年產(chǎn)10萬(wàn)噸正丁醇生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)

1年產(chǎn)10萬(wàn)噸正丁醇生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)正丁醇（CH3CH2CH2CH2OH）是一種沒(méi)有顏色透明的、有酒氣味的重要有機(jī)化工原料，涉及到生活中的方方面面，是多種涂料的溶劑和制增塑劑鄰苯二甲酸二甲酯不可缺少的原材料，同樣良好作用在有機(jī)合成中間體和生物化學(xué)藥的萃取劑，也是生產(chǎn)醋酸丁酯、丙烯酸丁酯、乙二醇丁醚的原料，另外還可以用來(lái)生產(chǎn)表面活性劑。本設(shè)計(jì)中進(jìn)行對(duì)正丁醇的幾種生產(chǎn)工藝方案的詳細(xì)對(duì)比后，選擇低壓羰基合成工藝方法，以合成氣（H2、CO）和丙烯為原料，選取三苯基膦銠催化劑，合成正丁醛，再精制粗正丁醛，然后加氫生成正丁醇，實(shí)現(xiàn)正丁醇生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)年產(chǎn)量的要求，通過(guò)把物料衡算、能量衡算和設(shè)備選型初步計(jì)算運(yùn)用在設(shè)計(jì)中，測(cè)算車(chē)間以及設(shè)備的基礎(chǔ)參數(shù)。同時(shí)對(duì)正丁醇的生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的三廢也進(jìn)行了簡(jiǎn)單處理說(shuō)明；對(duì)正丁醇單元進(jìn)行了簡(jiǎn)單的安全性分析。并畫(huà)出了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)單元的PID圖、PFD圖、和關(guān)鍵設(shè)備圖和車(chē)間平面布置圖。關(guān)鍵詞：正丁醇；三苯基膦銠；低壓羰基合成；物料衡算；設(shè)備選型Theproductivetechnologyof100,000tonsn-butylalcoholperyearAbstractN-butylalcohol(CH3CH2CH2CH2OH)isacolorless,transparent,winesmellofimportantorganicchemicalrawmaterials,involvingeveryaspectoflife,isavarietyofcoatingsolventdimethylphthalateplasticizerandimportantrawmaterials,alsousedinthemanufactureofbutylacetate,butylacrylateandethyleneglycolbutyletheraswellasintermediatesinorganicsynthesis,andbiologicalaspectssuchastheextractionsolventofchemicalmedicinealsohasarelativelygoodapplication,andalsousedinthemanufactureofsurfactant.Afterthedetailedcomparisonofseveralproductionprocessesofn-butylalcoholinthisdesign,thesynthesisprocessoflow-pressurecarbonylgroupwasadopted.Thesynthesisprocessofn-butylalcoholwascarriedoutbytakingsyngasandpropyleneasrawmaterials,usingthecatalystoftriphenylphosphinerhodiumtosynthesizen-butyraldehyde,thenrefiningthecruden-butyraldehyde,hydrogenationtopreparen-butylalcohol,andthedesignoftheproductionprocessofn-butyialcoholwasdeveloped.Accordingtotherequirementsoftheprojectdesignannualoutput,thematerialbalance,energybalanceandequipmentselectionaremainlycalculatedinthedesign,andthebasicparametersoftheworkshopandequipmentareobtained.Atthesametime,thethreewastesproducedintheproductionprocessofn-butanolwerealsobrieflytreated.Thesafetyofn-butanolunitwasanalyzedsimply.ThePIDdiagram,PFDdiagram,keyequipmentdiagramandworkshoplayoutdiagramaredrawn.2Keywords:N-butylalcohol;Triphenylphosphinerhodium;Synthesisoflowpressurecarbonylgroup;Materialbalance;Equipmentselection1前言 41.1正丁醇的簡(jiǎn)介 41.2正丁醇的廣泛應(yīng)用 41.3正丁醇的研究現(xiàn)狀 51.4國(guó)內(nèi)供需狀況 51.5國(guó)外市場(chǎng) 71.6正丁醇的市場(chǎng)發(fā)展前景 72生產(chǎn)工藝路線(xiàn)的介紹與選擇 82.1基本思路及方法 8 2.1.2丙烯羰基合成法 92.1.3醇醛縮合法 92.2羰基合成法的四種工藝 92.2.1低壓羰基合成工藝 92.2.2三菱化成低壓羰基合成工藝 2.2.3巴斯夫低壓羰基合成工藝 2.2.4美國(guó)伊士曼的羰基合成工藝 2.2.5可行性分析 2.3正丁醇生產(chǎn)工段路線(xiàn)的選擇及簡(jiǎn)述 2.3.1工藝流程的選擇 2.3.2丙烯氫甲酰化工段 2.3.3丁醛加氫工段 2.3.4產(chǎn)品精制工段 3物料衡算 3.1生產(chǎn)能力的計(jì)算 3.2羰基合成反應(yīng)工段的物料衡算 3.3丁醛加氫反應(yīng)器的物料衡算 3.4正異丁醇分離塔的物料衡算 3.5物料數(shù)據(jù)衡算匯總 4能量衡算 4.1能量衡算的相關(guān)介紹 4.2加熱器的能量衡算 2234.3羰基合成反應(yīng)器能量衡算 234.4冷凝器能量衡算 254.5丁醛加氫反應(yīng)器能量衡算 264.6正異丁醇分離塔能量衡算 275主要設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 295.1正異丁醇分離塔的工藝尺寸設(shè)計(jì) 295.1.1產(chǎn)品濃度計(jì)算 295.1.2平均相對(duì)揮發(fā)度 305.1.3精餾塔最小回流比計(jì)算 325.1.4理論板數(shù)的計(jì)算—簡(jiǎn)捷法 325.1.5全塔效率估算 335.1.6實(shí)際板數(shù)與加料板位置計(jì)算 345.1.7精餾塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì) 345.1.8塔徑的計(jì)算 395.1.9浮閥塔板結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 5.1.10塔板分布、浮閥數(shù)目及排列 425.1.11塔板的流體力學(xué) 445.1.12塔板負(fù)荷性能圖 475.1.13浮閥塔的材料選擇 525.1.14塔總高度計(jì)算 526附屬設(shè)備的選型 536.1換熱器的選型 536.1.1試算和換熱器的選型 536.1.2核算總傳熱系數(shù) 546.2進(jìn)料泵的估選 556.2.1泵的揚(yáng)程 556.2.2泵的選型 566．3儲(chǔ)罐的估算 566.3.1回流罐的估算 576.3.2產(chǎn)品回流罐的估選 577環(huán)境保護(hù)與安全分析 587.1“三廢”的產(chǎn)生情況 587.2污染物處理措施和綜合利用 587.3噪聲來(lái)源及處理 587.4綠化 5947.5危險(xiǎn)性分析及處理 597.5.1危險(xiǎn)性分析 597.5.2安全對(duì)策與建議 598設(shè)備的自控方案 598.1離心泵的自控方案 598.2換熱器的自控方案 608.3精餾塔的自控方案 619非工藝部分 619.1公用工程 61 61 629.1.3生產(chǎn)區(qū)域的采暖和通風(fēng) 629.2生產(chǎn)防火 6310車(chē)間布置 6310.1工廠(chǎng)地址的選擇 6310.2車(chē)間布置概述 6411總結(jié) 65參考文獻(xiàn) 65謝辭 69 701.1正丁醇的簡(jiǎn)介正丁醇是一種特定的液體，其具有固定的分子式，為CH3CH2CH2CH2OH。