合成乙酸乙烯酯___初步设计说明书.docx
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11万吨/年乙酸乙烯酯装置工艺设计
目录
第1章总论 1
1.1项目概况 1
1.2设计依据 2
1.3设计原则 2
1.3.1反应器设计原则 2
1.3.2塔设备设计原则 2
1.4建设规模及产品方案 3
1.5建设规模及产品方案 3
1.5.1产品及其规格 3
1.5.2建设规模 3
1.5.3产品方案 4
1.6厂址选择 4
1.7能量利用及环境保护 5
1.7.1节能措施 5
1.7.2主要污染物 6
1.7.3环保措施 6
1.8存在问题及建议 8
参考文献 8
第2章工艺流程设计 9
2.1生产方案选择 9
2.1.1产品性质及规格标准 9
2.1.2原料路线确定原则和依据 9
2.1.3工艺技术方案比较和选择依据 10
2.1.4操作条件的确定 11
2.2工艺流程设计 13
2.2.1反应原理 13
2.2.2装置工艺原则流程图 13
2.2.3工艺流程简述 13
参考文献 14
第3章物料衡算 15
3.1物料衡算及全流程模拟概述 15
3.2主要设备的物料衡算 15
3.2.1反应器R0101的物料衡算 15
3.2.2脱氧罐V0201的物料衡算 17
3.2.3脱乙酸塔T0201的物料衡算 19
3.2.4脱水塔T0301的物料衡算 20
3.2.5乙酸乙烯酯精制塔T0401的物料衡算 22
3.3全装置的物料衡算 23
3.4操作条件汇总 25
3.5全装置工艺物料平衡图设计及绘制（PID绘制详见附录） 26
3.6物料衡算结果及小结 26
参考文献 27
第4章热量衡算 28
4.1热量衡算概述 28
4.2主要设备的热量衡算 29
4.2.1反应器R0101能量衡算 29
4.2.2脱氧罐V0201能量衡算 30
4.2.3脱乙酸塔T0201能量衡算 31
4.2.4脱水塔T0301能量衡算 32
4.2.5乙酸乙烯酯精制塔T0401能量衡算 33
4.2.6压缩机C0101能量衡算 34
4.3全装置的能量衡算 34
4.4热量合理利用方案及换热网络优化 35
4.5各换热器热负荷及介质用量汇总 35
4.6全装置热量平衡图设计及绘制（附图1-2） 36
4.7热量衡算汇总及小结 36
参考文献 36
第5章设备选型 37
5.1设备工艺设计概述 37
5.2反应器的设计 38
5.2.1概述 38
5.2.2主体设备的设计 39
5.3精馏塔的设计 42
5.3.1概述 42
5.3.3乙酸乙烯酯精制塔的设计 42
5.3.4主要工艺尺寸的设计 42
5.3.4塔高的计算 48
5.3.5塔附属设备的设计 48
5.3.6乙酸乙烯酯精制精馏塔接管的设计 49
5.4脱水塔（T0301）计算和校核 52
5.4.1精馏塔设计 52
5.4.2脱水塔塔的校核 52
5.4.3精馏塔塔高的计算 54
5.5换热器的计算及选型 54
5.5.1概述 54
5.5.2原料气冷却器（E0102）的计算及选型 54
5.5.3乙酸乙烯塔塔顶冷凝器（E0401）的计算及选型 55
5.5.4脱乙酸塔塔底再沸器（E0201）的计算及选型 56
5.5.5产品冷却器（E0103）的计算及选型 58
5.6机泵的计算及设计 60
5.6.1加压泵（P0204）设计 60
5.6.2粗产品加压泵（P0306）设计 61
5.7容器的设计 64
