年產(chǎn)3萬噸丁醇丙烯凈化及羰基合成車間的初步設(shè)計 課程設(shè)計

1、第一章 總 論1.1 概 述1.1.1意義與作用丁醇是重要的基本有機化工原料。它有三個重要的品種：正丁醇、異丁醇。正丁醇主要用于生產(chǎn)丙烯酸丁酯、鄰苯二甲酸二丁酯(dbp)、聯(lián)二酸二丁酯等酯類產(chǎn)品。前者用于涂料和粘合劑，后者為pvc的增塑劑。用丁醇生產(chǎn)的鄰苯二甲酸二丁酯和脂肪族二元酸酯類增塑劑，廣泛用于各種塑料和橡膠制品的生產(chǎn)。丁醇是生產(chǎn)丁醛、丁酸、丁胺和醋酸丁酯等有機化合物的原料，可用做樹脂、油漆、粘接劑的溶劑及選礦用的消泡劑，也可用做油脂、藥物和香料的萃取劑及醇酸樹脂涂料的添加劑。1.1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展前景1.國外發(fā)展概況丁醇是隨著石油化工、聚乙烯塑料工業(yè)的發(fā)展和羰基合成工業(yè)技術(shù)的發(fā)展

2、迅速發(fā)展起來的。羰基合成反應(yīng)技術(shù)是1938年在德國最先開發(fā)成功的，隨著在英、美、法、意等國家獲得發(fā)展。自低壓銠法問世以來，該法在丁辛醇工業(yè)領(lǐng)域獨領(lǐng)風(fēng)騷，先后轉(zhuǎn)讓給9個國家，共建設(shè)了23套裝置，采用該法生產(chǎn)的丁醛產(chǎn)量超過3.5mt/a，占丁醛總產(chǎn)量的70%。所有新建裝置全部采用低壓銠法，該法以其技術(shù)優(yōu)勢正在逐步淘汰高壓銠法。近10年來，隨著各國對環(huán)境保護認識的提高，煙氣脫硫的關(guān)鍵技術(shù)有了飛速的發(fā)展，尤其是一些經(jīng)濟發(fā)達的國家，投入大量人力、財力進行開發(fā)并取得顯著成效。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，到1998年止，美國投產(chǎn)了相當于裝機容量150gw的電廠煙氣脫硫裝置；德國投產(chǎn)了相當于裝機容量30gw的電廠煙氣脫硫

3、裝置；日本已建成投產(chǎn)大型脫硫裝置1400臺（套），相當于裝機容量39gw。2.國內(nèi)發(fā)展概況我國的丁醇生產(chǎn)技術(shù)在1980年以前主要采用糧食發(fā)酵法制丁醇，采用乙醛縮合法制丁烯醛，丁烯醛縮合、加氫制丁醇。由于工藝技術(shù)落后，這類的丁醇生產(chǎn)裝置已經(jīng)停產(chǎn)。1976年，吉化公司從德國basf公司引進50kt/a的高壓鐒法丁辛醇裝置。1982年建成投產(chǎn)。隨后，大慶石化總廠，齊魯石化公司從英國davy公司成套引進丁辛醇生產(chǎn)技術(shù)，并在1986年，1987年相繼投產(chǎn)。（1）1992年北京化工四廠從日本三菱化學(xué)公司引進丁醇生產(chǎn)的專利技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備，于1996年投產(chǎn)。（2）1996年齊魯石化公司在原有裝置的基礎(chǔ)上，將原

4、來低壓羰基合成氣相循環(huán)法改為液相循環(huán)法。在反應(yīng)器不變的情況下，將產(chǎn)量擴大為原來的1.9倍。1998年吉化公司對原有的basf高壓羰基合成裝置進行改造。引進了ucc/davy第四代低壓液相循環(huán)羰基合成技術(shù)，在保留了原裝置的異構(gòu)物分離、丁醛縮合、辛烯醛液相加氫、醇的精餾分離等幾部分的基礎(chǔ)上，另外擴建了一套氣相加氫、丁醛縮合、液相加氫、醇精餾分離系統(tǒng)，改造后的裝置于2000年8月投產(chǎn)。1.1.3 產(chǎn)品的性質(zhì)與特點本裝置產(chǎn)品為丁醇。1.丁醇 （butyl alcohol）分子式c4h9oh，有四種同分異構(gòu)體正丁醇 ch3ch2ch2ch2oh，異丁醇（ch3）2chch2oh，仲丁醇ch3ch（oh）

5、ch2ch3和叔丁醇（ch3）3coh。均為無色有毒的易燃液體，能溶于多種有機溶劑中。2.正丁醇（n-butyl alcohol）英文名稱 1-butanol。產(chǎn)品理化性質(zhì)：分子式c4h10；系統(tǒng)命名為1-丁醇。分子量：74.12，熔點-90.2，相對密度為0.810 g/mol。無色透明液體，沸點117.5，凝固點-89.5，閃點36-38，自然點365，微溶于水，能與乙醇和乙醚混溶。3.異丁醇（i-butyl alcohol）產(chǎn)品理化性質(zhì)：分子式c4h10；系統(tǒng)命名為2-甲基-1-丙醇。分子量：74.12，熔點-108，相對密度為0.805g/mol。無色透明液體，沸點108.0，凝固點3

