(物料管理)醋酸乙烯合成的物料衡算

第五章 醋酸乙烯合成的物料衡算

5、1 反应器的物料衡算

设计要求：

年产11万吨聚乙烯醇，产品平均聚合度为1795，生成产时间为每年330天。

产品分子式为：CH2─CHOH解度为95%得：

mn1700 解可得： m=85 n=1615 n100%95%nmn

CH2─CHOCOCH3

m

由已知所给得，PVA的聚合度为1795，平均聚合度为1700，醇

平均分子量：

Mpvc(C2H2O)n(C4H6O2)m24416158685278372kg/kmol

产品产量FPVA年产量101041030.1611kmol/h 33024783723302478372所需单体量 FVAC(mn)FPVC17000.1611273.87kmol/h WVACMPVC•FPVC86273.8723552.82kg/h23.55t/h 工艺条件假设（数据参考马延贵 .《聚乙烯醇生产技术》.纺织工业出版社.1988）：

乙炔单程转化率 X115% 以乙炔计算的醋酸乙烯的选择性

S190%

醋酸转化率 X235% 以醋酸计算醋酸乙烯的选择性

S296.12% 乙醛收率Y10.3106% 巴豆醛收率

Y20.0621%

摩尔收率：YS1•X10.90.1513.5%则：乙炔收率  Mp86质量收率：YmY13.5%44.65%MZ26由方程式 ：

C2H2HACVACWVAC23.5552.74t/h Ym44.65%

乙炔进料=

根据反应器入口各组分的组成可计算总进料量

W总52.74109.42 48.2%依次计算其他组分进料数量如表5-1

表5-1 反应器的进料表

进料组成 乙炔 醋酸 醋酸乙烯 氮气 乙醛 巴豆醛 二氧化碳 水 丙酮 其它 合计

W10 W20 W30 W40 W50 W60 W70 W80 W90

数量（t/h） 52.74 48.69 2.46 3.45 1.16 0.15 0.44 0.33 0 0 109.42

组成（%Wt） 48.20 44.50 2.25 3.15 1.06 0.14 0.40 0.30 100

出口组成计算 由下列方程式计算

C2H2+HAC VAC 26 60 86 x y 23.55 2CH3COOH (CH3)2COCO2H2O

120 58 44 18 48.6935%-16.43 m n p

C2H2+H2O CH3CHO

18 44

z 52.740.3106%

由上述三个方程求：x=7.12t/h y=16.43t/h z=0.065 m=0.29 n=0.22 p=0.092

所以出口流量如下:

1、C2H2： W11W10(1X1)52.74(115%)44.83t/h 2、CH3COOH：W21W20(1X2)48.69(135%)31.65t/h 3、VAC： W31W30WVAC23.552.4626.01t/h 4、N2： W41W403.45t/h

5、CH3CHO: W51W10•Y1W5052.740.3106%1.161.34t/h 6

CH2CHCH2CHO:W61W10•Y2W6052.740.0621%0.150.18t/h

、

7、CO2: W71W70n0.440.220.66t/h

8、H2O: W81W80pz0.330.0920.0650.36t/h 9、其他: W910.65t/h

因此可得反应器的出料表，见表5-2.

表5-2 反应器的出料表

进料组成 乙炔 醋酸 醋酸乙烯 氮 乙醛 巴豆醛 二氧化碳 水 丙酮 其它 合计

数量（t/h） 44.83 31.65 26.01 3.45 1.34 0.18 0.66 0.36 0.29 0.65 109.42

组成（%，W） 40.97 28.93 23.77 3.15 1.22 0.16 0.60 0.33 0.27 0.60 100

5、2 分离器出口物料组成的衡算：

由实验得分离器出口乙醛的汽相组成为90.7%，液相组成为9.3% 那么乙醛汽相数量为1.3490.7%1.22，液相数量为1.349.3%0.12，其它组分数量为反应器出口数量。

