醋酸工藝設計[共34頁]

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1、年產(chǎn)10萬噸醋酸工藝設計 第一章 概述 醋酸是一種有機化合物，又叫乙酸（ethanoic acid）別名：醋酸(acetic acid)、冰醋酸(glacial acetic acid)。分子式：C2H4O2（常簡寫為HAc）或CH3COOH。是典型的脂肪酸。被公認為食醋內(nèi)酸味及刺激性氣味的來源。純的無水乙酸（冰醋酸）是無色的吸濕性液體，凝固點為16.7 C (62 F) ，凝固后為無色晶體。盡管根據(jù)乙酸在水溶液中的離解能力它是一個弱酸，但是乙酸是具有腐蝕性的，其蒸汽對眼和鼻有刺激性作用。乙酸是一種簡單的羧酸，是一個重要的化學試劑。乙酸也被用來制造電影膠片所需要的醋酸纖維素和木材用膠粘劑

2、中的聚乙酸乙烯酯，以及很多合成纖維和織物。在家庭中，乙酸稀溶液常被用作除垢劑。食品工業(yè)方面，在食品添加劑列表E260中，乙酸是規(guī)定的一種酸度調(diào)節(jié)劑. 醋酸是一種用途廣泛的基本有機產(chǎn)品, 也是化工、醫(yī)藥、紡織、輕工、食品等行業(yè)不可缺少的重要原料。隨著醋酸衍生產(chǎn)品的不斷發(fā)展, 以醋酸為基礎的工業(yè)不僅直接關系到化學工業(yè)的發(fā)展, 而且與國民經(jīng)濟的各個行業(yè)息息相關, 醋酸生產(chǎn)與消費正引起世界各國的普遍重視, 醋酸生產(chǎn)工藝及相關問題的研究開發(fā)正在日益加深和發(fā)展。從最初的糧食發(fā)酵, 木材干餾生產(chǎn)醋酸開始, 合成醋酸的工藝路線主要有乙醛氧化法、乙炔電石法、乙醇氧化法、乙烯氧化法、丁烷氧化法和羰基合成法等。

3、這些方法都各有它的優(yōu)點和缺點，在選擇合成醋酸的路線時，應與當?shù)氐脑腺Y源情況密切聯(lián)系起來，因地制宜，按醋酸用量的大小，工業(yè)技術條件等作綜合的平衡. 本設計采用成熟的乙醛氧化法合成醋酸. 首先確定乙醛氧化法生產(chǎn)醋酸工藝流程，其次對整個工藝過程進行物料和能量衡算，然后對其中的單元設備——精餾塔進行設備設計，最后對此進行經(jīng)濟效益分析. 1.1 醋酸生產(chǎn)的歷史沿革 早在公元前三千年，人類已經(jīng)能夠用酒經(jīng)過各種醋酸菌氧化發(fā)酵制醋。[1] 十九世紀后期，人們發(fā)現(xiàn)從木材干餾制木炭的副產(chǎn)餾出液中可以回收醋酸，成為醋酸的另一重要來源. 但這兩種方法原料來源有限，都需要脫除大量水分和許多雜質(zhì)，濃縮提純費用

4、甚高，因此，隨著20世紀有機化學工業(yè)的發(fā)展，誕生了化學合成醋酸的工業(yè). 乙醛易氧化生成醋酸，收率甚高，成為最早的合成醋酸的有效方法. 1911年，德國建成了第一套乙醛氧化合成醋酸的工業(yè)裝置并迅速推廣到其它國家.[2]早期的乙醛來自糧食、糖蜜發(fā)酵生成的乙醇的氧化，1928年德國以電石乙炔進行水合反應生成乙醛，是改用礦物原料生成醋酸的開始. 二次大戰(zhàn)后石油化工興起發(fā)展了烴直接氧化生產(chǎn)醋酸的新路線，但氧化產(chǎn)物組分復雜，分離費用昂貴. 因此1957～1959年德國Wacher-chemie和Hoechst兩公司聯(lián)合開發(fā)了乙烯直接氧化制乙醛法后，乙烯—乙醛—醋酸路線迅速發(fā)展為主要的醋酸生產(chǎn)方法. 70年

