1、 学号：11401506 常 州 大 学毕 业 设 计 （ 论 文 ）（ 2015 届）题 目 22.5 万吨/年丁辛醇羰基合成工段初步设计 学 生 王菊 学 院 石油化工学院 专业班级 化工 115 校内指导教师 刘英杰 专业技术职务 讲师 校外指导老师 专业技术职务 二一五年六月目 录1 物料衡算 .11.1 原料的预算 .11.1.1 正丁醛加氢生成正丁醇 .11.1.2 正丁醛制辛醇 .11.1.3 丙烯羰基合成正丁醛 .11.2 羰基合成反应器 .21.3 高压蒸发器 .31.4 低压蒸发器 .41.5 丙烯吸收塔 .41.6 汽提塔 .61.7 异构物塔 .62 能量衡算 .72.
2、1 高压蒸发器 .72.2 低压蒸发器 .82.3 原料冷凝器（丙烯吸收塔） .82.4 异构物塔顶冷凝器 .92.5 异构物塔釜再沸器 .93 异构物塔的设计 .103.1 塔板数的确定 .103.1.1 温度的计算 .103.1.2 挥发度的计算 .113.1.3 最小回流比 .123.1.4 理论板数的计算 .123.1.5 进料板位置的确定 .133.2 异构物塔的工艺条件及有关物性数据的计算 .143.2.1 操作压力的计算 .143.2.2 操作温度 .143.2.3 平均摩尔质量 .153.2.4 平均密度的计算 .153.2.5 液体平均表面张力的计算 .163.2.6 液体平
3、均黏度的计算 .173.3 异构物塔的塔体工艺尺寸计算 .183.3.1 塔径的计算 .193.3.2 精馏塔有效高度的计算 .193.4 塔板主要工艺尺寸的计算 .193.4.1 溢流装置计算 .193.4.2 塔板分布 .203.5 浮阀数目与排列 .203.6 塔板的流体力学计算 .223.6.1 气相通过浮阀塔板的压降 .223.6.2 物沫夹带 .233.6.3 塔板负荷性能图 .244 配管的计算 .274.1 异构物塔进料管 .274.2 异构物塔回流管 .274.3 异构物塔釜出料管 .274.4 异构物塔顶蒸汽出口管 .274.5 异构物塔釜进气管 .284.6 丙烯进料管
4、.284.7 合成气进料管 .284.8 催化剂循环管 .284.9 低压蒸发器收集槽气相出料管 .294.10 丙烯吸收塔进料管 .295 设备选型与计算 .295.1 反应器设计选型 .295.1.1 反应器尺寸 .295.1.2 反应器搅拌器的选择 .305.1.3 反应器传热构件 .305.1.4 反应器厚度 .315.2 泵的选型 .325.2.1 催化剂循环输送泵 .325.2.2 反应釜液输送泵 .335.2.3 粗丁醛输送泵 .335.2.4 粗丁醛进料泵（丙烯吸收塔） .335.2.5 汽提塔釜液输送泵 .355.3 储罐选型 .355.3.1 丙烯原料储罐 .355.3.2
5、 催化剂中间罐 .365.3.3 气液分离器选型 .365.3.4 原料缓冲罐（丙烯吸收塔） .365.3.5 异构物塔回流罐 .365.4 换热器选型 .375.4.1 高压蒸发器 .375.4.2 低压蒸发器 .375.4.3 原料冷凝器（丙烯吸收塔） .375.4.4 异构物塔顶冷凝器 .385.4.5 异构物塔釜再沸器 .381 物料衡算年产丁辛醇 22.5 万吨，其中正丁醇 8.5 万吨，辛醇 14 万吨年操作时间 8000h1.1 原料的预算1.1.1 正丁醛加氢生成正丁醇 OHCHCOH32223 )( 根据年生产量来确定每小时的产量正丁醇 4318.50/81065/Fkgh正
6、丁醇的产品纯度为 99.8% 设计裕度 120%62.9%274.m17/./nmol丁醛转化率为 99% 正丁醇选择性 98%则正丁醛的用量为 .643/(98)176.943kl/h1.1.2 正丁醛制辛醇辛醇 43210/50/Fg辛醇产品纯度 99.8% 设计裕度 120%275.9812%98/mkh/6.7nmol辛烯醛加氢转化率为 98% 辛烯醛纯度 99.8%则辛烯醛的用量为 3160.97/(89.)14.5kl/h正丁醛缩合转化率 98%4.5/%23.0ol/n则正丁醛的需求总量为176.9473+335.8043=512.7516 kml/h1.1.3 丙烯羰基合成正丁
7、醛主反应 CH 2CHCH 3COH 2CH 3CH2CH2CHO 主要副反应 CH2CHCH 3COH 2(CH 3)2CHCHO其他副反应 CH2CHCH 3H 2CH 3CH2CH3丙烯转化率 93% 正丁醛/异丁醛 为 10/1丁醛/丙烷为 11.03工艺设定 H2/CO=1.03n 正丁醛 =512.7516kmol/hn 异丁醛 =51.2752kmol/hn 丙烷 =15.3825kmol/hn 丙烯 =(512.7516+51.2752+15.3825)/93%=623.0268kmol/hnCO=512.7516+51.2752=564.0268kmol/hnH2=564.0
8、2681.03=580.9476kmol/hn 杂质 =7.6342kmol/h进料丙烯组成：95%丙烯 5%丙烷n 丙烷 = 623.085/932.706/kmolh计算各原料的年需求量丙烯 .4./(15%)27.34/taCO 564.028.0/68.1/tH2 .97.1/934./ta合成气中的杂质 564.08./45.7/kmolh拟定合成气中 CO 占 49%，氢气 50.5%，杂质（CH 4+N2+Ar）占 0.5%，杂质的分子量取平均值 28 进行计算.72/1089.21/ta合成气的年需求量为 12.64+0.94+0.13=13.71 万吨/年1.2 羰基合成反应
