【年产五万吨乙醛工艺设计8000字（论文）】

[10]。下面是我们给出的针对上述问题解决方案:一，防止催化剂的跑、冒、滴、漏：及时发现和修复再生单元的液位测量系统故障,减少催化剂中钯不必要的消耗。二，防止催化剂被夹带出去:在一定条件下（压力低于一千五帕，两个容器压差为十二万帕）可以防止催化剂被夹带出去，反应整个过程都必须在这个条件以内发生，这样就可以达到设计目的。三，增添催化剂时，防止堆积沉淀：在增添催化剂时，要搅拌静置，让其充分稳定下来，并用盐水冲洗，防止催化剂粘粘至反应器内壁上，重复上述流程，直到清洗干净。总之，通过技术更新，可以有利于催化剂的活性，可以节约乙烯的用量，达到理想收益效果，同时它还具有减少金属钯损失的优点。1.1.2原材料和成品性质及技术规格1.原材料乙烯(分子式为C2H4O)无色、易燃，微甜属于低毒气体，几乎不溶于水。它对呼吸的影响较小，但有很强的麻醉作用。如果吸入过量乙烯会对记忆造成损坏。空气中含量最多的就是氧气（化学式O2），氧气是无色、无味的。氧在标准条件下(0℃)密度是1.429g/L,在水中溶解度很小。在不同的环境条件下有不同的状态，-180℃左右时，是一种浅蓝色液体，在-218℃左右是一种浅蓝色固体。表1原材料中各组分摩尔分数名称氧气氮气乙烯乙烷摩尔分数（％）≥99.0≤1.00≥99.7≤0.32.成品表2成品中各组分摩尔分数名称乙醛水丁醛醋酸摩尔分数（％）≥99.0≤0.06≤0.02≤0.023.生产要求年产五万吨乙醛1.2流程叙述1.2.1总反应流程图图1总反应流程简图1.2.2反应工段简述图2反应工段流程简图压缩机压缩气体，气体是来自吸收塔，然后经过压缩机压缩。气水分离器分离出气体后，进入反应器与乙烯和氧气充分混合后，开始发生反应。在压力2.9-3.5巴、温度120℃-125℃的条件下，在反应器R0101里，盐酸水溶液的作用中，产生了气态乙醛，气态乙醛依次经过第一冷凝器、第二冷凝器和第三冷凝器，此后一起进入吸收塔，从吸收塔出来的乙醛再经过粗醛过滤器，然后被送至粗乙醛储槽。在这中间有很多反应过剩的原料（氧气、乙烯、催化剂），未反应的原料经过除沫器的管道返回反应器，继续参加反应。1.2.3再生工段简述图3再生工段流程简图催化剂和氮气混合进入到旋风分离器V0302，乙醛得到溶解，，并和醋酸一起经过压缩机后，由泵运送至再生器。在此加入氧气约为50－100m3/h，控制温度在120℃，压力9－11bar，在这种条件下，大多数残渣都可以被分解，同时也分解了草酸铜。这样就可以保持残渣量稳定在左右100克/升，防止残渣过多影响反应。在此过后，把符合条件的触媒输送制反应器R0101，继续参加反应工段的反应。这样一个完整可以循环利用的再生工段就完成了，再生工段的反应提高了原料的利用率，同时也提高了生成产品的效率。排出的气体中含有部分气体乙醛，为了回收这些乙醛，要把这些气体运输至冷凝器中冷凝，这样可以得到气体中夹杂着的乙醛，把冷凝出来的乙醛运送至粗乙醛储槽，其他杂物气体送至火炬燃烧排放。1.2.4精馏工段简述图4精馏工段流程简图首先把粗乙醛用泵抽到换热器中，在换热器中温度达到达九十摄氏度，此后进入脱轻组分塔，这时让温度控制在六十摄氏度，压力在3bar。从塔顶出来的氯甲烷等低沸物，进入冷凝器冷凝，剩余的未冷凝气体去了火炬燃烧排放。为了减少被气体带走的乙醛量，我们需要采取一些措施。首先就得要加入萃取液，去除掉存在于沸物中的粗乙醛，从塔顶出来的纯醛进入到纯醛冷凝器，最后运送到成品中去。反应过程中的很多气体都被压缩后继续参加反应，这样一来可以反正其他堆积损坏设备，二来还可以节约原材料，充分利用，提高利用率。还有剩余的气体我们需要运送至火炬燃烧排放掉。燃烧过程可能会有浓浓的黑色的烟雾产生，为了防止这种现象发生，必须加入一些消烟的化学气体，这样不仅可以解决黑烟问题，同时在此过程中可以产生盐酸，可以补贴原材料。生产过程中会产生一些不符合质量规格的乙醛，将这些不符合规格的乙醛放入乙醛储罐中，然后与工艺废水一起进入萃取塔，并同时加入从精馏段中出来的巴豆醛馏分，最后从混合液中萃取出乙醛，剩下来的废液进入巴豆醛贮槽V0405，由槽车定期送往焙烧炉焚烧。粗醛储罐和巴豆醛储罐用氮气保持在3×104帕，纯醛储罐用氮气保持在0.8-1.6×105帕。各储罐排出的气体进入吸收塔回收乙醛。