【《醋酸乙烯合成的化工工艺与系统分析》4100字】

醋酸乙烯合成的化工工艺与系统分析目录TOC\o"1-3"\h\u18112醋酸乙烯合成的化工工艺与系统分析 1147721.1基本原则 120471.2醋酸乙烯合成工艺路线选择 1210161.2.1乙炔气相法 255211.2.2乙烯气相法 3255381.2.3各工艺路线投资比较 5300921.2.4各工艺路线技术指标比较 5144721.2.5技术选择 6323101.3工艺路线 6230961.1.1全流程 6297591.1.2产品合成工段 7154741.1.3气体分离工段 8326911.4工艺论证及优化 916221.4.1反应工段工艺论证 9218631.4.2二氧化碳吸收塔T0202论证及优化 111.1基本原则选用生产工艺方法，应从多方面进行考虑：1.原料的来源是否广泛，供应是否有保证；2.生产工艺是否成熟、质量是否有保证；1.设备和土建的规模如何，造价如何；4.原材料和使用燃料的综合消耗、价格,人力资源的综合占用成本情况,生产成本如何,各项主要的企业经济管理技术指标如何;5.环境保护情况，节能减排情况。1.2醋酸乙烯合成工艺路线选择现在工业上生产醋酸乙烯的工艺主要有：乙烯气相法、乙炔气相法。1.2.1乙炔气相法乙炔气相法是用醋酸蒸汽、乙炔等原材料,在催化剂(CH3COO)2Zn/活性炭的作用下合成醋酸乙烯。1928年hoechst公司使用这种方式建造并设计成年产1.2万吨的制造设备。乙炔气相法可以划分为:①对原料气体的空气净化;②气相催化合成;③对产品进行精制

原料气的净化自乙块发生器，由电石生产的乙炔气其组成大致为乙炔98%(vol)，磷化氢0.05%(vol)，硫化氢0.10%（vol)。由于磷化氢和硫化氧可使催化剂中毒。因此，在送入合成反应器之前必须加以净化。3-1乙炔净化工艺流程1——文丘里管；2——次氯酸钠储槽；3——次氯酸钠洗涤塔；4——综合洗涤塔气相催化合成催化合成是由乙块和气相乙酸，通过载于活性炭上的乙酸锌催化制，转变成产物乙酸乙烯的过程。气相催化合成的流程如图4-2所示。净化后的乙炔和循环乙炔混合后，升压至78.4-81.3kPa（8000-8500mmH20）进入气体混合槽。乙酸由贮槽用泵打入乙酸蒸发器。乙酸蒸发器为带有中央循环管的列管式设备.管间使用0.6MPa（表压）蒸气加热，气化后的乙酸蒸气送入气体混合糟。乙炔和乙酸在混合槽内进行混合后分为两路,一路经过两台串联的预热器,第一台预热器用蒸汽加热,第二预热器由反应器冷却介质迸行加热。通过两个预热器后,将混合的气体被高温加热至140-150℃,这一路称为热气;另一路是不经预热的冷气。在热气和冷气的混合作用下将反应器中的混合物送入反应器前,将混合气体的温度调节为技130〜140℃之间,而后再送入合成反应器。图3-2乙酸乙烯合成工艺流程1.2.2乙烯气相法乙烯气相法是用醋酸蒸汽、乙烯、氧气在钯(Pd)、金(Au)催化剂的作用下，在压力为0.6～1.1MPa、温度为100～200℃条件下发生气相氧化而生成醋酸乙烯，反应方程式如下：其主要工艺和技术指标见表3-1，工艺流程图见图3-4。图3-4Bayer法合成醋酸乙烯工艺流程图表3-1乙烯气相Bayer法主要工艺条件和技术指标在乙酸乙烯的合成过程中，乙烯的单程转化率只有9%左右，因此大量未转化的乙烯必须循环使用，新鲜乙烯和循环乙烯混合后，送入第二热交换器，在此以反应器出口气将乙烯原料预热。预热后的乙烯由底部进入乙酸蒸发器，顶部喷淋乙酸,在蒸发器内的填料上，乙烯和乙酸逆流接触。饱和的乙酸的气体从蒸发器顶部引出，乙烯和乙酸的混合气体中的乙酸含量大约为20%（mol）。乙烯和乙酸的混合气体从蒸发器顶部出来后，进入第一热交换器，用反应器出口气对其预热，而后再用中压蒸汽加热到160℃。该气体送入氧气混合器与氧气混合，使氧气在整个反应混合物中占4.5〜6.0%。