醋酸乙酯的生產(chǎn)工藝設(shè)計

1、題目：醋酸乙酯車間工藝設(shè)計 學(xué)院： 班級： 指導(dǎo)老師： 組員： 目錄 一、設(shè)計任務(wù)3二、概述31醋酸乙酯性質(zhì)及用途32.乙酸乙酯發(fā)展?fàn)顩r4三. 醋酸乙酯的生產(chǎn)方案及流程51、酯化法52. 乙醇脫氫歧化法63、乙醛縮合法74、乙烯、乙酸直接加成法85、確定工藝方案及流程9四 工藝計算94.1. 物料衡算94.2 初步物料衡算11五. 設(shè)備設(shè)計175.1 精餾塔的設(shè)計175.2最小回流比的估算195.3 逐板計算215.4 逐板計算的結(jié)果及討論21六. 熱量衡算226.1 熱力學(xué)數(shù)據(jù)收集226.2 熱量計算，水汽消耗，熱交換面積246.3 校正熱量計算、水汽消耗、熱交換面積(對塔)27表10校正后

2、的熱量計算匯總表33醋酸乙酯車間工藝設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)1.設(shè)計任務(wù)：醋酸乙酯車間2.產(chǎn)品名稱：醋酸乙酯3.產(chǎn)品規(guī)格：純度99%4.年生產(chǎn)能力：折算為100%醋酸乙酯1500噸/年5.產(chǎn)品用途：作為制造乙酰胺、乙酰醋酸酯、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、醋酸濃縮、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)計為假定設(shè)計，因此有關(guān)設(shè)計任務(wù)書中的其他項目如：進(jìn)行設(shè)計的依據(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)計單位、設(shè)計進(jìn)度及設(shè)計階段的規(guī)定等均從略。二、

3、概述1醋酸乙酯性質(zhì)及用途 醋酸乙酯又名乙酸乙酯，醋酸醚，英文名稱Ethyl Acetate或 Acetic Ether Vinegar naphtha.醋酸乙酯是具有水果及果酒芳香的無色透明液體，其沸點為77，熔點為-83.6，密度為0.901g/cm3,溶于乙醇、氯仿、乙醚和苯等有機(jī)溶劑。醋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。對于用很多天然有機(jī)物的加工

4、，例如樟腦、脂肪、抗生素、某些樹脂等，常使用醋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）國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r為了改進(jìn)硫酸法的缺點，國內(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)。國內(nèi)還開展了乙醇一步法制取醋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科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所的乙醇氧化酯化法。中國科學(xué)研究院長春應(yīng)用化學(xué)研究所對乙醇氧化酯化反應(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

5、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醋酸乙酯的新工藝，已通過單管試驗連續(xù)運行1000小時，取得了滿意的結(jié)果?，F(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H3PMo12O4019H2O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)時間和乙醇乙酸的質(zhì)量比對產(chǎn)品產(chǎn)量的研究還在進(jìn)行之中。（2）國外發(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

6、，近年各國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格較貴、活性下降快等原因，至今工業(yè)應(yīng)用不多。據(jù)報道，美Davy Vekee公司和UCC公司聯(lián)合開發(fā)的乙醇脫氫制醋酸乙酯新工藝已工業(yè)化。據(jù)報道，國外開發(fā)了一種使用Pd/silicoturgstic雙效催化劑使用乙烯和氧氣一步生成醋酸乙酯的新工藝。低于180和在25的乙烯轉(zhuǎn)化率的條件下，醋酸乙酯的選擇性為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，更多的醋酸乙酯的生產(chǎn)方法不斷被開發(fā)，我國應(yīng)不斷吸收借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，從根本上改變我國醋酸乙酯的生產(chǎn)狀況。3. 醋酸乙酯的生產(chǎn)方案及流程

