年產(chǎn)18萬噸醋酸生產(chǎn)裝置初步設(shè)計

1、 2012 屆屆畢業(yè)畢業(yè)生生畢業(yè)論畢業(yè)論文文題題 目目: 年產(chǎn)年產(chǎn) 18 萬噸醋酸生產(chǎn)裝置初步設(shè)計萬噸醋酸生產(chǎn)裝置初步設(shè)計 院系名稱：院系名稱： 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 化工化工 0803 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 學(xué)學(xué) 號：號： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 教師職稱：教師職稱： 2012 年年 5 月月 18 日日 ii摘要醋酸是一種用途廣泛的基本有機產(chǎn)品。本設(shè)計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，工藝簡單，投資費用省，產(chǎn)品質(zhì)量高。本設(shè)計介紹了醋酸的性質(zhì)、用途、工業(yè)現(xiàn)狀以及各種醋酸生產(chǎn)方法，對乙醛氧化工藝流程做了闡述。設(shè)計重點對氧化

2、、精餾工段進行了詳細的物料衡算和熱量衡算，同時對主要設(shè)備進行了計算和選型，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；物料衡算；熱量衡算 iiithe preliminary design of annual output of 180,000 tons of acetic acid production plant abstractacetic acid is a versatile basic organic product. the project designs process of acetic acid (180kt/a) production throug

3、h the oxidation of acetaldehyde. the process has the advantages of wide range of sources 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 pro

4、cess flow of acetaldehyde oxidation. the design focused on the oxidation and distillation 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.keyw

5、ords: oxidation of acetaldehyde, acetic acid, process design, material balance, heat balance iv目錄第一章 文獻綜述.11.1 醋酸簡介.11.2 醋酸性質(zhì).11.3 工業(yè)現(xiàn)狀.11.4. 醋酸的制備.2第二章 工藝簡介.42.1 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.53.1 氧化部分物料衡算.53.2 蒸發(fā)器物料衡算.83.3 精餾塔物料衡算.93.4 醋酸回收塔物料衡算.9第四章 熱量衡算.114.1 氧化塔熱量衡算.114.2 蒸發(fā)器熱量衡算.154.3 精餾段熱量衡算.16

6、第五章 塔體設(shè)計.185.1 精餾塔設(shè)計.18第六章 板式塔的結(jié)構(gòu).276.1 接管.276.2 筒體封頭和除沫器.286.3 人孔及裙座.286.4 塔板結(jié)構(gòu).296.5 吊柱.296.6 塔的立體高度.29第七章 勞動安全衛(wèi)生及環(huán)境保護措施.307.1 主要污染源以及主要污染物.307.2 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.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)計算圖.35 v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.361第一章 文獻綜述1.1 醋酸簡介醋酸簡介醋 酸 又 稱 乙 酸

7、 或 者 冰 醋 酸 ，被 公 認 為 是 食 醋 的 酸 味 和 刺 激 氣 味 的 來 源 ，在 自 然 界 中 廣 泛 存 在 ， 是 一 種 環(huán) 境 友 好 的 有 機 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 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

8、溫 下 是 一 種 有 強 烈 刺 激 性 酸 味 的 無 色 液 體 。 熔 點 為 1 6 . 6 ， 沸 點 1 1 7 . 9 ， 相 對 密 度 1 . 0 5 ， 閃 點 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 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 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

9、 水 溶 液 中 是 一 元 弱 酸 ， 酸 度 系 數(shù) 為 4.8， pka=4.75 (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 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 形 成 氧 化 鋁 保 護 層 ， 所 以 鋁 制 容 器 能 用 來 運 輸 乙 酸 。1.3 工業(yè)現(xiàn)狀

10、工業(yè)現(xiàn)狀據(jù) s r i 咨 詢 公 司 統(tǒng) 計 ， 2 0 0 6 年 全 球 醋 酸 總 生 產(chǎn) 能 力 達 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

11、 快 ， 年 均 增 長 率 為 7.2%， 高 于 世 界 3 . 8 % 的 年 均 增 長 率 。2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 生 產(chǎn) 能 力 已 達 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 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 我 國 2 0 1 0 年 醋 酸 產(chǎn)

