【年产20万吨丙烯酸工艺设计13000字（论文）】

IV年产20万吨丙烯酸工艺设计摘要本设计为年产20万吨丙烯酸工艺设计，在对各种丙烯酸的生产工艺进行详细比较的基础上，选择了丙烯分两次氧化生产丙烯酸，针对此工艺对丙烯酸的精制工段进行初步设计，从而确定精制工艺流程，汽提和精制工段采用了三塔流程。进而进行物料衡算，能量衡算，最后确定设备选型。丙烯两步氧化法生产丙烯酸的原料是丙烯和氧气。第一步，丙烯氧化生成丙烯醛，丙烯醛再进一步氧化生成丙烯酸，除主反应外，还有大量的副反应发生，生成的副产物主要有CO和CO2等深度氧化物以及乙醛、醋酸、丙酮等，所以要想得到高纯度的丙烯酸产品，就需要分离提纯丙烯酸。近些年来丙烯酸下游市场需求旺盛，因此丙烯酸的生产量一直在增加。所以需要优化工艺过程和设备来减少能量损耗以及提高产品纯度，进而提高产品的竞争优势。关键词：丙烯酸；精制工艺；三塔流程；分离提纯目录摘要 IAbstract II1引言 11.1丙烯酸的性质 11.2丙烯酸的应用及前景 11.3丙烯酸的生产原理 31.4国内生产状况 51.5设计任务书 62生产工艺 72.1丙烯酸生产工艺简介 72.2精制工艺设计 92.2.1工艺流程图 92.2.2工艺流程详述 92.2.3各工段防止聚合的措施 103工艺计算 113.1物料衡算 113.1.1吸收塔的物料衡算 113.1.2汽提塔的物料衡算 143.1.3脱水塔的物料衡算 203.1.4脱重塔的物料衡算 213.2热量衡算 243.2.1基础数据 243.2.2吸收塔热量衡算 243.2.3汽提单元的热量衡算 253.2.4脱水单元的热量衡算 263.2.5脱重单元的热量衡算 264设备选型 284.1汽提塔的设计 284.1.1塔径计算 284.1.2填料层高度计算 295安全生产及三废处理 361引言丙烯酸（英文名：Acrylicacid），分子式为C3H4O2，相对分子量为72.064，结构式为CH2=CHCOOH。比重（20℃）为1.051，外观为无色透明液体，有较强刺激味，沸点141.3℃，熔点13.2℃（近似），闪点54.5℃（开口杯）。溶于水、乙醇、8.1属于丙烯酰基化合物[1]。1.1丙烯酸的性质①易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与氧化剂能发生强烈反应。若遇高热，可发生聚合反应，放出大量热量而引起容器破裂和爆炸事故。遇热、光、水分、过氧化物及铁质易自聚而引起爆炸。②具有双键及羧基官能团的联合反应、可以发生加成反应、官能团反应以及酯交换反应、长制备多环和杂环化合物、易被氢还原为丙酸、遇碱能分解成甲酸和乙酸。③酸性较强、有腐蚀性、化学性质活泼、易聚合而成透明白色粉末。还原时生成丙酸。与盐酸加成时生成2-氯丙酸。丙烯酸可发生羧酸的特征反应，与醇反应也可得到相应的酯类。④本品有较强的腐蚀性,中等毒性。其水溶液或高浓度蒸气会刺激皮肤和黏膜。1.2丙烯酸的应用及前景（1）其应用领域：丙烯酸是重要的有机合成原料及合成树脂单体，是聚合速度非常快的乙烯类单体。是最简单的不饱和羧酸，由一个乙烯基和一个羧基组成。纯的丙烯酸是无色澄清液体，带有特征的刺激性气味。它可与水、醇、醚和氯仿互溶，是由从炼油厂得到的丙烯制备的。大多数用以制造丙烯酸甲酯、乙酯、丁酯、羟乙酯等丙烯酸酯类。①丙烯酸及丙烯酸酯可以均聚及共聚，也可以与丙烯腈、苯乙烯、丁二烯、氯乙烯及顺酐等单体共聚。其聚合物用于合成树脂、胶黏剂、合成橡胶、合成纤维、高吸水性树脂、制药、皮革、纺织、化纤、建材、水处理、石油开采、涂料等工业部门。丙烯酸是水溶性聚合物的重要原料之一，与淀粉接枝共聚可制得超强性吸水剂。②通过均聚或共聚制备高聚物，用于涂料、粘合剂、固体树脂、模塑料等。③丙烯酸树脂的制备，橡胶合成，涂料制备，制药工业；④经纱上浆料：由丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯腈、聚丙烯酸铵等原料配制的经纱上浆料，比聚乙烯醇上浆料容量退浆，节省淀粉。