年产18万吨醋酸生产装置初步设计

1、 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 院系名称：院系名称： 化学化工学院化学化工学院 专业班级：专业班级： 化工化工 0803 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 教师职称：教师职称： 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

2、、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 iiithe preliminary design of annual output of 180,000 tons of acetic acid production plant abstractacetic acid is a versatile basic organic product. the project designs process of acetic acid (180kt/a) production throug

3、h 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 pro

4、cess 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.keyw

5、ords: oxidation of acetaldehyde, acetic acid, process design, material balance, heat balance iv目录第一章 文献综述.11.1 醋酸简介.11.2 醋酸性质.11.3 工业现状.11.4. 醋酸的制备.2第二章 工艺简介.42.1 产品品种、规格、质量指标及拟建规模.4第三章 物料衡算.53.1 氧化部分物料衡算.53.2 蒸发器物料衡算.83.3 精馏塔物料衡算.93.4 醋酸回收塔物料衡算.9第四章 热量衡算.114.1 氧化塔热量衡算.114.2 蒸发器热量衡算.154.3 精馏段热量衡算.16

6、第五章 塔体设计.185.1 精馏塔设计.18第六章 板式塔的结构.276.1 接管.276.2 筒体封头和除沫器.286.3 人孔及裙座.286.4 塔板结构.296.5 吊柱.296.6 塔的立体高度.29第七章 劳动安全卫生及环境保护措施.307.1 主要污染源以及主要污染物.307.2 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.361第一章 文献综述1.1 醋酸简介醋酸简介醋 酸 又 称 乙 酸

7、 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 1.2.1 醋醋 酸酸 的的 物物 理理 性性 质质 1,2乙 酸 在 常

8、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 。 1.2.2 醋醋 酸酸 的的 化化 学学 性性 质质乙 酸 在

9、 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

10、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

11、 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

12、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

13、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

14、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 31.4.2.3 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

15、， 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

16、 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

17、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

18、 酸 ：ch3cho + o2ch3cooohch3coooh + 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

19、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，

20、收率按 91.7%计算，每小时醋酸产量：22500kg/h；80001000108 . 15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. 016044225003.1 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

21、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 %；453.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： c

22、h3cho+o2 ch3cooh (96%)21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%21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=23281.69kg4460氧17073.24=6208.45kg44163ch3cho+3o2 hcooh+2ch3cooh

23、+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=646.72kg132120乙醛179100.9930.04=711.39 kg甲酸711.39=247.91kg13246水711.39=97.01kg13218氧711.39=517.37kg4432co2711.39=237.13kg13244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

24、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 kg0.98498. 082.6725(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

25、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

26、氧化碳 237.13 kg则=45%，解得 x=152.31 kg13.23736.10949.13997. 049.139xx(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

27、料乙醛乙醛醋酸水三聚乙醛99.50.10.30.117910185418工业氧氧气氮气9826835.18139.49氧化液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸锰97.70.791.010.340.070.0924033.5194.55247.9182.741814.528上24591.22工业氮氮气氧气973147.744.57小计下680.91催化剂醋酸水醋酸锰60301087.0943.5414.52放空废气二氧化碳氮气氧气乙醛237.13287.23113.9342.62总计25272.13 kg25272.13 kg3.2 蒸发器物料衡算蒸发器物料衡算 f=24591.22 kg；醋酸锰含量：

28、0.09；蒸发器进出物料见图 3-2。由 fx0=lx1 解得 l=276.65 kg/h10 xfx%0 . 80.09%22.24591w=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98.50.830.430.210.03-23949.85128.60106.9572.4718-氧化液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸锰97.70.791.010.340.070.0924033.5194.55247.9182.741814.52b蒸发器液相醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸

29、锰0.323.864.153.75-8.00.8365.95177.4710.27-22.13a=24314.57b=276.65总计24591.2224591.22图 3-2 蒸发器进出物料图w蒸发器fl93.3 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. 060/985. 018/0083. 018/0083. 0fx进料平均摩尔质量 mm=0.

