IV年產20萬噸丙烯酸工藝設計摘要本設計為年產20萬噸丙烯酸工藝設計，在對各種丙烯酸的生產工藝進行詳細比較的基礎上，選擇了丙烯分兩次氧化生產丙烯酸，針對此工藝對丙烯酸的精制工段進行初步設計，從而確定精制工藝流程，汽提和精制工段采用了三塔流程。進而進行物料衡算，能量衡算，最后確定設備選型。丙烯兩步氧化法生產丙烯酸的原料是丙烯和氧氣。第一步，丙烯氧化生成丙烯醛，丙烯醛再進一步氧化生成丙烯酸，除主反應外，還有大量的副反應發生，生成的副產物主要有CO和CO2等深度氧化物以及乙醛、醋酸、丙酮等，所以要想得到高純度的丙烯酸產品，就需要分離提純丙烯酸。近些年來丙烯酸下游市場需求旺盛，因此丙烯酸的生產量一直在增加。所以需要優化工藝過程和設備來減少能量損耗以及提高產品純度，進而提高產品的競爭優勢。關鍵詞：丙烯酸；精制工藝；三塔流程；分離提純目錄摘要 IAbstract II1引言 11.1丙烯酸的性質 11.2丙烯酸的應用及前景 11.3丙烯酸的生產原理 31.4國內生產狀況 51.5設計任務書 62生產工藝 72.1丙烯酸生產工藝簡介 72.2精制工藝設計 92.2.1工藝流程圖 92.2.2工藝流程詳述 92.2.3各工段防止聚合的措施 103工藝計算 113.1物料衡算 113.1.1吸收塔的物料衡算 113.1.2汽提塔的物料衡算 143.1.3脫水塔的物料衡算 203.1.4脫重塔的物料衡算 213.2熱量衡算 243.2.1基礎數據 243.2.2吸收塔熱量衡算 243.2.3汽提單元的熱量衡算 253.2.4脫水單元的熱量衡算 263.2.5脫重單元的熱量衡算 264設備選型 284.1汽提塔的設計 284.1.1塔徑計算 284.1.2填料層高度計算 295安全生產及三廢處理 361引言丙烯酸（英文名：Acrylicacid），分子式為C3H4O2，相對分子量為72.064，結構式為CH2=CHCOOH。比重（20℃）為1.051，外觀為無色透明液體，有較強刺激味，沸點141.3℃，熔點13.2℃（近似），閃點54.5℃（開口杯）。溶于水、乙醇、8.1屬于丙烯酰基化合物[1]。1.1丙烯酸的性質①易燃，其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。與氧化劑能發生強烈反應。若遇高熱，可發生聚合反應，放出大量熱量而引起容器破裂和爆炸事故。遇熱、光、水分、過氧化物及鐵質易自聚而引起爆炸。②具有雙鍵及羧基官能團的聯合反應、可以發生加成反應、官能團反應以及酯交換反應、長制備多環和雜環化合物、易被氫還原為丙酸、遇堿能分解成甲酸和乙酸。③酸性較強、有腐蝕性、化學性質活潑、易聚合而成透明白色粉末。還原時生成丙酸。與鹽酸加成時生成2-氯丙酸。丙烯酸可發生羧酸的特征反應，與醇反應也可得到相應的酯類。④本品有較強的腐蝕性,中等毒性。其水溶液或高濃度蒸氣會刺激皮膚和黏膜。1.2丙烯酸的應用及前景（1）其應用領域：丙烯酸是重要的有機合成原料及合成樹脂單體，是聚合速度非常快的乙烯類單體。是最簡單的不飽和羧酸，由一個乙烯基和一個羧基組成。純的丙烯酸是無色澄清液體，帶有特征的刺激性氣味。它可與水、醇、醚和氯仿互溶，是由從煉油廠得到的丙烯制備的。大多數用以制造丙烯酸甲酯、乙酯、丁酯、羥乙酯等丙烯酸酯類。①丙烯酸及丙烯酸酯可以均聚及共聚，也可以與丙烯腈、苯乙烯、丁二烯、氯乙烯及順酐等單體共聚。其聚合物用于合成樹脂、膠黏劑、合成橡膠、合成纖維、高吸水性樹脂、制藥、皮革、紡織、化纖、建材、水處理、石油開采、涂料等工業部門。丙烯酸是水溶性聚合物的重要原料之一，與淀粉接枝共聚可制得超強性吸水劑。②通過均聚或共聚制備高聚物，用于涂料、粘合劑、固體樹脂、模塑料等。③丙烯酸樹脂的制備，橡膠合成，涂料制備，制藥工業；④經紗上漿料：由丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯腈、聚丙烯酸銨等原料配制的經紗上漿料，比聚乙烯醇上漿料容量退漿，節省淀粉。