醋酸酐生产过程概念设计.doc

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1、目录1.1 醋酸酐的相关信息11.1.1性质与用途11.1.2生产与消费11.1.3技术要求11.2 醋酸酐生产过程的分析21.2.1 醋酸酐的生产方法21.2.2 醋酸酐产品分离过程分析32.1反应系统322反应信息42.2.1 反应、副反应及其条件：42.2.2 选择性、转化率42.2.3 反应的相态42.3流程的循环结构42.4系统设计52.4.1原料消耗52.4.2生产流程52.4.3流程的循环结构62.5分离序列62.5.1分离序列及条件确定6分离序列图72.5.2闪蒸罐和吸收塔分离条件的确定72.6生产过程的热量集成与热负荷81 过程设计分析1.1 醋酸酐的相关信息1.1.1性质与

2、用途 醋酸酐（又称乙酸酐，简称醋酐）为无色易流动液体，有极强的醋酸气味。有刺激作用。相对密度（d415）1.080,熔点-73，非点139，折光指数（20）1.3904，水中溶解度（20）12%。易燃烧，遇水分解成醋酸。溶于乙醇、乙醚、苯和氯仿。 醋酸酐（又称乙酸酐，简称醋酐）是一种重要的有机化工原料，主要用于制造醋酸纤维、醋酸塑料、不燃性电影胶片及人造丝等化工产。在医药工业中用于制造阿司匹林、合霉素、地巴唑等药物。此外，在燃料，香料及化工生产中用作强乙酰化剂和脱水剂。1.1.2生产与消费 我国从50年代末期开始生产醋酸酐。上海试剂一厂采用乙酰氧化法首先建成了我国第一套醋酸酐生产装置。随后，南

3、通醋酸化工厂、山东新华制药厂、吉化公司电石厂等相继建设了十几套生产装置。1972年合成醋酸酐产量突破万吨达到1.03万吨，1980年为1.43万吨，92年增长到4.04万吨，目前年产量超过7万吨，供需基本持平。1.1.3技术要求 中华人民共和国国家标准GB10668-89指标名称指标优等品一等品合格品色度（铂-钴），号101525乙酸酐含量，%98.598.096.00沸程（压力在1.013*105Pa）138.0-141.0137.5-141.0136.5-141.5蒸发残渣，%0.0050.010.01含铁量，%0.00010.00020.0005重金属（以Pb计）%0.00010.000

4、20.0005氯化物（以Cl计）%0.00020.00050.001高锰酸钾指数 mg/100ml 60801.2 醋酸酐生产过程的分析1.2.1 醋酸酐的生产方法甲 醇乙 醇丙 酮醇乙 炔乙 烯醋 酸 乙酸甲酯乙烯酮二乙酸亚乙酯乙 醛醋酸酐 醋酸酐的各种生产方法示意图： 其中最常用的主要工业生产方法有醋酸法、丙酮法、乙醛法等。本设计拟采用丙酮法进行醋酸酐的生产设计。丙酮在700800，常压、没有催化剂的条件下进行裂解反应，反应停留时间0.011.0s。裂解反应管的结焦比乙酸法严重，为了防止结焦，主要采用高铬钢管材，如用含镍钢材，应事先用一氧化碳和氧气混合物进行钝化处理，以防元素镍对结焦的促进

5、作用。本法丙酮的转化率约为24.4%,生成乙烯酮的选择性为72%,反应信息如下：主反应： CH3CO CH3 CH2=C=O+ CH4 700，1atm; 副反应: CH2=C=O CO + 1/2 CH2=CH2 700，1atm;主反应：CH2=C=O + CH3COOH (CH3CO)2O 80，1atm1.2.2 醋酸酐产品分离过程分析 由前面反应可知，在醋酸酐的合成过程中，由于丙酮转化不完全、副反应产物的存在和未反应完全醋酸的存在，必须对反应产物进行分级分离。在本设计中，根据沸点之间的差异，首先用一个分离器将产物中甲烷、乙烯和一氧化碳分离出来， 再将丙酮分离丙酮循环使用，最后醋酸与醋

