年产7000吨醋酸酐吸收工序工艺设计-课程设计（可编辑）

年产7000吨醋酸酐吸收工序工艺设计—课程设计制药工程课程设计任务书一、设计题目:年产7000吨醋酸酐吸收工序工艺设计二、设计主要内容:1、物料衡算;2、热量衡算;3、典型设备的工艺计算以及选型;4、管道及仪表流程图PID图,1张;5、设计说明书。三、生产条件(包括年操作日、生产方式及其它限制性条件)1、连续生产,四个班组三班倒;2、年操作日为333日,8000h;3、醋酐精制采用连续精馏,选用浮阀塔。四、设计中主要参考资料(包括参考书、资料、规范、标准等)1、中国石化集团上海工程编.化工工艺设计手册(上、下册)(第三版).化学工业出版社,2003.2、时钧,汪家鼎,余国琮,陈敏恒编.化学工程手册(第二版).化学工业出版社,1996.3、马沛生编著.石油化工基础数据手册(第一版).化学工业出版社,1993.4、黄路,王保国编.化工设计(第一版).化学工业出版社,2001.5、王志祥.制药工程学.北京:化学工业出版社,2008(HG20519-92).化工部工程建设标准编辑中心,1993.五、进度安排序号 教学内容 时间分配1 讲解工艺设计内容,下达设计任务书 第1日2 确定设计方案 第2日3 查阅文献,收集有关数据 第3日4 工艺计算 第4~8日5 绘制工艺图纸 第9~12日6 编制设计说明书 第13日七 设计考核及评定成绩 第14日合计14日六、本设计必须完成的任务:1、查阅文献和搜集资料;2、工艺流程说明及论述;3、工艺计算;4、撰写设计说明书;5、绘制图纸(执行HG20519-92标准)。七、设计时间:4月26日到5月4日八、备注:本任务书一式三份,学院、教师、学生各执一份;学生须将此任务书装订在课程设计材料中。化学化工学院指导教师:系(室)主任:学院院长:目录1绪论 62物料衡算 62.1总则 72.2物料衡算 72.2.1精馏工序物料衡算 62.2.2吸收工序物料衡算 92.3附图1 123热量衡算 153.第二吸收塔的热量衡算 164设备的工艺计算及选型 214.1第一吸收塔 214.2第一吸收塔冷却 234.3第一吸收塔吸收液输送泵 25参考文献 29致谢 30设计图 311绪论醋酸酐,又名乙酸酐,无色透明的液体,有强烈乙酸气味。易溶于有机溶剂,有机合成中常用来乙酰化试剂或失水剂。乙酐用于制造纤维素乙酸酯,乙酸塑料,不燃性电影胶片;在医药工业中用于制造合霉素,痢特灵,地巴唑,咖啡因和阿丝匹林,磺胺药物等;在染料工业中主要用于生产分散深蓝HCL,分散大红S-SWEL,分散黄棕S-2REL等;在香料工业中用于生产香豆素,乙酸龙脑酯,葵子麝香,乙酸柏木酯,乙酸松香酯,乙酸苯乙酯,乙酸香叶酯等;由乙酐制造的过氧化乙酰,是聚合反应的引发剂和漂白剂。不过,吸入乙酸酐后对呼吸道有刺激作用,引起咳嗽、胸痛、呼吸困难。蒸气对眼有刺激性。眼和皮肤直接接触液体可致灼伤。口服灼伤口腔和消化道,出现腹痛、恶心、呕吐和休克等。慢性影响:受该品蒸气慢性作用的工人,可有结膜炎、畏光、上呼吸道刺激等。同时它还可引起水体污染,灼伤人的皮肤。所以,一旦皮肤接触了乙酸酐,需要用大量流动清水冲洗至少15分钟并及时就医。物料衡算5.1总则生产能力:年产7000吨醋酸酐;计算范围:裂化工序、吸收工序和精馏工序(不含回收工序);生产方式:连续操作计算基准:单位时间生产的产品质量为计算基准;全年时间:365××24760小时;生产时间:8760-7608000小时;每小时产量:7000000/8000875.000kg/h。计算精度:质量(kg)取小数点后三位;组成(质量,%)取到小数点后四位。5.2精馏工序物料衡算⑴计算依据:①年产成品醋酸酐7000吨;②成品醋酐一级品:含醋酸酐98%,醋酸2%;③精制过程中酐损失3%(以成品纯醋酐计,其中第一塔损失2.5%,第二塔损失0.5%);④粗醋酐组成含酐85%,酸15%;⑤精馏塔塔顶出料组成醋酸99%,醋酐1%;⑥残液回收中,醋酐未计入计算中。