5.7.1脱氧罐（V0201）的设计 64
5.7.2脱乙酸塔回流罐（V0202）设计 65
5.7.3乙酸乙烯酯储料罐（V0501）设计 66
参考文献 67
第6章原材料、动力消耗定额及消耗量 68
第7章自动控制 69
7.1典型设备自控方案概述 69
7.2反应器的自控 69
7.3精馏塔的自控 69
7.3.1精馏塔塔顶部分控制方案 70
7.3.2精馏塔塔底部分控制方案 71
7.4换热器的自控 72
7.5容器的自控 73
7.6机泵的自控 74
7.7全装置PID设计及绘制（见附录附图1-6） 74
参考文献 74
第8章车间及设备布置依据 75
8.1设计依据 75
8.2设计范围 75
8.3车间平面布置方案 75
8.4车间平面布置图的设计及绘制（见附录附图11） 76
8.5设备布置原则 76
8.6典型设备布置方案 76
8.6.1塔设备的布置 76
8.6.2换热器的布置 76
8.6.3泵的布置 76
8.6.4罐的布置 77
8.6.5反应器的布置 77
8.7设备平立面布置图设计及绘制（见附录10-13） 77
参考文献 77
第9章管道布置设计 78
9.1管道布置设计依据 78
9.2管道布置设计范围 78
9.3管道布置原则 78
9.4管道布置方案 78
9.4.1容器的管道布置 78
9.4.2换热器的管道布置 78
9.5管道布置图平立面设计及绘制（附图15-16） 79
参考文献 79
第10章设计总结 80
10.1本次设计的总结 80
10.2本次设计的缺陷 80
10.3对教学的意见和建议 81
附录 82
附图111万吨/年乙酸乙烯酯装置原则流程图（A05-01） 82
附图211万吨/年乙酸乙烯酯装置PFD图（B05-1） 82
附图311万吨/年乙酸乙烯酯装置PFD图（B05-2） 82
附图411万吨/年乙酸乙烯酯装置PID图（C05-1） 82
附图511万吨/年乙酸乙烯酯装置PID图（C05-2） 82
附图611万吨/年乙酸乙烯酯装置PID图（C05-3） 82
附图711万吨/年乙酸乙烯酯装置PID图（C05-4） 82
附图811万吨/年乙酸乙烯酯装置PID图（C05-5） 82
附图911万吨/年乙酸乙烯酯装置PID图（C05-6） 82
附图1011万吨/年乙酸乙烯酯装置设备平面图（D05-1） 82
附图1111万吨/年乙酸乙烯酯装置设备平面图（D05-2） 82
附图1211万吨/年乙酸乙烯酯装置设备立面图（D05-3） 82
附图1311万吨/年乙酸乙烯酯装置设备立面图（D05-4） 82
附图1411万吨/年乙酸乙烯酯装置车间平面图（E05-2） 82
附图1511万吨/年乙酸乙烯酯装置管道平立面图（F05-1） 82
附图1611万吨/年乙酸乙烯酯装置管道平立面图（F05-2） 82
参考文献 83
第1章总论
1.1项目概况
醋酸乙烯是一种重要的有机化工中间体，主要原料为工业冰醋酸和电石，是世界产量最大50种化工原料之一。
广泛应用于纤维、粘接剂、涂料、乳化剂、纺织品上浆及整理剂、制鞋、薄膜、安全玻璃、水溶性膜、土壤改良剂等方面；还用于建筑、机械、汽车、造纸、包装、纺织、印染、卷烟、家具、印刷等行业。
随着科学技术的进步，新的应用领域还在不断拓展
尽管国内醋酸乙烯产业近几年发展虽然较快，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，使醋酸乙烯的需求量逐年上升，市场供需矛盾仍然存在，每年仍有较大的进口量。
