年产5万吨聚醋酸乙烯酯生产工艺设计.

学生毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 （论文）课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 名称年产5万吨聚醋酸乙烯酯生产工艺设计姓名XXX学号1008103-14学院化学与环境工程学院专业化学工程指导教师XXX讲师2014年06月02日XXXX大学本科毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本科毕业设计作者签名：二零一四年六月二日目录摘要 1关键词 1Abstract. 1Keywords 11.概述 21.1产品概述 21.1.1聚醋酸乙烯酯的概述 21.1.2醋酸乙烯的概述 21.2国内外聚醋酸乙烯酯生产现状与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 31.2.1国外聚醋酸乙烯酯生产现状与分析 31.2.2国内聚醋酸乙烯酯生产现状分析 31.3国内外醋酸乙烯酯的生产技术及研究情况 41.3.1醋酸乙烯的生产工艺概述 41.3.2聚醋酸乙烯的生产工艺概述 71.4本人见解 81.4.1乙炔气相法和乙烯气相法的比较 81.4.2乙炔气相法Wacker流程和Borden流程的比较 81.4.3乳液聚合法和其他聚合法的比较 91.5生产所需原料 92.聚醋酸乙烯酯生产工艺 92.1聚醋酸乙烯酯生产的反应原理 92.1.1醋酸乙烯合成反应原理 92.1.2醋酸乙烯聚合反应原理 112.2聚醋酸乙烯酯生产工艺流程简述 112.2.1醋酸乙烯酯生产工艺流程简述 112.2.2醋酸乙烯酯生产工艺流程简图 122.2.3聚醋酸乙烯酯生产工艺流程简述 122.2.4聚醋酸乙烯酯生产工艺流程简图 133.聚醋酸乙烯酯工艺计算 133.1物料衡算 133.1.1基本数据 133.1.2乙炔工序物料衡算 143.1.3反应工序物料衡算 153.1.4分离工序物料衡算 173.1.5精馏工序物料衡算 173.1.6聚合工序物料衡算 183.2热量衡算 223.2.1基础数据 223.2.2反应系统的热量衡算 233.2.3醋酸蒸发器和预热器热量衡算 263.2.4冷凝器的热量衡算 273.2.5精馏系统的热量衡算 283.2.6聚合工序热量衡算 284.主要设备的工艺设计和选型 294.1固定床反应器 294.1.1体积的计算 294.1.2尺寸的设计 304.1.3传热面积的计算 304.1.4反应器的技术参数 314.2醋酸乙烯精馏塔 324.2.1基本数据 324.2.2塔体工艺设计 354.3板式分离塔 364.3.1设计参数的选择 364.3.2溢流堰的型式和高度的选择 374.3.3降液管和受液盘的结构和有关尺寸的选择 374.3.4孔径和开孔率的选择 374.4乙炔发生器 374.4.1乙炔发生器的参数 384.4.2乙炔发生器的结构 384.5醋酸蒸发器 384.6分离塔冷凝器 394.6.1换热面积的计算 394.6.2换热器基本尺寸确定 394.6.3壳体壁厚 394.6.4封头壁厚 404.7泵的选型 404.8聚合釜及各设备选型 404.9主要设备一览表 415.工厂厂区设计 435.1平面设计概述 435.1.1平面布局 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 435.1.2生产辅助区 435.1.3布局要求 435.1.4供水、供电、供气 435.2工厂车间设计 445.2.1概述 445.2.2满足工艺流程及要求 445.2.3满足环境保护和安全生产的要求 445.3工厂组织与劳动定员 445.3.1职务概述 445.3.2生产班次 455.3.3劳动定员 455.4经济评价 466.环境保护 466.1执行的环境质量标准及排放标准 466.2废气处理方案 476.3废水处理方案 476.4废渣处理方案 476.5噪声处理方案 476.6绿化 477.消防 487.1消防设施 487.2消防措施 48参考文献 49致谢 50年产5万吨聚醋酸乙烯酯生产工艺设计XXX（XXXX大学化学工程专业xxxx届学生）摘要：本文针对年产5万吨聚醋酸乙烯酯生产任务，进行整个生产流程的设计。本设计采用乙炔气相法和乳液聚合法合成工艺。设计的主要内容有工艺设计和非工艺设计两部分。工艺部分主要包括生产方法选择、工艺条件的确定、物料衡算、热量衡算、设备尺寸的计算和选择。非工艺部分主要介绍了三废处理、岗位定员、投资成本的估算等。关键词：聚醋酸乙烯酯；乳液聚合；工艺设计TheProductionProcessDesignof50000TonsPolyvinylAcetateperYearXxx(xxxxyearStudentofChemicalEngineeringMajor,XXXXUniversity)Abstract:Inthispaper,accordingtoannualoutputof50000tonsofpolyvinylacetateproductiontaskcarriedoutthedesignoftheentireproductionprocess.Thisdesignusessynthesisprocessofthemethodofacetylenegasphaseand