⑵物料平衡图见图5-1:图5-1精馏工段总物料平衡⑶物料平衡计算:①总物料衡算:WinWt2+Wp2+Wb1+Wb2②组分物料衡算:a对醋酸衡算:Win×15%Wt2×99%+Wp2×2%b对醋酐衡算:Win×85%Wt2×1%+Wp2×98%+Wb1+Wb2c釜液衡算:Wb1+Wb2=3%×Wp2×98%Wb1=2.5%×Wp2×98%;Wb2=0.5%×Wp2×98%解上述方程a、b、c最后得到结果如下:Win1040.7354kg/h;Wt2=140.0104kg/h;;Wp2=875.000kg/h;Wb1=21.4375kg/h;Wb24.2875kg/h。物料平衡计算结果见表5-1。表5-1精馏工段总物料平衡序号 名称 酸含量(质量,%) 醋酸量(kg/h) 酐含量(质量,%) 醋酐量(kg/h) 总量(kg/h)出4 精馏塔釜液 0 0 100 ⑷分塔物料衡算:粗酐蒸馏塔物料平衡见图5-2:a.全塔物料衡算:WinWb1+Wt1b.对醋酸衡算:Win×15%Wt1×αHAc 图5-2粗酐蒸馏塔物料平衡解上述两式得:Wt1=1019.298kg/h;αHAc=15.3155%.物料平衡计算结果见表5-2。表5-2粗酐物料平衡序号 名称 酸含量(质量,%) 醋酸量(kg/h) 酐含量(质量,%) 醋酐量(kg/h) 总量(kg/h)出醋酐蒸馏塔物料平衡见图5-3:图5-3醋酐精馏塔物料平衡全塔物料衡算:Wt1=Wt2+Wp2+Wb2表5-3醋酐物料平衡序号 名称 酸含量(质量,%) 醋酸量(kg/h) 酐含量(质量,%) 醋酐量(kg/h) 总量(kg/h)出2 采出液 2 17.5 98 85.75 875合计 1⑴计算依据:吸收用醋酸为一级品,含醋酸99%,水1%;第一吸收塔吸收乙烯酮90%,第二吸收塔吸收10%;裂化反应乙烯酮选择性为90%,这是由于副反应生成废气所致。每蒸发100kg原料醋酸,就有4m3标准废气产生,其组成为:CO213.9%C2H422.7%CO46.9%CH416.5%;裂化中醋酸转化率为80%;裂化中用醋酸浓度为95%醋酸,5%水;吸收过程中乙烯酮全部转化为醋酐吸收反应方程式:主反应:CH3COOH+CH2COCH3CO2O6042102副反应:CH3CO2O+2H2O2CH3COOH第一吸收塔及第二吸收塔循环液体积均为35m3/h;⑨精制过程中酐损失3%;⑩粗酐组成含酐85%,酸15%;成品醋酐一级品:含酐98%,酸2%。⑵物料平衡图见图5-4:图5-4吸收工段总物料平衡⑶总物料衡算①总物料衡算式:(Wt2、Wb1见精馏工序物料衡算)WF+Win+Wt2=Wb1+Wg②对醋酸衡算:a.废气夹带醋酸量的计算:已知条件:第二吸收塔塔顶真空度0.08MPa;塔顶温度20℃从两个方面考虑:一是低温时蒸气压低,醋酸损失小;二是乙烯酮吸收反应为放热反应,低温有利20℃时,查《石油化工基础数据手册》卢焕章等编著P6370.001510MPa存在下列关系:在裂化管内每小时废气产生量V废WF×4/47.88m3设第二吸收塔吸收循环液入塔浓度为:含醋酸:91.4%(质%);含醋酐:8.6%(质%)含醋酸:94.755%(摩尔%);含醋酐:5.245%(摩尔%)X0.94755:根据公式:×X/P-×P0.1013-0.080.0213MPa:V废WF×4/47.88:代入上式后整理得:Wg=0.01610WFkg/hb.对醋酸列物料衡算式:Wt2×99%+Win×99%Wb1×15%+WF×60/42+0.01610WF-Win×0.01×120/18c.对醋酐物料衡算:Wt2×1%+WF×102/42Wb1×85%+Win×0.01×102/18联解上两式得:废气量:V废=WF×物料平衡计算结果见表5-4。表5-4吸收总物料衡算序号 名称 酸含量(质量,%) 醋酸量(kg/h) 酐含量(质量,%) 醋酐量(kg/h) 总量(kg/h)进出⑷分塔物料衡算:第一吸收塔物料平衡见图5-5:a.