目錄

1.綜述1.1丙酸概況丙酸（PropionicAcid）是一種廣泛應(yīng)用的化學(xué)品，以其多樣性和重要性在化學(xué)工業(yè)中占有獨(dú)特地位。作為一種短鏈脂肪酸，丙酸在食品和飼料行業(yè)中作為防腐劑廣泛使用，尤其是在防止面包和其他烘焙產(chǎn)品發(fā)霉中顯得尤為重要。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，丙酸被用作畜禽飼料的防腐劑，幫助控制細(xì)菌和霉菌的生長(zhǎng)，從而提高飼料的貯藏穩(wěn)定性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。在化學(xué)工業(yè)中，丙酸是合成某些塑料、塑化劑、和橡膠化學(xué)品的關(guān)鍵原料。此外，丙酸還在制藥工業(yè)中發(fā)揮作用，用于合成某些藥物和活性物質(zhì)?；瘜W(xué)上，丙酸是一種無色且有刺激性氣味的液體，在常溫下是穩(wěn)定的，但與強(qiáng)氧化劑反應(yīng)可能產(chǎn)生危險(xiǎn)。由于其具有抗霉和抗菌特性，丙酸及其衍生物在保護(hù)食品安全和維持公共健康方面具有重要意義。盡管丙酸是一種有用的化學(xué)品，但它的揮發(fā)性和腐蝕性要求在儲(chǔ)存和處理時(shí)采取特別注意。在安全使用和環(huán)保處理方面，丙酸的生產(chǎn)和應(yīng)用必須遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。總的來說，丙酸在化工、食品、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥等多個(gè)行業(yè)中發(fā)揮著重要作用，是現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的一部分。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需求的增加，丙酸及其衍生物的生產(chǎn)和應(yīng)用將繼續(xù)擴(kuò)展，其在化學(xué)工業(yè)和相關(guān)領(lǐng)域的重要性不斷增強(qiáng)。同時(shí)，持續(xù)的研究和技術(shù)創(chuàng)新將進(jìn)一步優(yōu)化丙酸的生產(chǎn)工藝，提高其效率和環(huán)境友好性，確保在多個(gè)領(lǐng)域的持續(xù)應(yīng)用和發(fā)展。1.2丙酸的現(xiàn)狀及前景當(dāng)前，丙酸作為一種重要的化工原料，在全球范圍內(nèi)的需求持續(xù)增長(zhǎng)。丙酸在食品保鮮、飼料防腐以及化學(xué)合成領(lǐng)域的應(yīng)用日益擴(kuò)大。特別是在食品行業(yè)，丙酸作為一種安全有效的防腐劑，用于延長(zhǎng)面包和其他烘焙產(chǎn)品的保質(zhì)期，減少食品浪費(fèi)。此外，在飼料工業(yè)中，丙酸被廣泛用作防霉劑，提高飼料質(zhì)量和安全性。在化學(xué)制造領(lǐng)域，丙酸是生產(chǎn)某些塑料、橡膠化學(xué)品和合成纖維的關(guān)鍵原料，這些應(yīng)用對(duì)推動(dòng)化工行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。然而，丙酸的生產(chǎn)過程面臨著環(huán)保和成本效益的挑戰(zhàn)，生產(chǎn)企業(yè)需要持續(xù)優(yōu)化工藝，減少能源消耗和環(huán)境影響。展望未來，丙酸的市場(chǎng)前景非常樂觀。隨著全球食品安全和畜牧業(yè)的發(fā)展，對(duì)丙酸的需求預(yù)計(jì)將持續(xù)增長(zhǎng)。此外，隨著環(huán)保意識(shí)的提升和新技術(shù)的開發(fā)，丙酸及其衍生物在生物降解塑料、環(huán)保涂料等領(lǐng)域的應(yīng)用有望擴(kuò)大。技術(shù)創(chuàng)新，如改進(jìn)的催化劑和更高效的生產(chǎn)工藝，將進(jìn)一步降低丙酸的生產(chǎn)成本，增強(qiáng)其在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，丙酸的生產(chǎn)企業(yè)也面臨著來自環(huán)境規(guī)制和可持續(xù)發(fā)展要求的挑戰(zhàn)。這些因素將驅(qū)動(dòng)行業(yè)向更加環(huán)保和高效的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型。在全球范圍內(nèi)，隨著新興市場(chǎng)對(duì)丙酸及其衍生產(chǎn)品的需求增加，丙酸的全球市場(chǎng)有望進(jìn)一步擴(kuò)大。企業(yè)需要通過技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)策略，抓住這一增長(zhǎng)機(jī)遇，同時(shí)積極應(yīng)對(duì)潛在的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和政策變化。此外，隨著新應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開拓，如在生物醫(yī)藥和高性能塑料領(lǐng)域，丙酸的市場(chǎng)潛力將更加巨大。綜合來看，丙酸未來的發(fā)展不僅將受益于現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域的增長(zhǎng)，還將依賴于新技術(shù)的開發(fā)和新市場(chǎng)的拓展，預(yù)示著在化學(xué)工業(yè)中的地位將更加重要。