工艺技术乙醛缩合制乙酸乙酯工艺设计.docx

1、工艺技术乙醛缩合制乙酸乙酯工艺设计 南京工业大学化学化工学院 化工设计专业课程设计 设计题目 乙醛缩合法制乙酸乙酯 设计人员 杨福、胡曦、王义超、常伟 指导教师姓名 任晓乾 课程设计时间20 12年5月12日-20 12年6月1日 课程设计成绩设计说明书、计算书及设计图纸质量，70%独立工作能力、综合能力及设计过程表现，30%设计最终成绩（五级分制） 指导教师签字 一、设计任务 .6二、概述 2.1乙酸乙酯性质及用途 72.2乙酸乙酯发展状况 8三. 乙酸乙酯的生产方案及流程 3.1 酯化法 93.2乙醇脱氢歧化法 113.3乙醛缩合法 113.4乙烯、乙酸直接加成法 133.5经济指标对比1

2、33.6讨论分析193.7确定工艺方案及流程223.8厂区布置说明总述 23四工艺计算 4.1物料衡算 274.2乙醛缩合法生产乙酸乙酯步骤284.3物性数据表284.4计算结果列表汇总.31五. 设备选型5.1 催化剂反应器选型 385.2 列管式反应器 405.3 乙醛储罐 415.4乙酸乙酯储罐415.5精馏塔的设计425.6精馏塔的设计435.7精馏塔的设计445.7.1精馏塔设计计算示例455.8沉降器.615.9回流罐.625.10管口表625.11动设备选型635.12换热器选型.65六. 控制系统设计 6.1 DCS控制系统 686.2 先进控制系统APC 706.3 紧急停车

3、系统 ESD71七. 供电系统 7.1 设计范围 727.2 电力负荷性质 .727.3 高压供电及变电所系统设计 727.4功率因数补偿.737.5厂区高压配电及车间变电所安全设计737.6配电线路.747.8配电装置及防雷接地设计74八通信系统8.1 行政管理电话系统 768.2 生产调度程控电话系统 768.3 火灾报警系统 768.4 有线电视 778.5扩音呼叫/对讲系统778.6综合布线系统.778.7全场电信网络.78九供热站，冷公用工程系统 9.1冷公用工程系统 789.2 供热系统供热 799.3 公用物料及能量消耗81十清洁生产概述10.1本项目清洁生产分析.88十一.环境

4、影响因子识别11.1环境影响要素识别，筛选.8311.2环境影响因子识别，筛选.83十二.施工期的环境影响评价12.1施工期环境空气影响分析.8312.2施工期水环境影响分析.8412.3施工噪声影响分析.8412.4施工固体废物影响分析.85十三.环境影响预测与评价13.1环境空气影响预测与评价.8513.2水环境影响预测与评价. .8513.3噪声影响预测与评价. .85十四.环境风险评价14.1环境风险评价的内容8514.2风险识别.8514.3评价等级及评价范围.8614.4潜在的风险因素识别.8614.5事故发生对环境的影响8714.6环境风险防范措施.87十五总量控制15.1总量控

5、制因子.8815.2总量控制建议88十六环境保护措施及其技术，经济论证16.1三废及噪声治理措施89十七.环境影响经济损益分析17.1概述9017.2环境保护费用.9017.3环境保护效益.9017.4环境影响经济损益分析9017.5小结.91十八.环境管理与监测制度分析18.1环境管理.9118.2环境监测计划.91十九.产业政策符合性及项目选址合理性分析19.1.产业政策符合性分析.9119.2环境容量9119.3建设项目的环境可行性.92二十.总结论 附录生产毒性及防护92文献参考.93乙酸乙酯车间工艺设计一、设计任务1.设计任务：一万吨乙酸乙酯车间2.产品名称：乙酸乙酯3.产品规格：纯

