年产4万吨醋酸乙烯生产车间工艺设计

乙炔气相法Wacker流程和Borden流程的比 醋酸乙烯的生产工艺流 主反应方程 主要的副反应方程 醋酸乙烯合成反应原 生产工艺流程示意 第3章醋酸乙烯的物料衡 主要的反应方程 基础数 装置的工艺数 小时生产能 计算基 原料规 各工序的物料衡 乙炔工 反应工 、分离工 、精馏工 醋酸乙烯生产过程物料衡算汇 第4章醋酸乙烯的热量衡 基础数 反应系统的热量衡 分离系统的热量衡 精馏系统的热量衡 精馏一塔热量衡 精馏二塔热 精馏三塔的热量衡 总热量衡算汇 第5章主要设备的工艺设计和选 固定床反应 醋酸乙烯精馏 第6章车间布置设 概 车间布置的基本原则和要 厂房建 生产操 设备装 安全要 车间辅助用室及生活用室的配 设备之间及设备与建筑物之间的一般安全距 结 致 摘要：中国是一个煤炭资源丰富的国家，发展煤炭事业，生产新的化工原料，有极大的PAEA（PAc物（EVC、聚乙烯醇缩甲醛醋酸等。本文简要介绍了醋酸乙烯的理化性质、主要用途以及醋酸乙烯的生产现状和发展趋势。总结了合成醋酸乙烯的生产工艺方法，对比不同生产工艺路线及其优缺点，同时提出ProcessEngineeringofVinylAcetateProcessWorkshopinScaleof40000TonsperYearAbstract:Chinaisfullofthecoalresources.Soitcandevelopthecoalbusiness,andproducenewchemicalmaterials.Wehavegreatpotentialityandadvantage.Asanewtypeofchemicalrawmaterials,vinylacetatearewidelyusedinorganicsynthesis,nylon,adhesives,paintindustryetc.Itistopprioritytolookforreasonableproductionmethod.Vinylacetateareusedasintermediateswiththeappliedspreadofpolyvinylalcoholonthenon-fibersphere.Soitmakestherisingdemandaboutvinylacetate,anditisparticularlyimportanttoimprovetheproductionandqualityofvinylacetate.Thoughpolymerizationownwithothermonomercopolymerization,vinylacetatecanbegeneratedpolyvinylalcohol,vinylacetate-ethylenecopolymeremulsionorcopolymerizationester,polyvinylacetate,vinylacetate-choloethylenecopolymer,polyvinylalcoholshrinkformaldehydeetc.Comparingthedifferentproductionprocessrouteanditsadvantagesanddisadvantages,Streetvinylacetatesynthesisisalsoputforwardtheselectionprincipleoftechnology,thispaperexpoundsthefutureofvinylacetatesynthesistechnologydevelopmenttrend,andexpoundsthevinylacetateresearch,production,developmentsituation,Andtheprocessofvinylacetatesynthesisinourcountry.Thispaperintroducesthesynthesisprocessofapplicationofcalciumcarbideacetylenemethodtomakevinylacetate,andaccordingtothedifferentcatalystsvinylacetatesynthesisthispaperintroducesthem.PrimarilyWithmaterialandheatbalancecalculation,thisdesignprocessescalculationandselectionofequipmentandprocessworkshoplayout,Onthebasisofselection,italsopaintstheprocessofflowingdiagramandthemainequipmentassemblydrawing,besides,itputsforwardtheschemeofprocessimprovementandmeasures.Ofimprovingoutput.Keywords:Vinylacetate;Calciumcarbideacetylenemethod;Productionprocess;Materialcalculation;Heatcalculation;productionworkshop引醋酸乙烯(Vinylacetate,简称VAc)，全称为醋酸乙烯酯，分子式C4H6O2,结构式是醋酸乙烯的熔点-92.372.20℃,0.93171.3953，闪点-1℃,2.6～13.4(V%)，能溶于乙醇、乙醚、丙酮、氯仿、四氯化碳等有机溶剂，不溶醋酸乙烯()用于生产聚醋酸乙烯﹑聚乙烯醇﹑乙烯醋酸乙烯共聚物﹑聚乙烯醇缩丁醛﹑氯乙烯-﹑化工﹑建筑﹑造纸﹑卷烟﹑家具﹑包装﹑装潢﹑装饰﹑化妆﹑洗涤﹑医药﹑印刷﹑电气﹑橡胶﹑皮革﹑化纤﹑电子﹑精细化工﹑﹑粘结剂﹑稳定剂﹑整理剂深层材料﹑化学浆料﹑塑料材料﹑薄膜制品﹑防护涂层﹑采用电石乙炔法建成我国第一套醋酸乙烯生产装置以来（后改为乙烯气相法，我国醋酸乙烯生产国家。