化工設(shè)計(jì)專業(yè)課程設(shè)計(jì)

1、 南京工業(yè)大學(xué) 化工設(shè)計(jì)專業(yè)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目 乙醛縮合法制乙酸乙酯 學(xué)生姓名 胡曦 班級(jí)、學(xué)號(hào) 化工091017 指導(dǎo)教師姓名 任曉乾 課程設(shè)計(jì)時(shí)間20 12年5月12日-20 12年6月1日 課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)O(shè)計(jì)說明書、計(jì)算書及設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量，70%獨(dú)立工作能力、綜合能力及設(shè)計(jì)過程表現(xiàn)，30%設(shè)計(jì)最終成績(jī)（五級(jí)分制） 指導(dǎo)教師簽字 目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)3二、概述32.1乙酸乙酯性質(zhì)及用途32.2乙酸乙酯發(fā)展?fàn)顩r4三. 乙酸乙酯的生產(chǎn)方案及流程53.1 酯化法53.2乙醇脫氫歧化法63.3乙醛縮合法73.4乙烯、乙酸直接加成法83.5各生產(chǎn)方法比較93.5確定工藝方案及流程9四工藝說明94.1. 工藝

2、原理及特點(diǎn)94.2 主要工藝操作條件114.3 工藝流程說明 94.4 工藝流程圖（PFD）114.5 物流數(shù)據(jù)表94.6 物料平衡114.6.1 工藝總物料平衡94.6.2 公共物料平衡圖11五. 消耗量175.1 原料消耗量175.2 催化劑化學(xué)品消耗量175.3 公共物料及能量消耗19六. 工藝設(shè)備176.1 工藝設(shè)備說明176.2 工藝設(shè)備表176.3 主要儀表數(shù)據(jù)表176.4 工藝設(shè)備數(shù)據(jù)表176.5 精餾塔的設(shè)計(jì)176.6最小回流比的估算196.7 逐板計(jì)算216.8 逐板計(jì)算的結(jié)果及討論21七. 熱量衡算227.1 熱力學(xué)數(shù)據(jù)收集227.2 熱量計(jì)算，水汽消耗，熱交換面積247.

3、3 校正熱量計(jì)算、水汽消耗、熱交換面積(對(duì)塔)27八管道規(guī)格表228.1 裝置中危險(xiǎn)物料性質(zhì)及特殊儲(chǔ)運(yùn)要求228.2 主要衛(wèi)生、安全、環(huán)保說明248.3 安全泄放系統(tǒng)說明228.4 三廢排放說明24九衛(wèi)生安全及環(huán)保說明229.1 裝置中危險(xiǎn)物料性質(zhì)及特殊儲(chǔ)運(yùn)要求229.2 主要衛(wèi)生、安全、環(huán)保說明249.3 安全泄放系統(tǒng)說明229.4 三廢排放說明24表10校正后的熱量計(jì)算匯總表33十 有關(guān)專業(yè)文件目錄33乙酸乙酯車間工藝設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)1.設(shè)計(jì)任務(wù)：乙酸乙酯車間2.產(chǎn)品名稱：乙酸乙酯3.產(chǎn)品規(guī)格：純度99.5%4.年生產(chǎn)能力：折算為100%乙酸乙酯10000噸/年5.產(chǎn)品用途：作為制造乙酰胺

4、、乙酰醋酸酯、甲基庚烯酮、其他有機(jī)化合物、合成香料、合成藥物等的原料；用于乙醇脫水、醋酸濃縮、萃取有機(jī)酸；作為溶劑廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)中；食品工業(yè)中作為芳香劑等。 由于本設(shè)計(jì)為假定設(shè)計(jì)，因此有關(guān)設(shè)計(jì)任務(wù)書中的其他項(xiàng)目如：進(jìn)行設(shè)計(jì)的依據(jù)、廠區(qū)或廠址、主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、原料的供應(yīng)、技術(shù)規(guī)格以及燃料種類、水電汽的主要來(lái)源，與其他工業(yè)企業(yè)的關(guān)系、建廠期限、設(shè)計(jì)單位、設(shè)計(jì)進(jìn)度及設(shè)計(jì)階段的規(guī)定等均從略。二、概述1乙酸乙酯性質(zhì)及用途乙酸乙酯又名乙酸乙酯，醋酸醚，英文名稱Ethyl Acetate或 Acetic Ether Vinegar naphtha.乙酸乙酯是具有水果及果酒芳香的無(wú)色透明液體，其沸點(diǎn)為7

5、7，熔點(diǎn)為-83.6，密度為0.901g/cm3,溶于乙醇、氯仿、乙醚和苯等有機(jī)溶劑。乙酸乙酯的重要用途是工業(yè)溶劑，它是許多樹脂的高效溶劑，廣泛應(yīng)用于油墨、入造革、膠粘劑的生產(chǎn)中，也是清漆的組份。它還用于乙基纖維素、入造革、油氈、著色紙、入造珍珠的粘合劑、醫(yī)用藥品、有機(jī)酸的提取劑以及菠蘿、香蕉、草莓等水果香料和威士忌、奶油等香料。此外，還用于木材紙漿加工等產(chǎn)業(yè)部門。對(duì)于用很多天然有機(jī)物的加工，例如樟腦、脂肪、抗生素、某些樹脂等，常使用乙酸乙酯和乙醚配制成共萃取劑，它還可用作紡織工業(yè)和金屬清洗劑。2.乙酸乙酯發(fā)展?fàn)顩r（1）國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r為了改進(jìn)硫酸法的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)陸續(xù)開展了新型催化劑的研究，如酸性陽(yáng)