12、能 及 需 求 將 分 別 達 到 5 4 0 萬 t / a 和 3 2 5 萬 t / a ， 已 出 現(xiàn) 產(chǎn) 能 遠 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 菌 發(fā) 酵 兩 種 方 法 。1.4.1 細菌發(fā)酵細菌發(fā)酵生 物 合 成 法 ，即 利 用 細 菌 發(fā) 酵 ，由 此 而 產(chǎn) 生 的 醋 酸 產(chǎn) 量 僅 占整 個 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

13、由 生 物 制 備 的 。 1.4.1.1 有氧發(fā)酵有氧發(fā)酵 在 氧 氣 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 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 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

14、大 部 分 乙 酸 是 通 過 甲 基 羰 基 化 合 成 的 。 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 31.4.2.3 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

15、， 并 有 多 種 金 屬 離 子 及 過 氧 根 離 子 催 化 ， 會 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

16、 過 空 氣 氧 化 而 制 得 乙 酸 的 一 種 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 格 波 動 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4第二章第二

17、章 工藝簡介工藝簡介2.1 產(chǎn)品品種、規(guī)格、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)計擬完成年產(chǎn) 18 萬噸醋酸生產(chǎn)工藝的初步設(shè)計， 綜 合 文 獻 分 析 ， 結(jié) 合 本 地 區(qū) 特 點 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 強 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 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

18、 酸 ：ch3cho + o2ch3cooohch3coooh + 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 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

19、先 經(jīng) 蒸 發(fā) 器 除 掉 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 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5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，選擇年開工時間：8000 小時，

20、收率按 91.7%計算，每小時醋酸產(chǎn)量：22500kg/h；80001000108 . 15根據(jù)總反應(yīng)方程式：ch3cho+1/2o2ch3cooh 確定乙醛進料量為：=17993.46kg/h。選擇每小時乙醛進料量為 18000kg。917. 016044225003.1 氧化部分物料衡算氧化部分物料衡算氧 化 塔 各 項 進 料 的 工 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) 組 成 見 表 3 - 1。表 3-1 氧化塔各項進料的工業(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氮氣 97 醋酸 60醋酸 0.1氮氣 2氧氣 3醋酸錳 10 水 0.3 水

21、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 充 使 其 濃 度 達 到 %；453.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 料 乙 醛 重 量 的 0.08%5.乙 醛 的 總 轉(zhuǎn) 化 率、主 反 應(yīng) 及 各 副 反 應(yīng) 的 轉(zhuǎn) 化 率 分 配 ：主反應(yīng)： c

22、h3cho+o2 ch3cooh (96%)21副反應(yīng)：3ch3cho+3o2 hcooh+2ch3cooh+co2+h2o ( 4%)(2) 氧 化 塔 物 料 衡 算 圖 見 圖 3 1 。6 (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%21計算結(jié)果見表 3-2。表 3-2 主反應(yīng)物料衡算計算結(jié)果反應(yīng)物生成物乙醛179100.9930.96=17073.24 kg醋酸17073.24=23281.69kg4460氧17073.24=6208.45kg44163ch3cho+3o2 hcooh+2ch3cooh

23、+co2+h2o 4%計算結(jié)果見表 3-3。表 3-3 副反應(yīng)物料衡算計算結(jié)果反應(yīng)物生成物醋酸711.39=646.72kg132120乙醛179100.9930.04=711.39 kg甲酸711.39=247.91kg13246水711.39=97.01kg13218氧711.39=517.37kg4432co2711.39=237.13kg13244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

24、圖氧化反應(yīng)器7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 kg0.98498. 082.6725(其中：氧氣=6974.680.98=6835.18 kg；氮氣=6974.680.02= 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

25、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 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=43.54 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 算 ： 氮 氣 139.49+0.97x；氧氣 109.36+0.03x；二

26、氧化碳 237.13 kg則=45%，解得 x=152.31 kg13.23736.10949.13997. 049.139xx(其中氮氣：152.310.97=147.74 kg；氧氣：152.310.03=4.57 kg)塔頂干氣量：氮氣：139.49+0.97152.31=287.23kg;氧氣：109.36+0.03152.31=113.93 kg；二氧化碳：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料出料含量(%)質(zhì)量(kg)含量(%)質(zhì)量(kg)原

27、料乙醛乙醛醋酸水三聚乙醛99.50.10.30.117910185418工業(yè)氧氧氣氮氣9826835.18139.49氧化液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸錳97.70.791.010.340.070.0924033.5194.55247.9182.741814.528上24591.22工業(yè)氮氮氣氧氣973147.744.57小計下680.91催化劑醋酸水醋酸錳60301087.0943.5414.52放空廢氣二氧化碳氮氣氧氣乙醛237.13287.23113.9342.62總計25272.13 kg25272.13 kg3.2 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：

