年产3万吨乙酸乙酯_毕业设计说明书

1 绪论
1。

1 乙酸乙酯概述
1。

1。

1 乙酸乙酯的简介
乙酸乙酯（EA),又名醋酸乙酯，英文名称：Ethyl acetate.分子式为：C2H8O4。

它是一种无色透明具有流动性并且是易挥发的可燃性液体［1]，呈强烈清凉菠萝香气和葡萄酒香味。

乙酸乙酯能很好的溶于乙醇、氯仿、乙醚、甘油、丙二醇、和大多数非挥发性油等有机溶剂中，稍溶于水（25℃时，1mL乙酸乙酯可溶于10mL水中),而且在碱性溶液中易水解成乙酸和乙醇。

水分能使其缓慢分解而呈酸性。

乙酸乙酯与水和乙醇皆能形成二元共沸混合物，与水形成的共沸混合物沸点为70.4℃，其中含水量为6。

1%（质量分数）。

与乙醇形成的共沸混合物的沸点为71.8℃。

还与7.8%的水和9.0%的乙醇形成三元共沸混合物，其沸点为70。

2℃。

下表为乙酸乙酯的一些物化参数。

表1.1 乙酸乙酯的物化参数[2]
熔点(℃）-83。

6 临界温度(℃）250.1
折光率（20℃) 1.3708—1。

3730
临界压力（MPa) 3.83
沸点(℃）77。

06 辛醇/水分配系数的对数值0.73 对密度（水=1) 0.894-0.898 闪点（℃) 7.2 相对蒸气密度（空气=1) 3。

04 引燃温度(℃）426 饱和蒸气压(kPa）13.33(27℃）爆炸上限%（V/V) 11。

5
燃烧热(kJ/mol) 2244.2 爆炸下限%(V/V） 2.0 室温下的分子偶极距 6.555×10—30
1。

1。

2 乙酸乙酯的用途
乙酸乙酯是重要的精细化工原料.它是一种具有优异溶解性能和快干性能的溶剂，已广泛应用于化工、医药、纺织、染料、橡胶、涂料、油墨、胶粘剂的生产中,或作为原料、或作为工艺溶剂、萃取剂、稀释剂等等；由于它具有天然水果香味，因此还可作为调香剂组分，应用于香料、食品工业中；也可作为粘合剂用于印刷油
墨、人造珍珠等的生产；作为提取剂用于医药、有机酸的产品的生产等；此外还可用作生产菠萝、香蕉、草莓等水果香精和威士忌、奶油等香料的原料。

国外乙酸乙酯的消费结构与我国有所不同，美国和欧洲国家乙酸乙酯最大的应用领域是涂料，其中美国涂料方面的消费量约占总消费量的60%，欧洲在涂料行业的消费量约占总消费量的50％。

日本主要应用在涂料，油墨方面,分别约占总消费量的40%和30％。

而我国主要应用于涂料，粘合剂和制药领域[3].
1。

2 乙酸乙酯的产能和市场需求
1。

2。

1 世界乙酸乙酯的产能与消费情况
目前乙酸乙酯生产与消费主要集中在西欧，美国和亚洲地区，其中亚洲地区的生产和消费又主要集中在日本,中国及东南亚国家［4］。

近年来，世界乙酸乙酯的生产能力不断增加.2001年全球乙酸乙酯的生产能力只有125。

0万吨/年,2006年生产能力增加到222.0万吨/年,2001～2006年生产能力的年均增长率高达12.2%。

其中英国BP化学公司是目前世界上最大的乙酸乙酯生产厂家，生产能力为22。

0万吨/年，约占世界总生产能力的9。

91%。

其次是中国江苏索普集团公司,生产能力为20.0万吨/年，约占9.01％。

表1.2为国外乙酸乙酯的生产情况.
在涂料方面,使得乙酸乙酯涂料被水性和高固含量涂料、粉末涂料和双组分涂料夺去了市场额。

虽然这种变化还在继续,但乙酸乙酯市场仍然保持持续增长.东南亚地区开始成为全球最重要的乙酸乙酯的产地和消费地.大部分投资于乙酸乙酯的资金开始将目标投向乙酸乙酯需求量增长迅速的亚洲和中国。

1。

2.2 我国乙酸乙酯的产能与消费状况
（1）生产现状
我国乙酸乙酯的生产始于20世纪50年代,近年来，随着我国化学工业和医药工业的快速发展，乙酸乙酯的生产发展很快。

生产能力已经从2001年的37.0万吨/年增加到2006年的约90。

0万吨/年。

目前，我国乙酸乙酯的生产厂家有20多家,生产企业主要集中在华南和华东地区。

其中国内最大的乙酸乙酯生产企业江苏索普集团产能达到20.0万吨/年,约占国内总生产能力的22。

2%，与乙酸产品实现了上下游一体化，产品竞争力较强，80％的乙酸乙酯用于出口;其次是山东金沂蒙集团公司，生产能力为16.0万吨/年，约占国内总生产能力的13.3％,主要原料乙酸、乙醇均能自给，产品竞争能力也较强。

