《年產(chǎn)35萬噸的丙烯酸甲酯工藝合成工段工藝設計》12000字（論文）

年產(chǎn)35萬噸的丙烯酸甲酯工藝合成工段工藝設計TOC\o"1-3"\h\u28874摘要 摘要近些年來化學工業(yè)在我國的發(fā)展速度可謂是逐年遞增，丙烯酸甲酯作為一種有機合成中間體和精細化工原料很重要，所以受到了很多國內(nèi)外學者的普遍關注。我對年產(chǎn)35萬噸的丙烯酸甲酯工藝合成工段進行工藝設計。在這次設計中我采取的是丙烯直接氧化的方法，通過3個反應釜、1個分離塔、2個精餾塔等化工設備來實現(xiàn)丙烯酸甲酯的合成工段。這次設計的主要內(nèi)容有：丙烯酸甲酯性質介紹、生產(chǎn)工藝的選擇，生產(chǎn)流程敘述，主要反應原理的介紹，反應器、氣液分離器、丙烯酸甲酯精餾塔的（物料衡算、熱量衡算、主要設備設計）,用AutoCAD軟件繪制帶控制點的工藝流程圖、設備布置圖、刨面圖）。關鍵詞：丙烯酸甲酯；合成工段設計；物料衡算；能量衡算；設備設計第1章緒論選題背景及意義選題背景近年來人類社會發(fā)展迅速，我們所付出的代價是消耗大量不可再生資源和能源，同時向大氣排放了大量的廢物，嚴重破壞了我們賴以生存的地球環(huán)境。具體表現(xiàn)有：溫室效應、空氣中的PM2.5嚴重、海洋和河流受到污染、全球森林數(shù)量與土地面積急劇大量減少、固體液體廢棄物等大量排放造成嚴重污染等方面。為了使人類得以繁衍生存，也使自然環(huán)境能繼續(xù)保持可持續(xù)綠色發(fā)展，我們就需對現(xiàn)有的對環(huán)境污染嚴重的工藝流程進行綠色優(yōu)化，因此發(fā)展綠色化學是化學這一行業(yè)發(fā)展的必然趨勢之一。丙烯酸甲酯是一種重要的精細化工原料，用途廣泛[1,2]，主要用作有機合成和聚合單體的中間體。由它合成的聚合物不僅廣泛用于紡織品、涂料，皮革制造等行業(yè)，而且它在造紙、皮革、油漆、制藥和其他行業(yè)的生產(chǎn)中也具有廣泛的用途[3,4]。在2010年，我國需求大約為40萬噸，并且每年以10％到15％的速度增長。目前，制備丙烯酸甲酯的方法主要包括丙烯的氧化法，丙烯腈的水解法，乙烯酮法，丙烷氧化法等。然而，這些方法都污染大、消耗大、以及反應的中間產(chǎn)物的毒性大和收率低等缺點。因此，丙烯酸甲酯的綠色合成工藝具有非常重要的現(xiàn)實意義。1.1.2選題意義我的這次設計主要通過AspenPlus模擬，優(yōu)化丙烯酸甲酯合成過程，利用丙烯、氧氣、甲醇為原料，在3種催化劑作用下模擬一種綠色生產(chǎn)工藝。設計中在通過催化劑選擇、原料配比、溫度選擇及壓力控制模擬適合于丙烯倆步氧化制丙烯酸甲酯的工藝，從綠色環(huán)保方面考慮，該方法是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ墓に嚶肪€。催化劑的載體選擇三維有序大孔材料，由于大孔材料的孔道通透，在催化的過程中可以大幅度降低傳質阻力，避免因為反應物和生成物在流通中堵塞孔道而降低催化劑的效率。孔道內(nèi)部三維交聯(lián)有內(nèi)表面，可以在一定程度上增大催化劑比表面積，增加催化劑的活性中心中的分散度和負載量，進而增加催化劑活性及選擇性[1]。本設計采用丙烯二步合成丙烯酸甲酯的方法，選用選擇性高的催化劑，采用串聯(lián)式的催化反應，在丙烯酸甲酯的合成方法、合成工藝的研究有重要的意義。1.2丙烯酸甲酯國內(nèi)外生產(chǎn)狀況1.2.1國外生產(chǎn)狀況上世紀90年代，丙烯酸甲酯的產(chǎn)量面臨增加的熱潮，逐漸的，其在洗滌劑和洗水劑上的應用越來越多，導致世界上很多人開始建設生產(chǎn)丙烯酸甲酯的工廠，丙烯酸甲酯生產(chǎn)工廠主要集中在美國、西歐和日本等少數(shù)發(fā)達國家，在當時丙烯酸酯的年產(chǎn)量是230萬噸[5]。