乙醛氧化制备乙酸分离工段设计-毕业设计

1、北京理工大学珠海学院2011届本科生毕业设计目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 概述11.1.1 乙酸的工业现状11.2 工艺技术的比较与选择21.3 原料及产品规格21.4 三废处理21.4.1 废气处理21.4.2 废水处理21.5 确定方案31.5.1 设计依据31.5.2 设计方法31.5.3 设计流程31.6 操作条件的确定41.6.1 塔板类型的选取41.6.2 进料状态41.6.3 加热方式的选择42 精馏塔的工艺计算52.1 物性数据52.1.1 粗醋酸中各组分的物理性质52.1.2醋酸水溶液气-液平衡关系表52.1.3水和醋酸的安托尼常数 52.2 物料平衡6

2、2.3氧化塔物料衡算62.4 蒸发器物料衡算92.5精馏塔T101物料衡算102.5.1原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔质量102.5.2物料衡算102.5.3塔顶，进料和塔釜温度的计算102.5.4平均相对挥发度的计算112.5.5最小回流比的计算和适宜回流比的确定及112.5.6最小理论塔板数确定122.5.7全塔理论塔板数122.5.8实际塔板数和进料位置122.6精馏塔T102的物料衡算132.7 醋酸回收塔物料衡算 133 精馏塔主要尺寸计算153.1精馏塔T101设备计算153.1.1操作压强153.1.2操作温度153.1.3平均分子量153.1.4平均密度（参考化工原理上册附录

3、图7）163.1.5表面张力的计算（参考化工原理上册附录图7）183.2精馏塔T101主要尺寸计算183.2.1流量的计算183.2.2塔径的计算193.2.3塔板结构的设计203.2.4塔板流体力学验算233.2.5塔板负荷性能图273.2.5塔的高度计算334 热量衡算364.1.数据364.2冷凝器的热负荷364.3冷却水消耗量384.4加热器热负荷及全塔热量衡算385 主要设备设计和选型405.1接管的设计405.1.1进料管405.1.2回流管405.1.3釜液出口管405.1.4塔顶蒸汽管415.1.5加热蒸汽管415.2冷凝器的选型426.结论43参考文献44附 录45附录145

4、（1）英文字母：45（2）希腊字母：45（3）下标：46（4）上标：46附录246谢 辞47471 绪论1.1 概述乙酸又称醋酸，分子量为60.05。，是无色透明带有刺激性气味的液体，是重要的有机酸之一 。乙酸是相当弱的一种盐基酸，与多种金属能生成盐类；乙酸的水溶液一般有很强的腐蚀性，纯的乙酸电导率很低，但加入少量的硫酸后，通电流时乙酸就分解为一氧化碳，二氧化碳和氧；乙酸分子结构中的羧基和烷基，能与卤素，氨，醇等发生多种化学反应，构成了乙酸在化学工业中的广泛用途。乙酸可以用来制取乙酸乙烯，乙酸纤维素，乙酸酯类溶剂，氯乙酸和乙酸盐类等等。还可以作为织物整理剂，用于制药工业。我国醋酸产量不足说明我

5、国醋酸需求增长速度较快，也说明国内醋酸工业整体水平较差，受到国外规模化装置产品的冲击日趋严重。我国不仅大量进口醋酸，而且醋酸下游产品呈现快速发展态势，为醋酸产品的发展提供了广阔的市场前景。未来10年间，我国醋酸需求的平均增长率达5.7%，2006年我国需求量达到1450kt，2010年需求量达到1880kt。这对我国醋酸的研究有着重大意义。目前国内外乙酸的生产工艺都比较成熟，本设计主要针对乙酸生产的分离工段进行研究。精馏塔设备作为汽一液和液一液之间进行传质与传热的重要设备，广泛应用于炼油、石油化工、精细化工、化肥、农药、医药、环保等行业的物系分离，涉及蒸(精)馏、吸收、解吸、汽提、萃取等化工单