生产工艺有电石乙炔法、天然气乙炔法和乙烯法3种：采用电石乙炔法的Table1.1vinylacetatethemainfactorycapacityandprocessofvinylacetatein产量只有86.2万t，2006年为105.2万t，2008年增加到121.0万t，同比增长约11.73%，2003~产能力分别达到158.5万t∕a﹑154.6万t∕a和72.5万t∕a。分别约占世界醋酸乙烯总生产能力的2008年，全世界醋酸乙烯的总消费量约为515.0万t，消费主要集巾在北美、西欧和亚17.5万t22.8万t17.413.0万；中东地区的消费量为1.0万t，约占总消费量的2.7%；亚太地区的消费量为271.5万t，约占52.79.万t1.8342012年总需求量将达到约590.0t。求量的44.1%，聚乙烯醇占40.9%，乙烯一醋酸乙烯共聚物占9.0%，其他方面的需求量占课题要求查阅与该课题所相关的一些资料，对醋酸乙烯的性质和用途、国内外的市场生产经过几十年的发展，目前全球有40多套醋酸乙烯装置。亚洲是世界最大的醋酸乙烯21921ConsortiumfurElectrochemischeIndustrie公司开发出了乙炔、醋酸气相合成醋酸乙烯的方法——乙炔气相法[7]。该方法主要以Wacker和Borden流程为代表。I但由于在催化剂方面作了重要改进，醋酸乙烯收率明显高于同类装置。Celanese公司采用EastmanChemicalCompany开发了一种以单一醋酸为原料的3步法液相生产醋酸乙烯乙烯的原料来源稳定，不受全球油价的影响，相对便于进行远距离运愉，成本低廉。(b)综上所述可知在石油严重依赖进口的我国发展乙炔法合成醋酸乙烯仍将有重要的意义。我国乙炔法合成醋酸乙烯原料来源稳定，工艺成熟可靠，生产成本经济，在原材料供应环境、产品售价、国内催化剂效能等方面，存在和国内外乙烯法市场抗衡优势。因此，这次设计采用乙炔气相法工艺路线。Wacker流程是以电石乙炔为原料的典型工艺，该法以脱硫、脱磷化氢的电石乙炔与醋30%左右。Borden流程投资大，技术难度大。Wacker流程技术简单，在相同规BordenWacker流程能耗较高、污染较大，生产成本较高。我国主要采用的是Wacker流程技术，技术成熟，可行性高，尤其现在国内许多以电石乙WackerBorden流程的先进之处，醋酸乙烯的产量提高很多。因此，这次设计采用电石乙炔气相法技术，即Wacker流程[8]。电石制乙炔气体乙炔气体与醋酸蒸汽在一定温度下通过醋酸锌活性炭催化剂的作用合成醋酸乙烯，反应方程式:223H3O2醋酸乙烯水解由乙醛生成乙炔与乙醛作用本工艺采用醋酸锌-170～220℃于常压下进行合成反应。其反应机99.5%的醋酸乙烯目的生成物[12]，该工艺生产醋酸乙烯的工艺流程[13]见图2.1。Figure2.1calciumcarbideacetyleneofgas-phasevinylacetatesynthesisprocessflow3合成乙炔: (3-主反应:C2H2 (3-副反应 (3-副反应 (3-和总收率按醋酸计均为97%。丁烯醛的选择性按乙醛计为30%。20%≤0.01%HAc产率LMC4H6O2 5555.56kg/h MC2H4O2 8640%97% M31h 10247.07kg/h1hM316%M1 265465.10kg/h走水蒸气，含量约为46.11kg/h。Table3.1thematerialbalancetableintheacetylene进料流量出料水4反应（3-3）CH3COOCHCH2+H2O 分离工段第一段是利用循环液洗涤掉气体中含有的催化剂粉末和并除去大部分HAc；第O2，ALd，HAc，CO2等75%的乙炔、0.2%CO2,3%N2O2等空气被完全排除（ALdHAc也被排除，但随着乙炔进入了反应器循环，可以不考虑在内的，流量q=（M3+M4+46.11）×0.27%=57.76kg/h。按乙炔和醋酸的摩尔比可知消耗乙炔30.03kg/h，醋酸27.72kg/h。反应消耗 11100.99×0.16+30.03=1806.19kg/h，HAc用量10247.07kg/h，消耗10247.07×0.4+27.72-122.96=4003.59kg/h， 主要包括反应物 生成11100.99×0.16×86/26-90.17×86/44=5698.74kg/hALd63.12kg/hCr-21.52kg/h57.76kg/h，还有未反应完全的乙炔气体和醋酸蒸汽。此外，随乙炔Table3.2ReactionsectionmaterialcalculationsummaryofReaction 流量M79294.8013.84% 63.12kg/h。Table3.3ReactionsectionmaterialcalculationsummaryofSeparation 流量M8=M6-M7=（M４+M３+36.89）-Table3.4Reactionsectionmaterialcalculationsummaryofdistillation进料流量出料Table3.5Materialscalculationtableintheoverallproduction流入流出流量水4器物料出口温度T3平均为205℃，计算基准温度To=25℃。查阅《基础物理化学》[17]Cpm=A+BT+CT2,J•mol-1•K-1，其中A,B和C系数如表4.1。质量定压比热容cp=Cp/M，单位kJ•kg-1•K-1。平均恒压热容Cp

