醋酸乙烯合成的物料衡算

第五章 醋酸乙烯合成的物料衡算
5、1 反应器的物料衡算
设计要求：
年产11万吨聚乙烯醇，产品平均聚合度为1795，生成产时间为每年330天。

产品分子式为：CH 2─CHOH
n
CH 2─CHOCOCH 3
m
由多品种聚乙烯醇质量指标(Q/OW AL001-1999)可得，PVA 的聚合度为400～2800，本项目平均聚合度为1700，醇解度选取95%得：
⎪⎩⎪
⎨⎧=⨯+=+%95%1001700m
n n
n m 解可得： m=85 n=1615 平均分子量：
kmol
kg O H C O H C M m n pvc /78372285861615442)()(26422=+⨯+⨯=++=
产品产量h kmol F PVA
/1611.078372
2433010101078372243303
4=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯=年产量 所需单体量 h kmol F n m F PVC VAC /87.2731611.01700)(=⨯=+= h t h kg F M W PVC PVC VAC /55.23/82.2355287.27386==⨯=∙= 工艺条件假设（数据参考马延贵 .《聚乙烯醇生产技术》.纺织工业出版社.1988）：
乙炔单程转化率 %151=X 以乙炔计算的醋酸乙烯的选择性
%901=S
醋酸转化率 %352=X 以醋酸计算醋酸乙烯的选择性
%12.962=S 乙醛收率%3106.01=Y 巴豆醛收率
%0621.02=Y
则：乙炔收率 ⎪⎪⎩
⎪
⎪⎨⎧=⨯===⨯=∙=%65.442686
%5.13%5.1315.09.011Z p m M M Y Y X S Y 质量收率：摩尔收率： 由方程式 ：
VAC
HAC H C →+22
乙炔进料=
h t Y W m VAC /74.52%
65.4455.23== 根据反应器入口各组分的组成可计算总进料量
52.74
W 109.4248.2%
=
=总 依次计算其他组分进料数量如表5-1
表5-1 反应器的进料表
出口组成计算 由下列方程式计算
22H C
+HAC VAC
26 60 86 x y 23.55 2COOH CH 3
O H CO CO CH 2223)(++
120 58 44 18 48.69⨯35%-16.43 m n p
22H C +O H 2 CHO CH 3
18 44
z 52.74⨯0.3106%
由上述三个方程求：x=7.12t/h y=16.43t/h z=0.065 m=0.29 n=0.22 p=0.092
所以出口流量如下:
1、22H C ： h t X W W /83.44%)151(74.52)1(11011=-⨯=-=
2、COOH CH 3：h t X W W /65.31%)351(69.48)1(22021=-⨯=-=
3、VAC ： h t W W W VAC /01.2646.255.233031=+=+=
4、2N ： h t W W /45.34041==
5、CHO CH 3: h t W Y W W /34.116.1%3106.074.525011051=+⨯=+∙= 6
、
CHO CHCH CH 22=:h t W Y W W /18.015.0%0621.074.526021061=+⨯=+∙=
7、2CO : h t W W /66.022.044.0n 7071=+=+=
8、O H 2: h t W W /36.0065.0092.033.0z p 8081=-+=-+= 9、其他: 65.091=W t/h
因此可得反应器的出料表，见表5-2.
表5-2 反应器的出料表
5、2 分离器出口物料组成的衡算：
由实验得分离器出口乙醛的汽相组成为90.7%，液相组成为9.3% 那么乙醛汽相数量为1.3490.7% 1.22
⨯=，
⨯=，液相数量为1.349.3%0.12
其它组分数量为反应器出口数量。