6、元操作。是化工、炼油生产装置中最重要的设备之一，塔设备的性能对于整个装置和企业的生产能力、产品质量、消耗额定以及三废和环保等各方面都有重大影响。当前工业上的大型蒸馏设备仍以板式塔为主，因为板式塔结构简单、成本低廉、易于放大而且在设计与操作方面已具备了比较成熟的经验。但板式塔与高效规整填料相比也有自身的缺点:其通量较小、压降较大、效率也较低，所以进入90年代以来，人们又开始寻求板式塔的新突破。欧美各国，尤其是美国的各大塔器生产商，研制、开发出大批新型塔板。这些新型塔板既克服了以前的一些缺点，同时又保留了以往普通塔板的优点，以更好适应现在对于大直径蒸馏设备大通量、高效率的要求达到相际间传质与传热的

7、目的。当用这些新型高效塔板改造现有的筛板塔或浮阀塔时，无论是从操作性能，还是从改造费用上都显示出广泛的应用前景。因此我们可以从塔板的性能：塔板效率、处理能力、操作弹性、压降及抗堵性等几方面来研究来提高精馏塔的性能，从而优化塔设备，达到经济实用的目的。1.1.1 乙酸的工业现状近年来，世界乙酸需求年平均增长率为6.9%，而我国年均增长率达到10%左右。目前我国乙酸生产企业有300多家，2008年生产能力约达250万t/a。乙酸工业经过几十年的发展，目前乙酸工业生产方法主要有乙醛氧化法，甲醇羰基氧化法，丁烷（轻油）液相氧化法，乙烯直接氧化法。 甲醇低压液相碳化法由于原料低廉，操作条件缓和，乙酸产率

8、高，质量好且工艺简单等优点，是近年来发展最快的方法，据统计，目前利用该工艺生产的装置占世界总产能的60%以上，其次乙烯乙醛法约占20%，轻烃氧化法约占10%，其它方法约占10%。1.2 工艺技术的比较与选择按原料路线，乙醛氧化法分为乙醇-乙醛氧化法，乙炔-乙醛氧化法，乙烯-乙醛氧化法。乙醇-乙醛氧化法属传统方法，用该法生产1t乙酸耗粮食2t，成本高，规模小，该工艺生产路线在发达国家已经被淘汰，在发展中国家仍有应用，但最终随着乙酸工艺技术的发展而取代。乙炔-乙醛氧化法因为需要使用硫酸汞作为催化剂，存在严重的汞污染，故该法在国外已经被淘汰，国内尚有2.5万t/a装置能力，已处于半停产状态，不久也将

9、会被淘汰。乙烯-乙醛氧化法在20世纪60年代发展迅速，但因为该法所利用的自然资源限于石油，其技术经济指标不及用甲醇碳化工艺，国外利用该工艺建成的生产装置已全部停产，但在我国仍在应用，因此该方法没有得到更大发展。甲醇羰基化工艺，当装置规模向超大型发展时能显示其突出的经济性，一旦建厂，产量对市场的冲击性很大，在市场需求十分巨大的地区，甲醇羰基化工艺是首选目标。该工艺有高压法和低压法两种技术。本设计采用低压法甲醇羰基化工艺，该工艺以碘化铑为催化剂，工艺反应条件温和，收率高，生产成本低。本设计引用乙醛氧化法生产工艺。乙醛氧化法在孟山都法商业生产之前，大部分的乙酸是由乙醛氧化制得。尽管不能与甲基羰基化相

10、比，此法仍然是第二种工业制乙酸的方法。1.3 原料及产品规格原料：乙醛 乙醛含量99.5wt% 水含量0.5wt%产品规格：乙酸含量% 99wt%1.4 三废处理1.4.1 废气处理 废气中主要成分为一氧化碳，可直接焚烧或通过变压吸附装置回收一氧化碳后焚烧。经处理后的废气符合国家现行排放标准。1.4.2 废水处理 间歇排放的少量废水，这是设备、管道检修时的冲洗液及地面冲洗水，这些含醋酸的废水经一级中和处理后，送废水处理站，经生化处理后达到排放标准。 废液量也很少，废液中含有有机组分，主要含醋酸、丙酸，可送去综合利用或送焚烧站焚烧。1.5 确定方案1.5.1 设计依据醋酸生产消耗定额见表1-1

