年产20万吨醋酸车间设计docx

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1、中北大学2012届毕业设计说明书目 录1 引言11.1 醋酸的性质和用途11.1.1 性质11.1.2 用途11.2 醋酸的发展状况21.3 醋酸的生产方法31.3.1 甲醇羰基化31.3.2 乙醇氧化法31.3.3 乙烯氧化法31.3.4 丁烷氧化法41.3.5 巴斯夫高压法641.3.6 UOP/千代田工艺74_Toc1859628751.4 新的合成方法51.5 小结51.6 选题目的及意义62 工艺流程的确定72.1 本课题要解决的问题7 2.2 拟采用的研究手段72.2.1 原料的选择72.2.2 反应原理72.2.3 催化剂的选择72.2.4 反应器的选择82.2.5 主要工艺条件

2、82.2.6 生产工艺路线83 物料衡算103.1 设计依据103.2 氧化塔物料衡算103.3 蒸发器物料衡算143.4 精馏塔物料衡算153.4.1 精馏塔1物料衡算153.4.2 精馏塔物料衡算173.5 醋酸回收塔物料衡算174 热量衡算204.1 基本数据204.2 氧化塔的热量衡算204.3 蒸发器的热量衡算224.4 冷凝器的热量衡算234.5 精馏塔1的热量衡算244.5.1 回流比的计算254.5.2 冷凝器的热负荷254.5.3 冷却水消耗量264.5.4 加热器热负荷及全塔热量衡算275 主要设备的设计与辅助设备的选型295.1 精馏塔设备设计295.1.1 理论塔板数的

3、计算295.1.2 塔的有效高度计算295.1.3 塔径的计算305.1.4 塔板设计315.1.5 流体力学验算335.1.6 塔板负荷性能图355.2 反应器的设计395.2.1 反应釜釜体的设计395.2.2 搅拌装置设计425.3 蒸发器的设计与选型435.3.1 蒸发器的选择理由435.3.2 蒸发器计算与设计435.4 辅助设备的选型455.4.1 泵的选型455.4.2 冷凝器的选型20456 生产车间布置476.1 概述476.2 车间布置的基本原则和要求476.2.1 车间布置的基本原则476.2.2 车间布置的要求476.3 本设计的生产车间布置507 设计概算和环保、安全

4、及卫生措施527.1 总投资估算527.1.1 工程费用527.1.2 其他费用527.1.3 预备费用537.1.4 专项费用537.2 产品单位成本547.3 关于流动资金557.4 关于所得税557.5 关于投资回收期(静态分析法)557.6环境保护与综合利用567.6.1 废气处理567.6.2 废水处理与综合利用567.6.3 噪声防治567.7 设计中采用的主要防范措施568 结论58附录59致谢63第III页 共III页年产20万吨醋酸的车间工艺设计摘要醋酸是一种重要的有机和精细化工原料。本设计通过查阅大量参考文献，综述了醋酸的国内外生产和市场状况。对各种生产工艺进行了比较，确定

5、了乙醛催化氧化法生产醋酸的工艺流程，并进行了物料和热量衡算，得到了流程中物料和热量的数值。再次，进行了主体设备、辅助设备选型以及车间的布置，完成了年产20万吨醋酸车间工艺设计，并绘制了工艺流程图、主体设备图及车间布置图，同时，对整个设计进行了经济、环保和安全评价，结果表明本设计是合理的。关键词：醋酸，氧化，催化，乙醛The Process Design of Acetic Acid with Annual Output of 200,000 TonsAbstractAcetic acid is an important organic chemical raw materials. This

6、design reviewed the domestic and foreign production and market of acetic acid by consulting a large number of reference. The acetaldehyde catalytic oxidation process was used to produce acetic acid through comparing various production process. Then, the style of auxiliary facilities were selected, t

7、he workshop was arranged and the process design of annual output of 200000 tons of acetic acid was completed. In addition, the process flow diagram, the main equipment map and the workshop layout were drawn up. Finally, the entire design of economic, environmental and safety evaluation were complete

8、d. The result shows that the entire design is of certain rationality.Keywords: Acetic acid, Oxidation, Catalysis, Acetaldehyde1 引言1.1 醋酸的性质和用途1.1.1 性质 醋酸是一种有机化合物，又叫乙酸（ethanoic acid），别名醋酸(acetic acid)、冰醋酸（glacial acetic acid）。分子式C2H4O2（常简写为HAc）或CH3COOH。是典型的脂肪酸。乙酸在常温下是一种有强烈刺激性酸味的无色液体。乙酸的熔点为16.6，沸点117.

