《基于天然气乙炔法的醋酸乙烯酯生产工艺设计》13000字

基于天然气乙炔法的醋酸乙烯酯生产工艺设计摘要目前，国内外醋酸乙烯需求量越来越大，且作为其原材料的醋酸产能一直过剩，另一材料天然气乙炔也是供应量充足。因此，本设计以醋酸和天然气乙烯为原材料，醋酸乙烯为主要产品，巴豆醛为副产品设计了合成循环工艺。经过多次优化设计，采用天然气乙炔法生产，使醋酸乙烯的纯度达到了0.9985，副产物巴豆醛纯度0.992。在设计过程中，经多方面要求的考虑和排选，将工艺设计分为四个工段，分别是合成，精制，氧化以及回收工段。然后对四个工段进行了详尽的物料和能量衡算模拟。产能为年产二十万吨VAC，九百二十吨巴豆醛.关键词：醋酸乙烯；巴豆醛；工艺设计目录1引言 11.1醋酸乙烯酯市场分析 11.1.1国外市场分析 11.1.2国内市场分析 11.2醋酸乙烯酯上游原料分析 31.3醋酸乙烯酯下游产品分析 32建设规模及产品方案 42.1建设规模 42.2主副产品方案 42.3主副产品技术要求 52.4建设规模和产品方案多方案比选 63工艺技术方案 83.1工艺方案概述 83.2工艺方案技术选择 83.2.1原料选择 83.2.2工艺路线的比较 93.3全厂总流程 103.3.1醋酸乙烯合成工段 113.3.2醋酸乙烯酯精制工段 133.3.3乙醛氧化工段 143.3.4醋酸回收工段 144物料衡算和能量衡算 154.1物料衡算 154.1.1VAC合成工段 154.1.2VAC精制工段 164.1.3总物料衡算 184.1.4小结 194.2热量衡算 204.2.1换热器热量衡算 204.2.2塔热量衡算 224.2.3反应器热量衡算 224.2.4精制塔热量衡算 235主要设备设计与选型 255.1塔设备设计 255.1.1塔设备简介 255.1.2塔设备反应条件设计 265.1.3塔体结构设计 275.2反应器设计 295.2.1主要反应机理及动力学 295.2.2本厂反应器选择 305.2.3反应器移热方式选择 305.2.4.异构化反应器设计 316环境处理 346.1三废处理 346.2安全评价 347小结 36参考文献： 371引言1.1醋酸乙烯酯市场分析1.1.1国外市场分析近年来，世界VAC产能稳定增长。2018年，全球醋酸乙烯酯生产能力为720万吨/年.全球近年来醋酸乙烯酯产量如图1-1所示[5]。图1-1VAC世界年产能（2008到2018）同时，它的下游产品消费量巨大，市场前景广阔，世界每年的消费量逐年提升。全球近年来VAC消耗量如图1-2所示[5]。图1-2世界VAC消耗量（2008到2018）1.1.2国内市场分析近年来，我国醋酸乙烯酯的生产稳步发展，成为是世界第一大生产国家。图1-3反映了我国自2008到2018年的VAC产量情况[5]。图1-3国内VAC产量(2008到2018)经过多年的发展，我国对VAC的需求量一直都是十分巨大的，并且呈现越来越大的增长，如图1-4所示。从图1-5这些年来我国进口与出口的量的对比，可以看出，我国对VAC一直都是供不应求[13]。我国的VAC产业有着极大的发展前景，因此本设计符合国家需求。图1-4VAC消耗量（2008到2018）图1-52008~2018年VAC进口量和出口量1.2醋酸乙烯酯上游原料分析乙炔和醋酸是生产VAC的上有原材料。我国主目前大部分使用用电石去制备乙炔，这种方法使得能耗巨大，太过于浪费。而且该方法还有着污染环境的各种不良影响，不符合《中国制造2025》对于降低能耗和减少污染的要求[3]。该设计是采用天然气为主要原料制备乙炔，相对于电石制备能耗更低，能够节约成本，而且还不会导致污染环境，是不破坏和污染环境的良好生产方法，完全符合我国可持续发展的能源战略，因此，将会有着极大的发展和前景[11]。国内醋酸市场不胜乐观，产量一直很大，需求量相对于产量来说也不是很高，且出口量也不多。使得其成为了过剩产品，导致其价格低。国内供大于求的局面难以缓解，醋酸用做该设计的生产工艺原料。虽然国家和部分企业做着调整，让醋酸的产能过剩的局面得以慢慢控制。但市场货源积累过多，国家的处理仍是杯水车薪的，过剩的短期难以消化，供需差距逐渐拉大[16]。这种物美价廉的过量产品，用于VAC的生产工艺，一定能大大增加醋酸的消耗量，大大改善这种过剩的情况，带动市场，符合国情，折中两全其美的双赢计划有着巨大的前景[28]。1.3醋酸乙烯酯下游产品分析VAC的进一步铲平有着许许多多的优点和广泛的应用性。在各个行业有着不错的应用前景。某些产品因为其有着优越的某些性能，一直使其供不应求，并且利润极高。因此本设计前景光明世界VAC下游产品分布如图1-6所示[1]。图1-6VAC下游产品分布2建设规模及产品方案2.1建设规模本项目以项目15万吨醋酸和6.5万吨乙炔作为原料生产醋酸乙烯酯，项目年产纯度为99.85%（wt%）的VAC207100吨，副产纯度为99.2%（wt%）巴豆醛920吨。总厂提供的天然气制乙炔和醋酸供给量、下游产品市场对醋酸乙烯酯的需求量、生产工艺技术、国家的产业政策等因素，确定本项目建设规模如表2-1所示。