6、離子交換樹脂全氟磺酸樹脂HZSM-5等各種分子篩鈮酸ZrO2-SO42等各種超強(qiáng)酸，但均未用于工業(yè)生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)還開展了乙醇一步法制取乙酸乙酯的新工藝研究，其中有清華大學(xué)開發(fā)的乙醇脫氫歧化酯化法，化學(xué)工業(yè)部西南化工研究院開發(fā)的乙醇脫氫法和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的乙醇氧化酯化法。中國(guó)科學(xué)研究院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所對(duì)乙醇氧化酯化反應(yīng)催化劑進(jìn)行了研究，認(rèn)為采用Sb2O4-MoO3復(fù)合催化劑可提高活性和選擇性?；瘜W(xué)工業(yè)部西南化工研究院等聯(lián)合開發(fā)的乙醇脫氫一步合成乙酸乙酯的新工藝，已通過單管試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行1000小時(shí)，取得了滿意的結(jié)果?，F(xiàn)正在進(jìn)行工業(yè)開發(fā)工作。近來(lái)關(guān)于磷改性HZSM-5沸石分子篩上乙酸和乙

7、醇酯化反應(yīng)的研究表明，用HZSM-5及磷改性HZSM-5作為乙酸和乙醇酯化反應(yīng)的催化劑，乙醇轉(zhuǎn)化率變化不大，但酯化反應(yīng)選擇性明顯提高。使用H3PMo12O4019H2O代替乙醇-乙酸酯化反應(yīng)中的硫酸催化劑，可獲得的產(chǎn)率為91.48%,但是關(guān)于催化劑的劑量、反應(yīng)時(shí)間和乙醇乙酸的質(zhì)量比對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量的研究還在進(jìn)行之中。（2）國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r由于使用硫酸作為酯化反應(yīng)的催化劑存在硫酸腐蝕性強(qiáng)、副反應(yīng)多等缺點(diǎn)，近年各國(guó)均在致力于固體酸酯化催化劑的研究和開發(fā)，但這些催化劑由于價(jià)格較貴、活性下降快等原因，至今工業(yè)應(yīng)用不多。據(jù)報(bào)道，美Davy Vekee公司和UCC公司聯(lián)合開發(fā)的乙醇脫氫制乙酸乙酯新工藝已工業(yè)化。據(jù)報(bào)

8、道，國(guó)外開發(fā)了一種使用Pd/silicoturgstic雙效催化劑使用乙烯和氧氣一步生成乙酸乙酯的新工藝。低于180和在25的乙烯轉(zhuǎn)化率的條件下，乙酸乙酯的選擇性為46。催化劑中的Pd為氧化中心silicoturgstic酸提供酸性中心。隨著科技的不斷進(jìn)步，更多的乙酸乙酯的生產(chǎn)方法不斷被開發(fā)，我國(guó)應(yīng)不斷吸收借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，從根本上改變我國(guó)乙酸乙酯的生產(chǎn)狀況。3. 乙酸乙酯的生產(chǎn)方案及流程1、酯化法酯化工藝是在硫酸催化劑存在下,醋酸與乙醇發(fā)生酯化脫水反應(yīng)生成乙酸乙酯的工藝,其工藝流程見圖1醋酸、過量乙醇與少量的硫酸混合后經(jīng)預(yù)熱進(jìn)入酯化反應(yīng)塔。酯化反應(yīng)塔塔頂?shù)姆磻?yīng)混合物一部分回流，一部分在80

9、左右進(jìn)入分離塔。進(jìn)入分離塔的反應(yīng)混合物中一般含有約70%的乙醇、20%的酯和10%的水（醋酸完全消耗掉）。塔頂蒸出含有83%乙酸乙酯、9%乙醇和8%水分的塔頂三元恒沸物,送入比例混合器,與等體積的水混合,混合后在傾析器傾析,分成含少量乙醇和酯的較重的水層,返回分離塔的下部,經(jīng)分離塔分離,酯重新以三元恒沸物的形式分出,而蓄集的含水乙醇則送回醋化反應(yīng)塔的下部,經(jīng)氣化后再參與酯化反應(yīng)。含約93%的乙酸乙酯、5%水和2%乙醇的傾析器上層混合物進(jìn)入干燥塔,將乙酸乙酯分離出來(lái),所得產(chǎn)品質(zhì)量見表1 表一 工業(yè)品級(jí)乙酸乙酯的質(zhì)量指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)乙酸乙酯含量，%99.5乙醇含量，%0.20水分，%0.05酸度(以醋

