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20～40 ppm。
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%C2H5OH 0.578
产物中：乙醇C2H5OH 94.5%
乙醛CH3CHO 2%
乙醚C2H5OC2H5 2%
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：
2 C2H5OH＝C2H5OC2H5 （2）
C2H5OH =CH3CHO+H2 （3）（2）产品产量及其组成
50000/8000=6250 (Kg)
其中：C2H5OH 6250×94.5%=5906.25 kg=128.4 kmol
CH3CHO 6250×2%=125 kg = 2.84 kmol
C2H5OC2H5 6250×2.5%=156.25 kg = 2.11 kmol
H2 6250×2%=125 kg = 2.84 kmol
总摩尔数=128.4+2.84 + 2.11+2.84 =136.19 kmol
(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=133.35 kmol=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2 分离器物料衡算表
表4 萃取器2物料衡算表
表5 精馏塔物料衡算表
表6 脱水器物料衡算表
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 7
5.291 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
则需要补充热量9.63×107+19.65×1077=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40~164 M2/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℃）
即反应放出总热量为5.14×106 kJ
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
表11 转化气带出的热量70℃
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
7-9.44×106=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
电
排放
6.工艺设计图纸
ＰＩＤ图，ＰＦＤ图如图３，４所示。