9、9。相对密度1.05，闪点39，爆炸极限4%17%（体积分数）。纯的乙酸在低于熔点时会冻结成冰状晶体，所以无水乙酸又称为冰醋酸。乙酸易溶于水和乙醇，其水溶液呈弱酸性。乙酸盐也易溶于水。乙酸的羧基氢原子能够部分电离变为氢离子（质子）而释放出来，导致羧酸的酸性。乙酸在水溶液中是一元弱酸，酸度系数为4.8，pKa=4.75（25），浓度为1mol/L的醋酸溶液（类似于家用醋的浓度）的pH为2.4，即仅有0.4%的醋酸分子是解离的。乙酸的酸性促使它还可以与碳酸钠、氢氧化铜、苯酚钠等物质反应。 (1.1) (1.2) (1.3)1.1.2 用途 冰醋酸是最重要的有机酸之一。主要用于醋酸乙烯、醋酐、醋酸纤

10、维、醋酸酯和金属醋酸盐等，也用作农药、医药和染料等工业的溶剂和原料，在照相药品制造、织物印染和橡胶工业中都有广泛用途。 冰醋酸是重要的有机化工原料之一，它在有机化学工业中处于重要地位。醋酸广泛用于合成纤维、涂料、医药、农药、食品添加剂、染织等工业，是国民经济的一个重要组成部分。冰醋酸按用途又分为工业和食用两种，食用冰醋酸可作酸味剂、增香剂。可生产合成食用醋。用水将乙酸稀释至45%浓度，添加各种调味剂而得食用醋。其风味与酿造醋相似。常用于番茄调味酱、蛋黄酱、醉米糖酱、泡菜、干酪、糖食制品等。使用时适当稀释，还可用于制作蕃茄、芦笋、婴儿食品、沙丁鱼、鱿鱼等罐头，还有酸黄瓜、肉汤羹、冷饮、酸法干酪用

11、于食品香料时，需稀释，可制作软饮料，冷饮、糖果、焙烤食品、布丁类、胶媒糖、调味品等。作为酸味剂，可用于调饮料、罐头等。洗涤通常使用的冰醋酸，浓度分别为28%、56%、99%的。如果买的是冰醋酸，把28mL的冰醋酸加到72mL的水里，就可得到28%的醋酸。更常见的是它以56%的浓度出售，这是因为这种浓度的醋酸只要加同量的水，即可得到28%的醋酸。 浓度大干28%的醋酸会损坏醋酸纤维和代纳尔纤雏。草酸是有机酸中的强酸之一，在高锰酸钾的酸性溶液中，草酸易被氧化生成二氧化碳和水。草酸能与碱类起中和反应，生成草酸盐。醋酸也一样，28%的醋酸具有挥发性，挥发后使织物是中性；就像氨水可以中和酸一样，28%的

12、醋酸也可以中和碱。碱也会导致变色。用酸（如28%的醋酸）即可把变色恢复过来。这种酸也常用来减少由丹宁复合物、茶、咖啡、果计、软饮料以及啤酒造成的黄渍。在去除这些污渍时，28%的醋酸用在水和中性润滑剂之后，可用到最大程度。1.2 醋酸的发展状况 最初醋酸的获得是通过粮食的发酵，l9世纪人们发现了木材干馏制取醋酸的方法1。在工业上有代表性的、最早的醋酸制取方法是乙醛氧化法，德国于1911年建成了首套生产装置，上世纪30年代乙醇-乙醛氧化法得到了发展，乙醛氧化法在相当长的时间内，占据了醋酸合成的统治地位，到目前仍有部分企业采用该法2。上世纪50年代中期，丁烷氧化法开发成功，上世纪60年代又有轻油氧化

13、法和乙烯-乙醛氧化法相继问世。乙烯-乙醛氧化法成为当时的重要生产方法，同期，甲醇高压羰基合成醋酸技术由BASF公司开发成功，上世纪60年代末期代表醋酸合成最先进水平的甲醇低压羰基合成醋酸技术由美国孟山都公司开发成功，并于1970年建成了第一套装置。甲醇低压羰基化法的开发成功在醋酸工业的发展史上具有划时代的意义，世界各大醋酸生产国在较短的时间内完成了其他生产方法向甲醇低压羰基化法的转变，还陆续建成了许多大型装置，并不断更新技术和改造扩大生产能力，目前甲醇低压羰基化法合成醋酸的最大规模已达100万t/a。全世界60以上的醋酸生产能力采用甲醇低压羰基化法生产，其次为乙醛氧化法（以乙烯法为主）占25，