7、1、酯化法酯化工藝是在硫酸催化劑存在下,醋酸與乙醇發(fā)生酯化脫水反應(yīng)生成醋酸乙酯的工藝,其工藝流程見圖1醋酸、過量乙醇與少量的硫酸混合后經(jīng)預(yù)熱進(jìn)入酯化反應(yīng)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（醋酸完全消耗掉）。塔頂蒸出含有83%醋酸乙酯、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

8、醋酸乙酯、5%水和2%乙醇的傾析器上層混合物進(jìn)人干燥塔,將醋酸乙酯分離出來,所得產(chǎn)品質(zhì)量見表1 表一 工業(yè)品級醋酸乙酯的質(zhì)量指標(biāo)項目指標(biāo)醋酸乙酯含量，%99.5乙醇含量，%0.20水分，%0.05酸度(以醋酸計)，%0.005色度(鉑-鈷)<10傳統(tǒng)的酯化法醋酸乙酯生產(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。近年來開發(fā)的固體酸酯化催化

9、劑雖然解決了腐蝕問題,但由于價格太高,催化活性下降快等缺點,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%乙醇從儲槽出來，經(jīng)泵加壓至0.30.4MPa，進(jìn)入原料預(yù)熱器，與反應(yīng)產(chǎn)物熱交換被加熱至130，部分氣化，再進(jìn)入乙醇汽化器，用水蒸氣或?qū)嵊图訜嶂?60170，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230，再進(jìn)入脫硫加熱器，用導(dǎo)熱油加熱到反應(yīng)溫度240270，然后

10、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180，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60，再進(jìn)入產(chǎn)物冷凝器，被水冷卻至30，從冷凝器出來的液體，進(jìn)入反應(yīng)產(chǎn)物儲罐，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。 該工藝的特點是產(chǎn)品收率高，對設(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)醋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

11、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醋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0 ,反應(yīng)混合物在反應(yīng)塔內(nèi)的停留時間約1h后進(jìn)人分離裝置。分離裝置中粗醋酸乙酯從塔頂蒸出,塔底殘渣用水處理得到乙醇和氫氧化鋁,將乙醇與蒸出組分一起送人精餾塔,在此回收未反應(yīng)的乙醛并將其返回反應(yīng)塔,乙醇和醋酸乙酯恒沸

12、物用于制備乙氧基鋁催化劑溶液。如有必要,醋酸乙酯還可進(jìn)一步進(jìn)行干燥。乙醛縮合制醋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)醋酸乙酯的第一步實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。乙醛縮合制醋酸乙酯工藝受原料來

13、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,一直未實現(xiàn)工業(yè)化。日本昭和電工公司開發(fā)的乙烯與醋酸一步反應(yīng)制取醋酸乙酯工藝終于在90年代實現(xiàn)了工業(yè)化。 反應(yīng)原料中乙烯：醋酸：水：氮體積組成為80：6.7：3：10.3。反應(yīng)系統(tǒng)由3個串聯(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 ,反應(yīng)塔壓力控制在0.44-1MPa

14、。 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)與醋酸發(fā)生酯化反應(yīng)生成醋酸乙酯產(chǎn)物。而且,逆向的醋酸乙酯水解生成乙醇或乙酸的反應(yīng)也可能發(fā)生。該工藝醋酸的單程轉(zhuǎn)化率為66%,以乙烯計,醋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1500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)，而且該法對設(shè)備要求很高，設(shè)備造價高，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外生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，且

15、可以進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)，但在國內(nèi)實施尚有困難，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。在國內(nèi)，醋酸乙酯的生產(chǎn)大都采用酯化法，生產(chǎn)醋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。4 工藝計算4.1. 物料衡算設(shè)計任務(wù)（1） 設(shè)計項目：醋酸和乙醇在催化劑濃硫酸存在下生產(chǎn)醋酸乙酯（假定70%的醋酸轉(zhuǎn)化為醋酸乙酯）（2） 產(chǎn)品名稱：醋酸乙酯（3） 產(chǎn)品規(guī)格：純度99%（4） 年生產(chǎn)能力：折算為100%醋酸乙酯1500噸/年 酯化法主