28、0.09；蒸發(fā)器進出物料見圖 3-2。由 fx0=lx1 解得 l=276.65 kg/h10 xfx%0 . 80.09%22.24591w=f (1x0/x1) 解得 w=24314.57 kg/h表 3-5 蒸發(fā)器物料衡算進料出料含量(%)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98.50.830.430.210.03-23949.85128.60106.9572.4718-氧化液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸錳97.70.791.010.340.070.0924033.5194.55247.9182.741814.52b蒸發(fā)器液相醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸

29、錳0.323.864.153.75-8.00.8365.95177.4710.27-22.13a=24314.57b=276.65總計24591.2224591.22圖 3-2 蒸發(fā)器進出物料圖w蒸發(fā)器fl93.3 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 分數(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%。精餾塔進出物料圖見圖 3-3。得出，進料組成，0273. 060/985. 018/0083. 018/0083. 0fx進料平均摩爾質(zhì)量 mm=0.

30、027318+(10.0273)60=58.85kg/kmol進料流量 f=413.16kmol/h85.5824314.57列衡算式 f=d+w；fxf=dxd+wxw；97. 0fdfxdx998. 0)1 ()1 (fwxfxw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/h ; w=401.59(188.4310-4+609991.5710-4)=24079.87 kg/h.3

31、.4 醋酸回收塔物料衡算醋酸回收塔物料衡算由前面的計算可知：(1)進料流量 f=234.70 kg/h；(2)回收后粗醋酸含量一般在 65%以上16 (這里按 65%計算)設(shè)定：副 產(chǎn) 物 中 含 1 . 5 % 的 醋 酸 ， 醋 酸 回 收 塔 進 出 物 料 圖見 圖 3-4。f精餾塔wd圖 3-3 精餾塔 1 進出物料圖10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)得到總物料衡算結(jié)果：見表 3-6：表 3-6 總物料衡算結(jié)果進料出料名稱質(zhì)量(kg)名稱質(zhì)量(kg)乙醛乙醛醋酸水三聚乙醛1791018541

32、8放空廢氣二氧化碳氮氣氧氣乙醛237.13287.23113.9342.62工業(yè)氧氣氧氣氮氣6835.18139.49催化劑殘液粗醋酸成品醋酸276.655.5424079.87工業(yè)氮氣氮氣氧氣147.7414.57催化劑醋酸水醋酸錳87.0943.5414.52其它副產(chǎn)物產(chǎn)量229.16總計25272.13 kg25272.13kg回收塔f圖 3-4 回收塔進出物料圖副產(chǎn)物 x粗醋酸 y11第四章 熱量衡算4.1 氧化塔熱量衡算氧化塔熱量衡算 設(shè)計條件為：每小時接料工業(yè)乙醛18000kg，選擇年工作時間8000h，年產(chǎn)工業(yè)醋酸18104噸。乙醛轉(zhuǎn)化率為99.3%，計算基準(zhǔn)溫度為298k(25

33、)。氧化塔進料情況如表 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%)21hr，主0=(1165.79)(874.37)=291.42kj/mol 乙醛副反應(yīng)：3ch3cho+3o2 hcooh+2ch3cooh+co2+h2o (4%)hr，(2)0=1165.79(254.68)(874.37)=497.99 kj/mol 乙3132醛表 4-1 氧化塔進料情況(kg/h)進料出料含量(%

34、)質(zhì)量(kg)含量(%)質(zhì)量(kg)原料乙醛乙醛醋酸水三聚乙醛99.50.10.30.117910185418工業(yè)氧氧氣氮氣9826835.18139.49氧化液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸錳97.70.791.010.340.070.0924033.5194.55247.9182.741814.52上24591.22工業(yè)氮氮氣氧氣973147.744.57小計下680.91催化劑醋酸水醋酸錳60301087.0943.5414.52放空廢氣二氧化碳氮氣氧氣乙醛237.13287.23113.9342.62總計25272.13 kg25272.13 kg12表 4-2 氧化塔進料情況(mol/h