目前国内大型乙酸乙酯企业均采用酯化法技术。

表1。

2 国外乙酸乙酯主要生产情况
生产厂家地址生产能力（万吨/年）美国塞拉尼斯公司德克萨斯州潘帕 6.0
美国伊斯曼化学公司德克萨斯州朗维尤6。

1
美国Solution公司马萨诸塞 2.5
巴西罗地亚公司帕利尼涯10.0
默西哥塞拉尼斯公司卡格来吉拉9。

2
英国BP化学工司赫尔22。

0
西班牙Ereros 塔拉戈纳6。

0
瑞典Wweask乙醇化学公司多姆斯乔 3.5
瑞典联合碳化物公司斯德哥尔摩 3.0
日本昭和电工公司南阳15.0
日本千叶公司市原4。

7
日本协和发酵公司四日市 4.0
印度LAXMI有机工业公司马哈德3。

5
印度JUBILANT有机合成公司加劳拉尼蜡3。

2
韩国三星/BP公司蔚山7。

0
韩国国际酯类公司蔚山7.5
新加坡塞拉尼斯公司裕廊岛6。

0
印度昭和酯类公司梅拉克6。

0
南非萨索尔公司赛库达 5.0 目前，国内一些大型甲醇羰基合成乙酸企业或者具有乙醇装置的企业已建成的乙酸乙酯生产装置主要有山东海化股份有限公司采用DA VY公司技术，新建10.0万吨/年生产装置,吉林燃料乙醇有限公司建成5。

0万吨/年生产装置，吉安生物化工公司建成10.0万吨/年生产装置，广西新火石化公司拟建30.0万吨/年装置，第一期10。

0万吨/年已经于2007年4月13日开工.上海吴泾化工有限公司将现在生产能力扩建到15万吨/年，长春天裕生物工程公司将建5。

0万吨/年生产装置。

随着生产能力的不断增加,我国乙酸乙酯的产量也不断增加［5]。

2001年我国乙
酸乙酯的产量只有17。

9万吨，2006年进一步增加到63。

0万吨，比2005年增长约22。

19%，2001~2006年产量的平均增长率高达15.09％,截止到2009年10月底，我国乙酸乙酯生产能力达到约150.0万吨/年。

表1.3 国内乙酸乙酯主要生产情况[ 6]
企业名称产能（万吨/年)
江苏索普集团20。

0
山东金沂蒙集团公司18.0
广东江门谦信化工发展公司10.0
广东顺德冠集团公司气体溶剂有限公司10。

0
上海吴泾化工有限公司20。

0
扬子江乙酰化工有限公司10.0
江西南昌赣江溶剂厂8.0
广东顺德集团公司 4.5
天津冠达集团公司 3.5
上海石油化工公司 2.1
上海试剂有限公司2。

0
成都有机化工厂2。

0
浙江建德建业有机化工有限公司1。

2
江苏三木集团公司 1.0
山东海化股份有限公司10。

0
（2）消费现状、进出口情况及发展前景[7]
随着生产能力的不断增加，我国乙酸乙酯的产量也不断增加.2008年尽管受到金融危机的影响，但是由于2007年新增的产能发挥作用，产能仍达到约95.0万吨/年，同比增长约33.8%。

表1。

4为我国近年来乙酸乙酯的供需关系。

目前，国内乙酸乙酯主要消费地区集中在华东、中南、华北、东北地区，产品主要用于生产涂料、制药和粘合剂.我国乙酸乙酯的总需求量已达150万吨/年，供大于求，届时消费结构将有所变化，其中在制药和粘合剂行业消费的比例将会有所下降，随着新型高档涂料的不断发展，预计涂料行业对乙酸乙酯的需求量将会有较
大幅度的增加，随着油墨方面的需求量也将有所上升。

表1.4 国内近年来乙酸乙酯的供需关系（单位:万吨/年）
年份产量进口量出口量表观消费量
2002 30。

7 4。

58 1。

09 34。

19
2003 34。

2 4。

27 1.19 37.28
2004 41.8 3.46 2.07 43.19
2005 47.3 4.64 1。

88 50。

06
2006 63.0 0.96 10。

94 53。

02
2007 71.0 0.76 13。

70 58。

06
2008 95.0 0。

11 18。

39 76。

72
2009(1-6月) 0.03 8。

73
另外，随着乙酸乙酯新用途的不断开发，将会使乙酸乙酯在其他方面用量的比例也有一定的增加.
2 工艺流程的确定
2。

1 本课题设计内容和要求
2。

1。

1 设计要求
乙酸乙酯是一种重要的基本有机化工原料，其生产方法有直接酯化法和间接酯化法。

该产品在酯化工艺中为最基础、也是最重要的酯化产品。

研究并设计其生产工艺具有很重要的意义。

2。

1.2 具体设计内容
（1）查阅文献,了解该产品的性质、性能、合成、应用等。

选择合理的生产原料和制备工艺，采用先进的生产设备和控制手段，编制开题报告(工艺流程方框图、开题报告）；
（2）根据原料、产品和生产规模，绘制工艺流程草图，进行物料衡算和热量衡算（物料平衡图、原料消耗、能量消耗综合表)；
（3)进行主体设备和辅助设备的工艺计算与设备选型，并列出设备一览表;
(4）绘制主体设备图；
（5）绘制带控制点的工艺流程图；
（6）进行生产车间布置设计（生产车间平面布置图和立面布置图)；
（7）进行技术分析、经济效益分析、安全评价与环保评价.
2.2 设计方案的确定
目前在世界范围内,上述四种工艺都已经投入运行，但在国内投入运行的只有酯化法、乙醛缩合法、乙醇脱氢法，乙酸/乙烯加成法在国内还不够成熟。

酯化法中新研究出的催化剂造价过高，乙醇脱氢法适合在乙醇产量高的地区或者是价格廉价的地区较合适，日本所有的乙酸乙酯都是采用乙醛缩合法，并且综合上面的概述中几种工艺的对比,本课题采用乙醛缩合法生产乙酸乙酯。

