年產(chǎn)2萬(wàn)噸己二酸二甲酯工藝設(shè)計(jì)大學(xué)本科畢業(yè)論文

年產(chǎn)2萬(wàn)噸己二酸二甲酯工藝設(shè)計(jì)ProcessDesignofDimethylAdipatefor20kt/a目錄摘要 IAbstract II引言 1第一章工業(yè)中己二酸二甲酯制備工藝及設(shè)備簡(jiǎn)介 21.1己二酸二甲酯的制備方法及研究現(xiàn)狀 21.1.1固體強(qiáng)酸催化法 21.1.2硫酸氫鈉催化法 31.1.3雜多酸催化法 41.1.4對(duì)甲苯磺酸催化法 41.1.5其它方法 41.2主要設(shè)備研究進(jìn)展 51.2.1塔設(shè)備基本性能 51.2.2塔設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展 5第二章固體超強(qiáng)酸樹(shù)脂催化合成己二酸二甲酯技術(shù)及工藝 72.1生產(chǎn)基本原理及化學(xué)方程式 72.2基本物料物化性質(zhì) 72.3生產(chǎn)工藝概述 82.3.1工藝流程 82.3.2工藝過(guò)程影響因素 9第三章精餾塔工藝尺寸計(jì)算 113.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 113.2確定物性數(shù)據(jù) 113.2.1原料液、塔頂及塔底產(chǎn)品的摩爾分率 113.2.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 123.2.3物料衡算 123.3塔板數(shù)的確定 123.3.1泡點(diǎn)進(jìn)料溫度 123.3.2最小回流比及操作回流比 133.3.3精餾塔氣液相負(fù)荷 133.3.4操作線(xiàn)方程 133.3.5圖解法求塔板數(shù) 143.4精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 153.4.1操作壓力計(jì)算 153.4.2操作溫度計(jì)算 153.4.3平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 153.4.4平均密度計(jì)算 163.4.5液體平均表面張力計(jì)算 163.4.6液體平均粘度計(jì)算 173.5精餾塔的塔體工藝尺寸的計(jì)算 173.6塔板主要工藝尺寸的計(jì)算 193.6.1溢流區(qū)計(jì)算 193.6.2塔板布置 203.7塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算 213.7.1塔板壓降 213.7.2液面落差 223.7.3霧沫夾帶 233.7.4漏液 233.7.5液泛 233.8塔板負(fù)荷性能圖 243.8.1液相負(fù)荷下限線(xiàn) 243.8.2液相負(fù)荷上限線(xiàn) 243.8.3漏液線(xiàn) 243.8.4霧沫夾帶線(xiàn) 253.8.5液泛線(xiàn) 253.9各種管尺寸的計(jì)算 263.9.1進(jìn)料管 263.9.2釜液出料管 273.9.3回流液管 273.9.4塔頂蒸汽出口管 273.10塔高計(jì)算 28第四章其他設(shè)備選型 304.1反應(yīng)釜選型 304.2換熱器選型 304.3泵的選型 30結(jié)論 32致謝 33參考文獻(xiàn) 34附錄PAGEPAGEI年產(chǎn)2萬(wàn)噸己二酸二甲酯工藝設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)介紹對(duì)比了常用的己二酸二甲酯生產(chǎn)方法，在綜合考慮酯化率、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等因素的情況下，選擇固體超強(qiáng)酸樹(shù)脂直接催化生產(chǎn)己二酸二甲酯。依據(jù)物料性質(zhì)及工藝操作條件，對(duì)工藝流程過(guò)程中的其他設(shè)備進(jìn)行了簡(jiǎn)單選型。設(shè)計(jì)了固體超強(qiáng)酸樹(shù)脂催化法制己二酸二甲酯的工藝流程，重點(diǎn)計(jì)算設(shè)計(jì)了精制凈化工段設(shè)備篩板式精餾塔。針對(duì)年產(chǎn)2萬(wàn)噸的己二酸二甲酯生產(chǎn)過(guò)程，根據(jù)物料衡算，得出塔頂進(jìn)料量72.07kmol/h，塔釜出料量56.11kmol/h，最小回流比0.37，理論塔板數(shù)為11，實(shí)際塔板數(shù)為26塊。對(duì)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算得出精餾塔塔徑1m、塔高15.33m。對(duì)篩板的流體力學(xué)進(jìn)行了校核驗(yàn)算，作出塔板負(fù)荷性能圖，得出操作彈性3.40，塔設(shè)計(jì)基本符合要求。關(guān)鍵詞：固體超強(qiáng)酸樹(shù)脂；己二酸二甲酯；精餾塔；生產(chǎn)工藝流程PAGEPAGE1ProcessDesignofDimethylAdipatefor20kt/aAbstract:Inthisdesignseveralcommonlyusedmethodofproducingadipicaciddimethylareintroducedandcompared,inconsiderationoftheesterificationrate,reactiontime,reactiontemperatureandotherfactors,thesolidsuperacidresinischosentodirectlycatalyzetheproductionprocessofdimethyladipate.Basedonmaterialpropertiesandprocessoperatingconditions,otherequipmentusedinthisprocessistobeselected.Solidsuperacidresintodimethyladipatecatalyzedprocessflowisdesigned,focusingonthedesignoftherefinedcleaningequipmentsieveretifyingtower.Fortheannualoutputof20kttonsofadipicaciddimethylesterproductionprocess,accordingtothemassbalance,itisconcludedthatthefeedrateofthetoweris72.07kmol/h,thebottomsofthefeedingamountis56.11kmol/h,theminimumrefluxratiois0.37,thetheoreticaltowerplatenumberis11andtheactualplatenumberis26pieces.Therectifyingtoweriscalculatedtobe1mwideand15.33mhigh.Thecalculationandcheckofthefluidmechanicsofthesieveplateandtheloadperformancediagramofthetowerplateshowthattheoperatingflexibilityofthistoweris3.40,whichreflectsthatthisdesignmeetsthebasicstandard.Keywords:Solidsuperacidresin;Dimethyladipate;Rectifyingcolumn;Theproductionprocess引言己二酸二甲酯是非常重要的精細(xì)化工產(chǎn)品和化工原料，應(yīng)用非常廣泛，它是高沸點(diǎn)無(wú)色清澈透明液體，易溶于醇醚類(lèi)，不溶于水，它不僅廣泛用作生產(chǎn)高檔涂料、合成樹(shù)脂、清洗劑、油墨等的溶劑、色譜分析的固定液或標(biāo)定液，而且還是生產(chǎn)增塑劑、己二醇、δ-癸內(nèi)酯等的重要中間體，主要用于溶劑、醫(yī)藥、造紙和纖維素的生產(chǎn)。此外，它還是合成1,6—己二醇的中間體，具有廣泛的用途。目前，國(guó)外對(duì)己二酸二甲酯的需求不斷上升，雖然國(guó)內(nèi)的需求量雖不是很大，但有一定的上升趨勢(shì)。