5、代石油價格上升，以廉價易得、原料資源不受限制的甲醇為原料的羰基化路線開始與乙烯路線競爭。 甲醇羰基化制醋酸雖開始研究于20年代，60年代已有BASF公司的高壓法工業(yè)裝置，但直到1971年美國Monsanto公司的甲醇低壓羰基化制醋酸工廠投產(chǎn)成功，證明經(jīng)濟上有壓倒優(yōu)勢，現(xiàn)已取代乙烯路線而占領先地位。 1989年世界醋酸總生產(chǎn)能力為480kt，一套甲醇低壓羰基化裝置的生產(chǎn)能力總計2000kt/a以上，除個別廠外，都已建成投產(chǎn)。 中國工業(yè)生產(chǎn)合成醋酸同樣從發(fā)酵法、乙醇—乙醛氧化法及電石乙炔—乙醛氧化路線開始，60年代末全國已形成60kt/a的生產(chǎn)能力. 70年代開始發(fā)展乙烯路線，引進了每套年產(chǎn)約7

6、萬噸大型裝置. 輕油氧化制醋酸，天然氣制甲醇，低壓羰基化制醋酸的工藝路線正積極研究。 可以肯定這些將會使我國的醋酸生產(chǎn)出現(xiàn)一個飛躍。 1.2 醋酸的物理性質(zhì) 醋酸的主要物性數(shù)據(jù)列于表1-1 名 稱 數(shù) 值 熔點，℃ 沸點，℃ 比熱容CP，J/(g﹒k) 蒸汽 液體 溶解熱，J/g 汽化熱，J/g 黏度，mPa. s 20℃ 25℃ 40℃ 介電常數(shù) 液體 固體 折射率nD20 生成熱△Ho，kJ/mol 液體（25℃） 氣體（25℃） 燃燒熱△Hc，kJ/mol 液體 標準熵So，J/(mol. k) 液體（25℃） 氣體（25℃）

7、 閃點(閉杯)℃ 離解常數(shù) 0℃ 25℃ 50℃ 臨界壓力Pc，Mpa 16.66 118. 0（101. 3kp） 1.110(25℃) 2.043(19. 4℃) 19.5 394.5（沸點時） 11.83 10.97 8.18 6.170（20℃） 2.665（-10℃） 1.3719 -484.50 -432.25 -874.8 159.8 282.5 43 4.78 4.75 4.79 5.786 表1-1 純醋酸的物理性質(zhì)[3] 1.3 醋酸的化學性質(zhì) 1.3.1 酸性 羧酸中，

8、例如乙酸，的羧基氫原子能夠部分電離變?yōu)闅潆x子（質(zhì)子）而釋放出來，導致羧酸的酸性。乙酸在水溶液中是一元弱酸，酸度系數(shù)為4.8，pKa=4.75（25℃），濃度為1mol/L的醋酸溶液（類似于家用醋的濃度）的pH為2.4，也就是說僅有0.4%的醋酸分子是解離的。 乙酸的酸性促使它還可以與碳酸鈉、氫氧化銅、苯酚鈉等物質(zhì)反應。 2CH3COOH + Na2CO3→2CH3COONa + CO2 + H2O 2CH3COOH + Cu(OH)2 →(CH3COO)2Cu + 2H2O CH3COOH + C6H5ONa →C6H5OH (苯酚）+ CH3COONa 1.3.2

9、 乙酸的二聚體,虛線表示氫鍵 乙酸的晶體結(jié)構(gòu)顯，分子間通過氫鍵結(jié)合為二聚體（亦稱二締結(jié)物），二聚體也存在于120℃的蒸汽狀態(tài)。二聚體有較高的穩(wěn)定性，現(xiàn)在已經(jīng)通過冰點降低測定分子量法以及X光衍射證明了分子量較小的羧酸如甲酸、乙酸在固態(tài)及液態(tài)，甚至氣態(tài)以二聚體形式存在。當乙酸與水溶和的時候，二聚體間的氫鍵會很快的斷裂。其它的羧酸也有類似的二聚現(xiàn)象。 1.3.3 溶劑 液態(tài)乙酸是一個親水（極性）質(zhì)子化溶劑，與乙醇和水類似。因為介電常數(shù)為6.2，它不僅能溶解極性化合物，比如無機鹽和糖，也能夠溶解非極性化合物，比如油類或一些元素的分子，比如硫和碘。它也能與許多極性或非極性溶劑