⑤膠粘劑：用丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸-2-乙基己酯等共聚乳膠，可作靜電植絨、植毛的膠粘劑，其堅牢性和手感好。⑥水稠化劑：用丙稀酸和丙烯酸乙酯共聚物制成高分子量的粉末。可作稠化劑，用于油田，每噸產品可增產500t原油，對老井采油效果較好；⑦銅版紙涂飾劑：用丙烯酸、丙烯酸丁酯、丙烯酸-2-乙基己酯、苯乙烯等四元共聚乳膠作銅版紙涂料，保色不泛黃，印刷性能好，不粘輥，比丁苯膠乳好可節省干酷素；⑧聚丙烯酸鹽類：利用丙烯酸可生產各種聚丙烯酸鹽類產品(如銨鹽、鈉鹽、鉀鹽、鋁鹽、鎳鹽等)。用作凝集劑、水質處理劑、分散劑、增稠劑、食品保鮮劑耐酸堿干燥劑，軟化劑等各種高分子助劑。（2）前景：丙烯酸是重要的有機原料及合成樹脂單體，主要由丙烯氧化制備而成，其酯等，終端應用在膠粘劑、涂料等領域；此外丙烯酸精制后可以得到精酸，其下游SAP也是近年來新興的消費領域。目前全球丙烯酸及酯供需基本平衡，國內丙烯酸及其酯產能略有過剩，全球丙烯酸產能為800萬噸，需求量為650萬噸（開工率在80%以上），需求增速在4-5%之間，每年新增需求量在30萬噸左右，高于國內丙烯酸新增產能，而全球2018年，國內丙烯酸市場整體弱勢。2017年全球丙烯酸產能約為796.1萬噸/年，而消費量為566.44萬噸，開工率保持在70%左右，存在一定程度上的供給過剩。過去幾年全球丙烯酸消費增長減緩，亞太地區是全球丙烯酸的主要需求增長點，占比超過50%。中國和印度的需求總量占亞太地區70%左右。全球丙烯酸產業鏈將向亞洲轉移。從進出口情況看，據海關總署數據，截至2018年11月，我國共進口丙烯酸2.5萬噸，較2017年同期減少1.4萬噸，降幅36%；出口量11萬噸，較2017年同期增加4.3噸，增幅為65%。據中金企信國際咨詢公布的《2020-2026年中國丙烯酸市場競爭策略及投資潛力研究預測報告》統計數據顯示：其中2017年中國膠帶丙烯酸丁酯年度需求約為74萬噸左右，2018-2020年膠帶平均年度丙烯酸丁酯需求增長約為6.5%；2017中國乳液丙烯酸丁酯年度需求約為35萬噸左右，2018-2020年乳液平均年度丙烯酸丁酯需求增長約為12%；2017中國SAP高純丙烯酸年度需求約為39萬噸左右，2018-2020年SAP平均年度高純丙烯酸需求增長約為18%。由此看出，我國丙烯酸下游市場需求旺盛。1.3丙烯酸的生產原理（1）丙烯腈水解法：丙烯腈先以硫酸水解生成丙烯酰胺的硫酸鹽，再水解生成丙烯酸，副產硫酸氫銨。此法在美國羅姆-哈斯公司得到了很大發展。第一步水解溫度為90～100℃。向丙烯腈中加入稍稍過量的55%～85%的硫酸,1h后丙烯腈即完全轉化;然后加水進行第二次水解，并將反應溫度提高到125～135℃；水解產物經減壓蒸餾而得丙烯酸。此法實際上是早期氰乙醇法的發展。由于水解后生成的副產品酸性硫酸銨處理困難，原料丙烯腈的價格較貴，因而影響生產成本；（2）氰乙醇法：該法以氯乙醇和氰化鈉為原料，反應生成氰乙醇，氰乙醇在硫酸存在下于175℃水解生成丙烯酸：若水解反應在甲醇中進行，則生成丙烯酸甲酯；（3）β-丙內酯法：此法原料為乙烯酮，故又稱乙烯酮法，其反應如下：先將乙酸裂解為乙烯酮，然后與無水甲醛反應生成β-丙內酯；用作催化劑在140～180℃、2.5～25MPa下，丙內酯再與熱的100%磷酸接觸，異構為丙烯酸。用β-丙內酯法生產丙烯酸，產品純度高，收率亦較高，副產物和未反應物料能循環使用，并適于連續生產，但它需用乙酸為原料，特別是由于丙內酯被認為是一種致癌物質，故此法已不在工業上采用；（4）高壓雷佩法：將溶于四氫呋喃中乙炔，在溴化鎳和溴化銅組成的催化劑存在下，與一氧化碳和水反應，制得丙烯酸。此法的特點是：用四氫呋喃為溶劑，可以減少高壓處理乙炔的危險；同時催化劑不用原雷佩法所用的羰基鎳，只需用鎳鹽。將丙烯與空氣及水蒸氣按一定摩爾比混合，在鉬-鉍等復合催化劑存在下，反應溫度310-470℃，常壓氧化制得丙烯醛，收率達90%。