乙酸乙酯車間工藝的設(shè)計(jì)說明

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、設(shè)計(jì)任務(wù) 3\o"CurrentDocument"二、概述 3\o"CurrentDocument"1．乙酸乙酯性質(zhì)及用途 3\o"CurrentDocument"乙酸乙酯發(fā)展?fàn)顩r 4\o"CurrentDocument"乙酸乙酯的生產(chǎn)方案及流程 51、酯化法 5\o"CurrentDocument"乙醇脫氫歧化法 6\o"CurrentDocument"3、乙醛縮合法 74、乙烯、乙酸直接加成法 8\o"CurrentDocument"5、確定工藝方案及流程 9\o"CurrentDocument"四．工藝計(jì)算 10\o"CurrentDocument"物料衡算 10\o"CurrentDocument"初步物料衡算 12\o"CurrentDocument"五.設(shè)備設(shè)計(jì) 195?1精憎塔U的設(shè)計(jì) 19\o"CurrentDocument"5.2最小回流比的估算 22\o"CurrentDocument"逐板計(jì)算 24\o"CurrentDocument"逐板計(jì)算的結(jié)果及討論 25\o"CurrentDocument"六.熱量衡算 26\o"CurrentDocument"熱力學(xué)數(shù)據(jù)收集 26\o"CurrentDocument"熱量計(jì)算，水汽消耗，熱交換面積 29\o"CurrentDocument"6.3校正熱量計(jì)算、水汽消耗、熱交換面積（對(duì)塔H） 32\o"CurrentDocument"表10校正后的熱量計(jì)算匯總表 41乙酸乙酯車間工藝設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)：乙酸乙酯車間產(chǎn)品名稱：乙酸乙酯產(chǎn)品規(guī)格：純度99%年生產(chǎn)能力：折算為100%乙酸乙酯1880噸/年產(chǎn)品用途：作為制造乙酰胺、乙酰乙酸酯、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、乙酸濃縮、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，乙酸醚，英文名稱EthylAcetate或AceticEtherVinegarnaphtha.乙酸乙酯是具有水果及果酒芳香的無色透明液體，其沸點(diǎn)為77￡,熔點(diǎn)為-83.6t,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、人造革膠粘劑的生產(chǎn)中，也是清漆的組份。它還用于乙基纖維素、人造革、油氈、著色紙、人造珍珠的粘合劑、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。現(xiàn)正在進(jìn)行工業(yè)開發(fā)工作。近來關(guān)于磷改性HZSM-5沸石分子篩上乙酸和乙醇酯化反應(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H3PMo12O40?19H2O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DavyVekee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)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。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,乙酸與乙醇發(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1D乙0預(yù)紅口混合器預(yù)F燥塔酯化反應(yīng)塔塔頂?shù)姆磻?yīng)D乙0預(yù)紅口混合器預(yù)F燥塔酯化反應(yīng)塔塔頂?shù)姆磻?yīng)混合物一部分回流，一部分在80容左右進(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（乙酸完全消耗掉）。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,送人比例混合器,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)人干燥塔,將乙酸乙酯分離出來,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，%M99.5乙醇含量，%W0.20水分，%W0.05酸度（以乙酸計(jì)），%W0.005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-Al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，經(jīng)泵加壓至0.3?0.4MPa，進(jìn)入原料預(yù)熱器，與反應(yīng)產(chǎn)物熱交換被加熱至130°C，部分氣化，再進(jìn)入乙醇汽化器，用水蒸氣或?qū)嵊图訜嶂?60￡?170。6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230C，再進(jìn)入脫硫加熱器，用導(dǎo)熱油加熱到反應(yīng)溫度240?270C，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)器出來的物料進(jìn)入原料過熱器，被冷卻至180C，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60C，再進(jìn)入產(chǎn)物冷凝器，被水冷卻至30C，從冷凝器出來的液體，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人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均勻后備用。乙醛和催化劑溶液連續(xù)進(jìn)人反應(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0C,反應(yīng)混合物在反應(yīng)塔內(nèi)的停留時(shí)間約1h后進(jìn)人分離裝置。