己二酸二甲酯的合成是典型的酯化反應(yīng)工藝，至今對(duì)己二酸與甲醇的酯化反應(yīng)研究已經(jīng)有很多，一般采用硫酸、硝酸等無(wú)機(jī)酸作為催化劑，雖然該法產(chǎn)率較高，但設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，且排放大量廢酸污染環(huán)境，同時(shí)伴隨較多副反應(yīng)，后處理工藝復(fù)雜，不能滿(mǎn)足環(huán)保的要求。目前以固體超強(qiáng)酸、一水和硫酸氫鈉、雜多酸、磷鎢酸、對(duì)甲苯磺酸等為催化劑，通過(guò)酯化反應(yīng)制備該化合物的工藝技術(shù)克服了傳統(tǒng)催化劑的腐蝕性和污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)[1]。本課題在對(duì)己二酸二甲酯合成工藝過(guò)程中的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)因素綜合研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)工藝技術(shù)，采用新型催化劑固體超強(qiáng)酸樹(shù)脂催化合成己二酸二甲酯的方法，設(shè)計(jì)出完整的己二酸二甲酯合成工藝流程，并通過(guò)對(duì)凈化精制工段精餾塔進(jìn)行物料衡算和熱量衡算，選型，確定尺寸。當(dāng)前酯化工藝向高產(chǎn)高效的目標(biāo)邁進(jìn)的同時(shí)，更加注重節(jié)能減排、安全環(huán)保，己二酸二甲酯的生產(chǎn)工藝設(shè)備也在不斷的提高改進(jìn)中，對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，應(yīng)積極探索酯化反應(yīng)工藝及相關(guān)設(shè)備，加強(qiáng)對(duì)新興酯化工藝的研究，掌握和運(yùn)用國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)酯化及應(yīng)用技術(shù)，這對(duì)我國(guó)己二酸二甲酯生產(chǎn)乃至整個(gè)酯化反應(yīng)工業(yè)都會(huì)產(chǎn)生極大的影響。PAGEPAGE32第一章工業(yè)中己二酸二甲酯制備工藝及設(shè)備簡(jiǎn)介1.1己二酸二甲酯的制備方法及研究現(xiàn)狀有機(jī)羧酸酯類(lèi)在國(guó)內(nèi)外具有廣闊的需求市場(chǎng)，酯化反應(yīng)的應(yīng)用研究隨著理論和技術(shù)的不斷發(fā)展而逐步深入。己二酸二甲酯的合成方法是典型的酯化反應(yīng)工藝，目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)己二酸二甲酯生產(chǎn)工藝已經(jīng)有了比較成熟的研究，各研究機(jī)構(gòu)和公司都根據(jù)各自需求研究出了相應(yīng)的工藝流程。其中以固體超強(qiáng)酸、一水和硫酸氫鈉、雜多酸、磷鎢酸、對(duì)甲苯磺酸等為催化劑，通過(guò)酯化反應(yīng)制備該化合物的工藝技術(shù)克服了傳統(tǒng)催化劑的腐蝕性和污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。1.1.1固體強(qiáng)酸催化法超強(qiáng)酸[2]按其酸點(diǎn)的性質(zhì)來(lái)分,可分為L(zhǎng)ewis型和Bronsted型；按常溫下存在的形態(tài)分,可分為固體超強(qiáng)酸、液體超強(qiáng)酸。液體超強(qiáng)酸通常具有極高的酸性，可達(dá)到100%硫酸的百萬(wàn)倍甚至億倍，因此又被稱(chēng)為魔術(shù)酸。但它的使用會(huì)對(duì)設(shè)備造成強(qiáng)烈的腐蝕，分離回收也十分困難。固體超強(qiáng)酸的酸性一般只有100%硫酸的幾百倍，但它具有液體超強(qiáng)酸無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：=1\*GB2⑴易與反應(yīng)體系分離；=2\*GB2⑵可連續(xù)化生產(chǎn)；=3\*GB2⑶可以再生和重復(fù)使用；=4\*GB2⑷催化反應(yīng)具有較高的選擇性；=5\*GB2⑸對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕性，且減少了環(huán)境污染。所以近二十年來(lái)，固體超強(qiáng)酸一直是研究的熱點(diǎn)。李鳳鳴等[3]以精己二酸和無(wú)水甲醇為原料，固體強(qiáng)酸樹(shù)脂替代傳統(tǒng)無(wú)機(jī)酸為催化劑，釜式深度酯化合成己二酸二甲酯，考察了反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量、原料醇酸摩爾比等因素對(duì)己二酸酯化轉(zhuǎn)化率的影響，確定了最佳反應(yīng)條件：反應(yīng)溫度85℃、反應(yīng)時(shí)間10h、催化劑用量為己二酸質(zhì)量的10%、醇酸摩爾比為2.5:1，該條件下己二酸的酯化轉(zhuǎn)化率大于99%。王龍飛等[4]以SXC-9大孔強(qiáng)酸催化樹(shù)脂為催化劑，以己二酸和甲醇為原料，采用催化酯化工藝，合成了己二酸二甲酯。實(shí)驗(yàn)研究了反應(yīng)溫度、醇酸摩爾比、催化劑用量、帶水劑用量和反應(yīng)時(shí)間等對(duì)酯化反應(yīng)的影響，確定了合成己二酸二甲酯的優(yōu)化反應(yīng)條件：以0.1mol己二酸為基準(zhǔn)，反應(yīng)溫度90℃，醇酸摩爾比為4:1，催化劑用量為己二酸質(zhì)量的25%，帶水劑用量為10mL，反應(yīng)時(shí)間為4h，酯化率可達(dá)到99.41%。陳建福等[5]以固體超強(qiáng)酸樹(shù)脂為酯化催化劑合成了己二酸二甲酯，研究了醇酸摩爾比、催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間及帶水劑用量對(duì)酯化反應(yīng)的影響，確定了合成已二酸二甲酯的優(yōu)化反應(yīng)條件：以0.1mol己二酸為基準(zhǔn)，醇酸摩爾比為3.5，催化劑用量為3%，帶水劑環(huán)己烷15mL，反應(yīng)時(shí)間為70min，己二酸二甲酯收率可達(dá)98%以上。與其它催化劑的比較結(jié)果表明，超強(qiáng)固體酸樹(shù)脂為酯化催化劑具有催化活性高、易與反應(yīng)液分離、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。黃集鉞等[6]以ZnCl2改性固體強(qiáng)酸樹(shù)脂為催化劑，精己二酸和無(wú)水甲醇為原料，采用反應(yīng)釜式半連續(xù)酯化工藝合成己二酸二甲酯?？疾炝朔磻?yīng)時(shí)間、催化劑用量、原料醇酸摩爾比、甲醇消耗量等因素對(duì)己二酸轉(zhuǎn)化的影響，最佳反應(yīng)條件為：反應(yīng)溫度90℃，反應(yīng)時(shí)間8h，催化劑用量為己二酸投料量的8%，醇酸摩爾比為2.5:1，己二酸酯化率大于99%。李平等[7]將工業(yè)上常用的幾種強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂在己二酸二甲酯合成反應(yīng)中的催化活性和穩(wěn)定性進(jìn)行綜合比較，篩選出了適合己二酸二甲酯制備用催化劑。研究了以D001型催化劑合成己二酸二甲酯的工藝。其較優(yōu)工藝條件為：醇酸物質(zhì)的量比5:1，催化劑用量8%，反應(yīng)溫度85～90℃，反應(yīng)時(shí)間3.5h，反應(yīng)酯化率可達(dá)到92%。固體超強(qiáng)酸是一種環(huán)保型、經(jīng)濟(jì)型、高效型的新型催化劑，在醇酸酯化、纖維素的高值化改性等場(chǎng)合有潛在的應(yīng)用價(jià)值。隨著研究的深人及其性能的改進(jìn)，將來(lái)必定能在化學(xué)及工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮強(qiáng)大的作用。1.1.2硫酸氫鈉催化法硫酸氫鈉是一種廉價(jià)易得，易溶于水，不溶于有機(jī)反應(yīng)液的穩(wěn)定的無(wú)機(jī)晶體，具有良好酯化催化活性，可重復(fù)使用，后處理方便，對(duì)設(shè)備腐蝕小，不造成環(huán)境污染，有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。