1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 目錄 3 專心-專注-專業(yè)1 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(jī)溶劑, 微溶于乙二醇和水。甲基丙烯酸甲酯既是一種有機(jī)化工原料, 又可作為一種化工產(chǎn)品直接應(yīng)用。作為有機(jī)化工原料, 主要應(yīng)用于有機(jī)玻璃( PMMA) 的生產(chǎn), 也用于聚氯乙烯助劑ACR的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

2、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 的聚合物、型材、板材、涂料、乳液等需求增長, 同時MMA的衍生物甲基丙烯酸-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MMA在世界范圍內(nèi)的擴(kuò)張，我國MMA市場也異常火爆，產(chǎn)銷兩旺，產(chǎn)品供不應(yīng)求，MMA價格一路上揚(yáng)。我國MMA市場需求年增長率達(dá)15%，而且需求仍在不斷擴(kuò)大，未來幾年將成為僅次于美國和日本的全球第三大消費(fèi)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

3、投產(chǎn)時間推遲，但全年甲醇總產(chǎn)能預(yù)計(jì)仍可達(dá)到3500萬噸，產(chǎn)量大約1500萬噸，有一半產(chǎn)能過剩。據(jù)了解，2010年底，國內(nèi)原計(jì)劃投產(chǎn)的甲醇在建項(xiàng)目共有25個，新增年產(chǎn)能合計(jì)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MMA量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消費(fèi)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(xiàng)目，年產(chǎn)能合計(jì)2440萬噸，新建、在建裝置的不斷投產(chǎn)，將進(jìn)一步加劇國內(nèi)甲醇產(chǎn)能過剩的局面，甲醇進(jìn)料價格可能有所下滑。眾多調(diào)查結(jié)果證明MMA 具有良好的發(fā)展前景45。1.2 MMA生產(chǎn)工藝1.2.1 丙酮?dú)浯?ACH)路線丙酮氰醇法是以丙酮和氫氰酸為原料，在堿性催

4、化劑存在下，生成丙酮氰醇，然后丙酮氰醇與硫酸反應(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。 三菱氣體化學(xué)公司開發(fā)了一種再循環(huán)型的ACH路線。新ACH法由丙酮與氫氰酸反應(yīng)生成丙酮氰醇(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時生成的副產(chǎn)氫氰酸在ACH合成中循環(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：1.2.2 合成氣法新工藝第步由乙烯和合成氣生產(chǎn)丙酸，使用均相碘鉬催化劑進(jìn)行加氫甲酰化，

5、反應(yīng)在低溫(150200oC)和低壓37MPa下進(jìn)行。第二步由丙酸與甲醛反應(yīng)生產(chǎn)甲基丙烯酸，使用硅酸鈮雙功能催化劑。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(qiáng)的競爭優(yōu)勢7。 1.2.3 乙烯撥基化路線該路線先對乙烯進(jìn)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唯一一家使用本路線的公司，故該工藝也稱為巴斯夫路線2。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8。 巴斯夫路線的反應(yīng)式如下：1.2.4 丙炔法殼牌公司開發(fā)的另一條合成MMA的新路線是使丙炔在甲醇存在下，用一氧化碳羰基化

6、生產(chǎn)MMA該公司利用此法現(xiàn)已建成60千噸年MMA生產(chǎn)裝置，反應(yīng)采用了最新催化劑，使其生成MMA的選擇性達(dá)100丙炔是由乙烯副產(chǎn)C3餾分經(jīng)MIBK或DMF萃取蒸餾分離得到的丙炔一步法生產(chǎn)MMA的工藝簡單，投資省，產(chǎn)品純度高，是目前較經(jīng)濟(jì)的一種MMA生產(chǎn)方法7。1.2.5 異丁烯法 將異丁烯在鉬催化劑存在下經(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(diǎn)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，且成本低于丙酮氰醇法，但工藝過程較復(fù)雜。 異丁烯法制MMA工藝比ACH法有顯著的優(yōu)點(diǎn)。異丁烯氧化制MMA的工藝引起了許多科學(xué)家及化學(xué)公司的注意9。 異丁烯氧