16、要生產(chǎn)步驟 （1）等分子的冰醋酸和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。 （2）達(dá)到平衡狀態(tài)的混合液通入精餾塔，由于不斷移去難揮發(fā)的水分，在塔中反應(yīng)趨于完全；由塔頂部出來的流出液組成為： 醋酸乙酯 20%（重量百分率，下同） 水 10% 乙醇 70% （3）由塔頂部出來的餾出液通入精餾塔進(jìn)行蒸餾，由塔頂部出來的三組分恒沸液組成為： 醋酸乙酯 83% 水 8% 乙醇 9%由塔底部出來的殘液組成為乙醇和水，重新送入塔作為第二進(jìn)料。（4） 由塔頂部出來的餾出液和塔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。 上層富有醋酸乙酯，其組成為： 醋酸乙

17、酯 94% 水 4% 乙醇 2% 下層主要是水，其組成為： 醋酸乙酯 8% 水 88% 乙醇 4% 下層（即水層）重新回入塔作為第二進(jìn)料。（5）上層（即酯層）送入精餾塔進(jìn)行蒸餾，由塔底部流出的即為成品的醋酸乙酯，這是由于醋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： 醋酸乙酯 83% 水 8% 乙醇 9% 雙組分恒沸液組成： 醋酸乙酯 94% 水 6%（6）塔頂部出來的餾出液包括三組成恒沸液送回沉降器中。4.2 初步物料衡算 （1） 每小時生產(chǎn)能力的計算 根據(jù)設(shè)計任務(wù)，醋酸乙酯的年生產(chǎn)能力為1500噸/年（折算為100

18、%醋酸乙酯，下同）全年按300天計，每天24小時連續(xù)工作。每小時的生產(chǎn)能力為： 1500×1000÷300÷24=208.33kg/h以上作為物料衡算基準(zhǔn)。為了使物料衡算簡單化，在初步物料衡算中假定成品醋酸乙酯的純度為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(3) 酯化器物料衡算醋酸和乙醇酯化反應(yīng)如下:CH3COOH+C2H5OHC2H3COOCH5+H2O 60 46 88 18 X y 208.33 z原料規(guī)格：醋酸濃度為100%;乙醇純度為95%；濃硫酸純度為

19、93%（相對密度為1.84）加入：100%醋酸量：60/x=88/208.33x=60×208.33/88=142.04kg/h 100%乙醇量：46/y=88/208.33y=46×208.33/88=108.90kg/h 95%乙醇需要量：y/95%=108.90/95%=114.63kg/h 其中C2H5OH=108.90kg/h； H2O=5.73kg/h 濃硫酸量=8.0kg；其中H2SO4=7.44kg；H2O=0.56kg/h支出：轉(zhuǎn)化率為70% 醋酸乙酯生成量=142.04×0.7×88÷60=145.83kg/h 醋酸剩余量=

20、142.04×0.3=42.61kg/h 乙醇剩余量=108.90×0.3=32.67kg/h反應(yīng)生成水量：18/z=88/145.83 z=18×145.83÷88= 29.83kg/h總水分=29.83+5.73=35.56kg/h 濃硫酸量=8.0kg/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物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h1醋酸100142.041醋酸乙酯100145.832乙醇95114.632水10035.56其中C2H5OH100108.903乙醇10032.67H2O1005.734醋

21、酸10042.613濃硫酸938.05濃硫酸1008.0合計264.67合計264.67由酯化器出來的混合液進(jìn)入精餾塔，在塔中反應(yīng)趨于完全，因此進(jìn)入塔的混合液在塔中最后生成： 醋酸乙酯=208.33kg/h 水=18×208.33÷88+5.73=48.34kg/h 濃硫酸=8.0kg/h（4） 塔、塔、沉降器和塔質(zhì)檢均有相互關(guān)系，它們的物料衡算匯總計算如下：在生產(chǎn)工藝流程示意圖上注上相關(guān)數(shù)據(jù)，并劃出三個計算系統(tǒng)，逐個列出衡算式，然后進(jìn)行進(jìn)行聯(lián)立求解。設(shè)u=塔底部殘液量（kg/h，不包括濃硫酸8.0kg/h在內(nèi)） v=塔頂部餾出液（kg/h） R=塔底部殘液量（kg/h）其