9、器丙烯转化率为 93%，则剩余丙烯的量为623.087%43.625/kmolh出料中丙烷的量为15.3825+32.7906=48.1731kmol/h实际消耗 H2 的量564.0268+15.3825=579.4093kmol/h出料中氢气的量580.9476579.4093=1.5323kmol/h催化剂循环液156.0781kmol/h表 1.1 羰基合成反应器进口物料衡算表物料状态 物料名称 质量流量kg/h质量百分数wt%摩尔流量kmol/h摩尔百分数 mol%进料 丙烯丙烷COH2杂质催化剂26216.711445.7315798.391167.70161.1525466.43
10、37.322.0622.491.660.2236.25623.020832.7906564.0268580.94765.7554156.078131.741.6728.7429.60.307.95合计 70256.11 100 1962.6193 100表 1.2 羰基合成反应器出口物料衡算表物料状态 物料名称 质量流量kg/h质量百分数wt%摩尔流量kmol/h摩尔百分数 mol%液体出料正丁醛异丁醛丙烯丙烷H2杂质催化剂36969.393696.941835.172123.953.08161.1525466.4352.625.262.613.020.010.2336.25512.75165
11、1.275243.611548.17311.53235.7554156.078162.596.265.325.880.190.7019.06合计 70256.11 100 819.1772 1001.3 高压蒸发器每小时处理量 70256.11kg/h表 1.3 高压蒸发器液体出料物料衡算表物料状态 物料名称 质量流量kg/h质量百分数wt%摩尔流量kmol/h摩尔百分数 mol%液体出料TPP丙烷三聚物ROPAC正丁醛异丁醛8597.2513.7611883.4176.8519487.981968.1620.460.0328.280.1846.374.6832.77640.312154.93
12、950.1561270.291027.29768.500.0814.240.0470.067.08合计 42027.41 100 385.7727 100表 1.4 高压蒸发器气体出料物料衡算表物料状态 物料名称 质量流量kg/h质量百分数wt%摩尔流量kmol/h摩尔百分数 mol%气体出料正丁醛异丁醛丙烯丙烷H2杂质21892.672212.681835.172123.953.08161.1577.557.846.507.530.010.57303.643230.689043.611548.17311.53235.755470.067.0810.0611.120.351.33合计 2822
13、8.7 100 433.4045 1001.4 低压蒸发器表 1.5 低压蒸发器进口物料衡算表物料状态 物料名称 质量流量kg/h质量百分数wt%摩尔流量kmol/h摩尔百分数 mol%进料 TPP丙烷三聚物ROPAC正丁醛异丁醛8597.2513.7611883.4176.8519487.981968.1620.460.0328.280.1846.374.6832.77640.312154.93950.1561270.291027.29768.500.0814.240.0470.067.08合计 42027.41 100 385.7727 100表 1.6 低压蒸发器液体出口物料衡算表物料状
14、态 物料名称 质量流量kg/h质量百分数wt%摩尔流量kmol/h摩尔百分数 mol%液体出料正丁醛异丁醛TPP三聚物丙烷ROPAC4411.27483.898597.2511883.4313.7676.8517.321.9033.7646.660.060.3061.18266.711432.776454.93950.31210.156139.204.3021.0035.200.200.10合计 25466.43 100 156.0781 100表 1.7 低压蒸发器气体出口物料衡算表物料状态 物料名称 质量流量kg/h质量百分数wt%摩尔流量kmol/h摩尔百分数 mol%气体出料正丁醛异丁
15、醛15076.711484.2791.048.96209.108420.586291.048.96合计 16560.98 100 229.6946 1001.5 丙烯吸收塔表 1.8 丙烯吸收塔进口物料衡算表物料状态 物料名称 质量流量kg/h质量百分数wt%摩尔流量kmol/h摩尔百分数 mol%液体进料正丁醛异丁醛15076.711484.2791.048.96209.108420.586291.048.96合计 16560.98 100 229.6946 100气体进料正丁醛异丁醛丙烯丙烷H2杂质21892.672212.681835.172123.953.08161.1577.557.
