年产20万吨醋酸车间设计.docx

目 录

1 引言 ...................................................................................................................................... 1 1.1 醋酸的性质和用途 ........................................................................................................... 1 1.1.1 性质 ................................................................................................................................ 1 1.1.2 用途 ................................................................................................................................ 1 1.2 醋酸的发展状况 ............................................................................................................... 2 1.3 醋酸的生产方法 ............................................................................................................... 3 1.3.1 甲醇羰基化 .................................................................................................................... 3 1.3.2 乙醇氧化法 .................................................................................................................... 3 1.3.3 乙烯氧化法 .................................................................................................................... 3 1.3.4 丁烷氧化法 .................................................................................................................... 4 1.3.5 巴斯夫高压法[6] ............................................................................................................. 4 1.3.6 UOP/千代田工艺[7] .................................................................................. 4_Toc185962875 1.4 新的合成方法 ................................................................................................................... 5 1.5 小结 ................................................................................................................................... 5 1.6 选题目的及意义 ............................................................................................................... 6 2 工艺流程的确定 .................................................................................................................. 7 2.1 本课题要解决的问题 ....................................................................................................... 7 2.2 拟采用的研究手段 ..................................................................................................... 7 2.2.1 原料的选择 .................................................................................................................... 7 2.2.2 反应原理 ........................................................................................................................ 7 2.2.3 催化剂的选择 ................................................................................................................ 7 2.2.4 反应器的选择 ................................................................................................................ 8 2.2.5 主要工艺条件 ................................................................................................................ 8 2.2.6 生产工艺路线 ................................................................................................................ 8 3 物料衡算 ............................................................................................................................ 10 3.1 设计依据 ......................................................................................................................... 10 3.2 氧化塔物料衡算 ............................................................................................................. 10

第I页 共III页

中北大学2012届毕业设计说明书

3.3 蒸发器物料衡算 ............................................................................................................. 14 3.4 精馏塔物料衡算 ............................................................................................................. 15 3.4.1 精馏塔1物料衡算 ...................................................................................................... 15 3.4.2 精馏塔Ⅱ物料衡算 ...................................................................................................... 17 3.5 醋酸回收塔物料衡算 ..................................................................................................... 17 4 热量衡算 ............................................................................................................................ 20 4.1 基本数据 ......................................................................................................................... 20 4.2 氧化塔的热量衡算 ......................................................................................................... 20 4.3 蒸发器的热量衡算 ......................................................................................................... 22 4.4 冷凝器的热量衡算 ......................................................................................................... 23 4.5 精馏塔1的热量衡算 ..................................................................................................... 24 4.5.1 回流比的计算 ........................................................................................................... 25 4.5.2 冷凝器的热负荷 .......................................................................................................... 25 4.5.3 冷却水消耗量 ................................................................................................................ 26 4.5.4 加热器热负荷及全塔热量衡算 .................................................................................. 27 5 主要设备的设计与辅助设备的选型 ................................................................................ 29 5.1 精馏塔设备设计 ............................................................................................................. 29 5.1.1 理论塔板数的计算 ...................................................................................................... 29 5.1.2 塔的有效高度计算 ...................................................................................................... 29 5.1.3 塔径的计算 .................................................................................................................. 30 5.1.4 塔板设计 ...................................................................................................................... 31 5.1.5 流体力学验算 .............................................................................................................. 33 5.1.6 塔板负荷性能图 .......................................................................................................... 35 5.2 反应器的设计 ................................................................................................................. 39 5.2.1 反应釜釜体的设计 ...................................................................................................... 39 5.2.2 搅拌装置设计 .............................................................................................................. 42 5.3 蒸发器的设计与选型 ..................................................................................................... 43 5.3.1 蒸发器的选择理由 ...................................................................................................... 43

第II页 共III页

中北大学2012届毕业设计说明书

5.3.2 蒸发器计算与设计 ...................................................................................................... 43 5.4 辅助设备的选型 ............................................................................................................. 45 5.4.1 泵的选型 ...................................................................................................................... 45 5.4.2 冷凝器的选型[20] .......................................................................................................... 45 6 生产车间布置 .................................................................................................................... 47 6.1 概述 ................................................................................................................................. 47 6.2 车间布置的基本原则和要求 ......................................................................................... 47 6.2.1 车间布置的基本原则 .................................................................................................. 47 6.2.2 车间布置的要求 .......................................................................................................... 47 6.3 本设计的生产车间布置 ................................................................................................. 50 7 设计概算和环保、安全及卫生措施 ................................................................................ 52 7.1 总投资估算 ..................................................................................................................... 52 7.1.1 工程费用 ...................................................................................................................... 52 7.1.2 其他费用 ...................................................................................................................... 52 7.1.3 预备费用 ...................................................................................................................... 53 7.1.4 专项费用 ...................................................................................................................... 53 7.2 产品单位成本 ................................................................................................................. 54 7.3 关于流动资金 ................................................................................................................. 55 7.4 关于所得税 ..................................................................................................................... 55 7.5 关于投资回收期(静态分析法)....................................................................................... 55 7.6环境保护与综合利用 ........................................................................................................ 56 7.6.1 废气处理 ........................................................................................................................ 56 7.6.2 废水处理与综合利用 .................................................................................................. 56 7.6.3 噪声防治 ...................................................................................................................... 56 7.7 设计中采用的主要防范措施 ......................................................................................... 56 8 结论 .................................................................................................................................... 58 附录 .......................................................................................................................................... 59 致谢 .......................................................................................................................................... 63

第III页 共III页

中北大学2012届毕业设计说明书

年产20万吨醋酸的车间工艺设计

摘要

醋酸是一种重要的有机和精细化工原料。本设计通过查阅大量参考文献，综述了醋酸的国内外生产和市场状况。对各种生产工艺进行了比较，确定了乙醛催化氧化法生产醋酸的工艺流程，并进行了物料和热量衡算，得到了流程中物料和热量的数值。再次，进行了主体设备、辅助设备选型以及车间的布置，完成了年产20万吨醋酸车间工艺设计，并绘制了工艺流程图、主体设备图及车间布置图，同时，对整个设计进行了经济、环保和安全评价，结果表明本设计是合理的。

关键词：醋酸，氧化，催化，乙醛

中北大学2012届毕业设计说明书

The Process Design of Acetic Acid with Annual Output of 200,000 Tons

Abstract

Acetic acid is an important organic chemical raw materials. This design reviewed the domestic and foreign production and market of acetic acid by consulting a large number of reference. The acetaldehyde catalytic oxidation process was used to produce acetic acid through comparing various production process. Then, the style of auxiliary facilities were selected, the workshop was arranged and the process design of annual output of 200000 tons of acetic acid was completed. In addition, the process flow diagram, the main equipment map and the workshop layout were drawn up. Finally, the entire design of economic, environmental and safety evaluation were completed. The result shows that the entire design is of certain rationality.

Keywords: Acetic acid, Oxidation, Catalysis, Acetaldehyde

中北大学2012届毕业设计说明书

1 引言

1.1 醋酸的性质和用途 1.1.1 性质

醋酸是一种有机化合物，又叫乙酸（ethanoic acid），别名醋酸(acetic acid)、冰醋酸（glacial acetic acid）。分子式C2H4O2（常简写为HAc）或CH3COOH。是典型的脂肪酸。乙酸在常温下是一种有强烈刺激性酸味的无色液体。乙酸的熔点为16.6℃，沸点117.9℃。相对密度1.05，闪点39℃，爆炸极限4%～17%（体积分数）。纯的乙酸在低于熔点时会冻结成冰状晶体，所以无水乙酸又称为冰醋酸。乙酸易溶于水和乙醇，其水溶液呈弱酸性。乙酸盐也易溶于水。乙酸的羧基氢原子能够部分电离变为氢离子（质子）而释放出来，导致羧酸的酸性。乙酸在水溶液中是一元弱酸，酸度系数为4.8，pKa=4.75（25℃），浓度为1mol/L的醋酸溶液（类似于家用醋的浓度）的pH为2.4，即仅有0.4%的醋酸分子是解离的。乙酸的酸性促使它还可以与碳酸钠、氢氧化铜、苯酚钠等物质反应。

2CH3COOHNa2CO32CH3COONaCO2H2O (1.1)

2CH3COOHCuOH2CuCH3COO2H2O (1.2) CH3COOHC6H5ONaC6H5OHCH3COONa (1.3)

1.1.2 用途

冰醋酸是最重要的有机酸之一。主要用于醋酸乙烯、醋酐、醋酸纤维、醋酸酯和金属醋酸盐等，也用作农药、医药和染料等工业的溶剂和原料，在照相药品制造、织物印染和橡胶工业中都有广泛用途。 冰醋酸是重要的有机化工原料之一，它在有机化学工业中处于重要地位。醋酸广泛用于合成纤维、涂料、医药、农药、食品添加剂、染织等工业，是国民经济的一个重要组成部分。冰醋酸按用途又分为工业和食用两种，食用冰醋酸可作酸味剂、增香剂。可生产合成食用醋。用水将乙酸稀释至4～5%浓度，添加各种调味剂而得食用醋。其风味与酿造醋相似。常用于番茄调味酱、蛋黄酱、醉米糖酱、泡菜、干酪、糖食制品等。使用时适当稀释，还可用于制作蕃茄、芦笋、婴儿食品、沙丁鱼、鱿鱼等罐头，还有酸黄瓜、肉汤羹、冷饮、酸法干酪用于食品香料时，需稀释，可制作软饮料，冷饮、糖果、焙烤食品、布丁类、胶媒糖、调味品等。作为酸味剂，可 第1页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

用于调饮料、罐头等。洗涤通常使用的冰醋酸，浓度分别为28%、56%、99%的。如果买的是冰醋酸，把28mL的冰醋酸加到72mL的水里，就可得到28%的醋酸。更常见的是它以56%的浓度出售，这是因为这种浓度的醋酸只要加同量的水，即可得到28%的醋酸。 浓度大干28%的醋酸会损坏醋酸纤维和代纳尔纤雏。草酸是有机酸中的强酸之一，在高锰酸钾的酸性溶液中，草酸易被氧化生成二氧化碳和水。草酸能与碱类起中和反应，生成草酸盐。醋酸也一样，28%的醋酸具有挥发性，挥发后使织物是中性；就像氨水可以中和酸一样，28%的醋酸也可以中和碱。碱也会导致变色。用酸（如28%的醋酸）即可把变色恢复过来。这种酸也常用来减少由丹宁复合物、茶、咖啡、果计、软饮料以及啤酒造成的黄渍。在去除这些污渍时，28%的醋酸用在水和中性润滑剂之后，可用到最大程度。

1.2 醋酸的发展状况

最初醋酸的获得是通过粮食的发酵，l9世纪人们发现了木材干馏制取醋酸的方法

[1]