在名稱(chēng)上，這種液體也可以被稱(chēng)為丁醇、酪醇或丙原醇；在物理屬性上，這種液體是無(wú)色透明的，并且伴隨著酒氣味。在質(zhì)量上，這種液體的相對(duì)分子質(zhì)量為74.12。根據(jù)相關(guān)手冊(cè)及資料，可以得到這種液體的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和相對(duì)密度分別為-88.9℃,117.25℃和0.8098g/cm3?？紤]到這種液體與其他液體的兼容性質(zhì)，總結(jié)發(fā)現(xiàn)正丁醇溶于部分有機(jī)溶劑，具體包括水、乙醇、醚等。不一樣的是，正丁醇與水的兼容性質(zhì)較低，僅微溶于水。1.2正丁醇的廣泛應(yīng)用正丁醇的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，它可以生產(chǎn)增塑劑，也可以作為原材料，同時(shí)也可以5作為一些化合物質(zhì)的萃取劑和添加劑。在一些特殊的領(lǐng)域，正丁醇也常常被用來(lái)脫蠟、活性、色譜分析等。作為生產(chǎn)增塑劑的化學(xué)物質(zhì)，正丁醇可以大量生產(chǎn)正丁酯類(lèi)增塑劑，這類(lèi)增塑劑主要以鄰苯二甲酸和磷酸為主。當(dāng)然，正丁醇也是化工領(lǐng)域的重要原材料，在有機(jī)合成中，它可以有助于產(chǎn)生丁醛、丁胺等特殊物質(zhì)[1]。其次，正丁醇同時(shí)具有了萃取功能，它可以萃取醫(yī)藥領(lǐng)域的重要藥物，這些藥物主要以維生素和抗生素為主。在一些特殊的領(lǐng)域，正丁醇也可以充當(dāng)溶劑和脫蠟劑，在大部分印刷廠(chǎng)中，對(duì)其中油墨的生產(chǎn)和持續(xù)沿用發(fā)揮了重要的作用；在部分物理或化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者們往往也會(huì)選取正丁醇來(lái)進(jìn)行相關(guān)的色譜分析或有機(jī)合成。1.3正丁醇的研究現(xiàn)狀20世紀(jì)50年代初期，我國(guó)工業(yè)、化工等領(lǐng)域首次開(kāi)始生產(chǎn)正丁醇這種物質(zhì)。對(duì)于正丁醇的特殊且復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，生產(chǎn)方式主要采用了發(fā)酵法，這種方法在當(dāng)時(shí)是最有在少量生產(chǎn)時(shí)，主要經(jīng)歷以下四個(gè)步驟：第一步，選取五谷糧食或糖蜜為原料，將特定的原料碾碎，加入一定量的純水，可以形成發(fā)酵液，此時(shí)發(fā)酵液主要呈現(xiàn)膠狀；第二步，用高壓蒸汽法處理加入水后的發(fā)酵液，其主要的目的是為了保持生產(chǎn)過(guò)程的無(wú)菌環(huán)境；第三步，冷卻靜置一段時(shí)間后，接入特定的純丙酮一丁醇菌種，此時(shí)需要注意的是維持發(fā)酵溫度在36至37°,溫度的精準(zhǔn)控制是有效發(fā)酵的關(guān)鍵步驟之一。第四步，注意收集發(fā)酵過(guò)程所產(chǎn)生的氣體，包括二氧化碳和氫氣這兩種，對(duì)所產(chǎn)生的氣體進(jìn)行精餾操作，可以得到丁醇、丙酮和乙醇等。以上四步法的優(yōu)點(diǎn)是分離所得到的正丁醇的純度較高，但缺點(diǎn)是所得到的正丁醇的量較少。正丁醇的生產(chǎn)方法還有很多，其中通過(guò)酒精法生產(chǎn)的方法也比較常見(jiàn)，此方法可以生產(chǎn)丁二烯副產(chǎn)的丁醇；除此以外，化工領(lǐng)域還有采用粗醇加氫法，來(lái)進(jìn)一步精制得到丁醇[2]。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力變得更加繁榮昌盛，各行各業(yè)都發(fā)生了改變。石化工業(yè)領(lǐng)域采用了先進(jìn)的技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造出了一批大型的生產(chǎn)裝置，可以用于高效、大量地生產(chǎn)純度高的正丁醇物質(zhì)。這一些大型裝置還另外包括將羰基合成丁醇地生產(chǎn)裝置。正丁醇物質(zhì)的生產(chǎn)發(fā)源地主要與其生產(chǎn)廠(chǎng)家有關(guān)，就正丁醇的生產(chǎn)廠(chǎng)家而言，主要包括山東齊魯石化、大慶石化、吉林化學(xué)工業(yè)公司等，這些生產(chǎn)廠(chǎng)家的主要城市位于山東、北京、吉林等。除中國(guó)外，外國(guó)也有特定的正丁醇生產(chǎn)廠(chǎng)家，其中常見(jiàn)的是揚(yáng)子-巴斯夫公司，該公司屬于德資企業(yè)[3]，因此正丁醇的生產(chǎn)方式在德國(guó)也較為成熟。1.4國(guó)內(nèi)供需狀況在我國(guó)，正丁醇的供需狀況較為穩(wěn)定，主要需要使用到正丁醇的領(lǐng)域以化工和醫(yī)6圖1.12012-2018年中國(guó)正丁醇產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)情況藥兩大領(lǐng)域?yàn)橹鳌；ゎI(lǐng)域?yàn)橹饕M(fèi)領(lǐng)域，占據(jù)了我國(guó)正丁醇消費(fèi)量的四分之三，運(yùn)用正丁醇，可以大量生產(chǎn)出酯類(lèi)化學(xué)物質(zhì)，主要以丙烯酸丁酯和醋酸丁酯為主。由于酯類(lèi)化學(xué)物質(zhì)之間可以進(jìn)行互生產(chǎn)，因此酯類(lèi)化學(xué)物質(zhì)各自對(duì)正丁醇原料的消耗比例并不圖1.12012-2018年中國(guó)正丁醇產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)情況在醫(yī)學(xué)上被廣泛應(yīng)用，因此正丁醇在醫(yī)學(xué)上也顯得尤為重要。截至目前，我國(guó)正丁醇的產(chǎn)和產(chǎn)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為一般化學(xué)物質(zhì)的三倍增長(zhǎng)速度。據(jù)可靠數(shù)據(jù)表明，從2012年-2018年，短短的6年時(shí)間內(nèi)，正丁醇物質(zhì)的產(chǎn)能翻了約3.5倍。與此同時(shí)，隨著產(chǎn)能的快速增長(zhǎng)，其產(chǎn)量也快速增加。2018年的產(chǎn)量是2012年產(chǎn)量的2.6倍。在表觀(guān)消費(fèi)這一塊，我國(guó)正丁醇表觀(guān)消費(fèi)量自2014年開(kāi)始呈穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2018年中國(guó)正丁醇表觀(guān)消費(fèi)量為202.9萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)6.2%。在進(jìn)口這一塊，在正丁醇并未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)之前，我國(guó)的丁辛醇產(chǎn)品的自主生產(chǎn)能力較弱，只能依靠進(jìn)口渠道獲取，且進(jìn)口量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他國(guó)家的進(jìn)口量，消耗量了我國(guó)大量的進(jìn)口成本。當(dāng)正丁醇可以在化工領(lǐng)域被大量高效生產(chǎn)時(shí)，近幾年進(jìn)口量有所收縮。根據(jù)中國(guó)海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，到2018年年底，同比下降27.7%。表1.12012-2018年我國(guó)正丁醇各項(xiàng)數(shù)據(jù)情況年份2012201320142015201620172018產(chǎn)能(萬(wàn)噸/年)79138.6156.2210.8215.4232．3276.6產(chǎn)量（萬(wàn)噸/年)70.28108.2124.8147.2151.4165.3183.7表觀(guān)消費(fèi)量（萬(wàn)噸）119.8149.8144.1170.6182.8191.6202.9進(jìn)口量統(tǒng)計(jì)（萬(wàn)噸）48.841.219.822.832.627.419.713000產(chǎn)能（萬(wàn)噸）.