年產(chǎn)2萬噸乙酸精制工藝設(shè)計(jì)

年產(chǎn)2萬噸乙酸精制工藝設(shè)計(jì)TheRefiningProcessDesignforAnnualOutput20000TonsofAceticAcid目錄TOC\o"1-3"\h\u19862摘要I29567AbstractII22211引言131790第1章文獻(xiàn)綜述2296241.1本設(shè)計(jì)的研究意義及內(nèi)容254771.2乙酸性質(zhì)262531.2.1乙酸的物理性質(zhì)252131.2.2乙酸化學(xué)性質(zhì)366291.3乙酸的工業(yè)用途3173931.4乙酸的生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀3250461.4.1乙烯氧化法441541.4.2乙烷氧化法462101.4.3甲醇羰基化法510881.5國內(nèi)外乙酸研究現(xiàn)況615095國內(nèi)乙酸生產(chǎn)現(xiàn)狀620975國外乙酸生產(chǎn)現(xiàn)狀766891.6乙酸未來開展趨向77918第2章乙酸精制工藝設(shè)計(jì)概論9108272.1乙酸生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)925877概述 924450乙酸生產(chǎn)設(shè)計(jì)方案927529甲醇羰基化法生產(chǎn)原理98825工藝流程 10178692.2乙酸—水體系精制設(shè)計(jì)1114298概述1128742精餾工段乙酸—水體系設(shè)計(jì)方案1229491第3章工藝計(jì)算1476923.1乙酸—水體系物料衡算 1466763.1.1根本數(shù)據(jù)及工藝要求 14167343.1.2精餾塔的物料衡算 14279583.2乙酸—水體系有關(guān)物性數(shù)據(jù)計(jì)算 15322143.2.1塔體溫度計(jì)算 1541413.2.2平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算 16190593.2.3平均密度的計(jì)算 18199513.2.4液相平均外表張力計(jì)算 2023045液體平均相對粘度計(jì)算 20107073.3乙酸—水體系理論塔板數(shù)求解 2130501最小回流比及操作回流比計(jì)算 2120014操作線方程計(jì)算 2227787理論板數(shù)計(jì)算 22178513.4乙酸—水體系實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算 23324求解全塔效率 233474實(shí)際塔板數(shù)求取 24121203.5乙酸—水體系熱量衡算 2411171根本數(shù)據(jù) 2412513再沸器的熱負(fù)荷和加熱蒸汽量 265626冷凝器熱負(fù)荷冷凝熱量QC和冷卻水用量 277846第4章塔設(shè)計(jì)29228904.1精餾塔簡介2929875概論 298784精餾塔選型 30134424.2精餾塔塔體工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 3022969塔徑的計(jì)算與圓整 3018341泛點(diǎn)氣速與噴淋密度校核 33157524.3填料高度設(shè)計(jì)計(jì)算 3514235填料層高度計(jì)算 359761填料層的分段設(shè)計(jì) 3613443塔體壓降計(jì)算 36273744.3管口設(shè)計(jì)及計(jì)算圓整375291塔頂氣體出口裝置設(shè)計(jì) 377017塔頂回流液進(jìn)口裝置設(shè)計(jì) 3831358進(jìn)料液進(jìn)口裝置設(shè)計(jì) 3817860塔釜餾出液管口裝置設(shè)計(jì) 388977結(jié)論399156致謝405645參考文獻(xiàn)41年產(chǎn)2萬噸乙酸精制工藝設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)以年產(chǎn)2萬噸乙酸為生產(chǎn)目標(biāo)，由甲醇羰基化法制得乙酸的工藝方法，采用普通精餾方法對乙酸精制工段中乙酸與水別離體系進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型。針對設(shè)計(jì)要求進(jìn)行理論上的物料衡算、熱量衡算，塔設(shè)備尺寸計(jì)算與選型，并對塔板直徑校核驗(yàn)算，以到達(dá)所需要的工藝條件。通過對填料精餾塔及其輔助設(shè)備的工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算，確定塔徑800mm，填料層高度28.8m，理論塔板總數(shù)55塊，完成設(shè)計(jì)到達(dá)質(zhì)量含量為99.88%的乙酸。從而獲得到乙酸與水體系精餾過程中對實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義的參數(shù)。改變了國內(nèi)精制對苯二甲酸生產(chǎn)中溶劑脫水塔一直達(dá)不到工藝指標(biāo)要求而造成的乙酸浪費(fèi)，環(huán)境污染等問題。關(guān)鍵詞：乙酸甲醇羰基化普通精餾填料塔TheRefiningProcessDesignforAnnualOutput20000TonsofAceticAcidAbstract：Thedesignisaimatproducinganannualproductiontargetof20,000tonsaceticacid,SoIusethecarbonylationofmethanoltofinishaceticacidprocessandusedistillationmethodtofinishprocessdesignandequipmentselectionofaceticacidandwaterpurificationsectionintheseparationsystem.Accordingtothedesignrequirements,Icarriedonthetheoreticalmaterialbalanceandenergybalance,andcalculatedequipmentsizeandselectionoftower.Then,Icheckedthediameterofplateforachievingthedesiredprocessconditions.Forthedistillationtowerandauxiliaryequipment,Icalculatedtheprocessandequipmentdesignparameters.Imakesurethatthediameteroftoweris800mm,andtheheightoffillinglayeris28.8m,andtheoreticalplatenumberis55,andcompletethedesignofaceticacidwiththequalityof99.88%.Fromallofthem,thedateswhatIgotfromthedistillationofaceticacidandwaterhaveinstructivesignificance.Theycanchangethesituationthatsolventdehydrationtowerisnotuptoprocessrequirementsintheproductionofthepurifiedterephthalicacidinourcountry,andchangethewasteofaceticacid,environmentalpollutionandotherissues.Keywords：aceticacidmethanolcarbonylationgeneraldistillationfilledtower引言本文旨在設(shè)計(jì)為年產(chǎn)2萬噸乙酸精制工藝設(shè)計(jì)。