【正文】 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 3 18 總計 M 餾出液 = M 釜殘液 = 4 . 醋酸 回收塔冷凝器熱量衡算 F,xF,IF V, IVD D, xD,ILD L, xD,ILD L`Ilmw QC V`Ivw W, xW,ILW QB 17 圖 41 精餾段熱量衡算 對圖 41全凝器做熱量衡算，以單位時間為基準，忽略熱量損失，則 QC=VIVD(LILD+DILD)；其中 V=L+D=(R+1)D， 代入上式整理得 QC=VIVD(LILD+DILD) = (R+1)D (IVDILD) 式中： QC=全凝器的熱負荷 (kJ/h)； IVD=塔頂上升蒸汽的焓 (kJ/kmol)； ILD=塔頂餾出液的焓 (kJ/kmol)。K (1) － － － － (1) － － 注： (1)按 CP(固 )= F 精餾塔 W D 圖 33 精餾塔 1 進出物料圖 10 列衡算式如下： F=X+Y 3%F=%X+65%Y 解得 X= kg/h ； Y= kg/h 整理以上數(shù)據(jù)得到總物料衡算結果：見表 36： 表 36 總物料衡算結果 進料 出料 名稱 質量 (kg) 名稱 質量 (kg) 乙醛 乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 17910 18 54 18 放空 廢氣 二氧化碳 氮氣 氧氣 乙醛 工業(yè) 氧氣 氧氣 氮氣 催化劑殘液 粗醋酸 成品醋酸 工業(yè) 氮氣 氮氣 氧氣 其它副產(chǎn)物產(chǎn)量 催化劑 醋酸 水 醋酸錳 總計 kg 回收塔 F 圖 34 回收塔進出物料圖 副產(chǎn)物 X 粗醋酸 Y 11 第四章 熱量衡算 氧化塔熱量衡算 設計條件為：每小時接料工業(yè)乙醛 18000kg，選擇年工作時間 8000h，年產(chǎn)工業(yè)醋酸 18104噸。氧氣：+= kg；二氧化碳： kg 醋酸： ++18000= kg 整理以上數(shù)據(jù)，得出氧化塔物料衡算結果，見表 34。 工藝流程圖如圖 21 所示。 C2H5OH + O2 →CH 3COOH + H2O 3 乙醛氧化法 乙 醛 可 以 通 過 氧 化 丁 烷 或 輕 石 腦 油 制 得 [ 8 ]， 或 者 通 過 乙 烯 水 合 后 生 成 。 2 0 0 9 年 ， 統(tǒng) 計 表 明 我 國 采 用 甲 醇 羰 基 合 成 法 生 產(chǎn) 的 醋 酸 占 醋 酸 總 產(chǎn) 量 的 8 2 . 6 % 。 易 溶 于 水 、 乙 醇 、 乙 醚 和 四 氯 化 碳 。設計重點對氧化、精餾工段進行了詳細的物料衡算和 熱 量衡算， 同時對 主要設備 進行了 計算和選型，繪制 了 工藝流程圖和主要設備裝配圖。本設計 介紹 了醋酸的性質、用途 、 工業(yè)現(xiàn)狀 以及 各種 醋酸 生產(chǎn)方法 ， 對 乙醛氧化 工藝流程做了闡述。 純 乙 酸 在 1 6 . 6 ℃ 以 下 時 能 結 成 冰 狀 的 固 體 ，所 以 常 稱 為 冰 醋 酸 [ 3 ] 。 世 界 兩 大 醋 酸 生 產(chǎn) 商 C l e a n e s e 和 英 國 B P 公 司 控 制 了 全 球 的 醋 酸 生 產(chǎn) 2 [ 5 ] ， 兩者 合 計 生 產(chǎn) 能 力 已 達 到 4 . 3 8 4 M t / a ， 約 占 全 球 總 生 產(chǎn) 能 力 的 4 0 % 以 上 。 