乙酸叔丁酯的生產(chǎn)工藝的主要設(shè)備的選型和設(shè)計計算過程案例目錄TOC\o"1-3"\h\u6532乙酸叔丁酯的生產(chǎn)工藝的主要設(shè)備的選型和設(shè)計計算過程案例 143641.1設(shè)備的選型與設(shè)計原則[16] 1277191.2容器類選型的依據(jù)[17~18] 1231811.3主要設(shè)備的選型和計算[19~20] 2326431.3.1酯化反應(yīng)設(shè)備 2128601.3.2粗蒸過程 388211.3.3精餾過程 6125591.3.4精餾塔 81.1設(shè)備的選型與設(shè)計原則[16]（1）合理性設(shè)備應(yīng)符合工藝要求，結(jié)構(gòu)要緊密，與生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)運行條件、工藝流程等要相適應(yīng)。因此，所選擇的設(shè)備必須便于操作和清潔，在耐用的同時還要易于修理，從而確保產(chǎn)品的質(zhì)量，減少工作量，提高工作效率。（2）先進性選擇的設(shè)備要滿足先進性，機械化，自動化，操作上要更加的方便，并且對于日常的維護的更加便捷。（3）安全性在選擇和設(shè)計計算的時候要以安全第一為主要目的，盡量選擇在低壓低溫下進行，要有比較好的工作環(huán)境和條件。（4）經(jīng)濟性選擇的設(shè)備在經(jīng)濟合理的原則上，提高經(jīng)濟效益，以最少的成本來取得最好的效益，減少水電的浪費，注意一切的可循環(huán)利用。1.2容器類選型的依據(jù)[17~18]np其中，Vd：最大占罐體積，m3；Va：設(shè)備的容積，m3；Vp：設(shè)備的有效容積，m3；ε：設(shè)備的裝填系數(shù)，ε=Vnp：加設(shè)備的臺數(shù)；1.3主要設(shè)備的選型和計算[19~20]1.3.1酯化反應(yīng)設(shè)備（1）酯化反應(yīng)釜①設(shè)備的選型因為這個反應(yīng)是屬于氣液反應(yīng)，所以裝填系數(shù)取ε=0.7。酯化反應(yīng)釜最大占罐體積為：V根據(jù)npnp在反應(yīng)的過程想要提高異丁烯的利用率，所以就要采用兩個反應(yīng)釜輪換（主、副反應(yīng)釜），所以n=2。V=15799.027÷2=7899.514L因為乙酸是酸性物料，所以反應(yīng)罐選擇搪玻璃材質(zhì)的，選擇的反應(yīng)罐的體積12500L的，傳熱面積是24.89m2，公稱直徑是2200mm。②校核計算a：裝料系數(shù)的校核在這個設(shè)計里面計劃每天生產(chǎn)兩個批次，每個批次的所投入的原材料的質(zhì)量是9872.722kg（異丁烯是3131.722kg，乙酸是6720kg，催化劑是17kg）。為了使異丁烯能夠充分反應(yīng)，所以就要設(shè)置兩個反應(yīng)釜，第一個是主反應(yīng)釜，主反應(yīng)釜里加入的物料有異丁烯，乙酸和催化劑。第二個是副反應(yīng)釜，加入到其中的物料有沒有反應(yīng)完的異丁烯，乙酸和催化劑。即：Ф=6512.722÷12500=0.521<ε=0.7，所以符合要求。b：傳熱面積校核查前面計算得到傳熱量是6402534.484kcal。物料進去和出來的溫度分別是25℃與56℃，反應(yīng)釜里面的溫度要維持在56℃，冷凍鹽水的進去和出來的溫度分別是－20℃與10℃，一共要反應(yīng)10h，所以每個小時所有的傳熱量是640253.448kcal/h。傳熱溫差：熱流體：56℃→56℃冷流體：10℃→－20℃?t：46℃76℃?tm=?查詢得該反應(yīng)罐的傳熱面積是24.89m2，傳熱系數(shù)K=264kcal/m由Q=KS?t得：S=Q因此是滿足要求的。（2）乙酸高位槽乙酸高位槽是儲存容器，裝填系數(shù)ε=0.85。