甲基丙烯酸甲酯生產(chǎn)工藝畢業(yè)設計-設備選型與布置

1、 目錄1. 前言1 1.1 MMA市場應用及前景1 1.2 MMA生產(chǎn)工藝2 1.2.1 丙酮氫醇(ACH)路線2 1.2.2 合成氣法3 1.2.3 乙烯撥基化路線3 1.2.4 丙炔法4 1.2.5 異丁烯法4 1.3 本文MMA生產(chǎn)工藝路線的確定5 1.4 化工設備選型計算中使用的軟件7 1.4.1 Cup-Tower對塔設備的選型7 1.4.2 智能選泵系統(tǒng)8 1.4.3 Aspen與EDR聯(lián)用設計換熱器9 1.4.4 化工設備布置圖CAD設計9 1.5 項目概況10 1.5.1 項目名稱10 1.5.2 擬建地址10 1.5.3 生產(chǎn)工藝10 1.5.4 原料及產(chǎn)品102. 工藝流程

2、簡介及模擬11 2.1 流程概述11 2.2 Aspen plus仿真模擬流程12 2.2.1 MAL合成工段的模擬12 2.2.2 MMA合成工段的模擬133. 設備設計計算及選型14 3.1 反應器的設計14 3.1.1 MAL合成反應器(R101)的設計14 3.1.2 MMA合成漿態(tài)床反應器(R201)的設計23 3.2 塔設備的選型與設計27 3.2.1 急冷噴淋塔簡單設計計算27 3.2.2 cup-Tower對脫水塔的選型30 3.2.3 cup-Tower對吸收塔的選型33 3.2.4 MMA精餾塔設計36 3.3 換熱器的選型52 3.3.1 換熱器設計選型示例（E201的選

3、型）52 3.3.2 換熱器選型結果匯總57 3.4 泵的選型57 3.4.1 泵的設計選型示例（P201的選型)57 3.4.2 泵的選型結果63 3.5 儲罐設計63 3.5.1 主要儲罐的設計63 3.5.2 儲罐設計結果一覽表66 3.6 膜分離的簡單設計66 3.6.1 膜分離工藝流程66 3.6.2 膜分離器選型與設計67 3.7 壓縮機的選型69 3.7.1 選型示例69 3.7.2 壓縮機選型結果69 3.8 設計圖704. 環(huán)境保護與經(jīng)濟核算70 4.1 環(huán)境保護70 4.1.1 有害因素分析70 4.1.2 廢物的處理措施71 4.2 經(jīng)濟核算結果735. 設計結果75 5

4、.1 設備選型一覽表（附后）75 5.2 設計圖（附后）75參考文獻76謝辭781 前言1.1 MMA市場應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)品直接應用。作為有機化工原料, 主要應用于有機玻璃( 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用于腈綸生產(chǎn)。除此之外, 在涂料、紡織、粘接劑等領域也得到了廣泛地應用。作為一種化工產(chǎn)品, 可直接應用于皮革、紡織、造紙、地板拋光、不飽和樹脂改性、甲基丙烯酸

5、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在世界范圍內的擴張，我國MMA市場也異常火爆，產(chǎn)銷兩旺，產(chǎn)品供不應求，MMA價格一路上揚。我國MMA市場需求年增長率達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

6、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)了解，2010年底，國內原計劃投產(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MMA量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。眾多調查結果證明MMA 具有良好的發(fā)展前景45。1.2 MMA生產(chǎn)工藝1.2.1 丙酮氫醇(ACH)路線丙酮氰醇法是以丙

7、酮和氫氰酸為原料，在堿性催化劑存在下，生成丙酮氰醇，然后丙酮氰醇與硫酸反應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。 反應式如下。 三菱氣體化學公司開發(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

8、碘鉬催化劑進行加氫甲?；?，反應在低溫(150200oC)和低壓37MPa下進行。第二步由丙酸與甲醛反應生產(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。 1.2.3 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

