中北大学2010届毕业设计说明书
再计算得到再沸器给一塔提供的热量： Q一塔再沸器?F1?h一塔再沸器=5665693kJ/h，
?Q一塔=Q一塔再沸器- Q一塔=-309592kJ/h，这部分热量可自加热器提供。
4.4.2 精馏二塔热量衡算
第二精馏塔的功能是把醋酸和醋酸乙烯区分开，塔顶出粗醋酸乙烯，塔底出粗醋酸，热量衡算式子：Q[塔顶出料]+Q[塔釜出料]=+Q[原始进料]+?Q[23]。 根据同样的原理和数据，进行二塔的物料衡算，得到二塔塔顶、塔釜出料的各个状态参数如表4-6所示。
表4-6 二塔塔顶、塔釜出料的流量和焓值
类型 流量（kmol/h) 焓值(kJ/mol) 塔顶出料 2.83 64.17 塔釜出料 48.18 15.35 原始进料 50.91 10.97
二塔的输出热量：
=921164kJ/h。 Q二塔输出?（F二塔塔顶出?h二塔塔顶出?F二塔塔釜出?h二塔塔釜出）料料料料 二塔的输入能量：
Q二塔输入?F二塔原始进料?h二塔原始进料=558483kJ/h。?Q二塔=Q二塔输入?Q二塔输出=-36268kJ/h，这部分热量可由加热器提供。 4.4.3 精馏三塔的热量衡算
第三精馏塔的加料是第二精馏塔塔顶采出的粗醋酸乙烯，该塔的功能是脱轻组分，即从塔顶把乙醛蒸出。热量衡算式子：Q[塔顶出料]+Q[塔釜出料]=Q[回流进料]+Q[原始进料]+?Q[23]。
依一塔的热量衡算，三塔进、出料气液相焓值以及流量如表4-7所示。 表4-7 一塔进、出料的气夜相流量及焓值
类型 流量（kmol/h) 焓值(kJ/mol)
塔顶出料 118.32 73.09 塔釜出料 49.10 7.75 回流进料 70.18 11.72 原始进料 97.24 25.45 第 21 页 共 45 页
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三塔必须加入的热量：Q三塔=7565798kJ/h。
三塔再沸器的供热量是通过进出口参数是来计算的，再沸器的进口参数就是它的出口参数，出口参数可以选择冷凝至饱和液体的状态参数。三塔再沸器的各个参数进口温度408.15K、进口压力321041Pa和进口焓值77.56kJ/mol。
三塔再沸器的出口温度必须高于塔釜出料的温度，三塔塔釜出料的温度是373.03K,计算得到饱和液体的流体焓值：h三塔再沸器=23.17kJ/mol。 三塔再沸器的供热量：Q三塔再沸器?F3?h三塔再沸器=8302090kJ/h。
?Q三塔=Q三塔再沸器- Q三塔=736292kJ/h，这部分热量由冷凝器带走。
假定冷凝水进口温度为20℃，出口温度为80℃，可得冷凝器所用冷水流量
736292=2840.63kg/h。
4.32?（80?20）4.4.4其它几塔的热量衡算 h3=
依上述方法，通过计算得到其它几塔的热量衡算结果，见表4-8 表4-8 四－八塔的热量衡算结果
塔号 四 五 六 七 八
?Q(kJ/h) 550872 150752 -299476 105824 -250682 精馏四、五、七塔所短缺的热量由加热器提供。
精馏六、八塔所富余的热量由冷凝器带走，假定冷凝水进口温度为20℃，出口温度为80℃，计算所需冷凝水用量分别是h4=1155.39kg/h，h5=967.14kg/h。
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5.主要设备的工艺设计和选型
5.1固定床反应器
乙炔气相法合成醋酸乙烯的反应器主要有固定床反应器和流化床反应器，根据反应的转化率、选择性、反应热提供或转移的方法、催化剂的性能和寿命等几个方面因素选择。固定床反应器被广泛应用于流－固相催化和非催化反应，尤其适用于要求高转化率和高选择性的反应，这次化工设计采用固定床反应器。固定床反应器按催化剂床与外界是否进行热量交换可以分为绝热反应器和换热式反应器，工业上普遍采用换热式反应器，尤其是列管式换热反应器[24]。 （1）体积的计算
依一般经验看来固定床反应器进口气体的初始浓度C0=1.89kg/m3，原料气的体积流量Vh?25617.70?27752.51?28238.20m3/h，即是固定床反应器
1.89每小时需要处理的物料量，反应器采用连续式操作。
空速（每m3催化剂每h通过的标准气体量）U=315h-1[25]，则催化剂床层理论体V积Vc?h=28238.20/315=89.65m3。
U0.4床层空隙率是0.4[25]，则V0=89.65?=59.77m3，则催化剂床层实际体积
0.6Vp=Vc+V0=149.42m3。
从下面有关的固定床反应器的尺寸设计，我们知道反应器内列管呈三角形排列，列管之间的间距是63mm，列管有效长度是8m，则反应器内列管及其空间排布所占的体积VL=28.26?8=226.08m3，反应器内催化剂的体积是37.36m3。
