直接水合法制备乙醇

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2013437043PID图，PFD图设计：邱雨涵2013437035陈冠友2013437023刘冠豪2013437045张琳2013437037５×１０４t/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，且拥乙烯、水进料水合反应器未反应乙烯分离乙醚乙醇分离乙醇精馏有大型电力企业，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。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）图1直接水和法制乙醇的物料流程图副反应：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=128.4kmolCH3CHO6250×2%=125kg=2.84kmolC2H5OC2H56250×2.5%=156.25kg=2.11kmolH26250×2%=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1011503612.5乙烯91029.123251.04水42669.92370.55水40269.62237.2———乙醇5906.4128.4______乙醚156.142.11______乙醛124.962.84______氢气5.682.84合计5983.05143819.9__137491.95624.43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1011503612.5乙烯91029.12325.104水42669.92370.55水40269.62237.2乙醇5906.4128.4乙醇5906.4128.4乙醚156.142.11乙醚156.142.11乙醛124.962.84乙醛124.962.84氢气5.682.84氢气5.682.84合计150013.086119.25——137491.92698.494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91029.12325.104乙烯————水40269.62237.2水40269.62237.2乙醇5906.4128.4乙醇5906.4128.4乙醚156.142.11乙醚1.56140.0211乙醛124.962.84乙醛12.4960.284氢气5.682.84氢气————合计137491.92698.494——46190.0572365.9051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40269.62237.2水4026.96233.72乙醇5906.4128.4乙醇5906.4128.4乙醚1.56140.0211乙醚1.56140.0211乙醛12.4960.284乙醛12.4960.0284氢气————氢气————合计46190.0572365.9051——9947.417362.4251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4026.96233.72水5798.88322.16乙醇5906.4128.4乙醇271687.55906.25乙醚1.56140.0211乙醚————乙醛12.4960.0284乙醛————氢气————氢气————合计9947.417362.4251——277486.386228.41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5798.88322.16水————乙醇271687.55906.25乙醇271687.55906.25合计277486.386228.41——271687.55906.25４．2.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kmolCp，mkJ/(kmol˴K)T,K热量/kJ乙烯3386.543.562984.40×107水2370.5575.2915.32×107合计——————9.72×1070.1MPa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kmolCp，mkJ/(kmol˴K)T,K热量/kJ乙烯3386.571.5559814.5×107水2370.5536.325.15×107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/m32.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/kJC2H4＋H2O＝C2H5OH132.62-4×104-5.30×106C2H5OH=CH3CHO+H22.84-1.66×105-4.71×1052C2H5OH＝C2H5OC2H54.221.55×1056.37×105合计————-5.14×106即反应放出总热量为5.14×106kJ3.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132.62-41.5×1035.50×106乙醚4.22-25.104×1031.06×106水2237.2-125.4×1032.81×107合计————3.36×107表11转化气带出的热量70℃物料名称物质的量kmolCp，mkJ/(kmol˴K)T,K热量/kJ乙烯3251.0443.722934.88×107乙醛2.8454.855.34×104乙醚2.11112.978.18×104氢气2.8428.852.81×104合计——————5.04×1074.冷却器氢气带走的热量2.84×28.85×303=2.48×104kJ325.104×43.72×303=4.31×106kJ乙醚的相变热2.11×25.104×103=5.30×104kJ5.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kmolCp，mkJ/(kmol˴K)T,K热量/kJ乙醇128.4111.463034.34×106乙醛0.028454.8547200乙醚0.0211112.97722.3水223.7275.2915.10×106合计——————9.44×106吸收2段吸收能量5.06×107-9.44×106=4.16×107kJ6.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=4.34×106kJ５．三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。格栅初沉池调节池UASB/IC反应器预曝池二沉池沼气柜格栅SBR池污泥料棚污泥脱水机污泥浓缩池