汽液分离器出的汽相组分部分放空，以保证N2不积累，其余大部分返回反应器与反应器进口的精乙炔混合循环使用。

180OC 合成气 100OC C4H6O、HAC、H2O 汽液分离器 CH3CHO 50OC C3H6O、VAC

图5-1 分离器物料衡算图

由反应器的出口物料通过汽液分离器的计算，得表5-3汽相组程与表5-4液相组成。

表5-3 汽相组成

组分 C2H2

数量th 44.83 3.45 1.22 0.66 50.16

表5-4 液相组成

组成 （%Wt） 89.37 6.88 2.42 1.32 100

组成（%Wt） 0.49 0.23 0.30 43.88 53.4 0.6

N2 CH3CHO CO2

合计

组分 数量th 0.29 0.12 0.18 26.01 31.65 0.36

CH32CO

CH3CHO C4H6O

VAC HAC

H2O

其他 合计

0.65 59.274

1.1 100

5、3 清洗工段物料衡算：

汽液分离器出来的汽相组成清洗后，CH3CHO、C2H2被解析。所以可得解析塔出口汽相组成表5-5。

表5-5 解析塔出口汽相组成

组分 C2H2

数量th 44.83 1.22 46.05 组成 （%Wt） 97.35 2.65 100 CH3CHO

合计 汽液分离器出来的汽相组成清洗后，N2、CO2被吸收。所以可得吸收塔出口汽相组成表5-6。

表5-6 吸收塔出口汽相组成

组分 N2 CO2

数量th 3.45 0.66 4.11

组成 （%Wt） 83.94 16.06 100

合计

5、4 乙炔净化工段物料衡算：

5、4、1 循环气物料平衡

乙炔与醋酸为循环物料，由反应器的出口物料组成，可以得到乙炔与醋酸的物料组成，所以可到循环气物料平衡表5-7。

表5-7 循环气物料平衡表 名称 乙炔 醋酸 循环（th） 44.83 31.65 进料（th） 52.74 48.69 补充（th） 7.91 17.04

5、4、2 精乙炔物料组成的计算

由出口参考资料聚乙烯醇生产技术 33页可得，精乙炔的技术规格：

表5-8 精乙炔的技术规格

序号 1 2 3 4 项目 纯度 磷化氢 硫化氢 比活性度 单位 % % % s 指标 99 0.0037 0.0039 <30 汽液分离器汽相组分部分放空以保证氮气不累积，其余部分返回反应器进口与精乙炔混合使用 。

设循环气与放空气质量比为x，根据精乙炔技术规格要求表5-8，计算精乙炔组成：

精乙炔量=7.91/99%=7.99t/h

由循环气物料平衡表见表5-7与气液分离器出口汽相组成表5-3，可得：

（0.66-0.66x+3.45-3.45x）=7.99-7.91 x=0.9805 二氧化碳的量为：0.66-0.660.9805=0.013 氮气的量为：3.45-3.450.9805=0.067 由此得，精乙炔组成如表5-9：

表5-9 所以精乙炔的组成见下表

组分 乙炔 二氧化碳 氮气 总计

数量 t/h 7.91 0.013 0.067 7.99

组成 （w%） 99.00 0.16 0.84 100

5、4、3 粗乙炔组成的计算

由参考资料聚乙烯醇生产技术32页可得粗乙炔的技术规格：

表5-10 粗乙炔的技术规格

序号 1 2 3 4 5

项目 乙炔含量 磷化氢 硫化氢 温度

单位 % % % ℃

指标 合格 >98 <0.05 <0.10 >150 <30

勉强 <0.10 <0.15

压力（表压） mm 水柱

由表5-10得，根据乙炔的质量流率计算乙炔的摩尔流率：

7.91103304.23Kmolh F126同理得：

二氧化碳的摩尔流率：

0.013103F20.30Kmolh

44氮气的摩尔流率为：

0.067103F32.39Kmolh

28所以粗乙炔的总摩尔流率为：

F总F1F2+F3304.23+0.30+2.39307.38Kmolh

10.00050.00110.00050.001乙炔、二氧化碳、氮气的摩尔组成分别为：

304.23100%98.98% 307.380.30100%0.10% 二氧化碳：

307.382.39100%0.78% 氮气:

307.38乙炔：

由粗乙炔的技术规格表5-10知：

磷化氢的摩尔组成取为0.05%，硫化氢的摩尔组成为0.1%，由此计

算

得

到

磷

化

氢

的

摩

尔

流

率

为

：

F4F总0.05%307.380.05%0.15Kmolh

硫化氢的摩尔流率为：F5F总0.1%307.380.10%0.31Kmolh 由以上数据计算得到，粗乙炔各组分的质量流率与组成，见表5-11：

表5-11 粗乙炔组成见下表

组成 乙炔 碳 氮气 磷化氢 硫化氢 总计

0．067 0.0051 0.011 8.006

0.84 0.06 0.14 100

2.39 0.15 0.31 307.38

0.78 0.05 0.10 100

数量(t/h) 组成（Wt%） 数7.91

98.80 0.16

304.23 0.30

量组

98.97 0.10

成

(kmol/h)

二氧化0.013

（mol%）

清净剂次氯酸钠用料的计算：

次氯酸钠是由氯气和氢氧化钠反应生成，是一种强氧化剂，能分解放出氧原子，将乙炔中的杂质磷化氢、硫化氢净化。

设除去磷化氢消耗的次氯酸钠的量为xth，除去硫化氢消耗的次氯酸钠的量为yth。

PH34NaClOH3PO44NaCl

34 474.5 0.0051 x

H2S4NaClOH2SO44NaCl

34 474.5 0.0111 y 由此可得：

X=0.045th，y0.096th

那么消耗次氯酸钠的总量为：xy0.141th

氢氧化钠与氯气用量的计算：

设氢氧化钠用量为：m th，氯气用量为n th。

2NaOHCl2NaClNaClOH2O

240 71 74.5

m n 0.141

由此可得：m=0.15th，n=0.134th

次氯酸钠中有效氯的成分为0.14135.574.50.067th（符合工业生产的要求） 5、5 反应器热量衡算

表 5-12 相关物质物性参数表 分子量沸点to 汽化潜热液相热汽相热溶 M （g/m）（℃） vHol

溶）

L （kcal/kg.

o（J/mol） （J/mol

-84.0 118.0 2.392107 72.5

3.157107

C）

乙炔 醋酸 烯 乙醛 丙酮

26 60

0.469

1.384105 0.35 1.926105 0.291 1.400105 0.412 1.688105 0.40

醋酸乙86

44 58

20.85 2.483107 102.2 3.446107 56.29 2.956107 100

4.08107

巴豆醛 70

1.388105

二氧化44 碳 氮气 水

28 18

7.5591040.232 0.25 0.458 0.63

循环油 156

备注：1KCal4.18KJ

丙酮汽相热容Cp=0.1384JKmol•K 导热油的密度1.02g/h

根据工艺条件的选择反应器入口气体温度140OC,反应温度（既出口温度）180OC。

1、反应放出热量反应热92.86KJ22.18Kcalmol

Q1(W31W30)100022.18/86(23.55102.4610)22.181000/865.439310KCal/h336

2 、气体从140oC升到180oC吸热为Q2 (1) (2) (3(4) (5) (6) (7(8)

二水醋

氮乙巴

氧

蒸豆

化

气

乙醋

酸

炔酸乙气醛

醛

碳

吸吸吸烯吸吸

吸吸吸

热热热热热热热热

量量量量量量量量

q1cwt0.46952.74103(180140)9.8940105kcal/h q2cwt0.3548.69103(180140)6.8166105kcal/h q3cwt0.2912.46103(180140)2.8634104kcal/h

q4cwt0.253.45103(180140)3.45104kcal/h q5cwt0.4121.16103(180140)1.9117104kcal/h q6cwt0.40.15103(180140)2.4103kcal/h q7cwt0.2320.44103(180140)4.0832103kcal/h

q8cwt0.4850.33103(180140)6.0456103kcal/h

其它吸热可以忽略

所以Q2qi1.7660106kcal/h 3、被载热油带走的热量Q4

a. 假设反应器有热损失Q31105kcal/h（经验取值）

则:Q4Q1(Q2Q3)5.4393106(17.6581)1053.5735106Kcalh b假设反应器无热损失

则：Q'4Q1Q25.43931.76581063.6735106kcal/h

i18

Q21.76581064、反应热利用率 100%100%32.46% 6Q15.439310反应器热量衡算: 相关物质的物性参数表 其中丙酮 Cp8.7582104J/kmol.K

