年产7.6万吨乙醛工艺设计装置毕业设计说明.doc

北京化工大学毕业设计毕业设计题 目： 年产7.6万吨乙醛工艺设计装置 专 业： 班 级： 学 生： 指导教师： 前 言乙醛是有机化工产品的重要中间体，因其分子中具有羰基，反应能力很强，容易发生氧化，缩合，环化，聚合及许多类型加成反应乙醛产量半数以上用于生产醋酸及其衍生物（如醋酐、醋酸脂等），也用于制备丁醇、异丁醇、季戊四醇等产品这些产品广泛应用于纺织、医药、塑料、化纤、染料、香料和食品等工业工业上生产乙醛的原料最初采用乙炔，以后又先后发展了乙醇和乙烯路线乙炔水化法成本高，因其催化剂——汞盐的污染难以处理等致命缺点，现以基本被淘汰乙醇氧化或脱氢法制乙醛虽有技术成熟，不需要特殊设备，投资省，上马快等优点，但成本高于乙烯直接氧化法乙烯直接氧化法制乙醛由于其原料乙烯来源丰富而价廉，加之反应条件温和，选择性好，收率高，工艺流程简单及“三废”处理容易等突出优点，深受世界各国重视，发展非常迅速，现以成为许多国家生产乙醛的主要方法。

本设计采用乙烯直接氧化法制乙醛,年生产能力6.7万吨，参考吉林石化分公司103厂乙醛车间，即乙烯和氧气在催化剂的作用下一步络合氧化生成乙醛的生产方法为设计依据的对工艺流程进行初步的探讨和设计由于本人水平有限，经验不足，难免有不足和错误之处，恳请批评指正目 录前 言 I第1章 设计说明 11.1 概述 11.1.1生产方法 11.1.2原材料和成品性质及技术规格 41.2 流程叙述 51.2.1总反应流程图 5总反应流程简图1-1 61.2.2反应工段简述 61.2.3精馏工段简述 71.2.4再生工段简述 91.2.5三废处理 91.3 设备一览表 11第2章 设计工艺计算 162.1 物料衡算 162.2 热量衡算 192.3 设备计算 252.3.1反应器设备计算 252.3.2壁厚计算与强度校核 262.3.3纯醛冷凝器设备计算 26致 谢 28参考文献 29符号说明 30附 图 31—1— 第1章 设计说明1.1 概述本设计是以吉林工业职业技术学院化学工程系下达的设计任务书为指导思想，并参考吉林石化分公司103厂乙醛车间及生产技术资料为设计依据的乙醛是无色，有刺激性气味的液体,密度比水小,沸点20.8O℃,易挥发、易燃烧,且能和水、乙醇、乙醚、氯仿等互溶。

乙醛是一种重要的烃类衍生物，在合成工业上是一种重要的中间体，主要用于生产醋酸、醋酐、醋酸乙烯、丁醇等重要的基本有机化工产品，它们被广泛的应用于医药、化学纤维和合成纤维、塑料、农药、香料等工业[1]近年来，随着石油化学工业的发展和乙烯均相氧化法的开发成功，乙醛的产量迅速的增长，然而我国目前乙醛的年产量还较低，远未能满足工农业生产的需要在生产过程中产生的副产品无法利用，且采用的催化剂腐蚀性较大，为此对材质要求很高 1.1.1生产方法国内乙醛生产方法有四种，乙炔水化法采用汞盐做催化剂，存在汞的工业污染问题，乙醇氧化法虽然不存在汞的污染，但原料单耗大，只有乙烯氧化法，不仅原料的单耗比乙醇法少，且合成工艺路线段，是六十年代发展起来的新方法，颇受世界各国重视，发展甚为迅速第四种方法基本不采用本设计采用第三种方法即乙烯直接氧化法乙烯直接氧化法，它是世界上第一个采用均相配位催化剂实现工业化的过程，该法以氯化钯、氯化铜、盐酸水组成的溶液为催化剂，使乙烯直接氧化为乙醛总反应式为： 实际反应按下述两步进行： 乙烯氧化：CH2=CH2+PdCl2+H2O→CH3CHO+Pd+2HCl催化剂溶液的氧化再生：Pd+2CuCl2→PdCl2+2CuCl 乙烯一步氧化法制乙醛是比较成熟的工艺，要想实行真正的节能、节材，就得对现有装置进行改进，如乙醛生产中催化剂氯化钯的消耗量的降低。

氯化钯在生产中的催化原理：乙烯在氯化钯水溶液中氧化生成乙醛的反应很复杂，其历程和动力学对氧化过程反应条件的选择十分重要，反应方程式如下：C2H4+PdCl2+H2O＝CH3CHO+Pd+2HCl (1)2CuCl2+Pd＝2CuCl+PdCl2 (2)2CuCl+2HCl+1/2O2＝2CuCl2+2H2O (3)总的反应方程式：C2H4+1/2O2＝H2O＋CH3CHO+243.3kJ (4)当钯离子浓度较低时(0.005－0.04mol/L)，乙烯吸收速度与钯离子浓度的一次方及与乙烯浓度的一次方成正比，与氯离子浓度的二次方及氢离子浓度的一次方成反比，其反应速度方程为：-d[C2H4]/dt=k1[(PdCl4)][C2H4][Cl][H] (5)实践证明，氯化铜氧化零价钯反应达到平衡的速度很快，不是整个过程的控制步骤反应(3)在氯离子的存在下，Cu+与Cl-形成络合离子CuCl-，其氧化反应的速度取决于[CuCl2-]和氧气的浓度。

