ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本 科 毕 业 设 计
年产4万吨醋酸乙烯生产车间工艺设计
Process Engineering of Vinyl Acetate Process Workshop in the Scale of 40000 Tons per Year
系（院）名称： 化学与环境工程学院 专 业 班 级： 08级应用化学专业 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 职 称：
年 月
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期：
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本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计的规定，即：按照学校要求提交毕业设计的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名： 日 期：
目 录
中文摘要、关键词 ................................................. I 英文摘要、关键词 ................................................ II 引 言 ........................................................... 1 第1章 绪论 ...................................................... 2
1.1 醋酸乙烯的理化性质 ....................................................................................................... 2 1.2 醋酸乙烯的主要用途 ....................................................................................................... 2 1.3 醋酸乙烯的生产现状与发展趋势 ................................................................................... 3 1.3.1 醋酸乙烯的国内生产现状及市场前景 ........................................................................ 3 1.3.2 醋酸乙烯的国外生产现状及市场前景 ........................................................................ 5 1.4 课题要求及意义 ............................................................................................................... 6 1.4.1 课题的要求 .................................................................................................................... 6 1.4.2 课题的意义 .................................................................................................................... 6
第2章 醋酸乙烯的生产技术及研究 ................................. 7
2.1 醋酸乙烯的生产工艺方法 ............................................................................................... 7 2.1.1 乙炔液相法 .................................................................................................................... 7 2.1.2 乙炔气相法 .................................................................................................................... 7 2.1.3 乙烯液相法 .................................................................................................................... 8 2.1.4 乙烯气相法 .................................................................................................................... 8 2.1.5 其它方法 ........................................................................................................................ 8 2.2 醋酸乙烯的生产工艺选择 ............................................................................................... 9 2.2.1 乙炔气相法和乙烯气相法的比较 ................................................................................ 9 2.2.2 乙炔气相法Wacker流程和Borden流程的比较 ...................................................... 10
2.3 醋酸乙烯的生产工艺流程 ............................................................................................. 10 2.3.1 主反应方程式 .............................................................................................................. 11 2.3.2 主要的副反应方程式 .................................................................................................. 11 2.3.3 醋酸乙烯合成反应原理 .............................................................................................. 11 2.3.4 生产工艺流程示意图 .................................................................................................. 12
第3章 醋酸乙烯的物料衡算 ...................................... 14
3.1 主要的反应方程式 ......................................................................................................... 14 3.2 基础数据 ......................................................................................................................... 14 3.2.1 装置的工艺数据 .......................................................................................................... 14 3.2.2 小时生产能力 .............................................................................................................. 14 3.2.3计算基础 ....................................................................................................................... 14 3.2.4 原料规格 ...................................................................................................................... 15 3.3各工序的物料衡算 .......................................................................................................... 15 3.3.1 乙炔工序 ...................................................................................................................... 15 3.3.2 反应工序 ...................................................................................................................... 16 3.3.3、分离工序 .................................................................................................................... 18 3.3.4、精馏工序 .................................................................................................................... 18 3.4醋酸乙烯生产过程物料衡算汇总 .................................................................................. 19
第4章 醋酸乙烯的热量衡算 ...................................... 21
4.1 基础数据 ......................................................................................................................... 21 4.2 反应系统的热量衡算 ..................................................................................................... 22 4.3 分离系统的热量衡算 ..................................................................................................... 26 4.4 精馏系统的热量衡算 ..................................................................................................... 27 4.4.1 精馏一塔热量衡算 ...................................................................................................... 27 4.4.2 精馏二塔热量 .............................................................................................................. 28 4.4.3 精馏三塔的热量衡算 .................................................................................................. 29 4.5 总热量衡算汇总 ............................................................................................................. 30
第5章 主要设备的工艺设计和选型 ................................ 31
5.1 固定床反应器 ................................................................................................................. 31
5.2 醋酸乙烯精馏塔 ............................................................................................................. 34
第6章 车间布置设计 ............................................ 37
6.1 概述 ................................................................................................................................. 37 6.2 车间布置的基本原则和要求 ......................................................................................... 37 6.2.1 厂房建筑 ...................................................................................................................... 37 6.2.2 生产操作 ...................................................................................................................... 38 6.2.3 设备装修 ...................................................................................................................... 38 6.2.4 安全要求 ...................................................................................................................... 38 6.2.5 车间辅助用室及生活用室的配置 .............................................................................. 39 6.2.6 设备之间及设备与建筑物之间的一般安全距离 ...................................................... 39
结 论 .......................................................... 40 致 谢 .......................................................... 41 参考文献 ........................................................ 42
年产4万吨醋酸乙烯的生产车间工艺设计
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，有极大的潜力和优势。醋酸乙烯作为一种新型的有机化工原料，广泛应用于有机合成、维尼纶、粘结剂、涂料工业等。寻找合理的生产方法是当务之急。醋酸乙烯作为中间体，随着聚乙烯醇非纤维领域应用的拓展，使得醋酸乙烯的需求不断增长，提高醋酸乙烯的产量和质量尤为重要。醋酸乙烯通过自身聚合或与其它单体共聚，可以生成聚乙烯醇（PVA）、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液（VAE）或共聚树酯（EVA）、聚醋酸乙烯（PVAc）、醋酸乙烯-氯乙烯共聚物（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，同时提出了合成醋酸乙烯技术的选择原则，阐述了未来醋酸乙烯合成技术的发展趋势，以及合成醋酸乙烯的生产工艺流程。着重介绍了运用电石乙炔法合成醋酸乙烯的生产工艺流程及其合成反应原理。本设计主要以物料衡算和热量衡算进行工艺计算和主要设备选型以及工艺车间的布置。在此基础上绘制了工艺流程图和主要设备装配图。
关键词：醋酸乙烯，电石乙炔法，生产工艺流程，物料衡算，热量衡算，生产车间
I
Process Engineering of Vinyl Acetate Process Workshop in Scale of
40000 Tons per Year
Abstract: China is full of the coal resources.So it can develop the coal business,and produce new chemical materials.We have great potentiality and advantage.As a new type of chemical raw materials,vinyl acetate are widely used in organic synthesis,nylon,adhesives,paint industry etc.It is top priority to look for reasonable production method.Vinyl acetate are used as intermediates with the applied spread of poly vinyl alcohol on the non-fiber sphere .So it makes the rising demand about vinyl acetate ,and it is particularly important to improve the production and quality of vinyl acetate.Though polymerization own with other monomer copolymerization,vinyl acetate can be generated poly vinyl alcohol,vinyl acetate-ethylene copolymer emulsion or copolymerization ester,poly vinyl acetate,vinyl acetate-choloethylene copolymer,poly vinyl alcohol shrink formaldehyde etc.
Comparing the different production process route and its advantages and disadvantages,Street vinyl acetate synthesis is also put forward the selection principle of technology,this paper expounds the future of vinyl acetate synthesis technology development trend,and expounds the vinyl acetate research,production,development situation,And the process of vinyl acetate synthesis in our country.This paper introduces the synthesis process of application of calcium carbide acetylene method to make vinyl acetate,and according to the different catalysts vinyl acetate synthesis this paper introduces them.Primarily With material and heat balance calculation,this design process es calculation and selection of equipment and process workshop layout,On the basis of selection,it also paints the process of flowing diagram and the main equipment assembly drawing,besides,it puts forward the scheme of process improvement and measures.Of improving output.