汽液分离器出的汽相组分部分放空，以保证
N不积累，其余大
2
部分返回反应器与反应器进口的精乙炔混合循环使用。

Array
图5-1 分离器物料衡算图
由反应器的出口物料通过汽液分离器的计算，得表5-3汽相组程与表5-4液相组成。

表5-3 汽相组成
C H44.83 89.37
22
N 3.45 6.88
2
CH CHO 1.22 2.42
3
CO0.66 1.32
2
合计50.16 100
CH CO0.29 0.49
32
CH CHO0.12 0.23
3
C H O0.18 0.30
46
VAC 26.01 43.88
HAC 31.65 53.4
2H O
0.36 0.6 其他 0.65 1.1 合计
59.274
100
5、3 清洗工段物料衡算：
汽液分离器出来的汽相组成清洗后，3CH CHO 、22C H 被解析。

所以可得解析塔出口汽相组成表5-5。

表5-5 解析塔出口汽相组成
22C H
44.83 97.35 3CH CHO
1.22
2.65 合计
46.05
100
汽液分离器出来的汽相组成清洗后，2N 、2CO 被吸收。

所以可得吸收塔出口汽相组成表5-6。

2N 3.45 83.94 2CO
0.66 16.06 合计
4.11
100
5、4 乙炔净化工段物料衡算：
5、4、1 循环气物料平衡
乙炔与醋酸为循环物料，由反应器的出口物料组成，可以得到乙炔与醋酸的物料组成，所以可到循环气物料平衡表5-7。

5、4、2 精乙炔物料组成的计算
由出口参考资料聚乙烯醇生产技术 33页可得，精乙炔的技术规格：
表5-8 精乙炔的技术规格
序号项目单位指标
1 纯度% 99
2 磷化氢% 0.0037
3 硫化氢% 0.0039
汽液分离器汽相组分部分放空以保证氮气不累积，其余部分返回反应器进口与精乙炔混合使用。

设循环气与放空气质量比为x，根据精乙炔技术规格要求表5-8，计算精乙炔组成：
精乙炔量=7.91/99%=7.99t/h
由循环气物料平衡表见表5-7与气液分离器出口汽相组成表5-3，可得：
（0.66-0.66x+3.45-3.45x）=7.99-7.91 x=0.9805
二氧化碳的量为：0.66-0.66⨯0.9805=0.013
氮气的量为：3.45-3.45⨯0.9805=0.067
由此得，精乙炔组成如表5-9：
表5-9 所以精乙炔的组成见下表
组分数量 t/h 组成（w%）
乙炔7.91 99.00
二氧化碳0.013 0.16
氮气0.067 0.84
总计7.99 100
5、4、3 粗乙炔组成的计算
由参考资料聚乙烯醇生产技术32页可得粗乙炔的技术规格：
表5-10 粗乙炔的技术规格
序号 项目 单位 指标 合格 勉强 1 乙炔含量 % >98 2 磷化氢 % <0.05 <0.10 3 硫化氢 % <0.10 <0.15 4 压力（表压） mm 水柱
>150 5
温度
℃
<30
由表5-10得，根据乙炔的质量流率计算乙炔的摩尔流率：
3
17.9110304.2326
F K mol h ⨯=
= 同理得：
二氧化碳的摩尔流率：
3
20.013100.3044
F K mol h ⨯==
氮气的摩尔流率为：
3
30.06710 2.3928
F K mol h ⨯==
所以粗乙炔的总摩尔流率为：
()()
123F +304.23+0.30+2.39
307.3810.00050.00110.00050.001F F F Kmol h +=
==----总
乙炔、二氧化碳、氮气的摩尔组成分别为：
乙炔：
304.23
100%98.98%307.38
⨯= 二氧化碳：
0.30
100%0.10%307.38⨯= 氮气:
%78.0%10038
.30739
.2=⨯ 由粗乙炔的技术规格表5-10知：
磷化氢的摩尔组成取为0.05%，硫化氢的摩尔组成为0.1%，由此计
算
得
到
磷
化
氢
的
摩
尔
流
率
为
：
40.05%307.380.05%0.15F F Kmol h =⨯=⨯=总
硫化氢的摩尔流率为：50.1%307.380.10%0.31F F Kmol h =⨯=⨯=总 由以上数据计算得到，粗乙炔各组分的质量流率与组成，见表5-11：
表5-11 粗乙炔组成见下表
组成 数量(t/h) 组成（Wt%） 数量(kmol/h)
组
成
（mol%）
乙炔 7.91
98.80 304.23 98.97 二氧化碳 0.013
0.16
0.30
0.10
氮气 0．067 0.84 2.39 0.78 磷化氢 0.0051 0.06 0.15 0.05 硫化氢 0.011 0.14 0.31 0.10 总计
8.006
100
307.38
100
清净剂次氯酸钠用料的计算：
次氯酸钠是由氯气和氢氧化钠反应生成，是一种强氧化剂，能分解放出氧原子，将乙炔中的杂质磷化氢、硫化氢净化。