10、酸計(jì))，%0.005色度(鉑-鈷)<10傳統(tǒng)的酯化法乙酸乙酯生產(chǎn)工藝技術(shù)成熟,在世界范圍內(nèi),尤其是美國(guó)和西歐被廣泛采用。由于酯化反應(yīng)可逆,轉(zhuǎn)化率通常只有約67%,為增加轉(zhuǎn)化率,一般采用一種反應(yīng)物過量的辦法,通常是乙醇過量,并在反應(yīng)過程中不斷分離出生成的水。根據(jù)生產(chǎn)需要,既可采取間歇式生產(chǎn),也可采取連續(xù)式生產(chǎn)。該法也存在腐蝕嚴(yán)重、副反應(yīng)多、副產(chǎn)物處理困難等缺點(diǎn)。近年來(lái)開發(fā)的固體酸酯化催化劑雖然解決了腐蝕問題,但由于價(jià)格太高,催化活性下降快等缺點(diǎn),在工業(yè)上仍無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。2. 乙醇脫氫歧化法 該法不用乙酸，直接用乙醇氧化一步合成乙酸乙酯，其催化劑主要是Pd/C和架Ni，Cu-Co-Zn-A

11、l混合氧化物及Mo-Sb二元氧化物等催化劑，這些體系對(duì)乙醇的氧化有一定的活性，但其催化性還有待進(jìn)一步改進(jìn)。95%乙醇從儲(chǔ)槽出來(lái)，經(jīng)泵加壓至0.30.4MPa，進(jìn)入原料預(yù)熱器，與反應(yīng)產(chǎn)物熱交換被加熱至130，部分氣化，再進(jìn)入乙醇汽化器，用水蒸氣或?qū)嵊图訜嶂?60170，達(dá)到完全氣化，然后進(jìn)入原料過熱器，與反應(yīng)產(chǎn)物換熱，被加熱至230，再進(jìn)入脫硫加熱器，用導(dǎo)熱油加熱到反應(yīng)溫度240270，然后進(jìn)入脫氫反應(yīng)器，脫氫反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，要用導(dǎo)熱油加熱以維持恒溫反應(yīng)。從脫氫反應(yīng)器出來(lái)的物料進(jìn)入原料過熱器，被冷卻至180，再進(jìn)入加氫反應(yīng)器將酮和醛加氫為醇，以便后續(xù)分離。然后進(jìn)入原料預(yù)熱器，被冷卻至60，再進(jìn)

12、入產(chǎn)物冷凝器，被水冷卻至30，從冷凝器出來(lái)的液體，進(jìn)入反應(yīng)產(chǎn)物儲(chǔ)罐，然后進(jìn)入分離工段，氫氣則從上部進(jìn)入水洗器，以回收氫氣中帶走的易揮發(fā)物料，然后放空或到氧氣用戶。 該工藝的特點(diǎn)是產(chǎn)品收率高，對(duì)設(shè)備腐蝕性小，產(chǎn)品成本較酯化法低，不產(chǎn)含酸廢水，有利于大規(guī)模生產(chǎn)，若副產(chǎn)的氫氣能有效合理的利用，該工藝是比較經(jīng)濟(jì)的方法。3、乙醛縮合法 由乙醛生產(chǎn)乙酸乙酯包括催化劑制備、反應(yīng)、分離和精餾4大部分,工藝流程見圖3 。在氯化鋁和少量的氯化鋅存在下將鋁粉加入盛有乙醇和乙酸乙酯混合物的溶液中溶解得到乙氧基鋁溶液。催化劑制備裝置與主體裝置分開,制備反應(yīng)過程產(chǎn)生的含氫廢氣經(jīng)冷回收冷凝物后排放,制備得到的催化劑溶液攪拌

13、均勻后備用。乙醛和催化劑溶液連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)塔,控制反應(yīng)物的比例,使進(jìn)料在混合時(shí)就有約98% 的乙醛轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物,1.5%的乙醛在此后的攪拌條件下轉(zhuǎn)化。通過間接鹽水冷卻維持反應(yīng)溫度在0 ,反應(yīng)混合物在反應(yīng)塔內(nèi)的停留時(shí)間約1h后進(jìn)入分離裝置。分離裝置中粗乙酸乙酯從塔頂蒸出,塔底殘?jiān)盟幚淼玫揭掖己蜌溲趸X,將乙醇與蒸出組分一起送入精餾塔,在此回收未反應(yīng)的乙醛并將其返回反應(yīng)塔,乙醇和乙酸乙酯恒沸物用于制備乙氧基鋁催化劑溶液。如有必要,乙酸乙酯還可進(jìn)一步進(jìn)行干燥。乙醛縮合制乙酸乙酯工藝由俄羅斯化學(xué)家Tischenko于20世紀(jì)初開發(fā)成功,因而該工藝又稱為Tischenko工藝。反應(yīng)在醇化物（乙氧基鋁

14、)的存在下進(jìn)行。由乙醛生產(chǎn)乙酸乙酯的第一步實(shí)際上先由乙烯制取乙醛,由乙烯生產(chǎn)乙醛通常在氯化鈀存在下于液相中進(jìn)行（即Wacker工藝)。根據(jù)保持催化劑活性方法的不同,又有兩種工藝可選擇,一種為一步法工藝,即乙烯和氧氣一起進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng); 另一種是兩步法工藝,即乙烯氧化為乙醛在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,而催化劑的空氣再生在另一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,兩種工藝在經(jīng)濟(jì)上并無(wú)大的差異。乙醛縮合制乙酸乙酯工藝受原料來(lái)源的限制,一般應(yīng)建在乙烯-乙醛聯(lián)合裝置內(nèi)。日本主要采取此工藝路線,裝置能力已達(dá)200kt/a.4、乙烯、乙酸直接加成法 在酸性催化劑存在下,羧酸與烯烴發(fā)生酯化反應(yīng)可生成相應(yīng)的醋類。羅納· 普朗克公