35、)進料出料體積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407.050.330.1040工業(yè)氧氧氣氮氣97.92.1213.5994.982氧化液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸錳400.5610.815.391.880.13640.0839工業(yè)氮氮氣氧氣97.32.75.2760.1428放空廢氣二氧化碳氮氣氧氣乙醛26.7150.8417.654.805.38910.2583.5600.9686催化劑醋酸水醋酸錳1.45152.4190.0839小計10020.1756總計25272.13 kg25272.13 kg計算結(jié)果如表4-3所示：表4

36、-3 hr0計算結(jié)果反應(yīng)消耗乙醛hr0kj/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 ch3chokmol 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=179102.1

37、86(293298)=195756.3q水=544.1868(293298)=1130.436q三聚乙醛=181.8003(293298)=162.0270013q醋酸=181.996(293298)=119.76小計=197168.523表4-5 熱力學(xué)數(shù)據(jù)表名稱cphf，2980hc，2980氣體 cp，j/molkcp=a+bt+ct2或 cp=a+bt+ct2kj/molkj/molab103c106c105o2n2co2h2o(g)ch3cho(g)ch3cooh(g)36.16227.86528.6629.99931.05421.7570.8454.26835.70210.7111

38、17.273193.13336.57776.7764.310.335393.51241.81166.79432.541192.48926.13ch3coohh2ohcoohch3cho(ch3cho)3mn(ac)2液體 cp, j/gk1.99584.18682.1672.1861.80032.3027(1)484.30285.83424.68874.37(1)254.681165.79注：(1)按cp(固)=26.778nkj/molk計算，n為分子中原子數(shù)目 18 。氧化塔頂部排出氣體所帶出的熱量按 hi0=nicpidt+nihi 相變 cpi值查表，(hv0)乙醛取(hv，2980)

39、乙醛21tt=26.69kj/mol,塔頂排出氣體溫度 313k。=5.389(28.66+35.702103t)dt=3198.80kj/h2coq313298=10.258(27.865+4.268103t)dt=15001.60kj/h2nq313298=3.560(36.162+0.845103t4.31105t2)dt=1944.83kj/h2oq31329814=0.9686(31.054+117.273103t36.577106t2)dt=26774.01kj/hchochq3313298qi=3198.80+15001.60+1944.83+26774.01=46919.24k

40、j/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，相對應(yīng)的： =1.995824033.535=1678812.08 kj/kmolcoohchq3=4.1868194.5535=28508.97 kj/kmolohq2=2.167247.9135=18802.73 kj/kmolhcoohq=2.18682.7435=6330.44 kj/kmolchochq3=1.80031835=1134.19 kj/kmol33)(chochq=2.302714.5235=1170.23 kj/kmol2)(acmnqq氧化液=1678812.08+2

41、8508.97+18802.73+6330.44+1134.19+1170.23kj/kmolq氧化液=1734758.64 kj/kmol(6) 熱損失按熱輸入的1%計算，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)果輸入輸出項目kj/h項目kj/h工業(yè)氧工業(yè)氮工業(yè)乙醛催化液反應(yīng)熱00197168.5230121132.201103氧化液塔頂排出氣體熱損循環(huán)液移走(差值)48912359.3646919.241209350.32117944001.8總計120

42、935.03103120935.031034.1.1 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+2.3015270.0009=2.01562406 kj/kgk取值c=2.02kj/kgk，循環(huán)量wkg/h，t=313298=15k，則w=2335.52t/h1502. 21040.707663(2) 冷卻用水量冷卻用水量設(shè)定水的進口溫度為298k，出口溫度為318k，t=26k，則需用水量w=650.087t/

43、h261868. 41040.707663安全系數(shù)取1.1，則水用量=w1.1=715.0958 t/h或者715.10 m3/h4.2 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98.50.830.430.210.03-23949.85128.60106.9572.4718-氧化液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸錳97.70.791.010.340.070.0924033.5194.55247.9182.741814.52b蒸發(fā)器液相醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸錳0.323.864.153.7

44、5-8.00.8365.95177.4710.27-22.13a=24314.57b=276.65總計24591.2224591.22c=1.99580.985+4.18680.0083+2.1670.0101+2.1860.0034+1.80030.0007+2.30270.0009=2.03326275 kj/kgk取值c=2.03kj/kgk，循環(huán)量wkg/h，t=313298=15k，則w=793.18t/h1503. 25 .240334.2.1 冷卻用水量冷卻用水量設(shè)定水的進口溫度為298k，出口溫度為318k，t=26k，則需用水量w=428.898 t/h261868. 413

