年產(chǎn)18萬噸醋酸生產(chǎn)裝置初步設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、2012 屆畢業(yè)生屆畢業(yè)生 畢業(yè)論文畢業(yè)論文 題題 目目: 年產(chǎn)年產(chǎn) 18 萬噸醋酸生產(chǎn)裝置初步設(shè)計(jì)萬噸醋酸生產(chǎn)裝置初步設(shè)計(jì) 2012 年年 5 月月 18 日日 摘要 醋酸是一種用途廣泛的基本有機(jī)產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)擬采用以乙醛為原料生產(chǎn)醋 酸(180kt/a)的工藝。該工藝原料來源廣泛，污染較小，工藝簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用省， 產(chǎn)品質(zhì)量高。本設(shè)計(jì)介紹了醋酸的性質(zhì)、用途、工業(yè)現(xiàn)狀以及各種醋酸生產(chǎn)方 法，對(duì)乙醛氧化工藝流程做了闡述。設(shè)計(jì)重點(diǎn)對(duì)氧化、精餾工段進(jìn)行了詳細(xì)的 物料衡算和熱量衡算，同時(shí)對(duì)主要設(shè)備進(jìn)行了計(jì)算和選型，繪制了工藝流程圖 和主要設(shè)備裝配圖。 關(guān)鍵詞：乙醛氧化；醋酸；工藝設(shè)計(jì)；物料衡算；熱量衡算

2、 the preliminary design of annual output of 180,000 tons of acetic acid production plant abstract acetic acid is a versatile basic organic product. the project designs process of acetic acid (180kt/a) production through the oxidation of acetaldehyde. the process has the advantages of wide range of s

3、ources of raw materials, less pollution, simple equipment, low investment, higher product quality. the design described properties, application, industrial status, and manufacture methods of acetic acid, as well as process flow of acetaldehyde oxidation. the design focused on the oxidation and disti

4、llation sections to detail material balance and heat balance. the process calculation and selection of main equipments were done. finally, process flow diagrams and assembly drawings of major equipments were drawn. keywords: oxidation of acetaldehyde, acetic acid, process design, material balance, h

5、eat balance 目錄 第一章 文獻(xiàn)綜述.1 1.1 醋酸簡(jiǎn)介.1 1.2 醋酸性質(zhì).1 1.3 工業(yè)現(xiàn)狀.1 1.4. 醋酸的制備.2 第二章 工藝簡(jiǎn)介.4 2.1 產(chǎn)品品種、規(guī)格、質(zhì)量指標(biāo)及擬建規(guī)模.4 第三章 物料衡算.5 3.1 氧化部分物料衡算.5 3.2 蒸發(fā)器物料衡算.8 3.3 精餾塔物料衡算.9 3.4 醋酸回收塔物料衡算.9 第四章 熱量衡算.11 4.1 氧化塔熱量衡算.11 4.2 蒸發(fā)器熱量衡算.15 4.3 精餾段熱量衡算.16 第五章 塔體設(shè)計(jì).18 5.1 精餾塔設(shè)計(jì).18 第六章 板式塔的結(jié)構(gòu).27 6.1 接管.27 6.2 筒體封頭和除沫器.28 6

6、.3 人孔及裙座.28 6.4 塔板結(jié)構(gòu).29 6.5 吊柱.29 6.6 塔的立體高度.29 第七章 勞動(dòng)安全衛(wèi)生及環(huán)境保護(hù)措施.30 7.1 主要污染源以及主要污染物.30 7.2 環(huán)保措施及主要處理方法.30 第八章 全廠總平面布置.31 參考文獻(xiàn).32 致 謝.34 附表.35 一、吉利蘭圖.35 二、史密斯關(guān)聯(lián)圖.35 三、液流收縮系數(shù)計(jì)算圖.35 四、弓形降液管參數(shù)圖.36 五、干篩孔流量系數(shù)圖.36 六、充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖.36 第一章 文獻(xiàn)綜述 1.1 醋酸簡(jiǎn)介醋酸簡(jiǎn)介 醋 酸 又 稱 乙 酸 或 者 冰 醋 酸 ，被 公 認(rèn) 為 是 食 醋 的 酸 味 和 刺 激 氣 味 的 來

7、 源 ，在 自 然 界 中 廣 泛 存 在 ， 是 一 種 環(huán) 境 友 好 的 有 機(jī) 酸 。在 生 活 中 ，乙 酸 的 稀 溶 液 常 被 用 作 除 垢 劑 。 工 業(yè) 方 面 ， 它 被 用 于 制 造 聚 對(duì) 苯 二 甲 酸 乙 二 酯 ， 醋 酸 纖 維 素 和聚 乙 酸 乙 烯 酯。 在 食 品 添 加 劑 列 表 e 2 6 0 中 ，乙 酸 是 規(guī) 定 的 一 種 酸 度 調(diào) 節(jié) 劑 。 1.2 醋酸性質(zhì)醋酸性質(zhì) 1.2.1 醋醋 酸酸 的的 物物 理理 性性 質(zhì)質(zhì) 1,2 乙 酸 在 常 溫 下 是 一 種 有 強(qiáng) 烈 刺 激 性 酸 味 的 無 色 液 體 。 熔 點(diǎn) 為

8、 1 6 . 6 ， 沸 點(diǎn) 1 1 7 . 9 ， 相 對(duì) 密 度 1 . 0 5 ， 閃 點(diǎn) 3 9 ， 4 % 1 7 % ( 體 積 ) ， 折 光 率 1 . 3 7 1 6 。 純 乙 酸 在 1 6 . 6 以 下 時(shí) 能 結(jié) 成 冰 狀 的 固 體 ，所 以 常 稱 為 冰 醋 酸 3 。 易 溶 于 水 、 乙 醇 、 乙 醚 和 四 氯 化 碳 。它具 有 腐 蝕 性 ， 其 蒸 汽 對(duì) 眼 和 鼻 有 刺 激 性 作 用 。 1.2.2 醋醋 酸酸 的的 化化 學(xué)學(xué) 性性 質(zhì)質(zhì) 乙 酸 在 水 溶 液 中 是 一 元 弱 酸 ， 酸 度 系 數(shù) 為 4.8， pka=4.

