化学专业毕业论文27544

1、1 概述1.1 丁炔二醇的物理性质 2-丁炔-1，4-二醇俗称丁炔二醇，结构式为hoch2ccch2oh,分子式为c4h6o2，是一种无色晶体，工业品一般带有淡黄色或琥珀色，属于斜方晶系结构，具有较强的吸水性，有轻微的、类似焦炭的气味。易溶于水乙醇、丙酮等强极性溶剂中，只微溶于醚和苯中，几乎不溶于烃类化合物1，丁炔二醇物理性质如表1。丁炔二醇对眼和呼吸道有刺激性，对皮肤有刺激和致敏作用，口服刺激消化道，引起恶心、呕吐甚至惊厥。因此，常用危险化学品的分类及标（gb-13690-92）将该物质划为第6.1类毒害品2。表1 丁炔二醇的物理性质一览表项目物理性质熔点，沸点，相对密度闪点，燃点，蒸发热，

2、kj/mol燃烧热，kj/mol溶解度（水）581011.11415233550.2822043741.2 丁炔二醇的化学性质分解反应 丁炔二醇在高温下不稳定，在160200可以缓慢分解，当温度高于200时，发生猛烈分解。碱金属氧化物、强酸、某些重金属盐，尤其是汞盐都能加速分解3。酯化反应丁炔二醇与一般的醇一样可以进行羟基反应。两个羟基都可以发生酯化反应。与酸或酸酐可以得到单酯、二酯或混合物。这些酯类易发生歧化反应。烷基化反应 丁炔二醇可以进行烷基化反应，与芳醚进行的烷基化过程是可逆的。醇醛缩合反应 在酸性催化剂存在下，丁炔二醇与醛或缩醛反应生成醇醛缩合物，它们是用于高能固体发动机燃料的聚氨基

3、乙炔酯的中间体。hoch2ccch2ohho(ch2ccch2och2o)nh环化反应 在羟基镍-膦络合物存在下，丁炔二醇可以环化生成六羟甲基苯。与氨催化剂一起加热生成吡咯或它的衍生物。异构化反应 在汞盐存在下，丁炔二醇容易异构化生成1-羟基-3丁烯-2-酮，其与水、醇、羧酸等带有活泼轻的化合物加成生成1，4-二羟基-2-丁酮或相应的衍生物。hoch2ccch2oh ch2chcoch2ohch2chcoch2oh + h2o hoch2ch2coch2o氧化反应 丁炔二醇易发生氧化反应。电解氧化能得到高收率的2-丁炔二酸。用过氧乙酸氧化生成丙二酸。加成反应 丁炔二醇的三键能进行与乙炔相同的普

4、通加成反应。部分加氢生成2-丁烯-1，4-二醇，完全加成生成1，4-丁二醇。每摩尔丁炔二醇可以与两摩尔氯进行加成反应，但只能与一摩尔溴或碘起加成反应。用盐酸进行非催化加成，同时有一个羟基被取代，生成2，4-二氯-2-丁烯-1-醇。用汞盐或铜盐催化，不发生取代反应4。1.3 丁炔二醇用途工业生产的大部分丁炔二醇经加氢制备2-丁烯-1，4-二醇和丁二醇。同时，丁炔二醇也是重要的中间体，用于生产醇酸树脂、聚氨酯、增塑剂、纺织用助剂等，也用于生产燕麦除草剂n-（3-氯苯）氨基甲酸-4-氯-2-丁炔酯。与环氧乙烷反应并通过溴在三键加成制备阻燃剂。还可以生产杀虫剂、杀菌剂、特殊溶剂、高能燃料、石油加工用化

5、学品等。1,4-丁炔二醇(bd)在电镀工业中用作光亮剂，是光亮镀镍的主要光亮剂，也可用作多层镍的光亮剂，除了能起光亮作用外，还具有整平作用。此外，还可作为其它光亮剂的主要生产原料。1,4-丁炔二醇(bd)经催化加氢制备的1,4-丁二醇(简称bdo)是一种重要的有机化工产品，主要用于生产四氢呋喃(thf), -丁内酯(gbl),聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)和聚氨酯(pu)。图1为bd的主要下游产品。丁炔二醇（bd）1，4-丁二醇（bdo）聚二苯二甲酸丁二醇酯四氢呋喃-丁内酯聚氨酯其它用途丁炔二醇衍生物聚四亚甲基乙二醇醚聚酯醚弹性体热塑性聚氨酯图1 丁炔二醇主要下游产品四氢呋喃主要用于生产聚四亚