2004年全国产能已达97万吨，生产装置约15套，每年仍需10万吨以上的进口量，且仍不能满足国内的需要，国内的需求量每年以5%的速度增长，2010年消费量达到142万吨，仍然存在一定的市场缺口。
加之下游用途越来越广泛，市场需求量继续扩大。
目前，世界醋酸乙烯生产能力为485万吨/年，2002年产量为408万吨。
预计到2010年，世界醋酸乙烯需求量将达到650万吨。
目前我国现有醋酸乙烯生产厂16家，生产能力为106万吨/年，产量为96万吨。
我国自1965年北京有机化工厂从日本引进电石乙炔法生产醋酸乙烯技术以来,依靠自己的力量先后建设了10套万吨级维纶厂。
1972年上海石油化工二厂又引进了乙烯法醋酸乙烯装置,1977年四川维尼纶厂引进天然气乙炔法醋酸乙烯装置,13套装置原设计能力为376kt/a醋酸乙烯,全是为维纶纤维配套。
近几年,由于醋酸乙烯需求量大幅上升,各厂都将原有生产装置进行改扩建扩能,但醋酸乙烯在我国缺口仍然很大。
国内醋酸乙烯价格基本在左右,但各地区差异较大。
我国有醋酸乙烯生产装置16套,其中乙烯法仅有2套,年产22万吨,占总生产能力的25.161%;天然气乙炔法一套,年产12万t,占13.197%;电石乙炔工艺12套,年产51.190万吨,占总生产能力的60.142%。
由于我国醋酸乙烯装置大部分建成于20世纪60年代和70年代,其技术水平仅相当于国外20世纪70年代初水平,虽然近年努力改造,醋酸乙烯产量有所增长,但仍落后于世界先进水平。
其次我国醋酸乙烯装置规模偏小,国外一般都在10万t/a以上,加拿大1985年己建成了36万t/a的装置,差距很大。
1.2设计依据
（1）化工工程设计相关规定。
（2）国家经济、建筑、环保等相关政策。
（3）本章内容主要包括厂址概况，总平面布置，竖向设计，工厂运输等，设计
依据如下：
《化工企业总图管理规定》原化工部文件
《化工企业总图运输设计规范》GB50489-2009
《建筑设计防火规范》GB50016-87（2006）
《厂矿道路设计规范》GBJ22—87
《工业企业总平面设计规范》GB50187—93
《压缩机厂房建筑设计规定》HG/T2067389
《化工管道设计规范》HG/T20695—87
《化工设备管道外防腐设计规定》HG/T20679—90
《化工工厂总图运输施工设计文件编制深度规定》HG/T20561—94
1.3设计原则
以节能减排为目标，减少尾气、污水等对环境的污染，并尽可能优化流程，减少设备和管道的使用，减少投资。
采用最合适的设备类型，提高产品的收率和纯度，增大经济效益。
1.3.1反应器设计原则
（1）具有适宜的流体力学条件，流动性能好，有利于热量传递和质量传递；
（2）合理的结构，能有效的加速反应和水的脱除；
（3）保证压力和温度符合操作条件；
（4）操作稳定，调节方便，能适应各种操作条件的变化。
1.3.2塔设备设计原则
（1）具有适宜的流体力学条件，达到气液两相的良好接触；
（2）结构简单，处理能力大，压降低；
（3）强化质量传递和能量传递。
1.4建设规模及产品方案
化工厂设计是一种创造性的活动，它包括工艺设计和非工艺设计。
工艺设计是化工厂设计的核心，决定了整个化工设计的概貌。
非工艺设计时以工艺设计为依据，按照各专业的要求进行的设计，它包括总图运输、公用工程、土建、仪表及其控制等。
具体设计内容如下：
1.查阅文献，完成设计课题的文献综述；
2.对ASPENPLUS模拟作业的计算结果进行分析说明，有条件的话继续优化；