。在工业上有代表性的、最早的醋酸制取方法是乙醛氧化法，德国于1911年建成了首

套生产装置，上世纪30年代乙醇-乙醛氧化法得到了发展，乙醛氧化法在相当长的时间内，占据了醋酸合成的统治地位，到目前仍有部分企业采用该法[2]。上世纪50年代中期，丁烷氧化法开发成功，上世纪60年代又有轻油氧化法和乙烯-乙醛氧化法相继问世。乙烯-乙醛氧化法成为当时的重要生产方法，同期，甲醇高压羰基合成醋酸技术由BASF公司开发成功，上世纪60年代末期代表醋酸合成最先进水平的甲醇低压羰基合成醋酸技术由美国孟山都公司开发成功，并于1970年建成了第一套装置。甲醇低压羰基化法的开发成功在醋酸工业的发展史上具有划时代的意义，世界各大醋酸生产国在较短的时间内完成了其他生产方法向甲醇低压羰基化法的转变，还陆续建成了许多大型装置，并不断更新技术和改造扩大生产能力，目前甲醇低压羰基化法合成醋酸的最大规模已达100万t/a。全世界60％以上的醋酸生产能力采用甲醇低压羰基化法生产，其次为乙醛氧化法（以乙烯法为主）占25％，烃类液相氧化法等占15%[3]。我国自1953年上海试剂一厂首先采用乙醇-乙醛氧化法合成醋酸投入生产后，全国陆续建成了许多相同的生产装置。改革开放后，又引进了4套乙烯法装置；l996年上海吴泾化工公司从英国BP公司引进l0万t/a低压甲醇羰基化法合成醋酸装置建成投产；l998年我国自行研制的第一套低压甲醇羰基化法l0万t/a装置在江苏索普集团投产；l998年扬子江乙酰公司(BP与中国石化、四川维尼纶厂的合资企业)又建成了l5万t/a的甲醇羰基化法合成醋酸装置。目前国内共有醋酸生产装置 第2页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

90多套，总生产能力已达l36万t/a。 1.3 醋酸的生产方法 1.3.1 甲醇羰基化

大部分乙酸是通过甲基羰基化合成的。此反应中，甲醇和一氧化碳反应生成乙酸，反应方程式如下：

CH3OHCOCH3COOH

(1.4)

这个过程是以碘代甲烷为中间体，分三个步骤完成，并且需要一个一般由多种金属构成的催化剂。

CH3OHHICH3IH2O (1.5)

CH3ICOCH3COI (1.6) CH3OIH2OCH3COOHHI (1.7)

通过控制反应条件，也可以通过同样的反应生成乙酸酐。因为一氧化碳和甲醇均是常用的化工原料，所以甲基羰基化一直以来备受青睐。早在1925年，英国塞拉尼斯公司的Henry Drefyus已经开发出第一个甲基羰基化制乙酸的试点装置[4]。然而，由于缺少能耐高压（200atm或更高）和耐腐蚀的容器，此法一度受到抑制。直到1963年，德国巴斯夫化学公司用钴作催化剂，开发出第一个适合工业生产的办法。到了1968年，以铑为基础的催化剂的(cis−[Rh(CO)2I2]−)被发现，使得反映所需压力减到一个较低的水平并且几乎没有副产物。1970年，美国孟山都公司建造了首个使用此催化剂的设备，此后，铑催化甲基羰基化制乙酸逐渐成为支配性的方法（孟山都法）。90年代后期，BP化学成功的将Cativa催化法商业化，此法是基于钌，使用([Ir(CO)2I2]−)，比孟山都法更加绿色也有更高的效率，很大程度上排挤了孟山都法[5]。 1.3.2 乙醇氧化法

由乙醇在有催化剂的条件下和氧气发生氧化反应制得。工艺陈旧，生产规模小，原料和动力消耗高，应严格控制，杜绝新建小规模生产装置。 1.3.3 乙烯氧化法

由乙烯在催化剂（所用催化剂为氯化钯、氯化铜和乙酸锰）存在的条件下，与氧气发生反应生成。此反应可以看作先将乙烯氧化成乙醛，再通过乙醛氧化法制得。乙烯氧 第3页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

化法制醋酸虽然比乙炔法和酒精法先进，但与低压甲醇羰基合成法相比，原料和动力消耗高，技术经济上缺乏竞争性，不宜再用该技术新建装置。原有装置可借鉴乙烯直接氧化法进行改造。 1.3.4 丁烷氧化法

丁烷氧化法又称为直接氧化法，这是用丁烷为主要原料，通过空气氧化而制得乙酸的一种方法，也是主要的乙酸合成方法。 1.3.5 巴斯夫高压法[6]

巴斯夫高压法尽管已工业化多年,与其它原料路线相比，具有一定的竞争性；但与低压法相比，相应压力高，原料消耗定额高，副反应多，工艺复杂。因此，不提倡发展高压法。

1.3.6 UOP/千代田工艺[7]

UOP/千代田工艺技术先进，在某些方面比BP技术更有吸引力，但还没有工业化生产装置，引进的风险大。如果在对其风险性进行充分论证的情况下，可积极引进。 1.3.7 乙醛氧化法[8]

乙醛氧化法在孟山都法商业生产之前，大部分的乙酸是由乙醛氧化制得。尽管不能与甲基羰基化相比，此法仍然是第二种工业制乙酸的方法。乙醛可以通过氧化丁烷或轻石脑油制得，也可以通过乙烯水合后生成。当丁烷或轻石脑油在空气中加热，并有多种金属离子包括镁，钴，铬以及过氧根离子催化，会分解出乙酸。化学方程式如下：

2C4H10O24CH3COOH2H2O (1.8)

此反应可以在能使丁烷保持液态的最高温度和压力下进行，一般的反应条件是150℃和55atm。副产物包括丁酮，乙酸乙酯，甲酸和丙酸。因为部分副产物也有经济价值，所以可以调整反应条件使得副产物更多的生成，不过分离乙酸和副产物使得反应的成本增加。

在类似条件下，使用上述催化剂，乙醛能被空气中的氧气氧化生成乙酸

2CH3CHOO22CH3COOH (1.9)

使用新式催化剂，此反应能获得95%以上的乙酸产率。主要的副产物为乙酸乙酯，甲酸和甲醛。因为副产物的沸点都比乙酸低，所以很容易通过蒸馏除去。

第4页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

1.4 新的合成方法

除已经成熟生产方法外，新的醋酸合成方法也不断出现。

（1） 乙烯直接氧化法是由日本昭和电工株式会社开发，以氯化钯化合物为催化剂，在硫酸盐存在下，由乙烯不经乙醛直接氧化为醋酸，反应在多管夹套反应器中进行，与乙烯-乙醛氧化法相比，投资省、工艺简单、废水排放少，适应于5万～10万t/a规模装置。催化联产醋酸、乙烯新工艺，由沙特阿拉伯沙特基础工业公司(SABIC)开发，并开发了经磷改性的钼-铌-钒酸盐催化剂。将体积比为15:85的乙烷和空气在温度260℃和压力1.38MPa条件下通过催化剂，在转化率达53.3％时，生产醋酸和乙烯的选择性分别为49.5％和10.5％。其技术经济性可与甲醇羰基化技术相媲美。

（2） 哈尔杜-托普索公司开发成功双功能催化剂，直接用天然气生产醋酸，使用该技术的醋酸可变成本比传统BP技术降低15％。

（3） 瓦克尔化学公司以丁烯为原料，使用专用催化剂直接氧化成醋酸，该工艺的特点是原料成本较低，使10万～20万t/a中等规模生产装置具有竞争能力。

（4） 赫司特公司开发了乙烷气相氧化高选择率的醋酸生产专利技术。

（5） 伊士曼和BP公司分别建成了以煤为原料生产合成气，合成气制造甲醇、乙酸，利用乙酸甲酯羰基化合成乙酸酐装置。

随着新技术、新方法的不断开发成功和投入工业化生产，多种原料、多种方法、有竞争力的醋酸技术将不断出现。 1.5 小结

（1）新建醋酸装置大型化

从醋酸工业的发展趋势来看，醋酸装置的规模将成大型化。Celanese在新加坡有50万t /a生产装置，在美国有120万t /a的生产厂。我国江苏索普已成功建设60万t /a醋酸生产装置。经测算，同为甲醇羰基合成醋酸工艺，60万t/a醋酸装置较20万t/a规模的单位成本降200~300元/ t。装置规模的大型化能稳定产品质量，降低生产成本。

（2）利用先进工艺技术淘汰落后产能

面对醋酸产能过剩的局面，醋酸行业必须进行产业结构和技术结构的调整。在控制总量的前提下，用技术先进、经济可行的低压甲醇羰基合成醋酸工艺，淘汰一些技术落后、生产规模小、能耗高、生产成本高的生产装置。通过工艺技术结构调整和科技进步， 不断提高中国醋酸在国内外市场上的竞争力。

第5页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

（3）发展下游产品，化解过剩产能

生产技术的突破扩大了醋酸的产能，几年间醋酸由供不应求到供需平衡，很快出现供过于求的局面，究其原因是下游产品开发落后于醋酸项目上马的速度，造成了醋酸产能的消化不良。解决产能过剩问题，除控制总量，严格醋酸项目的审批外，还要积极开发醋酸下游产品，建议醋酸生产企业根据当地市场需求情况，不断开发适合的下游产品， 如醋酸乙烯、醋酸酯、双乙烯酮、醋酸酐、氯乙酸、氨基乙酸等产品，延伸产品链，以降低醋酸单一产品的市场风险。 1.6 选题目的及意义

本课题选用乙醛氧化法生产醋酸工艺，乙醛氧化法在孟山都法商业生产之前，大部分的乙酸是由乙醛氧化制得。尽管不能与甲基羰基化相比，此法仍然是第二种工业制乙酸的方法。乙醛可以通过氧化丁烷或轻石脑油制得，也可以通过乙烯水合后生成，当丁烷或轻石脑油在空气中加热，并有多种金属离子包括镁、钴、铬以及过氧根离子催化，会分解出乙酸。

化学反应方程式(1.10)如下：

2C4H105O24CH3COOH2H2O (1.10)

此反应可以在能使丁烷保持液态的最高温度和压力下进行，一般的反应条件是150℃和55atm。副产物包括丁酮、乙酸乙酯、甲酸和丙酸。因为部分副产物也有经济价值，所以可以调整反应条件使得副产物更多的生成，不过分离乙酸和副产物使得反应的成本增加。

在类似条件下，使用上述催化剂，乙醛能被空气中的氧气氧化生成乙酸

2CH3CHOO22CH3COOH (1.11)

使用新式催化剂，此反应能获得95%以上的乙酸产率。主要的副产物为乙酸乙酯，甲酸和甲醛。因为副产物的沸点都比乙酸低，所以很容易通过蒸馏除去。此工艺是最能适应市场的生产方法，尤其在山西、陕西、内蒙、宁夏等地区。地理、资源优势还有成熟的生产工艺让其成为比较有竞争力的方法。