1.3課題研究的意義該課題研究對(duì)于化學(xué)工業(yè)特別是丙酸生產(chǎn)領(lǐng)域具有顯著意義。首先，隨著全球化學(xué)品需求的持續(xù)增長(zhǎng)，丙酸作為一種重要的化工原料，在食品保鮮、畜牧業(yè)、醫(yī)課題力，滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。此外，通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝，不僅能提高丙酸的產(chǎn)量和質(zhì)量，還有助于降低生產(chǎn)成本和能耗，從而增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，該研究還將關(guān)注環(huán)境影響的最小化，通過采用更環(huán)保的生產(chǎn)方法，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，符合全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展的追求。該課題的研究具有重要的技術(shù)創(chuàng)新意義。通過探索和應(yīng)用先進(jìn)的催化劑、改進(jìn)的化學(xué)反應(yīng)工藝和高效的能源利用策略，有望實(shí)現(xiàn)在丙酸生產(chǎn)中的技術(shù)突破。這不僅對(duì)丙酸生產(chǎn)企業(yè)具有指導(dǎo)意義，而且對(duì)整個(gè)化學(xué)工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展具有重要影響。例如，新型催化劑的開發(fā)可能會(huì)為其他化學(xué)反應(yīng)提供靈感，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。此外，對(duì)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化還可能帶來新的工業(yè)設(shè)計(jì)理念，為化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新的思路。總之，課題不僅對(duì)滿足市場(chǎng)需求、提高生產(chǎn)效率具有重要意義，而且對(duì)推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展也具有深遠(yuǎn)的影響。1.4丙酸下游產(chǎn)品的開發(fā)丙酸是一種重要的有機(jī)化學(xué)原料，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料等領(lǐng)域。丙酸的下游產(chǎn)品主要包括丙酸鹽、丙酸酯、丙酸酐、丙酰氯、氯丙酸等，它們具有各自的特性和用途，是化工合成的重要中間體。本文將介紹一些丙酸下游產(chǎn)品的開發(fā)情況和合成方法。丙酸鹽是丙酸與金屬或非金屬的鹽類，常見的有丙酸鈉、丙酸鈣、丙酸銨等。丙酸鹽主要用作食品和飼料的防腐劑和防霉劑，可以有效抑制細(xì)菌和霉菌的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)食品和飼料的保質(zhì)期。丙酸鹽的合成方法一般是將丙酸與相應(yīng)的堿或堿性鹽在水溶液中反應(yīng)，然后通過結(jié)晶、過濾、干燥等步驟得到。例如，丙酸鈉的合成方程式為：丙酸酯是丙酸與醇或酚的酯類，常見的有丙酸乙酯、丙酸異丁酯、丙酸苯酯等。丙酸酯主要用作有機(jī)溶劑和香料，具有良好的溶解性和揮發(fā)性，可以增加產(chǎn)品的香氣和風(fēng)味。丙酸酯的合成方法一般是將丙酸與相應(yīng)的醇或酚在酸性催化劑的作用下進(jìn)行酯化反應(yīng)，然后通過蒸餾、精餾等步驟得到。例如，丙酸乙酯的合成方程式為：丙酸酐是丙酸的酐類，是一種無色的液體，具有強(qiáng)烈的刺激性氣味。丙酸酐主要用作醇酸樹脂、染料、農(nóng)藥、醫(yī)藥等的原料，可以提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。丙酸酐的合成方法一般是將丙酸在脫水劑的作用下進(jìn)行縮合反應(yīng)，然后通過分餾等步驟得到。例如，丙酸酐的合成方程式為：丙酰氯是丙酸的酰氯，是一種無色的液體，具有強(qiáng)烈的刺激性氣味和腐蝕性。丙酰氯主要用作酰胺、酰肼、酰腙等的原料，可以用于合成各種有機(jī)化合物。丙酰氯的合成方法一般是將丙酸與三氯化磷或氯化亞硫酸在無水條件下反應(yīng)，然后通過分餾等步驟得到。例如，丙酰氯的合成方程式為：氯丙酸是丙酸的氯代衍生物，是一種無色的液體，具有強(qiáng)烈的刺激性氣味和腐蝕性。氯丙酸主要用作除草劑、殺蟲劑、醫(yī)藥等的原料，可以用于合成各種有機(jī)化合物。氯丙酸的合成方法一般是將丙酸與氯化劑在酸性條件下反應(yīng)，然后通過分餾等步驟得到。例如，氯丙酸的合成方程式為：1.5產(chǎn)品方案分析丙烯氧化合成丙酸是一種利用丙烯和二氧化碳為原料，通過低壓羰基合成法，以丙酸鈷為催化劑，生成丙酸的工藝。該工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：原料來源廣泛，丙烯是石化等行業(yè)的常見副產(chǎn)品，價(jià)格低廉，供應(yīng)穩(wěn)定；反應(yīng)條件溫和，對(duì)設(shè)備和管材要求不高；反應(yīng)選擇性高，且產(chǎn)物易分離；產(chǎn)品純度高，丙酸的選擇性為90%，無需復(fù)雜的精制工序。