14、烃类液相氧化法等占15%3。我国自1953年上海试剂一厂首先采用乙醇-乙醛氧化法合成醋酸投入生产后，全国陆续建成了许多相同的生产装置。改革开放后，又引进了4套乙烯法装置；l996年上海吴泾化工公司从英国BP公司引进l0万t/a低压甲醇羰基化法合成醋酸装置建成投产；l998年我国自行研制的第一套低压甲醇羰基化法l0万t/a装置在江苏索普集团投产；l998年扬子江乙酰公司(BP与中国石化、四川维尼纶厂的合资企业)又建成了l5万t/a的甲醇羰基化法合成醋酸装置。目前国内共有醋酸生产装置90多套，总生产能力已达l36万t/a。1.3 醋酸的生产方法1.3.1 甲醇羰基化 大部分乙酸是通过甲基羰基化合成

15、的。此反应中，甲醇和一氧化碳反应生成乙酸，反应方程式如下： (1.4)这个过程是以碘代甲烷为中间体，分三个步骤完成，并且需要一个一般由多种金属构成的催化剂。 (1.5) (1.6) (1.7) 通过控制反应条件，也可以通过同样的反应生成乙酸酐。因为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来备受青睐。早在1925年，英国塞拉尼斯公司的Henry Drefyus已经开发出第一个甲基羰基化制乙酸的试点装置4。然而，由于缺少能耐高压（200atm或更高）和耐腐蚀的容器，此法一度受到抑制。直到1963年，德国巴斯夫化学公司用钴作催化剂，开发出第一个适合工业生产的办法。到了1968年，以铑为

16、基础的催化剂的(cisRh(CO)2I2)被发现，使得反映所需压力减到一个较低的水平并且几乎没有副产物。1970年，美国孟山都公司建造了首个使用此催化剂的设备，此后，铑催化甲基羰基化制乙酸逐渐成为支配性的方法（孟山都法）。90年代后期，BP化学成功的将Cativa催化法商业化，此法是基于钌，使用(Ir(CO)2I2)，比孟山都法更加绿色也有更高的效率，很大程度上排挤了孟山都法5。1.3.2 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。工艺陈旧，生产规模小，原料和动力消耗高，应严格控制，杜绝新建小规模生产装置。1.3.3 乙烯氧化法 由乙烯在催化剂（所用催化剂为氯化钯、氯化铜和乙

17、酸锰）存在的条件下，与氧气发生反应生成。此反应可以看作先将乙烯氧化成乙醛，再通过乙醛氧化法制得。乙烯氧化法制醋酸虽然比乙炔法和酒精法先进，但与低压甲醇羰基合成法相比，原料和动力消耗高，技术经济上缺乏竞争性，不宜再用该技术新建装置。原有装置可借鉴乙烯直接氧化法进行改造。 1.3.4 丁烷氧化法 丁烷氧化法又称为直接氧化法，这是用丁烷为主要原料，通过空气氧化而制得乙酸的一种方法，也是主要的乙酸合成方法。1.3.5 巴斯夫高压法6 巴斯夫高压法尽管已工业化多年,与其它原料路线相比，具有一定的竞争性；但与低压法相比，相应压力高，原料消耗定额高，副反应多，工艺复杂。因此，不提倡发展高压法。1.3.6 U

18、OP/千代田工艺7 UOP/千代田工艺技术先进，在某些方面比BP技术更有吸引力，但还没有工业化生产装置，引进的风险大。如果在对其风险性进行充分论证的情况下，可积极引进。1.3.7 乙醛氧化法8 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比，此法仍然是第二种工业制乙酸的方法。乙醛可以通过氧化丁烷或轻石脑油制得，也可以通过乙烯水合后生成。当丁烷或轻石脑油在空气中加热，并有多种金属离子包括镁，钴，铬以及过氧根离子催化，会分解出乙酸。化学方程式如下： (1.8) 此反应可以在能使丁烷保持液态的最高温度和压力下进行，一般的反应条件是150和55atm。副产物包

19、括丁酮，乙酸乙酯，甲酸和丙酸。因为部分副产物也有经济价值，所以可以调整反应条件使得副产物更多的生成，不过分离乙酸和副产物使得反应的成本增加。 在类似条件下，使用上述催化剂，乙醛能被空气中的氧气氧化生成乙酸 (1.9) 使用新式催化剂，此反应能获得95%以上的乙酸产率。主要的副产物为乙酸乙酯，甲酸和甲醛。因为副产物的沸点都比乙酸低，所以很容易通过蒸馏除去。1.4 新的合成方法除已经成熟生产方法外，新的醋酸合成方法也不断出现。（1） 乙烯直接氧化法是由日本昭和电工株式会社开发，以氯化钯化合物为催化剂，在硫酸盐存在下，由乙烯不经乙醛直接氧化为醋酸，反应在多管夹套反应器中进行，与乙烯-乙醛氧化法相比，