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)人反應(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)上并無大的差異。乙醛縮合制乙酸乙酯工藝受原料來源的限制,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)的乙烯與乙酸一步反應(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：乙酸：水:80：開發(fā)的乙烯與乙酸一步反應(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：乙酸：水:80：6.7：3：10.3。反應(yīng)系統(tǒng)由3個(gè)串取干燥塔■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°C，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)與乙酸發(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或乙酸的反應(yīng)也可能發(fā)生。該工藝乙酸的單程轉(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1840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，該法總生產(chǎn)能力比酯化法要低，綜合考慮采用酯化法。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，沈陽市溶劑廠，大連釀酒廠，沈陽石油化工二廠，哈爾濱化工四廠、六廠、七廠等。四．工藝計(jì)算物料衡算設(shè)計(jì)任務(wù)（1）設(shè)計(jì)項(xiàng)目：乙酸和乙醇在催化劑濃硫酸存在下生產(chǎn)乙酸乙酯（假定70%的乙酸轉(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%（4）年生產(chǎn)能力：折算為100%乙酸乙酯1880噸/年酯化法主要生產(chǎn)步驟（1）等分子的冰乙酸和95%乙醇混合和少量的濃硫酸接觸，進(jìn)行酯化反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，并加熱至沸點(diǎn)。（2） 達(dá)到平衡狀態(tài)的混合液通入精餾塔I,由于不斷移去難揮發(fā)的水分，在塔中反應(yīng)趨于完全；由塔I頂部出來的流出液組成為：乙酸乙酯 20%（重量百分率，下同）水 10%乙醇 70%（3） 由塔I頂部出來的餾出液通入精餾塔口進(jìn)行蒸餾，由塔H頂部出來的三組分恒沸液83%組成為：83%乙酸乙酯

