年产18万吨醋酸生产装置初步设计_毕业论文.doc

2012 届届毕业毕业生生 毕业论毕业论文文 题题 目目: 年产年产 18 万吨醋酸生产装置初步设计万吨醋酸生产装置初步设计 2012 年年 5 月月 18 日日 ii 摘要 醋酸是一种用途广泛的基本有机产品。本设计拟采用以乙醛为原料生产醋 酸(180kt/a)的工艺。该工艺原料来源广泛，污染较小，工艺简单，投资费用省， 产品质量高。本设计介绍了醋酸的性质、用途、工业现状以及各种醋酸生产方 法，对乙醛氧化工艺流程做了阐述。设计重点对氧化、精馏工段进行了详细的 物料衡算和热量衡算，同时对主要设备进行了计算和选型，绘制了工艺流程图 和主要设备装配图。 关键词：乙醛氧化；醋酸；工艺设计；物料衡算；热量衡算 iii 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 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 process 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. keywords: oxidation of acetaldehyde, acetic acid, process design, material balance, heat balance iv 目录 第一章 文献综述1 1.1 醋酸简介.1 1.2 醋酸性质.1 1.3 工业现状.1 1.4. 醋酸的制备2 第二章 工艺简介4 2.1 产品品种、规格、质量指标及拟建规模.4 第三章 物料衡算5 3.1 氧化部分物料衡算.5 3.2 蒸发器物料衡算8 3.3 精馏塔物料衡算9 3.4 醋酸回收塔物料衡算.9 第四章 热量衡算11 4.1 氧化塔热量衡算.11 4.2 蒸发器热量衡算.15 4.3 精馏段热量衡算.16 第五章 塔体设计18 5.1 精馏塔设计.18 第六章 板式塔的结构27 6.1 接管.27 6.2 筒体封头和除沫器.28 6.3 人孔及裙座.28 6.4 塔板结构.29 6.5 吊柱.29 6.6 塔的立体高度.29 第七章 劳动安全卫生及环境保护措施30 7.1 主要污染源以及主要污染物.30 7.2 环保措施及主要处理方法.30 第八章 全厂总平面布置31 参考文献32 致 谢34 附表35 一、吉利兰图35 二、史密斯关联图35 三、液流收缩系数计算图35 v 四、弓形降液管参数图36 五、干筛孔流量系数图36 六、充气系数关联图36 1 第一章 文献综述 1.1 醋酸简介醋酸简介 醋 酸 又 称 乙 酸 或 者 冰 醋 酸 ，被 公 认 为 是 食 醋 的 酸 味 和 刺 激 气 味 的 来 源 ，在 自 然 界 中 广 泛 存 在 ， 是 一 种 环 境 友 好 的 有 机 酸 。在 生 活 中 ，乙 酸 的 稀 溶 液 常 被 用 作 除 垢 剂 。 工 业 方 面 ， 它 被 用 于 制 造 聚 对 苯 二 甲 酸 乙 二 酯 ， 醋 酸 纤 维 素 和聚 乙 酸 乙 烯 酯。 在 食 品 添 加 剂 列 表 e 2 6 0 中 ，乙 酸 是 规 定 的 一 种 酸 度 调 节 剂 。 1.2 醋酸性质醋酸性质 1.21 醋醋 酸酸 的的 物物 理理 性性 质质 1,2 乙 酸 在 常 温 下 是 一 种 有 强 烈 刺 激 性 酸 味 的 无 色 液 体 。 熔 点 为 1 6 . 6 ， 沸 点 1 1 7 . 9 ， 相 对 密 度 1 . 0 5 ， 闪 点 3 9 ， 4 % 1 7 % ( 体 积 ) ， 折 光 率 1 . 3 7 1 6 。 纯 乙 酸 在 1 6 . 6 以 下 时 能 结 成 冰 状 的 固 体 ，所 以 常 称 为 冰 醋 酸 3 。 易 溶 于 水 、 乙 醇 、 乙 醚 和 四 氯 化 碳 。它具 有 腐 蚀 性 ， 其 蒸 汽 对 眼 和 鼻 有 刺 激 性 作 用 。 1.22 醋醋 酸酸 的的 化化 学学 性性 质质 乙 酸 在 水 溶 液 中 是 一 元 弱 酸 ， 酸 度 系 数 为 4.8， pka=4.75 (25)，浓 度 为 1 m o l / l 的 醋 酸 溶 液 （ 类 似 于 家 用 醋 的 浓 度 ）的 p h 为 2 . 4 ，也 就 是 说 仅 有 0 . 4 % 的 醋 酸 分 子 是 解 离 的 4 。 