再沸器的设计

北方民族大学学士学位设计论文题目:3万吨乙酸催化氯化合成氯乙酸项目母液处理工段的工艺设计及精馏再沸器的设计院(部)名称:化学与化学工程学院学生姓名:钱强专业:过程装备与控制工程学号:20113826指导教师姓名:高海涛论文提交时间:论文答辩时间:学位授予时间:北方民族大学教务处制摘要本文是对年产3万吨氯乙酸的母液工段进行了工艺设计。简单介绍了氯乙酸工段的生产方法、原理、工艺流程、对主要参数等进行了设计及计算。通过对原料、母液的性质分析以及生产原理的掌握和了解，制定出合理的生产方案和工艺流程。根据3万吨乙酸原料，乙酸合成氯乙酸的反应中母液含量只有乙酸的10%-12%，得到母液的年处理量只有2400吨。得出进料量的流量5.597kg/h,通过查《化学物性手册》得到各个物质的物性参数，经过各工段的物料衡算得到各工段的进口和出口气体的流量和组成，完成工艺段的设计。精馏再沸器进口气体流量为5.597kg/h,混合气体中CH3COOH含量为10%-20%,一氯乙酸的含量在25%-40，二氯乙酸的含量在30%-40%，进而根据精馏再沸器的物料衡算和吸收过程的物料衡算得到精馏再沸器相关数据，然后通过查国标确定了再沸器附件的尺寸，而且根据国标中的相关规定确定了结构之间的焊接形式。最后根据国标中的相关规定，在宁夏地区使用时，确定地震载荷、风载荷作用下地震和风的各项参数，并且按照国标进行塔材料和厚度的确定以及强度的校核计算，得到合适的结果。关键词：乙酸，氯乙酸，再沸器，物料衡算，国标前言氯乙酸又名一氯醋酸，分子式C2H3ClO2，其是双官能团化合物，为无色或淡黄色结晶，有刺激性气味，沸点（760mmHg）-188℃，折射率1.4330(60℃)，熔点：61～63℃，有腐蚀性，水溶液呈酸性反应。氯乙酸易潮解，易溶于水、醇、苯、氯仿和醚等。在25℃水100g时溶解度为510g，在100g甲醇中溶解度为350g。氯乙酸有刺激性臭味，为二级酸性腐蚀物品，大鼠经口LD50为76mg/Hg，豚鼠经口LD为80mg/Hg。生产企业：目前中国和西欧已经成为全球最主要的氯乙酸生产地区和国家。国内主要氯乙酸生产企业有阿克苏诺贝尔氯乙酸化工（泰兴）有限公司、江苏无锡格林艾普化工股份有限公司、河南开封东大化工集团有限公司、河北省石家庄合成化工厂、山东华阳集团、大连朗迪森化学有限公司等。有业内人士指出，目前我国已成为全球氯乙酸主要生产与消费国，氯乙酸装置规模、产能和技术水平取得长足进展，但是与国外发达国家和地区相比，与国内精细化工发展要求相比仍存在较大差距，行业矛盾的存在也是客观现象。我国的氯乙酸生产法大都是将冰乙酸进行氯化反应,再经结晶分离后,得到的白色晶体产物为氯乙酸产品,得到的液体就是氯乙酸母液(本文简称为母液)。母液呈黄褐色,相对密度1.30,在空气中冒少量白烟,有强烈的刺激气味,有极强的腐蚀性及一定的毒性。氯乙酸生产过程中不可避免的产生二氯乙酸,在结晶过程中,二氯乙酸与未反应的乙酸溶解一部分氯乙酸形成母液,母液成分随其结晶温度和含水量的不同成分也不尽相同。从一般氯乙酸生产厂家来看,二氯乙酸生产量占氯乙酸产量的5%一6%,母液量约为10%一12%,国内氯乙酸的产量10t,母液量约为10000一12000t,二氯乙酸的量约5000t一6000t。母液如果不加以处理而直接排入环境中,不但会浪费宝贵的化工资源,而且会对环境和水质造成极大的污染和破坏。本文集中介绍氯乙酸母液的工业利用途径和处理工艺，以及所得到的各种化学产品。本文是对年产3万吨氯乙酸的母液工段进行了工艺设计。简单介绍了氯乙酸工段的生产方法、原理、工艺流程、对主要参数等进行了设计及计算。通过对原料、母液的性质分析以及生产原理的掌握和了解，制定出合理的生产方案和工艺流程。同时设计任务以计算机为辅助，对氯乙烯精制工段中的精馏再沸器进行物料衡算，热量衡算，再沸器及其附属设备的计算。最终完成再沸器设备尺寸型号的确定及对设备材质的选择等工作，并绘制相应的工艺流程图和设备图。