乙酸乙酯車間工藝設(shè)計(jì)

1、目錄 一、設(shè)計(jì)任務(wù)3二、概述31乙酸乙酯性質(zhì)及用途32.乙酸乙酯發(fā)展?fàn)顩r4三. 乙酸乙酯的生產(chǎn)方案及流程51、酯化法52. 乙醇脫氫歧化法63、乙醛縮合法74、乙烯、乙酸直接加成法85、確定工藝方案及流程9四 工藝計(jì)算94.1. 物料衡算94.2 初步物料衡算11五. 設(shè)備設(shè)計(jì)175.1 精餾塔的設(shè)計(jì)175.2最小回流比的估算195.3 逐板計(jì)算215.4 逐板計(jì)算的結(jié)果及討論21六. 熱量衡算226.1 熱力學(xué)數(shù)據(jù)收集226.2 熱量計(jì)算，水汽消耗，熱交換面積246.3 校正熱量計(jì)算、水汽消耗、熱交換面積(對塔)27表10校正后的熱量計(jì)算匯總表33乙酸乙酯車間工藝設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)1.設(shè)計(jì)任務(wù)

2、：乙酸乙酯車間2.產(chǎn)品名稱：乙酸乙酯3.產(chǎn)品規(guī)格：純度99%4.年生產(chǎn)能力：折算為100%乙酸乙酯1880噸/年5.產(chǎn)品用途：作為制造乙酰胺、乙酰乙酸酯、甲基庚烯酮、其他有機(jī)化合物、合成香料、合成藥物等的原料；用于乙醇脫水、乙酸濃縮、萃取有機(jī)酸；作為溶劑廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)中；食品工業(yè)中作為芳香劑等。 由于本設(shè)計(jì)為假定設(shè)計(jì)，因此有關(guān)設(shè)計(jì)任務(wù)書中的其他項(xiàng)目如：進(jìn)行設(shè)計(jì)的依據(jù)、廠區(qū)或廠址、主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、原料的供應(yīng)、技術(shù)規(guī)格以及燃料種類、水電汽的主要來源，與其他工業(yè)企業(yè)的關(guān)系、建廠期限、設(shè)計(jì)單位、設(shè)計(jì)進(jìn)度及設(shè)計(jì)階段的規(guī)定等均從略。二、概述1乙酸乙酯性質(zhì)及用途 乙酸乙酯又名乙酸乙酯，乙酸醚，英文名稱

3、Ethyl Acetate或 Acetic Ether Vinegar naphtha.乙酸乙酯是具有水果及果酒芳香的無色透明液體，其沸點(diǎn)為77，熔點(diǎn)為-83.6，密度為0.901g/cm3,溶于乙醇、氯仿、乙醚和苯等有機(jī)溶劑。乙酸乙酯的重要用途是工業(yè)溶劑，它是許多樹脂的高效溶劑，廣泛應(yīng)用于油墨、人造革、膠粘劑的生產(chǎn)中，也是清漆的組份。它還用于乙基纖維素、人造革、油氈、著色紙、人造珍珠的粘合劑、醫(yī)用藥品、有機(jī)酸的提取劑以及菠蘿、香蕉、草莓等水果香料和威士忌、奶油等香料。此外，還用于木材紙漿加工等產(chǎn)業(yè)部門。對于用很多天然有機(jī)物的加工，例如樟腦、脂肪、抗生素、某些樹脂等，常使用乙酸乙酯和乙醚配制成

4、共萃取劑，它還可用作紡織工業(yè)和金屬清洗劑。2.乙酸乙酯發(fā)展?fàn)顩r（1）國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r為了改進(jìn)硫酸法的缺點(diǎn)，國內(nèi)陸續(xù)開展了新型催化劑的研究，如酸性陽離子交換樹脂全氟磺酸樹脂HZSM-5等各種分子篩鈮酸ZrO2-SO42等各種超強(qiáng)酸，但均未用于工業(yè)生產(chǎn)。國內(nèi)還開展了乙醇一步法制取乙酸乙酯的新工藝研究，其中有清華大學(xué)開發(fā)的乙醇脫氫歧化酯化法，化學(xué)工業(yè)部西南化工研究院開發(fā)的乙醇脫氫法和中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所的乙醇氧化酯化法。中國科學(xué)研究院長春應(yīng)用化學(xué)研究所對乙醇氧化酯化反應(yīng)催化劑進(jìn)行了研究，認(rèn)為采用Sb2O4-MoO3復(fù)合催化劑可提高活性和選擇性?；瘜W(xué)工業(yè)部西南化工研究院等聯(lián)合開發(fā)的乙醇脫氫一步合成