对 于 许 多 金 属 ，乙 酸 是 有 腐 蚀 性 的 ， 例 如 铁 、 镁 和 锌 ， 反 应 生 成氢 气 和 金 属 乙 酸 盐 。因 为 铝 在 空 气 中 表 面 会 形 成 氧 化 铝 保 护 层 ， 所 以 铝 制 容 器 能 用 来 运 输 乙 酸 。 1.3 工业现状工业现状 据 s r i 咨 询 公 司 统 计 ， 2 0 0 6 年 全 球 醋 酸 总 生 产 能 力 达 到 1 1 . 0 9 9 m t / a ， 其 产 能 分 布 为 ：北 美 占 有 3 . 5 1 5 m t / a ， 南 美 占 有 1 1 2 k t / a ， 西 欧 占 有 1 . 2 2 7 m t / a ， 东 欧 占 有 4 3 0 k t / a ， 中 东 占 有 2 1 4 k t / a ， 非 洲 占 有 2 0 k t / a ， 亚 州 占 有 5 . 5 8 1 m t / a 。 近 年 来 ， 亚 洲 地 区 生 产 能 力 增 加 较 快 ， 年 均 增 长 率 为 7.2%， 高 于 世 界 3 . 8 % 的 年 均 增 长 率 。 2 世 界 两 大 醋 酸 生 产 商 c l e a n e s e 和 英 国 b p 公 司 控 制 了 全 球 的 醋 酸 生 产 5 ， 两者 合 计 生 产 能 力 已 达 到 4 . 3 8 4 m t / a ， 约 占 全 球 总 生 产 能 力 的 4 0 % 以 上 。 2 0 0 9 年 ， 统 计 表 明 我 国 采 用 甲 醇 羰 基 合 成 法 生 产 的 醋 酸 占 醋 酸 总 产 量 的 8 2 . 6 % 。 预 计 我 国 2 0 1 0 年 醋 酸 产 能 及 需 求 将 分 别 达 到 5 4 0 万 t / a 和 3 2 5 万 t / a ， 已 出 现 产 能 远 大 于 需 求 的 状 况 6 。 1.4. 醋酸的制备醋酸的制备 醋 酸 的 制 备 可 以 通 过 人 工 合 成 和 细 菌 发 酵 两 种 方 法 。 1.4.1 细菌发酵细菌发酵 生 物 合 成 法 ，即 利 用 细 菌 发 酵 ，由 此 而 产 生 的 醋 酸 产 量 仅 占整 个 世 界 产 量 的10%，但 是 仍 然 是 生 产 醋 酸 的 最 重 要 的 方 法 ，因 为 很 多 国 家 的 食 品 安 全 法 规 规 定 用 于 食 物 的 醋 必 须 是 由 生 物 制 备 的 。 1.4.1.1 有氧发酵有氧发酵 在 氧 气 充 足 的 情 况 下 ， 醋 酸 杆 菌 能 够 从 含 有 酒 精 的食 物 中 生 产 出 乙 酸 。 这 些 细 菌 反 应 的 化 学 方 程 式 为 ： c2h5oh + o2 ch3cooh + h2o 1.4.1.2 无氧发酵无氧发酵 部 分 厌 氧 细 菌 ， 包 括 梭 菌 属 的 部 分 成 员 ， 能 够 将 糖类 直 接 转 化 为 乙 酸 而 不 需 要 乙 醇 作 为 中 间 体 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 过 甲 基 羰 基 化 合 成 的 。 此 反 应 中 ，甲 醇 和 一 氧 化 碳 反 应 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 剂 的 条 件 下 和 氧 气 发 生 氧 化 反 应 制得 。 c2h5oh + o2 ch3cooh + h2o 3 1.4.2.3 乙醛氧化法乙醛氧化法 乙 醛 可 以 通 过 氧 化 丁 烷 或 轻 石 脑 油 制 得 8 ，或 者 通 过 乙 烯 水 合 后 生 成 。 当丁 烷 或 轻 石 脑 油 在 空 气 中 加 热 ， 并 有 多 种 金 属 离 子 及 过 氧 根 离 子 催 化 ， 会 分 解 出 乙 酸 ： 2c4h10 + 5o2 4ch3cooh + 2h2o 1.4.2.4 乙烯氧化法乙烯氧化法 由乙烯在催化剂（所用催化剂为氯化钯 pdcl2、氯化铜 cucl2和乙酸锰 (ch3coo)2mn）存在的条件下，与氧气发生反应生成。 1.4.2.5 低碳烃氧化法低碳烃氧化法 反应式：2c4h10+5o2 4ch3cooh+2h2o （催化剂：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 称 为 直 接 氧 化 法 ， 是 用 丁 烷 为 主 要 原料 ， 通 过 空 气 氧 化 而 制 得 乙 酸 的 一 种 方 法 。 