11、表1-1消耗定额名称单耗（每吨醋酸）乙醛氧气冷却水醋酸锰770kg260m3250m32kg本设计依据教科书实例，结合现在乙酸工业实际，提出设计要求，对通过分析做出理论计算，为工业设计人员提供理论上的设计依据。1.5.2 设计方法本设计在给定的已知条件下采用简捷计算法，设计出符合要求的筛板式连续精馏塔。1.5.3 设计流程本设计采用连续精馏，氧化液连续流入蒸发器1，在120度到125度气化，醋酸锰和焦油状高沸物杂质则留存器底，定期清除。蒸发器1蒸出乙酸蒸汽，连续进入脱低沸物塔2，该塔塔板数约50块，在塔内主要是将氧化液中低沸物如乙醛，甲酸，乙酸甲酯和水蒸出。塔顶装有回流冷凝器3，自动调节冷凝器

12、的水量。未冷凝的气体进入乙酸回收系统。塔底的乙酸含有少量的高沸物和微量的低沸物。经过调节后，以稳定的流量连续地进入脱高沸物塔。其塔顶也装有回流冷凝器3，自动调节冷却水的水量，以控制温度。冷凝的乙酸，部分回流入塔，部分作为产品送往贮槽。该塔塔底脱出高沸点物。 图1-1 本设计的简易流程示意图1.6 操作条件的确定1.6.1 塔板类型的选取由于粗醋酸的腐蚀性较强，板式塔塔板更易被腐蚀，但随着化学工业不断发展，新的耐腐蚀材料不断研制成功，在醋酸生产中有的采用了板式塔。板式塔的生产能力高，在高压下，板式塔的分离效率优于填料塔，结构简单，造价低廉，易于操作。塔板的类型一般有泡罩塔，筛板塔，浮阀塔，斜孔塔

13、等，本设计选取筛孔塔板，其结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率较高。但其也有不足的地方，筛孔易堵塞，不宜处理易结焦和粘度大的物料。1.6.2 进料状态采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，本设计采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提镏段上升蒸汽的摩尔流量相等，故精馏段和提镏段塔径相等，制造上较为方便。1.6.3 加热方式的选择间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化。上升蒸汽与回流下来的冷液进行传质，其优点是使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论塔板数。但其缺点只是增加了加热装置。本设计采用间接蒸汽

14、加热。2 精馏塔的工艺计算2.1 物性数据2.1.1 粗醋酸中各组分的物理性质 表2-1 粗醋酸各组分的物理常数 物品名称 分 子 式 分子量 沸点， 临界温度， 临界压强，Mpa 醋 酸 CH3COOH 60 118.1 321 5.786 甲 酸 HCOOH 46 100.8 乙 醛 CH3CHO 44 20.8 188 5.573 醋酸锰 Mn(CH3COO)2 172.94 水 H2O 18 100 374.3 22.048 醋酸甲酯 CH3COOCH3 74 57.1 233.8 4.691 三聚乙醛 (CH3CHO)3 132 124.4 亚乙基二醋酸酯 CH3CH(OCOCH3)

15、2 146 10.8 2.1.2醋酸水溶液气-液平衡关系表 表2-2醋酸水溶液气-液平衡关系表醋酸，分子%温度t/醋酸，分子%温度t/液相气相液相气相05.010.020.030.040.050.003.77.013.620.528.437.4100100.3100.6101.3102.1103.2104.460.070.080.090.095.010047.057.569.888.889.0100105.8 107.5110.1118.8115.4118.12.1.3水和醋酸的安托尼常数 表2-3 水和醋酸的安托尼常数常数ABC水醋酸7. 074066. 424521657. 461479.

16、 02227. 02216. 822.2 物料平衡 年产2.0万吨/年乙酸，工作日330天。一年相当于7920小时。则每小时生产乙酸20000×1000kg/7920=2525.253kg/h根据消耗定额得每小时乙醛进料量为：1000/770=2525.253/m乙醛则m乙醛=1944.445kg/h所以选择乙醛每小时进料量为2000kg/h2.3氧化塔物料衡算（1）氧化塔物料衡算中的已知数据 每小时通入氧化塔的乙醛量为10000kg/h 氧化过程中乙醛总转化率为99. 3% 氧化过程中氧的利用率为98. 4% 氧化塔塔顶补充的工业氮使其浓度达到45% 未转化的乙醛在气液相中的分配率

