醋酸乙酯的生产工艺设计(4)

序号 物料名称 1 来自塔Ⅰ顶部馏出液

① 醋酸乙酯 ② 水 ③ 乙醇 2 来自沉降器下层液

① 醋酸乙酯 ② 水 ③ 乙醇

合计

加入

序号 物料名称 1 塔Ⅱ顶部馏出液 ① 醋酸乙酯 ② 水 ③ 乙醇 2 塔Ⅲ顶部馏出液 ① 三组分恒沸液 A 醋酸乙酯 B 水 C 乙醇 ② 双组分恒沸液 A 醋酸乙酯 B 水 3 添加水

合计

加入

纯度% 数量kg/h 序号 物料名称 纯度% 1041.65 1 塔顶馏出液 20 208.33

① 醋酸乙酯 83 10 104.165 ② 水 8 70 729.155

③ 乙醇 9 721.14

2 塔底残液 8 57.69 ① 水 88 634.60 ② 乙醇 4 28.85

1762.79

合计

表4 沉降器的物料衡算表

支出

纯度% 数量kg/h

序号 物料名称 纯度% 320.51

1 沉降器上层 83 266.02 ① 醋酸乙酯 94 8 25.64 ② 水 4 9 28.85

③ 乙醇 2 288.45 2 沉降器下层 113.66

① 醋酸乙酯 8 83 94.34 ② 水 88 8 9.09 ③ 乙醇 4 9 10.23 174.79 94 164.30 6 10.49 608.96

1217.92

合计

表5 进出塔Ⅲ的物料衡算表

支出

数量kg/h

320.51

266.02 25.64 28.85

1442.28 713.21 729.16

1762.79

数量kg/h 496.78 466.97 19.87 9.94 721.14 57.69 634.60 28.85 1217.92

序号 1 ① ② ③

物料名称 来自沉降器上层 醋酸乙酯 水 乙醇 合计

纯度% 94 4 2

数量kg/h 496.78 466.97 19.87 9.94 496.78

序号 1 ① A B C ② A B 2

物料名称 顶部馏出液 三组分恒沸液 醋酸乙酯 水 乙醇 双组分恒沸液 醋酸乙酯 水 塔底成品 合计

纯度% 83 8 9 94 6

数量kg/h

288.45 113.66

94.34 9.09 10.23 174.79 164.30 10.49 208.33 496.78

五. 设备设计

5.1 精馏塔Ⅱ的设计

塔Ⅱ中包含有3个组分(乙醇、醋酸乙酯和水)均为非理想液体，则需要利用实验获得气-液相图进行逐板计算用。

(1) 计算塔板数

根据初步物料衡算的数据，必须作相应的修正，方可作为精馏塔的设计用。

①在初步物料衡算中，塔Ⅱ顶部逸出者为纯三组分恒沸液，这样就需要无穷个塔板数来完成。实际上含有水和乙醇各5摩尔百分数，连同醋酸乙酯组成2个组成分别为水46%和醋酸乙酯54%与乙醇24%和醋酸乙酯76%的双组分恒沸液。

于是塔Ⅱ顶部馏出液组成如下：

醋酸乙酯 E 水 W

kg/h 266.02 25.64

mol%

59.56＋5×54/46＋5×76/24=81.26 28.09＋5 =33.09

mol% 61.70 25.13

乙醇 A 28.85 12.35＋5 =17.35 13.17 131.7 100

②在初步物料衡算中，塔Ⅱ底部出料不含醋酸乙酯，这也属不可能，实际上含有1mol%醋酸乙酯，而其它二组分的mol%含量降低至99%.