第6页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

2 工艺流程的确定

2.1 本课题要解决的问题

醋酸具有巨大的市场效益和广阔的应用前景，乙醛氧化法生产醋酸工艺是最能适应市场的生产方法，尤其在山西、陕西、内蒙、宁夏[13]等地区。地理、资源优势还有成熟的生产工艺让其成为比较有竞争力的方法。本设计通过查阅大量的文献、资料搜集、整理和消化相关知识，对比醋酸不同合成方法的优缺点，选择合适的生产工艺路线，对于工艺过程中涉及的物料和热量进行衡算，获得工艺流程中的基本物流数据，同时对生产过程中所需要反应设备的结构、尺寸、材质进行设计和计算，完成醋酸的车间生产工艺设计，绘制出主设备的装配图和车间布置图。最后对这个年产20万吨醋酸的车间进行经济核算和成本分析。 2.2 拟采用的研究手段 2.2.1 原料的选择

通过文献资料的整理和分析，本设计采用乙醛氧化法生产醋酸工艺。采用乙醛、氧气、氮气和催化剂作为原料。 2.2.2 反应原理

乙醛液相催化自氧化合成醋酸是一强放热反应，总反应式为：

1 CH3CHOO2CH3COOH (2.1)

2 乙醛氧化时先生成过氧醋酸，再与乙醛合成AMP分解即为醋酸[9]：

CH3CHOO2CH3COOH (2.2)

CH3COOHCH3CHOAMP2CH3COOH (2.3)

2.2.3 催化剂的选择

采用催化剂能使反应过程显著加速，特别是能加速过氧醋酸的分解，这样可以避免

过氧醋酸的积聚，消除爆炸性危险。变价金属盐，如铁、钴、锰、镍、铜、铬的盐类均可作催化剂。衡量催化剂效果是否良好，可以从氧化液所含过氧醋酸的多少和氧的吸收率高低来观察。其中钴是最活泼的。但实践证明，钴并不是最理想的催化剂，因为钴催化剂对过氧醋酸生成的加速作用很强，以致过氧醋酸来不及分解而导致爆炸事故。因此工业上常用醋酸锰作为乙醛氧化制醋酸的催化剂[15]。

第7页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

2.2.4 反应器的选择

早期的醋酸生产采用单锅间歇鼓泡氧化，该法不但产量低，劳动强度大，而且也不安全。为克服上述缺点，经过不断摸索、改进，醋酸生产工艺逐步由单锅间歇氧化，过渡为多锅串连式连续氧化，最后发展为目前的塔式鼓泡氧化。在塔式反应器中，原料乙醛及催化剂由塔底加入。氧气则采取分段并流鼓入，以降低塔内氧气分压，减少副反应生成。为保持反应温度恒定，一般均是在反应器中布置冷却盘管，以水带走反应热量。对采用此种换热方式的反应器，我们称为内冷式鼓泡塔反应器，或简称为内冷式[16]。内冷式鼓泡塔反应器以多段塔节组成，各塔节间，因有分布板相隔、塔节间的逆向返混呱每段塔节内有氧气鼓入搅拌，温度、浓度基本均匀，接近于一个全混式连续搅拌釜。各节塔段相叠后，全塔形成了多个全混连续搅拌釜串连的反应器。随着塔段的增多，反应物或产物的停留时间分布接近于理想平推流。因有冷却盘竹不断取走反应热夕各塔节内的温度可保持均匀不变。 2.2.5 主要工艺条件

表2.1 乙醛氧化制醋酸主要工艺条件

项目

原料乙醛浓度 反应温度 塔顶压力 塔顶压力 醋酸锰溶液浓度 进醋酸锰量 （醋酸锰溶液：乙醛）

指标

≥98.0% 60～80℃

空气氧化0.15～0.25MPa 氧气氧化0.05～0.15 MPa

2±0.2% 新鲜锰 0.03:1 循环锰 0.1:1

备注 质量百分浓度

表压 表压

用成品醋酸配制

体积比 体积比

2.2.6 生产工艺路线

图2.1为工艺流程示意图。乙醛和催化剂溶液自反应塔中上部加入，为了使乙醛不被大量惰性气体带走，工业上一般采用氧作催化剂，且氧分段鼓泡通入反应液中，与乙醛进行液相氧化反应，氧化过程释放的大量反应热通过外循环冷却而移出，出反应器的反应尾气经冷凝回收乙醛后放空，反应液首先经蒸发器除掉醋酸锰催化剂，醋酸蒸汽则先经精馏塔1蒸出未反应的乙醛、甲酸、醋酸甲酯、水、三聚乙醛等轻组分，然后经精馏塔2脱除高沸点副产物后得成品醋酸，要求纯度﹥99%，其余的则进入醋酸回收塔回收粗醋酸。

第8页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

副产物 乙醛吸收塔 精馏塔１ 蒸发器 醋酸回收塔 粗醋酸 工业氧 工业氮 乙醛 催化剂 氧化反应器 回流乙醛 精馏塔２２ 成品醋酸 催化剂残夜 图2.1 醋酸生成工艺流程框图

第9页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

3 物料衡算

3.1 设计依据

醋酸生产消耗定额见表3.1。

表3.1 消耗定额[10]

名称 乙醛 氮气 冷却水 醋酸锰

设计任务为年产20万吨醋酸，年工作日为330天，总时间为8000小时。则醋酸的生产

单耗（每吨醋酸）

770kg 260m3 250m3 2kg

能力为：

2105100025000kg/h (3.1)

8000根据消耗定额得乙醛进料量为：

100025000 770x x19250kg/h

所以，选择乙醛进料量为20000kg/h。 3.2 氧化塔物料衡算

通入氧化塔的乙醛量为20000kg/h，氧化过程中乙醛总转化率为99.3%，氧化过程中氧的利用率为98.4%，氧化塔塔顶补充的工业氮浓度为45%，未转化的乙醛在气液相中的体积分配率为气相34%，液相66%，表3-2为原料组成情况。

表3.2 原料组成[11]

原料乙醛%（质量）

工业氧%（质量） 工业氮%（体积分数） 催化剂溶液%（质量分数）

乙醛 99. 5 氧气 98 氮气 97 醋酸 60

醋酸 0. 1 氮气 2 氧气 3 醋酸锰 10 水 0. 3 水 30 三聚乙醛0. 1

注：催化剂中醋酸锰用量为氧化塔进料乙醛用量的0.08%

氧化塔中的反应式(3.2)、(3.3)、(3.4)、(3.5)、(3.6)：

第10页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

主反应[12]：

1 CH3CHOO2CH3COOH (3.2)

2副反应：

3CH3CHO3O2HCOOH2CH3COOHCO2H2O (3.3)

3CH3CHOO2CH3CHOCOCH32H2O (3.4)

3 2CH3CHOO2CH3COOCH3CO2H2O (3.5)

2 2CH3CHO5O24CO24H2O (3.6)

在氧化塔中96%的乙醛参与主反应生成醋酸， 4%乙醛发生副反应生成醋酸、二氧化碳、水、甲酸、醋酸甲酯等。氧化塔物料衡算图见图3-1。

尾气 乙醛吸收塔 回流乙醛 工业氧 工业氮 乙醛 催化剂 氧化反应器

图3-1 氧化塔物料衡算

纯乙醛量：20000×99.5%=19900 kg/h ① 主反应中各种物料的用量 a. 乙醛用量：19900×0.993×0.96=18970.272kg b. 需用氧量(x) 44:16=18970.272:x x=6898.28kg c. 生成醋酸量(y) 44:60=18970.272:y y=25868.55kg ② 副反应各种物料的用量

第11页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

a. 乙醛用量：19900×0. 993×0. 014=276.65kg b. 需用氧量(x) 132:96=276.65:x x=201.2kg c. 生成醋酸量(y) 132:120=276.65:y y=251.5kg d. 生成甲酸量(z) 132:46=276.65:z z=96.4kg e. 生成水量(w) 132:18=276.65:w w=37.73kg f. 生成二氧化碳量(v) 132:44=276.65:v v=92.22kg ③ 副反应 3CH3CHOO2CH3CHOCOCH32H2O a. 乙醛用量：19900×0. 993×0. 0025=49.40kg b. 需用氧量(x) 132:32=49.40:x x=11.98kg

c. 生成亚乙基二醋酸量(y) 132:146=49.40:y y=54.64kg d. 生成水量(z) 132:18=49.40:z z=6.74kg

3④ 副反应 2CH3CHOO2CH3COOCH3CO2H2O

2 a.乙醛用量：19900×0. 993×0. 0095=187.73kg b.需用氧量(x) 88:48=187.73:x x=102.40kg c.生成醋酸甲酯量(y) 88:74=187.73:y y=157.86kg d.生成二氧化碳量(z) 88:44=187.73:z z=93.87kg e.生成水量(w) 88:18=187.73:w w=38.40kg

⑤ 副反应 2CH3CHO5O24CO24H2O a.乙醛用量：19900×0. 993×0. 014=276.65kg b.需用氧量(x) 88:160=276.65:x x=503kg c.生成水量(y) 88:72=276.65:y y=226.35kg d.生成二氧化碳量(z) 88:176=276.65:z z=553.3kg 根据反应式计算出来的反应物总耗量及反应生成物总量为： 参与反应的乙醛量为：

20000×0. 995×0. 993=19760.7kg

未转化的乙醛量为

20000×0. 995×0. 007=139.3kg

其中，液相中乙醛含量139.3×0. 66=91.94 kg，气相中乙醛含量139.3×0. 34=47.36kg 第12页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

③ 反应掉的氧气总量 6898.28+201.2+11.98+102.40+503=7716.86kg 则所需工业氧气量

7716.868002.39kg

0.980.984 其中： 氧气=8002.39×0. 98=7842.34kg 氮气=8002.39×0. 02=160.05kg

所以未反应的氧气=7842.34-7716.86=125.48kg ④ 反应生成物重量

醋酸：25868.55+251.5=26120.05kg 二氧化碳：92.22+93.87+553.3=739.39kg 水：37.73+6.74+38.40+226.35=309.22kg 甲酸：96.4kg

亚乙基二醋酸酯：54.64kg 醋酸甲酯：157.86kg （4）催化剂用量

已知催化剂溶液中醋酸锰用量为氧化塔进料乙醛重量的0.08%，催化剂中醋酸锰的含量为10%，设催化剂溶液用量为x

0.000820000x0.1x x161.29kg

其中： 醋酸锰 161.29×0. 1=16.13kg 水 161.29×0. 3=48.39kg 醋酸 161.29×0. 6=96.77kg （5）保安氮用量 设保安氮为xkg

塔顶干气量计算： 氮气：160.05+0. 97x

氧气 ：125.48+0. 03x 二氧化碳：739.39kg

则

160.050.97x=45% x=579.16kg

160.05125.48x739.39（其中氮气：579.16×0. 97=561.79kg 氧气：579.16×0. 03=17.37kg

塔顶干气量 氮气: 160.05+0. 97x=721.84kg

氧气: 125.48+0. 03x=142.85kg

第13页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

二氧化碳: 739.39kg

整理以上数据，列出氧化塔物料平衡结果，见表3.3。

表3.3氧化塔物料衡算结果

进 料

含量(%)

