完整版年产5万吨丙酮工艺设计毕业设计.docx
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完整版年产5万吨丙酮工艺设计毕业设计
年产5万吨丙酮工艺设计
TheProcessDesignOfProducing50ktaAcetone
目录
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
引言1
第一章总论3
1.1概述3
1.1.1丙酮的性质3
1.1.2丙酮的安全及用途4
1.2设计任务的来源4
1.3其他4
1.3.1消防措施4
1.3.2泄漏应急处理4
1.4丙酮生产技术进展5
第二章丙酮的生产工艺流程6
2.1异丙苯法生产丙酮的工艺及流程6
2.1.1烃化反应6
2.1.2氧化反应7
2.1.3提浓塔7
2.1.4分解反应釜8
2.1.5中和反应8
2.1.6粗丙酮塔8
2.1.7精丙酮塔8
第三章工艺计算9
3.1物料衡算9
3.1.1.精丙酮塔的物料衡算9
3.1.2粗丙酮塔的物料衡算9
3.1.3分解釜的物料衡算10
3.1.4中和槽的物料衡算10
3.1.5提浓塔的物料衡算11
3.1.6氧化反应的物料衡算11
3.1.7烃化反应的物料衡算12
3.2精丙酮塔能量衡算12
3.2.1再沸器的热负荷12
3.2.2冷却水用量计算14
第四章主要设备计算及选型15
4.1精馏塔的各项操作参数的确定15
4.1.1操作压力15
4.1.2汽液平衡时，x、y、t数据15
4.1.3摩尔物料物料衡算15
4.1.4温度16
4.1.5平均密度的计算16
4.1.6平均表面张力的计算18
4.1.7q线的计算19
4.1.8水和丙酮平均相对挥发度α的计算19
4.1.9回流比的确定19
4.2塔板数20
4.3塔径21
4.4塔板主要工艺尺寸的计算23
4.4.1溢流装置计算23
4.4.2塔板布置及浮阀数目与排列24
4.5体力学计算26
4.5.1气相通过浮阀塔板的压力降26
4.5.2淹塔27
4.5.3雾沫夹带28
4.6塔板负荷性能图29
4.6.1雾沫夹带线29
4.6.2液泛线30
4.6.3液相负荷上限线30
4.6.4漏液线31
4.6.5液相负荷下限线31
4.6.6负荷性能图31
4.7塔附件设计34
4.7.1接管34
4.7.2筒体与封头35
4.7.3裙座35
4.7.4吊柱35
4.7.5人孔35
4.8塔总体高度的设计35
结论37
致谢38
参考文献39
附录一40
附录二41
年产5万吨丙酮工艺设计
摘要：
丙酮是一种用途十分广泛的重要有机产品，主要用于生产醋酸纤维素胶片薄膜塑料和作为涂料的溶剂,及制备甲基丙烯酸甲酯（MMA）的上游原料和制备环氧树脂、聚碳酸酯中间体双酚A的原料。
目前世界上丙酮的生产方法有许多种，但主要方法是异丙苯法，其生产能力约占世界丙酮生产能力的90%以上。
为了满足经济发展对丙酮的需求，特此开展了年产5万吨丙酮工艺项目设计。
本文主要介绍了丙酮产品的生产经济效益，生产工艺流程及流程的选择，产品国内外的发展状况，生产过程中的物料衡算及能量衡算，主要设备的设计及部分设备的选型。
在整个设计过程中，最主要是工艺条件的合理确定及设备的设计和选型，其中通过设计计算得到精馏塔直径为1.4m，高为17.08m，精馏后得到丙酮产品为6945kgOfProducing50ktaAcetone
Abstract:
Acetonethatismainlyusedforplasticsandcoatingproductionofcelluloseacetatefilmsolentandisthepreparationofmethylmethacrylate（MMA）ofupstreamrawmaterialsandthepreparationofepoxyresin,bisphenolApolycarbonateintermediatesmaterials,isanimportantorganicproductsofaverywiderangeofapplications.Atpresent,therearemanykindsofproductionmethodsofacetoneintheworld,buttheisopropylbenzenemethodisthemainproductionofacetonemethod,whichaccountsformorethan90%ofacetoneproduction.Inordertomeettheneedsofeconomicdevelopment,wecarryouttheprocessprojectdesignof50ktaacetone.Thispapermainlyintroducestheacetoneproductioneconomicbenefit,productionprocessandtheselectionofprocess,productdevelopmentsituationattheprocessofproduction,thedesignofthemainequipmentandsomeequipmentselection.Inthedesignprocess,itismostimportanttodesignreasonableprocessconditionandselectequipment.Finallythedistillationcolumnwhichdiameterof1.4m,thecalculation.