7、化制MMA主要有三種工藝路線：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(xué)不同，采用相同工藝條件和催化劑得不到最佳MAA選擇性；異丁烯氧化到MAL，氧化酯化為MMA1011。 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(jìn)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(fèi)用也可減少12。1.3 本文MMA生產(chǎn)工藝路線的確定西方研究機(jī)構(gòu)對上述MMA的主要生產(chǎn)工藝路線進(jìn)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1-1 MM

8、A 主要生產(chǎn)工藝路線成本對比(單位：美分P磅)項(xiàng)目ACH-法ACH-S法I-C4BASF法MGC法原料成本31.9931.9926.5229.0527.2公用工程成本4.844844.555.159.63其他可變成本0.10.10.1-1.62-0.64可變成本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生產(chǎn)成本合計(jì)55.3363.852.3956.0662.94生產(chǎn)成本+10%投資回報65.0377.262.6267.3275.8

9、9 注：ACH-L法為13.6萬tPa裝置，ACH-S法為4.5萬tPa裝置。原料取價為丙酮586$Pt，氫氰酸742$Pt，硫酸53$Pt，異丁烯604$Pt，氧氣49$Pt，乙烯573$Pt，甲醇144$Pt。在MMA的生產(chǎn)工藝中，異丁烯法、大規(guī)模的丙酮氰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。甲基丙烯腈法由于工藝復(fù)雜，投資過高而缺乏競爭力。我國現(xiàn)有的MMA裝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MMA生產(chǎn)工藝中，丙酮氰醇法、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(yán)重供不足需，

10、且運(yùn)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MTBE裂解制得，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(yùn)輸，在工藝上很容易裂解制得異烯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(fèi)，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)的丙酮氰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(qiáng)的競爭力。中等規(guī)

11、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路線。對異丁烯制MMA過程進(jìn)行了模擬計(jì)算912161718。 1.4 化工設(shè)備選型計(jì)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(xué)綜合計(jì)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(qiáng)大、綜合性很強(qiáng)的全新軟件。其借鑒了國內(nèi)外相

12、關(guān)軟件的特點(diǎn)，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(jì)算，可用于板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和的計(jì)算，可用于板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和的計(jì)算，可用于板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和的計(jì)算，可用于板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和的計(jì)算，具有設(shè)計(jì)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

13、溢流形式包括單、雙四，可以實(shí)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(xué)計(jì)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(xué)計(jì)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(xué)計(jì)算結(jié)果，給出最終的負(fù)荷性能圖。1.4.2 智能選泵系統(tǒng)智能選泵系統(tǒng)首先進(jìn)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(diǎn)擊<選泵>按鈕進(jìn)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(biāo)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(yáng)程(單位：m)，輸入一個選泵精度值（

14、范圍：50100，默認(rèn)值90，數(shù)值越大精度越高），并確定泵同時運(yùn)行的最多（范圍：29，默認(rèn)值5）臺數(shù)，點(diǎn)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(biāo)點(diǎn)擊自己選中的泵型號，可顯示該泵的特性工作曲線、安裝尺寸圖、技術(shù)參數(shù)和外形圖等信息。1.4.3 Aspen與EDR（Exchanger Design and Rating）聯(lián)用設(shè)計(jì)換熱器 Aspen 7.0以后版本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了Aspen和EDR的接口。Aspen Plus可以在流程模擬工藝計(jì)算之后直接無縫集成，轉(zhuǎn)入設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算，對換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。1.4.4

15、化工設(shè)備布置圖CAD設(shè)計(jì)設(shè)備布置圖是設(shè)備布置設(shè)計(jì)中的主要圖樣，在初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段都要進(jìn)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(biāo)。（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(jìn)行繪制，列表填寫設(shè)備位號、名稱等。最后制作標(biāo)題欄，注寫圖名、圖號、比例、設(shè)計(jì)階

16、段等可使用模板圖。1.5 項(xiàng)目概況1.5.1 項(xiàng)目名稱年產(chǎn)6萬噸甲基丙烯酸甲酯項(xiàng)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 的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(diǎn)。1.5.4 原料及產(chǎn)品本項(xiàng)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（MMA）。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