17、（体积%） 气相：34% 液相：66% 原料组成见表2-4 表2-4 原料组成原料乙醛%（质量）工业氧%（质量）工业氮%（质量）催化剂溶液%（质量）乙醛 99. 5醋酸 0. 1水 0. 3三聚乙醛0. 1氧气 98氮气 2氮气 97氧气 3醋酸 60醋酸锰 10水 30催化剂中醋酸锰用量为氧化塔进料乙醛重量的0. 08%氧化过程中乙醛的分配率 主反应 96% 副反应 1. 4% 0. 25% 0. 95% 1. 4%（2）反应式衡算 纯乙醛量：2000×99. 5%=1990kg 主反应 96% a. 乙醛用量： 1990×0. 993×0. 96=1897.0

18、3kg b. 需用氧量(x) 44:16=1897.03:x x=689.83kg c. 生成醋酸量(y) 44:60=1897.03:y y=2586.86kg 副反应 1. 4% a. 乙醛用量：1990×0. 993×0. 014=27.66kg b. 需用氧量(x) 132:96=27.66:x x=20.12kg c. 生成醋酸量(y) 132:120=27.66:y y=25.15kg d. 生成甲酸量(z) 132:46=27.66:z z=9.64kg e. 生成水量(w) 132:18=27.66:w w=3.77kg f. 生成二氧化碳量(v) 132:

19、44=27.66:v v=9.22kg 副反应 0. 25% a. 乙醛用量：1990×0. 993×0. 0025=4.94kg b. 需用氧量(x) 132:32=4.94:x x=1.20kg c. 生成亚乙基二醋酸量(y) 132:146=4.94:y y=5.46kg d. 生成水量(z) 132:18=4.94:z z=0.67kg 副反应 0. 95% a.乙醛用量：1990×0. 993×0. 0095=18.77kg b.需用氧量(x) 88:48=18.77:x x=10.24kg c.生成醋酸甲酯量(y) 88:74=18.77:y

20、 y=15.78kg d.生成二氧化碳量(z) 88:44=18.77:z z=9.39kg e.生成水量(w) 88:18=18.77:w w=3.84kg 副反应 1. 4% a.乙醛用量：1990×0. 993×0. 014=27.66kg b.需用氧量(x) 88:160=27.66:x x=50.29kg c.生成水量(y) 88:72=27.66:y y=22.63kg d.生成二氧化碳量(z) 88:176=27.66:z z=55.32kg 根据反应式衡算出来的反应物总耗量及反应生成物总量如下： 反应掉的乙醛总量 2000×0. 995×

21、0. 993=1976.07kg 未转化的乙醛量 2000×0. 995×0. 007=13.93kg （其中液相中乙醛含量13.93×0. 66=9.19kg 气相中乙醛含量13.93×0. 34=4.74kg） 反应掉的氧气总量 689.83+20.12+1.20+10.24+50.29=771.64kg 则所需工业氧气量 771.64/（0.98*0.984）=800.19kg 其中： 氧气=800.19×0. 98=784.19kg 氮气=800.19×0. 02=16.00kg 所以未反应的氧气=784.19-771.64=

22、12.55kg 反应生成物重量 醋酸：2586.86+25.15=2612.01kg 二氧化碳：9.22+9.39+55.32=73.93kg 水：3.77+0.67+3.84+22.63=30.91kg 甲酸：9.64kg 亚乙基二醋酸酯：5.46kg 醋酸甲酯：15.78kg（4）催化剂用量 已知催化剂溶液中醋酸锰用量为氧化塔进料乙醛重量的0.08%，催化剂中醋酸锰的含量为10%，设催化剂溶液用量为x0.0008×(2000+x)=0.1x x=16.13kg 其中： 醋酸锰 16.13×0. 1=1.61kg 水 16.13×0. 3=4.84kg 醋酸 1

23、6.13×0. 6=9.68kg（5）保安氮用量 设保安氮为xkg 塔顶干气量计算： 氮气：16+0. 97x 氧气 ：12.55+0. 03x 二氧化碳：73.93kg 则 (16+0.97x)/(16+12.55+x+73.93)=0.45 x=57.93kg（其中氮气：57.93×0. 97=56.19kg 氧气：57.93×0. 03=1.74kg） 塔顶干气量 氮气: 16+0. 97x=72.1kg 氧气: 12.55+0. 03x=14.29kg 二氧化碳: 73.93kg整理以上数据，列出氧化塔物料平衡结果，见表2-5表2-5氧化塔物料衡算结果出料