5、乙酸乙酯的新工藝，已通過單管試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行1000小時，取得了滿意的結(jié)果?，F(xiàn)正在進(jìn)行工業(yè)開發(fā)工作。近來關(guān)于磷改性HZSM-5沸石分子篩上乙酸和乙醇酯化反應(yīng)的研究表明，用HZSM-5及磷改性HZSM-5作為乙酸和乙醇酯化反應(yīng)的催化劑，乙醇轉(zhuǎn)化率變化不大，但酯化反應(yīng)選擇性明顯提高。使用H3PMo12O4019H2O代替乙醇-乙酸酯化反應(yīng)中的硫酸催化劑，可獲得的產(chǎn)率為91.48%,但是關(guān)于催化劑的劑量、反應(yīng)時間和乙醇乙酸的質(zhì)量比對產(chǎn)品產(chǎn)量的研究還在進(jìn)行之中。（2）國外發(fā)展?fàn)顩r由于使用硫酸作為酯化反應(yīng)的催化劑存在硫酸腐蝕性強(qiáng)、副反應(yīng)多等缺點(diǎn)，近年各國均在致力于固體酸酯化催化劑的研究和開發(fā)，但這些催化劑由

6、于價格較貴、活性下降快等原因，至今工業(yè)應(yīng)用不多。據(jù)報(bào)道，美Davy Vekee公司和UCC公司聯(lián)合開發(fā)的乙醇脫氫制乙酸乙酯新工藝已工業(yè)化。據(jù)報(bào)道，國外開發(fā)了一種使用Pd/silicoturgstic雙效催化劑使用乙烯和氧氣一步生成乙酸乙酯的新工藝。低于180和在25的乙烯轉(zhuǎn)化率的條件下，乙酸乙酯的選擇性為46。催化劑中的Pd為氧化中心silicoturgstic酸提供酸性中心。隨著科技的不斷進(jìn)步，更多的乙酸乙酯的生產(chǎn)方法不斷被開發(fā)，我國應(yīng)不斷吸收借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，從根本上改變我國乙酸乙酯的生產(chǎn)狀況。3. 乙酸乙酯的生產(chǎn)方案及流程1、酯化法酯化工藝是在硫酸催化劑存在下,乙酸與乙醇發(fā)生酯化脫水反

7、應(yīng)生成乙酸乙酯的工藝,其工藝流程見圖1乙酸、過量乙醇與少量的硫酸混合后經(jīng)預(yù)熱進(jìn)入酯化反應(yīng)塔。酯化反應(yīng)塔塔頂?shù)姆磻?yīng)混合物一部分回流，一部分在80左右進(jìn)入分離塔。進(jìn)入分離塔的反應(yīng)混合物中一般含有約70%的乙醇、20%的酯和10%的水（乙酸完全消耗掉）。塔頂蒸出含有83%乙酸乙酯、9%乙醇和8%水分的塔頂三元恒沸物,送人比例混合器,與等體積的水混合,混合后在傾析器傾析,分成含少量乙醇和酯的較重的水層,返回分離塔的下部,經(jīng)分離塔分離,酯重新以三元恒沸物的形式分出,而蓄集的含水乙醇則送回醋化反應(yīng)塔的下部,經(jīng)氣化后再參與酯化反應(yīng)。含約93%的乙酸乙酯、5%水和2%乙醇的傾析器上層混合物進(jìn)人干燥塔,將乙酸乙

8、酯分離出來,所得產(chǎn)品質(zhì)量見表1 表一 工業(yè)品級乙酸乙酯的質(zhì)量指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)乙酸乙酯含量，%99.5乙醇含量，%0.20水分，%0.05酸度(以乙酸計(jì))，%0.005色度(鉑-鈷)<10傳統(tǒng)的酯化法乙酸乙酯生產(chǎn)工藝技術(shù)成熟,在世界范圍內(nèi),尤其是美國和西歐被廣泛采用。由于酯化反應(yīng)可逆,轉(zhuǎn)化率通常只有約67%,為增加轉(zhuǎn)化率,一般采用一種反應(yīng)物過量的辦法,通常是乙醇過量,并在反應(yīng)過程中不斷分離出生成的水。根據(jù)生產(chǎn)需要,既可采取間歇式生產(chǎn),也可采取連續(xù)式生產(chǎn)。該法也存在腐蝕嚴(yán)重、副反應(yīng)多、副產(chǎn)物處理困難等缺點(diǎn)。近年來開發(fā)的固體酸酯化催化劑雖然解決了腐蝕問題,但由于價格太高,催化活性下降快等缺點(diǎn),在工

9、業(yè)上仍無法大規(guī)模應(yīng)用。2. 乙醇脫氫歧化法 該法不用乙酸，直接用乙醇氧化一步合成乙酸乙酯，其催化劑主要是Pd/C和架Ni，Cu-Co-Zn-Al混合氧化物及Mo-Sb二元氧化物等催化劑，這些體系對乙醇的氧化有一定的活性，但其催化性還有待進(jìn)一步改進(jìn)。95%乙醇從儲槽出來，經(jīng)泵加壓至0.30.4MPa，進(jìn)入原料預(yù)熱器，與反應(yīng)產(chǎn)物熱交換被加熱至130，部分氣化，再進(jìn)入乙醇汽化器，用水蒸氣或?qū)嵊图訜嶂?60170，達(dá)到完全氣化，然后進(jìn)入原料過熱器，與反應(yīng)產(chǎn)物換熱，被加熱至230，再進(jìn)入脫硫加熱器，用導(dǎo)熱油加熱到反應(yīng)溫度240270，然后進(jìn)入脫氫反應(yīng)器，脫氫反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，要用導(dǎo)熱油加熱以維持恒溫反應(yīng)