⑤胶粘剂：用丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸-2-乙基己酯等共聚乳胶，可作静电植绒、植毛的胶粘剂，其坚牢性和手感好。⑥水稠化剂：用丙稀酸和丙烯酸乙酯共聚物制成高分子量的粉末。可作稠化剂，用于油田，每吨产品可增产500t原油，对老井采油效果较好；⑦铜版纸涂饰剂：用丙烯酸、丙烯酸丁酯、丙烯酸-2-乙基己酯、苯乙烯等四元共聚乳胶作铜版纸涂料，保色不泛黄，印刷性能好，不粘辊，比丁苯胶乳好可节省干酷素；⑧聚丙烯酸盐类：利用丙烯酸可生产各种聚丙烯酸盐类产品(如铵盐、钠盐、钾盐、铝盐、镍盐等)。用作凝集剂、水质处理剂、分散剂、增稠剂、食品保鲜剂耐酸碱干燥剂，软化剂等各种高分子助剂。（2）前景：丙烯酸是重要的有机原料及合成树脂单体，主要由丙烯氧化制备而成，其酯等，终端应用在胶粘剂、涂料等领域；此外丙烯酸精制后可以得到精酸，其下游SAP也是近年来新兴的消费领域。目前全球丙烯酸及酯供需基本平衡，国内丙烯酸及其酯产能略有过剩，全球丙烯酸产能为800万吨，需求量为650万吨（开工率在80%以上），需求增速在4-5%之间，每年新增需求量在30万吨左右，高于国内丙烯酸新增产能，而全球2018年，国内丙烯酸市场整体弱势。2017年全球丙烯酸产能约为796.1万吨/年，而消费量为566.44万吨，开工率保持在70%左右，存在一定程度上的供给过剩。过去几年全球丙烯酸消费增长减缓，亚太地区是全球丙烯酸的主要需求增长点，占比超过50%。中国和印度的需求总量占亚太地区70%左右。全球丙烯酸产业链将向亚洲转移。从进出口情况看，据海关总署数据，截至2018年11月，我国共进口丙烯酸2.5万吨，较2017年同期减少1.4万吨，降幅36%；出口量11万吨，较2017年同期增加4.3吨，增幅为65%。据中金企信国际咨询公布的《2020-2026年中国丙烯酸市场竞争策略及投资潜力研究预测报告》统计数据显示：其中2017年中国胶带丙烯酸丁酯年度需求约为74万吨左右，2018-2020年胶带平均年度丙烯酸丁酯需求增长约为6.5%；2017中国乳液丙烯酸丁酯年度需求约为35万吨左右，2018-2020年乳液平均年度丙烯酸丁酯需求增长约为12%；2017中国SAP高纯丙烯酸年度需求约为39万吨左右，2018-2020年SAP平均年度高纯丙烯酸需求增长约为18%。由此看出，我国丙烯酸下游市场需求旺盛。1.3丙烯酸的生产原理（1）丙烯腈水解法：丙烯腈先以硫酸水解生成丙烯酰胺的硫酸盐，再水解生成丙烯酸，副产硫酸氢铵。此法在美国罗姆-哈斯公司得到了很大发展。第一步水解温度为90～100℃。向丙烯腈中加入稍稍过量的55%～85%的硫酸,1h后丙烯腈即完全转化;然后加水进行第二次水解，并将反应温度提高到125～135℃；水解产物经减压蒸馏而得丙烯酸。此法实际上是早期氰乙醇法的发展。由于水解后生成的副产品酸性硫酸铵处理困难，原料丙烯腈的价格较贵，因而影响生产成本；（2）氰乙醇法：该法以氯乙醇和氰化钠为原料，反应生成氰乙醇，氰乙醇在硫酸存在下于175℃水解生成丙烯酸：若水解反应在甲醇中进行，则生成丙烯酸甲酯；（3）β-丙内酯法：此法原料为乙烯酮，故又称乙烯酮法，其反应如下：先将乙酸裂解为乙烯酮，然后与无水甲醛反应生成β-丙内酯；用作催化剂在140～180℃、2.5～25MPa下，丙内酯再与热的100%磷酸接触，异构为丙烯酸。用β-丙内酯法生产丙烯酸，产品纯度高，收率亦较高，副产物和未反应物料能循环使用，并适于连续生产，但它需用乙酸为原料，特别是由于丙内酯被认为是一种致癌物质，故此法已不在工业上采用；（4）高压雷佩法：将溶于四氢呋喃中乙炔，在溴化镍和溴化铜组成的催化剂存在下，与一氧化碳和水反应，制得丙烯酸。此法的特点是：用四氢呋喃为溶剂，可以减少高压处理乙炔的危险；同时催化剂不用原雷佩法所用的羰基镍，只需用镍盐。将丙烯与空气及水蒸气按一定摩尔比混合，在钼-铋等复合催化剂存在下，反应温度310-470℃，常压氧化制得丙烯醛，收率达90%。