6、度99.5%4.年生产能力：折算为99.5%乙酸乙酯9950吨/年5.产品用途：作为制造乙酰胺、乙酰醋酸酯、甲基庚烯酮、其他有机化合物、合成香料、合成药物等的原料；用于乙醇脱水、醋酸浓缩、萃取有机酸；作为溶剂广泛应用于各种工业中；食品工业中作为芳香剂等。由于本设计为假定设计，因此有关设计任务书中的其他项目如：进行设计的依据、厂区或厂址、主要技术经济指标、原料的供应、技术规格以及燃料种类、水电汽的主要来源，与其他工业企业的关系、建厂期限、设计单位、设计进度及设计阶段的规定等均从略。1.1项目概况本项目为年产1万吨的乙酸乙酯的生产项目，利用山东沂水县的经济开发区（依为总厂）的乙醛产品，生产乙酸乙酯

7、。考虑产品的市场需求、原料来源情况以及所用工艺技术的情况，本公司的设计生产规模为年产1万吨的乙酸乙酯。本项目的总投资为7522.9万元人民币，考虑到项目的建设进度以及建设各环节各时间的安排等因素，我们项目的建设周期为1年。1.3厂区和生产概况本项目的厂址选择在山东沂水县的经济开发区，占地约为35000m2，靠近公路，临近河流。厂区分储罐区、生产区、辅助区和行政区四大块，该经济开发区内有完善的水、电、气的来源，依附于总厂（乙醛生产厂）的空压站、氮氧站和冷却站，有充足的冷却水源，其他的维修、检验、消防系统等都相应辅助设施都配套完善。本项目采用的工艺为欧洲、日本广泛采用的乙醛缩合法的先进工艺，反应器

8、采用釜式与管式反应器相串联，精馏段设3塔有效产出高纯度的产品。得到高纯度的乙酸乙酯产品，同时每年还可得到定量的乙缩醛产品。同时，本项目采用的工艺对于废物进行了有效合理的处理，产出的废物很少，对环境危害小，并且建立了以高压消防水系统和泡沫系统为主体的完善的消防系统，采取了一系列措施保证工人的劳动安全和工业卫生。二、概述1乙酸乙酯性质及用途乙酸乙酯又名乙酸乙酯，醋酸醚，英文名称Ethyl Acetate或 Acetic Ether Vinegar naphtha.乙酸乙酯是无色、具有水果香味的易燃液体。熔点-83.6，沸点77.1，相对密度0.9003，折射率1.3723，闪点（开杯）4，蒸气压（

9、20）9.4kPa，汽化热366.5J/g，比热容1.92J/（g）。爆炸极限2.13%-11.4%（体积）。与醚、醇、卤代烃、芳烃等多种有机溶剂混溶，微溶于水，25时，10ml水中可溶该品1ml，温度升高则溶解度降低，乙酸乙酯与水和乙醇皆能形成二元共沸混合物。与水生成的共沸混合物的沸点为70.4，含水6.1%（重量）；与乙醇形成的共沸混合物的沸点为71.8；还与7.8%水和9.0%乙醇形成三元共沸混合物，其沸点为70.2，具挥发性。水分能使其缓慢分解而呈酸性反应。质量标准：GB/T3728-2007项 目指 标优等品一等品合格品乙酸乙酯的质量分数/ % 99.799.599.0乙醇的质量分数

10、/ % 0.100.200.50水的质量分数/ % 0.050.10酸的质量分数（以CH3COOCH计）/ % 0.0040.005色度/Hazen 单位（铂-钴色号） 10密度（20）/(g/cm) 08970.902 蒸发残渣的质量分数/ % 0.0010.005气味a 符合特征气味，无异味，无残留气味2.乙酸乙酯发展状况（1）国内发展状况为了改进硫酸法的缺点，国内陆续开展了新型催化剂的研究，如酸性阳离子交换树脂全氟磺酸树脂HZSM-5等各种分子筛铌酸ZrO2-SO42等各种超强酸，但均未用于工业生产。国内还开展了乙醇一步法制取乙酸乙酯的新工艺研究，其中有清华大学开发的乙醇脱氢歧化酯化法，

