甲基丙烯酸甲酯生產(chǎn)工藝畢業(yè)設(shè)計-設(shè)備選型與布置

1、精品目錄1. 前言11.1 MMA市場應(yīng)用及前景11.2 MMA生產(chǎn)工藝21.2.1 丙酮氫醇（ACH）路線21.2.2 合成氣法31.2.3 乙烯撥基化路線31.2.4 丙炔法41.2.5 異丁烯法41.3 本文MMAf£產(chǎn)工藝路線的確定51.4 化工設(shè)備選型計算中使用的軟件71.4.1 Cup-Tower對塔設(shè)備的選型71.4.2 智能選泵系統(tǒng)81.4.3 Aspen與EDRR用設(shè)計換熱器91.4.4 化工設(shè)備布置圖CADK計91.5 項目概況101.5.1 項目名稱101.5.2 擬建地址101.5.3 生產(chǎn)工藝101.5.4 原料及產(chǎn)品102. 工藝流程簡介及模擬112.1

2、流程概述112.2 Aspenplus仿真模擬流程122.2.1 MAL合成工段的模擬122.2.2 MMA合成工段的模擬133. 設(shè)備設(shè)計計算及選型143.1 反應(yīng)器的設(shè)計143.1.1 MAL合成反應(yīng)器(R101)的設(shè)計143.1.2 MMA合成漿態(tài)床反應(yīng)器(R201)的設(shè)計233.2 塔設(shè)備的選型與設(shè)計273.2.1 急冷噴淋塔簡單設(shè)計計算273.2.2 cup-Tower對脫水塔的選型303.2.3 cup-Tower對吸收塔的選型333.2.4 MMA精餾塔設(shè)計363.3 換熱器的選型523.3.1 換熱器設(shè)計選型示例(E201的選型)523.3.2 換熱器選型結(jié)果匯總573.4 泵

3、的選型573.4.1 泵的設(shè)計選型示例(P201的選型)573.4.2 泵的選型結(jié)果633.5 儲罐設(shè)計633.5.1 主要儲罐的設(shè)計633.5.2 儲罐設(shè)計結(jié)果一覽表663.6 膜分離的簡單設(shè)計663.6.1 膜分離工藝流程663.6.2 膜分離器選型與設(shè)計673.7 壓縮機的選型693.7.1 選型示例693.7.2 壓縮機選型結(jié)果693.8 設(shè)計圖704. 環(huán)境保護與經(jīng)濟核算704.1 環(huán)境保護704.1.1 有害因素分析704.1.2 廢物的處理措施714.2 經(jīng)濟核算結(jié)果錯 誤 ! 未定義書簽。 35. 設(shè)計結(jié)果755.1 設(shè)備選型一覽表（附后）755.2 設(shè)計圖（附后）75參考文獻

4、76謝辭781 前言1.1 MMA市場應(yīng)用及前景甲基丙烯酸甲酯的分子式為C5H8O2,簡稱MMA,外觀為無色液體,易揮發(fā),易燃,溶于乙醇、乙醚、丙酮等多種有機溶劑,微溶于乙二醇和水。甲基丙烯酸甲酯既是一種有機化工原料,又可作為一種化工產(chǎn)品直接應(yīng)用。作為有機化工原料，主要應(yīng)用于有機玻璃（PMMA）的生產(chǎn),也用于聚氯乙烯助劑ACR勺制造以及作為第二單體應(yīng)用于腈綸生產(chǎn)。除此之外,在涂料、紡織、粘接劑等領(lǐng)域也得到了廣泛地應(yīng)用。作為一種化工產(chǎn)品,可直接應(yīng)用于皮革、紡織、造紙、地板拋光、不飽和樹脂改性、甲基丙烯酸高級酯類,也可作為木材浸潤劑、印染助劑及塑料的增塑劑等許多行業(yè)1。近年來，國內(nèi)外MMA勺聚合物

5、、型材、板材、涂料、乳液等需求增長,同時MMA勺衍生物甲基丙烯酸-2-羥基乙酯（2-HEMA）、甲基丙烯酸丁酯（BMA）、甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）、甲基丙烯酸-2-乙基已酯（2-HMA）、甲基丙烯酸二甲胺乙酯等的需求量也增加23。隨著MMAE世界范圍內(nèi)的擴張，我國MMAff場也異?；鸨?，產(chǎn)銷兩旺，產(chǎn)品供不應(yīng)求，MMAT格一路上揚。我國MMAT場需求年增長率達15%而且需求仍在不斷擴大，未來幾年將成為僅次于美國和日本的全球第三大消費市場。并且在2010年，我國甲醇行業(yè)雖有部分新建裝置因不確定因素投產(chǎn)時間推遲，但全年甲醇總產(chǎn)能預計仍可達到3500萬噸，產(chǎn)量大約1500萬噸，有一半產(chǎn)能過剩。據(jù)

6、了解，2010年底，國內(nèi)原計劃投產(chǎn)的甲醇在建項目共有25個，新增年產(chǎn)能合計861萬噸，意味著2011年全國甲醇產(chǎn)能將超過4000萬噸，產(chǎn)能的增茂名石化年產(chǎn)3萬噸MMAt已遠遠大于消費需求的增加量。另外，我國還有25個擬建或處于規(guī)劃階段的甲醇項目，年產(chǎn)能合計2440萬噸，新建、在建裝置的不斷投產(chǎn)，將進一步加劇國內(nèi)甲醇產(chǎn)能過剩的局面，甲醇進料價格可能有所下滑。眾多調(diào)查結(jié)果證明mmaM有良好的發(fā)展前景45o1.2 MMA生產(chǎn)工藝1.2.1 丙酮氫醇（ACH）路線丙酮鼠醇法是以丙酮和氫氟酸為原料，在堿性催化劑存在下，生成丙酮鼠醇，然后丙酮鼠醇與硫酸反應(yīng)生成甲基丙烯酰胺硫酸鹽，經(jīng)水解后再與甲醇酯化，可得