9、醇存在下，用一氧化碳羰基化生產(chǎn)MMA該公司利用此法現(xiàn)已建成60千噸年MMA生產(chǎn)裝置，反應采用了最新催化劑，使其生成MMA的選擇性達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，但工藝過程較復雜。 異丁烯法制MMA工藝比ACH法有顯著的優(yōu)點。異丁烯氧化制MMA的工藝引起了許多科學家及化

10、學公司的注意9。 異丁烯氧化制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行氧化、酯化反應，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12。1.3 本文MMA生產(chǎn)工藝路線的確定西方研究機構對上述MMA的主要生產(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

11、-1113。表1-1 MMA 主要生產(chǎn)工藝路線成本對比(單位：美分P磅)項目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55.3363.852.3956.0662.94生產(chǎn)成本+10%投資回報65.0377.26

12、2.6267.3275.89 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

13、由于國內乙烯嚴重供不足需，且運輸和儲存條件苛刻、成本高，同時BASF公司一直對轉讓乙烯法技術不積極等原因，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，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，反應收率和原子利用率高，無污染、環(huán)境友好、成本低的優(yōu)勢

14、，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路線。對異丁烯制MMA過程進行了模擬計算912161718。 1.4 化工設備選型計算中使用的軟件1.4.1 Cup-Tower對塔設備的選型Cup-Tower軟件是一款可靠、易用、通用的塔設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件集合在一起，是一款功能強大、綜合性很強的

15、全新軟件。其借鑒了國內外相關軟件的特點，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，可用于板式塔、篩萃取散裝填料規(guī)整和的計算，具有設計和校核的功能。（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 FRIFRIF

16、RI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)已知的塔設備結構和工藝條件，獲得水力學計算校核方面：能夠根據(jù)已知的塔設備結構和工藝條件，獲得水力學計算校核方面：能夠根據(jù)已知的塔設備結構和工藝條件，獲得水力學計算結果，給出最終的負荷性能圖。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；然后在技術參數(shù)區(qū)域中輸入所需泵的流量(單位：L/s)和揚程(單位：

17、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曲線、安裝尺寸圖、技術參數(shù)和外形圖等信息。1.4.3 Aspen與EDR（Exchanger Design and Rating）聯(lián)用設計換熱器 Aspen 7.0以后版本已經(jīng)實現(xiàn)了Aspen和EDR的接口。Aspen Plus可以在流程模擬工藝計算之后直接無縫集成，轉入設備設計計算，對換熱器

18、進行設計計算。1.4.4 化工設備布置圖CAD設計設備布置圖是設備布置設計中的主要圖樣，在初步設計階段和施工圖設計階段都要進行繪制。設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容：（1）考慮設備布置圖的視配置，采用一組視圖表示廠房建筑的基本結構和設備珀廠房內外的布置情況。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。（5）說明與附注是對設備安崧布置有特辣要求的說明。對設備一覽表進行繪制，列表填寫設備位號、名稱等。最后制作標題欄，注

19、寫圖名、圖號、比例、設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 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。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，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(PF

20、D)附后。該工藝采用異丁烯氧化法制取MMA，工藝流程簡潔，轉化率高，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合成反應器中，異丁烯被催化氧化合成MAL。反應后的氣體經(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合成未反應的甲醇溶液，吸收塔塔頂為多余的未反應的異丁烯,N2 及O2，還有以少部分氧化反應生成的氣體雜質，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合成反應器中，

21、在催化劑和空氣作用下進行酯化反應生成MMA和少量的氣體雜質，其中氣體雜質同未反應的空氣送至火炬系統(tǒng)中。MMA合成反應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纳倭縈MA返回至脫水塔，吸收塔及MMA合成反應器中進行循環(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，其純度達到聚合級要求。2.2 Aspen plus仿真模擬流程在整個設計過程中，采用 Aspen Plus 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

22、模擬 MAL合成工段工段主要包括MAL反應器、噴淋塔、脫水塔、吸收塔等主體設備。MAL合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2-2 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合成反應器、精餾塔、相分離儲罐、膜分離等主體設備。 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 設備設計計算及選型3.1 反應器的設計3.1.1 MAL合成反應器(R101)的設計表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=5.5 mm比表面Sp=4.61g2/g堆積密度b=0.60g/ml