6、甲基乙二醇醚(ptmeg)。ptmeg用于生产注塑和热塑性聚氨酯弹性体、弹性纤维(spandex)和高性能共聚酯醚弹性体，ptmeg是氨纶的原料，氨纶是新一代化纤原料，1999年底，全球ptmeg的生产能力约21.85万吨5，我国氨纶生产所需原料全部依赖进口，ptmeg供应紧张，氨纶生产不易得到便宜的原料供应。其余的thf主要用于生产聚氯乙烯胶合剂、涂料和精密磁带中作溶剂，以及在制药中用作反应溶剂。-丁内酯有很强的溶介性能，是一种具有高导电率的特殊溶剂，是聚丙烯睛、环氧树酯酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯乙烯及其共聚物，纤维素聚合物的优良溶剂。gbl主要用于生产n-甲基吡咯烷酮。而n-甲基吡咯烷酮大量

7、用于乙炔、丁二烯、异戊二烯等萃取回收和合成气脱硫，并用于农药、工程塑料、涂料、合成纤维、集成电路生产的溶剂，还可作清洗剂、分散剂、染色助剂、润滑油抗冻剂、电子器件等。聚氨酯在我们的生活里发挥着巨大作用，其代表产品有舒适、柔软、具伸缩性及弹性设计自由的氨纶弹性纤维，具有优良弹性和耐磨耗性的运动鞋的鞋底，在电子用品方面被作为各种记录媒体磁性材料的粘接剂等等。此外聚氨酯也是不可缺少的工业用材料。目前国内四氢呋喃主要用于医药的生产，但现有生产能力仅5000公吨左右，每年需进口四氢呋喃约5000公吨。国内thf的主要生产企业有上海吴淞化工厂、东北制药厂、江苏扬州化工厂、上海宝山四方化工厂、浙江仙居化肥厂

8、以及齐齐哈尔市前进化工厂等。目前thf主要下游产品ptmeg在国内还无工业化的生产设备，国内弹性纤维厂均使用进口产品。ptmeg是氨纶的原料，国家“十五”规划在温州和福建等地建设万吨级氨纶及配套装置。2000年国内生产四氢呋喃所需的丁二醇约7500吨，2005年达到1.2万公吨左右，成为仅次于聚对苯二甲酸丁二醇酯的第二大需求领域6。1.4 合成技术及工艺流程1.4.1 反应机理工业上生产丁炔二醇的唯一方法是reppe法，也称为炔醛法，此法于20世纪40年代开始工业化。该法以含铋的乙炔铜络合物为催化剂，含铋乙炔铜络合物吸附在硅胶载体上，乙炔与甲醛水溶液反应生成丁炔二醇，并放出热量。1.4.2 反

9、应流程丁炔二醇生产方法只有一种途径即炔醛法，但使用不同的反应器将导致不同的反应条件和产物收率，目前工业生产中所用的反应器主要有固定床、悬浮床和淤浆床。固定床反应器工艺在固定床反应器中，使用的催化剂直径为35mm，长度约10mm。经中和处理至ph为56的一定浓度的甲醛溶液用泵由反应器顶部加入，与乙炔气一起从上向下流动经过催化剂床层，发生炔化反应。反应器使用不锈钢制造，可以使用一台或多台串联6。反应温度为90100，乙炔分压500600kpa。丁炔二醇收率可以达到90%以上。炔化产物中含有45%的丙炔醇及少量甲醛和12%的其他副产物（主要是甲酸钠和高沸物）。反应后的物料经气液分离，在脱氢塔中由塔顶

10、脱除甲醇、丙炔醇等轻组分。塔底物料经中和、分离后得到丁炔二醇水溶液。脱轻塔分离出的甲醇和丙炔醇进一步脱除甲醇，剩余的丙炔醇可以返回使用7。对丁炔二醇水溶液提浓结晶或进行减压蒸馏得到晶体的丁炔二醇8。其工艺流程简图如图2。混合槽反应器气液分离器脱轻塔脱甲醇塔缓冲器中和罐分离器甲醛naoh至混合罐naoh+h2o去焚烧丁炔二醇水溶液乙炔图2 reppe法固定床工艺流程简图甲醛悬浮床反应器工艺 悬浮床工艺使用的催化剂直径为0.12mm，从反应器底部引入乙炔和甲醛，也有采用甲醛溶液溶解乙炔进料。在反应过程中，催化剂床层呈接近于流化状态的悬浮状，其优点是避免了催化剂结块和变干，有利于提高催化剂的活性和使