再将丙烯醛与空气及水蒸气按一定摩尔比混合，在钼-钒等复合催化剂存在下，反应温度300-470℃，常压氧化制得丙烯酸，收率可达98%。此法分一步和两步法。一步法是丙烯在一个反应器内氧化生成丙烯酸；两步法是丙烯先在第一反应器内氧化生成丙烯醛，丙烯醛再进入第二反应器氧化生成丙烯酸。两步法根据反应器结构，又分固定床和流化床法两种。丙烯酸的工业生产方法中，氰乙醇法，高压雷佩法已经基本淘汰，以前采用的以乙酸为原料裂解为乙烯酮，然后与无水甲醛反应生成丙内酯，再与热磷酸接触异构为丙烯酸。称烯酮法或β-丙内酯法也基本淘汰，丙烯腈法只有少数老装置采用。工业上采用的主要是改良雷佩法和丙烯氧化法，而后者更为普通且最有发展前途。专利报道中，还有丙酸为原料的生产方法；（5）丙烯氧化法：丙烯与空气及水蒸气按一定摩尔比混合，在钼铋系复合催化剂存在下，氧化制得丙烯醛，再将丙烯醛与空气及水蒸气按一定摩尔比混合，在钼-钒-钨系复合催化剂存在下，氧化制得丙烯酸。此法根据反应器结构，又分固定床法和流化床法两种。除美国索亥俄法采用流化床外，其他都采用列管式固定床。①固定床法。制法是：第一反应器进料丙烯含量为4%～7%，水蒸气20%～50%，其余为空气，空速1300～2600h-1，反应温度320～340℃，压力0.1～0.3MPa；第二反应器空速为1800～3600h-1，反应温度280～300℃，压力0.1～0.2MPa，丙烯和丙烯醛的转化率都在95%以上，丙烯酸的选择性以丙烯计为85%～90%。工艺过程为：使丙烯、水蒸气与经过预热的空气混合后进入第一反应器。丙烯被氧化成丙烯醛。再进入第二反应器反应，得到丙烯酸。第一、第二反应器均为列管式反应器，用熔盐作热载体，从第二反应器出来的反应气与原料空气换热后进入急冷塔，与塔顶加入的水逆向接触，获得含量为20%～30%的丙烯酸水溶液。该水溶液进入萃取塔，以乙酸丁酯或二甲苯为萃取剂，使水与丙烯酸分离。富含水的萃取液从萃取塔塔顶出来，进入溶剂回收塔，将萃取剂从塔顶蒸出，送回萃取塔循环使用。塔底排出废水。萃取塔中的萃余液进入溶剂蒸馏塔。从塔顶蒸出溶剂（萃取剂），送回萃取塔循环使用；塔底得到粗丙烯酸，再经脱去轻组分和重组分后得到丙烯酸产品。丙烯经气相接触氧化反应制造丙烯酸过程中，除产物丙烯酸外，还存有微量丙烯醛、乙酸、戊酮酸、蚁酸以及其他醛类杂质。醛类是丙烯氧化副产物或由于丙烯原料中含有的杂质氧化而生成的，如乙醛、甲醛、苯甲醛、糠醛、丙烯醛等，含有这些副产物的反应气体，经冷却、抽提蒸馏后，残留于丙烯酸产品中。采用常规方法精制的丙烯酸产品中，仍含有约（50～500）×10-6的醛物质。为了适应高纯丙烯酸需要，北京东方化工厂以该厂聚合级丙烯酸为原料，开发出一种制备高纯丙烯酸的方法，使其总醛含量小于5×10-6，达到或超过国外有关文献报道的数据要求（国外小于10×10-6）。其实验方法是：向烧瓶中加入一定量的聚合级丙烯酸，添加试剂DL，在常压下经10～80℃范围处理后，再进入填料塔中处理蒸馏，塔釜中温度为60～80℃，塔顶温度为50～70℃，真空93.33～99.99KPa，采用补加阻聚剂及气相阻聚剂方法，可防止丙烯酸在精馏过程中聚合。用此法收集的蒸馏品即为高纯丙烯酸；②流化床法。制法是丙烯、空气、水经过第一沸腾床反应器生成丙烯醛，再进入第二沸腾床反应器生成丙烯酸，然后经喷淋、冷却、萃取蒸馏，再在减压塔中脱除乙酸而得丙烯酸。氧化混合物配比为丙烯：空气：水=1：12：8（摩尔比）。第一沸腾床反应器温度370℃，接触时间2s；第二沸腾床反应器温度260℃，接触时间2.25s。丙烯转化率75%～80%，总收率40%，丙烯酸含量97%，平均含量93%。国内在第一反应器中采用七元组分（钼-钒-磷-铁-钴-镍-钾）的催化剂，丙烯氧化制丙烯醛；在第二反应器中采用三元组分（钼-钒-钨）的催化剂，丙烯醛氧化制丙烯酸，当丙烯∶空气∶水=1∶10∶6，接触时间5.5s，线速度0.6m/s反应温度：一段为370-390℃，二段为270～300℃时，以进料丙烯计，一段丙烯转化率为78.7%～87%，丙烯醛收率为51.9%～57.2%，二段丙烯转化率为79.3%～89.4%，丙烯酸收率为48.3%～49.8%，丙烯酸的空时收率为55～60kg/（m3·h）。1.4国内生产状况我国丙烯酸及酯的生产起步较晚，始于20世纪60年代，当时均采用丙烯腈水解法，规模小、品种少，到70