9、75 (25)，濃 度 為 1 m o l / l 的 醋 酸 溶 液 （ 類 似 于 家 用 醋 的 濃 度 ）的 p h 為 2 . 4 ，也 就 是 說 僅 有 0 . 4 % 的 醋 酸 分 子 是 解 離 的 4 。 對(duì) 于 許 多 金 屬 ，乙 酸 是 有 腐 蝕 性 的 ， 例 如 鐵 、 鎂 和 鋅 ， 反 應(yīng) 生 成氫 氣 和 金 屬 乙 酸 鹽 。因 為 鋁 在 空 氣 中 表 面 會(huì) 形 成 氧 化 鋁 保 護(hù) 層 ， 所 以 鋁 制 容 器 能 用 來 運(yùn) 輸 乙 酸 。 1.3 工業(yè)現(xiàn)狀工業(yè)現(xiàn)狀 據(jù) s r i 咨 詢 公 司 統(tǒng) 計(jì) ， 2 0 0 6 年 全 球

10、醋 酸 總 生 產(chǎn) 能 力 達(dá) 到 1 1 . 0 9 9 m t / a ， 其 產(chǎn) 能 分 布 為 ：北 美 占 有 3 . 5 1 5 m t / a ， 南 美 占 有 1 1 2 k t / a ， 西 歐 占 有 1 . 2 2 7 m t / a ， 東 歐 占 有 4 3 0 k t / a ， 中 東 占 有 2 1 4 k t / a ， 非 洲 占 有 2 0 k t / a ， 亞 州 占 有 5 . 5 8 1 m t / a 。 近 年 來 ， 亞 洲 地 區(qū) 生 產(chǎn) 能 力 增 加 較 快 ， 年 均 增 長(zhǎng) 率 為 7.2%， 高 于 世 界 3 . 8 % 的

11、 年 均 增 長(zhǎng) 率 。 世 界 兩 大 醋 酸 生 產(chǎn) 商 c l e a n e s e 和 英 國 b p 公 司 控 制 了 全 球 的 醋 酸 生 產(chǎn) 5 ， 兩者 合 計(jì) 生 產(chǎn) 能 力 已 達(dá) 到 4 . 3 8 4 m t / a ， 約 占 全 球 總 生 產(chǎn) 能 力 的 4 0 % 以 上 。 2 0 0 9 年 ， 統(tǒng) 計(jì) 表 明 我 國 采 用 甲 醇 羰 基 合 成 法 生 產(chǎn) 的 醋 酸 占 醋 酸 總 產(chǎn) 量 的 8 2 . 6 % 。 預(yù) 計(jì) 我 國 2 0 1 0 年 醋 酸 產(chǎn) 能 及 需 求 將 分 別 達(dá) 到 5 4 0 萬 t / a 和 3 2 5

12、萬 t / a ， 已 出 現(xiàn) 產(chǎn) 能 遠(yuǎn) 大 于 需 求 的 狀 況 6 。 1.4. 醋酸的制備醋酸的制備 醋 酸 的 制 備 可 以 通 過 人 工 合 成 和 細(xì) 菌 發(fā) 酵 兩 種 方 法 。 1.4.1 細(xì)菌發(fā)酵細(xì)菌發(fā)酵 生 物 合 成 法 ，即 利 用 細(xì) 菌 發(fā) 酵 ，由 此 而 產(chǎn) 生 的 醋 酸 產(chǎn) 量 僅 占整 個(gè) 世 界 產(chǎn) 量 的10%，但 是 仍 然 是 生 產(chǎn) 醋 酸 的 最 重 要 的 方 法 ，因 為 很 多 國 家 的 食 品 安 全 法 規(guī) 規(guī) 定 用 于 食 物 的 醋 必 須 是 由 生 物 制 備 的 。 1.4.1.1 有氧發(fā)酵有氧發(fā)酵 在 氧 氣

13、 充 足 的 情 況 下 ， 醋 酸 桿 菌 能 夠 從 含 有 酒 精 的食 物 中 生 產(chǎn) 出 乙 酸 。 這 些 細(xì) 菌 反 應(yīng) 的 化 學(xué) 方 程 式 為 ： c2h5oh + o2 ch3cooh + h2o 1.4.1.2 無氧發(fā)酵無氧發(fā)酵 部 分 厭 氧 細(xì) 菌 ， 包 括 梭 菌 屬 的 部 分 成 員 ， 能 夠 將 糖類 直 接 轉(zhuǎn) 化 為 乙 酸 而 不 需 要 乙 醇 作 為 中 間 體 7。 c6h12o6 3ch3cooh 1.4.2 人工合成法人工合成法 1.4.2.1 甲醇羰基化法甲醇羰基化法5 大 部 分 乙 酸 是 通 過 甲 基 羰 基 化 合 成 的 。

14、 此 反 應(yīng) 中 ，甲 醇 和 一 氧 化 碳 反 應(yīng) 生 成 乙 酸 ， 方 程 式 如 下 ： ch3oh + co ch3cooh 1.4.2.2 乙醇氧化法乙醇氧化法 由 乙 醇 在 有 催 化 劑 的 條 件 下 和 氧 氣 發(fā) 生 氧 化 反 應(yīng) 制得 。 c2h5oh + o2 ch3cooh + h2o 1.4.2.3 乙醛氧化法乙醛氧化法 乙 醛 可 以 通 過 氧 化 丁 烷 或 輕 石 腦 油 制 得 8 ，或 者 通 過 乙 烯 水 合 后 生 成 。 當(dāng)丁 烷 或 輕 石 腦 油 在 空 氣 中 加 熱 ， 并 有 多 種 金 屬 離 子 及 過 氧 根 離 子 催