乙醛 醋酸 水 三聚乙醛 氧气 氮气

99. 5 0. 1 0. 3 0. 1

质量（kg） 19900

20 60 20

醋酸 醋酸甲酯 水

亚乙基二醋酸

甲酸 乙醛 三聚乙醛 醋酸锰

出 料

含量（%） 质量（kg） 96. 0 0. 80 1. 50 0. 68 0. 39 0. 38 0. 18 0. 07

26120.05 157.86 417.61 54.64 96.4 91.94 20. 00 16.13

原料乙醛氧化液氮业工总计

3.3 蒸发器物料衡算

由上面的计算可知：生成氧化液的总的质量为26974.63kg，假设氧化液有98.6%进入蒸发器中，则进入蒸发器的量F=26974.63×98.6%=26596.99kg，其中进料中醋酸锰含量x0=0.07%，假设完成液中醋酸锰含量为x1=8.0%。 蒸发器进出物料图见图3.2

第14页 共63页

工业氧98 2 7842.34 160.05

催化剂氮气 氧气 醋酸 水 醋酸锰 97 3 60 30 10 561.79 17.37 96.77 48.39 16.13

放空 废气 二氧化碳 氮气 氧气 乙醛

739.39 721.84 142.85 47.36

28742.84kg

28742.84kg

中北大学2012届毕业设计说明书

V F 蒸 发 器 L

图3.2 蒸发器进出物料图

列衡算式如下：

Fx0Lx1

代入数据计算，26596.99×0.07%=L8.0%

L232.72kg/h

x0又知：VF1x

1V26364.27kg/h

3.4 精馏塔物料衡算 3.4.1 精馏塔1物料衡算

已知数据：（1） 进料流量26364. 27kg/h

（2） 醋酸质量分数0. 968，水的质量分数0. 0154

（3） 馏出液中醋酸回收率为97%，釜液中醋酸的回收率为98% （4） 醋酸和水的摩尔质量分别为60kg/kmol和18kg/kmol 精馏塔1进出物料图见图3.3

第15页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

D F 精 馏 塔 1 W

图3.3 精馏塔1进出物料图

则：

进料组成 XF0.0154/180.0154/180.968/600.0504

进料平均摩尔质量Mm0.05041810.05046057.88kg/kmol 进料流量F26364.2757.88455.50kmol/h

列衡算式： FDW

FXFDXDWXW

DXDFX =0. 97 FW(1XW)F(1X=0. 98

F)得：

D30.92kmol/hW424.58kmol/h

XD0.72XW1.62103

又可求得：塔顶的平均摩尔质量为：

Mm0.721810.726029.76kg/kmol 故： D29.7630.92920.18kg/h

第16页

共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

同理求得：塔底的平均摩尔质量为：

Mm0.001621810.001626059.93kg/kmol 故： W59.93424.5825445.08kg/h 3.4.2 精馏塔Ⅱ物料衡算

已知数据：（1） 进料流量F=25445.080.998=25496.07kg/h （2） 进料醋酸含量98%

（3） 釜残液醋酸含量10%，成品醋酸含量99. 8%

精馏塔2进出物料图见图3.4

成品醋酸V 精馏F 塔 Ⅱ 高沸物L

图3.4 精馏塔2进出物料图

列衡算式： FVL

F0.98V0.998L0.1

得： V24985.01kg/h L511.06kg/h 3.5 醋酸回收塔物料衡算

已知数据：（1） 进料流量F=920.18+511.06=1431.24kg/h

（2） 经回收后得到粗醋酸含量65%以上（按65%计算） （3） 从精馏塔出来的醋酸含量20%，副产物中含5%的醋酸 醋酸回收塔进出物料图见图3.5

第17页

共63页

列衡算式： 得：

中北大学2012届毕业设计说明书

副产物X 回 F 收塔 粗醋酸Y 图3.5 醋酸回收塔进出物料图

F=X+Y

F×0. 2=0. 05X+0. 65Y X=1073.43kg/h

Y=357.81kg/h

第18页共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

整理以上数据，得总物料衡算结果，见表3.4

表3.4总物料衡算结果

进 料

名 称

质量（kg）

出 料

名 称

质量（kg）

乙 醛

乙醛 醋酸 水 三聚乙醛

19900 20 60 20

放空 废气

二氧化碳 氮气 氧气 乙醛 催化剂残液 成品醋酸 粗醋酸 其它副产物量

739.39 721.84 142.85 47.36 232.72 24985.01 357.81 1515.86

工业氧气 氧气 氮气

7842.34

160.05 561.79 17.37 96.77 48.39 16.13

工业氮气 氮气 氧气

催化剂

醋酸 水 醋酸锰

总 计

28742.84kg 28742.84kg

第19页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

4 热量衡算

4.1 基本数据

表 4.1各物质标准热化学数据

物质 乙醛(l) O2(g) 醋酸(l) 甲酸(l) 醋酸甲酯(l) CO2(g) H2O(l)

△fH298/kJmol1

11 Cid/JmolKp298-192.88 0

-484.30 -425.1 -445.8 -393.5 -285.83

表 4.2各物质热容温度关联式系数

89.05 29.38 123.1 99.04 140.8 37.13 75.288

物质 醋酸(g) 醋酸(l) O2(g) N2(g) 乙醛(g) 乙醛(l) 水(l) 水(g)

A 4.375 -18.944 3.6297 3.5385 4.379 45.056 92.053 4.395

Cp1/Jmol1KABTCT2DT3

B -2.397×10-3 1.0971 -1.7943×10-3 -0.2611×10-3 0.074×10-3 0.44853 -3.9953×10-2 -4.186×10-3

C

6.757×10-5 -28.921×10-4 0.6579×10-5 0.0074×10-5 3.740×10-5 -16.607×10-4 -2.1103×10-4 1.405×10-5

D

-8.764×10-8 2.9275×10-6 -0.6007×10-8 0.1574×10-8 -4.477×10-8 2.7000×10-6 0.53469×10-6 -1.564×10-8

表 4.3物质的沸点及正常沸点下的蒸发焓

物质 醋酸

水

沸点/℃ 118.1 100

蒸发焓/kJ·mol-1 24 40.73

Tc/K 594.15 647.15

4.2 氧化塔的热量衡算

该工段中反应温度为10℃

各个反应物由25℃降到10℃的热料衡算如下：

第20页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书 283.151990016.60722.73H1(乙醛)100045.0560.44853TT6TdTh

298.1544104106.88105kJ/h

H2(工业氧)283.158002.391.79430.657920.6007310003.6297TTTdT 358298.15321010101.32104kJ/h

283.15561.790.26110.007420.1574310003.5385TTTdT358298.15281010101.06103kJ/hH3(工业氮)H（催化剂，醋酸)4=3.08103kJ/h

283.1596.7728.92122.92753100018.9441.0971TTT

298.1560104106其他物质占的比例很少，所以可忽略不计。 主反应产生的热量：

H主（298.15)484.3192.8818970.27210001.26108kJ/h 44rCp,m123.189.0534.05Jmol1K

H主（283.15）H主（298.15）283.15298.15rCp,mdT

=1.26108283.15298.1534.05dT

=1.26108kJ/h 副反应产生的热量：

H副（,1298.15)425.12(484.30393.5285.833192.88)9.4106kJ/h

276.65100044

rCp,m(副，1）99.042123.137.1375.288389.05190.51JmolKH副，（H副，（1283.15）1298.15）283.15298.151

rCp,m(副，1）dT

9.4106283.15298.15190.51dT

9.4106kJ/h

第21页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

187.73H副，（298.15）（-445.8-393.5-285.832192.88)1000 244 3.47107kJ/h 由上面的计算可知：

H副，（ 2(283.15)H副，2298.15） =-3.47107kJ/h

H副，（）（-4393.5-4285.832192.88）3298.15 -1.47107kJ/h

H副，（H副，（ 3283.15）3298.15）276.651000 44 -1.47107kJ/h

其他副反应所占比例很少，可以忽略不计。 氧化塔需要承受的热量为：

H1(乙醛)+H2(工业氧)+H3(工业氮)+H4(催化剂)

H副，+H主+H副，1+2H副，3

-6.88105-1.32104-1.06103-3.08103-1.26108-9.4106-3.47107-1.47107 -1.86108kJ/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：CP4.0kJ/(kgK) 则单位时间内需要冷冻的量为：

1.861084.65106kg/h W4104.3 蒸发器的热量衡算

该蒸发器的蒸发温度为120℃，氧化液中所占热量较大的主要是醋酸和水，且设蒸发器的热量损失为1%。

氧化液由原来的10℃升高到120℃放出的热量为:

第22页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

醋酸有26364.27×96%÷60=421.83kmol被蒸发掉，则蒸发掉的醋酸需要的热量为： Q1=421.83391.25283.15(ABTCT2DT3)dT+421.83Hv

393.15391.25+421.83 421.83(ABTCT2DT3)dT

28.92122.92753TT)421.83100024

283.15104106393.152.3976.75728.7643 +421.83(4.375TTT)

391.25103105108391.25(18.9441.097T 1.625107kJ/h

水有26364.27×1.5%÷18=21.97kmol，则蒸发掉的水需要的热量为： Q2=21.971000Hv21.97+21.97393.15373.15373.15283.15(ABTCT2DT3)dT

(ABTCT2DT3)dT

373.15283.15 21.97100040.7321.97 +21.97393.15373.15(92.0533.99532.110320.5353TTT)dT 246101010(4.3954.1861.40521.5643TTT)dT 103105108 =1.05106kJ/h

则蒸发器总共需外界提供的热量为：

Q=Q1+Q2=1.73107kJ/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=2257.6kJ/kg。

则单位时间内需要饱和水蒸气的质量为：

1.73107W7663.00kg/h

2257.64.4 冷凝器的热量衡算

将120℃的蒸气冷凝到饱和进料温度，精馏塔饱和进料温度为116.5℃。 421.83kmol的醋酸从120℃蒸气冷凝到116.5℃的液体放热为：

H1421.83391.25393.15(ABTCT2DT3)dT+421.83Hv

第23页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

+421.83 421.83391.25389.65391.25(ABTCT2DT3)dT

28.92122.92753TT)421.83100024 46393.151010389.652.3976.75728.7643 +421.83(4.375TTT) 358391.25101010(18.9441.097T =9.75106kJ/h

21.97kmol的水从120℃蒸气冷凝到116.5℃的蒸汽放热为：

H221.97389.65393.15(ABTCT2DT3)dT

21.97389.65393.15(4.3954.1861.40521.5643TTT)dT 358101010 305.21kJ/h

则冷凝总共放出热量为：H1H29.75106kJ/h

该冷凝器仍采用冷却盐水，将反应器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：

9.75106W4.9105kg/h

454.5 精馏塔1的热量衡算

已知数据：

（1）由前面物料衡算，得

F455.50kmol/h XF0.0504 M57.88kg/kmol D30.92kmol/h ，即920.18kg/h， XD0.72 W424.58kmol/h，即25445.08 kg/h， XW1.62103 （2）塔顶温度：100～103℃，此设计取为103℃。 塔底温度：118～124℃，此设计取为118℃。 进料温度为：116.5℃[13]。 则可求得：