全塔物料衡算:WF+WRWb1+Wo;Wo10%WFb.醋酐衡算:假设第一吸收塔内没有水存在,即随冰醋酸带入的水全部在第二吸收塔内反应掉WR×αAc2OWb1××WF×102/42αAc2O8.9394%αHAc91.0606%图5-5第一吸收塔物料平衡物料平衡计算结果见表5-5。表5-5第一吸收塔物料衡算序号 名称 酸含量(质量,%) 醋酸量(kg/h) 酐含量(质量,%) 醋酐量(kg/h) 总量(kg/h)进出c.第一吸收塔循环吸收液的组成计算:设第一吸收塔塔顶循环吸收液浓度为:83.600%含醋酐,16.400%含醋酸吸收液温度t25℃,查《石油化工基础数据手册》P636,P678得:ρHAc1044kg/m3,ρAc2O1075kg/m3循环吸收液的计算:吸收液流率为:35m3/h则:塔顶循环液质量流率W顶35×ρ塔底循环液质量流率W低W顶-WR3计算塔顶循环吸收液组成:含醋酐百分比:WR×8.922%+W低×85%/W顶83.52%含醋酸百分比:WR×91.078%+W低×15%/W顶16.48%第二吸收塔物料平衡见图5-6:图5-6第二吸收塔物料平衡a.全塔物料衡算:Wo+Wt2+Win=WR+Wgb.循环吸收液的计算:吸收液流率为:35m3/h,温度为25℃查《石油化工基础数据手册》P636得ρHAc1044kg/m3,ρAc2O1075kg/m3质量流率:Wρmix×物料平衡计算结果见表5-6。⑴计算依据:物料流率见吸收工段物料衡算;每吨成品醋酐消耗1.7kg磷酸三乙酯催化剂,0.6kg纯氨。(在计算中未考虑)主反应:CH3COOHCH2CO+H2O副反应:2CH3COOHCH32CO+H2O+CO22CH2COC2H4+2COCH2COH2O+2CCH3CO2OCH2CO+CH4表5-6第二吸收塔物料衡算序号 名称 酸含量(质量,%) 醋酸量(kg/h) 酐含量(质量,%) 醋酐量(kg/h) 总量(kg/h)进料 1 精馏塔馏出液 99 138.6105 1 1.4 140.0105出⑵物料平衡图图7裂化工段物料平衡⑶物料平衡计算①总物料衡算:W1=WF+WP+W2+Wc②对乙烯酮作物料衡算:W1×9③对醋酸作衡算:W2=W1××1-80%+W1×5%+W1××18/60×0.80其中各项意义如下:W1××20%-------------未反应醋酸W1×5%W1××18/60-------反应中生成水W2=367.5245kg/h;其中αHAcW1×95%×④结碳量的计算:Wc=W1-WF物料平衡计算结果见表5-7。表5-7裂化工段总物料衡算序号 名称 酸含量(质量,%) 醋酸量(kg/h) 水含量(质量,%) 水量(kg/h) 总量(kg/h)出4 废气量 39.60786热量衡算6.1第二吸收塔热量衡算⑴热量平衡图:热焓零点,设为0℃图6-1第二吸收塔热量平衡⑵由于吸收塔内温度与环境温度相差很小,设备热损失不计热平衡式为:Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q6+Q8+Q9=Q7+Q2⑶各点温度:t1=30℃;t2=25℃;t8=25℃;t9=20℃;t5=30℃⑷热熔数据:℃℃醋酐平均比热:197.6588kJ/kmol?℃1.9378kJ/kg?℃⑸吸收液循环量:35m3/h⑹冰醋酸带入水与酐反应放热量很小,可以忽略。⑺物料平衡表⑻吸收工序设备套数裂解炉台数/21台6.1.2热量计算⑴进料气带入热量Q1:t30℃ol=1272.2751kJ/kmolQ0.469×874.541+0.139×1066.165+0.227×1049.836+0.165×1272.275)⑵精馏塔馏出液带入热量Q8:t8=25℃;W8140.011kg/h99%醋酸,1%醋酐CpHAc2.3223kJ/kg?℃℃CkJ/kg?℃⑶kJ/kg?℃kJ/kg?