Keywords:
Acetone;Isopropylbenzenemethod;Theprocessflow;Materialbalance;Rectifyingcolumn
引言
目前大多数丙酮是制备苯酚的副产品，是异丙苯氧化后的产物之一。
从全球丙酮消费市场看，未来几年，除丙酮氰醇、溶剂等对丙酮的需求量有不同程度的增长外，双酚A仍是最主要的消费领域（尤其是亚洲地区），其他消费增长相对较为平稳，双酚A、MMA和溶剂仍将是丙酮的三大消费领域[1]。
近年来，中国丙酮表观需求量保持着高速增长，平均增长率达到15%以上，2009年以后，随着中国乃至全球经济进入危机后的缓慢复苏阶段，终端下游需求不断回升，加之下游双酚A行业进入扩能高峰期，成为丙酮下游行业需求增长亮点之一。
除此之外，减水剂、MIBK、异丙胺等下游行业的规模化企业发展速度越来越快，中国丙酮市场需求也呈现随着中国在建丙酮装置的陆续投产，国内自给率将大大提高，市场竞争将更加激烈。
由于近几年丙酮市场需求的最大增长来自双酚A及其衍生物领域，因此建议中国新增的丙酮生产装置最好采用异丙苯法生产工艺，以避免单纯生产丙酮导致的市场过剩。
装置建设地点应充分考虑原料供应及附近市场需求，最好采用上下游配套方式，以降低生产成本，规避市场风险。
另外，在建丙酮装置的同时，企业除可配套建设双酚A装置外，还应考虑配套建设MIBK装置，努力减少双酚A产业发展可能对丙酮市场造成的不利影响。
吉化公司新建的1.5万吨年MIBK装置已投产。
目前中国仍可以考虑引进美国伊士曼公司、陶氏化学或壳牌化学公司丙酮一步法技术再建设1套2万吨年MIBK生产装置，使丙酮及其下游产品的生产实现一体化，参与国际竞争。
中国采用异丙苯法的苯酚丙酮生产装置应提高单套装置生产能力，降低生产成本，实现异丙苯苯酚丙酮双酚A一体化生产，继续开发丙酮衍生物生产工艺，拓宽丙酮应用领域。
建议采用异丙苯法生产工艺，实现异丙苯苯酚丙酮双酚A一体化生产，继续开发丙酮衍生物生产工艺，拓宽应用领域[3]-[5]。
为设计年产5万吨丙酮工艺设计，特开展了一下章节。
本文第一章主要介绍了丙酮的一些理化性质、理化参数指标及其安全消防措施。
第二章主要介绍了丙酮的生产方案及使用异丙苯法生产丙酮的详细工艺生产流程，使我们能够对异丙苯法生产丙酮有了深刻清晰的认识。
第三章主要对使用异丙苯法生产丙酮工艺流程进行了物料衡算及重要设备的能量衡算。
第四章主要对生产精制丙酮的精丙酮塔进行了塔重要设备的计算及选型，从而为绘制精丙酮设备图提供了理论的支持。
第一章总论
1.1概述：
1.1.1丙酮的性质
丙酮也称作二甲基酮，是最简单的酮，在常温下为无色透明液体，易挥发、易燃，有芳香气味。
与水、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、氯仿、乙醚及大多数油类等均能互溶，能溶解油、脂肪、树脂和橡胶等，也能溶解醋酸纤维素和硝酸纤维素，是一种重要的挥发性有机溶剂。
表1.1丙酮的理化性质参数
理化性质
数据指标
化学式
CH3COCH3
摩尔质量（g.mol-1）
58.08
熔点（℃）
-94.9℃（178.2K）
相对密度（水=1）
0.80
沸点（℃）
56.53℃（178.2K）
相对蒸气密度（空气=1）
2.00
饱和蒸气压（kPa）
53.32（39.5℃）
燃烧热（kJmol）
1788.7
临界温度（℃）
235.5
临界压力（MPa）
4.72
辛醇水分配系数的对数值