Keywords :Vinyl acetate; Calcium carbide acetylene method; Production process;Material calculation;Heat calculation; production workshop
II
引 言
醋酸乙烯（VAc）是一种重要的有机化工原料，特别是醋酸乙烯通过自身聚合或与其它单体共聚，可以生成应用很广的衍生物。乙烯生产方法有乙炔法、乙烯法、乙醛醋酐加成法、以煤为原料的羰基合成法以及醋酸单一原料法等，醋酸乙烯工业的发展具有广阔前景，可以生成应用很广的衍生物，可用于涂料、浆料、粘合剂、维纶、薄膜、乙烯基共聚树脂、缩醛树脂等化工产品，随着科学技术的进步，新的应用领域还在不断拓展。 醋酸乙烯是醋酸的下游产品，又是需求发展迅速的聚乙烯醇和EVA树脂等原料。目前国内醋酸乙烯产能虽然达到l08.3万t∕a，但仍不能满足总量需求，每年都有一定的进口。随着国内醋酸乙烯下游产品需求的增长，预计到2010年需求量将达到l68万t，到20l0年国内醋酸乙烯产能将达到l40万t，届时仍有28万t左右的市场缺口。因此，国内醋酸乙烯市场总体前景较好。
本文简要介绍了合成醋酸乙烯的生产工艺流程，着重介绍了运用电石乙炔法合成醋酸乙烯工艺流程，并且针对合成醋酸乙烯方法的不同进行了介绍，选出最佳方案。本设计主要主要以物料衡算和热量衡算进行工艺计算和设备选型以及工艺车间的布置，在选型的基础上进行了设备的校核，绘制了工艺流程图，主要设备装配图，并进行了车间的布置。
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第1章 绪论
1.1 醋酸乙烯的理化性质
醋酸乙烯(Vinyl acetate,简称VAc)，全称为醋酸乙烯酯，分子式C4H6O2,结构式是CH3COOH=CH2，分子量86.09。在常温下醋酸乙烯是一种无色透明液体，易挥发、稍有毒性、带有特殊的气味，对人的眼睛和皮肤有刺激作用。它的蒸汽为湿麻醉剂，能刺激皮肤及呼吸器官。醋酸乙烯能与水部分互溶，与甲醇、乙醇等形成共沸物，能与苯、水形成三元恒沸物[1]。
醋酸乙烯的熔点-92.3℃，沸点72. 20℃,相对密度0.9317，折射率1.3953，闪点-1℃,爆炸极限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，不溶于水[2]。
醋酸乙烯是不饱和的羧酸酯，由于分子内存在不饱和双键及羧基，化学性质活泼，能够发生聚合反应、加成反应、水解反应、乙烯基转移反应、氧化反应等化学反应[2]。
1.2 醋酸乙烯的主要用途
醋酸乙烯(VAc)单体(VAM)是醋酸及其衍生物行业中最主要的初级衍生物加工产品，也是有机合成化工(聚合物工艺学)中的主导型原料之一，有较高的生产制备及衍生加工的技术经济价值。作为醋酸的再加工物，醋酸乙烯的生产开发状况对醋酸行业的整体发展具有日益显著的影响作用。
醋酸乙烯(VAc)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-醋酸乙烯共聚物等众多聚合物类产品。该类产品广泛应用于纺织﹑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﹑粘接等众多领域。主要用做乳化剂﹑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﹑纤维材料等。在纤维领域，醋酸乙烯主要用于维尼纶合成和醋酸乙烯一丙烯腈类纤维。上述用途中以共聚物最有发展前景。
在醋酸乙烯应用市场中：聚醋酸乙烯占醋酸乙烯约48%，其应用包括水基涂料、胶粘
2
[3]
剂、丙烯酸纤维、纸张涂料和无纺粘合剂；聚乙烯醇(PVOH)用于包装薄膜和玻璃层压片，占醋酸乙烯需求量约35%；其余用于乙烯一醋酸乙烯共聚乳液(VAE)或共聚树脂（EVA)、氯乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVC)、乙烯一乙烯醇(EVOH)绝缘树脂和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)。
1.3 醋酸乙烯的生产现状与发展趋势
1.3.1 醋酸乙烯的国内生产现状及市场前景 (1) 醋酸乙烯的生产现状
自1963年北京东方石油化工股份有限公司（原北京有机化工厂）从日本可乐丽引进，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），我国醋酸乙烯的生产稳步发展。2007年我国醋酸乙烯的生产能力达到123.8万t/a。南京塞拉尼斯一套30.0万t/a气相乙烯法醋酸乙烯生产装置建成投产，截止到2009年12月底，我国醋酸乙烯的生产厂家增加到15家，总生产能力达到158.3万t/a，产能仅次于美国，是世界上第二大醋酸乙烯生产国家。生产工艺有电石乙炔法、天然气乙炔法和乙烯法3种：采用电石乙炔法的生产厂家有11家，生产能力合计为84.5万t/a，约占全国总生产能力的53.38%；采用天然气已缺乏的生产厂家有1家，生产能力为21.0万t/a，约占全国总生产能力的13.27%；采用乙烯法的生产厂家有3家，生产能力合计为52.8万t/a，占全国总生产能力的33.85%。其中南京塞拉尼斯公司是我国目前最大的醋酸乙烯生产厂家，生产能力为30.0万t/a，约占国内总生产能力的18.95%；其次是中石化四川维尼纶厂，生产能力为21.0万t/a，约占国内总生产能力的13.27%；再次是安徽皖维高新材料有限公司，生产能力为15.5万t/a，约占国内总生产能力的9.79%。2009年我国醋酸乙烯的主要生产厂家见表1.1[4]。
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表1.1 2009年我国醋酸乙烯主要生产厂产能和工艺(万t/a)[5]
Table 1.1 vinyl acetate the main factory capacity and process of vinyl acetate in 2009
生产厂家
赛拉尼斯（南京）化工有限公司 中石化四川维尼纶厂 中石化上海石油化工公司 中石化北京东方石油化工公司 山西三维集团股份有限公司 安徽皖维高新材料有限公司 湖南省湘维有限公司 广西维尼纶集团有限责任公司 江西化纤化工有限责任公司 福建纺织纤维集团有限公司 贵州水晶有机化工集团有限公司 兰州维尼纶有限公司 石家庄化工化纤有限公司 云南云维股份有限公司 牡丹江东北化工有限公司
生产能力 30.0 21.0 11.8 11.0 13.5 15.5 8.0 7.0 10.0 6.0 5.0 5.0 2. 8.5 3.0
生产工艺 气相乙烯法 天然气乙炔法 乙烯法 乙烯法 电石乙炔法 电石乙炔法 电石乙炔法 电石乙炔法 电石乙炔法 电石乙炔法 电石乙炔法 电石乙炔法 电石乙炔法 电石乙炔法 电石乙炔法
随着生产能力的不断扩大，我国醋酸乙烯的产量也不断增加。2003年我国醋酸乙烯的产量只有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 ~ 2008年产量的年均增长率约为7.39%。2009年产量约为135.0万t，同比增长约11.57%。 (2) 醋酸乙烯的市场前景
我国醋酸乙烯主要用于生产聚乙烯醇，约占总消费量的75.0%。其次是用于生产聚醋酸乙烯和乙烯一醋酸乙烯共聚物．约占总消费量的21.0%，其它方面的用途占4.0%。随着经济的发展，我国醋酸乙烯的消费结构发生了较大的变化[6]。20世纪90年代我国的醋酸乙烯主要用于生产聚乙烯醇。而近年来随着聚醋酸乙烯共聚物和乳液的发展，醋酸乙烯用于该领域的用量在不断增加，同时EVA产量大幅度增加，也扩展了醋酸乙烯的应用领域。预计到2015年，我国醋酸乙烯的总需求量将达到约210.0万t．其中聚乙烯醇的需求量虽然仍占据主导地位，但所占比例将会有所减少，而聚醋酸乙烯、VAE共聚乳液和EVA将成为未
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来推动醋酸乙烯需求增长的主要动力，在消费结构中的比例将会越来越大。
今后几年，随着中石化四川维尼纶厂和云南云维集团等醋酸乙烯新建或扩建项目的陆续实施，预计到2015年我国醋酸乙烯的总生产能力将超过260．0万t∕a。而届时的年需求量只有约210.0万t，产能过剩，未来我国醋酸乙烯的市竞争压力将逐渐加大。 1.3.2 醋酸乙烯的国外生产现状及市场前景
(1) 醋酸乙烯的国外生产现状
近几年，世界醋酸乙烯的生产能力稳步增长。截止到2009年底，全世界醋酸乙烯的总生产能力已经达到约686.0万t∕a。同比增长约4.9%,生产装量主要集中在北美、西欧和亚太地区,其中北美地区的生产能力为206.3万t∕a，约占世界醋酸烯总生产能力的30.1%；西欧地区的生产能力为117.1万t∕a，约占总生产能力的17.1%；亚太地区的生产能力为341.4万t∕a，约占总生产能力的49.8%；世界其他国家和地区的生产能力为21.2万t∕a。约占总生产能力的3.0%。美国、我国大陆和日本是世界上最主要的3个醋酸乙烯生产国家和地区，2009年生产能力分别达到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23.1%、23.1%和10.6%。塞拉尼斯公司是目前世界上最大的醋酸乙烯生产厂家，生产能力为158.5万t∕a，约占世界醋酸乙烯总生产能力的23.1%；其次是中国台湾大连化工公司，生产能力为65.0万t∕a。约占世界总生产能力的9.5%；再次是中国石油化工集团公司，生产能力为43.8万t∕a，约占世界总生产能力的6.4%。 （2）醋酸乙烯的国外市场前景
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、西欧和亚太地区，其中北美地区的消费量为117.5万t，约占世界总消费量的22.8%；西欧地区的消费量为89.5万t，约占总消费量的17.4%；中南美地区的消费量为13.0万t，约占总消费量的2.5%；中东地区的消费量为14.0万t，约占总消费量的2.7%；亚太地区的消费量为271.5万t，约占总消费量的52.7%；世界其他国家和地区的消费量为9.5万t，约占总消费量的1.8%。预计今后几年，世界醋酸乙烯的需求量将以年均约3.4%的速度增长，到2012年总需求量将达到约590.0万t。
世界醋酸乙烯主要用于生产聚醋酸乙烯、聚乙烯醇以及乙烯一醋酸乙烯共聚物等。2008年世界醋酸乙烯的消费结构为：聚醋酸乙烯(包括聚合物和均聚物)的需求量约占总需求量的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