一次反應(yīng)的最大的使用體積：根據(jù)公式np則Va用立式橢圓形封頭儲罐作為乙酸高位槽，公稱容積是4m3，公稱直徑1400mm，高度1600mm。1.3.2粗蒸過程（1）蒸餾釜物料在主反應(yīng)釜里合成后進入到粗蒸釜，副反應(yīng)釜里的物料也經(jīng)過積攢到達一定量的時候進入到粗蒸釜進行粗蒸。粗蒸過程是沸騰過程，裝填系數(shù)為0.6。蒸餾釜選擇12500L的搪玻璃反應(yīng)罐。①裝填系數(shù)的校核在這里對裝填系數(shù)進行校核：Ф=6495.722÷12500=0.520<ε=0.6，所以符合要求。②傳熱面積校核以相變熱作為間歇蒸餾的衡算依據(jù)。這個反應(yīng)要在兩個小時內(nèi)完成而所需要的蒸汽熱量是429839.849kcal，所以Q=傳熱系數(shù)K=498W/m在間歇蒸餾過程中，蒸餾最后的溫度大概在118℃左右，蒸汽的溫度是140℃，所以溫差是140?118=22℃由Q=KS?t得：S=Q因此是滿足要求的。（2）乙酸叔丁酯粗品冷凝器在這里采用列管式的換熱器（應(yīng)用廣泛，工藝也相對比較成熟，也是最典型的間壁式換熱器）。以乙酸叔丁酯的粗產(chǎn)品的冷凝情況為計算的依據(jù)，換熱器總傳熱系數(shù)為K=904W/m這個過程要求在兩個小時內(nèi)完成冷凝器帶走的總熱量是309653.938kcal，則：Q=309653.938冷流體進去和出來的溫度分別是20℃與45℃，乙酸叔丁酯粗產(chǎn)品前后的溫度都是101.4℃。則：熱流體：101.4℃→101.4℃冷流體：45℃→20℃?t：56.4℃81.4℃?tm=?由Q=KS?t得：S=Q查詢得，冷凝器的基本參數(shù)是DN159，換熱管φ19，管程數(shù)1，管子根數(shù)33，換熱面積3.7m2，換熱管長2m。公稱壓力1.6Mpa。（3）乙酸叔丁酯粗品冷卻器這個過程得冷凍劑是冷凍鹽水，總傳熱系數(shù)是K=904W/m冷卻器帶走的總熱量226412.051kcal，這個過程的時間也是2h，則：Q=冷卻鹽水進去和出來的溫度分別是－20℃和20℃，乙酸叔丁酯粗產(chǎn)品前后的溫度分別是101.4℃和30℃。則：熱流體：101.4℃→30℃冷流體：20℃→－20℃?t：81.4℃50℃?tm=?由Q=KS?t得：S=Q查詢得，冷凝器的基本參數(shù)是DN159，換熱管φ19，管程數(shù)1，管子根數(shù)33，換熱面積3.7m2，換熱管長2m。公稱壓力1.6Mpa。（4）乙酸冷卻器這里得冷卻劑也選擇冷凍鹽水，傳熱系數(shù)為：K=904W/m這個過程要在半個小時內(nèi)完成冷卻器帶走的總熱量168512.925kcal，則：Q=冷流體進去和出來的溫度分別是－20℃和20℃，乙酸前后的溫度分別是118℃和30。則：熱流體：118℃→30℃冷流體：20℃→－20℃?t：98℃50℃?tm=?由Q=KS?t得：S=查詢得，冷凝器的基本參數(shù)是DN325，換熱管φ25，管程數(shù)1，管子根數(shù)57，換熱面積8.5m2，換熱管長2m。公稱壓力4Mpa。（5）乙酸接收罐乙酸接收罐的裝填系數(shù)ε=0.9。乙酸接收罐的體積：根據(jù)公式np則Va查詢得，以立式橢圓形封頭儲罐作為接收罐，其公稱容積是4m3，公稱直徑1400mm，高度1600mm。（6）乙酸叔丁酯粗產(chǎn)品接收罐乙酸叔丁酯接收罐得裝填系數(shù)取ε=0.9。乙酸叔丁酯粗產(chǎn)品接收罐的體積：根據(jù)公式np則Va查詢得，選取立式橢圓形封頭儲罐作為接收罐，其公稱容積是9m3，公稱直徑1900mm，高度1600mm。1.3.3精餾過程（1）預(yù)熱器預(yù)熱器也采用列管式的，這個過程的預(yù)熱使用蒸汽，傳熱系數(shù)是K=818W/m一共需求熱量為257507.358kcal,操作時間為1.5h,則：Q=蒸汽進、出口溫度均為120℃，預(yù)熱液進、出口溫度分別為30℃、98℃。則：熱流體：120℃→120℃冷流體：30℃→98℃?t：90℃22℃?tm=?t由Q=KS?t得:S=QK??t查詢得，預(yù)熱器基本參數(shù)為：DN325,換熱管?25，管子根數(shù)38，換熱面積5.7m2，換熱管長2m。公稱壓力（2）精餾塔塔頂冷凝器冷凝器為列管式，總傳熱系數(shù)取K=904W/m這個過程要求在無購物小時內(nèi)完成，冷凝器所帶走的總熱量892238.81kcal,則：