10、。從脫氫反應(yīng)器出來的物料進(jìn)入原料過熱器，被冷卻至180，再進(jìn)入加氫反應(yīng)器將酮和醛加氫為醇，以便后續(xù)分離。然后進(jìn)入原料預(yù)熱器，被冷卻至60，再進(jìn)入產(chǎn)物冷凝器，被水冷卻至30，從冷凝器出來的液體，進(jìn)入反應(yīng)產(chǎn)物儲罐，然后進(jìn)入分離工段，氫氣則從上部進(jìn)入水洗器，以回收氫氣中帶走的易揮發(fā)物料，然后放空或到氧氣用戶。 該工藝的特點(diǎn)是產(chǎn)品收率高，對設(shè)備腐蝕性小，產(chǎn)品成本較酯化法低，不產(chǎn)含酸廢水，有利于大規(guī)模生產(chǎn)，若副產(chǎn)的氫氣能有效合理的利用，該工藝是比較經(jīng)濟(jì)的方法。3、乙醛縮合法 由乙醛生產(chǎn)乙酸乙酯包括催化劑制備、反應(yīng)、分離和精餾4大部分,工藝流程見圖3 。在氯化鋁和少量的氯化鋅存在下將鋁粉加人盛有乙醇和乙酸

11、乙酯混合物的溶液中溶解得到乙氧基鋁溶液。催化劑制備裝置與主體裝置分開,制備反應(yīng)過程產(chǎn)生的含氫廢氣經(jīng)冷回收冷凝物后排放,制備得到的催化劑溶液攪拌均勻后備用。乙醛和催化劑溶液連續(xù)進(jìn)人反應(yīng)塔,控制反應(yīng)物的比例,使進(jìn)料在混合時就有約98% 的乙醛轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物,1.5%的乙醛在此后的攪拌條件下轉(zhuǎn)化。通過間接鹽水冷卻維持反應(yīng)溫度在0 ,反應(yīng)混合物在反應(yīng)塔內(nèi)的停留時間約1h后進(jìn)人分離裝置。分離裝置中粗乙酸乙酯從塔頂蒸出,塔底殘?jiān)盟幚淼玫揭掖己蜌溲趸X,將乙醇與蒸出組分一起送人精餾塔,在此回收未反應(yīng)的乙醛并將其返回反應(yīng)塔,乙醇和乙酸乙酯恒沸物用于制備乙氧基鋁催化劑溶液。如有必要,乙酸乙酯還可進(jìn)一步進(jìn)行干

12、燥。乙醛縮合制乙酸乙酯工藝由俄羅斯化學(xué)家Tischenko于20世紀(jì)初開發(fā)成功,因而該工藝又稱為Tischenko工藝。反應(yīng)在醇化物（乙氧基鋁)的存在下進(jìn)行。由乙醛生產(chǎn)乙酸乙酯的第一步實(shí)際上先由乙烯制取乙醛,由乙烯生產(chǎn)乙醛通常在氯化鈀存在下于液相中進(jìn)行（即Wacker工藝)。根據(jù)保持催化劑活性方法的不同,又有兩種工藝可選擇,一種為一步法工藝,即乙烯和氧氣一起進(jìn)人反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng); 另一種是兩步法工藝,即乙烯氧化為乙醛在一個反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,而催化劑的空氣再生在另一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,兩種工藝在經(jīng)濟(jì)上并無大的差異。乙醛縮合制乙酸乙酯工藝受原料來源的限制,一般應(yīng)建在乙烯-乙醛聯(lián)合裝置內(nèi)。日本主要采取此工藝路線

13、,裝置能力已達(dá)200kt/a.4、乙烯、乙酸直接加成法 在酸性催化劑存在下,羧酸與烯烴發(fā)生酯化反應(yīng)可生成相應(yīng)的醋類。羅納· 普朗克公司在80 年代進(jìn)行了開發(fā),但由于工程放大問題未解決,一直未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。日本昭和電工公司開發(fā)的乙烯與乙酸一步反應(yīng)制取乙酸乙酯工藝終于在90年代實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。 反應(yīng)原料中乙烯：乙酸：水：氮體積組成為80：6.7：3：10.3。反應(yīng)系統(tǒng)由3個串聯(lián)反應(yīng)塔組成,反應(yīng)塔中裝填磷鎢鑰酸催化劑（擔(dān)載于球狀二氧化硅上) 。反應(yīng)塔設(shè)置了中間冷卻,反應(yīng)溫度維持在140-180 ,反應(yīng)塔壓力控制在0.44-1MPa。 反應(yīng)在擔(dān)載于金屬載體上的雜多酸或雜多酸鹽催化下于氣相或液相中