2ch3ch2ch2ch3 + 5o24ch3cooh + 2h2o 1.4.2.7 托普索法（合成气法或者两步法）托普索法（合成气法或者两步法） 低 压 甲 醇 羰 基 化 法 以 甲 醇 ，co 是 由 天 然 气 或 水 煤 气 获 得 ，甲 醇 是 重 要 化 工 原 料 ，其 货 源 和 价 格 波 动 较 大 9 。 托 普 索 法 以 单 一 天 然 气 或 煤 为 原 料 。 第一步：合 成 气 在 催 化 剂 下 生 成 甲 醇 和 二 甲 醚 ； 第二步：甲醇和二甲醚和co。（两者不需提纯）羰基化生成醋酸 4 第二章第二章 工艺简介工艺简介 2.1 产品品种、规格、质量指标及拟建规模产品品种、规格、质量指标及拟建规模 本设计拟完成年产 18 万吨醋酸生产工艺的初步设计， 综 合 文 献 分 析 ， 结 合 本 地 区 特 点 10， 决 定 采 用 乙 醛 氧 化 法 生 产 醋 酸 工 艺 。 乙 醛 液 相 催 化 自 氧 化 合 成 醋 酸 是 一 项 强 放 热 反 应 ，总 反 应 式 为 ： ch3cho(aq) + 1/2o2 ch3cooh(aq) h298k= -294 kj/mol 乙 醛 氧 化 时 首 先 生 成 过 氧 乙 酸 ，再 与 乙 醛 生 成 中 间 复 合 物 ，分 解 即 为 醋 酸 ： ch3cho + o2ch3coooh ch3coooh + ch3cho 中间复合物 2ch3cooh 乙 醛 和 催 化 剂 溶 液 自 反 应 塔 中 上 部 加 入 ， 为 了 使 乙 醛 不 被 大 量惰 性 气 体 带 走 ，工 业 上 一 般 釆 用 氧 作 催 化 剂 ， 且 氧 分 段 鼓 泡 通 入 反 应 液 中 ， 与 乙 醛 进 行 液 相 氧 化 反 应 ， 氧 化 过 程 释 放 的 大 量 反 应 热 通 过 外 循 环 冷 却 而 移 出 ， 出 反 应 器 的 反 应 尾 气 经 冷 凝 回 收 乙 醛 后 放 空 1 1 ,1 2 ， 反 应 液 首 先 经 蒸 发 器 除 掉 醋 酸 锰 催 化 剂 ， 醋 酸 蒸 汽 经 精 馏 塔 蒸 出 未 反 应 的 乙 醛 、 甲 酸 、 醋 酸 甲 酯 、 水 、 三 聚 乙 醛 等 轻 组 分 ， 要 求 纯 度 99% , 其 余 的 则 进 入 醋 酸 回 收 塔 回 收 粗 醋 酸 。 工艺流程图如图 2-1 所示。 回流乙醛 蒸发器 成品醋酸 副产物 催化剂残液 尾气 工 业 氧 氧 化 反 应 器 工 业 氮 乙 醛 催 化 剂 乙 醛 回 收 塔 精 馏 塔 粗醋酸 醋 酸 回 收 塔 5 图 2-1 乙醛氧化制醋酸工艺流程图 第三章第三章 物料衡算物料衡算 醋酸年产量为 18 万吨，选择年开工时间：8000 小时，收率按 91.7%计算， 每小时醋酸产量：22500kg/h； 8000 1000108 . 1 5 根据总反应方程式：ch3cho+1/2o2ch3cooh 确定乙醛进料量为： =17993.46kg/h。选择每小时乙醛进料量为 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 项 进 料 的 工 业 标 准 组 成 见 表 3 - 1。 表 3-1 氧化塔各项进料的工业标准组成 原料乙醛%(质量)工业氧%(质量)工业氮%(质量)催化剂溶液%(质量) 乙醛 99.5氧气 98氮气 97 醋酸 60 醋酸 0.1氮气 2氧气 3醋酸锰 10 水 0.3 水 30 三聚乙醛 0.1 (1) 在 氧 化 过 程 中 的 已 知 条 件 1 3 ,1 4 ： 1.乙醛进料量 18000kg/h，乙 醛 转 化 率 为 99.3%， 氧 的 利 用 率 为 98.4% 2.工 业 氮 自 氧 化 塔 塔 顶 补 充 使 其 浓 度 达 到 %；45 3.未 转 化 的 乙 醛 在 气 液 相 中 的 分 配 率 ( 体 积 % ) ：气 相 34%；液 相 66% 4.设 定 催 化 剂 中 醋 酸 锰 用 量 为 氧 化 塔 进 料 乙 醛 重 量 的 0.08% 5.乙 醛 的 总 转 化 率、主 反 应 及 各 副 反 应 的 转 化 率 分 配 ： 主反应： ch3cho+o2 ch3cooh (96%) 2 1 副反应：3ch3cho+3o2 hcooh+2ch3cooh+co2+h2o ( 4%) (2) 氧 化 塔 物 料 衡 算 图 见 图 3 1 。 