10、混合，比如水，氯仿，己烷。乙酸的溶解性和可混合性使其成為了化工中廣泛運用的化學品。 1.3.4 化學反應 對于許多金屬，乙酸是有腐蝕性的，例如鐵、鎂和鋅，反應生成氫氣和金屬乙酸鹽。因為鋁在空氣中表明會形成氧化鋁保護層，所以鋁制容器能用來運輸乙酸。金屬的乙酸鹽也可以用乙酸和相應的堿性物質(zhì)反應,比如最著名的例子：小蘇打與醋的反應。除了醋酸鉻（II），幾乎所有的醋酸鹽能溶于水。 Mg(s) + 2 CH3COOH(aq) → (CH3COO)2Mg(aq) + H2(g) NaHCO3(s) + CH3COOH(aq) → CH3COONa(aq) + CO2(g) + H2

11、O(l) 乙酸能發(fā)生普通羧酸的典型化學反應，特別注意的是，可以還原生成乙醇，通過親核取代機理生成乙酰氯，也可以雙分子脫水生成酸酐。同樣，乙酸也可以成酯或氨基化合物。440℃的高溫下，乙酸分解生成甲烷和二氧化碳或乙烯酮和水。 1.3.5 鑒別 乙酸可以通過其氣味進行鑒別。若加入氯化鐵（III），生成產(chǎn)物為深紅色并且會在酸化后消失，通過此顏色反應也能鑒別乙酸。乙酸與三氧化砷反應生成氧化二甲砷，通過產(chǎn)物的惡臭可以鑒別乙酸。 1.4 醋酸的生產(chǎn)方法評述 1.4.1 甲醇羰基化 大部分乙酸是通過甲基羰基化合成的。此反應中，甲醇和一氧化碳反應生成乙酸，方程式如

12、下 CH3OH + CO → CH3COOH 這個過程是以碘代甲烷為中間體，分三個步驟完成，并且需要一個一般由多種金屬構(gòu)成的催化劑（第二部中） (1) CH3OH + HI → CH3I + H2O (2) CH3I + CO → CH3COI (3) CH3COI + H2O → CH3COOH + HI 通過控制反應條件，也可以通過同樣的反應生成乙酸酐。因為一氧化碳和甲醇均是常用的化工原料，所以甲基羰基化一直以來備受青睞。[4]早在1925年，英國塞拉尼斯公司的Henry Drefyus已經(jīng)開發(fā)出第一個甲基羰基化制乙酸的試點裝置。然而，由于缺少能耐高壓（20

13、0atm或更高）和耐腐蝕的容器，此法一度受到抑制。直到1963年，德國巴斯夫化學公司用鈷作催化劑，開發(fā)出第一個適合工業(yè)生產(chǎn)的辦法。到了1968年，以銠為基礎的催化劑的(cis?[Rh(CO)2I2]?)被發(fā)現(xiàn)，使得反映所需壓力減到一個較低的水平并且?guī)缀鯖]有副產(chǎn)物。1970年，美國孟山都公司建造了首個使用此催化劑的設備，此后，銠催化甲基羰基化制乙酸逐漸成為支配性的方法（孟山都法）。[5]90年代后期，BP化學成功的將Cativa催化法商業(yè)化，此法是基于釕，使用([Ir(CO)2I2]?)它比孟山都法更加綠色也有更高的效率，很大程度上排擠了孟山都法。 1.4.2 乙醇氧化法 由乙醇在有

14、催化劑的條件下和氧氣發(fā)生氧化反應制得。工藝陳舊,生產(chǎn)規(guī)模小,原料和動力消耗高,應嚴格控制,杜絕新建小規(guī)模生產(chǎn)裝置。 1.4.3 乙烯氧化法 由乙烯在催化劑(所用催化劑為氯化鈀:PdCl2、氯化銅：CuCl2和乙酸錳：(CH3COO)2Mn）存在的條件下,與氧氣發(fā)生反應生成.此反應可以看作先將乙烯氧化成乙醛，再通過乙醛氧化法制得。乙烯法醋酸雖然比乙炔法和酒精法先進,但與低壓甲醇羰基合成法相比,原料和動力消耗高,技術經(jīng)濟上缺乏競爭性,不宜再用該技術新建裝置。原有裝置可借鑒乙烯直接氧化法進行改造。 1.4.4 丁烷氧化法 丁烷氧化法又稱為直接氧化法，這是用丁烷為主要原料，通