14、進(jìn)行。在水蒸氣存在條件下,乙烯將發(fā)生水合反應(yīng)生成乙醇,然后生成的乙醇又繼續(xù)與乙酸發(fā)生酯化反應(yīng)生成乙酸乙酯產(chǎn)物。而且,逆向的乙酸乙酯水解生成乙醇或乙酸的反應(yīng)也可能發(fā)生。該工藝乙酸的單程轉(zhuǎn)化率為66%,以乙烯計(jì),乙酸乙酯的選擇性約為94%.5、確定工藝方案及流程從產(chǎn)量分析，生產(chǎn)任務(wù)要求是1840噸，產(chǎn)量不是太大，乙烯、乙酸直接合成法有利于大規(guī)模生產(chǎn)，而且該法對設(shè)備要求很高，設(shè)備造價高，因此不采用該工藝。從經(jīng)濟(jì)上考慮，乙醇脫氫歧化法對催化劑要求高，采用該工藝不經(jīng)濟(jì)。最后從技術(shù)成熟方面考慮，雖然乙醇脫氫歧化法在國外生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，且可以進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)，但在國內(nèi)實(shí)施尚有困難，另外，該法總生產(chǎn)能力

15、比酯化法要低，綜合考慮采用酯化法。在國內(nèi)，乙酸乙酯的生產(chǎn)大都采用酯化法，生產(chǎn)乙酸乙酯的廠家主要有上海試劑一廠，蘇州溶劑廠，北京化工三廠，天津有機(jī)化工一廠，吉化公司，徐州溶劑廠，杭州長征化工廠，貴州有機(jī)化工溶劑分廠，沈陽市溶劑廠，大連釀酒廠，沈陽石油化工二廠，哈爾濱化工四廠六廠七廠等。4 工藝計(jì)算4.1. 物料衡算4.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)（1） 設(shè)計(jì)項(xiàng)目：乙酸和乙醇在催化劑濃硫酸存在下生產(chǎn)乙酸乙酯（假定70%的乙酸轉(zhuǎn)化為乙酸乙酯）（2） 產(chǎn)品名稱：乙酸乙酯（3） 產(chǎn)品規(guī)格：純度99%（4） 年生產(chǎn)能力：折算為100%乙酸乙酯1880噸/年4.1.2 酯化法主要生產(chǎn)步驟 （1）等分子的冰乙酸和95%乙醇

16、混合和少量的濃硫酸接觸，進(jìn)行酯化反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，并加熱至沸點(diǎn)。 （2）達(dá)到平衡狀態(tài)的混合液通入精餾塔，由于不斷移去難揮發(fā)的水分，在塔中反應(yīng)趨于完全；由塔頂部出來的流出液組成為： 乙酸乙酯 20%（重量百分率，下同） 水 10% 乙醇 70% （3）由塔頂部出來的餾出液通入精餾塔進(jìn)行蒸餾，由塔頂部出來的三組分恒沸液組成為： 乙酸乙酯 83% 水 8% 乙醇 9%由塔底部出來的殘液組成為乙醇和水，重新送入塔作為第二進(jìn)料。（4） 由塔頂部出來的餾出液和塔頂部出來的餾出液匯合并加等量的水，三者混合后流入沉降槽進(jìn)行分層。 上層富有乙酸乙酯，其組成為： 乙酸乙酯 94% 水 4% 乙醇 2% 下層主要是

17、水，其組成為： 乙酸乙酯 8% 水 88% 乙醇 4% 下層（即水層）重新回入塔作為第二進(jìn)料。（5）上層（即酯層）送入精餾塔進(jìn)行蒸餾，由塔底部流出的即為成品的乙酸乙酯，這是由于乙酸乙酯和三組分恒沸液和雙組份恒沸液比較起來，其揮發(fā)度最小，由塔頂部出來的為三組分恒沸液，其組成如下： 三組分恒沸液組成： 乙酸乙酯 83% 水 8% 乙醇 9% 雙組分恒沸液組成： 乙酸乙酯 94% 水 6%（6）塔頂部出來的餾出液包括三組成恒沸液送回沉降器中。4.2 初步物料衡算 （1） 每小時生產(chǎn)能力的計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，乙酸乙酯的年生產(chǎn)能力規(guī)定為180噸/年（折算為100%乙酸乙酯，下同）全年按328天計(jì)，每天2

18、4小時連續(xù)工作，則每晝夜的生產(chǎn)能力為5732kg乙酸乙酯；每小時生產(chǎn)能力為221kg乙酸乙酯，這樣的規(guī)模采用連續(xù)操作室比較合理的。每小時的生產(chǎn)能力為： 1880×1000÷328÷24=239kg/h以上作為物料衡算基準(zhǔn)。為了使物料衡算簡單化，在初步物料衡算中假定成品乙酸乙酯的純度為100%，在生產(chǎn)過程中無物料損失，塔頂餾出液等均屬雙組份或三組分恒沸液，這在事實(shí)上是不可能的，故將在最終衡算中予以修正。（2）生產(chǎn)工藝流程圖(3) 酯化器物料衡算乙酸和乙醇酯化反應(yīng)如下:CH3COOH+C2H5OHC2H3COOCH5+H2O 60 46 88 18 X y 221z原