11、化学工业部西南化工研究院开发的乙醇脱氢法和中国科学院长春应用化学研究所的乙醇氧化酯化法。中国科学研究院长春应用化学研究所对乙醇氧化酯化反应催化剂进行了研究，认为采用Sb2O4-MoO3复合催化剂可提高活性和选择性。化学工业部西南化工研究院等联合开发的乙醇脱氢一步合成乙酸乙酯的新工艺，已通过单管试验连续运行1000小时，取得了满意的结果。现正在进行工业开发工作。近来关于磷改性HZSM-5沸石分子筛上乙酸和乙醇酯化反应的研究表明，用HZSM-5及磷改性HZSM-5作为乙酸和乙醇酯化反应的催化剂，乙醇转化率变化不大，但酯化反应选择性明显提高。使用H3PMo12O4019H2O代替乙醇-乙酸酯化反应中

12、的硫酸催化剂，可获得的产率为91.48%,但是关于催化剂的剂量、反应时间和乙醇乙酸的质量比对产品产量的研究还在进行之中。（2）国外发展状况由于使用硫酸作为酯化反应的催化剂存在硫酸腐蚀性强、副反应多等缺点，近年各国均在致力于固体酸酯化催化剂的研究和开发，但这些催化剂由于价格较贵、活性下降快等原因，至今工业应用不多。据报道，美Davy Vekee公司和UCC公司联合开发的乙醇脱氢制乙酸乙酯新工艺已工业化。据报道，国外开发了一种使用Pd/silicoturgstic双效催化剂使用乙烯和氧气一步生成乙酸乙酯的新工艺。低于180和在25的乙烯转化率的条件下，乙酸乙酯的选择性为46。催化剂中的Pd为氧化中

13、心silicoturgstic酸提供酸性中心。随着科技的不断进步，更多的乙酸乙酯的生产方法不断被开发，我国应不断吸收借鉴国外的先进技术，从根本上改变我国乙酸乙酯的生产状况。三. 乙酸乙酯的生产方案及流程1、酯化法酯化工艺是在硫酸催化剂存在下,醋酸与乙醇发生酯化脱水反应生成乙酸乙酯的工艺,其工艺流程见图1醋酸、过量乙醇与少量的硫酸混合后经预热进入酯化反应塔。酯化反应塔塔顶的反应混合物一部分回流，一部分在80左右进入分离塔。进入分离塔的反应混合物中一般含有约70%的乙醇、20%的酯和10%的水（醋酸完全消耗掉）。塔顶蒸出含有83%乙酸乙酯、9%乙醇和8%水分的塔顶三元恒沸物,送入比例混合器,与等体

14、积的水混合,混合后在倾析器倾析,分成含少量乙醇和酯的较重的水层,返回分离塔的下部,经分离塔分离,酯重新以三元恒沸物的形式分出,而蓄集的含水乙醇则送回醋化反应塔的下部,经气化后再参与酯化反应。含约93%的乙酸乙酯、5%水和2%乙醇的倾析器上层混合物进入干燥塔,将乙酸乙酯分离出来,所得产品质量见质量指标表工业品级乙酸乙酯的质量指标表项目指标乙酸乙酯含量，%99.5乙醇含量，%0.20水分，%0.05酸度(以醋酸计)，%0.005色度(铂-钴)10传统的酯化法乙酸乙酯生产工艺技术成熟,在世界范围内,尤其是美国和西欧被广泛采用。由于酯化反应可逆,转化率通常只有约67%,为增加转化率,一般采用一种反应物

15、过量的办法,通常是乙醇过量,并在反应过程中不断分离出生成的水。根据生产需要,既可采取间歇式生产,也可采取连续式生产。该法也存在腐蚀严重、副反应多、副产物处理困难等缺点。近年来开发的固体酸酯化催化剂虽然解决了腐蚀问题,但由于价格太高,催化活性下降快等缺点,在工业上仍无法大规模应用。2. 乙醇脱氢歧化法 该法不用乙酸，直接用乙醇氧化一步合成乙酸乙酯，其催化剂主要是Pd/C和架Ni，Cu-Co-Zn-Al混合氧化物及Mo-Sb二元氧化物等催化剂，这些体系对乙醇的氧化有一定的活性，但其催化性还有待进一步改进。95%乙醇从储槽出来，经泵加压至0.30.4MPa，进入原料预热器，与反应产物热交换被加热至1