2设计工艺计算公用工程的水、电、汽的消耗，产品的数量，原材料的消耗，副产品都是特别重要的参考指标。我们必须得在整个生产工艺进行物料平衡和热量平衡，因为我们需要知道设计的工艺过程是否合理，是否符合科学依据，是否有实际意义。我们首先得进行物料平衡的计算，这是第一步，也是最重要的一步。2.1物料衡算1.实际生产乙醛量的计算现实得到乙醛量＝计算产的乙醛量＋损失的乙醛量X113.363X×0.72％所以X＝113.636＋0.72％×X解方程得：X＝40.486（kmol/h）2.乙烯损耗的计算（得到目标产品的乙烯消耗量）C2H4+O2→CH3CHO1X198.640X=198.640（kmol/h）3.乙烯量的计算（一开始反应器）收率＝为得到乙醛损耗的乙烯量/反应中的乙烯量×100％36.24%=198.640/XX=533.405（kmol/h）4.乙烯量的计算（副产物损耗）选择性＝为了得到目标产品所要消耗的乙烯/消耗掉原料数量×100％97.92％＝203.502/XX=207.828单位：（kmol/h）乙烯消耗量（副产物）＝267.846-201.502＝4.344（kmol/h）5.耗氧量（得到乙醛）C2H4+O2→CH3CHO1203.502XX=101.751（kmol/h）6.副产物的量及组成我们可以通过质量守恒（碳原子）来计算反应中各种副产物的量，由反应物碳原子=产物碳原子。如表3。表3副产物含量序号名称分子式组成（％）含量（kmol/h）1一氧化碳CO48.022.6242氯甲烷CH3Cl3.530.1933氯乙烷C2H5Cl1.540.0844巴豆醛C3H5CHO3.740.2045高沸物含三个C3.080.1686醋酸CH3COOH40.092.4527总量-1.006.1177.总耗氧量＝生成目的产物的耗氧量＋副产物的耗氧量副产物的耗氧量＝2.933×1＋0＋0＋0.230×0.5＋0＋2.448＝5.496（kmol/h）总耗氧量＝114.33+5.503＝119.833（kmol/h）图5物料衡算图N2：氧气量×1％＝放空量×7.14％C2H6：乙烯量×0.3％＝放空量×4.27％C2H4：乙烯量×99.7％＋循环气量×65.01％＝622.914O2：氧气量×99.0％＋循环气量×8.01％＝119.834＋循环气量×8.01％＋放空量×8.01％解方程组可得乙烯量=247.432氧气量=124.125循环气量=578.718放空量=17.384单位：kmol/h2.2热量衡算我们依靠两大定律来进行热量衡算，分别是能量守恒定律和质量守恒定律。结果如下1.反应热每一个热容与生成热如表4：表4热容与生成热C2H4(g)O2(g)CH3CHO(l)CH3COOH(l)CO2(g)H2O(l)△Hfθ(kJ/mol)52.250-193-484.7-393.54-285.84Cp（kcal/kmol/K）43.5629.35012437.175.291C2H4+O2→CH3CHO=−193−52.25−0=−245.25（kJ/mol）=−58672.25(kcal/kmol)C2H4+O2=CH3COOH=−484.7−52.25−0=−536.95（kJ/mol）=−128456.93(kcal/kmol)C2H4+3O2=2H2O+2CO2=2×(−285.84)+2×(−393.54)−3×0−52.25=−1411.01（kJ/mol）=−337562.20(kcal/kmol)查阅资料可知，在表压为3bar，相变温度是61.32℃条件下。图6反应热量图查得61.32℃下乙醛的相变热为：ΔH1θ=24.39kJ/kmol=5836.768（kcal/kmol）平均温度T1=(25+61.32)/2=43.16（℃）；乙醛比热容：Cp=26.88kcal/（kmol·K）；平均温度：T2=(12561.32)/2=93.16（℃）93.16℃下比热容Cp=14.83kcal/（kmol·K），则ΔH1´´=Cp×ΔT=14.83×(125−61.32)=944.37（kcal/kmol）平均温度T2=(125+25)/2=75℃下比热容：CpC2H4=11.69kcal/（kmol·K）,CpO2=6.805kcal/（kmol·K）；则ΔH1´´´=Cp×ΔT=(11.69+6.805)×(125−25)=1849.5(kcal/kmol)；由热量衡算方程ΔH1´´´+ΔHT1=ΔH1θ298+ΔH1´+ΔH1θ+ΔH1´´得ΔHT1=−58507+976.282+5836.768+944.37-1849.5=−52599.26(kcal/kmol)。