精馏段平均操作温度Tm109.75

提留段平均操作温度Tn117.25

第24页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

（3）常压精馏：P=101.3kPa

（4）水和醋酸的安托尼常数见表4.10

lgP0AB[14]

Ct

表4.4 水和醋酸的安托尼常数

常数 A B C 水 7. 07406 1657. 46 227. 02 醋酸

6. 42452

1479. 02

216. 82

4.5.1 回流比的计算

（1）相对挥发度的计算 假设泡点t=116. 5℃

对水： lgp01657.46A7.07406227.02116.52.2491 p0A177.46kpa 对醋酸： lgp01479.020B6.42452216.82116.51.9873 pB97.12kpa 则 xpp0B101.397.12p0p00.0509 AB177.4697.12 与x0.0504十分接近，故假设t=116. 5℃(泡点)正确 则相对挥发度 177.4697.121.83

用解析法计算最小回流比： 设进料为泡点进料。RD(1xDmin1x1[x)x][15]

F1F代入数据求得： Rmin16.56 取R1.5Rmin25 4.5.2 冷凝器的热负荷

Qc(R1)D(IVDILD)

式中：IVD-塔顶上升蒸汽的焓； ILD-塔顶馏出液的焓；

又IVDILDxDHVH2o(1xD)HV醋酸

第25页

共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

HVH2o水的蒸发潜热； HV醋酸醋酸的蒸发潜热； 当tVD103℃时，水，TT2273.r2T15103647.150.581 c TT1r1T273.15100.150.577 c647蒸发潜热： H(10.5810.38VH2o225710.577)2248.87kJ/kg

同理，醋酸，TT2r2T273.15103150.633 c594. TT1273.15100r1T0.628 c594.15蒸发潜热：H10.6330.38V醋酸400(10.628)397.95kJ/kg

IVDILDxDHVH2o(1xD)HV醋酸

=0.722248.87(10.72)397.95 =1730.61kJ/kg 所以：Qc(R1)D(IVDILD) (251)920.181730.61

4.14107kJ/h

4.5.3 冷却水消耗量

选用25℃的冷却水，选升温10℃，即冷却水的出口温度为35℃。

WcQcC

pc(t2t1)式中：Wc—冷却水消耗量，kg/h;

CPC—冷却介质在平均温度下的比热容，kJ/(kg℃)；

t1，t2—冷却介质在冷凝器进出口处的温度,℃[15]。

第26页

共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

所以，tt1t2253530℃ 22又知，此温度下冷却水的比热容Cpc4.25 kJ/(kg℃) 所以：

4.141079.74105kg/h Wc4.25(3525)4.5.4 加热器热负荷及全塔热量衡算 列表如下：

表4.5 不同温度下水和醋酸的比热容Cpc(单位kJ/(kmolK))

温度 水 醋酸

塔顶tD （103℃） 75.62 140.33

塔釜tW （118℃） 76.14 142.90

进料tF （116.5℃） 76.08 142.63

精馏段tm 提馏段tn （109.75℃） （117.25℃）

75.83 76.11 141.46 142.76

精馏段：

水：Cp1(tDtF)75.83(103116.5)1023.71kJ/kmol 醋酸：Cp2(tDtF)141.46(103116.5)1909.71kJ/kmol 提馏段：

水：Cp1(twtF)76.11(118116.5)114.17kJ/kmol 醋酸：Cp2(twtF)142.76(118116.5)214.14kJ/kmol 塔顶流出液的比热容：

Cp10.7275.62(10.72)140.3393.74kJ/(kmolK)

塔釜馏出液的比热容：

Cp21.6210376.14(11.62103)142.90142.79kJ/(kmolK) 又知：D30.92kmol/h ， W424.58kmol/h

QDDCptt30.9293.74(103116.5)39128.95kJ/h QwWCptt424.58142.79(103116.5)818448.0kJ/h

对全塔进行热量衡算：

第27页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

QsQDQwQc39128.95818448.04.141074.05107kJ/h

由于塔釜热损失为10%，则90% 所以Q,Qss4.0510790%4.5107kJ/h 加热蒸汽消耗量：

查得：HV水蒸汽2168.1kJ/kg(133℃)

Q,s4.5107WhH2168.120755.5kg/h

V水蒸汽

第28页共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

5 主要设备的设计与辅助设备的选型

5.1 精馏塔设备设计 由前面计算可知： （1）相对挥发度 1.83

（2）回流比Rmin16.56，R1.50Rmin1.516.5625 （3）F455.50kmol/h XF0.0504 M57.88kg/kmol D30.92kmol/h ，即920.18kg/h， XD0.72 W424.58kmol/h，即25445.08 kg/h， XW1.62103 5.1.1 理论塔板数的计算 利用简洁法计算理论塔板数

lgxD1xW（1） 全回流时理论板层数 N1xDxWminlg114.23

则

RRminR12516.562510.32 由附录一吉利兰图 查得

NNminN2N14.23N20.38 N24

lgxD1xF（2） 精馏段理论板层数 N1xDxFminlg17.04

横坐标

RRminR10.3不变，则纵坐标读数也不变 既

N1NminN0.38 N112.14

12 所以加料板为从塔顶往下数第12层 5.1.2 塔的有效高度计算 （1） 全塔效率 ET0.490.245

L

第29页

共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

其中： —相对挥发度

L—塔顶与塔底平均温度下的液相粘度mpas 查得： L0.64mpas 则 ET0.491.830.640.2450.61

NT1（2） 塔的有效高度 ZEHT

T 其中： NT—塔内所需理论板层数 HT—塔板间距m (取HT0.5m)

2410.519.17m 则 Z0.61 取上层塔板与塔顶盖之间的距离为1. 5m，取下层塔板和塔底之间的距离为3. 0m，开有人孔的板间距取为0.6，每隔8块板取一个人孔，人孔数为2，进料段高度取为1m，

'HFHBHC 裙座高度取为6m，因为HHD(N2S)HTSHT所以精馏塔总高度为H1.5(2422)0.520.613622.7m 5.1.3 塔径的计算 （1）气液相密度

① 液相密度L939.1kg/m3 ② 气相密度（以进料状态计算）

PM101.357.88PVnRTPMVRT1.81kg/m3VRT8.314389.5

（2）气液相流量

①

气相流量 VSR1DM2630.9257.887.14m3/s VM3600V3600V36001.81 ②液相流量 LS（3）塔径的确定

LMRDM2530.9257.880.0132m3/s

3600L3600L3600939.1 第30页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

塔径 D4VS u0.2v u由umaxcl得到，式中c由cc20L计算，其中L18.4mN/m

v20 c20由附录二史密斯关联图查得，其横坐标为

LSLVSV

0.0132939.120.0427.141.81

121 取板间距HT0.50m，板上液层高度hL0.07m，则HThL0.43m 查图，得c200.10m/s

 则 cc20L200.218.40.10200.20.098

所以 umax0.098939.11.812.23m/s

1.81 取安全系数为0. 65，则空塔气速 u0.65umax1.45m/s 所以塔径 D4VSu47.142.50m

3.141.45 按标准塔径圆整后，取 D2.50m

塔截面积 AT43.601.45m/s 空塔气速 u2.54D24.91m2

5.1.4 塔板设计

从塔板的生产能力、板面利用率、结构、造价等方面考虑进行比较后，选择筛板塔. （1）溢流装置计算

根据塔径及液体流量与溢流类型的关系，可选用单溢流弓形降液管，采用凹型受液盘，各项计算如下

① 堰长lw 取lW0.8D0.82.52m ② 溢流堰高度hw

第31页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

由 hwhlhow

选用平直堰，堰上液层高度how由how2.84LhE计算，其中E由附录三液流收231000lw缩系数图可查，其横坐标为

2233 Lh0.01323600lw28.26 查得 E=1. 00，则 h2.84ow10001.008.260.02m

故 hwhLhow0.070.020.05m 其符合范围 0.1howhw0.05how ③ 弓形降液管宽度Wd和截面积Af

由lwD0.80，查附录四弓形降液管参数图，得AfA0.15,Wd0.20

TD 故 Af0.15AT0.154.910.737m2

Wd0.20D0.202.500.5m

检验液体在降液管中停留时间

3600AfHT36000.7370.50即

L0.0132360027.925sh

故降液管设计合理 ④ 降液管底隙高度h0

取液体通过底隙时的流速u‘00.16m/s

hh3600l'0.013236000L160.042mwu0360020.

hwh00.050.0420.008m0.006m

故降液管底隙高度设计合理，选用凹型受液盘，深度h'w50mm

（2）塔板布置

第32页

共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

因D＞1. 5m，取WS0.1m,WC0.07m （3）筛孔计算及其排列

本设计中所处理的物系有腐蚀性，可选用2.5mm的不锈钢塔板，筛孔直径

d025mm

筛孔按正三角形排列，取孔中心距t3d015mm 筛孔数目 n1.55Aa 2tr2221 其中 Aa2xrx180sinxx rD2.50WdWs0.360.10.79m22D2.50rWc0.071.18m22

1.18210.79222Aa20.791.180.79180sin1.183.43m 则

所以

n1.1553.4317608个0.0152

22d0.005 开孔率 0.90700.90710%

0.015t5.1.5 流体力学验算 （1）塔板压降

气体通过一层塔板的压降为 hphchlh

u0① 干板压降 hc0.051c02VL 其中u0为气体通过筛孔的速度 u04Vsd0n27.14420.66m/s 20.00517608由

d052,查附录五干筛孔流量系数图，得流量系数c00.75 2.5 第33页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

20.661.81hc0.0510.075m(液柱)0.75939.1故

2② 气体通过充气液层的压降 hLhl

uaVs7.141.711m/sATAf4.910.737

12 则气相动能因子 F0ua12V1.7111.812.30kg/sm  查附录六充气系数关联图，得 0.56 故 hLhl0.560.070.038m(液柱) ③ 液体表面申力所产生的压降

4L418.4103 h0.0016m(液柱)

Lgd0939.19.810.005计算表明，液体表面申力所产生的压降很小，可忽略不计 所以，塔板压降hphchL0.0750.0380.113m(液柱) 每层塔板的压降 PphpLg0.113939.19.811041.02pa （2）液泛

为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从HdHThw 醋酸—水属一般体系，取安全系数0.5 则HThw0.50.500.050.275m

而 Hdhphlhd 其中，

hp0.113m

' 由于板上不设进口堰，则 hd0.153u020.1530.1620.0039m(液柱)