℃××4.1782.340kJ/kg?℃⑷塔顶循环吸收液带入热量Q2:t2=25℃;W236634.26kg/h91.4%酸,8.6%酐kJ/kg?℃kJ/kg?℃kJ/kg?℃Q⑸反应放出热量Q3:WF37.60kg/h,△带出热量的计算:⑹℃CpHAc2.322kJ/kg?℃CpAc2O1.938kJ/kg?℃.288kJ/kg?℃××t6待求⑺去第一吸收塔液带出热量Q:W4702.330kg/h(组成:91.078%酸,8.922%酐)℃CpHAc2.322kJ/kg?℃CpAc2O1.938kJ/kg?℃××℃××t4待求⑻废气及夹带酸带出热量:t5=30℃55kg/h6.1.3总热量衡算:⑴Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6即2071.3225+2096395.70+49169.85=702.330×2.288×t4+1604.8225+35931.983×2.288×t6℃⑵Q6+Q8+Q9=Q7+Q2即2104883.49+8117.1087+24847.846-2096395.7041452.755kJ/h6.1.4热量平衡表表6-1第二吸收塔热量衡算表序号 名称 热量(kJ/h)带入4 带出6.1.5换热器冷却水用量的计算进:20℃→出:25℃,△t5℃6.2第一吸收塔热量衡算⑴热量平衡图如图6-2所示⑵热平衡式Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q6+Q8=Q7+Q2⑶已知各点温度:t1=-5℃;t2=25℃℃;t5=30℃⑷塔顶循环吸收液流量:35m3/h图6-2第一吸收塔热量平衡6.2.2热量计算带入热量的计算:1进料气带入热量:t1=-5℃;;乙烯酮带入热量:3吸收反应放热量:Q3m△×875××3吸收剂带入热量:4塔顶循环吸收液带入热量:t2=25℃;W236634.430kg/h(83.333%酐,16.667%酸)CpHAc2.322kJ/kg?℃CpAc2O1.938kJ/kg?℃××℃Q2mCp△××带出热量的计算:℃CpHAc2.322kJ/kg?℃CpAc2O1.938kJ/kg?℃××0.851.9956kJ/kg?℃××t6待求××t4待求a.××××t6℃得:Q467062.84kJ/h;Q62020热量平衡表6-3表6-3第一吸收塔热量衡算表序号 名称 热量(kJ/h)带入带出3 换热器移出的热量,Q7 7设备工艺计算及选型7.1第一吸收塔T0201⑴设计依据①操作条件的确定:塔内平均操作温度:(T顶+T釜)/230.63℃303.78K塔内平均操作压力:塔顶23.998kPa(绝压)塔底24.931kPa(绝压)表7-1填料主要性能参数公称尺寸d(mm) 外径×高×厚d×h×σ(mm) 比表面(m2/m-3) 空隙率ε(m3/m3) 个数N(m-3) 堆积密度rp(kg/m3) 干填料因子a/ε(m-1) 湿填料因子φ(m-1)25 25×25×2.5 190 0.78 49000 575 400 450②填料塔填料的选择(拉西环,乱堆)选择25×25×2.5的拉西环(乱堆)填料,查“《化工工艺设计手册》第三版(上)”P2-140,得到的填料主要性能参数见表7-1。③根据现场数据取填料层高度:H4000mm④流量:液相取进口速率:L36634.430kg/h(35m3/h)气相取进口速率:G429.721+45.266474.987kg/h⑤物性数据液相黏度的计算:查“石油化工基础数据手册”P636,平均温度下的纯物质黏度如下:××10-3Pa?S醋酐:(质量)83.6%(摩尔)0.7499?μm∑χi?