年代仍只有几个千吨级的丙烯酸及酯生产装置。1978年，北京东方化工厂首次引进了日本触媒化学公司的万吨级丙烯酸及酯成套生产装置(1984年正式投产)。20世纪90年代初以来，国内丙烯酸及酯供需缺口逐年增大，中国丙烯酸及酯市场的巨大潜力和良好发展前景，提高了国内外投资者建设丙烯酸及酯项目的积极性。从2005年起，我国丙烯酸行业迅速发展，产能快速增长，尤其2014、2015年是丙烯酸装置建成投产高峰年，生产厂家增至17家，共新增155万吨产能（2014年增长89万吨，2015年增长66万吨），其中扩能企业有江苏裕廊、浙江卫星、扬子-巴斯夫、塑宁波等原有企业，还有新进入企业山东宏信化工、福建滨海化工、万洲石化、万华化学等。目前国内生产丙烯酸的方法均为丙烯二步氧化法。1.5设计任务书①产品规格：99.6%的丙烯酸。②丙烯酸损失率为3%，设计裕量6%。③本设计要求丙烯酸的年产量20万吨，年工作日330天，丙烯酸生产能力：200000×0.996×1000×1.06×1.03④在吸收塔中，反应出口气中的水蒸气至少有80%被冷凝，各精制工段中丙烯酸等产物的损失率均为2%，其中1%的丙烯酸生成二聚体。⑤塔底加热蒸汽的绝对压力为200kPa；填料层压降≤0.7KPa。2生产工艺2.1丙烯酸生产工艺简介目前，世界上工业装置采用的主流方法是丙烯两步氧化法工艺。该方法以丙烯和空气中的氧气为原料，在水蒸气存在的条件下，在250～400℃下，通过催化剂床层进行反应。反应分两段进行：第一步的主反应为：CH2=CHCH3+O2→CH2=CHCHO+H2O第一步的副反应为：CH2=CHCH3+12O2→CH22CH2=CHCH3+152O2→3CO2+3CO+6H2CH2=CHCH3+52O2→CH3COOH+3CO2+H2第二步的主反应为：CH2=CHCHO+12O2→CH2第二步的副反应为：2CH2=CHCHO+112O2→3CO2+3CO+4H24CH2=CHCHO+2H2O+O2→4CH2O+CH3CHO此外还伴随若干其他副反应发生，并生成丙酸、糠醛、丙酮、甲酸、马来酸等副产物。丙烯两步氧化制取丙烯酸的主反应可用下列两式表示：CH2=CHCH3+O2→CH2=CHCHO+H2O340.8kJ/molCH2=CHCHO+12O2→CH2=CHCOOH254.2kJ/由反应式可知，反应属强放热反应。因此，及时有效的移出反应放出的热量是反应过程的突出问题。除主反应外，还有大量的副反应发生，其主要产品有CO和CO2等深度氧化物以及乙醛、醋酸、丙酮等。因此，提高反应选择性和主产物的收率也是非常重要的。要达到这一目的，必须在反应过程中使用催化剂。由于生产丙烯酸是分两步进行的，因而每步使用的催化剂是不同的。第一步反应，丙烯氧化制丙烯醛所用催化剂大多为MO-Bi体系，并以钼酸盐的形式表现出催化活性，而组成催化剂的基本元素则是MO、Bi、Fe、CO等。作为助催化剂的元素很多，但各种催化剂均具有以下三个共同点：①Bi原子含量低，一般MO原子与Bi原子之比为（12:1）~（12:2）；②在大多数催化剂中添加Fe、Ni、CO、W、Sn、Sb、Sr、Mn、Si、P等元素可提高催化剂活性；③在催化剂中添加少量碱金属及Te等元素，可提高丙烯酸的选择性。催化剂的活性不仅与活性组分有关，还与载体及催化剂的制备方法有关。催化剂载体主要有二氧化硅、氧化铝、羰基化硅等。由于该反应为强放热反应，则要求载体比表面要低，孔径要大、导热性能要好。第二步反应为丙烯醛氧化制丙烯酸。从目前看，活性高的丙烯酸催化剂均为Mo-V催化剂，通常要在Mo-V系催化剂中添加助催化剂，使用较多的为W，另外还有Cr、Fe、Cu等。载体的选择对丙烯酸的选择性有较大的影响，较好的载体有羰基化硅、硅与ａ-三氧化二铝。