6 (3) 反应式的物料衡算 投入的乙醛(纯)量：1800099.5%=17910 kg ch3cho+o2 ch3cooh 96% 2 1 计算结果见表 3-2。 表 3-2 主反应物料衡算计算结果 反应物生成物 乙醛179100.9930.96=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% 计算结果见表 3-3。 表 3-3 副反应物料衡算计算结果 反应物生成物 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 132 44 根 据 反 应 式 衡 算 出 来 的 反 应 物 总 消 耗 量 以 及 生 成 物 总量 如 下 ： 反应掉的乙醛：180000.9950.993=17784.63 kg 回 流 乙 醛 乙醛 工业氮 工业氧 尾气 乙醛 回收 塔 催化剂 图 3-1 氧化塔物料衡算图 氧 化 反 应 器 7 未转化的乙醛：180000.9950.007=125.37 kg (其中液相中乙醛 125.370.66=82.74 kg；气相中乙醛 125.370.34=42.62kg) 反应掉的氧气总量：6208.45+517.37=6725.82 kg 则工业用氧总量为：=6974.68 kg 0.98498 . 0 82.6725 (其中：氧气=6974.680.98=6835.18 kg；氮气=6974.680.02= 139.49 kg) 所以未反应掉的氧气=6835.186725.82=109.36 kg 反应生成物： 醋酸：23281.69+646.72=23928.41kg；甲酸：247.91 kg；co2：237.13kg；水： 97.01kg； (4) 催化剂用量 催 化 剂 溶 液 中 醋 酸 锰 用 量 取 氧 化 塔 进 料 乙 醛 重 量 的 0.08%，原料催化剂中醋 酸锰的含量为 10%，设催化剂溶液用量为 x 1 5 ， 0.0008(18000+x)=0.1x 解得 x=145.16 kg 其中：醋酸锰 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 ： 设 保 安 氮 为 x kg 塔 顶 干 气 量 计 算 ： 氮 气 139.49+0.97x；氧气 109.36+0.03x；二氧化碳 237.13 kg 则=45%，解得 x=152.31 kg 13.23736.10949.139 97 . 0 49.139 x x (其中氮气：152.310.97=147.74 kg；氧气：152.310.03=4.57 kg) 塔顶干气量：氮气：139.49+0.97152.31=287.23kg;氧气： 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 整理以上数据，得出氧化塔物料衡算结果，见表 3-4。 表 3-4 氧化部分物料衡算 进料出料 含量(%)质量(kg)含量(%)质量(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 业 氧 氧气 氮气 98 2 6835.18 139.49 氧 化 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸锰 97.7 0.79 1.01 0.34 0.07 0.09 24033.5 194.55 247.91 82.74 18 14.52 8 上24591.22 工 业 氮 氮气 氧气 97 3 147.74 4.57 小 计下680.91 催 化 剂 醋酸 水 醋酸锰 60 30 10 87.09 43.54 14.52 放 空 废 气 二氧化碳 氮气 氧气 乙醛 237.13 287.23 113.93 42.62 总 计25272.13 kg25272.13 kg 3.2 蒸发器物料衡算蒸发器物料衡算 f=24591.22 kg；醋酸锰含量：0.09；蒸发器进出物料见图 3-2。 由 fx0=lx1 解得 l=276.65 kg/h 1 0 x fx %0 . 