-0.24
闪点（℃）
-20
爆炸上限%（VV）
23.0
引燃温度（℃）
465
爆炸下限%（VV）
2.5
溶解性
水、乙醇等有机溶剂
PKa
19.2
1.1.2丙酮的安全及用途：
丙酮对人体具有肝毒性，对于黏膜有一定的刺激性，吸入其蒸气后可引起头痛，支气管炎等症状。
如果大量吸入，还可能失去知觉。
日常生活中主要用于脱脂，脱水，固定等等。
在血液和尿液中为重要检测项目。
有些癌症患者尿样丙酮水平会异常升高。
采用低碳水化合物食物疗法减肥的人血液、尿液中的丙酮浓度也异常地高。
丙酮与氯仿不应混合（特别是在碱性环境下），两者会发生剧烈的放热反应，若混合可能导致强烈爆炸。
最常见的用途是用作卸除指甲油的去光水，以及油漆的稀释剂；同时可作为有机溶剂，应用于医药、油漆、塑料、火药、树脂、橡胶、照相软片等行业。
在工业上应用于制造双酚A、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙酮氰醇、甲基异丁基酮等产品，以及塑胶、纤维、药物及其他化学物质。
自然界中亦存在天然的丙酮，人体内也含有少量的丙酮。
在建材方面，主要作为脂肪族减水剂的主要原料。
1.2设计任务的来源
由指导老师指定的课题
1.3其他
1.3.1消防措施
危险特性：
其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸。
与氧化剂能发生强烈反应。
其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。
若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。
有害燃烧产物：
一氧化碳、二氧化碳。
灭火方法：
尽可能将容器从火场移至空旷处。
喷水保持火场容器冷却，直至灭火结束。
处在火场中的容器若已变色或从安全泄压装置中产生声音，必须马上撤离。
灭火剂：
抗溶性泡沫、二氧化碳、干粉、砂土。
用水灭火无效。
1.3.2泄漏应急处理
应急处理：
迅速撤离泄漏污染区人员至安全区，并进行隔离，严格限制出入。
切断火源。
建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿防静电工作服。
尽可能切断泄漏源。
防止流入下水道、排洪沟等限制性空间。
小量泄漏：
用砂土或其它不燃材料吸附或吸收。
也可以用大量水冲洗，洗水稀释后放入废水系统。
大量泄漏：
构筑围堤或挖坑收容。
用泡沫覆盖，降低蒸气灾害。
用防爆泵转移至槽车或专用收集器内，回收或运至废物处理场所处置。
1.4丙酮生产技术进展
目前，世界上丙酮最主要的生产方法为异丙苯法，此外还有粮食发酵法、异丙醇脱氢法、丙烯直接氧化法（wacker法）、醋酸副产法以及乙炔水合法等。
粮食发酵法是以谷物、山芋干或糖蜜等为原料，经粉碎、加水制成发酵液，经高压蒸汽灭菌后冷却，然后接入纯丙酮-丁醇菌种进行发酵，发酵液经精馏可得到质量比为3:
6:
1的商品丙酮、丁醇和乙醇。
由于技术落后，生产成本高，目前该法在发达国家已经被淘汰，但在发展中国家仍占有一定的比重。
异丙醇脱氢法曾是世界上最主要的丙酮生产方法，它以异丙醇-水共沸物（来自丙烯水合制异丙醇装置）为原料，在锌-铜催化剂的作用下，发生脱氢反应，产物经分离提纯后得到丙酮产品。
由于成本原因该法逐渐被异丙苯法所替代。
丙烯直接氧化法是以氧气为氧化剂，氯化钯-氯化铜为催化剂，丙烯原料经液相氧化合成丙酮，并副产丙醛和氯代丙酮。