24、 醋酸 醋酸甲酯 水 亚乙基二醋酸 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸锰质量(kg) 2612.01 15.78 30.91 5.46 9.64 9.19 2.00 1.61含量% 96 0.8% 1.5 0.68 0.39 0.38 0.18 0.07图2-1 氧化塔物料衡算图 2.4 蒸发器物料衡算 图2-2 蒸发器进出物料图已知数据： F=2672.52kg/h （进料中醋酸锰含量） （完成液中醋酸锰含量）列衡算式： L=23.38kg/h W=2649.14kg/h2.5精馏塔T101物料衡算2.5.1原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔质量进料平均摩尔质量塔顶平均摩尔质量MD=0.7194

25、15;18+(1-0.7194) ×60=29.79塔底平均摩尔质量Mw=(1-0.0016) ×60+0.0016×18=59.932.5.2物料衡算已知数据： （1）进料流量2649.14kg/h （2）醋酸质量分数0. 968，水的质量分数0. 0154 （3）馏出液中醋酸含量3%，釜液中醋酸的回收率为98% （4）醋酸和水的摩尔质量分别为60kg/kmol和18kg/kmol进料组成 进料流量F=2649.14/57.88=45.77kmol/h列衡算式： =0. 97 =0. 98得： D=3.11kmol/h W=42.66kmol/h XD=0.71

26、94 Xw=0.0016即： D=3.11×29.79=92.65kg/h W=42.66×59.93=2556.61kg/h2.5.3塔顶，进料和塔釜温度的计算塔顶温度：100104 塔底温度：117124 常压精馏：P=101. 3kpa根据表2-3可得（1）求进料温度假设泡点温度为116.5对水： a对醋酸： a则 与x=0.0504十分接近，故假设t=116.5正确，故进料温度为tF=116.5（2）塔顶温度计算假设塔顶温度为103.725同理：对水： PAs=115.5580kpa 对醋酸： PBs=64.6249kpa则x=(101.3-64.6249)/(11

27、5.5580-64.6249)=0.7201与XD=0.7194十分接近，故假设塔顶温度为tD=103.725正确。（3）塔釜温度计算假设塔釜温度为117.85同理：对水： PAs=185.3532kpa 对醋酸： PBs=101.2045kpa则x=(101.3-101.2045)/(185.3532-101.2045)=0.0012与XW=0.0016十分接近，故假设塔釜温度为tW=117.85正确2.5.4平均相对挥发度的计算塔顶：（AB）D=115.5580/6406249=1.7881进料：（AB）F=177.46/97.12=1.8272塔釜：（AB）W=185.3532/101.

28、2045=1.8315全塔平均相对挥发度：AB= =1.81552.5.5最小回流比的计算和适宜回流比的确定进料为泡点进料，所以q=1 根据公式 带入已知数据，得Rmin=16.86 取 R=1.5Rmin=1.5×16.86=25.292.5.6最小理论塔板数确定Nmin=lg(xD/(1-xD) ×(1-xW)/xW)/lg-1=11.372.5.7全塔理论塔板数利用简捷法计算理论塔板数 全回流时理论板层数 Nmin=lg(xD/(1-xD) ×(1-xW)/xW)/lg-1=11.37 则 (R-Rmin)/(R+1)=(26-16.86)/(26+1)=0

29、.3385 由化工原理P37吉利兰图 查得 (N-Nmin)/N+2=0.38 得N=19.56 精馏段理论板层数 Nmin=lg(xD/(1-xD) ×(1-xF)/xF)/lg-1=5.5 横坐标 385不变，则纵坐标读数也不变 既 N1=10.09 即精馏段理论板数为10.09.，提馏段理论板数为9.912.5.8实际塔板数和进料位置 板效率查石油化工基础数据手册以进料为计算基准，得表2-6表2-6 粘度数据表醋酸H2O0.95240.05040.39mPa·s0.208 mPa·s=0.9521×0.39+0.0504×0.208=0.