6、酸酐的沸点相近，用一个精馏塔进行分离使产品醋酸酐达到相应要求，并使精馏出来的醋酸循环使用。2醋酸酐生产过程的设计2.1反应系统 反应主要包括：丙酮裂解、醋酸吸收乙烯酮生成醋酸酐工段；将整个反应和分离循环等作为一个系统，考察它的输入与输出，可以得到以下的信息：1进料物流：原料丙酮、醋酸；2副产物：由于丙酮裂解过程产生CH4、CO、C2H4，可以去作燃料回收；3由于反应很不完全，所以需要一股循环物流将未反应的丙酮送回裂解炉；4过量反应物：醋酸吸收乙烯酮反应中，醋酸为过量反应物，故要循环使用；5产品物流的项目：这些组成的沸点和去向在表2中给出：组分正常沸点去向丙酮56.5循环醋酸118.1循环乙烯酮

7、-41.1完全转化甲烷-161.4副产物一氧化碳-191.5副产物乙烯-154.8副产物醋酸酐139.6主要产物醋酸进料丙酮进料醋酸酐CH4，CO，C2H4醋酸循 环丙酮循环过程22反应信息2.2.1 反应、副反应及其条件：主反应： CH3CO CH3 CH2=C=O+ CH4 700，1atm; 副反应: CH2=C=O CO + 1/2 CH2=CH2 700，1atm;主反应：CH2=C=O + CH3COOH (CH3CO)2O 80，1atm2.2.2 选择性、转化率选择性和转化率的关系可用s=1-4/3 x表示产率 y=sx2.2.3 反应的相态1. CH4、CO、C2H4、CH2

8、=C=O常温下均为气态；2. 丙酮的裂解反应为气相反应；3. 醋酸吸收乙烯酮反应中，乙酸、醋酸酐为液相，乙烯酮为气相；4. 两个反应均不需催化剂。 设计方案定为年产15,000吨，即设计产量为20.0 kmol/hr。产品浓度控制在98%以上，从而反推原料量即丙酮、醋酸的流量。 反应条件定为：裂解反应700，1atm;醋酸与乙烯酮的反应为80，1atm;由醋酸酐产量为P醋酸酐=20kmol/hr,根据反应计量式，把整个过程看作一个系统，进料为丙酮、醋酸，出料是废气、产品醋酸酐。由选择性可知，丙酮的进料为20/0.72=27.8 kmol/hr,醋酸进料量为20.0kmol/hr,而丙酮与醋酸之

9、间的摩尔差的丙酮量转化为废气。 设定数据为：丙酮进料量：27.8 kmol/hr;醋酸进料量：20.0 kmol/hr。而由于在分离循环过程中累积导致最后可能会随产品损失部分反应进料，故最终醋酸酐的产量将比预计的低些。2.3流程的循环结构 在醋酸酐生产过程中，裂解炉中丙酮是不完全反应,而在第二个反应器中醋酸吸收乙烯酮为了使乙烯酮完全反应，必须是醋酸酐过量。为了提高反应物的利用率，因而在整个流程中会存在两股循环物流：丙酮循环回裂解炉，醋酸循环Reactor2。 醋酸酐生产过程的循环结构可简单表示如下：Reactor 1Separator SystemReactor 2 CH4、CO、C2H4新鲜

10、醋酸进料醋酸循环丙酮循环丙酮进料醋酸酐生产的循环结构简图2.4系统设计2.4.1原料消耗设计方案定为年产15,000吨，即设计产量为20.0kmol/h，产品纯度控制在98%(质量)以上。由醋酸酐产量为P醋酸酐=20.0kmol/hr,根据反应计量式，把整个过程看作一个系统，进料为丙酮、醋酸，出料是废气、产品醋酸酐，由选择性可知，丙酮的进料为20.0/0.72=28.7kmol/hr,醋酸进料量为20.0kmol/hr，而丙酮与醋酸之间的摩尔差的丙酮量转化为废气。由于反应过程中原料的损失或反应的需求，需要一定程度的过量，所以设定数据为：丙酮进料量：28.7kmol/hr;醋酸进料量：21.6k

11、mol/hr;2.4.2生产流程如附图所示，新鲜丙酮与后面返回的未反应丙酮先进入M1混合，再进入裂解炉R1，经过预热，在700，1atm的反应管内进行裂解反应，裂解气经过废热锅炉EX-1产生120kg/cm2的超高压饱和蒸气，温度降到400，然后进入废热锅炉EX-2产生30kg/cm2高压蒸气，温度降到250，然后进入废热锅炉EX-3产生5kg/cm2低压蒸气，温度降到140，然后由冷却水降到70，同醋酸一同进入反应器R2进行反应。R2的反应温度为80，压力为1atm。反应器R2出来的气体，先经过COOL1的冷却，温度降为40，再进入SEP1中进行闪蒸，未冷凝的气体在SEP2中进一步闪蒸，仍未

