乙酸乙酯实训装置操作规程Word文档格式.docx
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附录一乙酸乙酯－乙醇－水体系相图35
附录二体系共沸物及组成36
附录三变频器的使用37
附录四仪表的使用38
前言
化学工业是对原料进行化学加工以获得有用产品的工业。
显然，其核心是化学反应过程及其装备——反应器。
但是，为使化学反应过程得以经济有效地进行，反应器内必须保持某些优惠条件，如适宜的压力、温度和物料的组成等。
因此，原料必须经过一系列的预处理以除去杂质，达到必要的纯度、温度和压力，这些过程统称为前处理。
反应产物同样需要经过各种后处理过程加以精制，以获得最终产品（或中间产品）。
实际上，在一个现代化的、设备林立的大型工厂中，反应器为数并不多，绝大多数的设备都是进行着各种前、后处理操作。
也就是说，现代化学工业中的前、后处理工序占有着企业的大部分设备投资和操作费用。
因此，目前已不是单纯由反应过程的优惠条件来决定必要的前、后处理过程，而必须总体地确定全系统的优惠条件。
由此足以见得，前、后处理过程在化工生产中的重要地位。
职业教育的根本任务是培养有较强实际动手能力和职业能力的技能型人才，而实际训练是培养这种能力的关键环节。
传统的实验设备能够培训学生的实验能力，但缺乏技术手段培养学生的基本操作技能，更无法实现工业生产故障发现、分析、处理能力等综合素质的培养。
为了实现化工职业技能人才的培养，必须建立现代化的化工实训基地，而具有真正工学结合效果的化工实训装置是现代化化工实训基地的基本保障。
本化工实训系列装置采用了化工技术、自动化控制技术和网络技术的最新成果，实现了工厂情景化、故障模拟化、操作实际化和控制网络化设计目标，符合职业教育的特点和人才培养目标，体现了健康、安全和环保的理念。
本实训装置为一种集实验、实训、生产、科研、技能鉴定功能于一体的教、学、做、训、靠多功能化工培训装置，能满足职业院校教学、培训、科研、技能鉴定的需要。
装置具备如下技术特点：
①本培训装置设计了基本的酯化、水解、多组分精馏实验，根据生产工艺要求，选择适宜的生产条件，获得合格的实验产品。
②本培训装置使用的物系是水－乙醇－乙酸－乙酸乙酯，能够对实验物系的分离系统进行能量的优化研究，确定分离的适宜方案和该方案下的最优操作条件。
③本培训装置设计了实验干扰系统，通过引入干扰模拟实际操作中的异常情况，训练、考核学员识别、分析和处理操作故障的能力。
釜式反应器是由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。
用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜；
用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。
精馏是分离液体混合物最常用的一种操作，在化工、炼油等工业中应用很广，是一种典型的单元操作。
热态循环生产实训装置的主要功能：
实验：
能够完成基本的常压反应、反应精馏和基本精馏实验，根据实验要求，选择适宜的实验条件，获得合格的实验产品；
实训：
本培训装置流程、设备配置和操作方式与工厂基本一致，具有正常开车、正常停车、设备维护的操作技能训练功能。
同时具有工业生产过程故障发现、分析、处理的综合实践能力的培训功能。
技能鉴定：
应用本装置能够考核学生连续搅拌反应器、填料精馏塔、换热器以及计量泵的基本操作能力，反应器、精馏塔、换热器和泵的常见操作故障的处理能力，满足分级技能鉴定要求。
生产：
本装置可连续运行，连续生产合格的乙酸乙酯。
乙酸乙酯产品生产装置操作规程
一、产品概述
乙酸乙酯（ethylacetate）又称醋酸乙酯。