30、3818 mPa·s= 0.49×(1.8155×0.3818)-0.245=0.54塔内实际板数NP=NT/ET=19.56/0.54=36.22取实际板层数为37块(不包括再沸器)精馏段和提馏段实际板数的确定NP精=NT精/ET=10.09/0.54=18.69取实际精馏段塔板数为19块，提馏段实际板数为18块，进料板的位置为由下往上数的第十九块板2.6精馏塔T102的物料衡算已知数据：（1）进料流量F=2556.61kg/h （2）进料醋酸含量98%，釜残液醋酸含量10%，成品醋酸含量99. 8% 列衡算式： 得： W=2281.86kg/h L=274.7

31、5kg/h2.7 醋酸回收塔物料衡算已知数据：（1）进料流量F=92.65+274.75=367.4kg/h （2）经回收后得到粗醋酸含量65%以上（按65%计算） （3）从精馏塔出来的醋酸含量20%，副产物中含5%的醋酸列衡算式： F=X+Y F×0. 2=0. 05X+0. 65Y得： X=236.19kg/h Y=131.21kg/h图2-3醋酸回收塔进出物料图3 精馏塔主要尺寸计算3.1精馏塔T101设备计算3.1.1操作压强常压精馏：P=101.3kpa3.1.2操作温度 进料温度：TF=116.5塔温 塔顶温度：TD=103.725 塔釜温度：TW=117.85故精馏平均

32、操作温度Tm=(116.5+103.725)/2=110.113 提镏段平均操作温度Tn=(116.5+117.85)/2=117.1753.1.3平均分子量塔顶平均分子量：y1=XD=0.7194 =1.8155由y=X/1+(-1)X得，X1=0.5854气相平均分子量 MvD=0.7194×18+ (1-0.7194) ×60=29.79kg/kmol液相平均分子量 MLD=0.5854×18+(1-0.5854) ×60=35.41kg/kmol进料板平均分子量：XF=0.0504 则yF=0.0879气相平均分子量 MVF=0.087

33、9×18+(1-0.0879) ×60=56.31kg/kmol液相平均分子量 MLF=0.0504×18+(1-0.0504) ×60=57.88kg/kmol塔釜平均分子量：XW=0.0016 yW=0.0029气相平均分子量MVW=0.0029×18+(1-0.0029) ×60=59.88kg/kmol液相平均分子量MLW=0.0016×18+(1-0.0016) ×60=59.93kg/mol精馏段平均分子量气相平均分子量：MVM=(29.79+56.31)/2=43.05 kg/mol液相平均分子量：M

34、LM=(35.41+57.88)/2=46.65 kg/mol提馏段平均分子量气相平均分子量：MVN=(56.31+59.88)/2=58.095kg/kmol液相平均分子量：MLN=(57.88+59.93)/2=58.91kg/kmol3.1.4平均密度（参考化工原理上册附录图7）表3-1 密度数据表温度/醋酸/ kg/m3H2O/ kg/m3100105110115959.5952.5944.5939.5958.36954.5951.0946.5120930.5943.1经插值计算得表3-2 插值计算后密度数据表温度/醋酸/ kg/m3H2O/ kg/m3塔顶103.725954.285

35、955.48进料116.5936.8945.48塔釜117.85934.37944.56 已知各组分在液相、气相所占的比例，根据表2-2气-液平衡关系，用插值法得，表3-3所示。 表3-3醋酸H2O液相气相液相气相进料质量分数0.9680.18860.01540.8114摩尔分数0.94960.06520.05040.9348塔顶质量分数0.65760.80690.34230.1931摩尔分数0.41460.55620.71940.4438塔釜质量分数0.99950.03320.00050.9668摩尔分数0.99840.01020.00160.9898(1) 塔顶密度的计算 液相平均密度：L

36、,D=1/(x醋酸/醋酸+x水/水)则L,D=1÷(0.6576÷954.285+0.3423÷955.48)=954.789 kg/m3气相平均密度：M=M醋酸y醋酸+M水y水 V,D=TM/22.4TDM=60×0.8069+18×0.1931=51.89kg/kmolV,D=273.15×51.89÷22.4×(103.75+273.15)=1.679 kg/m3(2) 进料板密度的计算液相平均密度：L,F=1/(x醋酸/醋酸+x水/水)则L,F=1÷(0.968÷936.8+0.0154