15、化 ， 會(huì) 分 解 出 乙 酸 ： 2c4h10 + 5o2 4ch3cooh + 2h2o 1.4.2.4 乙烯氧化法乙烯氧化法 由乙烯在催化劑（所用催化劑為氯化鈀 pdcl2、氯化銅 cucl2和乙酸錳 (ch3coo)2mn）存在的條件下，與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成。 1.4.2.5 低碳烴氧化法低碳烴氧化法 反應(yīng)式：2c4h10+5o2 4ch3cooh+2h2o （催化劑：co(ac)2和mn(ac) 2） 1.4.2.6 丁烷氧化法丁烷氧化法 丁 烷 氧 化 法 又 稱 為 直 接 氧 化 法 ， 是 用 丁 烷 為 主 要 原料 ， 通 過 空 氣 氧 化 而 制 得 乙 酸 的 一 種

16、 方 法 。 2ch3ch2ch2ch3 + 5o24ch3cooh + 2h2o 1.4.2.7 托普索法（合成氣法或者兩步法）托普索法（合成氣法或者兩步法） 低 壓 甲 醇 羰 基 化 法 以 甲 醇 ，co 是 由 天 然 氣 或 水 煤 氣 獲 得 ，甲 醇 是 重 要 化 工 原 料 ，其 貨 源 和 價(jià) 格 波 動(dòng) 較 大 9 。 托 普 索 法 以 單 一 天 然 氣 或 煤 為 原 料 。 第一步：合 成 氣 在 催 化 劑 下 生 成 甲 醇 和 二 甲 醚 ； 第二步：甲醇和二甲醚和co。（兩者不需提純）羰基化生成醋酸 第二章第二章 工藝簡(jiǎn)介工藝簡(jiǎn)介 2.1 產(chǎn)品品種、規(guī)格

17、、質(zhì)量指標(biāo)及擬建規(guī)模產(chǎn)品品種、規(guī)格、質(zhì)量指標(biāo)及擬建規(guī)模 本設(shè)計(jì)擬完成年產(chǎn) 18 萬噸醋酸生產(chǎn)工藝的初步設(shè)計(jì)， 綜 合 文 獻(xiàn) 分 析 ， 結(jié) 合 本 地 區(qū) 特 點(diǎn) 10， 決 定 采 用 乙 醛 氧 化 法 生 產(chǎn) 醋 酸 工 藝 。 乙 醛 液 相 催 化 自 氧 化 合 成 醋 酸 是 一 項(xiàng) 強(qiáng) 放 熱 反 應(yīng) ，總 反 應(yīng) 式 為 ： ch3cho(aq) + 1/2o2 ch3cooh(aq) h298k= -294 kj/mol 乙 醛 氧 化 時(shí) 首 先 生 成 過 氧 乙 酸 ，再 與 乙 醛 生 成 中 間 復(fù) 合 物 ，分 解 即 為 醋 酸 ： ch3cho + o2c

18、h3coooh ch3coooh + ch3cho 中間復(fù)合物 2ch3cooh 乙 醛 和 催 化 劑 溶 液 自 反 應(yīng) 塔 中 上 部 加 入 ， 為 了 使 乙 醛 不 被 大 量惰 性 氣 體 帶 走 ，工 業(yè) 上 一 般 釆 用 氧 作 催 化 劑 ， 且 氧 分 段 鼓 泡 通 入 反 應(yīng) 液 中 ， 與 乙 醛 進(jìn) 行 液 相 氧 化 反 應(yīng) ， 氧 化 過 程 釋 放 的 大 量 反 應(yīng) 熱 通 過 外 循 環(huán) 冷 卻 而 移 出 ， 出 反 應(yīng) 器 的 反 應(yīng) 尾 氣 經(jīng) 冷 凝 回 收 乙 醛 后 放 空 1 1 ,1 2 ， 反 應(yīng) 液 首 先 經(jīng) 蒸 發(fā) 器 除 掉

19、醋 酸 錳 催 化 劑 ， 醋 酸 蒸 汽 經(jīng) 精 餾 塔 蒸 出 未 反 應(yīng) 的 乙 醛 、 甲 酸 、 醋 酸 甲 酯 、 水 、 三 聚 乙 醛 等 輕 組 分 ， 要 求 純 度 99% , 其 余 的 則 進(jìn) 入 醋 酸 回 收 塔 回 收 粗 醋 酸 。 工藝流程圖如圖 2-1 所示。 回流乙醛 蒸發(fā)器 成品醋酸 副產(chǎn)物 催化劑殘液 尾氣 工 業(yè) 氧 氧 化 反 應(yīng) 器 工 業(yè) 氮 乙 醛 催 化 劑 乙 醛 回 收 塔 精 餾 塔 粗醋酸 醋 酸 回 收 塔 圖 2-1 乙醛氧化制醋酸工藝流程圖 第三章第三章 物料衡算物料衡算 醋酸年產(chǎn)量為 18 萬噸，選擇年開工時(shí)間：8000

20、小時(shí)，收率按 91.7%計(jì)算， 每小時(shí)醋酸產(chǎn)量：22500kg/h； 8000 1000108 . 1 5 根據(jù)總反應(yīng)方程式：ch3cho+1/2o2ch3cooh 確定乙醛進(jìn)料量為： =17993.46kg/h。選擇每小時(shí)乙醛進(jìn)料量為 18000kg。 917. 0 1 60 44 22500 3.1 氧化部分物料衡算氧化部分物料衡算 氧 化 塔 各 項(xiàng) 進(jìn) 料 的 工 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) 組 成 見 表 3 - 1。 表 3-1 氧化塔各項(xiàng)進(jìn)料的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組成 原料乙醛%(質(zhì)量)工業(yè)氧%(質(zhì)量)工業(yè)氮%(質(zhì)量)催化劑溶液%(質(zhì)量) 乙醛 99.5氧氣 98氮?dú)?97 醋酸 60 醋酸 0.1氮?dú)?2