15、司在80 年代進(jìn)行了開發(fā),但由于工程放大問題未解決,一直未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。日本昭和電工公司開發(fā)的乙烯與醋酸一步反應(yīng)制取乙酸乙酯工藝終于在90年代實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。 反應(yīng)原料中乙烯：醋酸：水：氮體積組成為80：6.7：3：10.3。反應(yīng)系統(tǒng)由3個(gè)串聯(lián)反應(yīng)塔組成,反應(yīng)塔中裝填磷鎢鑰酸催化劑（擔(dān)載于球狀二氧化硅上) 。反應(yīng)塔設(shè)置了中間冷卻,反應(yīng)溫度維持在140-180 ,反應(yīng)塔壓力控制在0.44-1MPa。 反應(yīng)在擔(dān)載于金屬載體上的雜多酸或雜多酸鹽催化下于氣相或液相中進(jìn)行。在水蒸氣存在條件下,乙烯將發(fā)生水合反應(yīng)生成乙醇,然后生成的乙醇又繼續(xù)與醋酸發(fā)生酯化反應(yīng)生成乙酸乙酯產(chǎn)物。而且,逆向的乙酸乙酯水解生成乙醇

16、或乙酸的反應(yīng)也可能發(fā)生。該工藝醋酸的單程轉(zhuǎn)化率為66%,以乙烯計(jì),乙酸乙酯的選擇性約為94%.5、確定工藝方案及流程從產(chǎn)量分析，生產(chǎn)任務(wù)要求是10000噸，產(chǎn)量不是太大，乙烯、乙酸直接合成法有利于大規(guī)模生產(chǎn)，而且該法對(duì)設(shè)備要求很高，設(shè)備造價(jià)高，因此不采用該工藝。從經(jīng)濟(jì)上考慮，乙醇脫氫歧化法對(duì)催化劑要求高，采用該工藝不經(jīng)濟(jì)。最后從技術(shù)成熟方面考慮，雖然乙醇脫氫歧化法在國(guó)外生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，且可以進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)，但在國(guó)內(nèi)實(shí)施尚有困難，另外，廠址選擇在有生產(chǎn)乙醛廠家的工業(yè)園區(qū)，綜合考慮采用乙醛縮合法。在國(guó)內(nèi)，乙酸乙酯的生產(chǎn)大都采用酯化法，生產(chǎn)乙酸乙酯的廠家主要有上海試劑一廠，蘇州溶劑廠，北京化

17、工三廠，天津有機(jī)化工一廠，吉化公司，徐州溶劑廠，杭州長(zhǎng)征化工廠，貴州有機(jī)化工溶劑分廠，沈陽(yáng)市溶劑廠，大連釀酒廠，沈陽(yáng)石油化工二廠，哈爾濱化工四廠六廠七廠等。4 工藝計(jì)算4.1. 物料衡算4.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)（1） 設(shè)計(jì)項(xiàng)目：乙醛在催化劑情況下進(jìn)行縮合生產(chǎn)乙酸乙酯（假定99.5%的乙醛轉(zhuǎn)化為乙酸乙酯）（2） 產(chǎn)品名稱：乙酸乙酯（3） 產(chǎn)品規(guī)格：純度99.5%（4） 年生產(chǎn)能力：折算為100%乙酸乙酯10000噸/年4.1.2 乙醛縮合法制備乙酸乙酯步驟 （1）在氯化鋁和少量的氯化鋅存在下將鋁粉加入盛有乙醇和乙酸乙酯混合物的溶液中溶解得到乙氧基鋁溶液，溶液密度為0.9g/ml,制備過程中產(chǎn)生的含氫廢

18、氣經(jīng)冷回收冷凝物后進(jìn)行環(huán)保處理,催化劑進(jìn)入攪拌釜攪勻待用。 （2）按每100g乙醛配0.746g催化劑進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行縮合反應(yīng),反應(yīng)期間通過間接鹽水冷卻維持反應(yīng)溫度為0,反應(yīng)停留時(shí)間為1h,結(jié)束后進(jìn)入分離裝置. （3）達(dá)到平衡狀態(tài)的混合液通入分離塔，先將粗乙酸乙酯從塔頂蒸出，然后從右側(cè)進(jìn)料口向塔中加入適量水，攪拌均勻，將水以及乙醇一起蒸出，塔底殘?jiān)硗馓幚淼玫綒溲趸X。 （4）由分離塔頂部出來(lái)的餾出液通入精餾塔進(jìn)行蒸餾，由精餾塔底部出來(lái)的釜液組成有少量的乙酸乙酯與乙醇。精餾塔塔頂蒸出的乙醛作為反應(yīng)器的第二進(jìn)料。由塔底部出來(lái)的乙醇-乙酸乙酯二組分回收利用作為制造催化劑的原料，而回收的乙醛作為反應(yīng)器