此 反 應 中 ，甲 醇 和 一 氧 化 碳 反 應 生 成 乙 酸 ， 方 程 式 如 下 ： CH3OH + CO →CH 3COOH 乙醇氧化法 由 乙 醇 在 有 催 化 劑 的 條 件 下 和 氧 氣 發(fā) 生 氧 化 反 應 制得 。 乙 醛 液 相 催 化 自 氧 化 合 成 醋 酸 是 一 項 強 放 熱 反 應 ，總 反 應 式 為 ： CH3CHO(aq) + 1/2O2 → CH 3COOH(aq) ΔHθ298k= 294 kJ/mol 乙 醛 氧 化 時 首 先 生 成 過 氧 乙 酸 ，再 與 乙 醛 生 成 中 間 復 合 物 ，分 解 即 為 醋 酸 ： CH3CHO + O2→ CH3COOOH CH3COOOH + CH3CHO → 中間復合物 → 2CH 3COOH 乙 醛 和 催 化 劑 溶 液 自 反 應 塔 中 上 部 加 入 ， 為 了 使 乙 醛 不 被 大 量惰 性 氣 體 帶 走 ， 工 業(yè) 上 一 般 釆 用 氧 作 催 化 劑 ， 且 氧 分 段 鼓 泡 通 入 反 應 液 中 ， 與 乙 醛 進 行 液 相 氧 化 反 應 ， 氧 化 過 程 釋 放 的 大 量 反 應 熱 通 過 外 循 環(huán) 冷 卻 而 移 出 ， 出 反 應 器 的 反 應 尾 氣 經(jīng) 冷 凝 回 收 乙 醛 后 放 空 [ 1 1 ,1 2 ] ， 反 應 液 首 先 經(jīng) 蒸 發(fā) 器 除 掉 醋 酸 錳 催 化 劑 ， 醋 酸 蒸 汽 經(jīng) 精 餾 塔 蒸 出 未 反 應 的 乙 醛 、 甲 酸 、 醋 酸 甲 酯 、 水 、 三 聚 乙 醛 等 輕 組 分 ， 要 求 純 度 ≥99% , 其 余 的 則 進 入 醋 酸 回 收 塔 回 收 粗 醋 酸 。 表 33 副反應物料衡算計算結果 反應物 生成物 乙醛 17910= kg 醋酸 132120 = 甲酸 13246 = 氧 4432 = 水 13218 = CO2 13244 = 根 據(jù) 反 應 式 衡 算 出 來 的 反 應 物 總 消 耗 量 以 及 生 成 物 總量 如 下 ： 反應掉的乙醛： 18000= kg 回 流 乙 醛 乙醛 工業(yè)氮 工業(yè)氧 尾氣 乙醛回收塔 催化劑 圖 31 氧化塔物料衡算圖 氧 化 反 應 器 7 未轉化的乙醛： 18000= kg (其中液相中乙醛 = kg；氣相中乙醛 =) 反應掉的氧氣總量： += kg 則工業(yè)用氧總量為： = kg (其中：氧氣 == kg；氮氣 == kg) 所以未反應掉的氧氣 =－ = kg 反應生成物： 醋酸： +=；甲酸： kg； CO2： ；水： ； (4) 催化劑用量 催 化 劑 溶 液 中 醋 酸 錳 用 量 取 氧 化 塔 進 料 乙 醛 重 量 的 %，原料催化劑中醋酸錳的含量為 10%，設催化劑溶液用量為 x [ 1 5 ]， (18000+x)= 解得 x= kg 其中：醋酸錳 = kg；水 = kg；醋酸 = kg (5)氮 用 量 ： 設 保 安 氮 為 x kg 塔 頂 干 氣 量 計 算 ： 氮 氣 +；氧氣 +；二氧化碳 kg 則 ??? ? x x=45%，解得 x= kg (其中氮氣： = kg；氧氣： = kg) 塔頂干氣量：氮氣： +=。 W=(18104+60104)= kg/h. 醋酸回收塔物料衡算 由前面的計算可知： (1)進料流量 F= kg/h； (2)回收后粗醋酸含量一般在 65%以上 [16] (這里按 65%計算 ) 設定：副 產(chǎn) 物 中 含 1 . 