21、氧氣 3醋酸錳 10 水 0.3 水 30 三聚乙醛 0.1 (1) 在 氧 化 過 程 中 的 已 知 條 件 1 3 ,1 4 ： 1.乙醛進(jìn)料量 18000kg/h，乙 醛 轉(zhuǎn) 化 率 為 99.3%， 氧 的 利 用 率 為 98.4% 2.工 業(yè) 氮 自 氧 化 塔 塔 頂 補(bǔ) 充 使 其 濃 度 達(dá) 到 %；45 3.未 轉(zhuǎn) 化 的 乙 醛 在 氣 液 相 中 的 分 配 率 ( 體 積 % ) ：氣 相 34%；液 相 66% 4.設(shè) 定 催 化 劑 中 醋 酸 錳 用 量 為 氧 化 塔 進(jìn) 料 乙 醛 重 量 的 0.08% 5.乙 醛 的 總 轉(zhuǎn) 化 率、主 反 應(yīng) 及 各

22、 副 反 應(yīng) 的 轉(zhuǎn) 化 率 分 配 ： 主反應(yīng)： ch3cho+o2 ch3cooh (96%) 2 1 副反應(yīng)：3ch3cho+3o2 hcooh+2ch3cooh+co2+h2o ( 4%) (2) 氧 化 塔 物 料 衡 算 圖 見 圖 3 1 。 回 流 乙 醛 乙醛 工業(yè)氮 工業(yè)氧 尾氣 乙醛 回收 塔 催化劑 圖 3-1 氧化塔物料衡算圖 氧 化 反 應(yīng) 器 (3) 反應(yīng)式的物料衡算 投入的乙醛(純)量：1800099.5%=17910 kg ch3cho+o2 ch3cooh 96% 2 1 計(jì)算結(jié)果見表 3-2。 表 3-2 主反應(yīng)物料衡算計(jì)算結(jié)果 反應(yīng)物生成物 乙醛1791

23、00.9930.96=17073.24 kg醋酸 17073.24=23281.69kg 44 60 氧 17073.24=6208.45kg 44 16 3ch3cho+3o2 hcooh+2ch3cooh+co2+h2o 4% 計(jì)算結(jié)果見表 3-3。 表 3-3 副反應(yīng)物料衡算計(jì)算結(jié)果 反應(yīng)物生成物 醋酸 711.39=646.72kg 132 120 乙醛179100.9930.04=711.39 kg 甲酸 711.39=247.91kg 132 46 水 711.39=97.01kg 132 18 氧 711.39=517.37kg 44 32 co2 711.39=237.13kg

24、 132 44 根 據(jù) 反 應(yīng) 式 衡 算 出 來 的 反 應(yīng) 物 總 消 耗 量 以 及 生 成 物 總量 如 下 ： 反應(yīng)掉的乙醛：180000.9950.993=17784.63 kg 未轉(zhuǎn)化的乙醛：180000.9950.007=125.37 kg (其中液相中乙醛 125.370.66=82.74 kg；氣相中乙醛 125.370.34=42.62kg) 反應(yīng)掉的氧氣總量：6208.45+517.37=6725.82 kg 則工業(yè)用氧總量為：=6974.68 kg 0.98498 . 0 82.6725 (其中：氧氣=6974.680.98=6835.18 kg；氮?dú)?6974.68

25、0.02= 139.49 kg) 所以未反應(yīng)掉的氧氣=6835.186725.82=109.36 kg 反應(yīng)生成物： 醋酸：23281.69+646.72=23928.41kg；甲酸：247.91 kg；co2：237.13kg；水： 97.01kg； (4) 催化劑用量 催 化 劑 溶 液 中 醋 酸 錳 用 量 取 氧 化 塔 進(jìn) 料 乙 醛 重 量 的 0.08%，原料催化劑中醋 酸錳的含量為 10%，設(shè)催化劑溶液用量為 x 1 5 ， 0.0008(18000+x)=0.1x 解得 x=145.16 kg 其中：醋酸錳 145.160.1=14.52 kg； 水 145.160.3=4

26、3.54 kg；醋酸 145.160.6=87.09 kg (5)氮 用 量 ： 設(shè) 保 安 氮 為 x kg 塔 頂 干 氣 量 計(jì) 算 ： 氮 氣 139.49+0.97x；氧氣 109.36+0.03x；二氧化碳 237.13 kg 則=45%，解得 x=152.31 kg 13.23736.10949.139 97 . 0 49.139 x x (其中氮?dú)猓?52.310.97=147.74 kg；氧氣：152.310.03=4.57 kg) 塔頂干氣量：氮?dú)猓?39.49+0.97152.31=287.23kg;氧氣： 109.36+0.03152.31=113.93 kg；二氧化碳

27、：237.13 kg 醋酸：23928.41+87.09+180000.001=24033.5 kg 整理以上數(shù)據(jù)，得出氧化塔物料衡算結(jié)果，見表 3-4。 表 3-4 氧化部分物料衡算 進(jìn)料出料 含量(%)質(zhì)量(kg)含量(%)質(zhì)量(kg) 原 料 乙 醛 乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 99.5 0.1 0.3 0.1 17910 18 54 18 工 業(yè) 氧 氧氣 氮?dú)?98 2 6835.18 139.49 氧 化 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 97.7 0.79 1.01 0.34 0.07 0.09 24033.5 194.55 247.91 82.74 18 14.52 上