3.对主要设备及全装置的物料衡算和热量衡算（包括热负荷及传热剂用量的计算）结果进行总结整理，列出物料平衡表、热量平衡表等表格；
4.绘制工艺原则流程图、PFD；
5.对主要设备进行工艺计算与选型，列出各类设备规格表及设备一览表；
6.确定自控方案，绘制工艺管道及仪表流程图（PID）；
7.进行车间及设备布置设计，绘制车间平面布置图及设备平、立面布置图；
8.进行管道布置设计，绘制部分管道平、立面布置图；
9.设计总结，编写初步设计说明书。
1.5建设规模及产品方案
1.5.1产品及其规格
表1-1产品及规格表
成分
质量分率%
乙酸乙烯酯
≥99.8
年操作时间：
333天（8000小时）/年；
原料：
二氧化碳，氧气，乙酸，乙烯；
主产品：
乙酸乙烯酯。
1.5.2建设规模
生产规模：
11万吨/年乙酸乙烯酯整套生产装置，包括厂前区、生产区和生产辅助区。
公用工程：
（1）热剂用蒸汽：
根据生产需要选用不同压力级别的蒸汽。
（2）冷剂用循环冷却水：
上水温度可取25℃。
1.5.3产品方案
聚乙烯醇自20世纪60年代实现大规模工业化生产以来，都是由醋酸乙烯经聚合成聚醋酸乙烯再醇解而制得的。
本设计工艺是石油乙烯法。
以石油裂解联产的乙烯为原料，采用多管型固定床反应器气相氧化合成醋酸乙烯的拜耳乙烯法，是由德国拜耳公司开发成功，日本可乐丽公司首先实现工业化生产。
目前，国内的上海石化和北京有机化工厂采用了拜耳乙烯法合成醋酸乙烯原料路线。
主要反应方程式为：
C2H4+CH3COOH+0.5O2→C2H3OOCCH3+H2OΔH=-146KJ/mol
副反应：
C2H4+3O2→2CO2+2H2OΔH=-1340KJ/mol
主要副产物使CO2，其它副产物很少。
由于反应放热，少量的CO2存在，有利于反应的排出，同时可抑制乙烯的氧化深度，故生成的CO2留在循环气中不断的循环。
但不断循环后CO2将逐步积累，使其含量过高。
所以工艺上必须连续抽取部分循环气，经脱除CO2后再循环回反应器使用，以防止CO2在循环气中积累过高。
1.6厂址选择
厂址条件选择是项目建设条件分析的核心内容，不仅关系到工业布局的落实、投资的地区分配、经济结构、生态平衡等具有全局性、长远性的重要问题，还将直接或间接地决定着项目投产后的生产经营和经济效益。
厂址的选择一般遵循以下原则：
（1）厂址的地区布局应符合区域经济发展规划、国土开发管理的相关规定；
（2）厂区的自然条件要符合建设要求；
（3）厂址选择应按照指向原理，根据材料、市场、能源、技术、劳动力等生产要素的限度区位来综合分析确定；
（4）厂址选择要考虑交通运输和通讯设施条件；
（5）便于利用现有生活福利社设施、卫生医疗设施、文化教育和商业网点等设施；
（6）要注意保护环境和生态平衡。
乙酸乙烯酯对眼睛、皮肤、粘膜和上呼吸道有刺激性。
长时间接触有麻醉作用，微溶于水，溶于醇、醇、丙酮、苯、氯仿。
乙酸乙烯酯易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物。
遇明火、高热能引起燃烧爆炸。
与氧化剂能发生强烈反应。
极易受热、光或微量的过氧化物作用而聚合，含有抑制剂的商品与过氧化物接触也能猛烈聚合。
其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。
因此甲醇生产厂址远离居民区的郊区，并且选择在下风口和河流的下游，以防使居民中毒，危害居民的身体健康。