水8%乙醇9%由塔H底部出來的殘液組成為乙醇和水，重新送入塔I作為第二進(jìn)料。由塔H頂部出來的餾出液和塔皿頂部出來的餾出液匯合并加等量的水，三者混合后流入沉降槽進(jìn)行分層。上層富有乙酸乙酯，其組成為：乙酸乙酯94%水4%乙醇2%下層主要是水，其組成為：乙酸乙酯8%水88%乙醇 4%下層(即水層)重新回入塔□作為第二進(jìn)料。上層(即酯層)送入精餾塔皿進(jìn)行蒸餾，由塔皿底部流出的即為成品的乙酸乙酯,這是由于乙酸乙酯和三組分恒沸液和雙組份恒沸液比較起來，其揮發(fā)度最小，由塔皿頂部出來的為三組分恒沸液，其組成如下：三組分恒沸液組成：乙酸乙酯83%水8%乙醇9%雙組分恒沸液組成：94%94%乙酸乙酯水6%塔皿頂部出來的餾出液包括三組成恒沸液送回沉降器中。初步物料衡算每小時(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)能力規(guī)定為180噸/年(折算為100%乙酸乙酯，下同)全年按328天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)工作，則每晝夜的生產(chǎn)能力為5732kg乙酸乙酯；每小時(shí)生產(chǎn)能力為221kg乙酸乙酯，這樣的規(guī)模采用連續(xù)操作室比較合理的。每小時(shí)的生產(chǎn)能力為：1880X1000一328一24=239kg/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)過程中無物料損失，塔頂餾出液等均屬雙組份或三組分恒沸液，這在事實(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I95%EtOH6986E20%W10%A7Qft塔I* TJES2%E94KiW 6抑A/鼻X*Y*ZZS3?l3%[I95%EtOH6986E20%W10%A7Qft塔I* TJES2%E94KiW 6抑A/鼻X*Y*ZZS3?l3%[9%■frF Vr懇詭3樂0塔UlHl牛.產(chǎn)丄藝流程示意圖酯化器物料衡算乙酸和乙醇酯化反應(yīng)如下:CHCOOH+CHOH^CHCOOCH+HO325235260 46 88 18X y 221 z1.84)原料規(guī)格：乙酸濃度為100%;乙醇純度為95%；濃硫酸純度為93%(相對(duì)密度為1.84)力口入：①100%乙酸量：60/x=88/2393fx=60X239/88=163kg/h100%乙醇量：46/y=88/239fy=46X239/88=124.9kg/h95%乙醇需要量：y/95%=124.9/95%=131kg/h其中C2H5OH=124.9kg/h;H2O=131-124.9=6.1kg/h濃硫酸量=6.7kg;其中H2SO4=6.3kg;H2O=O.4kg/h支出：轉(zhuǎn)化率為66%乙酸乙酯生成量=163X0.66X88一60=157.8kg/h乙酸剩余量=163x0.34=55.4kg/h乙醇剩余量=124.9x0.34=42.5kg/h反應(yīng)生成水量：18/z=88/146.2fz=18X157.8^88=32.3kg/h總水分=32.3+6.1=38.4kg/h濃硫酸量=6.7kg/h進(jìn)出酯化器的物料衡算表如下：表一：進(jìn)出酯化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乙酸1001631乙酸乙酯100157.82乙醇951312水10038.4其中c2h5oh100124.93乙醇10042.5H2O1006.14乙酸10055.43濃硫酸936.75濃硫酸1006.7合計(jì)300.7合計(jì)300.8由酯化器出來的混合液進(jìn)入精餾塔I,在塔I中反應(yīng)趨于完全，因此進(jìn)入塔I的混合液在塔中最后生成：乙酸乙酯=239kg/h水=18X239一88+6.1=55kg/h濃硫酸=6.7kg/h塔I、塔H、沉降器和塔皿質(zhì)檢均有相互關(guān)系，它們的物料衡算匯總計(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)口=塔1底部殘液量（kg/h，不包括濃硫酸6.7kg/h在內(nèi)）▼=塔1頂部餾出液（kg/h）只=塔口底部殘液量（kg/h）其中Rw=R中h2O的量（kg/h）,RA=R中乙醇的量（kg/h）乙=塔口頂部殘液量（kg/h）x=塔皿頂部餾出液總?cè)M分恒沸液量（kg/h）y=塔皿頂部餾出液總雙組分恒沸液量（kg/h）w=沉降器下層（即水層）量（kg/h）系統(tǒng)1的物料衡算：294+w=u+zu＋z－w=294 ①系統(tǒng)1的乙酸乙酯物料衡算：0.812X272.6+0.08w=0.83z0.83z－0.08w=239 ②系統(tǒng)1的乙醇物料衡算：他0.09z=0.04w系統(tǒng)2的物料總衡算：2（x+y+z）=w+x+y+239x+y+2z－w=239 ④系統(tǒng)2的乙酸乙酯衡算：0.83x+0.94y+0.83z=0.94X（x+y+221.4）+0.08w0.83z－0.11x－0.08w=225解上述五元一次聯(lián)立方程式。得：x=129.8kg/hy=200.2kg/hz=368kg/hw=827kg/hu=753kg/h因?yàn)閂中含有20%乙酸乙酯，而乙酸乙酯量=-239kg/h，故：v=239一20%=1195kg/h系統(tǒng)3的物料總衡算：R+294=u+v所以R=v+u-294=1195+753-294=1654kg/h系統(tǒng)3中的水衡算R+0.188X294=u+0.1vwRw=753+0.lXl195-0.188X294=817kg/h系統(tǒng)3的乙醇衡算：R=0.7v=0.7X1195=836.5kg/hA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I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來自酯化器的混合液300.71塔頂餾出液1195①乙酸乙酯157.8①乙酸乙酯 20239

②水38.4②水10119.5③乙醇42.5③乙醇70836.5④乙酸55.42塔底殘液759.7⑤濃硫酸6.7①水7532來自塔U的塔底殘液1654②濃硫酸6.7①水817②乙醇836.5合計(jì)1954.7合計(jì)1954.7表3進(jìn)出塔H的物料衡算表加入數(shù)量支出序號(hào)物料名稱純度%kg/h序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h1來自塔I頂部餾出液11951塔頂餾出液368①乙酸乙酯20239①乙酸乙酯83305.44②水10119.5②水829.44③乙醇70836.5③乙醇933.122來自沉降器下層液8272塔底殘液1654①乙酸乙酯866.16①水817.5②水88727.76②乙醇836.5③乙醇4333.08合計(jì)2022合計(jì)2022