19、的第二進(jìn)料。（5）精餾塔底部出來(lái)的釜液進(jìn)入精餾塔進(jìn)一步處理。 精餾塔底部殘液主要為重組分，由環(huán)保環(huán)節(jié)處理。 （1） 每小時(shí)生產(chǎn)能力的計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，乙酸乙酯的年生產(chǎn)能力為10000噸/年（折算為100%乙酸乙酯，下同）全年按300天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)工作。每小時(shí)的生產(chǎn)能力為：10000×1000÷300÷24=1388.89kg/h以上作為物料衡算基準(zhǔn)。為了使物料衡算簡(jiǎn)單化，在初步物料衡算中假定成品乙酸乙酯的純度為100%，在生產(chǎn)過程中無(wú)物料損失，并假設(shè)催化劑中除鋁元素外,其余全部都為乙醇,其中所含乙酸乙酯量忽略不計(jì).塔頂餾出液等均屬雙組份或三組分恒沸液，這

20、在事實(shí)上是不可能的，故將在最終衡算中予以修正。（2）生產(chǎn)工藝流程圖(3) 反應(yīng)器的物料衡算乙醛縮合生產(chǎn)乙酸乙酯反應(yīng)如下:2CH3CHOC2H3COOCH588.1063 88.1063 X 1388.89原料規(guī)格：乙醛濃度為99.7%。(采用的為大慶石化總廠Wacker法產(chǎn)品) 催化劑加入量:0.746g催化劑/100g乙醛，每次進(jìn)料加入催化劑10.36g加入： 100%乙醛量：88.1063/x=88.1063/1388.89x=1388.89kg/h99.7%乙醛量為：X=1388.89/0.997=1393.07 kg/h催化劑用量：10.36Kg/h（其中鋁元素含量為5.1Kg）支出：

21、轉(zhuǎn)化率為99.5% 乙酸乙酯生成量=1388.89×0.995=1381.94kg/h 未反應(yīng)乙醛量=1388.89-1381.94=6.95kg/h 催化劑量=10.36Kg/h進(jìn)出酯化器的物料衡算表如下：表一：進(jìn)出反應(yīng)器的物料衡算表加入支出序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h1乙醛99.71393.071乙酸乙酯1001381.94其中CH3CHO1001388.892乙醛1006.95雜質(zhì)-3.063催化劑-10.36H2O1000.564H2O1000.56CH3COOH1000.565CH3COOH1000.562催化劑-10.366雜質(zhì)3.06-合

22、計(jì)1403.43合計(jì)1403.43由反應(yīng)器出來(lái)的反應(yīng)液進(jìn)入分離塔，在反應(yīng)器中反應(yīng)趨于完全，因此進(jìn)入分離塔的物料衡算表為：表2：進(jìn)出分離塔的物料衡算表加入支出序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h1乙酸乙酯1001381.941乙酸乙酯1001381.942乙醛1006.952乙醛1006.953催化劑-10.363雜質(zhì)-3.064雜質(zhì)-3.064氫氧化鋁10014.745CH3COOH1000.565CH3COOH1000.566水10015.566乙醇1005.267水1005.92合計(jì)1418.43合計(jì)1418.43（4） 精餾塔、精餾塔、精餾塔質(zhì)檢均有相互關(guān)系，它們

23、的物料衡算匯總計(jì)算如下：在生產(chǎn)工藝流程示意圖上注上相關(guān)數(shù)據(jù)，并劃出三個(gè)計(jì)算系統(tǒng)，逐個(gè)列出衡算式，然后進(jìn)行進(jìn)行聯(lián)立求解。設(shè)M=塔進(jìn)料量(Kg/h)u=塔底部殘液量（kg/h） v=塔頂部餾出液（kg/h） r=塔底部殘液量（kg/h） z=塔頂部殘液量（kg/h） x=塔頂部餾出液量（kg/h） y=塔底部殘液量（kg/h） 精餾塔與精餾塔與精餾塔的物料衡算： M=u+v v=z+r u=x+y 精餾塔與精餾塔的物料衡算： v=z+r 精餾塔與精餾塔的乙酸乙酯物料衡算： 0.812×256.670.08w=0.83z 0.83z0.08w=208.33 精餾塔與精餾塔的乙醇物料衡算：

24、0.09z=0.04w 精餾塔與精餾塔的物料總衡算： 2（xyz）=wxy208.33 xy2zw=208.33 精餾塔與精餾塔的乙酸乙酯衡算： 0.83x0.94y0.83z=0.94×(xy208.33)0.08w 0.83z0.11x0.08w=195.83 由式解方程得： x=113.66kg/h y=174.79kg/hz=320.51kg/h w=721.14kg/h u=657.30kg/h因?yàn)関中含有20%乙酸乙酯，而乙酸乙酯=208.33kg/h，故： v=208.33÷20%=1041.65kg/h系統(tǒng)3的物料總衡算： R256.67=vu R=vu25