纯净的乙酸乙酯是无色透明有芳香气味的液体，是一种用途广泛的精细化工产品，具有优异的溶解性、快干性，用途广泛，是一种非常重要的有机化工原料和极好的工业溶剂，被广泛用于醋酸纤维、乙基纤维、氯化橡胶、乙烯树脂、乙酸纤维树酯、合成橡胶、涂料及油漆等的生产过程中。
1.1产品名称及性质
图1结构式
CASNo.：
141-78-6
分子式：
C4H8O2
结构式：
CH3COOC2H5
相对分子质量：
88.11
乙酸乙酯的外观及性状：
外观：
无色澄清液体；
香气：
有强烈的醚似的气味，清灵、微带果香的酒香，易扩散，不持久；
熔点：
-83.6℃；
折光率（20℃）：
1.3708-1.3730；
沸点：
77.06℃；
相对密度（水=1）：
0.894-0.898；
相对蒸气密度（空气=1）：
3.04；
饱和蒸气压：
13.33kPa（27℃）；
燃烧热：
2244.2kJ/mol；
临界温度：
250.1℃；
临界压力：
3.83MPa；
辛醇/水分配系数的对数值：
0.73；
闪点：
-4℃；
引燃温度：
426℃；
爆炸上限（V/V）：
11.5%；
爆炸下限（V/V）：
2.0%；
室温下的分子偶极距：
6.555×
10-30；
溶解性：
微溶于水，溶于醇、酮、醚、氯仿等多数有机溶剂。
水解反应：
在酸的催化下，乙酸乙酯水解为乙酸和乙醇；
在碱的催化下，会水解成乙酸钠和乙醇。
醇解反应：
即发生酯交换。
1.2产品质量规格
参见GB/T3728-2007
透明液体，无悬浮杂质。
表1乙酸乙酯的技术规格
项目
指标
优等品
一般品
合格品
乙酸乙酯的质量分数/%≥
99.7
99.5
99.0
乙醇的质量分数/%≤
0.10
0.20
0.50
水的质量分数/%≤
0.05
酸的质量分数（以CH3COOH计）/%≤
0.004
0.005
色度/Hazen单位（铂－钴色号）%≤
10
密度（ρ20）/（g/cm3）
0.897~0.902
蒸发残渣的质量分数/%≤
0.001
1.3乙酸乙酯的用途
其主要用途有：
作为工业溶剂，用于涂料、粘合剂、乙基纤维素、人造革、油毡着色剂、人造纤维等产品中；
作为粘合剂，用于印刷油墨、人造珍珠的生产；
作为提取剂，用于医药、有机酸等产品的生产；
作为香料原料，用于菠萝、香蕉、草莓等水果香精和威士忌、奶油等香料的主要原料。
二、原辅材料名称及规格
本实训装置的原料为无水乙醇、冰醋酸、浓硫酸（93％）和纯净水。
乙醇和乙酸的摩尔比在1:
1到2:
1之间；
浓硫酸以浓硫酸和冰醋酸混合物的方式加入反应器，浓硫酸的质量分数为0.5％左右。
乙醇的结构简式为CH3CH2OH，俗称酒精，它在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，它的水溶液具有特殊的、令人愉快的香味，并略带刺激性。
密度：
0.789g/cm3（液）；
−117.3℃；
78.3℃；
在水中的溶解度：
pKa15.9；
黏度：
1.200mPa·
s（cP）；
5.33KPa（19℃）；
1365.5kJ/mol；
12℃；
363℃；
乙酸分子中含有两个碳原子的饱和羧酸。
分子式CH3COOH。
因是醋的主要成分，又称醋酸。
广泛存在于自然界，例如在水果或植物油中主要以其化合物酯的形式存在；
在动物的组织内、排泄物和血液中以游离酸的形式存在。
乙酸易溶于水和乙醇，其水溶液呈弱酸性。
乙酸盐也易溶于水。
无色液体，有刺激性气味。
熔点16.6℃，沸点117.9℃，相对密度1.0492（20/4℃），闪点：
39℃；
爆炸极限（％）：
4.0－17。
纯乙酸在16.6℃以下时能结成冰状的固体，所以常称为冰醋酸。
稀释后对金属有强烈腐蚀性。
