年產1.5萬噸醋酸生產工藝設計應化1105薛麗萍110130142目錄緒論第二章.塔的工藝計算2.1物料衡算2.2熱量衡算緒論

醋酸是一種廣泛存在于自然界的重要有機化合物，是烴的重要含氧衍生物，也是甲醇主要下游衍生產物之一，其化學分子式為CH3COOH化學名為乙酸。醋酸為無色澄清液體，有刺激性氣味，相對密度1.049(20/4℃)，熔點16.6℃，沸點117.9℃，折光率1.3716，閃點37℃(開杯)，自燃點426℃，溶于水、乙醇、乙醚和四氯化碳。醋酸廣泛用于農藥、醫藥、食品添加劑、染織、合成材料、化纖及煙草等工業，在國民經濟中占有相當重要地位。【1】近年來，由于醋酸的廣泛應用，市場需求也就越來越大。現在，醋酸的生產方法主要有甲醇羰基化法、乙醛氧化法、丁烷（或輕油）液相法以及在傳統孟山都法及基礎上創新的生產工藝。甲醇羰基化法（MC）是醋酸生產的主流技術，生產的醋酸占全球醋酸生產量的65%以上。本片篇設計將主要針對乙醛氧化制取醋酸來進行工藝設計。乙醛氧化法制取醋酸的設計流程圖草圖第二章.塔的工藝計算2.1物料衡算

2.1.1計算依據1.基本數據（1）乙醛組成（質量%）AA：99.5%H2O：0.36%丁烯醛：0.04%三聚乙醛：0.1%（2）工業氧氣組成（質量%）：氧氣：99%氮氣：1%（3）保安氮氣組成（質量%）：氮氣：99%氧氣：1%則純乙醛量:：1000(kg/h)*99.5%=995(kg/h)

2.氧化過程乙醛總轉化率為99.3%，氧氣的總轉化率：98.4%。

3.氧化過程乙醛分配量純乙醛量:：1000×99.5%=995kg（1）96%①乙醛用量：995×96%×99.3%=948.514kg②氧氣用量：995×96%×(1/2)×(32/44)×99.3%=344.914kg③生成醋酸量：995×96%×(60/44)×99.3%=1293.428kg

（2）

1.4%①乙醛用量：995×1.4%×99.3%=13.832kg②氧氣用量：995×1.4%×(32/44)×99.3%=10.06kg③生成醋酸量：995×1.4%×(2/3)×(60/44)×99.3%=12.575kg④生成甲酸量：995×1.4%×(1/3)×(46/44)×99.3%=4.82kg⑤生成水量：995×1.4%×(1/3)×(18/44)×99.3%=1.886kg⑥生成CO2量：995×1.4%×(1/3)×99.3%=4.611kg（3）0.25%①乙醛用量：995×0.25%×99.3%=2.47kg②氧氣用量：995×0.25%×99.3%×(1/3)×(32/44)=0.599kg③生成亞乙基二醋酸酯量：995×0.25%×99.3%×(1/3)×(146/44)=2.732kg④生成水量：995×0.25%×99.3%×(1/3)×(18/44)=0.337kg

（4）

0.95%①乙醛用量：995×0.95%×99.3%=9.386kg②氧氣用量：995×0.95%×99.3%×(3/4)×(32/44)=5.12kg③生成CO2量：995×0.95%×99.3%×(1/2)=4.693kg④生成水量：995×0.95%×99.3%×(1/2)×(18/44)=1.92kg⑤生成醋酸甲酯量：995×0.95%×99.3%×(1/2)×(74/44)=7.893kg（5）