陳虹等[8]研究了利用微波輻射技術(shù)，以己二酸和甲醇為原料，在硫酸氫鈉催化下反應(yīng)合成己二酸二甲酯的方法?？疾炝朔磻?yīng)溫度、微波輻射時(shí)間、催化劑用量及原料配比等對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率的影響，并確定優(yōu)化的操作條件為：反應(yīng)溫度55℃、反應(yīng)時(shí)間20min、醇酸摩爾比6:1、催化劑用量4.0g，在此條件下已二酸二甲酯產(chǎn)率可達(dá)96%以上。樊麗華等[9]以己二酸和無(wú)水甲醇為原料，一水合硫酸氫鈉為催化劑合成了己二酸二甲酯，考察了醇酸摩爾比、催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化反應(yīng)的影響，確定了合成己二酸二甲酯的最佳反應(yīng)奈件：n(己二酸):n(無(wú)水甲醇):n(一水合硫酸氫鈉)=l:5:0.29，回流分水60min，己二酸二甲酯收率達(dá)97.48%，純度在98%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一水合硫酸氫鈉對(duì)合成己二酸二甲酯具有良好的催化活性。付濤等[10]也討論了以硫酸氫鈉作催化劑合成己二酸二甲酯的最佳工藝條件：醇酸摩爾比為5，催化劑用量為4.0g，反應(yīng)時(shí)間為60min，帶水劑環(huán)己烷最佳用量為15mL。1.1.3雜多酸催化法雜多酸(鹽)化合物是一類(lèi)含有氧橋的多核高分子化合物，有較強(qiáng)的酸性和適中的氧化還原性，可作為酸型和氧化還原型催化劑，其特點(diǎn)是催化活性高，選擇性好，再生速度快，對(duì)設(shè)備腐蝕遠(yuǎn)小于硫酸，不污染環(huán)境。毛治博等[11]以雜多酸為催化劑合成己二酸二甲酯，研究了其反應(yīng)機(jī)理，建立了分水條件下酯化合成反應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了模型中的有關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明此條件下己二酸二甲酯的合成表現(xiàn)為三級(jí)不可逆反應(yīng)。在本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)體系下，測(cè)出了反應(yīng)的表觀活化能為Ea=103.86kJ/mol，反應(yīng)速率常數(shù)為：k=8.146×1011exp（-10386/RT）（L2·min-1·mol-2）。林進(jìn)等[12]采用磷鎢酸作為催化劑合成己二酸二甲酯，討論了影響反應(yīng)的因素，在醇酸摩爾比為4.0，磷鎢酸的用量是己二酸用量的5.5%，反應(yīng)時(shí)間為4.0h，提取劑1,2—二氯乙烷的用量為每摩爾己二酸300mL，酯化率可達(dá)93.6%。磷鎢酸雖為固體雜多酸，但由于其“假液相”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及它在含氧有機(jī)物中的溶解度較大，而且熱穩(wěn)定性好，因此在醇酸酯化反應(yīng)中為均相催化，磷鎢酸作為催化劑兼具硫酸催化的高效性及固體酸后處理的方便性，同時(shí)磷鎢酸催化活性高，選擇性好，可重復(fù)使用多次，無(wú)腐蝕設(shè)備及“三廢”處理問(wèn)題，是一種很好的酯化反應(yīng)的催化劑。1.1.4對(duì)甲苯磺酸催化法張曉娟等[13]以對(duì)甲苯磺酸為催化劑催化合成己二酸二甲酯，研究了其反應(yīng)規(guī)律，通過(guò)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下的多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)處理，建立了反應(yīng)體系不分水條件下的酯化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。計(jì)算結(jié)果表明，在55～65℃條件下合成己二酸二甲酯的正、逆反應(yīng)均服從二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，正、逆反應(yīng)的表觀活化能和指前因子分別為6.2×104J·mol-1、4.44×104J·mol-1、1.382×108、1.003×105，催化劑的用量對(duì)正、逆反應(yīng)的速率常數(shù)均有影響，呈線(xiàn)性關(guān)系。1.1.5其它方法胡昕等[14]以己二酸和甲醇為原料，六水合三氯化鋁為催化劑合成己二酸二甲酯，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)考察了催化劑用量、醇酸摩爾比、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度等因素對(duì)酯化反應(yīng)的影響，確定了六水合三氯化鋁為催化劑催化酯化的最佳條件：以0.05mol己二酸為參照，醇酸摩爾比為8:1，六水合三氯化鋁的用量為1.0g，約為醇酸總質(zhì)量的5.0%，反應(yīng)溫度為100℃，反應(yīng)時(shí)間為2.5h，帶水試劑環(huán)己烷為10mL，該條件下己二酸二甲酯產(chǎn)率大于88%。李國(guó)浩等[15]以NKC-9干氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂為催化劑，己二酸和甲醇為原料采用催化酯化—吸附脫水聯(lián)合工藝合成了己二酸二甲酯。實(shí)驗(yàn)考察了醇酸物質(zhì)的量比、催化劑用量和反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化反應(yīng)的影響，得到了較佳工藝條件：醇酸物質(zhì)的量比為2.6:1，催化劑用量為22g/mol，反應(yīng)時(shí)間為6h，酯化率可達(dá)到99.18%。在該工藝條件下，催化劑重復(fù)使用6次，酯化率仍可達(dá)到98.32%。1.2主要設(shè)備研究進(jìn)展1.2.1塔設(shè)備基本性能塔設(shè)備是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一，它可以使氣（或汽）液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。它的性能對(duì)于整個(gè)裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護(hù)等各個(gè)方面，都有重大的影響。因此，塔設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究，受到化工、煉油等行業(yè)的極大重視。在酯化反應(yīng)過(guò)程中，對(duì)于反應(yīng)完成后粗產(chǎn)品的處理，如對(duì)帶水劑環(huán)己烷和甲醇的減壓分離，剩余甲醇和己二酸二甲酯分離等過(guò)程中，塔也是必不可少的設(shè)備。作為主要用于傳質(zhì)過(guò)程的塔設(shè)備，首先必須使（汽）液兩相能充分接觸，以獲得較高的傳質(zhì)效率，此外，為了滿(mǎn)足工業(yè)需要，塔設(shè)備還需要滿(mǎn)足以下要求：=1\*GB3①生產(chǎn)能力大，在較大的氣（汽）液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象；=2\*GB3②操作穩(wěn)定、彈性大；=3\*GB3③流體流動(dòng)的阻力小，即液體通過(guò)塔設(shè)備的壓力減??；=4\*GB3④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料耗用量小、制造和安裝容易；=5\*GB3⑤耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。1.2.2塔設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展塔設(shè)備經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，形成了形式繁多的結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足各方面的需要。