22、中Rw=R中H2O的量（kg/h），RA=R中乙醇的量（kg/h） z=塔頂部殘液量（kg/h） x=塔頂部餾出液總?cè)M分恒沸液量（kg/h） y=塔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： 256.67+w=u+z uzw=256.67 系統(tǒng)1的醋酸乙酯物料衡算： 0.812×256.670.08w=0.83z 0.83z0.08w=208.33 系統(tǒng)1的乙醇物料衡算： 0.09z=0.04w 系統(tǒng)2的物料總衡算： 2（xyz）=wxy208.33 xy2zw=208.33 系統(tǒng)2的醋酸乙酯衡算： 0.83x0.94y0.8

23、3z=0.94×(xy208.33)0.08w 0.83z0.11x0.08w=195.83 由式解方程得： x=113.66kg/h y=174.79kg/hz=320.51kg/h w=721.14kg/h u=657.30kg/h因為v中含有20%醋酸乙酯，而醋酸乙酯=208.33kg/h，故： v=208.33÷20%=1041.65kg/h系統(tǒng)3的物料總衡算： R256.67=vu R=vu256.67=1041.65657.30256.67=1442.28kg/h 系統(tǒng)3的H2O衡算 ： Rw0.188×256.67=u0.1v Rw=657.300.

24、1×1041.650.188×256.67=713.21kg/h系統(tǒng)3的乙醇衡算： RA=0.7v=0.7×1041.65=729.16kg/h將計算結(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)出塔的物料衡算表加入支出序號 物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h1來自酯化器的混合液264.671塔頂餾出液1041.65醋酸乙酯145.83醋酸乙酯20208.33水35.56水10104.165乙醇32.67乙醇70729.155乙酸42.612塔底殘液665.30濃硫酸8.0水657.302來自塔的塔底殘液1442.28濃硫酸8.

25、0水713.21乙醇729.16合計1706.95合計1706.95表3 進(jìn)出塔的物料衡算表加入支出序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h1來自塔頂部餾出液1041.651塔頂餾出液320.51醋酸乙酯20208.33醋酸乙酯83266.02水10104.165水825.64乙醇70729.155乙醇928.852來自沉降器下層液721.142塔底殘液1442.28醋酸乙酯857.69水713.21水88634.60乙醇729.16乙醇428.85合計1762.79合計1762.79表4 沉降器的物料衡算表加入支出序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號物料名稱純度%數(shù)量kg/

26、h1塔頂部餾出液320.511沉降器上層496.78醋酸乙酯83266.02醋酸乙酯94466.97水825.64水419.87乙醇928.85乙醇29.942塔頂部餾出液288.452沉降器下層721.14三組分恒沸液113.66醋酸乙酯857.69A醋酸乙酯8394.34水88634.60B水89.09乙醇428.85C乙醇910.23雙組分恒沸液174.79A醋酸乙酯94164.30B水610.493添加水608.96合計1217.92合計1217.92表5 進(jìn)出塔的物料衡算表加入支出序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h序號物料名稱純度%數(shù)量kg/h1來自沉降器上層496.781頂部餾出液28

27、8.45醋酸乙酯94466.97三組分恒沸液113.66水419.87A醋酸乙酯8394.34乙醇29.94B水89.09C乙醇910.23雙組分恒沸液174.79A醋酸乙酯94164.30B水610.492塔底成品208.33合計496.78合計496.78五. 設(shè)備設(shè)計5.1 精餾塔的設(shè)計 塔中包含有3個組分(乙醇、醋酸乙酯和水)均為非理想液體，則需要利用實驗獲得氣-液相圖進(jìn)行逐板計算用。(1) 計算塔板數(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)計用。在初步物料衡算中，塔頂部逸出者為純?nèi)M分恒沸液，這樣就需要無窮個塔板數(shù)來完成。實際上含有水和乙醇各5摩爾百分?jǐn)?shù)，連同醋酸