2.2精制工艺设计2.2.1工艺流程图图2.1丙烯酸精制工段工艺流程图2.2.2工艺流程详述来自氧化反应器的气体，在温度为250℃，压力为1.0MPa下进入吸收塔1塔底，在塔下部与塔顶加入的30℃的脱盐水逆向接触，部分丙烯酸以及可凝组分被冷凝、吸收下来，同时被吸收的还有部分可凝副产物。吸收尾气（未被吸收的不凝气体、部分副产物以及水蒸气）从塔顶排出。吸收后的尾气仅含微量的丙烯酸，部分尾气送入燃烧炉使少量残留有机物转化为二氧化碳和水，部分尾气返回氧化反应器的循环。吸收过程在常压下进行，塔顶温度控制在80℃左右。吸收塔底部流出的60%的丙烯酸水溶液送至汽提塔。在吸收塔釜形成的60%的丙烯酸水溶液经减压操作，在80℃、50KPa下进入汽80,到的以丙烯醛计其含量在200ppm以下的丙烯酸水溶液则被送至脱水塔。经过汽提工段，轻组分基本脱除干净。塔底流出液在温度为80℃，压力为101.325KPa烯酸外还含有马来酸（酐）、水以及二聚体等，用泵送入脱重塔。101.325KPa2.2.3各工段防止聚合的措施和尾气冷凝器内喷淋。

3工艺计算3.1物料衡算3.1.1吸收塔的物料衡算（1）计算依据①入塔气体流量和组成与反应器出口气体相同；②在吸收塔内除未凝气体外其余气体大部分被水吸收，形成丙烯酸粗溶液；③丙烯酸粗溶液中的丙烯酸质量分数为：60%；④未反应的不凝气全部排出，丙烯酸等气体损失按2%算,其中1%丙烯酸生成二聚体，反应出口气中水蒸气85%被冷凝。水吸收塔进料水吸收塔进料60%丙烯酸水溶液吸收塔吸收塔吸收尾气吸收尾气图3-1吸收塔物料衡算示意图（2）进入吸收塔的的量①反应器出口（吸收塔入口）处各组分质量流量由设计任务书可知反应器出口处的丙烯酸的质量流量为27460.424kg/h,其质量分数为15%，且其他组分的质量分数也已知。所以，总组分质量流量为：27460qqqqqq得出各组分质量流量如表3-1表3-1吸收塔入口处各组分质量流量单位：kg/h组分质量分数/%质量流量/kg/h水蒸气916476.254未反应的气体75137302.12甲醛0.3549.208丙烯醛0.1183.069醋酸0.5915.347丙烯酸1527460.424马来酸0.1183.069总量100183069.493②由计算依据得脱盐水用量：需脱盐水的量为：27460.424×0.98另需加入阻聚剂为：27460.424×500×进料总量q（3）出吸收塔的量①60%丙烯酸水溶液已知吸收塔进气中有80%的水蒸气被冷凝，丙烯酸等气体以及阻聚剂均损失2%，其中1%的丙烯酸生成二聚体，未反应的不凝气全部排出，故qqqqqqqq塔底出料：q②吸收尾气qqqqqqqq塔顶出料：qq总进=q3-2。3.1.2汽提塔的物料衡算（1）计算依据①入塔气体流量和组成与吸收塔出口气体相同；②粗丙烯酸溶液中丙烯醛含量低于200ppm；③丙烯酸、醋酸、马来酸、二聚体均损失2%，其中1%丙烯酸生成二聚体；④甲醛、丙烯醛全部被吹出，水损失10%。（2）进入汽提塔的量①粗丙烯酸溶液如表3-2塔釜出料组成和流量。②汽提气用量以丙烯醛含量在塔釜液中为200ppm为分离指标液相密度近似取为ρL=0.85ρ水查表得80℃时，ρ水=971.8kg/m3则ρL=0.85×971.8=826.03kg/m3

表3-2吸收塔物料衡算表单位：kg/h组进料吸收塔进气脱盐水分组成流量组成流量水000.99630847.21水蒸气0.0916476.25400未反应的气体0.75137302.1200甲醛0.03549.20800丙烯醛0.001183.06900醋酸0.005915.34700丙烯酸0.1527460.42400马来酸0.001183.06900二聚体0000阻聚剂000.000413.73合计1183069.491130860.94