15、過空氣氧化而制得乙酸的一種方法，也是主要的乙酸合成方法。 1.4.5 巴斯夫高壓法 巴斯夫高壓法盡管已工業(yè)化多年,與其它原料路線相比,具有一定的競爭性;但與低壓法相比,相應壓力高,原料消耗定額高,副反應多,工藝復雜。[6]因此,不提倡發(fā)展高壓法。 1.4.6 UOP/ 千代田工藝 UOP/ 千代田工藝技術先進,在某些方面比BP技術更有吸引力,但還沒有工業(yè)化生產(chǎn)裝置,引進的風險大。[7]周修和.國外合成醋酸概括[J].石油化工，1993，2(3):251～263.如果在對其風險性進行充分論證的情況下,可積極引進。 1.4.7 乙醛氧化法 乙醛氧化法在孟山都法商業(yè)

16、生產(chǎn)之前，大部分的乙酸是由乙醛氧化制得。[8]盡管不能與甲基羰基化相比，此法仍然是第二種工業(yè)制乙酸的方法。乙醛可以通過氧化丁烷或輕石腦油制得，也可以通過乙烯水合后生成。當丁烷或輕石腦油在空氣中加熱，并有多種金屬離子包括鎂，鈷，鉻以及過氧根離子催化，會分解出乙酸。 化學方程式如下： 2 C4H10 + 5 O2 → 4 CH3COOH + 2 H2O 此反應可以在能使丁烷保持液態(tài)的最高溫度和壓力下進行，一般的反應條件是150℃和55atm。副產(chǎn)物包括丁酮，乙酸乙酯，甲酸和丙酸。因為部分副產(chǎn)物也有經(jīng)濟價值，所以可以調(diào)整反應條件使得副產(chǎn)物更多的生成，不過分離乙酸和副產(chǎn)物使得反應的成

17、本增加。 在類似條件下，使用上述催化劑，乙醛能被空氣中的氧氣氧化生成乙酸 2 CH3CHO + O2 → 2 CH3COOH 使用新式催化劑，此反應能獲得95%以上的乙酸產(chǎn)率。主要的副產(chǎn)物為乙酸乙酯，甲酸和甲醛。因為副產(chǎn)物的沸點都比乙酸低，所以很容易通過蒸餾除去。 第二章 工藝流程設計 綜合文獻分析，結(jié)合本地區(qū)特點，本設計采用乙醛氧化法生產(chǎn)醋酸工藝。 乙醛液相催化自氧化合成醋酸是一強放熱反應，總反應式為： 乙醛氧化時先生成過氧醋酸，再與乙醛合成AMP [9]分解即為醋酸：

18、 乙醛和催化劑溶液自反應塔中上部加入，為了使乙醛不被大量惰性氣體帶走，工業(yè)上一般采用氧作催化劑，且氧分段鼓泡通入反應液中，與乙醛進行液相氧化反應，氧化過程釋放的大量反應熱通過外循環(huán)冷卻而移出，出反應器的反應尾氣經(jīng)冷凝回收乙醛后放空，反應液首先經(jīng)蒸發(fā)器除掉醋酸錳催化劑，醋酸蒸汽則先經(jīng)精餾塔1蒸出未反應的乙醛、甲酸、醋酸甲酯、水、三聚乙醛等輕組分，然后經(jīng)精餾塔2脫除高沸點副產(chǎn)物后得成品醋酸，要求純度＞99%，其余的則進入醋酸回收塔回收粗醋酸. 工藝流程圖如圖2-1： 圖2-1

19、工藝流程圖 第三章 物料衡算 3.1 設計依據(jù) 醋酸生產(chǎn)消耗定額見表3-1 表3-1消耗定額[10] 名稱 單耗（每噸醋酸） 乙醛 氧氣 冷卻水 醋酸錳 770kg 260m3 250m3 2kg 醋酸年產(chǎn)量：10萬噸 選擇年開工時間：8000小時 則 每小時生產(chǎn)醋酸 根據(jù)消耗定額得每小時乙醛進料量為： 所以，選擇每小時乙醛進料量為10000kg 3.2 氧化塔物料衡算 （1）氧化塔物料衡算中的已知數(shù)據(jù) ① 每小時通入氧化塔的乙醛量為10000kg/h ② 氧化過程中