2.副产物放热量图7反应热量图温度（平均温度）T1＝（25＋168）/2＝96.5(℃)，乙酸比热容Cp=33.63kcal/（kmol·K）（96.5℃）。则ΔH2´=Cp×ΔT＝33.63×（168－25）＝4809.09(kcal/kmol)醋酸相变热为ΔH2θ=5091.6(kcal/kmol)（168℃）温度T2＝（125＋168）/2＝146.5(℃)乙酸比热容Cp＝20.285kcal/（kmol·K）（146.5℃）所以ΔH2´´＝Cp×ΔT＝20.285×（125－168）＝－872.255(kcal/kmol)温度（平均）T3＝（125＋25）/2＝75(℃)CpC2H4＝11.68kcal/（kmol·K）CpO2＝6.806kcal/（kmol·K）ΔH2´´´=Cp×ΔT=（11.68+6.806）×（125－25）＝1849.5(kcal/kmol)由ΔH2´´´+ΔHT2=ΔH2θ298+ΔH2´+ΔH2θ+ΔH2´´可得ΔHT2=−128456.93+4809.09+5154.65－872.255－1849.5=−121214.945(kcal/kmol)3.水的放热量图8反应热量图温度（平均）T1＝（125＋25）/2＝75(℃)CO2的比热容Cp=9.463kcal/（kmol·K）（75℃）故ΔH3´CO2=Cp×ΔT=9.463×(125−25)=946.3(kcal/kmol)产生H2O的相变温度为142.67℃ΔH3θ=9210.05kcal/kmolT2＝（25＋142.67）/2＝83.835(℃)水的比热容Cp(l)=17.99kcal/（kmol·K）ΔH3´H2O=Cp×ΔT＝17.99×（142.67－25）＝2116.88（kcal/kmol）T3＝（125＋142.67）/2＝133.835℃在此温度下，水的比热容为Cp=7.9kcal/（kmol·K）ΔH3´´=Cp×ΔT=7.9×（125－142.67）＝－139.593（kcal/kmol），温度T1=（125+25）/2=CpC2H4＝12.01kcal/（kmol·K）,CpO2＝6.896kcal/kmol(温度为75℃)所以ΔH3´´´=Cp×ΔT=（12.01＋6.896）×（125－25）＝1890.6（kcal/kmol）ΔH3´´´+ΔHT3=ΔH3θ298+ΔH3´CO2+ΔH3θ+ΔH3´´+ΔH3´H2O故ΔHT3=−3150850639（kcal/kmol）总的反应热为：Q反=M1ΔHT1+M2ΔHT2+M3ΔHT3=232.998×（-52598.23）+2.546×（-121214.945）+2.954/2×（-315087.598）=-13029280.03（kcal/kmol）4.因氧气而造成的热量损失可以知道的条件如下，新鲜氧气的平均温度为72℃，新鲜氧气进入的温度是20℃，新鲜氧气参加反应温度是125℃。表5新鲜氧气比热容表格O2N2Xi（％）991Cpi（kcal/（kmol·K））6.8036.97Cp=∑XIiCpi=6.735+0.0697＝6.8047（kcal/（kmol·K））,则新鲜氧气带入的热量为：Q1=MCpΔt＝124.125×6.8047×(20－125)=－87571.89(kcal/h)5.循环气带走的热量各成分的占比如下图表6混合气体比热容表格-OO2NN2HH2OCC2H4CC2H6CCO2CCH3CLCC2H5CLXi00.56100.0057400.0500.754100.029900.0959300.0065800.00077CPikcal/（kmol·K）00.8280.6418.0312.0014.5790.50210.8717.21XiCPi0.383000.423000.10350.4920.43560.911500.071520.01325比热容（平均）Cp=∑XIiCpi＝11.39kcal/（kmol·K）Q2（循环气）=MCpΔt=（248.432+577.718）×11.40×（125-500）=705738.6375（kcal/h）6.