直接水合法制备乙醇解析.docx
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直接水合法制备乙醇解析
化工设计:
5×104t/a合成乙醇工艺设计
班级:
化学一班
组长:
分工:
流程设计及厂址选择:
马瑞雪 2013437033
陈斯2013437031
物料衡算及能量衡算:
李梦莹2013437025
孙岩 2013437029
陈丹丹2013437039
韩爱英 2013437041
贾玉婷2013437043
PID图,PFD图设计:
邱雨涵 2013437035
陈冠友 2013437023
刘冠豪2013437045
张琳2013437037
5×104t/a合成乙醇工艺设计
1.工艺方案的选择
乙醇是重要的有机溶剂,又是医药、染料、涂料、香料、合成橡胶、洗涤剂等有机产品的基本原料或中间体。
在化学工业中主要用于制造乙醚,乙醛,醋酸,乙二醇醚、乙胺等。
本实验采取乙烯气相直接水合法来合成乙醇。
乙烯气相直接水合法制取乙醇的工艺流程叙述如下。
实验分为合成、精制和脱水三部分。
反应器的操作条件:
反应温度325℃,反应压力6.9MPa,催化剂是磷酸-硅藻土催化剂。
转化率4%~5%,选择性95%~97%。
因反应液中含有磷酸,所以在工艺流程中设臵一个洗涤塔(又称中和塔)用碱水溶液或含碱稀乙醇溶液中和。
这一工序一定要放在换热器后,因高温易使磷酸因高温易使磷酸盐在换热器表面结垢,甚至会堵塞管道。
含乙醇10%~15%的粗乙醇水溶液,分别由洗涤塔和分离塔底进入乙醇精制部分。
精制部分的工序有:
a.萃取分离出乙醚和乙醛,萃取剂为水(可增大乙醚和乙醛与乙醇的相对挥发度),两塔串联,第二萃取塔塔顶出乙醚、乙醛和水(萃取率达90%以上),经冷却冷凝分出油相(有机相)和水相,有机相中主要为乙醚,返回反应器,水相经蒸馏,塔顶得乙醛-乙醚共沸物,另行处理,塔釜为含乙醚的水,返回反应系统;b.乙醇的提浓和精制。
由萃取塔来的乙醇水溶液含少量乙醛,在精馏时加氢氧化钠溶液,可除去乙醛(碱能催化乙醛发生缩合反应,生成高沸点缩醛)。
精馏塔顶部出料乙醇中仍含有少量轻组分,返回萃取部分。
由塔上部引出乙醇流股,即为成品乙醇(95%),乙醛含量小于20~40ppm。
2.流程方块图
3.厂址选择
厂址选择在山东省东营垦利双河镇集贤村,占地200亩。
产品生产需要较多的电,产品面向全国,重点是中东部各省,需要良好的交通设施,以方便产品和原料的买入。
所以,东营垦利网,交通网四面发达,且拥有大型电力企业,适合建厂。
原料需要乙烯,东营和渤海有石油,中石油、中石化在这都有炼油厂供乙烯,同时中石化中石油也是买家,用乙醇造汽油醇。
用电量大,附近有胜利大唐华泰等较大型发电厂,水源充足,离黄河较近。
4.工艺设计计算
4.1.物料恒算
1.设计条件
按照选定的工艺流程,确定设计参数和条件。
已知:
催化剂磷酸-硅藻土催化剂,乙烯和水为反应物,直接水和法,年开工8000h。
相关数据如下:
水烯比:
0.7
单耗C2H4/95%C2H5OH0.578
产物中:
乙醇C2H5OH94.5%
乙醛CH3CHO2%
乙醚C2H5OC2H52%
2.物料流程简图
直接水和法制乙醇的物料流程图如图1。
图1直接水和法制乙醇的物料流程图
3.乙烯、乙醇物料恒算(均按每小时计)
(1)乙烯水合法制乙醇的化学反应方程式:
主反应:
C2H4+H2O=C2H5OH
(1)
副反应:
2C2H5OH=C2H5OC2H5
(2)
C2H5OH=CH3CHO+H2(3)
(2)产品产量及其组成
50000/8000=6250(Kg)
其中:
C2H5OH6250×94.5%=5906.25kg=128.4kmol
CH3CHO6250×2%=125kg=2.84kmol
C2H5OC2H56250×2.5%=156.25kg=2.11kmol
H26250×2%=125kg=2.84kmol
总摩尔数=128.4+2.84+2.11+2.84=136.19kmol
(3)乙烯投入量:
6250×0.578=3612.5(kg)
(4)数据校核
根据反应式消耗乙烯量:
128.4+2.84+2.11=133.35kmol=3386.5kg
与投入量基本符合,与设计要求基本一致。
(5)各主要单元设备的物料衡算表(每小时计)见表1~6
表1水合反应器物料衡算表
进料
出料
物料名称
质量,kg
物质的量,kmol
物料名称
质量,kg
物质的量,kmol
乙烯
101150
3612.5
乙烯
91029.12
3251.04
水
42669.9
2370.55
水
40269.6
2237.2
—
—
—
乙醇
5906.4
128.4
__
__
__
乙醚
156.14
2.11
__
__
__
乙醛
124.96
2.84
__
__
__
氢气
5.68
2.84
合计
5983.05
143819.9
__
137491.9
5624.43
表2分离器物料衡算表
进料
出料
物料名称
质量,kg
物质的量,kmol
物料名称
质量,kg
物质的量,kmol
乙烯
101150
3612.5
乙烯
91029.12
325.104
水
42669.9
2370.55
水
40269.6
2237.2
乙醇
5906.4
128.4
乙醇
5906.4
128.4
乙醚
156.14
2.11
乙醚
156.14
2.11
乙醛
124.96
2.84
乙醛
124.96
2.84
氢气
5.68
2.84
氢气
5.68
2.84
合计
150013.08
6119.25
——
137491.9
2698.494
表3萃取器1物料衡算表
进料
出料
物料名称
质量,kg
物质的量,kmol
物料名称
质量,kg
物质的量,kmol
乙烯
91029.12
325.104
乙烯
——
——
水
40269.6
2237.2
水
40269.6
2237.2
乙醇
5906.4
