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化工设计实例——10000吨/年氯乙酸生产氯化反应装置的设计

第一步：
查阅资料，了解氯乙酸生产工艺，及关键工艺参数和物料参数。
1、工艺过程
氯乙酸生产工艺有约10种，最常用的工艺是乙酸催化氯化法生产氯乙酸，反应式如下：
存在二氯化副反应，二氯化反应是与一氯化反应平行进行的反应。
催化剂为硫磺或乙酸酐，采用乙酸酐为催化剂时，中间产物乙酰氯仅催化一氯化反应。
乙酸酐催化反应历程：

对文献分析决定选用乙酸酐为催化剂。
2、工艺参数
经文献分析得到：
⑴反应温度为90～110℃
⑵催化剂用量为乙酸用量的5%（质量）
⑶氯气用量为乙酸的110～115%（物质的量）
⑷一氯化转化率为80%
⑸二氯化转化率为4%
⑹氯化反应时间为22小时
3、物料参数
乙酸：相对密度（水为1）：1.050
凝固点（℃）：16.7
沸点（℃）：118．3
粘度(mPa.s）：1．22(20℃）
20℃时蒸气压（KPa）：1.5
外观及气味：无色液体，有刺鼻的醋味。
溶解性：能溶于水、乙醇、乙醚、四氯化碳及甘油等有机溶剂。
相容性：材料：稀释后对金属有强烈腐蚀性，316#和318#不锈钢及铝可作良好的结构材料。
国家产品标准号：GB/T 676-2007
乙酸在常温下是一种有强烈刺激性酸味的无色液体。乙酸的熔点为16.6℃（289.6 K）。沸点117.9℃ (391.2 K）。相对密度1.05，闪点39℃，爆炸极限4%～17%（体积）。纯的乙酸在低于熔点时会冻结成冰状晶体，所以无水乙酸又称为冰醋酸。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。
下为中华人民共和国关于工业乙酸的国家标准：
指标名称
指标
优等品
一等品
合格品
色度，Hazen 单位（铂- 钴色号）≤
10
20
30
乙酸含量，% ≥
99.8
99.0
98.0
水分，% ≤
0.15
-
-
甲酸含量，% ≤
0.06
0.15
0.35
乙醛含量，% ≤
0.05
0.05
0.10
蒸发残渣，% ≤
0.01
0.02
0.03
铁含量（以Fe 计），% ≤
0.00004
0.0002
0.0004
还原高锰酸钾物质， min ≥
30
5
-