第一章文献综述1.1氯乙酸生产工艺技术介绍氯乙酸最早于1841年首次发现，1857年在实验中使乙酸在阳光直接照射下进行氯化反应制得氯乙酸。目前，氯乙酸的生产方法有氯乙烯、氯乙酰氯水解法、三氯乙烯水解法、氯乙炔法、四氯乙烯法、丙三醇法、二氯乙酸法、三氯乙醛法、氯乙醇氧化法、乙烯酮氧化法和乙酸催化氯化法等十多种，工业生产方法主要有三氯乙烯水解法、氯乙酰氯法以及乙酸催化氯化法三种。三氯乙烯水解法是三氯乙烯在以93%的硫酸为催化剂，反应温度为160-180℃的条件下，通过控制三氯乙烯和水的比例，进行水解反应生成氯乙酸。该法可以达到高纯度的氯乙酸，产率可以达到90%，不足之处是副产盐酸较多（每吨产品可以副产30%的盐酸2.57吨），生产消耗定额偏高，工艺流程长，生产成本高。目前该法主要被欧洲的一些氯乙酸生产厂家所采用。氯乙酰氯法是氯乙酰氯在碱性条件下水解得到氯乙酸，由于受到原料的限制，目前该法已经很少有生产厂家采用。乙酸催化氯化法是目前国内外生产氯乙酸最主要的方法。它又可分为间歇式生产工艺和连续式生产工艺俩种。间歇式生产工艺是一般以硫磺粉为催化剂，控制其用量约为乙酸总量的3%（质量百分数），反应采用二级串联氯化，主锅在90℃下通氯气，控制反应温度为96-100℃，副锅反应温度为85-90℃，当反应终点密度为1.35时即为反应终点。保温反应1小时后加入循环母液冷却结晶，在凝固点以上1-2℃加入晶种，缓慢冷却至25℃左右，经抽滤或离心分离制得产品。尾气氯化氢送填料吸收塔回收副产盐酸。目前，国外该法已经被淘汰，而我国的生产厂家主要采用该法进行生产，该法生产工艺虽然比较简单，但消耗高，产量低，所得产品质量差，生产周期长，生产成本高、三废污染严重，催化剂硫磺粉不仅污染主产品，也污染副产品盐酸，有时还造成管道设备的堵塞，使生产不正常，使得产品的应用范围受到一定的限制。氯乙酸在农药、医药、染料、日化、表面活性剂、化学试剂以及造纸化学品、油田化学、纺织助剂橡胶助剂、电镀、香料香精等方面具有广泛的应用。全球氯乙酸主要用于生产羧甲基纤维素（CMC）、PVC热稳定剂巯基乙酸、2，4-氯苯氧基乙酸（2，4-D）等。我国氯乙酸的主要消费领域是农药、农药工业，氯乙酸可以合成20余种常用的杀虫、除草和植物生产调节剂，其中消耗氯乙酸量最大的品种为全球范围内使用的主流除草剂草甘磷。。近几年来，我国氯乙酸消费量不断增加。2000年全国表观消费量为13万吨，2003年增长到17.4万吨，2004年进一步增加到20万吨。预计2008年，全国氯乙酸总消费量将达到30万吨，其中农药、羧甲基纤维素和羧甲基淀粉是其主要消费领域。2004年，农药领域氯乙酸的消费量占总消费量的35%左右。在农药领域，氯乙酸可用于生产杀虫剂乐果、氧化乐果等，除草剂2，4-滴丁酯、乙草胺、丁草胺、甲草胺、克草胺、硫氰乙酸、萘乙酸、萘乙酸甲酯、稻瘟灵、草甘膦、对氯苯氧乙酸等。2000年国内农药行业对氯乙酸的需求量约4.5万吨，2003年约6.2万吨，2004年约7万吨。随着农药生产和多种经营发展，大农场等机械化使用除草剂代替了人工除草，促进了国内除草剂生产。另外，近年农村对杀虫剂的需求量也日益增加。预计2005~2008年，我国农药行业对氯乙酸的需求量将以年均约10%的速度增长，到2008年对氯乙酸的需求量将达到10万吨。预计2005~2008年，我国有机合成及其他方面对氯乙酸的需求量将以年均约11.9%的速度增长，2008年需求量将达到8.4万吨。（信息来源：中国化工报）1.2氯乙酸工业的发展及前景染料工业用于生产靛蓝、萘氨基乙酸类染料；在制药工业用于合成咖啡因、巴比妥、肾上腺素、维生素B6、氨基乙酸、丙二酸酯等药物和中间体；在农药工业用于生产除草剂2,4-D、丁酯、2,4,5-T、硫氰乙酸、α-萘乙酸、草甘磷、甲草胺、乙草胺、丁草胺及杀虫剂乐果等20多种农药；在合成纤维工业用于生产羧甲基纤维素（CMC）和有色金属浮选剂Z-200＃，还可用作色层分析试剂等，也可用于食品添加剂、洗涤剂、冷烫精等产品。