乳酸生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

1、*學(xué)校學(xué) 士 學(xué) 位 論 文乳酸生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)姓 名：*學(xué) 號(hào)：*指導(dǎo)教師：*院系部所：化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院專 業(yè)：化學(xué)工程與工藝完成日期：2021年*月*日棗莊學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文作者聲明本人聲明：本人呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下取得的研究成果。對(duì)前人及其他人員對(duì)本文的啟發(fā)和奉獻(xiàn)已在論文中作出了明確的聲明，并表示了謝意。論文中除了特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人和其它機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或者撰寫過(guò)的研究成果。本人同意學(xué)校根據(jù)?中華人民共和國(guó)學(xué)位條例暫行實(shí)施方法?等有關(guān)規(guī)定保存本人學(xué)位論文并向國(guó)家有關(guān)部門或資料庫(kù)送交論文或者電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)棗莊學(xué)院可以將本人學(xué)位論文的

2、全部或者局部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或者其它復(fù)制手段和匯編學(xué)位論文保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定。 作者簽名 日期 年 月 日摘 要乳酸是一種極具開(kāi)展?jié)摿Φ木?xì)化學(xué)品，被廣泛用于食品、制藥、制革、紡織、環(huán)保和農(nóng)業(yè)。近年來(lái)，白色熱塑污染產(chǎn)品困擾世界各國(guó)，由于乳酸的下游產(chǎn)品聚乳酸的研究和開(kāi)發(fā)，聚乳酸將有可能代替這種污染產(chǎn)品成為真正的“綠色環(huán)保制品。乳酸是目前國(guó)內(nèi)比擬短缺的化工原料，而我國(guó)乳酸生產(chǎn)規(guī)模都很小，滿足不了社會(huì)需求。目前乳酸的生產(chǎn)方法主要有發(fā)酵法、乳腈法、丙酸法和丙烯腈法四種。在查閱大量文獻(xiàn)并結(jié)合國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀的根底上，本文選擇了乳腈法制備乳酸。該設(shè)計(jì)參考了各物質(zhì)的物性

3、參數(shù)，并且查閱大量的化工設(shè)計(jì)手冊(cè)及相關(guān)的書籍，設(shè)計(jì)了乳酸生產(chǎn)的整個(gè)工藝流程，畫出了工藝流程圖。本設(shè)計(jì)對(duì)生產(chǎn)所用到的主要設(shè)備如反響器、酯化罐、精餾塔進(jìn)行物料衡算和能量衡算，并對(duì)主體設(shè)備的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，還設(shè)計(jì)了公共工程，最后進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析與評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)及流程對(duì)乳腈法生產(chǎn)乳酸的工業(yè)生產(chǎn)具有一定的參考作用。關(guān)鍵詞：乳酸；乳腈法；工藝設(shè)計(jì)AbstractLactic acid is a great potential for development of fine chemicals, is widely used in medicine, pharmaceutical, leather

4、, textile, environmental protection and agriculture. In recent years, white hot plastic pollution products throughout the world, due to lactic acid poly lactic acid downstream product research and development, poly lactic acid will likely replace the pollution products become the real "green&qu

5、ot; environmental protection products. Lactic acid is the current domestic shortage of chemical raw material, but our country lactic acid production scale is very small, can not meet the demand of the society.The lactic acid production methods of fermentation, milk nitrile, propionic acid and acrylo

6、nitrile method four kinds. In a great deal of literature at home and abroad in combination with production on the basis of the status quo, this paper chooses milk preparation of lactic acid nitrile. The design of a reference the material property parameters, and access to a large number of chemical

7、engineering design manual and related books, designed for lactic acid production in the entire process, draw the process flow diagram. The design sued in the production of the major equipment of such as reactor, esterification tank, distillation column material balance and energy balance, And the ma

8、in equipment size and structure of the preliminary design, design the public project, finally carried on the economic analysis and evaluation. Design of the data and process for milk nitrile lactic acid production by industrial production has certain reference function.Key words: lactic acid; milk n

9、itrile method; process design目錄第1章 緒論1選題意義11.2 生產(chǎn)方案確實(shí)定1發(fā)酵法1丙酸法1丙烯腈法2乳腈法2工藝流程確實(shí)定2乳酸生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)介3工藝簡(jiǎn)介3工藝流程表達(dá)3設(shè)計(jì)概況4設(shè)計(jì)依據(jù)4原料及產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格4生產(chǎn)制度4第 2章 物料衡算與熱量衡算5物料衡算5反響器R-1的物料衡算5反響器R-2的物料衡算6酯化罐的物料衡算8熱量衡算9反響器R-1中的熱量衡算9反響器R-2中的熱量衡算11酯化罐中的熱量衡算14第 3章 第二蒸餾塔的設(shè)計(jì)18設(shè)計(jì)方案確實(shí)定18工藝要求18操作條件18操作壓力18進(jìn)料狀態(tài)18加熱方式19精餾塔的物料衡算19原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的

