【導讀】11萬噸/年乙酸乙烯酯裝置工藝設計

　　

【正文】 原料路線確定原則和依據(jù) 選擇生產方法和工藝流程時應該著重考慮以下三項原則： (1) 先進性。先進性的評價包括基建投資、生產成本、消耗定額以及勞動生產率等方面。實際生產過程中，選擇的生產方法應達到物料損耗較小、物料循環(huán)量較少并且易于回收利用、能量消耗較少和有利于環(huán)境保護等要求。 (2) 可靠性。應當堅持一切經過試驗的原則，不允許把未來的生產工廠當做試驗工廠來進行設計。另外，還要考慮原料的可靠性。 11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計 10 (3) 合理性。在工藝流程設計中，應從以下著重考慮： ① 國內人民的消費水平以及各種化工產品的消費趨勢。 ② 國內化工生產所用的化工原料及設備制造所需要的各種材料的供應情況。 ③ 國內化工機械設備、電氣儀表與自控設備的技術水平和制造能力。 ④ 國家環(huán)境保護、清潔生產的有關規(guī)定和化工生產中“三廢”排放情況。 ⑤ 勞動就業(yè)與化工生產自動化水平的關系。 ⑥ 資金籌措和外匯儲備情況。 工藝技術方案比較和選擇依據(jù) （ 1） 石油乙烯法 以石油裂解聯(lián)產的乙烯為原料，采用多管型固定床反應器氣相氧化合成醋酸乙烯的拜耳乙烯法，是由德國拜耳公司開發(fā)成功，日本可樂麗公司首先實現(xiàn)工業(yè)化生產 。 目前，國內的上海石化和北京有機化工廠采用了拜耳乙烯法合成醋酸乙烯原料路線 。 主要反應方程式為： C2H4 + CH3COOH+ →C 2H3OOCCH3 +H2O 副反應： C2H4 + 3O2→2CO 2 + 2H2O （ 2） 天然氣乙炔法 以天然氣為原料，部分氧化裂解制得乙炔，采用固定床反應器氣相催化合成醋酸乙烯的天然氣乙炔法，是由法國羅納 普朗克公司開發(fā)成功，并實現(xiàn)工業(yè)化生產 。 國內四川川維引進有生產裝置 。 反應方程式 HC≡CH+ CH3COOH→H 2C=CHO(CO)CH3 ΔH=?118KJ/mol 反應條件：氣相 170250℃ ,在 Zn(OAc)2催化劑作用下反應，乙炔的轉化率為 6070％ ，乙炔的選擇性為 93%，醋酸的得選擇性為 99%。但因為該反應的生產成本太高和安全問題，使該反應現(xiàn)在很少使用。 （ 3） 電石乙炔法 用水與電石發(fā)生乙炔，采用沸騰床反應器氣相催化合成醋酸乙烯的電石乙炔法是最11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計 11 早實現(xiàn)工業(yè)化的一種生產方法 。 國內有 10家聚乙烯醇生產廠采用電石乙炔法原料路線 。該反應分為兩個部分：第一部分在 120140℃， FeCl3為催化劑下反應； 反應方程式為： CH3CHO+(CH3CO)2O→CH 3CH(OCOCH3 )2 第二步是分解反應，在 120℃，酸的催化下反應： 反應方程式為： CH3CH(OCOCH3)2→H 2C=CHO(CO)CH3+ CH3COOH 三種不同的原料路線都能生產出質量優(yōu)良的聚乙烯醇產品，原料路線對產品品質不構成影響或影響甚微 。 目前世界上 2/3 的聚乙烯醇生產裝置采用石油乙烯法原料路線，占據(jù)聚乙烯醇生產技術的主導地位 。 歐美和日本則全部采用石油乙烯法原料路線 。 固定床反應器與沸騰床反應器相比：優(yōu)點是克分子比大 、 空速高 、 醋酸轉化率高 、空時收率高 、 觸媒消耗低 、 反應液質量好，反應氣中不帶碳粉，這對反應液的分離有利 。缺點是產量周期性波動大 、 反應器內溫度不均勻 、 生產周期短 、 更換觸媒時間長 、 勞動強度大 。 沸騰床反應器的特點是技術成熟，操作安全穩(wěn)定 。 從以上對比可以看出：固定床反應器比沸騰床反應器具有一定的優(yōu)勢，但需掌握高效催化劑配制的關鍵技術，而目前這項技術國內只有川維一家掌握，不具普遍性，因此本文以國內聚乙烯醇生產企業(yè)普遍采用的沸騰床反應器工藝技術進行論述 。 