根據(jù)以上分析，丙烯氧化合成丙酸是一種具有較高技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品方案，適合在我國(guó)推廣和應(yīng)用。1.6國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀丙酸是一種重要的精細(xì)化工產(chǎn)品和有機(jī)合成原料，廣泛應(yīng)用于食品、飼料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、香料等行業(yè)。我國(guó)丙酸的市場(chǎng)需求量逐年增長(zhǎng)，但國(guó)內(nèi)生產(chǎn)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足，每年需要大量進(jìn)口，形成了供需缺口。因此，為滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，提高自給率，降低對(duì)外依存度，增加經(jīng)濟(jì)效益，需大力發(fā)展乙烯氧化合成丙酸的生產(chǎn)規(guī)模。2.工藝路線2.1合成技術(shù)路線比選2.1.1羰基合成法羰基合成一種傳統(tǒng)的合成丙酸的方法，它涉及到通過羰基化反應(yīng)合成丙酸。這個(gè)過程通常使用一氧化碳和乙烯作為原料。在這個(gè)反應(yīng)中，一氧化碳和乙烯在催化劑的作用下反應(yīng)生成丙酸?；瘜W(xué)方程式如下：羰基合成法的優(yōu)點(diǎn)是原料易得，反應(yīng)條件相對(duì)溫和。但是，這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)催化劑的選擇性要求較高，且副產(chǎn)品的生成可能導(dǎo)致提純困難。2.1.2氧化丙烯法氧化丙烯法:另一種合成丙酸的方法是通過丙烯的氧化反應(yīng)。在這個(gè)過程中，丙烯首先被氧化生成丙醛，然后丙醛進(jìn)一步氧化生成丙酸。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是需要高溫和高壓，且氧化劑的選擇至關(guān)重要?；瘜W(xué)方程式如下：這種方法的缺點(diǎn)在于難以控制氧化程度，過度氧化會(huì)導(dǎo)致副產(chǎn)品的生成。2.1.3生物發(fā)酵法生物發(fā)酵法作為一種環(huán)境友好的丙酸合成方法受到了廣泛關(guān)注。這種方法利用特定的微生物將含碳的底物轉(zhuǎn)化為丙酸。生物發(fā)酵法的優(yōu)點(diǎn)在于其使用可再生資源作為原料，且反應(yīng)條件溫和，環(huán)境影響較小。然而，這種方法的缺點(diǎn)在于產(chǎn)量和選擇性低，副產(chǎn)物難以分離。總結(jié)來說，合成丙酸的技術(shù)路線各有優(yōu)劣。羰基合成法和氧化乙烯法更適合大規(guī)模生產(chǎn)，但它們需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件并且可能對(duì)環(huán)境有較大影響。相比之下，生物發(fā)酵法更環(huán)保，但在工業(yè)化生產(chǎn)中面臨效率和成本的挑戰(zhàn)?？紤]到本設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)量大，產(chǎn)品純度高，故本設(shè)計(jì)選用氧化丙烯工藝生產(chǎn)丙酸。2.2工藝路線概況丙醛氧化法生產(chǎn)丙酸的基本原理是：在100℃，2MPa時(shí)CH3CH2COOCo做催化劑，丙烯與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成丙醛。生成的丙醛在60℃，0.5MPa下再進(jìn)一步被氧化成丙酸。反應(yīng)方程式如下：丙烯氧化法生產(chǎn)丙酸的工藝流程圖如下：圖2.1工藝流程簡(jiǎn)圖丙烯和氧氣壓縮、預(yù)熱，先進(jìn)入丙烯氧化反應(yīng)器，被氧化成丙醛后，再通入丙醛氧化反應(yīng)器進(jìn)一步氧化，生成丙酸和水。丙醛氧化反應(yīng)器出口氣體進(jìn)入吸收塔，用水溶液吸收丙酸，得到丙酸水溶液。未吸收的氣體經(jīng)過分離、凈化、回收后，部分循環(huán)回反應(yīng)器，部分排放至大氣。丙酸水溶液經(jīng)過精制后，得到符合設(shè)計(jì)要求的丙酸產(chǎn)品。2.3主要設(shè)備概況2.3.1丙烯氧化反應(yīng)器丙烯氧化反應(yīng)器多管殼式固定床反應(yīng)器，內(nèi)裝羧酸鹽丙酸鈷為主的催化劑，反應(yīng)溫度為100℃，反應(yīng)壓力為2MPa，反應(yīng)器外殼通過循環(huán)水冷卻，以控制反應(yīng)溫度和防止熱失控。規(guī)定丙烯和氧氣取進(jìn)料比為4：3以控制反應(yīng)的進(jìn)度。2.3.2丙醛氧化反應(yīng)器丙醛氧化反應(yīng)器也采用多管殼式固定床反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)壓力為0.5MPa。規(guī)定氧氣與丙醛的進(jìn)料比為1：1，以增大丙醛的轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)器外殼通過循環(huán)水冷卻，以控制反應(yīng)溫度和防止熱失控。2.3.3精制塔精制塔采用板式塔，塔內(nèi)設(shè)有多層篩板，從吸收塔流出的丙酸水溶液進(jìn)入精制塔后，將精制丙酸產(chǎn)品從塔釜流出，丙醛、乙酸和水則從塔頂餾出。精制塔的塔頂壓力為0.1MPa，塔底溫度為120-140℃，精制丙酸產(chǎn)品的純度達(dá)到99%以上。