5、导热油用量 W油（Cp0.63kcal/h,油1.02g/h,t10oC） a. 反应器有热损失

W油103Q4=1030.63103.5735105

156W油1563.573588.49t/h

0.631088.491033V油86.75m/h 3油1.0210W油b．反应器内无热损失

W油103Q4=1030.63103.6735106

156'W油1563.673590.96t/h

0.631090.961033V油89.18m/h 3油1.0210W油5、6 分离器热量衡算

一段冷却：（控制温度范围：180—100oC，一段出料温度：100oC, 醋酸温度50—90oC）

反应器出口混合汽的温度经汽液分离器一段冷却后，温度由180oC降到100oC，在此过程中大部分重组分醋酸冷凝下来，同时水，巴豆醛也几乎全部冷凝下来，余下的组分通往二段继续冷却。

(1)C2H2:Q1'44.831030.4694.187(180100)7.04106kJ/h (2)N2:Q2'3.451030.254.187(180100)2.89105kJ/h

(3)CH3CHO:Q3'1.341030.4124.187(180100)1.85105kJ/h (4)CO2:Q4'0.661030.2324.187(180100)0.513105kJ/h

W0.29103(5)CH3COCH3:Q5Cpt8.758104(10080)0.350105kJ/h3M5810'(6)VAC:Q6'4.18W'Cpt26.011030.2914.187(180100)25.4105kJ/h0.36103(7)H2O:Q70.36100.4584.187(180100)4.081048.71106kJ/h18'3W'W'(8)HAC:Q84.18WCptvHLtMM31.65103331.65100.354.187(180118)2.392104 6031.651031.384102(118100)6016.81106KJh''W'W'(9)C4H6O:Q94.18WCptvHLtMM0.181030.404.187(180102.22)''0.18100.18103.4461041.668102(102.22100)70701.13105KJh''33

W'W'(10)其它：按醋酸处理:Q101.24.18WCptvHLtMM[0.651030.354.187（180-118）0.65100.651023.92104+0.1384102（118-100）]6060=4.11105kJ/h+33

所以 一段总冷量

Q1Qi'3.63107kJ/h

10二段冷却 （气体温度 100-50oC）醋酸温度（20-30oC） 由一段冷却来的气体经过二段冷却后温度由100oC降到50oC，在此过程中相对重的组分VAC（即产品）几乎全部冷凝下来，同时几乎所有的丙酮也冷凝下来，余下的组分含有C2H2，N2,CO2,CH3CHO通往三段冷却。

(1)C2H2:Q1''4.18W'Cpt44.831030.4694.187(10050)4.40106kJ/hi0

(2)N2:Q2''4.18W'Cpt3.451030.254.18(10050)1.81105kJ/h

(3)CO2:Q3''4.18W'Cpt0.661030.2324.187(10050)3.21104kJ/h

(4)CH3CHO:Q4''4.18W'Cpt1.341030.4124.187(10050)1.16105kJ/hW'W'(5)CH3COCH3:Q54.18WCptvHLtMM0.291030.2910348.75810(10056.29)2.9561043 5810 580.291031.388102(56.2950)581.71105kJ/h''W'W'(6)VAC:Q64.18WCptvHLtMM26.01103326.01100.2914.187(10072.5)3.15710486326.01101.926102(72.550)1.17107kJ/h86''' Q2Q''i1.24107kJ/h

i06三段冷却：（气体温度50—0 ℃），盐水冷却

由二段冷却来的气体经过三段冷却后温度由50 ℃降到0 ℃，根据经验在此过程中只有9.3%CH3CHO冷却下来， 余下的大量汽相

CH3CHO与C2H2，N2, CO2 混合气 1%左右放空，以防惰性气体累积，

其余做循环气。

(1)C2H2:Q1'''4.18W'Cpt44.831030.4694.187(500)4.40106kJ/h

(2)N2:Q2''4.18W'Cpt3.451030.254.187(500)1.81105kJ/h

(3)(4)CO2:Q3'''4.18W'Cpt0.661030.2324.187(500)3.21104kJ/h

(4)CH3CHO:Q4'''4.18W'Cpt1.341030.4124.187(5020.85)6.7510kJ/h4

（乙醛近似认为全部在汽相）

Q3Q'''i4.68106kJ/h

4综上气体分离器所需要的冷量为Q1Q2Q35.33107kJ/h

i0