Q=冷流體進、出口溫度為20℃、45℃，TBA前后溫度均為96℃。則:熱流體：96℃→96℃冷流體：20℃→45℃?t：51℃76℃?tm=?t由Q=KS?t得:S=QK??t查詢得，冷凝器基本參數(shù)為：DN273,換熱管?19,管程數(shù)1，管子根數(shù)56，換熱面積4.7m2，換熱管長1.5m。公稱壓力（3）精餾塔頂冷卻器冷卻器選擇列管式的，設(shè)計總傳熱系數(shù)為：K=609W/m冷凝器帶走的總熱量202690.814kcal,，過程時間按5h計算，則：Q=冷流體進、出口溫度為-20℃、20℃，TBA前后溫度為96℃、30℃。則:熱流體：96℃→30℃冷流體：-20℃→20℃?t：76℃50℃?tm=?t由Q=KS?t得:S=QK??t查詢得，冷卻器基本參數(shù)為：DN159,換熱管?19,管程數(shù)1，管子根數(shù)15，換熱面積1.7m2，換熱管長2m。公稱壓力（4）再沸器再沸器的預(yù)熱方式用蒸汽預(yù)熱，總傳熱系數(shù)?。篕=816W/m這個過程要求在五個小時內(nèi)完成，總熱量974907.055kcal，則：Q=蒸汽進、出口溫度均為140℃，再沸液進、出口溫度均為101.4℃。則再沸器的溫差為:?T=由Q=KS?t得:S=QK??t查詢得，再沸器基本參數(shù)為：DN325,換熱管?25,管程數(shù)1，管子根數(shù)57，換熱面積8.5m2，換熱管長2m。公稱壓力（5）乙酸叔丁酯接收罐乙酸叔丁酯接收罐的裝料系數(shù)取ε=0.9TBA粗品接收罐體積：Vd根據(jù)公式nPV則V查詢得，選取立式橢圓形封頭容器作為接收罐，其公稱容量為9m3，公稱直徑1900mm。高度1.3.4精餾塔精餾塔有板式塔和填料塔兩種類型的，按照操作方式可以分為間歇精餾和連續(xù)精餾[22]。這個設(shè)計操作方式采用連續(xù)精餾，選擇的設(shè)備是篩板塔。（1）工藝條件的確定①操作壓力這個設(shè)計項目選擇在常壓下進行。②加熱方式在這個設(shè)計中對預(yù)熱器和再沸器加熱使用的是蒸汽。③進料狀態(tài)這個設(shè)計采用泡點進料。④流比回流比的表示方式是R=LD?；亓鞅鹊拇笮∩钌畹挠绊懼?jīng)濟和分離的效果一般實際生產(chǎn)操作中回流比取最小回流比的1.3～2倍。在這個設(shè)計中取回流比為最小回流比的2倍。（2）塔板數(shù)的計算精餾塔的理論塔板數(shù)采用簡捷法來進行計算。①相對揮發(fā)度α把精餾過程中的溶液看成是理想溶液，用飽和蒸汽壓來表示揮發(fā)能力。計算式如下：α=P液體飽和蒸汽壓用下面的方程進行計算，如下式：lg式中，T為溫度（K）;A、B、C、D、E為對應(yīng)組分的安托因常數(shù)，可通過安托因參數(shù)表得到。對于TBA，A=?028.082，B=?1574.4，C=17.253,D=?3.04×10?2,對于二異丁烯，A=2.4008，B=?2280.1，C=4.5221,D=?1.77×10?2,當(dāng)T=96℃時，T=273+96=369K，代入安托因常數(shù)，得：lgPA1lgPB1則α當(dāng)T=101.44℃時，T=273.15+101.44=374059K，代入安托因常數(shù)，得：lgPA2lgPB2則α則α②最少理論塔板數(shù)Nmin最少理論塔板數(shù)的計算采用芬斯克（Fenske）方程進行求解，方程式如下：Nmin將精餾過程的物料衡算式代入上式，得：Nmin③最小回流比NRminRmin代入數(shù)據(jù)，得：R則操作回流比為：R=2④求理論塔板數(shù)N吉利蘭關(guān)聯(lián)圖橫坐標(biāo)為：X=代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得：X=Eduljce將吉利蘭關(guān)聯(lián)式改為：Y=0.75×1?Y=0.75×由Y=N?N=N⑤精餾段理論塔板數(shù)N精餾段的最少理論塔板數(shù)Nmin，1Nmin，1N=N⑥全塔效率E計算全塔效率的方程式如下：E0式中：E0μm：塔進料液體平均摩爾粘度，cP精餾塔的進料液體溫度為98℃，在這個溫度下的平均粘度是0.235cP。（見4.3.4塔工藝條件的設(shè)計計算液體粘度章節(jié)）則：E經(jīng)查詢得，對于篩板塔，總板效率的相對值為1.1。則：E≈0.53×1.1=0.58⑦實際板數(shù)N全塔實際塔板數(shù)：Ne精餾段實際塔板數(shù)：Ne（3）塔工藝條件的上的設(shè)計計算①操作壓力塔頂壓強：PD=101.325kPa。取每層塔板壓降為進料板壓強：P塔釜壓強：P精餾段平均操作壓強：P提餾段平均操作壓強：P②操作溫度塔頂是輕組分溫度是96℃；塔底是重組分溫度是101.44℃。將進料混合液近似看作理想溶液，根據(jù)操作壓強及安托因方程，通過試差法計算混合液的進料溫度?？梢缘玫匠雠蔹c溫度為98℃。精餾段的平均溫度：tm（精）提餾段的平均溫度：tm（提）③平均摩爾質(zhì)量a：塔頂摩爾質(zhì)量根據(jù)物料衡算可得：y由y=αx可得xMMb：進料摩爾質(zhì)量xF=0.964MMc：塔釜摩爾質(zhì)量xW=0.036MM精餾段平均摩爾質(zhì)量：MM提餾段平均摩爾質(zhì)量：MM④平均密度a：液相密度ⅰ塔頂部分1ρ其中γ為質(zhì)量分率γA=ρLA=860kg/1ρⅱ進料板處γA,=1ρLmⅲ塔釜部分γA,,1ρLm精餾段的平均氣相密度：ρ提餾段的平均氣相密度：

ρb：氣象密度ⅰ精餾段的平均氣相密度ρⅱ提餾段的平均氣相密度ρ⑤液體表面張力液體的表面張力可用下式計算σ=A1?式中A、B、C、D、E為常數(shù)，Tr為對比溫度。通過純物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)軟件V1.3.0查詢可得：TBA的臨界溫度為：Tc=271.85℃。A=0.055,B=1.193,二異丁烯的臨界溫度為：Tc=279.85℃。A=0.051,B=1.250,塔頂溫度為96℃，塔頂液體的表面張力為：σσσ進料溫度為98℃，進料液的表面張力為：σσσ進料溫度為101.44℃，釜液的表面張力為：σσσ精餾段液相平均表面張力為：σ精餾段液相平均表面張力為：σ⑥液體粘度液體的粘度可用下式計算μ=expA+式中A、B、C、D、E為常數(shù)，T為溫度。查詢得：TBA：A=?10.69,B=1165.1，C=?0.12088，D=E=0。二異丁烯：A=?10.88,B=851.8,C=?0.021434，D=E=0,塔頂液體溫度為96℃，該溫度下的平均粘度是：μμμ進料液體溫度為98℃，該溫度下的平均粘度是：μμμμμ精餾段液相平均粘度為：μ提餾段液相平均粘度為：μ⑦精餾塔工藝條件一覽表表1.SEQ表5.\*ARABIC1精餾塔工藝條件一覽表操作壓強(kpa)操作溫度(℃)平均摩爾質(zhì)量(kg/kmol)平均密度(kg/m3)液體平均張力(mN/m)液體平均粘度(mPa?s)氣相液相氣相液相塔頂101.32596111.958111.936858.25914.260.261進料板118.12598111.908111.856854.23814.030.254塔釜131.625101.44112.224112.144717.54112.430.163精餾段109.72597111.933111.8964.135856.27114.1450.258提餾段126.87599.72114.066114.0004.670781.91213.230.209⑧氣液相負荷a：精餾段V=R+1D=Vs=L=RD=1.898×10.486=19.902kmol/hLs=b：提餾段V,=VVs,L，=L+FLs,（4）塔與塔板主要尺寸的設(shè)計計算①塔徑的計算在塔徑的計算中需要先假設(shè)出塔板間距HT和板上清液層高度h取HT=0.40m則由H=精餾段：LVC20其中，表面張力是20mN/m時C20分別得到：L由LV與HT?