年產(chǎn)3萬噸乙烯催化氧化生成乙醛工藝設(shè)計(jì)

1、*課程設(shè)計(jì)課 程 名 稱化工工藝課設(shè)專 業(yè) 班 級(jí)學(xué) 生 姓 名班 級(jí) 序 號(hào)指 導(dǎo) 教 師實(shí) 驗(yàn) 時(shí) 間目錄1.綜述11.1產(chǎn)品性能介紹11.2產(chǎn)品需求11.3生產(chǎn)方法21.3.1乙炔水化法21.3.2乙醇氧化法41.3.3烷烴直接氧化法51.4流程敘述71.4.1反應(yīng)崗位71.4.2精餾崗位81.4.3再生崗位92設(shè)計(jì)工藝計(jì)算102.1原材料和成品的技術(shù)規(guī)格102.1.1原材料102.1.2成品112.1.3生產(chǎn)指標(biāo)112.1.4生產(chǎn)規(guī)模112.1.5原料來源112.1.6生產(chǎn)制度112.2物料衡算122.2.1基礎(chǔ)計(jì)算122.1.2冷凝器的物料衡算142.2熱量衡算172.2.1.反應(yīng)熱

2、172.2.2凝器熱量衡算182.3 設(shè)備計(jì)算202.3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)202.3.2純?nèi)├淠髟O(shè)備計(jì)算204.冷凝器設(shè)備CAD214.1裝配圖224.2附件及剖面圖234.3工藝流程圖24參考文獻(xiàn)25附 錄26乙烯催化氧化生成乙醛工藝設(shè)計(jì)1.綜述1.1產(chǎn)品性能介紹乙醛（acetaldehyde）是一種醛，又名醋醛，無色易流動(dòng)液體，有刺激性氣味。熔點(diǎn)121，沸點(diǎn)20.8，相對(duì)密度小于1?？膳c水和乙醇等一些有機(jī)物質(zhì)互溶。易燃易揮發(fā)，蒸氣與空氣能形成爆炸性混合物，爆炸極限4.0%57.0%（體積）。天然存在于圓柚、梨子、蘋果、覆盆子、草莓、菠蘿、干酪、咖啡、橙汁、朗姆酒中。具有辛辣、醚樣氣味，稀釋后具

3、有果香、咖啡香、酒香、青香。乙醛也是一種重要的烴類衍生物，在合成工業(yè)上也是一種重要的中間體，其本身幾乎沒有直接的用途，完全取決于市場(chǎng)對(duì)它的下游產(chǎn)品的需求及下游產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)路線的選擇,主要用于醋酸、醋酐、醋酸乙烯等重要的基本有機(jī)化工產(chǎn)品。但是隨著科技的發(fā)展,原來完全以乙醛為原料的化工產(chǎn)品(如醋酸)可能會(huì)改變?cè)下肪€和生產(chǎn)方法,乙醛下游產(chǎn)品的市場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化,乙醛下游產(chǎn)品的開發(fā)會(huì)出現(xiàn)一些全新的產(chǎn)品。1.2產(chǎn)品需求國(guó)內(nèi)乙醛生產(chǎn)方法有乙烯氧化法、乙醇氧化法和乙炔氧化，法烷烴直接氧化四種技術(shù)路線。生產(chǎn)的乙醛絕大多數(shù)都用于生產(chǎn)醋酸的原料，只有少量用于生產(chǎn)季戊四醇、醋酐、丁醇、丁酸、過氧醋酸等產(chǎn)品?？梢哉f國(guó)內(nèi)

4、乙醛的下游產(chǎn)品在某種意義上說就是乙醛經(jīng)醋酸而生產(chǎn)的下游產(chǎn)品。據(jù)1994年出版的中國(guó)化學(xué)工業(yè)統(tǒng)計(jì)信息報(bào)道，1993年吉化公司等12家的乙醛產(chǎn)量為26.7萬噸，估計(jì)國(guó)內(nèi)總生產(chǎn)能力可達(dá)到30多萬噸。然而總體來說我國(guó)醋酸生產(chǎn)裝置數(shù)量多，裝置能力小，據(jù)1993年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)醋酸的總生產(chǎn)能力為47.26萬噸，1992年產(chǎn)量為44.37萬噸，其中乙烯法約占64，酒精法約占33，乙炔法約占3.2。但由于醋酸下游產(chǎn)品的需求量巨大，有人預(yù)計(jì)今后幾十年內(nèi)我國(guó)醋酸市場(chǎng)將日趨緊俏，因而改進(jìn)裝置提高乙醛生產(chǎn)能力，從而增大醋酸產(chǎn)量以成當(dāng)務(wù)之急。另外，以乙醛為原料生產(chǎn)其它產(chǎn)品的工藝在我國(guó)仍為得到較大發(fā)展，如國(guó)內(nèi)已生產(chǎn)的乙醛下游

5、產(chǎn)品，除了醋酸系列產(chǎn)品外，還有季戊四醇、丁烯醛、丁酸、三氧乙醛等產(chǎn)品，但相對(duì)來看產(chǎn)量很少。在我國(guó)，季戊四醇的乙醛消耗量占第二位，但產(chǎn)量和裝置能力都較低。1992年季戊四醇的實(shí)際產(chǎn)量為13243噸，耗乙醛約為5300噸，只占乙醛總產(chǎn)量的1.7%。但是可以預(yù)計(jì)隨著該類產(chǎn)品的走俏，作為原料的乙醛需求量越來越大1。1.3生產(chǎn)方法乙醛的生產(chǎn)有三種，分別是乙炔水化法、乙醇氧化法、乙烯絡(luò)合氧化法。1.3.1乙炔水化法在高汞離子或磷酸鈣存在下,乙炔與水進(jìn)行加成反應(yīng)即生成乙醛。反應(yīng)式為： (1)乙炔水合法生產(chǎn)乙醛是一種古老的方法，我國(guó)目前基本沒有用此法生產(chǎn)乙醛。該法分為汞法和非汞法兩種，汞法生產(chǎn)一噸乙醛要消耗0