emulsionpolymerization.Themaincontentofthedesignincludetwopartsthatisthetechnologicaldesignandthenon-technologicaldesign.Thetechnologicaldesignarepartialmainlyincludetheproductionmethodchoice,thecraftconditiondetermination,Materialbalance,Heatbalance,calculationandselectionofequipment.Thenon-technologicaldesignpartialmainlyintroducedthethreewastestreatment,manningandinvestmentcostestimation.Keywords:Polyvinylacetate;Emulsionpolymerization;Processdesign1.概述1.1产品概述1.1.1聚醋酸乙烯酯的概述聚乙酸乙烯酯树脂是固体，无色透明；易溶于甲醇、酮类、酯类、芳烃、氯代烃，不溶于无水乙醇、高级醇、烷烃、环己烷、水等。在阳光下稳定，在125℃以下稳定，150℃颜色变深,225℃分解，放出乙酸，生成棕色树脂状不溶物。在工业上聚乙酸乙烯酯树脂主要以乳液形式使用,为白色乳状液,略有残余的乙酸乙烯酯气味，其固体含量为30％～60％，多数为50％,直径为0.2～10微米，粘度范围很广，pH为4～6。它的优点有：粘合力强，稳定性好，抗老化性好，不污染，使用方便，价格低廉等[1]。主要用作木材、纸、纤维、皮革等方面的胶粘剂（俗称乳胶、白胶），其中以木材方面用得最多、最普遍；由于其稳定性好、容易施工和没有臭味，大量用作内外墙涂料。作为水泥添加剂，可用于室内地板、战舰甲板等；也用于抹墙壁、防水、修补公路路面等方面。在织物加工方面主要用于硬挺加工、印染、植绒粘合等。不宜用于聚乙烯、聚丙烯等制品的粘合。由于聚乙酸乙烯酯的耐水、耐热、耐碱性等稍差,可用共聚法改性。其中,以与丙烯酸酯类共聚物产量最大，用途最广。乙酸乙烯酯-乙烯共聚物乳液适用范围广泛，性能优良,价格低廉，许多工业国都已大量生产，增长很快。聚乙酸乙烯酯溶液或固体树脂,工业上也有使用,用溶液聚合、悬浮聚合或本体聚合制得，主要用作胶粘剂，聚乙烯醇和聚乙烯醇缩醛的原料、口香糖基料等[2]。1.1.2醋酸乙烯的概述 乙酸乙烯酯为无色液体，具有甜的醚味；微溶于水，溶于醇、丙酮、苯、氯仿。乙酸乙烯酯易燃，其蒸汽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。其蒸汽比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。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，是世界产量最大的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。主要用于生产聚乙烯醇树脂和合成纤维。其单体能共聚可生产多种用途粘合剂；还能与氯乙烯、丙烯腈、丁烯酸、丙烯酸、乙烯单体能共聚接枝、嵌段等制成不同性能的高分子合成 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 。随着科学技术的进步，新的应用领域还在不断拓展。1.2国内外聚醋酸乙烯酯生产现状与分析1.2.1国外聚醋酸乙烯酯生产现状与分析在20世纪30年代，国外就开始聚醋酸乙烯酯的工业化生产，但产量一直较小。 20世纪70年代以后，由于聚醋酸乙烯酯下游产品的大量开发与应用，聚醋酸乙烯酯生产能力与产量快速增加。 20世纪80年代，国外年产量约为5万吨/年，生产厂主要集中在欧美及日本等工业发达的国家和地区，主要生产厂有：美国虎克电化学公司、Heyden化学公司、孟山都化学公司；德国赫司特公司、拜耳公司；日本的庵原化学工业公司、扶桑化学公司、保士谷化学公司等。 20世纪90年代以后，由于环保压力的不断增加，西方发达国家和地区对有机氯产品的发展持谨慎态度，转而向发展中国家寻求许多下游产品，因此聚醋酸乙烯酯的生产能力没有继续扩大，反而有所降低，导致全球聚醋酸乙烯酯供求日趋紧张。特别是中国近年来聚醋酸乙烯酯需求呈快速增加之势[3]。 1.2.2国内聚醋酸乙烯酯生产现状分析聚醋酸乙烯酯（PVAc）乳液是目前使用量最大，使用历史最悠久的合成乳液。早在1909年和1927年，Hofman和Dismore先后发表了有关PVAc乳液聚合的专利。1930年由IG公司实现工业化。在此之后，Stark.Frendeberg提出采用聚乙烯醇（PVA）作保护胶体进行PVAc乳液聚合的方法，从而大大拓宽了PVAc乳液的应用领域，并迅速发展。将PVAc乳液作为胶粘剂使用是美国在1945年为弥补动物胶的不足而发展起来的，主要应用于木制品加工方面。在我国，PVAc乳液也是先作为动物胶的代用品用于木器家具制造。1995年全球胶粘剂总消费量为728万吨，其中水基胶消费量为327.6万吨，PVAc乳液约为250万吨，占水基胶的76.3%左右。目前，国际上出现了一批年产数万吨的PVAc乳液生产商，如美国的联合碳化物、空气物产、国民淀粉、古德里奇等公司，西德的赫斯特公司，英国的乙烯基产品公司，法国的罗纳普朗克公司，意大利的埃尼和蒙埃公司，日本的大日本油墨和中央理化公司等。我国自20世纪50年代末期开始PVAc乳液聚合的研究工作。在1961年，天津市化工研究所实验厂（现有机化工实验厂前身）建成PVAc乳液的生产装置。到了20世纪70年代，随着我国十几个大维纶厂的相继建成投产，合成PVAc乳液的原料有了保证，市场迅速拓宽，至1980年PVAc乳液生产厂家发展到20个以上，总产量近1万吨。