1.4%①乙醛用量：995×1.4%×99.3%=13.832kg②氧氣用量：995×1.4%×99.3%×(5/2)×(32/44)=25.15kg③生成水量：995×1.4%×99.3%×2×(18/44)=11.317kg④生成CO2量：995×1.4%×99.3%×2=27.665kg（6）①丁烯醛用量：1000×0.04%=0.4kg②氧氣用量：0.4×(32/70)×(1/2)=0.091kg③生成丁烯酸量：0.4×(86/70)=0.491kg4.催化劑中醋酸錳用量為氧化塔進料乙醛量的0.12%，并且催化劑的組成如下：5.精餾過程醋酸損失率為成品純醋酸量的3.5%。6.生成物、反應物總量（1）反應掉乙醛總量：995×99.3%=988.035kg（2）未轉化乙醛量：955-988.035=6.965kg（3）反應掉氧氣總量：385.934kg（4）實際需氧量：385.934÷98.4%=392.209kg（5）工業氧用量：392.209÷99%=396.171(O2:99%N2:1%)氧氣中帶入氮氣量：396.171-392.209=3.962kg7.損失氧量：392.209-385.934=6.275kg8.各生成物總質量（9）乙醛：xHAC量+醋酸甲酯量+水量+甲酸量+亞乙基二醋酸酯+丁烯酸量+Mn(Ac)2量+三聚乙醛量+x=除乙醛以外物質量+xx/(除乙醛以外物質量+x)×100%=0.3%除乙醛以外物質量:=1454.150kgx=4.376kg9.氧化液質量：除乙醛以外物質量+x=1454.150+4.376=1458.526kg14.保安氮氣量：擴大部分氣相中乙醛占2%（體積）尾氣中乙醛量：未轉化乙醛量–氧化液中乙醛量=6.965-4.376=2.589kg設保安氮氣質量為x0.02=(尾氣中乙醛量/44)/(尾氣中乙醛量/44+生成CO2量/44+損失氧量/32+氧氣中帶入氮氣量/28+保安氮氣中氧含量x/32+保安氮氣中氮含量x/28)尾氣中乙醛量/44+生成CO2量/44+損失氧量/32+氧氣中帶入氮氣量/28=1.2366保安氮氣中氧含量x/32+保安氮氣中氮含量x/28=2.943-1.2366=1.7061%×（x/32）+99%×（x/28）=1.706解出xx=47.824kg10.尾氣的總摩爾數、摩爾組成和總質量：尾氣的總摩爾數=尾氣中乙醛摩爾數/0.02=2.589/44/0.02=2.942kmo尾氣總質量：尾氣中乙醛量+生成CO2量+損失氧量+氧氣中帶入氮氣量+保安氮氣質量=2.589+36.969+6.754+3.962+47.346=97.620kg11.催化劑用量計算

已知催化劑中醋酸錳用量為氧化塔進料乙醛量的0.12%。

設催化劑用量為xkg

0.0012×(1000+x)=0.0119x1.2+0.0012x=0.0119xx=112.15kg其中醋酸錳112.15×0.0119=1.335kg12.保安氮氣用量和廢氣冷卻口氣體量及組成計算13.氧化液中乙醛量（乙醛占0.3%）（1）醋酸：反應生成量+催化劑帶入量=1306.003+108.786=1414.789kg（2）醋酸甲酯：7.893kg（3）H2O：反應②③④⑤生成量+催化劑帶入+原料乙醛帶入=15.460+1.144+3.6=20.204kg（4）甲酸：反應生成量+催化劑帶入量=4.820+0.303=5.123kg（5）亞乙基二醋酸酯：反應生成量+催化劑帶入量

=2.732+0.191=2.923kg（6）丁烯酸：反應生成量+催化劑帶入量=0.491+0.168=0.659kg（7）Mn(Ac)2：催化劑帶入量=1.335kg（8）三聚乙醛：乙醛帶入量+催化劑帶入量=1000×0.001+0.224=1.224kg14.氧化液的組成（質量分數）2.1.2氧化塔物料衡算年產1.5萬噸醋酸。1.換算系數的計算(1)每小時生產成品醋酸產量：年成品醋酸產量/7920=1875kg/h(2)兩種計算基的準換算系數：每小時生產成品醋酸產量×成品醋酸中醋酸質量分數（取99%）(1+精餾過程醋酸損失率)/1000kg原料乙醛生產的純醋酸量=1875×99%（1+0.035）/1306.003=1.4784972.物料衡算(1)反應物進入氧化塔乙醛量：1000×1.478497×99.5%=1471.105kg/h

