精馏塔的分离工段
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年产5万吨醋酸异丙酯项目初步设计--分离工段
指导老师：田敉 汇报人：朱力敏
目录
总论、原料 及辅助原料
流程设计
物料及能 量衡算
节能设计
设备设计 及选型
自动控制设计
总图设计
布置设计 1
总论、原料及辅助原料
总论
项目概况：利用丙烯和和醋酸在固体酸性离子交换树脂（苯乙烯磺酸类型离 子交换树脂）作催化剂采用烯酸酯化法制取醋酸异丙酯。
设计依据：化工设计相关规定、可行性报告等。
产品方案：
表1.1产品方案
产品名称 醋酸异丙酯 异丙醇 乙醇 产品规格 99.90% 99.90% 99.60% 产量（吨/年） 50000 42000 33000 价格预期（元/吨） 10000 15000 7000
2
总论、原料及辅助原料
原料及辅助原料
原料：
表1.2原料规格及消耗量
原料 化学式 质量分数 消耗量(万吨/年） 熔点（℃） 沸点（℃）
丙烯
C3H6
99.60%
2820
-185.2
-47.4
醋酸
CH3COOH
99.80%
1245.3
16.6
117.9
辅助原料：丙烯等
3
工艺流程设计
工艺流程方案的选择
酸醇法
烯酸法
通过对这两种工艺技术的对比，发现烯酸法符合本项目采用烯酸 酯化法制备乙酸异丙酯，工艺共包括反应工段、预分离工段和分 离工段三个工段。
4
工艺流程设计
工艺流程的模拟
对于本项目的分离工段的设备，经其进出口物 料经ASPEN 模拟如图1.1所示。
图1.1 分离工段的模拟流程图
5
工艺流程设计
T0302精馏塔的优化：
① 精馏塔T0302塔板数的优化
工艺的优化
图1.2 精馏塔T0303塔板数优化 由上图可以看出30块塔板数之后，塔板数的多少，对产 品的产出率没有影响，所以最终确定的塔板数为30块。
6
工艺流程设计
T0302精馏塔的优化：
② 塔顶采出率的优化
工艺的优化
图1.3塔顶采出率优化
根据图1.3，及为了满足的项目的要求，最终确定选择 塔顶采出率为0.95。
7
工艺流程设计
T0302精馏塔的优化：
③ 进料板的优化
工艺的优化
图1.3 进料板的优化 根据图1.3发现当进料数是15块时，醋酸和醋酸异丙酯 的出产率达到最高。所以选择的进料板是第15块进料。
8
工艺流程设计
T0302精馏塔的优化：
④ 回流比的优化
工艺的优化
图1.4 回流比的优化
根据上图发现，当回流比为2.5时，醋酸异丙酯和醋酸的产 出率最大；则为了满足的项目的要求，考虑到温度及压力的 影响，经过Aspen的模拟，最终确定精馏塔的回流比为2.0。
9
物料及能量衡算
物料衡算主要是对全流程、分离工段。
表1.3全流程原料消耗及产品产量表
物料名 质量流量 （kg/hr） 进料 CH3COOH 11207.551 T0104TOP 18017.919 出料 XCH3COOH 576.871 PROPENE 15783.126 XH2O 18.244 C3HOUT 8377.643
物料衡算
物料名
质量流量 （kg/hr）
表1.4 分离工段原料消耗及产品产量表
物料名 质量流量（kg/hr） 物料名 质量流量（kg/hr）
进料
T0130IN 4250.427 T0104TOP 18017.919 T0101OUT 14362.608 出料 XCH3COOH 576.871 XH2O 18.244
10
物料及能量衡算
能量衡算主要是对设备的运作能量消耗的评估
示例：
能量衡算
表1.5 精馏塔T0302能量信息表
物料名