7、甲基丙烯酸甲酯粗品，再經(jīng)精制得產(chǎn)品6。反應(yīng)式如下。0HHC9cHeNH1SO1*CHiCHjOSOQHHjC-C-OONH：-CQQCHCH1QH-CHz=CCOOCft&30看chj三菱氣體化學公司開發(fā)了一種再循環(huán)型的ACH路線。新ACHt由丙酮與氫鼠酸反應(yīng)生成丙酮鼠醇（ACH）,然后水合生成羥基異丁酸酰胺（HBD）。用甲醇脫氫生成的甲酸甲酯和HBD反應(yīng)生成羥基異丁酸甲酯（HBM）,再將生成物脫水得到MMA合成HBM寸生成的副產(chǎn)氫氟酸在ACH成中循環(huán)使用。這一工藝稱為MGC（R-HNC）路線，日本已建有一套工業(yè)化裝置。反應(yīng)式如下：OHHjC-f9+HCN-H-CWCHj落OL-C-C

8、ONHjHC0QCHjCHi-COOCHj+HCONHi晶CH,?HCHjqSOCH*1312GHiCHj=C-COOCHjCH)CHHCONFfc*HCN+HiO1.1.2 合成氣法新工藝第一步由乙烯和合成氣生產(chǎn)丙酸，使用均相碘鋁催化劑進行加氫甲?；?，反應(yīng)在低溫(150C200oC)和低壓37MPa下進行。第二步由丙酸與甲醛反應(yīng)生產(chǎn)甲基丙烯酸，使用硅酸花雙功能催化劑。第三步以甲醇酯化反應(yīng)生成甲基丙烯酸甲酯，該工藝與其它工藝比較具有較強的競爭優(yōu)勢7。1.1.3 乙烯撥基化路線該路線先對乙烯進行撥基合成(醛化)生成丙醛，再與甲醛縮合生成甲基丙烯醛，然后再氧化、醋化生成MMA因巴斯夫公司是首家也是

9、唯一一家使用本路線的公司，故該工藝也稱為巴斯夫路線。這一路線的欠缺之處是生產(chǎn)中有中間產(chǎn)物甲基丙烯醛，而甲基丙烯醛的氧化成本較高網(wǎng)。巴斯夫路線的反應(yīng)式如下：H2c=C出+C0+HiCHjCH2cH0且皿C山平HO。6cH.fc6Hgi1嘰CHCC&C任CHjCHjCH31.1.4 丙快法殼牌公司開發(fā)的另一條合成MMA勺新路線是使內(nèi)快在甲醇存在下，用一氧化碳染基化生產(chǎn)MMA該公司利用此法現(xiàn)已建成60千噸/年MMAf£產(chǎn)裝置，反應(yīng)采用了最新催化劑，使其生成MMA勺選擇性達100%.內(nèi)快是由乙烯副產(chǎn)C3儲分經(jīng)MIBK或DM存取蒸儲分離得到的.內(nèi)快一步法生產(chǎn)MMA勺工藝簡單，投資省，產(chǎn)

10、品純度高，是目前較經(jīng)濟的一種MM即產(chǎn)方法7。1.1.5 異丁烯法將異丁烯在鋁催化劑存在下經(jīng)空氣氧化制成甲基丙烯酸，然后與甲醇酯化可得產(chǎn)品。該法的特點是催化劑活性高，選擇性好，壽命長，甲基丙烯酸的收率高。該法無污染，原料來源廣泛，且成本低于丙酮鼠醇法，但工藝過程較復雜。異丁烯法制MMAE藝比ACHt有顯著的優(yōu)點。異丁烯氧化制MMA勺工藝引起了許多科學家及化學公司的注意9。異丁烯氧化制MMAfc要有三種工藝路線：異丁烯氧化到MAL再氧化到MAA再酯化為MMA異丁烯一步氧化到MAA再酯化為MMA這種工藝首先氧化成對應(yīng)醛，再氧化成酸，兩者氧化動力學不同，采用相同工藝條件和催化劑得不到最佳MAA4擇性；

11、異丁烯氧化到MAL氧化酯化為MMA11。新制法以異丁烯為起始原料，甲基丙烯醛在一工序中同時進行氧化、酯化反應(yīng)，省去甲基丙烯酸工序合成MMA稱為直接甲酯化法。此法由于合成路線縮短,基建費用也可減少12o1.3 本文MMAk產(chǎn)工藝路線的確定西方研究機構(gòu)對上述MMA勺主要生產(chǎn)工藝路線進行成本對比，以下是不同工藝路線裝置的生產(chǎn)成本對比情況表1-1113。表1-1MMA主要生產(chǎn)工藝路線成本對比（單位：美分P磅）項目ACH祛ACH-S&I-C4BASF法MGCft原料成本31.9931.9926.5229.0527.2公用工程成本4.844.844.555.159.63其他口艾成木0.10.10.