到了1986年，我国PVAc乳液的总产量大约为4万吨。进入20世纪90年代，我国PVAc乳液的生产有了突飞猛进的发展，1993年产量达到约11万吨，1996年高达21.5万吨，1999年更是突破了30.8万吨。我国PVAc乳液的工业生产水平与国外相比还比较落后。主要表现在以下几个方面：首先是我国PVAc乳液的工业生产规模较小，万吨级厂家较少，除了北京有机化工厂（2.0万t/a），上海石油化工股份有限公司（2.0万t/a），贵州有机化工厂（1.5万t/a）之外，其余大多数是小企业；其次是我国PVAc乳液产品品种较少，绝大多数是通用型乳液；再则由于缺乏技术力量和手段，造成了我国PVAc乳液产品质量较差，应用范围较窄和较低水平重复的局面。近年来我国一些企业通过合资手段，引进国外先进PVAc乳液生产工艺和设备；同时，一些高校和科研院所在乳液聚合及PVAc乳液聚合的聚合机理、成核机理以及技术开发方面做了很多研究工作[4]。1.3国内外醋酸乙烯酯的生产技术及研究情况1.3.1醋酸乙烯的生产工艺概述(1)乙炔液相法Shawinigan公司在F.Klatte的研究基础上发展起来的最早生产方法，液相法选择性低、副产品多，现在该法已被淘汰。乙炔液相法工艺的反应过程大致如下：在搅拌槽型反应器或鼓泡塔型反应器内加入一定量的醋酸，在常压、30-70℃条件连续送入乙炔，乙炔以鼓泡形式通过反应液层。反应所使用的催化剂为硫酸汞或磷酸汞，浓度控制在2.5%左右。随着醋酸乙烯生产规模的扩大，乙炔液相法逐渐被乙炔气相法取代。(2)电石乙炔气相法的Wacker技术1928年，德国Wacher公司首先实现了电石乙炔气相法的工业化生产，并采用固定床反应工艺。1956年，日本可乐丽公司成功开发出流化床催化工艺之后，乙炔气相法的生产技术日臻完善。催化剂随着操作时间而老化，反应温度也由此而逐步升高，故每3个月需要更换一次催化剂。以醋酸计的单程转化率为80％，以乙炔和醋酸计的醋酸乙烯选择性分别为97％与95％。(3)天然气乙炔气相法的Borden技术以天然气乙炔为原料的醋酸乙烯Borden技术是20世纪60年代出美国Borden公司和Blawkeox公司合作开发成功的。该技术以天然气部分氧化制取乙炔，并用副产的合成气生产醋酸，然后二者合成醋酸乙烯。Borden技术在天然气资源丰富的国家和地区很有竞争力。另外，Borden技术的反应产物分离方法不同于Wacker技术的低温冷却法，丽是采用以醋酸为吸收剂回收反应产物的流程，由此提高了乙炔的净化和回收率，并使装置的操作费用化生产技术(Bayer技术与USI技术)非常相似。但是，BP公司开发的Leap技术，采用流化床反应器，改善了反应过程的传热，从而提高了醋酸乙烯的产率，单台反应器生产能力与传统的乙烯气相法相比提高了一倍。催化剂寿命也延长一倍以上。此外，由于采用流化床反应器，可以减少或除去反应器所需的大量冷却管／盘管，也便于采用较小的反应器，还可以除去固定床工艺所需的液体蒸馏塔及气体预热交换器等，使装置投资减少30％。因此Leap技术是目前世界上最先进的乙烯器相法的醋酸乙烯工业化生产技术。另外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，VAC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％。(4)Halcon法20世纪80年代，美国的Halcon公司开发了以煤为原料制取VAc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VAc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VAC。醋酸甲酯氢甲酰化反应最为关键，所使用的均相催化剂系统由RhCl3-B-皮考啉-CH3I构成。反应温度180℃，压力5．1Mpa，醋酸甲酯单程转化率44％，亚乙基二醋酸酯选择性88．5％。亚乙基二醋酸酯分解生成醋酸乙烯的反应在液相中进行，采用苯磺酸作催化剂，乙基二醋酸酯转化率70％，醋酸乙烯选择性87％。Halcon法生产成本较高，故至今尚未实现工业化生产。但是为今后Cl化学、醋酸、VAc及下游产品构成一体化的联合装置发展提供了很好的参考(5)乙烯液相法该工艺的反应机理和使用的催化剂大体上和乙烯氧生产乙醛的过程相同，也使用氯化钯-氯化铜催化剂，钯含量控制在0.02-0.03g/L，催化剂溶液中还添加一定量的碱金属醋酸盐。乙醛氧化制成醋酸可为本工艺提供原料，这是乙烯液相法的特点之一。但该工艺的主要设备及连接管道都存在严重的腐蚀问题，装置只能运转2-3年，若解决腐蚀问题则在经济上不合算，目前该法已被淘汰。(6)乙烯气相法乙烯气相法工艺是使乙烯、氧气和醋酸蒸汽在钯（Pd）、金（Au）或铂（Pt）/SiO2（或Al2O3）贵金属负载形催化剂的作用下，在100～200℃、0.6～1.1MPa条件下发生气相氧化而合成醋酸乙烯，反应方程式如下：CH3COOH+CH2=CH2+1/2O2CH3COOHCH=CH2+H2O乙烯气相法醋酸乙烯生产分为合成和回收精制两部分，工业上有两种十分相似但拥有各自专利权的工艺，Bayer法和USI法，除USI公司外，世界上应用USI工艺的装置不多，目前工业上大部分采用Bayer法。(7)哈尔康法及其他合成法哈尔康法以煤为原料制合成气即一氧化碳和氢气，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VAc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VAc。