乙酸作為一種應(yīng)用廣泛的重要化工原料,主要被用于合成乙酸乙烯酯的(VAM)、乙酸酐的原料以及生產(chǎn)對苯二甲酸(PTA)的溶劑等。乙酸可由以乙醛、甲醇、乙烯、乙烷，以及丁烷(或輕油)為原料制的。20世紀(jì)70年代BP公司利用孟山都(Monsanto)技術(shù)成功開發(fā)孟山都/BP工藝。該工藝已成為羰基合成乙酸的主導(dǎo)工藝技術(shù)，采用銠基均相絡(luò)合為主催化劑、碘化物為助催化劑，反響活性高，以甲醇計(jì)乙酸的收率為99%,以CO計(jì)為85%。由于該工藝的反響條件為150-200℃、3-6MPa，故此法常被稱為低壓法甲醇合成乙酸。但是孟山都(Monsanto)工藝也存在一些固有的缺點(diǎn):主催化劑金屬銠價(jià)格昂貴；Rh(I)催化劑不穩(wěn)定,在CO缺乏時(shí)易被氧化為Rh(Ⅲ)而從體系中沉淀出RhI3；反響體系中存在大量的水會(huì)造成產(chǎn)物別離的困難和投資的增加；碘化物的存在會(huì)造成嚴(yán)重的設(shè)備腐蝕。針對這些缺乏的改良研究工作一直沒有中斷,其中主要是對催化劑的改良優(yōu)化。本文設(shè)計(jì)以孟山都(Monsanto)工藝為根底，采用催化劑優(yōu)化工藝酚醛樹脂基活性炭(PHAC)負(fù)載鎳代替?zhèn)鹘y(tǒng)銠催化劑作為主催化劑、碘甲烷為助催化劑，鎳作為一種廉價(jià)金屬對甲醇羰基化合成乙酸有較高的活性，在攪拌式反響器中催化甲醇羰基化合成乙酸的反響，同時(shí)用普通精餾的方法精制乙酸，完成年產(chǎn)2萬噸乙酸精制工藝設(shè)計(jì)，使目的產(chǎn)品到達(dá)99.88%(w%)。第1章文獻(xiàn)綜述1.1本設(shè)計(jì)的研究意義及內(nèi)容對苯二甲酸(PTA)是生產(chǎn)聚酯的主要原料，聚酯工業(yè)的高速開展使得PTA的需求越來越大，由于國內(nèi)PTA的生產(chǎn)大都是從國外引進(jìn)的專利技術(shù)，中國石化總公司把PTA國產(chǎn)化技術(shù)的研究作為“十五〞攻關(guān)課題，乙酸精制工藝設(shè)計(jì)作為PTA國產(chǎn)化生產(chǎn)技術(shù)的重要一局部，對開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的別離技術(shù)具有極其重要的意義。隨著揚(yáng)子石化公司化工廠PTA裝置高負(fù)荷運(yùn)行，已不能滿足PTA60萬/a生產(chǎn)的需要，溶劑脫水塔一直達(dá)不到工藝指標(biāo)要求，塔頂餾出物含乙酸在0.6%~1.1%，塔頂出水乙酸不達(dá)標(biāo)不僅造成乙酸浪費(fèi)，且對環(huán)境造成污染。針對乙酸精制工藝設(shè)計(jì)過程存在的一些問題，本文擬在乙酸合成工段工藝優(yōu)劣比擬，選取適當(dāng)?shù)暮铣晒に嚕宜峋乒ざ喂に囋O(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究，以期為現(xiàn)有的普通精餾提供優(yōu)化操作參數(shù)，主要研究內(nèi)容如下：一.總結(jié)國內(nèi)外乙酸生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀及未來開展趨勢，分析研究現(xiàn)有工藝的優(yōu)點(diǎn)及存在的問題，為本設(shè)計(jì)提出適宜生產(chǎn)工藝方案提供有力的參考依據(jù)。二.針對本設(shè)計(jì)題目為“年產(chǎn)2萬噸乙酸精制工藝設(shè)計(jì)〞，選擇適宜的乙酸生產(chǎn)工藝方案，為后面精制工藝計(jì)算及塔體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。三.本設(shè)計(jì)工藝計(jì)算著重對精制工藝中中乙酸—水體系進(jìn)行普通精餾過程計(jì)算，包括物料衡算和能量衡算，其中包括：進(jìn)出料溫度、進(jìn)出料濃度、回流比、理論板、實(shí)際板、進(jìn)料位置和進(jìn)出能量計(jì)算，從而獲得到對乙酸精制設(shè)計(jì)中乙酸—水體系精餾過程實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義的參數(shù)。四.利用普通精餾工藝計(jì)算的基石，選擇適宜精餾塔類型，進(jìn)行塔體尺寸的計(jì)算，以及主要塔內(nèi)件及輔助設(shè)備的選型及計(jì)算。五.對本設(shè)計(jì)過程存在的問題進(jìn)行討論研究，以期得到乙酸精制工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化。1.2乙酸性質(zhì)乙酸的物理性質(zhì)乙酸，又稱醋酸(aceticacid)、冰醋酸(glacialaceticacid)，分子式為CH3COOH(常簡寫成HAC)，無色透明液體，有刺激性氣味，相對密度1.0492，熔點(diǎn)16.635℃，沸點(diǎn)117.9℃，折射率1.3716，閃點(diǎn)57℃，自然點(diǎn)465℃，粘度11.83mpa*s,與水、乙醇、乙醚和苯混溶，不溶于二硫化碳。是典型的脂肪酸，被公認(rèn)為食醋內(nèi)酸味及刺激性味的主要來源。純無水乙酸(冰乙酸)是無色的吸濕性液體，凝固后是無色固體。盡管乙酸在水溶液中的理解能力弱，是一個(gè)弱酸，但乙酸是具有腐蝕性的，其蒸氣對眼和鼻都有刺激性作用。乙酸是一種簡單的羧酸，是一種重要的化學(xué)試劑[1]。乙酸化學(xué)性質(zhì)乙酸中的羰基碳與氧原子相連，因此,O與C=O之間存在p—π共軛效應(yīng)，導(dǎo)致C—O鍵極性增大，而呈現(xiàn)酸性；C—O鍵為極性鍵，故—OH可被其他基團(tuán)取代而發(fā)生取代反響；由于羧基的吸電子作用，導(dǎo)致烴基上的α—H原子可被其他原子或原子團(tuán)取代生成取代酸[2]。乙酸和成鹽反響乙酸在水溶液中離解出氫離子而顯酸性，具有酸的一般性質(zhì)。乙酸能與強(qiáng)堿、碳酸鹽、金屬氧化物反響，生成鹽和水。生成羧酸衍生物乙酸羧基中的羥基可以被鹵素、酰氧基、烴氧基、氨基取代，分別得到酰氯、酸酐、酯、酰胺。脫羧反響在特定條件下，乙酸分子脫去羧基，放出二氧化碳。復(fù)原反響再強(qiáng)復(fù)原劑氧化鋁鋰的作用下可將復(fù)原成伯醇。α—H的氯代反響在P、S、I2或光照的催化下可被Cl2、Br2逐步取代。1.3乙酸的工業(yè)用途乙酸是一種重要的根本有機(jī)化工原料，主要用來制取醋酸乙烯單體(VCM)、醋酸纖維、醋酐、精對苯二甲酸〔PTA〕、氯乙酸、聚乙烯醇、醋酸酯及金屬醋酸鹽等。醋酸也被用來制造電影膠片所需要的醋酸纖維素和木材所用膠粘劑中的聚乙酸乙烯酯，以及很多合成纖維和織物。在染料、農(nóng)藥、醫(yī)藥及粘合劑、有機(jī)溶劑等方面有著廣泛的用途，是近幾年來開展較快的重要的有機(jī)化工產(chǎn)品之一。工業(yè)上合成乙酸的原料最初是糧食，然后轉(zhuǎn)向礦石、木材、石油、煤炭、天然氣。現(xiàn)在主要工藝方法采用的原料是石油和煤炭[3]。1.4乙酸的生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀現(xiàn)已工業(yè)化的乙酸生產(chǎn)技術(shù)主要有：乙烯氧化法、乙烷氧化法、甲醇羰基化法。