■20122013201420152016■201720187產(chǎn)量（萬(wàn)噸）2012201320142015201620172018表觀(guān)消費(fèi)量（萬(wàn)噸）02012201320142015201620172018圖1.32012-2018年中國(guó)正丁醇表觀(guān)消費(fèi)量統(tǒng)計(jì)情況圖1.22012-2018年中國(guó)正丁醇產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)情況進(jìn)口量統(tǒng)計(jì)（萬(wàn)噸）02012201320142015201620172018圖1.42012-2018年中國(guó)正丁醇進(jìn)口量統(tǒng)計(jì)情況1.5國(guó)外市場(chǎng)在正丁醇的國(guó)外市場(chǎng)，全球正丁醇這種化學(xué)物質(zhì)的主要產(chǎn)地為美國(guó)、歐洲、日本等地，其中較大且重要的生產(chǎn)商有美國(guó)陶氏化學(xué)和塞拉尼斯等。從正丁醇生產(chǎn)國(guó)的規(guī)模和大小來(lái)看，規(guī)模由大到小依次為美國(guó)、西歐、日本。將亞洲與外國(guó)對(duì)正丁醇的供需趨勢(shì)對(duì)比來(lái)看，以美國(guó)為首的外國(guó)市場(chǎng)對(duì)正丁醇的需求量正區(qū)域平緩，原因主要在于正丁醇等物質(zhì)的市場(chǎng)的成熟化趨勢(shì)。而亞洲國(guó)家對(duì)正丁醇的需求量將持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)其產(chǎn)能和產(chǎn)量在近五年內(nèi)也會(huì)呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，主要原因在于亞洲地區(qū)目前仍然面臨著需求缺口大和需求大的現(xiàn)狀。1.6正丁醇的市場(chǎng)發(fā)展前景雖然我國(guó)近年來(lái)正丁醇生產(chǎn)發(fā)展較快,但是我國(guó)市場(chǎng)的供需情況仍然是供小于求，所8以每年正丁醇還是保持了一定的進(jìn)口量，以維持國(guó)內(nèi)的供需平衡[5]。近幾年，丁辛醇的生產(chǎn)裝置被建立并陸續(xù)投產(chǎn)，丁辛醇的產(chǎn)量得到快速的提高，并逐漸能夠滿(mǎn)足工業(yè)和醫(yī)藥領(lǐng)域的需求量，市場(chǎng)將逐漸趨于飽和[6]。然而，與國(guó)外市場(chǎng)相比，我國(guó)對(duì)于丁醇下游衍生物產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力還是較弱。丁醇衍生的性能特殊、附加值高，對(duì)這類(lèi)生物的開(kāi)發(fā)能力直接影響了我國(guó)正丁醇的市場(chǎng)發(fā)展。這類(lèi)衍生物的開(kāi)發(fā)所需的技術(shù)含量較高，我國(guó)目前還受制于國(guó)外，其開(kāi)發(fā)技術(shù)遠(yuǎn)落后于國(guó)外市場(chǎng)。因此，對(duì)于關(guān)鍵技術(shù)的掌握是我國(guó)在丁辛醇生產(chǎn)上的一個(gè)瓶頸，一旦突破了這一瓶頸，辛醇的批量生產(chǎn)將迎來(lái)新的增長(zhǎng)勢(shì)頭，我國(guó)也有望擺脫對(duì)國(guó)外市場(chǎng)的進(jìn)口，真正實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)。隨著燃料汽油的不斷興起，在同類(lèi)化學(xué)物質(zhì)中，丁醇具備的經(jīng)濟(jì)和性能優(yōu)勢(shì)更多，其需求量與日俱增[7]。因此，越來(lái)越多的化工領(lǐng)域運(yùn)用合成氣和丙烯，結(jié)合三苯基膦銠催化劑，來(lái)進(jìn)一步合成正丁醛，后續(xù)通過(guò)加氫的方法來(lái)得到精制的正丁醇。催化劑的使用是生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵一環(huán)，因?yàn)樵擃?lèi)特定的催化劑具有其他催化劑所沒(méi)有的特性，包括了溫度低、壓力低、正異構(gòu)比高和副反應(yīng)少等性質(zhì)。同時(shí)，只有改進(jìn)生產(chǎn)工藝技術(shù)和轉(zhuǎn)型優(yōu)化，達(dá)到環(huán)保節(jié)能生產(chǎn)要求，才有利于提升自身競(jìng)爭(zhēng)力，才是立足于市場(chǎng)的根本途徑。2生產(chǎn)工藝路線(xiàn)的介紹與選擇2.1基本思路及方法在正丁醇的生產(chǎn)思路方面，主要是選取了合成氣和丙烯為原料，將三苯基膦銠這種化學(xué)物質(zhì)作為穩(wěn)定發(fā)揮作用的催化劑，最終可以合成非精制的正丁醛物質(zhì)?；诖?，需要將所合成的正丁醇進(jìn)行精制化，主要精制方法是加氫法。在生產(chǎn)方法上，在工業(yè)領(lǐng)域，正丁醇的生產(chǎn)方法最常用的是發(fā)酵法，其次是丙烯羰基合成法和醇醛縮合法這兩種，這三種方法各有其特點(diǎn)，根據(jù)生產(chǎn)廠(chǎng)商的特定需求進(jìn)行相應(yīng)取舍。2.1.1發(fā)酵法在少量生產(chǎn)時(shí)，常常采用發(fā)酵法。這種方法主要經(jīng)歷以下四個(gè)步驟：第一步，選取五谷糧食或糖蜜為原料，將特定的原料碾碎，加入一定量的純水，可以形成發(fā)酵液，此時(shí)發(fā)酵液主要呈現(xiàn)膠狀；第二步，用高壓蒸汽法處理加入水后的發(fā)酵液，其主要的目的是為了保持生產(chǎn)過(guò)程的無(wú)菌環(huán)境；第三步，冷卻靜置一段時(shí)間后，接入特定的純丙酮一丁醇菌種，此時(shí)需要注意的是維持發(fā)酵溫度在36至37°,溫度的精準(zhǔn)控制是有效發(fā)酵的關(guān)鍵步驟之一。第四步，注意收集發(fā)酵過(guò)程所產(chǎn)生的氣體，包括二氧化碳和氫氣這兩種，對(duì)所產(chǎn)生的氣體進(jìn)行精餾操作，可以得到丁醇、丙酮和乙醇等。92.1.2丙烯羰基合成法三種合成氣在穩(wěn)定催化劑的作用下，可以生成丁醇類(lèi)物質(zhì)。通過(guò)加氫法得到精制后的丁醇，相應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程的反應(yīng)方程式：CH3CH=CH2+CO+H2CH3CH2CH2CHO+(CH3)2CHCHOCH3CH2CH2CHO+H2CH3CH2CH2CH2OH（CH3)2CHCHO+H2（CH3)2CHCH2OH如果改變上述的催化劑，使用鈷作為催化劑，那么全程的反應(yīng)需改變壓力環(huán)境和溫度環(huán)境，壓力選取10～20MPa，溫度選取130～160°C，生成的丁醇類(lèi)物質(zhì)主要包括正丁醇和異丁醇，其對(duì)應(yīng)的含量比為3：1。在20世紀(jì)70年代，一些工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)始將催化劑改為銠絡(luò)合物，可使反應(yīng)可在0.7~3MPa和80～120°C下進(jìn)行，生成的丁醇類(lèi)物質(zhì)主要包括正丁醇和異丁醇，其對(duì)應(yīng)的含量比為16：1。通過(guò)加氫的方法，可以使得制備得到的酯類(lèi)物質(zhì)的純度提高。2.1.3醇醛縮合法在兩個(gè)分子乙醛的合成反應(yīng)下，經(jīng)過(guò)縮合和脫水的兩個(gè)階段，可以得到巴豆醛，其反應(yīng)過(guò)程可以表述為：在溫度和壓力分別為180°C和0.2MPa的環(huán)境下，加氫生成正丁醇：CH3CH=CHCHO+2H2CH3CH2CH2CH2OH在以上三種正丁醇的生產(chǎn)方法中，丙烯羰基合成法的原料更容易獲得，且正丁醇產(chǎn)量高，具有很多優(yōu)點(diǎn)，成為正丁醇最重要的生產(chǎn)方法[8]。2.2羰基合成法的四種工藝2.2.1低壓羰基合成工藝采用了低壓羧基合成工藝的公司主要有三家，主要分布在美國(guó)、英國(guó)等，簡(jiǎn)稱(chēng)UCC/Davy法或U.D.J法。在這種工藝法中，選取了銠作為催化劑。在20世紀(jì)70年代，裝置投入生產(chǎn),目前世界約五分之三左右的裝置采用該技術(shù)。在該合成工藝中，羰基合成催化劑的循環(huán)方式不一樣，主要分為液相和氣相兩種。在20世紀(jì)80年代，液相循環(huán)工藝被開(kāi)始運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域。通過(guò)將反應(yīng)器串聯(lián)，擴(kuò)大反應(yīng)器的容積利用率，加快生產(chǎn)速度。與此同時(shí)，兩臺(tái)反應(yīng)器的反應(yīng)能力也得到一定的提高，串聯(lián)后的總反應(yīng)能力是串聯(lián)前的1.5-1.8倍。采用液相循環(huán)工藝，世界多臺(tái)生產(chǎn)裝置已經(jīng)建成。低壓羰基合成工藝法具有很有優(yōu)勢(shì)，其中，原因之一是原料消耗率低，這也是最關(guān)鍵的原因。