年产3万吨乙酸乙酯-毕业设计说明书

第 1 页 共 57 页 1 绪论绪论 1 1 乙酸乙酯概述乙酸乙酯概述 1 1 1 乙酸乙酯的简介 乙酸乙酯 EA 又名醋酸乙酯 英文名称 Ethyl acetate 分子式为 C2H8O4 它是一种无色透明具有流动性并且是易挥发的可燃性液体 1 呈强烈清 凉菠萝香气和葡萄酒香味 乙酸乙酯能很好的溶于乙醇 氯仿 乙醚 甘油 丙 二醇 和大多数非挥发性油等有机溶剂中 稍溶于水 25 时 1mL 乙酸乙酯可溶 于 10mL 水中 而且在碱性溶液中易水解成乙酸和乙醇 水分能使其缓慢分解而 呈酸性 乙酸乙酯与水和乙醇皆能形成二元共沸混合物 与水形成的共沸混合物 沸点为 70 4 其中含水量为 6 1 质量分数 与乙醇形成的共沸混合物的沸点 为 71 8 还与 7 8 的水和 9 0 的乙醇形成三元共沸混合物 其沸点为 70 2 下表为乙酸乙酯的一些物化参数 表 1 1 乙酸乙酯的物化参数 2 熔点 83 6临界温度 250 1 折光率 20 1 3708 1 3730临界压力 MPa 3 83 沸点 77 06辛醇 水分配系数的 对数值0 73 对密度 水 1 0 894 0 898闪点 7 2 相对蒸气密度 空气 1 3 04引燃温度 426 饱和蒸气压 kPa 13 33 27 爆炸上限 V V 11 5 燃烧热 kJ mol 2244 2爆炸下限 V V 2 0 室温下的分子偶极距6 555 10 30 1 1 2 乙酸乙酯的用途 乙酸乙酯是重要的精细化工原料 它是一种具有优异溶解性能和快干性能的 溶剂 已广泛应用于化工 医药 纺织 染料 橡胶 涂料 油墨 胶粘剂的生 产中 或作为原料 或作为工艺溶剂 萃取剂 稀释剂等等 由于它具有天然水 果香味 因此还可作为调香剂组分 应用于香料 食品工业中 也可作为粘合剂 用于印刷油墨 人造珍珠等的生产 作为提取剂 用于医药 有机酸的产品的生产 第 2 页 共 57 页 等 此外还可用作生产菠萝 香蕉 草莓等水果香精和威士忌 奶油等香料的原 料 国外乙酸乙酯的消费结构与我国有所不同 美国和欧洲国家乙酸乙酯最大的 应用领域是涂料 其中美国涂料方面的消费量约占总消费量的 60 欧洲在涂料行 业的消费量约占总消费量的 50 日本主要应用在涂料 油墨方面 分别约占总 消费量的 40 和 30 而我国主要应用于涂料 粘合剂和制药领域 3 1 2 乙酸乙酯的产能和市场需求乙酸乙酯的产能和市场需求 1 2 1 世界乙酸乙酯的产能与消费情况 目前乙酸乙酯生产与消费主要集中在西欧 美国和亚洲地区 其中亚洲地区 的生产和消费又主要集中在日本 中国及东南亚国家 4 近年来 世界乙酸乙酯 的生产能力不断增加 2001 年全球乙酸乙酯的生产能力只有 125 0 万吨 年 2006 年生产能力增加到 222 0 万吨 年 2001 2006 年生产能力的年均增长率高达 12 2 其中英国 BP 化学公司是目前世界上最大的乙酸乙酯生产厂家 生产能力 为 22 0 万吨 年 约占世界总生产能力的 9 91 其次是中国江苏索普集团公司 生产能力为 20 0 万吨 年 约占 9 01 表 1 2 为国外乙酸乙酯的生产情况 在涂料方面 使得乙酸乙酯涂料被水性和高固含量涂料 粉末涂料和双组分 涂料夺去了市场额 虽然这种变化还在继续 但乙酸乙酯市场仍然保持持续增长 东南亚地区开始成为全球最重要的乙酸乙酯的产地和消费地 大部分投资于乙酸 乙酯的资金开始将目标投向乙酸乙酯需求量增长迅速的亚洲和中国 1 2 2 我国乙酸乙酯的产能与消费状况 1 生产现状 我国乙酸乙酯的生产始于 20 世纪 50 年代 近年来 随着我国化学工业和医药工 业的快速发展 乙酸乙酯的生产发展很快 生产能力已经从 2001 年的 37 0 万吨 年增加到 2006 年的约 90 0 万吨 年 目前 我国乙酸乙酯的生产厂家有 20 多家 生产企业主要集中在华南和华东地区 其中国内最大的乙酸乙酯生产企业江苏索 普集团产能达到 20 0 万吨 年 约占国内总生产能力的 22 2 与乙酸产品实现了 上下游一体化 产品竞争力较强 80 的乙酸乙酯用于出口 其次是山东金沂蒙 集团公司 生产能力为 16 0 万吨 年 约占国内总生产能力的 13 3 主要原料乙 酸 乙醇均能自给 产品竞争能力也较强 目前国内大型乙酸乙酯企业均采用酯 第 3 页 共 57 页 化法技术 表 1 2 国外乙酸乙酯主要生产情况 生产厂家地址生产能力 万吨 年 美国塞拉尼斯公司德克萨斯州潘帕6 0 美国伊斯曼化学公司德克萨斯州朗维尤6 1 美国 Solution 公司马萨诸塞2 5 巴西罗地亚公司帕利尼涯10 0 默西哥塞拉尼斯公司卡格来吉拉9 2 英国 BP 化学工司赫尔22 0 西班牙 Ereros塔拉戈纳6 0 瑞典 Wweask 乙醇化学公司多姆斯乔3 5 瑞典联合碳化物公司斯德哥尔摩3 0 日本昭和电工公司南阳15 0 日本千叶公司市原4 7 日本协和发酵公司四日市4 0 印度 LAXMI 有机工业公司马哈德3 5 印度 JUBILANT 有机合成公司加劳拉尼蜡3 2 韩国三星 BP 公司蔚山7 0 韩国国际酯类公司蔚山7 5 新加坡塞拉尼斯公司裕廊岛6 0 印度昭和酯类公司梅拉克6 0 南非萨索尔公司赛库达5 0 目前 国内一些大型甲醇羰基合成乙酸企业或者具有乙醇装置的企业已建成 