10、摩爾分率19物料衡算19原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量19精餾塔的塔板計(jì)算20理論板數(shù)的求取20實(shí)際板數(shù)的求取22精餾塔平衡數(shù)據(jù)計(jì)算22乙醇-乳酸不同溫度下的平衡數(shù)據(jù)22乙醇-乳酸的平衡相圖24精餾塔精餾段設(shè)計(jì)的計(jì)算25精餾段設(shè)計(jì)有關(guān)物性的計(jì)算25精餾塔精餾段的塔體工藝尺寸計(jì)算28精餾段塔板主要工藝尺寸的計(jì)算29精餾塔篩板流體力學(xué)的驗(yàn)算31精餾段塔板負(fù)荷性能圖32精餾塔提餾段設(shè)計(jì)的計(jì)算35提餾段設(shè)計(jì)有關(guān)物性的計(jì)算35精餾塔提餾段的塔體工藝尺寸計(jì)算383.6.3.提餾段塔板主要工藝尺寸的計(jì)算393.6.4.提餾段篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算413.6.5.提餾段塔板負(fù)荷性能圖42第 4章 工程經(jīng)濟(jì)4

11、6公共工程46供水464供電46供暖46通風(fēng)46經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)46原料價(jià)格47設(shè)備估算47第 5章 分析總結(jié)485.1 總結(jié)48體會(huì)與缺乏48附 錄49參考文獻(xiàn)55致 謝57第1章 緒論1.1選題意義乳酸，學(xué)名-羥基丙酸(2-羥基丙酸)1-3，分子式為C3H6O3，相對(duì)分子質(zhì)量為90.08，相對(duì)密度約為1.206(25C條件下)4-5，沸點(diǎn)為122(1.86kPa)，無(wú)色或淡黃色吸濕性固體或液體6-7。乳酸是一種開(kāi)展?jié)摿O大的精細(xì)化學(xué)品8-9，是世界上應(yīng)用廣泛的三大有機(jī)酸之一，被廣泛用于制藥、食品、紡織、制革、農(nóng)業(yè)和環(huán)保8,10,11。近年來(lái)，伴隨人們生活節(jié)奏的加快，社會(huì)生活正向便利化、衛(wèi)生化開(kāi)展，

12、所以“白色污染污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。由于乳酸的下游產(chǎn)品聚乳酸的研究和開(kāi)發(fā)，聚乳酸將有可能代替這種污染產(chǎn)品成為真正的“綠色環(huán)保制品8,12。乳酸是目前國(guó)內(nèi)比擬短缺的化工原料12-13，而我國(guó)乳酸生產(chǎn)規(guī)模都很小，滿足不了社會(huì)需求。1.2 生產(chǎn)方案確實(shí)定發(fā)酵法和化學(xué)合成法目前工業(yè)生產(chǎn)乳酸主要方法12。乳腈法、丙酸法和丙烯腈法是曾用于工業(yè)生產(chǎn)中的化學(xué)合成法12-14。1.2.1發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸的一種成熟方法是發(fā)酵法，因?yàn)檫@種方法有玉米、淀粉等充足的原料，其工藝也較為簡(jiǎn)單。但是這種生產(chǎn)方法只能間歇或半連續(xù)化生產(chǎn)而不能連續(xù)化生產(chǎn)，且國(guó)內(nèi)用這種方法生產(chǎn)的乳酸質(zhì)量達(dá)不到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)12-14。1.2.2丙酸法主要化學(xué)反

13、響方程式如下：+2 + HCl+ 2 + + HCl + 1.2.3丙烯腈法原料丙烯腈和硫酸發(fā)生水解，再把水解產(chǎn)物與甲醇反響生成粗乳酸和硫酸氫氨，再把硫酸氫銨分出；然后將粗乳酸酯精餾，在塔底獲得精乳酸酯17-19；精乳酸酯再送往精餾塔加熱分解，塔底獲得的稀乳酸經(jīng)真空濃縮得純產(chǎn)品17-20。1.2.4乳腈法主要化學(xué)方程式如下：1. + HCN 此反響在堿催化劑下，溫度為下反響，乙醛的轉(zhuǎn)化率為 。2. + 2 + + 在硫酸與水介質(zhì)中乳腈水解制乳酸，乳酸的收率為 。3. +此反響在乙醇過(guò)量的情況下，以硫酸作催化劑，強(qiáng)酸作催化劑可以降低反響的活化能，從而加速反響的進(jìn)行。濃硫酸的性質(zhì)穩(wěn)定、催化效果好等

14、優(yōu)點(diǎn)；乳酸的轉(zhuǎn)化率為 。4. + + 在下乳酸乙酯的水解反響轉(zhuǎn)化率高達(dá)。1.2.5工藝流程確實(shí)定綜合以上各種乳酸制備方法，發(fā)酵法雖有諸多優(yōu)點(diǎn)，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)，產(chǎn)量受到限制。連續(xù)大批量生產(chǎn)乳酸懸著化學(xué)合成法最適合，在參考國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀文獻(xiàn)的根底上，吸收前人的研究成果，在查閱大量文獻(xiàn)了解國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀的根底上選擇乳腈法制備乳酸。乳酸生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)介1.3.1工藝簡(jiǎn)介原料乙醛和冷的氫氰酸被連續(xù)送入反響器R-1生成乳腈，用泵將乳腈送入反響器R-2；往反響器R-2注入水和硫酸，使乳腈發(fā)生水解反響得到粗乳酸和硫酸氫銨；再將來(lái)自反響器R-2的物流泵入酯化罐，向酯化罐中參加乙醇，乙醇與粗乳酸發(fā)生酯化反響生成粗乳酸乙