20、投资省、工艺简单、废水排放少，适应于5万10万t/a规模装置。催化联产醋酸、乙烯新工艺，由沙特阿拉伯沙特基础工业公司(SABIC)开发，并开发了经磷改性的钼-铌-钒酸盐催化剂。将体积比为15:85的乙烷和空气在温度260和压力1.38MPa条件下通过催化剂，在转化率达53.3时，生产醋酸和乙烯的选择性分别为49.5和10.5。其技术经济性可与甲醇羰基化技术相媲美。 （2） 哈尔杜-托普索公司开发成功双功能催化剂，直接用天然气生产醋酸，使用该技术的醋酸可变成本比传统BP技术降低15。（3） 瓦克尔化学公司以丁烯为原料，使用专用催化剂直接氧化成醋酸，该工艺的特点是原料成本较低，使10万20万t/a

21、中等规模生产装置具有竞争能力。（4） 赫司特公司开发了乙烷气相氧化高选择率的醋酸生产专利技术。（5） 伊士曼和BP公司分别建成了以煤为原料生产合成气，合成气制造甲醇、乙酸，利用乙酸甲酯羰基化合成乙酸酐装置。 随着新技术、新方法的不断开发成功和投入工业化生产，多种原料、多种方法、有竞争力的醋酸技术将不断出现。1.5 小结 （1）新建醋酸装置大型化 从醋酸工业的发展趋势来看，醋酸装置的规模将成大型化。Celanese在新加坡有50万t /a生产装置，在美国有120万t /a的生产厂。我国江苏索普已成功建设60万t /a醋酸生产装置。经测算，同为甲醇羰基合成醋酸工艺，60万t/a醋酸装置较20万t/

22、a规模的单位成本降200300元/ t。装置规模的大型化能稳定产品质量，降低生产成本。 （2）利用先进工艺技术淘汰落后产能面对醋酸产能过剩的局面，醋酸行业必须进行产业结构和技术结构的调整。在控制总量的前提下，用技术先进、经济可行的低压甲醇羰基合成醋酸工艺，淘汰一些技术落后、生产规模小、能耗高、生产成本高的生产装置。通过工艺技术结构调整和科技进步， 不断提高中国醋酸在国内外市场上的竞争力。 （3）发展下游产品，化解过剩产能生产技术的突破扩大了醋酸的产能，几年间醋酸由供不应求到供需平衡，很快出现供过于求的局面，究其原因是下游产品开发落后于醋酸项目上马的速度，造成了醋酸产能的消化不良。解决产能过剩问

23、题，除控制总量，严格醋酸项目的审批外，还要积极开发醋酸下游产品，建议醋酸生产企业根据当地市场需求情况，不断开发适合的下游产品， 如醋酸乙烯、醋酸酯、双乙烯酮、醋酸酐、氯乙酸、氨基乙酸等产品，延伸产品链，以降低醋酸单一产品的市场风险。1.6 选题目的及意义 本课题选用乙醛氧化法生产醋酸工艺，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比，此法仍然是第二种工业制乙酸的方法。乙醛可以通过氧化丁烷或轻石脑油制得，也可以通过乙烯水合后生成，当丁烷或轻石脑油在空气中加热，并有多种金属离子包括镁、钴、铬以及过氧根离子催化，会分解出乙酸。化学反应方程式(1.10)如下

24、： (1.10) 此反应可以在能使丁烷保持液态的最高温度和压力下进行，一般的反应条件是150和55atm。副产物包括丁酮、乙酸乙酯、甲酸和丙酸。因为部分副产物也有经济价值，所以可以调整反应条件使得副产物更多的生成，不过分离乙酸和副产物使得反应的成本增加。 在类似条件下，使用上述催化剂，乙醛能被空气中的氧气氧化生成乙酸 (1.11) 使用新式催化剂，此反应能获得95%以上的乙酸产率。主要的副产物为乙酸乙酯，甲酸和甲醛。因为副产物的沸点都比乙酸低，所以很容易通过蒸馏除去。此工艺是最能适应市场的生产方法，尤其在山西、陕西、内蒙、宁夏等地区。地理、资源优势还有成熟的生产工艺让其成为比较有竞争力的方法。

25、2 工艺流程的确定2.1 本课题要解决的问题 醋酸具有巨大的市场效益和广阔的应用前景，乙醛氧化法生产醋酸工艺是最能适应市场的生产方法，尤其在山西、陕西、内蒙、宁夏13等地区。地理、资源优势还有成熟的生产工艺让其成为比较有竞争力的方法。本设计通过查阅大量的文献、资料搜集、整理和消化相关知识，对比醋酸不同合成方法的优缺点，选择合适的生产工艺路线，对于工艺过程中涉及的物料和热量进行衡算，获得工艺流程中的基本物流数据，同时对生产过程中所需要反应设备的结构、尺寸、材质进行设计和计算，完成醋酸的车间生产工艺设计，绘制出主设备的装配图和车间布置图。最后对这个年产20万吨醋酸的车间进行经济核算和成本分析。2.