16、846.507.530.010.57303.643230.689043.611548.17311.53235.755470.067.0810.0611.120.351.33合计 28228.7 100 433.4045 100表 1.9 丙烯吸收塔出口物料衡算表物料状态 物料名称 质量流量kg/h质量百分数wt%摩尔流量kmol/h摩尔百分数 mol%液体出料丙烷丙烯正丁醛异丁醛550.001727.8736969.393696.941.284.0286.098.6112.474541.0615512.751651.27522.026.6583.038.3合计 42944.20 100 617
17、.5628 100气体出料H2丙烷丙烯杂质3.081573.95107.30161.150.1785.295.818.731.532335.69862.55005.75543.3678.45.612.64合计 1845.48 100 45.5363 1001.6 汽提塔表 1.10 汽提塔塔釜出口物料衡算表物料名称 质量流量kg/h质量百分数wt%摩尔流量kmol/h摩尔百分数 mol%丙烯正丁醛异丁醛23.3136969.393696.940.0690.869.080.5539512.751651.27520.1090.829.08合计 40689.64 100 564.5807 1001.
18、7 异构物塔 FDWX即 564.0268=D+W564.02680.9091=D0.01+W0.99解得 D=46.5663kmol/hW=517.4605kmol/h表 1.11 异构物塔进口物料衡算表物料状态 物料名称 质量流量kg/h质量百分数wt%摩尔流量kmol/h摩尔百分数 mol%进料 正丁醛异丁醛36969.393696.9490.919.09512.751651.275290.919.09合计 40666.33 100 564.0268 100表 1.12 异构物塔出口物料衡算表物料状态 物料名称 质量流量kg/h质量百分数wt%摩尔流量kmol/h摩尔百分数 mol%塔顶
19、出料正丁醛异丁醛33.583323.850.010.990.465746.10060.010.99小计 3357.43 100 46.5663 100塔釜出料正丁醛异丁醛36935.81373.090.990.01512.28595.17460.990.01小计 37308.9 100 517.4605 100合计 40666.33 100 564.0268 1002 能量衡算化工生产中，能量衡算概括起来应用于以下几个方面： (1) 确定效率，如流体输运、搅拌、粉碎等单元操作中所需效率。 (2)确定热量或冷量，如蒸发、蒸馏、冷凝、冷却、闪蒸等所需要的热量或冷量。(3)确定供热效率或放热效率，如
20、化学反应中，由于热效应（使体系的温度上升或下降）需确定的热量或冷量。 (4)确定节能措施，为充分利用余热，降低总能量消耗所采用的相应措施。由此可见，能量衡算作为化工计算的一部分是非常重要的，所以我们必须对能量衡算进行认真严格的计算。设备的热量平衡方程：对于有传热要求的设备，其热量平衡方程式为：Q1Q 2Q 3=Q4Q 5Q 6式中：Q 1物料带入到设备的热量，kJ；Q2加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量， kJ；Q3过程热效应，kJ；Q4物料离开设备所带走的热量，kJ；Q5加热或冷却设备所消耗的热量，kJ；Q6设备向环境散失的热量，kJ。Q1 与 Q4 均可用下式计算：Q1（Q 4）=m
21、 t Cp kJ式中 m输入（或输出）设备的物料量 kg；Cp物料的平均比热容 kJ/kg；t物料的温度。该式的计算基准是标准状态，亦 0及 1.013105Pa。因为物料的比热容是温度的函数，上式中物料的比热容是指进、出口物料的定压平均比热容，对于进口物料取基准温度与物料进口温度的平均温度下的比热容；对于出口物料取基准温度与物料出口温度的平均温度下的比热容。对于不同物料的比热容可查化学工程手册 （第 1 册）或化学工艺设计手册 （下） ，若查不到，各种估算方法求出相应温度下的比热容值。2.1 高压蒸发器降膜蒸发器，壳程通加热流体水蒸气，管程为蒸发流体。0.8MPa 饱和水蒸气。正丁醛 汽化热 27.85KJ/mol异丁醛 汽化热 25.59 KJ/mol饱和水蒸气 冷凝潜热 2054.0 KJ/Kg蒸发所需的热量蒸发掉正丁醛的量 303.6432Kmol/h