37、÷945.48)=952.75 kg/m3 气相平均密度：M=M醋酸y醋酸+M水y水 M=600.1886+18×0.8114=25.92 V,F=TM/22.4TFV,F=273.15×25.92÷22.4×(116.5+273.15)=0.8112 kg/m3(3) 塔釜密度的计算液相平均密度：L,w=1/(x醋酸/醋酸+x水/水)则L,w=1÷(0.9995÷934.37+0.0005÷944.56)=934.375 kg/m3气相平均密度：M=M醋酸y醋酸+M水y水 M=60×0.0332+18&

38、#215;0.9668=19.39kg/kmolV,W=TM/22.4TWV,W=273.15×19.39/22.4×(273.15+117.85)=0.6047 kg/m3(4)精馏段和提馏段密度的计算精馏段：气相平均密度：=12×(+)= 12×(0.8112+1.679)=1.2451(kg/m3)液相平均密度：=12×( + ) =12×(952.75+954.789)=953.7695(kg/m3)提馏段：气相平均密度：=12×(+)= 12×(0.8112+0.6047)=0.70795(kg/m3)液

39、相平均密度：=12×( + ) =12×(952.75+934.375)=943.5625(kg/m3)3.1.5表面张力的计算（参考化工原理上册附录图7）表3-4 表面张力数据表温度/醋酸/ mN/mH2O/ mN/m10011019.9019.258.859.9012017.954.80经插值计算得表3-5 插值计算后表面张力数据表温度/醋酸/mN/mH2O/ mN/m塔顶103.72519.6459.17进料116.518.3656.56塔釜117.8518.1855.90D=醋酸x醋酸+水x水=19.64×0.4146+59.17×0.7194=

40、50.83 mN/mF=醋酸x醋酸+水x水=18.36×0.9496+56.56×0.0504=20.29 mN/mW=醋酸x醋酸+水x水=18.18×0.9984+55.90×0.0016=18.24 mN/m精馏段：精=1/2（D+F）=1/2×（50.83+20.29）=35.56 mN/m提镏段：提=1/2（F+W）=1/2×（20.29+18.24）=19.27 mN/m 表3-6 工艺条件列表精馏段提馏段平均密度气相1.24510.70795(kg/m3)液相953.7695943.5625液体表面张力(mN/m)液相35

41、.5619.273.2精馏塔T101主要尺寸计算3.2.1流量的计算表3-7 相对分子质量数据表平均相对分子质量气相液相精馏段43.0546.65提馏段58.09558.91(1) 进料：醋酸：Fx醋酸=2649.14×0.968=2564.3675(kg/h)=0.7123(kg/s)H2O：FxH2O=2649.14×0.0504=133.5167 (kg/h)=0.0371(kg/s)(2) 精馏段：气相流量：V=(R+1) D=(25.29+1) ×3.11=81.7619 (kmol/h)=0.0227(kmol/s)=3519.8498(kg/h)=0

42、.9772(kg/s)VS=VMV/v=0.0227×43.05/1.2451=0.7849 m3/sVh=2825.64 m3/h液相流量：L=RD=25.29×3.11=78.6519(kmol/h)=0.0218(kmol/s)=3669.1111(kg/h)=1.017(kg/s)Ls=LML/L=0.0218×46.65÷953.7695=0.0011 m3/sLh=3.96 m3/h(3) 提馏段：气相流量：V=V=81.7619(kmol/h)=0.0227(kmol/s)=3519.8498(kg/h)=0.9772(kg/s)VS=0.