操作容易，物料對(duì)設(shè)備腐蝕低，流程短，設(shè)備較少，投資低也是不可忽視的重要原因。2.2.2三菱化成低壓羰基合成工藝該工藝采用銠絡(luò)合物作為固定催化劑。在進(jìn)行反應(yīng)和生產(chǎn)過(guò)程，這種工藝的反應(yīng)壓力和反應(yīng)溫度低。在反應(yīng)所得產(chǎn)物上，產(chǎn)物正異構(gòu)比較高。在反應(yīng)副作用上考慮，物料對(duì)設(shè)備腐蝕低?？偨Y(jié)分析這種工藝法的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是省去了閃蒸和蒸發(fā)的過(guò)程,使工藝更加簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是設(shè)置了丁醛塔專(zhuān)門(mén)分離催化劑,且催化劑回收系統(tǒng)相對(duì)繁瑣。在投資這一塊，連續(xù)添加催化劑的過(guò)程，流程時(shí)間比較長(zhǎng)，因此總投資會(huì)相對(duì)增加。2.2.3巴斯夫低壓羰基合成工藝在20世紀(jì)80年代，本節(jié)所介紹的工藝法進(jìn)入了工業(yè)化環(huán)節(jié)。這種工藝發(fā)的配位體是三苯基膦化合物，催化劑仍舊采用銠的絡(luò)合物，這一點(diǎn)與上一節(jié)所介紹的工藝法類(lèi)似。其中，采用了丁醛和高沸物來(lái)配制催化劑溶液。在循環(huán)工藝的選擇上，采用了較為普遍和通用的液相循環(huán)工藝。為了實(shí)現(xiàn)催化劑的再生技術(shù)，每年抽出約十分之一左右的催化劑送去再生。2.2.4美國(guó)伊士曼的羰基合成工藝該工藝技術(shù)的主要特點(diǎn)是產(chǎn)品方案的多樣化和生產(chǎn)過(guò)程的靈活，可同時(shí)生產(chǎn)丁醛和丙醛及相關(guān)的醇類(lèi)產(chǎn)品，以適應(yīng)市場(chǎng)需求[9]。綜和以上幾種合成工藝方法的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，本文的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案最終選取采用低壓羰基合成工藝,對(duì)于這種工藝法，國(guó)內(nèi)引進(jìn)的主要為Davy-UCC技術(shù)。該工藝特點(diǎn)包括以下五種:①在取丁醇過(guò)程中，工藝方法較為成熟，催化劑的活性劑高;②反應(yīng)溫度和壓力較低易達(dá)成，單程且工藝簡(jiǎn)單;③流程短以及使用設(shè)備少，操作費(fèi)用低;③原料的轉(zhuǎn)化率較高，醛的副產(chǎn)物低;⑤操作相對(duì)穩(wěn)定，液相循環(huán)新技術(shù)先進(jìn)等。2.2.5可行性分析低壓羰基合成工藝所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最高，對(duì)設(shè)備沒(méi)有腐蝕，并且比其他工藝消耗的能源更少，這意味著該項(xiàng)目具有良好的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。生產(chǎn)過(guò)程中只含有少量的“三種廢物”，因此該裝置對(duì)環(huán)境較為友好，屬于環(huán)境友好型裝置，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有積極的影響。同時(shí)也可以為社會(huì)的就業(yè)人員提供相應(yīng)的工作崗位，減緩就業(yè)壓力。總而言之，正丁醇的預(yù)期消耗量將繼續(xù)增加，需求將迅速增長(zhǎng)。市場(chǎng)的總體趨勢(shì)是供需之間的差距繼續(xù)擴(kuò)大。目前，新建的正丁醇裝置具有有利可圖的利潤(rùn)優(yōu)勢(shì)。正丁醇的衍生物的附加值極高，我國(guó)對(duì)于高性能的增塑劑的自產(chǎn)能力還沒(méi)有達(dá)到一定的水平，仍受?chē)?guó)外技術(shù)和國(guó)外市場(chǎng)的影響，所以只能部分依賴(lài)于進(jìn)口[10]。2.3正丁醇生產(chǎn)工段路線(xiàn)的選擇及簡(jiǎn)述2.3.1工藝流程的選擇在本設(shè)計(jì)中，將完成量產(chǎn)的正丁醇合成氣凈化和羰基合成工藝。其中，量產(chǎn)的正丁醇的具體定義為年產(chǎn)10萬(wàn)噸。以精制的合成氣和丙烯為原料，在低壓環(huán)境下，選擇氣相循環(huán)工藝，進(jìn)行羰基合成反應(yīng)。在反應(yīng)釜中，發(fā)生氫甲酰化反應(yīng)，進(jìn)而生成混合丁醛。通過(guò)加氫法，對(duì)混合丁醛在反應(yīng)器中進(jìn)行純化，生成產(chǎn)品正異丁醇。最后，在精餾塔中，完成正丁醇和異丁醇的分離工藝操作。整個(gè)流程可以細(xì)分為三個(gè)工段，主要包括反應(yīng)工段、加氫工段和產(chǎn)品精制這三個(gè)工段。工藝流程方框圖、工藝流程簡(jiǎn)圖如圖圖2.1和2.2所示。圖2.1工藝流程方框圖圖2.2工藝流程簡(jiǎn)圖2.3.2丙烯氫甲?；ざ螌⒋种坪铣蓺庥糜诙嗉?jí)純化，以除去氧氣，硫和氯等雜質(zhì)，以防止銠催化劑中毒。經(jīng)特定的系統(tǒng)，丙烯將硫化物和氯化物等雜質(zhì)清除，隨后與凈化合成氣合為一體，送入羰基合成反應(yīng)器，反應(yīng)器為帶攪拌的鼓泡式反應(yīng)器，其形式為串聯(lián)式。其中，特定的系統(tǒng)具有多級(jí)凈化功能。在串聯(lián)的兩臺(tái)反應(yīng)器中，氣、液相出料由第一反應(yīng)器進(jìn)入第二反應(yīng)器。第二反應(yīng)器的氣相出口通過(guò)氣液分離器，然后液相返回到反應(yīng)器。從第二反應(yīng)器的液相排出的物質(zhì)通過(guò)蒸發(fā)器以分離高濃度催化劑以進(jìn)行再循環(huán)。在銠這種物質(zhì)的催化下，原料氣體擴(kuò)散在催化劑溶液中，其主要的擴(kuò)散形式為小氣泡的形式。在溫度和壓力環(huán)境分別為并于105℃和1.6MPa下，生產(chǎn)出混合丁醛，其主要的合成反應(yīng)為低壓羰基合成反應(yīng)[11]。丙烯和丙烯溶解在粗丁醛中，大部分丙烷和丙烯是通過(guò)原料氣蒸氣提取的。分離溶解在粗丁醛中的氣體，并且在塔底獲得的高純度的丁醛。2.3.3丁醛加氫工段將來(lái)自羰基合成段的丁醛蒸發(fā)到蒸發(fā)器中后，將生成的氣相丁醛與高純度氫氣混合并進(jìn)入固定床加氫反應(yīng)器[12]。將壓力環(huán)境和溫度環(huán)境分別設(shè)置為0.4MPa和130℃,經(jīng)過(guò)加氫這一步驟后，可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化率及選擇性明顯增高。經(jīng)過(guò)冷凝后，將化學(xué)物通過(guò)氣液分離器進(jìn)行分離步驟，分離可以得到出高純氫氣。氫氣的純度得到提高，這種高純度的氫氣可以用于循環(huán)使用[13]。2.3.4產(chǎn)品精制工段混合丁醇液體分別進(jìn)入塔內(nèi)，部分輕組分雜質(zhì)除去排出，與此同時(shí)，重的雜質(zhì)也被清除干凈，進(jìn)行正異丁醇分離塔。最后，得到純度極高的異丁醇產(chǎn)品，其純度為99.8在塔底得到的正丁醇產(chǎn)品純度，高于異丁醇的產(chǎn)品純度，其純度為99.5％。3物料衡算本節(jié)的物料衡算主要是基于質(zhì)量守恒定律。質(zhì)量守恒定律的物理含義可以通過(guò)下式表示：式中∑?進(jìn)——進(jìn)入系統(tǒng)的物料量總和；損——損失的物料量總和；∑?累積——系統(tǒng)中的物料量累積量。由于本設(shè)計(jì)的生產(chǎn)方式為連續(xù)生產(chǎn)，對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)，∑?累積=0，因此在本節(jié)進(jìn)行物料計(jì)算時(shí)，主要包括兩個(gè)方面的計(jì)算，分為羧基合成和加氫反應(yīng)。這個(gè)項(xiàng)目試驗(yàn)包括多個(gè)操作環(huán)節(jié)，如合成、加熱、冷卻等等。3.1生產(chǎn)能力的計(jì)算本節(jié)主要介紹生產(chǎn)能力的計(jì)算，在設(shè)計(jì)任務(wù)中，正丁醇物質(zhì)的年生產(chǎn)能力為十萬(wàn)噸，在一年內(nèi)工人的有效開(kāi)工時(shí)間為300工作日。則每批料的生產(chǎn)能力為（100000000/300/24）Kg/h=13889kg/h。3.2羰基合成反應(yīng)工段的物料衡算把羰基合成反應(yīng)工段的進(jìn)口物流和出口物流看成一個(gè)整體，其物質(zhì)合成與氫氣、雜質(zhì)等進(jìn)出結(jié)果如流程圖如圖3.1所示。