年产3万吨乙烯催化氧化生成乙醛实用工艺设计.docx
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年产3万吨乙烯催化氧化生成乙醛实用工艺设计
*****课程设计
程名称
化工工艺课设
业班级生姓名级序号导教师
1.综述1
1.1产品性能介绍1
1.2产品需求1
1.3生产方法2
1.3.1乙快水化法2
1.3.2乙醇氧化法4
1.3.3烷煌直接氧化法5
1.4流程叙述7
1.4.1反应岗位7
1.4.2精微岗位8
1.4.3再生岗位9
2设计工艺计算10
2.1原材料和成品的技术规格10
2.1.1原材料10
2.1.2成品10
2.1.3生产指标11
2.1.4生产规模11
2.1.5原料来源11
2.1.6生产制度11
2.2物料衡算11
2.2.1基础计算11
2.2.2冷凝器的物料衡算14
2.2热量衡算17
2.2.1.反应热17
2.2.2凝器热量衡算18
2.3设备计算20
2.3.1基础数据20
2.3.2纯醛冷凝器设备计算20
4.冷凝器设备CAD21
4.1装配图22
4.2附件及剖面图23
4.3工艺流程图24
参考文献25
附录26
乙烯催化氧化生成乙醛工艺设计
1.综述
1.1产品性能介绍
乙醛（acetaldehyde）是一种醛，又名醋醛，无色易流动液体，有刺激性气味。
熔点—121C,沸点20.8C,相对密度小于1。
可与水和乙醇等一些有机物质互溶。
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）。
天
然存在于圆柚、梨子、苹果、覆盆子、草莓、菠萝、干酪、咖啡、橙汁、朗姆酒中。
具有辛辣、醴样气味，稀释后具有果香、咖啡香、酒香、青香。
乙醛也是一种重要的姓类衍生物，在合成工业上也是一种重要的中间体，其本身几乎没有直接的用途，完全取决于市场对它的下游产品的需求及下游产品对生产路线的选择，主要用于醋酸、醋酊、醋酸乙烯等重要的基本有机化工产品。
但是随着科技的发展,原来完全以乙醛为原料的化工产品（如醋酸）可能会改变原料路线和生产方法乙醛下游产品的市场也会发生变化，乙醛下游产品的开发会出现一些全新的产品。
1.2产品需求
国内乙醛生产方法有乙烯氧化法、乙醇氧化法和乙烘氧化，法烷姓直接氧化四种技术路线。
生产的乙醛绝大多数都用于生产醋酸的原料，只有少量用于生产季戊四醇、醋酊、丁醇、丁酸、过氧醋酸等产品。
可以说国内乙醛的下游产品在某种意义上说就是乙醛经醋酸而生产的下游产品。
据1994年出版的《中国化学工业统计信息》报道，1993年吉化公司等12家的乙醛产量为26.7万吨，估计国内总生产能力可达到30多万吨。
然而总体来说我国醋酸生产装置数量多，装置能力小，据1993年统计，我国
醋酸的总生产能力为47.26万吨，1992年产量为44.37万吨，其中乙烯法约占64%,酒精法约占33%,乙快法约占3.2%。
但由于醋酸下游产品的需求量巨大，有人预计今后几十年内我国醋酸市场将日趋紧俏，因而改进装置提高乙醛生产能力，从而增大
醋酸产量以成当务之急。
另外，以乙醛为原料生产其它产品的工艺在我国仍为得到较大发展，如国内已生产的乙醛下游产品，除了醋酸系列产品外，还有季戊四醇、丁烯醛、丁酸、三氧乙醛等产品，但相对来看产量很少。
在我国，季戊四醇的乙醛消耗量
占第二位，但产量和装置能力都较低。
1992年季戊四醇的实际产量为13243吨，耗乙醛约为5300吨，只占乙醛总产量的1.7%。
但是可以预计随着该类产品的走俏，作为原料的乙醛需求量越来越大[1]o
1.3生产方法
乙醛的生产有三种，分别是乙快水化法、乙醇氧化法、乙烯络合氧化法。
1.3.1乙快水化法
在高汞离子或磷酸钙存在下，乙快与水进行加成反应即生成乙醛。
反应式为：
CHCH（g）除O（l）CHCHO（l）
（1）