43、7849 m3/sVh=2825.64 m3/h液相流量：L=L+F=78.6519+2649.14=2727.7919(kmol/h)=0.7877(kmol/s)=1.6069×105(kg/h)=46.4034(kg/s)LS=0.7877×58.91÷943.5625=0.04918 m3/sLh=177.048(m3/h)3.2.2塔径的计算（1）计算公式D：塔径（m）：塔内气体流量u：空塔内气速m/su=安全系数×：极限空塔气速m/sC：负荷系数（可由史密.斯关联图查出）：分别为塔内气液两相密度=（2）精馏段计算：Ls/Vs*(L/v)0.5

44、=0.0011÷0.7849×(953.7695÷1.2451)0.5=0.03879取板间距HT=0.45m，取板上液层高度hL=0.05m则HT-hL=0.45-0.05=0.4m根据以上数据，由化工原理下册p158图37史密斯关联图查得：C20=0.08 其中精=35.56 mN/m则C=C20(精/20)0.2=0.08（35.56/20）0.2=0.08976所以umax=0.08976×(L-v)/ v0.5=0.08976×(953.7695-1.2451)/1.24510.5=2.4827m/s取安全系数为0.7，则空塔气速 u

45、=0.7umax=1.7379m/s所以塔径 D=（4Vs/u）0.5=（4×0.7849÷3.14×1.7379）0.5=0.7585m按标准塔径圆整后，取 D=0.8m塔截面积：AT=D2/4=3.14×0.82÷4=0.5024m2空塔气速：u=VS/AT=0.7849÷0.5024=1.5623 m/s（3）提馏段计算：LS/ VS×(L/v)0.5=0.04918/0.7849×（943.5625÷0.70795）0.5=2.2875取板间距HT=0.6m，取板上液层高度hL=0.08m则HT-

46、 hL=0.6-0.08=0.52(m)根据以上数据，由化工原理下册p158图37史密斯关联图查得：C20=0.012由于物系表面张力为19.27mN/m，校正：C=C20(提÷20)0.2=0.012（19.27÷20）0.2=0.0119umax= C×(L-v)/ v0.5=0.0119×(943.5625-0.70795) ÷0.707950.5=0.4343m/s取安全系数为0.6，则空塔气速 u=0.6umax=0.2606m/s所以塔径 D=（4Vs/u）0.5=（4×0.7849÷3.14×0.26

47、06）0.5=1.9587m按标准塔径圆整后，取 D=2m塔截面积：AT=D2/4=3.14×22÷4=3.14m2空塔气速：u=VS/AT=0.7849÷3.14=0.2499m/s3.2.3塔板结构的设计(一) 精馏段板间距HT=0.45m,取板上液层高度hL=0.05m塔径D=0.8m 根据塔径和液体的流量，选用弓形降液管，不设进口堰，塔板采用单溢流和分块式组装。(1) 溢流装置堰长lW取堰长lW=0.8D,即lW=0.8×0.8=0.64(m)堰上液层高度hOWhOW =，取E1hOW =2.84/1000×1×（3.96 /

48、0.64）2/3=0.0096hOW>0.006m，符合要求。一般how不应小于6mm,以免液体在堰上分布不均。出口堰高hWhL=hW+hOW，即hW= hL- hOW=0.05-0.0096=0.0404m 降液管底隙高度 hoho=hw-0.006=0.0404-0.006= 0.0344(m) 弓形降液管宽度Wd和面积AfLw/D=0.8查化工原理下册，图3-12得Af/AT=0.15, AT=0.5024m2所以Af=0.0754 m2 Wd/D=0.2 D=0.8m所以Wd=0.2×0.8=0.16m 液体在液管中停留时间 = AfHT/ Ls=0.0754×

49、;0.45÷0.0011=30.8s停留时间>5s，故降液管尺寸可用。(2) 塔板布置及筛孔数目与排列因为D小于1.5m，所以取WS=0.06m WC=0.05m本设计中所处理的物系有腐蚀性，可选用的不锈钢塔板，筛孔直径 筛孔按正三角形排列，取孔中心距 筛孔数目 其中 X=0.8/2-（0.16+0.06）=0.18 r=0.8/2-0.05=0.35则 Aa=0.2403 m2所以 n=1.55×0.2403÷0.0152=1655.4开孔率: (二) 提馏段板间距HT=0.6m,取板上液层高度hL=0.08m塔径D=2m 根据塔径和液体的流量，选用弓形降液管，不设进口堰，塔板采用单溢流和分块式组装。(3) 溢流装置堰长lW取堰长lW=0.8D,即lW=0.8×2=1.6(m)堰上液层高度hOWhOW =，取E1hOW =2.84/1000*1（177.0442 ÷1.6）2/3=0