其中，甲醇羰基化法是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，占全球總產(chǎn)能的60%以上，而且這種趨勢還在不斷增長[4]。乙烯氧化法乙烯氧化法乙烯氧化法分兩步反響完成，依稀在催化劑作用下，在溫度為100~150℃、壓力0.3MPa的條件下反響生成乙醛；乙醛在醋酸錳催化劑作用下，與純氧、富氧或空氣在液相條件下氧化成乙酸，該工藝簡單，技術(shù)成熟，本錢較低等特點(diǎn)，是60年代最主要的生產(chǎn)方法[5]。本工藝涉及的主反響：乙烯直接氧化乙烯直接氧化工藝是由昭和電工公司開發(fā)的一步法氣相工藝(ShowaDenko工藝)并于1997年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化該工藝由于所用投資費(fèi)用相對縮減(不需要生產(chǎn)一氧化碳所需根本施)，因此，對于生產(chǎn)生產(chǎn)能力較小的乙酸裝置，頗具經(jīng)濟(jì)性[6]。該工藝是在負(fù)載型鈀催化劑作用下，乙烯與氧氣的混合氣于160~210℃下高選擇性的制備乙酸。在已報(bào)道的反響條件下，乙酸、乙醛和二氧化碳的單程選擇性分別為85.5%、8.9%、5.2%。因此，反響過程中生成大量的水，故乙酸提純是一個(gè)能耗很高的過程。為解決這一問題，昭和公司開發(fā)了一種萃取與精餾相結(jié)合的節(jié)能工藝，使水從乙酸中有效的別離出去。昭和公司稱，該工藝只產(chǎn)生少量的廢水，是一種環(huán)境友好的工藝。本工藝涉及的反響：主反響副反響乙烷氧化法乙烷氣相催化氧化工藝(SABIC工藝)是由SABIC公司開發(fā)的。按照SABIC專利，乙烷與純氧或空氣在150~450℃、0.1~5.0MPa下發(fā)生氧化反響生成乙酸，副產(chǎn)物有一氧化碳、二氧化碳和乙烯[7]。該工藝使用的催化劑由Mo、V、Nb、Pd氧化物的混合物焙燒制得，催化劑有助于減少副反響。當(dāng)以乙烷、氧氣為原料時(shí)，乙酸的選擇性為71%，乙烷與氧氣的單程轉(zhuǎn)化率分別是13.6%和100%。當(dāng)以乙烷、空氣為原料時(shí)，乙酸的選擇性略低。為67%，但乙烷的單程轉(zhuǎn)化率較高，為49.6%，氧氣轉(zhuǎn)化率近100%。由于乙烷的生產(chǎn)本錢低，因此SABIC工藝在經(jīng)濟(jì)性方面可以與甲醇羰基化工藝相競爭。本工藝涉及的反響：主反響副反響甲醇羰基化法本方法涉及的反響：BASF高壓工藝甲醇羰基化法是由德國BASF公司最早發(fā)現(xiàn)，1960年德國BASF公司建成了第一套甲醇羰基化制乙酸中試裝置，催化劑為碘化鈷，BASF合成工藝法反響溫度約250℃，壓力高，為6.89MPa，以甲醇和一氧化碳計(jì)，乙酸選擇性分別為90%、70%，通過五塔精餾可得純度為99.8%的乙酸產(chǎn)品[8]。孟山都(Monsanto)/BP工藝70年代中期，孟山都(Monsanto)開發(fā)出高活性的銠系催化劑用于羰基化，由于它選擇性高、副產(chǎn)物少、操作條件不苛刻，故把此工藝視為從C1原料制C2化學(xué)品進(jìn)程中的一個(gè)里程碑。孟山都(Monsanto)/BP工藝用添加有碘化物的銠基金屬均相催化劑，反響在較低溫度180℃，壓力3.5MPa下進(jìn)行，有很高的選擇性(以甲醇計(jì)大于99%，以一氧化碳計(jì)大于)。1986年，孟山都(Monsanto)將甲醇制乙酸技術(shù)出售給BP公司，經(jīng)BP公司進(jìn)一步開發(fā)并改良形成了目前生產(chǎn)能力占主導(dǎo)地位的孟山都(Monsanto)/BP工藝[9]。Celanese低水含量工藝Celanese低水含量工藝是在孟山都(Monsanto)/BP工藝的根底上進(jìn)行了催化劑方面的改良。在孟山都(Monsanto)/BP工藝中，為使催化劑具有足夠高的活性且維持足夠的穩(wěn)定性，反響體系中需要含有大量的水存在。這使得后面分餾水成為能耗最大的步驟，同時(shí)也成為裝置產(chǎn)能擴(kuò)大的瓶頸。Celanese低水含量工藝應(yīng)運(yùn)而生。該工藝在銠系催化劑的根底上添加高濃度的無機(jī)碘化物(主要是碘化鋰)以增強(qiáng)催化劑體系的穩(wěn)定性，參加碘化鋰和碘化甲烷助劑后，允許反響器中的含水量大大降低同時(shí)又可穩(wěn)定保持具有較高的反響速度，從而使新工藝的本錢大大降低。Celanese低水含量工藝比傳統(tǒng)的孟山都(Monsanto)/BP工藝產(chǎn)能增加，單位產(chǎn)品的公用工程消耗和投資本錢降低；缺點(diǎn)是高濃度的碘鹽導(dǎo)致設(shè)備腐蝕增加，產(chǎn)品中殘留碘鹽量升高。產(chǎn)品中殘留碘鹽量過高可能會(huì)影響乙酸下游產(chǎn)品[10]。CATIVA工藝CATIVA工藝以金屬銥為主催化劑，并參加一局部錸、釕、鋨等作助催化劑。新型銥催化劑在適當(dāng)溫度和壓力下，反響速度和目的產(chǎn)品選擇性都較高。BP化學(xué)的CATIVA工藝與傳統(tǒng)孟山都(Monsanto)/BP工藝相比，CATIVA工藝優(yōu)勢在于：銥系催化劑的選擇性高于銠系催化劑；副產(chǎn)物少；可以再低水含量下操作，這些技術(shù)假設(shè)用于現(xiàn)有裝置的改造，可在較低投資情況下增加裝置產(chǎn)能，而且由于含水量低也帶來了蒸汽消耗下降和一氧化碳轉(zhuǎn)化率的改善[11]。UOP/ChiyodaAcetica工藝由于催化劑固定在固定載體上具有潛在的優(yōu)勢，通過大量的試驗(yàn)要將均相銠系羰基化催化劑改為用多相催化劑體系。所以Chiyoda公司開發(fā)出具有熱穩(wěn)定性的聚合物載體聚乙烯吡啶和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，交聯(lián)共聚物。以此為根底，公司開發(fā)出乙酸生產(chǎn)新工藝，它采用多相負(fù)載催化劑和鼓泡塔反響器中進(jìn)行甲醇羰基化。以甲醇和一氧化碳為原料，使用添加有碘化甲烷助劑的聚乙烯吡啶樹脂的負(fù)載銠系催化劑。據(jù)稱，多相催化劑可得到高的產(chǎn)率，改善銠系催化劑的性能，乙酸產(chǎn)率以甲醇計(jì)大于99%.該工藝合成反響可在低水含量條件下操作。反響器中HI濃度低，腐蝕問題小，而且與傳統(tǒng)工藝相比，新工藝生產(chǎn)副產(chǎn)物小，產(chǎn)品純度較高。本工藝另一大特點(diǎn)是反響器用鼓泡塔，消除了攪拌塔式反響器的密封問題，操作壓力可增加到6.2MPa，為保持最正確的一氧化碳分壓，可使用低純度的一氧化碳。低純度的一氧化碳可降低原料費(fèi)用和投資本錢[12]。綜上所述，乙酸生產(chǎn)技術(shù)的豐富多樣，而且仍在不斷取得重大進(jìn)步。今后的乙酸工藝開發(fā)可能會(huì)包括直接合成氣路線、直接甲醇羰基化和以本錢更低的新型生產(chǎn)技術(shù)。著名咨詢機(jī)構(gòu)NexantChemSystem對現(xiàn)有和正在開發(fā)的乙酸合成路線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析和比擬，對這一市場的前景給予了積極的評(píng)價(jià)[13]。1.5國內(nèi)外乙酸研究現(xiàn)況1.5.1我國乙酸生產(chǎn)現(xiàn)狀至2023年底，我國乙酸開工率為60.4%．產(chǎn)量為257.5萬噸。至2023年底。我國乙酸開工率為60.5%，產(chǎn)量為272.1萬噸。2023年江蘇索普(集團(tuán))公司、塞拉尼斯(南京)化工公司、揚(yáng)子江乙酰化工公司、上海吳涇化工公司、山東兗礦國泰化工公司、山東華魯恒升化工股份、中石油吉林石化分公司等七大生產(chǎn)商的供給量占國內(nèi)總產(chǎn)量的88.2%。