2.2。

1反应原理
乙醛缩合法制乙酸乙酯可分为三个阶段：催化剂的制备、乙醛的缩合反应、催化剂的脱除和精馏提纯。

（1）乙醛的缩合反应
反应在两个串联的反应器中进行，第一个是釜式的反应器，第二个也是采用釜
式的反应器.反应方程式为：
CH3CHO Al(OC2H5)3
CH3COOC2H5
这样做的好处是,在第一个反应器之中，反应剧烈放出大量的热量，采用釜式的反应器搅拌的均匀，易于把热量移出，相对于管式的来说,温度易于控制,虽然转化率情况有所降低,但反应的可控性、安全性提高；第二个也采用釜式的反应器，是考虑到反应进行到后来，放热量已经不多，而且造价低。

图2.2为缩合工序的流程简图.
图2.2 缩合工序的流程简图
（2）催化剂的脱除
我们通过加水的方法破坏掉催化剂，然后经过蒸发器将粗乙酸乙酯蒸出，氢氧化铝残液从下面排除，残液再经过一个分离器进一步分离出氢氧化铝,液体部分可以再返回蒸发器
.
图2。

3 蒸发工序流程简图
（3）精馏提纯
我们采用了三塔的模式,三塔均是常压操作，一塔脱乙醛；二塔脱出乙醇,脱出的乙醇用作生产催化剂；第三塔，塔上得到产品，塔下出重组分.同时还可以设计一个小塔，用来分离第三塔得到的重组分，有效地分离较纯副产物乙缩醛，产出乙缩醛，做到了副产品的有效利用。

图2。

4 精馏提纯工序的流程简图
2.2.2 工艺流程
以下为乙醛缩合法合成乙酸乙酯各个工序的简述。

图2.5为乙醛缩合法生产乙酸乙酸工艺流程简图。

以乙醇铝作为催化剂，乙醛通过自缩合反应生成乙酸乙酯，通过向单效蒸发器中加入过量的水,将催化剂乙醇铝破坏,再经过蒸发器将生成的氢氧化铝脱除。

再依次通过脱乙醛精馏塔、脱乙醇粗馏塔和脱重组分塔，分别脱除粗乙酯中的乙醛、乙醇和乙缩醛，在脱重组分精馏塔塔顶得到较纯净的乙酸乙酯产品。

图2.5 乙醛缩合法生产乙酸乙酸工艺流程简图
3 物料衡算
3。

1数据采集
3。

1.1全流程的工艺数据
（1)生产规模年产3万吨乙酸乙酯
（2)生产时间年工作时为7920小时
（3）生产效率一步缩合反应釜中乙醛转化率为86。

9％，二步缩合反应釜中乙醛的转化率为89.3％,在两个釜中主反应的选择性都为99。

2%.
3.1。

2 催化剂的配方
（1)催化剂的原料配比:见表3.1
表3.1 催化剂的原料配比［18］(单位：g)
乙酸乙酯乙醇铝氯化铝氯化汞碘总计140 28 5 2 微量微量175
（2）催化剂与原料的质量比
该反应中将催化剂和纯原料的质量比控制在1:8。

3。

1.3 操作条件
(1）操作压力：全流程的操作为常压操作
（2）操作温度：一步反应缩合釜和二步反应缩合釜的操作温度都为10℃。

单效蒸发器的操作温度为90℃。

脱乙醛塔塔顶温度和塔底温度为:26.2℃和77。

2℃。

脱乙醇塔塔顶温度和塔底温度为：76.3℃和78。

2℃。

脱重组分塔塔顶温度和塔底温度为：83℃和110℃。

3。

1。

4 原料和产品的控制指标
表3。

2 原料乙醛和产品乙酸乙酯的标准
项目优等品指标
乙酸乙酯乙醛纯度/% 99.7 99。

7
水分/％0.3 0.03
续表3。

2
项 目
优 等 品 指 标
乙醇含量
0.1
在乙醛进料前进行干燥，干燥后的乙醛纯度为99。

9％。

3.1.5 物料平衡关系图 全流程的物料平衡简图如下：
201.0乙醛进料； 201.1催化剂进料；201。

2一步反应混合物料；202。

1二步反应混合物料；301.1含氢氧化铝的混合液;301。

2破坏液；301。

3粗乙酯蒸汽；302.1塔顶乙醛；302.2侧线料;302.3粗乙酯；303.1塔顶乙醇；303。

2塔底粗乙酯;304。

1乙酸乙酯产品；304.2乙缩醛
图 3.1 全流程物料平衡关系图
3。

2 一步缩合反应釜的物量衡算
本次设计为连续操作，因此以单位kg/h 为基准。

纯净乙酸乙酯在脱重组分出口量应为：W =
h kg /88.378724
330997
.01037=⨯⨯⨯。

则需乙醛进料(纯度为0.999）:
h kg W
/67.3791999
.0=。

因反应过程中有损失,将乙醛的入口流量定为3900kg/h 。

图3。

2 一步缩合物料平衡简图
301.3
303.1
302.3
301.1
301.2
302.1
201.1 202.1
201.2
201.0
R20
R202
E30302.1
302.2
C30C30303.2 304.1
304.2
C30302.1
201.1
201.2
201.0
R201
201.0中含有:
乙醛：kg/h 1.89630.9993900=⨯ 水:kg/h 9.30.999)-(19003=⨯ 201.1中含有:
催化剂用量为 ：
h kg /88.4938
999
.01.3896=÷
则催化剂原料中含：乙酯：h kg /1.395175140
88.493=⨯
铝：h kg /11.141755
88.493=⨯
乙醇:h kg /02.79175
28
88.493=⨯
氯化铝：h kg /64.5175
2
88.493=⨯
乙醇和铝在催化剂的作用下生成乙醇铝：
2Al+6CH 3CH 2OH 2Al(CH 3CH 2O)+3H 2
53.96276.36324.3214.11x0.98
70.85
83.12
201。