11、用寿命，也利于安全生产。其流程与固定床工艺相比，只是在反应器的形式上有差别，其余基本相同。淤浆床炔化工艺在淤浆床工艺中，使用一台或多台串联搅拌釜式反应器，催化剂和甲醛水溶液混合形成淤浆加入反应器，从反应器下部连续引入乙炔9。为了提高气体分散程度，可以采用设置筛板或增加气体入口等措施。利用搅拌、气体鼓泡等方式使物料充分混合，可以较安全、稳定地进行生产。据报道，在年产100kt的生产装置中，用四个搅拌釜串联，第一个反应器体积可以达到75m，具有较好的应用性能，也有专利报道了在一组串联反应器中连续化生产丁炔二醇的研究和工艺改进技术。此外，negel介绍了一种脉冲式淤浆床反应器，能提高传热、传质性能，

12、可以在较高的甲醛浓度下操作，提高了催化剂的时空收率10。在淤浆床中反应后的物料，要进行产品和催化剂的分离，有一些悬浮的细颗粒催化剂不易除去，可以使用一种具有0.0050.2um，孔径的聚酰胺过滤，将含有细颗粒催化剂的丁炔二醇溶液以大于1m/s的流速通过这个过滤膜将其分离。催化剂处理釜反应器沉降分离器过滤器脱轻组分塔脱甲醇塔催化剂naoh+h2o乙炔至处理釜丁炔二醇水溶液甲醇至反应器图3 reppe法淤浆床工艺流程图1.5 丁炔二醇的国内外现状及前景1.5.1 国外生产状况1998年全球丁炔二醇生产能力为32万t/a，到2005年又有23万t/a左右的新装置投产，目前全球约有60万吨/a的生产能

13、力。其中美国basf公司经过2003年扩建以后其在德克萨斯州和路易斯安那州两厂的生产能力已达到13.0万t/a，居于全球之首。美国的丁炔二醇的年产量约为20万吨，除美国外，德国、日本产量均在10万吨以上11。表2 国外丁炔二醇主要生产厂家及生产能力国家公司生产能力（万t/a）美国德国日本韩国basfispdupontgafrasfsisasbasf新华石化13.02.52.56.013.010.62.52.01.5.2 国外消费需求丁炔二醇是一种重要的有机化学原料，常作为中间产品，一般用于生产bdo，1998年全球bdo消费量58.4万t,其中用于生产thf的有20.06万t,占消费市场的35

14、%；用于生产pbt的有18.8万t,占消费市场的32%。至2000年底,全球市场需求量达到约64万t,消费结构为thf占36%、pbt占32%、gbl占14%聚氨基甲酸酯占12%，共聚酯醚类占3%、其他用途占3%。因为以顺酐和丁烷为原料的bdo生产装置可联产thf和gbl, 因此在bdo的未来消费中，thf和gbl的比例将有所下降12。1998-2005年bdo消费增长最快的3大领域为copes、pbt、pu，年平均增长率分别为11.3%、6.6%、5.1%。新建装置投产后,供需关系将出现变化：2005年美国和欧洲将从出口国转变为产需基本平衡；日本由于消费增加却没有新的建设计划,将成为纯进口国

15、；东亚(不包括中国)虽然有新的bdo装置在建,并在2005年前投入生产，但每年的消费需求增长近14.5%，将继续是纯进口地区；中东由于新装置的投产，将成为纯出口地区。1.5.3 国内生产情况我国丁炔二醇技术的开发始于20世纪60年代,东北制药总厂和上海吴淞化工厂率先利用国内开发的reppe法技术,采用传统电石乙炔为原料,建成百吨级生产装置(后者于1995年扩建为2000 t/a)。此外,湖北荆门化工总厂的丁炔二醇700 t/a、bdo 300t/a装置规模较大,生产较正常13。1999年底,山东东营利用引进davy mckee技术以顺酐为原料的1万t/a装置建成投产,使我国bdo生产技术接近世

16、界先进水平,总生产能力接近1.5万t/a。由于生产bdo成本高,故目前大多数生产厂家仅生产丁炔二醇,导致bdo产量较少,国内市场所需bdo主要依赖进口。迄今为止,我国已投入生产的bdo装置有13套,其中百吨级的4套,千吨级的7套万吨级的2套,总生产能力约为3.9万t/a。国内还有许多单位计划建设bdo装置，如锦西炼化总厂、吐哈油田天然气化工总厂、仪征精细化工总公司等。表3列出了国内bdo生产厂家及能力。1.5.4 国内消费需求我国bdo的产量一直以丁炔二醇标准为计算，我国bdo消费主要集中在pb、pu、thf、gbl等领域。1997年国内bdo消耗总计为2.86万t，消费结构为pbt占35%、