浓硫酸是指浓度（这里的浓度是指硫酸溶液里硫酸的质量百分比）大于或等于70%的硫酸溶液。
浓硫酸在浓度非常高时（一般是指浓度98%以上）具有强氧化性，这是它与普通硫酸或普通浓硫酸最大的区别之一。
纯硫酸是一种无色无味油状液体。
常用的浓硫酸中H2SO4的质量分数为98.3％，其密度为1.84g/cm3，其物质的量浓度为18.4mol/L。
硫酸是一种高沸点难挥发的强酸，易溶于水，能以任意比与水混溶。
浓硫酸溶解时放出大量的热，因此浓硫酸稀释时应该“酸入水，沿器壁，慢慢倒，不断搅。
三、生产工艺过程
工业行业可以分为两大类：
一类以物质转化为核心，从事物质的化学转化，生产新的物质产品，生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程并多数连续操作，如石油加工、石油化工、煤化工、非金属矿与金属矿的化学加工、化肥、基本无机及有机化工、精细化工等，可以统称为过程工业；
另一类以物件的加工和组装为核心，不改变物质的内在形态，多属非连续操作，可以统称为装备与产品制造工业。
过程工业中包含有进行物理转化和化学转化两类过程。
进行物理转化的过程，如流体输送、液体搅拌、固体的破碎、过滤、结晶、换热、蒸发、干燥、吸收、精馏、萃取、吸附、增湿、减湿及膜分离等单元操作。
进行化学转化的过程，如按参与反应物质的类别来区分，可分为均相和多相（又称为非均相）反应，均相反应含气相反应和液相反应，而多相反应含液－液相反应、气－液相反应、液－固相反应、气－固相反应、固－固相反应和气－液－固三相反应。
进行化学转化的过程，即化学反应过程，是生产的关键过程。
在进行化学反应过程的装置或化学反应器中进行反应时，必然伴有放热或吸热的热效应。
对于多相反应，必然存在处于不同相的物质间的质量传递。
在反应装置中必然存在着流体流动或固体颗粒的运动，不同结构的反应器中，又存在着不同的流动形式。
化学反应过程是一个综合化学反应与动量、质量、热量传递交互作用的宏观反应过程，这也就是20世纪初期国际化工学术界确立的“三传一反”的概念。
精馏是分离液体混合物的典型单元操作，它是通过加热造成气、液两相物系，利用物系中各组分挥发度不同的特性以实现分离的目的。
通常，将低沸点的组分称为易挥发组分，高的称为难挥发组分。
精馏分离具有如下特点：
1.通过精馏分离可以直接获得所需要的产品；
2.精馏分离的适用范围广，它不仅可以分离液体混合物，而且可用于气态或固态混合物的分离；
3.精馏过程适用于各种组成混合物的分离；
4.精馏操作是通过对混合液加热建立汽液两相体系进行的，所得到的汽相还需要再冷凝化。
因此，精馏操作耗能较大。
伴有化学反应的精馏方法，有的用精馏促进反应，有的用反应促进精馏。
用精馏促进反应，就是通过精馏不断移走反应的生成物，以提高反应转化率和收率。
如醇加酸生成酯和水的酯化反应是一种可逆反应，将这个反应放在精馏塔中进行时，一边进行化学反应，一边进行精馏，及时分离出生成物酯和水。
这样可使反应持续向酯化的方向进行。
这种精馏在同一设备内完成化学反应和产物的分离，使设备投资和操作费用大为降低。
但采用这种方法必须具备一定的条件：
①生成物的沸点必须高于或低于反应物；
②在精馏温度下不会导致副反应等不利影响的增加。
目前在工业上主要应用于酯类（如乙酸乙酯）的生产。
塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们以填料塔为例向大家介绍精馏设备。
3.1基本原理
3.1.1反应基本原理
目前，世界上工业合成乙酸乙酯的方法主要有乙酸乙醇酯化法、乙醛缩合法、乙醇脱氢歧化法以及最近已工业化生产的乙烯/乙酸直接合成法。
1.乙酸乙醇酯化法
乙酸酯化法是传统的乙酸乙酯生产方法，在催化剂浓硫酸存在下，由乙酸和乙醇发生酯化反应而得：