128.4
乙醇
5906.4
128.4
乙醚
156.14
2.11
乙醚
1.5614
0.0211
乙醛
124.96
2.84
乙醛
12.496
0.284
氢气
5.68
2.84
氢气
——
——
合计
137491.9
2698.494
——
46190.057
2365.9051
表4萃取器2物料衡算表
进料
出料
物料名称
质量,kg
物质的量,kmol
物料名称
质量,kg
物质的量,kmol
乙烯
——
——
乙烯
——
——
水
40269.6
2237.2
水
4026.96
233.72
乙醇
5906.4
128.4
乙醇
5906.4
128.4
乙醚
1.5614
0.0211
乙醚
1.5614
0.0211
乙醛
12.496
0.284
乙醛
12.496
0.0284
氢气
——
——
氢气
——
——
合计
46190.057
2365.9051
——
9947.417
362.4251
表5精馏塔物料衡算表
进料
出料
物料名称
质量,kg
物质的量,kmol
物料名称
质量,kg
物质的量,kmol
乙烯
——
——
乙烯
——
——
水
4026.96
233.72
水
5798.88
322.16
乙醇
5906.4
128.4
乙醇
271687.5
5906.25
乙醚
1.5614
0.0211
乙醚
——
——
乙醛
12.496
0.0284
乙醛
——
——
氢气
——
——
氢气
——
——
合计
9947.417
362.4251
——
277486.38
6228.41
表6脱水器物料衡算表
进料
出料
物料名称
质量,kg
物质的量,kmol
物料名称
质量,kg
物质的量,kmol
水
5798.88
322.16
水
——
——
乙醇
271687.5
5906.25
乙醇
271687.5
5906.25
合计
277486.38
6228.41
——
271687.5
5906.25
4.2.能量恒算(均按每小时计)
1.换热器
在换热器中没有化学变化,只有显热。
设进去换热器是温度为25℃,蒸发温度为100℃。
表7原料乙烯和水带入的热量
物料名称
物质的量kmol
Cp,m
kJ/(kmol˴K)
T,K
热量/kJ
乙烯
3386.5
43.56
298
4.40×107
水
2370.55
75.291
5.32×107
合计
——
——
——
9.72×107
0.1MPa水的汽化热为2257.2kJ/kg
水的相变热为2257.2×2370.55×18=9.63×107kJ
表8原料气带出的热量
物料名称
物质的量kmol
Cp,m
kJ/(kmol˴K)
T,K
热量/kJ
乙烯
3386.5
71.55
598
14.5×107
水
2370.55
36.32
5.15×107
合计
——
——
——
19.65×107
则需要补充热量9.63×107+19.65×107-9.72×107=19.56×107
固定管板式列管换热器
传热系数3050~6100kJ/(m2·h·K)
传热面积40~164M2/m3
2.水合反应器
(1)气体进入反应器带入热量19.65×107kJ
(2)表9反应热(反应温度为325℃)
反应
物质的量kmol
反应热kJ/kmol
热量/kJ
C2H4+H2O=C2H5OH
132.62
-4×104
-5.30×106
C2H5OH=CH3CHO+H2
2.84
-1.66×105
-4.71×105
2C2H5OH=C2H5OC2H5
4.22
1.55×105
6.37×105
合计
——
——
-5.14×106
即反应放出总热量为5.14×106kJ
3.冷却器
设转化气为理想气体100%冷却冷却至70℃
表10冷却器的热量变化
物料名称
物质的量kmol
相变热kJ/mol
热量/kJ
乙醇
132.62
-41.5×103
5.50×106
乙醚
4.22
-25.104×103
1.06×106
水
2237.2
-125.4×103
2.81×107
合计
——
——
3.36×107
表11转化气带出的热量70℃
物料名称
物质的量kmol
Cp,m
kJ/(kmol˴K)
T,K
热量/kJ
乙烯
3251.04
43.72
293
4.88×107
乙醛
2.84
54.85
5.34×104
乙醚
2.11
112.97
8.18×104
氢气
2.84
28.85
2.81×104
合计
——
——
——
5.04×107
4.冷却器
氢气带走的热量2.84×28.85×303=2.48×104kJ
325.104×43.72×303=4.31×106kJ
乙醚的相变热2.11×25.104×103=5.30×104kJ
5.吸收塔(萃取1、2,精馏塔)
转化气带入的能量5.04×107-2.48×104+5.30×104=5.06×107kJ
表12
物料名称
物质的量kmol
Cp,m
kJ/(kmol˴K)
T,K
热量/kJ
乙醇
128.4
111.46
303
4.34×106
乙醛
0.0284
54.85
47200
乙醚
0.0211
112.97
722.3
水
223.72
75.291
5.10×106
合计
——
——
——
9.44×106
吸收2段吸收能量5.06×107-9.44×106=4.16×107kJ
6.尾气
125℃乙醛Cp,m=54.64kJ/(kmol·k)
尾气带出的热量0.0284×54.64×298=462.43kJ
成品出料温度30℃Cp,m=111.46kJ/(kmol·k)
成品带出热量5906.25÷40×111.46×303=4.34×106kJ
5.三废处理
发电低浓度废水
高浓度废水
外运
排放
6.工艺设计图纸
PID图,PFD图如图3,4所示。
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