30、027318+(10.0273)60=58.85kg/kmol进料流量 f=413.16kmol/h85.5824314.57列衡算式 f=d+w；fxf=dxd+wxw；97. 0fdfxdx998. 0)1 ()1 (fwxfxw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

31、.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 65%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wd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1791018541

32、8放空废气二氧化碳氮气氧气乙醛237.13287.23113.9342.62工业氧气氧气氮气6835.18139.49催化剂残液粗醋酸成品醋酸276.655.5424079.87工业氮气氮气氧气147.7414.57催化剂醋酸水醋酸锰87.0943.5414.52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 y11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

33、)。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%)21hr，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3132醛表 4-1 氧化塔进料情况(kg/h)进料出料含量(%

34、)质量(kg)含量(%)质量(kg)原料乙醛乙醛醋酸水三聚乙醛99.50.10.30.117910185418工业氧氧气氮气9826835.18139.49氧化液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸锰97.70.791.010.340.070.0924033.5194.55247.9182.741814.52上24591.22工业氮氮气氧气973147.744.57小计下680.91催化剂醋酸水醋酸锰60301087.0943.5414.52放空废气二氧化碳氮气氧气乙醛237.13287.23113.9342.62总计25272.13 kg25272.13 kg12表 4-2 氧化塔进料情况(mol/h

35、)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407.050.330.1040工业氧氧气氮气97.92.1213.5994.982氧化液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸锰400.5610.815.391.880.13640.0839工业氮氮气氧气97.32.75.2760.1428放空废气二氧化碳氮气氧气乙醛26.7150.8417.654.805.38910.2583.5600.9686催化剂醋酸水醋酸锰1.45152.4190.0839小计10020.1756总计25272.13 kg25272.13 kg计算结果如表4-3所示：表4

36、-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 ch3chokmol 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=179102.1

37、86(293298)=195756.3q水=544.1868(293298)=1130.436q三聚乙醛=181.8003(293298)=162.0270013q醋酸=181.996(293298)=119.76小计=197168.523表4-5 热力学数据表名称cphf，2980hc，2980气体 cp，j/molkcp=a+bt+ct2或 cp=a+bt+ct2kj/molkj/molab103c106c105o2n2co2h2o(g)ch3cho(g)ch3cooh(g)36.16227.86528.6629.99931.05421.7570.8454.26835.70210.7111

38、17.273193.13336.57776.7764.310.335393.51241.81166.79432.541192.48926.13ch3coohh2ohcoohch3cho(ch3cho)3mn(ac)2液体 cp, j/gk1.99584.18682.1672.1861.80032.3027(1)484.30285.83424.68874.37(1)254.681165.79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)

39、乙醛21tt=26.69kj/mol,塔顶排出气体温度 313k。=5.389(28.66+35.702103t)dt=3198.80kj/h2coq313298=10.258(27.865+4.268103t)dt=15001.60kj/h2nq313298=3.560(36.162+0.845103t4.31105t2)dt=1944.83kj/h2oq31329814=0.9686(31.054+117.273103t36.577106t2)dt=26774.01kj/hchochq3313298qi=3198.80+15001.60+1944.83+26774.01=46919.24k

40、j/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/kmolcoohchq3=4.1868194.5535=28508.97 kj/kmolohq2=2.167247.9135=18802.73 kj/kmolhcoohq=2.18682.7435=6330.44 kj/kmolchochq3=1.80031835=1134.19 kj/kmol33)(chochq=2.302714.5235=1170.23 kj/kmol2)(acmnqq氧化液=1678812.08+2

41、8508.97+18802.73+6330.44+1134.19+1170.23kj/kmolq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00197168.5230121132.201103氧化液塔顶排出气体热损循环液移走(差值)48912359.3646919.241209350.32117944001.8总计120

