王鵬程，劉金玉，2，殷暉

醋酸乙烯酯精餾塔設(shè)計(jì)

王鵬程1，劉金玉1，2，殷暉2，3

（1. 河北民族師范學(xué)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(zhì)較少、蒸汽消耗低、工藝流程較短等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)年產(chǎn)11萬t醋酸乙烯的生產(chǎn)負(fù)荷，對(duì)精餾塔的塔高、塔徑、塔板數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)備腐蝕小環(huán)境友好，且反應(yīng)副產(chǎn)物小，因此，本設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)備腐蝕較為嚴(yán)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(yīng)器中，使乙烯、乙酸和氧氣發(fā)生催化反應(yīng)，所獲得產(chǎn)物VAC 的一種方法。催化反應(yīng)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(jìn)行精餾分離最后得到產(chǎn)品，反應(yīng)溫度為150～200 ℃，反應(yīng)壓力為 0.49～0.98 MPa，進(jìn)料物質(zhì)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(yīng)器以及精餾分離等方面還存在需要進(jìn)一步完善。

1.1 乙烯氣相法反應(yīng)過程

乙烯氣相法催化反應(yīng)過程，除了發(fā)生主反應(yīng)生成目標(biāo)物VAC，同時(shí)也伴隨著多個(gè)副反應(yīng)，主反應(yīng)和主要副反應(yīng)方程式如下：

（1）主反應(yīng)：

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

（2）副反應(yīng)：

C2H4+ 3O2= 2CO2+ 2H2O

C2H4+ CH3COOH = CH3COOC2H3

C2H4+1/2O2= CH3CHO

2 精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算

由上面的催化反應(yīng)可知，催化反應(yīng)的產(chǎn)物為復(fù)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(jìn)行常壓連續(xù)精餾，并采用DN16金屬環(huán)矩鞍填料進(jìn)行裝填[2]。

精餾塔進(jìn)料組成見表1，精餾塔為常壓操作，操作壓力取1.0 MPa ，進(jìn)料狀態(tài)采用氣液混合進(jìn)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(jì)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(jìn)料組成

2.1 塔徑的計(jì)算

填料塔直徑依據(jù)流量公式計(jì)算，即

=（4V/π）?

式中的氣體體積流量V由設(shè)計(jì)任務(wù)給定，因此主要是確定空塔氣速。本設(shè)計(jì)采用的泛點(diǎn)氣速法確定。泛點(diǎn)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(diǎn)氣速之間的關(guān)系，對(duì)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(jié)果

泛點(diǎn)氣速采用貝恩-霍根關(guān)聯(lián)式計(jì)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(guān)聯(lián)式中計(jì)算

（1）精餾段塔徑計(jì)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(duì)應(yīng)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(jì)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(duì)應(yīng)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(zhì)主要是在填料表面流動(dòng)的液膜上進(jìn)行的。要形成液膜，填料表面必須被液體充分潤(rùn)濕，而填料表面的潤(rùn)濕狀況取決于塔內(nèi)的液體噴淋密度及填料材質(zhì)的表面潤(rùn)濕性能。液體噴淋密度是單位塔截面積上，單位時(shí)間內(nèi)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(rùn)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(xué)校核可知：

min=1.222 38 m3·m-2?h

因?yàn)?/p>

精餾段=（4.366 0 m3）/ m2?h≥min

故=450 mm時(shí)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(shí)的噴淋情況滿足最小噴淋密度。

2.3 塔高的計(jì)算

對(duì)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(jì)算中，本設(shè)計(jì)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(xué)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(shè)計(jì)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(xué)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(shè)計(jì)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(jì)算

本設(shè)計(jì)中，散裝填料的壓降值由?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖來計(jì)算。計(jì)算時(shí)，先根據(jù)有關(guān)物性數(shù)據(jù)求出橫坐標(biāo)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(guān)的物性數(shù)據(jù)，求出縱坐標(biāo)（2?φ）/（ρ/ρ）μ0.2值。通過作圖得出交點(diǎn)，讀出過交點(diǎn)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?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖的坐標(biāo)點(diǎn)（0.037 8，0.023 55），并將坐標(biāo)代入?？颂赝ㄓ藐P(guān)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)求得埃克特通用關(guān)聯(lián)圖的坐標(biāo)點(diǎn)（0.315 7，0.008 74），并將坐標(biāo)代入?？颂赝ㄓ藐P(guān)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(duì)回流比與再沸器熱負(fù)荷的影響。塔板數(shù)的多少體現(xiàn)設(shè)備費(fèi)用的大小，回流比和熱負(fù)荷的大小體現(xiàn)操作費(fèi)用的大小，因此存在最優(yōu)理論塔板數(shù)使得總費(fèi)用最少。由圖可知，理論塔板數(shù)較少時(shí)，回流比與熱負(fù)荷隨著理論塔板數(shù)的增加而減少；當(dāng)理論塔板數(shù)達(dá)到14、15塊左右時(shí)，回流比與熱負(fù)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(shè)備費(fèi)用與操作費(fèi)用，認(rèn)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(duì)塔板數(shù)與再沸器熱負(fù)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(shí)，理論塔板數(shù)逐漸下降，再沸器熱負(fù)荷逐漸上升。當(dāng)最小回流比在1.25～1.30之間時(shí)，理論塔板數(shù)與熱負(fù)荷相交，此時(shí)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(jié) 論

該設(shè)備用于對(duì)中間物料進(jìn)行分離提純，使產(chǎn)品醋酸乙烯酯純度更高，同時(shí)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(zhì)量分?jǐn)?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(shù)改造[J]. 乙烯工業(yè), 2003（01）： 62-63．

［2］趙學(xué)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(cè)與評(píng)估系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 大連：大連理工大學(xué), 2016．

［4］王中來. 計(jì)算機(jī)在篩板精餾塔課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 福州大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)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(xué)院2019年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)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(xué)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(xué)和材料化學(xué)。

TQ051

A

1004-0935（2020）07-0827-04