5 % 的 醋 酸 ， 醋 酸 回 收 塔 進 出 物 料 圖見 圖 34。K (1) － － － － (1) － － － (1) CH3COOH H2O HCOOH CH3CHO (CH3CHO)3 Mn(Ac)2 液體 CP, J/gK取值 C= 若近似取 ILW=ILM，且因 V`=L`W則 QB=V``(IVW ILW) +QL 加熱介質消耗量可由下式計算 Wh=21 BBBII Q? 式中 Wh為加熱介質的消耗量 (kg/h) IB1， IB2分別為加熱介質進、出再沸器的焓 (kJ/kg) 冷卻用水量 設定水的進口溫度為 298K，出口溫度為 318K， Δt=26K， 則需用水量 Wˊ= ? = t/h Q損 =Q入 1%== kJ/h 安全系數(shù) α取 ，則 18 水用量 =Wˊ= t/h或者 m3/h 表 410 熱量衡算結果 輸入 輸出 項 目 kJ/h 項目 kJ/h 氧化液 輸入熱 釜殘液加入 氧化液 熱損 循環(huán)液移走 (差值 ) 總計 第五章 塔體設計 精餾塔設計 由前面的物料衡算得精餾塔的基本數(shù)據(jù)： F=， XF=， D=， XD=， W=， XW=104， 進料平均摩爾質量 Mm=根據(jù)工藝條件確定塔內(nèi)溫度：塔頂： 100～ 103℃ ；塔底： 118～ 124℃ 。 (1) 溢流裝置 設 定 選 用 單 溢 流 弓 形 降 液 管 ， 采 用 凹 型 受 液 盤 ， 各 項計 算 如 下 堰長 lW 取 lW=== 21 溢流堰高度 hW=hl－ hOW 采用平直堰，堰上液層高度 hOW= 32 ????????whlLE 計算， 其 中 由 液 流 收 縮 系 數(shù) 圖 查 得 E ， 其 橫 坐 標 為 3232??????? ??????????whlL 查得 E=，則 hOW= = 設定塔板上清液層高度 hL=；于是 hW=hl－ hOW=－ = 這個結果符合范圍 － hOW≥hW≥－ hOW (2) 弓形降液管寬度 Wd和截面積 Af 由 Dlw =，查弓形降液管參數(shù)圖，得TfAA =； DWd = 故 Af===。 hL=βhL。39。D= ??= 查標準（進料管尺寸）取 φ65 回流管 采 用 直 管 直 流 管 ，取 339 .63 31 . / , 34 02 / 5 36 00RRu m s V m s?? ? ??mm（查表得） 4 0 .0 0 3 4 0 2 5 3 .7 53 .1 4 1 .5D m m???? ；取 φ57 塔釜出料管 取 μW=，直管進料， 396 .5 3 18 0. 00 48 65 /99 2 36 00WV m s???? 4 0 . 0 0 4 8 6 5 4 1 . 3 23 . 1 4 1 . 5D m m???? 查出料管規(guī)格標準取 42 ? ? 塔頂蒸汽出料管 直管出氣，取出口氣速 μ=，則 34 1 .7 8 3 2 0 .0 0 4 3 4 /3 6 0 0 8 5 5 .0 4V m s???? 28 4 0 .0 0 4 3 4 5 5 .3 33 .1 4 1 .5D m m???? 查蒸汽出料管規(guī)格標準取 φ57 塔釜進氣管 采用直管，取 /u m s? , 34 1 .7 8 1 8 0 .0 0 2 1 0 /3 6 0 0 9 9 2V m s???? 故 4 0 .0 0 2 1 0 2 7 .8 83 .1 4 1