26、2 拟采用的研究手段2.2.1 原料的选择 通过文献资料的整理和分析，本设计采用乙醛氧化法生产醋酸工艺。采用乙醛、氧气、氮气和催化剂作为原料。2.2.2 反应原理 乙醛液相催化自氧化合成醋酸是一强放热反应，总反应式为： (2.1) 乙醛氧化时先生成过氧醋酸，再与乙醛合成AMP分解即为醋酸9： (2.2) (2.3)2.2.3 催化剂的选择 采用催化剂能使反应过程显著加速，特别是能加速过氧醋酸的分解，这样可以避免过氧醋酸的积聚，消除爆炸性危险。变价金属盐，如铁、钴、锰、镍、铜、铬的盐类均可作催化剂。衡量催化剂效果是否良好，可以从氧化液所含过氧醋酸的多少和氧的吸收率高低来观察。其中钴是最活泼的。但

27、实践证明，钴并不是最理想的催化剂，因为钴催化剂对过氧醋酸生成的加速作用很强，以致过氧醋酸来不及分解而导致爆炸事故。因此工业上常用醋酸锰作为乙醛氧化制醋酸的催化剂15。2.2.4 反应器的选择 早期的醋酸生产采用单锅间歇鼓泡氧化，该法不但产量低，劳动强度大，而且也不安全。为克服上述缺点，经过不断摸索、改进，醋酸生产工艺逐步由单锅间歇氧化，过渡为多锅串连式连续氧化，最后发展为目前的塔式鼓泡氧化。在塔式反应器中，原料乙醛及催化剂由塔底加入。氧气则采取分段并流鼓入，以降低塔内氧气分压，减少副反应生成。为保持反应温度恒定，一般均是在反应器中布置冷却盘管，以水带走反应热量。对采用此种换热方式的反应器，我们

28、称为内冷式鼓泡塔反应器，或简称为内冷式16。内冷式鼓泡塔反应器以多段塔节组成，各塔节间，因有分布板相隔、塔节间的逆向返混呱每段塔节内有氧气鼓入搅拌，温度、浓度基本均匀，接近于一个全混式连续搅拌釜。各节塔段相叠后，全塔形成了多个全混连续搅拌釜串连的反应器。随着塔段的增多，反应物或产物的停留时间分布接近于理想平推流。因有冷却盘竹不断取走反应热夕各塔节内的温度可保持均匀不变。2.2.5 主要工艺条件表2.1 乙醛氧化制醋酸主要工艺条件项目指标备注原料乙醛浓度98.0%质量百分浓度反应温度6080塔顶压力空气氧化0.150.25MPa表压塔顶压力氧气氧化0.050.15 MPa表压醋酸锰溶液浓度20.

29、2%用成品醋酸配制进醋酸锰量 新鲜锰 0.03:1体积比（醋酸锰溶液：乙醛）循环锰 0.1:1体积比2.2.6 生产工艺路线图2.1为工艺流程示意图。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，工业上一般采用氧作催化剂，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，反应液首先经蒸发器除掉醋酸锰催化剂，醋酸蒸汽则先经精馏塔1蒸出未反应的乙醛、甲酸、醋酸甲酯、水、三聚乙醛等轻组分，然后经精馏塔2脱除高沸点副产物后得成品醋酸，要求纯度99%，其余的则进入醋酸回收塔回收粗醋酸。副产物氧化反

30、应器乙醛吸收塔蒸发器精馏塔精馏塔醋酸回收塔工业氧工业氮乙醛催化剂回流乙醛催化剂残夜成品醋酸粗醋酸图2.1 醋酸生成工艺流程框图3 物料衡算3.1 设计依据醋酸生产消耗定额见表3.1。表3.1 消耗定额10名称单耗（每吨醋酸）乙醛770kg氮气260m3冷却水250m3醋酸锰2kg设计任务为年产20万吨醋酸，年工作日为330天，总时间为8000小时。则醋酸的生产能力为： (3.1)根据消耗定额得乙醛进料量为： 所以，选择乙醛进料量为20000kg/h。3.2 氧化塔物料衡算通入氧化塔的乙醛量为20000kg/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

31、的工业氮浓度为45%，未转化的乙醛在气液相中的体积分配率为气相34%，液相66%，表3-2为原料组成情况。表3.2 原料组成11原料乙醛%（质量）工业氧%（质量）工业氮%（体积分数）催化剂溶液%（质量分数）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 30三聚乙醛0. 1注：催化剂中醋酸锰用量为氧化塔进料乙醛用量的0.08%氧化塔中的反应式(3.2)、(3.3)、(3.4)、(3.5)、(3.6)：主反应12： (3.2)副反应： (3.3) (3.4) (3.5) (3.6) 在氧化塔中96%的乙醛参与主反应生成醋酸，