6、.8公斤金屬汞，汞蒸汽會(huì)逸出會(huì)嚴(yán)重危害身體健康，污染環(huán)境。因此以前一般都用非汞法，是以可、磷酸鈣為催化劑，并且以天然氣乙炔為原料，采用多層塔式固定床反應(yīng)器，但方法的催化劑中的鎘劇毒，且強(qiáng)度差，消耗高，生產(chǎn)成本高。乙炔水合法不需要貴金屬把催化劑和制氧設(shè)備及種耐酸材料,生產(chǎn)規(guī)?？纱罂尚?在有天然氣或煤炭和水電資源的地區(qū)因地制宜地采用乙炔水合法生產(chǎn)乙醛在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上仍然站得住。1.德國(guó)方法是被廣泛采用的方法，其反應(yīng)基本上是在常壓及90100的溫度下進(jìn)行。在此過程中,除乙炔水合生成乙醛外,不可避免地還有一些副產(chǎn)物伴生。其中特別需要加以控制,否則將會(huì)影響乙醛產(chǎn)率的是乙醛氧化成乙酸及乙醛精合(繼而脫水)成丁

7、烯醛(及樹脂狀物)。這一方法存在一些缺點(diǎn),主要有：(1)在反應(yīng)過程中使用大量的乙炔進(jìn)行循環(huán)，一方面易使催化劑中毒,另方面有可能增加乙炔及乙醛的揖失；(2)反應(yīng)放出的熱量為乙醛、乙炔及水蒸汽等移出反應(yīng)系杭而散失,在提漢晨乙醛時(shí)又再施以大量熱能進(jìn)行精韶；(3)如果乙醛的精餾于常壓下進(jìn)行,Rlj還需要冷凍冷凝；(4)流程相當(dāng)復(fù)雜。2.窒素方法為克服德國(guó)方法存在的缺點(diǎn)，才研究成功井發(fā)展了窒素方概這一方法乃基于下列事實(shí)：(1)乙炔水合是一劇烈的放熱反應(yīng),生成每克分子乙醛其反應(yīng)熱為3.37千卡。(2)由于乙醛一水的二元混合物的汽液祖成分布很竟，因此用蛟小的迥流此郎可借精貂而分離之。這就表明,用蛟少的熱量良

8、p能達(dá)到乙醛提浪的目的。窒素方法的工藝流程如圖所示。圖一 窒素方法的工藝流程圖1-反應(yīng)塔；2-洗滌塔；3-閃蒸器；4-分凝塔；5-精餾塔；6-冷凝器；7-受器。將適量乙炔通入盛有催化溶液的反應(yīng)塔中進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)溫度為6873，反應(yīng)壓力為1.41.5公斤/厘米。在此條件下,乙炔基本上完全轉(zhuǎn)化。乙炔中含有的少許惰性氣體通過洗滌塔進(jìn)行洗滌后，散逸于大氣中。反應(yīng)所用的催化溶液耀洗滁塔而于反應(yīng)塔的上部加入。含有1.52%乙醛的催化溶液,即所謂母液進(jìn)入閃蒸器，在此借真空及母液的顯熱而急閃蒸發(fā)，逸出的蒸氣中含有70%(以重量舒)的乙醛。已被分離掉60%乙醛而溫度低于反應(yīng)溫度5的母液，重新返回反應(yīng)塔,以便循環(huán)

9、利用。從閃蒸器出來的蒸氣進(jìn)入分凝塔中,部份水被冷凝,同時(shí)蒸氣的溫度降至35。這時(shí)蒸氣中乙醛的含量提高到86%。離開分凝塔的蒸氣經(jīng)加壓至2.5公斤/厘米2，后進(jìn)入精餾塔。借蒸氣本身的潛熱及壓縮產(chǎn)生的熱量作為精餾操作的熱源。由于乙醛與水易于分離，精餾時(shí)所需回流比不大，故并不再需要外界供熱。此外,由于精餾系統(tǒng)在2.5公斤/厘米2的壓力下進(jìn)行，這時(shí)，乙醛的液化溫度為45,故其冷凝用普通冷卻永即能實(shí)現(xiàn)之。總括起來,窒素方法具有下列優(yōu)點(diǎn)：(1)不使用過量乙炔，故取消了乙炔的循環(huán)操作；(2)反應(yīng)溫度低，故副反應(yīng)少，產(chǎn)率高；(3)借真空急閃蒸發(fā)及加壓精餾，使反應(yīng)熱先移出而后再利用；(4)操作中不用冷凍冷凝；(

10、5)流程筒單，設(shè)備少，乙炔不循環(huán)，故乙炔的機(jī)械及操作損失小。當(dāng)然亦存在一些問題：由于溫度低，又不用過量乙炔，故反應(yīng)速度較慢，為彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，就必須設(shè)計(jì)較大的反應(yīng)裝置。1.3.2乙醇氧化法該反應(yīng)是在銅鋅鉻為催化劑，溫度為310下氧化制得。反應(yīng)式如下 (2)乙醇氧化或脫氫制乙醛工藝都是傳統(tǒng)的乙醛生產(chǎn)方法。經(jīng)典的乙醇氧化法占多數(shù)，它是采用銀催化劑，反應(yīng)溫度為550580，單程收率7075%，選擇性95%左右，乙醇單耗為1.11.28噸/乙醛。乙醇氧化是強(qiáng)放熱反應(yīng)，避免乙醛在高溫下發(fā)生分解和能量回收是目前乙醛生產(chǎn)的重要關(guān)鍵之一。從化學(xué)反應(yīng)可看出，銅鋅鉻催化體系的乙醇脫氫制乙醛工藝，反應(yīng)溫度低(310以