15、酯，分出硫酸氫銨；將來(lái)自酯化罐的粗乳酸乙酯在第一蒸餾塔精餾得到精乳酸乙酯，再將精乳酸乙酯加熱分解送入第二蒸餾塔分解，塔底得到的稀乳酸經(jīng)過(guò)濃縮得到產(chǎn)品精乳酸17-21。其工藝流程22簡(jiǎn)圖如圖1-1所示，具體工藝流程見(jiàn)附圖1。反響器R-1原料乙醛，冷氫氰酸反響器R-2原料：硫酸與水酯化罐第一蒸餾塔第二蒸餾塔真空濃縮器原料:乙醇存儲(chǔ)包裝圖1-1 乳酸生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖整個(gè)工藝主要包括三個(gè)單元，即：反響單元，精餾單元，儲(chǔ)存單元。.2工藝流程表達(dá)1.反響單元流程表達(dá)將乙醛與氫氰酸冷卻到送入反響器R-1，乙醛與氫氰酸反響生成乳腈，以堿為催化劑；將產(chǎn)物乳腈加熱到送入反響器R-2，參加硫酸與水，在下反響生成粗乳

16、酸與硫酸氫銨19,21；將粗乳酸與硫酸氫銨降溫到送入酯化罐，參加的乙醇，硫酸作催化劑可以降低反響的活化能，從而加速反響的進(jìn)行，粗乳酸與乙醇發(fā)生酯化反響生成乳酸乙酯，從酯化罐中分出硫酸氫銨，將乳酸乙酯等輸送到第一蒸餾塔6,16,21。2.精餾單元流程表達(dá) 來(lái)自酯化罐的乳酸乙酯及其他低沸點(diǎn)雜質(zhì)在第一蒸餾塔別離，在塔底得到乳酸乙酯及局部水；將乳酸乙酯加熱分解得到的乳酸與乙醇送入第二蒸餾塔，乳酸與乙醇在第二蒸餾塔得到別離17-19；將在塔底得到的稀乳酸送入真空濃縮器進(jìn)一步提純，得到精乳酸。1.4設(shè)計(jì)概況.1設(shè)計(jì)依據(jù) 為乳酸的生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)，產(chǎn)品為乳酸，年產(chǎn)3萬(wàn)t，乳酸含量% 。.2原料及產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格

17、原料為工業(yè)級(jí)原料，其規(guī)格見(jiàn)表1-1所列。產(chǎn)品規(guī)格要求：乳酸% 。表1-1 原料規(guī)格序號(hào)原料名稱純度指標(biāo)備注1氫氰酸%3500元/噸2乙醛%4000元/噸3硫酸%510元/噸4乙醇%3200元/噸5水%4元/噸.3生產(chǎn)制度全年共365天，即8760小時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)間取6000小時(shí)，其余為大、中、小修時(shí)間。第 2章 物料衡算與熱量衡算2.1.1反響器R-1的物料衡算1. 物料衡算范圍反響器R-1衡算范圍23-26見(jiàn)圖2-1。反響器R-1原料進(jìn)料：乙醛，氫氰酸下股物料：乳腈和低沸點(diǎn)雜質(zhì)質(zhì)圖2-1 反響器R-1物料衡算范圍2. 化學(xué)反響方程式 + HCN 乙醛的轉(zhuǎn)化率為80。3. 衡算基準(zhǔn)以進(jìn)料100即4

18、400的原料乙醛為衡算基準(zhǔn)。乙醛的純度為，氫氰酸的純度為4. 進(jìn)行衡算(1) 進(jìn)入反響器R-1的物料計(jì)算 原料乙醛：100即4400純乙醛：100×即4378 原料氫氰酸：100即2700純氫氰酸：100×(2) 輸出反響器R-1的物料計(jì)算 生成的乳腈：× 低沸點(diǎn)雜質(zhì)：4400+2700-5657.97=5. 反響器R-1物料衡算結(jié)果反響器R-1物料衡算結(jié)果見(jiàn)表2-1所列。表2-1 反響器R-1物料衡算結(jié)果一覽組分名稱輸入物料輸出物料kmol/hkg/hkmol/hkg/h乙醛4378氫氰酸乳腈00低沸點(diǎn)雜質(zhì)合計(jì)710071002.1.2反響器R-2的物料衡算1.

19、 物料衡算范圍反響器R-2的物料衡算范圍見(jiàn)圖2-2。原料進(jìn)料:硫酸原料進(jìn)料：水反響器R-2上股物料：乳腈，低沸點(diǎn)雜質(zhì)下股物料：乳酸，硫酸氫銨，水，低沸點(diǎn)雜質(zhì)圖2-2 反響器R-2的物料衡算范圍2. 化學(xué)反響方程式 + 2 + +在硫酸與水介質(zhì)中下乳腈水解制乳酸，乳酸的收率為 。3. 衡算基準(zhǔn)以進(jìn)入反響器R-2的乳腈為衡算基準(zhǔn)，硫酸的純度為 。4. 進(jìn)行衡算(1) 進(jìn)入反響器R-2的物料計(jì)算 乳腈: ×即×= 純硫酸：即4400原料硫酸：即 ×2=即×= 低沸點(diǎn)雜質(zhì)：(2) 輸出反響器R-2的物料計(jì)算 生成的乳酸：×即×= 硫酸氫銨:

20、水:× 低沸點(diǎn)雜質(zhì)：5.反響器R-2物料衡算結(jié)果反響器R-2物料衡算結(jié)果見(jiàn)表2-2所列。表2-2 反響器R-2物料衡算結(jié)果一覽組分名稱輸入物料輸出物料kmol/hkg/hkmol/hkg/h乳腈原料硫酸水乳酸硫酸氫銨低沸點(diǎn)雜質(zhì)合計(jì)2.1.3酯化罐的物料衡算1. 物料衡算范圍酯化罐的物料衡算范圍見(jiàn)圖2-3。原料進(jìn)料:水分出副產(chǎn):硫酸氫銨酯化罐下股物料：乳酸乙酯，水，低沸點(diǎn)雜質(zhì)上股物料：乳酸,硫酸氫銨，低沸點(diǎn)雜質(zhì)圖2-3 酯化罐物料衡算范圍2. 化學(xué)反響方程式+ +乙醇用量的條件下，乳酸的轉(zhuǎn)化率，原料乙醇的純度為 。3. 衡算基準(zhǔn)以進(jìn)入反響器4酯化罐的乳酸為衡算基準(zhǔn)。4. 進(jìn)行衡算(1)

21、 進(jìn)入反響體系的物料衡算 乳酸： 硫酸氫銨: 即 低沸點(diǎn)雜質(zhì)： × 原料乙醇：×(2)輸出反響體系的物料衡算 生成的乳酸乙酯：67.50× 硫酸氫銨: 水: 低沸點(diǎn)雜質(zhì)：5. 酯化罐物料衡算結(jié)果酯化罐物料衡算結(jié)果見(jiàn)表2-3。表2-3 酯化罐物料衡算結(jié)果一覽組分名稱輸入物料輸出物料kmol/hkg/hkmol/hkg/h乳酸硫酸氫銨水原料乙醇低沸點(diǎn)雜質(zhì)乳酸乙酯合計(jì)熱量衡算.1反響器R-1中的熱量衡算1. 反響器R-1中反響熱的計(jì)算第一步反響如下： + HCN +=-=-查物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓27分別為：=150.2反響溫度為，根據(jù)基希霍夫定理：=+，其中：=-23.

22、45 ×=×由此可見(jiàn)反響溫度對(duì)反響熱影響不大。×=2. 反響器R-1中的計(jì)算為進(jìn)入反響器R-1的原料氫氰酸從降到所需要放出的熱量。× (283-298)=× (-537.9) =3. 反響器R-1中的計(jì)算為進(jìn)入反響器R-1的原料乙醛從降到所需要放出的熱量。=4. 反響器R-1中的計(jì)算為反響器R-1中的熱損失=×=5. 反響器R-1中的熱量衡算匯總反響器R-1中的熱量衡算匯總見(jiàn)表2-4所列。表2-4 反響器R-1中的熱量衡算匯總符號(hào)代表工程數(shù)值反響器R-1中反響熱原料氫氰酸從降到放出的熱量原料乙醛從降到放出的熱量為反響器R-1中的熱損失

23、6. 反響器R-1中需要參加的熱量Q=-=反響器R-2中的熱量衡算1. 反響器R-2中反響熱的計(jì)算第二步反響如下：+2+=-=-查物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓27分別為：=150.2=-=-=-=-2×285.83=-反響溫度為，根據(jù)基希霍夫定理：=+，其中：-2×-=-=-×363-298=-=-=+=- ×=×()=2. 反響器R-2中的計(jì)算為進(jìn)入反響器R-2的原料硫酸從加熱到所需要的熱量。=× (363-298)=×=3. 反響器R-2中的計(jì)算為進(jìn)入反響器R-2的原料水從加熱到所需要的熱量。=×=4. 反響器R-2中

24、的計(jì)算為來(lái)自反響器R-1進(jìn)入反響器R-2的物料從加熱到所需要的熱量。(1) =×363-283=(2) 取低沸點(diǎn)雜質(zhì)的平均比熱容為=×363-283K=×+×=5.反響器R-2中的計(jì)算為反響器R-2中的熱損失=1× () =6. 反響器R-2中的熱量衡算匯總反響器R-2中的熱量衡算匯總見(jiàn)表2-5所列。表2-5 反響器R-2中的熱量衡算匯總符號(hào)代表工程數(shù)值反響器R-2中反響熱原料硫酸從加熱到所需的熱量原料水從加熱到所需的熱量來(lái)自R-1的物料從加熱到所需的熱量。為反響器R-2中的熱損失7. 反響器R-2中需要移除的熱量Q+=+ =酯化罐中的熱量衡算

25、1. 酯化罐中反響熱的計(jì)算第三步反響如下：+ +=-=-查物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓27分別為：=-()=現(xiàn)在反響溫度為，根據(jù)基?；舴蚨ɡ恚?+，其中：=75.291+254. =×(343-298)=+=×=×=2. 反響器R-2中的計(jì)算為參加酯化罐的原料乙醇從加熱到所需要的熱量。=3=×=3. 酯化罐中的計(jì)算為來(lái)自反響器R-2進(jìn)入酯化罐的物料從降到所需要放出的熱量。(1) =× (343-363)=(2) =× (343-363)=(3) 取低沸點(diǎn)雜質(zhì)的平均比熱容為=× (343-363)K=×+× +&#