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6.0%。世界各主要国家和地区醋酸乙烯的消费结构各不相同，其中美国和西欧醋酸乙烯主要用于生产聚醋酸乙烯均聚物和PVOH，美国所占比例分别为51.0%、32.3%，西欧分别为58.7%和23.8%。而日本的醋酸乙烯则主要用于生产PVOH和EVA，分别占总消费量的72.4%和17.8%。
1.4 课题要求及意义
1.4.1 课题的要求
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
情况和发展趋势、目前主要的工业生产原理和路线，以及工业生产中的生产做一个充分的了解。然后根据所查到的资料和一些前沿科技知识以及自己所拥有的知识体系做根据，根据不同生产工艺路线及其优缺点，选择合成醋酸乙烯的合适方法。通过老师的指导，优选工艺，设计醋酸乙烯的生产工艺流程和生产车间配置。设计过程中要对该工艺进行物料衡算和热量衡算；进行主体设备的工艺设计和选型，并绘制主体设备图；进行车间布置设计。从而对该物质的特性和工业设计有一个更加全面和深入的了解。 1.4.2 课题的意义
醋酸乙烯是一种重要的有机化工原料，是世界上产量最大的50种有机化工原料之一。通过自身聚合或与其它单体共聚，可以生成多种衍生物。这些衍生物的用途十分广泛，可用于纸张或织物的上胶剂、粘接剂、涂料、墨水、皮革加工、一纤维加工、乳化剂、水溶性膜、土壤改良剂等方面。随着科学技术的进步，新的应用领域还在不断拓展。酷酸乙烯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生产地区和消费地区。近年来，我国醋酸乙烯生产有较大幅度增长。但随着对其应用领域的不断开拓以及国家经济发展速度的加快，尤其是建筑、造纸、印刷、汽车、卷烟、食品等行业的快速发展，使醋酸乙烯的需求量逐年上升，市场供需矛盾同渐突出。根据查阅的有关醋酸乙烯生产情况及进出口情况，我们知道国内产量不能满足需求，市场对进口的依存度逐年上升。因此，发展醋酸乙烯工业具有广阔的市场前景，这次设计非常具有可行性。
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第2章 醋酸乙烯的生产技术及研究
2.1 醋酸乙烯的生产工艺方法
醋酸乙烯生产技术是从乙炔法发展起来的，并逐步向乙烯法过渡。目前全世界正在使用的技术有以烯法和乙炔法两种，其中乙烯法的产能约占全部醋酸乙烯产能的72%以上。 2.1.1 乙炔液相法
1912年，F Klatte在一篇德国专利中第一次提到了醋酸乙烯的存在。他在用汞盐为催化剂，乙炔和醋酸液相合成二醋酸乙叉酯时，在副产物中发现了含量为5%的VAc醋酸乙烯。这个反应后来发展成为醋酸乙烯最早的生产方法——乙炔液相法[7]。
该法以硫酸汞为催化剂，在30～75℃的条件下，将过量的乙炔通入醋酸溶液中，生成的醋酸乙烯由未反应的乙炔带出，副产的二醋酸乙叉酯可进一步裂解醋酸乙烯。
德国曾用该法建立起一套600t∕a的生产装置。该法因催化剂选择性低、副产品多、设备腐蚀严重，目前已被完全淘汰。 2.1.2 乙炔气相法
1921年，德国Consortium fur Electrochemische Industrie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。
(1) Wacker法工艺
1928年，德国Wacker化学公司采用固定床列管式反应器建立了第一套乙炔气相法醋酸乙烯工业装置。该法是电石乙炔法的典型工艺。
1965年，日本可乐丽公司首先使用了流化床反应器，随后美国DuPont公司、日本合成化学公司也相继采用。到20世纪60年代后期，固定床工艺大多转换为流化床工艺。
(2) Borden法工艺
Borden法工艺是20世纪60年代初美国Borden公司和Blawknox公司合作开发成功的。该法以天然气部分氧化制取乙炔，用副产的合成气制取醋酸，然后两者合成制取醋酸乙烯。该法的主要工艺过程和设备Wacker法相似。当时这种新的生产方法在天然气丰富的国家和地区得到了广泛的应用。
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2.1.3 乙烯液相法
1960年，前苏联MoHeeeB等发表研究报告[7]，声称用氯化钯和乙酸钠在冰醋酸溶液中，通人乙烯加压密封静置过夜可制得醋酸乙烯。随后英国ICI、德国Hoechst等公司先后投入研究并各自取得了专利，其中以ICI法为代表性。
英国ICI公司、日本德山公司等用该法先后建立了工业装置。由于该法所用的催化剂体系中含有氯离子，对设备有强烈的腐蚀性，装置只能运转2～3a。1969年，ICI关闭了该法的生产装置，其它公司也相继停产或停建。目前该法已被淘汰。 2.1.4 乙烯气相法
(1) Bayer法和USI法
自乙烯直接氧化合成醋酸乙烯方法问世后，Bayer[7]、Hoeehst及USI等公司先后开展了相关的工业研究。1968年第一套乙烯气相Bayer法装置在日本投产，1972年乙烯气相USI法装置也开车成功。
由Bayer和Hoechst公司联合开发的Bayer法，单台反应器的生产能力在50kt∕a以上。目前世界上绝大部分新建装置都采用该工艺。
USI法是美国National Distillers的子公司USI开发的，整个流程分为合成和精制两部分，基本上与Bayer法相似。
(2) BP Amoco公司的Leap工艺
1998年BP Amoco公司开发出了流化床乙烯气相法Leap工艺，并于2001年在英国Hull地区采用该工艺建设了一套250kt∕a的生产装置。该装置的投资费用比同等规模采用传统工艺建设的装置降低约30%。
(3) Celanese公司的Vantage工艺
2001年Celanese公司开发了新的固定床Vantage工艺，该工艺虽然也采用固定床技术，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公司采用该工艺对新加坡的190kt∕a装置进行改造后，在不增加投资的情况下生产能力增加了22%。 2.1.5 其它方法
(1) 乙醛醋酐加成法
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Celanese公司上个世纪50年代曾开发出了乙醛和醋酐加成制二醋酸乙叉酯，再裂解制醋酸乙烯的工艺，该工艺[7]以FeCl3为催化剂，流程较长，副产物较多，分离提纯过程较为复杂。
Celanese公司1953年采用该技术建成了年产22.7kt∕a的生产装置，1970年因缺乏竞争力而关闭。此法成为了以一氧化碳为起始原料合成醋酸乙烯的工业基础。
(2) 以煤为原料的羰基合成法
20世纪80年代，美国的Halon公司开发了以煤为原料制取醋酸乙烯工艺，工艺过程大致如下：
首先以煤为原料制合成气，合成气羰基合成甲醇，甲醇与合成气羰基合成醋酸，醋酸与甲醇酯化得到醋酸甲酯。醋酸甲酯通过羰基化反应生成亚乙基二乙酸酯(EDA)，再经热裂解生成醋酸乙烯和醋酸。
该法不用乙烯和醋酸作原料，实现了以煤为单一原料生产醋酸乙烯。
(3) 醋酸单一原料法
Eastman Chemical Company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技术。第①步醋酸裂解为乙烯酮；第②步乙烯酮加氢为乙醛；第③步乙醛与额外的乙烯酮缩合成醋酸乙烯。
该法使用醋酸酐为溶剂，质子酸为催化剂，反应温度为85～200℃，反应压力为0.5～2MPa。该技术克服了以煤为原料工艺存在的缺陷，避免了醋酸在工艺过程中的大量循环。其主要缺点是每1mol醋酸乙烯须2mol乙烯酮为原料，而乙烯酮装置的投资费用较高。该法在经济上不如乙烯法工艺。
2.2 醋酸乙烯的生产工艺选择
综上所述，目前工业生产醋酸乙烯主要采用的技术是乙炔气相法和乙烯气相法，乙烯
比乙炔相对价廉，因此世界上乙烯法占主要地位。但是在电石或者天然气资源丰富而价格相对低廉的地区，乙炔气相法还有一定的竞争力。 2.2.1 乙炔气相法和乙烯气相法的比较
乙烯法流程较短，而乙炔法流程较长，工艺过程较为复杂。与乙烯法相比，电石乙炔法最大的缺点是存在环保问题和能耗问题，因此该法在欧美国家已经逐渐被淘汰。近几年
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随着原油价格的节节攀升，特别是电石乙炔法在“三废”的综合利用方面取得了突破性的进展，乙炔法重新获得了生机。乙炔气相法也很大优势，其工艺特点有：(a)由于是连续反应，长期稳定的运行便于工艺控制自动化；(b)催化剂由廉价的锌制得；(c)逐步副反应受控制，副产物量少；(d)醋酸乙烯选择性大幅度提高，单体质量好。
在我国，虽然石油乙烯工业高速发展，但我国天然气和电石资源丰富，我国境内乙炔气相法仍被广泛采用，这具有三大优势：(a)相比较于原料乙烯而言，电石法乙炔合成醋酸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)醋酸乙烯进口价比国内出厂价略低，再加上运输和销售成本，两者价格基本相当，但如果考虑乙烯价格持续走高，以及原料乙烯现货供应非常紧缺的影响，在市场需求旺盛、销售通畅的情况下，国内乙炔法还是有竞争优势的。(c)乙炔气相法己在国内应用了数十年，技术成熟。
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。
2.2.2 乙炔气相法Wacker流程和Borden流程的比较
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
酸为原料，催化剂采用醋酸锌-活性炭体系，并添加次碳酸铋为助催化剂，反应温度为170～200℃，压力为常压。 Borden流程是以天然气乙炔为原料，以醋酸为吸收剂回收反应产物，代替了低温冷却分离产物的方法，提高了乙炔净化和回收效率，操作费用比当时一般的乙炔法降低30%左右。Borden流程投资大，技术难度大。Wacker流程技术简单，在相同规模下投资比 Borden流程要少得多，但Wacker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炔为原料的厂家在Wacker流程中融合了Borden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]。
2.3 醋酸乙烯的生产工艺流程
电石乙炔法合成醋酸乙烯主要包括乙炔气发生及净化、醋酸乙烯的合成及精制等四个
10
部分。在我国主要采用此法生产醋酸乙烯，生产原理[9]如下： 2.3.1 主反应方程式
(1) 电石制乙炔气体:CaC2+2H2O→C2H2↑+Ca(OH)2 (2) 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:C2H2 +CH3COOH→CH3COOCH=CH2 2.3.2 主要的副反应方程式 (1) 乙醛的生成。