25、6.67=1041.65657.30256.67=1442.28kg/h 系統(tǒng)3的H2O衡算 ： Rw0.188×256.67=u0.1v Rw=657.300.1×1041.650.188×256.67=713.21kg/h系統(tǒng)3的乙醇衡算： RA=0.7v=0.7×1041.65=729.16kg/h將計(jì)算結(jié)果整理在各物料衡算表中，并匯總畫出初步物料衡算圖。表2 進(jìn)出塔的物料衡算表加入支出序號(hào) 物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h1來(lái)自酯化器的混合液264.671塔頂餾出液1041.65乙酸乙酯145.83乙酸乙酯20208.33

26、水35.56水10104.165乙醇32.67乙醇70729.155乙酸42.612塔底殘液665.30濃硫酸8.0水657.302來(lái)自塔的塔底殘液1442.28濃硫酸8.0水713.21乙醇729.16合計(jì)1706.95合計(jì)1706.95表3 進(jìn)出塔的物料衡算表加入支出序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h1來(lái)自塔頂部餾出液1041.651塔頂餾出液320.51乙酸乙酯20208.33乙酸乙酯83266.02水10104.165水825.64乙醇70729.155乙醇928.852來(lái)自沉降器下層液721.142塔底殘液1442.28乙酸乙酯857.69水713.21水8

27、8634.60乙醇729.16乙醇428.85合計(jì)1762.79合計(jì)1762.79表4 沉降器的物料衡算表加入支出序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h1塔頂部餾出液320.511沉降器上層496.78乙酸乙酯83266.02乙酸乙酯94466.97水825.64水419.87乙醇928.85乙醇29.942塔頂部餾出液288.452沉降器下層721.14三組分恒沸液113.66乙酸乙酯857.69A乙酸乙酯8394.34水88634.60B水89.09乙醇428.85C乙醇910.23雙組分恒沸液174.79A乙酸乙酯94164.30B水610.493添加水608.96

28、合計(jì)1217.92合計(jì)1217.92表5 進(jìn)出塔的物料衡算表加入支出序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h1來(lái)自沉降器上層496.781頂部餾出液288.45乙酸乙酯94466.97三組分恒沸液113.66水419.87A乙酸乙酯8394.34乙醇29.94B水89.09C乙醇910.23雙組分恒沸液174.79A乙酸乙酯94164.30B水610.492塔底成品208.33合計(jì)496.78合計(jì)496.78五. 設(shè)備設(shè)計(jì)5.1 精餾塔的設(shè)計(jì) 塔中包含有3個(gè)組分(乙醇、乙酸乙酯和水)均為非理想液體，則需要利用實(shí)驗(yàn)獲得氣-液相圖進(jìn)行逐板計(jì)算用。(1) 計(jì)算塔板數(shù)根據(jù)初步物料衡

29、算的數(shù)據(jù)，必須作相應(yīng)的修正，方可作為精餾塔的設(shè)計(jì)用。在初步物料衡算中，塔頂部逸出者為純?nèi)M分恒沸液，這樣就需要無(wú)窮個(gè)塔板數(shù)來(lái)完成。實(shí)際上含有水和乙醇各5摩爾百分?jǐn)?shù)，連同乙酸乙酯組成2個(gè)組成分別為水46%和乙酸乙酯54%與乙醇24%和乙酸乙酯76%的雙組分恒沸液。于是塔頂部餾出液組成如下：kg/h mol%mol%乙酸乙酯 E266.0259.565×54/465×76/24=81.2661.70水 W25.6428.095 =33.0925.13乙醇 A 28.85 12.355 =17.35 13.17 131.7 100在初步物料衡算中，塔底部出料不含乙酸乙酯，這也屬不

30、可能，實(shí)際上含有1mol%乙酸乙酯，而其它二組分的mol%含量降低至99%.于是塔底部餾出液組成如下：kg/h mol% mol%乙酸乙酯 E +1 =1.0水 W713.21 71.46 71.46×99% =70.75乙醇 A 729.16 28.54 28.54×99% =28.25 100 進(jìn)料組成不變，于是進(jìn)出塔的物料衡算如下： xE=0.6170 216.4kg/h 餾出液：xW=0.2513 18.0kg/h xA=0.1317 24.15kg/h xE=0.0499 266.02kg/h 混合進(jìn)料：xW=0.6782 738.77kg/h xA=0.2719

31、 758.01kg/h xE=0.0100 49.67kg/h 殘液： xW=0.7075 721.0kg/h xA=0.2825 733.69kg/h于是進(jìn)出酯化器的物料衡算如下：表6 進(jìn)出塔的物料衡算表加入支出序號(hào)物料名稱組成%數(shù)量kg/h序號(hào)物料名稱組成%數(shù)量kg/h1混合進(jìn)料1762.801塔頂餾出液258.55乙酸乙酯4.99266.02乙酸乙酯61.7216.4水67.82738.77水25.1318.0乙醇27.19758.01乙醇13.1724.152塔底殘液1504.36乙酸乙酯1.049.67水70.75721.0乙醇28.25733.69合計(jì)1762.8合計(jì)1762.9取