圖3.1羰基合成反應(yīng)工段物質(zhì)流向示意圖對(duì)于丙烯、一氧化碳等反應(yīng)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量如下：醇為74.11，異丁醇為74.11，物理單位為kg/kmol。在所有合成氣中，各個(gè)物質(zhì)所占比例不同。氫氣占50.4%，氫氣所占比例最多；一氧化碳占49.0%，一氧化碳占比例排第二；雜質(zhì)占0.6%，雜質(zhì)所占比例最少，雜質(zhì)物料變化可以暫不考慮。對(duì)合成氣凈化過(guò)程，直接對(duì)羰基合成反應(yīng)進(jìn)行物料衡算。涉及到的反應(yīng)有： Rh，TPPCH3CH=CH2+CO+H290~11RhTPP——————RhTPP在以上三個(gè)反應(yīng)中，生產(chǎn)結(jié)果和最終目的是正丁醇物質(zhì)。在產(chǎn)生正丁醇的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生異丁醇。分析兩種丁醇類(lèi)物質(zhì)的生成比例，絕大多數(shù)為正丁醇，少部分為異丁醇，其兩者的比例分別為12：1。另外，在上述反應(yīng)中，丙烯還會(huì)在加氫環(huán)境下，生成丁醛和丙烷，在生成結(jié)果中，幾乎全部是丁醛，僅有極少一小部分為丙烷，其對(duì)應(yīng)比例為13：選取1000Kmol/h為計(jì)算基準(zhǔn)進(jìn)行物料衡算。進(jìn)入羰基合成反應(yīng)器的物料1000Kmol/h合成氣中含CO=1000=490Kmol/hH2=1000=504Kmol/h計(jì)算得到氫氣的量過(guò)多，在以一氧化碳為反應(yīng)基準(zhǔn)的前提下，得到所需要的C3H6的摩爾質(zhì)量為490Kmol/h。主副反應(yīng)消耗CO的量在最后的生成產(chǎn)物中，主要包括正丁醛和異丁醛兩種，在生成的含量中，正丁醇占主要部分，異丁醇為少部分，其兩者的對(duì)應(yīng)比例為12：1。所以主反應(yīng)消耗CO的量=490=451.31Kmol/hC3H6的量=490=451.31Kmol/h生成正丁醛的量=490=451.31Kmol/h一氧化碳的量=490=37.69Kmol/hC3H6的量=490=37.69Kmol/h生成異丁醛的量=490主副反應(yīng)消耗H2的量=37.69Kmol/h主反應(yīng)消耗H2=490副反應(yīng)消耗H2=490=451.31Kmol/h=37.69Kmol/h在上述反應(yīng)中，丙烯還會(huì)在加氫環(huán)境下，生成丁醛和丙烷，在生成結(jié)果中，幾乎全部是丁醛，僅有極少一小部分為丙烷，其對(duì)應(yīng)比例為13：0.3。=0.87Kmol/h所以三個(gè)反應(yīng)共消耗H2=0.87+490=490.87Kmol/h反應(yīng)剩余的H2=504–490.87=13.13Kmol/h主、副反應(yīng)共消耗C3H6=0.87+490=490.87Kmol/h丙烯凈化后主要生成兩種物質(zhì)，包括C3H6和C3H8這兩種。在含量比例上，C3H6所以丙烯用量為490.87÷95%=516.71Kmol/h其中含C3H8的量=516.71-490.87=25.84Kmol/h反應(yīng)后丙烯的量C3H8=25.84+0.87=26.71Kmol/h反應(yīng)生成的主、副產(chǎn)物的量正丁醛=451.31Kmol/h，異丁醛=37.69Kmol/h，nC3H8=26.71Kmol/h，丙烯羰基合成反應(yīng)器進(jìn)、出口物料平衡數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3.1和3.2.表3.1丙烯羰基合成反應(yīng)器進(jìn)口的物料情況成分流率Kmol/h分?jǐn)?shù)%(mol)分子量流量Kg/h質(zhì)量分?jǐn)?shù)%(wt)C3H6490.8732.3642.120665.6356.30H250433.23210082.75CO4903228.0113724.937.39C3H825.843144.11139.54雜質(zhì)60.40281680.46合計(jì)1516.7110036706.07100表3.2丙烯羰基合成反應(yīng)器出口物料平衡表成分流率Kmol/h分?jǐn)?shù)%(mol)分子量流量Kg/h質(zhì)量分?jǐn)?shù)%(wt)正丁醛451.3184.3872.1132543.9688.84異丁醛37.697.0572.112717.837.42C3H826.714.9944.11177.913.22H22.45226.260.07雜質(zhì)合計(jì)6534.841002816836633.960.46100上表中：1.雜質(zhì)為CH4+Ar+N2，為了計(jì)算的簡(jiǎn)便化，取平均分子量為28；2.由于氫氣分子的質(zhì)量百分比的數(shù)量級(jí)為-5，太小可以忽略。經(jīng)核算：合成氣的摩爾總量n=490+504+6=1000Kmol/h合成氣的物質(zhì)總量M=13720+1008+168=14896Kmol/h丙烯的摩爾總量n=490.87+25.84=516.71Kmol/h丙烯的物質(zhì)總量M=20665.63+1139.54=21805.174Kmol/h物料平衡圖詳見(jiàn)下圖3.1.圖3.2合成反應(yīng)工段的物料圖3.3丁醛加氫反應(yīng)器的物料衡算把丁醛加氫反應(yīng)工段的進(jìn)口物流和產(chǎn)品物流看成一個(gè)整體，其物質(zhì)流程圖如圖3.3所示。圖3.3丁醛加氫反應(yīng)工段物質(zhì)流向示意圖對(duì)丁醛加氫合成反應(yīng)進(jìn)行物料衡算，涉及到的反應(yīng)有：副反應(yīng)：2C4H8OC8H16O2在主反應(yīng)中，氫氣被消耗的量=451.31Kmol/h異丁醛消耗氫氣的量=37.69Kmol/h丁醛加氫反應(yīng)器所需加入的氫氣總量=451.31Kmol/h+37.69Kmol/h=489Kmol/h由于生成的正丁醇才是所需要的產(chǎn)物，故加入氫氣的量可以過(guò)量，有利于反應(yīng)充分，且過(guò)量多余的氫氣在脫輕組分塔中分離出來(lái)循環(huán)利用。則主反應(yīng)生成正丁醇的量=451.31Kmol/h生成異丁醇的量=37.69Kmol/h由于副產(chǎn)物量較少，一般低于0.1%，暫不考慮副反應(yīng)的影響。且副反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)為重組分，在脫重組分塔中分離出來(lái)。羰基合成反應(yīng)工段出來(lái)的所有物質(zhì)進(jìn)入丁醛加氫反應(yīng)工段，則丁醛加氫反應(yīng)工段的進(jìn)、出料組成及其流率見(jiàn)表3.3和3.4.表3.3加氫反應(yīng)進(jìn)口物料平衡情況成分流率Kmol/h分?jǐn)?shù)%(mol)分子量流量Kg/h質(zhì)量分?jǐn)?shù)%(wt)正丁醛451.3144.6572.1132543.9686.59異丁醛37.693.7372.112717.837.23C3H826.712.6444.11177.91H248948.3829782.60雜質(zhì)60.59281680.45合計(jì)1010.7110037585.7100表3.4加氫反應(yīng)的出口物料情況成分流率Kmol/h分?jǐn)?shù)%(mol)分子量流量Kg/h質(zhì)量分?jǐn)?shù)%(wt)正丁醇451.3186.5174.1133446.5889.17異丁醇37.697.2274.112717.837.25C3H826.7144.11177.91雜質(zhì)6281680.45合計(jì)1010.7110037510.32100圖3.4加氫反應(yīng)段的物料情況3.4正異丁醇分離塔的物料衡算其中在羰基合成反應(yīng)工段以及丁醛反應(yīng)工段產(chǎn)生的C3H8、雜質(zhì)和丁酸丁酯、異丁酸丁酯、辛醇副產(chǎn)物等均在脫輕組分和脫重組分塔均分離出來(lái)，故正異丁醇分離塔物質(zhì)進(jìn)出情況如圖3.5所示。圖3.5正異丁醇分離塔進(jìn)出物質(zhì)示意圖正異丁醇分離塔進(jìn)料組成及其流率見(jiàn)表3.5，忽略其他雜質(zhì)。表3-5正異丁醇分離塔進(jìn)料組成及其流率表成分流率Kmol/h分?jǐn)?shù)%(mol)分子量流量Kg/h質(zhì)量分?jǐn)?shù)%(wt)正丁醇451.3192.2933446.5892.29異丁醇37.697.712793.217.71合計(jì)48910036239.79100根據(jù)工業(yè)純度要求，混合丁醇液體分別進(jìn)入塔內(nèi)，部分輕組分雜質(zhì)除去排出，與此同時(shí)，重的雜質(zhì)也被清除干凈，進(jìn)行正異丁醇分離塔。最后，得到純度極高的異丁醇產(chǎn)品，其純度為99.8在塔底得到的正丁醇產(chǎn)品純度，高于異丁醇的產(chǎn)品純度，其純度為99.5％。