该方法主要被日本部分企业采用，但由于设备腐蚀严重，未能获得大规模发展应用。
异丙苯法是最为经济的丙酮生产方法，目前世界上约90%的丙酮是通过该方法生产的，丙酮是生产苯酚的联产品。
其主要技术授权公司为KBR公司、日本三井化学公司和美国UOP公司。
异丙苯法生产丙酮包括异丙苯合成、异丙苯氧化、过氧化异丙苯提浓、分解和中和、产品精制副产回收、废水处理等工序。
主要过程涉及丙烯与苯在磷酸或沸石分子筛存在下发生反应生成异丙苯，异丙苯再在液相下被氧化生成过氧化氢异丙苯，过氧化氢异丙苯再在硫酸存在下分解得到苯酚和丙酮。
异丙苯法工艺具有产品质量高、原料和能源消耗低等优点。
第二章丙酮的生产工艺流程
2.1异丙苯法生产丙酮的工艺及流程
本设计采用较为先进的异丙苯法工艺主要是以新鲜苯和丙烯为原料，在YSBH分子筛催化剂作用下，通过烃化反应生产异丙苯，再用空气中的氧气将异丙苯氧化为过氧化氢异丙苯（CHP），然后以硫酸作催化剂，将过氧化氢异丙苯分解生产苯酚和丙酮，经精制得到酮产品[6]-[7]。
丙酮的生产工艺流程图:
1烃化反应；2氧化反应；3提浓塔；4分解釜；5中和槽；6粗丙酮；7精丙酮塔
图2.1异丙苯法生产丙酮工艺流程图
2.1.1烃化反应：
CH3-CH=CH3+（2-1）
1.烃化反应的影响因素：
（1）反应温度：
烃化反应是放热反应，温度对反应速度影响明显，温度每升高一度反应速度加快一倍，但是副反应速度也加快，所以综合考虑反应温度控制在160摄氏度左右。
（2）苯烯比：
一般要求苯要过量，否则副产物就会增多，但是当苯的用量过大时就会增加生产成本，一般取苯烯比为4:
1。
（3）反应压力：
一般3.0MPa。
（4）原料的纯度：
纯度主要是影响催化剂的使用寿命及使用周期，要尽量提高原料的纯度。
2.该流程中存在的危险因素：
（1）苯与丙烯是在高温高压的条件下反应的，而且反应物易燃易爆，在此存在高温高压联锁保护装置，当压力过高时就启动联锁装置自动放空防止爆炸；当温度过高将自动联锁停止加热并进行冷却降温。
（2）因为此反应要求苯必须过量，流量控制器跟相应的联锁装置相连，当苯的量不足时就会通过联锁中断乙烯的加入，终止反应。
（3）对于冷却器如果停止工作或是检修之后忘记打开，会引起严重的事故。
2.1.2氧化反应：
+O2（2-2）
1.反应温度，控制反应温度是为了控制反应深度，反应太深副产物会相应增加，而在常温下又不反应，一般控制温度为30~35℃。
2.反应压力，一般为0.3MPa。
3.反应浓度，当浓度升高时反应速度加快，但是当反应浓度太高了又会发生自分解反应生成苯酚和丙酮，所以反应浓度不能太高。
4.反应介质酸度，PH过高会发生碱式复分解反应，所以PH一般控制为3.5~4.5。
5.物料纯度，主要是要保证氧气和异丙苯的纯度。
2.1.3提浓塔
生成30%的过氧化氢异丙苯浓度比较低不易于反应，所以要用减压提浓塔提浓到87%，压力应为40mmHg以下，温度为90℃。
2.1.4分解反应釜
提浓后的CHP以硫酸为催化剂．在分解反应釜分解生成苯酚、丙酮。
+（2-3）
1.硫酸的用量，分解液中硫酸的浓度应该小于等于503ppm。
2.反应温度控制在80℃左右，保证分解液残留的过氧化氢异丙苯在0.2%以下。
3.停留时间，取决于反应规模的大小，时间过长易发生副反应。