固定床反应器体积不仅包括Vp，还包括原料分布体积空间和物料分离空间，这部分空间占据的体积Vw=(12-8)?28.26+20=133.04m3.那么反应器的体积 V=VL+Vw=359.12m3，圆整取360m3。
（2）尺寸的设计
反应器列管选取?45mm?2.5mm的无缝钢管，列管有效长度8m。因反应物料较多，采用了四台非连续式固定床反应器，则每台固定床反应器列管数按公式
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Vp=
?42（0.045?0.005）?8?n=150/4，解得n=3732.09，n的数值取d2tLn=0.785?3733，即是固定床反应器的列管数。
根据《化工原理课程设计》[23]知反应器直径D=Pt（b-1）+2e，管心距Pt=63mm，正六边形对角线上的管数b=95，最外层六角形管中心到壳体内壁距离e=1.5d=67.5mm，代入计算知反应器壳体直径D=6000mm。
筒体高度H，长径比r（H/D）一般是1～3,固定床反应器r取2，则H=12m。
设两根列管管芯到管芯之间的间距是c（列管是按三角形排列），3733根 列管可组成7466个三角形（1245个正六边形），每个三角形的面积是
32d，4?322（D?2e）c+，=7466?解得c=63mm，因c含有列管部分，所以列管距是18mm。 44封头的高度h1占短轴之半，知标准椭圆型封头h1=0.25D=1.5m。这个椭圆的的长轴是a=D/2=3m，短轴b=3m。标准封头曲面面积s=1.083D2=1.083×62=39.00m2。 封头及筒体的材料均为GB3274-95标准Q235-A钢材，封头的厚度与筒体厚度值相同，?取38mm[27]。反应器进口高度是1.2m，出口高度是0.3m，裙座支承结构高度是2.0m，整个反应器的高度是18.5m。
（3）传热面积的计算
传热面积的计算按公式Q=Aat?tm，式中Q是反应器内富余的热量，at是床层对壁传热系数，?tm是原料气与传热介质的对数平均温差。
at按公式at=
?fdt?3.5?（dp???G?0.7）?e?4.5dpdt[28]
计算，式中G是质量流速，?f是
有效导热系数，?是流体密度，?是流体粘度，dp是催化剂当量，dt是反应器列管内径。已知G=0.87kg/(m2·s)，?f=0.73W/(m·K)，?=1.89kg/m3，
?=1.50?10?5kg/(m·s)，dp=3.5?10?3m，dt=0.04m。代入计算得
（T-t1)-(T-t2）计算。代入t2=185℃，at=2608.96kJ/(m2·h·℃)。?tm按?tm?(T?t1）ln（T-t2）第 24 页 共 45 页
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T=205℃，计算得到?tm=54℃。反应器内富余的热量Q=11979032.60kJ/h，t1=140℃，
则反应器的传热面积A=
Q=85.00m2。
at??tm传热面积A?=n?dtL，代入数据计算知A?>A，这说明能够满足传热需要。 （4）反应器的技术参数
表5-1 醋酸乙烯合成反应器的技术参数 项目 壳程 管程
设计压力/MPa 0.08 0.08
设计温度/℃ 140~225 140~225 工作介质 蒸汽冷凝水 C2H2、HAc、VAc 材料 16MnR 16MnR+316L复合板 腐蚀裕度/mm 1.0 1.0 换热面积/m2 85.00
设备重量/kg 90000
醋酸乙烯合成反应器的结构特点分析可知，该设备由六大部件组成，即上封头法兰组合件、上部简体短节组件、下部简体组合件、下锥体组合件、中间换热主体组合件及导热油夹套组合件等。设备的设计选材较为多样，有16MnR、20R、 20、 Q235A、00Crl7Nil4Mo2、1Crl8Ni9Ti、00Crl7Nil2Mo2等。
（a）气体分布装置[26]
旨在消除进口气体过大的初始动能以及气体均匀的导入床层截面，常在进口管的出口端设置预分布器。预分布器选择单级挡板气体分布器，它是由钻有小孔的气体分布板和拉杆组成，板的开孔面积为180mm2，气体穿过的压力降小使气体流动分散。另外在床层顶部和底部各铺设一层厚度为10mm的氧化铅惰性填料，填料粒径为6mm，避免催化剂层表面受到气流的直接冲击，防止污染物带入催化剂。
（b）催化剂床层的选型[25]
根据实际生产经验，乙炔气相法合成醋酸乙烯固定床工艺以Zn(Ac) /活性炭为催化剂，作为载体的活性炭应具备的条件是：有较为发达的中孔结构；大部分微孔的直径在1～3 nm；活性炭表面应具有高浓度的羰基官能团；载体应具有一定的大于50 nm的过渡孔和大孔，比表面积在1 000 m2/g以上。醋酸锌以单分子膜状
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