醋酸乙烯水解[10]:CH3COOCHCH2+H2O→CH3CHO+CH3COOH (2) 巴豆醛(丁烯醛)的生成。
a.由乙醛生成:2CH3CHO→CH3CH=CHCHO+H2O b.乙炔与乙醛作用:C2H2+CH3CHO→CH3CH=CHCHO 2.3.3 醋酸乙烯合成反应原理
乙炔是具有三键的不饱和烃化合物，化学性质相当活泼，能与带有活泼氢的化合物进行加成反应，使乙炔中的三键变为结构较为稳定的各种乙烯基(双键)或烷基衍生物。醋酸是一种具有活泼氢的化合物，醋酸乙烯的生产就是利用乙炔与带有活泼氢的醋酸进行乙烯基反应这一原理[11]进行的，其反应式为：
C2H2+CH3COOH→CH3COOH=CH2
从热力学的角度分析，此反应在常温下就可以进行完全，但反应速度极其缓慢，必须有触媒的存在，并在一定温度下进行反应才有工业化意义。
本工艺采用醋酸锌-活性炭作触媒，在170～220℃于常压下进行合成反应。其反应机理为：
(1) 乙炔分子吸附在触媒的表面上形成络合物：
C2H2+Zn(OCOCH3)2→HC=CH?Zn(OCOCH3)2 (2) 这一络合物迅速进行分子重排，生成新的中间化合物：
HC=CH?Zn(OCOCH3)2→CH2=CHOCOCH3?Zn(OCOCH3)
CH2=CHOCOCH3?Zn(OCOCH3)+CH3COOH→CH3COOCH=CH2+Zn(OCOCH3)2
11
(3) 醋酸乙烯合成反应就是按以上三步进行的，反应(1)最慢。根据化学平衡原理，在生产中用提高乙炔对醋酸克分子比(简称克分子比)的方法，增加乙炔的浓度以加快合成反应速度，从而得到较高的空时收率(STV)。
在合成反应中，尚有许多副反应。副反应的多少与原料成份、触媒性能以及反应条件等因素有关。一般来说，反应温度愈高副反应愈多，常见的主要副反应如下： (1) 乙醛的生成：
C2H2+H2O→CH3CHO CH2CHOCOCH3+H2O→CH3CHO+CH3COOH CH3CH(OCOCH3)2→CH3CHO+(CH3CO)2O (2) 丁烯醛的生成：
2CH3CHO→CH3CH=CHCHO+H2O HC≡CH+CH3CHO→CH3CH=CHCHO (3) 丙酮的生成：
2CH3COOH→CH3COCH3+CO2+H2O Zn(OCOCH3)2→CH3COCH2+CO2+ZnO CH≡CH+2CH3COOH→CH3CH(OCOCH3)2 (4) 醋酐的生成：
2CH3COOH→(CH3CO)2O+H2O CH3CH(OCOCH3)2→(CH3CO)2O+CH3CHO Zn(OCOCH3)2→(CH3CO)2O+ZnO (5) 乙炔聚合物的生成：
3C2H2→C6H6 2C2H2→CH2=CH-C≡CH 以上副反应的产生不仅浪费了原料，而且影响产品质量。因此，必须严格控制原料质量，选择适宜的工艺条件，以保证产品质量，降低消耗。 2.3.4 生产工艺流程示意图
电石经电磁振动加料器连续加入乙炔发生器，电石与水发生化学反应生成的乙炔从发生器顶部逸出进入乙炔净化装置中净化，再进入反应器中与醋酸蒸汽反应合成醋酸乙烯，
12
反应器出料混合物转移至分离工段进行初步分离再进入精馏工段中进行精馏，制得纯度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。
图2.1 电石乙炔气相法合成醋酸乙烯工艺流程图
Figure 2.1 calcium carbide acetylene of gas-phase vinyl acetate synthesis process flow diagram
13
第3章 醋酸乙烯的物料衡算
3.1 主要的反应方程式
按各个反应的选择性来说，床式反应器内主要发生这三个主要反应。
合成乙炔: CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑ (3-1) 主反应: C2H2 +CH3COOH→CH3COOH=CH2 副反应：CH3COOCHCH2+H2O→CH3CHO+CH3COOH 副反应：2CH3CHO→CH3CH=CHCHO+H2O 3.2 基础数据
3.2.1 装置的工艺数据
(1) 生产规模:醋酸乙烯生产能力是100kt/a。 (2) 生产时间:年工作日300d,每天24h，总共7200h。 (3) 产品为一级品:醋酸乙烯的含量不低于99.5%。 (4) 乙炔和酷酸的摩尔比为2.5。
(5) 乙炔的单程转化率为16%,醋酸的单程转化率为40%,醋酸乙烯的选择性 和总收率按醋酸计均为97%。丁烯醛的选择性按乙醛计为30%。 (6) 乙醛和丁烯醛，反应器内约莫生成其它副产物的质量分数是0.27%。 3.2.2 小时生产能力
按年工作日300d，按每年7200h计算，醋酸乙烯的小时生产能力为： L=40kt/7200h=40×106/7200h=5555.56kg/h
其中纯醋酸乙烯的量为5555.56×99.5%=5527.78kg/h 3.2.3计算基础
此过程属于连续操作过程，发生化学反应，选kg/h作为计算单位。
14
(3-2)
(3-3) (3-4)
3.2.4 原料规格
电石(纯度80%，杂质氧化钙约占20%），醋酸为一等品（乙酸含量≥99.8%，水分≤0.15%，甲
酸含量≤0.06%，乙醛含量≤0.05%，蒸发残渣≤0.01%）。
3.3各工序的物料衡算
3.3.1 乙炔工序
则HAc产率
L?
??60MC4H6O25555.56kg/h?86?40%?97%?97%MC2H4O2?M4M4
则HAc用量M4=10247.07kg/h。
乙炔与醋酸的摩尔比为2.5，设乙炔的流量为M3，则
M3?1h?12610247.07kg/h?1h?160?2.5
解得M3=11100.99kg/h。
乙炔的单程转化率为16%，参与主反应的乙炔流量为：M3×16%=1776.16kg/h。
已知乙炔用量，则根据反应CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑，计算80%纯度的电石用量、所需水量和电石灰渣的量如下：
M3?16%?M1?80d26?5465.10kg/h
电石的杂质是CaO，它会与H2O反应，消耗了水。同时，精制乙炔时，乙炔会从NaClO溶液带走水蒸气，含量约为46.11kg/h。
总水量：M2=（M3×16%×36/26+M1×20%×18/56）+46.kg/h=2856.74kg/h 电石灰渣：M5=M3×16%×74/26+M1×20%×74/55=6499.57kg/h
15
表3.1乙炔工序物料衡算汇总
Table 3.1 the material balance table in the acetylene generator
进 料 出 料
物料名称 流量(kg/h) 质量分数 物料名称 流量(kg/h) 质量分数 电石 5465.10 0.6567 乙炔 1776.16 0.2146
水 2856.74 0.3483 电石灰渣 6499.57 0.7854
合计 8321.84 1.000 合计 8275.73 1.000
3.3.2 反应工序
(1) 醋酸乙烯的选择习惯按醋酸记为97%，则40%的醋酸生成的醋酸乙烯有3%用于发生副反应（3-3）和副反应（3-4）。乙醛(ALd)和丁烯醛(Cr-ALd或巴豆醛)的总收率均按100%计算。
反应（3-3）CH3COOCHCH2+H2O →CH3CHO+CH3COOH 相对分子量: 86 18 44 60 反应（3-3）生成ALd的量：
Z=（10247.07×40%×86/60×3%）×44/86×100%=90.17kg/h 反应（3-3）所需的水量：
X=（10247.07×40%×86/60×3%）×18/86=36.89kg/h 反应（3-3）生成的HAc流量：
Y=（10247.07×40%×86/60×3%）×60/86=122.96kg/h
已知Cr-ALd的选择性按乙醛计是30%，则生成Cr-ALd的流量： M=Z×30%×70/88×100%=90.17×30%×70/88×100%=21.52kg/h 剩余ALd的量为：
N=Z×70%=90.17×70%=63.12kg/h
(2) 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；第二段是冷凝大部分的VAc，Cr-ALd和H2O等高沸物；第三段是分离出不凝气乙炔（含有N2，
16
O2，ALd，HAc，CO2等）。进口气体中75%的乙炔、0.2%的CO2,3%的N2和O2等空气被完全排除（实际上还有ALd和HAc也被排除，但随着乙炔进入了反应器循环，可以不考虑在内）。
(3) 分离塔进口气体中0.2%的CO2和0.07%的其他副产物是有乙炔和醋酸反应的副反应生成的，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。 (4) 综上，乙炔用量11100.99kg/h，
反应消耗量 11100.99×0.16+30.03=1806.19kg/h，HAc用量10247.07kg/h，消耗量10247.07×0.4+27.72-122.96=4003.59kg/h，M6主要包括反应物
VAc
生成量
11100.99×0.16×86/26-90.17×86/44=5698.74kg/h，连带生成副产物ALd 63.12kg/h，Cr-ALd 21.52kg/h及其他副产物57.76kg/h，还有未反应完全的乙炔气体和醋酸蒸汽。此外，随乙炔和醋酸蒸汽进入反应器内的还有空气（不影响反应，不列入物料衡算）。 (5) 反应工段进出料情况汇总
表3.2反应工段物料衡算汇总
Table 3.2 Reaction section material calculation summary of Reaction section
进 料 出 料
物料名称 流量(kg/h) 质量分数 物料名称 流量(kg/h) 质量分数
乙炔 11100.99 0.5191 粗醋酸乙烯 5698.74 0.2665
乙醛 63.12 0.0030
水蒸气 36.89 0.0017 丁烯醛 21.52 0.0010
其它 63.12 0.0030
醋酸 10247.07 0.4792 剩余乙炔 9294.80 0.4346
剩余醋酸 6243.48 0.2920
合计 26731.2 1.0000 合计 21384.78 1.0001
17
3.3.3 分离工序
(1) 逸出的气体中的乙炔占95.9%，逸出的空气占3..84%，逸出有效气体
9294.80M7???1?3.84%??9320.00kg/h95.9%。激冷塔底部流出液体混合物M8，其中醋
酸乙烯流量为5698.74kg/h，ALd流量为63.12kg/h，Cr-ALd流量为21.52kg/h，其它的流量为63.12kg/h。