在生产过程中，通常称反应(1)为乙烯的羰基化反应，反应(3)为氧化反应要使反应连续稳定地进行，必须使羰基化反应和氧化反应同步进行，也就是说两个反应速率相等时达到“恒定态”，这是由恒定的氧化度[Cu2+/∑Cu]所规定的当然，恒定氧化度位于“快速反应区”之内，恒定态是动态的平衡，可以变化乙醛装置在反应系统中除生成乙醛外，还同时生成一系列副产物，如：氯甲烷、氯乙烷、醋酸、草酸铜及高聚物残渣等其中易挥发的副产物随反应气带出催化剂系统，不易挥发的副产物草酸铜及高聚物残渣在反应器中积累，使催化剂中Cu2+减少，影响Pd的氧化，影响催化剂的组成和催化剂活性，因此催化剂需经过再生处理催化剂在再生单元经过两个过程：在氧化管内，Cu+被盐酸和压缩空气氧化成Cu2+在再生器中，经加温，加压使草酸铜及高聚物分解，并加氧使Cu+氧化成Cu2+CuCl2+CuC2O4＝2CuCl+2CO2 (6)当再生器压力大于0.9Mpa，再生温度达到170℃时，草酸铜及高聚物分解率达到92.3％，经再生，恢复催化剂溶液中的总铜含量，保持钯离子浓度的稳定和催化剂的活性，从而不影响主反应。

从反应速度方程式(5)可以看出，提高催化剂中钯含量可以提高羰基化反应速度，从而提高装置负荷和反应收率但钯含量也不宜太高，否则，由于氧化反应速度滞后于羰基化反应速度，会引起金属钯析出，从而增加氯化钯消耗，同时使催化剂活性不稳定，甚至可能引起停车而且钯是贵金属，高钯耗对装置经济运行不利在生产中须将催化剂中的钯含量控制在较低水平，并根据负荷进行调整，以适应生产的要求引起钯耗的途径有三条：一是反应气夹带到蒸馏系统，随废水流失经测定，正常生产时，废水中钯含量为20×10-6g/t左右，折算每吨乙醛钯耗为0.12g左右，这是正常的消耗；二是由于不正常操作引起催化剂的损失；三是随催化剂沉淀、吸附在催化剂残渣和高聚物中对此我们提出了防止钯损失的措施：一.防止催化剂雾沫夹带：控制反应器的液位在60%以内，除沫器压差在1500Pa以下，反应器和除沫器压差在0.12MPa以内，能有效防止催化剂发泡而夹带至后系统在第一冷凝器冷凝液进入P-101泵的入口处，增设一Dg25的脱盐水管线，以满足高负荷生产的需求，提高催化剂循环效果，防止形成环流实际生产中，反应器液位的仪表由于催化剂堵塞而引起偏移，因此要经常分析第一冷凝器后冷凝液的总铜含量，作为辅助判断的依据。

二.防止催化剂跑、冒、滴、漏：及时处理再生单元液位计故障，防止再生单元跑催化剂在旋风分离器的吹气式液位计的正压侧增设脱盐水冲洗管，对液位计进行定期冲洗，提高液位计的准确性三.补加氯化钯时，防止挂壁沉积：在反应三楼增设盐酸取料口，将补加氯化钯时，氯化钯与盐酸的配比由原1:10调整为1:30搅拌后静置15min，使未溶的氯化钯沉降，溶液部分倒入催化剂配制槽，加脱盐水冲洗，防止催化剂挂壁沉积；对未溶解的氯化钯，继续加盐酸，重复以上操作，直至完全溶解这样可确保进入再生系统的氯化钯以络合离子形式存在，防止氯化钯在过滤器中被黑色残渣等高聚物包裹而影响补加氯化钯的效果[10]总的来说，通过对乙醛装置反应单元、再生单元催化剂控制参数的优化，以及进行相关的技术改造，有效地提高了催化剂的活性，降低了贵金属钯的消耗，同时也降低了乙醛装置的主要物耗1.1.2原材料和成品性质及技术规格1.原材料 表1－1乙烯的物理及化学性质沸点（0C）103.7冰点（0C）-169.2临界温度（0C）9.9密度（D20g/cm3）0.5699 临界压力（MPa）5.137相对分子量28.053爆炸极限（%）上限：2.7 下限：36乙烯（结构简式/分子式CH2=CH2）常温常压下为无色、无臭、稍带有甜味的可燃性气体。

几乎不溶于水,溶于乙醇、乙醚等有机溶剂. 属低毒类麻醉作用较强,但对呼吸影响较小人吸入含37.5%乙烯的空气,15min可引起明显记忆障碍;含50%乙烯的空气,使含氧量降至10%,引起人意识丧失若吸入75%～90%乙烯与氧的混合气体，可引起麻醉，但无明显的兴奋期，并迅速苏醒吸入上述混合气体25%～45%可引起痛觉消失，意识不受影响长期接触乙烯的工人，常有头晕、全身不适、乏力、注意力不能集中，个别与胃肠功能紊乱，体征无特殊发现氧气是空气的组分之一，无色、无臭、无味氧气比空气重，在标准状况（0℃和大气压强101325帕）下密度为1.429克/升，能溶于水，但溶解度很小在压强为101kPa时，氧气在约-180摄氏度时变为淡蓝色液体，在约-218摄氏度时变成雪花状的淡蓝色固体表1－2 原材料中各组分摩尔分数名称氧气氮气乙烯乙烷摩尔分数（％）≥99.0≤1.00≥99.7≤0.32.成品表1－3 成品中各组分摩尔分数名称乙醛水丁醛醋酸摩尔分数（％）≥99.0≤0.06≤0.02≤0.023.吉林市的自然条件本设计的厂址选择在吉林市，一般情况下：平均气压 745.66 mmHg最高温度 36.6 ℃最低温度 -38.1 ℃平均相对温度 71 ℃最大冻土深度 174 cm。