32、100mol進(jìn)料液，其中E的摩爾數(shù)為5.00；設(shè)D為餾出液摩爾數(shù)，則殘液摩爾數(shù)為(100D) 0.617D0.01×(100D)=5； D=6.59殘液摩爾數(shù)為：100D=1006.59=93.41餾出液中E的摩爾數(shù)為：0.617×6.59=4.07殘液中E的摩爾數(shù)為：54.07=0.93餾出液中W的摩爾數(shù)為：0.2513×6.59=1.66殘液中W的摩爾數(shù)為：67.821.66=66.16餾出液中A的摩爾數(shù)為：0.1317×6.59=0.87殘液中A的摩爾數(shù)為：27.190.87=26.325.2最小回流比的估算由于上述系統(tǒng)和理想液體比較出入很大，今采

33、用Colburn方法估算最小回流比。首先求出平均相對(duì)揮發(fā)度(av）餾出液中：xE/(xExW)=61.7/(61.725.13)=0.71; xA=13.17由平衡圖上找出：yE/(yEyW)=0.69; yE/yW=0.69/0.31t=（yE/yW）·(xW/xE)=(0.69/0.31)×(0.2513/0.617)=0.91殘液中：xE/(xExW)=1.0/(1.070.75)=0.0139 ; xA=28.25由平衡圖上找出：yE/(yEyW)=0.20; yE/yW=0.2/0.8s=（yE/yW）·(xW/xE)=(0.2/0.8)×(0

34、.7075/0.01)=17.69av=(t·s)1/2=(0.91×17.69)1/2=4.01rf=xEf/xWf=5/67.82=0.0737xlk=rf/(1rf)=0.0737/1.0737=0.0686xhk=xlk/rf=0.0686/0.0737=0.931(Ln/D)=1/(1)·(xDlk/xlkxDhk/xhk)=1/(4.011)×(0.617/0.06860.2513/0.931)=2.90 D=6.59mol/100mol進(jìn)料 Ln=2.90×D=2.90×6.59=19.11mol/100mol進(jìn)料 Lm

35、=LnqF; W=FD對(duì)于進(jìn)料正在沸點(diǎn)的液體，q=1 F=100mol Lm=19.11100=119.11mol/100mol進(jìn)料W=1006.59=93.41mol/100mol進(jìn)料Lm/W=119.11÷93.41=1.275上提濃度 輕關(guān)鍵組分的摩爾分?jǐn)?shù)xn=xD/(1)·(Ln/D·xDhk/xhk) =0.617÷(4.011)×(2.904.01×0.2513÷0.931) =0.0515rn=xn/xhk=0.0515÷0.931=0.0533下提濃度 重關(guān)鍵組分的摩爾分?jǐn)?shù) lk=(ts)1.5=(

36、0.9117.69)1.5=6.557xm=lk·xW/(lk)·(Lm/W·xWlk/xlk) =6.557×0.7075÷(6.5574.01)×1.2754.01×0.01÷0.0686 =1.211rm=xlk/xm=0.0686/1.211=0.0566rm/rn=0.0566/0.0553=1.024=1/(10)×(10)=1因此,rm/rn>,算得的回流比太大試以(Ln/D)=2.5；則Ln=6.59×2.5=16.48mol/100mol進(jìn)料；Lm=116.48mol/1

37、00mol進(jìn)料(Lm/W)=116.48÷93.41=1.247xn=xD/(1)·(Ln/D·xDhk/xhk) =0.617÷3.01×(2.54.01×0.2513÷0.931)=0.0572rn=xn/xhk=0.0572÷0.931=0.0614xm=lk·xW/(lk)·(Lm/W·xWlk/xlk) =6.557×0.7075÷(6.5574.01)×1.2474.01×0.01÷0.0686 =1.234rm=xlk/x

38、=0.0686÷1.234=0.0556rm/rn=0.0556÷0.0614=0.91因此，rm/rn<,算得的回流比太小。試以(Ln/D)=2.7；則Ln=6.59×2.7=17.79mol/100mol進(jìn)料；Lm=117.79mol/100mol進(jìn)料(Lm/W)=117.79÷93.41=1.261xn=xD/(1)·(Ln/D·xDhk/xhk) =0.617÷3.01×(2.74.01×0.2513÷0.931)=0.0542rn=xn/xhk=0.0542÷0.931

39、=0.0582xm=lk·xW/(lk)·(Lm/W·xWlk/xlk) =6.557×0.7075÷(6.5574.01)×1.2614.01×0.01÷0.0686 =1.222rm=xlk/x=0.0686÷1.222=0.0561rm/rn=0.0561÷0.0582=0.965rm/rn與的數(shù)值相近 所以此方法算得的最小回流比為2.7.5.3 逐板計(jì)算 氣液相平衡數(shù)據(jù)可以表示成下列三種圖表： (1)yE/(yEyA)對(duì)xE/(xExA)描繪，xW視作參量。 (2)yE/(yEyW)對(duì)x

40、E/(xExW)描繪，xA視作參量。(3)yW/(yWyA)對(duì)xW/(xWxA)描繪，xE視作參量。由于在任何情況下，液相的摩爾分?jǐn)?shù)（x）均為參數(shù)，平衡圖只能用來(lái)由液相組成來(lái)求取氣相組成。因此逐板計(jì)算時(shí)，從塔底由下往上算。從x的三個(gè)已知數(shù)(塔底的xE,xW和xA)出發(fā)，可求得二比值；或(1)和(2);或(2)和(3);或(3)和(1)，究竟選擇哪一對(duì)，應(yīng)以從圖上讀出數(shù)值為準(zhǔn)。如果采用(2)和(3)，則根據(jù)xE/(xExW)和xA值讀出yE/(yEyW);根據(jù)xW/(xWxA)和xE值讀出yW/(yWyA)值。設(shè)yE/(yEyW)=M，yW/(yWyA)=N；故yE=M/(1M) yA=(1N)