于是塔Ⅱ底部馏出液组成如下：

醋酸乙酯 E

kg/h mol% mol% —

+1 =1.0

水 W 713.21 71.46 71.46×99% =70.75

乙醇 A 729.16 28.54 28.54×99% =28.25 100 进料组成不变，于是进出塔Ⅱ的物料衡算如下：

xE=0.6170 216.4kg/h 馏出液：xW=0.2513 18.0kg/h

xA=0.1317 24.15kg/h

xE=0.0499 266.02kg/h

混合进料：xW=0.6782 738.77kg/h

xA=0.2719 758.01kg/h

xE=0.0100 49.67kg/h 残液： xW=0.7075 721.0kg/h xA=0.2825 733.69kg/h

于是进出酯化器的物料衡算如下：

表6 进出塔Ⅱ的物料衡算表

加入

序号 1 ① ② ③

物料名称 混合进料 醋酸乙酯 水 乙醇 合计

组成% 4.99 67.82 27.19

数量kg/h

序号 1 ① ② ③ 2 ① ② ③

物料名称 塔顶馏出液 醋酸乙酯 水 乙醇 塔底残液 醋酸乙酯 水 乙醇 合计

支出

组成% 61.7 25.13 13.17 1.0 70.75 28.25

数量kg/h

1762.80 266.02

738.77 758.01

258.55 216.4 18.0 24.15 1504.36 49.67 721.0 733.69 1762.9

1762.8

取100mol进料液，其中E的摩尔数为5.00；设D为馏出液摩尔数，则残液摩尔数为(100－D)

0.617D＋0.01×(100－D)=5； D=6.59

残液摩尔数为：100－D=100－6.59=93.41 馏出液中E的摩尔数为：0.617×6.59=4.07 残液中E的摩尔数为：5－4.07=0.93 馏出液中W的摩尔数为：0.2513×6.59=1.66 残液中W的摩尔数为：67.82－1.66=66.16 馏出液中A的摩尔数为：0.1317×6.59=0.87 残液中A的摩尔数为：27.19－0.87=26.32

5.2最小回流比的估算

由于上述系统和理想液体比较出入很大，今采用Colburn方法估算最小回流比。 首先求出平均相对挥发度(α

av）

馏出液中：xE/(xE＋xW)=61.7/(61.7＋25.13)=0.71; xA=13.17 由平衡图上找出：yE/(yE＋yW)=0.69; yE/yW=0.69/0.31 αt=（yE/yW）·(xW/xE)=(0.69/0.31)×(0.2513/0.617)=0.91 残液中：xE/(xE＋xW)=1.0/(1.0＋70.75)=0.0139 ; xA=28.25 由平衡图上找出：yE/(yE＋yW)=0.20; yE/yW=0.2/0.8 αs=（yE/yW）·(xW/xE)=(0.2/0.8)×(0.7075/0.01)=17.69 α

1/21/2

av=(αt·αs)=(0.91×17.69)=4.01

rf=xEf/xWf=5/67.82=0.0737

xlk=rf/(1＋rf)=0.0737/1.0737=0.0686 xhk=xlk/rf=0.0686/0.0737=0.931

(Ln/D)=1/(α－1)·(xDlk/xlk－xDhk/xhk)=1/(4.01－1)×(0.617/0.0686－0.2513/0.931)=2.90 D=6.59mol/100mol进料

Ln=2.90×D=2.90×6.59=19.11mol/100mol进料 Lm=Ln＋qF; W=F－D

对于进料正在沸点的液体，q=1 F=100mol

Lm=19.11＋100=119.11mol/100mol进料

W=100－6.59=93.41mol/100mol进料 Lm/W=119.11÷93.41=1.275

上提浓度 轻关键组分的摩尔分数

xn=xD/[(α－1)·(Ln/D＋α·xDhk/xhk)]

=0.617÷[(4.01－1)×(2.90＋4.01×0.2513÷0.931)] =0.0515

rn=xn/xhk=0.0515÷0.931=0.0533 下提浓度 重关键组分的摩尔分数 αlk=(αt－αs)1.5=(0.91－17.69)1.5=6.557

xm=αlk·xW/[(αlk－α)·(Lm/W＋α·xWlk/xlk)]

=6.557×0.7075÷[(6.557－4.01)×1.275＋4.01×0.01÷0.0686] =1.211

rm=xlk/xm=0.0686/1.211=0.0566 rm/rn=0.0566/0.0553=1.024 Ψ=1/[(1－0)×(1－0)]=1 因此,rm/rn>Ψ,算得的回流比太大

试以(Ln/D)=2.5；则Ln=6.59×2.5=16.48mol/100mol进料；Lm=116.48mol/100mol进料