45、.46688477q損=q入1%=48912359.360.01= 489123.59 kj/h16安全系數(shù)取1.1，則水用量=w1.1=471.7879 t/h或者471.80 m3/h表4-8 熱量衡算結(jié)果輸入輸出項目kj/h項目kj/h氧化液輸入熱48912359.360氧化液熱損循環(huán)液移走(差值)1734758.64489123.5946688477.13總計48912359.3648912359.364.3 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)果進料出料含量(%)質(zhì)量(kg)含量(%)質(zhì)量(kg)餾出液醋酸水甲酸99.80.170.0323942.8190.87.

46、56氧化液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛98.50.830.430.210.0323949.85128.60106.9572.4718釜殘液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛35.1636.8130.887.677.0437.899.3972.4718m餾出液=24079.87m釜殘液=234.7總計24314.5724314.574 .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,ifv, ivdd, xd,ildl, xd,ildlilmwqcvivww, xw,ilwqb17圖4-1 精餾段熱量衡算對圖4-1全凝器做熱量衡算，以單位時間為基準(zhǔn)，忽略熱量損失，則qc=vivd-(lild+

47、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=。)(12ttcqpcc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)在冷凝器的進出口處的溫度()。c=1.99580.03+4.18680.0516+2.1670.3681+2.1860.3088+1.80030.0767c=1.88670539 kj/kgk

48、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/ h1589. 185.239494.3.2 再沸器的熱負荷再沸器的熱負荷以單位時間為基準(zhǔn)，則qb=vivw+wilw-lilm+ql式中qb=再沸器的熱負荷(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=釜殘液的焓(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=l-w則qb=v(ivw-ilw) +ql加熱介質(zhì)消耗量可由下式計算wh=

49、21bbbiiq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、出再沸器的焓(kj/kg)4.3.3 冷卻用水量冷卻用水量設(shè)定水的進口溫度為298k，出口溫度為318k，t=26k，則需用水量w=47.5958 t/h261868. 435181124.99q損=q入1%=8423679.3530.01= 84236.79 kj/h安全系數(shù)取1.1，則18水用量=w1.1=52.35536 t/h或者52.36 m3/h表4-10 熱量衡算結(jié)果輸入輸出項目kj/h項目kj/h氧化液輸入熱釜殘液加入1734758.646688477.13443.583氧化液熱損循環(huán)液移走(

50、差值)3158317.5784236.795181124.993總計8423679.3538423679.353第五章 塔體設(shè)計5.1 精餾塔設(shè)計精餾塔設(shè)計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：118124。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

51、6.424521657.461479.02227.02216.825.1.1 回流比和理論塔板數(shù)回流比和理論塔板數(shù)(1) 相對揮發(fā)度設(shè)定泡點t=117.15，則相對于水lgp0a=7.07406=2.2582 解得p0a=181.22kpa；15.11702.22746.1657同理，相對于醋酸lgp0b=6.42452=1.9959 解得p0b=99.06kpa15.11782.21602.1479則 x=0.027306.9922.18106.993 .101000babpppp與xf=0.0273完全吻合，所以設(shè)定的泡點溫度117.15合理有效。19相對揮發(fā)度=1.8306.9922.1

52、81(2) 回流比設(shè)定為泡點進料，rmin=fdfdxxxx11110551. 019456. 0183. 10551. 09456. 0183. 11解得rmin=14.61；取r=1.1rmin=1.114.61=16.07；(3) 理論塔板數(shù)(簡捷法)全回流時：nmin=1=1lg11lg wwddxxxx83. 1lg108.43108.4319456. 019456. 0lg4-4解得nmin=15.4371那么=0.32，從吉利蘭圖上查得1minrrr107.1661.1407.16=0.382minnnn24371.15nn解得n=26.12，取值n=27精餾段nmin=1=1=

53、9.64lg11lg ffddxxxx83. 1lg0273. 00273. 019456. 019456. 0lg 那么=0.32，從吉利蘭圖上查得=0.381minrrr107.1661.1407.1621min1nnn264. 911nn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=ht1tten 其中：nt塔內(nèi)所需理論板層數(shù) ht塔板間距 m(取