1物流中需加入60kg/h 的乙醇来保护催化剂中的乙醇铝，防止其水解失效。

201。

1中含有：
乙酸乙酯：h kg /1.395 铝:h kg /28.0)98.01(11.14=-⨯ 乙醇：h kg /17.686085.702.79=+- 其它轻组分：5.640.28 5.92kg/h += 乙醇铝：83.12kg/h
301.1流股中为纯度为99。

9％的乙醛，其他为乙酸乙酯。

因此301。

1物料中含有：
乙醛:h kg /150.99965.15=⨯ 乙酸乙酯：h kg /51.0001.065.51=⨯
反应器中主反应方程式如下：
2C 2H 4O C 4H 8O 288.10
88.123947.10 0.896
0.992x x 3327.13
副反应方程式如下:
C 2H 4O C 6H 14O 2H 2O +123.1
118.1718.0296.58
10.73
4021.06x 0.8960.0141x + 2C 2H 692.14
54.88
因此在201.2流股中含有：
乙酯：h kg /74.372261.395992.0896.013.3327=+⨯⨯ 乙醛：h kg /07.517)896.01(1.3947=-⨯ 乙缩醛:96。

58kg/h 水: h kg /63.1473.109.3=+ 乙醇：13。

29kg/h 乙醇铝：83.12kg/h 其它微量杂量:5。

92kg/h
总进口流量为：进口W =h kg /35.448812.839.392.517.10361.3951.3947=+++++ 总出口流量为：出口W =63.1429.1429.4807.51774.3722++++
=+++12.8392.558.96h kg /35.4488
表3.3 一步缩合釜物料衡算表
进口物料 /(kg/h ） 出口物料 /（kg/h ） 乙酸乙酯 395。

61 3722.74 乙醛 3947。

1 517。

07 乙醇 68。

17 48。

29 水 3。

9 14。

63 乙缩醛 96.58 96。

58 轻组分 5.92 5。

92 乙醇铝
83。

12
83。

12
总计 4488。

35 4488.35
3。

3 二步缩合反应釜的物料衡算
图3。

3 二步缩合物料平衡简图
二步缩合反应釜的出口物流中: 主反应方程式为:
2C 2H 4O C 4H 8O 288.10
88.12517.070.992
0.998x x 458.5
副反应方程式为：
C 2H 4O C 6H 14O 2H 2O +123.1
118.1718.0212.99
1.44517.07x 0.8930.008
x + 2C 2H 692.14
7.38
所以，在202.1流股中：
乙酸乙酯：h kg /24.41815.45874.3722=+ 乙醛：h kg /32.55)893.01(07.517=-⨯ 乙缩醛：h kg /57.10958.9699.12=+ 水:h kg /07.1644.163.14=+ 其它轻组分：5.92kg/h 乙醇：h kg /91.538.729.13=- 氯化铝:5.74kg/h 乙醇铝 ：83.12kg/h 二步缩合反应器中：
=进口W 63.1429.1429.4807.51774.3722++++
=+++12.8392.558.96h kg /35.4488
=出口W 92.557.10907.1691.4032.5524.4181+++++
h kg /35.448812.83=+
表3.4 二步缩合釜物料衡算表
进口物料 kg/h 出口物料 kg/h
乙酸乙酯 3722.74 4181。

24
乙醛 517。

07 55.32 乙醇 13。

29 40.91 水 14.63 16。

07 乙缩醛 96。

58 109.57 乙醇铝 83。

12 83.21 总计
4488.35
4488.35
3。

4单效蒸发器的物料衡算
此过程主要目的是为了破坏物流中的乙醇铝催化剂。

图
该过程中发生的化学反应为乙醇铝的水解:
3H 2O + Al(CH 3CH 2O)3 3CH 3CH 2OH +Al(OH)3
54.061621387827.74
83.12
70.81
40.42
301。

1流股中含有氢氧化铝、铝和氯化铝重组分，重组分被完全脱除，并且301.1流股中重组分的质量分数为0.27，则可求得301.1物流中总质量流量为：
h kg /81.17027
.092
.502.40=+
乙缩醛在301.1流股中所占的质量分数为5％，则301。

1流股中含： 乙酸乙酯:h kg /27.16295.081.170=⨯ 乙缩醛:h kg /54.805.081.170=⨯
202.1流股是来自二步缩合釜的出口物料。

301.3流股中：
乙醛：h
kg/
42
.
57
1.2
32
.
55=
+
乙醇:h
kg/
59
.
83
877
.6
81
.
70
91
.5=
+
+
水:h
kg/
61
.
15
74
.
27
26
65
.0
7.
16=
-
+
+
乙缩醛:h
kg/
06
.
101
54
.8
57
.
109=
-
乙酯:h
kg/
97
.
4118
27
.
162
24
.
4181
98
.9=
-
+
301.1流股为氢氧化铝混合物，包括微量的铝和氯化铝:（去回收工段）Al(OH）3 :40.02kg/h
铝：0.28kg/h
氯化铝：5.61kg/h
乙酯：162.27kg/h
乙缩醛：8.54kg/h
301.2流股中：
水：h
kg/
65
.
26
26
65
.0=
+
乙醇：2。

