醋酸乙烯酯精餾塔設計

王鵬程，劉金玉，2，殷暉

醋酸乙烯酯精餾塔設計

王鵬程1，劉金玉1，2，殷暉2，3

（1. 河北民族師范學院，河北 承德 067000；2. 承德柱宇釩鈦有限公司，河北 承德 067000；3. 河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067102）

以醋酸、乙烯和氧氣為原料，采用乙烯氣相法生產(chǎn)醋酸乙烯酯，具有乙烯原料清潔干凈、產(chǎn)品雜質較少、蒸汽消耗低、工藝流程較短等優(yōu)點。根據(jù)年產(chǎn)11萬t醋酸乙烯的生產(chǎn)負荷，對精餾塔的塔高、塔徑、塔板數(shù)等進行設計計算。

醋酸乙烯酯；生產(chǎn)工藝；精餾塔

醋酸乙烯酯（VAC）又稱醋酸乙烯或乙酸乙烯酯，是有甜醚味的無色易燃液體，是產(chǎn)量較大的化工產(chǎn)品。主要用于生產(chǎn)聚乙烯醇樹脂和合成纖維，醋酸乙烯單體不僅可發(fā)生共聚生產(chǎn)黏合劑，還能與氯乙烯、丙烯腈、丁烯酸、丙烯酸、乙烯單體能共聚接枝、嵌段等制成不同性能的高分子合成材料。隨著建筑、造紙、印刷、汽車、卷煙、食品等行業(yè)的快速發(fā)展，醋酸乙烯的需求量逐年上升。VAC主要的制備方法有乙烯法和乙炔法兩種，乙烯法設備腐蝕小環(huán)境友好，且反應副產(chǎn)物小，因此，本設計采用乙烯氣相法生產(chǎn)醋酸乙烯酯。

1 生產(chǎn)工藝

乙烯法生產(chǎn)VAC根據(jù)工藝路線不同分為氣相法和液相法。其中液相法生產(chǎn)VAC對設備腐蝕較為嚴重，目前已經(jīng)基本不被采用。乙烯氣相法是在固定床催化反應器中，使乙烯、乙酸和氧氣發(fā)生催化反應，所獲得產(chǎn)物VAC 的一種方法。催化反應過程中以金屬Au和Pd作為主催化劑，助催化劑為醋酸鉀，并用SiO2-Al2O3作為載體，并通過加壓后進行精餾分離最后得到產(chǎn)品，反應溫度為150～200 ℃，反應壓力為 0.49～0.98 MPa，進料物質的量比為（C2H4）∶（HAC）∶（O2）=9∶4∶1.5[1]。乙烯氣相法生產(chǎn)VAC在工藝、催化劑、反應器以及精餾分離等方面還存在需要進一步完善。

1.1 乙烯氣相法反應過程

乙烯氣相法催化反應過程，除了發(fā)生主反應生成目標物VAC，同時也伴隨著多個副反應，主反應和主要副反應方程式如下：

（1）主反應：

C2H4+1/2O2+CH3COOH = CH3COOCHCH2+H2O

（2）副反應：

C2H4+ 3O2= 2CO2+ 2H2O

C2H4+ CH3COOH = CH3COOC2H3

C2H4+1/2O2= CH3CHO

2 精餾塔設計計算

由上面的催化反應可知，催化反應的產(chǎn)物為復雜混合物，最后必須要經(jīng)過精餾分離塔后才能夠得到醋酸乙烯酯產(chǎn)品。醋酸乙烯酯分離提純過程我們采用的是填料精餾塔進行常壓連續(xù)精餾，并采用DN16金屬環(huán)矩鞍填料進行裝填[2]。

精餾塔進料組成見表1，精餾塔為常壓操作，操作壓力取1.0 MPa ，進料狀態(tài)采用氣液混合進料，塔底采用低壓蒸汽加熱，塔頂冷凝采用部分冷凝器[3]。物性方法選用的是NRTL，回流比取最小回流比的1.5倍，經(jīng)過模擬計算塔底VAC 含量高于99%，模擬得到精提餾段的流股信息如表2。

表1 精餾塔進料組成

2.1 塔徑的計算

填料塔直徑依據(jù)流量公式計算，即

=（4V/π）?