设除去磷化氢消耗的次氯酸钠的量为x t h ，除去硫化氢消耗的次氯酸钠的量为y t h 。

33444a a PH N ClO H PO N Cl
+→+
34 4⨯74.5 0.0051 x
22444a a H S N ClO H SO N Cl
+→+
34 4⨯74.5 0.0111 y 由此可得：
X=0.045t h ，0.096y t h =
那么消耗次氯酸钠的总量为：0.141x y t h +=
氢氧化钠与氯气用量的计算：
设氢氧化钠用量为：m t h ，氯气用量为n t h 。

222a a a N OH Cl N Cl N ClO H O
+→++
240⨯ 71 74.5
m n 0.141
由此可得：m=0.15t h ，n=0.134t h
次氯酸钠中有效氯的成分为0.14135.574.50.067t h ⨯÷=（符合工业生产的要求） 5、5 反应器热量衡算
分子量M （g/m ）ol
沸点o t （℃） 汽化潜热v H ∆（J/mol ） 液相热溶L （J/mol
）
汽相热溶 （kcal/kg.
C o
）
乙炔 26 -84.0 0.469
醋酸 60
118.0 710392.2⨯ 510384.1⨯ 0.35 醋酸乙烯 86
72.5
710157.3⨯
510926.1⨯ 0.291 乙醛 44 20.85 710483.2⨯ 510400.1⨯ 0.412 巴豆醛 70
102.2 710446.3⨯ 510688.1⨯ 0.40
丙酮
58
56.29 710956.2⨯ 510388.1⨯
二氧化碳 44 0.232 氮气 28
0.25 水
18
100 71008.4⨯
4
10559.7⨯
0.458 循环油 156
0.63
备注：1 4.18KCal KJ =
丙酮汽相热容p C =0.1384J Kmol K ∙ 导热油的密度 1.02/g h ρ=
根据工艺条件的选择反应器入口气体温度140O C ,反应温度（既出口温度）180O C 。