6、7.7，閃點28，自燃點426.6，易溶于水，乙醇和乙醚。折光率（n20）：1.395-1.397。1.1.4 產(chǎn)品的生產(chǎn)方法概述丁醇的生產(chǎn)工藝有兩種路線。一種是以乙醛為原料，巴豆醛縮合加氫法；另一種是以丙烯為原料的羰基合成法。由于發(fā)酵法及乙醛法工藝流程長，設(shè)備腐蝕嚴重，極不經(jīng)濟，現(xiàn)有裝置已基本淘汰。當今丁醇生產(chǎn)的主要方法是以丙烯為原料的羰基合成法。以丙烯為原料的羰基合成法又分為高壓鈷法、改性銠法、高壓銠法和改性銠法。其中改性銠法是當代丁醇合成技術(shù)的主流。改性銠法又分為氣相循環(huán)和液相兩種。液相循環(huán)改性銠法是當今世界最先進，最廣泛使用的丁醇合成技術(shù)。高壓羰基合成技術(shù)是1940年由德國開發(fā)成功的，

7、1970年發(fā)展到頂峰。該法以鈷鹽作為催化劑，反應(yīng)壓力為20-30mpa。中壓羰基合成技術(shù)是殼牌公司首先采用的。該法采用一種有機膦配位體鈷做催化劑。反應(yīng)溫度在104200，反應(yīng)壓力為6.5mpa。低壓羰基合成技術(shù)是在70年代中期出現(xiàn)的，是丁醇生產(chǎn)技術(shù)的一個突破。1976年低壓鐒法羰基合成丁醛工業(yè)裝置在波多黎各投產(chǎn)成功。液相循環(huán)改性銠法：國外對液相循環(huán)改性銠法技術(shù)加以發(fā)展、改進，形成有特色的專項技術(shù)，主要技術(shù)代表有四家公司，具體情況如下：davy/dow聯(lián)合開發(fā)的第二代丙烯銠法低壓羰基合成技術(shù)液相循環(huán)法。三菱化工開發(fā)的銠法低壓羰基合成技術(shù)。魯爾公司的羰基合成工藝。basf的羰基合成工藝。1.2 設(shè)

8、計依據(jù)1.首選依據(jù)是老師布置的“任務(wù)書”年產(chǎn)三萬噸丁醇丙烯凈化及羰基合成車間的初步設(shè)計。3.再者依據(jù)2010年9月在大慶石化公司畢業(yè)實習(xí)中得到的全部信息及相關(guān)知識。4.依據(jù)學(xué)苑出版社出版的化工工程設(shè)計。5.依據(jù)大慶石化公司編制的丁辛醇車間員工教育培訓(xùn)教材。 1.3 廠址選擇1.3.1 廠址選擇原則廠址選擇對于整個設(shè)計工作來說，是十分重要的環(huán)節(jié)。在廠址的選擇中，不僅要考慮自然條件還需要顧及原料和成品的供銷，運輸情況，燃料、水、電、氣的供應(yīng)，勞動后備力量的來源，施工條件，建筑材料的資源等問題。廠址選擇應(yīng)該遵守以下基本原則：1.根據(jù)國家城市或區(qū)域要求，堅持工業(yè)布局要大分散，小集中的原則，又要考慮到鄰

9、近企業(yè)的協(xié)作關(guān)系。2.堅持調(diào)查研究，實事求是的原則對建廠基本條件進行科學(xué)分析。貫徹以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)，以工業(yè)為指導(dǎo)方針，節(jié)約用地，盡量不占或少占農(nóng)田。3.注意環(huán)境保護，工廠與居住區(qū)要滿足衛(wèi)生防護標準，重視對三廢處理場地的合理選擇，盡量少對生態(tài)、自然風(fēng)景的破壞和影響。4.地形選擇要適合工廠的總面積的布置，并有發(fā)展余地，廠址的自然地形坡度要與建筑物的相對布置，運輸關(guān)系和地面安排等要求相近似1.3.2 本次設(shè)計的廠址選擇大慶市位于黑龍江省西部、松嫩平原中部。東南距黑龍江省會哈爾濱市150公里，西北距齊齊哈爾市139公里。全市總面積21494平方公里，其中市區(qū)5107平方公里。大慶市地處北溫帶大陸性季風(fēng)氣候

10、區(qū)，受蒙古內(nèi)陸冷空氣和海洋暖流季風(fēng)的影響，總的特點是：冬季寒冷有雪；夏季溫?zé)岫嘤?；春、秋季多風(fēng)。全年無霜期較短。龍鳳區(qū)位于黑龍江省西部、大慶市東部，是大慶中心城的 “三顆星”之一，東部與大慶高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)隔路相望，西鄰大慶石油管理局采油二廠、四廠，北靠大慶市人民政府，南與安達市接壤。龍鳳區(qū)地域廣闊，共分龍鳳、臥里屯、興化三個區(qū)塊。下轄一鎮(zhèn)龍鳳鎮(zhèn)，面積410平方公里，人口16萬，其中，農(nóng)村人口2.3萬，現(xiàn)有耕地面積4.5萬畝，草原面積10.3萬畝，荒水面積8.8萬畝。有“一田三草二水五分荒”之稱，極具開發(fā)前景。龍鳳區(qū)交通便利，四通八達。濱洲鐵路貫穿全境，與東北、華北鐵路網(wǎng)密切相聯(lián)，溝通著東北