3.工藝計(jì)算3.1概述本設(shè)計(jì)為年產(chǎn)5萬噸丙酸合成工段工藝設(shè)計(jì)項(xiàng)目。在工藝選擇中，根據(jù)本項(xiàng)目的任務(wù)要求，比較各工藝特點(diǎn)，最終選擇丙烯氧化法作為本設(shè)計(jì)實(shí)際工藝流程的設(shè)計(jì)。確定工藝流程后，在此需要通過物料守恒對(duì)全流程進(jìn)行計(jì)算，以確定原料的進(jìn)料量。確定原料進(jìn)料量后，還需根據(jù)相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)各單元操作及化工設(shè)備進(jìn)行物料平衡的計(jì)算，再通過物料平衡計(jì)算的結(jié)果完成能量平衡的計(jì)算，以便完成后續(xù)的設(shè)備選型工作。3.2生產(chǎn)制度與基礎(chǔ)參數(shù)本設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)年產(chǎn)量為5萬噸丙酸的設(shè)計(jì)要求，采用丙烯氧化法生產(chǎn)丙酸的工藝方案。該項(xiàng)目可全年連續(xù)操作，每年除去節(jié)假日、設(shè)備檢修、保養(yǎng)以及意外情況，取操作時(shí)間為300天，每天四班，每班6小時(shí)，全天操作。本設(shè)計(jì)對(duì)丙酸的生產(chǎn)工段進(jìn)行設(shè)計(jì)，生產(chǎn)工段的基礎(chǔ)參數(shù)如下表：表3.1原料組成序號(hào)物質(zhì)摩爾分率1丙烯99.5%C3H6，0.5%C3H82氧氣99.2%O2，0.8%H2O表3.2反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及選擇性序號(hào)項(xiàng)目參數(shù)1R101中丙烯的轉(zhuǎn)化率99.8%2R101中丙醛選擇性95.0%3R101中丙酸選擇性5%4R102中丙醛的轉(zhuǎn)化率75%5R102中丙酸選擇性90%6R102中乙酸選擇性10%表3.3各分離設(shè)備的收率及產(chǎn)品純度序號(hào)項(xiàng)目參數(shù)1精制塔回收率95.06%2精制塔純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）99%表3.4各物料的分子量序號(hào)物料分子量1丙烯42.12氧氣32.03丙醛58.14丙酸74.13.3物料衡算3.3.1原料量的確定本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為年產(chǎn)5萬噸丙酸，已知全年有效操作天數(shù)為300天，操作24時(shí)則每小時(shí)單位產(chǎn)量為：已知從精制塔流出的產(chǎn)品純度為99%，則產(chǎn)品中純丙酸的量為：精制塔的回收率為95.06%，故可求得流入精制塔的丙酸量為：即意味著丙醛氧化器需要生成97.601kmol/h的丙酸，已知丙醛氧化反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)為： 求得從丙烯氧化反應(yīng)器流生成的丙醛的量為：故可求得所需要進(jìn)料氧氣的量為：144.594kmol/h可求得進(jìn)料氧氣中水的量為：在丙烯氧化反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)：可求得需丙烯的量為：需氧氣的量：可求得在反應(yīng)器R101進(jìn)料丙烷的量：進(jìn)料流股中水的量：可得外加進(jìn)料詳情表如下表表3.5外加進(jìn)料詳情表物質(zhì)R101（kmol/h）R102（kmol/h）CH3CH=CH2152.5090CH3CH2CH30.7660O2114.382144.594H2O0.9221.166CH3CH2CHO003.3.2丙烯氧化反應(yīng)器物料衡算丙烯氧化反應(yīng)器物料衡算示意圖如圖3.1所示。對(duì)丙烯氧化反應(yīng)器可求得進(jìn)料丙烯的量為：丙烷的量為：進(jìn)料氧氣量為：圖3.1反應(yīng)器R101物料衡算示意圖其中水的量為：根據(jù)各反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率可求得反應(yīng)消耗丙烯的量：反應(yīng)消耗氧氣的量：所以出料丙烯的量為：出料氧氣的量為：反應(yīng)生成的丙醛的量為：生成丙烯醛的量為：生成水的量為：由上述計(jì)算可得丙烯氧化反應(yīng)器物料衡算表：表3.6丙烯氧化反應(yīng)器物料衡算表物質(zhì)進(jìn)料出料進(jìn)料丙烯（kg/h）進(jìn)料氧氣（kg/h）塔頂出料（kg/h）塔釜出料（kg/h）CH3CH=CH26420.613012.8410CH3CH2CH333.797033.7970O203660.2241103.1970H2O017.8560148.582CH3CH2CHO0008400.899CH2=CHCHO000426.931總計(jì)6454.4103678.081298.4178827.833.3.3丙醛氧化反應(yīng)器物料衡算丙醛氧化反應(yīng)器物料衡算示意圖如下圖3.2所示。