32、4%乙醛发生副反应生成醋酸、二氧化碳、水、甲酸、醋酸甲酯等。氧化塔物料衡算图见图3-1。 氧化反应器乙醛吸收塔工业氧 工业氮乙醛催化剂尾气回流乙醛图3-1 氧化塔物料衡算 纯乙醛量：2000099.5%=19900 kg/h 主反应中各种物料的用量 a. 乙醛用量：199000.9930.96=18970.272kg b. 需用氧量(x) 44:16=18970.272:x x=6898.28kg c. 生成醋酸量(y) 44:60=18970.272:y y=25868.55kg 副反应各种物料的用量 a. 乙醛用量：199000. 9930. 014=276.65kg b. 需用氧量(x)

33、 132:96=276.65:x x=201.2kg c. 生成醋酸量(y) 132:120=276.65:y y=251.5kg d. 生成甲酸量(z) 132:46=276.65:z z=96.4kg e. 生成水量(w) 132:18=276.65:w w=37.73kg f. 生成二氧化碳量(v) 132:44=276.65:v v=92.22kg 副反应 a. 乙醛用量：199000. 9930. 0025=49.40kg b. 需用氧量(x) 132:32=49.40:x x=11.98kgc. 生成亚乙基二醋酸量(y) 132:146=49.40:y y=54.64kgd. 生成

34、水量(z) 132:18=49.40:z z=6.74kg 副反应 a.乙醛用量：199000. 9930. 0095=187.73kg b.需用氧量(x) 88:48=187.73:x x=102.40kg c.生成醋酸甲酯量(y) 88:74=187.73:y y=157.86kg d.生成二氧化碳量(z) 88:44=187.73:z z=93.87kg e.生成水量(w) 88:18=187.73:w w=38.40kg 副反应 a.乙醛用量：199000. 9930. 014=276.65kg b.需用氧量(x) 88:160=276.65:x x=503kg c.生成水量(y) 8

35、8:72=276.65:y y=226.35kg d.生成二氧化碳量(z) 88:176=276.65:z z=553.3kg根据反应式计算出来的反应物总耗量及反应生成物总量为： 参与反应的乙醛量为：200000. 9950. 993=19760.7kg未转化的乙醛量为 200000. 9950. 007=139.3kg其中，液相中乙醛含量139.30. 66=91.94 kg，气相中乙醛含量139.30. 34=47.36kg 反应掉的氧气总量 6898.28+201.2+11.98+102.40+503=7716.86kg 则所需工业氧气量 其中： 氧气=8002.390. 98=7842

36、.34kg 氮气=8002.390. 02=160.05kg 所以未反应的氧气=7842.34-7716.86=125.48kg 反应生成物重量 醋酸：25868.55+251.5=26120.05kg 二氧化碳：92.22+93.87+553.3=739.39kg 水：37.73+6.74+38.40+226.35=309.22kg 甲酸：96.4kg 亚乙基二醋酸酯：54.64kg 醋酸甲酯：157.86kg（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x 其中： 醋酸锰 161.290. 1=16.13kg

37、水 161.290. 3=48.39kg 醋酸 161.290. 6=96.77kg（5）保安氮用量 设保安氮为xkg 塔顶干气量计算： 氮气：160.05+0. 97x 氧气 ：125.48+0. 03x 二氧化碳：739.39kg 则 =45% x=579.16kg（其中氮气：579.160. 97=561.79kg 氧气：579.160. 03=17.37kg 塔顶干气量 氮气: 160.05+0. 97x=721.84kg 氧气: 125.48+0. 03x=142.85kg 二氧化碳: 739.39kg整理以上数据，列出氧化塔物料平衡结果，见表3.3。表3.3氧化塔物料衡算结果进 料

38、出 料含量(%)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. 119900206020氧 化 液醋酸醋酸甲酯水亚乙基二醋酸甲酸乙醛三聚乙醛醋酸锰96. 00. 801. 500. 680. 390. 380. 180. 0726120.05157.86417.6154.6496.491.9420. 0016.13工业氧氧气氮气9827842.34160.05工业氮氮气氧气973561.79 17.37催化剂醋酸水醋酸锰60301096.7748.3916.13放空废气二氧化碳氮气氧气乙醛739.39721.84142.8547.36总计28742.