另一方面，我國近70%的乙酸產(chǎn)能集中在長江三角洲地帶，該地區(qū)是我國石化工業(yè)的重要基地，工業(yè)配套條件優(yōu)越，乙酸生產(chǎn)的原料供給充足。2023年我國乙酸產(chǎn)能進(jìn)一步出現(xiàn)嚴(yán)重過剩．乙酸產(chǎn)量為331.3萬噸，乙酸開工率降至56.2%。乙酸市場面臨上下游結(jié)構(gòu)失衡，加大下游產(chǎn)品攻關(guān)、合理規(guī)劃乙酸產(chǎn)品下游產(chǎn)業(yè)鏈．是當(dāng)前乙酸產(chǎn)業(yè)開展迫切需要解決的問題。乙酸下游產(chǎn)品的開發(fā)及下游產(chǎn)業(yè)鏈的延伸．成為國內(nèi)乙酸企業(yè)十分關(guān)注并需迫切解決的問題。解決乙酸市場上下游結(jié)構(gòu)失調(diào)問題，生產(chǎn)企業(yè)要聯(lián)合有關(guān)科研院校加大對下游衍生物的研發(fā)，逐步拉長甲醇一乙酸下游產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈條。同時(shí)，要采用新工藝、新技術(shù)對現(xiàn)有裝置進(jìn)行改造，從降低消耗出發(fā)，提升產(chǎn)品的市場競爭力。在產(chǎn)品質(zhì)量上要取得突破．在國外乙酸需求增長的前提下，增加高端產(chǎn)品的出口。我國乙酸以自主技術(shù)建設(shè)為主，引進(jìn)和中外合資為輔。目前我國乙酸主要采用乙醛氧化法、低碳烴氧化法、甲醇羰基化法三種工藝路線。2023年我國羰基化法生產(chǎn)能力占我國總生產(chǎn)能力的78%，低碳烴氧化法占6.8%，乙醛氧化法占11.3%，其他占3.7%。2023年我國乙酸產(chǎn)量約為260.39萬噸，已占全球30%，占亞洲60%。2023年我國成為乙酸凈出口國，且凈出口趨勢持續(xù)增強(qiáng)。隨著國內(nèi)競爭加劇，預(yù)計(jì)中國未來乙酸及其衍生物出口量還將不斷增長[14]。1.5.2世界醋酸生產(chǎn)能力已由2007年1150.6萬噸和2023年1314.2萬噸增加到2023年1500.3萬噸和2023年1523萬噸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2023年，世界擁有醋酸能力1512萬噸/年，其中前l(fā)0位醋酸生產(chǎn)商中，BP公司254萬噸/年，占16.8%；塞拉尼斯公司為232萬噸/年，占15.4%；上海吳涇化工60萬噸∕年，占4.0%；中國石化集團(tuán)公司70萬噸∕年，占4.7%；江蘇索普公司60萬噸∕年，占4.0%；袞礦國泰公司60.0萬噸∕年，占4.0%；Sterling化學(xué)品公司54.5萬噸∕年，占3.6%；利安德巴賽爾公司45.4萬噸∕年，占3.0%；中國石油集團(tuán)公司41萬噸∕年，占2.7%；依士曼化學(xué)公司25.5萬噸∕年，占1.7%。其中甲醇羰基化法合成工藝占66%，低碳烴氧化法占7.2%，乙醛氧化法占15.3%，其他工藝占11.5%.預(yù)計(jì)未來5年乙酸需求增長速度將高于過去5年，國際乙酸缺口將進(jìn)一步擴(kuò)大[14]。1.6乙酸未來開展趨向國內(nèi)企業(yè)的市場開發(fā)，在穩(wěn)固現(xiàn)有市場根底上應(yīng)轉(zhuǎn)變到細(xì)分市場的開發(fā)上．即通過研究乙酸應(yīng)用的潛在新市場，來拓展乙酸產(chǎn)品的出路。在國際市場的開發(fā)方面，歐美日等興旺地區(qū)乙酸市場格局已形成穩(wěn)定的供求關(guān)系，不利于中國企業(yè)的開發(fā)，國內(nèi)企業(yè)走出去應(yīng)更多地關(guān)注國際上正處于快速開展期的需求市場．逐漸地完善企業(yè)的國際市場格局，提高企業(yè)的國際競爭力。面對已處于產(chǎn)能嚴(yán)重過剩、市場持續(xù)低迷的困境。乙酸行業(yè)最大的希望是能夠找到一條開發(fā)下游產(chǎn)品、延伸產(chǎn)業(yè)鏈的順暢大道。就兩個(gè)主要下游產(chǎn)品乙酸酯和乙酸酐而言，隨著國家對環(huán)保的要求逐步提高，乙酸酯替代甲乙酮、甲基異丁基酮等作為溶劑的需求將會(huì)有較大增加，但取決于乙酸產(chǎn)品的質(zhì)量和配套下游產(chǎn)業(yè)的開展。國內(nèi)乙醋酐主要用于醋酸纖維素、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料等行業(yè)．其中的醋酸纖維素類產(chǎn)品如果能實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破．有望拉動(dòng)醋酸的消費(fèi)。另外，雙乙烯酮是乙酸一個(gè)重要的下游產(chǎn)品，對乙酸的消耗量也比擬大，生產(chǎn)1噸雙乙烯酮大約消耗乙酸1.7噸。作為重要精細(xì)化工中間體的雙乙烯酮。還能廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、食品和飼料等領(lǐng)域。雖然乙酸行業(yè)暫時(shí)行情動(dòng)亂，但隨著世界經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，下游行業(yè)逐漸恢復(fù)，乙酸的需求也會(huì)穩(wěn)步增長，未來乙酸的開展還有很大的潛力[15]。第2章乙酸精制工藝設(shè)計(jì)概論2.1乙酸生產(chǎn)工藝概述通過比照乙酸的各種生產(chǎn)工藝，孟山都(Monsanto)/BP工藝最為經(jīng)濟(jì)、技術(shù)先進(jìn)、原料轉(zhuǎn)化率高。該工藝操作條件不苛刻，生產(chǎn)乙酸質(zhì)量高使得該工藝在我國廣泛引進(jìn)應(yīng)用，且該工藝還有原料廉價(jià)，來源合理，催化劑性能穩(wěn)定、選擇性好、活性高，副產(chǎn)物少，建設(shè)費(fèi)用少，設(shè)備緊湊、占地面積小、公用工程消耗低，本錢低等諸多優(yōu)點(diǎn)。但原工藝Monsanto工藝也存在一些固有的缺點(diǎn):主催化劑金屬銠價(jià)格昂貴；Rh(I)催化劑不穩(wěn)定,在CO缺乏時(shí)(如在生產(chǎn)后期別離產(chǎn)物時(shí))易被氧化為Rh(Ⅲ)而從體系中沉淀出RhI3；反響體系中存在大量的水(加水主要是為了防止銠的沉淀和提高反響速率)會(huì)造成產(chǎn)物別離的困難和投資的增加；碘化物的存在會(huì)造成嚴(yán)重的設(shè)備腐蝕。針對這些缺乏的改良研究工作一直沒有中斷,其中主要為:提高Rh催化劑的活性和穩(wěn)定性,或?qū)ふ倚碌慕饘俅呋瘎?；進(jìn)行Rh(或其它金屬)催化劑的固載化；開發(fā)氣固相反響的甲醇羰基化Rh(或其它金屬)催化劑體系；改良后處理工藝等。2.1.2乙酸生產(chǎn)設(shè)計(jì)方案“N/HAC催化甲醇羰基化合成乙酸工藝研究〞，探討了反響溫度、液體進(jìn)料空時(shí)、甲醇與一氧化碳配比及加水量等反響工藝條件對甲醇羰基化反響及乙酸收率的影響，優(yōu)化了反響的工藝條件。結(jié)果說明：反響工藝條件對甲醇羰基化反響及乙酸的收率影響較大，在系統(tǒng)壓力為1.0MPa，反響溫度558K，液體進(jìn)料空時(shí)為10gcat·(mol·h)，V(H20):V(CH3OH))=3:100，n(CO):n(CH3OH):n(CH31)=80:40:1的條件下乙酸收率最高到達(dá)了67.1%，而羰基化產(chǎn)物總收率可以到達(dá)79.1%，甲醇轉(zhuǎn)化率可以到達(dá)93.8%，羰基化產(chǎn)物總收率和乙酸收率明顯高于文獻(xiàn)報(bào)道的同類催化劑[16]。