12、1-1.62-0.64口艾成木36.0336.0331.1732.5836.19固定成本8.6915.571112.1913.8現(xiàn)金成本46.6252.542.1744.7749.99折舊成本9.1711.310.2311.2812.95生廣成本可計55.3363.852.3956.0662.94生產(chǎn)成本+10%65.0377.262.6267.3275.89投資回報注：ACH-因為13.6萬tPa裝置，ACH-鼠為4.5萬tPa裝置。原料取價為丙酮586$Pt,氫鼠酸742$Pt,硫酸53$Pt,異丁烯604$Pt,氧氣49$Pt，乙烯573$Pt，甲醇144$Pt。在MMA勺生產(chǎn)工藝中，異

13、丁烯法、大規(guī)模白丙酮鼠醇法和乙烯法是生產(chǎn)MMA最具競爭力的工藝。對于丙酮氰醇法來講，裝置規(guī)模對產(chǎn)品成本的影響很大。甲基丙烯月青法由于工藝復雜，投資過高而缺乏競爭力。我國現(xiàn)有的MMAI置全部采用丙酮氰醇法工藝，裝置規(guī)模小，原材料消耗高，污染重，產(chǎn)品成本高。在諸多的MM即產(chǎn)工藝中，丙酮鼠醇法、異丁烯法、乙烯法是最具有競爭力的工藝。但乙烯法由于國內(nèi)乙烯嚴重供不足需，且運輸和儲存條件苛刻、成本高，同時BASF公司一直對轉(zhuǎn)讓乙烯法技術(shù)不積極等原因，在我國并不適用。異丁烯法裝置的原料采用MTBEH解制得，MTBE是大宗商品，生產(chǎn)工藝簡單成熟，國內(nèi)外生產(chǎn)公司較多，產(chǎn)量大、易采購、好運輸，在工藝上很容易裂解制

14、得異烯14。以異丁烯為原料生產(chǎn)MMA一方面充分利用了富余的C4資源，減少了資源浪費，另一方面又緩解了市場對于產(chǎn)品的的緊缺，維持了市場的平衡發(fā)展。異丁烯氧化法生產(chǎn)甲基丙烯酸甲酯（MMA技術(shù)，與傳統(tǒng)的丙酮鼠醇法以及其他方法比較，此法具有原料來源廣泛，催化劑活性高、選擇性好、壽命長，反應(yīng)收率和原子利用率高，無污染、環(huán)境友好、成本低的優(yōu)勢，具備很強的競爭力。中等規(guī)模裝置（4-6萬噸）的投資，異丁烯法要低于丙酮氰醇法；而丙酮氰醇法的優(yōu)勢在較大規(guī)模的裝置（10萬噸以上）上將顯現(xiàn)出來，其單位投資將明顯降低114。由此本文選擇異丁烯法制MMA各線。對異丁烯制MMAS程進行了模擬計算9121617181.4 化

15、工設(shè)備選型計算中使用的軟件1.4.1 Cup-Tower對塔設(shè)備的選型Cup-Tower軟件是一款可靠、易用、通用的塔設(shè)備水力學綜合計算軟件，它將工業(yè)上常見的板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和等多種類型的塔內(nèi)件集合在一起，是一款功能強大、綜合性很強的全新軟件。其借鑒了國內(nèi)外相關(guān)軟件的特點，在可靠性、易用性、通用性等方面更勝一籌。其主要功能如下：（ 1）可用于板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和的計算，可用于板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和的計算，可用于板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和的計算，可用于板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和的計算，

16、可用于板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和的計算，具有設(shè)計和校核的功能。（ 2）塔板類型包括浮閥（圓，條）、固垂直篩舌斜孔塔板類型包括浮閥（圓，條）、固垂直篩舌斜孔塔板類型包括浮閥（圓，條）、固垂直篩舌斜孔塔板類型包括浮閥（圓，條）、固垂直篩舌斜孔塔板類型包括浮閥（圓，條）、固垂直篩舌斜孔篩板、泡罩穿流折擋多降液管塔以及FRIFRIFRI系列塔板。（ 3）塔板的溢流形式包括單、雙四，可以實現(xiàn)布置。（ 4）校核方面：能夠根據(jù)已知的塔設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝條件，獲得水力學計算校核方面：能夠根據(jù)已知的塔設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝條件，獲得水力學計算校核方面：能夠根據(jù)已知的塔設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝條件，獲得水力學計算結(jié)果，給出最終的負荷

17、性能圖。1.4.2 智能選泵系統(tǒng)智能選泵系統(tǒng)首先進入如圖1-1功能選擇窗體圖1-1智能選泵功能選擇窗體點擊選泵按鈕進入優(yōu)化選泵功能區(qū)，顯示泵選擇窗體。泵選擇窗體中有泵類型和技術(shù)參數(shù)兩大區(qū)域，使用者首先要根據(jù)自己的需要用鼠標選中一種或幾種泵類型；然后在技術(shù)參數(shù)區(qū)域中輸入所需泵的流量（單位：L/s）和揚程（單位：m），輸入一個選泵精度值（范圍：50100，默認值90，數(shù)值越大精度越高），并確定泵同時運行的最多（范圍：29，默認值5）臺數(shù)，點擊開始搜索按鈕開始選泵。系統(tǒng)將符合條件的泵全部選出，并根據(jù)優(yōu)化選泵原則按優(yōu)先選擇的順序排列在該窗體的表中。使用者用鼠標點擊自己選中的泵型號，可顯示該泵的特性工作

18、曲線、安裝尺寸圖、技術(shù)參數(shù)和外形圖等信息。1.4.3 Aspen與EDR（ExchangerDesignandRating）聯(lián)用設(shè)計換熱器Aspen7.0以后版本已經(jīng)實現(xiàn)了Aspen和EDR的接口。AspenPlus可以在流程模擬工藝計算之后直接無縫集成，轉(zhuǎn)入設(shè)備設(shè)計計算，對換熱器進行設(shè)計計算。1.4.4 化工設(shè)備布置圖CA位計設(shè)備布置圖是設(shè)備布置設(shè)計中的主要圖樣，在初步設(shè)計階段和施工圖設(shè)計階段都要進行繪制。設(shè)置布置圖是按正投影原理繪制的，圖樣一般包括如下幾方面內(nèi)容：（ 1）考慮設(shè)備布置圖的視配置，采用一組視圖表示廠房建筑的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)備珀廠房內(nèi)外的布置情況。確定圖樣幅面，注意選擇適宜的模板圖