4.水的含量，水主要用于循环冷却和作为浓硫酸的稀释剂，水的总含量要在0.5%以下，如果水的含量升高将会抑制分解反应，过氧化氢异丙苯在反应器中积累，过氧化氢异丙苯短时间内反应放出大量的热，热量积累压力升高很容易引发爆炸。
5.CHP的分解率在99.00%以上。
2.1.5中和反应
含有残酸的分解液进入中和槽中，而中和槽连接有PH控制装置，对其PH进行严格控制，并设有联锁保护，水洗分解液是通过激泵在中和槽循环的，要求泵要有良好的抗腐蚀性能，泵被腐蚀后会发生泄漏或是喷溅产生对人体的伤害，所以要加强对泵的检测和维修。
2.1.6粗丙酮塔
从中和槽流出的混合液中含有丙酮、苯酚、异丙苯等的水溶液，要经粗丙酮塔进行切割分离,富含丙酮的轻组分自塔顶采出,进入丙酮精制塔进行丙酮精制,而富含苯酚等的重组分自粗丙酮塔塔底采出,经粗苯酚塔、脱烃塔和苯酚精制塔得到产品苯酚。
塔顶温度控制在88℃左右，压力控制在0.12MPa左右；塔底温度控制在102℃左右，压力控制在0.20MPa左右。
2.1.7精丙酮塔
从粗丙酮塔塔顶采出的丙酮气体及蒸汽（计算中可忽略不计），要经精丙酮塔减压精馏进一步精制才能得到符合市场需求的合格产品。
其塔顶温度控制在54℃左右，压力控制在0.055MPa左右；塔底温度控制在75℃左右，压力控制在0.101MPa左右。
第三章工艺计算
3.1物料衡算
3.1.1精丙酮塔的物料衡算
设计任务，丙酮的年生产能力为50kta,按年工作工作日为300天，每天24小时连续生产计，则每小时生产产品流量为：
由F=D+W；FXF=DXD+WXW;
XF——进料时丙酮所占的质量分数，XF=0.7237；
XD——出料时丙酮所占的质量分数，XD=0.9980；
XW——釜液中丙酮所占的质量分数，XW=0.0025；
D=6945kg=1.450.86=1.25
L=R·D=1.25×119.34=149.18kmol=0.40m3s
操作弹性=
图4.7提馏段负荷性能图
从图中得：
VSmax=2.45m3s，VSmin=0.51m3s
操作弹性=
4.4浮阀塔工艺设计表
项目
符号
单位
计算数据
备注
精馏段
提馏段
塔径
D
m
1.4
1.4
板间距
HT
m
0.40
0.40
塔板类型
单溢流弓形降液管
分块式塔板
空塔气速
u
ms
1.12
0.90
堰长
lw
m
0.924
0.924
堰高
hw
m
0.4998
0.4998
板上液层高度
m
0.06
0.06
降液管底隙高
h0
m
0.02
0.02
浮阀数
N
83
83
等腰三角形叉排
阀孔气速
u0
ms
8.72
11.6
同一横排孔心距
浮阀动能因子
F0
11
11
相邻横排中心距离
临界阀孔气速
u0c
ms
8.8
12.1
孔心距
t
m
0.075
0.075
排间距
t′
m
0.085
0.085
单板压降
Δpf
Pa
627
625
液体在降液管内停留时间
θ
s
6.25
6.96
降液管内清液层高度
Hd
m
0.1564
0.136
泛点率
%
66.53
60.35
气相负荷上限
（Vs）max
m3s
2.53
3.37
雾沫夹带控制
气相负荷下限
（Vs）min
m3s
0.3786
0.5034
漏液控制
操作弹性
5.3
4.80
4.7塔附件设计
4.7.1接管
1.进料管
进料管的结构类型很多，有直管进料管，弯管进料管，本设计采用直管进料管。
管径计算：
D=，（4-10）
取uF=0.62ms，
VS=0.0031m3s
D=
查表取
2.回流管
采用直管回流管，D=，（4-11）