由于以上理由，本裝置合成乙酸乙烯酯采用石油乙烯法原料路線，采用固定床列管式反應器。 操作條件的確定 1. 反應方程式 主要反應方程式為： C2H4+CH3COOH+→C 2H3OOCCH3+H2O ΔH=146KJ/mol 副反應： C2H4+3O2→2CO 2+2H2O ΔH=1340KJ/mol 主要副產物使 CO2，其它副產物很少。由于反應放熱，少量的 CO2存在，有利于反應的排出，同時可抑制乙烯的氧化深度，故生成的 CO2留在循環(huán)氣中不斷的循環(huán)。但不斷11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計 12 循環(huán)后 CO2將逐步積累，使其含量過高。所以工藝上必須連續(xù)抽取部分循環(huán)氣，經脫除CO2后再循環(huán)回反應器使用，以防止 CO2在循環(huán)氣中積累過高。 2 .主要影響因素 由圖 21可以看出反應溫度對產物生成的影響。 溫度升高，反應的速率增加，但反應的選擇性下降，收率也會下降，權衡以上兩方面，控制反應溫度為 150℃ 圖 21 乙酸乙烯酯生產溫度對選擇性和時空收率的影響 由圖 22 可以看出反應壓力對產物生成的影響， 有反應方程式可以看出，壓力增加，反應速率會增大，選擇性和收率都會增加，但是壓力過大，能耗大，對設備要求高，安全系數(shù)也會下降。一般來說壓力一般去 。 圖 22 乙酸乙烯酯生產壓力對選擇性和時空收率的影響 11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計 13 工藝流程設計 反應原理 該工藝流程中的主要反應如下： C2H4+CH3COOH+→C 2H3OOCCH3+H2O ΔH=146KJ/mol C2H4+3O2→2CO 2+2H2O ΔH=1340KJ/mol 裝置工藝原則流程圖 裝置工藝原則流程圖見圖 23。 圖 23裝置工藝原則流程示意圖 工藝流程簡述 模擬圖中兩個換熱器都采用 33℃ ,C2H4， O2， CO2，采用閃蒸塔的主 要原因是分離其中氣體，再將它們分離出來，再返回反應器來循環(huán)使用，這樣可以降低后面塔的負荷和增大處理量。這樣從脫氧罐部出來的物料進入脫乙酸塔，在精餾過程中主要脫除混合物中的乙酸，然后從脫乙酸塔頂出料進入脫水塔，在精餾過程中脫除混合物中的水，再由塔頂出料進入乙酸乙烯酯精制塔，在此精餾過程中主要出去混合物中的乙烯和少量的二氧化碳，而最終在塔底得到純度為%的乙酸乙烯酯 11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計 14 參考文獻 [1] 錢伯章 .上海期刊， 醋酸乙烯的生產技術與國內外市場， 2020,35(3) [2] 顏藝倩 .廣州科技 總第 231 期 [3] 陳聲宗．化工設計 (第二版 )． 北京：化學工業(yè)出版社 [4] 顏藝倩 . 合成醋酸乙烯的工藝技術探討 .學界 .研究天地 . 11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計 15 第 3 章 物料衡算 物料衡算及全流程模擬概述 化學工程的物料衡算是利用物理與化學的基本定律，對化工過程單元及化工過程單元系統(tǒng)的物料平衡的計算。通過計算，從中找出主副產品的生成量，廢物的排出量，確定原材料的消耗與定額，確定各物流的流量、組成和狀態(tài)，確定每一設備內物質轉換與能量傳遞的速度。從而為確定操作方式、設備選型以及設備尺寸的確定、管路設施與公共工程的設計提供依據(jù)。 本裝置以氧氣、二氧化碳、乙烯、乙酸為原料生產年產量 11 萬噸的乙酸乙烯酯。通過對整個裝置和個單元設備的物料衡算，確定各物流的進出流率，最終確定產品的產率和各物質的利用率，綜合考慮各項經濟技術 指標，定量地評述所選工藝路線、生產方法及工藝流程在經濟技術上是否合理，為后續(xù)的計算提供依據(jù)。 主要設備的物料衡算 反應器 R0101的物料衡算 反應器的物料衡算如表 31a、 31b 所示。 