28、24591.22 工 業(yè) 氮 氮?dú)?氧氣 97 3 147.74 4.57 小 計(jì)下680.91 催 化 劑 醋酸 水 醋酸錳 60 30 10 87.09 43.54 14.52 放 空 廢 氣 二氧化碳 氮?dú)?氧氣 乙醛 237.13 287.23 113.93 42.62 總 計(jì)25272.13 kg25272.13 kg 3.2 蒸發(fā)器物料衡算蒸發(fā)器物料衡算 f=24591.22 kg；醋酸錳含量：0.09；蒸發(fā)器進(jìn)出物料見圖 3-2。 圖 3-2 蒸發(fā)器進(jìn)出物料 圖 w 蒸發(fā)器 f l 由 fx0=lx1 解得 l=276.65 kg/h 1 0 x fx %0 . 8 0.09%2

29、2.24591 w=f (1x0/x1) 解得 w=24314.57 kg/h 表 3-5 蒸發(fā)器物料衡算 進(jìn)料出料 含量(%)質(zhì)量(kg)含量(%)質(zhì)量(kg) a 蒸 發(fā) 器 氣 相 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 98.5 0.83 0.43 0.21 0.03 - 23949.85 128.60 106.95 72.47 18 - 氧 化 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 97.7 0.79 1.01 0.34 0.07 0.09 24033.5 194.55 247.91 82.74 18 14.52 b 蒸 發(fā) 器 液 相 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳

30、0.3 23.8 64.15 3.75 - 8.0 0.83 65.95 177.47 10.27 - 22.13 a=24314.57b=276.65總 計(jì)24591.2224591.22 3.3 精餾塔物料衡算精餾塔物料衡算 已知：f=24314.57 kg/h；醋 酸 質(zhì) 量 分?jǐn)?shù) 0.985， 水 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 0.0083。 設(shè)定：餾 出 液 中 醋 酸 含 量 3%； 釜 液 中 成 品 醋 酸 含 量 99.8%。 精餾塔進(jìn)出物料圖見圖 3-3。 f 精餾塔 w d 圖 3-3 精餾塔 1 進(jìn)出物料圖 得出，進(jìn)料組成，0273 . 0 60/985 . 0 18/0083

31、. 0 18/0083 . 0 f x 進(jìn)料平均摩爾質(zhì)量 mm=0.027318+(10.0273)60=58.85kg/kmol 進(jìn)料流量 f=413.16kmol/h 85.58 24314.57 列衡算式 f=d+w；fxf=dxd+wxw； 97 . 0 f d fx dx 998 . 0 )1 ( )1 ( f w xf xw 解得 f=413.16 kmol/h, xf=0.0273; d=11.57 kmol/h, xd=0.9456 w=401.59 kmol/h, xw=8.4310-4 于是可以得出：d=11.57(180.9456+600.0544)=234.70 kg/

32、h ; w=401.59(188.4310-4+609991.5710-4)=24079.87 kg/h. 3.4 醋酸回收塔物料衡算醋酸回收塔物料衡算 由前面的計(jì)算可知：(1)進(jìn)料流量 f=234.70 kg/h；(2)回收后粗醋酸含量一般在 6 5%以上16 (這里按 65%計(jì)算) 設(shè)定：副 產(chǎn) 物 中 含 1 . 5 % 的 醋 酸 ， 醋 酸 回 收 塔 進(jìn) 出 物 料 圖見 圖 3-4。 回收塔 f 圖 3-4 回收塔進(jìn)出物料圖 副產(chǎn)物 x 粗醋酸 y 列衡算式如下：f=x+y 3%f=1.5%x+65%y 解得 x=229.16 kg/h ；y=5.54 kg/h 整理以上數(shù)據(jù)得到

33、總物料衡算結(jié)果：見表 3-6： 表 3-6 總物料衡算結(jié)果 進(jìn)料出料 名稱質(zhì)量(kg)名稱質(zhì)量(kg) 乙醛 乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 17910 18 54 18 放空 廢氣 二氧化碳 氮?dú)?氧氣 乙醛 237.13 287.23 113.93 42.62 工業(yè) 氧氣 氧氣 氮?dú)?6835.18 139.49 催化劑殘液 粗醋酸 成品醋酸 276.65 5.54 24079.87 工業(yè) 氮?dú)?氮?dú)?氧氣 147.74 14.57 催化劑 醋酸 水 醋酸錳 87.09 43.54 14.52 其它副產(chǎn)物產(chǎn)量229.16 總計(jì)25272.13 kg25272.13kg 第四章 熱量衡算 4.1

34、氧化塔熱量衡算氧化塔熱量衡算 設(shè)計(jì)條件為：每小時(shí)接料工業(yè)乙醛18000kg，選擇年工作時(shí)間8000h，年產(chǎn) 工業(yè)醋酸18104噸。乙醛轉(zhuǎn)化率為99.3%，計(jì)算基準(zhǔn)溫度為298k(25)。 氧化塔進(jìn)料情況如表 4-1 所示。 (1)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，見表4-2； (2)各物流帶入熱量按q=wct kj/h計(jì)算，按表4-3 (3)反應(yīng)熱hr0，主反應(yīng)和副反應(yīng)的hr0可由生成熱hf，2980或燃燒熱 hc，2980求得； 主反應(yīng)：ch3cho+o2 ch3cooh (96%) 2 1 hr，主 0=(1165.79)(874.37)=291.42kj/mol 乙醛 副反應(yīng)：3ch3cho+3o2 hcoo

35、h+2ch3cooh+co2+h2o (4%) hr，(2)0=1165.79(254.68)(874.37)=497.99 kj/mol 乙 3 1 3 2 醛 表 4-1 氧化塔進(jìn)料情況(kg/h) 進(jìn)料出料 含量(%)質(zhì)量(kg)含量(%)質(zhì)量(kg) 原 料 乙 醛 乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 99.5 0.1 0.3 0.1 17910 18 54 18 工 業(yè) 氧 氧氣 氮?dú)?98 2 6835.18 139.49 氧 化 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 97.7 0.79 1.01 0.34 0.07 0.09 24033.5 194.55 247.91 82.74 1