的乙酸乙酯生产装置主要有山东海化股份有限公司采用 DAVY 公司技术 新建 10 0 万吨 年生产装置 吉林燃料乙醇有限公司建成 5 0 万吨 年生产装置 吉安生物化 工公司建成 10 0 万吨 年生产装置 广西新火石化公司拟建 30 0 万吨 年装置 第 一期 10 0 万吨 年已经于 2007 年 4 月 13 日开工 上海吴泾化工有限公司将现在生 产能力扩建到 15 万吨 年 长春天裕生物工程公司将建 5 0 万吨 年生产装置 第 4 页 共 57 页 随着生产能力的不断增加 我国乙酸乙酯的产量也不断增加 5 2001 年我国 乙酸乙酯的产量只有 17 9 万吨 2006 年进一步增加到 63 0 万吨 比 2005 年增长 约 22 19 2001 2006 年产量的平均增长率高达 15 09 截止到 2009 年 10 月底 我国乙酸乙酯生产能力达到约 150 0 万吨 年 表 1 3 国内乙酸乙酯主要生产情况 6 企业名称产能 万吨 年 江苏索普集团20 0 山东金沂蒙集团公司18 0 广东江门谦信化工发展公司10 0 广东顺德冠集团公司气体溶剂有限公司10 0 上海吴泾化工有限公司20 0 扬子江乙酰化工有限公司10 0 江西南昌赣江溶剂厂8 0 广东顺德集团公司4 5 天津冠达集团公司3 5 上海石油化工公司 2 1 上海试剂有限公司2 0 成都有机化工厂2 0 浙江建德建业有机化工有限公司1 2 江苏三木集团公司1 0 山东海化股份有限公司10 0 2 消费现状 进出口情况及发展前景 7 随着生产能力的不断增加 我国乙酸乙酯的产量也不断增加 2008 年尽管受 到金融危机的影响 但是由于 2007 年新增的产能发挥作用 产能仍达到约 95 0 万吨 年 同比增长约 33 8 表 1 4 为我国近年来乙酸乙酯的供需关系 目前 国内乙酸乙酯主要消费地区集中在华东 中南 华北 东北地区 产 品主要用于生产涂料 制药和粘合剂 我国乙酸乙酯的总需求量已达 150 万吨 年 供大于求 届时消费结构将有所变化 其中在制药和粘合剂行业消费的比例将会 第 5 页 共 57 页 有所下降 随着新型高档涂料的不断发展 预计涂料行业对乙酸乙酯的需求量将 会有较大幅度的增加 随着油墨方面的需求量也将有所上升 表 1 4 国内近年来乙酸乙酯的供需关系 单位 万吨 年 年份产量进口量出口量表观消费量 200230 74 581 0934 19 200334 24 271 1937 28 200441 83 462 0743 19 200547 34 641 8850 06 200663 00 9610 9453 02 200771 00 7613 7058 06 200895 00 1118 3976 72 2009 1 6 月 0 038 73 另外 随着乙酸乙酯新用途的不断开发 将会使乙酸乙酯在其他方面用量的比 例也有一定的增加 第 1 页 共 57 页 2 工艺流程的确定工艺流程的确定 2 1 本课题设计内容和要求本课题设计内容和要求 2 1 1 设计要求 乙酸乙酯是一种重要的基本有机化工原料 其生产方法有直接酯化法和间接 酯化法 该产品在酯化工艺中为最基础 也是最重要的酯化产品 研究并设计其 生产工艺具有很重要的意义 2 1 2 具体设计内容 1 查阅文献 了解该产品的性质 性能 合成 应用等 选择合理的生产 原料和制备工艺 采用先进的生产设备和控制手段 编制开题报告 工艺流程方框 图 开题报告 2 根据原料 产品和生产规模 绘制工艺流程草图 进行物料衡算和热量 衡算 物料平衡图 原料消耗 能量消耗综合表 3 进行主体设备和辅助设备的工艺计算与设备选型 并列出设备一览表 4 绘制主体设备图 5 绘制带控制点的工艺流程图 6 进行生产车间布置设计 生产车间平面布置图和立面布置图 7 进行技术分析 经济效益分析 安全评价与环保评价 2 2 设计方案的确定设计方案的确定 目前在世界范围内 上述四种工艺都已经投入运行 但在国内投入运行的只 有酯化法 乙醛缩合法 乙醇脱氢法 乙酸 乙烯加成法在国内还不够成熟 酯化 法中新研究出的催化剂造价过高 乙醇脱氢法适合在乙醇产量高的地区或者是价 格廉价的地区较合适 日本所有的乙酸乙酯都是采用乙醛缩合法 并且综合上面的 概述中几种工艺的对比 本课题采用乙醛缩合法生产乙酸乙酯 2 2 1 反应原理 乙醛缩合法制乙酸乙酯可分为三个阶段 催化剂的制备 乙醛的缩合反应 催化剂的脱除和精馏提纯 1 乙醛的缩合反应 反应在两个串联的反应器中进行 第一个是釜式的反应器 第二个也是采用 第 2 页 共 57 页 釜式的反应器 反应方程式为 CH3CHO Al OC2H5 3 CH3COOC2H5 这样做的好处是 在第一个反应器之中 反应剧烈放出大量的热量 采用釜 式的反应器搅拌的均匀 易于把热量移出 相对于管式的来说 温度易于控制 虽然转化率情况有所降低 但反应的可控性 安全性提高 第二个也采用釜式的 反应器 是考虑到反应进行到后来 放热量已经不多 而且造价低 图 2 2 为缩 合工序的流程简图 图 2 2 缩合工序的流程简图 2 催化剂的脱除 我们通过加水的方法破坏掉催化剂 然后经过蒸发器将粗乙酸乙酯蒸出 氢 氧化铝残液从下面排除 残液再经过一个分离器进一步分离出氢氧化铝 液体部 分可以再返回蒸发器 