31kg/h
乙酸乙酯：21.6kg/h
乙醛：2。

91kg/h
表3.5 单效蒸发器物料衡算表
进口物料
kg/h 出口物料
kg/h
乙酸乙酯4268。

12 4268。

12 乙醛57.54 57.54 乙醇59.79 130.6 水42.72 15。

61 乙缩醛109。

57 109。

57 乙醇铝83.21
3。

5脱乙醛塔的物料衡算
在该塔中,塔顶轻组分乙醛的质量分数x D1=0。

999,塔底轻组分乙醛的质量分数x w=0.0001。

图 3.5 脱乙醛塔物料平衡简图
对其作物料衡算：D1+W+D2=F ①
D1x d1+Wx w+D2x D2=Fx F ②可求得：
302。

2流股中（乙醇和乙酯形成共沸精馏):
水：6.65kg/h
乙醇：18.88kg/h
乙酯：86.88kg/h
乙醛：2。

1kg/h
302.3流股中：
乙醛：2。

7kg/h
乙醇：h
59
.
82=
-
18
88
kg/
42
.
54
.
乙酯:h
85
.0
.
4105=
kg/
-
51
-
.
86
4018
46
88
.
水：h
.
-
61
15=
.9
kg/
11
5.6
乙缩醛:47kg/h
302。

2流股中：
乙醛：52。

01kg/h
乙酯：0。

51kg/h
表3。

6 脱乙醛塔物料衡算表
进口物料
kg/h 出口物料
kg/h
乙酯4105.85 4105.85
乙醇83。

59 83.59
乙醛57.42 57。

42
水15.61 15。

61
乙缩醛101。

06 101.06
总计4376。

65 4376.65 3.6 脱乙醇塔
图3.6 脱乙醇塔物料平衡简图由F=D+W ①
Fx F=Dx D+Wx W ②
对该精馏塔作物料衡算得：
303。

1流股中，因乙醇和乙酯形成共沸物,该物流去回收工段：乙酯:230.2kg/h
乙醇：79。

6kg/h
水：1.71kg/h
乙醛：1。

8kg/h
303。

2流股中：
乙酯：h
kg/
6.
3964
2.
230
18
.
4194=
-
乙醇:h
kg/
78
.0
6.
79
42
.
80=
-
乙醛：h kg /54.08.134.2=- 水：h kg /171.171.2=- 乙缩醛：47kg/h
表3.7 脱乙醇塔物料衡算表
进口物料 kg/h 出口物料 kg/h 乙酯 4018.46 4018。

46 乙醇 54.42 54.42 乙醛 2.7 2。

7 水 9。

11 9.11 乙缩醛 101。

06 101.06 总计
4185.75
4185.75
3。

7脱重组分塔
图3.7脱重组分塔物料平衡简图
该塔除去重组分乙缩醛，从精馏塔塔顶得到乙酸乙酯产品。

由W D F +=
D W F Dx Wx Fx +=得： 304。

1流股中:
水：h kg /1 乙醛:h kg /54.0
乙酯：3964.60.01413964.4/kg h -= 乙醇：h kg /78.0 304.2流股中：
乙酯：0.014kg/h 乙缩醛：101.06kg/h
表3。

8 脱重组分塔物料衡算表
进口物料
kg/h 出口物料
kg/h
乙酯4018。

46 4018.46 乙醇54.42 54。

42 乙醛 2.7 2.7 水9.11 9.11 乙缩醛101.06 101.06 总计4185。

75 4185.75
4热量衡算
4.1基本数据
表 4。

1气体热容温度关联式系数
［19-21］
物质 443322101
1/T a T a T a T a a K
mol J C id p ++++=⋅⋅-- 0a
1a
2a
3a
4a
乙醇 4.396
0。

628 5.546 -7.024 2.685 乙醛 4.379 0.074 3。

740 -4.477 1.641 水 4。

395 -4。

186 1。

405 -1.564 0.632 乙酸乙酯
10.228
—14。

948
13.033
-15.736
5.999
表 4.2液体热容温度关联式系数
物质 3211/DT CT BT A K mol J C p +++=⋅⋅-
A B C D 乙醇 59.342 36。

358 -12.164 1.8030 乙醛 45。

056 44。

853 —16.607 2。

7000 水 92.053 —3.9953 —2。

1103 0。

53469 乙酸乙酯
65.832
84。

097
-26.998
3.6631
表 4.3物质的沸点及正常沸点下的蒸发焓
物质 沸点/℃ 蒸发焓/KJ·mol -1
乙醇 78.4 38.93
乙醛 20.8 25。

20 乙酸乙酯 77。

06 32.32 水 100 40.73 乙缩醛
102。

7
35。

83
4.2一步缩合釜的热量衡算：
该工段中反应温度为10℃
2号物流由25℃降到10℃的热料衡算如下:
⎰-=+++⨯⨯=
∆15.28315.298322/11580100012
.881
.395)(h kJ dT DT CT BT A H 乙酸乙酯
⎰-=+++⨯⨯=
∆15.28315.298322/502100007
.4617
.8)(h kJ dT DT CT BT A H 乙醇
⎰-=⨯⨯=∆15.28315.2982/961120100016
.16212
.83)(h kJ dT H 乙醇铝
3号物流由21℃降到10℃： ⎰-=+++⨯⨯=
∆15.28315.294323/987100005
.4451
)(h kJ dT DT CT BT A H 乙醛
⎰-=+++=∆15
.28315
.294323/1712.8851.0)(h kJ dT DT CT BT A H 乙酸乙酯 主反应产生的热量：
⎰+++⨯⨯⨯⨯=
∆15.29815.28332100006
.44869
.0992.01.3896dT DT CT BT A H 主
+⎰+++⨯⨯⨯⨯15.28315.29832100012
.881
.3896992.0869.0dT DT CT BT A
+h kJ rH m /10618.3100012
.881
.3896992.0869.06⨯=∆⨯⨯⨯⨯
副反应产生的热量：
298.1523283.150.8690.0083896.1
100044.06
f H A BT CT DT dT ⨯⨯∆=
⨯⨯+++⎰
+m rH ∆⨯17.11877.48+h kJ /34808)2510(108100017
.11877
.48-=-⨯⨯⨯
一步缩合反应釜需要承受的热量为:
)(2乙酸乙酯H ∆+)(2乙醇H ∆+)(2乙醇铝H ∆+)(3乙醛H ∆ +)(3乙酸乙酯H ∆+主H ∆+63.66710/f H kJ h ∆=⨯
反应放出的热用—5℃的冷冻盐水进行冷却,进口温度为-5℃，出口温度为5℃。