8 0.09%22.24591 w=f (1x0/x1) 解得 w=24314.57 kg/h 表 3-5 蒸发器物料衡算 进料出料 含量(%)质量(kg)含量(%)质量(kg) a 蒸 发 器 气 相 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸锰 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 醋酸锰 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 发 器 液 相 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸锰 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总 计24591.2224591.22 图 3-2 蒸发器进出物料 图 w 蒸发器 f l 9 3.3 精馏塔物料衡算精馏塔物料衡算 已知：f=24314.57 kg/h；醋 酸 质 量 分数 0.985， 水 的 质 量 分 数 0.0083。 设定：馏 出 液 中 醋 酸 含 量 3%； 釜 液 中 成 品 醋 酸 含 量 99.8%。 精馏塔进出物料图见图 3-3。 得出，进料组成，0273 . 0 60/985 . 0 18/0083 . 0 18/0083 . 0 f x 进料平均摩尔质量 mm=0.027318+(10.0273)60=58.85kg/kmol 进料流量 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/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 由前面的计算可知：(1)进料流量 f=234.70 kg/h；(2)回收后粗醋酸含量一般在 6 5%以上16 (这里按 65%计算) 设定：副 产 物 中 含 1 . 5 % 的 醋 酸 ， 醋 酸 回 收 塔 进 出 物 料 图见 图 3-4。 f 精馏塔 w d 图 3-3 精馏塔 1 进出物料图 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 整理以上数据得到总物料衡算结果：见表 3-6： 表 3-6 总物料衡算结果 进料出料 名称质量(kg)名称质量(kg) 乙醛 乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 17910 18 54 18 放空 废气 二氧化碳 氮气 氧气 乙醛 237.13 287.23 113.93 42.62 工业 氧气 氧气 氮气 6835.18 139.49 催化剂残液 粗醋酸 成品醋酸 276.65 5.54 24079.87 工业 氮气 氮气 氧气 147.74 14.57 催化剂 醋酸 水 醋酸锰 87.09 43.54 14.52 其它副产物产量229.16 总计25272.13 kg25272.13kg 回收塔 f 图 3-4 回收塔进出物料图 副产物 x 粗醋酸 y 11 第四章 热量衡算 4.1 氧化塔热量衡算氧化塔热量衡算 设计条件为：每小时接料工业乙醛18000kg，选择年工作时间8000h，年产 工业醋酸18104吨。乙醛转化率为99.3%，计算基准温度为298k(25)。 氧化塔进料情况如表 4-1 所示。 (1)热力学数据，见表4-2； (2)各物流带入热量按q=wct kj/h计算，按表4-3 (3)反应热hr0，主反应和副反应的hr0可由生成热hf，2980或燃烧热 hc，2980求得； 主反应：ch3cho+o2 ch3cooh (96%) 2 1 hr，主 0=(1165.79)(874.37)=291.42kj/mol 乙醛 副反应：3ch3cho+3o2 hcooh+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 氧化塔进料情况(kg/h) 进料出料 含量(%)质量(kg)含量(%)质量(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 业 氧 氧气 氮气 98 2 6835.18 139.49 氧 化 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸锰 97.7 0.79 1.01 0.34 0.07 0.09 24033.5 