26、215;=4. 酯化罐中的計(jì)算為酯化罐中的熱損失。= -= - 1×=5. 酯化罐中的熱量衡算匯總反酯化罐中的熱量衡算匯總見(jiàn)表2-6所列。表2-6 酯化罐中的熱量衡算匯總符號(hào)代表工程數(shù)值酯化罐中反響熱原料乙醇從加熱到所需的熱量來(lái)自R-2的物料從降到放出的熱量。為酯化罐中的熱損失6. 酯化罐中需要參加的熱量Q=+=第 3章 第二蒸餾塔的設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)方案確實(shí)定3工藝要求原料：乙醇-乳酸溶液，原料液溫度，原料組成如表3-1。表3-1原料組成組分名稱流量摩爾分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)kmol/hkg/h%乙醇56258050乳酸56661550總計(jì)1129195100100設(shè)計(jì)要求：塔底乙醇的含量不大于

27、(摩爾分?jǐn)?shù)) 塔底難揮發(fā)組分的回收率為3操作條件1.操作壓強(qiáng)：常壓 2.進(jìn)料熱狀態(tài)：泡點(diǎn)進(jìn)料 3.回流比：自定待測(cè)4.冷卻水： 20 5.單板壓強(qiáng)：MPa3操作壓力蒸餾操作確定操作壓力通?？稍诔?、加壓和減壓下根據(jù)技術(shù)上的可行性、處理物料的性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)上的合理性來(lái)考慮23-25。一般物料那么采用常壓操作，因乙醇和乳酸對(duì)壓力無(wú)特殊要求，那么采用常壓操作。其中塔頂壓力為，塔底壓力。3.1.4進(jìn)料狀態(tài) 進(jìn)料狀態(tài)與塔徑、塔板數(shù)、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種，該設(shè)計(jì)將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)才送入塔中，因?yàn)榇藭r(shí)塔的操作不致受季節(jié)氣溫的影響，比擬容易控制。此外，在泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，精餾段與提餾段的

28、塔徑相同，為設(shè)計(jì)和制造上提供了方便25-26。3.1.5加熱方式因?yàn)樗幸后w不能由蒸汽直接加熱，所以采取間接加熱。又考慮到立式再沸器對(duì)液體加熱均勻等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)選擇再沸器立式加熱。3.2精餾塔的物料衡算3原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率乙醇的摩爾質(zhì)量 乳酸的摩爾質(zhì)量 由條件知 , 3.2.2物料衡算原料處理量 總物料衡算 易揮發(fā)組分物料衡算 聯(lián)立解得： , 3原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 3.3精餾塔的塔板計(jì)算3.3.1理論板數(shù)的求取1. 相對(duì)揮發(fā)度的求取乙醇的沸點(diǎn)為，乳酸沸點(diǎn)為，查手冊(cè)27-28得：乙醇的安托因方程為：乳酸的安托因方程為：其中，的單位為，t的單位為。當(dāng)溫度為時(shí)解得，當(dāng)溫

29、度為時(shí)得，有2. 最小回流比的求取由于是飽和液體進(jìn)料，有q=1，q線為一垂直線，故，根據(jù)相平衡方程有：最小回流比為：取回流比為最小回流比的2.25倍，即： 3. 精餾塔的氣、液相負(fù)荷4. 操作線方程精餾段操作線方程：提餾段操作線方程：兩操作線交點(diǎn)橫坐標(biāo)為：5. 理論板計(jì)算過(guò)程如下采用逐板計(jì)算法，公式如下28-30：精餾段：， 提餾段：， 計(jì)算過(guò)程如下：總理論板數(shù)為16包括再沸器，精餾段理論板數(shù)為7，第8塊板為進(jìn)料板，提餾段理論板數(shù)為8包括再沸器。實(shí)際板數(shù)的求取取塔板效率,那么有：， 3.4精餾塔平衡數(shù)據(jù)計(jì)算3.乙醇-乳酸不同溫度下的平衡數(shù)據(jù)3kPa下，取至共46組數(shù)據(jù)根據(jù)安托因方程：乙醇：，乳

30、酸：的單位為，t的單位為，由以上公式計(jì)算出各溫度下的及。再由公式 計(jì)算出不同溫度下的氣液組成28-30。其中46組數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3-2。表3-2 乙醇-乳酸氣液組成溫度oCmmHgkPammHgkPa7602921179773297080792304818113128283031983850327848703348589134286912350879343598895636789978376901001384911024393921047402931072411941096421951121430961147440971173450981199460991226470100125348010

31、11281491102131050201031339512001041368524105139853510614295471071460558續(xù)表溫度oCmmHgkPammHgkPa10814925700.20610915245821101557595111159060711216246201131659633114169464611517296601161766673117180368711818417011191879716120191873012119577451221998760003乙醇-乳酸的平衡相圖根據(jù)上表3-2繪出乙醇-乳酸的平衡相圖，如圖3-1。圖3-1 乙醇-乳酸的平衡相圖

32、再根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪出乙醇-乳酸的溫度組成相圖如圖3-2。圖3-2 系統(tǒng)操作溫度組成計(jì)算圖3.5精餾塔精餾段設(shè)計(jì)的計(jì)算3.5.1精餾段設(shè)計(jì)有關(guān)物性的計(jì)算1. 操作壓力的計(jì)算塔頂?shù)牟僮鲏毫?每層塔板的壓降 進(jìn)料板壓力 精餾段平均壓力 2. 泡點(diǎn)溫度由操作壓力根據(jù)泡點(diǎn)方程采用試差法計(jì)算，其中乙醇、乳酸的飽和蒸汽壓根據(jù)安托尼方程29計(jì)算：(1) 方程為，式中： 溶液中組分的摩爾分?jǐn)?shù)； 溶液上方的總壓，Pa； 純組分在同溫度下的飽和蒸汽壓，Pa。(2) 安托因方程為乙醇的安托因方程為：乳酸的安托因方程為：在溫度為T時(shí)的飽和蒸汽壓，mmHg， T溫度，塔頂溫度公式：精料板溫度公式：塔頂溫度 進(jìn)料板溫度 精餾