1.2.2國內(nèi)生產(chǎn)狀況上世紀60年代，丙烯酸和丙烯酸酯的產(chǎn)量很少幾乎供不應求，除上海皮革廠外均超過1000噸/年，其他工廠均低于500噸/年[6]。目前國內(nèi)已有多家企業(yè)和工廠繼續(xù)擴產(chǎn)。到70年代，全國使用約62%的丙烯酸生產(chǎn)丙烯酸鹽，應用于膠粘劑、紡織、涂料等化工行業(yè)，丙烯酸被利用于生產(chǎn)丙烯酸共聚物，大部分用于制作水處理劑，等到70年代后，兩種聚合物被用于清潔劑和超吸收樹脂，為丙烯酸的使用提供了方向，促進了生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，全球約38%的丙烯酸消費量用于非酯化丙烯酸[7]。但丙烯酸在我國化工發(fā)展中還是處于新興工業(yè)，在精細化工中屬于新型模式，具有高附加值的有點，可以衍生為高技術產(chǎn)業(yè)鏈條，市場前景很光，還有很多領域有待發(fā)展。全國丙烯酸產(chǎn)能達到15萬噸/年，丙烯酸鹽15萬噸/年，我國丙烯酸及其酯產(chǎn)品投產(chǎn)較晚，日產(chǎn)量較少，1984年投產(chǎn)后，丙烯添加催化劑、氧化生產(chǎn)丙烯酸的新情況使產(chǎn)量大幅增加，截至目前，我們國家已經(jīng)成為世界上首屈一指的丙烯酸和丙烯酸酯的主要生產(chǎn)國[8]。總之，隨著丙烯酸在涂料、膠粘劑以及SAP樹脂應用的不斷擴展，預計丙烯酸的需求量將繼續(xù)上漲，因此建議國內(nèi)化工企業(yè)經(jīng)過風險預測、可行性策略分析，進行相應的工藝優(yōu)化，使我國生產(chǎn)丙烯酸在純度及性能上領先別國，丙烯酸及其酯類產(chǎn)品應用十分廣泛，所以對丙烯酸甲酯的生產(chǎn)加大投入就有巨大的意義，其未來應用前景十分廣闊。1.3丙烯酸甲酯的性質及用途1.3.1物理性質丙烯酸甲酯的化學式是C4H6O2,簡稱MA。丙烯酸甲酯具有辛辣氣味，類似于大蒜，一種沒有顏色的液體，而且易溶于苯、乙醇及乙醚，在水中溶解度小，其存放的地方一般是通風好且溫度低。由于丙烯酸甲酯極易燃燒，所以需要遠離火種。保存必須密封，不能和其他化學品混儲。其部分物理性質如下表1-1所示。表SEQ表\*ARABIC1-1丙烯酸甲酯部分物理性質性質數(shù)據(jù)性質數(shù)據(jù)熔點（℃）-76.5爆炸下線（%）2.8相對密度（水=1）0.95溶解性微溶于水，易溶于乙醇、乙醚、丙酮相對蒸汽密度（空氣=1）2.97黏度（mPa·s,20℃)0.53飽和蒸汽壓（kPa)13.3(28℃)比熱容（J/g·℃）2.0燃燒熱（KJ/mol)-2102溶度系數(shù)（J/cm）9.022臨界溫度（℃）263氣相標準燃燒焓（KJ/mol)-2098.57臨界壓力（MPa)4.3氣相標準生成焓（KJ/mol）-333.00辛醇/水分配系數(shù)0.8液相標準燃燒焓（KJ/mol)-2069.36閃點（℃）-3℃/開杯液相標準生成焓（KJ/mol)-362.21爆炸上限（%）25.0引燃溫度（℃）4681.3.2化學性質丙烯酸甲酯有劇毒，當空氣中含量4752mg/m3時，大鼠存在4小時死亡。其通過人體呼吸、食入和皮膚進入人體，當處在高濃度時，會引起人的眼睛和呼吸道刺激反應，嚴重的話引起呼吸困難、水腫死亡。在生產(chǎn)時，操作人員應佩戴化學安全防護眼鏡，工作服要防靜電，手戴橡膠手套。