圖3.2丙醛氧化反應(yīng)器物料衡算示意圖丙烯氧化反應(yīng)器的產(chǎn)品流股直接流入丙醛氧化反應(yīng)器，在丙醛氧化反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)：已知進(jìn)料丙醛的量為8400.899kg/h，根據(jù)反應(yīng)方程式及轉(zhuǎn)化率可求得反應(yīng)消耗丙醛的量：進(jìn)料氧氣的量為：進(jìn)料氧氣中含水量為：消耗氧氣的量為：出料丙醛的量為：出料氧氣的量為：反應(yīng)生成的丙酸的量為：反應(yīng)生成乙酸的量為：反應(yīng)生成二氧化碳的量為：反應(yīng)生成水的量為：由上述計(jì)算可得丙醛氧化反應(yīng)器物料衡算表。表3.7丙醛氧化反應(yīng)器物料衡算表物質(zhì)進(jìn)料出料進(jìn)料丙醛（kg/h）進(jìn)料氧氣（kg/h）塔頂出料（kg/h）塔釜出料（kg/h）O203660.2161404.5530H2O148.58229.5180373.302CH3CH2CHO8400.89902100.2250CH2=CHCHO426.9310426.9310CH3CH2COOH0007232.220CH3COOH000651.756CO200477.1590總計(jì)8976.4123689.7344408.8488257.2783.3.4精制塔物料衡算精制塔物料衡算示意圖如圖3.3所示。圖3.3精制塔物料衡算示意圖在丙酮氧化反應(yīng)器中，未反應(yīng)完全的氧氣及丙酮等低沸點(diǎn)物料全部從反應(yīng)器頂部排出，丙酸，乙酸和水從反應(yīng)器底部以液相流出。進(jìn)入精制塔后，通過精餾將丙酸和乙酸及水分離開。精制塔對(duì)丙酸的回收率是95.06%，塔釜流出丙酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%。其中由于丙酸和乙酸物性相近，較難分離，故也會(huì)有小部分乙酸從塔釜流出?？汕蟮盟鞒霰岬牧繛椋核偭髁繛椋核鞒鲆宜岬牧繛椋核旔s出乙酸的量為：則可得精制塔物料衡算表如表3.8所示。表3.8精制塔物料衡算表物質(zhì)進(jìn)料出料塔頂出料塔釜出料H2O373.302373.3020CH3CH2COOH7232.220357.2726874.948CH3COOH651.756582.31269.444總計(jì)8257.2781312.8866944.3923.3熱量衡算3.3.1熱量衡算計(jì)算方法熱量衡算的基礎(chǔ)是能量守恒定律，即進(jìn)入系統(tǒng)的熱量與離開熱量相互平衡?？捎霉奖硎緸椋篞1—物料進(jìn)入設(shè)備帶入熱量；Q2—由加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備和物料的熱量；Q3—過程熱效應(yīng)；Q4—物料離開設(shè)備帶出的熱量；Q5—消耗在加熱設(shè)備各個(gè)部件上的熱量；Q6—設(shè)備向四周散失的熱量。3.3.2換熱器E101熱量衡算本設(shè)計(jì)采用此換熱器對(duì)混合后的進(jìn)料氣體進(jìn)行加熱，進(jìn)料氣體的進(jìn)料壓力為2MPa，進(jìn)料溫度為35℃，需將其加熱至100℃。根據(jù)已知換熱器的出料流股即丙烯氧化反應(yīng)器的進(jìn)料流股，且在換熱器中的無物料損失，且不發(fā)生反應(yīng)，則可得換熱器物料衡算表如下表所示。表3.9換熱器E101物料衡算表物質(zhì)進(jìn)料量（kg/h）出料量（kg/h）CH3CH=CH26420.6136420.613CH3CH2CH333.79733.797O200H2O00總計(jì)6454.4106454.410查得2MPa下35℃和100℃時(shí)以下溫度下各物質(zhì)的熱容如下表：表3.102MPa下，不同溫度的各物質(zhì)熱容物質(zhì)35℃（kJ/kg·℃）100℃（kJ/kg·℃）C3H61.5781.817C3H81.7112.000由物料衡算表可得：（1）物料帶入熱量Q1①C3H6②C3H8:③Q1（2）物料帶出的熱量Q4①C3H6②C3H8③Q4熱效應(yīng)Q3在換熱器中，取熱效應(yīng)為0則：（4）熱損Q5和Q6取熱損為5%，求出熱損為：（4）外加能量Q2由熱量衡算公式可得：由上可得換熱器熱量衡算表如下表所示：表3.11R0101熱量衡算表物料帶入熱量Q1kJ/h帶出熱量Q4kJ/h熱損失Q5+Q6kJ/h反應(yīng)熱Q3kJ/h外加熱量Q2kJ/hC3H6354610.4561166625.38258331.2690868322.262C3H82023.9336759.400合計(jì)464875.87717434587.749故換熱器E101滿足熱量守恒。3.3.3換熱器E102熱量衡算本設(shè)計(jì)采用此換熱器對(duì)丙烯氧化反應(yīng)器的產(chǎn)品流股進(jìn)行冷卻，進(jìn)料流股的進(jìn)料壓力為2MPa，進(jìn)料溫度為100℃，需將其冷卻至60℃。已知反應(yīng)器R101的出料流股即換熱器E102的進(jìn)料流股，且在換熱器中的無物料損失，且不發(fā)生反應(yīng)，則可得換熱器物料衡算表如下表所示。