塔底催化剂带入的热量催化剂的比热容：Cp=∑XIiCpi=1.05kcal/（kmol·K）（温度为154℃）故热量为：Q3=MCpΔt＝9.00×1.05×(154－125)×1094.2＝299865.51（kcal/h）7.盐酸损耗的热量盐酸比热容是Cp=0.94kcal/（kmol·K），进料温度20℃盐酸损耗的热量：Q4=MCpΔt＝62.1×0.94×(20-125)＝-6207.97（kcal/h）。8.水的汽化热量水汽化分为盐酸Q5和催化剂Q6盐酸Q5=63.1×（1－30％）×523.94=23142.4298（kcal/h）催化剂Q6=（9.00-8.73）×1094.2×523.94=160522.6414（kcal/h）9.反应器损失的热量其他因素损失的热量（环境，材料）：Q7=KAΔt=15×(3.14×2.54×21.52+2×3.14×（2.545/2）2)×45=122717.59（kcal/h）10.反应器加水量由∑Q=0得反应器汽化量QH2O′=12961058.2+297834.6－6263.9－705737.9375－123146.7×2－87572.096＝1221472.96（kcal/h），盐酸和催化剂汽化量：QH2O=1221472.96-23142.4298-160522.6414=1037807.559kcal/h）表7反应器热量衡算结果表格－带入反应器的热量（kcal/h）带出反应器的热量（kcal/h新鲜氧气带入热量-13029280.030循环气的热量705738.63750塔底催化剂的热量299865.510盐酸的热量－6227.970143℃水的汽化热－9211.2834催化剂带入水的汽化热－160522.6414反应器损失的热量－122717.59反应放出热量13029280.03－总衡算方程∑Q=02.3设备选型计算2.3.1反应器设备计算1.已知未开启设备反应时，塔的速度为0.54m/s（1）出口总流量∑MR＝1996.6kmol/h；（2）入口总流量Mt＝950.273（kmol/h）；（3）平均分子流量＝（Mt＋∑MR）/2＝（950.273＋1996.6）/2＝1473.44（kmol/h）；（4）设反应设备中平均压力为4.74atm；（5）塔的截面积At＝V/u＝2807.156×103/55＝5.104（m2）；（6）反应气体总量（理想气体状态方程）：V＝nRT/P＝1466.683×0.082×103×（125＋273.15）/4.76/3600＝2794.392×103（cm3/s）；（7）塔径D=2.550m；（8）乙醛气体的计算：Vct＝每小时乙醛生产量（kg）/乙醛理论生产量＝231.973×44.05/134.9＝75.66（m3/h）；（9）清液层H。H。＝Vct/At＝74.66/5.084＝14.69（m），；（10）设塔顶压力为P顶=4.1atm平均总压为P底＝P顶＋H。×Pct/1.0336＝4.1+14.82×1095.3/1.0336/104＝6.282(atm)，P均＝（P底＋P顶）/2＝（6.282+4）/2＝5.141(atm)。2.鼓泡塔床层高度HGL的计算已知εOG＝0.4801，求εG。因为εG＝εOG×[1－uOL×εG/uOG/(1－εG)]＝0.4702×[（1－0.43×εG/0.54/（1－εG）]，解方程εG=0.309；又因为εG＝（HGL－H。）/HGL0.311＝（HGL－14.82）/HGLHGL＝21.51m,由上面计算可得，我们应该选用的R2101是高度为21.51m,塔径为2.550m的鼓泡塔反应器。2.3.2壁厚计算与强度校核1．壁厚计算：反应釜外壁材料选用碳钢Q235-A，ø=0.85。采用局部无损探伤.查表得：[σ]t=94MPaδ=5.86mm由资料可知，钢板厚度负偏差C1=0.5mm，腐蚀裕量C2=3mm。设计厚度：δd=δ+C2=5.86+3=8.86mm名义厚度：δn=δd+C2=8.75+0.5=9.25mm对于碳钢来说最小壁厚δmin≥3mm所以δmin+C2=3+3=6mm<δn所以δn=10mm(圆整)有效厚度δe=δn-(C1+C2)=6.5mm2.强度校核[Pw]===0.399MPa>0.36MPa（[Pw]为容器的最大允许工作压力）2.3.3纯醛冷凝器设备计算乙醛气体最终从精馏塔塔顶出来，随后进入到冷凝器冷凝，其中还有一部分是又进入到精馏塔，继续在冷凝器冷凝。纯醛塔中的乙醛气体温度为42℃，这时给它冷凝处理，使它从气体冷暖成液体。冷凝过程中的冷凝水入口温度是29℃，出口温度是37℃。