交通运输要方便，这样原料供应便捷，节省运输费用。
1.7能量利用及环境保护
1.7.1节能措施
（1）本项目工艺设计中充分选用了国内外现有的先进技术和工艺，同时采取相应措施使能量得到了充分利用。
此外，气化、合成等化学反应过程都要放出大量的热，从各个热量等级分级利用余热进行原料预热。
重复利用冷凝水，减少热损失成为节能的主要任务。
按不同的保温要求，选用保温性能好的材料。
（2）采用部分补充水软化措施提高浓缩倍数。
将通过离子交换树脂去除硬度的软化水，与新鲜水配比补入循环水系统，浓缩倍数提高，大大地降低了循环水补水量、排污量、药剂消耗量，提高了水的重复利用率。
（3）加快高效水稳剂的研制及应用。
针对不同水质、不同工艺运行条件，采用耐高钙硬度、高碱度、高含盐量、高有机物的水稳剂和高效杀菌剂，为降低循环冷却水的消耗提供了强有力的技术支持。
（4）项目设计时选用低损耗节能型变压器、电动机，工艺选用Y型节能电动机，主厂房照明采用高效长寿命气体放电灯，二次回路控制设备采用节能型元件，对负荷变动大的风机、水泵应尽量采用变频控制，将变电所布置靠近用电负荷的中心。
（5）凡用热、用冷设备及其管道，全部采用新型保温材料，精心设计、施工。
（6）加强生产管理，减少原材料和动力消耗。
1.7.2主要污染物
本项目涉及到的主要污染源及主要污染物见表1-2：
表1-2主要污染物汇总表
序号
污染源名称
组成
温度，℃
压力，kpa
状态
备注
1
工艺废水
H2O
~45
~1.1
液态
处理后循环使用
2
催化剂
催化剂
反应温度
--
粉尘
送回厂家再生
3
加热炉排放烟气
CO2、N2等
~60
~1.2
气体
送烟气处理
4
生活污水
H2O
常温
常压
液体
送城市污水管网
5
压缩机、泵噪声
--
--
--
--
相应的防护措施
1.7.3环保措施
1.7.3.1废气
（1）精馏塔顶含乙酸、二氧化碳等不凝气体送总厂分离处置，其后续环保措施依托总厂设施，由于此塔为加压工况，不存在其它废气逸散污染；
（2）对非正常工况如检修期间的吹扫废气最终均集中汇集至总厂废气净化系统；
（3）对于物料泄漏及火灾、爆炸等突发性事故下的废气污染应急处理措施，则严格按照突发性污染应急预案及时安全处置。
正常生产期间，主要的排放气来精馏塔塔顶放出的乙酸以及工厂管道的泄露。
乙酸送至总厂处理，对于管道泄漏，治理措施在于预防为主，对设备定期的检修。
总体上来看，本厂的废气排放极少。
1.7.3.2废水
（1）本项目正常工况下不产生工艺废水；
（2）初期雨水：
罐区和装置区的初期雨水通过相应区域的围堰和收集闸门收集至装置和罐区附近建设的收集池收集后泵送总厂废水处理站处理；
（3）检修期间设施清洗废水则同样依托初期雨水收集池汇集；
（4）本项目建设同时将建设应急废水池，具体池容及相关要求将根据项目环境影响评价文件及批复要求实施，突发性事故时的消防废水则汇集至该池，最终通过泵送总厂污水处理设施达标处理。
1.7.3.3废渣
本项目基本无釜残发生，失效的废催化剂则经厂内安全暂存设施暂存，暂存库的建设严格执行环评及批复要求，暂存措施满足《危险废物贮存污染控制标准》（GB18597-2001），转移处置严格执行相应的法律法规及控制标准
1.7.3.4噪声控制
具体声环境保护对策措施有：
（1）设计时，在设备选型方面要考虑选用低噪声的设备。
（2）噪声较大的压缩机，风机等设备的进出口配有消音器。
（3）工艺装置、压力气体的放空选用适用于该种气体特性的放空消音器.