①反應掉乙醛量：1471.105×99.3%=1460.806kg/h②未轉化乙醛量：1471.105×0.7%=10.297kg/h③反應掉氧氣總量：385.934×1.478497=570.602kg/h④實際需氧量：392.209×1.478497=579.879kg/h⑤工業氧用量：396.171×1.478497=585.737kg/h⑥氧氣中帶入氮氣量：3.962×1.478497=5.857kg/h⑦損失氧量：6.275×1.478497=9.277kg/h(2)催化劑用量計算：x①112.15×1.478497=165.813kg/h(3)工業用氮氣量：47.824×1.478497=70.708kg/h

(4)水量=(22.856+1.144+3.6)×1.478497=41.612kg/h；乙醛量=6.211×1.478497=9.183kg/h；氧化液總質量=1458.526×1.478497=2156.426kg/h

尾氣中各組分的質量尾氣的總摩爾數=2.942*1.478497=4.349kmol(5)氧化塔物料衡算結果見表112.1.3精餾工序的物料衡算1.已知數據(1)進料純醋酸的7.6894%作為催化劑返回氧化塔。(2)成品純醋酸的1.75%進入輕組分中。(3)成品醋酸組成：HAC:99.5%,水：0.48%，甲酸：0.02%。(4)成品純醋酸的1.75%進入重組分塔釜液中。(5)輕組分塔中除甲酸和水外，其余輕組分全部從塔頂排出。(6）重組分塔中比醋酸輕的組分全部從塔頂排出。

（7）輕組分塔釜液量為氧化液量的1.78%,其中含醋酸98%，含水0.87%,高沸物（以亞

乙基二醋酸酯計）1.13%2.精餾工序物料衡算（1）成品醋酸(W6)量及組成W6=年成品醋酸產量/7920=1875kg/h（2）氧化液量（W0）及組成W0=氧化塔物料衡算中W5=2156.426kg/h（3）循環催化劑量（W1）及組成醋酸量=W0×0.97×7.6894%=2156.426×0.97×7.6894%=160.842kg/hMn(Ac)2量=160.842×1.19/97=1.973kg/hH2O量=160.842×1.02/97=1.658kg/h其它組分計算類似（4）輕組分量（W4）及組成醋酸量=1875×99%×1.75%=32.648kg/h乙醛量=氧化液中乙醛量=6.469kg/h醋酸甲酯量=氧化液中醋酸甲酯量=11.669kg/hH2O量=氧化液中水量-成品醋酸中水量-醋酸錳催化劑中水量=29.888-9-1.689=19.199kg/h甲酸量=氧化液中甲酸量-成品醋酸中甲酸量-醋酸錳催化劑中甲酸量=7.591-0.375-0.448=6.768kg/h（5）重組分量（W7）及組成醋酸量=1875×99.5%×1.75%=39.662kg/h重組分中三聚乙醛、亞乙基二醋酸酯、和丁烯酸的量=氧化液中改組分的量（6）總物料平衡表

誤差：1.442kg/h2.1.4重組分塔物料衡算求出重組分塔進料量（W5）W5=W6+W7W5=1875+39.658=1914.658kg/h2.1.5蒸發器物料衡算W3=2156.426×1.78%=38.384kg/h其中：醋酸量=38.384×0.98=37.616kg/h水量=38.384×0.0087=0.334kg/h高沸物量=38.384×0.0113=0.434kg/h求輕組分塔進料W2=W0+W3-W1=2156.426+38.384-166.221=2028.589kg/h各物質分量：醋酸量=2019.733+37.616-160.842=1968.507kg/h其它組分也類似計算，結果列表19中。2.2熱量衡算2.2.1氧化塔熱量衡算1.工業氧氣、氮氣帶入總熱量(1)氧氣的千摩爾數：585.737÷32=18.304kmol/h(2)純氧氣帶入熱量

kJ/h(3)氮氣的千摩爾數：5.857÷28=0.209kmol/h(4)氮氣帶入熱量

kJ/h(5)氮氧總帶入熱量：Q=Q1+Q2=-2741.207-30.371=-2771.578kJ/h2.工業乙醛帶入熱量Q3QAA=-1471.104×114.342×5/44=-19114.656kJ/hQ丁烯醛=-0.591×150.861×5/70=-6.368kJ/hQ三聚乙醛=-1.478497×211.936×5/126=-12.434kJ/h