19、同時選定繪圖比例。通常采用1：50和1：100。（ 2）繪制平面圖：從底層平面起逐個繪制。（ 3）繪制剖視圖=繪制步驟與平面圖大致相同，逐個畫出剖視圖。（ 4）繪制方位標。（5）說明與附注是對設(shè)備安崧布置有特辣要求的說明。對設(shè)備一覽表進行繪制，列表填寫設(shè)備位號、名稱等。最后制作標題欄，注寫圖名、圖號、比例、設(shè)計階段等可使用模板圖。1.5項目概況1.5.1 項目名稱年產(chǎn)6萬噸甲基丙烯酸甲酯項目1.5.2 擬建地址山東省濱州市1.5.3 生產(chǎn)工藝本工藝主要分為甲基丙烯醛（MAL合成工段和甲基丙烯酸甲酯（MMA合成工段。MMA勺合成工藝采用異丁烯氧化酯化法合成工藝，該工藝方法具有工藝流程簡單，產(chǎn)品純

20、度和收率高，甲醇回收利用率高，副產(chǎn)物少，不造成環(huán)境污染等優(yōu)點。1.5.4 原料及產(chǎn)品本項目主要原料為異丁烯，輔助原料為甲醇、氫氣、甲基丙烯醛（MAL等物質(zhì)，生產(chǎn)聚合級（99.9）甲基丙烯酸甲酯（MM）A。感謝下載載2工藝流程簡介及模擬2.1 流程概述圖2-1總流程簡圖物料流程圖（PFD）附后。該工藝采用異丁烯氧化法制取MMA工藝流程簡潔，轉(zhuǎn)化率高，選擇性好，較之西歐采用的ACHt制造MMA勺大型工廠，中型規(guī)模的異丁烯制造MMAH廠具有對環(huán)境壓力小，綠色環(huán)保等優(yōu)越性。異丁烯與外加N2,O2及低壓水蒸氣混合后加熱送至MAL合成反應(yīng)器中，異丁烯被催化氧化合成MAL反應(yīng)后的氣體經(jīng)急冷噴淋塔，脫水塔和吸

21、收塔，其中脫水塔底部的水返回至急冷噴淋塔中循環(huán)使用，脫水塔和吸收塔的吸收劑來自于MM貽成未反應(yīng)的甲醇溶液，吸收塔塔頂為多余的未反應(yīng)的異丁烯，N2及Q,還有以少部分氧化反應(yīng)生成的氣體雜質(zhì)，一同排入到火炬系統(tǒng)處理。吸收塔塔底為含有甲醇的MAL容液經(jīng)泵輸送至MM2成反應(yīng)器中，在催化劑和空氣作用下進行酯化反應(yīng)生成MM厭口少量的氣體雜質(zhì)，其中氣體雜質(zhì)同未反應(yīng)的空氣送至火炬系統(tǒng)中。MM貽成反應(yīng)器底部出來的液體送至精儲塔中，用作為萃取劑，塔頂?shù)玫胶屑状技拔捶磻?yīng)的少量MMAg回至脫水塔,吸收塔及MMA&成反應(yīng)器中進行循環(huán)使用。塔底得到的MM厭口水經(jīng)換熱冷卻后通過靜置相分后，下面的水經(jīng)處理后循環(huán)返回至

22、精餾塔中，上面的甲基丙烯酸甲酯經(jīng)高壓泵送至膜分離裝置，脫除水分后，得到產(chǎn)物MMA其純度達到聚合級要求。2.2 Aspenplus仿真模擬流程在整個設(shè)計過程中，采用AspenPlus對整個工藝流程進行了計算，將整個工藝流程分為工段分別模擬。2.2.1 MAL合成工段的模擬MAL合成工段工段主要包括MAL反應(yīng)器、噴淋塔、脫水塔、吸收塔等主體設(shè)備。MAL成工段模擬流程簡圖如圖2-2所示.詳細模擬過程見同組崔法政的工藝流程模擬。圖2-2MAL合成工段模擬流程圖2.2.2 MMA合成工段的模擬MMH成工段工段主要包括MAL合成反應(yīng)器、精儲塔、相分離儲罐、膜分離等主體設(shè)備。MMA合成工段模擬流程簡圖如圖2

23、-3所示。圖2-3 MMA合成工段模擬流程圖3設(shè)備設(shè)計計算及選型3.1反應(yīng)器的設(shè)計3.1.1MAL合成反應(yīng)器（R101）的設(shè)計表3-1催化劑物性參數(shù)項目數(shù)值項目數(shù)值顆粒密度Dp=5.5mm比表面一一，2.Sp=4.61g/g堆積密度Fb=0.60g/ml孑L體積Vv=0.121ml/g視密度Fb=0.95g/ml空隙率§=0.6314反應(yīng)方程主反應(yīng)：+。2C4H6O+H2O派異丁烯催化氧化反應(yīng)機理圖3-1異丁烯氧化機理派工藝條件使用80(M&BilFemCQQWCso.i)/20Si復合氧化物為催化劑，異丁烯為氣相。選擇氧化合成甲基丙烯醛的主要工藝條件為：反應(yīng)溫度：350c反

24、應(yīng)壓力：常壓空間速度：1200-1800h-1原料氣組成比例：異丁烯：水：氧氣：氮氣=1:1.5:2:12(摩爾比)反應(yīng)器計算(1)設(shè)計選材考慮到使用溫度、耐酸、許用壓力、價格、供貨情況及材料的焊接性能等，在設(shè)計中選取16MnR(2)基本物性參數(shù)表3-2設(shè)計數(shù)據(jù)和工作參數(shù)項目數(shù)值項目數(shù)值甲基丙烯酸甲酯年產(chǎn)量6萬噸原料配比IB:H2O:Q:N2=1:1.5:2:1年工作時間7500h空速-11200反應(yīng)溫度3500c反應(yīng)選擇性89.0%反應(yīng)壓力101KPa空時收率100kg/m3表3-3反應(yīng)器進口物料組成反應(yīng)器進口Kmol/hKg/h%(mol)異丁烯86.358214845.3456水141.