乙酸酐：
中文名：
乙酸酐
外文名：
Acetic anhydride
别名：
乙酐，醋酐，无水醋酸
分子式：
C4H6O3

相对分子质量：
102.09
化学品类别：
酸酐
管制类型：
乙酸酐(易制毒-2)
储存：
密封阴凉干燥保存

外观与性状：无色透明液体，有刺激气味，其蒸气为催泪毒气。
熔点(℃)：-73.1
相对密度（水=1）：1.08
沸点(℃)：138.6
相对蒸气密度（空气=1）：3.52
分子式：C4H6O3
分子量：102.09
饱和蒸气压(kPa)：1.33(36℃)
燃烧热(kJ/mol)：1804.5
临界温度(℃)：326
临界压力(MPa)：4.36
闪点(℃)：49
爆炸上限%(V/V)：10.3
引燃温度(℃)：316
爆炸下限%(V/V)：2.0
溶解性：溶于乙醇、乙醚、苯。[1]
化学性质
易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与强氧化剂接触可发生化学反应。[1]能使醇、酚、氨和胺等分别形成乙酸酯和乙酰胺类化合物。在路易斯酸存在下，乙酐还可使芳烃或烯径发生乙酰化反应。在乙酸钠存在下，乙酐与苯甲醛发生缩合反应，生成肉桂酸。缓慢溶于水变成乙酸。与醇作用生成乙酸乙酯。[2]
氯气：
物质的理化常数:
国标编号
23002
CAS号
7782-50-5
中文名称
氯
英文名称
chlorine
别    名
氯气；液氯
分子式
Cl2
外观与性状
黄绿色有刺激性气味的气体
分子量
70.91
蒸汽压
506.62kPa(10.3℃)
熔    点
-101℃ 沸点：-34.5℃
溶解性
易溶于水、碱液
密    度
相对密度(水=1)1.47；相对密度(空气1)2.48
稳定性
稳定
危险标记
6(有毒气体)
主要用途
用于漂白，制造氯化合物、盐酸、聚氯乙烯等
乙酰氯：
【中文名】氯乙酰氯；一氯乙酰氯
【英文名】chloracetylchloride
【CAS号】79-04-9
【分子式】C2H2CL2O
【分子量】112.94
【密度】1.4202
【熔点】-21.77
【沸点】107
【折射率】1.4541
【毒性LD50】大鼠经口120
【性状】无色液体，有刺激气味。
【溶解情况】溶于丙酮，与乙醚混溶。
【用途】用于制备氨基酸和其他有机合成。多种药物如利眠宁、安定、硝基安定、利多卡因、益康唑等中间体。有机合成试剂，如氨基保护，制取N-氯乙酰基保护的氨基酸衍生物。【备注】凝固点-21.77℃。化学性质活泼。遇水分解。对皮肤、眼睛、粘膜和呼吸道有伤害，高浓度时可导致失明或死亡。
氯乙酸：
氯乙酸*简 介
中文名称：氯乙酸
英文名称：Chloroacetic acid
别名名称：一氯醋酸 氯醋酸 一氯乙酸 无水氯乙酸 TZR-701阻燃润滑剂 异氰尿酸蜜胺盐 氯代乙酸 氯乙酸溶液
更多别名： monochloroacetic acid
分 子 式：C2H3ClO2
分 子 量：94.5
氯乙酸编号 CAS号：79-11-8
氯乙酸物性数据
1. 性状：无色或淡黄色结晶，有刺激性气味。
2. 密度(g/mL,60/4℃)：1.580
3. 相对蒸汽密度(g/mL,空气=1)：3.26
4. 熔点(ºC)：63(α型)，56.2(β型)，50.2(γ型)
5. 沸点(ºC,常压)：189.4
6. 折射率(60ºC)：1.4330
7. 黏度(mPa·s,65ºC)：2.225
8. 闪点(ºC)：126
9. 蒸气压(kPa,71.51ºC)：0.67
10. 蒸发热(KJ/mol,13.3kPa,130ºC)：54.4
11. 熔化热(KJ/mol,61ºC)：19.3
12. 熔化热(KJ/mol,56ºC)：18.8
13. 熔化热(KJ/mol,51ºC)：15.9
14. 燃烧热(KJ/mol,固)：726.4
15. 电导率(S/m,60ºC)：1.4×10-6
16. 爆炸下限(%,V/V)：8
17. 溶解性：易溶于水、醇、苯、氯仿和醚等。25℃时在100g水、甲醇、**中氯乙酸的溶解度分别为510g，350g，190g。
18. 常温折射率(n25)：1.433060
19. 常温折射率(n20)：1.435155
20. 相对密度(25℃，4℃)：1.37763
21. 相对密度(20℃，4℃)：1.404340
22. 气相标准声称热(焓)( kJ·mol-1) ：-435.2
23. 晶相标准声称热(焓)( kJ·mol-1)：-510.5
氯乙酸*毒理学数据
1、急性毒性：口服- 大鼠 LD50：760 mg/kg;皮下- 小鼠 LC50：250mg/kg;豚鼠经口LD50为80mg/kg。
2、属中等毒类。本品腐蚀性和刺激性强，有毒，附着皮肤上时能引起烧伤、坏疽、并伴有剧痛。接触本品酸雾引起眼部疼痛、流泪、羞明、结膜充血和上呼吸道刺激症状。
二氯乙酸：
中文名】二氯乙酸；二氯醋酸
【英文名】dichloroacetic acid
【分子式】C2H2Cl2O2
【分子量】128.94
【密度】1.5634
【熔点】9.7，-4
【沸点】193～194
【折射率】1.4658
【毒性LD50】大鼠经口2820
【性状】无色液体。
【溶解情况】溶于水、乙醇和乙醚。
【用途】用于有机合成和制药物、染料等。
氯化氢：
中文名】氯化氢
【英文名】hydrogen chloride
【CAS号】
【分子式】HCl
【分子量】36.5
【密度】1.6392（0℃），相对密度1.268（空气=1）
【熔点】-111
【沸点】-85
【性状】无色气体，有刺激性气味。
【溶解情况】易溶于水，也溶于乙醇和乙醚等。水溶液称为盐酸。
【用途】用于制盐酸、氯化物，并用作有机化学的缩合剂等。
【制备或来源】由氢气和氯气直接化合，或由食盐与浓硫酸共热而得。
【备注】干燥氯化氢的性质不活泼，对锌、铁等金属无作用。
第二步：
过程流程图
第三步：
物料衡算、能量衡算
氯乙酸4160kg
假定：98%
4250kg=44.97kmol/a=1.87kmol/h
乙酸2.337kmol/h
乙酸酐0.1168kmol/h
氯气：2.687kmol/h
第四步：
物料流程图
第五步：
带控制点的工艺流程图
第六步：
管道仪表流程图
第七步：
反应器的计算
第八步：
反应器的设计
第九步：
装配图及零件图
第十步：
车间布置图
第十一步：
管道布置图
第十二步：
管段图
第十三步：
设计说明书