11、和華北腹地，301國道斜穿我區(qū)，成為我區(qū)與哈爾濱等以南地區(qū)、齊齊哈爾等以北地區(qū)相互溝通的紐帶和橋梁。哈大高速公路的終端就在該區(qū)境內(nèi)，從龍鳳出發(fā)至省城哈爾濱的行程僅需1個多小時，長途客車可直接通達省內(nèi)外40多個地市縣，區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)村通車率100。區(qū)內(nèi)距哈爾濱內(nèi)河碼頭僅150公里，距大連港不足1000公里，那里有通往全國各大港口的客運班輪和通往香港、日本、韓國、波斯灣、南非等國家及地區(qū)的定期貨運班輪；龍鳳距哈爾濱、齊齊哈爾兩個飛機場只有2個多小時的路程，從那里可飛往香港、東京、漢城等國家和地區(qū)，發(fā)達的交通已經(jīng)使龍風(fēng)成為大慶對外聯(lián)絡(luò)的門戶 臥里屯是以濱洲鐵路和躍進大街為主軸，形成南地方、北鐵路、東工業(yè)、西

12、居住、中間輔以較大面積生態(tài)綠地的集中組團式結(jié)構(gòu)。 臥里屯具有優(yōu)越的區(qū)域自然地理環(huán)境。區(qū)域地處松嫩平原，氣候?qū)儆诖箨懶詺夂?。黑土泛金，資源極為豐富。地下蘊藏著石油、天然氣、土堿、土鹽、土硝等自然資源，為發(fā)展石油、石油化工提供了得天獨厚的自然條件，現(xiàn)在龍鳳地區(qū)已經(jīng)成為全國最大的石油化工生產(chǎn)基地之一。通訊設(shè)施齊備,中國人民銀行、中國銀行、中國農(nóng)業(yè)銀行、中國建設(shè)銀行等均有常設(shè)辦事機構(gòu)。全區(qū)大小商業(yè)網(wǎng)點分布廣泛。臥里屯郵局、石油管理局東風(fēng)電話站、石化總廠電話站三大通訊樞紐。全區(qū)現(xiàn)已開通6萬門程控電話，百人電話擁有量38部。郵政信函、郵政特快專遞快捷方便。依據(jù)廠址選擇原則廠址選在黑龍江省大慶市龍鳳區(qū)臥里屯

13、鎮(zhèn)。1.4 設(shè)計規(guī)模與生產(chǎn)制度1.4.1 設(shè)計規(guī)模丁醇裝置以丙烯，合成氣為原料，采用低壓羰基合成方法生成正丁醇。丁醇裝置設(shè)計年運行時間為7562小時，7426小時生產(chǎn)丁醇，剩余136小時為生產(chǎn)切換時間，預(yù)計每年進行5次切換，每次平均27小時1.4.2生產(chǎn)制度生產(chǎn)口號為“安全生產(chǎn)，一次完成”。實行“四班三倒制”人員組成如表1-1表1-1 羰基縮合車間人員組成人員名稱人數(shù)倒班制車間主任班長醛崗位工人技術(shù)工人臨時工人1482若干八小時工作制四班三倒制四班三倒制八小時工作制八小時工作制在職工人共計15人，臨時工人若干。車間主任白天在車間主持工作，每班由一個班長帶領(lǐng)倒班人員進行倒班。1.5 原料及產(chǎn)品規(guī)

14、格1.5.1 主要原料規(guī)格及技術(shù)指標表1-2 丙烯原料規(guī)格及技術(shù)指標化學(xué)級丙烯丙烯9510-2mol最低丙烷、甲烷和乙烷510-2mol最高乙烯2010-6mol最高甲基乙炔及丙二烯1510-6mol最高氧510-6mol最高總硫110-6wt最高c4及c4以上的烴510-6mol最高乙炔110-6mol最高氫510-6mol最高總氯（以hcl計）110-6mol最高續(xù)表綠油1010-6wt最高水份2010-6wt最高醇（以甲醇計）510-6wt最高co+co21510-6mol最高進界區(qū)狀態(tài)；液態(tài)壓力：2.2-2.8mpa.a溫度：環(huán)境在生產(chǎn)丁醇過程中，原料合成氣與丙烯中含有h2o、s、o2

15、、as和炔烴等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)容易使催化劑活性降低，甚至中毒失去活性，影響裝置的正常生產(chǎn)，必須進行精制脫出丙烯中的微量雜質(zhì)，保證裝置的正常進行。因此工段主要為利用催化劑將微量雜質(zhì)脫出。催化劑的規(guī)格見表1-3。表1-3 催化劑規(guī)格名稱型號 規(guī)格 規(guī)格一次用量硫化鉑進口：c53-2國產(chǎn)：bc-02-0093mm直徑擠壓成型脫除 合成氣 中的氧1121（第一層） 5.5 m3pt0.0810-2wt活性碳進口：207a國產(chǎn)：jb-15-10目顆粒狀 脫除合成氣 中的羰基鐵 和羰基鎳 1120 8.5 mctc值55-6010-2 水分1010-2wt浸苛性鈉的活性氧化鋁 進口：ici-59國產(chǎn)：t40