17、thf占19%，gbl占17%、pu占10%。有资料显示，20002005年国内bdo消费增长最快的领域为pu、pbt、gbl,年均增长率分别达18%、15%、11.5%。国内市场对bdo产品的需求量在不断增加，而生产能力却严重不足，除山东东营有一套lokt/abdo加氢法生产装置外，还有山西三维集团公司一套炔醛法25kt/a bdo装置，其余装置规模均200-300kt/a，bdo是我国十分紧缺的少数化工原料之一14。丁炔二醇是生产bdo的主要原料，随着丁炔二醇下游产品的快速发展，国内市场上对丁炔二醇的需求也越来越大，目前，我国的丁炔二醇很大程度上还依赖从美国、日本等国进口，因此，国内丁炔二

18、醇需求量存在很大缺口。表3 国内丁炔二醇主要生产产家及生产能力厂家丁炔二醇 t/abdo t/a工艺上海吴淞化工厂山西三维集团公司荆门化工总厂东北制药厂抚顺化肥厂四川南充化肥厂山东藤县化肥厂常州树脂厂江苏徐州溶剂厂山东鲁南化工厂辽宁鞍山化肥厂福建三明化工总厂2000100070030030030030030020003004003000200030004500reppe法reppe法reppe法reppe法reppe法reppe法reppe法reppe法reppe法reppe法reppe法reppe法1.6 课题提出丁炔二醇可由甲醛乙炔化合成，我国发展丁炔二醇生产起步较晚，生产规模小，工艺也比

19、较落后，并且催化剂主要从国外进口，价格昂贵。我国有丰富的煤炭资源，电石产量占世界电石总产量的三分之一左右，因此以电石为原料生产丁炔二醇具有得天独厚的条件和优势15。综上所述，丁炔二醇具有非常广泛的应用以及市场需求，但全国生产总量却很少，目前，山西上规模的丁炔二醇生产厂商仅有三维集团一家，且产量非常少，仅为1000t/a，与日益加大的市场需求相差甚远，丁炔二醇工艺的设计及车间的投产建设不仅带来巨大的经济效益，还将产生深远的社会效益，在金融危机日益加重的形势下，实现丁炔二醇的大规模生产，进而减少从国外进口数量，对缓解金融危机对我国影响将起到积极的作用，同时也可解决当前的就业压力问题，因此，丁炔二醇

20、的研究和生产具有非常重要的意义。2 工艺计算2.1 生产制度和生产方法(1)生产制度本车间的年工作天数为300天，全天连续生产，总工作时间是7200小时。(2)生产方法丁炔二醇生产方法共有三种：固定床法、悬浮床法、淤浆床法，考虑到乙炔的易燃易爆特性，从安全生产和生产效率的角度考虑，本设计采用淤浆床法。所谓淤浆床工艺，是甲醛水溶液和催化剂混合形成淤浆，乙炔从液面下导入催化体系中。该工艺采用呈泥浆状的铜铋催化剂。原料甲醛浓度为20-35%，反应器为搅拌釜，生产可间歇进行，也可连续进行，即让甲醛水溶液依次通过几个串联的反应器，在每个反应器中都通入乙炔，离开最后一个反应器的反应液进入催化剂分离器，使催

21、化剂与反应液分离。回收的催化剂返回反应器循环使用，反应液经分离、精制后得到丁炔二醇产品。该工艺物料混合方式有机械搅拌、气体鼓泡搅拌、声波混合等。另外，增加气体入口，利用筛板，或用气体分散汽轮机，可提高气体分散效果。schoenmann介绍的10万吨级装置，用四个搅拌釜串联，每一个的体积为75m3，采用搅拌、气体分散等多种方式，以排除传质传热限制16。代表性的gaf流程中新鲜和循环乙炔气由反应器上部引入，新鲜和循环的甲醛水溶液由反应器下部通入三个串联带搅拌的釜式反应器中，催化剂呈浆液状态，在温度363-373k，乙炔分压0.04-0.15mpa反应条件下进行炔化。淤浆床反应器改善了反应热的导出，

22、甲醛进料的质量分数提高到37%，以甲醛计转化率为98%，选择性为95%,这种淤浆床工艺的炔化技术能避免滴流床易出现的床层热点及催化剂结块堵塞现象。试验证明，采用这种工艺不仅反应可以在363-373k,压力不超过0.2mpa的温和条件下进行，而且选择性和经济指标均优于滴流床工艺。生产成本主要取决于原料乙炔的来源，其工艺简易，技术成熟。2.2 原材料和成品的技术规格1石灰要求表4 电石车间石灰石规格表caofe2o3+al2o3mgosio2sp92%1%1%1%1.5%84%14%1.5%37%5%99%0.2%0.27%98.5%1%0.5%2.3 生产指标以甲醛计转化率为98%，选择性为95