图 2 3 蒸发工序流程简图 3 精馏提纯 我们采用了三塔的模式 三塔均是常压操作 一塔脱乙醛 二塔脱出乙醇 脱出的乙醇用作生产催化剂 第三塔 塔上得到产品 塔下出重组分 同时还可 以设计一个小塔 用来分离第三塔得到的重组分 有效地分离较纯副产物乙缩醛 产出乙缩醛 做到了副产品的有效利用 第 3 页 共 57 页 图 2 4 精馏提纯工序的流程简图 2 2 2 工艺流程 以下为乙醛缩合法合成乙酸乙酯各个工序的简述 图 2 5 为乙醛缩合法生产 乙酸乙酸工艺流程简图 以乙醇铝作为催化剂 乙醛通过自缩合反应生成乙酸乙酯 通过向单效蒸发 器中加入过量的水 将催化剂乙醇铝破坏 再经过蒸发器将生成的氢氧化铝脱除 再依次通过脱乙醛精馏塔 脱乙醇粗馏塔和脱重组分塔 分别脱除粗乙酯中的乙 醛 乙醇和乙缩醛 在脱重组分精馏塔塔顶得到较纯净的乙酸乙酯产品 图 2 5 乙醛缩合法生产乙酸乙酸工艺流程简图 第 4 页 共 57 页 3 物料衡算 3 1 数据采集数据采集 3 1 1 全流程的工艺数据 1 生产规模 年产 3 万吨乙酸乙酯 2 生产时间 年工作时为 7920 小时 3 生产效率 一步缩合反应釜中乙醛转化率为 86 9 二步缩合反应釜 中乙醛的转化率为 89 3 在两个釜中主反应的选择性都为 99 2 3 1 2 催化剂的配方 1 催化剂的原料配比 见表 3 1 表 3 1 催化剂的原料配比 18 单位 g 乙酸乙酯乙醇铝氯化铝氯化汞碘总计 1402852微量微量175 2 催化剂与原料的质量比 该反应中将催化剂和纯原料的质量比控制在 1 8 3 1 3 操作条件 1 操作压力 全流程的操作为常压操作 2 操作温度 一步反应缩合釜和二步反应缩合釜的操作温度都为 10 单效蒸发器的操作温度为 90 脱乙醛塔塔顶温度和塔底温度为 26 2 和 77 2 脱乙醇塔塔顶温度和塔底温度为 76 3 和 78 2 脱重组分塔塔顶温度和塔底温度为 83 和 110 3 1 4 原料和产品的控制指标 表 3 2 原料乙醛和产品乙酸乙酯的标准 项 目优 等 品 指 标 乙酸乙酯乙醛 纯度 99 7 99 7 水分 0 30 03 续表 3 2 第 5 页 共 57 页 项 目优 等 品 指 标 乙醇含量 0 1 在乙醛进料前进行干燥 干燥后的乙醛纯度为 99 9 3 1 5 物料平衡关系图 全流程的物料平衡简图如下 301 3 303 1 302 3 301 1 301 2 302 1 201 1 202 1 201 2 201 0 R20 1 R202E30 1 302 1 302 2 C30 2 C30 3 303 2 304 1 304 2 C30 4 201 0 乙醛进料 201 1 催化剂进料 201 2 一步反应混合物料 202 1 二步反应混合物料 301 1 含氢氧化铝的混合液 301 2 破坏液 301 3 粗乙酯蒸汽 302 1 塔顶乙醛 302 2 侧线料 302 3 粗乙酯 303 1 塔顶乙醇 303 2 塔底粗乙酯 304 1 乙酸乙酯产品 304 2 乙缩醛 图 3 1 全流程物料平衡关系图 3 2 一步缩合反应釜的物量衡算一步缩合反应釜的物量衡算 本次设计为连续操作 因此以单位 kg h 为基准 纯净乙酸乙酯在脱重组分出口量应为 Whkg 88 3787 24330 997 0 103 7 则需乙醛进料 纯度为 0 999 hkg W 67 3791 999 0 因反应过程中有损失 将乙醛的入口流量定为 3900kg h 图 3 2 一步缩合物料平衡简图 302 1 201 1 201 2 201 0 R201 第 6 页 共 57 页 201 0 中含有 乙醛 kg h 1 89630 9993900 水 kg h9 30 999 19003 201 1 中含有 催化剂用量为 hkg 88 493 8 999 0 1 3896 则催化剂原料中含 乙酯 hkg 1 395 175 140 88 493 铝 hkg 11 14 175 5 88 493 乙醇 hkg 02 79 175 28 88 493 氯化铝 hkg 64 5 175 2 88 493 乙醇和铝在催化剂的作用下生成乙醇铝 2Al 6CH3CH2OH2Al CH3CH2O 3H2 53 96276 36 324 32 14 11x0 9870 85 83 12 201 1 物流中需加入 60kg h 的乙醇来保护催化剂中的乙醇铝 防止其水解失效 201 1 中含有 乙酸乙酯 hkg 1 395 铝 hkg 28 0 98 0 1 11 14 乙醇 hkg 17 686085 70 2 79 其它轻组分 5 640 285 92kg h 乙醇铝 83 12kg h 301 1 流股中为纯度为 99 9 的乙醛 其他为乙酸乙酯 因此 301 1 物料中含 有 乙醛 hkg 150 99965 1 5 第 7 页 共 57 页 乙酸乙酯 hkg 51 0 001 0 65 51 反应器中主反应方程式如下 2C2H4OC4H8O2 88 10 88 12 3947 10 0 8960 992xx 3327 13 副反应方程式如下 C2H4O C6H14O2H2O 123 1118 17 18 02 96 5810 73 4021 06x0 896 0 0141x 