39、84kg28742.84kg3.3 蒸发器物料衡算由上面的计算可知：生成氧化液的总的质量为26974.63kg，假设氧化液有98.6%进入蒸发器中，则进入蒸发器的量F=26974.6398.6%=26596.99kg，其中进料中醋酸锰含量x0=0.07%，假设完成液中醋酸锰含量为x1=8.0%。蒸发器进出物料图见图3.2蒸发器VFL图3.2 蒸发器进出物料图列衡算式如下：代入数据计算，26596.990.07%=L8.0%又知： 3.4 精馏塔物料衡算 3.4.1 精馏塔1物料衡算已知数据：（1） 进料流量26364. 27kg/h （2） 醋酸质量分数0. 968，水的质量分数0. 0154

40、 （3） 馏出液中醋酸回收率为97%，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精馏塔1进出物料图见图3.3精馏塔1DFW图3.3 精馏塔1进出物料图则：进料组成 进料平均摩尔质量进料流量列衡算式： =0. 97 =0. 98得： 又可求得：塔顶的平均摩尔质量为： 故： 同理求得：塔底的平均摩尔质量为： 故： 3.4.2 精馏塔物料衡算已知数据：（1） 进料流量F=25445.080.998=25496.07kg/h （2） 进料醋酸含量98%（3） 釜残液醋酸含量10%，成品醋酸含量99. 8%精馏塔2进出物料图见图3.4精馏塔F成品醋

41、酸V高沸物L图3.4 精馏塔2进出物料图列衡算式： 得： 3.5 醋酸回收塔物料衡算已知数据：（1） 进料流量F=920.18+511.06=1431.24kg/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%的醋酸醋酸回收塔进出物料图见图3.5回收塔副产物XF粗醋酸Y图3.5 醋酸回收塔进出物料图列衡算式： F=X+Y F0. 2=0. 05X+0. 65Y得： X=1073.43kg/h Y=357.81kg/h整理以上数据，得总物料衡算结果，见表3.4表3.4总物料衡算结果进 料出 料名 称质量（kg）名 称质量（kg）乙

42、 醛乙醛醋酸水三聚乙醛19900206020放空废气二氧化碳氮气氧气乙醛739.39721.84142.8547.36工业氧气氧气氮气7842.34160.05催化剂残液成品醋酸粗醋酸其它副产物量232.7224985.01357.811515.86工业氮气氮气氧气561.7917.37催化剂醋酸水醋酸锰96.7748.3916.13总 计28742.84kg28742.84kg4 热量衡算4.1 基本数据表 4.1各物质标准热化学数据物质f乙醛(l)-192.8889.05O2(g)029.38醋酸(l)-484.30123.1甲酸(l)-425.199.04醋酸甲酯(l)-445.8140

43、.8CO2(g)-393.537.13H2O(l)-285.8375.288表 4.2各物质热容温度关联式系数物质ABCD醋酸(g)4.375-2.39710-36.75710-5-8.76410-8醋酸(l)-18.9441.0971-28.92110-42.927510-6O2(g)3.6297-1.794310-30.657910-5-0.600710-8N2(g)3.5385-0.261110-30.007410-50.157410-8乙醛(g)4.3790.07410-33.74010-5-4.47710-8乙醛(l)45.0560.44853-16.60710-42.700010-

44、6水(l)92.053-3.995310-2-2.110310-40.5346910-6水(g)4.395-4.18610-31.40510-5-1.56410-8表 4.3物质的沸点及正常沸点下的蒸发焓物质沸点/蒸发焓/kJmol-1Tc/K醋酸118.124594.15水10040.73647.154.2 氧化塔的热量衡算该工段中反应温度为10各个反应物由25降到10的热料衡算如下：=其他物质占的比例很少，所以可忽略不计。主反应产生的热量： = =副反应产生的热量： 由上面的计算可知： = 其他副反应所占比例很少，可以忽略不计。氧化塔需要承受的热量为： + 反应放出的热用-5的冷冻盐水进行

45、冷却,进口温度为-5,出口温度为5。冷冻盐水的比热容为：则单位时间内需要冷冻的量为： 4.3 蒸发器的热量衡算该蒸发器的蒸发温度为120，氧化液中所占热量较大的主要是醋酸和水，且设蒸发器的热量损失为1%。氧化液由原来的10升高到120放出的热量为:醋酸有26364.2796%60=421.83kmol被蒸发掉，则蒸发掉的醋酸需要的热量为： Q1=+ + 水有26364.271.5%18=21.97kmol，则蒸发掉的水需要的热量为：Q2=+ + =则蒸发器总共需外界提供的热量为：Q=Q1+Q2=单效蒸发器需外界提供热量，该热源为100的饱和水蒸气，热源进口为100的水蒸气，出口为100的热水。