23、%，甲醛在3个反应釜中转化率分别为x1=72.2%，x2=92.5%,x3=98%。2.4 原料来源甲醛外购，乙炔由电石生产，内部解决，电石外购，用水由地下水提供，公用蒸汽由本厂锅炉提供。2.5 反应器物料衡算本设计采用三个淤浆床反应器串联，可达到所需的较高转化率，该反应器具有反应条件缓和、安全可靠和不易生成聚炔等优点。该反应器中进料为甲醛和乙炔，从塔底同向向上，催化剂同溶液一起加入系统，经气体鼓泡悬浮于溶液之中，反应产物为丁炔二醇和少量丁炔二醇。2.5.1 实际生产丁炔二醇的量设实际生产丁炔二醇的量为x，规定丁炔二醇的损失率0.8%，纯度为98.5%， 则实际生产量=理论生产量+损失量kmo

24、l 则x = 4.772 + 0.8%x 解得 x = 4.81 kmol / h 产物中丙炔醇含量kmol / h 则y=0.09 + 0.8%y 解得 y = 0.091 kmol / h2.5.2 反应器中甲醛消耗情况(1) 生成目标产物消耗量：反应方程式为 hcch + 2hocho hoch2-cc-ch2oh2 1 x 4.81 得 x = 4.812 = 9.62 kmol / h（2）生成副产物消耗量：反应方程式为 hcch + hocho hcc-ch2o1 2x 0.091 得 y = 0.091 kmol / h（3）参加反应的甲醛量为： 转化率 = 参加反应的甲醛量 /

25、 加入系统的甲醛量 x = 得 n = 9.9 kmol / h（4）进入系统的37%甲醛溶液总量： 得 x= 802.7 kg / h2.5.3 反应器中乙炔消耗量：(1)生成主产物消耗量反应方程式为 hcch + 2hocho hoch2-cc-ch2oh 1 1x 4.81得 x = 4.81 kmol/h （2）生成副产物消耗量反应方程式为 hcch + hocho hcc-ch2o1 1 x 0.o91得 x = 0.091 kmol/h 表9 反应器进出口物料平衡表输入输出名称质量流率kg/h组 成% 组 分含 量名称质量流率kg/h组 成%组 分含 量甲 醛溶 液802.7甲醛3

26、7%甲醇 5%水 58%296.99940.135465.566产物418.75c4h602c3h4o413.65.096乙炔气体140.21乙炔99%氧 0.4%ph3 0.17%h2s 0.43%138.8080.5610.2380.603其它524.15甲醛甲醇水废气5.58037.5465.12015.954合计942.91942.87942.91942.93（3）反应消耗乙炔总量为x = 4.81 + 0.506 = 5.37 kmol/h（4)加入含量为99%的乙炔混合气总量为 x = kmol/h反应器进出口物料平衡表如表32.6 乙炔反应器物料衡算本设计采用粒度为5080mm的

27、一等品电石作为原料，与水反应制取乙炔气体，其发气量为285l/kg17。规格如下表：表10 电石规格表组分cac2caocr2o3spsio2mgo含量w%81.3%9.5%3.6%3.6%0.18%0.08%1.350.3%合成工段需要乙炔体积为： v = 22.45.371000 = 12o288 l电石发气量为285 l/kg，故所需电石质量为: kg/h(1)主反应消耗情况 主反应方程式如下：cac2 + 2h2o ca(oh)2 + hcch 1 2 1 1 5.37 由质量守恒求的主反应消耗水量为 m1 = 5.37218 = 193.32 kg/h 主反应生成ca(oh)2质量为

28、 5.37 74 = 397.38 kg/h（2）副反应消耗情况 主要副反应方程式如下： cao + 2h2o ca(oh)2 56 18 74 422.19.5% x y 解得x=12.89 kg/h y=52.99 kg/h（3）已知电石中s,p杂质分别与水反应生成h2s，ph3，则据元素守恒可知其 消耗水量为： s: kg/h p: kg/h综上，反应消耗水总量为m = 193.32 + 12.89 + 0.43 + 0.17 = 206.81 kg/h 生成ca(oh)2总量为 m = 397.38 + 52.99 = 450.37 kg/h炔化反应器进出口物料平衡表如表10表10 乙