丙烯酸甲酯極易與氧化劑大聲劇烈反應，而且其很容易發(fā)生聚合反應，聚合速度與溫度呈正相關。其蒸汽狀態(tài)比空氣中，可以在較低的地方擴散到較遠的地方，遇到明火極易爆炸。1.3.3丙烯酸甲酯的用途（1）用于膠粘劑。腈棉纖維的主要原材料、及涂層材料，它們是一種中間體由分子聚合物以及有機物一起混合形成，目前人們可以用它們生產(chǎn)乳液狀的膠粘劑和丙烯酸酯類膠粘劑。（2）有機化學中的單體。其與丙烯酸丁酯發(fā)生共聚反應形成的乳液可以改善皮革的性能，讓皮革變得更軟、梁、耐磨。被廣泛應用到制藥及其他皮革行業(yè)。（3）同時當它已經(jīng)發(fā)展成為各種各類有機物提取合成的中間體和產(chǎn)物時,其也被廣泛認為為它是一種高分子有機聚合物在從為人體提取合成產(chǎn)物過程中所需要用于得到的一個重要單體。橡膠合成以及涂料加工經(jīng)常用到其單體。第2章丙烯酸甲酯生產(chǎn)方法介紹2.1丙烯酸甲酯工藝發(fā)展歷程丙烯酸甲酯生產(chǎn)方法主要有：烯酮法、丙烯腈水解法、甲酸甲酯法及丙烯氧化法、丙烷氧化法，進入21世紀，隨著工藝方法的不斷革新，人們環(huán)保意識和對產(chǎn)品要求的不斷提升，那些污染大、毒性高的生產(chǎn)方法漸漸地被淘汰，而丙烯二步氧化法逐漸成為主流生產(chǎn)工藝。2.2生產(chǎn)工藝2.2.1烯酮法這種方法是將乙酸先裂解成乙烯酮，然后與無水甲醛生成β-丙內(nèi)酯。生成的β-丙內(nèi)酯繼續(xù)與無水磷酸發(fā)生反應生成丙烯酸丙烯酸和甲醇在進行酯化反應得到丙烯酸甲酯。這種方法獲得的產(chǎn)品純的較高，收率也高，而且可以連續(xù)生產(chǎn)，由于中間產(chǎn)物乙烯酮有劇毒，很容易讓人患癌，所以逐漸淘汰[9]。2.2.2丙烯腈水解法這種方法自發(fā)明以來受到人們推崇，此法是在丙烯腈中加入硫酸進行水解反應生成丙烯酰胺硫酸鹽，然后繼續(xù)與甲醇發(fā)生酯化反應得到丙烯酸甲酯，該法的主要副產(chǎn)物是硫酸氫氨。這種方法簡單，但副產(chǎn)物處理起來很困難且環(huán)境污染嚴重，成本也高，在20世紀末被淘汰[10]。2.2.3甲酸甲酯法此種方法要求是均相，經(jīng)過碘化物-鎳鹽-銅鹽這一體系，以N，N-二甲基甲酰胺作為溶劑，在下一步合成丙烯酸甲酯是以乙炔和甲酸甲酯為原料來加氫，反應的化學方程式是：C2H2+HCOOCH2→CH2=CHCOOCH3，反應中甲酸甲酯的轉化率是60%,丙烯酸甲酯的收率是86%。甲酸甲酯作為原料成為該法的特點，一氧化碳制備及運輸?shù)纫幌盗袉栴}也得到了解決，這種方法在天然氣多的地方更適用?；诒┧狨ドa(chǎn)工藝的發(fā)展，目前主要集中在工藝的改進及催化劑的研究。最近幾年研究人員普遍關注以C3作為原料，經(jīng)過羥醛縮合反應來制丙烯酸甲酯，而以丙酸合成丙烯酸甲酯也在國內(nèi)外引起研究，由于催化劑容易失活，產(chǎn)物收率不高等問題，到目前還是在研究中[11,12]。2.2.4丙烯氧化法上世紀60年代，丙烯二步氧化法被開發(fā)出來，丙烯主要來與石油，價格便宜，此法具有三廢處理的好、環(huán)境污染低、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，很快成為工業(yè)生產(chǎn)丙烯酸甲酯的主要方法。目前丙烯二步氧化工藝技術成熟的公司有日本觸媒化學（NSKK）、日本三堎化學（MCC）、及德國巴斯夫（BASF）[13]。經(jīng)過多年發(fā)展，制作丙烯酸成熟的技術有倆段固定床氣相氧化技術。