冷冻盐水的比热容为: 4.0/()P C kJ kg K =⋅
则单位时间内需要冷冻的量为：6
3.6671091675/
4.010
W kg h ⨯=
=⨯ 4.3二步缩合反应釜热量衡算:
主反应的反应热:
⎰+++⨯⨯⨯=
∆15.29815.28332100006
.4407
.517992.0863.0dT DT CT BT A H 主
+
⎰+++⨯⨯⨯15.28315.29532100012
.8807
.517992.0863.0dT DT CT BT A +
h kJ rH m /1086.312
.8818
.418986.0863.05⨯-=∆⨯⨯⨯ 副反应的反应热：
⎰+++⨯⨯⨯=∆15.29815.28332100006
.4407
.517008.0863.0dT DT CT BT A H 副
+m rH ∆⨯⨯⨯⨯+-⨯⨯3
06.4407
.517008.0863.0)2510(10817.11826.5
+h kJ dT DT CT BT A /3804100002
.188
.015.28315.29832-=+++⨯⎰
二步缩合反应釜承受的热负荷为：
主H ∆+h kJ H /109048.3)38041086.3(55⨯=+⨯-=∆副
反应放出的热同样用-5℃的冷冻盐水进行冷却，进口温度为—5℃，出口温度为5℃。

冷冻盐水的比热容为： 4.0/()P C kJ kg K =⋅
则单位时间内需要冷冻的量为：5
3.9048109762/
4.010
W kg h ⨯=
=⨯ 4。

4单效蒸发器的热量衡算
该蒸发器的蒸发温度为90℃，有少量的水占用的热量小，可忽略不计，且设单效蒸发器的热量损失为1%。

其中流股5包括流股8,则进料流料5由原来的10℃升高到90℃放出的热量为： 乙酸乙酯有46。

593kmol 被蒸发掉，则蒸发掉的乙酸乙酯需要的热量为： Q 1=dT DT CT BT A ⎰+++⨯21.35015
.28332)(1000593.46+v H ∆⨯593.46
+363.15
23461234350.21
46.5931000(0) 2.011710/a a T a T a T a T dT kJ h ⨯++++=⨯⎰
蒸发掉的乙醛需要的热量为： Q 2=dT T a T a T a T a a H v )(100003.110003.115.36315
.29344332210⎰++++⨯+∆⨯
+h kJ dT DT CT BT A /106.2)(10003.1495.29315
.28332⨯=+++⨯⎰
乙醇有2。

83kmol 被蒸发掉，则蒸发掉的乙醇需要的热量为： Q 3=dT T a T a T a T a a H v )(100083.2100083.215.36321
.35044332210⎰++++⨯+∆⨯
+h kJ dT DT CT BT A /1008.1)(100083.2565.35115
.28332⨯=+++⨯⎰
乙缩醛有0。

855kmol 被蒸发掉,则蒸发掉乙缩醛需要的热量为：
Q 4=h kJ dT /1003.4100083.35457.010********.015.36315
.2834⎰
⨯=⨯⨯+⨯
在蒸发器内部乙醇铝水解生成氢氧化铝和乙醇吸收热量 ：
Q 5=h kJ /1073.41001000473.04⨯=⨯⨯
在301。

1流股中有将除氢氧化铝外的其它轻组分及乙酸乙酯换算成50kg/h 的乙酸乙酯，301。

1流股的温度为90℃,则需要外界提供的热量为：
Q 6=h kJ dT DT CT BT A /1043.8)(100012
.8850
315.36315.28332⨯=+++⨯⎰
则蒸发器总共需外界提供的热量为：
Q=Q 1+Q 2+Q 3+Q 4+Q 5—Q 6=62.14710/kJ h ⨯
单效蒸发器需外界提供热量,该热源为100℃的饱和水蒸气，热源进口为100℃的水蒸气，出口为100℃的热水。

100℃下的饱和蒸气的压力为 1.0bar,汽化潜热r=2257。

6/kJ kg ［22]
则单位时间内需要饱和水蒸气的质量为：
6
2.14710951/2257.6
W kg h ⨯==
4。

5冷凝器的热量衡算
将90℃的蒸气冷凝到饱和进料温度,脱乙醛精馏塔饱和进料温度为20。

8℃. 46。

593kmol 的乙酯从90℃蒸气冷凝到20。

8℃的液体放热为：
⎰
⨯⨯++++⨯=∆15.35115
.36332132.321000593.46)(1000593.46dT DT CT BT A H
+⎰
++++⨯⨯95.29315
.35144332210)(1000593.46dT T a T a T a T a a =h kJ /1021.16⨯
1.3kmol 的乙醛从90℃蒸气冷凝到20.8℃的液体放出热量为：
⎰
⨯⨯++++⨯=∆95.29315
.363220.2510003.1)32(10003.1dT DT CT BT A H
=h kJ /106.14⨯
2。