25、52352599.5859氧氣188.6986088.1112氮氣1132.18831816.5372.87氫氣4.960613100.13總量1556.7645334.22100表3-4反應(yīng)器物料出口組成反應(yīng)器出口Kmol/hKg/h%(mol)甲基丙烯醛77.895115459.7490.049836異丁烯1.64080692.061551.05E-03水239.19464309.1580.153034氧氣86.665782773.2010.055448氮氣1132.18831816.530.724359氫氣4.960613100.13一氧化碳7.685881215.28464.92E-0

26、3二氧化碳6.908657304.04864.42E-03對苯二甲酸1.036299172.16366.63E-04乙酸1.03629962.232386.63E-04續(xù)表3-4反應(yīng)器出口Kmol/hKg/h%(mol)丙醛0.77722445.141194.97E-04總量1563.02145334.22100表3-5相對分子質(zhì)量M異丁烯甲基丙烯水氧氣氮氣5670183228一氧化碳二氧化碳乙酸丙醛對苯二甲酸28446058166進料混合平均相對分子質(zhì)量:Minyi,inMi29.12出口混合平均相對分子質(zhì)量:Moutyi,ouMi 29表3-6密度名稱密度p(kg/m3)臨界溫度Tc(k)

27、臨界壓力(MPa臨界壓縮因子Zc甲基丙烯醛1.3770825663.680.253續(xù)表3-6名稱密度P(kg/m3)臨界溫度Tc(k)臨界壓力(MPa臨界壓縮因子Zc異丁烯1.09934428.64.10.274水0.3529624404.60.262氮氣0.547599132.923.4990.299氫氣0.039413111一氧化碳0.5475325304.250.246二氧化碳0.860687838.85.8910.246對苯二甲酸3.382413126.23.40.289乙酸1.18024154.585.0430.288乙醛1.139761883.63.4860.201氧氣0.6256

28、304.217.3830.274混合物密度:Mn0.56937Kg/m3outpM outZRT_ 30.567177Kg/m3(3)反應(yīng)器的數(shù)學計算此反應(yīng)選用固定床列管式反應(yīng)器，反應(yīng)物、產(chǎn)物均為氣體，催化劑為固體,此模型為擬均相模型。1）動力學方程KAeERTlnklnA-E-RTlnrInknlncBA:指前因子Cb:異丁烯濃度E:反應(yīng)活化能以1/T為橫坐標，Ink為縱坐標作圖，則直線的截距為lnA,斜率為-日R,計算即可得反應(yīng)指前因子A和反應(yīng)活化能E。根據(jù)以上方法得到的反應(yīng)指前因子和反應(yīng)活化能分別為7.37X10和169.7kJ/mol,最終得到該反應(yīng)的動力學方程為：169744r7.3

29、71014ertQb2）物料衡算式2FA0dXAb（a）Drdl4Fao：任意位置上物質(zhì)的摩爾流量，kmol/hdxA:物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率P:催化劑的床層堆積密度，g/mlDr：反應(yīng)器直徑，m其中反應(yīng)器直徑計算用公式uo4VD計算得：0.21dx/A( rA)FAOdXAdl2b（rA）Dr4代入數(shù)據(jù)積分得:l7m取反應(yīng)管長為8nl3）其他設(shè)計：反應(yīng)列管：小35X2反應(yīng)管根數(shù)：4874 根Ar0.03424取反應(yīng)管根數(shù)4880根。反應(yīng)器壁厚的計算：pDi2P6:圓筒的計算，mmP:圓筒計算壓力，MPaD:圓筒的內(nèi)徑，mmb'：鋼板在該溫度下的許用應(yīng)力，MPa?。汉附咏宇^系代入數(shù)據(jù)計算得:pD

30、ip18.6mm2p圓整后取壁厚20mm,反應(yīng)器內(nèi)徑：3660mm,反應(yīng)器質(zhì)量選才?16MnM材質(zhì)，其密度約為7850kg/m3。反應(yīng)管質(zhì)量m=VipnVi:反應(yīng)管體積，m3Pi:材質(zhì)密度，kg/m3n:反應(yīng)管根數(shù)代入數(shù)據(jù)得m=Vi«n=7938.95kg封頭取標準橢圓封頭，內(nèi)徑筒體質(zhì)量m=VRp=904.6kgDN=3660mm厚度辨20mm曲面高hi=925mm,封頭直邊高h=50mm.m3 -(Dn 2 )2(hi6封頭質(zhì)量按)DN2hi(Dn2)2DN2h78504代入數(shù)據(jù)m3=1323.16kg反應(yīng)器主體質(zhì)量m=m1+m2+2m3=11483.87kg附件以主體質(zhì)量的0.2