17、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ACH法制造MMA的大型工廠，中型規(guī)模的異丁烯制造MMA工廠具有對環(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MMA合成未反應(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O2，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溶液經(jīng)泵輸送至MMA合成反應(yīng)器中，在催化劑和空氣作用下進(jìn)行酯

18、化反應(yīng)生成MMA和少量的氣體雜質(zhì)，其中氣體雜質(zhì)同未反應(yīng)的空氣送至火炬系統(tǒng)中。MMA合成反應(yīng)器底部出來的液體送至精餾塔中，用作為萃取劑，塔頂?shù)玫胶屑状技拔捶磻?yīng)的少量MMA返回至脫水塔，吸收塔及MMA合成反應(yīng)器中進(jìn)行循環(huán)使用。塔底得到的MMA和水經(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(dá)到聚合級要求。2.2 Aspen plus仿真模擬流程在整個設(shè)計(jì)過程中，采用 Aspen Plus 對整個工藝流程進(jìn)行了計(jì)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

19、要包括MAL反應(yīng)器、噴淋塔、脫水塔、吸收塔等主體設(shè)備。MAL合成工段模擬流程簡圖如圖2-2所示. 詳細(xì)模擬過程見同組崔法政的工藝流程模擬。圖2-2 MAL合成工段模擬流程圖2.2.2 MMA合成工段的模擬MMA合成工段工段主要包括MAL合成反應(yīng)器、精餾塔、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2-3所示。圖2-3 MMA合成工段模擬流程圖3 設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型3.1 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)3.1.1 MAL合成反應(yīng)器(R101)的設(shè)計(jì)表3-1 催化劑物性參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值項(xiàng)目數(shù)值顆粒密度Dp=5.5 mm比表面Sp=4.61g2/g堆積密度b=0.60g/ml孔體積Vv=0.121ml

20、/g視密度b=0.95g/ml空隙率§=0.6314反應(yīng)方程主反應(yīng)：C4H8 + O2 C4H6O + H2O異丁烯催化氧化反應(yīng)機(jī)理圖3-1 異丁烯氧化機(jī)理工藝條件使用80（Mo12Bi1Fe2.0Co7.0V0.2Cs0.1）/20Si 復(fù)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：350反應(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?dú)?1:1.5:2:12（摩爾比）反應(yīng)器計(jì)算（1）設(shè)計(jì)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(jì)中選取16MnR。 (2)基本物性參數(shù)表3-2

21、 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和工作參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值項(xiàng)目數(shù)值甲基丙烯酸甲酯年產(chǎn)量6 萬噸原料配比IB:H2O:O2:N2=1:1.5:2:12年工作時間7500 h空速1200-1120 h反應(yīng)溫度350 oC反應(yīng)選擇性89.0%反應(yīng)壓力101 KPa空時收率100kg/m3100kg/（m ·h）表3-3 反應(yīng)器進(jìn)口物料組成反應(yīng)器進(jìn)口Kmol/hKg/h%(mol)異丁烯86.358214845.3456水141.52352599.5859氧氣188.6986088.1112氮?dú)?132.18831816.5372.87氫氣4.100.13總量1556.7645334.22100表3-4 反應(yīng)器物料出口組

22、成反應(yīng)器出口Kmol/hKg/h%(mol)甲基丙烯醛77.895115459.7490.異丁烯1.92.061551.05E-03水239.19464309.1580.氧氣86.665782773.2010.氮?dú)?132.18831816.530.氫氣4.100.13一氧化碳7.215.28464.92E-03二氧化碳6.304.04864.42E-03對苯二甲酸1.172.16366.63E-04乙酸1.62.232386.63E-04續(xù)表3-4反應(yīng)器出口Kmol/hKg/h%(mol)丙醛0.45.141194.97E-04總量1563.02145334.22100表3-5 相對分子質(zhì)量

23、 M異丁烯甲基丙烯醛水氧氣氮?dú)?670183228一氧化碳二氧化碳乙酸丙醛對苯二甲酸28446058166進(jìn)料混合平均相對分子質(zhì)量： 出口混合平均相對分子質(zhì)量： 表3-6 密度名稱密度(kg/m3)臨界溫度Tc（k）臨界壓力（MPa）臨界壓縮因子Zc甲基丙烯醛1.5663.680.253續(xù)表3-6名稱密度(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0.4404.60.262氮?dú)?.132.923.4990.299氫氣0.111一氧化碳0.5304.250.246二氧化碳0.838.85.8910.246對苯二甲酸3.126.