1、反应放出热量()92.8622.18KJ Kcal mol ⎡⎤⎣⎦反应热
h
KCal W W Q /104393.586/100018.22)1046.21055.23(86
/18.221000)(6
3
3
30311⨯=⨯⨯⨯-⨯=⨯⨯-=
2 、气体从140C o 升到180C o 吸热为2Q (1) 乙炔吸热
量
h k c
a
l
t cw q /108940.9)140180(1074.52469.0531⨯=-⨯⨯⨯=∆=
(2) 醋
酸吸
热
量
h k
c
a
l
t cw q /108166.6)140180(1069.4835.0532⨯=-⨯⨯⨯=∆=
(3醋
酸
乙烯吸
热
量
h k
c
a
l
t cw q /108634.2)140180(1046.2291.0433⨯=-⨯⨯⨯=∆= (4) 氮气吸
热
量
h k
c
a
l
t cw q /1045.3)140180(1045.325.0434⨯=-⨯⨯⨯=∆= (5) 乙醛
吸
热
量
h k c
a
l
t cw q /109117.1)140180(1016.1412.0435⨯=-⨯⨯⨯=∆=
(6) 巴
豆
醛
吸
热
量
h k
c
a
l
t cw q /104.2)140180(1015.04.0336⨯=-⨯⨯⨯=∆= (7二氧
化
碳
吸
热
量
h k
c
a
l
t cw q /100832.4)140180(1044.0232.0337⨯=-⨯⨯⨯=∆= (8)
水蒸气
吸
热
量
h k
c
a
l
t cw q /100456.6)140180(1033.0485.0338⨯=-⨯⨯⨯=∆= 其它吸热可以忽略
所以h kcal q Q i i /107660.168
12⨯==∑= 3、被载热油带走的热量4Q
a. 假设反应器有热损失53110/Q kcal h =⨯（经验取值）
则:6564123() 5.439310(17.6581)10 3.573510Q Q Q Q Kcal h =-+=⨯-+⨯=⨯ b 假设反应器无热损失
则：()'66412 5.4393 1.765810 3.673510/Q Q Q kcal h =-=-⨯=⨯
4、反应热利用率 %46.32%10010
4393.5107658.1%1006
6
12=⨯⨯⨯=⨯=Q Q η 反应器热量衡算: 相关物质的物性参数表 其中丙酮 K kmol J C p ./107582.84⨯=
5、导热油用量 W 油（0.63/, 1.02/,10o p t C kcal h g h C ρ==∆=油） a. 反应器有热损失
3
354W 10Q =100.6310 3.573510156
⨯⨯⨯⨯=⨯油
156 3.5735
W 88.49/0.6310
t h ⨯=
=⨯油
33
3
88.491086.75/1.0210
W V m h ρ⨯===⨯油
油油 b ．反应器内无热损失
3
'
364W 10Q =100.6310 3.673510156
⨯⨯⨯⨯=⨯油
156 3.6735
W 90.96/0.6310
t h ⨯=
=⨯油
33
3
90.961089.18/1.0210
W V m h ρ⨯===⨯油
油油 5、6 分离器热量衡算
一段冷却：（控制温度范围：180—100o C ，一段出料温度：100o C , 醋酸温度50—90o C ）
反应器出口混合汽的温度经汽液分离器一段冷却后，温度由180o C 降到100o C ，在此过程中大部分重组分醋酸冷凝下来，同时水，巴豆醛也几乎全部冷凝下来，余下的组分通往二段继续冷却。

'36221(1):44.83100.469 4.187(180100)7.0410/C H Q kJ h =⨯⨯⨯⨯-=⨯ '3522(2): 3.45100.25 4.187(180100) 2.8910/N Q kJ h =⨯⨯⨯⨯-=⨯
'3533(3): 1.34100.412 4.187(180100) 1.8510/CH CHO Q kJ h =⨯⨯⨯⨯-=⨯ '3524(4):0.66100.232 4.187(180100)0.51310/CO Q kJ h =⨯⨯⨯⨯-=⨯
3
'
453353
0.2910(5):8.75810(10080)0.35010/5810
p t W CH COCH Q C kJ h M ⨯=⨯⨯∆=⨯⨯⨯-=⨯⨯''356(6): 4.1826.01100.291 4.187(180100)25.410/p t VAC Q W C kJ h
=⨯⨯⨯∆=⨯⨯⨯⨯-=⨯3
'
3
46270.3610(7):0.36100.458 4.187(180100) 4.08108.7110/18
H O Q kJ h
⨯=⨯⨯⨯⨯-+⨯⨯=⨯''
'
'
833
4
326(8): 4.1831.651031.65100.35 4.187(180118) 2.3921060
31.6510 1.38410(118100)
60
16.8110p t v t
W W HAC Q W C H L M M
KJ h
=⨯⨯⨯∆+⨯∆+⨯⨯∆⨯=⨯⨯⨯⨯-+⨯⨯⨯+⨯⨯⨯-=⨯ ''
'
'
469333
425(9): 4.180.18100.40 4.187(180102.22)0.18100.1810
3.44610 1.66810(102.22100)70701.1310p t v t
W W C H O Q W C H L M M
KJ h
=⨯⨯⨯∆+⨯∆+⨯⨯∆=⨯⨯⨯⨯-+
⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯-=⨯
''
'
'
1033
3
42(10): 1.2 4.18[0.65100.35 4.1870.65100.6510
23.9210+0.1384106060/p t v t
W W Q W C H L M M
kJ h =⨯⨯⨯⨯∆+⨯∆+⨯⨯∆=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯5其它：按醋酸处理（180-118）+
（118-100）]=4.1110
所以 一段总冷量
10
'710
3.6310/i i Q Q kJ h ===⨯∑
二段冷却 （气体温度 100-50o C ）醋酸温度（20-30o C ） 由一段冷却来的气体经过二段冷却后温度由100o C 降到50o C ，在此过程中相对重的组分VAC （即产品）几乎全部冷凝下来，同时几乎所有的丙酮也冷凝下来，余下的组分含有22C H ，2N ,23,CO CH CHO 通往三段冷却。