基于以上研究，本文設(shè)計(jì)以孟山都(Monsanto)/BP為根底，采用催化劑優(yōu)化工藝酚醛樹脂基活性炭(PHAC)負(fù)載鎳為主催化劑、碘甲烷為助催化劑，在攪拌式反響器中催化甲醇羰基化完成乙酸合成反響工段。2.1.3甲醇羰基化法生產(chǎn)原理本法涉及的反響主反響主副反響副反響其中主副反響轉(zhuǎn)化率占主反響的1.5~2.1×10-2，副反響占主反響2.1×10-3。2.1.4工藝流程甲醇低壓羰基化法合成乙酸工藝主要包括一氧化碳造氣和乙酸生產(chǎn)兩局部。造氣工段主要包括造氣、預(yù)硫、壓縮、脫硫、脫碳工序。乙酸生產(chǎn)工序又可分為反響工序和精制工序。反響工序主要包括：預(yù)處理、合成、轉(zhuǎn)化等工段；精制工序?yàn)槎嘟M分精餾包括：吸收、脫輕、脫水、脫重、精制工段。簡單的工藝流程見圖2—1圖2.1簡單工藝流程圖工藝流程說明：反響工序：反響在攪拌式反響器中進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)參加催化液。甲醇加熱到185℃，一氧化碳用壓縮機(jī)加壓到2.74MPa后加到攪拌式反響器中。未反響完的甲醇蒸汽、一氧化碳?xì)怏w，反響產(chǎn)生的氫氣、二氧化碳?xì)怏w還有流失的碘甲烷催化劑，從塔頂進(jìn)入吸收塔，吸收塔中為甲醇溶液，從吸收塔中吸收之后出來的溶液直接返回反響器循環(huán)使用，未被吸收的一氧化碳、氫氣直接去火炬點(diǎn)燃。反響后的含水乙酸溶液從塔側(cè)進(jìn)入精制工序。精制工序：由反響器出來的物料先進(jìn)入脫輕塔，里面含有未反響的甲醇(64.65℃)、反響生成的乙酸(117.9℃)、乙醛(21℃)、水(100℃)、乙酸甲酯(57.1℃)、丙酸(141.1℃)，還有少量碘甲烷，關(guān)鍵組分為水、乙酸甲酯構(gòu)成乙酸甲酯—水體系，塔頂流出輕組分，經(jīng)冷凝器冷凝后返回反響器循環(huán)使用，塔底為含乙酸、水、丙酸重組分，一局部經(jīng)冷凝后回流反響器，另一局部側(cè)線出料進(jìn)入脫水塔。進(jìn)入脫水塔中只剩下水、乙酸、丙酸，關(guān)鍵組分水、乙酸構(gòu)成乙酸—水體系，除去大局部的水，塔頂是含少量乙酸的水溶液，經(jīng)冷凝回流到反響器中，塔底為丙酸、乙酸混合液，進(jìn)入脫重塔，構(gòu)成乙酸—丙酸體系，除去丙酸，最終含水乙酸進(jìn)入精制塔中進(jìn)行精餾，完成年產(chǎn)2萬噸的乙酸精制工藝設(shè)計(jì)，使最終乙酸產(chǎn)品到達(dá)設(shè)計(jì)要求。2.2乙酸—水體系精制設(shè)計(jì)2.2.1概述由于醋酸分子間強(qiáng)氫鍵引起汽相分子的締合，使得醋酸-水體系的非理想性特別嚴(yán)重。為此，許多學(xué)者對于醋酸的締合效應(yīng)做了廣泛的研究。Prausnitz指出，對于含羧酸的體系，必須用“化學(xué)理論〞計(jì)算逸度系數(shù)。下面簡要介紹幾種乙酸—水體系別離方法[17]：普通精餾法普通精餾法技術(shù)成熟，工藝簡單，乙酸與水不形成共沸物，所以可采用普通精餾法；但常壓下，由于醋酸的非理想性特別強(qiáng)，容易發(fā)生締合，故醋酸和水的相列揮發(fā)度接近于1，用普通精餾法別離時(shí)所需的理論板數(shù)和回流比擬大，同時(shí)能耗較大，生產(chǎn)本錢高。酯化法酯化法是指向醋酸溶液中參加一定量的醇，在催化劑的催化作用下發(fā)生酯化反響，使得醋酸轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的酯，由于酯與水沸點(diǎn)相差較大，故可采用普通精餾法將其別離，然后將得到的醋酸酯水解，即可得到醋酸以及醇。吸附法吸附是指氣體或液體流動(dòng)相和多孔的顆粒相接觸，使流動(dòng)相中一種或多種組分選擇性地取出或保存于顆粒相內(nèi)的過程，這種多孔的固體顆?？梢允蔷哂兄睆?-50nm微孔和巨大微外表積，也可以是均一的0.5或lnm可滲透的凝膠狀結(jié)構(gòu)或者樹脂狀結(jié)構(gòu)。液液萃取法在液液萃耿過程中，一個(gè)液態(tài)溶液(水相或有機(jī)相)中的一個(gè)或多個(gè)組分(溶質(zhì))被萃取進(jìn)第二個(gè)液態(tài)溶液(有機(jī)相或水相)，而t述兩個(gè)溶液是不相互溶或僅僅是局部互溶的。所以，苯取過程是溶質(zhì)在兩個(gè)液相之間重新分配的過程，即通過相際傳遞來到達(dá)別離和提純的目的。萃取精餾法萃取精餾是指在待精餾別離的原溶液中添加高沸點(diǎn)的溶劑—萃取劑，萃取劑的作用是增大原溶液中組分問的相對揮發(fā)度或破壞原溶液的共沸物，且萃取劑不與任一原組分形成共沸物，萃取劑同某一組分由塔底排出，塔頂?shù)玫郊兌雀叩牧硪唤M分。由塔底排出的溶液需進(jìn)行別離，以回收溶劑，供循環(huán)使用，同時(shí)可得到純度甚高的組分產(chǎn)品。萃取劑的沸點(diǎn)要比原料液中組分的沸點(diǎn)高，同時(shí)不形成共沸物，因此，萃取精餾時(shí)對溶劑的要求比擬高。共沸精餾法共沸精餾是指在待精餾別離的原溶液中添加挾帶劑，以改善待別離組分間的汽液平衡關(guān)系，挾帶劑能與原料液中一個(gè)或兩個(gè)組分形成新的最低共沸物，由塔頂蒸出，使精餾別離成為“共沸物~純組分〞的別離，且因具有較大的相對揮發(fā)度而使溶液別離變得容易實(shí)現(xiàn)。液膜法液膜別離技術(shù)是20世紀(jì)60年代末由黎念之博士創(chuàng)造的，近30年來，這一高效、節(jié)能的新技術(shù)在石油化工、環(huán)境保護(hù)、濕法冶金、生物工程及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。液膜，一般是由溶劑、乳化劑及添加劑(如載體和固膜劑等)與適當(dāng)?shù)脑噭┗旌先榛侔训玫降娜橐号c廢水接觸，使乳液在廢水中充分分散成細(xì)小的液滴而形成的。由于膜層極薄(1.10um)，且外表積較大，因而具有較高的滲透速率和選擇性。用液膜法處理含醋酸廢水是將廢水中有害物質(zhì)地集于被液膜包裹的內(nèi)相中，既可消除污染，又可得到有用的醋酸鈉。滲透汽化的膜別離法滲透汽化(PVAP)干I反滲透有相近的傳質(zhì)過程，即首先是易滲透的組分分予溶解或吸附于膜的上游外表，然后在某種形式的推動(dòng)力下，擴(kuò)散通過膜再從膜的下游脫附，它與反滲透不同的是滲透汽化的膜下游是在負(fù)壓系統(tǒng)中，透過物被惰性氣流或在真空系統(tǒng)中汽化并被冷凝收集，膜的兩側(cè)分壓為傳質(zhì)推動(dòng)力。PVAP被認(rèn)為是能取代“蒸餾〞的最有希望的一種方法，尤其對共沸物系和近沸物系的別離顯示出其特有的優(yōu)勢。2.2.2精餾工段乙酸—水體系設(shè)計(jì)方案乙酸水溶液的別離，由于乙酸與水相列揮發(fā)度接近l，故使用普通精餾法時(shí)需要較多的理論板數(shù)和較大的回流比；由于酯化法在別離過程中需參加醇，與酸形成酯，該工藝比擬復(fù)雜，得到的產(chǎn)品純度不會(huì)很高，同時(shí)在溶液中參加醇和催化劑，特別是無機(jī)酸，又會(huì)形成二次污染，因此該法不常用：吸附法適用于低濃度的含乙酸水溶液，如能把吸附法與其他處理方法結(jié)合起來，吸附法的用途會(huì)更大；液液萃取對于低濃度的乙酸處理效果較好，特別是絡(luò)合萃取法處理乙酸稀溶液，具有很大的前景；液膜法和滲透汽化的膜別離，雖然具有很多的優(yōu)點(diǎn)，還未到工業(yè)廣泛應(yīng)用的階段，因此，在這方面有待開發(fā)；萃取精餾和共沸精餾均是比擬成熟的工藝，在工業(yè)上己經(jīng)廣泛應(yīng)用。當(dāng)乙酸濃度高時(shí)，宜采用共沸精餾，因?yàn)槿芤褐械乃^少，將水與挾帶劑蒸發(fā)所需的熱量較少，假設(shè)采用萃取精餾，那么所需的溶劑較多，溶劑回收能耗多；乙酸濃度較低時(shí)，宜采用萃取精餾，假設(shè)采用共沸精餾，將水從塔頂蒸發(fā)所需能量較多。由于設(shè)計(jì)所研究的乙酸濃度較高，最正確別離方法采用共沸精餾法，但由于共沸精餾中涉及夾帶劑的選擇與用量，缺乏三組分精餾的理論參考與指導(dǎo)數(shù)據(jù)，過程的計(jì)算與研究需要模擬軟件ASPENPLUS的試驗(yàn)與應(yīng)用，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的難度將大大增加，所以本設(shè)計(jì)旨在為乙酸—水體系普通精餾過程中提供實(shí)際生產(chǎn)所需指導(dǎo)參數(shù)，由此本設(shè)計(jì)“年產(chǎn)2萬噸乙酸的精制工藝設(shè)計(jì)〞采用普通精餾方法別離乙酸—水體系，完成乙酸精制工藝設(shè)計(jì)。

