷計算法，設計出符合要求的篩板式連續(xù)精餾塔。 設計流程 本設計采用連續(xù)精餾，氧化液連續(xù)流入蒸發(fā)器 1，在 120 度 到 125 度氣化，醋酸錳和焦油狀高沸物雜質(zhì)則留存器底，定期清除。蒸 發(fā)器 1 蒸出乙酸蒸汽，連續(xù)進入脫低沸物塔 2，該塔塔板數(shù)約 50 塊，在塔內(nèi)主要是將氧化液中低沸物如乙醛，甲酸，乙酸甲酯和水蒸出。塔頂裝有回流冷凝器 3，自動調(diào)節(jié)冷凝器的水量。未冷凝的氣體進入乙酸回收系統(tǒng)。塔底的乙酸含有少量的高沸物和微量的低沸物。經(jīng)過調(diào)節(jié)后，以穩(wěn)定的流量連續(xù)地進入脫高沸物塔。其塔頂也裝有回流冷凝器 3，自動調(diào)節(jié)冷卻水的水量，以控制溫度。冷凝的乙酸，部分回流入塔，部分作為產(chǎn)品送往貯槽。該塔塔底脫出高沸點物 ??1 。 圖 11 本設計的簡易流程示意圖 北京理工大學珠海學院 2020屆本科生畢業(yè)設計 4 操作條件的確定 塔板類型的選取 由于粗醋酸的腐蝕性較強，板式塔塔板更易被腐蝕，但隨著化學工業(yè)不斷發(fā)展，新的耐腐蝕材料不斷研制成功，在醋酸生產(chǎn)中有的采用了板式塔。板式塔的生產(chǎn)能力高，在高壓下，板式塔的分離效率優(yōu)于填料塔，結(jié)構簡單，造價低廉，易于操作。 塔板的類型一般有泡罩塔，篩板塔，浮閥塔，斜孔塔等，本設計選取篩孔塔板，其結(jié)構簡單，造價低；板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高。但其也有不足的 地方，篩孔易堵塞，不宜處理易結(jié)焦和粘度大的物料。 進料狀態(tài) 采用泡點進料，不僅對穩(wěn)定塔操作較為方便，且不受季節(jié)溫度影響。綜合考慮，本設計采用泡點進料。泡點進料時，基于恒摩爾流假定，精餾段和提鎦段上升蒸汽的摩爾流量相等，故精餾段和提鎦段塔徑相等，制造上較為方便。 加熱方式的選擇 間接蒸汽加熱是通過加熱器使釜液部分汽化。上升蒸汽與回流下來的冷液進行傳質(zhì)，其優(yōu)點是使釜液部分汽化，維持原來的濃度，以減少理論塔板數(shù)。但其缺點只是增加了加熱裝置。本設計采用間接蒸汽加熱。 北京理工大學珠海學院 2020屆本科生畢業(yè)設計 5 2 精餾塔的工 藝計算 物性數(shù)據(jù) 粗醋酸中各組分的物理性質(zhì) 表 21 粗醋酸各組分的物理常數(shù) 物品名稱 分 子 式 分子量 沸點，℃， 臨界溫度，℃ 臨界壓強， Mpa 醋 酸 CH3COOH 60 321 甲 酸 HCOOH 46 — — 乙 醛 CH3CHO 44 188 醋酸錳 Mn(CH3COO)2 — — — 水 H2O 18 100 醋酸甲酯 CH3COOCH3 74 三聚乙醛 (CH3CHO)3 132 — — 亞乙基二醋酸酯 CH3CH(OCOCH3)2 146 — — 醋酸水溶液氣 液平衡關系表 ??1 表 22醋酸水溶液氣 液平衡關系表 ??1 醋酸，分子 % 溫度 t/℃ 醋酸，分子 % 溫度 t/℃ 液相 氣相 液相 氣相 0 0 100 100 100 水和醋酸的安托尼常數(shù) tCBAP ???0lg 表 23 水和醋酸的安托尼常數(shù) 北京理工大學珠海學院 2020屆本科生畢業(yè)設計 6 常數(shù) A B C 水 醋酸 7. 07406 6. 42452 1657. 46 1479. 02 227. 02 216. 82 物料平衡 年產(chǎn) 萬噸 /年乙酸，工作日 330天。一年相當于 7920 小時。 則每小時生產(chǎn)乙酸 202001000kg/7920=根據(jù)消耗定額得每小時乙醛進料量為： 1000/770=則 m 乙醛 =所以選擇乙醛每小時進料量為 2020kg/h （ 1）氧化塔物料衡算中的已知數(shù)據(jù) ① 每小時通入氧化塔的乙醛量為 10000kg/h ② 氧化過程中乙醛總轉(zhuǎn)化率為 99. 