所以 Hd0.1130.00390.070.19m(液柱) 符合HdHThw 故不会发生液泛现象

（3）漏液

第34页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

对筛板塔，取漏液量10%时的气相动能因子为F010 则 u0minF0v101.817.43m/s

实际孔速 u020.66m/s 稳定系数 Ku020.662.78 u0mn7.43 符合 1K3，故不发生漏液现象 （4）液沫夹带

5.710ua evHhLfT6 3.2 其中 ua1.711m/s

hf2.5hl2.50.070.175m

5.71061.711 则 ev318.4100.500.175 故液沫夹带量在允许范围内 5.1.6 塔板负荷性能图 （1）漏液线

前已求得 u0min7.43m/s 故 Vs,min3.2 0.058kg液/kg气（〈0.1kg液/kg气）42d0nu0min40.0052176087.432.57m3/s

据此可作出与液体流量无关的水平漏液线1 （2）液沫夹带线

以ev0.1kg液/kg气为限，求VS~LS关系如下:

5.710ua evHhLfT6 3.2 uaVSVS

ATAf4.173 第35页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

hf2.5hL2.5hwhow hw0.05m

22故 h2.84lh32.843600l32ow1000Elw10001s20.42LS3 故 H22ThfHT2.50.050.42LS30.3751.05LS3

6所以 e5.7103.2vLuaHThf0.1 整理，得 V26.65L2S9.52S3 列表计算如表(5.1)：

表5.1液沫夹带线相关数据

LS/(m3/s) 0. 005 0. 010 0. 020 0. 030 VS/(m3/s)

8.741

8.283

7.556

6.947

由上表数据即可作出液沫夹带线2 （3）液相负荷下限线

对于平直堰，取堰上液层高度how0.006m作为最小液体负荷标准 2由 h2.843600L3ow1000ESl0.006w 2得 L0.006100032Smin2.8436000.0010m3/s 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3 （4）液相负荷上限线

以5s作为液体在降液管中停留时间的下限 由 AfHTL5

S得 LT0.7370.50S,maxAfH50.0737m3/s

据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4

第36页

共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

（5）液泛线

令 HdHThw

由 HdhphLhd;hphchlh;hLhl;hlhwhow 联系，得 HT1how1howhchdh 忽略h,将how与LS;hd与LS;hc与VS的关系式带入上式，并整理，得 aV'2''2'2SbcLSdLS3

其中， a'0.051A2V0c0 （A04d20n） Lb'HT1hw c'0.153lwh02

2d'2.84103E136003lw 将有关数据带入，得

a'0.0511.810.0015 40.0052176080.752939.1b'0.50.500.50.5610.050.197

c'0.153

20.042221.682 d'2.841031.0010.563600320.656

故 0.0015V22S0.19721.68LS0.656L2S3 列表计算如表(5.2)下：

表5.2液泛线相关数据

LS/(m3/s) 0. 004 0. 010 0. 020 0. 030 VS/(m3/s)

10.96

10.51

9.66

8.72

由以上数据即可作出液泛线5

第37页

共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

根据以上各方程，可作出筛板塔的负荷性能图，

图5-1 筛板塔的负荷性能图

在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，既作出操作线，由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制，由图查得

VS,max4.20m3/s,VS,min1.04m3/s

故操作弹性为

第38页 共63页

VS,maxVS,min4.204.038 1.04中北大学2012届毕业设计说明书

所设计的筛板塔的主要结果汇总见表5.1

表5.1 筛板塔设计结果

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 项 目 精馏塔高度H/m 塔径D/m 板间距HT/m 溢流型式 降液管型式 堰长lw/m 堰高hw/m 板上液层高度hl/m 堰上液层高度how/m 降液管底隙高度ho/m 筛孔直径d0/m 筛孔数目 数值 22 2.50 0. 50 单溢流 弓形 2 0. 05 0. 07 0. 02 0. 042 0. 005 17608 序号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 项 目 孔心距t/m 安定区宽度WS/m 边缘区宽度WC/m 鼓泡区面积Aa/m2 开孔率 空塔气速u/(m/s) 筛孔气速u0/(m/s) 稳定系数K 每层塔板压降Pp/pa 汽相负荷上限VS，max/(m3/s) 汽相负荷下限VS，max/(m3/s) 操作弹性 数值 0. 015 0. 1 0. 07 3.43 10 1. 45 20. 66 2. 78 1041 4. 20 1. 04 4. 038

5.2 反应器的设计 5.2.1 反应釜釜体的设计

（1） 反应釜中混合物的平均密度

查得乙醛的密度为0.78g/cm3，水的密度为1g/cm3，醋酸的密度为1.049 g/cm3，计算可知反应釜中乙醛的质量分数为0.498，水的质量分数为0.152，醋酸的质量分数为0.301，其他可忽略不计。则

＝ixi＝0.780.49810.1521.0490.301=0.851 g/cm3

i1n则混合物的体积为：

V20000161.2923.69 m3

851查得，装料系数（反应釜的装料容积与全容积之比），如在反应过程中呈现多泡沫或沸腾状态时，装料系数只能达到0.65，泡沫不多，漩涡不大时可达0.7~0.75，一般不超过0.8，本设计取装料系数为0.8。则反应釜的体积为：

VaV23.6929.61m3 0.8 第39页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

（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[16]

查《化工设备机械基础》，对一般反应釜，气液相物料，内径与高度之比HDi取1~2。本设计取为1.3，则反应釜直径估算如下：

Di34Va429.6133.07m

HDi1.3 式中，Di——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Di＝3200mm。封头取相同的内径。 （4） 确定筒体高度

查《化工设备机械基础》，当公称直径DN＝3200mm时，标准椭圆形封头的容积Vh＝4.611 m3，筒体每一米高的容积V1＝8.050m3。则筒体高度为：

HVVh V1其中V——每个釜的容积，单位为m3。 由HDi的值与1.3近似相等，则可得：

H解得H＝3.11 m

取H＝1.3 Di＝4m。

29.614.611

8.050（5） 标准椭圆封头的封头高度与直边高度 查化工设计手册，标准椭圆封头的封头高度为：

hDi3200800mm直边高度为800mm。 44（6） 确定夹套直径

查《化工设备机械基础》，夹套直径为：

第40页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

Dj＝Di＋100＝3300mm

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：

HV'VhV10.829.614.6112.37m

8.050取Hi为2.4m。 （8）传热面积F

查《化工设备机械基础》，封头内表面积Fh＝11.5021m2，筒体一米高内表面积F1＝10.05 m2。则传热面积为：

F＝Fh ＋1.1×F1＝22.56m2

（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＝0.6，从安全计夹套上所有焊缝均取＝0.6，封头采用由钢板拼制的标准椭圆形封头，材料均为Q235-B钢。

查《化工设备机械基础》，夹套厚度为[17]：

d夹套封头厚度为：

pDi0.13200C24.362mm 2t2[]p21130.60.1dpDi0.13200C24.361mm 22[]t0.5p21130.60.50.1式中，p——设计压力，0.1MPa；

t——在设计温度下Q235-B钢的许用压力，113MPa；

C2——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＝12mm。

第41页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

（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。

5.2.2 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：

Dj＝0.5DN＝0.5×3200＝1600mm 则b＝0.20 Dj＝0.20×1600＝320mm； H＝0.50 Dj＝0.50×1600＝800mm； Z＝2。 （2） 搅拌轴直径

经查《化工设备设计基础》，搅拌轴材料选用45钢[18]。搅拌功率为20kW；转速为80 r/min。则

d≥3653P n式中，d——搅拌轴直径，mm；

P——搅拌功率，kW； n——搅拌轴转速，r/min；

——材料许用压力，MPa。

查45号钢得，取为30MPa。则

d36532074mm8030

第42页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

表5.2 反应釜设计结果一览表 设计项目 反应釜体积 V/m3 筒体与封头连接方式 筒体和封头的直径 D/mm

筒体高度 H/mm 夹套直径 Dj/mm 封头高度 h/mm 夹套高度Hi/mm 传热面积 F/m2 内筒筒体厚度/mm

设计结果 29.61 焊接 3200 4000 3300 800 2400 22.56 10

5.3 蒸发器的设计与选型 5.3.1 蒸发器的选择理由

为了达到蒸发除去绝大部分的醋酸锰催化剂，本设计中必须引用一种蒸发器，在蒸发器的选择过程中，首先考虑到要蒸发物质的特性以及工程成本等诸多因素。其次，工程上以往常用的蒸发设备具有耗能大，效率低等缺点，所以综合以上两个因素，本设计中的蒸发器将选用中央强制循环蒸发器。 5.3.2 蒸发器计算与设计

由蒸发过程的热量衡算可知，蒸发器需要提供的热量为： Q=1.73×107 kJ/h=4.8106J/s （1） 传热面积

A=

其中 Q为单位时间的热量

K约为1500W/(m2C)

Δt为换热面上的平均温差 平均温差：

Q Ktt(10010)(120100)46.54℃

10010ln120100 第43页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

则可求得单效蒸发器的换热面积：

4.810668.75m2 A=

150046.54将A=68.75作为设计结果。

（2） 加热管的选择与管数的设计[19]

蒸发器的加热管选用57mm3.5mm,加热管的长度选为2m 。则加热管的管子数：

n取管子数为193。 （3） 循环管的选择

S68.75192.06 dL3.140.0572中央循环管式蒸发器的循环管的管截面积可取加热管的总截面积的0.4-1.0：

4求得循环管的内径为 ：

D12(0.41.0)n'4d2

D1244.9mm

经圆整得D1273mm，选用热轧无缝钢管：273mm3.5mm。 （4） 加热室直径

该加热器中加热管的排列方式为正三角形。 则加热室直径：

Dt(nc1)2b,57(1931)21.21400mm

（5） 分离室的直径和高度 分离室的体积为：VW46227.05m3

3600U36000.141.3其中：蒸汽的密度；

U蒸发体积强度，本次设计取为1.3； W蒸汽蒸发量；

取H/D1.5，则分离室高度为H=2.7m，分离室直径为：D=1.8m。

第44页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

表5.2 单效蒸发器设计结果一览表

设计项目 蒸发器传热面积 A/m2 加热管的管数 n 循环管的内径 D1/mm 加热室直径D/mm 分离室直径H/mm 分离室高度D/mm

设计结果 68.75 193 273 1400 2700 1800

5.4 辅助设备的选型 5.4.1 泵的选型

(1) 物料送入反应器所用泵的选型

进口流量为W=23.69m3/h，假设管径为100mm，流速为0.84m/s，当阀门全开时阻力系数为6.0，两个标准弯头，其阻力系数为0.75×2=1.5，计算管道的总能量损失为：

hfl)u(d22

60.84261.51.5) (0.03 0.12 3.81J/kg

流体的质量流量为20000kg/h，即5.56kg/s，所以泵的有效功率为0.02kW。 查手册得，选用离心泵型号为 ：IS65-40-250。

表5.4 泵的基本参数表[20]

型号 IS65-50-125

转速

/(r/min) 2900

流量 /(m3/h) 25

扬程 效率 /m /% 20

69

轴功率

/Kw 1.97

必需汽蚀余量 (NPSH)r/m

2.5

5.4.2 冷凝器的选型[20]