當(dāng)表面張力σ=14.24mN/mC=umax其中，umaxu=(0.6~0.8)其中u的表觀空塔氣速（按全塔截面計算）取安全系數(shù)為0.6，則u=0.6故：D=圓整得D=0.5m。則：精餾段空塔氣速為：u=塔的橫截面積為：AT提餾段：LVC20其中，表面張力為20mN/m時C20分別得到：L由LV,與HT當(dāng)表面張力σ,Cu其中，umaxu其中的u,取安全系數(shù)為0.6，則u故：D圓整得D,則：精餾段空塔氣速為：u塔的橫截面積為：AT②溢流裝置塔板選擇單流型板面結(jié)構(gòu)，降液管形式選擇弓形降液管，溢流堰設(shè)計采用平形溢流堰及平形受液盤。各計算如下：精餾段：a：溢流堰長lw：b：出口堰高hw：費朗歇斯公式（Francis）公式如下：how其中，howL根據(jù)lwD=0.560.8hhc：降液管高度Wd和降液管面積根據(jù)lwD=0.7,查圖得WdAf液體在降液管中的停留時間為：τ=Ad：降液管底隙高度h降液管底隙高度通過下式計算：h0取液體流過降液管底隙的速度為u降液管底隙高度h0為：提餾段：a：溢流堰長lw，b：出口堰高hw,費朗歇斯公式（Francis）公式如下：how其中，how,為堰上液流高度，L根據(jù)lw,D,=hhc：降液管高度Wd,根據(jù)lw,D,=WA液體在降液管中的停留時間為τ,d：降液管底隙高度h降液管底隙高度通過下式計算：h0取液體流過降液管底隙的速度為u降液管底隙高度h0為：塔板布置單流型塔板的示意圖如下：圖1.圖1.SEQ圖5.\*ARABIC1單流型塔板的示意圖其中：hW?溢流堰高度hHT?塔板間距l(xiāng)Wc?邊緣區(qū)寬度WAf?降液管的面積a：主要工藝結(jié)構(gòu)的計算用下面式子來計算單流型塔板的開孔區(qū)域面積AaAa式中，x=Dr=Dsin?1其中，對于篩板塔，安定區(qū)寬度Ws取值為50～100mm。在此取Ws=0.05m則：x=r=Aab：篩孔ⅰ篩孔孔徑d0：工業(yè)上篩孔孔徑d0，一般取3～8mm，通常選用4～6mm。此處ⅱ塔板厚度δ：考慮到加工的可能性，要求篩板篩孔孔徑d0不應(yīng)小于塔板厚度δ，一般取3～8mm，此處dⅲ開孔率φ：一般按正三角形排列。如圖圖1.圖1.SEQ圖5.\*ARABIC2篩孔的正三角形排布開孔率φ為：φ=其中，A0為每層板上篩孔的面積，mAa為每層板上開孔區(qū)的面積，At為孔間距，mm；d0td0的大小決定了開孔率的大小。所以，在設(shè)計的時候就需要考慮到這個問題。一般取tdφ=0.907則塔板上的開孔面積為：A0ⅳ篩孔數(shù)目n：n=A（5）精餾塔有效高度精餾段有效高度為：Z提餾段有效高度為：Z精餾塔有效高度為：Z=（6）精餾塔的結(jié)構(gòu)①塔的總體結(jié)構(gòu)精餾塔外殼采用不銹鋼板焊接，整個精餾塔主要包括內(nèi)部件和附屬配件。塔內(nèi)部件主要包括塔板上的氣體通道、溢流堰、降液層等。附屬配件主要包括基座、除沫器、支撐圈、扶梯或者平臺等。②塔的總體高度塔的總體高度由下式計算：H=H其中，HD：塔頂空間，mHT：塔板間距，mHT,：開有人孔的塔板間距，HF：進料段高度，mHB：塔底空間，mNPS：手孔數(shù)目；a：塔頂空間H塔頂空間HD通常是（1.5～2.0）H取Hb：塔底空間H塔底空間取Hc：手孔數(shù)目S塔板間每隔3～5設(shè)置10個手孔。設(shè)