第3章工藝計(jì)算3.1乙酸—水體系物料衡算根本數(shù)據(jù)及工藝要求表3.1乙酸—水體系參數(shù)表根本量分子量常壓沸點(diǎn)(℃)進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)W%安托尼常數(shù)ABC乙酸60117.988.07.188071416.7211水1810012.07.966811668.21228操作條件：設(shè)年工作300天，每天24小時(shí)，總工作時(shí)間為300×24=7200小時(shí)，生產(chǎn)能力為2萬噸每年；進(jìn)料(乙酸)組成：88%；塔底產(chǎn)品(乙酸)組成＞99.88%；塔頂產(chǎn)品〔乙酸〕組成＜0.33%。常壓、泡點(diǎn)進(jìn)料。精餾塔的物料衡算水的摩爾質(zhì)量乙酸的摩爾質(zhì)量原料液、塔頂及塔底產(chǎn)品〔乙酸〕的摩爾分率XF、XD、XW分別計(jì)算結(jié)果如下：原料液、塔頂及塔底產(chǎn)品〔乙酸〕的平均摩爾質(zhì)量MF、MD、MW分別計(jì)算結(jié)果如下：根據(jù)質(zhì)量守恒可知：F=D+WFxi=Dxi+Wxi式中，F(xiàn)為進(jìn)料質(zhì)量〔〕；D為塔頂出料量〔〕；W為塔釜出料量〔〕。又，那么當(dāng)產(chǎn)量是，開工時(shí)間為。通過計(jì)算得：\3.2乙酸—水體系有關(guān)物性數(shù)據(jù)計(jì)算以下有關(guān)物性數(shù)據(jù)計(jì)算所參考數(shù)據(jù)皆以《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》為標(biāo)準(zhǔn)[18]。3.2.1塔體溫度計(jì)算安托尼方程3-1泡點(diǎn)方程3-2公式中PS—飽和蒸汽壓mmHg；A、B、C—安托尼常數(shù)；T—溫度，0C；XA—易揮發(fā)成分〔水〕的摩爾分?jǐn)?shù)；P總—操作條件下的總壓，101.3kPa；PS—水的飽和蒸汽壓，mmHg；—為乙酸的飽和蒸汽壓，mmHg；表3.2塔體溫度試差參數(shù)表試差溫度℃飽和蒸汽壓PS/kPa計(jì)算得XA值與泡點(diǎn)進(jìn)料XF(水)值比擬與塔頂出料XD(水)值比擬與塔釜出料XW(水)值比擬結(jié)果乙酸水100.057.24048101.330.999>0.3125=0.999>0.004塔頂溫度110.079.36143.290.339433>0.3125<0.999>0.004110.580.62632145.71570.31762>0.3125<0.999>0.004110.680.88109146.20490.3125=0.3125<0.999>0.004進(jìn)料溫度110.981.64930147.68050.2975<0.3125<0.999>0.004111.081.90667148.17510.29176<0.3125<0.999>0.004111.583.20329150.66850.26823<0.3125<0.999>0.004117.8100.9974185.15860.004<0.3125<0.999=0.004塔釜溫度由上圖表可得：塔頂溫度T=100℃；進(jìn)料溫度T=110.6℃；塔釜溫度T=117.8℃；平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算氣液平衡線方程3-3公式中—易揮發(fā)組分〔水〕氣相摩爾分?jǐn)?shù)—易揮發(fā)組分〔水〕液相摩爾分?jǐn)?shù)—相對揮發(fā)度將數(shù)據(jù)代入公式3-3中塔頂，，得進(jìn)料，，得塔釜，，得液相平均摩爾質(zhì)量3-4氣相平均摩爾質(zhì)量3-5公式中Mm—平均摩爾質(zhì)量，Xi—液相中任一組分i的摩爾分?jǐn)?shù)yi—?dú)庀嘀腥我唤M分i的摩爾分?jǐn)?shù)Mi—任一組分i的摩爾質(zhì)量，表3.3乙酸—水體系摩爾質(zhì)量參數(shù)表物料水，乙酸，液相平均摩爾質(zhì)量，氣相平均摩爾質(zhì)量，塔頂18.060.018.025218.042進(jìn)料18.060.046.87541.0622塔釜18.060.059.83259.706將數(shù)據(jù)代入公式3-4、3-5中精餾段計(jì)算液相平均摩爾質(zhì)量氣相平均摩爾質(zhì)量提餾段計(jì)算液相平均摩爾質(zhì)量氣相平均摩爾質(zhì)量平均密度的計(jì)算氣相平均密度計(jì)算3-6公式中—?dú)庀嗝芏?，—?dú)庀嗥骄栙|(zhì)量，—熱力學(xué)溫度常數(shù)—平均溫度，℃將數(shù)據(jù)代入公式3-6中：精餾段℃；提餾段℃液相平均密度計(jì)算3-7公式中：—液相平均密度，—液相中任一組分摩爾分?jǐn)?shù)—液相中任一組分密度，表3.4乙酸—水體系密度參數(shù)表物料溫度,℃水，乙酸，液相平均摩爾質(zhì)量，塔頂100958.4960.5958.4020945進(jìn)料110.6951.0945.5947.2119037塔釜117.8943.1935.5935.530156將數(shù)據(jù)代入公式中公式3-7中精餾段平均液相密度提餾段平均液相密度液相平均外表張力計(jì)算3-8公式中—液相平均外表張力，—任一組分液相摩爾分?jǐn)?shù)—任一組分液相外表張力，表3.5乙酸—水體系外表張力參數(shù)表物料溫度,℃水，乙酸，液相平均摩爾質(zhì)量，塔頂10058.839619.958.8006604進(jìn)料110.656.8782819.030.8369625塔釜117.854.81889418.318.44607558將數(shù)據(jù)帶入公式3-8中精餾段液相平均外表張力提餾段液相平均外表張力液體平均相對粘度計(jì)算3-9公式中—液相平均相對粘度，—液相中任一組分i的摩爾分?jǐn)?shù)—液相中任一組分i的粘度，表3.6乙酸—水體系液體粘度參數(shù)表物料溫度，℃水，乙酸，液相平均粘度，塔頂1000.2690.4750.269206進(jìn)料110.60.2300.420.360625塔釜117.80.2010.3850.384264將數(shù)據(jù)帶入公式3-9中精餾段液相平均粘度提餾段液相平均粘度全塔液相平均相對粘度3.3乙酸—水體系理論塔板數(shù)求解最小回流比及操作回流比計(jì)算把乙酸-水視為理想溶液。