塔顶103℃的气体经过冷凝器，冷却为同温度下的液体，冷凝水进出口温度分别为

20℃和30℃，冷水走管间，蒸汽走壳间，采用管壳式换热器，且逆流传热。已知冷凝器的热负荷为4.14×107KJ/h。

根据流体性质，查得K600W/(m2℃）

tm：热流体：103℃→103℃

第45页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

冷流体：30℃←20℃

t小73℃ t大83℃

t大t小8373==77.89℃ tm83t大lnln73t小4.14107Q传热面积：A=95.86m2

Ktm60077.89选择管壳式换热器型号为JB/T4714-92，换热器的参数如下：

表 5.5冷凝器参数表[21]

公称直径/mm 公称压力/MPa 管程数/N 管子根数/n

700 2.5 6 216

中心排管数 列管尺寸 管程流通面积/m2 换热面积/ m2 16 252 0.0125 100

第46页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

6 生产车间布置

6.1 概述

车间布置设计是完成设备工艺设计和初步设计工艺流程之后的设计内容。车间布置设计是对车间建筑物等设施配置的安排做出合理的布局。车间布置设计开始，设计进入各专业间共同协作阶段，工艺专业在此阶段除工艺设计本身外，还需要了解和考虑总图、土建、设备、仪表、电气、供排水等专业及机械、安装、操作等各方面的要求。上述非工艺专业也提出了对车间布置的要求。车间布置设计的主要工作是设备的布置，重点协作伙伴是建筑专业。设备布置的任务是决定工艺设备的空间位置，决定设备的露天与否，决定车间生产部分的通道；确定管道、电气仪表管线及采暖通风管道的走向和位置。 6.2 车间布置的基本原则和要求

合理的生产车间布置应做到：经济合理，节约投资，操作和安装检修方便安全，设备排列简洁、紧凑、整齐、美观。要做到上述各点必须充分与正确地利用有关的国家标准与设计规范，特别是人们已积累的经验。

6.2.1 车间布置的基本原则

车间布置设计的原则有以下几点：

（1） 最大限度地满足工艺生产包括设备维修的要求； （2） 有效地利用车间建筑面积(包括空间)和土地；

（3） 要为车间的技术经济指标、先进合理以及节能等要求创造条件； （4） 考虑其他专业对本车间布置的要求； （5） 要考虑车间的发展和厂房的扩建；

（6） 车间中所采取的劳动保护、防腐防火、防毒、防爆及安全卫生等措施是否符合要求；

（7） 本车间与其他车间在总平面图上的位置合理，力求使它们之间输送管路最短，联系最方便；

（8） 考虑建厂地区的气象、地质、水文等条件； （9） 人流、物流不能交错。 6.2.2 车间布置的要求

车间布置涉及面较广，但大致可以归纳为以下几个方面：

第47页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

（1） 厂房建筑

① 厂房平面力求简单化，以利用建筑定型化和施工机械化。常用形式有直线型、长方形、T型和L型。

② 柱间距多用6×6，一般不超过12m。总跨度：多层一般≤24m，单层≤30m。常用厂房总跨度有6m、12m、18m、24m、30m，一般有机化工车间总跨度为2～3个柱网跨度。

③ 层高与设备的高低、安装位置有关，一般每层4m～6m，最低不低于3.2m，净空高度不得低于2.6m。

以上方面尽量符合建筑模数(标准化)的要求。

④ 在可能情况下尽量采用露天化和敞开式设计，这样既能节省投资，又有利于通风采光、防爆、放毒等安全需要。

⑤ 在不影响流程情况下，较高设备集中布置，可简化厂房立体化布置，又省投资。 ⑥ 对于笨重设备和震动设备尽量布置底楼的地面。同类设备可尽量集中。 ⑦ 设备穿孔必须避开主梁。

⑧ 厂房出入口、交通道、楼梯等都需精心安排。一般厂房大门宽度要比通过的设备宽度大0.2m以上，满载的运输设备大0.6m～1.0m，单门宽一般900mm，双门宽有1200mm、1500mm、1800mm，楼梯的坡度45º～60º，主楼梯45º的较多。 （2） 生产操作

① 设备布置尽量和工艺流程一致，避免交叉往返送料，尽量采用位差送料，一般从高层到低层设备布置槽→反应设备→贮槽、重型设备和震动设备。设备间的垂直距离，要保证物料能顺利进出。

② 相互有联系的设备尽量靠近，但要考虑操作、行人通道、送料及半成品堆放等空地。

③ 相同、相似设备尽可能对称、集中，以利操作管理及水、电、气等供应。 ④ 要考虑产品工艺路线可能变化和生产规模的扩大，适当留出添加设备的位置。 ⑤ 考虑进出料、取样、观察等方便。

⑥ 设备尽量排列整齐，避免过挤过松，应充分考虑配管的方便，使设备间管道长度尽可能短。

（3） 设备装修

第48页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

① 不仅要考虑安装时设备的进出，而且要考虑各单个设备的更换和检修，保证足够的空间和通道。

② 二层楼以上的设备，需在下层设吊孔，对庞大特殊设备在封闭式厂房中可先装设备后砌墙。

③ 要考虑起吊装置，如塔顶、房梁设永久吊架。 （4）安全卫生和防腐蚀要求

① 采光要好，尽量避光操作，高大设备避免靠窗挡光。

② 通风要好，高温、有毒、易燃、易爆车间尽可能取敞开式，以利通风散热。机械通风效果要好，应根据逸出气体或粉尘量的允许浓度确定通风量和通风次数。

③ 有毒物质的设备放置下风，操作单位应在上风。剧毒物质的设备要隔离操作、单独排风。

④ 对腐蚀性的介质，除考虑设备外还要考虑墙、柱、地屏等防护要求。

⑤ 防爆车间尽可能使用单层厂房，避免车间有死角。建筑物泄压面积一般为0.05m2/m3；多层的楼板要有泄压孔，设计放火、防爆墙；设置双斗门，门窗朝外。门净宽不小于0.8m，净高不低于2m，走道净宽不小于1.4m，楼梯最小宽度不小于1.1m；二楼以上要考虑紧急疏散等设施。要考虑消防设施、设备。 （5）车间辅助用室及生活用室的配置

如自控室、动力间、变配电室、通风除尘室、机修间、办公室、化验室、休息室、更衣间、浴室、厕所等，对防爆及毒性大的车间，上述各项尽量避免设在车间内。 （6）设备之间及设备与建筑物之间的一般安全距离见表6.1。

第49页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

表6.1 设备安全距离[22]

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 22

项目 泵与泵的距离 泵离墙的距离

泵列与泵列间的距离(双泵列间)

计量罐间的距离

储罐与储罐间的距离(指车间中一般小容量)

换热器与换热器间的距离

塔与塔的间距 离心泵周围通道 过滤机周围通道

反应釜盖上传动装置离天花板距离 反应釜底部与人行通道距离 反应釜卸料口至离心机的距离 起吊物品与设备最高点距离 往返运动机械的运动部件离墙距离

反应釜离墙距离 反应釜相互间距离

通廊、操作台通行部分的最小净空高度

不常通行的地方，净高不小于 操作台梯子的斜度(一般情况) 工艺设备与通道间距离

净安全距离/m 不小于0.7 至少1.2 不小于2.0 0.4～0.6 0.4～0.6 至少1.0 1.0～2.0 不小于1.5 1.0～1.8 不小于1.5 不小于1.8～2.0 不小于1.0～1.5 不小于0.4 不小于1.5 不小于0.8～1.0 不小于0.8～1.2 不小于2.0～2.5

1.9 不大于45 不小于1.0

6.3 本设计的生产车间布置

依据以上原则和要求，根据表6-1设备的安全距离，并结合生产经验，本厂房布置采用精馏塔露天布置、其他主要设备采用室内布置。平面布置在轮廓上采用长方形， 第50页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

12m×12m和12m×6.6m。高度每层为5m。按流程顺序在中心管廊的两侧依次布置各个工段，这可以避免管路的重复往返、缩短管道总长，而各个工段分别组成一块块长方形区域，再组成整个车间，这样，既便于生产管理又容易布置道路，道路一方面是物料与设备的运输通道，另一方面它还决定了管廊、上下水道、电缆等的布置(通常它们都沿着道路布置)。所以要避免弯曲的或成尖角的道路布置，总的来说，车间平面愈近长方形就愈经济。本设计的生产车间布置见附图。

第51页共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

7 设计概算和环保、安全及卫生措施

工程建设项目的不同的设计阶段对投资估算的要求不同。项目初期是投资估算、接着是概算、预算，到项目竣工时是投资决算。这些计算都需要有专门的知识，因此，本设计仅涉及投资估算、财务评价及效力测算及建厂风险。 7.1 总投资估算 7.1.1 工程费用

查相关资料可得到相关数据： （1）项目总资金为99919.53万元，其中：

建设投资 85330.17万元，占总投资的85.40 %； 贷款利息 6122.33万元，占总投资的 6.13 %； 流动资金 8467.04万元，占总投资的 8.47 %。 （2）建设投资 85330.17万元，其中：

设备购置费 62340.51万元，占建设投资的73.06%； 安装工程费 7506.34万元，占建设投资的8.80%； 土建工程费 1675.92万元，占建设投资的1.96%； 其他工程费 13807.40万元，占建设投资的16.18%；7.1.2 其他费用 (1) 生产职工培训费

人员×60%×(1500元/月×培训期)，培训期按3个月计算 该车间人员配置为50人，则培训费为： 50×60%×1500×3=13.5万元 (2) 办公生活家具费

人员×1500元/人 50×1500=7.5万元 (3) 技术转让费

按第一部分费用的3%计算 85330.17×3%=2559.91万元 (4) 工程设计费

第52页共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

按第一部分的4%计算 85330.17×4%=3413.21万元

表7-1 其他费用表

项目

生产职工培训费 办公生活家具费 技术转让费 工程设计费 总计

费用/万元 13.5 7.5

2559.91 3413.21

5994.12

7.1.3 预备费用

基本预备费用 可按第一二部分费用之和的9%~12%计算。 第一二部分费用合计为85330.17+5994.12=91324.29万元 基本预备费用为91324.29×10%=9132.43万元

涨价预备费用 可按第一二部分费用之和的6%计算。 91324.29×6%=5479.46万元

表7-2 预备费用

项目 基本预备费 涨价预备费 合计

费用/万元

9132.43 5479.46

14611.89

7.1.4 专项费用

建设期贷款利息 上述费用之和×70%×6%（年利率） 上述费用之和为85330.17+5994.12+14611.89=105936.18万元 建设期贷款利息为105936.18×70%×6%=4449.32万元 总投资估算如表7-3所示。