再將丙烯醛與空氣及水蒸氣按一定摩爾比混合，在鉬-釩等復合催化劑存在下，反應溫度300-470℃，常壓氧化制得丙烯酸，收率可達98%。此法分一步和兩步法。一步法是丙烯在一個反應器內氧化生成丙烯酸；兩步法是丙烯先在第一反應器內氧化生成丙烯醛，丙烯醛再進入第二反應器氧化生成丙烯酸。兩步法根據反應器結構，又分固定床和流化床法兩種。丙烯酸的工業生產方法中，氰乙醇法，高壓雷佩法已經基本淘汰，以前采用的以乙酸為原料裂解為乙烯酮，然后與無水甲醛反應生成丙內酯，再與熱磷酸接觸異構為丙烯酸。稱烯酮法或β-丙內酯法也基本淘汰，丙烯腈法只有少數老裝置采用。工業上采用的主要是改良雷佩法和丙烯氧化法，而后者更為普通且最有發展前途。專利報道中，還有丙酸為原料的生產方法；（5）丙烯氧化法：丙烯與空氣及水蒸氣按一定摩爾比混合，在鉬鉍系復合催化劑存在下，氧化制得丙烯醛，再將丙烯醛與空氣及水蒸氣按一定摩爾比混合，在鉬-釩-鎢系復合催化劑存在下，氧化制得丙烯酸。此法根據反應器結構，又分固定床法和流化床法兩種。除美國索亥俄法采用流化床外，其他都采用列管式固定床。①固定床法。制法是：第一反應器進料丙烯含量為4%～7%，水蒸氣20%～50%，其余為空氣，空速1300～2600h-1，反應溫度320～340℃，壓力0.1～0.3MPa；第二反應器空速為1800～3600h-1，反應溫度280～300℃，壓力0.1～0.2MPa，丙烯和丙烯醛的轉化率都在95%以上，丙烯酸的選擇性以丙烯計為85%～90%。工藝過程為：使丙烯、水蒸氣與經過預熱的空氣混合后進入第一反應器。丙烯被氧化成丙烯醛。再進入第二反應器反應，得到丙烯酸。第一、第二反應器均為列管式反應器，用熔鹽作熱載體，從第二反應器出來的反應氣與原料空氣換熱后進入急冷塔，與塔頂加入的水逆向接觸，獲得含量為20%～30%的丙烯酸水溶液。該水溶液進入萃取塔，以乙酸丁酯或二甲苯為萃取劑，使水與丙烯酸分離。富含水的萃取液從萃取塔塔頂出來，進入溶劑回收塔，將萃取劑從塔頂蒸出，送回萃取塔循環使用。塔底排出廢水。萃取塔中的萃余液進入溶劑蒸餾塔。從塔頂蒸出溶劑（萃取劑），送回萃取塔循環使用；塔底得到粗丙烯酸，再經脫去輕組分和重組分后得到丙烯酸產品。丙烯經氣相接觸氧化反應制造丙烯酸過程中，除產物丙烯酸外，還存有微量丙烯醛、乙酸、戊酮酸、蟻酸以及其他醛類雜質。醛類是丙烯氧化副產物或由于丙烯原料中含有的雜質氧化而生成的，如乙醛、甲醛、苯甲醛、糠醛、丙烯醛等，含有這些副產物的反應氣體，經冷卻、抽提蒸餾后，殘留于丙烯酸產品中。采用常規方法精制的丙烯酸產品中，仍含有約（50～500）×10-6的醛物質。為了適應高純丙烯酸需要，北京東方化工廠以該廠聚合級丙烯酸為原料，開發出一種制備高純丙烯酸的方法，使其總醛含量小于5×10-6，達到或超過國外有關文獻報道的數據要求（國外小于10×10-6）。其實驗方法是：向燒瓶中加入一定量的聚合級丙烯酸，添加試劑DL，在常壓下經10～80℃范圍處理后，再進入填料塔中處理蒸餾，塔釜中溫度為60～80℃，塔頂溫度為50～70℃，真空93.33～99.99KPa，采用補加阻聚劑及氣相阻聚劑方法，可防止丙烯酸在精餾過程中聚合。用此法收集的蒸餾品即為高純丙烯酸；②流化床法。制法是丙烯、空氣、水經過第一沸騰床反應器生成丙烯醛，再進入第二沸騰床反應器生成丙烯酸，然后經噴淋、冷卻、萃取蒸餾，再在減壓塔中脫除乙酸而得丙烯酸。氧化混合物配比為丙烯：空氣：水=1：12：8（摩爾比）。第一沸騰床反應器溫度370℃，接觸時間2s；第二沸騰床反應器溫度260℃，接觸時間2.25s。丙烯轉化率75%～80%，總收率40%，丙烯酸含量97%，平均含量93%。國內在第一反應器中采用七元組分（鉬-釩-磷-鐵-鈷-鎳-鉀）的催化劑，丙烯氧化制丙烯醛；在第二反應器中采用三元組分（鉬-釩-鎢）的催化劑，丙烯醛氧化制丙烯酸，當丙烯∶空氣∶水=1∶10∶6，接觸時間5.5s，線速度0.6m/s反應溫度：一段為370-390℃，二段為270～300℃時，以進料丙烯計，一段丙烯轉化率為78.7%～87%，丙烯醛收率為51.9%～57.2%，二段丙烯轉化率為79.3%～89.4%，丙烯酸收率為48.3%～49.8%，丙烯酸的空時收率為55～60kg/（m3·h）。1.4國內生產狀況我國丙烯酸及酯的生產起步較晚，始于20世紀60年代，當時均采用丙烯腈水解法，規模小、品種少，到70