表3.12換熱器物料衡算表物質(zhì)進(jìn)料量（kg/h）出料量（kg/h）O23660.2243660.224H2O17.85617.856總計(jì)3678.0803678.080查得2MPa下35℃和100℃時(shí)以下溫度下各物質(zhì)的熱容如下表：表3.132MPa下，不同溫度的各物質(zhì)熱容物質(zhì)35℃（kJ/kg·℃）100℃（kJ/kg·℃）O20.9191.201H2O1.8664.557由物料衡算表可得：（1）物料帶入熱量Q1①O2;②H2O:③Q1（2）物料帶出的熱量Q4①O2②H2O③Q4熱效應(yīng)Q3在換熱器中，取熱效應(yīng)為0則：（4）熱損Q5和Q6取熱損為5%，求出熱損為：（4）外加能量Q2由熱量衡算公式可得：由上可得換熱器熱量衡算表如下表所示：表3.14R102熱量衡算表物料帶入熱量Q1kJ/h帶出熱量Q4kJ/h熱損失Q5+Q6kJ/h反應(yīng)熱Q3kJ/h外加熱量Q2kJ/hO2117731.105439592.90222386.4940351219.095H2O1166.1758136.979合計(jì)118897.28447729.881故換熱器E102滿足熱量守恒。3.3.4丙烯氧化反應(yīng)器熱量衡算已知丙烯氧化反應(yīng)器的物料衡算表如下：表3.15丙烯氧化反應(yīng)器物料衡算表物質(zhì)進(jìn)料量（kg/h）出料流量（kg/h）CH3CH=CH26420.61312.841CH3CH2CH333.79733.797O23660.2241103.197H2O17.856148.582CH3CH2CHO08400.878表3.15（續(xù)）物質(zhì)進(jìn)料量（kg/h）出料流量（kg/h）CH2=CHCHO0426.931總計(jì)10132.4910126.226已知丙烯氧化反應(yīng)器中，反應(yīng)發(fā)生的進(jìn)度及反應(yīng)熱如表3.7所示。表3.16反應(yīng)進(jìn)度及反應(yīng)熱反應(yīng)反應(yīng)進(jìn)度（kmol/h）反應(yīng)熱（kJ/kmol）2C3H6+O2→2C2H5CHO72.299-205108C3H6+O2→CH2=CHCHO+H2O7.610-343037生成物質(zhì)在2MPa，100℃時(shí)的熱容如下表：表3.17生成物在2MPa，100℃時(shí)的熱容物質(zhì)熱容（kJ/kg·℃）C2H5CHO3.065C2H3CHO2.355（1）物料帶入的熱量Q1①C3H6②C3H8③O2④H2O⑤Q1（2）反應(yīng)熱Q3由表3.14可得出2C3H6+O2→2C2H5CHO的反應(yīng)熱：C3H6+O2→CH2=CHCHO+H2O的反應(yīng)熱：（3）出料的能量Q4①C3H6②C3H8③CH3CH2CHO④H2O⑤CH2=CHCHO求出Q4（4）熱損為Q5和Q6取熱損為5%，求出熱損為（5）外加熱量Q2由熱量衡算：可得由上可得丙烯氧化反應(yīng)器熱量衡算表如下所示。表3.18丙烯氧化反應(yīng)器熱量衡算表物料帶入熱量Q1kJ/h帶出熱量Q4kJ/h熱損失Q5+Q6kJ/h反應(yīng)熱Q3kJ/h外加熱量Q2kJ/hCH3CH=CH21166625.3822328.304137610.39417439614.86218708318.472CH3CH2CH36749.4006759.400O2439592.902表3.18（續(xù)）物料帶入熱量Q1kJ/h帶出熱量Q4kJ/h熱損失Q5+Q6kJ/h反應(yīng)熱Q3kJ/h外加熱量Q2kJ/hH2O8136.9792574869.107CH3CH2CHO67708.817CH2=CHCHO100542.251總計(jì)1621104.6632752207.879其中有：故丙烯氧化反應(yīng)器熱量守恒。3.3.5丙醛氧化反應(yīng)器熱量衡算已知丙醛氧化反應(yīng)器的物料衡算表如下：表3.19丙醛氧化反應(yīng)器物料衡算表物質(zhì)進(jìn)料量（kg/h）出料流量（kg/h）CH3COOH0651.756CH3CH2COOH07232.220CO20477.159O23660.2161404.553H2O178.100373.302CH3CH2CHO8400.8992100.225CH2=CHCHO426.931426.931總計(jì)12666.14612666.126已知丙醛氧化反應(yīng)器中，反應(yīng)發(fā)生的進(jìn)度及反應(yīng)熱如表3.20所示。表3.20反應(yīng)進(jìn)度及反應(yīng)熱反應(yīng)反應(yīng)進(jìn)度（kmol/h）反應(yīng)熱（kJ/kmol）48.817-268753表3.20（續(xù)）反應(yīng)反應(yīng)進(jìn)度（kmol/h）反應(yīng)熱（kJ/kmol）10.848883343生成物質(zhì)在2MPa，60℃時(shí)的熱容如下表：表3.21生成物在2MPa，60℃時(shí)的熱容物質(zhì)熱容（kJ/kg·℃）CH3COOH1.301CH3CH2COOH1.263（1）物料帶入的熱量Q1①C3H6O②C3H3O③O2④H2O⑤Q1（2）反應(yīng)熱Q3由表3.14可得出2C3H6+O2→2C2H5CHO的反應(yīng)熱：C3H6+O2→CH2=CHCHO+H2O的反應(yīng)熱：（3）出料的能量Q4①O2②CO2③CH3CH2CHO④H2O⑤CH2=CHCHO⑥CH3COOH⑦CH3CH2COOH求出Q4（4）熱損為Q5和Q6取熱損為5%，求出熱損為（5）外加熱量Q2由熱量衡算：可得由上可得丙烯氧化反應(yīng)器熱量衡算表如下所示。表3.22丙烯氧化反應(yīng)器熱量衡算表物料帶入熱量Q1kJ/h帶出熱量Q4kJ/h熱損失Q5+Q6kJ/h反應(yīng)熱Q3kJ/h外加熱量Q2kJ/hCH3COOH50876337CH3CH2COOHO2202702.76284273.186H2O5293.56965066.539CH3CH2CHO990465.992247616.528表3.22（續(xù)）物料帶入熱量Q1kJ/h帶出熱量Q4kJ/h熱損失Q5+Q6kJ/h反應(yīng)熱Q3kJ/h外加熱量Q2kJ/hCH2=CHCHOCO243700.65743700.65725337.143總計(jì)1242162.9801064927.758其中有：故丙烯氧化反應(yīng)器熱量守恒。