為了便于研究和比較，人們從不同角度來(lái)對(duì)塔設(shè)備進(jìn)行分類(lèi)，最常用的分類(lèi)是按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)分為板式塔和填料塔兩大類(lèi)。板式塔是一種逐級(jí)（板）接觸型的氣液傳質(zhì)設(shè)備，是化工類(lèi)企業(yè)中最常用的氣、液傳輸設(shè)備之一。在板式塔中，塔內(nèi)裝有一定數(shù)量的塔板，氣體以鼓泡或噴射的形式穿過(guò)塔盤(pán)上的液層使兩相密切接觸，達(dá)到氣液兩相總體逆流、板上錯(cuò)流的效果，氣液兩相的組分濃度沿塔高呈階梯式變化。板式塔具有空塔氣速高，生產(chǎn)能力大，塔板效率和設(shè)備造價(jià)低，清洗檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，目前為工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。在塔設(shè)備的化工設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)也做出了不斷的改進(jìn)，并陸續(xù)引入了一些新的方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。特別是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，化工設(shè)計(jì)中計(jì)算工作量極大的逐板計(jì)算法，已能快速而方便的得到滿(mǎn)意結(jié)果，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，電子計(jì)算機(jī)也可以把受載情況異常復(fù)雜的塔設(shè)備強(qiáng)度問(wèn)題逐項(xiàng)加以考慮，并作出詳細(xì)的計(jì)算。李群生等[16]在計(jì)算機(jī)上模擬設(shè)計(jì)了甲醇精餾技術(shù)改造的優(yōu)化工藝，并得到了可靠的汽液負(fù)荷數(shù)據(jù)。采用高效導(dǎo)向篩板塔板進(jìn)行技術(shù)改造。生產(chǎn)能力擴(kuò)大170%，節(jié)能47%，甲醇產(chǎn)品組成由原來(lái)的99.5%提高到99.9%，同時(shí)還提高了甲醇回收率。楊宇等[17]針對(duì)板式精餾塔設(shè)計(jì)過(guò)程中工藝計(jì)算量大、重復(fù)計(jì)算多的特點(diǎn)，以Java為編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了在線(xiàn)板式精餾塔設(shè)計(jì)軟件，并利用熱力學(xué)方程式對(duì)精餾過(guò)程進(jìn)行模擬，大大減少了設(shè)計(jì)工作量，最終做到軟件構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)化、設(shè)計(jì)內(nèi)容模塊化、軟件界面樹(shù)狀化、設(shè)計(jì)部件的選型標(biāo)準(zhǔn)化、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取自動(dòng)化、數(shù)據(jù)顯示圖形化。戚俊清等[18]依據(jù)溶質(zhì)滲透理論，得出了汽、液相傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)、汽液接觸時(shí)間、相界面積、物系性質(zhì)及塔板結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)式。采用汽相平推流液相完全混合模型計(jì)算點(diǎn)效率，計(jì)算值以Colburn推導(dǎo)的霧沫夾帶對(duì)塔板效率的影響關(guān)系進(jìn)行修正。經(jīng)小型篩板塔在全回流條件下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，點(diǎn)效率的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在正常操作范圍內(nèi)，誤差＜6%。付有成等[19]綜合介紹了近年來(lái)涌現(xiàn)出來(lái)的一些新型板式塔，闡述了板式塔技術(shù)的進(jìn)展，對(duì)板式塔設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行了分析與討論。并說(shuō)明了板式塔技術(shù)的發(fā)展方向：=1\*GB3①開(kāi)發(fā)新型降液管；=2\*GB3②傳質(zhì)元件小型化；=3\*GB3③設(shè)置液體導(dǎo)流裝置；=4\*GB3④傳質(zhì)元件復(fù)合化，在塔板上設(shè)置填料元件，用以充分發(fā)揮多種傳質(zhì)元件的作用；=5\*GB3⑤新型無(wú)降液管塔板。板式塔作為重要的傳質(zhì)設(shè)備之一，可以在各種分離工藝過(guò)程中廣泛應(yīng)用，開(kāi)發(fā)新型傳質(zhì)效率高、壓降小、通量大的板式塔，塔內(nèi)件始終是板式塔技術(shù)的發(fā)展方向。甲醇、己二酸二甲酯二元物系腐蝕性極小，黏性不大，在加壓或常壓操作條件下，板式塔液氣比波動(dòng)的適應(yīng)性強(qiáng)，根據(jù)塔型選擇的一般原則，綜合考慮物性、操作條件等有關(guān)的因素，選擇板式塔作為精餾設(shè)備。與泡罩塔等其它板式塔相比，篩板塔具有以下優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)能力大（20%～40%），塔板效率高（10%～15%），壓力降低（30%～50%），操作彈性較高，操作穩(wěn)定，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔板造價(jià)減少40%左右，安裝維修都較容易，近年來(lái)已經(jīng)對(duì)篩板塔進(jìn)行了大量工業(yè)規(guī)模的研究，逐步掌握了篩板塔的性能，并形成了較為完善的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)己二酸二甲酯的上述特性及設(shè)備選用條件，本工藝設(shè)計(jì)采用以固體超強(qiáng)酸樹(shù)脂為催化劑，環(huán)己烷為帶水劑生產(chǎn)己二酸二甲酯。精制工段采用板式精餾塔中的篩板塔來(lái)完成己二酸二甲酯精制過(guò)程。第二章固體超強(qiáng)酸樹(shù)脂催化合成己二酸二甲酯技術(shù)及工藝2.1生產(chǎn)基本原理及化學(xué)方程式目前工業(yè)上生產(chǎn)己二酸二甲酯的主要方法是酸與醇在硫酸為催化劑的條件下脫水酯化反應(yīng)生成酯，這種傳統(tǒng)的催化劑催化制備方法對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，副反應(yīng)多，后處理復(fù)雜。隨著眾多環(huán)境友好型催化劑被開(kāi)發(fā)出，采用新型催化劑的工業(yè)生產(chǎn)也勢(shì)在必行。目前生產(chǎn)己二酸二甲酯的主要方法是直接酯化法。直接酯化生產(chǎn)己二酸二甲酯即是用己二酸和甲醇在催化劑的作用下脫水酯化生成己二酸二甲酯。反應(yīng)方程式如下：本設(shè)計(jì)在綜合考慮了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量、原料醇酸摩爾比、催化劑研究發(fā)展技術(shù)、帶水劑用量及己二酸酯化率等因素之后，選擇固體超強(qiáng)酸樹(shù)脂作為催化劑催化生產(chǎn)己二酸二甲酯。作為新型催化劑，固體超強(qiáng)酸和傳統(tǒng)的催化劑(如濃硫酸、三氯化鐵、無(wú)水三氯化鋁等)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)：(1)催化活性高，催化劑用量少，催化劑分離回收容易，催化劑本身不進(jìn)入和不污染產(chǎn)品：(2)使用溫度低，甚至在常溫下也表現(xiàn)出較好的活性，有利于節(jié)能；(3)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率高，副反應(yīng)少，產(chǎn)物色澤和純度好，有利于減少原料消耗和降低“三廢”排放；(4)固體超強(qiáng)酸雖然表面酸性很強(qiáng)，但不腐蝕設(shè)備，不污染環(huán)境、易與產(chǎn)物分離和重復(fù)使用性等[20]。