12、冷凝的气体去尾气吸收塔TOWER1，经塔顶进料的醋酸洗涤后，冷凝液循环返回反应炉R2进行反应，不凝性气体排空（或燃烧）。SEP1与SEP2中冷凝下的液体，经泵PUMP2升压至5atm，一同进入管壳式换热器EX5进行减压蒸发，温度变为82，压力为1.2atm。然后进入TOWER2。TOWER2的操作压力为常压，丙酮从塔顶分出，循环至裂解炉R1，醋酸与醋酐从塔底分出，经泵PUMP3升压至3atm去TOWER3，TOWER3的操作压力为2.2atm。醋酸从塔顶返回到R2，产品醋酐则从塔底经换热器EX6冷却到50后去产品罐。2.4.3流程的循环结构在醋酸酐生产过程中，裂解炉R1中丙酮的裂解反应是不完全

13、反应；在反应器R2中，醋酸吸收乙烯酮，为了使乙烯酮完全反应，醋酸必须是过量的。为了提高反应物的利用率，未参加反应的反应物要进行循环利用，因此，在整个流程中会存在两股循环物流：丙酮循环回裂解炉R1，醋酸循环回R2。2.5分离序列 由前面的分析可知，最终反应产物中存在未反应的醋酸、丙酮，产物醋酸酐和副产物甲烷、乙烯和一氧化碳。分离的目的就是将产物醋酸酐分离出来，同时将未反应的醋酸和丙酮循环使用，此外副产物除去。因此，存在分离序列的选择。本设计采用启发探索法进行排序。主要用到的排定塔序的推理法为：最轻的组分最先分离；流量最大的组分最先分离；高收率的组分最后分离；分离困难的组分最后分离等。根据各产品的

14、组成的沸点排列，作为反应副产物的甲烷、乙烯和一氧化碳通常状况下为气体，先利用闪蒸或是相分离器将它们分离出来，送入燃料系统。液相产物中的丙酮的沸点做笑，而且其量又大，先将丙酮分离出来；醋酸、醋酐的沸点相差不大，故将其放在最后分离。整个分离系统由三个部分组成。先用相分离器SEP1和SEP2将以甲烷、乙烯和一氧化碳为主的气相和以丙酮、醋酸、醋酐为主的液相分开，然后在TOWER1中将丙酮分离出来循环使用，塔底出来的醋酸和醋酸酐进入TOWER2进行分离，塔顶馏出物醋酸循环使用，塔底得到合格的醋酸酐产品。2.5.1分离序列及条件确定R2出来的反应物含有甲烷、乙烯、CO、丙酮、醋酸、醋酐，根据它们的沸点不同

15、，先将轻组份甲烷、乙烯、CO分出。如果采用常压冷凝，经模拟计算发现，即使冷到0以下不凝气中还含有大量丙酮。例如，如果采用陈贇等的操作条件（30，1atm），不凝气中将含有50%wt的丙酮，即使再加一个吸收塔，也很难吸收干净，并且需要大量的低于常温（-10左右）的冷量。 我们采用5atm进行闪蒸, 这样有两个优点，一是高压下丙酮与不凝气容易分离，采用冷却水即可，无需低温冷源; 二是升压后温度提高了，闪蒸热可以用来加热进料，节省了大量的冷却水和加热蒸气。虽然增加了一台压缩机，并消耗了电能，但经过权衡还是值得的。液相产物中的丙酮的沸点较小，而且其量又大，先将丙酮分离出来；乙酸、醋酸酐的沸点相差不大，

16、故将其放在最后分离。整个分离系统由三个部分组成：先用闪蒸罐SEP1、SEP2和洗涤塔TOWER1将以甲烷、乙烯和一氧化碳为主的气相和以丙酮、醋酸、醋酸酐为主的液相分开，然后在第一精馏塔TOWER2中将丙酮分离出来循环使用，塔底出来的醋酸和醋酸酐进入第二精馏塔TOWER3进行分离，塔顶馏出物醋酸循环使用，塔底得到合格的醋酸酐产品，其分离序列如图：吸收塔第一精馏塔第二精馏塔CH4、CO、C2H4丙酮循环反应产物醋酸循环醋酸酐产品闪蒸罐 分离序列图2.5.2闪蒸罐和吸收塔分离条件的确定根据反应产物分布和其沸点分布，使反应副产物甲烷、乙烯和一氧化碳近乎完全分离。利用Apsen-plus流程模拟软件模拟