表3-2续吸收塔物料衡算表单位：kg/h组出料吸收尾气60%丙烯酸水溶液分组成流量组成流量水000.602944028.21水蒸气0.02343295.25400未反应的气体0.9744137302.1200甲醛0.000110.980.0074538.228丙烯醛03.6610.0025179.408醋酸0.000118.3070.0123897.04丙烯酸0.0019274.600.368526911.224马来酸03.6610.0025179.408二聚体000.0038274.60阻聚剂00.27460.000213.4554合计1140908.8576173021.5734轻组分气体汽提气粗丙烯酸溶液轻组分气体汽提气粗丙烯酸溶液塔釜液汽汽提塔图3-2汽提塔物料衡算示意图提塔进料总摩尔流量：q对于丙烯醛，进料时：nX出料时：n=0.242XYq取q则汽提气实际用量为：qqq（3）出汽提塔的量①轻组分气体qqqqqqqqq②塔釜液qqqqqqq总进3-3

表3-3汽提塔的物料衡算表单位：kg/h组进料吸收塔进气脱盐水分组成流量组成流量水0.602944028.2100水蒸气00113054.55甲醛0.0074538.22800丙烯醛0.0025179.40800醋酸0.0123897.0400丙烯酸0.368526911.22400马来酸0.0025179.40800二聚体0.0038279.400阻聚剂0.000213.455400合计173021.5734113054.55表3-3续汽提塔的物料衡算表单位：kg/h组出料吸收尾气60%丙烯酸水溶液分组成流量组成流量水000.593944028.21水蒸气0.901917457.37100甲醛0.0278538.22800丙烯醛0.0093179.40800醋酸0.0463897.0400丙烯酸0.0139269.1120.395326393马来酸0.00023.5880.0026175.82二聚体0.000610.8740.008532.838阻聚剂00.2690.000213.1864合计119355.89166720.23343.1.3脱水塔的物料衡算计算依据①入塔液体流量和组成与汽提塔塔釜出口液体相同；1%2%塔顶馏出；③塔釜液组成：塔釜液中水量为丙烯酸的0.1%。（2）进入脱水塔的量见表3-3塔釜出料组成和流量。脱脱高浓度的水脱水进料含有二聚体等组分的丙烯酸水塔高浓度的水脱水进料含有二聚体等组分的丙烯酸水塔（3）出脱水塔的量①塔顶出料qm,丙烯酸=26373×0.01=263.73kg/hqm,水=39625.389-26373×（1-0.02）×0.001=39599.534kg/hqm,马来酸=175.82×0.02=15.931kg/hqm,二聚体=（26373×0.01+532.838）×0.02=15.931kg/hqm,阻聚剂=13.1864×0.02=0.2637kg/h塔顶出料：q出，1=39882.9747kg/h②塔釜出料qm,水=25845.54×0.001=25.846kg/hqm,丙烯酸=26373×（1-0.02）=25845.54kg/hqm,马来酸=175.82×（1-0.02）=172.304kg/hqm,二聚体=（26373×0.01+532.838）×（1-0.02）=786.5166kg/hqm,阻聚剂=13.1864×（1-0.02）=12.9227kg/h塔釜出料：q出，2=26843.1293kg/h由以上计算可知，q总进=q总出，脱水塔进出物料守恒。各组分的质量分数进行计算，最终可得脱水塔的物料衡算结果，汇总见表3-4表3-4脱水塔的物料衡算表单位：kg/h组进料出料脱水塔进料塔顶塔底分组成流量组成流量组成流量水0.593939625.3890.992939599.5340.00125.846丙烯酸0.3953263730.0066263.730.972625845.54马来酸0.0026175.820.00013.5160.0065172.304二聚体0.008532.8380.000415.9310.0195786.5166阻聚剂0.000213.186400.26370.000512.9227合计166720.2334139882.9747126843.12933.1.4脱重塔的物料衡算（1）计算依据①入塔液体流量和组成与脱水塔出口液体相同；②丙烯酸2%滞留在塔釜，其中1%丙烯酸生成二聚体；56%的马来酸随丙烯酸从塔顶被蒸出；③塔顶液组成：99.6%丙烯酸，1%的水，阻聚剂含量为200ppm。（2）进入脱水塔的量如表3-4塔釜出料组成和流量。