31、倍計算，則反應(yīng)器總質(zhì)量m總=13780.64kg殼程換熱設(shè)計1)換熱介質(zhì)進出口結(jié)構(gòu)為了降低入口流體的橫向流速，消除流體誘發(fā)的管子振動，采用外導流筒式的進出口結(jié)構(gòu)。(2) 換熱介質(zhì)冷卻水：101KPa10oC液態(tài)水Cp=4.184KJ/(kgK)飽和水蒸氣潛熱r=2051.0KJ/kg采用AspenPlus模擬軟件對該反應(yīng)器進行換熱模擬，通過不斷優(yōu)化，最終得到 G H 2 O,out =27000 kg/hG H 2 O,in =27000 kg/h 。取液態(tài)水的進口流速為1m/s,進口管口直徑為100 ms換熱介質(zhì)口 的 溫 度 為 85 oC出口流量為液態(tài)水進口流量1m/s，出口管徑為100

32、mm。(3) 折流板型式由于反應(yīng)器中間不排管,選用環(huán)盤型折流板。折流板間距為1m。板厚10mm。3.1.2MMA合成漿態(tài)床反應(yīng)器（R201）的設(shè)計反應(yīng)器操作條件進出口物料組成MMA合成反應(yīng)器物料主要組成如表3-7所示。表3-7反應(yīng)器進口物料組成空氣進料甲醇進料MALLI料質(zhì)量流量（kg/h）49893.46697127451摩爾流量（kmol/h應(yīng)條件T=700cP=0.3MPa根據(jù)Aspenplus模擬結(jié)果可知反應(yīng)器出口物料組成如表3-8所小表3-8出口物料組成物質(zhì)質(zhì)里濡里（kg/h)摩爾流量（kmol/h）MMA7942.879.4MAL1341.419.1H2O

33、2567142.5甲醇66894.52087.7空氣48554.41681.7(2)操作條件反應(yīng)溫度為:70 oC醇醛質(zhì)量比為：10 : 1壓力為：0.3MPa反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(1)反應(yīng)的動力學方程：甲基丙烯醛氧化酯化制備甲基丙烯酸甲酷的反應(yīng)方程式如下：淮CHfC-CHO+1映+CH30H-CH:=C-C00CH3+HjOCHj由此可知，MAL氧化酯化制備MMA勺本征反應(yīng)動力學方程可用指數(shù)形式表達如下:dMALdtab ckMAL MeOH O2式中r:反應(yīng)速率，molL-1h-1K:反應(yīng)速率常數(shù)A:MAL的反應(yīng)級數(shù)b:MeOH的反應(yīng)級數(shù)C:Q的反應(yīng)級數(shù)由于該反應(yīng)在恒溫、恒壓、氧氣流速不變的條件

34、下進行的，并且O在反應(yīng)液中連續(xù)供應(yīng)，可以認為在反應(yīng)過程中O近似為一常數(shù)因此可以簡化為:即為:式中dMALdtdMALdtok(CMALabkMALMOHCMAL0x)a(CMeOH0CMeOH0m)b:MAL轉(zhuǎn)化率0CMIAL:MAL的初始濃度,mol/LCMe0H0：MeOH勺初始濃度,mol/L反應(yīng)速率常數(shù)k也可用下式表示:ko:指前因子Ea:反應(yīng)的活化能，Jmol-1:摩爾氣體常數(shù)，Jmol-1k-1EakeRT,k 0 = 0.1727最終可得到：Ea=7.24KJ/mol反應(yīng)速率方程為:7.24103r0.1627MALMeOH廣eRT床徑的確定床徑可按氣體處理量和操作速度由流量方程

35、計算求得:D2'；4VVu3600即DJ4.3600u式中V為原料氣中的體積流量，m3/h帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可求得:D360016209284.5m在化工生產(chǎn)中，處特殊要求外，一般均采用圓形截面床體。般而力，采用夾套形式的反應(yīng)器內(nèi)套管與外殼的直徑比0.7-0.9之間較為合適。因此漿態(tài)床床徑為D=4.5m,反應(yīng)器外徑為D=5m反應(yīng)器質(zhì)量選材16MnR其密度約為7850kg/m3。反應(yīng)器壁厚計算該反應(yīng)器筒體選材為16MnR根據(jù)反應(yīng)條件，利用壁厚公式，求得壁厚6為：pcD i2 pc5.4mm圓整去10mm=封頭設(shè)計本反應(yīng)器選擇標準橢圓形封頭，取其形狀系數(shù)K=1,則D/2hi=2。外徑。為5000

36、mm則其圓邊高度為hi=1250mm壁厚即為反應(yīng)器壁厚10mm直邊高度為50mm,材質(zhì)選用16MnR筒體質(zhì)量m=VRd=9850kg封頭質(zhì)量222_2_m2(Dn2)2(hi)DN2hi(Dn2)2DN2h785064=2118.33kg主體質(zhì)量m=n+2m=14086.66kg附件取主體質(zhì)量的0.2倍，則反應(yīng)器總質(zhì)量m總=16903.99kg3.2塔設(shè)備的選型與設(shè)計3.2.1 急冷噴淋塔簡單設(shè)計計算主體尺寸的計算根據(jù)本工藝的操作特點，考慮到容器直徑較大，氣體介質(zhì)溫度較高及壓力較低，常采用整體夾套的分段式夾套形式，這樣不僅能提高傳熱介質(zhì)的流速，改善傳熱效果，而且還能提高筒體受外壓的穩(wěn)定性和剛度

37、。選擇停留時間為t=30s；則根據(jù)Aspenplus模擬得到其氣體的體積流量為Vg=79929.625m3h-1,取裝載系數(shù)為>0.75,則得到塔設(shè)備的容積為V=895m3;根據(jù)空塔氣？速計算公式及經(jīng)驗得，塔徑D=3.6m；則由得，塔筒體高度為H=22m；采用標準橢圓形封頭。夾套直徑與筒體直徑的關(guān)系由查找化工工藝設(shè)計手冊如表3-9所示。表3-9一套直徑與筒體直徑的關(guān)系項目數(shù)值數(shù)值數(shù)值Di(mm)500800900220022004000Dj(mm)Di+50Di+100Di+200通過表可知筒體的夾套至筒體的間距為200mm噴淋水用量情況冷卻水采用循環(huán)方式，考慮到防止設(shè)備因結(jié)垢導致堵塞，