图2乙酸乙醇酯化法反应机理
该法生产乙酸乙酯的主要缺点是成本高、设备腐蚀严重、副反应多、副产物处理困难和对环境造成污染。
但是该法也不是一无是处，在经济和技术都相当发达的美国，至今仍然使用这一生产方法，原因是由于美国的粮食资源十分丰富，可由玉米等粮食经过发酵作用大规模生产乙醇，因此使用乙醇生产乙酸乙酯的成本比较低。
这一方法的突破点就在于催化剂的选择上。
2.乙醛缩合法
在催化剂乙醇铝（三乙氧基铝）的存在下，两分子的乙醛经Tishchenko反应自动氧化和缩合，重排形成一分子的乙酸乙酯：
缩合法的优点是：
在常压低温下进行，转化率与收率高、原料消耗小、工艺简单、条件温和、设备腐蚀小、投资少、三废排放少，是一种比较经济的方法。
该方法在乙醛资源丰富和环保意识比较强的欧美、日本等地已形成了大规模的生产装置，在生产成本和环境保护等方面都有着明显的优势，但这种工艺受原料乙醛的限制，一般应建在乙烯、乙醛联合装置内，而且催化剂乙醇铝无法回收，最后通过加水生成氢氧化铝排放。
3.乙醇脱氢歧化法
采用铜基催化剂（主要用Pd/C、骨架Ni、Cu-Co-Zn-Al混合氧化物及Mo-Sb二元氧化物等催化剂）使乙醇脱氢生成粗乙酸乙酯，经高低压蒸馏出去共沸物，得到高纯度的乙酸乙酯：
该方法的优点是收率较酯化法高、成本较酯化法低、腐蚀小，易形成规模化生产。
缺点是转化率和选择性低，分离系统尚存在一定问题。
该方法只需要乙醇原料，在乙醇比较廉价的地方，用此法生产乙酸乙酯能取得极大的经济效益。
4.乙烯/乙酸直接合成法
在以附载在二氧化硅等载体上的杂多酸金属盐或杂多酸为催化剂的存在下，乙烯气相水合后与气化乙酸直接酯化生成乙酸乙酯：
该法是近年来研究的热点，该工艺由于直接利用来源广泛的乙烯原料，价格较低廉，因而降低了生产成本，加上环境友好，经济效益好，已成为未来乙酸乙酯生产的发展方向。
该工艺技术先进，经济可行。
国内生产乙烯的可充分利用原料优势，从乙烯和由甲醇低压羰基合成的价廉乙酸制取经济附加值较高的乙酸乙酯。
3.1.2反应器的基本知识
图3釜式反应器
1.常用反应器的类型
①管式反应器：
由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。
②釜式反应器：
由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。
③有固体颗粒床层的反应器：
气体或（和）液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。
④塔式反应器：
用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等。
⑤喷射反应器：
利用喷射器进行混合，实现气相或液相单相反应过程和气液相、液液相等多相反应过程的设备。
⑥其他多种非典型反应器：
如回转窑、曝气池等。
2.反应器的操作方式
反应器的操作方式分间歇式、连续式和半连续式三种。
间歇操作反应器系将原料按一定配比一次加入反应器，待反应达到一定要求后，一次卸出物料。
连续操作反应器系连续加入原料，连续排出反应产物。
当操作达到定态时，反应器内任何位置上物料的组成、温度等状态参数不随时间而变化。
半连续操作反应器也称为半间歇操作反应器，介于上述两者之间，通常是将一种反应物一次加入，然后连续加入另一种反应物。
反应达到一定要求后，停止操作并卸出物料。
间歇反应器的优点是设备简单，同一设备可用于生产多种产品，尤其适合于医药、染料等工业部门小批量、多品种的生产。
另外，间歇反应器中不存在物料的返混，对大多数反应有利。
缺点是需要装卸料、清洗等辅助工序，产品质量不易稳定。
大规模生产应尽可能采用连续反应器。