29、炔反应器物料平衡表输入输出名称质量流率kg/h组 成%组 分含 量名 称质量流率kg/h组 成%组 分含 量电 石422.1cac2 81.3%cao 9.5%c 3.6%r2o3 3.6%其它 2% 34340.115.215.28.6乙炔气140.2乙炔 99%氧 0.4%ph3 0.17%h2s 0.43%139.620.5610.2380.603水206.812061其它488.71ca(oh)2cr2o3其它450.3715.215.27.94合计628.91628.91628.1628.12.7精馏塔物料衡算据工艺要求，从合成工段反应器输出的溶液需经过一系列分离除杂过程方可得到成品

30、18，故设置分离工段以得到目标产物，本设计采用精馏塔对中间产品进行分离，反应器出料经过中和作为精馏塔进料，进入脱轻组分塔（塔1），甲醇、丁炔醇从塔顶馏出进入脱甲醇塔（塔2），经过提纯的丁炔二醇溶液从塔釜流出。进入塔2的组分经过分馏，塔顶蒸出98%的甲醇溶液，塔底废水可直接排放。假设物料在自反应器出口到精馏塔的输送及中和过程中损失率为0.5%，则各项进料情况为：n丁炔二醇 = 4.81 99.5% = 4.79 kmol/hn丙炔醇 = 0.506 99.5% = 0.091 kmol/hn甲醇 = 1.25 99.5% = 1.24 kmol/hn水 = 25.84 99.5% = 25.7

31、kmol/h对塔1： f = d1 + w1 fxf1 = dxd1 + wxw1基于衡摩尔流假设，当选定回流比r后即可计算精馏段、提馏段的上升蒸汽和下降液体的摩尔流率： v = (r + 1)d ； l = rd v= v + (q 1)f； l= l+qf 对塔2 d1 = d2 + w2 d1xd1 = d2xd2 + w2xw2 据工艺要求xd2 = 98%。对上式代入数据求解，结果汇总于表11和表12精馏段：上升蒸汽摩尔流率v = 26.68 kmol/h； 下降液体摩尔流率l = 1.271 kmol/h ；提馏段：上升蒸汽摩尔流率v= 20.32 kmol/h； 下降液体摩尔流率

32、l= 26.73 kmol/h；表11 精馏塔1物料平衡表进料 塔顶 塔底丙炔醇（kmol/h） 0.091 0.090 0丁炔二醇 4.79 0.0479 4.785 水 25.7 24.1 1.612 甲 醇 1.24 1.23 0.0124质量流率（kg/h） 920.2 478.75 441.45精馏段：上升蒸汽摩尔流率v = 15 kmol/h； 下降液体摩尔流率l = 12.5 kmol/h ；提馏段：上升蒸汽摩尔流率v= 10.5 kmol/h； 下降液体摩尔流率l= 17.2 kmol/h；表12 精馏塔2物料衡算表进料 塔顶 塔底丙炔醇（kmol/h） 0.090 0.090

33、 0 水 23.49 1.175 22.316甲 醇 1.2399 1.22750.012399质量流率（kg/h）478.75 65.567 402.442.8 蒸发釜物料衡算精馏塔1塔底输出的产品为丁炔二醇溶液，本设计拟生产固态丁炔二醇，故需对其进行蒸发脱水，使用设备为蒸发釜。蒸发釜进料即为塔1出料，组分含量见表6，物料经蒸发釜蒸发后，水以蒸汽形式从顶部排出，冷凝回收，丁炔二醇留在底部，输出到包装工序19。物料衡算式为 f = d + w fxf = dxd + wxw 已知 xw = 98.5% ； w = 4.772 kmol/h解得结果如表13 表13 蒸发釜物料衡算表组 成流 率组

34、 成流率进料丁炔二醇丙炔醇水411.515.0425.02出料a水其 它26.8562.048b丁炔二醇水410.3922.16总计441.45441.452.9 干燥器物料衡算和热量衡算1.水分蒸发量生产能力为g1= 410kg/h=0.11kg/s，若以绝对干料计，则gc=g1（1-3%）=0.11=0.12kg/s将湿基含水量换算成干基含水量干料绝干料水分蒸发量为2.空气消耗量按可查出h0=0.008kg水/kg绝气，i0=47.6kj/kg绝干气。设绝干空气的消耗量为l，kg绝干气/s，则干燥系统的热量衡算汇总见下表3.2表14热量衡算汇总收入支出进口空气带入热li0出口废空气带出热l