99.699.6%的丙烯酸脱脱脱重进料重脱重进料重塔二聚体等重塔二聚体等重组分图3-4 脱重塔物料衡算示意图（3）出脱重塔的量①塔顶出料qm,水=25.846×0.01=0.258kg/hqm,丙烯酸=25845.54×（1-0.02）=25331.62kg/hqm,马来酸=172.304×0.56=96.385kg/hqm,阻聚剂=12.9227×0.02=5.087kg/hq出,1=25433.35kg/h②塔釜出料qm,水=25.846×（1-0.01）=25.588kg/hqm,丙烯酸=25845.54×0.01=258.46kg/hqm,马来酸=172.304×0.44=75.919kg/hqm,阻聚剂=12.9227×0.98=7.8357kg/hqm,二聚体=786.5166+25845.54×0.01=1044.98kg/hq出,2=1412.7827kg/h由以上计算可知，q总进=q总出，脱重塔进出物料守恒。各组分的质量分数进行计算，最终可得脱重塔的物料衡算结果，脱重塔的物料衡算结果汇总见表3-5

表3-5脱重塔的物料衡算表单位：kg/h组分进料出料脱重塔进料塔顶塔底组成流量组成流量组成流量水0.00125.84600.2580.018125.588丙烯酸0.972625845.540.99625331.620.1829258.46马来酸0.0065172.3040.003896.3850.053775.919二聚体0.0195516.907000.73971044.98阻聚剂0.000512.92270.00025.0850.00557.8357合计126573.5197125433.3511412.7827

3.2热量衡算3.2.1基础数据计算热量衡算所需要的基本数据见表3-6~表3-8表3-6气体热容温度关联式系数物质Ca0a1×103/K-1a2×105/K-2a3×108/K-3a4×1011/K-4丙烯醛3.43711.0323.604-5.8952.526醋酸4.375-2.3976.757-8.7643.478丙烯酸3.81412.0924.777-7.9883.515水蒸气4.395-4.1861.405-1.5640.632表3-7所涉及的汽化焓物质汽化热KJ/Kg丙烯酸636.7水2256.382醋酸406表3-8液体热容温度关联式系数物质CAB×102/KC×104/K2D×106/K3醋酸-18.944109.71-28.9212.9275丙烯酸-18.242121.06-31.163.1409水蒸汽92.053-3.9953-2.11030.534693.2.2吸收塔热量衡算（1）计算依据①反应气中水蒸气，丙烯酸，醋酸三者占最大部分，以三者为计算对象；②且假设反应气中空气进出热量平衡，可不用计算；③吸收过程中，反应气由气态变为液态，其放热吸热按如下公式计算：∆H=mT④流股参见图3.1，其中各组分在吸收塔内的温度变化以及CG/CL值见表3-9。吸收塔的热量计算①进塔组分释放的热量：表3-9各组分在吸收塔内的温度变化以及CG/CL值单位：kJ/kg·℃流股组分T1/KCGTb/KCLT2/K醋酸25010.546117.92.328801水（G→L）2504.18811004.1880丙烯酸25013.452141.62.29802脱盐水30-1004.16880根据公式3-1可得吸收塔进塔气体中各组分所释放的热量：Q醋酸=915.347×[10.546×(250-117.9)+406+2.328×(117.9-80)]=1.73×106kJ/hQ水蒸气=16476.254×[4.1881×(250-100)+4.18×(100-80)]+16476.254×0.8×2256.382=4.147×107kJ/hQ丙烯酸=27460.424×[113.452×(250-141.6)+636.7+2.29×(141.6-80)]=6.14×107kJ/h放出总热量：Q总=ΣQ=1.046×108kJ/h②进塔组分吸收的热量：Q吸=30847.21×4.168×(80-30)=6.43×106kJ/h（3）计算结果吸收塔进料气为反应出口气，将其冷凝并降低至80℃，共放出Q总=ΣQ=1.046×108kJ/h的热量。