第53页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

表7-3 总投资估算表

序 号 一 二 1 2 3 4 三 1 2 四 1

工程或费用 名称 工程费用 其他费用 生产职工培训费 办公生活家具费 技术转让费 工程设计费 预备费 基本预见费 涨价预备费

概 算 价 格 设备购置 安装工程 建筑工程

其它基建

合计

62340.51 7506.34 1675.92

13807.40 85330.17

5994.12 13.5 7.5

2559.91 3413.21

14611.89

9132.43 5479.46

其它应列入总投资

的费用 贷款利息 总合计

4449.32

130991.51

7.2 产品单位成本

(1) 原料、动力消耗及价格如表7-4所示。

原料费用为8000×129+6000×159200+3750×62738+380×4494=119320万元 动力费用为：0.60×976000 +0.68×31760000=2218.24万元

表7-4 原料、动力及价格

名 称

醋酸锰 乙醛 新鲜水 电 氧气 氮气

消耗量 129 t/a 159200 t/a 976000 t/a 31760000 kWh/a

62738t/a 4494t/a

价格（含税） 8000元/t 6000元/t 0.60 元/t 0.68 元/kWh 3750元/t 380元/t

(2) 工资及附加按30000元/人

该车间总共50人，所以工资为30000×50=150万元 (3) 设备折旧，维修分别为工资的9%和6%计算

第54页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

固定资产（包括设备购置费、电气仪表费用、建筑费用、其他基建费、办公生活家具费）总计为：

85330.17+7.5=85337.67万元

设备折旧费85337.67×9%=7680.39万元 维修费为85337.67×6%=5120.26万元 (4) 车间管理费按上述所有费用的6%计算

车间管理费为(119320+2218.24+150+7680.39+5120.26) ×6%=8069.33万元 (5) 企业管理费按照上述所有费用的6%计算

(119320+2218.24+150+7680.39+5120.26+8069.33) ×6%=8553.49万元 (6) 工厂成本为上述各项费用的总和

119320+2218.24+150+7680.39+5120.26+8069.33+8553.49=151111.71万元 (7) 销售费用按销售价格的5%计算

醋酸价格为9000元/t，年产20万吨，所以销售价格为9000×20万=180 000万元 销售费用为180 000×5%=9000万元

(8) 增值税=(销售价格-原材料成本-动力成本) ×0.17/1.17 (180 000-119320-2218.24) ×0.17/1.17=85 815.88=8494.44万元 7.3 关于流动资金

流动资金按2个月的工厂成本计算，贷款比率70%，贷款年利率按6%计算。 151111.71×2/12=25185.28万元 7.4 关于所得税

所得税税率按33%计算。 7.5 关于投资回收期(静态分析法)

年净利润=销售收入-销售成本-税金 投资回收期=总投资/年净利润

年利润=180 000-151111.71-8494.44=20393.85万元 投资回收期=130991.51/20393.85=6.4年

第55页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

7.6环境保护与综合利用

7.6.1 废气处理

醋酸装置排放的可燃气体及装置事故排气送合成气项目设的火炬系统燃烧处理，火炬排放高度100m。 7.6.2 废水处理与综合利用

醋酸装置排出的废水pH值较低，调节pH后送一期工程公用工程岛项目中设立的污水处理厂进行生化处理，经二级生化处理后的出水再排入厂区中水系统。

生产装置区及罐区的污染界区前期雨水及其地面冲洗水，收集到界区内污染雨水池中处理，处理后由污染雨水泵提升排入生产污水排水管道系统。

为了保证污水处理厂的安全、正常运行，在醋酸装置污水排放口设置检查有关参数的自动监测仪表。 7.6.3 噪声防治

噪声控制采取综合措施，主要为：优先选用低噪声设备；采取隔音、减震措施，将高噪声设备置于隔音室内，墙内壁安装吸音材料并安装隔音门窗；采用减振措施，在需要降噪的设备基础上采取安装减震座、减震垫等，以减轻项目噪声源对周围声环境的不利影响。

加强个体防护，为操作工配备噪音防护用品，如耳塞、耳罩等，以便操作工巡检时使用。

7.7 设计中采用的主要防范措施

本工程在设计中认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，确保建设项目符合国家规定的劳动安全卫生标准，保障劳动者在生产过程中的安全和健康。

根据装置中各物料都具有毒性，且可燃可爆等特点，各专业在工程设计中严格按规定、规范采取各种预防及保护措施。

(1) 整个装置区设环形通道，并与厂外道路相连，以利于安全疏散和消防。

(2) 设备布置尽量露天化或半露天化，以利于通风，减少易燃易爆、有毒有害物质的积

聚。

(3) 装置内的建筑结构抗震按当地地震的基本烈度设计。建构筑物的耐火等级、防火间

距、疏散通道、安全距离等均按有关规范执行。

第56页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

(4) 合理设计装置内外竖向标高,使雨水排放顺畅。

(5) 有腐蚀性物料存在的场地，建、构筑物均满足防腐蚀规范的规定。

(6) 采用先进、成熟、可靠的工艺技术和设备，严防“跑、冒、滴、漏”，实现全过程密

闭化生产。

(7) 对装置内承受内压的设备、管道均设置安全阀、爆破膜等紧急泄压设施，以防操作

失灵和紧急事故带来的设备、管道超压；安全阀起跳、事故状态和开、停车时排出的有机废气送火炬系统处理。

(8) 采用DCS系统集中控制，对装置生产过程集中检测、显示、连锁、控制和报警。设

置连锁和紧急停车系统，并独立于DCS监视和控制系统。

(9) 根据规范设置有毒、可燃气体检测报警设施，检测环境中醋酸等有毒、可燃气体的

浓度。

(10) 采用双回路电源供电。仪表负荷、消防报警、关键设备等按一级负荷设计，采用不

间断电源，生产装置区设事故照明，事故照明采用带镉镍电池应急灯。

(11) 根据装置原料及产品的特点,按《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范设计规范》

选用电气设备。爆炸和火灾危险环境内可产生静电的物体，如设备管道等都采用工业静电接地措施；建构筑物及工艺装置按国家有关规定进行防雷接地的设计。 (12) 设置火灾自动报警系统。

(13) 尽量采用低噪声设备；噪声较大的设备采取消声、隔音等措施，以减少噪声对环境

和人身的危害。

(14) 高温设备及管道采取隔热措施，进行人身防烫保护。 (15) 生产现场有可能接触有毒物料的地点设置安全淋浴洗眼器。

(16) 按有关设计规定，室内设置空调、采暖及通风，使室内保持良好的空气卫生条件。 (17) 对传动设备安装防护设施或安全罩，平台及梯子设置防护栏杆。

(18) 凡容易发生事故及危害生命安全的场所以及需要提醒人员注意的地点，均按标准设

置各种安全标志；凡需要迅速发现并引起注意以防发生事故的场所、部位均按要求涂安全色。

(19) 设置必要的生产卫生用室、生活卫生用室等辅助用室，配备必要的劳动保护用品，

如防毒面具、防护手套、防护鞋、防护服

第57页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

8 结论

乙醛氧化法生产醋酸工艺是最能适应市场的生产方法，尤其在山西、陕西、内蒙宁夏等地区。地理、资源优势还有成熟的生产工艺让其成为比较有竞争力的方法。

整个设计过程中涉及的资料文献来源于中北大学图书馆和网上。计算过程中涉及的问题基本可以靠以前学过的专业课知识可以解决。因此，掌握好基本的专业知识是设计成功的基本条件。

在整个的设计过程中我完成了基本的物料衡算、能量衡算、反应器的设计、精馏塔的设计和基本的技术经济分析得出投资回收期。

过程的设计虽然比较粗糙，但是过程还算完整，起到了锻炼自己的作用，达到了巩固知识和综合利用知识的目的。同时还锻炼了自己的各方面的能力。

第58页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

附录

一、吉利兰图

二、史密斯关联图

三、液流收缩系数计算图

第59页

共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

四、弓形降液管参数图

五、干筛孔流量系数图

六、充气系数关联图

第60页

共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

第61页共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

参考文献

[1] 申爱娟.醋酸生产综述[J].乙醛醋酸及其衍生物. 2001,14(2):22～24

[2] 李方伟,迟克棚,王桂芝等.醋酸生产技术现状及发展方向[J].应用化工.2001,30(4):3～6

[3]《化工百科全书》编辑委员会.化工百科全书[M].北京:化学工业出版社,1996 [4] 杨松清.醋酸生产技术综述[J].江苏化工.2001,30(1):14～1 [5] 周修和.国外合成醋酸概括[J].石油化工.1993,2(3):251～263 [6] 佟项军.乙醛氧化法合成醋酸[M].吉林:吉林化工出版社，1990 [7] 王富平.国外合成醋酸综述[J].石油化工.1993,3(2):45～47

[8] 宗言恭. UOP/Chiyoda 醋酸生产新工艺[J]. 化工技术经济.1998,16(3):14～15.7 [9] 吴指南.基本有机化工工艺学[M].修订版.北京:化学工业出版社,1990. 282～286 [10] 《化工百科全书》编辑委员会.化工百科全书[M].北京:化学工业出版社，1996. [11] 时均,王家鼎.化学工程手册[M].第二版.上册.北京:化学工业出版社,1996

[12] 倪进方.化工设计[M].上海:华东理工大学出版社.1994,52～170 [13] 吴俊生,邵会鹤.精馏设计和操作控制[M].北京:中国石化出版社,1997 [14] 潘国昌,郭庆丰.化工设备设计[M].北京:清华大学出版社,1997 [15] 贾绍义.化工原理.下册[M].天津:天津科学技术出版社,2001

[16] 汤善甫, 朱思明. 化工设备机械基础. 上海: 华东理工大学出版社, 2004.

395-412

[17] 王志文. 化工容器设计. 北京: 化学工业出版社,1998.84

[18] 吴宗泽. 机械设计实用手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003. 1036-1039 [19] 董大勤, 袁凤隐. 压力容器与化工设备实用手册[M]. 北京: 化学工业出版社,

2000, 465

[20] 柴诚敬. 化工原理下册[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006, 114-119 [21] T.kuppan. 换热器设计手册[M]. 北京: 中国石化出版社, 2004, 289

[22] 李国庭, 陈焕章等. 化工设计概论[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008, 266-277

第62页 共63页

中北大学2012届毕业设计说明书

致 谢

整个设计过程是申红艳老师给了我莫大的帮助，从拟定开题报告到毕业设计的完成，申老师不断的给我启发与指正。申老师对工作兢兢业业的态度对我影响很大，这在我以后的工作生涯中也是受益匪浅的。此外对化工学院的老师在我设计的过程中都给了我莫大的鼓励和帮助，在此一同表示衷心感谢！

同时，我的同学也在查阅资料方面给予了我大力的支持和帮助，在此向他们表示诚致的谢意。我还要深深地感谢本论文所引用到的文献资料的作者们，感谢你们的辛苦工作，为本人完成此次设计提供了珍贵的科研资料。

最后，我还要深深地感谢本论文所引用到的文献资料的作者们，感谢你们的辛苦工作，为本人完成此次设计提供了珍贵的科研资料。

第63页 共63页

中北大学2011届毕业设计说明书