2C2H6O 92 14 54 88 因此在 201 2 流股中含有 乙酯 hkg 74 372261 395992 0 896 0 13 3327 乙醛 hkg 07 517 896 0 1 1 3947 乙缩醛 96 58kg h 水 hkg 63 1473 109 3 乙醇 13 29kg h 乙醇铝 83 12kg h 其它微量杂量 5 92kg h 总进口流量为 进口 Whkg 35 448812 839 392 5 17 10361 395 1 3947 总出口流量为 出口 W63 1429 1429 4807 51774 3722 12 8392 5 58 96hkg 35 4488 表 3 3 一步缩合釜物料衡算表 进口物料 kg h 出口物料 kg h 乙酸乙酯395 613722 74 乙醛 3947 1517 07 乙醇68 1748 29 水 3 914 63 乙缩醛 96 5896 58 第 8 页 共 57 页 轻组分5 925 92 乙醇铝83 1283 12 总计4488 354488 35 3 3 二步缩合反应釜的物料衡算二步缩合反应釜的物料衡算 图 3 3 二步缩合物料平衡简图 二步缩合反应釜的出口物流中 主反应方程式为 2C2H4OC4H8O2 88 10 88 12 517 070 9920 998xx 458 5 副反应方程式为 C2H4O C6H14O2H2O 123 1118 17 18 02 12 991 44517 07 x0 893 0 008x 2C2H6O 92 14 7 38 所以 在 202 1 流股中 乙酸乙酯 hkg 24 4181 5 45874 3722 乙醛 hkg 32 55 893 0 1 07 517 乙缩醛 hkg 57 10958 9699 12 水 hkg 07 1644 1 63 14 其它轻组分 5 92kg h 乙醇 hkg 91 5 38 7 29 13 氯化铝 5 74kg h 乙醇铝 83 12kg h 二步缩合反应器中 进口 W63 1429 1429 4807 51774 3722 12 8392 5 58 96hkg 35 4488 202 1 201 2 R202 第 9 页 共 57 页 出口 W92 5 57 10907 1691 4032 5524 4181 hkg 35 448812 83 表 3 4 二步缩合釜物料衡算表 进口物料 kg h 出口物料 kg h 乙酸乙酯3722 744181 24 乙醛517 0755 32 乙醇13 2940 91 水14 6316 07 乙缩醛96 58109 57 乙醇铝83 1283 21 总计4488 354488 35 3 4 单效蒸发器的物料衡算单效蒸发器的物料衡算 此过程主要目的是为了破坏物流中的乙醇铝催化剂 图 3 4 单效蒸发器物料平衡简图 该过程中发生的化学反应为乙醇铝的水解 3H2O Al CH3CH2O 3 3CH3CH2OH Al OH 3 54 06 16213878 27 74 83 12 70 81 40 42 301 1 流股中含有氢氧化铝 铝和氯化铝重组分 重组分被完全脱除 并且 301 1 流股中重组分的质量分数为 0 27 则可求得 301 1 物流中总质量流量为 hkg 81 170 27 0 92 5 02 40 乙缩醛在 301 1 流股中所占的质量分数为 5 则 301 1 流股中含 乙酸乙酯 hkg 27 16295 0 81 170 乙缩醛 hkg 54 8 05 0 81 170 301 1 301 2 301 3202 1 E30 1 第 10 页 共 57 页 202 1 流股是来自二步缩合釜的出口物料 301 3 流股中 乙醛 hkg 42 571 232 55 乙醇 hkg 59 83877 6 81 7091 5 水 hkg 61 1574 272665 0 7 16 乙缩醛 hkg 06 10154 8 57 109 乙酯 hkg 97 411827 16224 418198 9 301 1 流股为氢氧化铝混合物 包括微量的铝和氯化铝 去回收工段 Al OH 3 40 02kg h 铝 0 28kg h 氯化铝 5 61kg h 乙酯 162 27kg h 乙缩醛 8 54kg h 301 2 流股中 水 hkg 65 262665 0 乙醇 2 31kg h 乙酸乙酯 21 6kg h 乙醛 2 91kg h 表 3 5 单效蒸发器物料衡算表 进口物料 kg h 出口物料 kg h 乙酸乙酯4268 124268 12 乙醛57 5457 54 乙醇59 79130 6 水42 7215 61 乙缩醛109 57109 57 乙醇铝83 21 总计4488 354488 35 第 11 页 共 57 页 3 5 脱乙醛塔的物料衡算脱乙醛塔的物料衡算 在该塔中 塔顶轻组分乙醛的质量分数 xD1 0 999 塔底轻组分乙醛的质量分数 xw 0 0001 图 3 5 脱乙醛塔物料平衡简图 对其作物料衡算 D1 W D2 F D1xd1 Wxw D2xD2 FxF 可求得 302 2 流股中 乙醇和乙酯形成共沸精馏 水 6 65kg h 乙醇 18 88kg h 乙酯 86 88kg h 乙醛 2 1kg h 302 3 