24、23.40.289乙酸1.18024154.585.0430.288乙醛1.883.63.4860.201氧氣0.6256304.217.3830.274混合物密度： （3）反應(yīng)器的數(shù)學(xué)計(jì)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(xué)方程A :指前因子 CIB :異丁烯濃度 E ：反應(yīng)活化能以 1/T 為橫坐標(biāo)，lnk 為縱坐標(biāo)作圖，則直線的截距為lnA，斜率為-E/R，計(jì)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7.37×10和169.7 kJ/mol，最終得到該反應(yīng)的動力學(xué)方程為：2

25、)物料衡算式FA0 ：任意位置上物質(zhì)的摩爾流量， kmol/hdxA ：物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率B ：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(jì)算用公式計(jì)算得:代入數(shù)據(jù)積分得:取反應(yīng)管長為8m。3）其他設(shè)計(jì)：反應(yīng)列管： 35× 2反應(yīng)管根數(shù)：取反應(yīng)管根數(shù)4880根。反應(yīng)器壁厚的計(jì)算: ：圓筒的計(jì)算，mmP ：圓筒計(jì)算壓力，MPaD ：圓筒的內(nèi)徑，mm ：鋼板在該溫度下的許用應(yīng)力，MPa ：焊接接頭系代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：圓整后取壁厚20 mm。反應(yīng)器內(nèi)徑：3660 mm。反應(yīng)器質(zhì)量選擇16MnR為材質(zhì)，其密度約為7850 kg/m3。反應(yīng)管質(zhì)量m1=viinVi ：反應(yīng)管體

26、積，m3i ： 材質(zhì)密度，kg/m3n ： 反應(yīng)管根數(shù)代入數(shù)據(jù)得m1=viin=7938.95 kg 筒體質(zhì)量m2=VRi=904.6 kg封頭取標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，內(nèi)徑DN=3660 mm，厚度=20 mm，曲面高h(yuǎn)i=925 mm，封頭直邊高h(yuǎn)=50 mm.封頭質(zhì)量按 代入數(shù)據(jù)m3=1323.16 kg反應(yīng)器主體質(zhì)量m=m1+m2+2m3=11483.87 kg附件以主體質(zhì)量的0.2倍計(jì)算，則反應(yīng)器總質(zhì)量m總=13780.64 kg殼程換熱設(shè)計(jì)（1）換熱介質(zhì)進(jìn)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(dǎo)流筒式的進(jìn)出口結(jié)構(gòu)。(2)換熱介質(zhì)冷卻水：101 KPa 10 oC液

27、態(tài)水 Cp =4.184 KJ/(kg·K)飽和水蒸氣潛熱 r=2051.0 KJ/kg采用 Aspen Plus 模擬軟件對該反應(yīng)器進(jìn)行換熱模擬，通過不斷優(yōu)化，最終得到G H 2 O,out =27000 kg/h ，冷卻水進(jìn)口的質(zhì)量流量為 G H 2 O,in =27000 kg/h。取液態(tài)水的進(jìn)口流速為1m/s，進(jìn) 口 管 口 直 徑 為100 mm。換 熱 介 質(zhì) 出 口 的 溫 度 為85 oC ， 出 口 流 量 為液態(tài)水進(jìn)口流量1 m/s，出口管徑為100 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1 m。板厚10 mm。3.1.2 MM

28、A合成漿態(tài)床反應(yīng)器（R201）的設(shè)計(jì)反應(yīng)器操作條件(1)進(jìn)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(jìn)口物料組成空氣進(jìn)料甲醇進(jìn)料MAL進(jìn)料質(zhì)量流量（kg/h)49893.46697127451摩爾流量（kmol/h應(yīng)條件T=70 oCP=0.3 MPa根據(jù) Aspen plus 模擬結(jié)果可知反應(yīng)器出口物料組成如表3-8所示表3-8 出口物料組成物質(zhì)質(zhì)量流量（kg/h）摩爾流量（kmol/h）MMA7942.879.4MAL1341.419.1H2O2567142.5甲醇66894.52087.7空氣48554.41681.7(2)操作