从氧气混合器出来的物料，加入喷雾状态的助催化剂乙酸钾溶液，以补充催化剂中助催化剂在反应过程中的损失。而后通过液滴分离器脱除乙酸钾液滴后，由顶部送入乙酸乙烯合成反应器。反应后的气体从反应器底部出来，除含有目的产物乙酸乙烯外，还含有大量未转化的乙烯和乙酸，以及二氧化碳、水、氧气和氮气等。首先在第一和第二热交换器中和原料气进行换热，从而回收产物气体中所带出的热量，而后再进入冷凝器，用冷却水将其进一步冷却，使其中所含的乙酸和乙酸乙烯等组分冷凝.反应后的气体中含有大量的不冷凝组分,像乙烯、氧气等，只借助于间接冷却的方法，很难将乙酸和乙酸乙烯全部冷凝下来。如果分离得不彻底，就可能使循环的乙烯中含有乙酸，即使是很微量的乙酸存在也会导致循环气压缩机受到腐蚀。工业乙酸乙烯生产大多使用直接冷却设备气体分离塔。1.2.3各工艺路线投资比较1.2.4各工艺路线技术指标比较表3-3工艺路线比较反应器流化床固定床固定床固定床固定床反应温度170~210℃170~210℃160~200℃125~140℃160~200℃选择率％————90~9491——转化率％30~4550~6015~201018催化剂醋酸锌醋酸锌钯金催化剂钯铂催化剂钯基催化剂使用寿命/a0.50.2512.51能耗较大较大适中适中较小流程繁简较复杂较复杂简单简单适中环境污染严重适中小小小1.2.4.1消耗比较表3-4不同工艺方案消耗比较工艺WackerBordenBayerUSIVantage方案消耗电石消耗量很大，废渣处理困难天然气消耗量大，乙炔成本该乙烯消耗量大，需大量循环利用乙烯消耗量大，需大量循环利用乙酸消耗量较小，乙烯利用更充分1.2.4.2转化率比较转化率受温度、压力、原料量和组成等多方面因素影响，参照国内外数据，查得各工艺原料转化率如表3-5所示。表3-5不同工艺方案转化率比较工艺WackerBordenBayerUSIVantage转化率％30~4550~6015~201018因此根据转化率比较得出最佳工艺方法为Borden工艺，其次为Wacker工艺、Vantage工艺、Bayer工艺和USI工艺。1.2.4.3本质安全对于常采用的五种醋酸乙烯合成工艺进行安全评估，可得初步结果如下:表3-6不同工艺方案本质安全比较合成工艺原料特性操作条件反应条件危险物质使用Wacker工艺危险危险反应剧烈电石、乙炔Borden工艺危险危险反应剧烈甲烷、乙炔Bayer工艺较危险较危险反应适中乙烯USI工艺较危险较危险反应适中乙烯Vantage工艺较危险较危险反应适中乙烯1.2.4.4本质环保对于常采用的五种醋酸乙烯合成工艺进行环保评估，可得初步结果如下:表3-7不同醋酸乙烯合成工艺本质环保比较提纯工艺原料特性副产物三废排放量危险物质排放Wacker工艺不环保大量副产物大量废渣，较大量废水大量电石渣Borden工艺环保大量副产物较大量废水较大量有机废水Bayer工艺环保较大量副产物较大量废水较大量有机废水USI工艺环保较大量副产物较大量废水较大量有机废水Vantage工艺环保较大量副产物较大量废水较大量有机废水1.2.5技术选择乙炔法与乙烯法比较：乙烯法由于工艺成本低、经济性好、安全环保，优势比较明显，因此采用乙烯法作为生产醋酸乙烯的工艺路线。根据上述综合分析，最后选定乙烯气相Bayer工艺合成醋酸乙烯。1.3工艺路线1.1.1全流程出于国家政策、各个国家的资源配置、技术和经济市场等诸多因素的考虑,我过分析比较了各项工艺的生产路线，最终确定了我的整套工艺。我利用来自总厂的乙烯通过Bayer法工艺来生产醋酸乙烯。其工艺流程图如下：图3-6全工段工艺流程图1.1.2产品合成工段图3-7产品合成工段模拟示意图产品合成工段的主要任务是将原料气通过列管式固定床反应器反应生成醋酸乙烯，并对反应器出口物流冷却送入气体分离工段。