表2-1建设规模表序号项目单位规模1天然气万m3/a380002醋酸乙烯酯t/a2071003巴豆醛t/a9204工作时间h/a80002.2主副产品方案主要产品：以乙炔和醋酸为原料，年产207100吨99.85wt%VAC产品。表2-2本项目主要产品VAC规格序号项目规格1醋酸乙烯酯质量分数/%99.852密度（20℃）/（kg/m3）930~9343酸度（以醋酸计）/（mg/kg）≤1004醛含量（以乙醛计）/（mg/kg）≤3005水分/（mg/kg）≤600副产品：本项目在醋酸回收工段中将产出920吨、纯度为99.23%（wt%）巴豆醛。同时经调研发现，巴豆醛是重要的化工工业中间体，同时价位较高，适合作为副产品产出。项目主副产品如表2-3所示。表2-3项目主副产品表序号产品规格（wt%）产量备注1VAC99.85207100吨主产品2巴豆醛99.23920吨副产品2.3主副产品技术要求目前醋酸乙烯酯的标准为SH/T1628.1-2014《工业用乙酸乙烯酯》，而巴豆醛采用的标准为DB22∕T2417-2015《工业丁烯醛》。表2-4工业用乙酸乙烯酯SH/T1628.1-2014项目指标优等品一等品合格品外观无色透明，无机械杂质密度（20℃）/(g/cm3)0.930~0.9340.930~0.9340.929~0.935色度（铂-钴）/号≤51015蒸发残渣/（mg/kg）≤50100200酸度（以乙酸计）/（mg/kg）≤40100200醛含量（以乙醛计）/（mg/kg）≤200300500乙酸甲酯/（mg/kg）由供需双方商定——乙酸乙酯/（mg/kg）由供需双方商定——苯/（mg/kg）≤20——活性度/min由供需双方商定阻聚剂（对苯二酚）/（mg/kg）表2-5工业丁烯醛DB22∕T2417-2015项目指标外观淡黄色液体，无悬浮物巴豆醛沸点/℃104巴豆醛闪点/℃13巴豆醛含/%≥99.0水分含量/%≤0.52.4建设规模和产品方案多方案比选在本项目的目标产物为VAC。在产品选择方案中，我们选择以下三种工艺进行比较[10]。表2-6项目产品方案多方案比选方案天然气乙炔法羰基合成法乙烯气相法技术难度成熟成熟成熟产品结构醋酸乙烯酯为主产品巴豆醛为副产品醋酸乙烯酯为主产品醋酸甲酯为副产品醋酸乙烯酯为主产品产品市场主产纯度高且副产作为重要化工中间体，国内市场广阔目前工业化程度不高，市场占有率较低纯度高应用广，国内市场广阔经过对比，本项目选择天然气乙炔法作为本项目主要的工艺路线。3工艺技术方案3.1工艺方案概述从资金的消耗多少，能否节约能源，杜绝浪费以及最优的生产工艺选择方面。从这三个方向选择，可以对该设计项目从以下三种工艺技术方案进行分析论证[10]。如下图3-1所示。图3-1VAC工艺生产路线3.2工艺方案技术选择3.2.1原料选择（1）乙烯乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯是最常用的化工产品上有原料，一般都是以石油为原材料来生产乙烯。是由高温裂解生产醋酸，虽然该工艺也是越来越成熟，能得到纯度较高的产品（分析纯）。但由于其原材料石油在其他方面需求量也是十分巨大的。因此，乙烯的生产将会产生极大的不稳定性，这样将会对项目的稳定生产造成巨大的影响[11]。因此乙烯法生产醋酸乙烯不合适。（2）天然气乙炔生产方法上，用我国储备十分充足的天然气和非常规的天然气一类的资源去生产天然气乙炔，十分符合国情。乙炔制备装置使用来自德国的BASF部分氧化法工艺，工艺较为成熟[8]。与用电石做原材料相比，使用天然气为原材料制备上游产品乙炔，部队对环境造成负担，更绿色环保。因此，该方法更值得选择。资源储备上，我国作为资源大国，页岩气储量世界第一，资源前景广阔。以天然气为原料制备乙炔符合我国现有资源国情[22]。原料组成上，以天然气为原料生产的乙炔浓度为99.7%，纯度较高，符合要求，可以作为本工艺的原料。3.2.2工艺路线的比较（1）VAC合成工段的比较我国如今VAC的生产工艺主要是电石乙炔生产法、乙烯气生产相法、羰基合成生产法、天然气乙炔生产法。由于电石乙炔这种生产方法能源消耗及其对环境方面的影响较大，本节对天然气乙炔法、羰基合成法、乙烯气相法进行分析和讨论。天然气乙炔法，即乙炔气相法，是以天然气乙炔和乙烯气体为原材料，直接一步反应合成VAC,机理简单，但副产物多；羰基合成法是经过以甲醇、醋酸、合成气为原材料，历经多个中间产物醋酸甲酯、双醋酸亚乙酯等，合成产品[14]；乙烯气相法是以乙烯、氧气和醋酸为原料，通过一步的氧化合成反应在催化剂载体上合成目的产物[25]。综合分析比较以上三种方案，可以得知，乙炔气相法在热量利用十分充分、副产物也有着很高的经济效益，工艺生产方法经过多方面论证，既不污染环境，又节约能源，因此已经十分成熟，符合绿色生产制造的原则；以天然气为原料，符合我国天然气资源充沛的基本国情；园区上下游集成好，符合《中国制造2025》“发展绿色园区，推进工业园区产业耦合”要求[12]。