(2) 分离工段进出料情况汇总
表3.3分离工段物料衡算汇总
Table 3.3 Reaction section material calculation summary of Separation section
进 料 出 料
物料名称 流量(kg/h) 质量分数 物料名称 流量(kg/h) 质量分数
醋酸乙烯 5698.74 0.2665 醋酸 6243.48 0.2920
乙醛 63.12 0.0030 乙炔 9320.00 0.4358
丁烯醛 21.52 0.0010 醋酸乙烯 5698.74 0.2665
其它 63.12 0.0030 乙醛 63.12 0.0030
乙炔 9294.80 0.4346 丁烯醛 21.52 0.0010
醋酸 6243.48 0.2920 其它 37.92 0.0018
合计 21384.78 1.0001 合计 21384.78 1.0001
3.3.4 精馏工序
(1) 在粗馏装置中，乙醛、丙醛、醋酸甲酯等作为初馏分分离。液体馏分在后续醋酸乙烯径流装置、醋酸精馏装置及丁烯醛蒸馏塔和残余物蒸馏塔中进行分离。 进料量 M8=M6-M7=（M４+M３+36.89）-M７ =10247.07+11100.99+36.89-9320.00=12064.95kg/h
18
99.5%的VAc产品从醋酸乙烯提纯蒸馏塔塔顶馏出，M10=5555.56kg/h。 醋酸从醋酸蒸馏塔塔顶馏出，M9=6243.48kg/h。
精馏重组分从各精馏塔塔底馏出，M11=M8-M9-M10=265.91kg/h。 (2) 精馏工段进出料情况汇总
表3.4精馏工段进出料情况汇总
Table 3.4 Reaction section material calculation summary of distillation sections
进 料 出 料
物料名称 流量(kg/h) 质量分数 物料名称 流量(kg/h) 质量分数 醋酸乙烯 5698.74 0.4723 醋酸乙烯 5555.56 0.4605
醋酸 6243.48 0.5175 醋酸 6243.48 0.5175
乙醛 63.12 0.0052 乙醛 63.12 0.0052
丁烯醛 21.52 0.0018 丁烯醛 21.52 0.0018
其它 37.92 0.0032 其它 181.1 0.0150
合计 12064.78 1.0000 合计 12064.78 1.0000
3.4醋酸乙烯生产过程物料衡算汇总
19
表3.5醋酸乙烯生产过程物料衡算汇表
Table 3.5 Materials calculation table in the overall production process
流 入 流 出
序号 物料 成分 流量(kg/h) 序号 物料 成分 流量(kg/h)
名称 名称 M1 电石 CaC2 5465.10 M4 电石灰渣 Ca(OH)2 6499.57
M9 醋酸 CH3COOH 6243.48
M2 水 H2O 2856.74 M10 醋酸乙烯 CH3COOCHCH2 5555.56
M11 精馏 ALd 63.12
M3 醋酸 CH3COOH 10247.07 重组 Cr-ALd 21.52
分 其它 185.66
合计 18568.91 合计 18568.91
20
第4章 醋酸乙烯的热量衡算
4.1 基础数据
(1) 反应压力为常压，反应器进料温度T1为140℃，反应中温T2平均为185℃，反应器物料出口温度T3平均为205℃，计算基准温度To=25℃。 (2) 计算时间基准是1h。
(3) 查阅《基础物理化学》[17]可知各物质为Cpm=A+BT+CT2,单位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??T2T1CpdT(T2?T1)。
表4.1各物质摩尔定压热容与温度的关系的系数表
Table 4.1 Relation coefficient table between Moore pressure fixing the heat capacity and temperature
系数
A (J?mol-1?k-1)
C2H2 HAc VAc ALd Cr-Ald H2O
30.67 21.76 24.67 31.05 14.06 29.16
103B (J?mol-1?K-2) 52.810 193.13 328.23 121.46 345.47 14.49
106C (J?mol-1?k-3) -16.27 -76.78 -98.41 -36.58 -172.23 -2.022
(4) 查《化学工程手册》[18]可知各物质(气态)的标准生成热△Hfθ
表4.2各物质的标准生成热 △Hfθ（单位kJ?moL) Table 4.2 Standard generation heat of various substances
物质 △Hfθ
C2H2 226.73
HAc -484.13
VAc -357.52
ALd -166.36
Cr-Ald -273.30
H2O -285.83
(5) 查《化学工程手册》[18]可知各物质沸点下的蒸发焓△vH。
21
表4.3各物质沸点下的蒸发焓（单位kJ?moL）
Table 4.3 Evaporation enthalpy under various material boiling point
物质 沸点 △vH
C2H2 -85.93℃ 16.95
HAc 118℃ 23.694
VAc 72.5℃ 25.534
ALd 20.2℃ 26.11
Cr-Ald 102.2℃ 26.527
H2O 100℃ 40.656
4.2 反应系统的热量衡算
(1) 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: △E =Q-△(PV)+W+∑E1-∑E2[19]。 式中:△E是系统内能的积累量； ∑E1是进料带进系统的能量；
∑E2是出料从系统带走的能量(包括内能、动能和位能等)； Q是外界传递给系统的能量； △(PV)是系统对外界做的膨胀功； W是外界对系统所做的机械功。
连续系统处于稳定时△E =0，忽略机械功，忽略动能和位能，则可知∑Hp+∑HR=0 式中:∑Hp和∑HR是反应物料的物理状态变化和化学状态变化所引起的焓变；
Q包括加热剂或冷却剂传入或传出的热量、设备表面的热损失和通过回流冷凝器传递的热量。
(2) ∑Hp 的计算
∑Hp=∑Gi'Cpi'(Ti'-T0)-∑GiCpi（Ti-T0)[19]
式中:Gi，Gi是始态及终态时各项物质的质量，kg。 Ti，Ti'是始态及终态时各项物质的温度，K。 T0是计算热焓的基准温度，一般取298K(25℃)。
Cpi，Cpi'是各项物质在T0与T1及T0与Ti'的平均等压比热，kJ?kg-1?K-1。 (a) 平均等压比热容的计算
以生成物乙炔为例，T0与T1与之间的平均等压热容：
A=30.67,B=52.810×10-3,C=-16.27×10-6,T0=298.15K,T1=413.15K,代入以下公式得：
22
C'p,m111??23T1AT?BT?CT??CdTp,m23?T??T0?0??T1?T0??T1?T0?T11[30.67T??52.810?10?3T2??(?16.27?10?6)T3]413.15298.1523 ?(413.15?298.15)?47.38J?mol?1?K?1C'p,m47.38T0与T1与之间的平均等压比热cp,m===1.82kJ?kg?1?K?1
M(乙炔)26' T0与T2与之间的平均等压热容： T2=458.15K，
111??23T1AT?BT?CT??Cp,m23?T??T0?0?(T1?T0)?T1?T0?TC'p,m11[30.67T??52.810?10?3T2??(?16.27?10?6)T3]458.15298.1523 ?
(458.15?298.15)?48.28J?mol?1?K?1C''p,m48.28==1.86kJ?kg?1?K?1 T0与T2与之间的平均等压比热cp,m=M(乙炔)26''T0与T3与之间的平均等压热容： T3=478.15K
C'p,m??T1T0Cp,mdT?T1?T0??113?1?2AT?BT?CT??23??T0T?T1?T0?11[30.67T??52.810?10?3T2??(?16.27?10?6)T3]478.15298.1523 ?(478.15?298.15)?48.67J?mol?1?K?1C'''p,m48.67==1.87kJ?kg?1?K?1 则T3与T0与T3与之间的平均等压比热cp,m=M(乙炔)26'''这里需要注意的是反应物的初始温度是T1，生成物的初始温度是T2，终温均是T3。依此计算，得到各物质在两个不同温度区间的平均等压比热容。
23
表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-1)
Table 4.4 The average temperature pressure specific heat capacity in two different materials cp,m
C2H2 1.82 1.86 1.87
HAc 1.34 1.39 1.42
VAc 1.50 1.56 1.59
Ald 1.58 1.63 1.65
Cr-Ald 1.64 1.71 1.74
H2O 1.89 1.91 1.92
T0～T1 T0～T2 T0～T3
(b) 根据物料衡算中反应器的进口流和出口流(忽略其他副反应)，计算∑Hp。 C2H2的物理状态变化引起的焓变如下：
∑Hp1=[(13876.25×1.86×160)-(13876.25×1.82×115)]+[(11656.05×1.87×180)-(11656.05×1.86× 160)] =1679858.83kJ
HAc的物理状态变化引起的焓变如下：
∑Hp2=[(12808.84×1.39×160)-(12808.84×1.34×115)]+[(7839.01×1.42×180)-(7839.01×1.39× 160)] =1135098.90kJ
H2O的物理状态变化引起的焓变如下：
∑Hp3=[(46.11×1.91×160)-(46.11×1.89×115)]+[(16.92×1.93×180)-(6.92×1.91×160)] =4346.01kJ VAc的物理状态变化引起的焓变如下：
∑Hp4=(7123.42×1.59×180)-(7123.42×1.56×160)=260717.17kJ ALd的物理状态变化引起的焓变如下： ∑Hp5=(78.90×1.65×180)-(78.90×1.63×160)=2856.18kJ Cr-ALd的物理状态变化引起的焓变如下： ∑Hp6=[(26.90×1.74×180)-(26.90×1.71×160)]=1065.24kJ