原料液、塔頂及塔釜易揮發(fā)組分〔水〕的相對揮發(fā)度αF、αD、αW分別計(jì)算結(jié)果如下：全塔相對平均相對揮發(fā)度因泡點(diǎn)進(jìn)料，故進(jìn)料方程q=1最小回流比實(shí)際回流比操作線方程計(jì)算上述式中L、L′分別為精餾段、提溜段下降易揮發(fā)組分〔水〕液體流量；V、V′分別為精餾段、提溜段上升易揮發(fā)組分〔水〕蒸汽流量。精餾段操作線方程3-10提留段操作線方程3-11理論板數(shù)計(jì)算芬斯克方程3-123-13公式中—全回流時(shí)的最小理論板數(shù)〔不含再沸器〕—全回流時(shí)精餾段最小理論板數(shù)—全塔平均相對揮發(fā)度—精餾段平均相對揮發(fā)度—塔頂易揮發(fā)組分〔水〕摩爾分?jǐn)?shù)—塔底易揮發(fā)組分〔水〕摩爾分?jǐn)?shù)—進(jìn)料易揮發(fā)組分〔水〕摩爾分?jǐn)?shù)將數(shù)據(jù)代入公式3-12、3-13中得，由吉利蘭關(guān)聯(lián)圖經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算回流比是R時(shí)理論板數(shù)3-14，3-15公式中R—實(shí)際回流比Rmin—最小回流比N—理論板數(shù)Nmin—全回流時(shí)最小理論板數(shù)將數(shù)據(jù)代入公式中3-14、3-15中得，由此可知，全塔理論板31塊，第19層理論板為進(jìn)料板。3.4乙酸—水體系實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算求解全塔效率奧康內(nèi)爾公式法3-16公式中ET—全塔效率αm—全塔平均相對揮發(fā)度μL—全塔液相平均相對粘度，將數(shù)據(jù)代入公式3-16中，計(jì)算結(jié)果得實(shí)際塔板數(shù)求取3-17公式中—全塔效率—理論板數(shù)—實(shí)際板數(shù)將數(shù)據(jù)代入公式3-17中全塔實(shí)際板數(shù)精餾段實(shí)際板數(shù)。3.5乙酸—水體系熱量衡算根本數(shù)據(jù)表3.7乙酸—水體系熱量衡算參數(shù)表物料位置溫度T℃摩爾流量n(kmol/h)液相平均摩爾質(zhì)量ML,m〔㎏/kmol〕液相摩爾分?jǐn)?shù)水XA乙酸XB餾出液D40.020.83818.02520.99940.0006上升蒸汽L100.0144.6157218.02520.99940.0006回流R40.0122.7777218.02520.99940.0006進(jìn)料F110.667.20946.8750.31250.6875塔釜W117.846.37159.7060.0040.996塔頂上升蒸汽、回流液、進(jìn)料、塔釜質(zhì)量流量分別計(jì)算為：查《化工設(shè)計(jì)》常用物質(zhì)氣體熱容和飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)表乙酸氣體熱容3-18其中，a=2.0412，b=56.0642×10-3，c=-34.0880×10-6，d=8.0202×10-9將數(shù)據(jù)代入公式3-18中得塔頂乙酸比熱容回流液中乙酸比熱容進(jìn)料乙酸比熱容塔釜乙酸比熱容查化學(xué)工藝手冊水的物理性質(zhì)塔頂水比熱容回流液水的比熱容進(jìn)料水比熱容塔釜水比熱容汽化熱計(jì)算工程上用克—克方程式(Clausiua—Clapetron)估算100℃~117.8℃溫度范圍的汽化熱公式中ΔΗ—汽化熱，kcal/kgT1、T2—溫度，KP1、P2—物質(zhì)在T1、T2時(shí)的蒸汽壓M—相對分子質(zhì)量水的汽化熱乙酸的汽化熱再沸器的熱負(fù)荷和加熱蒸汽量計(jì)算基準(zhǔn)：100℃液體塔進(jìn)料液帶入熱QF計(jì)算塔進(jìn)料液為110.6℃的飽和液體，將乙酸和水的比熱容帶入，那么進(jìn)料混合液的平均比熱容為：塔釜產(chǎn)品帶出熱QW塔釜產(chǎn)品的溫度為117.8℃，將乙酸和水的比熱容帶入，那么進(jìn)料混合液的平均比熱容為：回流液帶入熱QR取回流液溫度為40℃的液體，將乙酸和水的比熱容帶入，那么回流液的平均比熱容為：塔頂上升蒸汽帶出熱QV塔頂上升蒸汽與與餾出液的組成相同，計(jì)算得100℃，水的汽化熱為184.0518442kJ/kg，乙酸的汽化熱為52.01kJ/kg，那么組成與上升蒸汽相同的液體的汽化熱為：忽略熱損失Q1求再沸器的熱負(fù)荷QB將各項(xiàng)熱量的數(shù)據(jù)帶入下面式子中解再沸器加熱蒸汽用量查0.152MPa蒸汽的汽化熱為2226.3kJ/kg加熱蒸汽量冷凝器熱負(fù)荷冷凝熱量QC和冷卻水用量塔頂產(chǎn)品的組成和溫度與回流液相同，所以其定壓熱容與冷卻溫度也相同。將各項(xiàng)熱量的數(shù)據(jù)帶入下面公式中所用冷卻水進(jìn)口溫度18℃，出口溫度25℃冷卻水用量

第4章塔設(shè)計(jì)4.1精餾塔簡介概論塔設(shè)備是化工、石油化工、生物化工、制藥等生產(chǎn)過程中廣泛采用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，可分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的塔板，氣體以鼓泡或噴射形式穿過板上的液層，進(jìn)行傳質(zhì)與傳熱。在正常操作下，氣相為分散相，液相為連續(xù)相，氣相組成呈階梯變化，屬于逐級(jí)接觸逆流操作過程。填料塔內(nèi)裝有一定高度的填料層，液體自塔頂沿填料外表下流，氣體逆流向上〔有時(shí)采用并流向下流動(dòng)，氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)與傳熱。在正常操作下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相，氣相組成呈連續(xù)變化，屬微分接觸逆流操作過程。工業(yè)上，評(píng)價(jià)塔設(shè)備的性能指標(biāo)主要有以下幾個(gè)方面：生產(chǎn)能力；別離效率；塔壓降；操作彈性；結(jié)構(gòu)、制造及造價(jià)等板式塔與填料塔的性能比擬如下。板式塔與填料塔的液體流動(dòng)和傳質(zhì)機(jī)理不同。板式塔的傳質(zhì)是通過上升氣體穿過板上的液層來實(shí)現(xiàn)，塔板的開孔率一般占塔截面積的7%~10%；而填料的傳質(zhì)是通過上升氣體和靠重力沿著填料外表下降的液流接觸實(shí)現(xiàn)。板式塔內(nèi)件的開孔率通常在50%以上，而填料層的空隙率那么超過90%，一般液泛點(diǎn)較高，故單位塔截面積上，填料塔的生產(chǎn)能力一般均高于板式塔。一般情況下，填料塔具有較高的別離效率。工業(yè)上常有填料塔每米理論級(jí)為2~8級(jí)。而常用板式塔，每米理論級(jí)最多不超過2級(jí)。研究說明，在減壓、常壓和低壓〔壓力小于0.3MPa〕操作下，填料塔的別離效率明顯優(yōu)于板式塔，在高壓操作下，板式塔的別離效率略優(yōu)于填料塔。填料塔由于空隙率高，故壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于板式塔。一般情況下，板式塔的每個(gè)理論壓降約在0.4~1.1kPa，填料塔約為0.01~0.27kPa，通常，板式塔的壓降高于填料塔5倍左右。壓降低不僅能降低操作費(fèi)用，節(jié)約能耗，對于精餾過程，可使塔釜溫度降低，有利于熱敏性物系的別離。一般來說，填料本身對氣液負(fù)荷變化的適應(yīng)性很大，故填料塔的操作彈性取決于塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)，特別是液體分布器的設(shè)計(jì)，因而可根據(jù)實(shí)際需要確定填料塔的操作彈性。