Q水=-5.323×75.366×5/18=-111.444kJ/h∴Q3=--19114.656-12.434-6.368-111.444=-19244.902kJ/h=-1.92×104kJ/h3.循環催化劑進料帶入熱量Q4QMn(Ac)2=1.973×2.3×15/173=0.393kJ/hQ甲酸=0.447×101.027×15/46=14.726kJ/hQ醋酸=160.842×136.123×15/60=5473.574kJ/hQ三聚乙醛=0332×211.936×15/126=8.376kJ/hQ亞乙基二醋酸酯=0.281×271.6×15/146=7.841kJ/hQ水=1.658×75.366×15/18=104.131kJ/hQ丁烯酸=0.249×176.871×15/86=7.682kJ/h∴Q4=0.393+14.726+5473.574+8.376+7.841+104.131+7.682=5616.723kJ/h4.氧化液帶出熱量Q5

QMn(Ac)2=1.972×2.3×50/173=1.311kJ/hQ甲酸=7.591×101.027×50/46=833.583kJ/hQ醋酸=2091.733×136.123×50/60=237277.5kJ/hQ乙醛=6.469×114.342×50/44=840.544kJ/hQ醋酸甲酯=11.687×142.623×50/74=1126.24kJ/hQ三聚乙醛=1.811×211.936×50/126=152.308kJ/hQ亞乙基二醋酸酯=4.312×271.6×50/146=401.075kJ/hQ水=29.888×75.366×50/18=6257.053kJ/hQ丁烯酸=0.97×176.871×50/86=99.747kJ/h∴Q5=1.311+833.583+237277.5+840.544+1126.24+152.308+401.075+6257.053+99.747=24.69×104kJ/h主反應：CH3CHO+(1/2)O2→CH3COOHCH3COOH△H0348=-484.5+136.123×50/1000=-477.694kJ/molCH3CHO△H0348=-191.8+114.342×50/1000=-160.473kJ/mol副反應：①3CH3CHO+3O2→HCOOH+2CH3COOH+H2O+CO2HCOOH△H0348=-424.72+101.027×50/1000=-419.669kJ/molCH3COOH△H0348=-484.5+136.123×50/1000=-477.694kJ/molH2O△H0348=-285.83+75.366×50/1000=-282.066kJ/molCO2△H0348=-394.359+39.735×50/1000=-392.372kJ/molCH3CHO△H0348=-166.19+136.123×50/1000=-159.384kJ/mol②3CH3CHO+O2→CH3CH(OCOCH3)2+H2OQ副2=-8695.66kJ/h③2CH3CHO+3/2O2→CH3COOCH3+H2O+CO2Q副3=-10.577×104kJ/h④2CH3CHO+5O2→4H2O+4CO2Q副4=-48.891×104kJ/h⑤CH3CH2CHCHO+1/2O2→CH3CH=CHCOOHQ副5=-1125.901kJ/h5.塔頂尾氣帶出熱量Q6(1)CO2的千摩爾數=54.657/44=1.242kmol(2)O2的千摩爾數=10.457/32=0.326kmol(3)N2的千摩爾數=94.886/28=3.388kmol(4)乙醛的氣相千摩爾數=3.04/44=0.069kmol乙醛在75℃時汽化熱∴尾氣帶走總熱量Q6=∑mCp△t=9.29×103kJ/h6.反應熱的計算總反應熱7.熱損失的計算設熱損失為總帶入熱量的5%Q損=Q入×5%=（Q1+Q2+Q3+Q反+Q4）×5%=2092.75×104×5%=104.637×104kJ/h8.循環水帶出熱量Q7循環水帶出熱量為Q7=2092.75×104-24.69×104-1.54×104-9.29×103=104.637×104kJ/h氧化塔熱量平衡2.2.3蒸發器熱量衡算1.氧化液帶入熱量Q1Q1=24.69×104kJ/h2.循環錳帶出熱量Q2Q2=∑mCp△tQMn(Ac)2=1.973×2.3×104/173=2.727kJ/hQ甲酸=0.447×104.209×104/46=110.733kJ/hQ醋酸=160.842×139.797×104/60=38974.397kJ/