年代仍只有幾個千噸級的丙烯酸及酯生產裝置。1978年，北京東方化工廠首次引進了日本觸媒化學公司的萬噸級丙烯酸及酯成套生產裝置(1984年正式投產)。20世紀90年代初以來，國內丙烯酸及酯供需缺口逐年增大，中國丙烯酸及酯市場的巨大潛力和良好發展前景，提高了國內外投資者建設丙烯酸及酯項目的積極性。從2005年起，我國丙烯酸行業迅速發展，產能快速增長，尤其2014、2015年是丙烯酸裝置建成投產高峰年，生產廠家增至17家，共新增155萬噸產能（2014年增長89萬噸，2015年增長66萬噸），其中擴能企業有江蘇裕廊、浙江衛星、揚子-巴斯夫、塑寧波等原有企業，還有新進入企業山東宏信化工、福建濱海化工、萬洲石化、萬華化學等。目前國內生產丙烯酸的方法均為丙烯二步氧化法。1.5設計任務書①產品規格：99.6%的丙烯酸。②丙烯酸損失率為3%，設計裕量6%。③本設計要求丙烯酸的年產量20萬噸，年工作日330天，丙烯酸生產能力：200000×0.996×1000×1.06×1.03④在吸收塔中，反應出口氣中的水蒸氣至少有80%被冷凝，各精制工段中丙烯酸等產物的損失率均為2%，其中1%的丙烯酸生成二聚體。⑤塔底加熱蒸汽的絕對壓力為200kPa；填料層壓降≤0.7KPa。2生產工藝2.1丙烯酸生產工藝簡介目前，世界上工業裝置采用的主流方法是丙烯兩步氧化法工藝。該方法以丙烯和空氣中的氧氣為原料，在水蒸氣存在的條件下，在250～400℃下，通過催化劑床層進行反應。反應分兩段進行：第一步的主反應為：CH2=CHCH3+O2→CH2=CHCHO+H2O第一步的副反應為：CH2=CHCH3+12O2→CH22CH2=CHCH3+152O2→3CO2+3CO+6H2CH2=CHCH3+52O2→CH3COOH+3CO2+H2第二步的主反應為：CH2=CHCHO+12O2→CH2第二步的副反應為：2CH2=CHCHO+112O2→3CO2+3CO+4H24CH2=CHCHO+2H2O+O2→4CH2O+CH3CHO此外還伴隨若干其他副反應發生，并生成丙酸、糠醛、丙酮、甲酸、馬來酸等副產物。丙烯兩步氧化制取丙烯酸的主反應可用下列兩式表示：CH2=CHCH3+O2→CH2=CHCHO+H2O340.8kJ/molCH2=CHCHO+12O2→CH2=CHCOOH254.2kJ/由反應式可知，反應屬強放熱反應。因此，及時有效的移出反應放出的熱量是反應過程的突出問題。除主反應外，還有大量的副反應發生，其主要產品有CO和CO2等深度氧化物以及乙醛、醋酸、丙酮等。因此，提高反應選擇性和主產物的收率也是非常重要的。要達到這一目的，必須在反應過程中使用催化劑。由于生產丙烯酸是分兩步進行的，因而每步使用的催化劑是不同的。第一步反應，丙烯氧化制丙烯醛所用催化劑大多為MO-Bi體系，并以鉬酸鹽的形式表現出催化活性，而組成催化劑的基本元素則是MO、Bi、Fe、CO等。作為助催化劑的元素很多，但各種催化劑均具有以下三個共同點：①Bi原子含量低，一般MO原子與Bi原子之比為（12:1）~（12:2）；②在大多數催化劑中添加Fe、Ni、CO、W、Sn、Sb、Sr、Mn、Si、P等元素可提高催化劑活性；③在催化劑中添加少量堿金屬及Te等元素，可提高丙烯酸的選擇性。催化劑的活性不僅與活性組分有關，還與載體及催化劑的制備方法有關。催化劑載體主要有二氧化硅、氧化鋁、羰基化硅等。由于該反應為強放熱反應，則要求載體比表面要低，孔徑要大、導熱性能要好。第二步反應為丙烯醛氧化制丙烯酸。從目前看，活性高的丙烯酸催化劑均為Mo-V催化劑，通常要在Mo-V系催化劑中添加助催化劑，使用較多的為W，另外還有Cr、Fe、Cu等。載體的選擇對丙烯酸的選擇性有較大的影響，較好的載體有羰基化硅、硅與ａ-三氧化二鋁。