11、下)，乙醛不易發(fā)生熱分解，乙醛收率比氧化法高，同時(shí)付產(chǎn)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的氫。A.M.Eopucom等推薦用含7886(重量%)氧化銅和2114(重量%)氧化鉻組成的鉻酸銅為催化劑。反應(yīng)溫度在260320，壓力在1.11.5大氣壓，原料體積連率39/時(shí)條件下脫氫。采用32毫米的脫氫反應(yīng)管，裝有120毫升鉻酸銅催化劑，生產(chǎn)能力為18002000克/升催化劑·時(shí)。57x2.5毫米的脫氫反應(yīng)管總共有250根，裝有880升催化劑，生產(chǎn)能力為465520克/升催化劑·時(shí)。在穩(wěn)定操作條件下,催化劑使用了77979049時(shí)。R.M.Moorijanl共試制了15種負(fù)載型催化劑，并測(cè)定了它們的活性

12、、選擇性和壽命。所用載體分別為磁器粘士、硅膠、硅藻土、泡砂石、合成濾石、玻璃沙、原砂等。催化劑有效成份為銅，助催化劑為鎳或鉻。1.3.3烷烴直接氧化法本設(shè)計(jì)采用第三種方法即乙烯絡(luò)合氧化法，本工段選用一段法直接氧化成乙醛，其反應(yīng)原理如下為：總反應(yīng)式為： (3)事實(shí)上,該反應(yīng)是通過幾個(gè)反應(yīng)步驟進(jìn)行的：毅化反應(yīng)： (4)金屬氧化反應(yīng)： (5) (6)在這個(gè)反應(yīng)中,按照生成乙醛數(shù)量,氯化銅按化學(xué)當(dāng)量被還原為氯化亞銅。在較低濃度時(shí),氯化亞銅以二氯絡(luò)合物形式存在于溶液中,在強(qiáng)烈還原時(shí),能使氯化亞銅沉淀,溶液氯離子濃度低時(shí),氯化亞銅也易沉淀。生成的氯化亞銅在酸性溶液中用空氣或氧氣容易重新氧化為氯化銅。由于C

13、uCl2，CuCl和PdCl2等均參與反應(yīng)，且反應(yīng)前后基本沒有變化，所以共形成催化劑。選擇適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件，溫度與壓力，催化劑組成和乙烯氧氣混合組成等，使金屬氧化反應(yīng)速度和碳化反應(yīng)速度趨于一致，即可保證總反應(yīng)(1)得以連續(xù)進(jìn)行，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目的。本反應(yīng)副產(chǎn)物很少,選擇性二般為95%左右，主要副產(chǎn)品是醋酸、草酸、巴豆醛、二氧化碳和微量的氣態(tài)氯代烴以及不溶性褐色殘?jiān)呔畚?等2。工業(yè)上乙烯氧化是在液相催化劑水溶液中進(jìn)行的。液相反應(yīng)有下列二種方式：1. 一段法特點(diǎn)是：羰基反應(yīng)與催化劑再生反應(yīng)在同一反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，保持催化劑的一定氧化度。(見下圖)圖二 一段法工藝流程圖循環(huán)氣體與乙烯被引入充滿催化劑

14、溶液的垂直反應(yīng)器，純氧亦同時(shí)引入反應(yīng)器的底部。反應(yīng)在微壓下進(jìn)行(約3大氣壓)，反應(yīng)溫度為120。反應(yīng)熱由部分水的蒸發(fā)熱移去。被蒸發(fā)的水必須予以補(bǔ)充，以保持恒量的催化劑溶液。氣體反應(yīng)混合物(蒸汽、未反應(yīng)的乙烯和反應(yīng)產(chǎn)物)引入洗滌分離塔，利用水淋灑以吸收乙醛。脫盡乙醛的氣體循環(huán)返回反應(yīng)塔。其中一部分氣體放空，以保持其惰性氣體含量恒定在一定范困之內(nèi)?？偸章蕿?5%。副產(chǎn)品為CO2，CH3C，,C2H5CI，CHCI3，CH2CI2，CH2CICH2CI，CH2OHCH2CI和氯代乙醛等。副產(chǎn)品中簡(jiǎn)有少量的草酸，成為難溶的草酸銅而存在于溶液中的。2. 二段法羰基反應(yīng)與催化劑再生反應(yīng)在相串聯(lián)的各自的反應(yīng)

15、器內(nèi)進(jìn)行(如下圖)。圖三 二段法流程圖乙烯與催化劑溶液在反應(yīng)塔進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)溫度韻為100，反應(yīng)壓力為810大氣壓。反應(yīng)后催化劑在分離塔放壓，利用反應(yīng)熱蒸出乙醛。催化劑用循環(huán)泵打至再生塔，在這里用空氣進(jìn)行氧化。具有一定氧化度的催化劑再進(jìn)入反應(yīng)塔進(jìn)行羰基反應(yīng)。這一流程的特點(diǎn)在于：可使用富乙烯氣體作為原料，采用空氣作為氧化劑。分二段反應(yīng)可以避免構(gòu)成爆炸氣體混合物的生成，且成本較一段法便宜3.3%，因此目前世界各國(guó)均趨向于二段法的工藝流程。當(dāng)然，一段法流程亦有其優(yōu)點(diǎn)，例如：基本投資較二段法便宜20%；由于反應(yīng)在同一反應(yīng)塔內(nèi)進(jìn)行，可以避免使用耐腐蝕循環(huán)泵，簡(jiǎn)化工藝流程。因此決定二法的優(yōu)劣，尚需根據(jù)當(dāng)時(shí)