33、段平均溫度 3. 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算，由理論板的計(jì)算過(guò)程可知：，進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算28，由理論板的計(jì)算過(guò)程可知：，精餾段的平均摩爾質(zhì)量為：4. 平均密度計(jì)算(1) 氣相(2) 液相液相平均溫度： 整理的精餾段的數(shù)據(jù)列于表3-3。表3-3 精餾段的數(shù)據(jù)位置進(jìn)料板塔頂(第一塊板)質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)溫度/在平均溫度下查手冊(cè)27得： 液相平均密度為： ，其中：平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)，所以，5. 液體平均外表張力的計(jì)算28利用公式：由，查得： ，進(jìn)料板處，由，查得： ，精餾段平均外表張力為：6. 液體平均黏度利用公式：塔頂液相，由，查得：，解得：進(jìn)料板處，由，查得：，解得：所以精餾段液相平

34、均黏度為：3.5.2精餾塔精餾段的塔體工藝尺寸計(jì)算1. 塔徑的計(jì)算精餾段的氣、液相體積流率為：，其中C由求取， 取板間距，板上液層高度，那么查篩板塔氣液負(fù)荷因子曲線圖得計(jì)算空塔氣速時(shí)取平安系數(shù)為0.7，那么：圓整后為。塔截面積為：， 2. 精餾塔有效高度的計(jì)算精餾段： 提餾段： 在進(jìn)料板處孔高為 m，故整個(gè)精餾塔高為：3.5.3精餾段塔板主要工藝尺寸的計(jì)算1. 溢流裝置計(jì)算塔徑，降液管選擇單溢流弓形，受液盤采用凹形。(1) 堰長(zhǎng)取(2) 溢流堰高度由，采用平直堰，堰高為： 近似取E=1，那么篩板塔塔板上清液層高度取為：故(3)降液管的寬度和它的截面積的求取由，查設(shè)計(jì)手冊(cè)得： 那么：，液體停留時(shí)

35、間， ，設(shè)計(jì)合理。(4) 降液管高度，底隙流速，那么：設(shè)計(jì)合理，受液盤選用凹形，深度2. 塔板布置(1) 塔板的分塊。因，分為4塊。(2) 邊緣區(qū)寬度確定取，(3)塔板開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算。開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算為：，其中：故(4) 篩孔計(jì)算及其排列。取篩孔直徑，篩孔設(shè)計(jì)采用正三角形排列，取孔中心距t為： 篩孔數(shù)目n為：由得開(kāi)孔率為：氣體通過(guò)篩孔的氣速為：3.5.4精餾塔篩板流體力學(xué)的驗(yàn)算1. 塔板壓降(1) 干板阻力計(jì)算。干板阻力由下式計(jì)算：由，查篩板塔氣液負(fù)荷因子曲線圖得故(2) 氣相穿過(guò)液層的阻力計(jì)算 查手冊(cè)中充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得(3) 液相由于外表張力所產(chǎn)生的阻力計(jì)算。 氣相穿過(guò)一層塔板的液體高度及壓強(qiáng)

36、降按下式計(jì)算：2. 液面落差此影響在該設(shè)計(jì)中很小可以忽略。3. 霧沫夾帶設(shè)計(jì)合理。4. 漏液漏液點(diǎn)氣速利用以下公式計(jì)算： =/s，實(shí)際孔速，穩(wěn)定系數(shù)為氣速設(shè)計(jì)是合理的。5. 液泛，取，那么：，而 板上不設(shè)進(jìn)口堰，按下式計(jì)算：，設(shè)計(jì)合理。3.5.5精餾段塔板負(fù)荷性能圖1. 漏液線由，得： 取不同的液相流量計(jì)算出相應(yīng)的氣體流量，結(jié)果見(jiàn)表3-4。表3-4 漏液線計(jì)算結(jié)果2. 霧沫夾帶線以為限，求關(guān)系如下：整理得取不同的液相流量計(jì)算出相應(yīng)的氣體流量，結(jié)果見(jiàn)表3-5。表3-5 霧沫夾帶線計(jì)算結(jié)果3. 液相負(fù)荷下限線平直堰，取堰高， 4. 液相負(fù)荷上限線在降液管中液體的停留時(shí)間下限取， 由 得5. 液泛線

37、令，由，及聯(lián)立解得忽略，將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得：式中 整理，得取不同的液相流量計(jì)算出相應(yīng)的氣體流量，結(jié)果見(jiàn)表3-5。表3-6液泛線計(jì)算表由上述各操作線方程，作出各操作線即得到負(fù)荷性能圖，如圖3-3所示。圖3-3 精餾段的負(fù)荷性能圖在負(fù)荷性能圖28中，A是操作點(diǎn)，連接OA，便可得到操作線?？芍F沫夾帶控制該篩板的操作上限，漏液控制下限。由上圖查得： 故操作彈性為：/=7將以上精餾塔計(jì)算所得結(jié)果列于附表1。3.6精餾塔提餾段設(shè)計(jì)的計(jì)算3.6.1提餾段設(shè)計(jì)有關(guān)物性的計(jì)算1. 操作壓力的計(jì)算進(jìn)料板壓力 每層塔板的壓降 提餾段的操作壓 提餾段平均壓力 2. 泡點(diǎn)溫度由操作壓力根據(jù)泡點(diǎn)方程