194.55 247.91 82.74 18 14.52 上24591.22 工 业 氮 氮气 氧气 97 3 147.74 4.57 小 计下680.91 催 化 剂 醋酸 水 醋酸锰 60 30 10 87.09 43.54 14.52 放 空 废 气 二氧化碳 氮气 氧气 乙醛 237.13 287.23 113.93 42.62 总 计25272.13 kg25272.13 kg 12 表 4-2 氧化塔进料情况(mol/h) 进料出料 体积 v(%) mol 质量 (kmol) 体积 v(%) mol 质量 (kmol) 原 料 乙 醛 乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 407.05 0.3 3 0.1040 工 业 氧 氧气 氮气 97.9 2.1 213.599 4.982 氧 化 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸锰 400.56 10.81 5.39 1.88 0.1364 0.0839 工 业 氮 氮气 氧气 97.3 2.7 5.276 0.1428 放 空 废 气 二氧化碳 氮气 氧气 乙醛 26.71 50.84 17.65 4.80 5.389 10.258 3.560 0.9686催 化 剂 醋酸 水 醋酸锰 1.4515 2.419 0.0839 小 计10020.1756 总 计25272.13 kg25272.13 kg 计算结果如表4-3所示： 表4-3 hr0计算结果 反应消耗乙醛hr0kj/mol反应热hr0,kj/h 主反应388.03291.42291.42388.031000=113079.703103 副反应16.17497.99497.9916.171000=8052.498103 共计121132.201103 (4) 氧 化 塔 顶 部 排 出 的 气 体 所 带 出 的 热 量 氧化塔顶部排出气体量： 组分 co2 n2 o2 ch3cho kmol 5.389 10.258 3.560 0.9686 表4-4 各物流代入热量 17 工业氧 o2工业氮 n2工业乙醛 q乙醛，kj/h回流液 q 回 催化液 q 催 00q乙醛=179102.186(293298) =195756.3 q水=544.1868(293298)=1130.436 q三聚乙醛=181.8003(293298)=162.027 00 13 q醋酸=181.996(293298)=119.76 小计=197168.523 表4-5 热力学数据表 名称cp hf，2980hc，2980 气体 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 4.268 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 液体 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计算，n为分子中原子数目 18 。 氧化塔顶部排出气体所带出的热量 按 hi0=nicpidt+nihi 相变 cpi值查表，(hv0)乙醛取(hv，2980)乙醛 2 1 t t =26.69kj/mol, 塔顶排出气体温度 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 14 =0.9686(31.054+117.273103t36.577106t2)dt=26774.01kj/h choch q 3 313 298 qi=3198.80+15001.60+1944.83+26774.01=46919.24kj/h (5) 氧化液带出的热量：q液=cpimit 氧化液组成见平衡物料表：t=333298=35k，相对应的： =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 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) 热损失按热输入的1%计算，则 q损=q入1%=(q乙醛+q回流+q反)1%=(197168.523+0+121132.201103)= 1209350.32kj/h 热量衡算结果如表4-6。 