16、當(dāng)?shù)鼐唧w情況而定3。3. 直接氧化法的主要技術(shù)問題及發(fā)展前途就操作條件而言，直接氧化是在較低溫蛟低壓的緩和條件下進(jìn)行的。操作簡(jiǎn)單，容易掌握。收率一般在95%以上，副產(chǎn)品幾乎可以略而不計(jì)，有利于工業(yè)生產(chǎn)。當(dāng)然在工業(yè)實(shí)踐中，亦將會(huì)遇到不少困難。首先是作為催化劑粗組成之一的氯化鈀貴金屬鹽類需要大量供應(yīng)。雖然這些鈀鹽在以后的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果沒有任何機(jī)械損耗，可以無需添補(bǔ)，或補(bǔ)充甚微。但為建廠所需的鈀鹽的數(shù)量亦是相當(dāng)驚人。特別對(duì)鈀資源缺乏的國(guó)家會(huì)造成一定的困難。其次是反應(yīng)設(shè)備的桔構(gòu)材料問題(包括為循環(huán)催化劑溶液用的循環(huán)泵)，這也是這一流程的關(guān)鍵所在。在90130時(shí)含水分的鹽酸氣體要求設(shè)備材料有良好的耐腐

17、蝕性能。同時(shí)由于有銅鹽和鈀鹽的存在，為了防止這兩種鹽的還原，對(duì)設(shè)備材料的要求就更形嚴(yán)格。在工業(yè)上西德是采用襯鈦的反應(yīng)設(shè)備，同時(shí)亦提出在循環(huán)泵內(nèi)襯鈦是目前的一項(xiàng)迫不及待的研究裸題，需要迅速解決。另外在沒備材料方面亦有考慮使用非金屬如橡膠、聚乙烯等作為襯里的。直接氧化法可以推廣為其他校高碳數(shù)的酮醛的直接制法。最引人注目的為丙烯直接氧化制丙酮。反應(yīng)條件和流程與上述乙醛生產(chǎn)大同小異，估計(jì)目前國(guó)外已經(jīng)完成了小型試驗(yàn)而即將投入大型生產(chǎn)。無疑地在丙酮的生產(chǎn)中它將是最經(jīng)濟(jì)合理的方法之一。與其他方法相比較，直接氧化法在原料經(jīng)濟(jì)合理性方面具有巨大的優(yōu)越性。如果以乙烯直接氧化法(二段法)的乙醛成本為1，則乙炔液相水

18、合為1.30，乙醇脫氫則為1.66。隨著石油加工數(shù)量的急劇增長(zhǎng)以及石油二級(jí)加工范圍的擴(kuò)大，大大地提供了獲得巨量廉價(jià)的乙烯以及其他烯烴的可能性?？梢灶A(yù)期：隨著石油工業(yè)的突飛猛進(jìn)，乙烯道接氧化制取乙醛將獲得巨大的發(fā)展4。1.4流程敘述1.4.1反應(yīng)崗位由吸收塔來的循環(huán)氣經(jīng)水環(huán)壓縮機(jī)，然后經(jīng)氣水分離，氣體由分離器頂部出來，由與廠來的新鮮乙烯在管道中混合，然后進(jìn)入反應(yīng)器底部。新鮮氧氣單獨(dú)送入反應(yīng)器下部。乙烯和氧氣在反應(yīng)器內(nèi)，在溫度125至130，壓力33.5bar，經(jīng)氯化鈀氯化銅的鹽酸水溶液作用，進(jìn)行反應(yīng)生成氣體乙醛，含有氣體乙醛和未反應(yīng)的乙烯，氧氣，水蒸汽等夾帶著催化劑的合成氣經(jīng)反應(yīng)器和除沫器之間的

19、兩根導(dǎo)管進(jìn)入除沫器，在此進(jìn)行氣液分離，液相催化劑經(jīng)除沫器底部的催化劑循環(huán)管返回反應(yīng)器。為保持催化劑的活性穩(wěn)定，從催化劑循環(huán)管每小時(shí)引出5至6立方米催化劑送往再生工序進(jìn)行氧化再生，經(jīng)氧化再生后的催化劑，從反應(yīng)器底部送回反應(yīng)系統(tǒng)。夾帶微量催化劑的合成氣進(jìn)入第一冷凝器被冷卻至105115，在此合成氣中的水蒸氣部分被冷凝下來，經(jīng)一冷受液槽催化劑再生工序尾氣洗滌塔送來的吸收液混合，經(jīng)凝液輸送泵，從除沫器上部噴淋加入除沫器，為補(bǔ)充在反應(yīng)過程中催化劑損失掉的水分，在凝液輸送泵補(bǔ)加脫鹽水，未凝氣體進(jìn)第二冷凝器，進(jìn)一步冷凝冷卻至75以下，凝液經(jīng)凝液槽進(jìn)入吸收塔塔釜，未凝氣體進(jìn)第三冷凝器，冷凝下來的凝液進(jìn)入吸收塔