28、乙酯組成2個組成分別為水46%和醋酸乙酯54%與乙醇24%和醋酸乙酯76%的雙組分恒沸液。于是塔頂部餾出液組成如下：kg/h mol%mol%醋酸乙酯 E266.0259.565×54/465×76/24=81.2661.70水 W25.6428.095 =33.0925.13乙醇 A 28.85 12.355 =17.35 13.17 131.7 100在初步物料衡算中，塔底部出料不含醋酸乙酯，這也屬不可能，實際上含有1mol%醋酸乙酯，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/h mol% mol%醋酸乙酯 E +1 =1.0水 W713.

29、21 71.46 71.46×99% =70.75乙醇 A 729.16 28.54 28.54×99% =28.25 100 進(jìn)料組成不變，于是進(jìn)出塔的物料衡算如下： xE=0.6170 216.4kg/h 餾出液：xW=0.2513 18.0kg/h xA=0.1317 24.15kg/h xE=0.0499 266.02kg/h 混合進(jìn)料：xW=0.6782 738.77kg/h xA=0.2719 758.01kg/h xE=0.0100 49.67kg/h 殘液： xW=0.7075 721.0kg/h xA=0.2825 733.69kg/h于是進(jìn)出酯化器的物料

30、衡算如下：表6 進(jìn)出塔的物料衡算表加入支出序號物料名稱組成%數(shù)量kg/h序號物料名稱組成%數(shù)量kg/h1混合進(jìn)料1762.801塔頂餾出液258.55醋酸乙酯4.99266.02醋酸乙酯61.7216.4水67.82738.77水25.1318.0乙醇27.19758.01乙醇13.1724.152塔底殘液1504.36醋酸乙酯1.049.67水70.75721.0乙醇28.25733.69合計1762.8合計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(100D) 0.617D0.01×(100D)=5； D=6.59殘液摩爾數(shù)為：

31、100D=1006.59=93.41餾出液中E的摩爾數(shù)為：0.617×6.59=4.07殘液中E的摩爾數(shù)為：54.07=0.93餾出液中W的摩爾數(shù)為：0.2513×6.59=1.66殘液中W的摩爾數(shù)為：67.821.66=66.16餾出液中A的摩爾數(shù)為：0.1317×6.59=0.87殘液中A的摩爾數(shù)為：27.190.87=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。首先求出平均相對揮發(fā)度(av）餾出液中：xE/(xExW)=61.7/(61.725.13)=0.71; xA=13.17由平衡圖上找出

32、：yE/(yEyW)=0.69; yE/yW=0.69/0.31t=（yE/yW）·(xW/xE)=(0.69/0.31)×(0.2513/0.617)=0.91殘液中：xE/(xExW)=1.0/(1.070.75)=0.0139 ; xA=28.25由平衡圖上找出：yE/(yEyW)=0.20; yE/yW=0.2/0.8s=（yE/yW）·(xW/xE)=(0.2/0.8)×(0.7075/0.01)=17.69av=(t·s)1/2=(0.91×17.69)1/2=4.01rf=xEf/xWf=5/67.82=0.0737xl

33、k=rf/(1rf)=0.0737/1.0737=0.0686xhk=xlk/rf=0.0686/0.0737=0.931(Ln/D)=1/(1)·(xDlk/xlkxDhk/xhk)=1/(4.011)×(0.617/0.06860.2513/0.931)=2.90 D=6.59mol/100mol進(jìn)料 Ln=2.90×D=2.90×6.59=19.11mol/100mol進(jìn)料 Lm=LnqF; W=FD對于進(jìn)料正在沸點的液體，q=1 F=100mol Lm=19.11100=119.11mol/100mol進(jìn)料W=1006.59=93.41mol/1