R0101醋酸乙烯合成单元：原料气经预热后进入反应器在催化剂间进行催化裂解，反应条件为160℃、9.8bar，产出主要为醋酸乙烯和未反应完全原料气的混合气，其反应过程如下：C2H4+1/2O2+CH3COOH=CH3COOCHCH2+H2O+35kcal/molVAC反应器出口流体经冷却后进入下一工段。1.1.3气体分离工段图3-8气体分离工段模拟流程图气体分离工段是将醋酸乙烯冷却、放出惰性气体氮气、除去副反应生成的CO2。1.1.4产品精制工段图3-9产品精制工段模拟流程图来自于气体分离工段T0201底部的液相进入产品精制工段，由于液相中溶解有一定量的不凝气所以先通过脱气槽V0301在15℃、0.15bar的条件下脱除大部分不凝气，不凝气送入气体分离工段处理，液相从底部流出进入双效精馏塔回收醋酸，将质量纯度0.96的醋酸循环回其余两个工段使用。塔顶部的轻组分组含量最多的为水、醋酸乙烯，二者会形成非均相最低共沸物，通过液相分相器来跨过共沸点以实现二者的分离。1.4工艺论证及优化1.4.1反应工段工艺论证本工段主要设备为VAc列管式固定床换热反应器。1.4.1.1反应方程式1.反应机理乙烯气相法合成醋酸乙烯为一复杂反应，其反应机理可以大致看作如下：2.主反应方程式C2H4+1/2O2+CH3COOH=CH3COOCHCH2+H2O+35kcal/molVAc1.副反应方程式C2H4+3O2=2CO2+2H2O+320Kcal/molC2H4（生成CO2的主要反应式）CH3COOH+2O2=2CO2+2H2O（醋酸燃烧反应）2C2H4+2CH3COOH+3O2=2CH2CH=CHO+4H2O+2CO2（生成丙烯醛反应）2C2H4+2CH3COOH+3O2=2CH3COOCH3+2H2O+2CO2（生成醋酸甲酯反应）C2H4+CH3COOH=CH3COOC2H3（生成醋酸乙酯的反应）C2H4+1/2O2=CH3CHO（生成乙醛反应）1.4.1.2反应动力学1.主反应动力学主反应的动力学数据如下：图3-10动力学数据图2.副反应动力学根据文献《VinylAcetatefromethylene,aceticacidandoxygenIndustrialPlantSimulation》得知乙烯直接氧化成CO2反应放热明显，对主反应影响最大。生成CO2主要反应的动力学数据如下：图3-11动力学数据图1.4.1.3反应条件选择温度：反应操作温度为160℃，取设计温度为180℃，应力校核实验温度取设计温度。压力：反应压力Pw为0.98MPa，则安全阀整定压力Pz：Pz=1.075×0.98=1.0535MPa设计压力取为1.2MPa，计算压力Pc：Pc=1.2+0.08=1.28MPa公称压力PN为1.6MPa。空速：查阅动力学文献知气相法生产醋酸乙烯反应空速约为1800~2000m/s。查询资料可得选择的催化剂空速为1723h-1。1.4.2二氧化碳吸收塔T0202论证及优化1.4.2.1吸收剂用量的优化对塔板及吸收剂用量做灵敏度分析，从图3-12可以看到在塔板数7-8块时未被吸收的CO2质量变化不灵敏。选择塔板数为8块。吸收剂用量在1400kg时未被吸收的CO2质量变化不再灵敏。考虑到化学吸收解吸无法很完全，选择吸收剂用量为1500kg。图3-12塔板及吸收剂用量灵敏度分析1.4.2.2塔压的优化固定塔板数及吸收剂用量再对塔压做灵敏度分析。由图3-13可以看出，当吸收剂用量选择1500kg时，10bar的塔压可以较好满足吸收的目标。图3-13塔压灵敏度分析 吸收剂的解吸能力会直接影响吸收剂的用量及成本。为了减少新鲜吸收剂的补充量，对解吸塔的再沸器负荷、空气流量、塔板等进行了优化。除了关注解吸出的CO2质量外，为了保证K2CO3不会从溶液中析出，有人要关注从塔顶被带出的水的质量。为了保证在KHCO3分解时水尽量少的被带出，选择塔压为2MPa。1.4.2.3再沸器负荷及塔板数的优化在该解吸塔中，决定CO2解吸效果的最重要的因素是再沸器的负荷。因此，对塔板数及再