哈尔康法技术上可行，但目前经济上尚缺乏竞争力。2000年，Eastman开发出二条合成气生产VAc但不必回收醋酸的新路线。第一条路线是由醋酸经过中间产物乙烯酮制取醋酸乙烯，先是乙烯酮氢化得到乙醛，然后乙醛与乙烯酮反应生成醋酸乙烯。第二条路线是由乙醚羰基化合成醋酐，然后醋酐与乙醛在反应精馏塔中反应生成醋酸乙烯和醋酸，副产物醋酸被还原为反应精馏中所需的乙醛。该工艺的投资成本比与醋酸进行一体化生产的乙烯气相法工艺高约15%，生产成本高出7%，目前尚没有该工艺工业化的报道。目前还有二醋酸乙二醇酯热解法、醋酐还原脱水法、甲醇法等生产工艺，技术上如同哈尔康法可行，但未运用于实际生产，主要是因经济成本较乙烯气相法高。1.3.2聚醋酸乙烯的生产工艺概述(1)乳液聚合醋酸乙烯的乳液聚合是目前用得最广泛、产量也很高的方法。聚醋酸乙烯酯乳液成本低廉,应用广泛,但它耐水性、耐热性差,在湿热条件下其胶接强度会有很大程度的下降,其成膜的抗蠕变性能差,在长时间静载荷作用下,胶层会产生滑动,同时它的耐湿性、耐寒性及耐机械稳定性也较差。为了有效改善聚醋酸乙烯酯乳液的应用性能,主要的改性方法有共聚改性、共混改性和外加交联剂[5]。(2)溶液聚合单体和引发剂溶于适当溶剂中的聚合称作溶液聚合，溶液聚合是高分子工业中常用的一种聚合方法，醋酸乙烯的溶液聚合主要用来生产聚乙烯醇及其衍生物。(3)本体聚合本体聚合就是在不加其他介质的情况下,把醋酸乙烯与引发剂共同加热,进行反应。如果要求产物的纯度比较高,产品用于生产透明制品时则采用本体聚合。(4)分散聚合分散聚合是合成聚合物颗粒大小介于典型的悬浮聚合（50微米～1毫米）与乳液聚合（0.05～0.2微米）之间的一种聚合方法,颗粒大小大致为0.5～10微米。分散聚合的溶液稳定性好，一般情况下不产生沉淀，其性质有点像胶乳。(5)悬浮聚合悬浮聚合是指单体在机械搅拌或振荡和分散剂的作用下，单体分散成液滴，通常悬浮于水中进行的聚合过程，故又称珠状聚合。特点是：反应器内有大量水，物料粘度低，容易传热和控制；聚合后只需经过简单的分离、洗涤、干燥等工序，即得树脂产品，可直接用于成型加工；产品较纯净、均匀。缺点是反应器生产能力和产品纯度不及本体聚合法，而且，不能采用连续法进行生产。1.4本人见解综上所述，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。1.4.1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，EDA等副产物量少；(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输，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）乙炔气相法已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VAC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。1.4.2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，催化剂采用醋酸锌一活性炭体系，并添加次碳酸铋为助催化剂，反应温度为170～200摄氏度，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产家在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[7]。因此，这次设计采用电石乙炔气相法技术,即Wacker流程。1.4.3乳液聚合法和其他聚合法的比较因采取乳液聚合法生产聚醋酸乙烯酯乳胶,有：乳液聚合体系粘度低、易散热;具有高的聚合反应速率和高的聚合物分子量;乳液聚合以水作介质,成本低廉,生产安全,环境污染问题小;所得聚合物乳液可直接使用等特点。所以本设计采用乳液聚合法。1.5生产所需原料电石，水，醋酸，聚乙烯醇，过硫酸钾，邻苯二甲酸二丁酯（DBP），烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)。2.聚醋酸乙烯酯生产工艺2.1聚醋酸乙烯酯生产的反应原理2.1.1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进行的，其反应为：＋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意义。本设计采用醋酸锌-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：2、这一络合物迅速进行分子重排，生成新的中间化合物：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。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：＋（2） 丁烯醛的生成：＋＋（3） 丙酮的生成：＋＋＋＋＋（4） 醋酐的生成：＋＋＋（5） 乙炔聚合物的生成：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。2.1.2醋酸乙烯聚合反应原理聚醋酸乙烯酯是由醋酸乙烯醋经自由基聚合而成的高分子化合物.其聚合反应如下:本研究采用乳液聚合的方法。乳液聚合是在用水或其它液体作介质的乳液中,按胶束机理或低聚物机理生成彼此孤立的乳胶粒,在其中进行自由基加成聚合或离子加成聚合来生产高聚物的一种聚合方法。