46、100下的饱和蒸气的压力为1.0bar，汽化潜热r=2257.6。则单位时间内需要饱和水蒸气的质量为：4.4 冷凝器的热量衡算将120的蒸气冷凝到饱和进料温度，精馏塔饱和进料温度为116.5。421.83kmol的醋酸从120蒸气冷凝到116.5的液体放热为：+ + + =21.97kmol的水从120蒸气冷凝到116.5的蒸汽放热为： 则冷凝总共放出热量为：该冷凝器仍采用冷却盐水，将反应器的出口盐水用于该冷凝器的进口冷却盐水。并用该冷凝器中出口盐水的温度控制在10。则单位时间内需5下冷冻盐水的质量为： 4.5 精馏塔1的热量衡算已知数据：（1）由前面物料衡算，得 ，即920.18kg/h，

47、，即25445.08 kg/h， （2）塔顶温度：100103，此设计取为103。 塔底温度：118124，此设计取为118。 进料温度为：116.513。则可求得： 精馏段平均操作温度 提留段平均操作温度（3）常压精馏：P=101.3kPa（4）水和醋酸的安托尼常数见表4.1014表4.4 水和醋酸的安托尼常数常数ABC水醋酸7. 074066. 424521657. 461479. 02227. 02216. 824.5.1 回流比的计算（1）相对挥发度的计算 假设泡点t=116. 5 对水： kpa 对醋酸： kpa 则 与十分接近，故假设t=116. 5(泡点)正确 则相对挥发度 用解

48、析法计算最小回流比：设进料为泡点进料。15代入数据求得： 取4.5.2 冷凝器的热负荷式中：-塔顶上升蒸汽的焓； -塔顶馏出液的焓； 又 当时，水， 蒸发潜热： 同理，醋酸， 蒸发潜热： = =1730.61kJ/kg所以： 4.5.3 冷却水消耗量选用25的冷却水，选升温10，即冷却水的出口温度为35。式中：冷却水消耗量，kg/h; CPC冷却介质在平均温度下的比热容，kJ/(kg)；t1，t2冷却介质在冷凝器进出口处的温度,15。所以，又知，此温度下冷却水的比热容 kJ/(kg)所以： 4.5.4 加热器热负荷及全塔热量衡算列表如下：表4.5 不同温度下水和醋酸的比热容温度塔顶tD（103

49、）塔釜tW（118）进料tF（116.5）精馏段tm（109.75）提馏段tn（117.25）水75.6276.1476.0875.8376.11醋酸140.33142.90142.63141.46142.76精馏段：水：醋酸：提馏段：水：醋酸：塔顶流出液的比热容：塔釜馏出液的比热容：又知： ， 对全塔进行热量衡算：由于塔釜热损失为10%，则所以加热蒸汽消耗量：查得：(133)5 主要设备的设计与辅助设备的选型5.1 精馏塔设备设计由前面计算可知：（1）相对挥发度 （2）回流比，（3） ，即920.18kg/h， ，即25445.08 kg/h， 5.1.1 理论塔板数的计算利用简洁法计算理论

50、塔板数（1） 全回流时理论板层数 则 由附录一吉利兰图 查得 （2） 精馏段理论板层数 横坐标 不变，则纵坐标读数也不变 既 所以加料板为从塔顶往下数第12层5.1.2 塔的有效高度计算（1） 全塔效率 其中： 相对挥发度 塔顶与塔底平均温度下的液相粘度 查得： 则 （2） 塔的有效高度 其中： 塔内所需理论板层数 塔板间距m (取) 则 取上层塔板与塔顶盖之间的距离为1. 5m，取下层塔板和塔底之间的距离为3. 0m，开有人孔的板间距取为0.6，每隔8块板取一个人孔，人孔数为2，进料段高度取为1m，裙座高度取为6m，因为所以精馏塔总高度为5.1.3 塔径的计算（1）气液相密度 液相密度 气相

51、密度（以进料状态计算） （2） 气液相流量 气相流量 液相流量 （3）塔径的确定 塔径 u由得到，式中c由计算，其中 由附录二史密斯关联图查得，其横坐标为 取板间距，板上液层高度，则 查图，得 则 所以 取安全系数为0. 65，则空塔气速 所以塔径 按标准塔径圆整后，取 塔截面积 空塔气速 5.1.4 塔板设计 从塔板的生产能力、板面利用率、结构、造价等方面考虑进行比较后，选择筛板塔. （1）溢流装置计算 根据塔径及液体流量与溢流类型的关系，可选用单溢流弓形降液管，采用凹型受液盘，各项计算如下 堰长 取 溢流堰高度 由 选用平直堰，堰上液层高度由计算，其中E由附录三液流收缩系数图可查，其横坐标为 查得 E=1. 00，则 故 其符合范围 弓形降液管宽度和截面积 由，查附录四弓形降液管参数图，得 故 检验液体在降液管中停留时间即 故降液管设计合理 降液管底隙高度 取液体通过底隙时的流速 故降液管底隙高度设计合理，选用凹型受液盘，深度（2）塔板布置 因D1. 5m，取（3）筛孔计算及其排列 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