16、23-5mm球脫除合成氣中的氨1121（第一層）4 m3 na2o1210-2wtal2o3（高表面） al2o3（高表面） 其余松密度900kg/ m3 銠催化劑 ropac 國產(chǎn)：bg-2-007 rh；19-2110-2wtoxo反應(yīng)催化劑年用量70 kg氯化物：0.110-2wt鐵：0.00510-2wt鋅：0.00510-2wt 三苯基膦 tpp 白色晶狀小片或顆粒oxo反應(yīng)助催化劑年用量34000kg熔點：78.5-81.5三苯基膦 9910-2wt鈉510-6wt灰份 10010-6wt 干燥損失2.510-6wt1.6綜合經(jīng)濟技術(shù)指標技術(shù)經(jīng)濟是人類社會進行物質(zhì)生產(chǎn)過程是不可以缺

17、少的兩方面，任何技術(shù)的社會實踐都離不開經(jīng)濟；而任何技術(shù)的好壞與否，脫離了經(jīng)濟效益的標準都是無法判斷的。技術(shù)經(jīng)濟是技術(shù)生產(chǎn)方面的經(jīng)濟問題，技術(shù)經(jīng)濟分析是對不同技術(shù)政策、技術(shù)方案、技術(shù)措施進行經(jīng)濟效果的評定、論證和預(yù)測，力求技術(shù)上先進和經(jīng)濟上合理相結(jié)合，為確定對發(fā)展最有利的技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)和最佳方案，也是技術(shù)經(jīng)濟分析的基本任務(wù)。起根本目的就是是每一項工程，每一個企業(yè)都用盡量少的物質(zhì)消耗生產(chǎn)出更多符合社會需求的合格產(chǎn)品，取得最大的使用價值，從而實現(xiàn)最大經(jīng)濟效益。筆者對建設(shè)3萬ta丁醇裝置的建廠指標進行了估算，其原料、公用工程需用量如下：表1-4 經(jīng)濟指標一覽表項目指標丙烯 萬t 氫氣(標準態(tài)) 萬m

18、3合成氣(標準態(tài)) (h2：co1：1) 萬m3水 th電 萬kw h汽 th總投資 億元年銷售收入 萬元年利稅 萬元年利潤 萬元4.41184048691072159618.78.26652471684612409第二章 工藝設(shè)計與計算2.1 工藝原理凈化的合成氣與丙烯，在銠催化劑的作用下發(fā)生羰基合成反應(yīng)生成丁醛，反應(yīng)方程式如下：（1）丙烯醛化生成正丁醛：ch=+co+cho（2）丙烯醛化生成異丁醛：ch=+co+（）chcho上述兩個反應(yīng)，正丁醛是目的產(chǎn)物，而異丁醛是副產(chǎn)物。在選擇的反應(yīng)條件下，正丁醛/異丁醛生成的比率為10：1。2.2 工藝路線的選擇本設(shè)計是年產(chǎn)3萬噸丁醇合成氣凈化及羰基

19、合成車間工藝的初步設(shè)計。本設(shè)計以凈化后的合成氣和丙烯為原料，采用低壓氣相循環(huán)改性銠法進行羰基合成反應(yīng)。2.3.工段工藝流程oxo反應(yīng)從原料凈化工序來的丙烯進料氣體，與來自合成氣車間的合成氣相混合，在oxo反應(yīng)器進料壓力pic301控制下，有fic304控制進料流量，進入oxo反應(yīng)器1103。1103是帶攪拌的釜式反應(yīng)器，內(nèi)有冷卻盤管和進料氣體分配器，并裝填有rh/tpp丁醛的催化劑溶液，在氣體分配器以及3401攪拌器的作用下，原料氣體以小氣泡的形式擴散在催化劑溶液中，并于90-110，1.65mp.ag條件下，在1103里發(fā)生oxo反應(yīng)生成丁醛。oxo反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱通過產(chǎn)品丁醛的蒸發(fā)脫

20、除一部分，通過調(diào)溫水換熱脫除一部分。反應(yīng)溫度由tic305通過冷卻盤管的調(diào)溫水控制。調(diào)溫水系統(tǒng)是一個閉路循環(huán)回路，由調(diào)溫水泵3202a/b保持循環(huán)，輸送到1103盤管的調(diào)溫水溫度為55，從1103盤管出來時溫度升到80-90然后在調(diào)溫水冷卻器1505中由tic409控制 ，將調(diào)溫水冷卻到55后進到調(diào)溫水緩沖罐1107。1107對調(diào)溫水介質(zhì)隨反應(yīng)熱的變化日產(chǎn)生的膨脹起一個緩沖作用。反應(yīng)產(chǎn)品丁醛被循環(huán)氣體從反應(yīng)器中汽提出來，經(jīng)過霧沫分離器1104除去循環(huán)氣體中夾帶的含有催化劑的液滴，去羰基合成循環(huán)冷卻器1506，將產(chǎn)品丁醛冷凝下來，并將循環(huán)氣體冷卻到40，然后進入羰基合成產(chǎn)品收集器。 圖2-1 帶