而板式塔的操作彈性那么受到塔板液泛，液沫夾帶及降液管能力的限制，一般操作彈性較小。一般來說，填料塔的結(jié)構(gòu)較板式塔簡單，故制造、維修也較為方便，但造價(jià)通常高于板式塔。應(yīng)與指出，填料的持液量小于板式塔，可使塔的操作平穩(wěn)，不易引起產(chǎn)品迅速變化，故板式塔較填料塔更易于操作。板式塔容易實(shí)現(xiàn)側(cè)線出料和進(jìn)料，而填料塔對側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)雜情況不太適合。對于比外表積較大的高性能填料，填料容易堵塞，故不宜直接處理有懸浮物或者容易聚合的物料[19]。精餾塔選型本設(shè)計(jì)為常壓塔設(shè)計(jì)完成“年產(chǎn)2萬噸乙酸精制工藝設(shè)計(jì)〞中乙酸—水體系別離工段，不需要側(cè)線出料，產(chǎn)品直接從塔釜流出。通過以上比擬，填料塔在生產(chǎn)能力、別離效率、塔壓降、操作彈性都優(yōu)于板式塔，因此，本設(shè)計(jì)決定用填料塔填料選用散裝填料—金屬環(huán)鉅鞍填料來完成乙酸—水體系別離工段。表4.1金屬環(huán)鉅鞍性能參數(shù)表填料公稱直徑DN(mm)比外表積αt(m2/m3)空隙率ε個(gè)數(shù)n/m3泛點(diǎn)因子ΦF(1/m)壓降因子ΦP〔1/m)〕金屬環(huán)鉅鞍5074.996%10400135714.2精餾塔塔體工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算塔體工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算所用數(shù)據(jù)皆以《常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)》為參考基準(zhǔn)[20]。4.2.1液相質(zhì)量流量4-1氣相質(zhì)量流量4-2公式中—液相質(zhì)量流量，—液相負(fù)荷，—液相平均摩爾質(zhì)量，—?dú)庀噘|(zhì)量流量，—?dú)庀嘭?fù)荷，—?dú)庀嗥骄栙|(zhì)量，精餾段塔徑計(jì)算與圓整將數(shù)據(jù)代入公式4-1、4-2中液體質(zhì)量流量氣相質(zhì)量流量由?？嗣撏ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速橫坐標(biāo)4-3縱坐標(biāo)4-4公式中—液相質(zhì)量流量，—?dú)庀噘|(zhì)量流量，—?dú)庀嗝芏龋合嗝芏龋獨(dú)怏w泛點(diǎn)氣速，—泛點(diǎn)填料因子，—液體密度校正系數(shù)，—液相平均粘度，將數(shù)據(jù)帶入上面橫坐標(biāo)4-3中得查?？嗣撏ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖縱坐標(biāo)4-4中得將數(shù)據(jù)帶入上式中得對于散裝填料4-4公式中U—塔體空塔氣速，—塔體泛點(diǎn)氣速，取氣相體積流量4-5公式中—?dú)庀囿w積流量，—?dú)庀噘|(zhì)量流量，—?dú)庀嗝芏?，將?shù)據(jù)帶入公式4-5中得塔體直徑計(jì)算4-6公式中—塔體直徑，—?dú)庀囿w積流量，—塔體空塔氣速，將數(shù)據(jù)代入公式4-6中得塔體直徑圓整后提餾段塔徑計(jì)算與圓整同理，與精餾段計(jì)算過程一致，將提餾段相關(guān)數(shù)據(jù)帶入精餾段相關(guān)公式中計(jì)算得查?？嗣撏ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖縱坐標(biāo)得圓整之后由于所取回流比很大，導(dǎo)致提餾段氣相負(fù)荷很大引起泛點(diǎn)氣速很小，塔徑較精餾段偏大，故全塔塔徑以精餾段塔徑為準(zhǔn)圓整泛點(diǎn)氣速與噴淋密度校核實(shí)際空塔氣速計(jì)算4-7公式中—實(shí)際空塔氣速，—?dú)庀囿w積流量，D—圓整后塔體直徑，精餾段泛點(diǎn)氣速校核將數(shù)據(jù)代入公式4-7中得泛點(diǎn)氣速校核在0.5~0.85之間提餾段泛點(diǎn)氣速校核將數(shù)據(jù)代入上式中得泛點(diǎn)氣速校核在0.5~0.85之間塔徑圓整合理，不會(huì)出現(xiàn)液泛現(xiàn)象。液體噴淋密度校核為了保證填料層的充分潤濕，必須保證液體噴淋密度大于某一極限值，該極限值稱為最小噴流密度，以Umin表示。最小噴流密度通常采用下式計(jì)算，即4-8公式中Umin——最小噴淋密度，m3/(m2·h)(LW)min—最小潤濕速率，m3/(m·h)αt—填料的比外表積，m2/m3其中，對于直徑不大于75mm的散裝填料，可取為0.08m3/(m·h)查金屬環(huán)鉅按散裝填料性質(zhì)，將數(shù)據(jù)代入公式4-8中得液體噴淋密度計(jì)算4-9公式中U—液體噴淋密度，m3/(m2·h)qv,L—液體的體積流量，m3/sΩ—填料塔的截面積，m2將數(shù)據(jù)代入公式4-9中精餾段液體噴淋密度校核>5.992m3/〔m2·h〕提餾段液體噴淋密度校核>5.992m3/〔m2·h〕噴淋密度符合要求，由此可知塔徑圓整0.8m合理。4.3填料高度設(shè)計(jì)計(jì)算填料層高度計(jì)算采用等板高度法計(jì)算填料層高度的根本公式為4-10公式中Z—填料層高度，mHETP—等板高度，mNT—理論板數(shù)等板高度HETP的計(jì)算常壓蒸餾時(shí)的HETP關(guān)聯(lián)式為4-11公式中HETP—等板高度，mσL—液體外表張力，N/mμL—液體粘度，Pa·sh—常數(shù)查化工原理課程設(shè)計(jì)DN50金屬環(huán)鉅鞍散裝填料的h值為7.2883精餾段等板高度計(jì)算將數(shù)據(jù)代入公式4-11中精餾段填料高度計(jì)算同理：提餾段等板高度計(jì)算那么，全塔填料層高度為應(yīng)以指出，采用上述方法計(jì)算出填料層高度后，還應(yīng)該留出一定的平安系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，填料層設(shè)計(jì)高度一般為本設(shè)計(jì)取填料層的分段設(shè)計(jì)液體沿填料層下流時(shí)，有逐漸向塔壁方向集中的趨勢，形成壁流效應(yīng)。壁流效應(yīng)造成填料層氣液分布不均勻，使傳質(zhì)效率降低。因此，設(shè)計(jì)中，每隔一定的填料層高度，需要設(shè)置液體收集再分布裝置，即填料層分段。本設(shè)計(jì)所用填料為DN50金屬環(huán)鉅鞍散裝填料，h/D=8~15為分段高度與塔徑之比，最大允許的最高填料層高度為6m。故，本設(shè)計(jì)填料層分為五段，5.4m、5.4m、6m、6m、6m。塔體壓降計(jì)算查?？嗣撏ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計(jì)算塔體壓降精餾段壓降計(jì)算由，查得那么，同理，提餾段壓降計(jì)算由，查得那么，塔體總壓降為4.3管口設(shè)計(jì)及計(jì)算圓整參照常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)，液體的進(jìn)出口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先要確定的是管口直徑。根據(jù)管口所輸送的氣體或液體的流量大小，由以下公式計(jì)算管口直徑：4-12公式中VS—流體的體積流量，m3/sU—適宜的流體速度，m/s常壓塔氣體進(jìn)出口管氣速可取10~20m/s；液體進(jìn)出口速度可取0.8~1.5m/