在餾出液中，需根據(jù)工業(yè)要求，滿(mǎn)足正丁醇摩爾分?jǐn)?shù)小于等于0.005；異丁醇的摩爾分?jǐn)?shù)小于等于0.002。在101.3kpa壓力下，查得異丁醇沸點(diǎn)為107.9℃,正丁醇沸點(diǎn)較高，數(shù)值為117.7℃。在塔頂，異丁醇為餾出液。在塔底，正丁醇為釜液，兩者得流率結(jié)果如表3.6所示。表3.6正異丁醇分離塔出料組成及其流率表成分流量（kmol/ h）分?jǐn)?shù)/%塔頂流量/（kg/h）質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%摩爾流/（kmol/）摩爾分?jǐn)?shù)/%塔底流量/（kg/h）質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%異丁醇正丁醇合計(jì)正異丁醛分離塔分離物料平衡圖詳見(jiàn)下圖3.6.圖3.6正異丁醛分離塔物料平衡圖3.5物料數(shù)據(jù)衡算匯總根據(jù)以上反應(yīng)器和分離塔物料衡算數(shù)據(jù)匯總，可知全車(chē)間的物料數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?.7所示。表3.7全車(chē)間物料衡算數(shù)據(jù)匯總不同成分進(jìn)料量/（kg/h）出料量/（kg/h）C3H620665.63-H2198626.26CO13724.9-C3H81139.541177.91雜質(zhì)168168正丁醇-33446.58異丁醇-2717.83合計(jì)37684.0737636.58誤差0.00126%4能量衡算4.1能量衡算的相關(guān)介紹在化工生產(chǎn)中，需要對(duì)每一道工序進(jìn)行嚴(yán)格的控制，這些工藝往往包括溫度、壓力、流量、濃度等。在化工生產(chǎn)中，時(shí)時(shí)刻刻都經(jīng)歷各種化學(xué)變化和物理變化，同時(shí)也伴隨著物質(zhì)的產(chǎn)生。在工藝操作的過(guò)程中，可能有能量的傳遞，也有動(dòng)量、熱量、質(zhì)量等的傳遞。如果存在化學(xué)反應(yīng)，那么不僅會(huì)有以上的傳遞，還會(huì)有熱效應(yīng)。在反應(yīng)的過(guò)程中，物質(zhì)發(fā)生了能量的傳遞和數(shù)量變化。能量的變化，可以根據(jù)能量守恒定律；能量的傳遞，可以根據(jù)物料衡算得出，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：(1)計(jì)算操作效率：如在流體輸運(yùn)等操作中。(2)計(jì)算熱量或冷量：如在蒸發(fā)、冷卻等所需要的熱量或冷量。(3)計(jì)算供熱或放熱效率：由于熱效應(yīng)所導(dǎo)致的溫度的起伏。(4)節(jié)能措施：措施的最終目的是降低總能量消耗。根據(jù)能量衡算，可以確定熱量的轉(zhuǎn)移情況：能量衡算方程的一般形式如下：△E=Q+W式中：△E為體系總能量的變化；Q為體系從環(huán)境中吸收的能量；W為環(huán)境體系所做的功。根據(jù)相關(guān)資料和手冊(cè)，不同物質(zhì)的平均比熱容如表4.1所示[14]。表4.1各物質(zhì)平均比熱容組分氫氣COC3H6正丁醛異丁醛C3H8雜質(zhì)正丁醇異丁醇水蒸氣比熱容14.40.971.5442.232.581.701.572.332.390.84根據(jù)比熱容公式：Qi=miciTi其中，mi一各物質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h；Ci一各物質(zhì)比熱容，KJ（kg·℃);Ti一各物質(zhì)進(jìn)料（出料）溫度，℃。4.2加熱器的能量衡算合成氣和丙烯首先通過(guò)加熱器，在進(jìn)入羰基合成反應(yīng)器反應(yīng)，加熱器進(jìn)料溫度為25℃,加熱后物料溫度為95℃,則輸入加熱器的熱量為：輸出加熱器的熱量為：=4724280.13(kJ/h)因此，反應(yīng)器熱負(fù)荷為?3481048.51(kJ/h)匯總?cè)绫?.2所示表4.2加熱器的衡算數(shù)據(jù)匯總組分進(jìn)料(kJ/h)出料(kJ/h)氫氣3628801378944CO27633.85105008.611C3H6797693.323031234.61C3H848430.45184035.71雜質(zhì)659425057.2熱負(fù)荷-?3481048.51合計(jì)1243231.621243231.624.3羰基合成反應(yīng)器能量衡算在羰基合成反應(yīng)工段中，把兩個(gè)羰基反應(yīng)器看成一個(gè)整體，物料經(jīng)過(guò)加熱器出來(lái)溫工段的熱量為：=4724280.13(kJ/h)輸出羰基合成反應(yīng)器的熱量為：=8634085.24(kJ/h)因此，羰基合成反應(yīng)工段的熱負(fù)荷為?3909805.11(kJ/h)匯總?cè)绫?.3所示表4.3羰基合成反應(yīng)工段的衡算數(shù)據(jù)匯總組分進(jìn)料(kJ/h)出料(kJ/h)氫氣137894439705.12CO105008.611-C3H63031234.61 C3H8184035.71210256.94雜質(zhì)25057.227694.8正丁醛-7620168.23異丁醛-736260.15熱負(fù)荷-?3909805.11合計(jì)4724280.134724280.134.4冷凝器能量衡算以羰基合成反應(yīng)器的出口冷凝器為例說(shuō)明換熱器能量衡算的計(jì)算過(guò)程。該冷凝器的則輸入冷凝器的熱量為：=8634085.24(kJ/h)輸出冷凝器的熱量為：=3217087.236(kJ/h)因此，羰基合成反應(yīng)工段的熱負(fù)荷為5416998.004(kJ/h)匯總?cè)绫?.4所示表4.4冷凝器的衡算數(shù)據(jù)匯總組分進(jìn)料(kJ/h)出料(kJ/h)氫氣39705.1215125.76C3H8210256.948009.79雜質(zhì)27694.810550.40正丁醛7620168.232902921.23異丁醛736260.15280480.056熱負(fù)荷 5416998.004合計(jì)8634085.248634085.244.5丁醛加氫反應(yīng)器能量衡算則輸入丁醇合成反應(yīng)工段的熱量為：=7674755.13(kJ/h)輸出丁醛加氫反應(yīng)器的熱量為：因此，丁醛加氫反應(yīng)工段的熱負(fù)荷為?3595250.64(kJ/h)匯總?cè)绫?.5所示表4.5丁醛加氫反應(yīng)工段的衡算數(shù)據(jù)匯總組分進(jìn)料(kJ/h)出料(kJ/h)氫氣1126656-C3H8160195.76260318.11雜質(zhì)21100.834288.8正丁醛5805842.46-異丁醛560960.11-正丁醇-10130969.08異丁醇-844429.78熱負(fù)荷-?3595250.64合計(jì)7674755.137674755.134.6正異丁醇分離塔能量衡算正異丁醇分離塔的進(jìn)料溫度為116.81℃,塔頂出料溫度為108.12℃,塔底溫度為117.13℃,則輸入正異丁醇分離塔的熱量Q進(jìn),總=9103065.37+779796.92=9882862.29(kJ/h)輸出塔頂?shù)臒崃繛椋篞塔頂=1307.46+678312.6輸出塔底的熱量為：Q塔底=8424544.11+43471.78=8468015.89(kJ/h)Q出,總=679620.14+8468015.89=9147636.03(kJ/h)所以，熱負(fù)荷為735226.26(kJ/h)匯總?cè)绫?.6所示表4.6正異丁醇分離塔熱量衡算數(shù)據(jù)組分進(jìn)料(kJ/h)出料塔頂(kJ/h)塔釜(kJ/h)正丁醇9103065.371307.468424544.11異丁醇779796.92678312.6843471.78熱負(fù)荷合計(jì)-9882862.29735226.26679620.148468015.899882862.295主要設(shè)備設(shè)計(jì)與選型5.1正異丁醇分離塔的工藝尺寸設(shè)計(jì)5.1.1產(chǎn)品濃度計(jì)算根據(jù)上文中正異丁醇分離塔物料衡算數(shù)據(jù)可知，精餾塔進(jìn)料中正丁醇含量為92.29%，在塔頂，正丁醇的含量比例為為0.2%；在塔底，正丁醇的含量比例為99.5%，0.9229/74.110.92290.9229?74.11+（1?0.9229）/74.0.002/74.110.0020.995/74.110.995以下對(duì)進(jìn)料液、塔頂采出物料和塔底采出物料這三者進(jìn)行計(jì)算，首先得到這三者的平均摩爾質(zhì)量：kg?kmol）kg?kmol）kg?kmol）其次得到這三者的的平均摩爾質(zhì)量流量：原料處理量：F=(3344k)kg/h=489（kmol/h）解得：W=453.51（kmol/h）5.1.2平均相對(duì)揮發(fā)度B、C為Antoine常數(shù)，查相關(guān)資料所得，如表5-1所示)可求出正丁醇和異丁醇的飽和蒸汽壓P0A和P0B，再由正丁醇的飽和蒸汽壓且根據(jù)泡點(diǎn)方程xA=和露點(diǎn)方程yA=（p=101.3kPa）求出一系列的x和y值，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5.2所示,其中正丁醇-異丁醇體系T-x-y圖如圖5.1所示。