21、控制點的工藝流程圖2.4 工藝參數(shù)丁醇生產(chǎn)的工藝參數(shù)如下表：表2-1 工藝參數(shù)表序號工藝參數(shù)位號單位指標1界區(qū)丙烯壓力fic101mpa2.40.12丙烯壓力pic205mpa2.00.13oxo反應(yīng)溫度tic30587-1204oxo反應(yīng)液位li306%8038-485oxo進料壓力pic301mpa1.956oxo系統(tǒng)壓力pic305mpa1.650.027oxo氣相co濃度ar30110-22.0-4.5oxo反應(yīng)參數(shù)對反應(yīng)速率和正/異構(gòu)比的影響1分壓的影響任何反應(yīng)物的分壓升高都會加速它所參加的反應(yīng)的反應(yīng)速率，但反應(yīng)物分壓的改變并不能平均的改變它參加的反應(yīng)的反應(yīng)速率，各反應(yīng)物分壓的影響如

22、下：（1） 氫氣分壓增加，反應(yīng)速率增加不大，正/異比變化也不大，但如果氫氣分壓增加太高，則丙烷生成量增加，一般氫氣分壓控制在0.352mpa。（2） 一氧化碳分壓增加，反應(yīng)速率增加不大，正/異比明顯下降，生產(chǎn)中控制一氧化碳分壓在0.0700.084mpa之間，若一氧化碳分壓低于0.042mpa，則丙烯加氫生成丙烷大大增加，若一氧化碳分壓高于0.131mpa，老催化劑失活速率加快。（3） 丙烯的分壓增加，反應(yīng)速率加快，正/異比增高， 2溫度的影響反應(yīng)溫度升高，反應(yīng)速率加快，對正/異比沒有影響，溫度升高1 速率大約提高6，在催化劑使用后期，可適當提高反應(yīng)溫度，以提高反應(yīng)速率。反應(yīng)溫度升高加速催化劑

23、的失活速度三苯基磷濃度的影響：三苯基磷濃度增加，正/異比增大，反應(yīng)速率降低，生產(chǎn)中控制三苯基磷濃度在9.50.011wt之間。銠濃度的影響銠濃度增加，反應(yīng)速率明顯加快，正/異比稍有增加。2.5 物料衡算2.5.1物料衡算的意義和作用物料衡算是化工計算中最基本，最重要的內(nèi)容之一，是進行化工計算的基礎(chǔ)。在化學(xué)工程中，為了導(dǎo)出某一過程的基本方程式和建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)計或改造工藝流程和設(shè)備，了解和控制生產(chǎn)操作流程，核算生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益等都要驚醒物料衡算。物料衡算在生產(chǎn)和設(shè)計中都得到廣泛的應(yīng)用在工廠設(shè)計中，物料衡算是在工藝流程及工藝參數(shù)確定后即開始的一項化工計算工作。因此，設(shè)計工作從定性分析轉(zhuǎn)入定量計算

24、。物料衡算是通過每一道工序的物料變化情況進行平衡計算，從而得到在正常生產(chǎn)情況下各股物料的量。通過物料平衡在已知產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)情況下算出所需要的原材料，生成的副產(chǎn)物及廢物等的生成量，或者在已知原料投放情況下，算出產(chǎn)品，副產(chǎn)物及廢物量。此外，通過物料衡算，不僅可以算出原材料消耗定額，并在此次基礎(chǔ)上作出能量平衡，算出動量消耗和消耗定額。算出生產(chǎn)過程所需要熱量或冷量，同時為設(shè)備選型和計算提供依據(jù)。物料衡算的結(jié)果直接關(guān)系到生產(chǎn)成本和車間運輸量，對工廠技術(shù)經(jīng)濟指標有舉足輕重的影響。2.5.2 物料衡算的方法與步驟1. 收集計算數(shù)據(jù)（1）原料、輔料、中間產(chǎn)品及產(chǎn)品的規(guī)格；（2）過程中單位時間內(nèi)的物流量；（3）

25、有關(guān)消耗定額；（4）有關(guān)轉(zhuǎn)化率；（5）有關(guān)物理化學(xué)常數(shù)。如相對密度，相平衡常數(shù)等。2 . 畫物料流程圖3. 確定衡算范圍4. 確定計算基準2.5.3. 物料衡算本次設(shè)計為年產(chǎn)丁醇30000噸，以每小時投料量作為計算基準。一年的工作日按315天計算，每天工作24小時，設(shè)計中采用已知下列數(shù)據(jù)：丙烯的摩爾質(zhì)量為42.1kg/kmol.一氧化碳的摩爾質(zhì)量為28.01kg/kmol.氫氣的摩爾質(zhì)量為2kg/kmol.正丁醛的摩爾質(zhì)量為72.11kg/kmol.異丁醛的摩爾質(zhì)量為72.11kg/kmol.正丁醇的摩爾質(zhì)量為74.11kg/kmol.異丁醇的摩爾質(zhì)量為74.11kg/kmol.合成氣中co占