41、/NyW=1/(1N)/NM/(1M)1求出yW后，yE和yA即可代入式子求得。下一塔板上的液相組成可以應(yīng)用操作線方程求得。5.4 逐板計(jì)算的結(jié)果及討論 根據(jù)Colburn方法算得的最小回流比為2.7:1，上述逐板計(jì)算中，所采用的最宜回流比為10:1、2:1和5:1.(1) 如采用10:1，則最宜回流比約為最小回流比的3.7倍。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，作圖如下： 圖中說明由第7塊塔板(由塔底數(shù)起)上加入來(lái)自塔的進(jìn)料，由第12塊板上加入來(lái)自沉降器的進(jìn)料。運(yùn)算到底19塊塔板時(shí)，所得餾出液即可近似達(dá)到所要求結(jié)果。 (2)如最宜回流比采用2:1，亦即小于最小回流比，算得的結(jié)果表明：由12塊塔板加入來(lái)自沉降器的

42、加料的進(jìn)料后，乙醇的組成變?yōu)樨?fù)值，這說明采用這種回流蒸餾不可行。(3) 如最宜回流比采用5:1，計(jì)算的結(jié)果說明由第5塊塔板加入來(lái)自塔的進(jìn)料，由第10塊板上加入來(lái)自沉降器的進(jìn)料，共需要22塊塔板。由于蒸餾液為非理想溶液，從上述分析結(jié)果可以看出：最宜回流比由5：1加倍至10:1時(shí)，理論板僅由22塊降至19塊。這說明設(shè)備投資節(jié)省不了多少，然而操作費(fèi)用卻加了。因此采用L/D=5:1，假設(shè)塔板效率為50%，則實(shí)際塔板數(shù)為40.六. 熱量衡算6.1 熱力學(xué)數(shù)據(jù)收集 (1)溫度： 塔頂溫度:約為62%molCH3CH2OH，25%molH2O，13%CH3CH2OH三組分恒沸液的沸點(diǎn)，71塔底溫度：約為71

43、%molH2O，29%molCH3CH2OH的沸點(diǎn)，79來(lái)自塔的進(jìn)料溫度為84來(lái)自沉降器的進(jìn)料溫度：約為97%molH2O，3%molCH3CH2OH的沸點(diǎn)，95冷卻水溫度為20（以廣西年平均氣溫為參考）。飽和水蒸氣：=1.35kg/m3, t=108(2)比熱和汽化潛熱表7 比熱容和汽化潛熱 溫度CH3COOC2H5H2OCH3CH2OH比熱容kj/kg·汽化潛熱kj/kg 比熱容kj/kg·汽化潛熱kj/kg 比熱容kj/kg·汽化潛熱kj/kg 201.9274.1832.40271.9474.1782.46371.9784.1742.55712.14537

44、1.144.18823292.91852.66792.004364.674.19423103.02838.94842.169360.544.2122983.082830.14952.224351.164.21422713.236810.10(3) 傳熱系數(shù)K kJ/(m2·h·)表8 傳熱系數(shù)有機(jī)蒸汽水液體液體蒸汽沸騰液體蒸汽水蒸氣有機(jī)液體2000505585830501000(4) 組成： 餾出液組成： kg/h kmol/h xE=0.62 266 3.02xW=0.292 25.61.42xA=0.088 19.8 0.43 4.87 L/D=5, L=5D, V=L

45、D=6D; 來(lái)自塔頂?shù)恼魵饨M成： kg/h xE=0.62 266×6=1596 xW=0.292 25.6×6=153.6 xA=0.088 19.8×6=118.8 塔底殘液組成： kg/h kmol/h xE=0.010 48.50.55xW=0.7075 713.2 39.62xA=0.2825 729.2 15.83 56.00來(lái)自塔的進(jìn)料組成： kg/h kmol/h xE=0.123 266 3.02xW=0.235 104.2 5.79xA=0.642 729.2 15.83 24.64來(lái)自沉降器組成： kg/h kmol/h xE=0.018 4

46、8.5 0.55 xW=0.968 634.6 35.26xA=0.014 19.8 0.43 36.24總加料量=24.6436.24=60.88kmol/h V'=L'W=LFW=5DFW=5×4.8760.8856=29.23kmol/h來(lái)自塔底的蒸氣組成： kg/h yE=0.065 0.065×29.23×88=167.20 yW=0.411 0.411×29.23×18=216.24 yA=0.524 0.524×29.23×46=704.566.2 熱量計(jì)算，水汽消耗，熱交換面積 （1）塔頂蒸氣冷凝（由71氣相冷凝至71液相） q =W· =1596×371.14153.6 ×2329118.8×852.66=1051369.8kJ/h 設(shè)冷卻水出口溫度為61 取K=2000kJ/(m2·h·) S=q/(K·tm) =1051369.8÷(2000×33.2) =15.83m2 冷卻水用量