42、935.03103120935.031034.1.1 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+2.3015270.0009=2.01562406 kj/kgk取值c=2.02kj/kgk，循环量wkg/h，t=313298=15k，则w=2335.52t/h1502. 21040.707663(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/

43、h261868. 41040.707663安全系数取1.1，则水用量=w1.1=715.0958 t/h或者715.10 m3/h4.2 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98.50.830.430.210.03-23949.85128.60106.9572.4718-氧化液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸锰97.70.791.010.340.070.0924033.5194.55247.9182.741814.52b蒸发器液相醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛醋酸锰0.323.864.153.7

44、5-8.00.8365.95177.4710.27-22.13a=24314.57b=276.65总计24591.2224591.22c=1.99580.985+4.18680.0083+2.1670.0101+2.1860.0034+1.80030.0007+2.30270.0009=2.03326275 kj/kgk取值c=2.03kj/kgk，循环量wkg/h，t=313298=15k，则w=793.18t/h1503. 25 .240334.2.1 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/h261868. 413

45、.46688477q损=q入1%=48912359.360.01= 489123.59 kj/h16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48912359.360氧化液热损循环液移走(差值)1734758.64489123.5946688477.13总计48912359.3648912359.364.3 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99.80.170.0323942.8190.87.

46、56氧化液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛98.50.830.430.210.0323949.85128.60106.9572.4718釜残液醋酸水甲酸乙醛三聚乙醛35.1636.8130.887.677.0437.899.3972.4718m馏出液=24079.87m釜残液=234.7总计24314.5724314.574 .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,ifv, ivdd, xd,ildl, xd,ildlilmwqcvivww, xw,ilwqb17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+

47、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=。)(12ttcqpcc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+1.80030.0767c=1.88670539 kj/kgk

48、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/ h1589. 185.239494.3.2 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=

49、21bbbiiq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/h261868. 435181124.99q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1734758.646688477.13443.583氧化液热损循环液移走(

50、差值)3158317.5784236.795181124.993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

51、6.424521657.461479.02227.02216.825.1.1 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；15.11702.22746.1657同理，相对于醋酸lgp0b=6.42452=1.9959 解得p0b=99.06kpa15.11782.21602.1479则 x=0.027306.9922.18106.993 .101000babpppp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=1.8306.9922.1

52、81(2) 回流比设定为泡点进料，rmin=fdfdxxxx11110551. 019456. 0183. 10551. 09456. 0183. 11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=1lg11lg wwddxxxx83. 1lg108.43108.4319456. 019456. 0lg4-4解得nmin=15.4371那么=0.32，从吉利兰图上查得1minrrr107.1661.1407.16=0.382minnnn24371.15nn解得n=26.12，取值n=27精馏段nmin=1=1=

53、9.64lg11lg ffddxxxx83. 1lg0273. 00273. 019456. 019456. 0lg 那么=0.32，从吉利兰图上查得=0.381minrrr107.1661.1407.1621min1nnn264. 911nn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l=0.64mpas 由此解得 et=0.49(1.830.64)0.245=0.61塔的有效高度 z=ht1tten 其中：nt塔内所需理论板层数 ht塔板间距 m(取

54、ht=0.5m) 则 z=0.5=21.63m 取值为 22m。161. 027 设 定 上 层 塔 板 与 塔 顶 盖 之 间 的 距 离 为 1.0m， 下 层 塔 板 和 塔 底 之 间 的 距 离 为 2.0m20 所以精馏塔总高度为 h=z+1.0+2.0=25m5.1.3 塔径的计算塔径的计算(1) 两相密度 液相密度 l=939.1kg/m3 气相密度(以进料状态计算)t=117.15+273.15=390.3k 由 pv=nrt 可知 p=vrt 由此得出 v=1.84kg/m3mrtmp3 .390314. 885.583 .101(2) 气液相流量气相流量 vs=6.53m