综上，∑Hp= ∑Hp1+∑Hp2+∑Hp3+∑Hp4+∑Hp5+∑Hp6=3083942.33kJ (3) ∑HR的计算 ∑HR=∑Hr+∑Hs=
1000GA?H?r??Hs，式中△Hs是反应物的状态变化热，无论反应物还是MA生成物皆是气体状态，故△Hs=0
(a) C2H2 +CH3COOH→CH3COOCH=CH2
26 60 86
24
226.73 -484.13 -357.52
△Hr1θ=(-357.52)-[226.73+(-484.13)]= -100.12kJ?mol-1（放热反应）， m（VAc）=7123.42kg，M(VAc)=86g?mol 则?Hr1?1000?7123.42(?100.12)??8292986.17kJ?mol-1
86(b) CH3COOCHCH2+H2O→CH3CHO +CH3COOH 86 18 44 60 -357.52 -285.83 -166.36 -484.13
△Hr2θ=[(-484.13)-(166.36)]-[(-357.52)+(-285.83)]= -7.14kJ?mol-1（放热反应）， m（ALd）=112.72kg，M(ALd)=44g?mol 则?Hr2?1000?112.72?(?7.14)??18291.38kJ?mol-1
44(c) 2CH3CHO→CH3CH=CHCHO+H2O 88 70 18 -166.36 -273.30 -285.83
△Hr3θ=[(-237.30)+(-285.83)]-[2×(-166.36)]= -226.41kJ?mol-1（放热反应）， m（Cr-ALd）=26.90kg，M(Cr-ALd)=70g?mol 则?Hr3?1000?26.90?(?226.41)??87006.13kJ?mol-1
70 (d) 37.52kg乙炔和69.32kg醋酸生成72.17kg其他副产物，诸多反应或消耗或生成热量，由于情况错综复杂难以计算，完全可以忽略不计。
综上所述，∑HR=∑Hr=△Hr1+△Hr2+△Hr3= -8398283.68kJ?mol-1 (4) Q的计算
(a) 反应释放的热量一部分被反应合成物带出在预热器中与反应气体进行换热。另一部分被反应器内载热介质蒸汽冷凝水带走用于醋酸蒸发器蒸发醋酸。 Q=∑Hp+∑HR=3083942.33+(-8398283.68)= -5314341.35kJ
(b) 反应系统是封闭连续的，故而忽略设备的热损失,Q的一部分Q1用于蒸发HAc，Q的另一部分Q2用于预热混合气体。
HAc的沸点是118℃,沸点下的蒸发焓△vH=23.694kJ/mol,醋酸蒸发器内提供的热Ql = 1000×12808.84/60×23.694=5058210.92kJ
则Q2=Q-Q1=5314341.35-5058210.92=256130.43kJ。
25℃的C2H2和25℃的HAc组成的混合气体，经预热器预热至140℃。
25
预热C2H2所需的热量Q′=13876.25×1.82×115=2904299.13kJ 预热HAc所需的热量Q\1.34×115=1973842.24kJ 则预热系统内蒸汽预热器提供的热量Q3=Q'+Q\2=4622010.94kJ
(c) 蒸汽预热器预热的介质是过热蒸气，通过换热器换热作用，吸取自分离系统中的冷凝水所携带的热量转移部分至过热蒸汽。设过热蒸汽进口温度205℃出口温度155℃，则所需过热蒸汽流h1?Q34622010.94??21398.20kg
h4.32?(205?155)4.32?(205?155)4.3 分离系统的热量衡算
分离工段的分离塔为筛板和泡罩的混合塔板结构，全塔共22块塔板，分为三段。第一段，HAc气体被冷凝液化，降温至90℃,送入醋酸储罐，释放热量Q3。第二段，VAc、Cr-ALd和H2O等高沸物被冷凝液化，降温至50～60℃，送入精馏工段，释放热量Q4。第三段，ALd等低沸物被冷凝液化，降温至-1±2℃，送入精馏工段，释放热量Q5。气体分离塔顶排出的混合气体(主要是C2H2)温度为0℃ ,释放热量Q6。 (1) 不同温度区间的平均等压比热容的计算
依上述方法和数据，求得HAc在90℃～205℃温度区间的平均等压热
111?23?T1AT?BT?CT??CdT23?Tp,m???T0?0?T1?T0??T1?T0?
TCp,m11478.15[21.76T??193.13?10?3T2??(?76.78?10?6)T3]363.1523 ?(478.15?363.15)?89.33J?mol?1?K?1平均等压比热容cp,m=Cp,m89.33==1.49kJ?kg?1?K?1 M60 依次逐次计算，算得C2H2在0℃～205℃温度区间、VAc在55℃～205℃温度区间、H2O在55℃～205℃温度区间、ALd在-1℃～205℃温度区间、Cr-ALd在55℃～205℃温度区间平均等压比热容为1.85kJ-1?kg-1?K-1、1.64kJ-1?kg-1?K-1、1.93kJ-1?kg-1?K-1、1.62 kJ-1 ?kg-1 ? K-1、1.79kJ-1?kg-1?K-1。
(2) 各物质温度变化引起的焓变如下：
C2H2: △HT1= 11618.53×1.85×205=4406327.5kJ
26
HAc: △HT2=7804.37×1.49×115=1337278.8kJ VAc: △HT3=7123.42×1.64×150=1752361.32kJ H2O: △HT4=6.92×1.93×150=2003.34kJ ALd: △HT5=78.90×1.62×206=26330.51kJ Cr-ALd:△HT6=26.90×1.79×150=7222.65kJ 综上所述：温度变化引起的总焓变
∑HT=△H1+△H2+△H3+△H4+△H5+△H6=7531524.12kJ (3) 各物质相态变化引起的焓变如下：
HAc: △Hf2=1000×7804.37/60×23.694=3081945.71kJ VAc: △Hf3=1000×7123.42/86×25.534=2114993.096kJ H2O: △Hf4=1000×6.92/18×40.656=15629.97kJ ALd: △Hf5=1000×78.90/44×26.11=46819.98kJ Cr-ALd:△Hf6=1000×26.90/70×26.527=10193.95kJ 综上所述：相态变化引起的总焓变
∑Hf=△Hf2+△Hf3+△Hf4+△Hf5+△Hf6=5269582.71kJ 则可知：
Q3=△HT2+△Hf2=4419224.51kJ
Q4=△HT3+△Hf3+△HT4+△Hf4+△HT6+△Hf6=3902404.33kJ Q5=△HT5+△Hf5=73150.49kJ Q6=△HT1=4406327.5kJ (4) 冷凝水量的计算
设冷凝水进口温度为20℃，出口温度为80℃，可得冷凝器所用冷水流量
h2?7531524.12?5269582.71?49386.99kg/h
4.32?(80?20)4.4 精馏系统的热量衡算
4.4.1 精馏一塔热量衡算
反应液用泵送至第一精馏塔，目的是脱除比醋酸乙烯沸点低的轻组分乙醛、溶解的乙
27
炔等。热量衡算式子:Q[塔顶出料]+Q[塔釜出料]=Q[回流进料]=Q[原始进料]+△Q[21]。 式中：△Q的值为正时表示该塔短缺热量，反之则是富余热量。
根据物料衡算的计算结果，再结合精馏原理，计算一塔的进、出料的气液相焓值以及流量如表4.5所示。
表4.5 一塔进﹑出口的气液相流量及焓值
Table 4.5 Discharging gas night phase flow and enthalpy in the tower one 类型 塔顶出料qn，D 塔釜出料qn，W 回流进料qn，L 原始进料qn，F
流量(kmol?h) 117.62 135.60 50.62 202.6
焓值(kJ?mol)
53.79 81.78 25.13 62.71
根据表4.5计算得到一塔必须加入的热量Q-塔=Q塔底再沸器+Q塔顶冷凝器=1792585.8kJ。 再沸器的进口参数就是压缩机的出口参数，再沸器的出口参数可以选择冷凝至饱和液体的状态参数。再沸器进口参数包括进口温度、进口压力和进口焓值，数值分别是408.15K, 428709Pa，和89.33kJ/mol。再沸器的出口温度一定要高于塔釜出料的温度(351.45K)，计算饱和液体时的流体焓值:h
再沸器
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
=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
器提供。
4.4.2 精馏二塔热量
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,热量衡算式子:Q[塔顶出料]+Q[塔釜出料]=Q[原始进料]+△Q1[21]。
根据同样的原理和数据，进行二塔的物料衡算，得到二塔塔顶、塔釜出料的各个状态参数如表4.6所示。
28
表4.6 二塔塔顶、塔釜出料的流量和焓值
Table 4.6 Tower kettle and top discharge flow and enthalpy in the tower two 类型 塔顶出料 塔釜出料 原始进料
流量(kmol?h)
1.415 24.09 25.455
焓值(kJ?mol)
38.50 9.21 6.58
二塔的输出
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)=460582kJ
二塔的输入能量:
Q二塔输入=F二袁进料×h二塔袁进料= 279241.5kJ △Q二塔=Q二塔输入-Q二塔输出=-18134kJ 这部分热量可由加热器提供。 4.4.3 精馏三塔的热量衡算
第三精馏塔的加料是第二精馏塔塔顶采出的粗醋酸乙烯，该塔的功能是脱轻组分，即从塔顶把丁烯醛蒸出。热量衡算式子:Q[塔顶出料]+Q[塔釜出料]=Q[回流进料]+Q[原始进料]+△Q[21]。
依一塔的热量衡算，三塔进、出料气液相焓值以及流量如表4.7所示。
表4.7三塔进、出料的气夜相流量及焓值
Table 4.7 Tower kettle and top discharge flow and enthalpy in the tower three 类型 塔顶出料 塔釜出料 回流进料 原始进料
流量(kmol?h)
59.16 24.55 35.09 48.62
焓值(kJ?mol)
73.09 7.75 11．72 25.45
三塔必须加入的热量:Q三塔=3782899kJ。