54、ht=0.5m) 則 z=0.5=21.63m 取值為 22m。161. 027 設(shè) 定 上 層 塔 板 與 塔 頂 蓋 之 間 的 距 離 為 1.0m， 下 層 塔 板 和 塔 底 之 間 的 距 離 為 2.0m20 所以精餾塔總高度為 h=z+1.0+2.0=25m5.1.3 塔徑的計算塔徑的計算(1) 兩相密度 液相密度 l=939.1kg/m3 氣相密度(以進料狀態(tài)計算)t=117.15+273.15=390.3k 由 pv=nrt 可知 p=vrt 由此得出 v=1.84kg/m3mrtmp3 .390314. 885.583 .101(2) 氣液相流量氣相流量 vs=6.53m

55、3/s 84. 1360085.5857.115 .63360013600vvmdrmv液相流量 ls=0.01259m3/s1 .939360085.5857.115 .6236003600llmrdml（3）塔徑的確定 塔徑 d=；其中 u 可由 umax=c解得，其中 c=c20計算，uvs4vvl2 . 020l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)=0.044212184. 11 .93953. 601259. 0vlssvl 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

56、.098，所以2 . 02 . 0204 .1810. 020lumax=0.098=2.23m/s81. 181. 11 .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 muvs445. 114. 353. 64 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。24d52. 453. 65.1.4 塔板設(shè)計塔板設(shè)計 根 據(jù) 塔 板 的 產(chǎn) 能 、 結(jié) 構(gòu) 、 造 價 等 實 際 情 況 進 行 比 較 ， 選 擇 采 用 篩 板 塔 21。(1) 溢流裝置 設(shè) 定 選 用 單 溢

57、流 弓 形 降 液 管 ， 采 用 凹 型 受 液 盤 ， 各 項計 算 如 下 堰長 lw 取 lw=0.80d=0.802.40=1.92m 溢流堰高度 hw=hlhow采用平直堰，堰上液層高度 how=32100084. 2whlle計算， 其 中 由 液 流 收 縮 系 數(shù) 圖 查 得 e ， 其 橫 坐 標(biāo) 為 23. 892. 1360001259. 03232whll 查得 e=1.00，則 how=1.008.23=0.02m100084. 2 設(shè)定塔板上清液層高度 hl=0.07m；于是 hw=hlhow=0.070.02=0.05m 這個結(jié)果符合范圍 0.1howhw0.0

58、5how(2) 弓形降液管寬度 wd和截面積 af 由=0.80，查弓形降液管參數(shù)圖，得=0.15；=0.20dlwtfaadwd 故 af=0.15at=0.154.52=0.678m2;wd=0.20d=0.202.40=0.48m檢驗液體在降液管中停留時間=26.935s；由此判斷降液管設(shè)計合理。htflha3600360001259. 050. 0678. 03600(3) 降液管底隙高度 h0 設(shè)定液體通過底隙的流速 0=0.16m/sh0=0.041m16. 092. 13600360001259. 036000ullwhhwh0=0.050.041=0.0090.006m所以降液

59、管底隙高度設(shè)計合理，選用凹型受液盤，深度 hw=50mm(4) 塔板布置：因 d1.5m，取 ws=0.1m；wc=0.07m(5) 篩孔：本 設(shè) 計 中 所 處 理 的 物 系 有 腐 蝕 性 ，擬采用 =2.5mm 不銹鋼塔板，篩孔直徑 d0=2=5mm 篩孔按正三角形排列，取孔中心距 t=3d0=15mm 篩孔數(shù)目 n=式中255. 1taarxrxrxaa1222sin1802 mwdrmwwdxcsd13. 107. 0240. 2262. 01 . 048. 0240. 2222 則2122265. 213. 162. 0sin18013. 162. 013. 162. 02maa

60、 所以取值 n=13604 個33.13603015. 065. 2155. 12n 開孔率%10015. 0005. 0907. 0907. 0220td5.1.5 流體力學(xué)驗算流體力學(xué)驗算5.1.5.1 塔板壓降 氣體通過第一層塔板的壓降 hp=hc+hl+h(1) 干板壓降lvccuh200051. 0式中為氣體通過篩孔的速度0usmndvus/45.2413604005. 0453. 642200 由 =2，由干篩孔流量系數(shù)圖可知 c0=0.755 . 250d于是=0.106m(液柱)1 .93984. 175. 045.24051. 02ch氣體通過充氣液層的壓降 hl=hla=1