20、乙醛總轉(zhuǎn)化率為99. 3% ③ 氧化過程中氧的利用率為98. 4% ④ 氧化塔塔頂補充的工業(yè)氮使其濃度達到45% ⑤ 未轉(zhuǎn)化的乙醛在氣液相中的分配率（體積%） 氣相：34% 液相：66% ⑥ 原料組成見表3-2 表3-2 原料組成[11] 原料乙醛%（質(zhì)量） 工業(yè)氧%（質(zhì)量） 工業(yè)氮%（質(zhì)量） 催化劑溶液%（質(zhì)量） 乙醛 99. 5 醋酸 0. 1 水 0. 3 三聚乙醛0. 1 氧氣 98 氮氣 2 氮氣 97 氧氣 3 醋酸 60 醋酸錳 1

21、0 水 30 催化劑中醋酸錳用量為氧化塔進料乙醛重量的0. 08% ⑦ 氧化過程中乙醛的分配率[12] 主反應 96% 副反應 1. 4% 0. 25% 0. 95% 1. 4% （2）氧化塔物料衡算圖見圖3-1 圖3-1 氧化塔物料衡算圖 （3）反應式衡算 純乙醛量：1000099. 5%=995

22、0 ① 主反應 96% a. 乙醛用量：99500. 9930. 96=9485. 14kg b. 需用氧量(x) 44:16=9485. 14:x x=3449. 14kg c. 生成醋酸量(y) 44:60=9485. 14:y y=12934. 28kg ② 副反應 1. 4% a. 乙醛用量：99500. 9930. 014=138. 32kg b. 需用

23、氧量(x) 132:96=138. 32:x x=100. 60kg c. 生成醋酸量(y) 132:120=138. 32:y y=125. 75kg d. 生成甲酸量(z) 132:46=138. 32:z z=48. 20kg e. 生成水量(w) 132:18=138. 32:w w=18. 86kg f. 生成二氧化碳量(v) 132:44=138. 32:v v=46. 11kg ③ 副反應 0. 25% a. 乙醛用量：99500. 9930. 0025=24. 70kg b.

24、 需用氧量(x) 132:32=24. 70:x x=5. 99kg c. 生成亞乙基二醋酸量(y) 132:146=24. 70:y y=27. 32kg d. 生成水量(z) 132:18=24. 70:z z=3. 37kg ④ 副反應 0. 95% a.乙醛用量：99500. 9930. 0095=93. 86kg b.需用氧量(x) 88:48=93. 86:x x=51. 20kg c.生成醋酸甲酯量(y) 88:74=93. 86:y y=78. 93kg d.生成二氧化碳量(z)

25、 88:44=93. 86:z z=46. 93kg e.生成水量(w) 88:18=93. 86:w w=19. 20kg ⑤ 副反應 1. 4% a.乙醛用量：99500. 9930. 014=138. 32kg b.需用氧量(x) 88:160=138. 32:x x=251. 49kg c.生成水量(y) 88:72=138. 32:y y=113. 17kg d.生成二氧化碳量(z) 88:176=138. 32:z z=276. 64kg 根據(jù)反應式衡算出來的反應物總耗量及反應生成物

26、總量如下： ① 反應掉的乙醛總量 100000. 9950. 993=9880. 35kg ② 未轉(zhuǎn)化的乙醛量 100000. 9950. 007=69. 65kg （其中液相中乙醛含量69. 650. 66=45. 97 氣相中乙醛含量69. 650. 34=23. 68kg) ③ 反應掉的氧氣總量 3449. 14+100. 60+5. 99+51. 20+251. 49=3858. 42kg 則所需工業(yè)氧氣量 其中： 氧氣=40014. 80. 98=3921. 16kg 氮氣=4001. 180. 02=80. 0

27、2kg 所以未反應的氧氣=3921. 16-3858. 42=62. 74kg ④ 反應生成物重量 醋酸：12934. 28+125. 75=13060. 03kg 二氧化碳：46. 11+46. 93+276. 64=369. 68kg 水：18. 86+3. 37+19. 20+113. 17=154. 60kg 甲酸：48. 20kg 亞乙基二醋酸酯：27. 32kg 醋酸甲酯：78. 93kg （4）催化劑用量 已知催化劑溶液中醋酸錳用量為氧化塔進料乙醛重量的0.08%，催化劑中醋酸錳的含量為10%，設催化劑溶液用量

28、為x 其中： 醋酸錳 80. 650. 1=8. 06kg 水 80. 650. 3=24. 20kg 醋酸 80. 650. 6=48. 39kg （5）保安氮用量 設保安氮為xkg 塔頂干氣量計算： 氮氣：80. 02+0. 97x 氧氣 ：62. 74+0. 03x 二氧化碳：369. 68kg 則 =45% x=289. 57kg （其中氮氣：289. 570. 97=280.