因此本项目选择天然气乙炔法作为最终工艺路线。（2）乙醛下游产品比较本项目过程存在乙醛副产物，因此要对其进行有效利用。乙醛作为一种重要的中间体，在化学工业中应用广泛。截止2016年，季戊四醇、醋酸和巴豆醛分别占2016年世界乙醛消费量的23%、16%和10%。我国乙醛下游产品主要以醋酸、巴豆醛、吡啶和季戊四醇为主，综合主反应的副产和原料，以及产物附加值，本节选取醋酸、季戊四醇和巴豆醛作为乙醛下游产品进行工艺论证[24]。表3-1乙醛下游集成工艺的比较典型工艺优点缺点氧化法制醋酸流程简单，选择性高对设备有腐蚀性存在安全隐患缩合法制巴豆醛与主工艺集成，巴豆醛经济价值高转化率低、毒性较大缩合法制季戊四醇工艺环保，工业化程度高流程复杂考虑到本项目主要目的为生产符合标准的醋酸乙烯酯，因此副反应工艺应考虑与主工艺集成。乙醛氧化法制醋酸一方面极大程度上利用了主工艺的副产物；另一方面可以为主工艺提供原料，做到了“循环经济”的要求，符合《中国制造2025》中“发展绿色园区，推进工业园区产业耦合”的要求[12]。综合来看，虽然氧化法制醋酸仍存在着对设备腐蚀性较大、存在安全隐患的缺点，但现阶段在上游集成、原料利用、转化率、选择性等方面具有较大的优势，符合本项目的原料需求和经济要求，如表3-1[15]。故本项目选择醋酸作为乙醛的下游产品，并用乙醛氧化法制醋酸形成工艺集成。3.3全厂总流程经过上述分析后，我们以天然气乙炔、醋酸为原料，经过醋酸乙烯酯合成工段、醋酸乙烯酯精制工段、乙醛氧化工段、醋酸回收工段四个工段最终得到纯度为99.85wt%醋酸乙烯酯。整体流程3-2图如下所示：首先原料乙炔和醋酸进入合成工段，生成大量醋酸乙烯粗产品，粗产品再进入产品吸收塔，在该塔中塔顶富乙炔废气经膜分离器的选择性分离m出废气进入总厂燃烧供热，分离出的乙炔气进入合成工段的原料蒸发塔循环利用；第一工段分离出来的粗产品进一步进入第二工段的分离精致塔，进行精致分离。精致分离塔的塔顶产物主要是乙炔、乙醛混合气体，混合气体进一步进入乙醛吸收塔分离出乙炔进入第一工段的膜分离器循环利用，分离出的乙醛经进一步脱水，再进行氧化过后进入分离精致合成塔循环利用。经过第二工段的分离精致过后，再通过醋酸乙烯脱水塔将得到产品醋酸乙烯和废水，废水进入总厂MBR处理；第三工段为乙醛的氧化工段，第二工段产生的混合器经过乙醛吸收和乙醛脱水，最后再经过乙醛氧化后循环进入第二工段；第四工段为醋酸回收循环利用工段，第一工段的产品吸收塔和第二工段分离精致塔的塔釜液分别进入下一工段和热泵精馏塔进一步分离，然后循环进入双效精馏塔，分两股醋酸进入产品吸收塔和原料精馏塔循环利用。经过四个工段的循环集成，原料的转化率和产品的纯度都得到了极大的提升[26]。图3-2全厂总流程图框图3.3.1醋酸乙烯合成工段合成工段分离出来的粗产品进一步进入第二工段的分离精致塔，进行精致分离。精致分离塔的塔顶产物主要是乙炔、乙醛混合气体，混合气体进一步进入乙醛吸收塔分离出乙炔进入第一工段的膜分离器循环利用，分离出的乙醛经进一步脱水，再进行氧化过后进入分离精致合成塔循环利用。如图3-3所示。图3-3醋酸乙烯酯合成工段（1）原料蒸发塔图3-4原料蒸发塔（T0101）合成工段如图所示。首先原料醋酸和原料乙炔分别经过0104和0122进入原料蒸发塔进行蒸发加热操作。原料蒸发塔中0105为塔釜醋酸，0107为原料气进入乙醛氧化鼓泡塔反应器。（2）醋酸乙烯酯合成反应器（R0101）图3-5醋酸乙烯酯合成反应器（R0101）醋酸乙烯的合成反应器流股如图所示，0110为反应的原料气，0110-1为循环用水，0111为产品气，0110-2为气液混合物。（3）膜分离器（M0101）图3-6膜分离器（M0101）如图是第一工段的膜分离器设备流股，0116为反应后的混合器，流股0117为渗透气，0118流股是反应过后的渗余气。3.3.2醋酸乙烯酯精制工段醋酸乙烯精致工段的分离精致过后，再通过醋酸乙烯脱水塔将得到产品醋酸乙烯和废水，废水进入总厂MBR处理。图3-7醋酸乙烯酯精制工段3.3.3乙醛氧化工段乙醛氧化工段是分离精致塔分离出来的乙炔、乙醛混合气体在进入乙醛吸收塔，分离出乙炔气体进入第一工段的膜分离器循环利用，吸收的乙醛再进入乙醛脱水塔进一步纯化，然后进入乙醛氧化鼓泡塔反应器进一步氧化后，分为废气进入总厂燃烧供热，氧化产物进入第二工段的分离精致塔循环利用。图3-8乙醛氧化工段3.3.4醋酸回收工段工段为醋酸回收循环利用工段，第一工段的产品吸收塔和第二工段分离精致塔的塔釜液分别进入下一工段和热泵精馏塔进一步分离，然后循环进入双效精馏塔，分两股醋酸进入产品吸收塔和原料精馏塔循环利用。图3-9醋酸回收工段4物料衡算和能量衡算4.1物料衡算本项目以天然气乙炔和醋酸为原材料，合成纯度为99.85%的VAC产品，年产207100吨醋酸乙烯酯，副产920吨纯度为99.23%巴豆醛。