26、49.0，氫氣占50.4%，雜質(zhì)（ch4+n2+ar）占0.6。由于合成氣凈化過程中雜質(zhì)為10-6/mol數(shù)量級，物料變化可以忽略不計，所以對合成氣凈化過程不進行物料衡算，直接對羰基合成反應(yīng)進行物料衡算。 涉及到的反應(yīng)有：ch=+co+choch=+co+（）chchoch=+ 上述三個反應(yīng)，正丁醛是目的產(chǎn)物，而異丁醛是副產(chǎn)物，在選擇的反應(yīng)條件下，正丁醛/異丁醛生成的比率為10：1。丙烯除了進行上述兩個反應(yīng)外，還與氫氣發(fā)生加氫反應(yīng)生成，丁醛/丙烷的生成比率為11：0.3。物料計算：計算基準取120kmol/h進入反應(yīng)器。1.進入反應(yīng)器的物料120kmol/h合成氣中含 co=58.8 kmol

27、/h h2=60.48kmol/h因為h2過量，所以以co為反應(yīng)基準，需c3h6 58.8kmol/h2.主副反應(yīng)消耗co的量4因為產(chǎn)物n n-bal: n i-bal = 10:1所以主反應(yīng)消耗 co的量 = =53.45kmol/hc3h6的量 = =53.45 kmol/h生成正丁醛的量 = =53.45 kmol/h副反應(yīng)消耗 co的量 = =5.35kmol/hc3h6的量 = =5.35 kmol/h生成異丁醛的量 = =5.35 kmol/h3.主副反應(yīng)消耗h2的量主反應(yīng)消耗h2 = =5.35kmol/h副反應(yīng)消耗h2 = =5.35 kmol/h，因為n n-bal: n c

28、3h8 = 11:0.3 , 正丁醛: n c3h8 = 11:0.3， 所以反應(yīng)生成c3h8的量 = 1.60kmol/h所以三個反應(yīng)共消耗h2 = 1.60+ 58.8=60.40kmol/h反應(yīng)剩余的h2 = 60.4860.4 = 0.08kmol/h4.主、副反應(yīng)共消耗c3h6 = 1.60+58.8 = 60.4 kmol/h因為丙烯凈化后組成為c3h6 95%，其余為c3h8所以丙烯用量為60.495% = 63.58 kmol/h其中含c3h8的量 = 63.58-60.4= 3.18 kmol/h5.反應(yīng)后c3h8 = 3.18+1.60=4.78 kmol/h6.反應(yīng)生成的

29、主、副產(chǎn)物的量正丁醛 =53.445 kmol/h，異丁醛 = 5.35 kmol/h，n c3h8 = 4.78 kmol/h，表2-2 反應(yīng)器進口物料平衡表組分k mol/h%(mol)分子量kg/h%(wt)c3h660.432.942.12542.8456.87h268.4832.952120.962.71co58.832.0328.011646.9936.83c3h83.181.7344.1140.243.14雜質(zhì)0.720.392820.160.45合計183.581004471.19100表2-3 反應(yīng)器進口物料平衡表組分k mol/h%(mol)分子量kg/h%(wt)正丁醛5

30、3.4583.0272.113654.2886.21異丁醛5.358.372.11385.798.63c3h84.787.4444.1210.804.71h20.0080.1220.16忽略雜質(zhì)0.721.122820.160.45合計64.381004471.19100其中：1.雜質(zhì)為ch4+ar+n2，所以分子量取平均值，為28便于計算。2. h2質(zhì)量百分比為310-5數(shù)量級，故忽略計算。經(jīng)核算：n合成氣=58.8+60.48+0.72=120 k mol/hm合成氣=117+20.16+1694.04=1831.80 k mol/hn丙烯=60.4+3.18=63.58k mol/hm丙

31、烯=2542.84+140.24=2683.08k mol/h如圖2-1：羰基合成裝置合成氣1831.8 k mol/h正丁醛3654.28 k mol/h異丁醛 385.79 k mol/h丙烯2683.-8 k mol/hc3h8 210.80 k mol/hh2 0.16 k mol/h雜質(zhì) 20.16 k mol/h圖2-2 物料平衡圖2.6 熱量衡算2.6.1能量衡算的意義與作用在化工生產(chǎn)過程中，各工序都要在嚴格控制的工藝下（如溫度、壓力、流量、濃度等）進行。經(jīng)歷各種化學(xué)變化和物理變化，進行著物質(zhì)的生產(chǎn)。在這過程中，各類化工單元操作，或者有動量的傳遞（如流量傳送）；或者有熱量的傳遞（

32、如換熱設(shè)備）；或者有伴隨熱量的質(zhì)量傳遞（如精餾，吸收等）。若有化學(xué)反應(yīng)，則不僅兼有“三傳”（動量傳遞，熱量傳遞，質(zhì)量傳遞），還具有“一反”（化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)吸收或放熱）。物質(zhì)在整個過程中發(fā)生質(zhì)量的傳遞和能量的變化。前者可從物料衡算中求得，后者則依據(jù)能量守衡定律，利用能量傳遞和轉(zhuǎn)化的規(guī)律，通過平衡計算求得，這樣的化工計算稱為能量衡算?；どa(chǎn)中，能量衡算概括起來應(yīng)用于以下幾個方面：(1) 確定效率 如流體輸運 、攪拌、粉碎等單元操作中所需效率。(2) 確定熱量或冷量 如蒸發(fā)、蒸餾、冷凝、冷卻、閃蒸等所需要的熱量或冷量。(3) 確定供熱效率或放熱效率 如化學(xué)反應(yīng)中，由于熱效應(yīng)（使體系的溫度上升