TC T

Table4.1RelationcoefficienttablebetweenMoorepressurefixingtheheatcapacityandAfff4.2Hθ（单位fTable4.2Standardgenerationheatofvarious物 θ

Table4.3Evaporationenthalpyundervariousmaterialboiling对于流动系统—连续反应器其能量平衡方程式的一般形式为=连续系统处于稳定时△E0，忽略机械功，忽略动能和位能，则可知∑Hp AT1BT21CT3C'p,m

T1T0 T1T0 (413.1547.38Jmol1K

298 C' T0与T1与之间的平均等压比热cp,m= =

AT1BT21CT

C'p,m

p,m0(TT0

0T1T00 (458.15

29848.28Jmol1K C'' T0与T2与之间的平均等压比热cp,m= = AT1BT21CT3 C'p,m T1T0 T1T0 (478.15

29848.67Jmol1K C'' 则T3与T0与T3与之间的平均等压比热cp,m= = 4.4各物质在两个不同温度区间的平均等压比热容(单位kJ•kg-1•K-Table4.4Theaveragetemperaturepressurespecificheatcapacityintwodifferent 综上，∑Hp∑HR=∑Hr+∑Hs=1000GA

r

C2H2 )]=-则

10007123.42(100.12)8292986.17kJ•mol- 则Hr

1000112.72(7.14)18291.38kJ•mol-则Hr

100026.90(226.41)87006.13kJ•mol-QQ=∑Hp+∑HR=3083942.33+(-8398283.68)=-5314341.35kJHAc118℃,沸点下的蒸发焓△vH=23.694kJ/mol,Ql=Q=13876.251.82115=2904299.13kJ205155℃，则所需过热蒸汽流h 21398.20 4.32(205 4.32(205 22块塔板，分为三段。第塔顶排出的混合气体(主要是C2H2)温度为0℃,释放热量Q6。依上述方法和数据，求得HAc在90～205 AT1BT21CT3 Cp,m T1T0 T1T0[21.76T1193.13103T21(76.78106)T3]478 (478.15