4.1.1VAC合成工段图4-1醋酸乙烯酯合成工段表4-1AVAC合成工段总物料衡算表进出口进口流股编号010101020121020603050477流股信息水醋酸乙炔混合气混合气醋酸温度℃30.030.040.015.931.1102.1压力杆1.021.022.991.091.291.19蒸汽压001110质量流量kg/h134.87418263.9238200.8288464.628900.27315455.694H2O134.874150.12700.25320.0445.204C2H2008254.49782431.848781.2690CH3COOH018253.68903825.247015313.712CH3CHO017.95708.6100.0020VAC0000112.7550CH3COCH3000000表4-1BVAC合成工段总物料衡算表进出口出口流股编号010601120117流股信息混合液反应气废气温度℃62.9129.592.8压力杆2.181.371.19蒸汽压011质量流量kg/h2384.782130371.14542.027H2O6.132112.2580C2H22.92183015.9560CH3COOH2426.99716533.3860CH3CHO0.029443.8980VAC1.49226013.7120丁烯醛0.009121.4570CH3COCH3021.95604.1.2VAC精制工段图4-2VAC精制工段表4-2AVAC精制工段总物流衡算表进出口进口流股编号01120211033804370467流股信息产品气醋酸醋酸醋酸乙烯酯醋酸温度℃129.530.063.762.315.0压力杆1.371.022.001.022.99蒸汽压10000质量流量kg/h124789.1451.7993136.56947.458181261.123H2O112.234018.1874.1246.135C2H283276.38501.00100CH3COOH15933.3651.7933060.8520181237.645CH3CHO449.82906.23500VAC26077.712040.38238.2840BUTENAL109.45700.1130.0441.834CH3COCH324.77300.4570.0550表4-2BVAC精制工段总物流衡算表进出口出口流股编号02060220022702440246流股信息乙炔乙醛醋酸醋酸乙烯酯废水温度℃15.917.3127.750.067.2压力杆1.111.391.391.021.02蒸汽压11000质量流量kg/h86448.5371401.853193447.47425774.774111.184H2O0.25213.8850.59814.582103.568C2H282852.859765.324000CH3COOH3912.2470185843.37800CH3CHO8.612467.28400.0140VAC0152.23141.84824769.3343.884BUTENAL0.0640122.1340.3110CH3COCH300.5220.17722.4150.2354.1.3总物料衡算图4-3全流程表4-3A全流程物料衡算表进出口进口流股编号0101010201200211030103180424流股信息水醋酸乙炔醋酸水氧气水温度℃30.030.040.030.030.030.030.0压力杆1.021.022.991.021.022.281.02蒸汽压0010010质量流量kg/h134.23717474.9238223.8271.79417.998201.75453.744H2O134.237146.2560019.135055.012C2H2008277.9430000CH3COOH018234.94201.798000CH3CHO018.27500000VAC0000000BUTENAL0000000CH3COCH30000000表4-3B全流程物料衡算表进出口出口流股编号011602440246033604320472流股信息废气醋酸乙烯酯废水废气巴豆醛废液温度℃92.851.265.95.150.095.2压力杆1.201.011.011.981.270.58蒸汽压100100质量流量kg/h41.72526082.944109.18352.344114.237785.713H2O014.582105.4570.012040.145C2H20008.42800CH3COOH0000.4920.125689.748CH3CHO00.01100.38200VAC026244.3343.8840.3630.6890BUTENAL00.21300115.3470.305CH3COCH3023.7130.2830.001004.1.4小结通过对整个工段以及单个单元操作的物料平衡计算，我们得到了原料、产品、三废以及设备的相应指标、尺寸、具体数据如下：表4-4原料消耗一览表项目名称数量（t/a）来源运输方式原料醋酸147345t/a总厂提供管道乙炔65525t/a总厂提供管道氧气1648t/a总厂提供管道工艺软