在充分混合的间歇反应器中进行的乳液聚合过程可分为4个阶段:分散阶段、乳胶粒生成阶段、乳胶粒生长阶段和聚合反应完成阶段[6]。2.2聚醋酸乙烯酯生产工艺流程简述2.2.1醋酸乙烯酯生产工艺流程简述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，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。2.2.2醋酸乙烯酯生产工艺流程简图图2.1醋酸乙烯酯生产工艺流程简图2.2.3聚醋酸乙烯酯生产工艺流程简述（1）把软水经过软水计量槽（W101）计量后放入聚乙烯醇溶解釜(V101)。（2）把规定量的聚乙烯醇由入孔投入聚乙烯醇溶解釜(V101)内。（3）向聚乙烯醇溶解釜(V101)的夹套中送入水蒸汽，升温至80摄氏度，搅拌4-6小时，配制成聚乙烯醇溶液。（4）把醋酸乙烯酯投入单体计量槽(W102)内，把邻苯二甲酸二丁酯投入增塑剂计量槽(W103)内，并把预先配制的规定量的过硫酸钾溶液和碳酸氢钠溶液分别投入引发剂计量槽(W105)和PH调节剂计量槽(W104)。（5）把聚乙烯醇溶液由聚乙烯醇溶解釜(V101)通过过滤器（V102）用隔膜泵（P101）输送到聚合釜(R101)中，并由入孔加入规定量的OP-10，并开动搅拌使其溶解。（6）向聚合釜(R101)中由单体计量槽(W102)加入单体醋酸乙烯酯，并通过引发剂计量槽(W104)加入过硫酸钾溶液，在搅拌下乳化30min。（7）向聚合釜(R101)夹套内通水蒸汽，将釜中物料升温至60摄氏度，向聚合釜(R101)加入单体和引发剂，聚合反应开始，并通过回流冷凝器(H101)和聚合釜(R101)夹套通入冷却水进行换热，控制温度，稳定在60摄氏度进行反应，反应时间10h。（8）反应完全后，向聚合釜(R101)夹套通入冷却水冷却至50摄氏度，再加入PH调节剂和增塑剂，搅拌均匀。出料，通过过滤器过滤(V103)后，进入乳液储罐(T104)。2.2.4聚醋酸乙烯酯生产工艺流程简图图2.2聚醋酸乙烯酯生产工艺流程简图3.聚醋酸乙烯酯工艺计算3.1物料衡算3.1.1基本数据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：＋2＋（1）主反应：＋（2）副反应：＋＋（3）副反应：2＋（4）聚醋酸乙烯酯的生产规模为：5万t/a；设醋酸乙烯酯过滤损失率为3%，则1、生产时间：年工作日300d，每天24h，总共7200h。2、醋酸乙烯酯的生产规模为：50000/（1-3%）＝51546.39t/a。3、醋酸乙烯酯为一级产品：≥99.5%。4、乙炔和醋酸的摩尔比为2.5。5、电石的纯度为80%，其中杂质为CaO占20%。6、醋酸为一等品：≥99.8%，水分≤0.15%，甲酸≤0.06%，乙醛≤0.05%，蒸发残渣≤0.01%。7、乙炔的单程转换率为16%，醋酸的单程转换率为40%，醋酸乙烯酯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%。8、乙醛和丁烯醛的总收率按100%计算。9、除副反应（3）、（4）外，反应器内其他副反应生产的副产物的质量分数为0.27%[6]。醋酸乙烯酯的小时生产能力为:＝51546.39t/7200h＝7159.22kg/h纯醋酸乙烯酯的量为：7159.22×99.5%＝7123.43kg/h3.1.2乙炔工序物料衡算＋2＋(1)由HAc产率：η＝＝40%×97%×97%得：＝13271.35kg/h＝kg/h醋酸所带入的杂质量为：由乙炔与醋酸的摩尔比为2.5有：＝2.5，可得＝14377.30kg/h因乙炔的单程转化率为16%，故参与主反应的乙炔流量为:＝×16%＝2300.37kg/h纯度为80%的电石用量为：＝＝7078.06kg/h除电石中的杂质CaO会与水反应外，精制乙炔时，乙炔会从NaClO溶液带走水蒸汽，含量约为＝47.78kg/h。总水量：＝×16%×＋×20%×＋＝3687.92kg/h电石灰渣量：＝×16%×＋×20%×＝8417.84kg/h表3.1乙炔工序物料衡算汇总表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7078.060.6574乙炔2300.370.2137水3687.920.3426电石灰渣8417.840.7819水蒸汽47.780.0044合计10765.981.0000合计10765.981.00003.1.3反应工序物料衡算因醋酸乙烯的选择性按醋酸计为97%,故3%的用于发生副反应。＋＋(3)因为醋酸的单程转化率为40%，故乙醛的生成量为：＝(×40%××3%)××100%＝116.79kg/h反应工序所需水量为：＝(×40%××3%)×＝47.78kg/h反应工序所生成的醋酸流量为：＝(×40%××3%)×＝159.26kg/h醋酸乙烯的剩余量为：×40%×97%×＝7380.64kg/h2＋（4）因丁烯醛的选择性按乙醛计为30%，故丁烯醛的流量为：＝×30%××100%＝27.87kg/h乙醛的剩余量为：＝×70%＝81.75kg/h反应（4）所生产的水量为：＝×30%×＝7.17kg/h分离塔进口气体中0.27%的等其他副产物是由乙炔和醋酸的其他副反应生成的，其流量为:＝（＋＋）×0.27%＝74.78kg/h由乙炔和醋酸的摩尔比为2.5可知，其他副产物所消耗的乙炔量和醋酸量分别为：38.89kg/h和35.89kg/h，则，乙炔剩余量为：＝×（1－16%）－38.89＝12038.04kg/h醋酸剩余量为：＝×（1－40%