20、塔釜，未凝氣體在此冷卻至45以下進(jìn)入吸收塔下部，在吸收塔上部加入每小時(shí)2.5至60立方米的工藝水吸收。吸收液，第二冷凝器的冷凝液，第三冷凝器的冷凝液一并經(jīng)過粗醛過濾器，冷卻器的飽和蒸汽經(jīng)減壓至2.5bar，供廠房采暖和管線設(shè)備伴線使用。1.4.2精餾崗位用泵將粗乙醛從抽出送至螺旋換熱器，與塔底排出的廢水換熱，溫度升到95后，進(jìn)入脫輕組分塔，塔在3bar的壓力操作下，直接蒸汽加熱，控制塔頂溫度60，塔釜為106，從塔頂蒸出氯甲烷，氯乙烷等低沸物，進(jìn)入塔頂冷凝器冷凝，凝液回流（回流比為68）未凝氣體去火炬燃燒，為減少隨低沸物帶走的乙醛量，在塔頂加萃取水，脫去低沸物的粗乙醛，從塔釜流入純?nèi)┧?，該塔?/p>

21、操作壓力1.2bar直接水蒸氣加熱，控制塔底溫度為125，通過調(diào)節(jié)回流量控制塔頂溫度約43，從塔頂蒸出的純?nèi)┻M(jìn)入純?nèi)├淠魉椭脸善饭迏^(qū)，塔釜排出含醛量<0.1的廢水經(jīng)熱交換器，冷卻器冷卻至40以下流到廢水中和工序。冷凝器排出的未凝氣體經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入吸收塔，用冷卻至45以下，流入粗醛貯罐。吸收塔頂部排出的循環(huán)氣，絕大部分返回循環(huán)壓縮機(jī)經(jīng)壓縮后重新參加反應(yīng)，為避免惰性氣體在反應(yīng)系統(tǒng)的積聚，將少量循環(huán)氣連續(xù)經(jīng)阻火器排至火炬燒掉。為防止火炬在燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的黑煙，必需向火炬適當(dāng)通入消煙蒸氣，為了補(bǔ)充在反應(yīng)過程中由于生成副產(chǎn)物消耗掉的鹽酸，由鹽酸計(jì)量泵每小時(shí)加入鹽酸50立升左右，經(jīng)催化劑循環(huán)

22、管補(bǔ)加鹽酸，當(dāng)反應(yīng)器，除沫器出現(xiàn)故障時(shí)，可將其內(nèi)催化劑放入觸媒收集坑。本崗位設(shè)有脫鹽水貯罐和工藝水貯罐，做為緩沖罐使用，脫鹽水經(jīng)送往用戶，工藝水經(jīng)送往用戶，進(jìn)入車間的過熱蒸汽經(jīng)減壓飽和處理，將31bar的過熱蒸汽經(jīng)減壓調(diào)節(jié)并用泵補(bǔ)入脫鹽水后，以14bar飽和蒸汽的形式送往再生火炬，并將9bar的過熱蒸汽經(jīng)減壓調(diào)節(jié)，并用泵補(bǔ)加脫鹽水后，以5.5bar飽和蒸汽形勢(shì)送往反應(yīng)，精餾，將5.5bar水吸收氣體中的乙醛，吸收液流入粗醛貯槽，塔頂廢氣送火炬。為保持塔和的塔壓力穩(wěn)定，可適當(dāng)調(diào)節(jié)塔內(nèi)的保壓氮?dú)獾牧髁?。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的不合格乙醛，則送至不合格乙醛貯槽貯存，定期用泵打入粗醛槽，為保持純?nèi)┵|(zhì)量，從塔精

23、餾段的第四塊塔板連續(xù)采出75.4kg/h的巴豆醛餾分，經(jīng)冷卻器冷卻，進(jìn)混合罐與100kg/h的工藝水混合后，流入萃取塔，在頂部加100kg/h工藝水，萃取巴豆醛中的乙醛，含醛水溶液從底部經(jīng)U型管流至粗醛貯罐，從塔上部流出含60巴豆醛的有機(jī)相進(jìn)入巴豆醛貯槽，定期用泵打入槽車，送往焙燒爐燒掉。粗醛槽和巴豆醛貯槽用氮?dú)獗涸?.3bar，純?nèi)┵A槽用氮?dú)獗涸?.81.6bar，各貯槽的放空氣體進(jìn)吸收塔回收乙醛。1.4.3再生崗位來自除沫器循環(huán)管連續(xù)采出的56 /h觸媒，經(jīng)加入鹽酸和氧氣，把Cu()氧化為Cu（）進(jìn)入旋風(fēng)分離器，在此保持液面，通入氮?dú)鈹嚢?，將溶解在觸媒中的乙醛，醋酸等吹出脫氣后的觸媒經(jīng)

24、壓濾機(jī)過濾后，用觸媒輸送泵打進(jìn)再生器，用直接蒸汽加熱到120，壓力控制在911bar，通入50100 /h的氧氣，分解草酸銅和不溶解性殘?jiān)?，使觸媒中的殘?jiān)勘３衷?00克/升左右，再生的觸媒進(jìn)入閃蒸槽，并控制壓力5bar左右，保持一定的液面，把溶解在觸媒中的氣體分離出來，合格的觸媒從底部返回反應(yīng)器。為了回收尾氣中的乙醛，從旋風(fēng)分離器和閃蒸罐頂部出來的氣體進(jìn)入冷凝器冷凝，未凝氣進(jìn)入尾氣洗滌塔吸收后去火炬燃燒。尾氣洗滌塔的吸收液，冷凝器的冷凝液和泵的軸密封水，用乙醛回收泵打到凝液輸送泵的進(jìn)口進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)。鹽酸由管道送到鹽酸貯槽貯存，當(dāng)需要時(shí)壓入鹽酸計(jì)量槽，這兩槽的放空鹽酸氣體進(jìn)入鹽酸氣吸收塔，用