19、料規(guī)格：乙酸濃度為100%;乙醇純度為95%；濃硫酸純度為93%（相對密度為1.84）加入：100%乙酸量：60/x=88/2393x=60×239/88=163kg/h 100%乙醇量：46/y=88/239y=46×239/88=124.9kg/h 95%乙醇需要量：y/95%=124.9/95%=131kg/h 其中C2H5OH=124.9kg/h； H2O=131-124.9=6.1kg/h 濃硫酸量=6.7kg；其中H2SO4=6.3kg；H2O=0.4kg/h支出：轉(zhuǎn)化率為66% 乙酸乙酯生成量=163×0.66×88÷60=157

20、.8kg/h 乙酸剩余量=163×0.34=55.4kg/h 乙醇剩余量=124.9×0.34=42.5kg/h反應(yīng)生成水量：18/z=88/146.2 z=18×157.8÷88= 32.3kg/h總水分=32.3+6.1=38.4kg/h 濃硫酸量=6.7kg/h進(jìn)出酯化器的物料衡算表如下：表一：進(jìn)出酯化器的物料衡算表加入支出序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h1乙酸1001631乙酸乙酯100157.82乙醇951312水10038.4其中C2H5OH100124.93乙醇10042.5H2O1006.14乙酸10055.4

21、3濃硫酸936.75濃硫酸1006.7合計(jì)300.7合計(jì)300.8由酯化器出來的混合液進(jìn)入精餾塔，在塔中反應(yīng)趨于完全，因此進(jìn)入塔的混合液在塔中最后生成： 乙酸乙酯=239kg/h 水=18×239÷88+6.1=55kg/h 濃硫酸=6.7kg/h（4） 塔、塔、沉降器和塔質(zhì)檢均有相互關(guān)系，它們的物料衡算匯總計(jì)算如下：在生產(chǎn)工藝流程示意圖上注上相關(guān)數(shù)據(jù)，并劃出三個計(jì)算系統(tǒng)，逐個列出衡算式，然后進(jìn)行進(jìn)行聯(lián)立求解。設(shè)u=塔底部殘液量（kg/h，不包括濃硫酸6.7kg/h在內(nèi)） v=塔頂部餾出液（kg/h） R=塔底部殘液量（kg/h）其中Rw=R中H2O的量（kg/h），RA=

22、R中乙醇的量（kg/h） z=塔頂部殘液量（kg/h） x=塔頂部餾出液總?cè)M分恒沸液量（kg/h） y=塔頂部餾出液總雙組分恒沸液量（kg/h） w=沉降器下層（即水層）量（kg/h） 系統(tǒng)1的物料衡算： 294+w=u+z uzw=294 系統(tǒng)1的乙酸乙酯物料衡算： 0.812×272.60.08w=0.83z 0.83z0.08w=239 系統(tǒng)1的乙醇物料衡算：他 0.09z=0.04w 系統(tǒng)2的物料總衡算： 2（xyz）=wxy239 xy2zw=239 系統(tǒng)2的乙酸乙酯衡算： 0.83x0.94y0.83z=0.94×(xy221.4)0.08w 0.83z0.1

23、1x0.08w=225 解上述五元一次聯(lián)立方程式。 得： x=129.8kg/h y=200.2kg/hz=368kg/h w=827kg/h u=753kg/h因?yàn)関中含有20%乙酸乙酯，而乙酸乙酯量=-239 kg/h，故：v=239÷20%=1195 kg/h系統(tǒng)3的物料總衡算：R+294=u+v所以R=v+u-294=1195+753-294=1654 kg/h系統(tǒng)3中的水衡算 Rw0.188×294=u0.1v Rw=7530.1×11950.188×294=817kg/h系統(tǒng)3的乙醇衡算： RA=0.7v=0.7×1195=836.

24、5kg/h將計(jì)算結(jié)果整理在各物料衡算表中，并匯總畫出初步物料衡算圖。表2 進(jìn)出塔的物料衡算表加入支出序號 物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h1來自酯化器的混合液300.71塔頂餾出液1195乙酸乙酯157.8乙酸乙酯20239水38.4水10119.5乙醇42.5乙醇70836.5乙酸55.42塔底殘液759.7濃硫酸6.7水7532來自塔的塔底殘液1654濃硫酸6.7水817乙醇836.5合計(jì)1954.7合計(jì)1954.7表3 進(jìn)出塔的物料衡算表加入支出序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h1來自塔頂部餾出液11951塔頂餾出液368乙酸乙酯2023