）－35.89＋＝8086.18kg/h副产物及其他杂质的总量为：表3.2反应工序物料衡算汇总表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99.8%的醋酸13297.950.4797醋酸乙烯7380.640.2662水47.780.0017水7.170.0003乙炔2300.370.0830乙醛81.750.0029循环乙炔12076.930.4356乙炔12038.040.4342丁烯醛27.870.0010醋酸8086.180.2917其他101.380.0037合计27723.031.0000合计27723.031.00003.1.4分离工序物料衡算出料口气体中乙炔占95.85%，空气占3.84%，则有效气体的流量为：＝＝×（1－3.84%）＝12076.93kg/h＝＋－（－）＝69.66kg/h表3.3分离工序物料衡算汇总表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8086.180.2920醋酸8086.180.2920乙炔12038.040.4346循环乙炔12076.930.4360醋酸乙烯7380.640.2665醋酸乙烯7380.640.2665乙醛81.750.0030乙醛81.750.0030丁烯醛27.870.0010丁烯醛27.870.0010其他101.380.0027其他69.660.0015水7.170.0002合计27723.031.0000合计27723.031.00003.1.5精馏工序物料衡算在粗馏装置中，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精馏装置、醋酸精馏装置及丁烯醛蒸馏塔和残余物蒸馏塔中就行分离。进料流量＝27696.43－＝15619.50kg/h因醋酸乙烯的收率为97%，故从醋酸乙烯提纯精馏塔塔顶馏出的醋酸乙烯（纯度为99.5%）流量为：＝×97%＝7159.22kg/h醋酸从醋酸蒸馏塔塔顶馏出流量为：＝8102.38kg/h精馏重组分从各精馏塔塔底馏出，总流量为：＝－－＝274.87kg/h表3.4精馏工序物料衡算汇总表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7380.640.4717醋酸乙烯7159.220.4576醋酸8086.180.5168循环醋酸8102.380.5179乙醛81.750.0052乙醛81.750.0052丁烯醛27.870.0018丁烯醛27.870.0018其他69.660.0045其他274.870.0176合计15646.101.0000合计15646.091.0000表3.5醋酸乙烯生产过程物料衡算汇总表进料出料物料名称流量（kg/h）物料名称流量（kg/h）电石7078.06电石灰渣8417.84水3687.92醋酸乙烯7159.22乙醛81.75醋酸5195.57丁烯醛27.87其他274.87合计15961.55合计15961.553.1.6聚合工序物料衡算（1）画出物料平衡关系示意图图3.1为聚醋酸乙烯酯乳液聚合间歇操作物料平衡关系示意图。对于物料数量和组分没有发生变化的设备可不做物料衡算，所以在物料平衡关系图中，没画出T101，P101等设备。图3.1.聚醋酸乙烯酯乳液聚合间歇操作物料平衡关系示意图M1-软水；M2-聚乙烯醇；M3-聚乙烯醇溶液；M4-过滤后的聚乙烯醇溶液M5-单体醋酸乙烯酯；M6-增塑剂DBP；M7-PH调节剂碳酸氢钠；M8-引发剂过硫酸钾；M9-乳化剂OP-10；M10-聚合物；M11-过滤后的聚合物；M12-实际还需加的水（2）明确物料发生的化学变化，写出主、副反应方程式①在V101，V103中，只是物料的混合和过滤，没有发生相变化和化学反应②在聚合釜R101中，引发剂引发单体发生自由基聚合其反应方程式如下：（3）收集数据资料①生产规模。设计任务书中规定的年产量（生产能力）：50000t/a②生产时间。年工作日：300d/a间歇操作，共两套装置，每套装置聚合釜R101每天2批，其它原料配制每天1批。③相关技术指标表3.6技术指标表项目内容技术指标项目内容技术指标过滤器过滤损失率3%（质量）过硫酸钾溶液浓度20%（质量）碳酸氢钠溶液浓度8%（质量）聚乙烯醇溶液浓度25%引发剂效率f0.85④质量标准。原料均视为纯净物。⑤生产配料表表3.7生产配料表组分名称重量（份）单体醋酸乙烯酯150稳定剂聚乙烯醇5.8乳化剂OP-101.2引发剂过硫酸钾0.3pH调节剂碳酸氢钠0.4介质蒸馏水100增塑剂邻苯二甲酸二丁酯（DBP）11（4）选择计算基准和计算单位因为是间歇操作过程，所以基准为“批”，单位为B·d-1。聚合釜R101的操作周期是2B·d-1，而其他原料配制的操作周期是1B·d-1。但引发剂向R101进料周期仍与聚合釜的操作周期相同，所以在物料衡算时，物料M8的数量仍以2B·d-1计算。在做设备工艺计算时，引发剂计量槽W105的体积大小应按1B·d-1计算。（5）确定计算顺序由于产物与原料之间的化学计量关系比较简单，且整个工艺过程比较简单，容易得到产量与单体原料投料之间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。（6）计算主要原料（醋酸乙烯酯）投料数量用顺流程的计算顺序进行物料衡算必须先求出主要原料（醋酸乙烯酯）每套装置每批投料量。每套装置年产量为25000t，年开工300d，每天生产两批，过滤器过滤损失率为3%。。