25、工藝水吸收后氣體放空，吸收液流入下水道。鹽酸計(jì)量槽的鹽酸經(jīng)鹽酸計(jì)量泵送到觸媒氧化道或除沫器觸媒循環(huán)管。2設(shè)計(jì)工藝計(jì)算隨著世界工業(yè)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)過程變得越來越復(fù)雜，對(duì)于衡量生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)性，合理性等問題，便成為組織生產(chǎn)中的重要問題，化工產(chǎn)品的生產(chǎn)也是如此，生產(chǎn)過程的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，例如產(chǎn)品產(chǎn)量，原料消耗量，公用工程的水，電，汽的消耗量，聯(lián)產(chǎn)品和副產(chǎn)品的數(shù)量等都是十分重要的工藝指標(biāo)，為了衡量其先進(jìn)性，經(jīng)濟(jì)性，合理性，就要進(jìn)行化工生產(chǎn)過程中的局部或全過程的物料衡算和熱量衡算。物料衡算是三算中最基本的，因此進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，首先要進(jìn)行物料衡算?，F(xiàn)在，化工生產(chǎn)基本采用連續(xù)化生產(chǎn)，其特點(diǎn)是不斷、穩(wěn)定的向反應(yīng)

26、系統(tǒng)或設(shè)備投入物料，同時(shí)取出相同數(shù)量的物料，設(shè)備中某一區(qū)域的反應(yīng)參數(shù)（如溫度，壓力，濃度，流量）不隨時(shí)間而變，局部反應(yīng)條件可不一致，但總條件不隨時(shí)間變化。計(jì)算基準(zhǔn)：以單位時(shí)間（小時(shí)）為佳，物料衡算式：（質(zhì)量守恒定律）。進(jìn)入系統(tǒng)的物料量流出系統(tǒng)的物料量系統(tǒng)內(nèi)累計(jì)的物料量，對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)過程累計(jì)0，此時(shí)進(jìn)出。衡算一般以進(jìn)，出物料的總重量為準(zhǔn)進(jìn)行，分子數(shù)在反應(yīng)過程中有變化，不可以做基準(zhǔn)5。2.1原材料和成品的技術(shù)規(guī)格2.1.1原材料表1 原材料中各組分摩爾分?jǐn)?shù)名稱氧氣氮?dú)庖蚁┮彝槟柗謹(jǐn)?shù)（）99.01.0099.70.32.1.2成品表2 成品中各組分摩爾分?jǐn)?shù)名稱乙醛水丁醛醋酸摩爾分?jǐn)?shù)（）99.00.

27、060.020.022.1.3生產(chǎn)指標(biāo)乙烯單程轉(zhuǎn)化率是38.03，乙醛的單程收率是37.24，選擇性是97.92。表3 副產(chǎn)物中各組分摩爾分?jǐn)?shù)組分二氧化碳氯甲烷氯乙烷丁醛醋酸高沸物摩爾分?jǐn)?shù)（）48.023.531.543.7440.093.08表4 循環(huán)氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)組分水氮?dú)庋鯕庖蚁┮彝槎趸悸燃淄槁纫彝槟柗謹(jǐn)?shù)(%)0.827.148.0165.014.2713.70.940.112.1.4生產(chǎn)規(guī)模年產(chǎn)量3萬噸（即4.17噸/小時(shí)）。2.1.5原料來源乙烯來自乙烯廠，氧氣和氮?dú)鈦碜砸叶紡S空分車間，低壓蒸汽來自動(dòng)力廠或熱電廠。2.1.6生產(chǎn)制度本車間的年工作時(shí)間是7200h，并采用連

28、續(xù)操作，工人則采用四班倒制，連續(xù)三班操作。流程中存在的問題：在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品無法利用，且采用的催化劑腐蝕性較大，為此對(duì)材質(zhì)要求高。2.2物料衡算2.2.1基礎(chǔ)計(jì)算(1)生產(chǎn)能力：3萬噸/年(2)生產(chǎn)時(shí)間：全年7200小時(shí)(3)產(chǎn)品要求：乙醛99.9%（mol%）水0.1（mol%）(4)原料規(guī)格：乙烯99.7%（含乙烷0.3%），氧氣99.00%（含氮1.00%）(5)乙烯的單位轉(zhuǎn)化率：39.5%(6)乙烯生成乙醛的單程吸收率37.00%(7)乙烯的選擇性：37.00%/39.5%(8)補(bǔ)加鹽酸的濃度31.00%(質(zhì)量)(9)催化劑增水量225.30kg/h(10)吸收塔底含乙醛4.4

29、6%（mol%）(11)反應(yīng)部分乙醛損失0.99%（mol%）(12)精餾部分乙醛損失1.00%（mol%）乙烯，乙醛等相關(guān)物性數(shù)據(jù)如下表：表5 物性數(shù)據(jù)分子量(g/mol)熔點(diǎn)/沸點(diǎn)/乙烯28.054-169.15-103.74乙醛44.053-12320.851. 反應(yīng)器實(shí)際生產(chǎn)乙醛量的計(jì)算平均生產(chǎn)時(shí)間為7200h,且及實(shí)際生產(chǎn)量W(kmol/h)為：W=(30000×1000)/7200/44=94.697(kmol/h)實(shí)際生產(chǎn)的乙醛量理論生產(chǎn)的乙醛量損失的乙醛量94.697 X X×10所以94.697X10×X 解方程得：X105.219（kmol/h