36、8 14.52 上24591.22 工 業(yè) 氮 氮?dú)?氧氣 97 3 147.74 4.57 小 計(jì)下680.91 催 化 劑 醋酸 水 醋酸錳 60 30 10 87.09 43.54 14.52 放 空 廢 氣 二氧化碳 氮?dú)?氧氣 乙醛 237.13 287.23 113.93 42.62 總 計(jì)25272.13 kg25272.13 kg 表 4-2 氧化塔進(jìn)料情況(mol/h) 進(jìn)料出料 體積 v(%) mol 質(zhì)量 (kmol) 體積 v(%) mol 質(zhì)量 (kmol) 原 料 乙 醛 乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 407.05 0.3 3 0.1040 工 業(yè) 氧 氧氣 氮?dú)?97

37、.9 2.1 213.599 4.982 氧 化 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 400.56 10.81 5.39 1.88 0.1364 0.0839 工 業(yè) 氮 氮?dú)?氧氣 97.3 2.7 5.276 0.1428 放 空 廢 氣 二氧化碳 氮?dú)?氧氣 乙醛 26.71 50.84 17.65 4.80 5.389 10.258 3.560 0.9686催 化 劑 醋酸 水 醋酸錳 1.4515 2.419 0.0839 小 計(jì)10020.1756 總 計(jì)25272.13 kg25272.13 kg 計(jì)算結(jié)果如表4-3所示： 表4-3 hr0計(jì)算結(jié)果 反應(yīng)消耗乙醛hr0kj

38、/mol反應(yīng)熱hr0,kj/h 主反應(yīng)388.03291.42291.42388.031000=113079.703103 副反應(yīng)16.17497.99497.9916.171000=8052.498103 共計(jì)121132.201103 (4) 氧 化 塔 頂 部 排 出 的 氣 體 所 帶 出 的 熱 量 氧化塔頂部排出氣體量： 組分 co2 n2 o2 ch3cho kmol 5.389 10.258 3.560 0.9686 表4-4 各物流代入熱量 17 工業(yè)氧 o2工業(yè)氮 n2工業(yè)乙醛 q乙醛，kj/h回流液 q 回 催化液 q 催 00q乙醛=179102.186(293298)

39、 =195756.3 q水=544.1868(293298)=1130.436 q三聚乙醛=181.8003(293298)=162.027 00 q醋酸=181.996(293298)=119.76 小計(jì)=197168.523 表4-5 熱力學(xué)數(shù)據(jù)表 名稱cp hf，2980hc，2980 氣體 cp，j/molk cp=a+bt+ct2或 cp=a+bt+ct2 kj/molkj/mol ab103c106c105 o2 n2 co2 h2o(g) ch3cho(g) ch3cooh(g) 36.162 27.865 28.66 29.999 31.054 21.757 0.845 4.2

40、68 35.702 10.711 117.273 193.133 36.577 76.776 4.31 0.335 393.51 241.81 166.79 432.54 1192.48 926.13 ch3cooh h2o hcooh ch3cho (ch3cho)3 mn(ac)2 液體 cp, j/gk 1.9958 4.1868 2.167 2.186 1.8003 2.3027(1) 484.30 285.83 424.68 874.37(1) 254.68 1165.79 注：(1)按cp(固)=26.778nkj/molk計(jì)算，n為分子中原子數(shù)目 18 。 氧化塔頂部排出氣體所帶

41、出的熱量 按 hi0=nicpidt+nihi 相變 cpi值查表，(hv0)乙醛取(hv，2980)乙醛 2 1 t t =26.69kj/mol, 塔頂排出氣體溫度 313k。 =5.389(28.66+35.702103t)dt=3198.80kj/h 2 co q 313 298 =10.258(27.865+4.268103t)dt=15001.60kj/h 2 n q 313 298 =3.560(36.162+0.845103t4.31105t2)dt=1944.83kj/h 2 o q 313 298 =0.9686(31.054+117.273103t36.577106t2)

42、dt=26774.01kj/h choch q 3 313 298 qi=3198.80+15001.60+1944.83+26774.01=46919.24kj/h (5) 氧化液帶出的熱量：q液=cpimit 氧化液組成見平衡物料表：t=333298=35k，相對(duì)應(yīng)的： =1.995824033.535=1678812.08 kj/kmol coohch q 3 =4.1868194.5535=28508.97 kj/kmol oh q 2 =2.167247.9135=18802.73 kj/kmol hcooh q =2.18682.7435=6330.44 kj/kmol choch

43、 q 3 =1.80031835=1134.19 kj/kmol 33 )(choch q =2.302714.5235=1170.23 kj/kmol 2 )(acmn q q氧化液=1678812.08+28508.97+18802.73+6330.44+1134.19+1170.23kj/kmol q氧化液=1734758.64 kj/kmol (6) 熱損失按熱輸入的1%計(jì)算，則 q損=q入1%=(q乙醛+q回流+q反)1%=(197168.523+0+121132.201103)= 1209350.32kj/h 熱量衡算結(jié)果如表4-6。 表4-6熱量衡算結(jié)果 輸入輸出 項(xiàng)目kj/h項(xiàng)

44、目kj/h 工業(yè)氧 工業(yè)氮 工業(yè)乙醛 催化液 反應(yīng)熱 0 0 197168.523 0 121132.201103 氧化液 塔頂排出氣體 熱損 循環(huán)液移走(差值) 48912359.36 46919.24 1209350.32 117944001.8 總計(jì)120935.03103120935.03103 4.1.1 氧化液循環(huán)量及冷卻水用量氧化液循環(huán)量及冷卻水用量 (1) 氧化液循環(huán)量氧化液循環(huán)量 氧化液的平均熱容： c=1.99580.977+4.18680.0079+2.1670.0101+2.1860.0034+1.80030.0007+2.30 270.0009=2.01562406