35、i2湿物料带入热产品带出热干燥系统加入热q0装置的散热损失ql注：热量计算时，时间经1s，温度以0oc为基准。干燥系统包括预热器和干燥器。在热量收支平衡时，li0+q0=li2+ql式中各项分别为li0=47.6l其中，c2为产品的比热，cs为丁炔二醇的比热，为2=0.056104.8=5.87ql常以q0的0.2倍计算，则干燥器的热量衡算方程为47.6l+8.76+5.87+ q0=li2+12.3+0.2q0即0.8q0=li2-47.6l+2.23又i2=（q1+1.88h2）2+2492h2i2=37.37+2561.56h2又li2=li0+ch（t2-t0）+=li0+(cg+cw

36、h0)(t2-t0)+=47.6l+(1.01+1.88既li2=57.86l+143.66又联立求得h2=0.02kg/kg绝干气i2=88.6kj/kg绝干气l=4.67kg绝干气/sq0=180kj3 aspen模拟部分本操作旨在将化工流程模拟软件应用于化工设计，使设计过程更加快捷准确，进一步提高aspen plus软件的简单应用能力。3.1 反应器模拟（1）打开aspen程序，建立新任务；（2）选择模块“reactor”“rstoic”连接物流，并将各项修改名称如下：（3）进入“setup”界面进行“global”全局规定，填写如下：规定“title”为“biyesheji fanyi

37、qi yanzheng moni”（4）进入“components”界面规定组分，“selection”中依次输入各相关组分：ch2o，ch4o，h2o，c2h2，o2，ph3，h2s，c4h6o2，c3h4o，并依次输入各组分id。（5）点击进入“properties”界面，完成物性规定，选择物性方法为“pk-soave”；（6）进入“sream”界面规定物流，依次输入进料甲醛溶液、乙炔混合气体的进料状况。甲醛溶液进料如下：温度：25 压力：1atm总流率：802.7 kg/h 组分含量（质量分数）为甲醛：0.37甲醇：0.05 水：0.58乙炔进料状况如下：温度：25 压力：1atm总流率

38、：5.37 kmol/h 组分含量(摩尔分率)为乙炔 0.99o2 0.004 ph3 0.0017 h2s 0.0043 （7）进入“blocks”界面规定模块，在该界面规定操作条件为： 操作压力：1atm 操作温度：90选择进入“reactions”规定反应，点“new”规定主反应情况。据本设计要求，规定甲醛的转化率为0.972点击“n”规定副反应方程式以及反应程度，输入如下表规定用于副反应的甲醛转化率为0.0092（8）输入完毕，运行程序，结果如下表：物料和热量平衡如下表：由结果可知，过程热量变化为q = (3.3685e+5 )- (2.4521e+6 ) (-2.334e+6) =

39、218.72 kw结果分析可知，其物料进出情况与前物料衡算情况基本一致，故本模拟过程模块选择和物性方法选择基本正确，由结果可直接得出热量变化情况，故可省去热量衡算的求算过程，使设计步骤变得简单准确。3.2 精馏塔设计模拟用aspen plus对精馏塔进行设计模拟，可在已知进料和收率的情况下，得出精馏塔的最佳操作条件，设计出精馏塔的回流比，塔板数等参数，其运行结果可用于后续设计。一般需使用两种不同的模块分别进行设计和验证，并反复修改操作参数，反复运行，以达到最优操作条件，使设计结果更加优化。具体设计过程如下：3.2.1 脱轻组分塔设计（1）打开aspen软件，建立新任务；（2）选择“dstwu”

40、模块，连接物流并修改名称如图；（3）进入“setup”进行全局设置，定义“title”为“jing liu mo ni”（4）进入“components”界面，在“selection”中规定组分，依次查找c3h4o,c4h6o2,h2o,ch4o；（5）进入“properties”界面规定物性，“global”中选择物性方法为“ideal”；（6）点击进入“stream”界面，规定“feed”的进料状况，具体如下：温度：70 压力：1atm 总流率：31.821 kmol/h组分含量为： 丙炔醇：0.091 kmol/h 丁炔二醇：4.79 kmol/h 水：25.7 kmol/h 甲醇：1.

41、24 kmol/h（7）进入“blocks”操作界面，对模块“shejita”进行规定，经反复试验，选择回流比为0.05，其它操作条件如下： 轻组分：甲醇；回收率：0.05；重组分：丁炔二醇；回收率：0.001；塔顶压力：110kpa；再沸器压力：120kpa选择冷凝器为全冷凝。（8）输入完毕，保存并运行程序，输出结果如下:物料和热量衡算结果如下：物流结果汇总见下图：故其热量变化为3.2.2 验证模拟过程（1）建立新模型，选择“radfrac”模块，连接物流并修改名称；（2）全局规定与组分规定同上；（3）“properties”中选择“global”，规定物性方法为“nrtl”（4）“stre