17、的各闪蒸罐的操作条件如下表所示：表3 闪蒸器SEP1的分离条件闪蒸器SEP1温度（）压力(atm)物流流量（Kmol/hr）热负荷(kcal/hr 106）177.9405-0.299表4 闪蒸器SEP2的分离条件闪蒸器SEP2温度（）压力(atm)物流流量（Kmol/hr）热负荷(kcal/hr 106）73.0405-0.119表5 吸收塔TOWER1的分离条件吸收塔TOWER1温度（）压力(atm)物流流量（Kmol/hr）热负荷塔顶塔底塔顶塔底进料出料26.4763.774.945.0塔顶塔底顶部底部021.7844.7540.9326.962.6生产过程的热量集成与热负荷2.6.1热

18、集成 由反应器R2出来的物料，经压缩机压缩后温度升高，在进入闪蒸罐SEP1前又需要冷却，经SEP1、SEP2分离下来的冷凝液在进入分离塔TOWER2前需要加热，为充分利用热量，在这两股物流之间加一台管壳式换热器EX5来利用两者的热量，使得两股物流达到各自所要求的温度。节省了一定的加热蒸汽和冷凝水。丙酮、醋酸、醋酐的分离采用两个热耦合塔TOWER2，TOWER3，T2采用常压操作，T3采用加压操作（2.2atm绝），T3的冷凝器可以作为C2的再沸器，这样可以节省大量蒸汽和冷却水。2.6.2热负荷由ASPEN计算结果，可得各设备的热负荷，如表8所示3与往届同学相比所作的改进1、 产量的扩大： 由上

19、届的1500吨/年，扩大为15000吨/年2、 热量的有效利用： 从反应器R1出来的气体温度为7000C，经过多级冷却，产生不同压力的蒸汽；此外。把蒸馏塔T3的冷凝器作为塔T2的再沸器，这样一来，达到了节能的目的。3、工艺的改进： 从反应器R2出来的产物，经过两次冷却、闪蒸，使丙酮能更好地被分离出来，从而循环再利用。 TABLE OF CONTENTS RUN CONTROL SECTION. 1 RUN CONTROL INFORMATION. 1 INPUT SECTION. 2 INPUT FILE(S). 2 FLOWSHEET SECTION. 6 FLOWSHEET CONNECT

20、IVITY BY STREAMS. 6 FLOWSHEET CONNECTIVITY BY BLOCKS. 6 CONVERGENCE STATUS SUMMARY. 6 CONVERGENCE BLOCK: $OLVER01. 7 COMPUTATIONAL SEQUENCE. 7 OVERALL FLOWSHEET BALANCE. 7 U-O-S BLOCK SECTION. 9 BLOCK: MIXER-1 MODEL: MIXER. 9 BLOCK: REACT-1 MODEL: RSTOIC. 9 BLOCK: MIXER-2 MODEL: MIXER. 11 BLOCK: REA

21、CT-2 MODEL: RSTOIC. 11 BLOCK: EX-5 MODEL: HEATER. 13 BLOCK: TOWER-2 MODEL: RADFRAC. 14 BLOCK: TOWER-3 MODEL: RADFRAC. 20 BLOCK: TOWER-1 MODEL: RADFRAC. 26 BLOCK: SEP-2 MODEL: FLASH2. 31 BLOCK: EX-6 MODEL: HEATER. 32 BLOCK: PUMP3 MODEL: PUMP. 33 BLOCK: COOL2 MODEL: HEATER. 34 BLOCK: COOL1 MODEL: HEAT

22、ER. 34 BLOCK: PUMP2 MODEL: PUMP. 35 BLOCK: EX-2 MODEL: HEATER. 36 BLOCK: EX-3 MODEL: HEATER. 37 BLOCK: EX-1 MODEL: HEATER. 38 BLOCK: EX-4 MODEL: HEATER. 39 BLOCK: SEP-1 MODEL: FLASH2. 40 ASPEN PLUS VER: WIN32 REL: 10.0-1 05/14/2010 PAGE II TABLE OF CONTENTS STREAM SECTION. 42 1 10 10-1 11 12. 42 12-