2.2精制工藝設計2.2.1工藝流程圖圖2.1丙烯酸精制工段工藝流程圖2.2.2工藝流程詳述來自氧化反應器的氣體，在溫度為250℃，壓力為1.0MPa下進入吸收塔1塔底，在塔下部與塔頂加入的30℃的脫鹽水逆向接觸，部分丙烯酸以及可凝組分被冷凝、吸收下來，同時被吸收的還有部分可凝副產物。吸收尾氣（未被吸收的不凝氣體、部分副產物以及水蒸氣）從塔頂排出。吸收后的尾氣僅含微量的丙烯酸，部分尾氣送入燃燒爐使少量殘留有機物轉化為二氧化碳和水，部分尾氣返回氧化反應器的循環。吸收過程在常壓下進行，塔頂溫度控制在80℃左右。吸收塔底部流出的60%的丙烯酸水溶液送至汽提塔。在吸收塔釜形成的60%的丙烯酸水溶液經減壓操作，在80℃、50KPa下進入汽80,到的以丙烯醛計其含量在200ppm以下的丙烯酸水溶液則被送至脫水塔。經過汽提工段，輕組分基本脫除干凈。塔底流出液在溫度為80℃，壓力為101.325KPa烯酸外還含有馬來酸（酐）、水以及二聚體等，用泵送入脫重塔。101.325KPa2.2.3各工段防止聚合的措施和尾氣冷凝器內噴淋。

3工藝計算3.1物料衡算3.1.1吸收塔的物料衡算（1）計算依據①入塔氣體流量和組成與反應器出口氣體相同；②在吸收塔內除未凝氣體外其余氣體大部分被水吸收，形成丙烯酸粗溶液；③丙烯酸粗溶液中的丙烯酸質量分數為：60%；④未反應的不凝氣全部排出，丙烯酸等氣體損失按2%算,其中1%丙烯酸生成二聚體，反應出口氣中水蒸氣85%被冷凝。水吸收塔進料水吸收塔進料60%丙烯酸水溶液吸收塔吸收塔吸收尾氣吸收尾氣圖3-1吸收塔物料衡算示意圖（2）進入吸收塔的的量①反應器出口（吸收塔入口）處各組分質量流量由設計任務書可知反應器出口處的丙烯酸的質量流量為27460.424kg/h,其質量分數為15%，且其他組分的質量分數也已知。所以，總組分質量流量為：27460qqqqqq得出各組分質量流量如表3-1表3-1吸收塔入口處各組分質量流量單位：kg/h組分質量分數/%質量流量/kg/h水蒸氣916476.254未反應的氣體75137302.12甲醛0.3549.208丙烯醛0.1183.069醋酸0.5915.347丙烯酸1527460.424馬來酸0.1183.069總量100183069.493②由計算依據得脫鹽水用量：需脫鹽水的量為：27460.424×0.98另需加入阻聚劑為：27460.424×500×進料總量q（3）出吸收塔的量①60%丙烯酸水溶液已知吸收塔進氣中有80%的水蒸氣被冷凝，丙烯酸等氣體以及阻聚劑均損失2%，其中1%的丙烯酸生成二聚體，未反應的不凝氣全部排出，故qqqqqqqq塔底出料：q②吸收尾氣qqqqqqqq塔頂出料：qq總進=q3-2。3.1.2汽提塔的物料衡算（1）計算依據①入塔氣體流量和組成與吸收塔出口氣體相同；②粗丙烯酸溶液中丙烯醛含量低于200ppm；③丙烯酸、醋酸、馬來酸、二聚體均損失2%，其中1%丙烯酸生成二聚體；④甲醛、丙烯醛全部被吹出，水損失10%。（2）進入汽提塔的量①粗丙烯酸溶液如表3-2塔釜出料組成和流量。②汽提氣用量以丙烯醛含量在塔釜液中為200ppm為分離指標液相密度近似取為ρL=0.85ρ水查表得80℃時，ρ水=971.8kg/m3則ρL=0.85×971.8=826.03kg/m3

表3-2吸收塔物料衡算表單位：kg/h組進料吸收塔進氣脫鹽水分組成流量組成流量水000.99630847.21水蒸氣0.0916476.25400未反應的氣體0.75137302.1200甲醛0.03549.20800丙烯醛0.001183.06900醋酸0.005915.34700丙烯酸0.1527460.42400馬來酸0.001183.06900二聚體0000阻聚劑000.000413.73合計1183069.491130860.94