表5.1Antoine方程常數(shù)Antoine方程常數(shù)ABC溫度/℃正丁醇6.601721362.3914～131異丁醇6.451971248.48表5.2A和B的飽和蒸汽壓、x-y與溫度的關(guān)系t/℃PoAPoBxy107.9470.62101.310.000.0010973.52105.290.0976.350.2479.270.350.2782.28117.230.460.3785.38121.440.560.4788.58125.770.660.5891.87130.230.750.6895.26134.810.850.8098.75139.520.940.91117.75101.441.001.00118117116115114113112111110109圖5.1苯胺-焦油體系T-x-y圖運(yùn)用的數(shù)學(xué)方法是插值法。由表5-2的數(shù)據(jù)可算出正丁醇與異丁醇在進(jìn)料溫度、塔頂溫度和塔底溫度下的飽和蒸汽壓，如表5.3所示。表5.3正丁醇-異丁醇的飽和蒸汽壓與溫度關(guān)系溫度116.81108.12正丁醇?/kPa99.2098.0971.16異丁醇?/kPa140.14138.63102.64相對(duì)揮發(fā)度平均相對(duì)揮發(fā)度=PB0/PAO?)由以上可算得進(jìn)料、塔頂和塔底的相對(duì)揮發(fā)度為：138,6398.09 102.64 71.16平均相對(duì)揮發(fā)度：?5.1.3精餾塔最小回流比計(jì)算精餾操作中，必須具備回流這一條件。精餾段操作線(xiàn)方程和提餾段操作線(xiàn)方程存在在本設(shè)計(jì)中，取最小回流比Rmin= 2.265.1.4理論板數(shù)的計(jì)算—簡(jiǎn)捷法簡(jiǎn)捷法的應(yīng)用范圍廣泛，這種方法主要是利用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)圖。當(dāng)在塔板數(shù)較多的情況下，往往需要做初步估算。這種情況下會(huì)運(yùn)用該方法。用芬斯克公式計(jì)算最少理論板數(shù)Nmin。)]??圖5.2吉利蘭關(guān)聯(lián)圖解得N=23(不包括再沸器)，故全塔理論板數(shù)為23塊。5.1.5全塔效率估算全塔效率與主要以下三個(gè)部分相關(guān)，它們包括系統(tǒng)的物性、塔板結(jié)構(gòu)及操作條件等都有密切的關(guān)系。這三個(gè)部分的變化多，且內(nèi)部關(guān)系復(fù)雜，目前還沒(méi)有特定的計(jì)算方法。工業(yè)上測(cè)定值通常在0.3-0.7之間。全塔效率可用O’connell法進(jìn)行計(jì)算，即)?0.245?—進(jìn)料中組分在塔內(nèi)平均溫度下的液相粘度，mPa?s。正丁醇與異丁醇在各溫度下的粘度如表5.4所示。表5.4正丁醇與異丁醇在各溫度下的粘度溫度/℃8590951001050.75560.69640.64330.59540.55220.78280.71220.64860.59220.5420塔內(nèi)平均溫度5.1.6實(shí)際板數(shù)與加料板位置計(jì)算實(shí)際板數(shù)的確定全塔效率ET為在指定分離要求與回流比下所需理論板數(shù)NT與實(shí)際板數(shù)NP的比值，實(shí)際加料板位置的確定精餾段理論板數(shù))]??解得：N=27.22，故加料板為從塔頂往下的第28塊塔板。5.1.7精餾塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)塔的工藝條件（1）操作壓強(qiáng)（2）操作溫度各種物性數(shù)據(jù)平均分子量的計(jì)算液相：已知：MF=74.11kg/kmol，MD=74.11kg/kmol，MW=74.11kg/kmol。氣相：精餾段平均分子量：)=74.11（kg/kmol）)=74.11（kg/kmol）提餾段平均分子量：)=74.11（kg/kmol）)=74.11（kg/kmol）平均密度計(jì)算平均密度主要根據(jù)理想狀態(tài)方程，如下所示：))液相正丁醇和異丁醇的密度可在化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)查得，如表5.5所示。表5.5正丁醇與異丁醇在各溫度下的密度溫度/℃859095100105757.99752.36746.67740.94735.15729.98724.23718.42712.55706.62表5.6正丁醇與異丁醇在各溫度下的密度溫度/℃108.12116.81731.53721.48721.11702.92692.61692.23)))精餾段平均密度：711.07(kg/m3)提餾段平均密度：720.07(kg/m3)表面張力兩種丁醇類(lèi)物質(zhì)的表面張力如表5.7所示。表5.7正丁醇與異丁醇在各溫度下的表面張力溫度/℃859095100105正丁醇??/(mN/m)18.9218.3417.8517.3816.76異丁醇??/(mN/m)17.3116.8216.3615.7315.24表5.8正丁醇與異丁醇在各溫度下的表面張力溫度/℃108.12116.81正丁醇??/(mN/m)16.3715.2915.25異丁醇??/(mN/m)14.9314.0814.05精餾段液體表面張力：提餾段液體表面張力：體積流率液相體積流量：氣相體積流量：4185.69m3/h=1.1627m3/s′′q?1）液相體積流量：氣相體積流量：/h=1.0528m3/s數(shù)據(jù)匯總表5.8數(shù)據(jù)匯總一覽表精餾段提餾段操作壓強(qiáng)/（kPa）125.6140.3操作溫度/(℃)112.47116.97711.07720.072.9033.20615.0615.22液相體積流量/（?3/?）13.3916.87氣相體積流量/（?3/?）4185.6937塔徑的計(jì)算精餾段ax=C√(式中C可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出)圖5-3史密斯關(guān)聯(lián)圖0.50.513.39711.070.54185.692.903 4185.692.903提餾段16.87720.07 3790.103.2060.55.1.9浮閥塔板結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)出口堰高h(yuǎn)w：2本設(shè)計(jì)采用平直堰，堰上高度how=E()3（因溢流強(qiáng)不大，近似取溢流收縮系數(shù)E=1）精餾段()2/3=0.0165m提餾段′2.8416.872/3弓形降液管的寬度和截面積本設(shè)計(jì)選取弓形降液管，其中AfHAfHTLS式中：?——液體在降液管再的停留時(shí)間，物理單位為s；Af——降液管的截面積，物理單位為m2。圖5.4弓形降液管的寬度與面積驗(yàn)算降液管內(nèi)停留時(shí)間：降液管的底隙高度精餾段取降液管底隙的流速?0=0.10m/s，則提餾段取降液管底隙的流速?=0.10m/s，則5.1.10塔板分布、浮閥數(shù)目及排列塔板分布塔徑的相關(guān)尺寸如下：塔徑D=1.6m，D′=1.6m，根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)資料總結(jié)分析，精餾塔采用分塊式塔板[15]。5.1.10．2浮閥數(shù)目及排列精餾段取閥孔動(dòng)能因子F0=12√2.903每層塔板上浮閥數(shù)目：]代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得本節(jié)的排列方式為等腰三角形結(jié)構(gòu)，采取了特殊的錯(cuò)排形式，同排的孔心距的距離提餾段0.878取閥孔動(dòng)能因子F0=12每層塔板上浮閥數(shù)目：√3.206=6.702m/s)=?(0.1984+0.10)=0.5016m代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得本節(jié)的排列方式采用等腰三角形結(jié)構(gòu)，其具體的排列形式為錯(cuò)排，同排的孔心距?=5.1.11塔板的流體力學(xué)汽相通過(guò)浮閥塔板的壓降干板阻力當(dāng)閥全開(kāi)時(shí)，??=5.34()精餾段：)=0.0551m氣體流經(jīng)塔板的壓降相當(dāng)高度計(jì)算公式為：（<0.7kPa，符合設(shè)計(jì)要求）提餾段：/?