23、1 13 13-1 14 15. 43 16 17 2 3 4. 44 5 5-1 5-2 5-3 6. 45 6-1 8 8-1 9 9-1. 46 9-2. 47 PROBLEM STATUS SECTION. 48 BLOCK STATUS. 48 ASPEN PLUS VER: WIN32 REL: 10.0-1 05/14/2010 PAGE 1 RUN CONTROL SECTION RUN CONTROL INFORMATION -THIS COPY OF ASPEN PLUS LICENSED TO GUANGDONG ENGINEERING EQUIP. TYPE OF RU

24、N: NEW INPUT FILE NAME: _2641zzz.inm OUTPUT PROBLEM DATA FILE NAME: _2641zzz VERSION NO. 1 LOCATED IN: PDF SIZE USED FOR INPUT TRANSLATION: NUMBER OF FILE RECORDS (PSIZE) = 0 NUMBER OF IN-CORE RECORDS = 256 PSIZE NEEDED FOR SIMULATION = 256CALLING PROGRAM NAME: apmain LOCATED IN: D:ASPENT1AP100xeq S

25、IMULATION REQUESTED FOR ENTIRE FLOWSHEET ASPEN PLUS VER: WIN32 REL: 10.0-1 05/14/2010 PAGE 2 ASPEN PLUS VER: WIN32 REL: 10.0-1 05/14/2010 PAGE 3 FLOWSHEET SECTION FLOWSHEET CONNECTIVITY BY STREAMS - STREAM SOURCE DEST STREAM SOURCE DEST 1 - MIXER-1 14 - TOWER-1 2 MIXER-1 REACT-1 3 REACT-1 EX-1 4 MIX

26、ER-2 REACT-2 6 REACT-2 COOL1 15 EX-5 TOWER-2 11 TOWER-2 MIXER-1 10 TOWER-2 PUMP3 13-1 TOWER-3 MIXER-2 12 TOWER-3 EX-6 9 TOWER-1 - 17 TOWER-1 MIXER-2 9-2 SEP-2 TOWER-1 8-1 SEP-2 PUMP2 12-1 EX-6 - 10-1 PUMP3 TOWER-3 13 COOL2 SEP-2 6-1 COOL1 SEP-1 16 PUMP2 EX-5 5-2 EX-2 EX-3 5-3 EX-3 EX-4 5-1 EX-1 EX-2

27、 5 EX-4 MIXER-2 9-1 SEP-1 COOL2 8 SEP-1 PUMP2 FLOWSHEET CONNECTIVITY BY BLOCKS - BLOCK INLETS OUTLETS MIXER-1 1 11 2 REACT-1 2 3 MIXER-2 17 5 13-1 4 REACT-2 4 6 EX-5 16 15 TOWER-2 15 11 10 TOWER-3 10-1 13-1 12 TOWER-1 9-2 14 9 17 SEP-2 13 9-2 8-1 EX-6 12 12-1 PUMP3 10 10-1 COOL2 9-1 13 COOL1 6 6-1 P

28、UMP2 8 8-1 16 EX-2 5-1 5-2 EX-3 5-2 5-3 EX-1 3 5-1 EX-4 5-3 5 SEP-1 6-1 9-1 8 CONVERGENCE STATUS SUMMARY - TEAR STREAM SUMMARY = STREAM MAXIMUM MAXIMUM VARIABLE CONV ID ERROR TOLERANCE ERR/TOL ID STAT BLOCK - - - - - - - 4 0.72897E-09 0.12068E-08 0.60404 ACETI-02MOLEFLOW # $OLVER01 # = CONVERGEDl =

29、NOT CONVERGED ASPEN PLUS VER: WIN32 REL: 10.0-1 05/14/2010 PAGE 7 FLOWSHEET SECTION CONVERGENCE BLOCK: $OLVER01 - Tear Stream : 4 Tolerance used: 0.100D-03 Trace molefrac: 0.100D-05 MAXIT= 30 METHOD: DIRECT-SUBST STATUS: CONVERGED TOTAL NUMBER OF ITERATIONS: 35 NUMBER OF ITERATIONS ON LAST OUTER LOOP: 4ASPEN PLUS VER: WIN32 REL: 10.0-1