為了提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，越來越多的公司通過改進生產(chǎn)工藝及催化劑性能來獲得優(yōu)勢。丙烯二步制丙烯酸甲酯是丙烯被氧化成丙烯醛，丙烯醛繼續(xù)被氧化成丙烯酸，最后丙烯酸和甲醇發(fā)生酯化反應得到丙烯酸甲酯。反應方程式如下：CH2=CHCH3+O2→CH2CHCHO+H2OCH2CHCHO+0.5O2→CH2CHCOOHCH2CHCOOH+CH3OH→CH3OOCCHCH22.2.5丙烷氧化法這種方法分為二步，第一步將丙烷部分氧化為丙烯醛，第二步是將丙烯醛氧化為丙烯酸，最后與甲醇發(fā)生酯化反應得到丙烯酸甲酯[14]。這種方法丙烯酸單程收率最高是13%，雖然這種方法原料易得，價格也便宜，但收率低，逐漸被淘汰。第3章工藝設計3.1工藝原理反應原理簡單，第一步以Mo-Bi系為催化劑，在反應器中丙烯和氧氣生成丙烯醛，氧化反應溫度是330℃，壓力200KPa,收率是0.85。第二步以MoV系為催化劑，在反應器中丙烯醛和氧氣生成丙烯酸，氧化反應溫度是300℃，壓力189.9KPa,收率是0.995。第三步以陽離子交換樹脂為催化劑，丙烯酸和甲醇生成丙烯酸甲酯，酯化溫度80℃，壓力179.9KPa,收率是0.88。該反應是放熱反應，以丙烯為原料，工藝流程簡單，催化劑的高效選擇性是關鍵。丙烯氧化要有前處理系統(tǒng)，將丙烯、氧氣、水蒸氣根據(jù)一定配比通入反應器，在反應器中丙烯在催化劑作用下被氧化成丙烯醛，隨后經(jīng)過熱交換器降溫，丙烯醛進入第二個反應器繼續(xù)被氧化，產(chǎn)生丙烯酸。丙烯、氧氣、水蒸氣的摩爾比是6.5：10：：11.7。本次設計采用連續(xù)式生產(chǎn)工藝，首先用蒸餾水將純化的丙烯酸進行稀釋，（范圍為49wt%至74wt%）的丙烯酸水溶液，然后丙烯酸與甲醇發(fā)生酯化反應得到丙烯酸甲酯，用氣液分離器將未反應的丙烯和氧氣脫去，將剩余物質注入精餾塔中把水和丙烯酸進行脫除，此時產(chǎn)物中還有少量丙烯醛及未反應的甲醇，經(jīng)過換熱器，在另一精餾塔中對丙烯酸甲酯進行精制。該工藝的特點：通過吸收塔頂部的空氣對反應過程的水蒸氣進行供給，其優(yōu)勢是降低了水蒸氣含量，進一步提高丙烯的轉化率，也防止丙烯對大氣進行污染。3.2工藝流程酯化反應在加熱的條件下，丙烯酸和甲醇發(fā)生酯化反應，在反應中生成的水合物經(jīng)高溫蒸餾，經(jīng)過氣液分離器脫去水分，并將反應物料再次送入反應器，循環(huán)使用。催化劑回收反應完成后，將催化劑送到回收反應塔，用萃取的方法回收所有的催化劑，并且回收的催化劑可以循環(huán)使用。（3）汽提從洗滌器上部的有機物質被送到酒精脫離器，然后再次通過蒸汽間接加熱蒸餾來脫醇。塔頂部的甲醇通過二次凝結回收并送到酯化反應器。（4）精餾將從氣液分離器出來的物料送入精餾塔，精餾后，塔低的產(chǎn)品是丙烯酸甲酯，塔頂?shù)撞康漠a(chǎn)品為重丙烯酸甲酯。再組合分配到分解器，回收部分分解的丙烯酸甲酯，剩余的再組合分配到剩余的液體儲存罐進行保存。反應各個階段均加入少量阻聚劑，在反應過程中生成的廢棄進行焚燒處理。3.3酯化反應裝置特點第三步反應是可逆反應，打破反應的平衡狀態(tài)可以提高丙烯酸的轉化率，使反應向著生成丙烯酸甲酯的方向進行，這一步將進行如下操作：(1)采用陽離子交換樹脂作為催化劑，為了增加丙烯酸甲酯的產(chǎn)率，甲醇應過量，選用連續(xù)式精餾反應器。(2)由于丙烯酸甲酯分子中含有不飽和的雙鍵，在聚合中容易獲得電子，所以丙烯酸和丙烯酸甲酯在高溫時容易聚合，應該降低反應器的溫度，還要除掉反應中生成的水，要采用負壓操作。