30、）2. 乙烯消耗量的計(jì)算（生成目標(biāo)產(chǎn)物的乙烯消耗量） 1 1 X 105.219 X105.219（kmol/h）3. 加入反應(yīng)器的乙烯量的計(jì)算收率轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的乙烯量/加入反應(yīng)器的乙烯量×10037.24105.219/X X282.543（kmol/h）4. 副產(chǎn)物消耗的乙烯量選擇性轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的乙烯消耗量/反應(yīng)掉的原料量×10097.92105.219/X X=107.454（kmol/h）副產(chǎn)物消耗的乙烯量107.454-105.219=2.235（kmol/h）5. 生成目的產(chǎn)物的耗氧量1 1/2 105.219X X=52.609（kmol/h）6. 副產(chǎn)物

31、的量及組成利用碳原子守恒計(jì)算副產(chǎn)物的生成量，反應(yīng)物碳原子數(shù)目生成物碳原子數(shù)目。計(jì)算結(jié)果見表66。表6 副產(chǎn)物含量序號(hào)名稱分子式組成（）含量（kmol/h）1二氧化碳CO248.021.3502氯甲烷CH3Cl3.530.0993氯乙烷C2H5Cl1.540.0434巴豆醛C3H5CHO3.740.1055高沸物含三個(gè)C3.080.0866醋酸CH3COOH40.091.1277總量1.002.8107. 總耗氧量生成目的產(chǎn)物的耗氧量副產(chǎn)物的耗氧量副產(chǎn)物的耗氧量1.350×1000.105×0.501.1272.530（kmol/h總耗氧量52.609+2.53055.139

32、（kmol/h）圖四 物料衡算圖表7 循環(huán)氣組分組分H2ON2O2C2H4C2H6CO2CH3ClC2H5Cl含量0.827.148.0165.014.2713.700.940.11設(shè)放空量為D，循環(huán)氣量為C，新鮮氧氣量為A，新鮮乙烯量為B，則根據(jù)以上物料衡算圖，則得方程組：對(duì)N2：A×1D×7.14對(duì)C2H6：B×0.3D×4.27對(duì)C2H4：B×99.7+C×65.01282.543對(duì)O2：A×99.0+C×8.0155.139+C×8.01+D×8.01對(duì)以上四式聯(lián)立解得：A56.334k

33、mol/h）；B112.298（kmol/h）；C262.395（kmol/h）；D7.890（kmol/h）。2.1.2冷凝器的物料衡算采用閃蒸計(jì)算基本公式:a)、Xi=1 b)、i=Zi/Ki+e（1-Ki）b)、e：液化率 Xi：液相組成Zi：進(jìn)料組成設(shè)：汽相是理想氣體，液相是理想溶液。1.第一冷凝器的物料衡算已知條件：P=4bar T=110 KCH3CHO=21.05 K 高聚物=0.160 KC3H5CHO=0.430K= Ps/P總利用H-B方程計(jì)算H2O、CH3COOH的Ps值Ln Ps=A+B/T+C LnT+D Ps/T27試差計(jì)算PsH2O=1000mmHg KH2O=1

34、000/760/4=0.329PsCH3COOH=600mmHg KCH3COOH=600/760/4=0.20設(shè)：液化率=0.282Xi(H2O)=0.5090/0.329+0.282×(1-0.329)=0.9822Xi(CH3COOH)=0.00349/0.2+0.282×(1-0.2)=0.0082Xi(CH3CHO)=0.1381/21.05+0.282×(1-21.05)=0.0089Xi(高聚物)=0.00035/0.16+0.282×(1-0.16)=0.0009Xi(C3H5CHO)=0.00031/0.430+0.282×(

35、1-0.43)=0.0005Xi=1.0007一冷凝液量：Z×E=724.270×0.282=204.224kmol/h未凝氣體量：Z- Z×E=724.270204.224=520.046mol/h2.第二冷凝器的物料衡算已知條件：P=3.5bar T=75 KCH3CHO=8.02 K高聚物=0.04 KC3H5CHO=0.2根據(jù)H-B方程：Ln Ps=A+B/T+C LnT+D Ps/T2 試差計(jì)算8PsH2O=289mmHg K(H2O)289/（760×3.5）0.1086PsCH3COOH=170mmHg K(CH3COOH)=170/（76

36、0×3.5）=0.0639設(shè)：液化率=0.258Xi(H2O)=0.3256/0.1086+0.258×(1-0.1086)=0.9642Xi(CH3COOH)=0.0017/0.0639+0.258×(1-0.0639)=0.0056Xi(高聚物)=0.0001/0.04+0.258×(1-0.04)=0.0003Xi(CH3CHO)=0.1885/8.02+0.258×(1-8.02)=0.0303Xi(C3H5CHO)=0.0002/0.2+0.258×(1-0.2)=0.0005Xi=1.0009二冷凝液量為：Z×E

37、=520.046×0.258=134.172kmol/h未凝氣體量為：Z-Z×E=520.046-134.172=385.874kmol/h3.第三冷凝器的物料衡算已知條件：P=3bar T=45 KCH3CHO=0.56K高聚物=0.45 KC3H5CHO=0.05K根據(jù)H-B方程：ln Ps=A+B/T+C lnT+D Ps/T2試差計(jì)算PsCO2 =75000mmHgPsCH3Cl=153400mmHgPsC2H4=15900mmHgPsH2O=70.6mmHgPsC2H5OH=2250mmHgPsCH3COOH=35.9mmHgKCO2=75000/(760