2.2基本物料物化性質(zhì)=1\*GB3①己二酸二甲酯（Dimethyladipate）別名肥酸二甲酯，又稱(chēng)己二酸雙甲酯，是高沸點(diǎn)無(wú)色清澈透明液體，其分子式為C8H14O4，相對(duì)分子質(zhì)量174.19g/mol，密度為1.063g/cm3，凝固點(diǎn)8～11℃，沸點(diǎn)109-115℃(14mmHg)，閃點(diǎn)：107.2℃，粘度：0.420mPa·s，表面張力：32.446dyn/cm，折射率：1.427-1.429，不溶于水，能溶于醇和醚，在酸或堿催化作用下可發(fā)生水解、醇解、氨(胺)解反應(yīng)，可由己二酸與甲醇在適當(dāng)條件下直接酯化而制得，一般用于有機(jī)合成，也可用作增塑劑。=2\*GB3②己二酸(AdipicAcid)俗稱(chēng)肥酸，分子式：HOOC(CH2)4COOH，相對(duì)摩爾質(zhì)量：146.14g/mol，常溫下為白色晶體，熔點(diǎn)：153℃，沸點(diǎn)：337.5℃，相對(duì)密度：1.336g/cm3。熔融黏度：4.54mPa·s(160℃)，室溫下溶于乙醚、乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑，微溶于水，在水中25℃時(shí)的溶解度為2.3g/100g水，己二酸是工業(yè)上最重要的脂肪族二元羧酸，是一種重要的有機(jī)化工原料。=3\*GB3③甲醇（Methanol）分子式：CH30H，相對(duì)摩爾質(zhì)量：32.04g/mol，密度：0.7918g/cm3，熔點(diǎn)-97.8℃，沸點(diǎn)64.7℃(337K)，粘度：0.58mPa·s，外觀無(wú)色透明液體，易揮發(fā)，有酒香味；能與水以任意比例互溶，但不形成共沸物，能和多數(shù)常用的有機(jī)溶劑(乙醇、乙醚、丙酮、苯等)混溶，并形成恒沸混合物；甲醇是一種極為重要的化工原料，是僅次于烯烴和芳烴第三重要的基礎(chǔ)化工原料。近年來(lái)，甲醇在新型能源特別是在燃料電池和汽車(chē)燃料方面得到了良好的開(kāi)發(fā)和利用。工業(yè)級(jí)甲醇的質(zhì)量指標(biāo)如下表2.1所示。表2.1工業(yè)級(jí)甲醇質(zhì)量指標(biāo)指標(biāo)名稱(chēng)指標(biāo)密度（20℃）g/cm30.791～0.793殘留物含量（%）無(wú)特殊異臭味，無(wú)色透明液體，無(wú)可見(jiàn)雜質(zhì)=4\*GB3④固體超強(qiáng)酸樹(shù)脂催化劑：固體超強(qiáng)酸是指酸性比100%硫酸更強(qiáng)的固體酸，固體超強(qiáng)酸的酸性可達(dá)100%硫酸的1萬(wàn)倍以上，固體超強(qiáng)酸由于它的高比表面積及特殊的晶體結(jié)構(gòu)使其成為一種新型催化劑材料，可廣泛用于有機(jī)合成、精細(xì)化工、石油化工等行業(yè)。=5\*GB3⑤環(huán)己烷：環(huán)烷烴的一種，分子式：C6H12，相對(duì)摩爾質(zhì)量：84.160g/mol，沸點(diǎn)：80.74℃，凝固點(diǎn)：6.5℃，密度：0.779g/cm3，也稱(chēng)六氫化苯，無(wú)色，易燃，微溶于水，具有揮發(fā)性，微有刺激性氣味的液體，無(wú)腐蝕性。反應(yīng)體系中，水是影響催化劑活性的主要因素，反應(yīng)物系中水的存在會(huì)使反應(yīng)平衡向不利于酯生成的方向進(jìn)行。為此，人們采用在反應(yīng)過(guò)程中不斷將水移出反應(yīng)體系的方法。在間歇反應(yīng)裝置中采用帶水劑與水形成共沸物而將水移出物系；及時(shí)移除反應(yīng)中產(chǎn)生的水分，使得固體超強(qiáng)酸樹(shù)脂保持較高的活性，反應(yīng)得以順利進(jìn)行。2.3生產(chǎn)工藝概述2.3.1工藝流程將己二酸（包含3%催化劑）、甲醇、環(huán)己烷按1:10:1.39的比例（摩爾比）加入帶有攪拌裝置、油水分水器、冷凝器的帶夾套的反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜的下部用水蒸氣加熱，攪拌升溫，加熱溶解至指定溫度（65℃左右），己二酸溶解完全后，調(diào)大反應(yīng)釜下部水蒸氣流量，反應(yīng)釜迅速升溫至90℃～100℃，在該溫度下進(jìn)行回流反應(yīng)，反應(yīng)約70min后，環(huán)己烷與水共沸將水帶出反應(yīng)釜，通過(guò)冷凝管冷卻之后流入油水分離器，環(huán)己烷與水靜置分層，水由下部放，環(huán)已烷在上部由泵打回反應(yīng)釜，環(huán)己烷回流入反應(yīng)釜繼續(xù)參與反應(yīng)。酯化完成后超強(qiáng)固體酸催化劑經(jīng)過(guò)濾分出，送回反應(yīng)釜繼續(xù)催化反應(yīng)進(jìn)行，液體產(chǎn)物由泵打入精餾塔，在精餾塔內(nèi)進(jìn)行減壓蒸餾除去剩余環(huán)己烷和部分甲醇，蒸餾出的環(huán)己烷與甲醇回流進(jìn)入反應(yīng)釜繼續(xù)反應(yīng)，塔釜餾出的酯化粗產(chǎn)品再次送入中和、水洗塔，用硫酸氫鈉、蒸餾水依次中和水洗，中和水洗過(guò)的產(chǎn)品送入精餾塔，塔下部安置加熱設(shè)備再沸器。甲醇與己二酸二甲酯二組分體系精餾，塔頂餾出的高純度甲醇回流進(jìn)入反應(yīng)釜，塔釜餾出的純度99.5%以上的己二酸二甲酯產(chǎn)品送入管殼式換熱器內(nèi)冷卻降溫處理后，送入貯罐內(nèi)貯藏，由于在反應(yīng)釜內(nèi)連續(xù)進(jìn)料酯化過(guò)程中不易達(dá)到較高反應(yīng)酯化率，設(shè)置兩個(gè)間歇反應(yīng)釜，交替進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程，保證后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)進(jìn)行。工藝流程見(jiàn)圖如圖2.1所示。產(chǎn)品酯化器產(chǎn)品酯化器精餾塔=1\*ROMANI換熱器分離器原料精餾塔=2\*ROMANII圖2.1工藝流程簡(jiǎn)圖2.3.2工藝過(guò)程影響因素=1\*GB3①帶水劑的影響：酯化反應(yīng)是可逆的失水反應(yīng)，要使反應(yīng)向酯生成的方向進(jìn)行，一是提高反應(yīng)物的濃度，一是減少生成物的量，加入帶水劑環(huán)已烷有利于酯化反應(yīng)的進(jìn)行。帶水劑用量對(duì)反應(yīng)影響較大，加入帶水劑可縮短反應(yīng)時(shí)間，提高已二酸二甲酯的收率。但其用量要適中，帶水劑過(guò)多，可以使酯化反應(yīng)溫度降低，使反應(yīng)不利于向酯的生成方向進(jìn)行，而且會(huì)使整個(gè)反應(yīng)體系中的酸、醇及催化劑的濃度降低，反應(yīng)速率下降，導(dǎo)致水量降低，使酯的收率降低。生產(chǎn)過(guò)程中帶水劑用量約為己二酸的1.39倍（物質(zhì)的量）。=2\*GB3②反應(yīng)溫度的影響：反應(yīng)溫度是反應(yīng)過(guò)程中必不可少的重要因素，有效的溫度控制措施不僅關(guān)系到正常的工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程，也是企業(yè)節(jié)省成本、響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策的重要舉措。溫度過(guò)低，原料預(yù)熱溫度無(wú)法達(dá)到酯化反應(yīng)的指定溫度，反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行；反應(yīng)溫度過(guò)高，容易導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)極易導(dǎo)致產(chǎn)物揮發(fā)，影響產(chǎn)物接觸反應(yīng)。在反應(yīng)釜外夾套中通入水蒸氣來(lái)控制反應(yīng)溫度至90℃～100℃，反應(yīng)體系維持在穩(wěn)定的狀況下。