45、kj/kgk取值c=2.02kj/kgk，循環(huán)量wkg/h， t=313298=15k，則w=2335.52t/h 1502 . 2 1040.70766 3 (2) 冷卻用水量冷卻用水量 設(shè)定水的進(jìn)口溫度為298k，出口溫度為318k，t=26k，則需用水量 w=650.087t/h 261868 . 4 1040.70766 3 安全系數(shù)取1.1，則水用量=w1.1=715.0958 t/h或者715.10 m3/h 4.2 蒸發(fā)器熱量衡算蒸發(fā)器熱量衡算 表 4-7 蒸發(fā)器物料衡算結(jié)果 進(jìn)料出料 含量(%)質(zhì)量(kg)含量(%)質(zhì)量(kg) a 蒸 發(fā) 器 氣 相 醋酸 水 甲酸 乙醛 三

46、聚乙醛 醋酸錳 98.5 0.83 0.43 0.21 0.03 - 23949.85 128.60 106.95 72.47 18 - 氧 化 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 97.7 0.79 1.01 0.34 0.07 0.09 24033.5 194.55 247.91 82.74 18 14.52 b 蒸 發(fā) 器 液 相 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 0.3 23.8 64.15 3.75 - 8.0 0.83 65.95 177.47 10.27 - 22.13 a=24314.57b=276.65總 計(jì)24591.2224591.22 c=1.99580.

47、985+4.18680.0083+2.1670.0101+2.1860.0034+1.80030.0007+2.30 270.0009=2.03326275 kj/kgk取值c=2.03kj/kgk，循環(huán)量wkg/h， t=313298=15k，則w=793.18t/h 1503 . 2 5 . 24033 4.2.1 冷卻用水量冷卻用水量 設(shè)定水的進(jìn)口溫度為298k，出口溫度為318k，t=26k，則需用水量 w=428.898 t/h 261868 . 4 13.46688477 q損=q入1%=48912359.360.01= 489123.59 kj/h 安全系數(shù)取1.1，則 水用量=

48、w1.1=471.7879 t/h或者471.80 m3/h 表4-8 熱量衡算結(jié)果 輸入輸出 項(xiàng)目kj/h項(xiàng)目kj/h 氧化液 輸入熱 48912359.36 0 氧化液 熱損 循環(huán)液移走(差值) 1734758.64 489123.59 46688477.13 總計(jì)48912359.3648912359.36 4.3 精餾段熱量衡算精餾段熱量衡算 表 4-9 精餾塔物料衡算結(jié)果 進(jìn)料出料 含量(%)質(zhì)量(kg)含量(%)質(zhì)量(kg) 餾 出 液 醋酸 水 甲酸 99.8 0.17 0.03 23942.81 90.8 7.56氧 化 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 98.5 0.83

49、0.43 0.21 0.03 23949.85 128.60 106.95 72.47 18 釜 殘 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 3 5.16 36.81 30.88 7.67 7.04 37.8 99.39 72.47 18 m餾出液=24079.87m釜?dú)堃?234.7總 計(jì)24314.5724314.57 4 .3.1 醋酸回收塔冷凝器熱量衡算醋酸回收塔冷凝器熱量衡算 f,xf,if v, ivd d, xd,ildl, xd,ild lilm w qc vivw w, xw,ilw qb 圖4-1 精餾段熱量衡算 對(duì)圖4-1全凝器做熱量衡算，以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，忽略熱量損失，則

50、qc=vivd-(lild+dild)；其中v=l+d=(r+1)d， 代入上式整理得qc=vivd-(lild+dild) = (r+1)d (ivd-ild) 式中：qc=全凝器的熱負(fù)荷(kj/h)；ivd=塔頂上升蒸汽的焓(kj/kmol)； ild=塔頂餾出液的焓(kj/kmol)。冷卻介質(zhì)消耗量wc=。 )( 12 ttc q pc c 式中：wc=冷卻介質(zhì)消耗量(kg/h)；cpc=冷卻介質(zhì)的比熱容kj/(kg)； t1,t2=分別為冷卻介質(zhì)在冷凝器的進(jìn)出口處的溫度()。 c=1.99580.03+4.18680.0516+2.1670.3681+2.1860.3088+1.800

51、30.0767 c=1.88670539 kj/kgk 取值c=1.89kj/kgk，循環(huán)量wkg/h， t=313298=15k，則w=844.79t/h；q釜=234.71.89=443.583 kj/ h 1589 . 1 85.23949 4.3.2 再沸器的熱負(fù)荷再沸器的熱負(fù)荷 以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，則qb=vivw+wilw-lilm+ql 式中qb=再沸器的熱負(fù)荷(kj/h)；ql=再沸器的熱損失(kj/h)； ivw=再沸器中上升蒸汽的焓(kj/kmol)； ilw=釜?dú)堃旱撵?kj/kmol)；ilm=提餾段底層塔板下降液體的焓(kj/kmol)。 若近似取ilw=ilm，且因v

52、=l-w則qb=v(ivw-ilw) +ql 加熱介質(zhì)消耗量可由下式計(jì)算wh= 21bb b ii q 式中wh為加熱介質(zhì)的消耗量(kg/h) ib1，ib2分別為加熱介質(zhì)進(jìn)、出再沸器的焓(kj/kg) 4.3.3 冷卻用水量冷卻用水量 設(shè)定水的進(jìn)口溫度為298k，出口溫度為318k，t=26k， 則需用水量 w=47.5958 t/h 261868. 4 35181124.99 q損=q入1%=8423679.3530.01= 84236.79 kj/h 安全系數(shù)取1.1，則 水用量=w1.1=52.35536 t/h或者52.36 m3/h 表4-10 熱量衡算結(jié)果 輸入輸出 項(xiàng)目kj/h