①引发剂（0.2%单体质量）85%结合到聚合物中；②单体100%转化成聚合物，且单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量相同；③。（7）顺流程逐个设备展开计算①V101（溶解釜）物料衡算②V102（过滤器）物料衡算已知V102过滤器的过滤损失率3%③R101（聚合釜）物料衡算合计：合计：④V103（过滤器）物料衡算已知V103过滤损失率为3%（8）整理并校核计算结果对聚合工序做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：说明整个聚合工序的物料衡算过程是正确的。表3.8醋酸乙烯酯乳液聚合间歇操作物料平衡表组成进料Kg·B-1出料Kg·B-1醋酸乙烯酯42882.430聚乙烯醇1608.381608.38水28439.0628439.06DBP3144.713144.71OP—10343.06343.06过硫酸钾85.7712.87碳酸氢钠114.35114.35聚醋酸乙烯酯042955.33总计76616.7676616.763.2热量衡算3.2.1基础数据（1）反应压力为常压，反应器进料温度平均为140oC，反应中温度平均为185oC，反应器物料出口温度平均为205oC，计算基准温度=25oC。（2）计算时间基准是1h。（3）各物质的定压热容为=A+BT+CT2，单位,其中A、B和C系数见表3.9。质量定压比热容=/M，单位k。平均恒压热容=。表3.9各物质摩尔定压热容与温度的关系的系数表系数C2H230.6752.810-16.27HAc21.76193.13-76.78VAc24.67328.23-98.41ALd31.05121.46-36.58Cr-ALd14.06345.47-172.23H2O29.1614.49-2.02（4）查《化工热力学》可知各物质的标准生成热表3.10各物质的标准生成热（单位kJ/mol）物质C2H2HAcVAcALdCr-ALdH20227.48-484.50-357.52-166.19-273.30-285.83（5）各物质沸点下的蒸发焓表3.11各物质沸点下的蒸发焓（单位：kJ/mol）物质C2H2HAcVAcALdCr-ALdH20沸点118oC72.5℃20.2℃104℃100℃23.69425.53426.1126.52740.6563.2.2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：ΣE1－ΣE2式中：是系统内能的积累量；ΣE1是进料带进系统的能量；ΣE2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；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=0，忽略机械功，忽略动能和位能，则可知P+HR=Q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=-式中：是始态及终态时各项物质的质量，kg。是始态及终态时各项物质的温度，K。是计算热焓的基准温度，一般取298K（25oC)。是各项物质在与及与的平均等压比热，kJ·kg-1·K-1（a）平均等压比热容的计算以反应物乙炔为例，与之间的平均等压热容====47.38，平均等压比热=/M(乙炔)=47.38/26=1.82kJ·kg-1·K-1。与之间的平均等压热容==[AT++/()=[30.67T+=48.28。平均等压比热=/M(乙炔)=48.28/26=1.86kJ·kg-1·K-1。与之间的平均等压热容====48.67。平均等压比热=/M(乙炔)=48.67/26=1.87kJ·kg-1·K-1。这里需要注意的是反应物的初始温度是，生成物的初始温度是，终温均是。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。表3.12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）C2H2HAcVAcALdCr-ALdH201.821.341.891.861.391.561.631.711.911.871.421.591.651.741.92（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HPC2H2的物理状态变化引起的焓变HP1=[(14377.30×1.86×160)-(14377.301.82115)]+[(12038.041.87180)-（12038.041.86160)=1738688.55kJ。HAc的物理状态变化引起的焓变HP2=[(13271.351.39160)-(13271.351.34115)]+[(8086.181.42180)-(8086.181.39160)]=1165864.00kJ。H2O的物理状态变化引起的焓变HP3=[47.781.91160)-(47.781.89115)]+[(7.171.92180)-(7.171.91160)]=4474.19kJ。VAc的物理状态变化引起的焓变HP4=(7380.641.59180)-(7380.641.56160)=269066.59kJ。ALd的物理状态变化引起的焓变HP5=(81.751.65180)-(81.751.63160)=2968.76kJ。Cr-ALd的物理状态变化引起的焓变HP6=(27.871.74180)-(27.871.71160)=1099.19kJ。综上，HP=HP1+HP2+HP3+HP4+HP5+HP6=3182161.27kJ。