式中的氣體體積流量V由設計任務給定，因此主要是確定空塔氣速。本設計采用的泛點氣速法確定。泛點氣速是填料塔操作氣速的上限，填料塔的操作空塔氣速與泛點氣速之間的關系，對于DN16金屬環(huán)矩鞍散裝填料：/u=0.5～0.85

表2 醋酸乙烯酯精餾塔ASPEN模擬數(shù)據(jù)結果

泛點氣速采用貝恩-霍根關聯(lián)式計算，即

lg[u2/（/3）（ρ/ρ）μ0.2]=

-（W/W）0.25（ρ/ρ）0.125

查得DN16金屬環(huán)矩鞍散裝填料的參數(shù)如下：

=291.3 m2·m-3，=0.97，=0.062 25，=1.75

精餾段物性參數(shù)：

ρ=905.54 kg·m-3ρ=2.05 kg·m-3

W=532.76 kg·h-1W=752.76 kg·h-1

μ=0.377 8 mPa?s

提餾段物性參數(shù)：

ρ=870.91 kg·m-3ρ=2.70 kg·m-3

W=1.866×104kg·h-1W=3.29×103kg·h-1

μ=0.009 7 mPa?s

將精提餾段參數(shù)代入貝恩-霍根關聯(lián)式中計算

（1）精餾段塔徑計算：

u=1.70 m·s-1

空塔氣速：

=0.55×u=0.55×1.70=0.93 m·s-1

體積流量：

V=W/ρ=982.76/2.14=458.32 m3·h-1=0.127 3 m3·s-1

=（4Vs/πu）?=

（4×0.127 3/3.14×0.93）?=0.416 2 m

圓整后，=450 mm，對應的空塔氣速為0.800 9 m·s-1

/=450/16=28.125>8，符合條件

（2）提餾段塔徑計算：

u'=0.82 m·s-1

空塔氣速：

'=0.55×u=0.55×0.82=0.451 9 m·s-1

體積流量：

V'=W/ρ=3.29×103/2.7=1 216.4 m3·h-1

=0.338 m3·s-1

'=（4V/π）?=（4×0.338/3.14×0.451 9）?

=0.976 0 m

圓整后，'=1 000 mm，對應的空塔氣速為0.430 4 m·s-1

校核/=1 000/16=62.5>8，符合條件。

精餾段塔徑圓整后，=450 mm，提餾段塔徑圓整后，'=1 000 mm，精餾段塔徑與提餾段塔徑差別較大，因此采用變徑塔。

2.2 最小噴淋密度的校核

填料塔中，汽液兩相間的傳質主要是在填料表面流動的液膜上進行的。要形成液膜，填料表面必須被液體充分潤濕，而填料表面的潤濕狀況取決于塔內的液體噴淋密度及填料材質的表面潤濕性能。液體噴淋密度是單位塔截面積上，單位時間內噴淋的液體體積量，以表示。

精餾段：

=（W/ρ）/（π/42）

=（763.25/903.46）/（3.14/4×0.452）

=4.366 0 m3·m-2?h

提餾段：

U=（WL/ρL）/（π/4D2）

=（1.864×104/870.91）/（ 3.14/4×1.02）

=27.26 m3·m-2?h

為保證填料層的充分潤濕，必須保證液體噴淋密度大于某一極限值，該極限值稱為最小噴淋密度，以min表示。由Aspen plus模擬水力學校核可知：

min=1.222 38 m3·m-2?h

因為

精餾段=（4.366 0 m3）/ m2?h≥min

故=450 mm時的噴淋情況滿足最小噴淋密度。

提餾段=（27.26 m3）/ m2?h≥min

故'=1 000 mm時的噴淋情況滿足最小噴淋密度。

2.3 塔高的計算

對于DN16金屬環(huán)矩鞍填料來說，一般取的HETP=355～485 mm。因此，在塔高的計算中，本設計選用HETP=420 mm。

（1）精餾段的填料層高度

在精餾段，由Aspen plus模擬水力學校核可知塔段填料高度為1=1.26 m ,留出一定的安全系數(shù)，填料層的設計高度1'一般為：1'=（1.3～1.5）×1取安全系數(shù)為1.4，所以

1'=1.4×1=1.4×1.26=1.764 m≈2.0 m

1'≤max=6 m"

所以精餾段填料層為一段填料。

（2）提餾段的填料層高度

在提餾段，由Aspen plus模擬水力學校核可知塔段填料高度2=3.78 m，安全系數(shù)取1.4，填料層的設計高度一般為：

2'=（1.3~1.5）×2

2'=1.4×2=1.4×3.78=5.292 m≈5.5 m

所以提餾段填料層也不需要分段。

2.4 填料層壓力降的計算

本設計中，散裝填料的壓降值由埃克特通用關聯(lián)圖來計算。計算時，先根據(jù)有關物性數(shù)據(jù)求出橫坐標W/W·（ρ/ρ）0.5值，再根據(jù)操作空塔氣速、壓降填料因子以及有關的物性數(shù)據(jù)，求出縱坐標（2?φ）/（ρ/ρ）μ0.2值。通過作圖得出交點，讀出過交點的等壓線值，得出每米填料層壓降值。查得，DN16金屬環(huán)矩鞍散堆填料的壓降填料因子Φ=167.323 m-1。