三塔再沸器的供热量是通过进出口参数是来计算的，再沸器的进口参数就是它的出口参数，出口参数可以选择冷凝至饱和液体的状态参数。三塔再沸器的各个参数进口温度408.15K、进口压力321041Pa和进口焓值77.56kJ?mol。
29
三塔再沸器的出口温度必须高于塔釜出料的温度，三塔塔釜出料的温度是373.03K，计算得到饱和液体的流体焓值:h三塔再沸器=23.17kJ?mol。 三塔再沸器的供热量:Q三塔再沸器=F3×h三塔再沸器=4151045kJ。
△Q三塔=Q三塔再沸器-Q三塔=368146kJ,这部分热量由冷凝器带走。
假定冷凝水进口温度为20℃，出口温度为80℃，可得冷凝器所用冷水流量
h3?368146?1420.32kg/h。
4.32?(80?20)4.5 总热量衡算汇总
表4.8 醋酸乙烯生产过程热量衡算表 Table 4.8 Heat calculation summary
名 称 反应系统
分离系统
精馏系统
符 号 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 △Q一塔 △Q二塔 △Q三塔
热 量(kJ) 5058210.92 256130.43 4419224.51 3902404.33 73150.49 4406327.5 -154796 -18134 368146
30
第5章 主要设备的工艺设计和选型
5.1 固定床反应器
乙炔气相法合成醋酸乙烯的反应器主要有固定床反应器和流化床反应器，根据反应的
转化率、选择性、反应热提供或转移的方法、催化剂的性能和寿命等几个方面因素选择。固定床反应器被广泛应用于流一固相催化和非催化反应，尤其适用于要求高转化率和高选择性的反应，这次化工设计采用固定床反应器。固定床反应器按催化剂床与外界是否进行热量交换可以分为绝热反应器和换热式反应器，工业上普遍采用换热式反应器，尤其是列管式换热反应器[22]。 (1) 体积的计算
依一般经验看来固定床反应器进口气体的初始浓度C0=1.89kg/m3，原料气的体积流量Vh=(12808.84+13876.25)/1.89=14119.095m3/h，即是固定床反应器。每小时需要处理的物料量，反应器采用连续式操作[23]。
空速(每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Vc=Vh/U=14119.095/315=44.82m3。
床层空隙率0.4[23]，则Vo=Vc×0.4/0.6=29.88m3。则催化剂床层实际体积VP=Vc+Vo=44.82+29.88=74.7m3。
从下面有关的固定床反应器的尺寸设计，我们知道反应器内列管呈三角形排列，列管之间的间距是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。
固定床反应器体积不仅包括VP，还包括原料分布体积空间和物料分离空间，这部分空问占据的体积VW=(12-8)×28.26+20=133.04m3。那么反应器的体积V=VL+Vw =359.12m3，圆整取360m3。 (2) 尺寸的设计
反应器列管选取φ45mm×2.5mm的无缝钢管，列管有效长度8m。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=74.7/4，解得N=1858.58,取整得N=1859,即是固定床反应器的列管数。
31
根据《化工原理课程设计》[21]知反应器直径D=t(b-1)+（2～3）d0,管心距t=63mm，查《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≈57 mm,代入得D=57×(47-1)+2×45=2712 mm ，圆整后取D=3000mm。
筒体高度H，长径比r (H/D)一般是1～3,固定床反应r取2，则H=2D=6m。 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)，1859根列管可组成7466个三角形,每个三角形的面积是323c。π/4(D-2e)2 =7466×c2,解得c=63mm,因c含有44列管部分，所以列管距是(71-45)=18mm。
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a=D/2=1.5m，短轴b=0.5a=0.75m。标准封头曲面面积s=1.083×D2=1.083×32=9.747m2。封头及筒体的材料均为GB700标准Q235-B钢材，封头的厚度与筒体厚度值相同，s取20mm[25]。反应器进口高度是1.2m，出口高度是0.3m,裙座支承结构高度是2.0m,整个反应器的高度是9.5m。
(3) 传热面积的计算
传热面积的计算按公式Q=Aat△tm，at按公式式at=λf/dt×3.5(
dp?G?)0.7× e
?4.5dpdt[26]式中Q
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是反应器列管内径。已知G=0.87kg/(m2.s)，λf=0.73W/(m.K),ρ=1.89kg/m3,μ=1.50×10-5kg/(m2?s)，dp=3.5×10-3m,dt=0.04m。代入计算得：at=2608.96kJ/(m2?h?℃)，t1=140℃,t2=185℃,T=205℃,带入?tm??T?t1???T?t2?得：△t=54℃。反应器内富余的热量Q=5989516.3kJ/h，则反应
m
T?t1??ln?T?t2?器的传热面积为A=Q/(at?△tm)=42.51m2。
传热面积Aˊ=nπdtL,代入数据计算知Aˊ>A，这说明能够满足传热需要。 (4) 反应器的技术参数如下：
32
表5.1 醋酸乙烯合成反应器的技术参数
Table 5.1 Vinyl acetate synthesis reactor technology parameters 名称 设计压力/MPa 设计温度/℃ 工作介质 材料 腐蚀裕度/mm 换热面积/mm 设备重量/kg
壳程 0.08 140～225 蒸汽冷凝器 16MnR 1.0 42.51 90000
管程 0.08 140～225 C2H2,HAc,VAc 16MnR+316L复合板
1.0
醋酸乙烯合成反应器的结构特点分析可知，该设备由六大部件组成，即上封头法兰组合件、上部简体短节组件、下部简体组合件、下锥体组合件、中间换热主体组合件及导热油夹套组合件等。设备的设计选材较为多样，有16MnR,20R,20,Q235A，OOCr17Ni14Mo2, 1Cr18Ni9Ti,OOCr17Ni12Mo2等。 (a) 气体分布装置
旨在消除进口气体过大的初始动能以及气体均匀的导入床层截面，常在进口管的出口端设置预分布器[27]。预分布器选择单级挡板气体分布器，它是由钻有小孔的气、体分布板和拉杆组成，板的开孔面积为180mm2，气体穿过的压力降小使气体流动分散。另外在床层顶部和底部各铺设一层厚度为l0mm的氧化铅惰性填料，填料粒经为6mm，避免催化剂层表面受到气流的直接冲击，防止污染物带入催化剂。 (b) 催化剂床层的选型
根据实际生产经验，乙炔气相法合成醋酸乙烯固定床工艺以Zn(Ac)/活性炭为催化剂，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;大部分微孔的直径在1～3 nm;活性炭表面应具有高浓度的拨基官能团;载体应具有一定的大于50 nm的过渡孔和大孔，比表面积在1 000m2/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±0.1 kg/m3,空速是100～420h-1，催化剂当量直径3.5x10-3m，平均孔径l0nm，床层的空隙率是0.40。
对于一定大小的颗粒催化剂，催化剂堆放的好坏将会直接影响床层阻力的均匀程度，而且与反应结果直接相关。装填催化剂时将催化剂预先称量，使各根管子装入量相当，并
33
且装填到相同的宽度，保证较为一致的疏密程度口对装填好的各管逐管测试压降，根据偏差的大小，采用吸出少量催化剂或补加惰性填料的方法调整到所要求的压差。 (c) 支承结构选用
该反应器的塔径较大，故采用分块式格栅板支承[21]，格栅的开孔面积大于70%,在催化剂与支承格栅之间放有金属网筛，网目尺寸按最小催化剂直径选择，并有足够的开孔面积，且反应器需开有人孔(反应器人孔Dg统一取450mm )，方便各部件的进出取用。
5.2 醋酸乙烯精馏塔
精馏三塔就是醋酸乙烯精馏塔，也是整个醋酸乙烯精馏装置的核心装置。因此，本次设计关于精馏塔工艺设计及选型选取它作代表。从生产能力大、效率高、流动阻力小、有一定操作弹性、结构简单造价低及安装检修方便、能满足物系某些工艺特性六个方面考虑，本次设计选取板式精馏塔[28]。
精馏三塔的进、出料情况如表5.7所示，进料温度是53℃，塔板温度是55℃～60℃,塔板压降是0.045MPa，采用泡点进料的方式进料。
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的釜液其组成xw=0.0050。
实际96℃冷液进料时液化率是0.8、气化率是0.2，此时最小回流比是Rmin=0.9。 实际液气比R/(R+1)=L/V=(313.95-151.16)/(9.28+313.95)=0.5036，则 R=1.0145，R/Rmin=0.985，(R-Rmin)/(R+1)=(1.0145-0.9)/(1.0145+1)=0.057。 相对挥发度[29] αm =(αDαFαW)1/3=(4.443×4.617×4.300)1/3=4.448。
根据芬斯克（Fensake）法计算最少理论板数Nmin，Nmin?xDlxWh?lg??xxWl?Dh???41.5
?lg?平均R?Rmin查《化工原理》吉利兰关联图[30]知：（N-Nmin）/(N+1)=0.22。NT=26.5，?0.057时，
R?1圆整得NT=27。即该塔所需理论板数为27块。
实际塔板数是Np，根据经验公式估算塔总板效率ET=0.75,Np=NT/ET=36,其中精馏段17块，提镏段19块，筛板的孔径是3mm。
34
?xDlxFh?lg??xxFl?Dh???15.5，因回流比和最小回流比未变，精馏段最少理论塔板数为：Nmin1?lg?平均则（N1-Nmin1)/(N1+2)=0.22，得NF=17，加料位置在从塔顶向下第16块理论塔板处。 L=RD=1.0145×6944.44∕86=1.0145×80.75=81.92kmol/h V=L+D=(R+1)D=2.0145×80.75=162.67kmol/h
精馏段的平均摩尔质量MVM
=[ 0.99×86+(1-0.99)×44]+[ 0.9995×86+(1-0.9995)×44]=85.78g/mol。 气相平均密度ρVM=PMVM/RTm=1.46kg/m3。 液相平均密度ρlM