16、30，部分气化，再进入乙醇汽化器，用水蒸气或导热油加热至160170，达到完全气化，然后进入原料过热器，与反应产物换热，被加热至230，再进入脱硫加热器，用导热油加热到反应温度240270，然后进入脱氢反应器，脱氢反应为吸热反应，要用导热油加热以维持恒温反应。从脱氢反应器出来的物料进入原料过热器，被冷却至180，再进入加氢反应器将酮和醛加氢为醇，以便后续分离。然后进入原料预热器，被冷却至60，再进入产物冷凝器，被水冷却至30，从冷凝器出来的液体，进入反应产物储罐，然后进入分离工段，氢气则从上部进入水洗器，以回收氢气中带走的易挥发物料，然后放空或到氧气用户。 该工艺的特点是产品收率高，对设备腐蚀

17、性小，产品成本较酯化法低，不产含酸废水，有利于大规模生产，若副产的氢气能有效合理的利用，该工艺是比较经济的方法。3、乙醛缩合法 由乙醛生产乙酸乙酯包括催化剂制备、反应、分离和精馏4大部分,工艺流程见图3 。在氯化铝和少量的氯化锌存在下将铝粉加入盛有乙醇和乙酸乙酯混合物的溶液中溶解得到乙氧基铝溶液。催化剂制备装置与主体装置分开,制备反应过程产生的含氢废气经冷回收冷凝物后排放,制备得到的催化剂溶液搅拌均匀后备用。乙醛和催化剂溶液连续进入反应塔,控制反应物的比例,使进料在混合时就有约98% 的乙醛转化为目的产物,1.5%的乙醛在此后的搅拌条件下转化。通过间接盐水冷却维持反应温度在0 ,反应混合物在反

18、应塔内的停留时间约1h后进入分离装置。分离装置中粗乙酸乙酯从塔顶蒸出,塔底残渣用水处理得到乙醇和氢氧化铝,将乙醇与蒸出组分一起送入精馏塔,在此回收未反应的乙醛并将其返回反应塔,乙醇和乙酸乙酯恒沸物用于制备乙氧基铝催化剂溶液。如有必要,乙酸乙酯还可进一步进行干燥。乙醛缩合制乙酸乙酯工艺由俄罗斯化学家Tischenko于20世纪初开发成功,因而该工艺又称为Tischenko工艺。反应在醇化物（乙氧基铝)的存在下进行。由乙醛生产乙酸乙酯的第一步实际上先由乙烯制取乙醛,由乙烯生产乙醛通常在氯化钯存在下于液相中进行（即Wacker工艺)。根据保持催化剂活性方法的不同,又有两种工艺可选择,一种为一步法工艺

19、,即乙烯和氧气一起进入反应器进行反应; 另一种是两步法工艺,即乙烯氧化为乙醛在一个反应器内进行,而催化剂的空气再生在另一反应器内进行,两种工艺在经济上并无大的差异。乙醛缩合制乙酸乙酯工艺受原料来源的限制,一般应建在乙烯-乙醛联合装置内。日本主要采取此工艺路线,装置能力已达200kt/a.4、乙烯、乙酸直接加成法 在酸性催化剂存在下,羧酸与烯烃发生酯化反应可生成相应的醋类。罗纳 普朗克公司在80 年代进行了开发,但由于工程放大问题未解决,一直未实现工业化。日本昭和电工公司开发的乙烯与醋酸一步反应制取乙酸乙酯工艺终于在90年代实现了工业化。 反应原料中乙烯：醋酸：水：氮体积组成为80：6.7：3：