53、項(xiàng)目kj/h 氧化液 輸入熱 釜?dú)堃杭尤?1734758.64 6688477.13 443.583 氧化液 熱損 循環(huán)液移走(差值) 3158317.57 84236.79 5181124.993 總計(jì)8423679.3538423679.353 第五章 塔體設(shè)計(jì) 5.1 精餾塔設(shè)計(jì)精餾塔設(shè)計(jì) 由前面的物料衡算得精餾塔的基本數(shù)據(jù)： f=413.16kmol/h，xf=0.0273， d=11.57kmol/h，xd=0.9456， w=401.59kmol/h，xw=8.4310-4，進(jìn)料平均摩爾質(zhì)量 mm=58.85kg/kmol 根據(jù)工藝條件確定塔內(nèi)溫度：塔頂：100103；塔底：118

54、124。 塔內(nèi)壓力設(shè)為常壓p=101. 3kpa，水和醋酸的安托尼常數(shù)見表5-1。 表5-1 水和醋酸的安托尼常數(shù) 1 8 物料abc 水 醋酸 7.07406 6.42452 1657.46 1479.02 227.02 216.82 5.1.1 回流比和理論塔板數(shù)回流比和理論塔板數(shù) (1) 相對(duì)揮發(fā)度 設(shè)定泡點(diǎn)t=117.15，則相對(duì)于水 lgp0a=7.07406=2.2582 解得p0a=181.22kpa； 15.11702.227 46.1657 同理，相對(duì)于醋酸 lgp0b=6.42452=1.9959 解得p0b=99.06kpa 15.11782.216 02.1479 則

55、x=0.0273 06.9922.181 06.99 3 . 101 00 0 ba b pp pp 與xf=0.0273完全吻合，所以設(shè)定的泡點(diǎn)溫度117.15合理有效。 相對(duì)揮發(fā)度=1.83 06.99 22.181 (2) 回流比 設(shè)定為泡點(diǎn)進(jìn)料，rmin= f d f d x x x x 1 1 1 1 0551 . 0 1 9456 . 0 183 . 1 0551 . 0 9456 . 0 183 . 1 1 解得rmin=14.61；取r=1.1rmin=1.114.61=16.07； (3) 理論塔板數(shù)(簡(jiǎn)捷法) 全回流時(shí)：nmin=1=1 lg 1 1 lg w w d d

56、x x x x 83 . 1 lg 108.43 108.431 9456 . 0 1 9456 . 0 lg 4- -4 解得nmin=15.4371 那么=0.32，從吉利蘭圖上查得 1 min r rr 107.16 61.1407.16 =0.38 2 min n nn 2 4371.15 n n 解得n=26.12，取值n=27 精餾段nmin=1=1=9.64 lg 1 1 lg f f d d x x x x 83 . 1 lg 0273 . 0 0273 . 0 1 9456 . 0 1 9456 . 0 lg 那么=0.32，從吉利蘭圖上查得=0.38 1 min r rr

57、107.16 61.1407.16 2 1 min1 n nn 2 64 . 9 1 1 n n 解得 n1=16.77；由此確定從塔頂往下數(shù)第 12 層板為加料板。 5.1.2 塔的有效高度塔的有效高度 全塔效率的求算：et=0.49(l)0.245查得塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度 l=0.64mpas 由此解得 et=0.49(1.830.64)0.245=0.61 塔的有效高度 z=ht 1 t t e n 其中：nt塔內(nèi)所需理論板層數(shù) ht塔板間距 m(取 ht=0.5m) 則 z=0.5=21.63m 取值為 22m。 1 61 . 0 27 設(shè) 定 上 層 塔 板 與 塔 頂 蓋

58、 之 間 的 距 離 為 1.0m， 下 層 塔 板 和 塔 底 之 間 的 距 離 為 2.0m 所以精餾塔總高度為 h=z+1.0+2.0=25m 5.1.3 塔徑的計(jì)算塔徑的計(jì)算 (1) 兩相密度 液相密度 l=939.1kg/m3 氣相密度(以進(jìn)料狀態(tài)計(jì)算)t=117.15+273.15=390.3k 由 pv=nrt 可知 p=vrt 由此得出 v=1.84kg/m3m rt mp 3 .390314 . 8 85.58 3 . 101 (2) 氣液相流量 氣相流量 vs=6.53m3/s 84 . 1 3600 85.5857.11 5 . 63 3600 1 3600 vv md

59、rmv 液相流量 ls=0.01259m3/s 1 . 9393600 85.5857.11 5 . 62 36003600 ll mrdml （3）塔徑的確定 塔徑 d=；其中 u 可由 umax=c解得，其中 c=c20計(jì)算， u vs 4 v vl 2 . 0 20 l 其中 l=18.4mn/m；c20可以在史密斯關(guān)聯(lián)圖上查得，橫坐標(biāo) =0.044 2 1 2 1 84 . 1 1 . 939 53 . 6 01259 . 0 v l s s v l 取板間距 ht=0.5m，板上液層高度 hl=0.07m，則 hthl=0.43m 查得 c20=0.10m/s 則 c=c20=0.0

60、98，所以 2 . 02 . 0 20 4 . 18 10. 0 20 l umax=0.098=2.23m/s 81 . 1 81 . 1 1 . 939 取安全系數(shù)為 0.65，則空塔氣速 u=0.65umax=1.45m/s 塔徑 d=2.3952 m u vs 4 45 . 1 14 . 3 53 . 6 4 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后,選取 d=2.40m 塔截面積 at=4.52m2；空塔氣速 u=1.44m/s。 2 4 d 52 . 4 53 . 6 5.1.4 塔板設(shè)計(jì)塔板設(shè)計(jì) 根 據(jù) 塔 板 的 產(chǎn) 能 、 結(jié) 構(gòu) 、 造 價(jià) 等 實(shí) 際 情 況 進(jìn) 行 比 較 ， 選 擇 采 用