μ×××lg0.803×10-3μm0.8609×10-3Pa?Sb液相密度计算:查“石油化工基础数据手册”P636-679,得到平均温度下的纯物质密度如下: ρHAc1038.756kg/m3ρAc2O1069.756kg/m31064.5658kg/m3c气相平均相对分子质量的计算:气相进料组成:乙烯酮429.72kg/h10.2315kmol/h废气45.266kg/h1.7410kmol/h进料摩尔数:乙烯酮摩尔数+废气摩尔数10.2315+1.741011.9725kmol/h平均相对分子质量为:d气相密度计算:P均24.465kPa,T均303.78K⑥气体流量的计算××⑵气速的确定:泛点速度的计算:查“《化工工艺设计手册》第三版(上)”P2-145,用下式计算返点速度:?〔W/g?(a/ε3)?(rG/rL)?μ×10-4a/ε3400μ09×10-3Pa?S代入上述数据:解得:WF1.8648m/s⑶操作气速:u1.8648×0.751.3986m/s⑷塔径确定:DT0.5592m圆整,取塔径DT600mm××⑸压力降的计算:查“《化工工艺设计手册》第三版(上)”P2-145,用下式计算:(L/G)?(rG/rL)1/277.1272××10-41/21.4654液相密度校正系数rW/rL1000/1064.56580.9394(W2/g)?φ??(rG/rL)?μ×450×××10-4××查“《化工工艺设计手册》第三版(上)”P2-147图填料层压降的通用关联图得:△P’20(毫米水柱/米填料)填料压力降=20×480mmH2O0.785kPa7.2第一吸收塔冷却器E2001⑴设计依据:①查《化工设计》黄璐编P230,传热系数K426.768kJ/(m2?h?℃)②采用列管式换热器③设备材质:⑵传热温差计算:①循环液进冷却器前的温度计算混合的两种溶液分别为:℃℃混合后溶液:设混和后温度t27℃则CpHAc2.2385kJ/kg?℃CpAc2O1.9456kJ/kg?℃××0.8362.0100kJ/kg?℃Q336637.65×1.948×tQ1+Q2Q3×℃②传热温差计算20℃→25℃25℃←℃△t15℃△℃△tm△t2-△t1/?△t2/△℃⑶传热面积的计算QK?A?△tmAQ/(K?△×5.43)199.4459m2⑷换热器的选定:F199.4459m2,一台吸收塔选用两台换热器,每台换热器换热面积F99.7230m2换热器选型:表3-2列管式固定管板热交换器基本参数(换热面积按管外径)公称直径mm 管程数N 管数n 换热面积(m2) 管边流通截面积不锈钢管φ25×2 公称压力PgMPa管长ιmm3000⑴计算依据:①吸收液流量Q35m3/h②Z2-Z115m③管边上有9个标准弯头,1个球心阀(标准),1个孔板流量计,总管长19m④阻力系数查“《化学工程手册》第二版上、下卷”P3-25,把局部阻力系数列于表3-3。表7-3阻力系数阻力系数ξ 当量长度/管径ιc/d标准弯头(90°) 0.75 35标准阀(全开) 6.0 300孔板流量计dA/dB20.6 1.8 ⑤φ110×5(不锈钢)中间有两个换热器⑵设备工艺计算:①流动型态确定℃ρHAc1040.466αHAc0.164χHAc0.2525ρAc2O1071.466αAc2O0.836χAc2O0.7475ρm1/(0.164/1040.466+0.8365/1071.466)1066.307kg/m3μHAc1.085×10-3Pa?SμAc2O0.8188×10-3Pa?Slgμm∑χi?lgμ××××10-3μm0.8791×10-3Pa?S流速:uQ/A35/(3600××π流动形态:Reduρ/μ××流体流动处于湍流区域阻力系数的计算:查“《化工原理》”夏青、陈常贵编,P53,采用顾毓珍等公式:λ③所需泵扬程计算:列柏努力方程:P1/ρg+Z1+H=P2/ρg+Z2+∑hf0分项计算:bZ2-Z115mc∑hf0计算:(u2/2g0.0782m)×391m;出口阻力:1×标准弯头阻力损失:9×××球心阀阻力损失:(标准)6×××列管固定管板换热器阻力损失:单根管计算:Q35m3/h,A0.2594,