42、ams”中规定“feed”进料状况，具体同设计过程物流规定，此处不再缀余；（5）“blocks”中对“monita”进行规定，“configuration”中数据来源于上述设计结果，具体如下：塔板数：8； 冷凝器类型：全凝回流比：0.04 气相份率：0.78“sreams”中规定进料位置为5 “pressure”中规定塔顶压力为100kpa，全塔压降为10kpa；（6）输入完毕，保存并运行程序，结果汇总如下：总物料和热量衡算和如下：物料结果如下：3.3 脱甲醇塔设计验证模拟塔2设计过程同塔1，此处不再赘述，塔2设计结果如下：由模拟结果可知，其塔板数为8，第一层为冷凝器，从第四层进料，由于其进出

43、口物料状况与工艺要求相符，故该模拟过程正确合理，可用于后续设计。3.4 再沸器设计模拟1打开aspen plus软件，选择“heatx”作为研究模型，连接物流并修改名称如下：2进入“setup”进行全局设置，定义题目如下：3“compnents”中规定组分，依次查找选择“c4h6o2”“h2o”“c3h4o”“ch4o”，并规定id，具体如下图：4点击进入“properties”窗口，规定物性方法为“nrtl”5进入“streams”分别对被加热物料和进口蒸汽进行规定，具体如下：进口温度：80 进料压力：110kpa各物料流量：丁炔二醇：4.6kmol/h 水：24.49丙炔醇：0.05 甲醇

44、：0.9进口蒸汽情况为 进口温度：174 进气压力：0.8mpa 水蒸气流量：50kmol/h6进入“block”界面，选择计算方式为“shortcut”进行简洁计算，选择规定冷物流出口温度，其值为440k。7输入完毕，保存并运行，其结果汇总如下：其各部分进出口状况如下两图：由模拟结果可知，其热负荷与精馏塔再沸器热负荷相符，可得计算换热面积为17.73，传热系数为850w/k，其结果可用于精馏塔再沸器设计。待添加的隐藏文字内容24 设备选型4.1 反应器选型4.1.1 反应器体积计算本设计采用三段串联反应器，以达到课题要求转化率，由于淤浆床工作原理及物料在其中转化情况同釜式反应器相似19，故淤

45、浆床反应器计算采用连续搅拌釜式反应器的计算公式，故多段釜式反应器计算方法如下： 即假设各段反应器的体积和温度均相同，即 k1=k2=k3=k4故第三段反应器出口浓度 据前述物料衡算可求知：=39.728mol/m3； =2.663 mol/m3故解得 =1.46查得： 该系统反应温度为90，故t = 273.13 + 90 = 363.13k,代入上式解得 k = 140； h-1据停留时间定义 得 = 2.58 m3该反应器填充系数为0.7，故vr = = 4 m3故反应体积为4 m34.1.2 高径计算据工程经验，取高径比为10，,，将r代入求解得d = 0.798m h = 7.98m圆

46、整为 d = 0.8m；h = 8m4.1.3 封头选择反应器直径为800mm,查化工机械手册得椭圆形封头尺寸规格如下： dn = 800mm 曲面高度hi = 200mm直边高度h0 = 25mm 故v封头=0.08 m3厚度p = 6mm 内表面积f = 0.757m2故反应器总体积为 m34.1.4 夹套设计据前述aspen模拟结果，反应器共放热q = 218.72kw夹套传热系数取=400kcal/ m2h= j/（m2h）则传热面积 m2为制造方便，取三反应器换热面积相等，单个反应器换热面积为15.7 m2单个反应器总面积为 m2a = 4760.3,故夹套设计合理，且能满足生产要求

47、20.因此夹套尺寸为：取夹套内壁与筒体外壁距离为50mm；夹套高度为： 4.1.5 气体分布器设计据塔设备气体分布器一般要求，孔板孔径一般为；开孔率为10%15%；本设计为了保证气体混合物在系统中有足够的停留时间，要求气体分布器气速为0.5m/s。 则气体分布器总面积 故该气体分布器的开孔率为 取孔径为 分布器的开孔数为 4.1.6 内过滤器设计该反应系统中催化剂以悬浮的形式存在，在产品输出以前需对催化剂进行分离，可供使用的分离器有内过滤器和外过滤器两种，浆态床内过滤器的设计要点是考虑在床层内不致于影响液体的返混和气体的分散性。对小装置而言，可采用烛形过滤器，其结构简单、制作方便。烛形过滤器滤筒的材质可采用金属或塑料管开孔后外包滤布，也可采用素烧滤管或塑料微孔过滤管。一