进料 出料 MO103OUT T0104TOP XCH3COOH Temperature C 85.6 94.1 127.4 Pressure bar 1.013 1.013 1.017 Vapor Frac 0.021 0 0 Mole Flow kmol/hr 187.332 177.988 9.344 Mass Flow kg/hr 18594.79 18017.919 576.871 Volume Flow cum/hr 138.704 22.978 0.627 表1.4 分离工段原料消耗及产品产量表 Enthalpy Gcal/hr -22.347 -21.28 -1.007 能量衡算（功耗单位：MMkcal/hr） 热负荷 进口焓值 出口焓值 误差 -4.206439 -22.347401 -22.286928 -0.002706
通过对分离工段的各个设备的能量衡算，发现各个设备 进出的物料和外界功是守恒的，所以能量是守恒的。
11
节能设计
换热网络 优化图
ASPEN 温焓 曲线图
ENERGY
图1.5 物流提取信息图
物流信息提 取图
12
温焓曲线图 图1.7 换热网络图方案
节能设计
匹配前的能量指标
匹配后的能量指标
13
设备设计与选型
塔设备设计
空塔气速较大
优点一
优点二
液气比适用范围较大
持液量较大
优点三
板式塔
优点四
塔效率较高
安装检修较易
优点五
优点六
大直径时造价较低
14
设备设计与选型
效率高
塔设备设计
1
浮阀板
分离要求 高、负荷 变化大
3
2
操作范围宽
15
设备设计与选型
塔设备设计
精馏塔名称
精馏塔编号 直径（m） 高度（m） 材质 精馏塔种类
产品精制分离精馏塔
T0302 2.4 39.56 Q235-C 图1.10 塔板负荷性能图 浮阀塔
16
设备设计与选型
精馏塔的校核
17
设备设计与选型
换热器的设计
经过EDR数据的导出图最终选定换热器主要结构和组成部分，基本参数 如下：公称直径为325mm，壳程数N=1，管程数N=1，管子根数n=99 根，中间排管数11，管程流通面积0.0175㎡，换热管长度为3000mm， 换热面积为17.1㎡，换热管规格为Ø19×2。
18
设备设计与选型
换热器的校核
19
设备设计与选型
泵的设计
根据aspen模拟得到的泵的进口流量和计算得到的精馏塔T0302的 总体塔高度来对离心泵P0201进行设计和选型，根据智能选型结果， 最终确定离心泵P0201类型为：不锈钢泵，型号是GDF50-50，具 体依据如下：
20
自动控制
离心泵的控制
图中表示了泵进出管上异径管、切断阀、排气阀、排 净阀、管道过滤器和压力表的相对位置以及出口侧流 量调节控制方案。
21
自动控制
精馏塔的控制
22
自动控制
换热器的控制
在换热器的壳体上下分别设置了放空阀和排净阀，通过测量工 艺物流出口温度来控制冷却水进口流量，冷却水出口管道设置 放空阀。
23
总图设计
生产区布置 各区域面积 厂区布置 原料及产品的储罐区 辅助设施布置
2 4
布置设计
分离车间设备一览表
序号 1 2 3 4 设备位号 T0301 T0302 E0301 E0303 设备名称 精馏塔 精制醋酸异丙酯精馏塔 热虹吸式再沸器 热虹吸式再沸器 数量 1 1 1 2
5
6 7 8 9
E0302
E0304 P0301A/B P0302A/B P0305A/B
冷凝器
冷凝器 物料输送泵 塔顶回流泵 塔顶回流泵
1
1 2 2 2
10
11 12 13 14
P0306A/B
P0301
车间平面布置图 -第一层 塔顶回流泵
物料输送泵
2
1 1 1 1
车间平面布置图 -第二层 车间平面布置图 -第三层 P0302 物料输送泵
V0301 V0302 塔顶回流罐 塔顶回流罐
2 5
创新点
1
工艺流程创新
工艺流程 创新
2
1、丙烯和醋酸 的酯化属于原 子经济反应， 并从源头上消 除了由化学反 应副产物引起 的污染； 2、新工艺反应转化 率高，反应选择性 高，生产成本低；
3
3、由于反应不生成 水，产物易于分离， 且无废酸排放。
26
创新点
工艺流程创新
除水
醋酸异丙酯和 水形成共沸物 出塔顶
合成工段
预分离 工段
分离 工段
不仅节约了能耗，节约了成本，也使的工艺流程可 操作性强，工艺流程短，分离效果更好，更符合工 业生产的要求。
27
谢谢聆听！
Thanks for listening！ 指导老师：田敉 汇报人：朱力敏