29、條件反應(yīng)溫度為： 70 oC 醇醛質(zhì)量比為： 10：1壓力為 ： 0.3 MPa反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)反應(yīng)的動力學(xué)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 :由此可知，MAL氧化酯化制備MMA的本征反應(yīng)動力學(xué)方程可用指數(shù)形式表達(dá)如下:式中 ：r ：反應(yīng)速率，mol·L-1·h-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 : O2 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下進(jìn)行的，并且O2在反應(yīng)液中連續(xù)供應(yīng)，可以認(rèn)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x ： MAL 轉(zhuǎn)化率 ：MAL的初始濃度，mol/

30、L：MeOH的初始濃度，mol/L反應(yīng)速率常數(shù) k 也可用下式表示：k0 ：指前因子Ea ：反應(yīng)的活化能，J·mol-1R ：摩爾氣體常數(shù)，J·mol-1·k-1最終可得到： E a = 7.24 KJ / mol ， k 0 = 0.1727反應(yīng)速率方程為：(2)床徑的確定床徑可按氣體處理量和操作速度由流量方程計(jì)算求得： 即 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：在化工生產(chǎn)中，處特殊要求外，一般均采用圓形截面床體。一般而言，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=4.5 m，反應(yīng)器外徑為 D

31、=5 m反應(yīng)器質(zhì)量選材16MnR，其密度約為7850 kg/m3。反應(yīng)器壁厚計(jì)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 為：圓整去10 mm。封頭設(shè)計(jì)本反應(yīng)器選擇標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，取其形狀系數(shù)K=1，則D/2hi=2。外徑Do為5000 mm，則其圓邊高度為hi=1250 mm。壁厚即為反應(yīng)器壁厚10 mm，直邊高度為50 mm。材質(zhì)選用16MnR。筒體質(zhì)量m1=VRi=9850 kg封頭質(zhì)量 =2118.33 kg主體質(zhì)量m=m1+2m2=14086.66 kg附件取主體質(zhì)量的0.2倍，則反應(yīng)器總質(zhì)量m總=16903.99 kg3.2 塔設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)3.2.1

32、急冷噴淋塔簡單設(shè)計(jì)計(jì)算主體尺寸的計(jì)算根據(jù)本工藝的操作特點(diǎn)，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。選擇停留時間為t=30s；則根據(jù)Aspen plus 模擬得到其氣體的體積流量為Vg=79929.625 m3 ·h-1,取裝載系數(shù)為=0.75，則得到塔設(shè)備的容積為V=895 m3；根據(jù)空塔氣¼速計(jì)算公式及經(jīng)驗(yàn)得，塔徑D=3.6 m；則由得，塔筒體高度為H=22 m；采用標(biāo)準(zhǔn)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(jì)手冊如表3-9所示。表 3-

33、9 夾套直徑與筒體直徑的關(guān)系項(xiàng)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200 mm。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(dǎo)致堵塞，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(jìn)行噴淋降溫除雜，這部分水分為兩個進(jìn)水，其中一個為來自循環(huán)工藝水在塔頂進(jìn)行噴冷，還有一個來自脫水塔底部的水在在塔的中上段進(jìn)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m3/h用水量（kg·

34、h ）壓力（atm）起始溫度（）工藝軟水夾套及蛇管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換熱情況據(jù)比熱容公式 設(shè)定從反映器中出來的物流的溫度從T1=350 oC降至T2=180 oC的熱量被用于工藝軟水的加熱，根據(jù) Aspen plus 導(dǎo)出物流傳熱數(shù)據(jù)得到熱負(fù)Q=2724.3696 kw，工藝用水量Wc=3750 kg/h，水量進(jìn)口溫度為t1=15 oC，出口溫度為t2=103.5 oC；計(jì)算出平均溫度差， oC總傳熱系數(shù) K(以外表面積為基礎(chǔ))，通過查找化工原理書查找得到總傳熱系數(shù)K=901.5 W/(m2·oC)，計(jì)算得到