流股中 乙醛 2 7kg h 乙醇 hkg 42 5488 1859 82 乙酯 hkg 46 401888 8651 0 85 4105 水 hkg 11 9 5 661 15 乙缩醛 47kg h 302 2 流股中 乙醛 52 01kg h 乙酯 0 51kg h 302 1 302 2 302 3301 3 C30 2 第 12 页 共 57 页 表 3 6 脱乙醛塔物料衡算表 进口物料 kg h 出口物料 kg h 乙酯4105 854105 85 乙醇83 5983 59 乙醛57 4257 42 水15 6115 61 乙缩醛101 06 101 06 总计4376 654376 65 3 6 脱乙醇塔脱乙醇塔 图 3 6 脱乙醇塔物料平衡简图 由 F D W FxF DxD WxW 对该精馏塔作物料衡算得 303 1 流股中 因乙醇和乙酯形成共沸物 该物流去回收工段 乙酯 230 2kg h 乙醇 79 6kg h 水 1 71kg h 乙醛 1 8kg h 303 2 流股中 乙酯 hkg 6 3964 2 23018 4194 乙醇 hkg 78 0 6 7942 80 303 1 303 2 C30 3 302 3 第 13 页 共 57 页 乙醛 hkg 54 0 8 134 2 水 hkg 171 1 71 2 乙缩醛 47kg h 表 3 7 脱乙醇塔物料衡算表 进口物料 kg h 出口物料 kg h 乙酯4018 464018 46 乙醇54 4254 42 乙醛2 72 7 水9 119 11 乙缩醛101 06 101 06 总计4185 754185 75 3 7 脱重组分塔脱重组分塔 图 3 7 脱重组分塔物料平衡简图 该塔除去重组分乙缩醛 从精馏塔塔顶得到乙酸乙酯产品 由WDF 得 DWF DxWxFx 304 1 流股中 水 hkg 1 乙醛 hkg 54 0 乙酯 3964 60 01413964 4 kg h 乙醇 hkg 78 0 304 2 流股中 乙酯 0 014kg h 乙缩醛 101 06kg h 303 2 304 1 304 2 C30 4 第 14 页 共 57 页 表 3 8 脱重组分塔物料衡算表 进口物料 kg h 出口物料 kg h 乙酯4018 464018 46 乙醇54 4254 42 乙醛2 72 7 水9 119 11 乙缩醛 101 06 101 06 总计4185 754185 75 第 15 页 共 57 页 4 热量衡算热量衡算 4 14 1 基本数据基本数据 表 4 1 气体热容温度关联式系数 19 21 物质 4 4 3 3 2 210 11 TaTaTaTaaKmolJCid p 0 a 1 a 2 a 3 a 4 a 乙醇4 3960 6285 546 7 0242 685 乙醛4 3790 0743 740 4 4771 641 水4 395 4 1861 405 1 5640 632 乙酸乙酯10 228 14 94813 033 15 7365 999 表 4 2 液体热容温度关联式系数 物质 321 1 DTCTBTAKmolJCp ABCD 乙醇59 34236 358 12 1641 8030 乙醛45 05644 853 16 6072 7000 水92 053 3 9953 2 11030 53469 乙酸乙酯65 83284 097 26 9983 6631 表 4 3 物质的沸点及正常沸点下的蒸发焓 物质沸点 蒸发焓 KJ mol 1 乙醇78 438 93 乙醛20 825 20 乙酸乙酯77 0632 32 水10040 73 乙缩醛102 735 83 4 2 一步缩合釜的热量衡算 一步缩合釜的热量衡算 该工段中反应温度为 10 2 号物流由 25 降到 10 的热料衡算如下 15 283 15 298 32 2 115801000 12 88 1 395 hkJdTDTCTBTAH 乙酸乙酯 15 283 15 298 32 2 5021000 07 46 17 8 hkJdTDTCTBTAH 乙醇 第 16 页 共 57 页 15 283 15 298 2 9611201000 16 162 12 83 hkJdTH 乙醇铝 3 号物流由 21 降到 10 15 283 15 294 32 3 9871000 05 44 51 hkJdTDTCTBTAH 乙醛 15 283 15 294 32 3 17 12 88 51 0 hkJdTDTCTBTAH 乙酸乙酯 主反应产生的热量 15 298 15 283 32 1000 06 44 869 0 992 0 1 3896 dTDTCTBTAH主 15 283 15 298 32 1000 12 88 1 3896992 0 869 0 dTDTCTBTA hkJrHm 10618 3 1000 12 88 1 3896992 0 869 0 6 副反应产生的热量 298 15 23 283 15 0 869 0 008 3896 1 1000 44 06 f HABTCTDT dT m rH 17 118 77 48 hkJ 34808 2510 1081000 17 118 77 48 一步缩合反应釜需要承受的热量为 2 乙酸乙酯H 2 乙醇H 2 乙醇铝H 