水1675t/a总厂提供管道表4-5产品纯度与产量一览表序号产品规格（wt％）产量备注1醋酸乙烯酯99.85207135吨主产品2巴豆醛99.23922.53吨副产品4.2热量衡算4.2.1换热器热量衡算（1）E0101原料蒸发塔加热器表4-6热负荷表WQ热负荷（Mcal/hr）051006.784表4-7流股焓变计算表进料出料物流编号01070108温度（℃）62.4120.6压力（bar）1.611.61蒸汽压11摩尔流量（kmol/hr）4121.2134185.641质量流量（kg/hr）131134.261141524.524体积流量（cum/hr）72541.79384653.4528焓（Mcal/hr）119687.765144561.256表4-8热量平衡计算表一览W（Mcal/hr）Q（Mcal/hr）Hin（Mcal/hr）Hout（Mcal/hr）Error04410.43119687.765144561.2560（2）E0102原料蒸发塔换热器表4-9热负荷表WQ热负荷（Mcal/hr）02802.833表4-10流股焓变计算表进料出料物流编号01080109温度（℃）180.8148.2压力（bar）1.391.37蒸汽压11摩尔流量（kmol/hr）3886.2843886.284质量流量（kg/hr）131447.531131277.139体积流量（cum/hr）86422.568946629.422焓（Mcal/hr）145667.259136458.881表4-11热量平衡计算表一览W（Mcal/hr）Q（Mcal/hr）Hin（Mcal/hr）Hout（Mcal/hr）Error02769.891145667.259136458.8810（3）E0103反应气前加热器表4-12热负荷表WQ热负荷（Mcal/hr）01977.528表4-13流股焓变计算表进料出料物流编号01090110温度（℃）148.7179.5压力（bar）1.371.39蒸汽压11摩尔流量（kmol/hr）3878.2643878.264质量流量（kg/hr）131.74.137131.74.137体积流量（cum/hr）96622.424105621.412焓（Mcal/hr）1129145.544134578.772表4-14热量平衡计算表一览W（Mcal/hr）Q（Mcal/hr）Hin（Mcal/hr）Hout（Mcal/hr）Error02152.568.1129145.544134578.77204.2.2塔热量衡算T0101原料蒸发塔表4-15热负荷表WQHeatDuty（Mcal/hr）0417.655表4-16流股焓变计算表进料出料物流编号0104012201050107温度（℃）62.1133.362.162.1压力（bar）1.542.991.491.49蒸汽压0101摩尔流量（kmol/hr）536.4273667.28242.6693966.234质量流量（kg/hr）32755.376137789.1272589.971131447.137体积流量（cum/hr）34.452112287.3172.416112288.418焓（Mcal/hr）-657745.372138532.262-4775.833141452.280表4-17热量平衡计算表一览W（Mcal/hr）Q（Mcal/hr）Hin（Mcal/hr）Hout（Mcal/hr）Error0399.744132801.498133343.3870.0204.2.3反应器热量衡算（1）R0101醋酸乙烯酯合成反应器表4-18热负荷表WQ热负荷（Mcal/hr）0-8526.77表4-19流股焓变计算表进料出料物流编号01100111温度（℃）179.9179.1压力（bar）1.391.41蒸汽压11摩尔流量（kmol/hr）3966.2343667.282质量流量（kg/hr）131447.137137789.127体积流量（cum/hr）112288.418112287.317焓（Mcal/hr）141452.280138532.262表4-20热量平衡计算表一览W（Mcal/hr）Q（Mcal/hr）Hin（Mcal/hr）Hout（Mcal/hr）Error0-8225.35141452.280138532.26204.2.4精制塔热量衡算（2）T0202分离精制隔壁塔表4-21热负荷表WQ热负荷（Mcal/hr）011276.458表4-22流股焓变计算表进料出料物流编号0215022002250227温度（℃）24.216.978.3127.7压力（bar）1.471.391.391.39蒸汽压0100摩尔流量（kmol/hr）3599.74244.313312.7583349.557质量流量（kg/hr）233743.8601412.85226149.722194337.495体积流量（cum/hr）223.491722.75531.312223.589焓（Mcal/hr）-411824.3481133.356-25113.854-355728.567表4-23热量平衡计算表一览W（Mcal/hr）Q（Mcal/hr）Hin（Mcal/hr）Hout（Mcal/hr）误差011276.458-411824.348-355728.56705主要设备设计与选型5.1塔设备设计塔设备是工艺设计中不可或缺的一环，通过传热与传质进行分离精制，吸收解析，干燥冷却等单元操作[19]。