38、影響傳熱效果，筒體和夾套的用水為工藝軟水，與高溫氣體間接換熱；而其中有一部分水為直接進行噴淋降溫除雜，這部分水分為兩個進水，其中一個為來自循環(huán)工藝水在塔頂進行噴冷，還有一個來自脫水塔底部的水在在塔的中上段進行噴淋降溫。各個用水操作參數(shù)詳見表3-10所示。表3-10急冷噴淋塔的用水操作參數(shù)數(shù)據(jù)表來源用水途徑數(shù)值m/h壓力(atm)起始溫度工2軟水夾套及蛇管3750115循環(huán)工藝水塔頂噴淋1000115脫水塔底部水中上段噴淋6225.51.268.7派換熱情況據(jù)比熱容公式QKStmWcCpc(tlt2)設(shè)定從反映器中出來的物流的溫度從Ti=350oC降至T2=180oC的熱量被用于工藝軟水的加熱，

39、根據(jù)Aspenplus導出物流傳熱數(shù)據(jù)得到熱負Q=2724.3696kw,工藝用水量Wc=3750kg/h,水量進口溫度為t1=15°C,出口溫度為12=103.5°C;計算出平均溫度差，tmtl t2(350 180) (103.5 150lntiT2In(350 180)(103.5 15)110.8 oc總傳熱系數(shù)K（以外表面積為基礎(chǔ)），do而idobdo-dm1Rso o通過查找化工原理書查找得到總傳熱系數(shù)K=901.5W/（m2?C）,計算得到傳熱面積為S=27.28m2。由于水蒸氣發(fā)生相變，考慮到15%勺面積裕度，得S=1.15X=31.372m2選用帆5X2.

40、5mm傳熱管（無縫鋼管）,計算得管內(nèi)流速為u=0.83m/s。換熱管的總長度為=1973m,圓整為2000m。塔質(zhì)量計算材質(zhì)選擇16MnR其密度約為7850kg/m3。塔內(nèi)徑Di=4000mm。塔體厚度：pcD i2 pc6.2 mm圓整取10mm=塔體質(zhì)量m=V尸79862.76kg封頭質(zhì)量封頭取標準橢圓封頭，內(nèi)徑DN=4000mm厚度8=10mm曲面高hi=1000mm封頭直邊高h=50mm)材質(zhì)選用16MnR.-_2_2_2_2_m2(Dn2)(hi)Dnhi(Dn2)Dnh785064=1376kg塔主體質(zhì)量m=m+2m=82614.76kg附件取主體質(zhì)量的0.2,總質(zhì)量m總=9913

41、7.7kg3.2.2 cup-Tower對脫水塔的選型脫水塔是在0.145MPa的條件下，將從急冷塔出來的水蒸氣、MAL空氣混合物中的水脫除。在脫水塔的上部引入了來自MMH成反應(yīng)工段的MAL和甲醇的混合液體，來自急冷塔的MAL水蒸氣、空氣混合物與MAL和甲醇的混合液體在塔內(nèi)逆向接觸，這樣使得輕組分中MALB含量增高，以使得產(chǎn)品產(chǎn)量增高，同時使得水等重組分從塔底排出，空氣、MAL甲醇氣體從塔頂排出。該脫水塔選擇板式浮閥塔，單溢流進行選型。Aspenplus得出水力學數(shù)據(jù)如表3-11所示。表3-11脫水塔水力學數(shù)據(jù)DensityViscosityViscositSurfaceVolumeflowV

42、olumeflowDensityStageliquidfromvaportoliquidvaportoliquidyvaportensionfromfromtoliquidfromcum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcPcPdyne/cm平均6.6967469.79965.490.720.420.01727.69將水力學數(shù)據(jù)輸入到cup-Tower中進行選型，如圖3-2所示Cup-Tower計算出脫水塔的塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果如圖3-3圖3-2水力學數(shù)據(jù)輸入圖3-3脫水塔的塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)Cup-Tower計算出脫水塔的塔板工藝參數(shù)結(jié)果如圖3-4圖3-4塔板工藝參數(shù)塔板負荷性能圖如圖3-53

43、-5塔板負荷性能3.2.3 cup-Tower對吸收塔的選型吸收塔是在0.50MPOI勺條件下，將從月水塔出來的MAL甲醇、空氣混合物中的空氣排出，并將MAL和甲醇液化為液體。在吸收塔的上部引入來自MMA&成反應(yīng)工段的MAL和甲醇的混合液體，來自脫水塔的混合氣體與來自MMA合成反應(yīng)工段的混合液體逆向接觸，使得MAL和甲醇液化為液體，同時使得重組分中MAL和甲醇的含量增高，以提高最終產(chǎn)品的產(chǎn)量?？諝獾葰怏w則從塔頂排出，MAL和甲醇混合液體從塔底排出。吸收塔選擇浮閥塔，單溢流進行選型。Aspenplus得水力學數(shù)據(jù)如表3-12。表3-12吸收塔水力學數(shù)據(jù)VolumeDensityVisco

44、sityViscositSurfaceVolumeflowDensityStageliquidfromflowvaporliquidvaportoliquidyvaportensiontofromfromtoliquidfromcum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcPcPdyne/cm平均6.6967469.79965.490.710.420.01627.69將水力學數(shù)據(jù)輸入到cup-Tower中，如圖3-6所示圖3-6水力學數(shù)據(jù)輸入Cup-Tower計算出脫水塔的塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果如圖3-7Cup-Tower計算出脫水塔的塔板工藝參數(shù)結(jié)果如圖3-8圖3-8塔板工藝參數(shù)負荷性能圖如3