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U頂部餾出液3681沉降器上層569①乙酸乙酯83305.44①乙酸乙酯94534.86②水829.44②水422.76③乙醇933.12③乙醇211.382塔皿頂部餾出液3302沉降器下層827①三組分恒沸液129.8①乙酸乙酯866.16A乙酸乙酯83107.7②水88727.76B水810.4③乙醇433.08C乙醇911.7②雙組分恒沸液200.2A乙酸乙酯94188.2B水6123添加水698合計(jì)1396表5進(jìn)出塔皿的物料衡算表加入 支出數(shù)量序號(hào)物料名稱純度%kg/h序號(hào)物料名稱純度%數(shù)量kg/h1來自沉降器上層5691頂部餾出液330①乙酸乙酯94534.86①三組分恒沸液129.8②水422.76A乙酸乙酯83107.7③乙醇211.38B水810.4C乙醇911.7②雙組分恒沸液200.2A乙酸乙酯94188.2B水6122塔底成品乙酸乙酯239合計(jì)569合計(jì)569五.設(shè)備設(shè)計(jì)5.1精餾塔n的設(shè)計(jì)塔口中包含有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。①在初步物料衡算中，塔H頂部逸出者為純?nèi)M分恒沸液，這樣就需要無窮個(gè)塔板數(shù)來完成。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/hmol%mol%乙酸乙酯E305.4459.56+5x54/46+5x76/24=81.2661.70水W29.4428.09+5=33.0925.13乙醇A33.1212.35+5=17.3513.17131.7100

②在初步物料衡算中，塔H底部出料不含乙酸乙酯，這也屬不可能，實(shí)際上含有l(wèi)mol%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/hmol%mol%乙酸乙酯E—+1=1.0水W81771.4671.46X99%=70.75乙醇A836.528.5428.54X99%=28.25100進(jìn)料組成不變，于是進(jìn)出塔H的物料衡算如下:xE=0.6170216.4kg/hxE=0.6170216.4kg/h餾出液：xW=0.2513餾出液：xW=0.251318.0kg/hxA=0.131724.15kg/hxA=0.131724.15kg/hxE=0.0499266.02kg/hxE=0.0499266.02kg/h混合進(jìn)料：xW=0.6782混合進(jìn)料：xW=0.6782738.77kg/hxA=0.2719758.01kg/hxA=0.2719758.01kg/hxE=0.010049.67kg/hxE=0.010049.67kg/h殘液：xW=0.7075殘液：xW=0.7075721.0kg/hxA=0.2825733.69kg/hxA=0.2825733.69kg/h于是進(jìn)出酯化器的物料衡算如下：表6進(jìn)出塔H的物料衡算表