′′氣體流經(jīng)塔板的壓降相當(dāng)高度為：（<0.7kPa，符合設(shè)計(jì)要求）淹塔)，可避免淹塔現(xiàn)象的發(fā)生。精餾段液體通過(guò)塔板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨鹊挠?jì)算公式：)=0.252m，因此符合防止淹塔的要求。提餾段單層氣體通過(guò)塔板壓降相當(dāng)?shù)囊褐?=0.0894m液體通過(guò)塔板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋?′)′=0.250m，因此符合防止淹塔的要求。霧沫夾帶精餾段圖5.5泛點(diǎn)負(fù)荷圖提餾段5.1.12塔板負(fù)荷性能圖霧沫夾帶線(xiàn)（1）?精餾段： 整理，求得，提餾段： 整理，求得，霧沫夾帶計(jì)算結(jié)果如表5.9所示：表5.9霧沫夾帶計(jì)算結(jié)果/(m3/s)精餾段/(m3/s)提餾段/(m3/s)/(m3/s)0.00065.0240.00064.8100.0264.3740.0264.18液泛線(xiàn)（2）L其中，液體表面張力造成的阻力極小，hσ可忽略不計(jì)。2)3?精餾段：)2)3]整理，得：提餾段：2)3]液泛計(jì)算結(jié)果如表5.10所示：表5.10液泛計(jì)算結(jié)果/(m3/s)精餾段/(m3/s)提餾段/(m3/s)/(m3/s)0.00064.2390.00063.6910.0260.3530.060.421液相負(fù)荷上限線(xiàn)（3）)0.0253m3/s漏液線(xiàn)（4）精餾段：)提餾段：)液相負(fù)荷下限線(xiàn)（5）)2/3代入數(shù)據(jù)，整理得：負(fù)荷性能圖利用Excel數(shù)據(jù)，將以下五條線(xiàn)進(jìn)行相關(guān)的處理，可以得到精餾段和提餾段負(fù)荷性能圖。具體的性能圖如圖5.7和5.8所示。圖中，5條線(xiàn)包圍區(qū)域?yàn)榫s段塔板操作區(qū)。圖中五條線(xiàn)分別為（1）霧沫夾帶線(xiàn)、（2）液泛線(xiàn)、（3）液相負(fù)荷上限線(xiàn)、（4）漏液線(xiàn)、（5）液相負(fù)荷下限線(xiàn)。543210(3)(5)(3)(2)(4)Ls1/(m3/s)圖5.6精餾段負(fù)荷性能圖543210(3)(5)(3)(2)(4)Ls2/(m3/s)圖5.7提餾段負(fù)荷性能圖由塔板負(fù)荷性能圖可看出：（1）點(diǎn)P為操作點(diǎn)，且處在適中位置；（2）塔板的汽液相負(fù)荷上限是可控的，其值由液泛控制；同理，下限也是可控的，其值由漏液線(xiàn)控制；表5.11浮閥塔設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸的結(jié)果項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果備注精餾段提餾段1各段平均壓強(qiáng)/（kPa）125.6140.32各段平均溫度/(℃)108.12117.133實(shí)際塔板數(shù)/（塊）28144塔徑/（m）1.65板間距/（m）0.450.456塔板類(lèi)型單溢流弓形降液管分塊式塔板7空塔氣速/（m/s）0.2890.2628堰長(zhǎng)/（m）0.960.969堰高/（m）0.05350.0508板上層高度/（m）0.070.07降液管底隙高度/(?)0.03850.0489浮閥數(shù)/（個(gè)）139132等腰三角形錯(cuò)排閥孔氣速/（m/s）7.0436.702浮閥動(dòng)能因子臨界閥孔氣速/（m3/s）2.4194.772孔心距/(?)0.0750.075同一橫排孔心距排間距/(?)0.08420.0887相鄰橫排中心距離開(kāi)孔率/(%)8.267.84單板壓降/（Pa）698.14662.7820降液管內(nèi)層清夜高度/(?)0.2520.25021泛點(diǎn)率/(%)21.2320.0522液相負(fù)荷上限/(?3/?)0.02530.025323液相負(fù)荷下限/（m3/s）24汽相最大負(fù)荷/（m3/s）2.8622.486液泛控制25汽相最小負(fù)荷/（m3/s）0.4870.441漏液控制26操作彈性5.8765.5965.1.13浮閥塔的材料選擇塔設(shè)備的所處環(huán)境為室外；對(duì)于塔體結(jié)構(gòu)方面，所采用的塔體形式為無(wú)框架的自支承式；對(duì)于塔材結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)是采用鋼材制造的。選用鋼材作為材料，原因主要在于鋼材的強(qiáng)度和塑性好，制造性能較好。對(duì)于具體的材料，塔體的材料為Q345R。塔體由圓筒和兩個(gè)封頭組成，圓筒的直徑和壁厚是均勻的。選擇塔體的材料很重要，既要滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的需求，還要滿(mǎn)足特殊的外界環(huán)境。對(duì)于具體的材料，裙座材料為Q235-A。在結(jié)構(gòu)設(shè)置上，為了使得塔體裙座具有足夠的強(qiáng)度和剛度，必須保證塔體處在固定的位置上進(jìn)行工作。5.1.14塔總高度計(jì)算塔總體高度利用下列公式計(jì)算：塔頂封頭塔頂封頭的形狀為橢圓形結(jié)構(gòu)，封頭結(jié)構(gòu)的公稱(chēng)直徑??=1800mm，根據(jù)相關(guān)資封塔頂空間據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)的選取，選取塔頂空間為1.2m。塔底空間在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，取釜液留時(shí)5min，取提餾段液面至最下一層塔板之間距離為1.5m。則塔底空間高度的計(jì)算公式為：人孔對(duì)于人孔的設(shè)置方式，必須考慮到精餾塔的檢修燈特殊工況，具體人孔的設(shè)置方式為：每隔6-8塊塔板設(shè)一人孔。本精餾塔的塔板數(shù)量為42，得出的結(jié)果為設(shè)置7個(gè)人孔，進(jìn)料板處板間距裙座根據(jù)裙座內(nèi)徑800mm的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，那么將裙座壁厚取20mm。塔總高度6附屬設(shè)備的選型6.1換熱器的選型6.1.1試算和換熱器的選型本設(shè)計(jì)以羰基合成反應(yīng)器的出口冷凝器為例說(shuō)明換熱器的選型過(guò)程。該冷凝器的進(jìn)（1）計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水用量Qm=qmcp(T1–T2)=36633.96×1.6714×103×（105–40）=3.98×109kJ/h=1105541.7W（2）逆流時(shí)平均溫度差為根據(jù)兩流體情況，參照相關(guān)資料，初選K估=800W/(m2﹒℃)，則估算面積為：管程體積流量qm213659.13qm213659.13選φ25根2.5mm的換熱管，取管程流速為0.7m/s，則單程換熱管根數(shù)為qv20.00516單程管長(zhǎng)結(jié)合以上數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)選擇浮頭式換熱器此，選取AES800-2.5-80.2-10/25-4型換熱器，有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表6.1。表6.1換熱器的參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)外殼直徑/mm600管子規(guī)格/mm?25×2.5公稱(chēng)壓強(qiáng)/Mpa2.5管長(zhǎng)/m7計(jì)算傳熱面積73.1管子總數(shù)284管程數(shù)6管子排列方式正方形旋轉(zhuǎn)45°管程流通面積/m20.00836.1.2核算總傳熱系數(shù)流通截面積管內(nèi)料液流速雷諾數(shù)流通截面積A=(D-ncd0)h流通截面積當(dāng)量直徑殼內(nèi)水蒸氣流速雷諾數(shù)傳熱系數(shù)校核即qv10.046u==A0.00754(0.0322-4(t2-πd2)4(t2-πd2)所選換熱器有足夠的裕量，故該換熱器合適。6.2進(jìn)料泵的估選精餾裝置的使用精餾裝置所使用的泵一般包括進(jìn)料泵、回流泵、產(chǎn)品泵等，本設(shè)計(jì)以正異丁醇分離塔的進(jìn)料泵為例說(shuō)明泵的選型過(guò)程。主要借助柏努力方程，計(jì)算得得到揚(yáng)程。再結(jié)合相關(guān)操作和物質(zhì)，來(lái)選擇泵的類(lèi)型。根據(jù)輸送流量要求??和揚(yáng)程的計(jì)算值，選擇合適的泵型號(hào)[16]。6.2.1泵的揚(yáng)程F=139.9kPa。