23、孔體積Vv=0.121ml/g視密度b=0.95g/ml空隙率§=0.6314反應方程主反應：C4H8 + O2 C4H6O + H2O異丁烯催化氧化反應機理圖3-1 異丁烯氧化機理工藝條件使用80（Mo12Bi1Fe2.0Co7.0V0.2Cs0.1）/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：反應溫度：350反應壓力：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）反應器計算（1）設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，在設計中選取16MnR。

24、(2)基本物性參數(shù)表3-2 設計數(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:O2:N2=1:1.5:2:12年工作時間7500 h空速1200-1120 h反應溫度350 oC反應選擇性89.0%反應壓力101 KPa空時收率100kg/m3100kg/（m ·h）表3-3 反應器進口物料組成反應器進口Kmol/hKg/h%(mol)異丁烯86.358214845.3456水141.52352599.5859氧氣188.6986088.1112氮氣1132.18831816.5372.87氫氣4.960613100.13總量1556.7645334

25、.22100表3-4 反應器物料出口組成反應器出口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-03二氧化碳6.908657304.04864.42E-03對苯二甲酸1.036299172.16366.63E-04乙酸1.03629962.232386.63E-0

26、4續(xù)表3-4反應器出口Kmol/hKg/h%(mol)丙醛0.77722445.141194.97E-04總量1563.02145334.22100表3-5 相對分子質量 M異丁烯甲基丙烯醛水氧氣氮氣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量： 出口混合平均相對分子質量： 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1.3770825663.680.253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

27、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0.6256304.217.3830.274混合物密度： （3）反應器的數(shù)學計算此反應選用固定床列管式反應器，反應物、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A :指前因子 CIB :異丁烯濃度 E

28、：反應活化能以 1/T 為橫坐標，lnk 為縱坐標作圖，則直線的截距為lnA，斜率為-E/R，計算即可得反應指前因子A和反應活化能E。根據(jù)以上方法得到的反應指前因子和反應活化能分別為7.37×10和169.7 kJ/mol，最終得到該反應的動力學方程為：2)物料衡算式FA0 ：任意位置上物質的摩爾流量， kmol/hdxA ：物質的轉化率B ：催化劑的床層堆積密度， g/mlDr ：反應器直徑，m其中反應器直徑計算用公式計算得:代入數(shù)據(jù)積分得:取反應管長為8m。3）其他設計：反應列管： 35× 2反應管根數(shù)：取反應管根數(shù)4880根。反應器壁厚的計算: ：圓筒的計算，mmP

29、：圓筒計算壓力，MPaD ：圓筒的內徑，mm ：鋼板在該溫度下的許用應力，MPa ：焊接接頭系代入數(shù)據(jù)計算得：圓整后取壁厚20 mm。反應器內徑：3660 mm。反應器質量選擇16MnR為材質，其密度約為7850 kg/m3。反應管質量m1=viinVi ：反應管體積，m3i ： 材質密度，kg/m3n ： 反應管根數(shù)代入數(shù)據(jù)得m1=viin=7938.95 kg 筒體質量m2=VRi=904.6 kg封頭取標準橢圓封頭，內徑DN=3660 mm，厚度=20 mm，曲面高hi=925 mm，封頭直邊高h=50 mm.封頭質量按 代入數(shù)據(jù)m3=1323.16 kg反應器主體質量m=m1+m2+2

30、m3=11483.87 kg附件以主體質量的0.2倍計算，則反應器總質量m總=13780.64 kg殼程換熱設計（1）換熱介質進出口結構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構。(2)換熱介質冷卻水：101 KPa 10 oC液態(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/h ，冷卻水進口的質量流量為 G H 2 O,in =27000 kg/h。取液態(tài)水的進口流速為1m/s，進