序號(hào)物料名稱數(shù)量組成%序號(hào)kg/h物料名稱組成%數(shù)量kg/h1762.81混合進(jìn)料1塔頂餾出液258.550①乙酸乙酯4.99266.02①乙酸乙酯61.7216.4②水67.82738.77②水25.1318.0③乙醇27.19758.01③乙醇13.1724.152塔底殘液1504.36①乙酸乙酯1.049.67②水70.75721.0③乙醇28.25733.69合計(jì)1762.8合計(jì)1762.9取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（100－D）0.617D+0.01X（100—D）=5;D=6.59殘液摩爾數(shù)為：100—D=100—6.59=93.41餾出液中E的摩爾數(shù)為：0.617X6.59=4.07殘液中E的摩爾數(shù)為：5－4.07=0.93餾出液中W的摩爾數(shù)為：0.2513X6.59=1.66殘液中W的摩爾數(shù)為：67.82—1.66=66.16餾出液中A的摩爾數(shù)為：0.1317X6.59=0.87殘液中A的摩爾數(shù)為：27.19—0.87=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，今采用Colburn方法估算最小回流比。首先求出平均相對(duì)揮發(fā)度(a)av餾出液中：x/(x+x)=61.7/(61.7+25.13)=0.71;x=13.17EEW A由平衡圖上找出：y/(y+y)=0.69;y/y=0.69/0.31EEWEWa=(y/y)?(x/x)=(0.69/0.31)x(0.2513/0.617)=0.91tEWWE殘液中：x(x+x)=1.0/(1.0+70.75)=0.0139;x=28.25E/EW A由平衡圖上找出：y/(y+y)=0.20;y/y=0.2/0.8EEWEWa=(y/y)?(x/x)=(0.2/0.8)X(0.7075/0.01)=17.69sEWWEa=(a?a)1/2=(0.91X17.69)1/2=4.01avtsr=x/x=5/67.82=0.0737fEfWfx=r/(1+r)=0.0737/1.0737=0.0686lkf fx=x/r=0.0686/0.0737=0.931hklkf(L/D)=1/(a—1)?(x/x—x/x)=1/(4.01—1)x(0.617/0.0686—n DlklkDhkhk0.2513/0.931)=2.90D=6.59mol/100mol進(jìn)料L=2.90XD=2.90X6.59=19.11mol/100mol進(jìn)料nL=L+qF;W=F—Dmn對(duì)于進(jìn)料正在沸點(diǎn)的液體，q=1F=100molL=19.11＋100=119.11mol/100mol進(jìn)料mW=100－6.59=93.41mol/100mol進(jìn)料L/W=119.11一93.41=1.275m上提濃度輕關(guān)鍵組分的摩爾分?jǐn)?shù)x=x/[(a—1)?(L/D+a?x/x)]nD n Dhkhk=0.617一[(4.01—1)x(2.90+4.01X0.2513一0.931)]=0.0515r=x/x=0.0515一0.931=0.0533nnhk下提濃度重關(guān)鍵組分的摩爾分?jǐn)?shù)a=(a—a)1.5=(0.91—17.69)1.5=6.557lk tsx=a?x/[(a—a)?(L/W+a?x/x]mlkW lk m Wlklk)=6.557X0.7075一[(6.557—4.01)X1.275+4.01X0.01一0.0686]=1.211r=x/x=0.0686/1.211=0.0566mlkmr/r=0.0566/0.0553=1.024mn屮=1/[(1—0)X(1—0)]=1因此,r/r＞屮，算得的回流比太大mn試以(L/D)=2.5;貝口L=6.59X2.5=16.48mol/100mo1進(jìn)料；L=116.48mol/100moln n m進(jìn)料(L/W)=116.48一93.41=1.247mx=x/[(a—1)?(L/D+a?x/x)]nD n Dhkhk=0.617一[3.01X(2.5+4.01X0.2513一0.931)]=0.0572r=x/x=0.0572一0.931=0.0614nnhkx=a?x/[(a—a)?(L/W+a?x/x]mlkWlk m Wlklk)=6.557X0.7075一[(6.557—4.01)X1.247+4.01X0.01一0.0686]=1.234r=x/x=0.0686一1.234=0.0556mlkr/r=0.0556一0.0614=0.91mn因此，r/r＜屮,算得的回流比太小。mn試以(L/D)=2.7;貝口L=6.59X2.7=17.79mol/100mo1進(jìn)料；L=117.79mol/100moln n m進(jìn)料(L/W)=117.79一93.41=1.261mx=x/[(a—1)?(L/D+a?x/x)]nD n Dhkhk=0.617一[3.01X(2.7+4.01X0.2513一0.931)]=0.0542r=x/x=0.0542一0.931=0.0582nnhkx=a?x/[(a—a)?(L/W+a?x/x]m1kW1k m W1k1k)=6.557X0.7075一[(6.557—4.01)X1.261+4.01X0.01一0.0686]=1.222r=x/x=0.0686一1.222=0.0561m1kr/r=0.0561一0.0582=0.965mnr/r與屮的數(shù)值相近mn所以此方法算得的最小回流比為2.7.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：⑴y/(y+y)對(duì)x/(x+x)描繪，x視作參量。TOC\o"1-5"\h\zE E A E E A Wy/(y+y)對(duì)x/(x+x)描繪，x視作參量。E E W E E W Ay/(y+y)對(duì)x/(x+x)描繪，x視作參量。W W A W W A E由于在任何情況下，液相的摩爾分?jǐn)?shù)仗)均為參數(shù)，平衡圖只能用來由液相組成來求取氣相組成。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⑵;或⑵和⑶;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⑵和⑶，則根據(jù)x/(x+x)和x值讀出y/(y+y)；根據(jù)x/(x+x)和xEEWA EEW WWAE值讀出y/(y+yA)值。WWA設(shè)y/(y+y)=m，y/(y+y)=N；EEW WWA故y=M/(1—M)Ey=(1—N)/NA.?.y=1/[(1—N)/N+M/(1—M)+1]w求出y后，y和y即可代入式子求得。W EA下一塔板上的液相組成可以應(yīng)用操作線方程求得。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：