25、9乙酸乙酯83305.44水10119.5水829.44乙醇70836.5乙醇933.122來自沉降器下層液8272塔底殘液1654乙酸乙酯866.16水817.5水88727.76乙醇836.5乙醇4333.08合計(jì)2022合計(jì)2022表4 沉降器的物料衡算表加入支出序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h1塔頂部餾出液3681沉降器上層569乙酸乙酯83305.44乙酸乙酯94534.86水829.44水422.76乙醇933.12乙醇211.382塔頂部餾出液3302沉降器下層827三組分恒沸液129.8乙酸乙酯866.16A乙酸乙酯83107.7水88727.76B

26、水810.4乙醇433.08C乙醇911.7雙組分恒沸液200.2A乙酸乙酯94188.2B水6123添加水698合計(jì)1396 表5 進(jìn)出塔的物料衡算表加入支出序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h1來自沉降器上層5691頂部餾出液330乙酸乙酯94534.86三組分恒沸液129.8水422.76A乙酸乙酯83107.7乙醇211.38B水810.4C乙醇911.7雙組分恒沸液200.2A乙酸乙酯94188.2B水6122塔底成品 乙酸乙酯239合計(jì)569合計(jì)569五. 設(shè)備設(shè)計(jì)5.1 精餾塔的設(shè)計(jì) 塔中包含有3個組分(乙醇、乙酸乙酯和水)均為非理想液體，則需要利用實(shí)驗(yàn)獲

27、得氣-液相圖進(jìn)行逐板計(jì)算用。(1) 計(jì)算塔板數(shù)根據(jù)初步物料衡算的數(shù)據(jù)，必須作相應(yīng)的修正，方可作為精餾塔的設(shè)計(jì)用。在初步物料衡算中，塔頂部逸出者為純?nèi)M分恒沸液，這樣就需要無窮個塔板數(shù)來完成。實(shí)際上含有水和乙醇各5摩爾百分?jǐn)?shù)，連同乙酸乙酯組成2個組成分別為水46%和乙酸乙酯54%與乙醇24%和乙酸乙酯76%的雙組分恒沸液。于是塔頂部餾出液組成如下：kg/h mol%mol%乙酸乙酯 E305.4459.565×54/465×76/24=81.2661.70水 W29.4428.095 =33.0925.13乙醇 A 33.12 12.355 =17.35 13.17 131.

28、7 100在初步物料衡算中，塔底部出料不含乙酸乙酯，這也屬不可能，實(shí)際上含有1mol%乙酸乙酯，而其它二組分的mol%含量降低至99%.于是塔底部餾出液組成如下：kg/h mol% mol%乙酸乙酯 E +1 =1.0水 W817 71.46 71.46×99% =70.75乙醇 A 836.5 28.54 28.54×99% =28.25 100 進(jìn)料組成不變，于是進(jìn)出塔的物料衡算如下： xE=0.6170 216.4kg/h 餾出液：xW=0.2513 18.0kg/h xA=0.1317 24.15kg/h xE=0.0499 266.02kg/h 混合進(jìn)料：xW=0

29、.6782 738.77kg/h xA=0.2719 758.01kg/h xE=0.0100 49.67kg/h 殘液： xW=0.7075 721.0kg/h xA=0.2825 733.69kg/h于是進(jìn)出酯化器的物料衡算如下：表6 進(jìn)出塔的物料衡算表加入支出序號物料名稱組成%數(shù)量kg/h序號物料名稱組成%數(shù)量kg/h1混合進(jìn)料1762.801塔頂餾出液258.55乙酸乙酯4.99266.02乙酸乙酯61.7216.4水67.82738.77水25.1318.0乙醇27.19758.01乙醇13.1724.152塔底殘液1504.36乙酸乙酯1.049.67水70.75721.0乙醇28

30、.25733.69合計(jì)1762.8合計(jì)1762.9取100mol進(jìn)料液，其中E的摩爾數(shù)為5.00；設(shè)D為餾出液摩爾數(shù)，則殘液摩爾數(shù)為(100D) 0.617D0.01×(100D)=5； D=6.59殘液摩爾數(shù)為：100D=1006.59=93.41餾出液中E的摩爾數(shù)為：0.617×6.59=4.07殘液中E的摩爾數(shù)為：54.07=0.93餾出液中W的摩爾數(shù)為：0.2513×6.59=1.66殘液中W的摩爾數(shù)為：67.821.66=66.16餾出液中A的摩爾數(shù)為：0.1317×6.59=0.87殘液中A的摩爾數(shù)為：27.190.87=26.325.2最小

31、回流比的估算由于上述系統(tǒng)和理想液體比較出入很大，今采用Colburn方法估算最小回流比。首先求出平均相對揮發(fā)度(av）餾出液中：xE/(xExW)=61.7/(61.725.13)=0.71; xA=13.17由平衡圖上找出：yE/(yEyW)=0.69; yE/yW=0.69/0.31t=（yE/yW）·(xW/xE)=(0.69/0.31)×(0.2513/0.617)=0.91殘液中：xE/(xExW)=1.0/(1.070.75)=0.0139 ; xA=28.25由平衡圖上找出：yE/(yEyW)=0.20; yE/yW=0.2/0.8s=（yE/yW）·