31、口 管 口 直 徑 為100 mm。換 熱 介 質 出 口 的 溫 度 為85 oC ， 出 口 流 量 為液態(tài)水進口流量1 m/s，出口管徑為100 mm。(3)折流板型式由于反應器中間不排管，選用環(huán)盤型折流板。折流板間距為1 m。板厚10 mm。3.1.2 MMA合成漿態(tài)床反應器（R201）的設計反應器操作條件(1)進出口物料組成 MMA 合成反應器物料主要組成如表3-7所示。表3-7 反應器進口物料組成空氣進料甲醇進料MAL進料質量流量（kg/h)49893.46697127451摩爾流量（kmol/h應條件T=70 oCP=0.3 MPa根據(jù) Aspen pl

32、us 模擬結果可知反應器出口物料組成如表3-8所示表3-8 出口物料組成物質質量流量（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)操作條件反應溫度為： 70 oC 醇醛質量比為： 10：1壓力為 ： 0.3 MPa反應器結構設計(1)反應的動力學方程：甲基丙烯醛氧化酯化制備甲基丙烯酸甲酷的反應方程式如下 :由此可知，MAL氧化酯化制備MMA的本征反應動力學方程可用指數(shù)形式表達如下:式中 ：r ：反應速率，mol·L-1·h-1K：反應速率常數(shù)A

33、：MAL 的反應級數(shù)b : MeOH 的反應級數(shù)C : O2 的反應級數(shù)由于該反應在恒溫、恒壓、氧氣流速不變的條件下進行的，并且O2在反應液中連續(xù)供應，可以認為在反應過程中O近似為一常數(shù)。因此可以簡化為：即為：式中x ： MAL 轉化率 ：MAL的初始濃度，mol/L：MeOH的初始濃度，mol/L反應速率常數(shù) k 也可用下式表示：k0 ：指前因子Ea ：反應的活化能，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

34、由流量方程計算求得： 即 式中 V 為原料氣中的體積流量，m3/h帶入相關數(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器內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，反應器外徑為 D=5 m反應器質量選材16MnR，其密度約為7850 kg/m3。反應器壁厚計算該反應器筒體選材為16MnR，根據(jù)反應條件，利用壁厚公式，求得壁厚 為：圓整去10 mm。封頭設計本反應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Do為5000 mm，則其圓邊高度為hi=1250 mm。壁厚即為反應器壁厚10 mm

35、，直邊高度為50 mm。材質選用16MnR。筒體質量m1=VRi=9850 kg封頭質量 =2118.33 kg主體質量m=m1+2m2=14086.66 kg附件取主體質量的0.2倍，則反應器總質量m總=16903.99 kg3.2 塔設備的選型與設計3.2.1 急冷噴淋塔簡單設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 &

36、#183;h-1,取裝載系數(shù)為=0.75，則得到塔設備的容積為V=895 m3；根據(jù)空塔氣¼速計算公式及經(jīng)驗得，塔徑D=3.6 m；則由得，塔筒體高度為H=22 m；采用標準橢圓形封頭。夾套直徑與筒體直徑的關系由查找化工工藝設計手冊如表3-9所示。表 3-9 夾套直徑與筒體直徑的關系項目數(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，考慮到防止設備因結垢導致堵塞，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

37、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m3/h用水量（kg·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 導出物流傳熱數(shù)據(jù)得到熱負Q=2724.3

38、696 kw，工藝用水量Wc=3750 kg/h，水量進口溫度為t1=15 oC，出口溫度為t2=103.5 oC；計算出平均溫度差， oC總傳熱系數(shù) K(以外表面積為基礎)，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)，計算得到傳熱面積為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），計算得管內流速為u=0.83 m/s。換熱管的總長度為=1973 m，圓整為2000 m。塔質量計算材質選擇16MnR，其密度約為7850 kg/m3。塔內徑D

39、i=4000 mm。塔體厚度：圓整取10 mm。塔體質量m1=V=79862.76 kg封頭質量封頭取標準橢圓封頭，內徑DN=4000 mm，厚度=10 mm，曲面高hi=1000 mm，封頭直邊高h=50 mm，材質選用16MnR。 =1376 kg塔主體質量m=m1+2m2=82614.76 kg附件取主體質量的0.2，總質量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

40、物與MAL和甲醇的混合液體在塔內逆向接觸，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。Aspen plus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)StageVolume flow liquid fromVolume flow vapor toDensity liquid fromDensity vapor toViscosity liquid fromViscosity vapor toSurface tension liquid fromcum/hrcum/h