363平均等压比热容cp,mCp,m89.33=1.49kJkg1K C2H20℃～205℃温度区间、VAc55℃～205℃温度区间、 △HT1= h75315241252695827149386.99 4.32(80流量如表4.5所示。4.5一塔进﹑Table4.5Discharginggasnightphaseflowandenthalpyinthetower流量焓值饱和液体时的流体焓值:h一塔再沸器=52.09kJ•mol。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=2832846.5kJ，△Q一塔=△Q一塔再沸器-Q一塔=-154796kJ。这部分热量可自加热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,参数如表4.6所示。4.6Table4.6Towerkettleandtopdischargeflowandenthalpyinthetower流量焓值Q二塔输出=(F二塔顶出×h二塔顶出+F二塔釜出×h二塔釜出Q二塔输入=F二袁进料×h二塔袁进料△Q二塔=Q二塔输入-Q二塔输出=-从塔顶把丁烯醛蒸出。热量衡算式子:[塔顶出料]+Q[塔釜出料]=Q[回流进料]+Q[原始进料]+2]。Table4.7Towerkettleandtopdischargeflowandenthalpyinthetower流量焓值三塔必须加入的热量:Q三塔=3782899kJ408.15K、进口压力321041Pa和进口焓值77.56kJ•mol。计算得到饱和液体的流体焓值:h三塔再沸器=23.17kJ•mol。△Q三塔=Q三塔再沸器-Q三塔=368146kJ,h 4.32(80

1420.32kg/h4.8Table4.8Heatcalculation 量△Q△Q△Q5空速m3催化剂每h通过的标准气体量)U=315h-1[23]。则催化剂床层理论体积0.4[23]，则Vo=Vc×0.4/0.6=29.88m3。则催化剂床层实际体积之间的间距是57mm,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。VW=(12-8)×28.26+20=133.04m3V=VL+Vw=359.12m3，圆整取360m3。φ45mm×2.5mm8m。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安如下公式计算得：VP=π/4dt2Ln=0.785×(0.045-0.005)2×8×N=74.7/4N=1858.58,N=1859,即是固定《化工单元过程及设备课程设计》[24]知正六边形对角线上的管数b=47，t=1.25d0=1.25×45=56.25mm≈57mm,D=57×(47-1)+2×45=2712mm，圆整后取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 7466个三角形,每个三角形的面积是3c2π/4(D-2e)2=7466×3c2,c=63mm,c 封头的高度h1占短轴之半，知标准椭圆型封头hi=0.25D=0.75mm。这个椭圆的长轴是Q=Aa△t，aaλ/d f

dp

)0.7×

4.5dt[26]是质量流速，λf是有效导热系数，ρ是流体流速，dp是催化剂当量，μ是流体粘度，dt带入

Tt115.1Table5.1Vinylacetatesynthesisreactortechnology1Cr18Ni9Ti,OOCr17Ni12Mo2等。180mm2，气体穿过的压力降小使气体流动分散。另外在床作为载体的活性炭应具备的条件是[23]:有较为发达的中孔结构;1～3nm;活性炭表面应具有高浓度的拨基官能团;载体应具50nm的过渡孔和大孔，比表面积在1000m2/g以上。醋酸锌以单分子膜状态覆盖在活性炭上，酷酸锌分子所占的表面积大体上等于活性炭的表面积。催化剂中醋酸锌吸附量工艺一般控制在30.5%-31.5%。催化剂的堆积密度是6±0.1kg/m3,空速是100～420h-1，催化剂当反应器需开有人孔(反应器人孔Dg统一取450mm)，方便各部件的进出取用。流率F的进料其组成xF=0.9900;流率D的馏出液其组成xD=0.9995;流率W的釜液其组xw=0.0050。实际液气比R/(R+1