=3\*GB3③醇酸摩爾比的影響：酯化反應(yīng)是平衡可逆反應(yīng)，增加反應(yīng)物的濃度或減少生成物的濃度，均有利于反應(yīng)向正方向進(jìn)行。在實(shí)際生產(chǎn)中，甲醇有一部分溶解在生成物中，并被帶水劑帶出體系，所以甲醇的用量要比理論值大得多。反應(yīng)酯化率隨著醇酸摩爾比的增加而提高，當(dāng)醇酸摩爾比大于3.5時(shí)酯化率又有所降低，這主要是因?yàn)樵龃蠹状嫉牧坑欣诜磻?yīng)向生成酯的方向移動(dòng)，當(dāng)醇酸摩爾比較小時(shí)，酯化不完全，有相當(dāng)一部分仍停留在單酯階段；但當(dāng)醇酸摩爾比過(guò)大時(shí)，不僅會(huì)造成原料的浪費(fèi)，而且反應(yīng)過(guò)程中過(guò)多的甲醇還將溶解于反應(yīng)體系中而降低反應(yīng)物中催化劑的濃度，不利于酯化率的提高，同時(shí)甲醇用量過(guò)多會(huì)增加回收甲醇的費(fèi)用，因此最佳的醇酸比為3.5。=4\*GB3④催化劑性能及影響：催化劑的加入可加快反應(yīng)的進(jìn)行，用量少則反應(yīng)速度增加較慢，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率低，但加入過(guò)多又會(huì)造成浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。當(dāng)催化劑用量在3%(催化劑用量以己二酸為基準(zhǔn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下時(shí)，隨著催化劑用量的增加，已二酸的酯化率提高，當(dāng)催化劑用量超過(guò)3%時(shí)，酯化率基本恒定，再增加催化劑的用量，酯化率并無(wú)明顯增加，但將導(dǎo)致其副反應(yīng)增加，從而影響酯的收率和純度，因此綜合考慮酯化率和生產(chǎn)成本，故較為理想的催化劑用量為3%。=5\*GB3⑤反應(yīng)時(shí)間的影響：反應(yīng)時(shí)間對(duì)己二酸的酯化率影響很大，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有利于己二酸酯化率的提高，通常在反應(yīng)的初期，酯的生成速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于酯的水解速率，酯化速率很快，反應(yīng)主要由動(dòng)力學(xué)因素決定。反應(yīng)后期，體系中酯的濃度逐漸提高，可逆的水解反應(yīng)速率加快，副產(chǎn)生成的水被甲醇帶入外循環(huán)而得到解除，因此該反應(yīng)階段受脫水速率和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)共同制約。反應(yīng)時(shí)間在70min以?xún)?nèi)時(shí)，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有利于己二酸酯化率的提高，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間己二酸酯化率增加不明顯，再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，可能導(dǎo)致副反應(yīng)發(fā)生，故最佳反應(yīng)時(shí)間是70min，酯化率可以達(dá)到98%以上。第三章精餾塔工藝尺寸計(jì)算3.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.設(shè)計(jì)任務(wù)=1\*GB3①生產(chǎn)能力：20000t/a的己二酸二甲酯=2\*GB3②生產(chǎn)工藝：連續(xù)酯化=3\*GB3③生產(chǎn)方法：固體超強(qiáng)酸樹(shù)脂催化法=4\*GB3④設(shè)備形式：精餾塔2.操作條件①己二酸二甲酯純度99.5%以上②考慮到甲醇揮發(fā)、保證己二酸酯化率等因素，設(shè)定進(jìn)反應(yīng)器醇酸比10:1③催化劑用量為己二酸的3%④帶水劑環(huán)己烷15mL/0.1mol己二酸=5\*GB3⑤全年工作時(shí)間設(shè)為300天，每天24小時(shí)，總工作時(shí)間為24×300=7200小時(shí)=6\*GB3⑥設(shè)定經(jīng)精餾塔=1\*ROMANI后，除去帶水劑、催化劑及部分甲醇后，甲醇進(jìn)料組成：40.00%(甲醇的質(zhì)量分率，下同)；塔頂產(chǎn)品組成>99.5%，塔釜產(chǎn)品組成<0.5%，常壓、泡點(diǎn)進(jìn)料綜合分許產(chǎn)品物性及操作條件，擬采用篩板塔。操作壓力4kPa(塔頂表壓)，單板壓降<0.7kPa。3.2確定物性數(shù)據(jù)3.2.1原料液、塔頂及塔底產(chǎn)品的摩爾分率己二酸二甲酯的摩爾質(zhì)量MA=174.19kg/kmol甲醇的摩爾質(zhì)量MB=32.04kg/kmol3.2.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF=0.7838×32.04＋(1-0.7838)×174.19=62.77kg/kmolMD=0.9991×32.04＋(1-0.9991)×174.19=32.17kg/kmolMW=0.02659×32.04＋(1-0.02659)×174.19=170.41kg/kmol3.2.3物料衡算總物料衡算：F=D+W（3-1）甲醇物料衡算：FxF=DxD+WxW（3-2）F=D+15.95，聯(lián)立以上兩式得：D=56.11kmol/hF=72.07kmol/hF—原料液流量(kmol/h)；D—塔頂產(chǎn)品流量(kmol/h)；W—塔釜產(chǎn)品流量(kmol/h)3.3塔板數(shù)的確定3.3.1泡點(diǎn)進(jìn)料溫度 泡點(diǎn)進(jìn)料溫度由試差法確定，利用安托尼方程（3-3）式中為飽和蒸汽壓(mmHg)，A、B、C為安托尼常數(shù)，t為溫度(℃)。假設(shè)溫度t，帶入公式求得PA，PB；由K=Po/760，因?yàn)榕蔹c(diǎn)進(jìn)料，若KAx+KB（1-x）≈1，則符合要求，該溫度為泡點(diǎn)溫度[21]。甲醇的安托尼方程通過(guò)查手冊(cè)得（3-4）利用基團(tuán)貢獻(xiàn)法估算己二酸二甲酯的臨界溫度(Tc)和臨界壓力(Pc)，基團(tuán)貢獻(xiàn)值見(jiàn)表3.1。利用PR方程求得己二酸二甲酯在某溫度下的飽和蒸汽壓。飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)由一個(gè)名為T(mén)hermalCal1.1的PR方程計(jì)算程序計(jì)算得來(lái)。表3.1Joback基團(tuán)貢獻(xiàn)值基團(tuán)△Tci△Pci△Tbi-CH30.0141-0.001223.58-CH2-0.0189022.88-COO-(酯)0.04810.000581.10由于程序本身的精確度只能保留到四位小數(shù)，在溫度較低時(shí)數(shù)據(jù)并不能取得較高的精度，故取3組沸點(diǎn)附近的溫度計(jì)算出來(lái)其飽和蒸汽壓，聯(lián)立解得己二酸二甲酯安托尼方程的常數(shù)A、B、C?？傻眉憾岫柞サ陌餐心岱匠虨椋?-5）通過(guò)試差，可得：進(jìn)料溫度TF=72℃，PA=913.90mmHg，PB=191.56mmHg塔頂溫度TD=67℃，PA=755.27mmHg，PB=148.35mmHg塔釜溫度TW=108℃，PA=3067.26mmHg，PB=934.76mmHg3.3.2最小回流比及操作回流比將甲醇—己二酸二甲酯二元體系視為理想溶液。原料液、塔頂、塔釜產(chǎn)品的揮發(fā)度αF、αD、αW分別為平均揮發(fā)度：泡點(diǎn)進(jìn)料，進(jìn)料方程q=1，xq=xF=0.7838（3-6）最小回流比（3-7）取操作回流比R=2Rmin=0.743.3.3精餾塔氣液相負(fù)荷泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)：（3-8）L=RD=0.74×56.11＝41.52kmol/h（3-9）（3-10）V、L—精餾段每層塔板上升的蒸汽、下降的液體摩爾流量，kmol/h—提餾段每層塔板上升的蒸汽、下降的液體摩爾流量，kmol/h3.3.4操作線(xiàn)方程精餾段：提餾段：平衡線(xiàn)方程：3.3.5圖解法求塔板數(shù)采用圖解法求理論板數(shù)，如圖3.1圖3.1理論板數(shù)圖解法求得結(jié)果為：總理論板層數(shù)：NT=11進(jìn)料板位置：NF=11精餾段6塊，提餾段5塊（包括進(jìn)料板，不包括再沸器）。