41、rkg/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構參數(shù)結果如圖3-3。 圖3-2 水力學數(shù)據(jù)輸入 圖3-3 脫水塔的塔板結構參數(shù)Cup-Tower計算出脫水塔的塔板工藝參數(shù)結果如圖3-4。圖3-4 塔板工藝參數(shù)塔板負荷性能圖如圖3-5。 3-5 塔板負荷性能3.2.3 cup-Tower對吸收塔的選型吸收塔是在0.50 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

42、吸收塔的上部引入來自MMA合成反應工段的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。Aspen plus得水力學數(shù)據(jù)如表3-12。StageVolume flow liquid fromVolume flow vapor toDensity liquid fromDensity vapor toViscosity liquid fromViscosity vapor

43、toSurface tension liquid fromcum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcPcPdyne/cm平均6.6967469.79965.490.710.420.01627.69表3-12 吸收塔水力學數(shù)據(jù)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構參數(shù)結果如圖3-7。Cup-Tower計算出脫水塔的塔板工藝參數(shù)結果如圖3-8。圖3-7 塔板結果參數(shù) 圖3-8 塔板工藝參數(shù)負荷性能圖如3-9。圖3-9 負荷性能圖3.2.4 MMA精餾塔設計由Aspen得到的全塔平均水力學數(shù)據(jù)如表3-13。表

44、3-13 全塔平均水力學數(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）umax 式中C可由史密斯關聯(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時的負荷系數(shù)C20 =0.15。由所給出的工藝條件校正得：

45、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 由下式計算塔徑：按標準塔徑尺寸圓整，取D = 3800 mm； 實際塔截面積：實際空塔速度： 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，由弓形降液管的結構參數(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

46、計數(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進口堰，并取降液管底隙處液體流速u0= 0.2 m/s； 降液管底隙高度：故降液管底隙高度設計合理。浮閥數(shù)及排列方式1) 浮閥數(shù)初取閥孔動能因數(shù)F0 = 9，閥孔氣速為：每層塔板上浮閥個數(shù) ：2）浮閥的排列 按所設定的尺寸畫出塔板，并在塔板的鼓泡區(qū)內依排列方式進行試排，確定出實際的閥孔數(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

47、.1 m，由下式計算鼓泡區(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?，F(xiàn)按t=75 mm,t=80 mm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：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。塔板流體力學驗算1）塔板壓降利用下式計算： （1）干板阻力 因閥孔氣速uo大于其臨界閥孔氣速uoc，故干板阻力計算式為 （2）板上充氣液層阻力本設備分離烴化液，液

48、相為碳氫化合物，可取充氣系數(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。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，要求控制降液管內清液層高度Hd(HT+Hw)。其中:Hd=hp+hL+hd （1）氣體通過塔板的壓強降所相當?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（不設進口堰） （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

49、.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）液體在降液管內停留時間 應保證液體在降液管內的停留時間大于35s，才能使得液體所夾帶氣體的釋出。本設計的停留時間 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算泛點率F，即 和 板上液體流徑長度： 板上液流面積： 查得泛點負荷因數(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，應控制泛點率不超過80%。上兩式計算的泛點率都

50、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）嚴重漏液校核當閥孔的動能因數(shù)F0低于5時將會發(fā)生嚴重漏液，前面已計出F0=9.1，可見不會發(fā)生嚴重漏液。塔板負荷性能圖1）氣體負荷下限線（漏液線）對于F1型重閥，因動能因數(shù)F05時會發(fā)生嚴重漏液，故取F0=5計算相應的氣相流量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，取泛點率F = 0.8，那么 整理得:霧沫夾帶線為直線，由兩點即可確定。當LS=0時，VS=19.4 m3/s；當LS=0.01時，VS=18.8 m3/s。由這兩點便可繪出霧沫夾帶線。3）液相負荷下限線 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，可作出液相負荷下限線。 取E=1、代入lw則可求出LS,min： 4）液相負荷上限線 液體的最大流量應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）液泛線由此確定液泛線方程：(HT+hw)=+（