20、10.3。反应系统由3个串联反应塔组成,反应塔中装填磷钨钥酸催化剂（担载于球状二氧化硅上) 。反应塔设置了中间冷却,反应温度维持在140-180 ,反应塔压力控制在0.44-1MPa。 反应在担载于金属载体上的杂多酸或杂多酸盐催化下于气相或液相中进行。在水蒸气存在条件下,乙烯将发生水合反应生成乙醇,然后生成的乙醇又继续与醋酸发生酯化反应生成乙酸乙酯产物。而且,逆向的乙酸乙酯水解生成乙醇或乙酸的反应也可能发生。该工艺醋酸的单程转化率为66%,以乙烯计,乙酸乙酯的选择性约为94%.5、技术经济指标对比 对于80 kt/a级的工业乙酸乙酯生产装置，分析其各项经济技术指标，对比如表2。 表2 乙酸乙酯

21、各工艺路线技术经济指标对照工 艺 路 线乙醛缩合法乙烯加成法酯化法原料单耗/tt-1乙烯-0.355-乙醛1.02-乙酸-0.7180.692乙醇-0.533其他0.0050.010.005公用工程单耗电/KWht-126.014176.36715.432冷却水/ tt-1150.198166.88766.755纯水tt-1008.344蒸汽（0.8 MPa)/ tt-10.444.2蒸汽(0.4 MPa)/ tt-11.100冷冻/MJt-11161.0 00综合能耗/ MJt-16 89215 61614 652由表2可看出，在三种方法中，乙醛法生产乙酸乙酯的蒸汽消耗明显低于另两种方法，综

22、合总能源消耗乙醛法要远低于乙烯法和乙酯法。由于乙醛法生产乙酸乙酯在国外，特别是日本，已处于成熟阶段，而我国在20世纪90年代中间试验的基础上刚实现万吨级工业化，所以技术指标和国外先进水平还有差距。5.1投资和成本对比5.11 投资对比对于同为国际上80 kt/a的工业乙酸乙酯生产装置，在同样投资环境下，分析其工程投资情况，对比如表3。 表3 不同工艺制备乙酸乙酯总投资对比 万美元工艺路线乙醛缩合法乙烯加成法酯化法总投资2 8305 2503 780生产设施1 4203 0001 910辅助设施8501 2001 110其他工程5701 050760在同规模的乙酸乙酯三种生产方法中，乙醛法的投资

23、最低，而乙烯法的投资相对最高。乙醛法的总投资额为酯化法的75%，仅为乙烯法的54%。5.12 成本对比不同工艺制备乙酸乙酯单位成本对比计算见表4。 表4 不同工艺制备乙酸乙酯单位成本对比项目单价/元t-1乙醛缩合法乙烯加成法酯化法单耗/tt-1单位成本/元t-1单耗/tt-1单位成本/元t-1单耗/tt-1单位成本/元t-1原料4 295.454 631.995 392.42乙烯4 212000.3531 486.8400乙醛4 1101.024 191.860000乙酸4 159000.717 72 985.150.6922 878.26乙醇4 7170.00523.59000.5332 5

24、14.16其他80.00160.000公用工程253.69572.58459.26蒸汽1001.5150.004.0400.004.2420.00电0.6026.0115.61176.37105.8215.439.26冷冻盐水1.002828.000000冷却水0.40150.260.08166.8966.767530.00可变成本合计4 549.135 204.575 851.68直接成本合计132.80265.60174.30分配成本合计116.20224.10149.40注：单价不含税；公用工程价格参考上海地区平均价格计入；原料中乙醇、乙酸和乙醛价格用2007-2009年9月国内市场平均价；原料中的乙烯价格用2007-2009年9月平均进口到岸价加手续费计入；电一栏中：单价的单位为“kWht-1”，单位成本的单位为“元(kWh)-1”。由上表看出，无论是原料成本、公用工程成本和总成本乙醛法生产乙酸乙酯都最低，而酯化法最高；乙烯法总投资最大，且其他费用也偏高，其折旧和固定成本最高。三种方法对比，乙醛法的单位成本为酯化法的78%，