35、傳熱面積為S=27.28 m2。由于水蒸氣發(fā)生相變，考慮到15%的面積裕度，得S=1.15×=31.372 m2選用45×2.5 mm傳熱管（無縫鋼管），計(jì)算得管內(nèi)流速為u=0.83 m/s。換熱管的總長度為=1973 m，圓整為2000 m。塔質(zhì)量計(jì)算材質(zhì)選擇16MnR，其密度約為7850 kg/m3。塔內(nèi)徑Di=4000 mm。塔體厚度：圓整取10 mm。塔體質(zhì)量m1=V=79862.76 kg封頭質(zhì)量封頭取標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，內(nèi)徑DN=4000 mm，厚度=10 mm，曲面高h(yuǎn)i=1000 mm，封頭直邊高h(yuǎn)=50 mm，材質(zhì)選用16MnR。 =1376 kg塔主體質(zhì)量m=

36、m1+2m2=82614.76 kg附件取主體質(zhì)量的0.2，總質(zhì)量m總=99137.7 kg3.2.2 cup-Tower對脫水塔的選型脫水塔是在0.145 MPa 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MMA合成反應(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MAL的含量增高，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?xì)怏w從塔頂排出。該脫水塔選擇板式浮閥塔，單溢流進(jìn)行選型。Aspen plus得出水力學(xué)數(shù)據(jù)如表3-11所示。表3-11 脫

37、水塔水力學(xué)數(shù)據(jù)StageVolume flow liquid fromVolume flow vapor toDensity liquid fromDensity vapor toViscosity liquid fromViscosity vapor toSurface tension liquid fromcum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcPcPdyne/cm平均6.6967469.79965.490.720.420.01727.69將水力學(xué)數(shù)據(jù)輸入到cup-Tower中進(jìn)行選型，如圖3-2所示。Cup-Tower計(jì)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(xué)

38、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(jì)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(fù)荷性能圖如圖3-5。 3-5 塔板負(fù)荷性能3.2.3 cup-Tower對吸收塔的選型吸收塔是在0.50 MPa的條件下，將從脫水塔出來的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合成反應(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。空氣等氣體則從塔頂排出，MAL和甲醇混合液體

39、從塔底排出。 吸收塔選擇浮閥塔，單溢流進(jìn)行選型。Aspen plus得水力學(xué)數(shù)據(jù)如表3-12。StageVolume flow liquid fromVolume flow vapor toDensity liquid fromDensity vapor toViscosity liquid fromViscosity vapor toSurface tension liquid fromcum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcPcPdyne/cm平均6.6967469.79965.490.710.420.01627.69表3-12 吸收塔水力學(xué)數(shù)據(jù)將水力學(xué)數(shù)據(jù)輸入到cup-Towe

40、r中，如圖3-6所示。 圖3-6 水力學(xué)數(shù)據(jù)輸入Cup-Tower計(jì)算出脫水塔的塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果如圖3-7。Cup-Tower計(jì)算出脫水塔的塔板工藝參數(shù)結(jié)果如圖3-8。圖3-7 塔板結(jié)果參數(shù) 圖3-8 塔板工藝參數(shù)負(fù)荷性能圖如3-9。圖3-9 負(fù)荷性能圖3.2.4 MMA精餾塔設(shè)計(jì)由Aspen得到的全塔平均水力學(xué)數(shù)據(jù)如表3-13。表3-13 全塔平均水力學(xué)數(shù)據(jù)氣相流量Vs 液相流量 Ls 氣相密度 V 液相密度L混合液表面張力 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(jì)算出適宜空塔速度。適宜空塔速度u一般為最大允