（4）管道设计与调节阀的选型考虑防止振动和噪声，避免截面突变；管道与强烈振动的设备连接处选用柔性接头；对辐射强、有噪声的管道，应采取隔声，消声措施。
详见安全专篇中的噪音控制设计。
1.7.3.5车间绿化
植物具有美化环境，吸收二氧化碳和有毒气体，吸收和屏蔽噪音的作用；植物微妙而准确地反映着我们周围环境的特性和变化，供给人类许多有用的信息和物质。
搞好绿化是现代企业清洁生产的标志。
车间的绿化设计根据车间的总图布置、生产特点、消防安全、环境特征，以及当地的土壤情况、气候条件、植物习性等因素综合考虑，合理布置和选择绿化植物。
车间的平面布置应预留有绿化地，绿化布置不应妨碍工艺装置、储运设施等散发的有害气体的扩散，保证道路的行车安全，保证生产操作、设备检修、消防作业和物料输送；充分利用通道，零星空地及预留地。
厂区绿化植物的选择根据生产特点、污染状况和环保要求，选择相应的抗污、净化、减噪或滞尘力强的植物；根据防火、防爆和卫生要求，选择有利于安全生产和职业卫生的植物；根据美化环境的要求，选择观赏性植物；选择易成活、维护成本低的植物。
绿化面积不低于12%并配置必要的绿化技术人员。
1.8存在问题及建议
在醋酸氧化法生产乙酸乙烯酯的过程中，由于乙烯具有较高的活性在反应过程中，应该注意原料和其他管道中乙烯的浓度。
另外在生成产品中，产品乙酸乙烯中具有双键很容易聚合，所以在生产过程中要严格控制温度和压力以防止乙酸乙烯酯聚合而堵塞管道，影响生产。
，因此生产过程中对催化剂的合理充分利用显得十分重要，必须十分注意避免催化剂中毒，或者因为其它原因造成催化剂的浪费，提高生产的高效性、经济性。
参考文献
[1]钱伯章，上海期刊，醋酸乙烯的生产技术与国内外市场，2010,35（3）
[2]颜艺倩广州科技2010.2总第231期
第2章工艺流程设计
2.1生产方案选择
2.1.1产品性质及规格标准
1.乙酸乙烯酯的性质
乙酸乙烯又称乙酸乙烯酯，在常温下是一种无色液体，分子量86.09g/mol，凝固点为-93℃，沸点是71.8℃，相对密度（水=1）为0.93，溶于苯，乙醇，四氯化碳。
在427℃时自燃，爆炸极限为2.6-13.4％。
化学式为CH3COOCH=CH2（VAM），具有甜的醚味；微溶于水，溶于醇、醇、丙酮、苯、氯仿。
乙酸乙烯酯易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物。
遇明火、高热能引起燃烧爆炸。
与氧化剂能发生强烈反应。
极易受热、光或微量的过氧化物作用而聚合，含有抑制剂的商品与过氧化物接触也能猛烈聚合。
其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。
其单能共聚可生产多种用途粘合剂；还能与氯乙烯、丙烯晴、丁烯酸、丙烯酸、乙烯单能共聚接枝、嵌段等制成不同性能的高分子合成材料。
2.产品规格标准
对本设计产品具体要求见表2-1。
表2-1本厂乙酸乙烯酯控制指标
组分
乙酸乙烯酯
水
摩尔分率/%
>0.998
<0.001
2.1.2原料路线确定原则和依据
选择生产方法和工艺流程时应该着重考虑以下三项原则：
（1）先进性。
先进性的评价包括基建投资、生产成本、消耗定额以及劳动生产率等方面。
实际生产过程中，选择的生产方法应达到物料损耗较小、物料循环量较少并且易于回收利用、能量消耗较少和有利于环境保护等要求。
（2）可靠性。
应当坚持一切经过试验的原则，不允许把未来的生产工厂当做试验工厂来进行设计。
另外，还要考虑原料的可靠性。
（3）合理性。
在工艺流程设计中，应从以下着重考虑：
①国内人民的消费水平以及各种化工产品的消费趋势。
②国内化工生产所用的化工原料及设备制造所需要的各种材料的供应情况。
③国内化工机械设备、电气仪表与自控设备的技术水平和制造能力。
④国家环境保护、清洁生产的有关规定和化工生产中“三废”排放情况。
⑤劳动就业与化工生产自动化水平的关系。
⑥资金筹措和外汇储备情况。
2.1.3工艺技术方案比较和选择依据
（1）石油乙烯法
以石油裂解联产的乙烯为原料，采用多管型固定床反应器气相氧化合成醋酸乙烯的拜耳乙烯法，是由德国拜耳公司开发成功，日本可乐丽公司首先实现工业化生产。
目前，国内的上海石化和北京有机化工厂采用了拜耳乙烯法合成醋酸乙烯原料路线。
主要反应方程式为：
C2H4+CH3COOH+0.5O2→C2H3OOCCH3+H2O
副反应：
C2H4+3O2→2CO2+2H2O
（2）天然气乙炔法
以天然气为原料，部分氧化裂解制得乙炔，采用固定床反应器气相催化合成醋酸乙烯的天然气乙炔法，是由法国罗纳·普朗克公司开发成功，并实现
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