83kmol 的乙醇从90℃蒸气冷凝到20.8℃的液体放出热量为：
⎰
⨯⨯++++⨯=∆65.35015
.363393.38100083.2)32(100083.2dT DT CT BT A H +⎰
++++⨯⨯95
.29365
.35044332210)(100083.2dT T a T a T a T a a
=h kJ /1094.74⨯
0。

855kmol 的乙酯从90℃蒸气冷凝到20。

8℃的液体放出热量为:
⎰
⨯⨯++++⨯=∆95.29315
.36332432.321000855.0)(1000855.0dT DT CT BT A H
=3.92410/kJ h ⨯
则冷凝总共放出热量为：h kJ H H H H /10344.164321⨯=∆+∆+∆+∆
该冷凝器仍采用冷却盐水，将一釜和二釜的出口盐水用于该冷凝器的进口冷却盐水。

并用该冷凝器中出口盐水的温度控制在10℃。

则单位时间内需5℃下冷冻盐
水的质量为:6
1.3441076800/3.55
W kg h ⨯=
=⨯ 4.6脱乙醛塔的热量衡算
由以上对精馏一塔物料衡算得：F=4376.65kg/h,
D=52.62kg/h
用解析法计算最小回流比：
]1)1([11min F
D F D x x x x R ----=
αα 代入数据求得： 336.3min =R 取67.31.1R R min ==
则上升蒸气流量为:V=(R+1）D=245。

73kg/h 4。

6.1 再沸器的热负荷
(1）塔顶上升混合气带出的热量
在塔顶回流液温度为20.8℃，与进料的温度相同,则塔顶上升气带出的热量为：
=D Q ⨯+++++⨯⎰43.5578)(100005
.4473
.24535.29995.293443322110T a T a T a T a a 25.20
=h kJ /104.35⨯ （2)塔釜残液带出的热量：
dT DT CT BT A dT DT CT BT A Q W ⎰
⎰
+++⨯++++=35
.35095
.2933235.35095
.29332)(1180)(45600
+350.35
350.352
3
23293.95
293.95
61()505()A BT CT DT dT A BT CT DT dT +++++++⎰
⎰
855115+⨯=h kJ /1077.45⨯
(3）侧线料带出的热量
303.15
303.15
2323293.95
293.95
303.15303.152
3
23293.95
293.95
985()409()47()369()2486.2/C Q A BT CT DT dT A BT CT DT dT
A BT CT DT dT A BT CT DT dT
kJ h =+++++++++++++++=⎰⎰
⎰
⎰
则再沸器的热负荷为：
55351 4.7710 3.410 2.49108.1910/W D C Q Q Q Q kJ h =++=⨯+⨯+⨯=⨯
加热介质采用1。

0bar 下的饱和水蒸气，冷却水为100℃的水，则需水蒸气的量为：
5
8.1910362.77/2257.6
W kg h ⨯==
4.6。

2 冷凝器的冷凝量
293.95234201234303.35
1180()118025.2029786/Q a a T a T a T a T dT kJ h =+++++⨯=⎰
该冷凝器采用进口温度为了—5℃，出口温度为5℃的冷冻盐水，则需冰冻盐水的质量为：
29786
744.65/4.010
W kg h =
=⨯
4.7脱乙醇塔的热量衡算
由以上对精馏一塔物料衡算得：F=4185。

75kg/h
D=420.43kg/h
用解析法计算最小回流比：
]1)1([11min F
D F D x x x x R ----=
αα 代入数据求得： min 2.76R = 取min R 1.1R 3.036==
则上升蒸气的质量流量为：V=（R+1）D=1276。

43kg/h 4。

7.1再沸器的热负荷
（1)塔顶上升混合气带出的热量
在塔顶回流液温度为77。

2℃，与进料的温度相同，则塔顶上升气带出的热量
为:
349.45123401234344.15
54036()403632.32
118738.93 2.04310/D Q a a T a T a T a T dT kJ h
=+++++⨯+⨯=⨯⎰
（2)塔釜残液带出的热量
351.3523350.35
41577()85510.616263/W Q A BT CT DT dT kJ h =++++⨯=⎰
脱乙醇塔承受的热负荷为：
551 2.0431016263 2.2110/Q kJ h =⨯+=⨯
再沸器采用100℃的饱和水蒸气进行加热。

则需饱和水蒸气的质量为：
5
2.211097.9/2257.6
W kg h ⨯==
4.7。

2 脱乙醇塔冷凝器热量衡算
脱乙醇塔顶冷凝器需要的冷凝量
344.15
123401234349.45
344.1512346012343495
2.41210832.32356138.931()() 4.06310/21083561a a T a T a T a T dT
a a T a T a T a T dT kJ h
Q +++++++=⨯+⨯+=⨯+⎰⎰
用10℃下的盐水进行冷却,冷凝器冷却水的进口温度为10℃,出口温度为20℃，则单位时间内需10℃盐水的质量为：
6
4.0631024402/15 3.7
W kg h ⨯==⨯
4.8脱组分精馏塔的热量衡算
由以上对精馏一塔物料衡算得:F=3767.44kg/h
D=3666.38kg/h
用解析法计算最小回流比:
]1)1([11min F
D F D x x x x R ----=
αα, 代入数据求得：min 0.83R = 取min R 1.1R 0.91== 则V=（R+1)D=7002.79kg/h
4。