32、;(xW/xE)=(0.2/0.8)×(0.7075/0.01)=17.69av=(t·s)1/2=(0.91×17.69)1/2=4.01rf=xEf/xWf=5/67.82=0.0737xlk=rf/(1rf)=0.0737/1.0737=0.0686xhk=xlk/rf=0.0686/0.0737=0.931(Ln/D)=1/(1)·(xDlk/xlkxDhk/xhk)=1/(4.011)×(0.617/0.06860.2513/0.931)=2.90 D=6.59mol/100mol進(jìn)料 Ln=2.90×D=2.90×

33、;6.59=19.11mol/100mol進(jìn)料 Lm=LnqF; W=FD對于進(jìn)料正在沸點(diǎn)的液體，q=1 F=100mol Lm=19.11100=119.11mol/100mol進(jìn)料W=1006.59=93.41mol/100mol進(jìn)料Lm/W=119.11÷93.41=1.275上提濃度 輕關(guān)鍵組分的摩爾分?jǐn)?shù)xn=xD/(1)·(Ln/D·xDhk/xhk) =0.617÷(4.011)×(2.904.01×0.2513÷0.931) =0.0515rn=xn/xhk=0.0515÷0.931=0.0533下提

34、濃度 重關(guān)鍵組分的摩爾分?jǐn)?shù) lk=(ts)1.5=(0.9117.69)1.5=6.557xm=lk·xW/(lk)·(Lm/W·xWlk/xlk) =6.557×0.7075÷(6.5574.01)×1.2754.01×0.01÷0.0686 =1.211rm=xlk/xm=0.0686/1.211=0.0566rm/rn=0.0566/0.0553=1.024=1/(10)×(10)=1因此,rm/rn>,算得的回流比太大試以(Ln/D)=2.5；則Ln=6.59×2.5=16.48m

35、ol/100mol進(jìn)料；Lm=116.48mol/100mol進(jìn)料(Lm/W)=116.48÷93.41=1.247xn=xD/(1)·(Ln/D·xDhk/xhk) =0.617÷3.01×(2.54.01×0.2513÷0.931)=0.0572rn=xn/xhk=0.0572÷0.931=0.0614xm=lk·xW/(lk)·(Lm/W·xWlk/xlk) =6.557×0.7075÷(6.5574.01)×1.2474.01×0.01&

36、#247;0.0686 =1.234rm=xlk/x=0.0686÷1.234=0.0556rm/rn=0.0556÷0.0614=0.91因此，rm/rn<,算得的回流比太小。試以(Ln/D)=2.7；則Ln=6.59×2.7=17.79mol/100mol進(jìn)料；Lm=117.79mol/100mol進(jìn)料(Lm/W)=117.79÷93.41=1.261xn=xD/(1)·(Ln/D·xDhk/xhk) =0.617÷3.01×(2.74.01×0.2513÷0.931)=0.0542r

37、n=xn/xhk=0.0542÷0.931=0.0582xm=lk·xW/(lk)·(Lm/W·xWlk/xlk) =6.557×0.7075÷(6.5574.01)×1.2614.01×0.01÷0.0686 =1.222rm=xlk/x=0.0686÷1.222=0.0561rm/rn=0.0561÷0.0582=0.965rm/rn與的數(shù)值相近 所以此方法算得的最小回流比為2.7.5.3 逐板計(jì)算 氣液相平衡數(shù)據(jù)可以表示成下列三種圖表： (1)yE/(yEyA)對xE/(xExA

38、)描繪，xW視作參量。 (2)yE/(yEyW)對xE/(xExW)描繪，xA視作參量。(3)yW/(yWyA)對xW/(xWxA)描繪，xE視作參量。由于在任何情況下，液相的摩爾分?jǐn)?shù)（x）均為參數(shù)，平衡圖只能用來由液相組成來求取氣相組成。因此逐板計(jì)算時，從塔底由下往上算。從x的三個已知數(shù)(塔底的xE,xW和xA)出發(fā)，可求得二比值；或(1)和(2);或(2)和(3);或(3)和(1)，究竟選擇哪一對，應(yīng)以從圖上讀出數(shù)值為準(zhǔn)。如果采用(2)和(3)，則根據(jù)xE/(xExW)和xA值讀出yE/(yEyW);根據(jù)xW/(xWxA)和xE值讀出yW/(yWyA)值。設(shè)yE/(yEyW)=M，yW/(