连续反应器的优点是产品质量稳定，易于操作控制。
其缺点是连续反应器中都存在程度不同的返混，这对大多数反应皆为不利因素，应通过反应器合理选型和结构设计加以抑制。
3.反应器的加料方式
对有两种以上原料的连续反应器，物料流向可采用并流或逆流。
对几个反应器组成级联的设备，还可采用错流加料,即一种原料依次通过各个反应器,另一种原料分别加入各反应器。
除流向外，还有原料是从反应器的一端（或两端）加入和分段加入之分。
分段加入指一种原料由一端加入，另一种原料分成几段从反应器的不同位置加入，错流也可看成一种分段加料方式。
采用什么加料方式，须根据反应过程的特征决定。
4.反应器的换热方式
多数反应有明显的热效应。
为使反应在适宜的温度条件下进行，往往需对反应物系进行换热。
换热方式有间接换热和直接换热。
间接换热指反应物料和载热体通过间壁进行换热，直接换热指反应物料和载热体直接接触进行换热。
对放热反应，可以用反应产物携带的反应热来加热反应原料，使之达到所需的反应温度，这种反应器称为自热式反应器。
按反应过程中的换热状况，反应器可分为：
①等温反应器：
反应物系温度处处相等的一种理想反应器。
反应热效应极小，或反应物料和载热体间充分换热，或反应器内的热量反馈极大（如剧烈搅拌的釜式反应器）的反应器，这样可近似看作等温反应器。
②绝热反应器：
反应区与环境无热量交换的一种理想反应器。
反应区内无换热装置的大型工业反应器，与外界换热可忽略时，可近似看作绝热反应器。
③非等温非绝热反应器：
与外界有热量交换，反应器内也有热反馈，但达不到等温条件的反应器，如列管式固定床反应器。
换热可在反应区进行，如通过夹套进行换热的搅拌釜，也可在反应区间进行，如级间换热的多级反应器。
5.反应器的操作条件
主要指反应器的操作温度和操作压力。
温度是影响反应过程的敏感因素，必须选择适宜的操作温度或温度序列，使反应过程在优化条件下进行。
例如对可逆放热反应应采用先高后低的温度序列以兼顾反应速率和平衡转化率。
反应器可在常压、加压或负压（真空）下操作。
加压操作的反应器主要用于有气体参与的反应过程，提高操作压力有利于加速气相反应，对于总摩尔数减小的气相可逆反应，则可提高平衡转化率，如合成氨、合成甲醇等。
6.反应器的选型
对于特定的反应过程，反应器的选型需综合考虑技术、经济及安全等诸方面的因素。
反应过程的基本特征决定了适宜的反应器形式。
例如气固相反应过程大致是用固定床反应器、流化床反应器或移动床反应器。
但是适宜的选型则需考虑反应的热效应、对反应转化率和选择率的要求、催化剂物理化学性态和失活等多种因素，甚至需要对不同的反应器分别作出概念设计，进行技术的和经济的分析以后才能确定。
除反应器的形式以外，反应器的操作方式和加料方式也需考虑。
例如,对于有串联或平行副反应的过程,分段进料可能优于一次进料。
温度序列也是反应器选型的一个重要因素。
例如，对于放热的可逆反应，应采用先高后低的温度序列，多级、级间换热式反应器可使反应器的温度序列趋于合理。
反应器在过程工业生产中占有重要地位。
就全流程的建设投资和操作费用而言，反应器所占的比例未必很大。
但其性能和操作的优劣却影响着前后处理及产品的产量和质量，对原料消耗、能量消耗和产品成本也产生重要影响。
因此，反应器的研究和开发工作对于发展各种过程工业有重要的意义。
3.1.3精馏基本原理
图4第n板的质量和热量衡算图
精馏分离是根据溶液中各组分挥发度（或沸点）的差异，使各组分得以分离。
其中较易挥发的称为易挥发组分（或轻组分），较难挥发的称为难挥发组分（或重组分）。
它通过汽、液两相的直接接触，使易挥发组分由液相向汽相传递，难挥发组分由汽相向液相传递，是汽、液两相之间的传递过程。
现取第n板（如右图）为例来分析精馏过程和原理。