33、或下降）需確定的熱量或冷量。(4) 確定節(jié)能措施 為充分利用余熱，降低總能量消耗所采用的相應(yīng)措施。由此可見，能量衡算作為化工計算的一部分是非常重要的，所以我們必須對能量衡算進行認真嚴格的計算。2.6.2熱量衡算及所需媒質(zhì)的量熱平衡式： q1+q2+q3=q4+q5+q6； （2-1）式中 q1處理物料時需要的熱量 kj；q2加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量（符號規(guī)定加熱劑加 入熱量為“”，冷卻劑吸收熱量為“” ）kj；q3過程的熱效應(yīng)（符號規(guī)定放熱為“”，過程吸熱為“”，注意：q與熱焓符號相反，即q=h。如過程放熱則h 為“”，則q為“” ）kj；q4離開設(shè)備物料帶出的熱量 kj；q5設(shè)備

34、各部件所消耗的熱量 kj；q6設(shè)備向四周散失的熱量，又稱熱損失 kj。物料表表2-4 反應(yīng)器進口物料表反應(yīng)器進口物質(zhì)c3h6h2coc3h8雜質(zhì)k mol/h60.468.4858.83.180.72% mol32.932.9532.031.730.39表2-5 反應(yīng)器出口物料表反應(yīng)器出口物質(zhì)n-bali-balc3h8h2雜質(zhì)k mol/h53.455.354.7880.080.72% mol83.028.37.440.121.12生成熱和燃燒熱表2-6 生成熱和燃燒熱表1 atm,25下 生成熱 h/ kcal/mol1 atm,25下 燃燒熱 h/ kcal/molco,g-26.416

35、i-bal,g-596.8h2,g-1.0h2,g-68.31n-bal,g-52.40co,g-67.62c3h8-24.820c3h6-490.2c3h64.88臨界溫度，臨界壓力表2-7 臨界溫度和臨界壓力表臨界溫度tc/臨界壓力pc/atmco-140.2334.53h2-239.9012.80c3h691.845.6n-bal25339.5c3h896.5941.98各鍵的t、p表2-8 各鍵的t和p表tp- cho0.0480.33- ch -0.0120.210ch3 -0.0200.227氣體熱容cp表2-9 氣體熱容cpab103c106co6.34241.8363-0.28

36、01h26.4241.039-0.07804c3h62.25345.116-13.740c3h82.41057.195-17.5332.6.3熱量計算據(jù)物料衡算，凈化后合成氣設(shè)為120k mol/h進入，h2:co = 50.4:49.0，由于凈化所除去的雜質(zhì)量過小，所以忽略不計。為了調(diào)節(jié)h2與co的比1.07-1.09需加高純度氫氣，所以在計算中以 h2:co = 1.08:1為基準。則：n h2=62.31 k mol/hn h2=57.69 k mol/h1.合成氣初始狀態(tài)為40，2.6mpa.g下進入系統(tǒng)。經(jīng)預(yù)加熱器1519加熱到90，進入1120：查表得：tc co = -140.2

37、3, pc co = 34.53 atm = 3.5 mpatc h2 = -239.90, pc h2 = 12.80 atm = 1.3 mpa求q co： q co = ncp（t2-t1）6 （2-2）（1） 求co的 cp- cp：tr co = t/tc=2.55pr co =p/pc=0.743查表得cp- cp0.2 k cal/(k molk)=0.837 k j/(k molk)（2）求co的cp： cp= a + bt + ct2 （2-3）表2-10 co的a、b、c的值ab103c106co6.34241.8363-0.280140 cp=6.3424+1.83633

38、13/103-0.28013132/106=6.8898 k cal/(k molk) =28.83 kj/(k molk)90 cp =6.3424+1.8363363/103-0.28013632/106=6.9721 k cal/(k molk) =29.17 kj/(k molk)所以 =(cp1+ cp2)/2=1/2(28.83+29.17)=29 kj/(k molk)所以 cp= cp+0.837=29.837 kj/(k molk)所以 q co= =48.129.837（90-40）=71757.99 kj/(k molk) 同理求得 q h2=72971.4 kj/h所以

39、 q 總= q h2+q co=72971.4+71757.99=144729.39 kj/h=0.14106 kj/h2.合成氣從1120出來經(jīng)加熱器1520加熱到180，進入1121過程中物料由90，2.6mpa.g180，2.6mpa.g，h2:co = 1.08:1同理求得 q co=128333.21 kj/hq h2=132679.76 kj/hq 總 = q h2+q co=128333.21+132679.76=261012.97 kj/h=0.26106 kj/h3. oxo反應(yīng)器：因為反應(yīng)溫度為95，且已知25下的反應(yīng)數(shù)據(jù)，所以假設(shè)如下熱力學(xué)途徑：95，反應(yīng)物料25，反應(yīng)物

40、料25，反應(yīng)后物料95，反應(yīng)后物料h1h3h2h圖2-2熱力學(xué)途徑圖2-3熱力學(xué)途徑（1）h1求：co的 cp- cp：tr co = t/tc=2.51pr co = p/pc=0.457查圖得cp- cp0.11 k cal/(kmolk)=0. 460 kj/(kmolk)求：co的cp： cp= a + bt + ct2 （2-4）95 cp=6.3424+1.8363368/103-0.28013682/106=6.9803 k cal/(kmolk) =29.12 kj/(kmolk)25 cp=6.3424+1.8363298/103-0.28012982/106=6.8647