4.設(shè)備選型4.1換熱器換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備。在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場(chǎng)合。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛、形式繁多。直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場(chǎng)合。常見的設(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí)從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降。從而達(dá)到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可耐高溫、常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點(diǎn)是設(shè)備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。4.1.1設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)采用此換熱器對(duì)混合后的進(jìn)料氣體進(jìn)行加熱，進(jìn)料氣體的進(jìn)料壓力為2MPa，進(jìn)料溫度為35℃，需將其加熱至100℃，采用熱蒸汽對(duì)其進(jìn)行加熱，規(guī)定熱蒸汽進(jìn)料壓力為1MPa，進(jìn)料溫度為165℃，出料溫度為120℃。冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低?？紤]到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。從操作壓力上來看，應(yīng)使進(jìn)料氣體走管程，熱蒸汽走殼程。4.1.2物性參數(shù)的確定（1）定性溫度取熱流股的定性溫度為：取冷流股的定性溫度為：（2）物性參數(shù)在定性溫度下，通過AspenPlus模擬得的數(shù)據(jù)已知降溫流股即殼程流體的流量為9033.261kg/h，使用AspenPlus中的流股分析模塊即可分別查得殼程和管程流體的有關(guān)物性參數(shù)如下表：表5.2物性參數(shù)表分子量密度kg/m3定壓熱容kJ/(kg?℃)導(dǎo)熱系數(shù)W/(m?℃)黏度Pa?s管程18.015994.1444.1250.6088.831×10-4殼程45.8048.8791.4730.1322.028×10-44.1.3傳熱面積估算（1）熱流量（忽略熱損）（2）計(jì)算平均傳熱溫差（以逆流計(jì)算）修正：查對(duì)數(shù)平均溫度差校正系數(shù)圖：圖5.1對(duì)數(shù)平均溫度差校正系數(shù)圖得溫度校正系數(shù)?φ=0.98，故可求得校正后的溫度為：（3）冷卻水用量（4）估算總傳熱系數(shù)假設(shè)總傳熱系數(shù)K=500，則對(duì)應(yīng)的傳熱面積：考慮到15%的面積裕度，故求得傳熱面積4.1.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）管徑和管內(nèi)流速假設(shè)管內(nèi)流速ui=1m/s，選用Ф25×2.5mm碳鋼傳熱管。（2）傳熱管數(shù)與管束長(zhǎng)度將以上所得的數(shù)據(jù)帶入公式，可得單程傳熱管數(shù)：按單程換熱計(jì)算出管束的長(zhǎng)度：基于計(jì)算得出的建議，如果原本的單管程換熱管長(zhǎng)度顯得過長(zhǎng)，現(xiàn)決定將每個(gè)單程換熱管束的長(zhǎng)度調(diào)整為43.2m，換熱器管程數(shù)NP=8，則傳熱管長(zhǎng)：傳熱管總根數(shù)為：（3）管排列本換熱器采用正三角形排列，取管心距t=1.25t0，則有：（4）橫過管束中心線的管數(shù)（5）殼體內(nèi)徑取管板利用率η=0.7，則內(nèi)徑：取殼體內(nèi)徑為D=300mm，則有：故換熱器平放。（6）折流擋板規(guī)定切去的圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度：取折流板間距B=0.3D，則：故可求得折流板數(shù)：4.1.5核算總對(duì)流傳熱系數(shù)（1）核算管程對(duì)流傳熱系數(shù)①管程流通截面積②流速③Re值④管程普朗特系數(shù)⑤管程對(duì)流傳熱系數(shù)（2）核算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)①當(dāng)量直徑由正三角排列可得：②殼程流通截面積③流速④Re值⑤殼程普朗特系數(shù)⑥殼程對(duì)流傳熱系數(shù)（3）污垢熱阻取冷卻水的污垢熱阻：取被冷卻流股的污垢熱阻：（4）總傳熱系數(shù)解得，則有：（5）傳熱面積（6）換熱器內(nèi)流體流動(dòng)阻力①管程壓降取換熱管的管壁粗糙度為0.1mm，則：對(duì)Ф25×2.5mm的碳鋼傳熱管有：，在此換熱器中，Ns為1，此前以計(jì)算出NP=8，則有：②殼程壓降同理對(duì)Ф25×2.5mm的碳鋼傳熱管取：，Ns為1；對(duì)正三角排列有F=0.5則：4.2丙烯氧化反應(yīng)器4.2.1反應(yīng)器類型丙烯氧化反應(yīng)是一種多相反應(yīng)，涉及氣相的丙烯和氧氣，液相的丙醛和水，以及固相的催化劑。