'''36221(1): 4.1844.83100.469 4.187(10050) 4.4010/p t C H Q W C kJ h
=⨯⨯⨯∆=⨯⨯⨯⨯-=⨯
'''3522(2): 4.18 3.45100.25 4.18(10050) 1.8110/p t N Q W C kJ h
=⨯⨯⨯∆=⨯⨯⨯⨯-=⨯
'''3423(3): 4.180.66100.232 4.187(10050) 3.2110/p t CO Q W C kJ h
=⨯⨯⨯∆=⨯⨯⨯⨯-=⨯
'''3534(4): 4.18 1.34100.412 4.187(10050) 1.1610/p t CH CHO Q W C kJ h
=⨯⨯⨯∆=⨯⨯⨯⨯-=⨯ ''
'
'
3353344
3325(5): 4.180.29100.29108.75810(10056.29) 2.95610581058
0.2910 1.38810(56.2950)
58
1.7110/p t v t
W W CH COCH Q W C H L M M
kJ h
=⨯⨯⨯∆+⨯∆+⨯⨯∆⨯⨯=⨯⨯⨯-+⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯-=⨯ ''
''
'
633
4
3
27(6): 4.1826.011026.01100.291 4.187(10072.5) 3.1571086
26.0110 1.92610(72.550) 1.1710/86
p t v t
W W VAC Q W C H L M M
kJ h
=⨯⨯⨯∆+⨯∆+⨯⨯∆⨯=⨯⨯⨯⨯-+⨯⨯⨯+⨯⨯⨯-=⨯ 6
''720
1.2410/i i Q Q kJ h ===⨯∑
三段冷却：（气体温度50—0 ℃），盐水冷却
由二段冷却来的气体经过三段冷却后温度由50 ℃降到0 ℃，根据经验在此过程中只有9.3%3CH CHO 冷却下来， 余下的大量汽相
3CH CHO 与22C H ，2N , 2CO 混合气 1%左右放空，以防惰性气体累积，
其余做循环气。

''''36221(1): 4.1844.83100.469 4.187(500) 4.4010/p t C H Q W C kJ h
=⨯⨯⨯∆=⨯⨯⨯⨯-=⨯
'''3522(2): 4.18 3.45100.25 4.187(500) 1.8110/p t N Q W C kJ h
=⨯⨯⨯∆=⨯⨯⨯⨯-=⨯
''''3423(3)(4): 4.180.66100.232 4.187(500) 3.2110/p t CO Q W C kJ h
=⨯⨯⨯∆=⨯⨯⨯⨯-=⨯
''''3344
(4): 4.18 1.34100.412 4.187(5020.85)6.7510/p t CH CHO Q W C kJ h
=⨯⨯⨯∆=⨯⨯⨯⨯-=⨯
（乙醛近似认为全部在汽相）
4
'''630
4.6810/i i Q Q kJ h ===⨯∑
综上气体分离器所需要的冷量为7123 5.3310/Q Q Q kJ h ++=⨯。