=0.99×32+(1-0.99)×783+0.9995×932+(1-0.9995)×783=964kg/m3 精馏段的气相流体体积流速
VS=VMVM/3600ρVM=(162.67×85.78)/(3600×1.46)=2.66m3/s。 LS=LMVM/3600ρVM=(81.92×85.78）/(3600×964)=0.002m3/s。 液泛速度Umax?C?LM??V,式中C称为气体负荷因子，Smith等定义了两相流动参数FLV
?VLS?L??0.019。 VS?V来反映流动特性对C的影响。FLV?查《化工单元过程及设备课程设计》图5-6Smith关联图[24]知HT-hL=0.50m时，当L/V(ρL.M/ρV.M)1/2=0.45时，C20=0.092。
由《化学化工物性手册?有机卷》[31]查得VAc的表面张力 17.78mn/m，HLD的表面张力19.55mn/m，则C=C20(σL/20)0.2 =0.09， 则 Umax?C?L??V964?1.46?0.093??2.388m/s。根据设计经验选取安全系数为0.7，?V1.46则空塔气速U=0.7Umax =0.7×2.388=1.67m/s。
塔径4VS,圆整得Dm=1.60m。 ?u根据《化工单元过程及设备课程设计》表5.4[24]知Dm=1.60m及LS=0.002m3/s知板上液流型应选择单流型。根据《化工单元过程及设备课程设计》表5.5[24]知Dm=1.60m时塔板
[24]
间距HTm=0.50m。根据《化工单元过程及设备课程设计》知精馏塔的总高度h=NPHTm+Δh
35
（Δh即调整板间距，塔两端空间以及裙座所占的总高度），此处忽略HTm大于600mm时进料处调整的板间距。
塔的顶部空间高度是指塔顶第一块塔板到塔顶封头的垂直距离，根据一般经验该高度H1=1.3m。塔的底部空间高度是指塔底第一块塔板到塔底封头之间的垂直距离，包括液所占高度和釜液面上方气液分离高度。釜液在此停留3～5min，再根据釜液容积和塔径，计算得到两部分的高度之和是H2=2.4m。塔底裙座高度是指塔底封头到基础环之间的高度H3=2.5m。
精馏塔的有效高度h = （36-17-5-1）×0.5+17×0.8+5×0.6+1.3+2.4+2.5=29.3m。 醋酸乙烯精馏塔采用筛板塔，塔径1600mm,塔高29300mm,板间距500mm,
容积138.36m3，共36块孔径3mm的塔板，开孔率φ=14.5 %。设计压力20. 4MPa，总重85.8t，采用的材质是316L。
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第6章 车间布置设计
6.1 概述
车间布置设计是完成设备工艺设计和初步设计工艺流程之后的设计内容车间布置设计是对车间建筑物等设施配置的安排作出合理的布局，满足生产和运输、安全和卫生、有关标准和规范、施工安装、工厂发展、竖向布置和管线布置、绿化等几个方面的要求。车问布置设计开始，设计进入各专业间共同协作阶段，工艺专业在此阶段除工艺设计本身外，还需要了解和考虑总图、土建、设备、仪表、电气、供排水等专业及机械、安装、操作等各方面的要求。上述非工艺专业同时相互提出对车问布置的要求。车间布置设计主要工作是设备的空间布置，重点协作伙伴是建筑专业。
6.2 车间布置的基本原则和要求
车间布置涉及面较广，但大致可以归纳为以下几个方面：
[9]
6.2.1 厂房建筑
(1) 厂房平面力求简单化，以利用建筑定型化和施工机械化。常用形式有直线型、T型和L型，厂房组成形式有集中式和单体式，应在符合建筑设计防火规范(GB16-1987)和工业企业设计卫生标准(GBZ 1-2002)的前提下综合考虑。
(2) 工业厂房有单层、多层或单层和多层结合的形式，主要根据工艺流程、安装和检修的需要具体决定。厂房的宽度、长度和柱距，除非特殊需要，单层厂房应尽可能符合建筑模数制的要求。化工工业厂房的常见结构尺寸是宽度不宜超过30m。
(3) 层高与设备的高低、安装位置有关，一般每层4m～6m,最低不低于3.2m,净空高度不得低于2.6m，尽量符合建筑模数(标准化)的要求。
(4) 在可能情况下尽量采用露天化和敞开式设计，这样既能节省投资，又有利于通风采光、防爆、放毒等安全需要。
(5) 在不影响流程情况下，较高设备集中布置，可简化厂房立体化布置，又省投资。 (6) 笨重设备和震动设备尽量布置底楼的地面。同类设备可尽量集中。
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(7) 设各穿孔必须避开主梁。
(8) 厂房出入口、交通通、楼梯等都需精心安排。一般厂房大门宽度要比通过的设备宽度大。2m以上，满载的运输设备大0.6m～1.0m，单门宽一般900mm。双门宽有1200mm,1500mm,1800mm, 楼梯的坡度450～600，主楼梯450的较多。 6.2.2 生产操作
(1) 设备布置尽量和工艺流程一致，避免交叉往返送料。尽量采用位差送料，一般从高层到低层设备布置槽→反应设备→贮槽、重型设备和震动设备。
(2) 相互有联系的设备尽量靠近，但要考虑操作、送料及半成品堆放等空地。 (3) 相同、相似设备尽可能对称、集中，以利操作管理及水、电、气等供应。 (4) 考虑进出料、取样、观察等方便。 6.2.3 设备装修
(1) 不仅要考虑安装时设备的进出，而且要考虑各单个设备的更换和检修，保证足够的空间和通进，以便安装和检修要考虑设备水平和垂直方向上的运输通道。
(2) 二层楼以上的设备，需在下层设吊孔，吊装孔不宜开的太大，一般控制在2.7m以内。对庞大特殊设备在封闭式厂房中可先装设备后砌墙。 (3) 要考虑起吊装置，如塔顶、房梁设永久吊架。 6.2.4 安全要求
(1) 采光要好，尽量避光操作，高大设备避免靠窗挡光。
(2) 通风要好，高温、有毒、易燃、易爆车间尽可能取敞开式，以利通风散热。机械通风效果要好，应根据逸出气体或粉尘量的允许浓度确定通风量和通风次数。
(3) 有毒物质的设备放置下风，操作单位应在上风。剧毒物质的设备要隔离操作、单独排风。易燃易爆等危险化学品的生产部分应使其局部化，缩小它的影响范围。 (4) 防爆车间尽可能使用单层厂房，避免车间有死角。建筑物泄压面积一般为0.05m2/m3。多层的楼板要有泄压孔，设计放火、防爆培，设置双斗门，门窗朝外。门挣宽不小于0.8m,净高不低于2m，走道净宽不小于1.4m,楼梯最小宽度不小于1.1m。二楼以上要考虑紧急疏散等设施口要考虑消防设施、设备。
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(5) 对腐蚀性的介质，除考虑设各外还要考虑墙、柱、地屏等防护要求[17] 。 6.2.5 车间辅助用室及生活用室的配置
如自控室、动力间、变配电室、通风除尘室、机修问、办公室、化验室、休息室、更衣间、浴室、厕所等，对防爆及毒性大的车间，上述各项尽量避免设在车间内，但要做到与生产部分相互呼应，方便生产，便于管理。 6.2.6 设备之间及设备与建筑物之间的一般安全距离
设备与设备之间、设备与建筑物之间的净距离，目前尚无统一的规定，表6.1所列设备之问的安全距离仅供这次设计使用。
表6.1 设备安全距离
Table 6.1 Equipment safety distance
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14 15 16 17
项目 往复运动部分离墙 回旋运动部分离墙 回旋机械之间 吊动物与设备最高点 换热器与换热器之问
塔与塔的问距 泵与泵的间距
反应罐底部与人行通道的问距 设备盖上转动装置离天花板 通廊、操作通行部分净高 设备与墙之间一人操作 二设备间二人操作小车通过 二设备间一人操作小车通过 二设备间，人操作门有人过 二设备间二人操作常有人过 二设备间一人操作偶有人过
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净安全距离(不小于m)
1.5 0.8～1.0 0.8～1.2 0.4 1.0～2.0 1.5 0.7 1.8～2.0 0.8 2.0 1.0 3.1 1.9 1.8 2.4 1.2
结 论
(1) 合成醋酸乙烯的工艺很多，有乙炔法、乙烯法、乙醛醋酐加成法、以煤为原料的羰基合成法以及醋酸单一原料法等，醋酸乙烯工业的发展具有广阔前景，可以生成应用很广的衍生物，可用于涂料、浆料、粘合剂、维纶、薄膜、乙烯基共聚树脂、缩醛树脂等化工产品，随着科学技术的进步，新的应用领域还在不断拓展。本这次设计采用的工艺路线是在各方面都比较成熟的一条路线，也是我国主要采用的工艺。因此在现有的基础上我们可以充分利用他人成熟的工艺，吸取他人已有的经验，进行大规模生产以满足市场需求，从而获得最大的经济效益和社会效益。
(2) 本次设计主要围绕四个工序来进行，乙炔工序是准备工作，合成工序是基础工作，分离工序和精馏工序最关键性的工作，直接影响到产品的质量，要控制好温度使精馏完全进行才能获得较高的产率。
(3) 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，同时提出了合成醋酸乙烯技术的选择原则，阐述了未来醋酸乙烯合成技术的发展趋势，以及合成醋酸乙烯的生产工艺流程。着重介绍了运用电石乙炔法合成醋酸乙烯的生产工艺流程及其合成反应原理。
综上，这次设计通过对产品市场的预测和分析，认为项目国际、国内市场前景良好，具有较大的价格优势和较强的竞争力;通过对项目的工艺设计、工艺计算、设备设计、车间布置等方面具体设计项目的可行性。
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致 谢
年产4万吨醋酸乙烯生产车间工艺设计的毕业设计终于全面收工，衷心感谢所有帮助过和支持我的老师和同学。
做毕业设计的过程中，我查阅了图书馆和电子阅览室大量专业文献和资料数据，耐心细致的做了大量工作，在此基础上，仍然不断地遇到一个个难题。在这种情况下，我的 老师全程给予了我极大帮助和支持，引好方向路，充好理论电，把好质量关，他们不厌其烦的解决我在设计过程中遇到的每一个难点和疑点问题，使我的工艺设计得以顺利进行。在此向老师们致以最真诚的感谢。
这次毕业设计就是对我所学专业知识的一次全面运用和总结，也充分锻炼了我的动手动脑能力。我觉得所学的专业知识得到了验证，独立自主的主持一个项目的能力也得到了发展。理论联系实际，实践是检验真
理的唯一标准，通过这次毕业设计，我的认识上升到一个新的高度，在以后的工作中，充分运用理论基础知识指导实践，在实践中发展自己。
限于我能力有限、知识不足，这次设计当中存在着一定的不足和缺陷，望各位老师给予批评和指正，也能够包容我的不足。
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