取uF=0.55ms,Vs=0.00087m3s
D=
查表取45×5
3.塔顶气体出料管
取uv=1.06ms，直管出料，Vv=0.0030m3s
D=
查表取60×5
4.塔底出料管
取直管出气，取出口管Vs=0.0007m3s
uw=0.44ms,则D=
查表取
4.7.2筒体与封头
1.筒体为外压容器，临界压力为0.15MPa,因为为长圆筒，稳定安全系数m=3，
所用材质为16MnR,其弹性模量Et=186.4×103Mpa,则计算厚度
，厚度附加量C=2mm,
即选用为14mm厚度的16MnR钢板。
2.封头
封头分为椭圆形封头，曲面高度为300mm,直边高度40mm、内壁为6mm.
4.7.3裙座
塔底常用裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式，为了制作方便，一般采用圆筒形。
由于群座内径>800mm,故群座壁厚取16mm。
基础环内经：
1560mm；基础环外经：
1800mm。
基础环厚度，考虑到腐蚀余量，腐蚀余量取18mm，考虑到再沸器，群座高度取3m，地角螺栓直径取30mm.
4.7.4吊柱
对于较高的室外无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，既经济又方便的一项措施，一般取15m以上的塔物设吊柱，本设计中高度大，因此设吊柱。
因设计塔径D=2000mm，可选用吊柱L=3000mm，材料选用Q235.
4.7.5人孔
塔底与塔顶各一个人孔，每个孔直径为450mm，在设置人孔处，板间距为600mm，裙座上应开设2个人孔，直径450mm，人孔慎入塔内部应与他内壁修平，其边缘需倒装和磨圆，人孔法兰的密封形状及垫片用材，一般与塔的接管法兰相同。
4.8塔总体高度的设计
4.8.1塔的顶部空间高度
塔顶部的空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，顶部空间高度为1500mm
4.8.2塔的底部空间高度
塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底封头的直线距离，釜液停留时间取1500mm
4.8.3塔立体高度的计算
结论
本设计采用异丙苯法工艺生产丙酮，异丙苯法生产丙酮以石油化工产品中的苯和丙烯为原料进行合成设计。
反应流程分为七个步骤：
1.苯和丙烯经过复杂的烃化反应生成异丙苯；
2.异丙苯与空气在催化剂的作用下生成30%的过氧化氢异丙苯（CHP）;
3.生成的CHP经过提浓塔进一步提浓除去异丙苯，达到87%CHP；
4.提浓后的CHP进入分解反应釜中，在以硫酸作为催化剂的作用下生成丙酮和苯酚；
5.分解液要经过中和槽以中和硫酸和分解液稀释，为之后的精馏作准备；
6.中和后的混合液在粗丙酮塔中脱出苯酚等重组分，丙酮水溶液从塔顶馏出；
7.丙酮水溶液经精丙酮塔精馏除去水分，丙酮从塔顶馏出合格丙酮。
本设计主要对精制阶段的精丙酮塔进行塔体设计和选型，丙酮精制采用减压精馏，塔板采用复合微型孔浮阀塔板。
1.精丙酮塔进料方式为过热蒸汽进料q=-0.20,进料温度为88℃，丙酮塔顶馏出，馏出产品为99.80%的合格丙酮。
2.精丙酮塔塔径为D=1.40m,塔高17.08m.
3.浮阀塔板板间距为0.4m.塔板数为26块，
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