表4-6热量衡算结果 输入输出 项目kj/h项目kj/h 工业氧 工业氮 工业乙醛 催化液 反应热 0 0 197168.523 0 121132.201103 氧化液 塔顶排出气体 热损 循环液移走(差值) 48912359.36 46919.24 1209350.32 117944001.8 总计120935.03103120935.03103 4.1.1 氧化液循环量及冷却水用量氧化液循环量及冷却水用量 (1) 氧化液循环量氧化液循环量 氧化液的平均热容： c=1.99580.977+4.18680.0079+2.1670.0101+2.1860.0034+1.80030.0007+2.30 15 270.0009=2.01562406 kj/kgk取值c=2.02kj/kgk，循环量wkg/h， t=313298=15k，则w=2335.52t/h 1502 . 2 1040.70766 3 (2) 冷却用水量冷却用水量 设定水的进口温度为298k，出口温度为318k，t=26k，则需用水量 w=650.087t/h 261868 . 4 1040.70766 3 安全系数取1.1，则水用量=w1.1=715.0958 t/h或者715.10 m3/h 4.2 蒸发器热量衡算蒸发器热量衡算 表 4-7 蒸发器物料衡算结果 进料出料 含量(%)质量(kg)含量(%)质量(kg) a 蒸 发 器 气 相 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸锰 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 醋酸锰 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 发 器 液 相 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸锰 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总 计24591.2224591.22 c=1.99580.985+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，循环量wkg/h， t=313298=15k，则w=793.18t/h 1503 . 2 5 . 24033 4.2.1 冷却用水量冷却用水量 设定水的进口温度为298k，出口温度为318k，t=26k，则需用水量 w=428.898 t/h 261868 . 4 13.46688477 q损=q入1%=48912359.360.01= 489123.59 kj/h 16 安全系数取1.1，则 水用量=w1.1=471.7879 t/h或者471.80 m3/h 表4-8 热量衡算结果 输入输出 项目kj/h项目kj/h 氧化液 输入热 48912359.36 0 氧化液 热损 循环液移走(差值) 1734758.64 489123.59 46688477.13 总计48912359.3648912359.36 4.3 精馏段热量衡算精馏段热量衡算 表 4-9 精馏塔物料衡算结果 进料出料 含量(%)质量(kg)含量(%)质量(kg) 馏 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 0.43 0.21 0.03 23949.85 128.60 106.95 72.47 18 釜 残 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馏出液=24079.87m釜残液=234.7总 计24314.5724314.57 4 .3.1 醋酸回收塔冷凝器热量衡算醋酸回收塔冷凝器热量衡算 f,xf,if v, ivd d, xd,ildl, xd,ild lilm w qc vivw w, xw,ilw qb 17 图4-1 精馏段热量衡算 对图4-1全凝器做热量衡算，以单位时间为基准，忽略热量损失，则 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=全凝器的热负荷(kj/h)；ivd=塔顶上升蒸汽的焓(kj/kmol)； ild=塔顶馏出液的焓(kj/kmol)。冷却介质消耗量wc=。 )( 12 ttc q pc c 式中：wc=冷却介质消耗量(kg/h)；cpc=冷却介质的比热容kj/(kg)； t1,t2=分别为冷却介质在冷凝器的进出口处的温度()。 