3 乙醛H 3 乙酸乙酯H 主 H 6 3 667 10 f HkJ h 反应放出的热用 5 的冷冻盐水进行冷却 进口温度为 5 出口温度为 5 冷冻 盐水的比热容为 4 0 P CkJkg K 则单位时间内需要冷冻的量为 6 3 667 10 91675 4 0 10 Wkg h 4 3 二步缩合反应釜热量衡算 二步缩合反应釜热量衡算 主反应的反应热 15 298 15 283 32 1000 06 44 07 517992 0 863 0 dTDTCTBTAH主 15 283 15 295 32 1000 12 88 07 517992 0 863 0 dTDTCTBTA hkJrHm 1086 3 12 88 18 418986 0 863 0 5 副反应的反应热 第 17 页 共 57 页 15 298 15 283 32 1000 06 44 07 517008 0 863 0 dTDTCTBTAH副 m rH 306 44 07 517008 0 863 0 2510 108 17 118 26 5 hkJdTDTCTBTA 38041000 02 18 8 0 15 283 15 298 32 二步缩合反应釜承受的热负荷为 主 H hkJH 109048 3 38041086 3 55 副 反应放出的热同样用 5 的冷冻盐水进行冷却 进口温度为 5 出口温度为 5 冷冻盐水的比热容为 4 0 P CkJkg K 则单位时间内需要冷冻的量为 5 3 9048 10 9762 4 0 10 Wkg h 4 4 单效蒸发器的热量衡算单效蒸发器的热量衡算 该蒸发器的蒸发温度为 90 有少量的水占用的热量小 可忽略不计 且设 单效蒸发器的热量损失为 1 其中流股 5 包括流股 8 则进料流料 5 由原来的 10 升高到 90 放出的热量 为 乙酸乙酯有 46 593kmol 被蒸发掉 则蒸发掉的乙酸乙酯需要的热量为 Q1 dTDTCTBTA 21 350 15 283 32 1000593 46 v H 593 46 363 15 2346 1234 350 21 46 593 1000 0 2 0117 10 aaTa Ta Ta TdTkJ h 蒸发掉的乙醛需要的热量为 Q2 dTTaTaTaTaaHv 100003 1 10003 1 15 363 15 293 4 4 3 3 2 210 hkJdTDTCTBTA 106 2 10003 1 4 95 293 15 283 32 乙醇有 2 83kmol 被蒸发掉 则蒸发掉的乙醇需要的热量为 Q3 dTTaTaTaTaaHv 100083 2 100083 2 15 363 21 350 4 4 3 3 2 210 hkJdTDTCTBTA 1008 1 100083 2 5 65 351 15 283 32 乙缩醛有 0 855kmol 被蒸发掉 则蒸发掉乙缩醛需要的热量为 第 18 页 共 57 页 Q4 hkJdT 1003 4 100083 35457 0 1081000855 0 15 363 15 283 4 在蒸发器内部乙醇铝水解生成氢氧化铝和乙醇吸收热量 Q5 hkJ 1073 4 1001000473 0 4 在 301 1 流股中有将除氢氧化铝外的其它轻组分及乙酸乙酯换算成 50kg h 的 乙酸乙酯 301 1 流股的温度为 90 则需要外界提供的热量为 Q6 hkJdTDTCTBTA 1043 8 1000 12 88 50 3 15 363 15 283 32 则蒸发器总共需外界提供的热量为 Q Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 6 2 147 10 kJ h 单效蒸发器需外界提供热量 该热源为 100 的饱和水蒸气 热源进口为 100 的水蒸气 出口为 100 的热水 100 下的饱和蒸气的压力为 1 0bar 汽化潜 热 r 2257 6 22 kJ kg 则单位时间内需要饱和水蒸气的质量为 6 2 147 10 951 2257 6 Wkg h 4 5 冷凝器的热量衡算冷凝器的热量衡算 将 90 的蒸气冷凝到饱和进料温度 脱乙醛精馏塔饱和进料温度为 20 8 46 593kmol 的乙酯从 90 蒸气冷凝到 20 8 的液体放热为 15 351 15 363 32 1 32 321000593 46 1000593 46dTDTCTBTAH 95 293 15 351 4 4 3 3 2 210 1000593 46dTTaTaTaTaahkJ 1021 1 6 1 3kmol 的乙醛从 90 蒸气冷凝到 20 8 的液体放出热量为 95 293 15 363 2 20 2510003 1 32 10003 1dTDTCTBTAH hkJ 106 1 4 2 83kmol 的乙醇从 90 蒸气冷凝到 20 8 的液体放出热量为 65 350 15 363 3 93 38100083 2 32 100083 2 dTDTCTBTAH 95 293 65 350 4 4 3 3 2 210 100083 2 dTTaTaTaTaa 第 19 页 共 57 页 hkJ 1094 7 4 0 855kmol 的乙酯从 90 蒸气冷凝到 20 8 的液体放出热量为 95 