吸收剂为水，在吸收过程中，共吸收的热量为Q吸=6.43×106kJ/h的热量。因此需在塔釜设置冷凝器，其热负荷为Qcold=Q总-Q吸=9.817×107kJ/h。3.2.3汽提单元的热量衡算汽提工艺要求进料温度为80℃，条件已满足，采用80℃水蒸气作为汽提气，设汽提塔中各进出料保持热量平衡，故该过程的热量变化可忽略不计，近似视为等温过程。3.2.4脱水单元的热量衡算（1）再沸器热负荷进料方式为泡点进料，釜夜的焓按纯丙烯酸计算，设加热蒸汽为绝对压力200KPa，查《化工原理》上册P320附录八得200KPa下，水蒸气的汽化热为rg=2709.2kJ/kg，丙烯酸的汽化热rB=636.7kJ/kg已知V′=V=39882.9747kg/h则QB=V′·rB=39882.9747×636.7=2.54×107kJ/h加热蒸汽消耗量为：q（2）冷凝器热负荷冷凝器为全凝器，设冷却水进出口温度分别为20℃和30℃，馏出液为纯水。其汽化热rA=2256.382kJ/kg其热负荷为：Qc=V×rA=39882.9747×2256.382=9.0×107kJ/h冷却水消耗量为：q3.2.5脱重单元的热量衡算（1）再沸器热负荷进料方式为泡点进料，釜液的焓按纯丙烯酸二聚体计算，取塔顶回流比为2:1，设加热蒸汽为绝对压力200KPa,查得200KPa下，水蒸气的汽化热为rg=2709.2kJ/kg，丙烯酸二聚体与丙烯酸具有相近的汽化热，故取气汽化热rB=636.7kJ/kg。已知V′=V=76300kg/h则QB=V′·rB=76300×636.7=4.858×107kJ/h加热蒸汽消耗量为：q（2）冷凝器热负荷冷凝器为全凝器，设冷却水进出口温度分别为20℃和30℃，馏出液为99.6%的丙烯酸,按纯丙烯酸计算。其汽化热rA=636.7kJ/kg冷凝器热负荷为：Qc=V×rA=76300×636.7=4.858×107kJ/h冷却水消耗量为：q4设备选型4.1汽提塔的设计4.1.1塔径计算（1）基础数据常压P=101.325KPaρ液相密度近似取为：ρL=0.85ρ水查《化工原理》上册P251附录五知80℃时，ρ水=971.8kg/m3⸫ρL=0.85×971.8=826.3kg/m3液体黏度为：μL=0.8MPa·s（2）利用贝思-霍根泛点气速方程求塔径lgu式中：uF—泛点气速，m/s；g—重力加速度，9.81m/s2；αt—m2/m3m3/m3ρG、ρL—kg/m3μL—mPa·s；wL、—kg/hA、K—关联常数。已A=0.204，K=1.75查手册得αt=228，ε=0.9代入式（4-1），得A−K则u则μ取u=0.6uF=0.6×2.891=1.7346m/sq则D=圆整后取2200mmS=实际气速q（3）泛点率校正uu（4）填料规格校正Dd（5）喷淋量的校核喷淋密度：UU—Lh—D—填料塔直径，mU=润湿率：L75mmLw·min>0.08，满足最小喷淋密度要求。经上校核可知填料塔径选用2200mm。4.1.2填料层高度计算（1）传质单元数的计算x1=1.122×10-3x2=8.483×10-5Y1=3.173×10-3Y2*=mx2=4.363×8.483×10-5=3.7×10-4S=N==4.07气相扩散系数：D==1.12×D=7.4×=4.33×（2）传质单元高度的计算：①塔内的气液相物性数据：ρl=826.03kg/m3；ρG=0.622kg/m3；μG=0