29、88kg 氧氣：289. 570. 03=8. 69kg） 塔頂干氣量 氮氣: 80. 02+0. 97x=360. 90kg 氧氣: 62. 74+0. 03x=71. 43kg 二氧化碳: 369. 68kg 整理以上數(shù)據(jù)，列出氧化塔物料平衡結(jié)果，見表3-3 表3-3氧化塔物料衡算結(jié)果 進 料 出 料 含量(%) 質(zhì)量（kg） 含量（%） 質(zhì)量（kg） 原料乙醛 乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 99. 5 0

30、. 1 0. 3 0. 1 9950 10 30 10 氧 化 液 醋酸 醋酸甲酯 水 亞乙基二醋酸 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 96. 0 0. 80 1. 50 0. 68 0. 39 0. 38 0. 18 0. 07 13118. 42 78. 93 208. 80 27. 32 48. 20 45. 97 10. 00 8. 06 工業(yè)氧 氧氣 氮氣 98 2 3921. 16 80. 02 工業(yè)氮 氮氣 氧氣 97 3 280. 88 8. 69 催化劑 醋酸 水 醋酸錳 60

31、 30 10 48. 39 24. 20 8. 06 放空 廢氣 二氧化碳 氮氣 氧氣 乙醛 369. 68 360. 90 71. 43 23. 68 總計 14371. 40kg 14371. 40kg 3.2 蒸發(fā)器物料衡算 已知數(shù)據(jù)： （進料中醋酸錳含量） （完成液中醋酸錳含量） 蒸發(fā)器進出物料圖見圖3-2 圖3-2 蒸發(fā)器進出物料圖 列衡算式： 3.3 精餾塔物料衡算

32、 3.3.1 精餾塔1物料衡算 已知數(shù)據(jù)：（1）進料流量13245. 68kg/h （2）醋酸質(zhì)量分數(shù)0. 968，水的質(zhì)量分數(shù)0. 0154 （3）餾出液中醋酸含量3%，釜液中醋酸的回收率為98% （4）醋酸和水的摩爾質(zhì)量分別為60kg/kmol和18kg/kmol 精餾塔1進出物料圖見圖3-3 圖3-3 精餾塔1進出物料圖 則：進料組成 進料平均摩爾質(zhì)量 進料流量 列衡算式：

33、 =0. 97 =0. 98 得： 即： 3.3.2 精餾塔Ⅱ物料衡算 已知數(shù)據(jù)：（1）進料流量F=12825.92kg/h （2）進料醋酸含量98%， 釜殘液醋酸含量10%，成品醋酸含量99. 8% 精餾塔2進出物料圖見圖3-4 圖3-4 精餾塔2進出物料圖 列衡算式： 得： 3.4 醋酸回收塔物料衡算 已知數(shù)據(jù)：（1）進料流量F=419.76+257.09=676.85kg/h （2）經(jīng)回

34、收后得到粗醋酸含量65%以上（按65%計算） （3）從精餾塔出來的醋酸含量20%，副產(chǎn)物中含5%的醋酸 醋酸回收塔進出物料圖見圖3-5 圖3-5 醋酸回收塔進出物料圖 列衡算式： F=X+Y F0. 2=0. 05X+0. 65Y 得： X=507.64kg/h Y=169.21kg/h 整理以上數(shù)據(jù)，得總物料衡算結(jié)果，見表3-4 表3-4總物料衡算結(jié)果 進 料 出 料 名 稱 質(zhì)量（kg） 名 稱 質(zhì)量（kg） 乙 醛

35、 乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 9950 10 30 10 放空 廢氣 二氧化碳 氮氣 氧氣 乙醛 369. 68 360. 90 71. 43 23. 68 工業(yè)氧氣 氧氣 氮氣 3921. 16 80. 02 催化劑殘液 成品醋酸 粗醋酸 其它副產(chǎn)物量 116. 92 12568.83 169.21 690.74 工業(yè)氮氣 氮氣 氧氣 280. 88 8. 69 催化劑 醋酸 水 醋酸錳 48. 39 24. 20 8. 06 總 計 14371. 40kg 14371. 40kg