指导老师：田敉 汇报人：朱力敏
目录
总论、原料 及辅助原料
流程设计
物料及能 量衡算
节能设计
设备设计 及选型
自动控制设计
总图设计
布置设计 1
总论、原料及辅助原料
总论
项目概况：利用丙烯和和醋酸在固体酸性离子交换树脂（苯乙烯磺酸类型离 子交换树脂）作催化剂采用烯酸酯化法制取醋酸异丙酯。
设计依据：化工设计相关规定、可行性报告等。
产品方案：
表1.1产品方案
产品名称 醋酸异丙酯 异丙醇 乙醇 产品规格 99.90% 99.90% 99.60% 产量（吨/年） 50000 42000 33000 价格预期（元/吨） 10000 15000 7000
2
总论、原料及辅助原料
原料及辅助原料
原料：
表1.2原料规格及消耗量
原料 化学式 质量分数 消耗量(万吨/年） 熔点（℃） 沸点（℃）
丙烯
C3H6
99.60%
2820
-185.2
-47.4
醋酸
CH3COOH
99.80%
1245.3
16.6
117.9
辅助原料：丙烯等
3
工艺流程设计
工艺流程方案的选择
酸醇法
烯酸法
通过对这两种工艺技术的对比，发现烯酸法符合本项目采用烯酸 酯化法制备乙酸异丙酯，工艺共包括反应工段、预分离工段和分 离工段三个工段。
4
工艺流程设计
工艺流程的模拟
对于本项目的分离工段的设备，经其进出口物 料经ASPEN 模拟如图1.1所示。
图1.1 分离工段的模拟流程图
5
工艺流程设计
T0302精馏塔的优化：
① 精馏塔T0302塔板数的优化
工艺的优化
图1.2 精馏塔T0303塔板数优化 由上图可以看出30块塔板数之后，塔板数的多少，对产 品的产出率没有影响，所以最终确定的塔板数为30块。
6
工艺流程设计
T0302精馏塔的优化：
② 塔顶采出率的优化
工艺的优化
图1.3塔顶采出率优化
根据图1.3，及为了满足的项目的要求，最终确定选择 塔顶采出率为0.95。
7
工艺流程设计
T0302精馏塔的优化：
③ 进料板的优化
工艺的优化
图1.3 进料板的优化 根据图1.3发现当进料数是15块时，醋酸和醋酸异丙酯 的出产率达到最高。所以选择的进料板是第15块进料。
8
工艺流程设计
T0302精馏塔的优化：
④ 回流比的优化
工艺的优化
图1.4 回流比的优化
根据上图发现，当回流比为2.5时，醋酸异丙酯和醋酸的产 出率最大；则为了满足的项目的要求，考虑到温度及压力的 影响，经过Aspen的模拟，最终确定精馏塔的回流比为2.0。
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物料及能量衡算
物料衡算主要是对全流程、分离工段。
表1.3全流程原料消耗及产品产量表
物料名 质量流量 （kg/hr） 进料 CH3COOH 11207.551 T0104TOP 18017.919 出料 XCH3COOH 576.871 PROPENE 15783.126 XH2O 18.244 C3HOUT 8377.643
物料衡算
物料名
质量流量 （kg/hr）
表1.4 分离工段原料消耗及产品产量表
物料名 质量流量（kg/hr） 物料名 质量流量（kg/hr）
进料
T0130IN 4250.427 T0104TOP 18017.919 T0101OUT 14362.608 出料 XCH3COOH 576.871 XH2O 18.244
10
物料及能量衡算
能量衡算主要是对设备的运作能量消耗的评估
示例：
能量衡算
表1.5 精馏塔T0302能量信息表
物料名
进料 出料 MO103OUT T0104TOP XCH3COOH Temperature C 85.6 94.1 127.4 Pressure bar 1.013 1.013 1.017 Vapor Frac 0.021 0 0 Mole Flow kmol/hr 187.332 177.988 9.344 Mass Flow kg/hr 18594.79 18017.919 576.871 Volume Flow cum/hr 138.704 22.978 0.627 表1.4 分离工段原料消耗及产品产量表 Enthalpy Gcal/hr -22.347 -21.28 -1.007 能量衡算（功耗单位：MMkcal/hr） 热负荷 进口焓值 出口焓值 误差 -4.206439 -22.347401 -22.286928 -0.002706
