年產18萬噸醋酸生產裝置初步設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 工業標準組成 原料乙醛 %(質量 ) 工業氧 %(質量 ) 工業氮 %(質量 ) 催化劑溶液 %(質量 ) 乙醛 氧氣 98 氮氣 97 醋酸 60 醋酸 氮氣 2 氧氣 3 醋酸錳 10 水 水 30 三聚乙醛 (1) 在 氧 化 過 程 中 的 已 知 條 件 [ 1 3 ,1 4 ] ： 18000kg/h， 乙 醛 轉 化 率 為 %， 氧 的 利 用 率 為 % 業 氮 自 氧 化 塔 塔 頂 補 充 使 其 濃 度 達 到 45 %； 轉 化 的 乙 醛 在 氣 液 相 中 的 分 配 率 ( 體 積 % ) ：氣 相 34%；液 相 66% 定 催 化 劑 中 醋 酸 錳 用 量 為 氧 化 塔 進 料 乙 醛 重 量 的 % 醛 的 總 轉 化 率、主 反 應 及 各 副 反 應 的 轉 化 率 分 配 ： 主反應： ① CH3CHO+21 O2 → CH 3COOH (96%) 副反應： ② 3CH3CHO+3O2 → HCOOH+2CH 3COOH+CO2+H2O ( 4%) (2) 氧 化 塔 物 料 衡 算 圖 見 圖 3 – 1 。 6 (3) 反應式的物料衡算 投入的乙醛 (純 )量： 18000%=17910 kg ① CH3CHO+21 O2 → CH 3COOH 96% 計算結果見表 32。 表 32 主反應物料衡算計算 結果 反應物 生成物 乙醛 17910= kg 醋酸 4460 = 氧 4416 = ② 3CH3CHO+3O2 → HCOOH+2CH 3COOH+CO2+H2O 4% 計算結果見表 33。 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 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 工業氮 工業氧 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： +=。氧氣：+= kg；二氧化碳： kg 醋酸： ++18000= kg 整理以上數據，得出氧化塔物料衡算結果，見表 34。 表 34 氧化部分物料衡算 進料 出料 含量 (%) 質量 (kg) 含量 (%) 質量 (kg) 原 料 乙 醛 乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 17910 18 54 18 氧 化 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 18 工 業 氧 氧氣 氮氣 98 2 工 8 業 氮 氮氣 氧氣 97 3 小計 上 下 催化劑 醋酸 水 醋酸錳 60 30 10 放 空 廢 氣 二氧化碳 氮氣 氧氣 乙醛 總計 kg kg 蒸發器物料衡算 F= kg；醋酸錳含量： ％；蒸發器進出物料見圖 32。 由 Fx0=Lx1 解得 L=10xFx = % 0. 09 % 59 1 ? = kg/h W=F (1－ x0/x1) 解得 W= kg/h 表 35 蒸發器物料衡算 進料 出料 含量 (%) 質量 (kg) 含量 (%) 質量 (kg) 氧化液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 18 A 蒸發器氣相 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 18 B 蒸發器液相 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 總計 A= B= 圖 32蒸發器進出物料圖 W 蒸發器 F L 9 精餾塔物料衡算 已知： F= kg/h； 醋 酸 質 量 分數 ， 水 的 質 量 分 數 。 設定： 餾 出 液 中 醋 酸 含 量 3%； 釜 液 中 成 品 醋 酸 含 量 %。 精餾塔進出物料圖見圖 33。 得出，進料組成， 0 27 ???Fx 進料平均摩爾質量 Mm=18+(1－ )60=進料流量 F= =列衡算式 F=D+W； FxF=DxD+Wxw； ?FDFxDx； )1( )1( ??? FWxF xW 解得 F= kmol/h, xF=。 D= kmol/h, xD= W= kmol/h, xW=104 于是可以得出： D=(18+60)= kg/h 。 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 物 中 含 1 . 5 % 的 醋 酸 ， 醋 酸 回 收 塔 進 出 物 料 圖見 圖 34。 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 整理以上數據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 氧氣 氧氣 氮氣 催化劑殘液 粗醋酸 成品醋酸 工業 氮氣 氮氣 氧氣 其它副產物產量 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：每小時接料工業乙醛 18000kg，選擇年工作時間 8000h，年產工業醋酸 18104噸。 乙醛轉化率為 %， 計算基準溫度為 298k(25℃ )。 氧化塔進料情況如表 41 所示。 (1)熱力學數據，見表 42； (2)各物流帶入熱量按 q=WCΔt kJ/h計算，按表 43 (3)反應熱 ΔHR0，主反應和副反應的 ΔHR0可由生成熱 ΔHF， 2980或燃燒熱 ΔHC，2980求得； 主反應： CH3CHO+21 O2 → CH 3COOH (96%) ΔHR，主 0=(－ )－ (－ )=－ 副反應： 3CH3CHO+3O2 → HCOOH+2CH 3COOH+CO2+H2O (4%) ΔHR， (2)0=－ － 31 (－ )－ 32 (－ )=－ kJ/mol 乙醛 表 41 氧化 塔進料情況 (kg/h) 進料 出料 含量 (%) 質量 (kg) 含量 (%) 質量 (kg) 原 料 乙 醛 乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 17910 18 54 18 氧 化 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 18 工 業 氧 氧氣 氮氣 98 2 工 業 氮 氮氣 氧氣 97 3 小計 上 下 催化劑 醋酸 水 醋酸錳 60 30 10 放 空 廢 氣 二氧化碳 氮氣 氧氣 乙醛 總計 kg kg 12 表 42 氧化塔進料情況 (mol/h) 進料 出料 體積V(%) mol質量(kmol) 體積 V(%) mol質量(kmol) 原 料 乙 醛 乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 3 氧 化 液 醋酸 水 甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸錳 工 業 氧 氧氣 氮氣 工 業 氮 氮氣 氧氣 放 空 廢 氣 二氧化碳 氮氣 氧氣 乙醛 催化劑 醋酸 水 醋酸錳 小計 100 總計 kg kg 計算結果如表 43所示： 表 43 ΔHR0計算結果 反應 消耗乙醛 ΔHR0kJ/mol 反應熱 ∑ΔHR0,kJ/h 主反應 － － 1000=－ 103 副反應 － － 1000=－ 103 共計 － 103 (4) 氧 化 塔 頂 部 排 出 的 氣 體 所 帶 出 的 熱 量 ① 氧化塔頂部排出氣體量： 組分 CO2 N2 O2 CH3CHO kmo