38、采用試差法計(jì)算，其中乙醇、乳酸的飽和蒸汽壓根據(jù)安托尼方程29計(jì)算： (1) 方程為式中： 溶液中組分的摩爾分?jǐn)?shù)； 溶液上方的總壓，Pa； 純組分在相同溫度下的飽和蒸汽壓，Pa。(2) 安托因方程為乙醇的安托因方程為：乳酸的安托因方程為： 單位mmHg， t單位塔底溫度公式：精料板溫度公式：塔底溫度 進(jìn)料板溫度 精餾段平均溫度 3. 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由理論板的計(jì)算過(guò)程可知，已求出： ， 那么由此求出提餾段：4.平均密度計(jì)算(1) 氣相：(2) 液相液相平均溫度： 整理的精餾段的數(shù)據(jù)列于表3-7。表3-7 精餾段的數(shù)據(jù)位置進(jìn)料板塔釜質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)溫度/122在平均溫度下查得：液相平均密度為： ，

39、其中：平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)，所以，5. 液體的平均外表張力計(jì)算利用以下公式，即：由，查得： ，進(jìn)料板處，由，查得： ，提餾段的平均外表張力：6. 液體的平均黏度計(jì)算利用公式：塔頂液相，由，查得： ， 解得 進(jìn)料板處，由，查得： ，解得精餾段的液相平均黏度： 3.6.2精餾塔提餾段的塔體工藝尺寸計(jì)算1. 塔徑的計(jì)算體積流率為：由，式中C由求取，在篩板塔氣液負(fù)荷因子曲線圖中查得：取板間距，板上液層高度，那么，得計(jì)算空塔氣速時(shí)取平安系數(shù)為0.8，那么圓整后為。塔截面積為：，2. 精餾塔提餾段有效高度的計(jì)算3.6.3.提餾段塔板主要工藝尺寸的計(jì)算1. 溢流裝置計(jì)算塔徑，降液管選擇單溢流弓形，受液盤采用凹形。(

40、1) 堰長(zhǎng)取(2) 溢流堰高度由，采用平直堰，堰高為： 近似取E=1，那么篩板塔塔板上的清液層高度取為：故(3) 降液管的寬度和它的截面積的求取由，查設(shè)計(jì)手冊(cè)得： 那么：，液體停留時(shí)間： 設(shè)計(jì)合理。(4) 降液管高度降液管底隙的流速，那么：設(shè)計(jì)合理，受液盤選用凹形，深度2. 塔板布置(1) 塔板的分塊。因，分為4塊。(2) 邊緣區(qū)寬度確定取，(3) 開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算。開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算為：，其中故：(4) 篩孔計(jì)算及其排列。取篩孔直徑，篩孔設(shè)計(jì)采用正三角形排列，取孔中心距t為： 篩孔數(shù)目n為：由得開(kāi)孔率為：氣體通過(guò)篩孔的氣速為： 3.6.4.提餾段篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算1. 塔板壓降(1) 干板阻力計(jì)算

41、，利用下式： 由，查篩板塔氣液負(fù)荷因子曲線圖得故(2) 氣相穿過(guò)液層的阻力計(jì)算 ，查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得(3) 液相由于外表張力所產(chǎn)生的阻力計(jì)算氣相穿過(guò)一層塔板的液體高度及壓強(qiáng)降按下式計(jì)算：2. 液面落差此影響在該設(shè)計(jì)中很小可以忽略。3. 霧沫夾帶設(shè)計(jì)合理。4. 漏液漏液點(diǎn)氣速利用以下公式計(jì)算：=/s實(shí)際孔速穩(wěn)定系數(shù)為氣速設(shè)計(jì)是合理的。5. 液泛，取，那么：，而 板上不設(shè)進(jìn)口堰，按下式計(jì)算：， ，設(shè)計(jì)合理。3.6.5.提餾段塔板負(fù)荷性能圖1. 漏液線由得：取不同的液相流量計(jì)算出相應(yīng)的氣體流量，結(jié)果見(jiàn)表3-8。表3-8 漏液線計(jì)算結(jié)果2. 霧沫夾帶線以為限，求關(guān)系如下：整理得取不同的液相流量計(jì)算出相

42、應(yīng)的氣體流量，結(jié)果見(jiàn)表3-9。表3-9 霧沫夾帶線計(jì)算結(jié)果3. 液相負(fù)荷下限線平直堰，取堰高4. 液相負(fù)荷上限線在降液管中液體的停留時(shí)間下限取，由得：5. 液泛線令由， ，聯(lián)立解得忽略，將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得：式中 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入整理，得：取不同的液相流量計(jì)算出相應(yīng)的氣體流量，結(jié)果見(jiàn)表3-10。表3-10 液泛線計(jì)算表根據(jù)以上各線方程，可作出提餾段篩板塔的負(fù)荷性能圖，如圖3-4所示。 圖3-4 提餾段篩板塔的負(fù)荷性能圖在負(fù)荷性能圖上，點(diǎn)A是操作點(diǎn)，連接OA，便可得到操作線。由上圖可看出，液泛控制該篩板的操作上限，漏液控制下限?？芍?故操作彈性為：/將以上精餾塔計(jì)算所得結(jié)果列