（1）精餾段的壓降

帶入?yún)?shù)求得埃克特通用關聯(lián)圖的坐標點（0.037 8，0.023 55），并將坐標代入?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖，查壓降。

?/=17×9.81=166.77 Pa·m-1

因此，精餾段的壓降是

?精餾段=?/×=166.77×2.0=333.54 Pa

（2）提餾段的壓降

帶入?yún)?shù)求得?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖的坐標點（0.315 7，0.008 74），并將坐標代入埃克特通用關聯(lián)圖，查壓降。

?/=6×9.81=58.86 Pa·m-1

因此，精餾段的壓降是

?提餾段=?/×=196.2×6=323.730 Pa

精餾塔總壓降

?=?精餾段+?提餾段= 657.27 Pa

2.5 理論塔板數(shù)的敏感性分析

精餾塔的理論塔板數(shù)敏感性分析如圖1，分析理論塔板數(shù)的變化對回流比與再沸器熱負荷的影響。塔板數(shù)的多少體現(xiàn)設備費用的大小，回流比和熱負荷的大小體現(xiàn)操作費用的大小，因此存在最優(yōu)理論塔板數(shù)使得總費用最少。由圖可知，理論塔板數(shù)較少時，回流比與熱負荷隨著理論塔板數(shù)的增加而減少；當理論塔板數(shù)達到14、15塊左右時，回流比與熱負荷的數(shù)值隨理論塔板數(shù)的增加而產(chǎn)生的變化不大。因此，綜合考慮設備費用與操作費用，認為最優(yōu)理論塔板數(shù)為14塊[4]。

圖1 理論塔板數(shù)敏感性分析

2.6 回流比的敏感性分析

分析回流比的變化對塔板數(shù)與再沸器熱負荷的影響。由圖2敏感性分析可知，最小回流比在由0.50～3.00之間變化時，理論塔板數(shù)逐漸下降，再沸器熱負荷逐漸上升。當最小回流比在1.25～1.30之間時，理論塔板數(shù)與熱負荷相交，此時的回流比為最優(yōu)，所以選擇回流比為1.30

圖2 回流比優(yōu)化

3 結 論

該設備用于對中間物料進行分離提純，使產(chǎn)品醋酸乙烯酯純度更高，同時回收部分原料醋酸，最優(yōu)理論塔板數(shù)為14塊，回流比為1.30，塔頂采出不凝氣，塔底得到質量分數(shù)為99.5%的醋酸乙烯酯產(chǎn)品，提高原子利用率。

［1］施向群, 馮文軍, 韓超. 精餾塔技術改造[J]. 乙烯工業(yè), 2003（01）： 62-63．

［2］趙學良. 乙烯精餾塔系統(tǒng)探究[J]. 乙烯工業(yè), 2009, 21（03）：1-5.

［3］林宗萍. 常減壓裝置能效監(jiān)測與評估系統(tǒng)的研究與設計[D]. 大連：大連理工大學, 2016．

［4］王中來. 計算機在篩板精餾塔課程設計中的應用[J]. 福州大學學報: 自然科學版, 1994（3）：93-99．

Design of Vinyl Acetate Distillation Column

1,1,2,2,3

（1. Hebei Normal University for Nationalities, Chengde Hebei 067000, China; 2. Cheng gang Zhuyu Vanadium Titanium Co.,LId, Chengde Hebei 067000, China;3. HBIS company Limited Chengde Branch, Chengde Hebei 067102, China）

As an important organic chemical raw material, vinyl acetate is widely used in various industries. In this design, using acetic acid, ethylene and oxygen as raw materials, vinyl acetate can be produced by ethylene gas phase method.The process has the advantages of clean ethylene raw material, less impurities in the product, low steam consumption and short process flow. In this paper, the tower height, diameter and plate number of distillation tower were designed and calculated according to the production load of 110 kt/a vinyl acetate.

Vinyl acetate; Production process; Distillation column

河北民族師范學院2019年度大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃。

2020-03-21

王鵬程（1996-），女，河北省秦皇島人，2020年畢業(yè)于河北民族師范學院，研究方向：化工工藝。

劉金玉（1979-），女，講師，碩士研究生，研究方向：化工教學和材料化學。

TQ051

A

1004-0935（2020）07-0827-04