293 15 363 32 4 32 321000855 0 1000855 0 dTDTCTBTAH 3 92 4 10 kJ h 则冷凝总共放出热量为 hkJHHHH 10344 1 6 4321 该冷凝器仍采用冷却盐水 将一釜和二釜的出口盐水用于该冷凝器的进口冷 却盐水 并用该冷凝器中出口盐水的温度控制在 10 则单位时间内需 5 下冷 冻盐水的质量为 6 1 344 10 76800 3 5 5 Wkg h 4 6 脱乙醛塔的热量衡算脱乙醛塔的热量衡算 由以上对精馏一塔物料衡算得 F 4376 65kg h D 52 62kg h 用解析法计算最小回流比 1 1 1 1 min F D F D x x x x R 代入数据求得 336 3 min R 取67 3 1 1RR min 则上升蒸气流量为 V R 1 D 245 73kg h 4 6 1 再沸器的热负荷 1 塔顶上升混合气带出的热量 在塔顶回流液温度为 20 8 与进料的温度相同 则塔顶上升气带出的热量 为 25 20 D Q 43 5578 1000 05 44 73 245 35 299 95 293 4 4 3 3 2 2 1 10 TaTaTaTaa hkJ 104 3 5 2 塔釜残液带出的热量 dTDTCTBTAdTDTCTBTAQW 35 350 95 293 32 35 350 95 293 32 1180 45600 第 20 页 共 57 页 350 35350 35 2323 293 95293 95 61 505 ABTCTDTdTABTCTDTdT 855 115 hkJ 1077 4 5 3 侧线料带出的热量 303 15303 15 2323 293 95293 95 303 15303 15 2323 293 95293 95 985 409 47 369 2486 2 C QABTCTDTdTABTCTDTdT ABTCTDTdTABTCTDTdT kJ h 则再沸器的热负荷为 5535 1 4 77 103 4 102 49 108 19 10 WDC QQQQkJ h 加热介质采用 1 0bar 下的饱和水蒸气 冷却水为 100 的水 则需水蒸气的 量为 5 8 19 10 362 77 2257 6 Wkg h 4 6 2 冷凝器的冷凝量 293 95 234 201234 303 35 1180 1180 25 2029786 QaaTa Ta Ta TdTkJ h 该冷凝器采用进口温度为了 5 出口温度为 5 的冷冻盐水 则需冰冻盐水 的质量为 29786 744 65 4 0 10 Wkg h 4 7 脱乙醇塔的热量衡算脱乙醇塔的热量衡算 由以上对精馏一塔物料衡算得 F 4185 75kg h D 420 43kg h 用解析法计算最小回流比 1 1 1 1 min F D F D x x x x R 代入数据求得 min 2 76R 取 min R1 1R3 036 则上升蒸气的质量流量为 V R 1 D 1276 43kg h 第 21 页 共 57 页 4 7 1 再沸器的热负荷 1 塔顶上升混合气带出的热量 在塔顶回流液温度为 77 2 与进料的温度相同 则塔顶上升气带出的热量 为 349 45 1234 01234 344 15 5 4036 4036 32 32 1187 38 932 043 10 D QaaTa Ta Ta TdT kJ h 2 塔釜残液带出的热量 351 35 23 350 35 41577 855 10 616263 W QABTCTDTdTkJ h 脱乙醇塔承受的热负荷为 55 1 2 043 10162632 21 10 QkJ h 再沸器采用 100 的饱和水蒸气进行加热 则需饱和水蒸气的质量为 5 2 21 10 97 9 2257 6 Wkg h 4 7 2 脱乙醇塔冷凝器热量衡算 脱乙醇塔顶冷凝器需要的冷凝量 344 15 1234 01234 349 45 344 15 12346 01234 349 5 2 4 12108 32 323561 38 93 1 4 063 10 2108 3561 aaTa Ta Ta TdT aaTa Ta Ta TdTkJ h Q 用 10 下的盐水进行冷却 冷凝器冷却水的进口温度为 10 出口温度为 20 则单位时间内需 10 盐水的质量为 6 4 063 10 24402 15 3 7 Wkg h 4 8 脱组分精馏塔的热量衡算脱组分精馏塔的热量衡算 由以上对精馏一塔物料衡算得 F 3767 44kg h D 3666 38kg h 用解析法计算最小回流比 1 1 1 1 min F D F D x x x x R 第 22 页 共 57 页 代入数据求得 min 0 83R 取 min R1 1R0 91 则 V R 1 D 7002 79kg h 4 8 1 再沸器的热负荷 1 塔顶上升混合气带出的热量 在塔顶回流液温度为 20 8 与进料的温度相同 则塔顶上升气带出的热量 为 356 15 12346 01234 351 35 79459 79459 32 322 878 10 D QaaTa Ta Ta TdTkJ h 2 塔釜残液带出的热量 383 15 4 351 35 8551363 1 10 W QdTkJ h 