表3-2續吸收塔物料衡算表單位：kg/h組出料吸收尾氣60%丙烯酸水溶液分組成流量組成流量水000.602944028.21水蒸氣0.02343295.25400未反應的氣體0.9744137302.1200甲醛0.000110.980.0074538.228丙烯醛03.6610.0025179.408醋酸0.000118.3070.0123897.04丙烯酸0.0019274.600.368526911.224馬來酸03.6610.0025179.408二聚體000.0038274.60阻聚劑00.27460.000213.4554合計1140908.8576173021.5734輕組分氣體汽提氣粗丙烯酸溶液輕組分氣體汽提氣粗丙烯酸溶液塔釜液汽汽提塔圖3-2汽提塔物料衡算示意圖提塔進料總摩爾流量：q對于丙烯醛，進料時：nX出料時：n=0.242XYq取q則汽提氣實際用量為：qqq（3）出汽提塔的量①輕組分氣體qqqqqqqqq②塔釜液qqqqqqq總進3-3

表3-3汽提塔的物料衡算表單位：kg/h組進料吸收塔進氣脫鹽水分組成流量組成流量水0.602944028.2100水蒸氣00113054.55甲醛0.0074538.22800丙烯醛0.0025179.40800醋酸0.0123897.0400丙烯酸0.368526911.22400馬來酸0.0025179.40800二聚體0.0038279.400阻聚劑0.000213.455400合計173021.5734113054.55表3-3續汽提塔的物料衡算表單位：kg/h組出料吸收尾氣60%丙烯酸水溶液分組成流量組成流量水000.593944028.21水蒸氣0.901917457.37100甲醛0.0278538.22800丙烯醛0.0093179.40800醋酸0.0463897.0400丙烯酸0.0139269.1120.395326393馬來酸0.00023.5880.0026175.82二聚體0.000610.8740.008532.838阻聚劑00.2690.000213.1864合計119355.89166720.23343.1.3脫水塔的物料衡算計算依據①入塔液體流量和組成與汽提塔塔釜出口液體相同；1%2%塔頂餾出；③塔釜液組成：塔釜液中水量為丙烯酸的0.1%。（2）進入脫水塔的量見表3-3塔釜出料組成和流量。脫脫高濃度的水脫水進料含有二聚體等組分的丙烯酸水塔高濃度的水脫水進料含有二聚體等組分的丙烯酸水塔（3）出脫水塔的量①塔頂出料qm,丙烯酸=26373×0.01=263.73kg/hqm,水=39625.389-26373×（1-0.02）×0.001=39599.534kg/hqm,馬來酸=175.82×0.02=15.931kg/hqm,二聚體=（26373×0.01+532.838）×0.02=15.931kg/hqm,阻聚劑=13.1864×0.02=0.2637kg/h塔頂出料：q出，1=39882.9747kg/h②塔釜出料qm,水=25845.54×0.001=25.846kg/hqm,丙烯酸=26373×（1-0.02）=25845.54kg/hqm,馬來酸=175.82×（1-0.02）=172.304kg/hqm,二聚體=（26373×0.01+532.838）×（1-0.02）=786.5166kg/hqm,阻聚劑=13.1864×（1-0.02）=12.9227kg/h塔釜出料：q出，2=26843.1293kg/h由以上計算可知，q總進=q總出，脫水塔進出物料守恒。各組分的質量分數進行計算，最終可得脫水塔的物料衡算結果，匯總見表3-4表3-4脫水塔的物料衡算表單位：kg/h組進料出料脫水塔進料塔頂塔底分組成流量組成流量組成流量水0.593939625.3890.992939599.5340.00125.846丙烯酸0.3953263730.0066263.730.972625845.54馬來酸0.0026175.820.00013.5160.0065172.304二聚體0.008532.8380.000415.9310.0195786.5166阻聚劑0.000213.186400.26370.000512.9227合計166720.2334139882.9747126843.12933.1.4脫重塔的物料衡算（1）計算依據①入塔液體流量和組成與脫水塔出口液體相同；②丙烯酸2%滯留在塔釜，其中1%丙烯酸生成二聚體；56%的馬來酸隨丙烯酸從塔頂被蒸出；③塔頂液組成：99.6%丙烯酸，1%的水，阻聚劑含量為200ppm。（2）進入脫水塔的量如表3-4塔釜出料組成和流量。