1.热负荷和冷却水的需求量因为设计工艺中有两台纯醛冷凝器，热量就平分，各占一半。所以热负荷:q=1/2×3622794.722=1811397.361cal/h；已知需水量为w=15910.3kmol/h，平均温度7.5℃。假设传热系数k=749（kcal/（㎡·h·℃）），则由A＝Q/（A△t）＝1811397.361/749/7.5＝322.46（㎡）。 冷凝器选型：管程4,壳程1，管直径20×2毫米,管长度6米,壳直径(毫米)为900,压力是16公斤(f)/平方厘米,换热面积325平方米,重量8500公斤,规格:FLA900-325-16-4的管子数量n=325/3.14/0.018/6=89,每道工艺的管数n=229。2.校核传热面积α冷凝＝1.51×6897.72/7.4＝1406.97（kcal/（m2·h·℃））；α水＝7669.364kcal/（m2·h·℃）；γ水＝0.0002kcal/（m2·h·℃）；γ乙醛＝0.0002kcal/（m2·h·℃）；γ壁＝0.00005kcal/（m2·h·℃）总传热系数K：K＝1/（1/7669.364＋1/1406.97＋0.0002＋0.0002＋0.00005）＝774.51kcal/（m2·h·℃）），A需=308m2实际传热面积为：A实=325㎡A实﹥A需，故满足要求，设计合理。3经济效益评估3.1原料消耗表8原料消耗一览表名称消耗（按一小时算）乙烯1.3t氧气0.2t催化剂0.13t电1755Kw·h水蒸气3.9t3.2成本估算网上的资料显示，乙烯一顿9400元，所以每小时花费1.3×9400=12220元假设工厂有150人，工资平均每人每月6000元6000×150=900000元工人每小时900000/（30×24）=1250元电力损耗方面是每小时1755kw，企业用电1.78每千瓦时1755×1.78/100=31.24元水蒸气每吨220元3.9×220=858元总计每小时成本（车间每小时损耗300元，后续处理150元）12220+1250+31.24+858+300+150=14809.24元一吨乙醛7500元，一小时生产3.4吨3.4×5000=25500元一个小时的利润25500-14809.24=10690.24元一个月利润10690.24×24×30=7.70×106元表9消耗明细名称单价合计（一小时）乙烯9400元/吨12220元电1.78分/千瓦时31.24元水蒸气220元/吨858.00元人工1250元/时1250.00元车间300元/时300.00元后续处理150元/时150.00元总计——14809.24元乙醛7500元/吨25500元剩余——10690.24元3.3三废处理1废水的处理a.在乙醛生产过程中尽量最小化跑、冒、漏、滴现象，车间废水尽量采用生化处理滤池净化。b.清洗设备的水不要浪费，可以循环利用让其清洗设备。c.设备除垢产生的残夜可用碱溶液对其进行中和再排入污水处理池。2废气处理在工艺生产中废气主要是含有大量有毒气体的循环气，所以我们采用的的方法是焚烧。3噪声防治噪声也是危害人体健康的一种公害，当人们长期处在噪音环境中，会容易感到不适，甚至人体系统产生紊乱以至于患上某种疾病。4工业噪声的一般控制办法甲醛生产工厂要采取有效的噪音控制办法，若无法解决噪声影响，工厂要有计划地搬迁到合适的地方。本工艺有一个很大的优点就是没有废渣。我们需要处理好三废，如果处理不好，那对我们的经济将造成很大损失。结论乙醛的生产在国内外早就存在，但目前为止大部分企业的生产效率低下、对环境污染大，副产品多。所以本工艺是在现有的基础上，对催化剂、工艺流程和环境污染做了一些改进，采用了以盐酸水、氯化铜、氯化钯组成的溶液作为催化剂，转化率高，这是一个值得深入