Q三聚乙醛=0.332×223.868×104/126=61.347kJ/hQ亞乙基二醋酸酯=0.281×283.783×104/146=56.702kJ/hQ水=1.658×76×104/18=724.823kJ/hQ丁烯酸=0.249×184.970×104/70=68.349kJ/h∴Q2=2.727+110.733+38974.397+61.347+724.823+68.349+56.702=4×104kJ/h3.底排帶入熱量Q3Q醋酸=37.616×139.797×106.5/60=9334.022kJ/hQ水=0.334×76×106.5/18=150.188kJ/hQ高沸物=0.434×283.783×106.5/146=89.841kJ/h∴Q3=Q醋酸+Q水+Q高沸物=9334.022+150.188+89.841kJ/h=0.96×104kJ/h4.去帶出熱量Q4Q4=∑m(Cp△t+△H)Q醋酸=1968.507×（139.797×102+23161）/60=1227701.845kJ/hQ醋酸甲酯=11.687×（151.416×102+24681）/74=6337.107kJ/hQ乙醛=6.469×（124.95×102+18221）/44=4552.691kJ/hQ甲酸=7.124×（104.209×102+20712）/46=4853.816kJ/hQ三聚乙醛=1.477×（223.868×102+37082）/126=702.355kJ/hQ亞乙基二醋酸酯=4.473×（283.783×102+39034）/146=2082.698kJ/hQ水=28.508×（76×102+39148）/18=74466.778kJ/hQ丁烯酸=1.477×（184.97×102+48220）/86=566.339kJ/hQ4=1227701.845+6337.107+4552.691+4853.816+702.355+2082.698+74466.778+566.339=1321263.638kJ/h=132.126×104kJ/h5.Q損=Q出×5%=136.126×104×5%=6.806×104kJ/h

6.加熱蒸汽帶入熱量Q5Q5=Q出-Q1-Q3=136.126×104-24.69×104-0.96×104=110.476×104kJ/h2.2.4脫低沸物塔熱量衡算1.設計依據（1）溫度的計算和確定①用Antoine公式計算飽和蒸汽壓PSAntoine公式：lnPS=mmHg②塔頂溫度T6求塔頂餾出物組成的露點溫度（氣相按按理想氣體處理，液相按理想溶液處理）。T6=366.35k=93.2℃③回流液溫度T2求塔頂餾出物組成的泡點溫度T2=344.87k=71.72℃