则再沸器的热负荷为 646 1 2 878 103 1 102 908 10 QkJ h 再沸器需要 100 的饱和水蒸气加热 单位时间内需饱和水蒸气的质量为 6 2 908 10 1288 2257 6 Wkg h 4 8 2 脱重组分的冷凝器的热量衡算 则冷凝器的冷凝量为 344 15 12346 01234 356 1 2 5 2 65 10 79459 32 32aaTa Ta Ta TdTkJ hQ 冷凝器采用 10 的盐水 盐水的出口温度定为 50 则单位时间内需 10 的 盐水为 6 2 65 10 17905 3 7 40 Wkg h 第 23 页 共 57 页 5 主要设备的设计与辅助设备的选型主要设备的设计与辅助设备的选型 5 1 一步缩合反应釜的设计一步缩合反应釜的设计 5 1 1 缩合釜釜体的设计 1 缩合釜中混合物的平均密度 n i iix 1 0927 0 7834 0 8713 0 905 0 999 0 00428 0 83 0 01017 0 3 912 0 1 2017 0 7893 0 00333 0 cmg 则混合物的体积为 m978 4 912 35 4488 V 3 查得 装料系数为 0 8 则反应釜的体积为 m11 7 8 0 978 4 V Va 3 2 确定筒体与封头型式以及连接方式 由本设计的聚合条件以及该设备的工艺性质 可以知道其属于带搅拌的低压 反应釜类型 根据惯例 选择圆柱形筒体和椭圆形封头 查化工设计手册得 对 对密封要求较高时 采用焊接连接 3 确定筒体与封头的直径 查 化工设备机械基础 得 取 1 3 23 则反应釜直径估算如下 i DH m90 1 3 1 11 7 44 3 3 i a i DH V D 式中 D 反应釜筒体内径 H 筒体高度 i 经查 符合筒体公称直径的标准 取 D 2000mm 封头取相同的内径 i 4 确定筒体高度 查 化工设备机械基础 得 当公称直径 DN 2000mm 时 标准椭圆形封头 的容积 V 1 1257 筒体每一米高的容积 V 3 142 m 则筒体高度为 h1 3 第 24 页 共 57 页 4 1 1 V VV H h 其中 每个釜的容积 单位为 m V 3 由的值与 1 3 近似相等 则可得 i DH 7 11 1 1257 1 96 2 142 m 解得 7 11 m V 3 取 H 1 3 D 2m i 5 标准椭圆封头的封头高度与直边高度 查化工设计手册得 标准椭圆封头的封头高度为 直边高度为 500mm 0 25 20000 500 4 i D hm 6 确定夹套直径 查 化工设备机械基础 得 夹套直径为 D D 100 2100mm ji 夹套封头也采用椭圆形 并与夹套筒体取相同直径 7 确定夹套高度 夹套筒体的高度估算如下 m 1 0 8 7 11 0 8270 1 760 2 545 h i VV H V 取 H 为 1 8m i 8 传热面积 F 查 化工设备机械基础 得 封头内表面积 Fh 4 493m 筒体一米高内表 2 面积 F1 5 66 m 则传热面积为 2 F Fh 1 1 F1 9 8795 m 2 9 夹套筒体与封头厚度 夹套筒体与内筒的环焊缝 因检测困难 故取焊缝系数 0 6 从安全计夹 套上所有焊缝均取 0 6 封头采用由钢板拼制的标准椭圆形封头 22 材料均为 第 25 页 共 57 页 Q235 B 钢 查 化工设备机械基础 得 夹套厚度为 2 0 1 2000 23 78 2 113 0 60 1 2 i dt pD Cmm p 夹套封头厚度为 2 0 1 2000 23 62 2 113 0 60 5 0 1 20 5 i dt pD Cmm p 式中 p 设计压力 0 1MPa 在设计温度下 Q235 B 钢的许用压力 113MPa t C 腐蚀裕量 2mm 2 圆整至钢板规格厚度 查 化工设备机械基础 取夹套筒体与封头厚度均为 8mm n 10 内筒筒体厚度与封头厚度 查 化工设备机械基础 经过计算可得 内筒筒体厚度与封头厚度均取 10mm 5 1 2 搅拌装置设计 1 搅拌器的型式与主要参数 考虑其工艺条件和搅拌容量 查 化工设备设计基础 和 化工设备机械基 础 得 本设计采用桨式直叶搅拌器 其主要结构参数 D 0 51DN 0 51 2000 1020mm j 则 b 0 20 D 0 20 2000 400mm j H 0 50 D 0 50 2000 1000mm j Z 2 2 搅拌轴直径 经查 化工设备设计基础 得 搅拌轴材料选用 45 钢 24 搅拌功率为 20kW 转速为 80 r min 则 第 26 页 共 57 页 d 365 3 n P 式中 d 搅拌轴直径 mm P 搅拌功率 kW n 搅拌轴转速 r min 材料许用压力 MPa 查 45 号钢得 取为 30MPa 则 20 36579 3 65 30 dmm 表 5 1 缩合釜设计结果一览表 设计项目设计结果 反应釜体积 V m37 11 筒体与封头连接方式焊接 筒体和封头的直径 D mm2000 筒体高度 H mm2000 夹套直径 Dj mm2100 封头高度 h mm50 夹套高度 Hi mm1800 传热面积 F m29 8795 内筒筒体厚度 mm 10 5 2 单效蒸发器的设计与选型单