a冋流比為10:1時(shí)塔板。液柑紐分用圖中說明由第7塊塔板(由塔底數(shù)起)上加入來自塔Ia冋流比為10:1時(shí)塔板。液柑紐分用圖中說明由第7塊塔板(由塔底數(shù)起)上加入來自塔I的進(jìn)料，由第12塊板上加入來自沉來目塔I的進(jìn)料禾目沉降器的進(jìn)梢A5EtO阮的購(gòu)爾分?jǐn)?shù)H20的窣爾分?jǐn)?shù)EWH^摩爾井?dāng)?shù)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塊塔板加入來自沉降器的加料的進(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。⑶如最宜回流比采用5:1,計(jì)算的結(jié)果說明由第5塊塔板加入來自塔I的進(jìn)料，由第10塊板上加入來自沉降器的進(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.熱量衡算熱力學(xué)數(shù)據(jù)收集(1)溫度：塔頂溫度:約為62%molCHCHOH，25%molHO，13%CHCHOH三組分恒沸液的32232沸點(diǎn)，71C塔底溫度：約為71%molHO,29%molCHCHOH的沸點(diǎn)，79C232來自塔I的進(jìn)料溫度為84C來自沉降器的進(jìn)料溫度：約為97%molHO,3%molCH3CHOH的沸點(diǎn)，95C22冷卻水溫度為20C(以廣西年平均氣溫為參考)。飽和水蒸氣：p=1.35kg/m3,t=108C(2)比熱和汽化潛熱表7比熱容和汽化潛熱溫度CCHCOOCHHO2CHCHOH3比熱容25汽化潛熱3比熱容2汽化潛熱比熱容汽化潛熱kj/kg?Ckj/kgkj/kg?Ckj/kgkj/kg?Ckj/kg201.9274.1832.40271.9474.1782.46371.9784.1742.55712.145371.144.18823292.91852.66792.004364.674.19423103.02838.94842.169360.544.2122983.082830.14952.224351.164.21422713.236810.10⑶傳熱系數(shù)KkJ/(m2?h?C)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/hkmol/hx=0.62E2663.02x=0.29225.61.42Wx=0.08819.80.43A4.87L/D=5,L=5D,V=L＋D=6D;來自塔頂?shù)恼魵饨M成：kg/hx=0.62E266X6=1596x=0.29225.6X6=153.6Wx=0.088A19.8X6=118.8塔底殘液組成：kg/hkmol/hx=0.010E48.50.55x=0.7075713.239.62Wx=0.2825A729.215.8356.00來自塔I的進(jìn)料組成：kg/hkmol/hx=0.123E2663.02x=0.235104.25.7915.8315.8324.64kmol/h0.5535.260.4336.24x=0.642 729.2A來自沉降器組成： kg/hx=0.01848.5Ex=0.968 634.6Wx=0.01419.8A總加料量=24.64+36.24=60.88kmol/hV'=L'—W=L+F—W=5D+F—W=5X4.87+6O.88—56=29.23kmol/h來自塔底的蒸氣組成： kg/hy=0.065E0.065X29.23X88=167.20y=0.411W0.411X29.23X18=216.24y=0.524A0.524X29.23X46=704.56熱量計(jì)算，水汽消耗，熱交換面積(1)塔頂蒸氣冷凝(由71T氣相冷凝至71T液相)q=EW?入=1596x371.14+153.6X2329+118.8X852.66=1051369.8kJ/h設(shè)冷卻水出口溫度為61T=(71—20)-(71-60)=33.2Cm[71-20In71-60取K=2000kJ/(m2?h?°C)