45、-9。圖3-9負荷性能圖3.2.4 MMA精微塔設(shè)計由Aspen得到的全塔平均水力學數(shù)據(jù)如表3-13表3-13全塔平均水力學數(shù)據(jù)氣相流里Vs液相流量Ls氣相密度伊液相密度a混合液表面張力（T全塔平均15.865m3/s0.03m3/s2.723kg/m3821.32kg/m342.4mN/m塔徑欲求出塔徑應(yīng)先計算出適宜空塔速度。適宜空塔速度u一般為最大允許氣速Umax的0.60.8倍即：U=(0.60.8)UmaxUmaxC'LV式中C可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查得,液氣動能參數(shù)為:Vs t)12003 (821.32)12 15865 ( 2.723)0.033取板間距HT =0.8 m,板上

46、液層高度hL =0.1 m1圖中的參變量值 Hr-hL=0.6-0.1=0.7 m。根據(jù)以上數(shù)值由圖可得液相表面張力為42.4 mN/m時的負荷系數(shù)G。=0.15。由所給出的工藝條件校正得：C C20 ()0.2 0.1720最大允許氣速：Umax C L VV821.32 2.7230.15 2.7232.6m/s取安全系數(shù)為0.7 ,則適宜空塔速度為：U （安全系數(shù)）Umax = 1.8由下式計算塔徑：4Vs4 15.865D .3.35m,u3.14 1.8按標準塔徑尺寸圓整，取 D = 3800 mm；實際塔截面積：_2-一_222A0.785D0.7853.811.3m實際空塔速度:

47、15.865安全系數(shù):AT11.31.67m/sumax1.672.60.64m/s在0.60.8范圍間，合適。溢流裝置選用單流型降液管，不設(shè)進口堰。1）降液管尺寸取溢流堰長lw=0.7D,即lw/D=0.7,由弓形降液管的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖查得:Af/AT=0.09,Wd/D=0.15因此：弓形降液管所占面積：Af=0.09X11.3=1.017m2弓形降液管寬度:Wd=0.15>3.8=0.57m2驗算液體在降液管的停留時間9:AfHt1.0170.8八cLh0.0327.12s由于停留時間9>5s,合適。2）溢流堰尺寸由以上設(shè)計數(shù)據(jù)可求出:溢流堰長lw=0.7X3.8=2.66m采用

48、平直堰，堰上液層高度可依下式計算，式中E近似取1,即2.84Ls232.840.03360023howE()31.0()30.034m1000lw10002.66溢流堰高：hw=hL-how=0.1-0.034=0.066m液體由降液管流入塔板不設(shè)進口堰，并取降液管底隙處液體流速U0=0.2m/s；降液管底隙高度：一Ls0.03h00.056mlwu02.660.2hwh00.0660.0560.01m0.006m故降液管底隙高度設(shè)計合理。浮閥數(shù)及排列方式1）浮閥數(shù)初取閥孔動能因數(shù)F。=9,閥孔氣速為：Fo9u0-；-：5.45m/s.v2.723每層塔板上浮閥個數(shù)Vs20.785d2u024

49、38 (個)15.86520.7855.450.03922）浮閥的排列按所設(shè)定的尺寸畫出塔板，并在塔板的鼓泡區(qū)內(nèi)依排列方式進行試排，確定出實際的閥孔數(shù)已知W=0.57m,選取無效邊緣區(qū)寬區(qū)WC=0.065m、破沫區(qū)寬度W=0.1m由下式計算鼓泡區(qū)面積，即：A2(x.r2x2r2sin1-)180rrD2WC1.90.0651.835mxD2(WdWs)1.9(0.570.1)1.23m223.14211.232Aa2(1.23.1.8351.231.835sin)9.5m1801.835浮閥的排列方式采用等腰三角形叉排。取同一橫排的空心距t=75mm,則等腰三角形的高度：估算排間距：t冬一絲一

50、0.052mna24380.075由于塔直徑D=3800mm需采用分塊式塔板四塊。取t'=0.080m=現(xiàn)按t=75mm,t'=80mm的等腰三角形叉排方式畫出浮閥排列圖(附后)圖3-11,可排出閥孔數(shù)2406個，重新核算以下參數(shù)：閥孔氣速:UoVsd2n 415.8650.785 0.0392 24065.52(m/s)動能因數(shù):FoUo.v5.522.7239.1動能因數(shù)在912之間，合適。塔板開孔率：N(do/D)22406(0.039)20.143.8開孔率在10%14%之間，合適。塔板流體力學驗算1)塔板壓降利用下式計算：hPhchlh(1)干板阻力因閥孔氣速uo大于

51、其臨界閥孔氣速Uoc,故干板阻力計算式為hc5.34_ 25.522.7230.027 m2 9.81 821.32(2)板上充氣液層阻力本設(shè)備分離燒化液,液相為碳氫化合物,可取充氣系數(shù)印=0.5 o1 0.5 0.10.05m(3)液體表面張力造成的阻力由于采用浮閥塔板，克服鼓泡時液體表面張力的阻力很小，所以可忽略不計這樣，氣流經(jīng)一層，浮閥塔板的靜壓頭降液柱高度為所以：hp=0.027+0.05=0.077m則單板壓降：PfhDLg0.077821.329.81620Pap2)降液管液泛校核為了防止降液管液泛現(xiàn)象發(fā)生，要求控制降液管內(nèi)清液層高度Hd<(Ht+H)其中：Hd=hp+m+hd(1)氣體通過塔板的壓強降所相當?shù)囊褐?/p>