99.699.6%的丙烯酸脫脫脫重進料重脫重進料重塔二聚體等重塔二聚體等重組分圖3-4 脫重塔物料衡算示意圖（3）出脫重塔的量①塔頂出料qm,水=25.846×0.01=0.258kg/hqm,丙烯酸=25845.54×（1-0.02）=25331.62kg/hqm,馬來酸=172.304×0.56=96.385kg/hqm,阻聚劑=12.9227×0.02=5.087kg/hq出,1=25433.35kg/h②塔釜出料qm,水=25.846×（1-0.01）=25.588kg/hqm,丙烯酸=25845.54×0.01=258.46kg/hqm,馬來酸=172.304×0.44=75.919kg/hqm,阻聚劑=12.9227×0.98=7.8357kg/hqm,二聚體=786.5166+25845.54×0.01=1044.98kg/hq出,2=1412.7827kg/h由以上計算可知，q總進=q總出，脫重塔進出物料守恒。各組分的質量分數進行計算，最終可得脫重塔的物料衡算結果，脫重塔的物料衡算結果匯總見表3-5

表3-5脫重塔的物料衡算表單位：kg/h組分進料出料脫重塔進料塔頂塔底組成流量組成流量組成流量水0.00125.84600.2580.018125.588丙烯酸0.972625845.540.99625331.620.1829258.46馬來酸0.0065172.3040.003896.3850.053775.919二聚體0.0195516.907000.73971044.98阻聚劑0.000512.92270.00025.0850.00557.8357合計126573.5197125433.3511412.7827

3.2熱量衡算3.2.1基礎數據計算熱量衡算所需要的基本數據見表3-6~表3-8表3-6氣體熱容溫度關聯式系數物質Ca0a1×103/K-1a2×105/K-2a3×108/K-3a4×1011/K-4丙烯醛3.43711.0323.604-5.8952.526醋酸4.375-2.3976.757-8.7643.478丙烯酸3.81412.0924.777-7.9883.515水蒸氣4.395-4.1861.405-1.5640.632表3-7所涉及的汽化焓物質汽化熱KJ/Kg丙烯酸636.7水2256.382醋酸406表3-8液體熱容溫度關聯式系數物質CAB×102/KC×104/K2D×106/K3醋酸-18.944109.71-28.9212.9275丙烯酸-18.242121.06-31.163.1409水蒸汽92.053-3.9953-2.11030.534693.2.2吸收塔熱量衡算（1）計算依據①反應氣中水蒸氣，丙烯酸，醋酸三者占最大部分，以三者為計算對象；②且假設反應氣中空氣進出熱量平衡，可不用計算；③吸收過程中，反應氣由氣態變為液態，其放熱吸熱按如下公式計算：?H=mT④流股參見圖3.1，其中各組分在吸收塔內的溫度變化以及CG/CL值見表3-9。吸收塔的熱量計算①進塔組分釋放的熱量：表3-9各組分在吸收塔內的溫度變化以及CG/CL值單位：kJ/kg·℃流股組分T1/KCGTb/KCLT2/K醋酸25010.546117.92.328801水（G→L）2504.18811004.1880丙烯酸25013.452141.62.29802脫鹽水30-1004.16880根據公式3-1可得吸收塔進塔氣體中各組分所釋放的熱量：Q醋酸=915.347×[10.546×(250-117.9)+406+2.328×(117.9-80)]=1.73×106kJ/hQ水蒸氣=16476.254×[4.1881×(250-100)+4.18×(100-80)]+16476.254×0.8×2256.382=4.147×107kJ/hQ丙烯酸=27460.424×[113.452×(250-141.6)+636.7+2.29×(141.6-80)]=6.14×107kJ/h放出總熱量：Q總=ΣQ=1.046×108kJ/h②進塔組分吸收的熱量：Q吸=30847.21×4.168×(80-30)=6.43×106kJ/h（3）計算結果吸收塔進料氣為反應出口氣，將其冷凝并降低至80℃，共放出Q總=ΣQ=1.046×108kJ/h的熱量。