乙快水合法生产乙醛是一种古老的方法，我国目前基本没有用此法生产乙醛。
该
法分为汞法和非汞法两种，汞法生产一吨乙醛要消耗0.8公斤金属汞，汞蒸汽会逸出会严重危害身体健康，污染环境。
因此以前一般都用非汞法，是以可、磷酸钙为催化剂，并且以天然气乙快为原料，采用多层塔式固定床反应器，但方法的催化剂中的镉剧毒，且强度差，消耗高，生产成本高。
乙快水合法不需要贵金属把催化剂和制氧设备及种耐酸材料，生产规模可大可小，在有天然气或煤炭和水电资源的地区因地制宜地采用乙快水合法生产乙醛在技术经济上仍然站得住。
1.德国方法是被广泛采用的方法，其反应基本上是在常压及90~100C的温度下进行。
在此过程中，除乙快水合生成乙醛外，不可避免地还有一些副产物伴生。
其中特别需要加以控制，否则将会影响乙醛产率的是乙醛氧化成乙酸及乙醛精合（继而脱水）成丁烯醛（及树脂状物）。
这一方法存在一些缺点，主要有：
（1）在反应过程中使用大量的乙快进行循环，一方面易使催化剂中毒，另方面有可能增加乙快及乙醛的揖失；
（2）反应放出的热量为乙醛、乙快及水蒸汽等移出反应系杭而散失，在提汉晨乙醛时又再施以大量热能进行精韶；
（3）如果乙醛的精微于常压下进行，Rlj还需要冷冻冷凝；
（4）流程相当复杂。
2.窒素方法为克服德国方法存在的缺点，才研究成功并发展了窒素方概这一方法乃基于下列事实：
（1）乙快水合是一剧烈的放热反应,生成每克分子乙醛具反应热为3.37千卡
（2）由于乙醛一水的二元混合物的汽液祖成分布很竟，因此用蛟小的迥流此郎可借精貂而分离之。
这就表明，用蛟少的热量良p能达到乙醛提浪的目的。
窒素方法的工艺流程如图所示。
7
图一窒素方法的工艺流程图
1-反应塔；2-洗涤塔；3-闪蒸器；4-分凝塔；
5-精微塔；6-冷凝器；7-受器。
将适量乙快通入盛有催化溶液的反应塔中进行反应，反应温度为68~73C,反应
压力为1.4~1.5公斤/厘米。
在此条件下，乙快基本上完全转化。
乙快中含有的少许惰性气体通过洗涤塔进行洗涤后，散逸于大气中。
反应所用的催化溶液耀洗滁塔而于反应塔的上部加入。
含有1.5~2%乙醛的催化溶液，即所谓母液进入闪蒸器，在此借真空及母液的显热而急闪蒸发，逸出的蒸气中含有70%以重量舒）的乙醛。
已被分离掉60%乙醛而温度低于反应温度5c的母液，重新返回反应塔，以便循环利用。
从闪蒸器出来的蒸气进入分凝塔中，部份水被冷凝，同时蒸气的温度降至35Co这时蒸气中乙醛的含量提高到86%
离开分凝塔的蒸气经加压至2.5公斤/厘米2,后进入精储塔。
借蒸气本身的潜热及压缩产生的热量作为精储操作的热源。
由于乙醛与水易于分离，精储时所需回流比不大，故并不再需要外界供热。
止匕外，由于精储系统在2.5公斤/厘米2的压力下进行，这时，乙醛的液化温度为45C,故其冷凝用普通冷却永即能实现之。
总括起来，窒素方法具有下列优点：
（1）不使用过量乙快，故取消了乙快的循环操作；
（2）反应温度低，故副反应少，产率高；
（3）借真空急闪蒸发及加压精储，使反应热先移出而后再利用；
（4）操作中不用冷冻冷凝；
（5）流程筒单，设备少，乙快不循环，故乙快的机械及操作损失小。
当然亦存在一些问题：
由于温度低，又不用过量乙快，故反应速度较慢，为弥补这一缺点，就必须设计较大的反应装置。
1.3.2乙醇氧化法
该反应是在铜一锌一铭为催化剂，温度为310c下氧化制得。
反应式如下2CH3CH2OHO2Cu,加热2CH3CHO2H2O⑵
乙醇氧化或脱氢制乙醛工艺都是传统的乙醛生产方法。
经典的乙醇氧化法占多数，
它是采用银催化剂，反应温度为550~580C,单程收率70~75%选择性95流右，乙醇单耗为1.1~1.28吨/乙醛。
乙醇氧化是强放热反应，避免乙醛在高温下发生分解和能量回收是目前乙醛生产的重要关键之一。