3% ③ 氧化過程中氧的利用率為 98. 4% ④ 氧化塔塔頂補充的工業(yè)氮使其濃度達到 45% ⑤ 未轉(zhuǎn)化的乙醛在氣液相中的分配率（體積 %） 氣相： 34% 液相： 66% ⑥ 原料組成見表 24 表 24 原料組成 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 氮氣 2 氮氣 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料乙醛重量的 0. 08% ⑦氧化過程中乙醛的分配率 主反應 CO O HCHOCH OCH323 21 ?? 96% 北京理工大學珠海學院 2020屆本科生畢業(yè)設計 7 副反應 OHCOC O O HCHH C O OHOC H OCH 22323 233 ????? 1. 4% ? ? OHO C O C HCHCHOC H OCH 2233233 ??? 0. 25% OHCOCO O CHCHOCH OCH223323 232 ???? 0. 95% OHCOOC H OCH 2223 4452 ??? 1. 4% （ 2） 反應式衡算 純乙醛量： 202099. 5%=1990kg ① 主反應 CO O HCHOCH OCH323 21 ?? 96% a. 乙醛用量： 19900. 9930. 96= b. 需用氧量 (x) 44:16=:x x= c. 生成醋酸量 (y) 44:60=:y y= ② 副反應 OHCOC O O HCHH C O OHOC H OCH 22323 233 ????? 1. 4% a. 乙 醛用量： 19900. 9930. 014= b. 需用氧量 (x) 132:96=:x x= c. 生成醋酸量 (y) 132:120=:y y= d. 生成甲酸量 (z) 132:46=:z z= e. 生成水量 (w) 132:18=:w w= f. 生成二氧化碳量 (v) 132:44=:v v= ③ 副反應 ? ? OHO C O C HCHCHOC H OCH 2233233 ??? 0. 25% a. 乙醛用量： 19900. 9930. 0025= b. 需用氧量 (x) 132:32=:x x= c. 生成亞乙基二醋酸量 (y) 132:146=:y y= d. 生成水量 (z) 132:18=:z z= ④ 副反應 OHCOCO O CHCHOCH OCH223323 232 ???? 0. 95% ： 19900. 9930. 0095= (x) 88:48=:x x= (y) 88:74=:y y= (z) 88:44=:z z= (w) 88:18=:w w= ⑤ 副反應 OHCOOC H OCH 2223 4452 ??? 1. 4% 北京理工大學珠海學院 2020屆本科生畢業(yè)設計 8 ： 19900. 9930. 014= (x) 88:160=:x x= (y) 88:72=:y y= (z) 88:176=:z z= 根據(jù)反應式衡算出來的反應物總耗量及反應生成物總量如下： ① 反應掉的乙醛總量 20200. 9950. 993= ② 未轉(zhuǎn)化的乙醛量 20200. 9950. 007= （其 中液相中乙醛含量 0. 66= 氣相中乙醛含量 0. 34=） ③ 反應掉的氧氣總量 ++++= 則所需工業(yè)氧氣量 （ *） = 其中： 氧氣 =0. 98= 氮氣 =0. 02= 所以未反應的氧氣 == ④ 反應生 成物重量 醋酸： += 二氧化碳： ++= 水： +++= 甲酸： 亞乙基二醋酸酯： 醋酸甲酯： （ 4）催化劑用量 已知催化劑溶液中醋酸錳用量為氧化塔進料乙醛重量的 %，催化劑中醋酸錳的含量為 10%，設催化劑溶液用量為 x (2020+x)= x=