圖 31 反應器 R0101 的物流圖 11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計 16 表 31a 反應器 R0101 的物料衡算表 組分 分子量 g/mol 進料 kmol/h mol% kg/h m% C2H4 28 1450 40678 C2H4O2 60 600 CO2 44 550 O2 32 180 C4H6O2 62 0 0 0 0 H2O 18 0 0 0 0 總計 244 2780 1 1 表 31b 反應器 R0101 的物料衡算表 組分 分子量 g/mol 出料 kmol/h mol% kg/h m% C2H4 28 C2H4O2 60 CO2 44 O2 32 22 C4H6O2 62 H2O 18 總計 244 1 1 11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計 17 V0201的物料衡算 圖 32 脫氧罐（ V0201）的物流圖 表 32a 脫氧罐（ V0201）的物料衡算表 組分 分子量g/mol 進料 （ 7） kmol/h mol% kg/h m% C2H4 28 O2 60 C2H4O2 44 C4H6O2 32 H2O 62 CO2 18 總計 244 表 32b 脫氧罐（ V0201）的物料衡算表 組分 分子量 g/mol 出料 8 kmol/h mol% kg/h m% C2H4 28 11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計 18 續(xù)表 32b 組分 分子量 g/mol 出料 8 kmol/h mol% kg/h m% O2 60 C2H4O2 44 0 0 C4H6O2 32 H2O 62 0 0 CO2 18 總計 244 1 1 總進料 kmol/h 表 32c 脫氧罐（ V0201）的物料衡算表 組分 分子量 g/mol 出料 9 kmol/h mol% kg/h m% C2H4 28 O2 60 0 0 C2H4O2 44 C4H6O2 32 H2O 62 CO2 18 總計 244 1 1 總出料 ,kg/hr 11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計 19 乙酸塔 T0201的物料衡算 圖 33 脫乙酸塔 T0201 的物流圖 表 33a 脫乙酸塔 T0201 的物料衡算表 組分 分子量 g/mol 進料 （ 9） kmol/h mol% kg/h m% C2H4 28 O2 32 0 0 C2H4O2 60 C4H6O2 62 H2O 18 CO2 44 總計 244 1 1 11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計 20 表 33b 脫乙酸塔 T0201 的物料衡算表 組分 塔頂 （ 11） 塔底 （ 10） kmol/h mol% kg/h m% kmol/h mol% kg/h m% C2H4 0 0 0 0 O2 0 0 0 0 C2H4O2 C4H6O2 0 0 0 0 H2O CO2 0 0 0 0 總計 1 1 1 1 總進料 kmol/h 總出料 ,kg/hr 水塔 T0301的物料衡算 圖 34 脫水塔 T0301 的物流圖 11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計 21 表 34a 脫水塔 T0301 的物料衡算表 組分 分子量 g/mol 進料 （ 13） kmol/h mol% kg/h m% C2H4 28 O2 32 C2H4O2 60 C4H6O2 62 H2O 18 CO2 44 總計 244 表 34b 脫水塔 T0301 的物料衡算表 組分 分子量g/mol 塔頂 （ 15） 塔底 （ 14） kmol/h mol% kg/h m% kmol/h mol% kg/h m% C2H4 28 O2 32 C2H4O2 60 C4H6O2 62 H2O 18 CO2 44 總計 244 總進料 kmol/h 總出料 ,kg/hr 11 萬噸 /年乙酸乙烯酯裝置 工藝設計