本次工艺设计，一共采用四个精馏塔，以完成针对主产品，副产品，反应进料的优化提纯工作。已经完成对塔设备参数的确定，但需要对精馏塔进行塔内件选型以及水力学参数校准。校准后的塔设备数据必须满足以下要求[20]；出料纯度高，使精馏塔出料纯度与流量符合预期标准，否则不但影响后续设备正常运行，也会降低最终产品质量。造成经济损失。处理流量大，若精馏塔单位时间处理进料流量过小，则可能造成再沸器或者冷却器负载过高，存在安全隐患，并且会导致工艺设计难以达到目标产量[27]。操作弹性大，由于工艺涉及循环流股，导致进料组分状态存在变动，若操作弹性过小，会导致精馏塔无法稳定运行，并且影响精馏塔分离效率。5.1.1塔设备简介塔设备一般可以分为填料塔与板式塔，用途上没有明显区别，都能完成分离精制，吸收解析，干燥冷却等单元操作，但是由于环境条件，物料状态，设备要求等因素，需要综合判断以确定塔设备型号，以获得最佳分离效果。板式塔，是以塔板为主要部件，加热后的气体通过塔板与冷却后的液体产生传质与产热，达成分离效果[21]。不同的塔板往往在分离不同物料时具有不同分离效果。因此板式塔根据塔板构造的不同进行分类，常见的板式塔有；筛板塔、泡罩塔、浮阀塔等。其中泡罩塔单位时间处理流量能力最差，分离效果良好，但造价低廉并且操作弹性大[30]。浮阀塔单位时间处理流量能力良好，分离效果优异，造价一般，操作弹性大。筛板塔单位时间处理流量能力最优并且分离效率优异，造价一般，但操作弹性略差。填料塔，是以填料为主要部件，加热后的气体通过固体填料表面与冷却后的液体产生传质与产热，达成分离效果[30]。不同的固体填料往往在分离不同物料时具有不同分离效果。因此填料塔根据填料构造的不同进行分类，常见的填料塔有；鲍尔环填料塔、波纹填料塔、螺旋环填料塔等。填料塔与板式塔相比，只需要在塔内填充固体填料。因此对比板式塔结构简单，制造成本低，并且固体填料不容易被原料进料所腐蚀，使用周期长。但是填料塔塔高较低，受限于塔高，导致单位时间处理原料流量以及分离效率都略逊与板式塔，并且若进料液夹杂固体小颗粒[22]，容易造成颗粒在固体填料之间堆积，造成堵塞，使填料塔难以稳定工作。5.1.2塔设备反应条件设计（1）流股介质与选材流股介质主要组成为，醋酸、谁、巴豆醛、甲酸等。查《腐蚀数据手册》可得，醋酸是一种腐蚀性较强的有机酸，尤其在高温含杂质条件下，应选用高度耐蚀的金属材料或采取特殊防腐蚀措施，考虑到综合强度及经济性，选择N08904作为筒体及封头的材料。（2）设计压力与设计温度操作压力为0.06MPa，工作压力小于0.1MPa的内压塔器，其设计压力不低于0.1MPa，这里取塔设计压力为0.1MPa。全塔体系最高温度为101℃左右，设计温度需要比操作温度高15～30℃，因此取设计温度为119℃。（3）实际总板数与加料板的确定Aspen给出的设备理论塔板数及进料板位置：表5-1理论塔板数及进料名称理论塔板数加料板位置醋酸减压精制塔4521计算塔效率:经计算得所以实际塔板数实际进料塔板（4）设计条件汇总表5-2设计条件汇总表设计条件参数设计压力/MPa0.1设计温度/℃119实际塔板数45加料位置21塔体材料N089045.1.3塔体结构设计（1）塔内件结构设计该塔为醋酸减压精制塔，分离要求较高，塔板数较多，对操作弹性要求不高，因此采用筛板塔。根据流体力学数据，液相负荷在14～33m3/h之间，溢流类型选择单溢流。表5-3溢流类型与液体负荷的关系塔径（mm）液体流量（m3/h）单溢流双溢流四溢流2000<9090-160-3000<110110-200200-3004000<110110-230230-3505000<110110-250250-4006000<110110-250250-450在AspenPlus的ColumnInternals中选择InteractiveSizing进行板式塔设计，选择筛板塔，并设置板间距为0.45米，通过Aspen模拟，得到图5-5的设计参数。图5-1T0406板式塔设计（2）塔内件结构校核根据AspenPlus的InteractiveSizing设计参数，圆整塔直径为1.6米，选择单溢流堰，堰径比取0.8，堰长为1.28m，堰高30mm，筛孔直径取10mm，开孔率为0.09。降液管宽度为320mm，降液管底隙高度为20mm,在Geometry中输入，如图1-10所示。图5-2T0406Rating水力学校核结果如下：图5-3T0406水力学结果在AspenPlus的ColumnInternalsSummary中查看结果，得到表1-13所示的校核结果和表1-14的水力学数据。