41、許氣速umax的0.60.8倍即： u（0.60.8）umax 式中C可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查得，液氣動能參數(shù)為：取板間距HT =0.8 m，板上液層高度hL =0.1 m，圖中的參變量值HT-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(fù)荷系數(shù)C20 =0.15。由所給出的工藝條件校正得：最大允許氣速： 取安全系數(shù)為0.7，則適宜空塔速度為： =1.8 由下式計(jì)算塔徑：按標(biāo)準(zhǔn)塔徑尺寸圓整，取D = 3800 mm； 實(shí)際塔截面積：實(shí)際空塔速度： 安全系數(shù)： ,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(jìn)口堰。1）降液管尺寸 取溢流堰

42、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=0.09×11.3=1.017 m2 弓形降液管寬度:Wd=0.15×3.8=0.57 m2 驗(yàn)算液體在降液管的停留時間： 由于停留時間5 s，合適。2）溢流堰尺寸由以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可求出： 溢流堰長 lw=0.7×3.8=2.66 m 采用平直堰，堰上液層高度可依下式計(jì)算，式中E近似取1，即 溢流堰高:hw=hL-how=0.1-0.034=0.066 m液體由降液管流入塔板不設(shè)進(jìn)口堰，并取降液管底隙處液體流速u0= 0.2

43、m/s； 降液管底隙高度：故降液管底隙高度設(shè)計(jì)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)F0 = 9，閥孔氣速為：每層塔板上浮閥個數(shù) ：2）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(jìn)行試排，確定出實(shí)際的閥孔數(shù)。 已知Wd = 0.57 m，選取無效邊緣區(qū)寬區(qū)WC = 0.065 m、破沫區(qū)寬度WS=0.1 m，由下式計(jì)算鼓泡區(qū)面積，即： 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=75 mm，則等腰三角形的高度： 估算排間距: 由于塔直徑D=3800 mm，需采用分塊式塔板四塊。取t=0.080 m。現(xiàn)按t=75 mm,t=80 mm的等腰三角形叉排

44、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：動能因數(shù): 動能因數(shù)在912之間，合適。塔板開孔率：開孔率在1014之間，合適。塔板流體力學(xué)驗(yàn)算1）塔板壓降利用下式計(jì)算： （1）干板阻力 因閥孔氣速uo大于其臨界閥孔氣速uoc，故干板阻力計(jì)算式為 （2）板上充氣液層阻力本設(shè)備分離烴化液，液相為碳?xì)浠衔铮扇〕錃庀禂?shù)0= 0.5。 （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(jì)。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=0.077 m 則單板壓降: 2）降液管

45、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+Hw)。其中:Hd=hp+hL+hd （1）氣體通過塔板的壓強(qiáng)降所相當(dāng)?shù)囊褐叨萮P前面已求出，hP=0.077 m。（2）液體通過降液管的壓頭損失（不設(shè)進(jìn)口堰） （3）板上液層高度 前已選定hL=0.1 m。 所以Hd=0.077+0.0062+0.1=0.1832 m 取降液管中泡沫層相對密度=0.5,前已選定板間距HT=0.8 m，hw=0.066 m。則： (HT+Hw)=0.5(0.8+0.066)=0.433 可見，Hd(HT+Hw)，符合防止降液管液泛要求。3）液體在降液管內(nèi)停留時間 應(yīng)保證液體在降液管內(nèi)

46、的停留時間大于35s，才能使得液體所夾帶氣體的釋出。本設(shè)計(jì)的停留時間 可見，所夾帶氣體可以釋出。4）霧沫夾帶量校核依下面兩式分別計(jì)算泛點(diǎn)率F，即 和 板上液體流徑長度： 板上液流面積： 查得泛點(diǎn)負(fù)荷因數(shù)CF=0.152、物性系數(shù)K=1.0,將以上數(shù)據(jù)代入： 對于大塔，為避免過量霧沫夾帶，應(yīng)控制泛點(diǎn)率不超過80%。上兩式計(jì)算的泛點(diǎn)率都在80%以下，故可知霧沫夾帶量能夠滿足eV0.1kg(液)/kg(氣)的要求。5）嚴(yán)重漏液校核當(dāng)閥孔的動能因數(shù)F0低于5時將會發(fā)生嚴(yán)重漏液，前面已計(jì)出F0=9.1，可見不會發(fā)生嚴(yán)重漏液。塔板負(fù)荷性能圖1）氣體負(fù)荷下限線（漏液線）對于F1型重閥，因動能因數(shù)F05時會發(fā)