55、3/s 84. 1360085.5857.115 .63360013600vvmdrmv液相流量 ls=0.01259m3/s1 .939360085.5857.115 .6236003600llmrdml（3）塔径的确定 塔径 d=；其中 u 可由 umax=c解得，其中 c=c20计算，uvs4vvl2 . 020l其中 l=18.4mn/m；c20可以在史密斯关联图上查得，横坐标=0.044212184. 11 .93953. 601259. 0vlssvl 取板间距 ht=0.5m，板上液层高度 hl=0.07m，则 hthl=0.43m 查得 c20=0.10m/s则 c=c20=0

56、.098，所以2 . 02 . 0204 .1810. 020lumax=0.098=2.23m/s81. 181. 11 .939 取安全系数为 0.65，则空塔气速 u=0.65umax=1.45m/s 塔径 d=2.3952 muvs445. 114. 353. 64 按标准塔径圆整后,选取 d=2.40m 塔截面积 at=4.52m2；空塔气速 u=1.44m/s。24d52. 453. 65.1.4 塔板设计塔板设计 根 据 塔 板 的 产 能 、 结 构 、 造 价 等 实 际 情 况 进 行 比 较 ， 选 择 采 用 筛 板 塔 21。(1) 溢流装置 设 定 选 用 单 溢

57、流 弓 形 降 液 管 ， 采 用 凹 型 受 液 盘 ， 各 项计 算 如 下 堰长 lw 取 lw=0.80d=0.802.40=1.92m 溢流堰高度 hw=hlhow采用平直堰，堰上液层高度 how=32100084. 2whlle计算， 其 中 由 液 流 收 缩 系 数 图 查 得 e ， 其 横 坐 标 为 23. 892. 1360001259. 03232whll 查得 e=1.00，则 how=1.008.23=0.02m100084. 2 设定塔板上清液层高度 hl=0.07m；于是 hw=hlhow=0.070.02=0.05m 这个结果符合范围 0.1howhw0.0

58、5how(2) 弓形降液管宽度 wd和截面积 af 由=0.80，查弓形降液管参数图，得=0.15；=0.20dlwtfaadwd 故 af=0.15at=0.154.52=0.678m2;wd=0.20d=0.202.40=0.48m检验液体在降液管中停留时间=26.935s；由此判断降液管设计合理。htflha3600360001259. 050. 0678. 03600(3) 降液管底隙高度 h0 设定液体通过底隙的流速 0=0.16m/sh0=0.041m16. 092. 13600360001259. 036000ullwhhwh0=0.050.041=0.0090.006m所以降液

59、管底隙高度设计合理，选用凹型受液盘，深度 hw=50mm(4) 塔板布置：因 d1.5m，取 ws=0.1m；wc=0.07m(5) 筛孔：本 设 计 中 所 处 理 的 物 系 有 腐 蚀 性 ，拟采用 =2.5mm 不锈钢塔板，筛孔直径 d0=2=5mm 筛孔按正三角形排列，取孔中心距 t=3d0=15mm 筛孔数目 n=式中255. 1taarxrxrxaa1222sin1802 mwdrmwwdxcsd13. 107. 0240. 2262. 01 . 048. 0240. 2222 则2122265. 213. 162. 0sin18013. 162. 013. 162. 02maa

60、 所以取值 n=13604 个33.13603015. 065. 2155. 12n 开孔率%10015. 0005. 0907. 0907. 0220td5.1.5 流体力学验算流体力学验算5.1.5.1 塔板压降 气体通过第一层塔板的压降 hp=hc+hl+h(1) 干板压降lvccuh200051. 0式中为气体通过筛孔的速度0usmndvus/45.2413604005. 0453. 642200 由 =2，由干筛孔流量系数图可知 c0=0.755 . 250d于是=0.106m(液柱)1 .93984. 175. 045.24051. 02ch气体通过充气液层的压降 hl=hla=1