c=1.99580.03+4.18680.0516+2.1670.3681+2.1860.3088+1.80030.0767 c=1.88670539 kj/kgk 取值c=1.89kj/kgk，循环量wkg/h， t=313298=15k，则w=844.79t/h；q釜=234.71.89=443.583 kj/ h 1589 . 1 85.23949 4.3.2 再沸器的热负荷再沸器的热负荷 以单位时间为基准，则qb=vivw+wilw-lilm+ql 式中qb=再沸器的热负荷(kj/h)；ql=再沸器的热损失(kj/h)； ivw=再沸器中上升蒸汽的焓(kj/kmol)； ilw=釜残液的焓(kj/kmol)；ilm=提馏段底层塔板下降液体的焓(kj/kmol)。 若近似取ilw=ilm，且因v=l-w则qb=v(ivw-ilw) +ql 加热介质消耗量可由下式计算wh= 21bb b ii q 式中wh为加热介质的消耗量(kg/h) ib1，ib2分别为加热介质进、出再沸器的焓(kj/kg) 4.3.3 冷却用水量冷却用水量 设定水的进口温度为298k，出口温度为318k，t=26k， 则需用水量 w=47.5958 t/h 261868. 4 35181124.99 q损=q入1%=8423679.3530.01= 84236.79 kj/h 安全系数取1.1，则 18 水用量=w1.1=52.35536 t/h或者52.36 m3/h 表4-10 热量衡算结果 输入输出 项目kj/h项目kj/h 氧化液 输入热 釜残液加入 1734758.64 6688477.13 443.583 氧化液 热损 循环液移走(差值) 3158317.57 84236.79 5181124.993 总计8423679.3538423679.353 第五章 塔体设计 5.1 精馏塔设计精馏塔设计 由前面的物料衡算得精馏塔的基本数据： f=413.16kmol/h，xf=0.0273， d=11.57kmol/h，xd=0.9456， w=401.59kmol/h，xw=8.4310-4，进料平均摩尔质量 mm=58.85kg/kmol 根据工艺条件确定塔内温度：塔顶：100103；塔底：118124。 塔内压力设为常压p=101. 3kpa，水和醋酸的安托尼常数见表5-1。 表5-1 水和醋酸的安托尼常数 1 8 物料abc 水 醋酸 7.07406 6.42452 1657.46 1479.02 227.02 216.82 5.1.1 回流比和理论塔板数回流比和理论塔板数 (1) 相对挥发度 设定泡点t=117.15，则相对于水 lgp0a=7.07406=2.2582 解得p0a=181.22kpa； 15.11702.227 46.1657 同理，相对于醋酸 lgp0b=6.42452=1.9959 解得p0b=99.06kpa 15.11782.216 02.1479 则 x=0.0273 06.9922.181 06.99 3 . 101 00 0 ba b pp pp 与xf=0.0273完全吻合，所以设定的泡点温度117.15合理有效。 19 相对挥发度=1.83 06.99 22.181 (2) 回流比 设定为泡点进料，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) 理论塔板数(简捷法) 全回流时：nmin=1=1 lg 1 1 lg w w d d x x x x 83 . 1 lg 108.43 108.431 9456. 01 9456 . 0 lg 4- -4 解得nmin=15.4371 那么=0.32，从吉利兰图上查得 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 精馏段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，从吉利兰图上查得=0.38 1 min r rr 107.16 61.1407.16 2 1 min1 n nn 2 64 . 9 1 1 n n 解得 n1=16.77；由此确定从塔顶往下数第 12 层板为加料板。 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查得塔顶与塔底平均温度下的液相粘度