醋酸酐生产过程概念设计

化工过程模拟与优化课程设计报告

醋酸酐生产过程概念设计

1 ．过程设计分析

1.1 醋酸酐的相关信息

1.1.1性质与用途

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

1.2醋酸酐生产过程的分析

1.2.1 醋酸酐的生产方法

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700~800℃，常压、没有催化剂的条件下进行裂解反应，反应停留时间0.01~1.0s。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 CH3CH2=C=O+ CH4700℃，1atm;

副反应: CH2=C=O CO + 1/2 CH2=CH2700℃，1atm; 主反应：CH2=C=O + CH3COOH (CH3CO)2O 80℃，1atm 1.2.2 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CH 4、CO 、C 2H 4，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：

2．2反应信息

2.2.1 反应、副反应及其条件：

主反应： CH 3CO CH 3 CH 2=C=O+ CH 4 700℃，1atm;

副反应: CH 2=C=O

CO + 1/2 CH 2=CH 2 700℃，1atm;

主反应：CH 2=C=O + CH 3COOH (CH 3CO)2O 80℃，1atm

2.2.2 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=s×x

2.2.3 反应的相态

1.CH4、CO、C2H4、CH2=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 k mol/hr,醋酸进料量为20.0k mol/hr,而丙酮与醋酸之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 k mol/hr;醋酸进料量：20.0 k mol/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：

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：21.6kmol/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