39、yWyA)=N；故yE=M/(1M) yA=(1N)/NyW=1/(1N)/NM/(1M)1求出yW后，yE和yA即可代入式子求得。下一塔板上的液相組成可以應(yīng)用操作線方程求得。5.4 逐板計(jì)算的結(jié)果及討論 根據(jù)Colburn方法算得的最小回流比為2.7:1，上述逐板計(jì)算中，所采用的最宜回流比為10:1、2:1和5:1.(1) 如采用10:1，則最宜回流比約為最小回流比的3.7倍。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，作圖如下： 圖中說明由第7塊塔板(由塔底數(shù)起)上加入來自塔的進(jìn)料，由第12塊板上加入來自沉降器的進(jìn)料。運(yùn)算到底19塊塔板時，所得餾出液即可近似達(dá)到所要求結(jié)果。 (2)如最宜回流比采用2:1，亦即小于最小

40、回流比，算得的結(jié)果表明：由12塊塔板加入來自沉降器的加料的進(jìn)料后，乙醇的組成變?yōu)樨?fù)值，這說明采用這種回流蒸餾不可行。(3) 如最宜回流比采用5:1，計(jì)算的結(jié)果說明由第5塊塔板加入來自塔的進(jìn)料，由第10塊板上加入來自沉降器的進(jìn)料，共需要22塊塔板。由于蒸餾液為非理想溶液，從上述分析結(jié)果可以看出：最宜回流比由5：1加倍至10:1時，理論板僅由22塊降至19塊。這說明設(shè)備投資節(jié)省不了多少，然而操作費(fèi)用卻加了。因此采用L/D=5:1，假設(shè)塔板效率為50%，則實(shí)際塔板數(shù)為40.六. 熱量衡算6.1 熱力學(xué)數(shù)據(jù)收集 (1)溫度： 塔頂溫度:約為62%molCH3CH2OH，25%molH2O，13%CH3

41、CH2OH三組分恒沸液的沸點(diǎn)，71塔底溫度：約為71%molH2O，29%molCH3CH2OH的沸點(diǎn)，79來自塔的進(jìn)料溫度為84來自沉降器的進(jìn)料溫度：約為97%molH2O，3%molCH3CH2OH的沸點(diǎn)，95冷卻水溫度為20（以廣西年平均氣溫為參考）。飽和水蒸氣：=1.35kg/m3, t=108(2)比熱和汽化潛熱表7 比熱容和汽化潛熱 溫度CH3COOC2H5H2OCH3CH2OH比熱容kj/kg·汽化潛熱kj/kg 比熱容kj/kg·汽化潛熱kj/kg 比熱容kj/kg·汽化潛熱kj/kg 201.9274.1832.40271.9474.1782.4

42、6371.9784.1742.55712.145371.144.18823292.91852.66792.004364.674.19423103.02838.94842.169360.544.2122983.082830.14952.224351.164.21422713.236810.10(3) 傳熱系數(shù)K kJ/(m2·h·)表8 傳熱系數(shù)有機(jī)蒸汽水液體液體蒸汽沸騰液體蒸汽水蒸氣有機(jī)液體2000505585830501000(4) 組成： 餾出液組成： kg/h kmol/h xE=0.62 266 3.02xW=0.292 25.61.42xA=0.088 19.8

43、0.43 4.87 L/D=5, L=5D, V=LD=6D; 來自塔頂?shù)恼魵饨M成： kg/h xE=0.62 266×6=1596 xW=0.292 25.6×6=153.6 xA=0.088 19.8×6=118.8 塔底殘液組成： kg/h kmol/h xE=0.010 48.50.55xW=0.7075 713.2 39.62xA=0.2825 729.2 15.83 56.00來自塔的進(jìn)料組成： kg/h kmol/h xE=0.123 266 3.02xW=0.235 104.2 5.79xA=0.642 729.2 15.83 24.64來自沉降器

44、組成： kg/h kmol/h xE=0.018 48.5 0.55 xW=0.968 634.6 35.26xA=0.014 19.8 0.43 36.24總加料量=24.6436.24=60.88kmol/h V'=L'W=LFW=5DFW=5×4.8760.8856=29.23kmol/h來自塔底的蒸氣組成： kg/h yE=0.065 0.065×29.23×88=167.20 yW=0.411 0.411×29.23×18=216.24 yA=0.524 0.524×29.23×46=704.566

45、.2 熱量計(jì)算，水汽消耗，熱交換面積 （1）塔頂蒸氣冷凝（由71氣相冷凝至71液相） q =W· =1596×371.14153.6 ×2329118.8×852.66=1051369.8kJ/h 設(shè)冷卻水出口溫度為61 取K=2000kJ/(m2·h·) S=q/(K·tm) =1051369.8÷(2000×33.2) =15.83m2 冷卻水用量：W=q/(C·t) =1051369.8÷4.18×(6020) =6288.1kg/h (2)餾出液由71冷卻至37 q =W·C·t =266×(1.9782.145)/225.6×4.1819.8×(2.913.02)/2×(7137)=24278.5kJ/h 設(shè)冷卻水出口溫度為27 取K=505kJ/(m2·h·) S=q/(K·tm) =24278.5÷(505×28.4) =1.69m2 冷卻水用量：W=q/(C·t) =24278.5÷4.18×(2720) =829.8kg/h (3)塔底： 在79時