通过对分离工段的各个设备的能量衡算，发现各个设备 进出的物料和外界功是守恒的，所以能量是守恒的。
11
节能设计
换热网络 优化图
ASPEN 温焓 曲线图
ENERGY
图1.5 物流提取信息图
物流信息提 取图
12
温焓曲线图 图1.7 换热网络图方案
节能设计
匹配前的能量指标
匹配后的能量指标
13
设备设计与选型
塔设备设计
空塔气速较大
优点一
优点二
液气比适用范围较大
持液量较大
优点三
板式塔
优点四
塔效率较高
安装检修较易
优点五
优点六
大直径时造价较低
14
设备设计与选型
效率高
塔设备设计
1
浮阀板
分离要求 高、负荷 变化大
3
2
操作范围宽
15
设备设计与选型
塔设备设计
精馏塔名称
精馏塔编号 直径（m） 高度（m） 材质 精馏塔种类
产品精制分离精馏塔
T0302 2.4 39.56 Q235-C 图1.10 塔板负荷性能图 浮阀塔
16
设备设计与选型
精馏塔的校核
17
设备设计与选型
换热器的设计
经过EDR数据的导出图最终选定换热器主要结构和组成部分，基本参数 如下：公称直径为325mm，壳程数N=1，管程数N=1，管子根数n=99 根，中间排管数11，管程流通面积0.0175㎡，换热管长度为3000mm， 换热面积为17.1㎡，换热管规格为Ø19×2。
18
设备设计与选型
换热器的校核
19
设备设计与选型
泵的设计
根据aspen模拟得到的泵的进口流量和计算得到的精馏塔T0302的 总体塔高度来对离心泵P0201进行设计和选型，根据智能选型结果， 最终确定离心泵P0201类型为：不锈钢泵，型号是GDF50-50，具 体依据如下：
20
自动控制
离心泵的控制
图中表示了泵进出管上异径管、切断阀、排气阀、排 净阀、管道过滤器和压力表的相对位置以及出口侧流 量调节控制方案。
21
自动控制
精馏塔的控制
22
自动控制
换热器的控制
在换热器的壳体上下分别设置了放空阀和排净阀，通过测量工 艺物流出口温度来控制冷却水进口流量，冷却水出口管道设置 放空阀。
23
总图设计
生产区布置 各区域面积 厂区布置 原料及产品的储罐区 辅助设施布置
2 4
布置设计
分离车间设备一览表
序号 1 2 3 4 设备位号 T0301 T0302 E0301 E0303 设备名称 精馏塔 精制醋酸异丙酯精馏塔 热虹吸式再沸器 热虹吸式再沸器 数量 1 1 1 2
5
6 7 8 9
E0302
E0304 P0301A/B P0302A/B P0305A/B
冷凝器
冷凝器 物料输送泵 塔顶回流泵 塔顶回流泵
1
1 2 2 2
10
11 12 13 14
P0306A/B
P0301
车间平面布置图 -第一层 塔顶回流泵
物料输送泵
2
1 1 1 1
车间平面布置图 -第二层 车间平面布置图 -第三层 P0302 物料输送泵
V0301 V0302 塔顶回流罐 塔顶回流罐
2 5
创新点
1
工艺流程创新
工艺流程 创新
2
1、丙烯和醋酸 的酯化属于原 子经济反应， 并从源头上消 除了由化学反 应副产物引起 的污染； 2、新工艺反应转化 率高，反应选择性 高，生产成本低；
3
3、由于反应不生成 水，产物易于分离， 且无废酸排放。
26
创新点
工艺流程创新
除水
醋酸异丙酯和 水形成共沸物 出塔顶
合成工段
预分离 工段
分离 工段
不仅节约了能耗，节约了成本，也使的工艺流程可 操作性强，工艺流程短，分离效果更好，更符合工 业生产的要求。
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谢谢聆听！
Thanks for listening！ 指导老师：田敉 汇报人：朱力敏