从化学反应可看出，铜一锌一铭催化体系的乙醇脱氢制乙醛工艺，反应温度低（310C以下），乙醛不易发生热分解，乙醛收率比氧化法高，同时付产有经济价值的氢。
A.M.Eopucom等推荐用含78~86（重量％率化铜和21~14（重量％）氧化铭组成的铭酸铜为催化剂。
反应温度在260~320C,压力在1.1~1.5大气压，原料体积连率3~9/时条件下脱氢。
采用①32毫米的脱氢反应管，装有120毫升铭酸铜催化剂，生产能力为1800~2000克/升催化剂•时。
①57x2.5毫米的脱氢反应管总共有250根，装有880升催化剂，生产能力为465~520克/升催化剂•时。
在稳定操作条件下，催化剂使用了7797~9049时。
R.M.Moorijanl共试制了15种负载型催化剂，并测定了它们的活性、选择性和寿命。
所用载体分别为磁器粘土、硅胶、硅藻土、泡砂石、合成滤石、玻璃沙、原砂等。
催化剂有效成份为铜，助催化剂为锲或铭。
1.3.3烷炫直接氧化法
本设计采用第三种方法即乙烯络合氧化法，本工段选用一段法直接氧化成乙醛，其反应原理如下为：
总反应式为：
i
C2H4pdcl2,cucl2CH3CHO（3）
2
事实上，该反应是通过几个反应步骤进行的：
毅化反应：
C2H4PdCl2H2OCH3CHOPd2HCl（4）
金属氧化反应：
Pd2CuCl2H2OPdCl22CuCl（5）
12CuCl2HClO22CuCl2H2O（6）
2
在这个反应中，按照生成乙醛数量，氯化铜按化学当量被还原为氯化亚铜。
在较低浓度时，
氯化亚铜以二氯络合物形式存在于溶液中，在强烈还原时，能使氯化亚铜沉淀，溶液氯离子
浓度低时，氯化亚铜也易沉淀。
生成的氯化亚铜在酸性溶液中用空气或氧气容易重新氧化为氯化铜。
由于CuCl2,CuCl和PdCl2等均参与反应，且反应前后基本没有变化，所以共形成催化剂。
选择适当的操作条件，温度与压力，催化剂组成和乙烯一一氧气混合组成等，使金属氧化反应速度和碳化反应速度趋于一致，即可保证总反应
（1）得以连续进行，达到稳产高产的目的。
本反应副产物很少，选择性二股为95位右，主要副产品是醋酸、草酸、巴豆醛、二氧化碳和微量的气态氯代姓以及不溶性褐色残渣〔高聚物）等［2］。
工业上乙烯氧化是在液相催化剂水溶液中进行的。
液相反应有下列二种方式：
1.一段法
特点是：
染基反应与催化剂再生反应在同一反应器内同时进行，保持催化剂的一
定氧化度。
（见下图）
段法工艺流程图
循环气体与乙烯被引入充满催化剂溶液的垂直反应器，纯氧亦同时引入反应器的底部。
反应在微压下进行（约3大气压），反应温度为120C。
反应热由部分水的蒸发热移去。
被蒸发的水必须予以补充，以保持包量的催化剂溶液。
气体反应混合物（蒸汽、未反应的乙烯和反应产物）引入洗涤分离塔，利用水淋洒以吸收乙醛。
脱尽乙醛的气体循环返回反应塔。
其中一部分气体放空，以保持其惰性气体含量恒定在一定范困之内。
总收率为95%副产品为CO,CHC,C2HCI,CHC1,CHCI2,CHCICHCI,CHOHC2CI
和氯代乙醛等。
副产品中简有少量的草酸，成为难溶的草酸铜而存在于溶液中的。
2.二段法
（如下图）
跋基反应与催化剂再生反应在相串联的各自的反应器内进行
图三二段法流程图
乙烯与催化剂溶液在反应塔进行反应，反应温度韵为100C,反应压力为8〜10
大气压。
反应后催化剂在分离塔放压，利用反应热蒸出乙醛。
催化剂用循环泵打至再生塔，在这里用空气进行氧化。
具有一定氧化度的催化剂再进入反应塔进行跋基反应。
这一流程的特点在于：
可使用富乙烯气体作为原料，采用空气作为氧化剂。
分二段反应可以避免构成爆炸气体混合物的生成，且成本较一段法便宜3.3%,因此目前世界各国均趋向于二段法的工艺流程。
当然,一段法
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