（3）HR的计算HR=Hr=（a）C2H2+CH3COOHCH3COOCH=CH2=-357.52-[227.48+(-484.50)]=-100.50kJ/mol（放热反应），m（VAc）=7380.64kg，M（VAc）=86，则==-8625050.23kJ。（b）CH3COOCHCH2+H2OCH3CHO+CH3COOH=[-484.50+(-166.19)]-[-357.52+(-285.83)]=-7.34kJ/mol（放热反应），m（ALd）=225.44kg，M（ALd）=44，则==-13637.39kJ。（c）2CH3CHOCH3CH=CHCHO+H2O=[-273.30+(-285.83)]-[2(-166.19)]=-226.75kJ/mol(放热反应），m（Cr-ALd)=27.87kg，M（Cr-ALd)=70，则==-90278.89kJ。(d)诸多副反应所消耗或生成的热量，由于情况错综复杂难以计算，在此忽略不计。综上，HR=++=-8728966.51kJ（4）Q的计算Q=P+HR=3182161.27kJ-8728966.51kJ=-5546805.24kJ3.2.3醋酸蒸发器和预热器热量衡算（1）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118oC，沸点下的蒸发焓=23.694kJ/mol，醋酸蒸发器内提供的热量Q1==5240856.12kJ，则Q2=Q-Q1=5546805.24kJ-5240856.12kJ=305949.12kJ。25oC的C2H2和25oC的HAc组成的混合气体，经预热器预热至140oC。预热C2H2所需的热量=14377.301.82115=3012730.25kJ。预热HAc所需的热量=13271.351.34115=2051484.41kJ。则预热系统内蒸汽预热器提供的热量=+-Q2=4758265.54kJ。（2）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℃，则所需过热蒸汽流量h1==22029.01kg/h。3.2.4冷凝器的热量衡算HAc气体被冷凝液化，降温至96℃；VAc、Cr-ALd和H2O等高沸物被冷凝液化，降温至50℃；ALd等低沸物被冷凝液化，降温至18℃；C2H2冷却至0℃。（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96℃~140℃温度区间的平均等压热。平均等压比热容=85.54/60=1.43kJ·kg-1·K-1。依次逐次计算，算得C2H2在0℃~140℃温度区间、VAc在50℃~140℃温度区间、H2O在50℃~205℃温度区间、ALd在18℃~140℃温度区间和Cr-ALd在50℃~140℃温度区间平均等压比热容分别是1.80kJ·kg-1·K-1、1.54kJ·kg-1·K-1、1.90kJ·kg-1·K-1、1.57kJ·kg-1·K-1、1.68kJ·kg-1·K-1。（2）各物质温度变化引起的焓变C2H2：1=12038.041.80140=3036785.18kJ。HAc：2=8086.181.4344=507259.66kJ。VAc：3=7380.641.5490=1020357.64kJ。H2O：4=7.171.9090=1226.76kJ。ALd：5=81.751.1.57122=15694.77kJ。Cr-ALd：6=27.871.6890=4220.59kJ。温度变化引起的总焓变是4585544.61kJ（3）各物质相态变化引起的焓变HAc：7==3193232.48kJ。VAc：8==2191363.51kJ。H2O：9==16194.64kJ。ALd：10==48511.19kJ。Cr-ALd：11==10561.54kJ。相态变化引起的总焓变是5459863.36kJ。释放的总能量为：4585544.61kJ+5459863.36kJ=10045407.97kJ3.2.5精馏系统的热量衡算按照相同的方法可得下表3.13：表3.13精馏系统热量衡算表`物料进料量进料温度出料温度ΔHHAc8086.18369.15385.1583.681.39180431.77VAc7195.2369.15380.15133.831.56123163.44ALd81.75369.15380.1571.421.621459.65Cr-ALd27.87369.15385.15119.851.71763.49=180431.77kJ+123163.44kJ+1459.65kJ+763.49kJ=305818.3431kJ3.2.6聚合工序热量衡算1.各种物性数据表3.14.各种物性数据表物质密度（Kg/m3）热容（kJ·kg-1·℃-1）反应热kJ·mol-1聚乙烯醇13102.5水10004.2聚乙烯醇水溶液1428醋酸乙烯酯931.73.087.9OP—101060过硫酸钾2480碳酸氢钠2200DBP10422.工艺参数将釜中物料由25摄氏度升温至60摄氏度向夹套通入冷却水进行换热，控制温度，稳定在60摄氏度进行反应，反应时间10hr反应完全后，向聚合釜(R101)夹套通入冷却水冷却至50摄氏度。3.显热4.化学反应热因为单体100%转化成聚合物，所以=1，且反应放热,故5.向聚合釜(R101)夹套通入冷却水从60℃冷却至50℃，此过程无化学反应，即只有显热4.主要设备的工艺设计和选型4.1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