(3)為防止物料在設備表面進行相變，用熱水或蒸汽對全過程進行保溫，防止相變引起聚合反應，還要對那些流程死區(qū)增加噴淋。(4)為防止工藝過程聚合反應加深，進而使剛得到的聚合中心突然失去活性，這一步操作在反應器內(nèi)以及塔頂回流出添加阻聚劑，并增加阻聚空氣，確保反應器及塔內(nèi)的氧氣量，阻止進一步聚合的發(fā)生。(5)禁止液體在管線和設備中停滯，特別是那些溫度超過40℃的物料。所以在各反應器設有冷卻管，確保各個儲罐的溫度在40℃之下。3.4原料及產(chǎn)品純度丙烯酸純度wt%≥99.0,甲醇純度wt≥99.5,丙烯酸甲酯純度≥99.5。3.5回收系統(tǒng)在對丙烯酸回收時，利用精餾塔T101進行分餾，輕組分甲醇、丙烯酸甲酯、丙烯醛從塔頂蒸出，丙烯酸和水是重組分則從精餾塔底出去。然后是對甲醇回收，精餾塔T102中丙烯酸甲酯從塔底出來，甲醇和部分MA從塔頂出來，由于甲醇易容與水，利用這一性質，在萃取塔中用水將甲醇萃取出來，這時的萃取液還有一些丙烯酸甲酯，進行再次精餾操作，萃取出來的甲醇進行循環(huán)利用。3.6接觸時間接觸時原料在床層中停留時間被稱為接觸時間。增加接觸時間，就住反應來所可以提高丙烯酸甲酯的單程收率，對副反應來說，增加接觸時間對副反應的收率影響不大。由此可知，我們適當增加接觸時，丙烯酸與甲醇酯化生成丙烯酸甲酯是有利的，隨著丙烯酸轉化率的提高，丙烯酸甲酯的單程收率也會增加，當接觸時間長時，丙烯酸的其他副反應會發(fā)生，導致丙烯酸甲酯的收率降低。催化劑的選擇性、活性和反應溫度都與接觸時間有關，催化劑要是選擇性好，活性高，其接觸時間可以短一點，反之可以長一點；當反應溫度高時，接觸時間會短一點，反之可以長一點。一般硫化床的接觸時間5-10s。第4章反應器物料衡算4.1原理根據(jù)重要的質量守恒定律：進入系統(tǒng)的物料質量=輸出系統(tǒng)的物料質量+系統(tǒng)內(nèi)積累的物料質量。現(xiàn)實操作中大多數(shù)生產(chǎn)過程是連續(xù)的，所以系統(tǒng)內(nèi)無物料的積累，此時的表達公式為：進入系統(tǒng)的物料質量=輸出的物料質量4.2步驟（1）將物料衡算完成后的數(shù)據(jù)列為對應的表格。（2）寫出合成工段主反應的化學方程式。（3）列出相關要求，如：年工作日，產(chǎn)率。（4）根據(jù)要求確定工藝計算基準的。（5）收集與模擬所相關的數(shù)據(jù)。（6）進行物料衡算模擬。（7）將aspen模擬后的物料衡算的數(shù)據(jù)轉化成物料衡算表。4.3Aspen模擬流程此流程為丙烯二步氧化制丙烯酸甲酯流程圖，圖中FEED為丙烯、氧氣、甲醇的進料流股，S2、S3、S4為出料流股，反應器R101、R102、R103、氣液分離器V101、精餾塔T101、T102.首先原料經(jīng)FEED進入反應器R101發(fā)生CH2=CHCH3+O2→CH2CHCHO+H2O氧化反應，然后反應物料輸送到反應器R102發(fā)生CH2CHCHO+0.5O2→CH2CHCOOH氧化反應，最后物料輸送到反應器R103發(fā)生CH2CHCOOH+CH3OH→CH3OOCCHCH2+H2O酯化反應，經(jīng)過氣液分離器氧氣和水分離出去，經(jīng)壓力變換器將剩余物質送到精餾塔T101，在精餾塔T01中水和中間產(chǎn)物丙烯酸被除去，在精餾塔T102中丙烯醛和多余甲醇被出去，最終得到產(chǎn)品丙烯酸甲酯。圖4-1Aspen模擬流程圖4.4物料衡算過程4.4.1整個過程的物料衡算經(jīng)過Aspen的模擬，整個過程總的物料衡算數(shù)據(jù)結果如下圖4-1所示，圖中ACROI-01是丙烯醛，ACRYL-01是丙烯酸，METHY-01是丙烯酸甲酯?？