8。

1再沸器的热负荷
（1）塔顶上升混合气带出的热量
在塔顶回流液温度为20。

8℃，与进料的温度相同，则塔顶上升气带出的热量
为:
356.151234601234351.35
79459()7945932.32 2.87810/D Q a a T a T a T a T dT kJ h =+++++⨯=⨯⎰
（2)塔釜残液带出的热量
383.154351.35
855136 3.110/W Q dT kJ h ==⨯⎰
则再沸器的热负荷为：6461 2.87810 3.110 2.90810/Q kJ h =⨯+⨯=⨯
再沸器需要100℃的饱和水蒸气加热，单位时间内需饱和水蒸气的质量为：
6
2.908101288/2257.6
W kg h ⨯==
4。

8。

2 脱重组分的冷凝器的热量衡算
则冷凝器的冷凝量为
344.151234601234356.125
() 2.6510/7945932.32a a T a T a T a T dT kJ h Q ++++=⨯=⨯+⎰
冷凝器采用10℃的盐水，盐水的出口温度定为50℃，则单位时间内需10℃的盐水为：
6
2.651017905/
3.740
W kg h ⨯==⨯
5 主要设备的设计与辅助设备的选型
5。

1 一步缩合反应釜的设计 5.1。

1缩合釜釜体的设计
（1)缩合釜中混合物的平均密度
ρ＝∑=n
i i i x 1
ρ＝0927.07834.08713.0905.0⨯+⨯999.000428.083.001017.0⨯+⨯+
+3/912.01.2017.07893.000333.0cm g =⨯+⨯
则混合物的体积为：
978.4912
35
.4488==
V m 3 查得，装料系数ϕ为0.8。

则反应釜的体积为：
11.78
.0978
.4==
=
ϕ
V V a m 3 （2）确定筒体与封头型式以及连接方式
由本设计的聚合条件以及该设备的工艺性质,可以知道其属于带搅拌的低压反应釜类型。

根据惯例，选择圆柱形筒体和椭圆形封头。

查化工设计手册得，对对密封要求较高时，采用焊接连接.
(3）确定筒体与封头的直径
查《化工设备机械基础》得，i D H 取1。

3［23]。

则反应釜直径估算如下:
90.13
.111
.74433
=⨯⨯==ππi a i D H V D m
(式中，D i ——反应釜筒体内径；H -— 筒体高度。

）
经查，符合筒体公称直径的标准，取D i ＝2000mm 。

封头取相同的内径。

（4）确定筒体高度
查《化工设备机械基础》得,当公称直径DN ＝2000mm 时，标准椭圆形封头的容积V h ＝1。

1257，筒体每一米高的容积V 1＝3.1423/m 。

则筒体高度为：
1
V V V H h
-'=
（4-1) 其中V '--每个釜的容积，单位为m 3. 由i D H 的值与1.3近似相等，则可得：
7.11 1.1257
1.96
2.142
m -≈
解得 V '＝7。

11 m 3 取H ＝1。

3 D i ＝2m 。

（5）标准椭圆封头的封头高度与直边高度 查化工设计手册得，标准椭圆封头的封头高度为：
0.2520000.5004
i
D h m =
=⨯=直边高度为500mm 。

（6)确定夹套直径
查《化工设备机械基础》得,夹套直径为： D j ＝D i ＋100＝2100mm
夹套封头也采用椭圆形，并与夹套筒体取相同直径。

(7）确定夹套高度
夹套筒体的高度估算如下：
1
0.87.110.8270
1.760
2.545
h
i V V H V ϕ'-⨯-=
=
=m
取H i 为1。

8m 。

（8）传热面积F
查《化工设备机械基础》得,封头内表面积F h ＝4。

493m 2，筒体一米高内表面积F 1＝5.66 m 2.则传热面积为:
F ＝F h ＋1.1×F 1＝9.8795 m 2
（9)夹套筒体与封头厚度
夹套筒体与内筒的环焊缝，因检测困难，故取焊缝系数φ＝0.6，从安全计夹套
上所有焊缝均取φ＝0。

6，封头采用由钢板拼制的标准椭圆形封头［22]，材料均为Q235-B 钢。

查《化工设备机械基础》得，夹套厚度为:
[]20.12000
2 3.7821130.60.1
2i d t
pD C mm p
δσϕ⨯=
+=
+=⨯⨯--
夹套封头厚度为：
[]20.12000
2 3.6221130.60.50.1
20.5i
d t
pD C mm p
δσϕ⨯=
+=
+=⨯⨯-⨯-
式中,p ——设计压力，0.1MPa;
[]t σ——在设计温度下Q235—B 钢的许用压力，113MPa ；
C 2——腐蚀裕量，2mm 。

圆整至钢板规格厚度,查《化工设备机械基础》，取夹套筒体与封头厚度均为 ：
n δ＝8mm 。

（10）内筒筒体厚度与封头厚度
查《化工设备机械基础》，经过计算可得：内筒筒体厚度与封头厚度均取10mm 。

5。

1.2 搅拌装置设计 （1)搅拌器的型式与主要参数
考虑其工艺条件和搅拌容量,查《化工设备设计基础》和《化工设备机械基础》得，本设计采用桨式直叶搅拌器。

其主要结构参数:
D j ＝0。

51DN ＝0.51×2000＝1020mm 则b ＝0.20 D j ＝0。

20×2000＝400mm ； H ＝0.50 D j ＝0。

50×2000＝1000mm ； Z ＝2。

（2)搅拌轴直径
经查《化工设备设计基础》得，搅拌轴材料选用45钢［24]。

搅拌功率为20kW ；转速为80 r/min.则。