36、 第四章 精餾塔的設計 4 精餾塔設備設計 已知數(shù)據(jù)： （1）由前面物料衡算，得 （2）塔頂溫度[13]：100～103℃ 塔底溫度：118～124℃ （3）常壓精餾：P=101. 3kp （4）水和醋酸的安托尼常數(shù)見表5-1 表5-1 水和醋酸的安托尼常數(shù)[14] 常數(shù) A B C 水 醋酸 7. 07406 6. 42452 1657. 46 1479. 02 227. 02 216. 82 設備設計過程：

37、4.1 回流比和理論塔板數(shù)的計算 （1）相對揮發(fā)度的計算 假設泡點t=116. 5℃ 對水： 對醋酸： 則 與十分接近，故假設t=116. 5℃(泡點)正確 則相對揮發(fā)度 （2）回流比R的計算 設進料為泡點進料 根據(jù)公式[18] 帶入已知數(shù)據(jù)，得 取 （3）理論塔板數(shù)的計算 利用簡潔法計算理論塔板數(shù) ① 全回流時理論板層數(shù)[18] 則 由附錄一吉利蘭圖 查得 ② 精餾段理論板層數(shù)

38、 橫坐標 不變，則縱坐標讀數(shù)也不變 既 所以加料板為從塔頂往下數(shù)第12層 4.2 塔的有效高度計算 （1）全塔效率 [15] 其中： —相對揮發(fā)度 —塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度 查得： 則 （2）塔的有效高度 其中： —塔內(nèi)所需理論板層數(shù) —塔板間距m (取) 則 取上層塔板與塔頂蓋之間的距離為1. 0m，取下層塔板和塔底之間的距離為2. 0m 所以精餾塔總高度為 4.3 塔徑的計算 （1）氣液相密度 ①

39、 液相密度 ② 氣相密度（以進料狀態(tài)計算） 由 （2）氣液相流量 ① 氣相流量 ② 液相流量 （3）塔徑的確定 塔徑 u由得到，式中c由計算，其中 由附錄二史密斯關聯(lián)圖查得，其橫坐標為 取板間距，板上液層高度，則 查圖，得 則 所以 取安全系數(shù)為0. 65，則空塔氣速 所以塔徑 按標準塔徑圓整后，取 塔截面積 空塔氣速 4.4 塔板

40、設計 從塔板的生產(chǎn)能力、板面利用率、結(jié)構(gòu)、造價等方面考慮進行比較后，選擇篩板塔. （1）溢流裝置計算 根據(jù)塔徑及液體流量與溢流類型的關系，可選用單溢流弓形降液管，采用凹型受 液盤，各項計算如下 ① 堰長 取 ② 溢流堰高度 由 選用平直堰，堰上液層高度由計算，其中E由附錄三液流收縮系數(shù)圖可查，其橫坐標為 查得 E=1. 00，則 故 其符合范圍 ③ 弓形降液管寬度和截面積 由，查附錄四弓形降液管參數(shù)圖，得 故

41、 檢驗液體在降液管中停留時間 即＞5s 故降液管設計合理 ④ 降液管底隙高度 取液體通過底隙時的流速 故降液管底隙高度設計合理，選用凹型受液盤，深度 （2）塔板布置 因D＞1. 5m，取 （3）篩孔計算及其排列 本設計中所處理的物系有腐蝕性，可選用的不銹鋼塔板，篩孔直徑 篩孔按正三角形排列，取孔中心距 篩孔數(shù)目 其中 則 所以 開孔率 4.5 流體力學驗算 （1）塔板壓降 氣體通過一層

42、塔板的壓降為 ① 干板壓降 其中為氣體通過篩孔的速度 由 故 ② 氣體通過充氣液層的壓降 則氣相動能因子 查附錄六充氣系數(shù)關聯(lián)圖，得 故 ③ 液體表面張力所產(chǎn)生的壓降 計算表明，液體表面張力所產(chǎn)生的壓降很小，可忽略不計 所以，塔板壓降 每層塔板的壓降 （2）液泛 為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應服從 醋酸—水屬一般體系，取安全系數(shù) 則 而 其中， 由于板上不設進口堰，