吸收劑為水，在吸收過程中，共吸收的熱量為Q吸=6.43×106kJ/h的熱量。因此需在塔釜設置冷凝器，其熱負荷為Qcold=Q總-Q吸=9.817×107kJ/h。3.2.3汽提單元的熱量衡算汽提工藝要求進料溫度為80℃，條件已滿足，采用80℃水蒸氣作為汽提氣，設汽提塔中各進出料保持熱量平衡，故該過程的熱量變化可忽略不計，近似視為等溫過程。3.2.4脫水單元的熱量衡算（1）再沸器熱負荷進料方式為泡點進料，釜夜的焓按純丙烯酸計算，設加熱蒸汽為絕對壓力200KPa，查《化工原理》上冊P320附錄八得200KPa下，水蒸氣的汽化熱為rg=2709.2kJ/kg，丙烯酸的汽化熱rB=636.7kJ/kg已知V′=V=39882.9747kg/h則QB=V′·rB=39882.9747×636.7=2.54×107kJ/h加熱蒸汽消耗量為：q（2）冷凝器熱負荷冷凝器為全凝器，設冷卻水進出口溫度分別為20℃和30℃，餾出液為純水。其汽化熱rA=2256.382kJ/kg其熱負荷為：Qc=V×rA=39882.9747×2256.382=9.0×107kJ/h冷卻水消耗量為：q3.2.5脫重單元的熱量衡算（1）再沸器熱負荷進料方式為泡點進料，釜液的焓按純丙烯酸二聚體計算，取塔頂回流比為2:1，設加熱蒸汽為絕對壓力200KPa,查得200KPa下，水蒸氣的汽化熱為rg=2709.2kJ/kg，丙烯酸二聚體與丙烯酸具有相近的汽化熱，故取氣汽化熱rB=636.7kJ/kg。已知V′=V=76300kg/h則QB=V′·rB=76300×636.7=4.858×107kJ/h加熱蒸汽消耗量為：q（2）冷凝器熱負荷冷凝器為全凝器，設冷卻水進出口溫度分別為20℃和30℃，餾出液為99.6%的丙烯酸,按純丙烯酸計算。其汽化熱rA=636.7kJ/kg冷凝器熱負荷為：Qc=V×rA=76300×636.7=4.858×107kJ/h冷卻水消耗量為：q4設備選型4.1汽提塔的設計4.1.1塔徑計算（1）基礎數據常壓P=101.325KPaρ液相密度近似取為：ρL=0.85ρ水查《化工原理》上冊P251附錄五知80℃時，ρ水=971.8kg/m3?ρL=0.85×971.8=826.3kg/m3液體黏度為：μL=0.8MPa·s（2）利用貝思-霍根泛點氣速方程求塔徑lgu式中：uF—泛點氣速，m/s；g—重力加速度，9.81m/s2；αt—m2/m3m3/m3ρG、ρL—kg/m3μL—mPa·s；wL、—kg/hA、K—關聯常數。已A=0.204，K=1.75查手冊得αt=228，ε=0.9代入式（4-1），得A?K則u則μ取u=0.6uF=0.6×2.891=1.7346m/sq則D=圓整后取2200mmS=實際氣速q（3）泛點率校正uu（4）填料規格校正Dd（5）噴淋量的校核噴淋密度：UU—Lh—D—填料塔直徑，mU=潤濕率：L75mmLw·min>0.08，滿足最小噴淋密度要求。經上校核可知填料塔徑選用2200mm。4.1.2填料層高度計算（1）傳質單元數的計算x1=1.122×10-3x2=8.483×10-5Y1=3.173×10-3Y2*=mx2=4.363×8.483×10-5=3.7×10-4S=N==4.07氣相擴散系數：D==1.12×D=7.4×=4.33×（2）傳質單元高度的計算：①塔內的氣液相物性數據：ρl=826.03kg/m3；ρG=0.622kg/m3；μG=0