34、00mol進(jìn)料Lm/W=119.11÷93.41=1.275上提濃度 輕關(guān)鍵組分的摩爾分?jǐn)?shù)xn=xD/(1)·(Ln/D·xDhk/xhk) =0.617÷(4.011)×(2.904.01×0.2513÷0.931) =0.0515rn=xn/xhk=0.0515÷0.931=0.0533下提濃度 重關(guān)鍵組分的摩爾分?jǐn)?shù) lk=(ts)1.5=(0.9117.69)1.5=6.557xm=lk·xW/(lk)·(Lm/W·xWlk/xlk) =6.557×0.7075

35、7;(6.5574.01)×1.2754.01×0.01÷0.0686 =1.211rm=xlk/xm=0.0686/1.211=0.0566rm/rn=0.0566/0.0553=1.024=1/(10)×(10)=1因此,rm/rn>,算得的回流比太大試以(Ln/D)=2.5；則Ln=6.59×2.5=16.48mol/100mol進(jìn)料；Lm=116.48mol/100mol進(jìn)料(Lm/W)=116.48÷93.41=1.247xn=xD/(1)·(Ln/D·xDhk/xhk) =0.617÷3

36、.01×(2.54.01×0.2513÷0.931)=0.0572rn=xn/xhk=0.0572÷0.931=0.0614xm=lk·xW/(lk)·(Lm/W·xWlk/xlk) =6.557×0.7075÷(6.5574.01)×1.2474.01×0.01÷0.0686 =1.234rm=xlk/x=0.0686÷1.234=0.0556rm/rn=0.0556÷0.0614=0.91因此，rm/rn<,算得的回流比太小。試以(Ln/D)=2

37、.7；則Ln=6.59×2.7=17.79mol/100mol進(jìn)料；Lm=117.79mol/100mol進(jìn)料(Lm/W)=117.79÷93.41=1.261xn=xD/(1)·(Ln/D·xDhk/xhk) =0.617÷3.01×(2.74.01×0.2513÷0.931)=0.0542rn=xn/xhk=0.0542÷0.931=0.0582xm=lk·xW/(lk)·(Lm/W·xWlk/xlk) =6.557×0.7075÷(6.5574.01

38、)×1.2614.01×0.01÷0.0686 =1.222rm=xlk/x=0.0686÷1.222=0.0561rm/rn=0.0561÷0.0582=0.965rm/rn與的數(shù)值相近 所以此方法算得的最小回流比為2.7.5.3 逐板計算 氣液相平衡數(shù)據(jù)可以表示成下列三種圖表： (1)yE/(yEyA)對xE/(xExA)描繪，xW視作參量。 (2)yE/(yEyW)對xE/(xExW)描繪，xA視作參量。(3)yW/(yWyA)對xW/(xWxA)描繪，xE視作參量。由于在任何情況下，液相的摩爾分?jǐn)?shù)（x）均為參數(shù)，平衡圖只能用來由液相組成

39、來求取氣相組成。因此逐板計算時，從塔底由下往上算。從x的三個已知數(shù)(塔底的xE,xW和xA)出發(fā)，可求得二比值；或(1)和(2);或(2)和(3);或(3)和(1)，究竟選擇哪一對，應(yīng)以從圖上讀出數(shù)值為準(zhǔn)。如果采用(2)和(3)，則根據(jù)xE/(xExW)和xA值讀出yE/(yEyW);根據(jù)xW/(xWxA)和xE值讀出yW/(yWyA)值。設(shè)yE/(yEyW)=M，yW/(yWyA)=N；故yE=M/(1M) yA=(1N)/NyW=1/(1N)/NM/(1M)1求出yW后，yE和yA即可代入式子求得。下一塔板上的液相組成可以應(yīng)用操作線方程求得。5.4 逐板計算的結(jié)果及討論 根據(jù)Colburn