5.2反应器设计5.2.1主要反应机理及动力学醋酸乙烯酯合成反应器主要针对的是乙炔与醋酸反应生成醋酸乙烯酯，该反应包含了复杂的平行和串联反应，形成了复杂的反应网络。简化可得，主反应为乙炔与醋酸反应生成醋酸乙烯酯，同时发生如下副反应：乙炔与水作用生成乙醛；乙醛又可分解为巴豆醛和水；醋酸分解为丙酮、二氧化碳和水。具体反应方程式如下：5.2.2本厂反应器选择反应器作为工艺设计的核心设备，负责将原料进料在特定温度，压力以及催化剂条件下转化为产品出料。反应器主要有该反应的动力学方程以及热力学方程决定。反应器选择与设计关系到整个工艺是否可行，转化率是否符合预期，经济效益是否达到标准。由于原料参数，反应机理，化剂种类，反应温度，反应压力，反应载体，以及传热与传质方式的不同，导致反应器种类众多[23]。因此针对本工艺以正戊烷异构化反应为主，并且针对反应动力学方程和产品纯度要求，本次反应器设计选型主要考虑固定床与流化床反应器。选型优化后的反应器必须满足以下要求。转化率高，使反应器出料产品流股，VAC含量满足设计要求，纯度太低会对后续精制工段产生影响，消耗大量资源与能量对醋酸乙烯进行精制，并且大量未转换的醋酸进入循环流股，增加成本[18]。处理流量大，若反应器单位时间对原料处理流量过小，则会造成工艺设计难以达到目标产量。结构简单，降低反应器制造成本，减少后续对反应器的维护和保养成本。5.2.3反应器移热方式选择本设计反应器从固定床和流化床反应器中进行选择。固定床反应器，催化剂在反应器中固定并且叠加成为床层，进料流股通过床层时在催化剂表面进行反应，进料流股在固定床反应器中流动可以近似视为平推流[24]。固定床反应器，处理流量大，能够在单位容积的情况下处理大量进料流股，并且可以控制流股在反应器中的停留时间，从而提高反应最终的转化率。并且由于催化剂在反应器中固定且叠加，能够有效降低催化剂在反应器中的磨损，延长催化剂的使用寿命[19]。流化床反应器，进料原料通入反应器，催化剂悬浮在反应器中。这样能够使反应器内部温度一致，并且由于采用催化剂悬浮而非堆叠固定形式，能够使反应器有着优异的热传导能力。避免反应放热过多在反应器内部产生热量堆积，容易产生副反应并且对不利于反应器的稳定运行。但由于催化剂和进料流股在接触过程中会产生剧烈震动，导致部分流股在反应器中停留时间不同，从而降低反应的转化率[25]，并且催化剂悬浮在原料进料中，不仅会加剧催化剂的失活，并且反应出料会夹带固体催化剂一起流出，二者都使催化剂消耗量增大，不仅增加操作成本，而且会导致废固处理量增多。所以流化床反应器，一般都会在反应器出料口增设催化剂回收装置，降低催化剂损耗。5.2.4.异构化反应器设计取催化剂的填装空隙率为0.4，由此可得催化剂装填体积V选用长为2.5m，外径为45mm，内径为40mm的列管，催化剂装填高度5.0m。计算所需列管数n=故管数取整至500根反应管采用正三角形排布，nt=1.368壳程直径为D=t×反应器筒体长6m，直径5.5m，选用两个标准椭圆封头曲面深度1.375m，直边长度0.04m。反应器壳程里通入蒸汽凝水及时移除反应产生的热量，将反应温度控制在280℃一般固定床反应器压降不宜超过床内压力的15%，由《化工工艺设计手册》（上册）可查得如下计算公式：∆R式中umρ——流体密度，kg/mL——床层高度，m;∆p——压力降，Pa本次设计选用催化剂的平均当量直径为0.00071m，根据Aspen模拟得到水力学数据可知混合气体的密度为1.11217kg/m3,黏度计算床层压降ε=0.4，L=5m，R代入公式计算得∆p=17367.33Pa①反应器进料管根据AspenPlus流程模拟结果得到反应器进口的总体积流量为10969.70m3/h，进入反应器的气体流速取7.0m/s，管的直径为：d=18.81管径圆整为813×7.92mm（DN800），气体实际流速为：u=采用无缝钢管，钢管公称直径DN=800mm，选用Φ813×7.92的进料管。②反应器出料管根据AspenPlus流程模拟结果得到反应器出口的总体积流量为11463.51m3/h，离开反应器的气体流速取7.0m/s，管的直径为：d=18.81管径圆整为813×7.92mm（DN800），气体实际流速为：u=采用无缝钢管，钢管公称直径DN=800mm，选用Φ813×7.92的出料管。③加压水进口管根据AspenPlus流程模拟结果得到反应器加压水进口管的总体积流量为7.26m3/h，进入反应器的加压水流速取5.0m/s，管的直径为：d=18.81管径圆整为33.4×1.65mm（DN25），加压水实际流速为：u=采用无缝钢管，钢管公称直径DN=25mm，选用Φ33.4×1.65的进口管。④低压蒸汽出口管根据AspenPlus流程模拟结果得到反应器低压蒸汽出口管的总体积流量为2019.2m3/h，离开反应器的蒸汽流速取20.0m/s，管的直径为：d=18.81V管径圆整为219.1×2.77mm（DN200），气体实际流速为：u=采用无缝钢管，钢管公称直径DN=200mm，选用Φ219.1×2.77的出口管。