傔M料量FEED是120950kg/hr,S2出料量是30303kg/hr,S3出料量12351.8kg/hr,S4出料量49608.9kg/hr，4出料量28686.3kg/hr。圖4-2整個過程Aspen模擬數(shù)據(jù)表4-1整個過程物料衡算表單位FEEDS2S3S44質量流量kg/hr1209503030312351.849608.928686.3水kg/hr024152.6000丙烯醛kg/hr0026.0658174.0830甲醇kg/hr28004.707666.74305.9970丙烯kg/hr35347.60005302.14氧氣kg/hr57597.700023384.2丙烯酸kg/hr06143.51000丙烯酸甲酯kg/hr033.86934659.0449128.80由圖可得反應總進料量為F=120950kg/hr，出口料量為F=120950kg/hr，誤差為0.00%，符合物料衡算。4.4.2反應器R101物料衡算丙烯和氧氣進入反應器R101發(fā)生氧化反應，進料FEED是120950kg/hr，出料1是120950kg/hr，反應溫度為330℃，壓力200KPa,收率是0.85，氣相分率為1，反應得到丙烯醛。Aspen模擬數(shù)據(jù)如下：圖4-3Aspen模擬反應器R101數(shù)據(jù)表4-2反應器R101的模擬數(shù)據(jù)物質進料（kg/hr）出料（kg/hr）丙烯35347.65302.14甲醇28004.728004.7氧氣57597.734750.6水012862.9丙烯醛040029.7丙烯酸00丙烯酸甲酯00總計120950120950由上表可以知道反應器R101的總進料量為F=120950kg/hr，出料量為F=120950kg/hr，其中氧氣的轉化率是0.39，丙稀的轉化率是0.85，誤差為0.00%，誤差在允許范圍內(nèi)，符合物料平衡。4.4.3化反應器R102物料衡算丙烯醛和氧氣進入R102發(fā)生氧化反應，反應溫度為300℃，壓力是189.9kPa,收率是0.995，反應得到丙烯酸，Aspen模擬數(shù)據(jù)如下:圖4-4Aspen模擬反應器R102結果表4-3反應器R102模擬數(shù)據(jù)結果物質進料（kg/hr）出料（kg/hr）丙烯5302.145302.14甲醇28004.728004.7氧氣34750.623384.2水12862.912862.9丙烯醛40029.7200.184丙烯酸051195.9丙烯酸甲酯00總計120950120950由上表可得反應器R102的總進料量為F=120950kg/hr，出料量為F=120950kg/hr，其中氧氣轉化率是0.33，丙烯醛的轉化率是0.995，誤差為0.00%，誤差在允許范圍內(nèi)，符合物料平衡。4.4.4反應器R103物料衡算丙烯酸和甲醇，在反應器R103中發(fā)生酯化反應。反應溫度80℃，壓力為179.9kPa,得到丙烯酸甲酯，收率是0.88，Aspen模擬數(shù)據(jù)如下:圖4-5Aspen模擬反應器R103的結果表4-4反應器R103物料衡算數(shù)據(jù)物質進料（kg/hr）出料（kg/hr）丙烯5302.145302.14甲醇28004.77972.74氧氣23384.223384.2水12862.924125.6丙烯醛200.184200.148丙烯酸51195.96143.51丙烯酸甲酯053821.7總計120950120950由上表可知酯化反應器R103的總進料量為F=120950kg/hr，出料量為F=120950kg/hr，甲醇轉化率是0.71，丙烯酸轉化率是0.87，誤差為0.000%，在允許的誤差范圍內(nèi)，符合物料平衡。