塔板的形式有多种，最简单的一种是板上有许多小孔（称筛板塔），每层板上都装有降液管，来自下一层（n+1层）的蒸汽通过板上的小孔上升，而上一层（n-1层）来的液体通过降液管流到第n板上，在第n板上汽液两相密切接触，进行热量和质量的交换。
进、出第n板的物流有四种：
1．由第n-1板溢流下来的液体量为Ln-1，其组成为xn-1,温度为tn-1；
2．由第n板上升的蒸汽量为Vn，组成为yn，温度为tn；
3．从第n板溢流下去的液体量为Ln，组成为xn，温度为tn；
4．由第n+1板上升的蒸汽量为Vn+1，组成为yn+1，温度为tn+1。
因此，当组成为xn-1的液体及组成为yn+1的蒸汽同时进入第n板，由于存在温度差和浓度差，汽液两相在第n板上密切接触进行传质和传热的结果会使离开第n板的汽液两相平衡（如果为理论板，则离开第n板的汽液两相成平衡），若汽液两相在板上的接触时间长，接触比较充分，那么离开该板的汽液两相相互平衡，通常称这种板为理论板（yn，xn成平衡）。
精馏塔中每层板上都进行着与上述相似的过程，其结果是上升蒸汽中易挥发组分浓度逐渐增高，而下降的液体中难挥发组分越来越浓，只要塔内有足够多的塔板数，就可使混合物达到所要求的分离纯度（共沸情况除外）。
加料板把精馏塔分为二段，加料板以上的塔，即塔上半部完成了上升蒸汽的精制，即除去其中的难挥发组分，因而称为精馏段。
加料板以下（包括加料板）的塔，即塔的下半部完成了下降液体中难挥发组分的提浓，除去了易挥发组分，因而称为提馏段。
一个完整的精馏塔应包括精馏段和提馏段。
精馏段操作方程为：
提馏段操作方程为：
其中，R为操作回流比，F为进料摩尔流率，W为釜液摩尔流率，L为提馏段下降液体的摩尔流率，q为进料的热状态参数，部分回流时，进料热状况参数的计算式为：
式中tF——进料温度，℃。
tBP——进料的泡点温度，℃。
Cpm——进料液体在平均温度（tF+tBP）/2下的比热，J/（mol℃）。
rm——进料液体在其组成和泡点温度下的汽化热，J/mol。
Cpm=Cp1x1+Cp2x2
rm=r1x1+r2x2
式中Cp1，Cp2——分别为纯组份1和组份2在平均温度下的比热容，kJ/（kg．℃）。
r1，r2——分别为纯组份1和组份2在泡点温度下的汽化热，kJ/kg。
x1，x2——分别为纯组份1和组份2在进料中的摩尔分率。
精馏操作涉及气、液两相间的传热和传质过程。
塔板上两相间的传热速率和传质速率不仅取决于物系的性质和操作条件，而且还与塔板结构有关，因此它们很难用简单方程加以描述。
引入理论板的概念，可使问题简化。
所谓理论板，是指在其上气、液两相都充分混合，且传热和传质过程阻力为零的理想化塔板。
因此不论进入理论板的气、液两相组成如何，离开该板时气、液两相达到平衡状态，即两温度相等，组成互相平衡。
实际上，由于板上气、液两相接触面积和接触时间是有限的，因此在任何形式的塔板上，气、液两相难以达到平衡状态，即理论板是不存在的。
理论板仅用作衡量实际板分离效率的依据和标准。
通常，在精馏计算中，先求得理论板数，然后利用塔板效率予以修正，即求得实际板数。
引入理论板的概念，对精馏过程的分析和计算是十分有用的。
对于二元物系，如已知其汽液平衡数据，则根据精馏塔的原料液组成，进料热状况，操作回流比及塔顶馏出液组成，塔底釜液组成可由图解法或逐板计算法求出该塔的理论板数NT。
按照下式可以得到总板效率ET，其中NP为实际塔板数。
3.1.4填料精馏塔
图5填料塔的结构
填料塔是一种应用很广泛的气液传质设备，塔具有结构简单、压降低、填料易用那耐腐蚀材料制造等优点。
早期的填料塔主要应用于实验室和小型
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