41、k cal/(kmolk) =28.72 kj/(kmolk)所以 =(cp1+ cp2)/2=1/2(29.12+28.72)=28.965 kj/(kmolk)所以 cp= 28.965+0.460=29.425 kj/(kmolk)求h2 的cp： cp= a + bt + ct2 （2-5）表 2-11 h2的a、b、c的值ab103c106h26.4241.039-0.0780495 cp=6.424+1.039368/103-0.78043682/106=6.701k cal/(kmolk) =28.048kj/(kmolk)25 cp=6.424+1.039298/103-0.7

42、8042982/106=6.664 k cal/(kmolk) =27.895 kj/(kmolk)所以 =(cp1+ cp2)/2=1/2(28.048+27.895)=27.97kj/(kmolk)求：h2的 cp- cp：tr co = t/tc=2.51pr co = p/pc=0.457查圖得cp- cp0.11 k cal/(kmolk)=0. 460 kj/(kmolk)求：c3h6的cp：tr co = t/tc=0.91pr co = p/pc=0.346查圖得cp- cp6 k cal/(kmolk)=25.104 kj/(kmolk) cp= a + bt + ct2 （

43、2-6）表 2-12 求cp時a、b、c的值ab103c106c3h62.25345.116-13.74095 cp=2.253+45.116368/103-13.7403682/10 0.6=16.996 k cal/(k molk) =71.111 kj/(kmolk)25 cp=2.253+45.116298/103-13.7402982/106=13.838 k cal/(kmolk) =51.898 kj/(kmolk)所以 =(cp1+ cp2)/2=1/2(71.111+51.898)=64.505kj/(kmolk) cp=64.505+25.104=89.609kj/(kmo

44、lk)h1 n-bal =ncp.m(t2-t1) （2-7）=（53.4529.425+53.4527.97+53.4589.609）（25-95）=-550015.47kj/h h1 i-bal =ncp.m(t2-t1) （2-8）=（5.3529.425+5.3527.97+5.3589.609）（25-95）=-55056.74kj/hh1 c3h8 =ncp.m(t2-t1) （2-9）=（1.6027.97+1.6089.609）（29-95）=-11506.60 kj/h(2)反應(yīng)熱 h2由于查到的數(shù)據(jù)為n-bal和c3h8 在25，1atm下的生成熱，i-bal查到的數(shù)據(jù)為2

45、0，1atm下的燃燒熱，所以：h298 reac n-bal=（nih298.f）prod-（nih298.f）reactant=h298.n-bal -h298.h2-h298.c3h6-h298.co=1(-52.40)- 1(-26.416)- 1(-1.0)- 14.88=-29.864 k cal/ mol=-124950.98 kj/kmolh293 reac i-bal =（nih293.c）reactant -（nih293.c）prod=h298.c3h6+h298.co+h298.h2-h298.i-bal=1(-490.2)- 1(-67.82)- 1(-68.31)-

46、1(-596.8)=-29.33 k cal/ mol=-122716.72 kj/kmolh298 reac c3h8=（nih298.f）prod-（nih298.f）reactant=h298.c3h8-h298.h2-h298.c3h6=1(-24.820)- 1(-1.0)- 14.88=-28.7 k cal/ mol=-120080.8 kj/kmol(3)h3由于n-bal、i-bal熱容不能直接查到，所以由rihani-doraiswamy法查得,如下表表 2-13 a、b、c、d的值n-bal官能團ab102c104d1061個ch3 -0.60872.1433-0.085

47、20.0011352個- ch2 -0.39450.1363-0.01970.0025961個- cho3.51840.94370.0614-0.006978合計4.19617.3596-0.2632-0.000651所以：cpn-bal=4.1961+7.3596t/102-0.2632t2/104-0.000651t3/10695 cp=4.1961+7.3596368/102-0.26323682/104-0.0006513683/106=28.4675 k cal/(kmolk) =119.11 kj/ (kmolk)25 cp=4.1961+7.3596298/102-0.26322

48、982/104-0.0006512983/106=24.5276 k cal/(kmolk) =102.62 kj/(kmolk) =(cp1+ cp2)/2=1/2(119.11+102.62)= 110.86kj/(kmolk)表 2-14 a、b、c、d的值 i-bal官能團ab102c104d1062個ch3 -0.60872.1433-0.08520.0011351個- ch -3.52323.4158-0.28160.0080151個- cho3.51840.94370.0614-0.006978合計1.21268.6461-0.39060.003307所以：cpi-bal=1.2

49、126+8.6461t/102-0.3906t2/104+0.003307t3/10695 cp=1.2126+8.6461368/102-0.39063682/104+0.0033073683/106=27.7405 k cal/(kmolk) =116.06kj/(kmolk)25 cp=1.2126+8.6461293/102-0.39062932/104+0.0033072933/106=23.2618 k cal/(kmolk) =97.33 kj/(kmolk)所以 =(cp1+ cp2)/2=1/2(116.06+97.33)= 107.05 kj/(kmolk)求：c3h8 的cp：cp= a + bt + ct2表 2-15 a、b、c的值ab103c106c3h82.41057.195-17.53395 cp=2.410+57.195368/103-17.5333682/106=21