4.4.5分離器V101物料衡算經(jīng)過一系列反應后，物流中含有大量未反應的丙烯和氧氣，因此要通過氣液分離器V101對這些物質進行脫去處理。Aspen模擬數(shù)據(jù)如下：圖4-6氣液分離器V101Aspen模擬結果表4-5氣液分離器V101物料衡數(shù)據(jù)物質進料（kg/hr）出料（kg/hr）出（kg/hr）丙烯5302.145302.140甲醇7972.7407972.74氧氣23384.223384.20水24125.604125.6丙烯醛200.1480200.148丙烯酸6143.5106143.51丙烯酸甲酯53821.705382107總計12095028686.392263.7由上表可知氣液分離器V101的總進料量為F=120950kg/hr，出料量為F=120950kg/hr，丙烯脫除率100%，氧氣脫除率100%，誤差為0.00%，符合物料衡算。4.4.6丙烯酸甲酯精餾塔T101物料衡算在精餾塔T101對上一步的剩余物質進行一定的分離，塔頂?shù)玫奖┧峒柞?、丙烯醛、丙烯酸、甲醇產(chǎn)品，塔底出來剩余廢物，上層塔板溫度70℃，回流比為6，餾出物進料比為0.38。下層塔板溫度107℃，在沸比0.6，塔底采出與進料比是0.62。Aspen模擬數(shù)據(jù)如下：圖4-7Aspen模擬丙烯酸甲酯精餾塔T101的結果表4-6精餾塔T01物料衡算數(shù)據(jù)物質進料（kg/hr)出料（kg/hr)出料（kg/hr）丙烯000甲醇7972.747972.840氧氣000水24125.6024125.6丙烯醛200.148200.1480丙烯酸6143.5106143.51丙烯酸甲酯53821.753821.70總計92263.761960.730303由上表可知，精餾塔T101總的進料量為F=92263.7kg/hr，出料量為F=92263.7kg/hr，丙烯酸和水的脫除率是100%，誤差為0.00%，符合物料衡算。4.4.7精餾塔T102物料衡算由上表可知還有很多物質沒有脫去，所以進一步用精餾塔T102精制丙烯酸甲酯，上層塔板精制117.7℃，回流比是1，餾出物進料比是0.335，下層塔板精制溫度139℃，在沸比1.54，塔底采出與進料比0.665，Aspen模擬數(shù)據(jù)如下：圖4-8Aspen模擬丙烯酸甲酯精餾塔T101的結果表4-7丙烯酸甲酯精餾塔T102物料衡算數(shù)據(jù)物質進料（kg/hr)出料（kg/hr)出料（kg/hr)丙烯000甲醇7972.747666.74305.997氧氣000水000丙烯醛200.14826.0658174.083丙烯酸000丙烯酸甲酯537878.84659.0449128.8總計6196012351.849608.9由上表可知，精餾塔T102總的進料量為F=61960kg/hr，出料量為F=61960kg/hr，甲醇脫除率是100%,丙烯醛脫除率是100%，誤差為0.00%，符合物料衡算。第5章反應器的熱量衡算5.1熱量衡算的原理根據(jù)熱力學第一定律，能量衡算方程式的一般形式可寫為:ΔE=Q+W（5-1）在上式中，ΔE為系統(tǒng)總能量的變化，Q為系統(tǒng)從外界吸收的熱量，W為環(huán)境對體系所做的功。對于相對簡單反應過程，假定位能與動能忽略不記，而且系統(tǒng)不做功，即不考慮能量的轉換而只考慮熱量變化時，則反應過程的能量衡算就是計算反應過程的焓變，此時方程式為：Q+W=ΔH（5-2）5.2熱量衡算基準在進行熱量平衡衡算時，還需要確定計算數(shù)據(jù)。