国内氯乙酸产能分布（2009）区域现有年产（万吨/年）合计（万吨/年）所占比例硫磺法醋酐法华东1.715.416.223.8%华南0.60.651.251.80%华北29.5433.549.20%华中3.769.714.20%西南32.55.58.10%东北0.51.522.90%小计3929.1568.15100%氯乙酸大国地位已确立：我国已成为氯乙酸生产与消费大国，以及未来的氯乙酸出口大国。氯乙酸行业大而不强：全国总生产能力大，但生产技术落后，产品质量差，单套生产能力小；生产厂家分散、无序竞争。挑战与机遇并存：氯乙酸国内外市场前景看好，但对氯乙酸产品质量的要求也越来越高，要求尽快提高氯乙酸生产技术水平及行业的整体实力。中国氯乙酸未来扩能情况单位：万吨1.58.5210.3514.5520.50123456789江苏广西河北山东河南四川重庆吉林硫磺法醋酐法1.3氯乙酸的生产方法将外购醋酸泵入醋酸罐中，使用时用泵打入醋酸计量槽计量后，送入醋酸循环槽。将醋酸循环槽中的料液倒入氯化釜，加入催化剂醋酐后，开始对釜料升温，将主氯化釜料液升温至80~100℃、副氯化釜升温至60~90℃时，开始通入氯气，经氯气缓冲罐调节压力、氯气分配台计量后进入各套主氯化釜。氯乙酸的氯气和醋酸反应生成氯乙酸方程式如下:主反应：CH3COOH+Cl2→ClCH2COOH+HCl副反应：CH3COOH+Cl2→Cl2CHCOOH+HClCH3COOH+Cl2→Cl3CCOOH+HCl在主氯化釜中生成的氯化氢气体及过量的氯气进入副氯化釜，副氯化釜中生成的氯化氢气体及挥发的醋酸、低沸物等气体组成的尾气经氯化冷凝器、尾气冷凝器冷却，使氯化反应产生的氯化氢进一步净化。尾气先后进入水解塔和降膜塔，经过水洗、水吸收后，彻底除去氯化氢，达到环保标准，经风机后放空。主氯化釜生成的成品料液进入结晶釜，用50~60℃的循环水在夹套间接冷却，使成品料液中的氯乙酸结晶析出，由液态转变为固-液体混合状态，后经过离心机分离包装出售。1.4氯乙酸的性质1.4.1物理性质氯乙酸又称一氯醋酸、氯代乙酸，结构式为C1CH2COOH，分子量94.50。无色或淡黄色结晶，有刺激性气味，有潮解性。相对密度(60℃／4℃)1．3764。有α、β、γ三种晶体，熔点分别为62．53℃、56．3℃、50．2℃。沸点186～191℃，折射率1．4330，粘度(65℃)2．25mPa·s，表面张力31．56×l0-3N／m。有强烈的腐蚀性，能破坏所有非贵重金属、橡胶和木材等。溶于水、乙醇、乙醚、氯仿和二硫化碳。可燃，爆炸极限(下限)8％(vol)。中等毒性，受热分解产生有毒的光气和氯化物气体。能腐蚀皮肤，有强烈的刺激性，LD5076mg／kg。1.4.2危害吸入高浓度本品蒸气或皮肤接触其溶液后，可迅速大量吸收，造成急性中毒。吸入初期为上呼吸道刺激症状。中毒后数小时即可出现心、肺、肝、肾及中枢神经损害，重者呈现严重酸中毒。患者可有抽搐、昏迷、休克、血尿和肾功能衰竭。酸雾可致眼部刺激症状和角膜灼伤。皮肤灼伤可出现水疱，1～2周后水疱吸收。慢性影响：经常接触低浓度本品酸雾，可有头痛、头晕现象。1.5.1氯乙酸母液的产生与性质我国的氯乙酸生产法大都是将冰乙酸进行氯化反应,再经结晶分离后,得到的白色晶体产物为氯乙酸产品,得到的液体就是氯乙酸母液(本文简称为母液)。母液呈黄褐色,相对密度1.30,在空气中冒少量白烟,有强烈的刺激气味,有极强的腐蚀性及一定的毒性。氯乙酸生产过程中不可避免的产生二氯乙酸,在结晶过程中,二氯乙酸与未反应的乙酸溶解一部分氯乙酸形成母液,母液成分随其结晶温度和含水量的不同成分也不尽相同。从一般氯乙酸生产厂家来看,二氯乙酸生产量占氯乙酸产量的5%一6%,母液量约为10%一12%,国内氯乙酸的产量10t,母液量约为10000一12000t,二氯乙酸的量约5000t一6000t。化学反应方程式