43、于附表2。第 4章 工程經(jīng)濟(jì)4.1公共工程4供水生產(chǎn)用水主要為反響物料、稀釋劑及冷卻介質(zhì)30；因此生產(chǎn)用水需要經(jīng)過(guò)一定的處理到達(dá)一定的水質(zhì)要求。冷卻水應(yīng)盡量采用溫度低、腐蝕性小、無(wú)水垢泥渣的水。4供電化工生產(chǎn)用電主要包括動(dòng)力、照明、弱電、變電、配電和避雷；車間用電通常有工廠的變電所或由供電網(wǎng)直接供電?；S生產(chǎn)多數(shù)為連續(xù)化生產(chǎn)，經(jīng)常使用易燃易爆物料，中途不允許突然停電。車間用電一般最高為6000伏，中小型電機(jī)只有380伏。通常在車間附近或在車間內(nèi)部設(shè)置變電室，將電壓降低后分配給各用電設(shè)備使用。4供暖工業(yè)上采暖系統(tǒng)分為低壓和高壓兩種，界限是0.7MPa。采暖目前主要以鍋爐方式提供熱量，使在較低溫

44、度的環(huán)境下，仍能保持適宜的工作或生活條件的一種技術(shù)手段。 4.通風(fēng) 車間通風(fēng)的目的是排除余熱、余濕、有害氣體和粉塵等，使車間內(nèi)作業(yè)帶的 空氣保持適宜的溫度、濕度和衛(wèi)生要求，以保證操作者的政策衛(wèi)生條件。通風(fēng)的 方式主要有：自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)兩大類，在本設(shè)計(jì)中主要采用自然通風(fēng)，但在 設(shè)備附近有局部通風(fēng)的設(shè)施。4.2經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)本設(shè)計(jì)主要對(duì)原料本錢及設(shè)備進(jìn)行了簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。4原料價(jià)格按照每年6000個(gè)小時(shí)生產(chǎn)，算出一年的原料費(fèi)用如下表表4-1所列。表4-1 原料價(jià)格一覽序號(hào)原料名稱單價(jià)元噸每小時(shí)用量噸小時(shí)6000小時(shí)總價(jià)萬(wàn)元1氫氰酸350056652乙醛40003硫酸5104乙醇32005水484設(shè)備

45、估算設(shè)備報(bào)價(jià)參照近期同類工程定制設(shè)備價(jià)格，根據(jù)公式：設(shè)備價(jià)格=設(shè)備重量材質(zhì)價(jià)格，計(jì)算得來(lái)，如下表4-2所列。其中：1.中低壓4MPa碳鋼設(shè)備：10000元/噸2.高壓碳鋼設(shè)備價(jià)格：14000元/噸序號(hào)設(shè)備名稱數(shù)量質(zhì)量t設(shè)備價(jià)格(萬(wàn)元)安裝費(fèi)用(萬(wàn)元)建筑工程費(fèi)萬(wàn)元合計(jì)萬(wàn)元1儲(chǔ)罐51000 100050010016003反響器3100100653004653換熱器990060010016004塔310002000400050065005泵12120250304006管路400350508007輔助裝置35016070012108煙氣凈化60050010012009附屬裝置50301090合計(jì)55

46、206455189013865表4-2 設(shè)備價(jià)格估算一覽第 5章 分析總結(jié)5.1 總結(jié)本論文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及資料中所給出的數(shù)據(jù)，結(jié)合之前所學(xué)的化工專業(yè)知識(shí)，從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)乳酸的生產(chǎn)工藝流程。主要工作包括：確定工藝流程，對(duì)主要反響器進(jìn)行物料衡算和能量衡算，主要設(shè)備的設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等。物料衡算局部計(jì)算出了每小時(shí)生產(chǎn)一定的乳酸所需要的各種原料的摩爾流量及質(zhì)量流量，還算出了各反響器在每小時(shí)的進(jìn)料組成及出料組成。熱量衡算局部計(jì)算出各反響器所需要參加或移除的熱量。主要設(shè)備設(shè)計(jì)局部設(shè)計(jì)了別離乙醇與乳酸的第二蒸餾塔。理論塔板數(shù)及進(jìn)料板確實(shí)定是利用操作線方程和平衡線方程根據(jù)主板計(jì)算法確定的；根據(jù)安托因方程計(jì)算出乙醇與乳酸在不同溫度下的飽和蒸汽壓，結(jié)合汽液平衡方程繪出乙醇-乳酸的平衡相圖及乙醇-乳酸的溫度組成相圖；又分別對(duì)精餾段與提餾段的塔體尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)并畫出負(fù)荷性能圖。最后從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)評(píng)估。5.2體會(huì)與缺乏本文對(duì)乳酸生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，完成了物料衡算、能量衡算及主要設(shè)備精餾塔的設(shè)計(jì)等工作。但是仍有很多缺乏之處，特別是經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)局部做的工作還不夠，有很多東西需要學(xué)習(xí)。附 錄附圖1 乳酸生產(chǎn)工藝流程圖附圖2 乙醇-