47、生嚴(yán)重漏液，故取F0=5計(jì)算相應(yīng)的氣相流量VS，min：2）過量霧沫夾帶線 根據(jù)前面霧沫夾帶校核可知，對于大塔，取泛點(diǎn)率F = 0.8，那么 整理得:霧沫夾帶線為直線，由兩點(diǎn)即可確定。當(dāng)LS=0時，VS=19.4 m3/s；當(dāng)LS=0.01時，VS=18.8 m3/s。由這兩點(diǎn)便可繪出霧沫夾帶線。3）液相負(fù)荷下限線 對于平直堰，其堰上液層高度how必須要大于0.006 m。取how=0.006 m，可作出液相負(fù)荷下限線。 取E=1、代入lw則可求出LS,min： 4）液相負(fù)荷上限線 液體的最大流量應(yīng)保證在降液管中停留時間不低于35 s，取= 5 s作為液體在降液管中停留時間的下限，則：5）液泛

48、線由此確定液泛線方程：(HT+hw)=+（1+） 化簡整理得： 在操作范圍內(nèi)任意取若干Ls值，由上式可算出相應(yīng)的Vs值，結(jié)果列于下表。表3-14 Vs和Ls值項(xiàng)目數(shù)值數(shù)值液相流量0.060.1氣相流量47.743.8將以上五條線標(biāo)繪在同一VsLs直角坐標(biāo)系中，畫出塔板的操作負(fù)荷性能圖。將設(shè)計(jì)點(diǎn)（Ls，Vs）標(biāo)繪在附圖3-10（附后)，如P點(diǎn)所示，由原點(diǎn)O及P作操作線OP。操作線交嚴(yán)重漏液線(1)于點(diǎn)A。分別從圖中A、B兩點(diǎn)讀得氣相流量的下限Vmin及上限Vmax，可求得該塔的操作彈性。 操作彈性: 塔的有效高度： Z=（N-2）×HT=50×0.8=40m設(shè)計(jì)結(jié)果現(xiàn)將以上精

49、餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果列于下表3-15。表3-15 浮閥塔板工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果表序號項(xiàng)目符號單位計(jì)算結(jié)果1液相密度lKg/m3821.322氣相溫度vKg/m32.7233氣相流量Vsm3/s15.8654液相流量Lsm3/s0.035實(shí)際塔板數(shù)Np塊506塔的有效高度Zm407塔徑Dm3.88板間距Hm0.89塔板溢流形式單流型10空塔氣速um/s1.6711溢流管形式弓形12溢流堰長度Lwm2.6613溢流堰高度hwm0.06614板上液層高度hLm0.1續(xù)表3-15序號項(xiàng)目符號單位計(jì)算結(jié)果15安定區(qū)寬度Wsm0.116開孔區(qū)到塔壁距離Wcm0.06517開孔區(qū)面積Aam29.518閥孔直徑dm0

50、.03919浮閥數(shù)個n個240620閥孔氣速u0m/s5.4521閥孔動能因數(shù)F09.122開孔率%1423孔心距tm0.07524排間距tm0.0825塔板壓降Pkpa0.6226液體在降液管內(nèi)的停留時間ts27.227底隙高度hom0.05628泛點(diǎn)率%72.629氣相負(fù)荷上限Vs maxm3/s1830氣相負(fù)荷下限Vs minm3/s8.731操作彈性2.1輔助設(shè)備的選型冷凝器和再沸器用軟件選型，結(jié)果見換熱器選型結(jié)果一覽表5-1。塔主要附件設(shè)計(jì)計(jì)算(1) 接管1)進(jìn)料管設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料管。有Aspen得體積流量，取管內(nèi)流速則管徑取進(jìn)料管規(guī)格160×5 ，則管內(nèi)徑d=150 mm。進(jìn)料管實(shí)際流速：2)塔頂產(chǎn)品出料管 由Aspen得塔頂體積流量，取管內(nèi)流速，則出料管直徑，可 取回流管規(guī)格160×5，則管內(nèi)徑d=150 mm。 出料管