38、5;3)=32.859KC2H5Cl=2250/(760×3)=0.987KCH3Cl=153400/(760×3)=67.281KC2H4=15900/(760×3)=6.974KH2O=70.6/(760×3)=0.031KCH3COOH=35.9/(760×3)=0.016設(shè)：液化率=0.166Xi(H2O)=0.1032/0.031+0.166×(1-0.031)= 0.5379Xi(CO2)=0.0905/32.859+0.166×(1-32.859)= 0.0033Xi(C2H5Cl)=0.0008/0.987+

39、0.166×(1-0.987)=0.0008Xi(CH3Cl)=0.0062/67.281+0.166×(1-67.281)=0.0001Xi(C2H4)= 0.4299/6.974+0.166×(1-6.974)=0.0718Xi(CH3COOH)=0.0004/0.016+X×(1-0.016)=0.0022Xi(高聚物)=0.00007/0.45+X×(1-0.45)=0.0001Xi(CH3CHO)=0.2432/0.56+X×(1-0.56)=0.3842Xi(C3H5CHO)=0.0001/0.05+X×(1-0

40、.05)=0.0005Xi=1.0009三冷凝液量為：Z×E=385.874×0.166=64.055kmol/h未凝氣體量為：Z-Z×E=385.874-64.055=321.819kmol/h2.2熱量衡算熱量衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量和能量守恒定律。2.2.1.反應(yīng)熱選基準(zhǔn)溫度125，即398.15K，在此溫度下反應(yīng)物及主要生成物的生成熱及熱容如下9： C2H4(g) O2(g) CH3CHO(l) CH3COOH(l) CO2(g) H2O(l)Hf(kJ/mol) 52.26 0 -192.3 -484.5 -393.51 -285.82Cp（kcal/kmo

41、l/K） 43.56 29.35 0 124 37.1 75.2912.2.2凝器熱量衡算一冷的氣體的進(jìn)口溫度是125，出口溫度是110，冷凝溫度是110，在此溫度下幾種主要產(chǎn)物的冷凝熱見表810。表8 冷凝熱表格CH3CHOH2OC3H5CHOCH3COOHH（kcal/kmol）48659445.281295742平均溫度為117.5，冷凝器內(nèi)氣體的各組分的含量百分比及在此溫度下的比熱容見表911。則混合氣體平均比熱容為：(12.72+6.855+6.895+11.4+18.26+15.5+9.779+19.24+15.51+8.289+0+25.65)/12=10.132kcal/（km

42、ol·K）氣體由125降到110放出熱量：724.270×10.132×（125-110）110074.555(kcal/h)，氣體冷凝放出熱量由計(jì)算，乙醛冷凝放出熱量：2.427×486511807.355(kcal/h)，水冷凝放出熱量：285.36×9445.22692230.603(kcal/h)，丁醛冷凝放出熱量：0.485×81291621.14(kcal/h)，乙酸冷凝放出熱量：4.835×574211415.70(kcal/h)，根據(jù)熱平衡方程得冷卻水吸收的熱量為：110074.555+11807.355+2

43、692230.603+1621.14+11415.70=2827149.353(kcal/h)表9 比熱容表格氣相產(chǎn)物分率熱容kcal/（kmol·K）分率×熱容平均熱容kcal/（kmol·K）氣體放熱（kcal/h）乙烯0.190712.722.42610.132 303593.5849 氧氣0.02366.8550.162氮?dú)?.0216.9850.147氯甲烷0.002811.40.032氯乙烷0.000418.260.007乙烷0.012615.50.195二氧化碳0.04069.7790.397乙酸0.003719.240.071乙醛0.117615.

44、511.824水0.58648.28924.861高沸物0.000300.000丁醛0.000425.650.010取冷卻水進(jìn)口溫度為30，出口溫度為42，在此溫度水的平均比熱容18.02。由得每小時(shí)需要加入的冷卻水量為：233.277（t/h）即一冷每小時(shí)應(yīng)加入233.277立方米的冷卻水才能達(dá)到要求。2.3 設(shè)備計(jì)算2.3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)乙醛的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：分子量 44.05 操作壓力 2.3bar 操作溫度 43液體密度 750kg/m3 蒸汽密度 3.62kg/m3液體表面張力 17.625aty/cm液體最大流量 16000kg/h氣體最大流量 25999.84kg/h2.3.2純?nèi)├淠髟O(shè)

45、備計(jì)算從精餾塔頂出來的乙醛氣體直接去純?nèi)├淠骼淠?，一部分用回流泵打回塔頂進(jìn)行回流。純?nèi)┧鰜淼囊胰怏w是43，經(jīng)純?nèi)├淠骼淠秊?3的液體，冷卻水的進(jìn)口溫度是30，出口溫度38，求得平均溫度為7.6。1. 計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水量本設(shè)計(jì)設(shè)兩個(gè)純?nèi)├淠?，為此熱量各一半，則有熱負(fù)荷：Q1/2×1490068.152745034.076kcal/h；冷卻水量：W6546.268kmol/h，設(shè)傳熱系數(shù)：K750（kcal/（m2·h·）則由QKAtAQ/（At）745034.076/750/7.6130.71（m2）。2. 冷凝器選型：管程數(shù)4，殼程數(shù)1，管長(zhǎng)6m，管徑19×2mm，公稱換熱面積130m2。計(jì)算換熱面積130m2。管數(shù)N130/3.14/0.019/6364，每程管數(shù)n91。換熱管采用正三角排列，層數(shù)為10 層對(duì)角線上的管數(shù)b=21，管間距為a=25mm，則管徑D=a(b-1)+2l,其中l(wèi)取2d0，即管徑為：D=25×(21-1)+2