④去T0202餾分溫度T5=129℃⑤塔底釜液溫度T4=131.5℃(2)塔的回流比R=27.84(3)Q損=Q出×5%(4)加熱蒸汽壓力為0.8Mpa,其飽和蒸汽溫度為170.4℃，汽化熱為2052.7kJ/kg2.進料帶入熱量Q1Q1=∑mCp△tQ醋酸=1968.507×139.797×102/60=467825.334kJ/hQ醋酸甲酯=11.687×151.416×102/74=2439.177kJ/hQ乙醛=6.469×124.952×102/44=1973.82kJ/hQ甲酸=7.124×104.209×102/46=1646.158kJ/hQ三聚乙醛=1.477×223.868×102/126=267.676kJ/hQ亞乙基二醋酸酯=4.473×283.783×102/146=886.814kJ/hQ水=28.508×76×102/18=12277.445kJ/hQ丁烯酸=1.477×184.97×102/86159.272kJ/hQ1=48.748×104kJ/h3.回流液帶入熱量Q2R=27.84即L/D=27.84∴L/(L+D)=27.84/(27.84+1)=0.9653即回流液占總的96.53%Q2=96.53%∑mCp△tQ醋酸=96.53%×32.648×139.797×46.72/60=3298.64kJ/hQ甲酸=96.53%×6.768×104.209×46.72/46=664.874kJ/hQ乙醛=96.53%×6.469×124.952×46.72/44=796.636kJ/hQ醋酸甲酯=96.53%×11.669×151.416×46.72/74=1035.393kJ/hQ水=96.53%×19.199×76×46.72/18=3515.212kJ/hQ2=3298.64+664.874+796.636+1035.393+3515.212=9310.753kJ/h=0.931×104kJ/hQ3=Q2/R=0.03×104kJ/h4.去物料帶出熱量Q5

Q5=∑mCp△tQ醋酸=1898.178×139.797×102/60=450937.865kJ/hQ甲酸=0.372×104.209×102/46=85.926kJ/hQ水=8.912×76×102/18=3854.632kJ/hQ三聚乙醛=1.794×223.868×102/126=326.167kJ/hQ亞乙基二醋酸酯=4.284×283.783×102/146=852.306kJ/hQ丁烯酸=0.966×184.97×102/86=212.355kJ/h∴Q5=450937.865+85.926+3854.632+326.167+852.306+212.355=45.63×104kJ/h5.塔底釜液帶出熱量Q4

Q4=0.96×104kJ/h6.塔頂蒸汽帶出的熱量Q6

Q6=∑m（Cp△t+△H）Q醋酸=32.648×（139.797×68.2+23161）/60=17638.387kJ/hQ甲酸=6.768×（104.209×68.2+20712）/46=4062.364kJ/hQ乙醛=6.469×（124.952×68.2+18221）/44=3895.047kJ/hQ醋酸甲酯=11.669×（151.416×68.2+24681）/74=5520.316kJ/hQ水=19.199×（76×68.2+39148）/18=47122.026kJ/hQ6=17638.387+4062.364+3895.047+5520.316+47122.026=7.82×104kJ/h7.冷凝器冷卻水帶出熱量QDQD=Q6-Q2-Q3=6.319×104kJ/h8.熱損失計算

Q損=Q出×5%=(Q6+Q4+Q5)×5%=4.61×104kJ/h9.再沸器蒸汽帶入熱量QW

QW=Q4+Q5+Q6-Q1–Q2=2.72×104kJ/h10.熱量平衡表，見表282.2.5脫高沸物塔熱量衡算1.設計依據(1)設基準溫度為25℃。

（2)操作壓力P=101.325×103Pa(3)溫度的計算和確定①塔頂溫度T5=391.586k求塔頂餾出物組成的露點溫度（氣相按按理想氣體處理，液相按理想溶液處理）。②回流液溫度T2=391.268k求塔頂餾出物組成的泡點溫度。③T1=129℃；T4=130℃；(4)20℃及130℃時液體的定壓熱容以及汽化熱，見表21。

(5)塔的回流比R=1

(6)Q損=Q出×5%(7)加熱蒸汽壓力為0.8Mpa,其飽和蒸汽溫度為170.4℃，汽化熱為2052.7kJ/kg2.進料帶入熱量Q1Q1=45.63×104kJ/h3.成品醋酸帶走熱量Q2Q總=∑mCp△tQ醋酸=1086.625×139.797×93.12/60=230695.968kJ/hQ醋酸=1086.625×139.797×93.12/60=230695.968kJ/hQ甲酸=0.375×104.209×93.12/46=77.409kJ/hQ水=9×76×93.12/18=3462.56kJ/h∴Q2=[R/(R+1)]×Q總=0.5×(230695.968+77.409+3462.56)=11.71×104kJ/h∴Q3=Q2/R=11.71×104kJ/h4.塔底