S=q/(K?At)m=1051369.8一(2000X33.2)=15.83m2冷卻水用量：W=q/(C?At)=1051369.8一[4.18x(60—20)]=6288.1kg/h⑵餾出液由71T冷卻至37￡q=EW?C?At=[266X(1.978＋2.145)/2＋25.6X4.18＋19.8X(2.91＋3.02)/2]X(71—37)=24278.5kJ/h設(shè)冷卻水出口溫度為27￡In7k2737-20At=(71-27)-(37—2°)=In7k2737-20取K=505kJ/(m2?h?°C)S=q/(K?At)m=24278.5一(505X28.4)=1.69m2冷卻水用量：W=q/(C?At)(3)塔底：=24278.5一[4.18x(27—20)]=829.8kg/h在79C時(shí)液相變?yōu)闅庀鄎=EW.入=167.2X364.67＋216.24X2310＋704.56X838.94=1151571kJ/hAt=108—79=29°Cm取K=5858kJ/(m2?h?C)S=q/(K?At)m=1151571一(5858X29)=6.78m2在108C,入H2O=2235kJ/kg蒸氣消耗量：W=q/(XH2O+C?At)=1151571一[2235+4.22X(108—79)]=488.5kg/h⑷來自沉降器的進(jìn)料加熱，由27C至95Cq=EW?C?At=[48.5X(1.947+2.224)/2+634.6X4.192+19.8X(2.46+3.236)/2]X68=191609.1kJ/hAt=108—95=13Cm取K=3050kJ/(m2?h?C)S=q/(K?At)m=191609.1一(3054X13)=4.83m2蒸氣消耗量：W=q/(XH2O+C?At)=191609.1一[2325+4.214x(108—95)]=80.5kg/h

將以上計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦卤恚罕?熱量計(jì)算和傳熱面積匯總表項(xiàng)目熱量kJ/h冷卻水量kg/h加熱蒸汽量kg/h熱交換器傳熱面積m2+1051369塔頂蒸氣冷凝至沸點(diǎn)7ir.86288.115.83餾出液冷卻至37°c+24278.5829.81.69蒸餾釜-1151571488.56.78來自沉降器的進(jìn)料由27c-191609.180.54.83加熱至95C6.3校正熱量計(jì)算、水汽消耗、熱交換面積（對(duì)塔H）取基準(zhǔn)溫度t0=2orI.塔頂（圖a）（H的單位為kJ/h）流體①Kg/htt－t0Cav入HsHxHE159671512.036371.14165722592339W153.64.185232932784357734A118.82.65852.6616056101296214612 10513691265981

流體② H=Hy_H入⑴=HS⑴=214612流體③ H=(5/6)XH⑵=214612X(5/6)=178843流體④ H=(1/6)XH⑵=214612X(1/6)=35769流體⑤Kg/ht t－t0CavHsHE26637 171.9528827W25.64.1791819A19.82.4883511481流體⑥和流體⑧t=15°C,.?.H=0流體⑦Kg/htt－t0CavHW6288.161414.1821078170流體⑨Kg/htt－t0CavHW829.82774.1824280H.來自沉降器的進(jìn)料（圖b）流體⑩Kg/htt－t0CavHsHE48.52771.937658

W634.64.1418391A19.82.4333719386流體G?Kg/htt－t0 Cav0avHHsE48.595752.0767551W634.64.199199851A19.82.8184185211587流體QKg/htt－t0 Cav0av入HHs 入HW80.510888 4.2342235 29994179918209912流體QKg/htt－t0CavHW80.595754.21425442皿.來自塔I的進(jìn)料（圖b）流體QKg/htt－t0CavHsHE26684642.04834865W104.24.19727989A729.92.741128042190896

W.蒸餾釜Kg/htt－t0CavHsHE215.779591.96625020W929.44.189229702A1433.82.71229250483972流體QKg/htt－t0CavHsHE48.579591.9665626W713.24.189176268A729.22.71116592298486流體Q H=H（i5）—H（i6）=483972—298486=185486流體QKg/htt－t0Cav入HsHH入E167.279591.966364.671939460973W216.24.189231053434499422A704.62.71838.94112658591117185486 11515121336998

Kg/htt－t0Cav入 H Hs 入HW488.5108884.234223518201110917981273809流體QKg/htt－t0CavHW488.579594.189120733?oodU塔ii粕塔睛料濾留圖?oodU塔ii粕塔睛料濾留圖h冬自沉厝器的進(jìn)料莉就圖薊&圖趙簇帽董的進(jìn)科科波圈ftk來白塔【的坯料科■諫田⑥⑤0⑧⑦0⑩⑨J2LQV.全塔(圖e)：加入熱量(kJ/h)移走熱量(kJ/h)圖點(diǎn)塔