塔頂塔釜平均溫度：℃表3.2產(chǎn)品粘度產(chǎn)品粘度mPa·sD/67℃W/108℃CH3OH0.5270.201DMA0.4200.282該溫度下?lián)]發(fā)度：μD=0.527×0.9991＋0.420×0.0009=0.527mPa·sμW=0.201×0.02659＋0.282×0.9734=0.280mPa·smPa·s塔頂操作壓力：PD=101.3+4=105.3kPa，每層塔板壓降:△P=0.7kPa全塔效率：ET=0.49(αμL)-0.245=0.49×(3.97×0.404)-0.245=43.64%（3-11）精餾段實(shí)際板數(shù)為：提餾段實(shí)際板數(shù)為：實(shí)際板數(shù)26塊，第15塊為進(jìn)料板。3.4精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算3.4.1操作壓力計(jì)算塔頂操作壓力：PD=101.3+4=105.3kPa每層塔板壓降：△P=0.7kPa進(jìn)料板壓力：PF=105.3+0.7×14=115.1kPa精餾段平均壓力：3.4.2操作溫度計(jì)算依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)方程通過(guò)試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度，其中甲醇、己二酸二甲酯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：塔頂溫度：tD=67℃進(jìn)料板溫度：tF=72℃精餾段平均溫度：℃ 3.4.3平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算將xD=y1=0.9991代入即，解之得：x1=0.995塔頂氣、液平均摩爾質(zhì)量：MVDm=0.9991×32.04+(1-0.9991)×174.19=32.17kg/molMLDm=0.995×32.04+(1-0.995)×174.19=32.75kg/mol進(jìn)料板物料平均摩爾質(zhì)量計(jì)算查理論板數(shù)求解圖得：yF=0.9069對(duì)應(yīng)平衡曲線(xiàn)：xF=0.6894MVFm=0.9069×32.04+(1-0.9069)×174.19=45.27kg/molMLFm=0.6894×32.04+(1-0.6894)×174.19=76.19kg/mol精餾段氣、液平均摩爾質(zhì)量：3.4.4平均密度計(jì)算（1）氣相平均密度氣相可視為理想氣體，由理想氣體狀態(tài)方程：（3-12）（2）液相平均密度液相平均密度依下式計(jì)算，即（3-13）tD=67℃時(shí)，ΡA=751.42kg/m3ΡB=979.50kg/m3tF=72℃時(shí)，ΡA=749.61kg/m3ΡB=978.17kg/m3精餾段液相平均密度為3.4.5液體平均表面張力計(jì)算液體平均表面張力依下式計(jì)算，（3-14）塔頂液相平均表面張力tD=67℃時(shí)，σA=20.70mN/mσB=30.446mN/mσLDm=0.9991×20.70+0.0009×30.446=20.71mN/m進(jìn)料板液相平均表面張力tF=72℃時(shí)，σA=19.01mN/mσB=28.37mN/mσLFm=0.6894×19.01+0.3106×28.37=21.92mN/m精餾段液相平均表面張力為3.4.6液體平均粘度計(jì)算液相平均粘度依下式計(jì)算，即（3-15）μD=0.527×0.9991＋0.420×0.0009=0.527mPa·stD=67℃時(shí)，將μA=0.527mPa·sμB=0.420mPa·s代入公式得：μLDm=0.52mPa·stF=72℃時(shí)，將μA=0.498mPa·sμB=0.393mPa·s代入公式得：μLFm=0.46mPa·s精餾段液相平均粘度為3.5精餾塔的塔體工藝尺寸的計(jì)算精餾段的氣、液相體積流率為（3-16）（3-17）（3-18）（3-19）最大允許氣速：（3-20）氣相復(fù)合因子:（3-21）圖3.2史密斯關(guān)聯(lián)圖在史密斯關(guān)聯(lián)圖中，橫坐標(biāo)板間距取HT=0.4m，常壓條件下板上液層高度取hL=0.05m，對(duì)應(yīng)HT-hL=0.4-0.05=0.35m。對(duì)應(yīng)C20=0.069代入適宜的氣速介于最大允許氣速的60%～80%，取較大安全系數(shù)0.6，即U=0.6Umax=0.6×1.640=0.9840m/s塔徑，圓整為標(biāo)準(zhǔn)塔徑D=1m。塔截面積（3-22）實(shí)際空塔氣速（3-23）3.6塔板主要工藝尺寸的計(jì)算3.6.1溢流區(qū)計(jì)算(1)綜合塔徑、液相負(fù)荷因素，溢流堰形式選用單溢流[22]。(2)堰長(zhǎng)定為lw=0.6D=0.6×1=0.6m（3-24）(3)降液管選擇最常用的弓形降液管，弓形降液管的寬度和面積依據(jù)下圖計(jì)算：橫坐標(biāo)lw/D=0.6時(shí)，Wd/D=0.13Wd=0.13mAf/AT=0.056Af=0.056×0.785=0.04396m2圖3.3弓形管降液參數(shù)圖(4)核算降液管停留時(shí)間符合要求（3-25）(5)溢流堰高度由Francis公式（3-26）溢流收縮系數(shù)E取1。堰上液層高度圓整為hOW=0.008m在6～70mm范圍內(nèi)，因此溢流堰選擇單溢流合適。hW=hL-hOW=0.05-0.008=0.042m（3-27）(6)降液管底隙高度，液體通過(guò)降液管底隙時(shí)的流速?。?-28）hw-h0=0.042-0.018=0.024m>0.006m降液管底隙高度比溢流堰高度低0.006m以上，能保證降液管底部液封。3.6.2塔板布置(1)塔板的分塊塔體直徑D在800～1200mm范圍內(nèi)，選擇整塊式塔板。(2)邊緣區(qū)寬度確定塔徑D<1.5m，破沫區(qū)寬度取Ws=60mm，降液管與鼓泡區(qū)之間的安定區(qū)寬度無(wú)效區(qū)寬度取Wc=40mm(3)開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算對(duì)于單溢流堰（3-29）（3-30）（3-31）（4）孔間距、開(kāi)孔率和孔數(shù)計(jì)算根據(jù)篩孔直徑與孔徑關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)，塔徑1m時(shí)，選擇孔徑d0=6mm。甲醇—己二酸二甲酯腐蝕性極小，按照選擇碳鋼塔板時(shí)，塔板厚度小于孔徑厚度的標(biāo)準(zhǔn)，選擇塔板厚度δ=5mm，選擇孔間距t=3.5，d0=3.5×6=21mm。篩孔以正三角形排列，開(kāi)孔率（3-32）開(kāi)孔區(qū)孔總面積（3-33）開(kāi)孔區(qū)孔的總數(shù)個(gè)（3-34）3.7塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算3.7.1塔板壓降(1)干板阻力計(jì)算干板阻力由下式計(jì)算，即（3-35）閥孔氣速（3-36）時(shí)，可由干篩孔的流量系數(shù)查得C0=0.80圖3.4干篩孔的流量系數(shù)(2)氣體通過(guò)液層的阻力計(jì)算氣體通過(guò)液層的阻力由下式計(jì)算，即hl=βhL（3-37）氣體通過(guò)液層時(shí)氣速（3-38）氣相動(dòng)能因子（3-39）圖3.5充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖查得β=0.66hl=0.66×0.05=0.033m(3)氣體克服液體表面張力的阻力計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力（3-40）(4)氣體通過(guò)每層塔板的液柱高柱高度hp=hc+hl+hσ=0.0473+0.033+0.001754=0.08205m（3-41）氣體通過(guò)每層塔板的壓降為△Pp=hpρLg=0.08205×825.55×9.81=664.5Pa<0.7kPa（3-42）符合設(shè)計(jì)要求。