因此，反應(yīng)器的類型應(yīng)該能夠提供充分的氣液固三相接觸，以提高反應(yīng)效率和選擇性。目前，丙烯氧化反應(yīng)常用的反應(yīng)器類型有兩種，一種是多管殼式固定床反應(yīng)器，另一種是流化床反應(yīng)器。多管殼式固定床反應(yīng)器是一種傳統(tǒng)的反應(yīng)器類型。反應(yīng)器由多根管子組成，管子內(nèi)裝有催化劑顆粒，管子外通過循環(huán)水冷卻，以控制反應(yīng)溫度和防止熱失控。反應(yīng)器的一端進(jìn)入丙烯和空氣的混合氣體，反應(yīng)器的另一端出口未反應(yīng)的氣體和反應(yīng)生成的丙酸和水的混合液體。該反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作穩(wěn)定，催化劑易于更換，缺點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)存在較大的溫度梯度，反應(yīng)選擇性較低，催化劑易于失活和結(jié)焦。流化床反應(yīng)器是一種新型的反應(yīng)器類型，由一個(gè)垂直的圓筒組成，圓筒內(nèi)裝有催化劑顆粒，圓筒底部設(shè)有一個(gè)分布板，用于分散進(jìn)入的氣體。反應(yīng)器的底部進(jìn)入丙烯和空氣的混合氣體，反應(yīng)器的頂部出口未反應(yīng)的氣體和反應(yīng)生成的丙酸和水的混合液體。由于氣體的流速較高，催化劑顆粒被懸浮在氣流中，形成一個(gè)類似液體的流化狀態(tài)，從而增加了氣液固三相的接觸面積和傳質(zhì)效率。該反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)溫度分布均勻，反應(yīng)選擇性較高，催化劑易于再生和循環(huán)利用，缺點(diǎn)是反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作控制困難，催化劑顆粒易于磨損和流失。綜合比較兩種反應(yīng)器類型的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇多管殼式固定床反應(yīng)器作為丙烯氧化反應(yīng)器的類型，主要考慮到以下原因：多管殼式固定床反應(yīng)器是一種成熟的反應(yīng)器類型，具有較強(qiáng)的可靠性和適應(yīng)性，可以滿足本設(shè)計(jì)的生產(chǎn)規(guī)模和質(zhì)量要求；多管殼式固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造和安裝，可以降低本設(shè)計(jì)的投資成本和維護(hù)成本；多管殼式固定床反應(yīng)器的操作穩(wěn)定，催化劑易于更換，可以保證本設(shè)計(jì)的生產(chǎn)連續(xù)性和安全性；多管殼式固定床反應(yīng)器的反應(yīng)選擇性雖然較低，但可以通過優(yōu)化反應(yīng)條件和后處理工藝來提高丙酸的純度和收率。4.2.2反應(yīng)器尺寸根據(jù)物料衡算的結(jié)果，丙烯氧化反應(yīng)器的進(jìn)料流量為268.579kmol/h，反應(yīng)器內(nèi)的氣液比為0.8。反應(yīng)器的尺寸計(jì)算主要包括反應(yīng)器的直徑和長(zhǎng)度的確定，以及催化劑的裝填量的估算。反應(yīng)器的直徑的確定主要考慮反應(yīng)器內(nèi)的壓降和傳質(zhì)效率，一般采用下列經(jīng)驗(yàn)公式其中，D為反應(yīng)器的直徑，單位為m；Q為反應(yīng)器的進(jìn)料流量，單位為m3/s；v為反應(yīng)器內(nèi)的氣體流速，單位為m/s。根據(jù)反應(yīng)器的進(jìn)料流量和氣液比，由公式可求得在2MPa，100℃時(shí)，摩爾氣體體積為：可以計(jì)算出反應(yīng)器內(nèi)的氣體流量為假設(shè)反應(yīng)器內(nèi)的氣體流速為0.015m/s，代入公式，可得反應(yīng)器的直徑為：反應(yīng)器的長(zhǎng)度的確定主要考慮反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，一般采用下列經(jīng)驗(yàn)公式其中，L為反應(yīng)器的長(zhǎng)度，單位為m；v為反應(yīng)器內(nèi)的氣體流速，單位為m/s；t為反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間，單位為s；η為反應(yīng)器的空隙率，一般取0.4。假設(shè)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間為80s，代入公式，可得反應(yīng)器的長(zhǎng)度為：催化劑的裝填量的估算主要考慮反應(yīng)器的直徑、長(zhǎng)度和空隙率，以及催化劑的密度和活性，一般采用下列經(jīng)驗(yàn)公式：其中，W為催化劑的裝填量，單位為kg；D為反應(yīng)器的直徑，單位為m；L為反應(yīng)器的長(zhǎng)度，單位為m；ρ為催化劑的密度，單位為kg/m3；η為反應(yīng)器的空隙率，一般取0.4。根據(jù)錳基催化劑的密度為1200kg/m3，代入公式，可得催化劑的裝填量為：綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇的丙烯氧化反應(yīng)器的尺寸為：直徑2.7