6环境处理6.1三废处理废气处理，本工艺选择原料为乙炔和醋酸乙烯，醋酸循环利用。废气主要来源于由第三工段循环经过膜分离器非暴力出来的一部分轻质混合气和第三工段经乙醛氧化塔分离出来的少量混合气组成。废气组分基本不含氮、硫等元素。可以直接采用火炬系统，将废气输送到总厂进行充分燃烧，其产生的热量可以充分利用到供热系统，最后化为二氧化碳和水安全排放。火炬系统燃烧产生的热量与高温尾气[24]可以作为本工艺的热工用工程部分，使能量能够充分利用的同时降低对环境的损坏。废液处理，废液主要来自第二工段的VAC脱水塔产生的废水。还有部分来自于第四工段的醋酸减压精致塔，该部分废水主要是混合酸液。第一股废水送至总厂集成。第二股为酸性废液，如果不及时进行处理，则会对环境产生大量污染。因此废液选择送至全厂污水处理站，进行中和处理，使其满足排放要求后进行排放。废固处理，废固主要来源为两部分。第一部分是来自于第一工段的VAC合成反应器和第三工段的乙醛氧化鼓泡反应器里面的催化剂废固，两个工段产生的废固为醋酸锌/活性炭催化剂和醋酸锰催化剂。这一部分的醋酸锌/活性炭催化剂送至净水材料有限公司回收，失活醋酸锰催化剂由供应商进行回收再生处理。第二部分来源于第一工段的膜分离器使用的载体材料中空纤维膜，其主要组成为硅氧聚合物，该部分废固将送往供应商处理。第三部分为厂库区和生活区分别产生的生产包装物和生活垃圾，这部分的废固送往垃圾处理站统一处理。6.2安全评价本工艺针对不同单元操作进行评估，对于偏离设计工艺指标的情况进行分类，分析来源，确定可能造成的后果，以及设计应对方案。流股流量零，即管道不存在流股进料或流股出料，可能运输管道破裂、堵塞或者管道阀门意外关闭导致，将会导致流股泄露，本工艺以烃类作为主要流股，容易导致厂区爆炸或者火灾等重大事故。可以通过在管道末端设置紧急切断阀或者在管道中设置流量报警器，能够在第一时间对该情况进行预警，避免事故发生。流股流量过大，可能时由于管道流量计显示故障或管道内压力过大造成。若流量计故障，可能会导致储罐进料溢出，可以通过设置紧急切断阀进行预防。若管道内压力过大，则可能造成管道破裂，使高压物料泄露，形成易爆环境。可以采用设计压力调节阀并且进行定期检验维护来避免。管道磨损腐蚀，可能时由于进料流股具有腐蚀性，而管道材料并未按照设计要求进行选择，或管道长期不进行检修造成磨损，会导致不同流股物料混合，使后续设备无法正常运行，以及物料泄露引发火灾。需要在工艺设计前，确定流股信息，是否具有腐蚀性，并按照相关规定选择合适管道，并对管道进行定期检查更换。生产工艺所涉及的物质大多数为石油有机化合物，属于危险化学品，具有易燃性和毒性。对生产原料，中间产物以及产品等物质进行有效地管理是有必要的。严格管控装填物质的容器发生泄漏、爆炸等事故，同时在生产过程中要防止操作人员的接触，生产环境要做通风，防止危险事故的发生。系统的工作温度、压力、流量等如果偏差较大，可能会带来严重的后果。对生产工艺采用DCS集散控制系统和SIS安全仪表系统，出现故障及时停车做出安全措施，预防安全事故发生，做到全方位保障安全生产。生产过程尽可能减少接触有害物质，对人员进行安全讲解、安全演练，生产环境做到安全可靠，采用SHE管理体系，科学合理管理，做到安全第一，预防为主。

7小结本设计采用美国Borden和Blawkeox公司开发的天然气乙炔法制醋酸乙烯酯技术以及乙醛氧化制醋酸技术，能够达到年产207100吨醋酸纯度为99.85%（wt%）的醋酸乙烯，920吨99.23%（wt%）巴豆醛。整个工艺流程生产装置包括：醋酸乙烯酯合成工段、醋酸乙烯酯精制工段、乙醛氧化工段、醋酸回收工段四个主要工段及工艺装置界区内公用设施等部分。本项目选择天然气制乙炔，符合《中国制造2025》对于降低能耗和减少污染的要求，相对于电石法能耗更低，是环境友好型制备方法，完全符合我国可持续发展的能源战略。醋酸减压精制塔使用浮阀塔，操作压力为0.06MPa。理论塔板数28，实际塔板数13，反应温度120℃针对工艺产生的三废进行严格处理，符合国家允许排放标准，对工艺中可能存在的安全隐患，进行分析并采取预防措施。参考文献：[1]伍思颖,杨潇.醋酸乙烯酯合成工艺的模拟分析[J].化学工程与装备,2020(10):12-14.[2]王鹏程,刘金玉,殷晖.醋酸乙烯酯精馏塔设计[J].辽宁化工,2020,49(07):827-829+832.[3]郑明石.乙烯法醋酸乙烯精馏工艺的模拟优化与节能研究[D].北京化工大学,2020.[4]祁建伟.醋酸乙烯储存系统设计及冷负荷计算[J].硫磷设计与粉体工程,2020(03):26-30+6.[5]崔小明.国内外醋酸乙烯的供需现状及发展前景分析[J].石油化工技术与经济,2021,37(01):14-20.[6]刘佳男,李宗衡,李智,高雪超.醋酸乙烯的热泵精馏工艺模拟[J].现代化工,2021,41(01):215-218.[7]廖爱雪,王哲慧,孟凡帅,谢大祥,左宁,王磊,李书珍,莫米诺.醋酸乙烯