3.7.2液面落差對(duì)于篩板塔，液面落差很小，流量不大且液相流程不長(zhǎng)，忽略液面落差的影響。3.7.3霧沫夾帶霧沫夾帶量（3-43）鼓泡層高度hf=2.5hL=2.5×0.05=0.125m（霧沫夾帶上限值）霧沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。3.7.4漏液 保證篩板塔不漏液的下限氣速（3-44）實(shí)際孔速μ0=18.10m/s>8.41m/s穩(wěn)定系數(shù)（3-45）設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液，塔操作彈性較大。3.7.5液泛為避免液泛，降液管內(nèi)清液高度應(yīng)服從下式的關(guān)系（3-46）Hd=hp+hL+hd（3-47）甲醇—己二酸二甲酯物系屬于一般物系，泡沫層相對(duì)密度取φ=0.5板上不設(shè)進(jìn)口堰，液相通過(guò)降液管的局部阻力。（3-48）φ(HT+hw)=0.5×(0.4+0.042)=0.221m>Hd=0.05+0.08205+0.0007598=0.1328m設(shè)計(jì)可保證不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。3.8塔板負(fù)荷性能圖3.8.1液相負(fù)荷下限線(xiàn)對(duì)于平直堰，取堰上液層高度hOW=0.005m作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)（3-49）E取1代入得Ls,min=0.0003893m3/s據(jù)此作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線(xiàn)1。3.8.2液相負(fù)荷上限線(xiàn)以θ=5s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限（3-50）（3-51）據(jù)此作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線(xiàn)2。3.8.3漏液線(xiàn)（3-52）hL=hW+hOW（3-53）（3-54）代入整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于表3.3。表3.3漏液線(xiàn)計(jì)算結(jié)果Ls,m3/s0.00060.00120.00180.00240.0030Vs,m3/s0.32340.33140.33800.34370.3459據(jù)此做出漏液線(xiàn)3。3.8.4霧沫夾帶線(xiàn)以eV=0.1kg液/kg氣為限，求Vs–Ls關(guān)系如下：（3-55）（3-56）（3-57）（3-58）綜合整理上述式子在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于表3.4。表3.4霧沫夾帶線(xiàn)計(jì)算結(jié)果Ls,m3/s0.00060.00120.00180.00240.0030Vs,m3/s1.31371.26751.22871.19411.1623據(jù)此做出霧沫夾帶線(xiàn)4。3.8.5液泛線(xiàn)Hd=hp+hL+hdhp=hc+hl+hσhl=βhLhL=hW+hOW聯(lián)立得（3-59）將有關(guān)公式代入得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于表3.5。表3.5液泛線(xiàn)計(jì)算結(jié)果Ls,m3/s0.00060.00120.00180.00240.0030Vs,m3/s1.19861.16371.12821.08981.0473據(jù)此做出液泛線(xiàn)5。圖中P點(diǎn)為操作點(diǎn)，根據(jù)以上各線(xiàn)方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如圖3.6所示。由圖可看出篩板的操作上限受液泛控制，下限為受漏液控制。由下圖查得：Vs,max=1.0955m3/sVs,min=0.3218m3/s操作彈性在3～5的范圍內(nèi)，表明塔設(shè)計(jì)合適。圖3.6精餾段篩板負(fù)荷性能圖3.9各種管尺寸的計(jì)算3.9.1進(jìn)料管MF=62.77kg/kmol用泵進(jìn)料時(shí)，取流速μF=2m/s，流體體積流量管徑（3-60）圓整取熱軋無(wú)縫鋼管[23]，規(guī)格為φ38×4mm。實(shí)際管內(nèi)流速（3-61）3.9.2釜液出料管MW=170.41kg/kmol取出口流速μW=0.8m/s，流體體積流量管徑圓整取熱軋無(wú)縫鋼管，規(guī)格為φ50×4mm。實(shí)際管內(nèi)流速3.9.3回流液管ρL=752.37kg/m3ML=54.48kg/kmol冷凝液利用重力回流，取μL=0.4m/s，流體體積流量管徑圓整取熱軋無(wú)縫鋼管，規(guī)格為φ60×4mm。實(shí)際管內(nèi)流速。3.9.4塔頂蒸汽出口管ρVm=1.496kg/m3MVDm=32.17kg/kmol塔頂蒸汽流速取μV=50m/s，流體體積流量VSV=0.7019m3/s，管徑圓整取熱軋無(wú)縫鋼管，規(guī)格為φ168×15mm。實(shí)際管內(nèi)流速3.10塔高計(jì)算篩板塔的塔高由主體高度HZ、頂部空間高度Ha、底部空間高度Hb、裙座高度Hs及封頭高度Hf等構(gòu)成。(1)精餾段主體高度為H精=(N精-1)HT=(14-1)×0.4=5.2m提餾段主體高度為H提=(N提-1)HT=(12-1)×0.4=4.4m在塔頂、塔釜、進(jìn)料板處開(kāi)一個(gè)手孔，直徑為0.15m，故精餾塔的主體高度為H=H精+H提+0.15×3=5.2+4.4+0.45=10.05m(2)為減少塔頂氣相夾帶液相的量，頂部空間高度取Ha=1.3m。(3)為防止操作波動(dòng)對(duì)后繼設(shè)備操作的影響，塔底空間起貯槽的作用，塔底產(chǎn)品停留時(shí)間為3.5min。為方便從再沸器進(jìn)到塔內(nèi)的蒸汽能均勻分布，以塔底液面到塔最下一塊塔板還要有0.8米空間，塔底空間高度取Hd=1.8m。(4)裙座高度Hs選擇圓筒形裙座，綜合考慮出料管所需要的空間高度及出料管相連接的再沸器的高度、出料泵的位頭等因素，裙座高度選擇Hs=2m。(5)塔徑1m，選擇橢圓形封頭時(shí)，封頭高度取Hf=0.18m。(6)塔高H=HZ+Ha+Hb+Hs+Hf=10.05+1.3+1.8+2+0.18=15.33m。篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總表如下：序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值1實(shí)際塔板數(shù)262塔徑D/m13板間距HT/m0.44溢流形式單溢流5降液管形式弓形6堰長(zhǎng)lw/m0.67堰高h(yuǎn)W/m0.0428板上清液高度hL/m0.059堰上液層高度how/m0.00810降液管底隙高度h0/m0.01811破沫區(qū)寬度Ws/m0.06序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值12安定區(qū)寬度/m0.0613無(wú)效區(qū)寬度Wc/m0.0414開(kāi)孔區(qū)面積Aa/m20.52415篩孔直徑d0/m0.00616篩孔數(shù)目137217孔中心距t/m0.02118開(kāi)孔率0.074019篩孔氣速m/s18.1020穩(wěn)定系數(shù)2.221每層塔板壓降△p/Pa664.522氣相負(fù)荷上限Vs，max/m3/s0.00351923氣相負(fù)荷下限Vs，max/m3/s0.000389324霧沫夾帶Vs/(kg液/kg氣)0.00022725操作彈性3.4026塔高H/m15.3327頂部空間高度Ha/m1.328底部空間高度Hd/m1.829裙座高度Hs/m230封頭高度Hf/m0.1831進(jìn)料管d進(jìn)/m0.0332釜液出料管d出/m0.04233回流液管d回/m0.05234塔頂蒸汽出口管d蒸出/m0.138第四章其他設(shè)備選型4.1反應(yīng)釜選型帶攪拌的夾套反應(yīng)釜是化學(xué)、醫(yī)藥、食品等工業(yè)中最常用的典型反應(yīng)設(shè)備之一。它是一種在一定壓力和溫度下，借助攪拌器將一定容積的兩種（或多種）液體及液體與