43、則 所以 符合 故不會發(fā)生液泛現(xiàn)象 （3）漏液 對篩板塔，取漏液量10%時的氣相動能因子為 則 實際孔速 穩(wěn)定系數(shù) 符合 ，故不發(fā)生漏液現(xiàn)象 （4）液沫夾帶 其中 則 故液沫夾帶量在允許范圍內(nèi) 4.6 塔板負荷性能圖 （1）漏液線 前已求得 故 據(jù)此可作出與液體流量無關的水平漏液線1 （2）液沫夾帶線 以為限，求關系如下:

44、 故 所以 整理，得 列表計算如下： LS/(m3/s) 0. 005 0. 010 0. 020 0. 030 VS/(m3/s) 4. 998 4. 980 4. 850 4. 790 由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2 （3）液相負荷下限線 對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準 由 得 據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3 （4）液相負荷上限線 以作為液體在降液管中停留時間的下限 由 得 據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線4 （5）液泛線 令

45、 由 聯(lián)系，得 忽略的關系式帶入上式，并整理，得 其中， （） 將有關數(shù)據(jù)帶入，得 故 列表計算如下： LS/(m3/s) 0. 004 0. 010 0. 020 0. 030 VS/(m3/s) 4. 450 4. 170 3. 600 3. 001 由以上數(shù)據(jù)即可作出液泛線5 根據(jù)以上各方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，見圖5-1 圖5-1 篩板塔的負荷性能圖 在負荷性能圖上，作出操作點A，連

46、接OA，既作出操作線，由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制，由圖查得 故操作彈性為 所設計的篩板塔的主要結(jié)果匯總見表5-2 表5-2 篩板塔設計結(jié)果 序號 項 目 數(shù)值 序號 項 目 數(shù)值 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 精餾塔高度H/m 塔徑D/m 板間距HT/m 溢流型式 降液管型式 堰長lw/m 堰高hw/m 板上液層高度hl/m 堰上液層高度how/m 降液管底隙高度ho/m 篩孔直徑d0/m 篩孔數(shù)目

47、 22 1. 80 0. 50 單溢流 弓形 1. 44 0. 05 0. 07 0. 02 0. 042 0. 005 7135 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 孔心距t/m 安定區(qū)寬度WS/m 邊緣區(qū)寬度WC/m 鼓泡區(qū)面積Aa/m2 開孔率 空塔氣速u/(m/s) 篩孔氣速u0/(m/s) 穩(wěn)定系數(shù)K 每層塔板壓降Pp/pa 汽相負荷上限VS，max/(m3/s) 汽相負荷下限VS，max/(m3/s) 操作彈性 0. 015 0. 1 0. 07 1. 39 10

48、1. 420 22. 03 2. 47 1077. 87 4. 20 1. 04 4. 038 結(jié)論 乙醛氧化法生產(chǎn)醋酸工藝是最能適應市場的生產(chǎn)方法，尤其在山西、陜西、內(nèi)蒙寧夏等地區(qū)。地理、資源優(yōu)勢還有成熟的生產(chǎn)工藝讓其成為比較有競爭力的方法。 整個設計過程中涉及的資料文獻來源于寧夏大學圖書館和網(wǎng)上。計算過程中涉及的問題基本可以靠以前學過的專業(yè)課知識可以解決。因此，掌握好基本的專業(yè)知識是設計成功的基本條件。 在整個的設計過程中我完成了基本的物料衡算、能量衡算、反應器的設計、精餾塔的設計和基本的技術經(jīng)濟分析

49、得出投資回收期。 過程的設計雖然比較粗糙，但是過程還算完整，起到了鍛煉自己的作用，達到了鞏固知識和綜合利用知識的目的。同時還鍛煉了自己的各方面的能力。 參考文獻 [1] 張愛娟. 醋酸生產(chǎn)綜述[J]. 乙醛醋酸及其衍生物. 2001，14(2):22～24. [2] 李方偉，遲克棚，王桂芝等. 醋酸生產(chǎn)技術現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 應用化工，2001，30(4):3～6. [3] 《化工百科全書》編輯委員會.化工百科全書[M].北京:化學工業(yè)出版社，1996. [4] 楊松清.醋酸生產(chǎn)技術綜述[J].江蘇化工，200

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