40、方法算得的最小回流比為2.7:1，上述逐板計算中，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)計算的結(jié)果，作圖如下： 圖中說明由第7塊塔板(由塔底數(shù)起)上加入來自塔的進(jìn)料，由第12塊板上加入來自沉降器的進(jìn)料。運算到底19塊塔板時，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。(3) 如最宜回流比采用5:1，計算的結(jié)果說明由第5塊塔板加入來自塔的進(jìn)料，由第10塊板上加入來自沉降器的進(jìn)

41、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，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，然而操作費用卻加了。因此采用L/D=5:1，假設(shè)塔板效率為50%，則實際塔板數(shù)為40.六. 熱量衡算6.1 熱力學(xué)數(shù)據(jù)收集 (1)溫度： 塔頂溫度:約為62%molCH3CH2OH，25%molH2O，13%CH3CH2OH三組分恒沸液的沸點，71塔底溫度：約為71%molH2O，29%molCH3CH2OH的沸點，79來自塔的進(jìn)料溫度為84來自沉降器的進(jìn)料溫度：約為97%molH2O，3%molCH3CH2OH的沸點，95冷卻水溫度

42、為20（以廣西年平均氣溫為參考）。飽和水蒸氣：=1.35kg/m3, t=108(2)比熱和汽化潛熱表7 比熱容和汽化潛熱 溫度CH3COOC2H5H2OCH3CH2OH比熱容kj/kg·汽化潛熱kj/kg 比熱容kj/kg·汽化潛熱kj/kg 比熱容kj/kg·汽化潛熱kj/kg 201.9274.1832.40271.9474.1782.46371.9784.1742.55712.145371.144.18823292.91852.66792.004364.674.19423103.02838.94842.169360.544.2122983.082830.1

43、4952.224351.164.21422713.236810.10(3) 傳熱系數(shù)K kJ/(m2·h·)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/h kmol/h xE=0.62 266 3.02xW=0.292 25.61.42xA=0.088 19.8 0.43 4.87 L/D=5, L=5D, V=LD=6D; 來自塔頂?shù)恼魵饨M成： kg/h xE=0.62 266×6=1596 xW=0.292 25.6×6=153.6 xA=0.088 19.8

44、×6=118.8 塔底殘液組成： kg/h kmol/h xE=0.010 48.50.55xW=0.7075 713.2 39.62xA=0.2825 729.2 15.83 56.00來自塔的進(jìn)料組成： kg/h kmol/h xE=0.123 266 3.02xW=0.235 104.2 5.79xA=0.642 729.2 15.83 24.64來自沉降器組成： kg/h kmol/h xE=0.018 48.5 0.55 xW=0.968 634.6 35.26xA=0.014 19.8 0.43 36.24總加料量=24.6436.24=60.88kmol/h V'

45、;=L'W=LFW=5DFW=5×4.8760.8856=29.23kmol/h來自塔底的蒸氣組成： kg/h yE=0.065 0.065×29.23×88=167.20 yW=0.411 0.411×29.23×18=216.24 yA=0.524 0.524×29.23×46=704.566.2 熱量計算，水汽消耗，熱交換面積 （1）塔頂蒸氣冷凝（由71氣相冷凝至71液相） q =W· =1596×371.14153.6 ×2329118.8×852.66=1051369

46、.8kJ/h 設(shè)冷卻水出口溫度為61 取K=2000kJ/(m2·h·) S=q/(K·tm) =1051369.8÷(2000×33.2) =15.83m2 冷卻水用量：W=q/(C·t) =1051369.8÷4.18×(6020) =6288.1kg/h (2)餾出液由71冷卻至37 q =W·C·t =266×(1.9782.145)/225.6×4.1819.8×(2.913.02)/2×(7137)=24278.5kJ/h 設(shè)冷卻水出口溫度為27 取K=505kJ/(m2·h·) S=q/(K·tm) =24278.5