常用的計算數(shù)據(jù)包括兩個方面，第一是相位狀態(tài)數(shù)據(jù)，另一個是數(shù)量數(shù)據(jù)。在定量參考的情況下，它指的是計算給定熱量的特定量?？梢约僭O以1kg或1kmol作為熱衡算基準，然后以小時轉換為基準。也可以直接通過相關設備的每小時供給量來作為衡算基準。相比之下，后一種方法更受人們的歡迎，使用頻率也較高。由于焓是在熱平衡過程中廣泛使用的熱力學函數(shù)，因此確定熱平衡中的基態(tài)是必要的。沒有焓的絕對值，只有在特定狀態(tài)下關于基狀態(tài)的相對值。然而，這些焓可以在焓圖和焓表中找到。事實上，它們是與焓表或焓表的基態(tài)的焓差。然而，焓圖和焓圖的基態(tài)并不一定是相同的。因此，在執(zhí)行一定的熱平衡時，必須指定基本狀態(tài)。參考狀態(tài)的規(guī)范是任意的，不同的參考狀態(tài)可以用于不同的材料。但是，在特殊情況下，相同材料的數(shù)據(jù)狀態(tài)必須保持不變。5.3主要過程熱量衡算具體過程5.3.1催化反應器R101的能量衡算丙烯和氧氣通入反應器R101發(fā)生氧化反應，得丙烯醛。Aspen模擬數(shù)據(jù)如下表5-1所示，進入反應器的摩爾流量為3513.99kmol/h，出去為3513.99kmol/h。進入反應器的質量流量為120950kg/h,出去為120950kg/h,焓進去-50684.8KW，出去為-96598.5KW。表5-1Aspen模擬反應器R101的數(shù)據(jù)單位進出摩爾流量kmol/hr3513.993513.99質量流量kg/hr120950120950焓kw-50684.8-96598.5圖5-1Aspen模擬反應器R101數(shù)據(jù)圖由圖可知出口溫度330℃，出口壓力199.9kPa,熱負荷-45913.7KW，凈熱負荷-45913.7KW，汽相分率為1。由上面公式計算功：W=0kw熱交換能量：Q=45913.7kwHin=?50684.8kwHout=-96598.5kw△H=45913.7kwQ+W=△H，符合熱量衡算。5.3.2催化反應器R102的能量衡算丙烯醛和氧氣進入反應器R102進行氧化反應，得到丙烯酸，Aspen模擬數(shù)據(jù)如下表5-2所示，進入反應器的摩爾流量為3513.99kmol/h，出去為3458.77kmol/h。進入反應器的質量流量為120950kg/h,出去為120950kg/h,焓進去-96598.1kw，出去為-14908.2kw。表5-2催化反應器R102Aspen模擬結果總量單位進出摩爾流量Kmol/hr3513.993158.77質量流量kg/hr120950120950焓kw-96598.1-149082圖5-2Aspen模擬反應器R102結果由上圖看可知出口溫度300℃，出口壓力189.9kPa,熱負荷-52483.9kw，凈熱負荷-52483.9KW，汽相分率為1。功：W=0kw熱交換能量：Q=52483.9kwHin=?96598.5kwHout=?149082kw△H=?52483.9kwQ+W=△H，符合熱量衡算。5.3.3反應器R103的能量衡算丙烯酸和甲醇，在反應器R103下進行酯化反應，得到丙烯酸甲酯。Aspen模擬數(shù)據(jù)如下表5-3所示，進入反應器的摩爾流量為3158.77kmol/h，出去為3158.77kmol/h。進入反應器的質量流量為120950kg/h,出去為120950kg/h,焓進去-149082kw，出去為-182935kw。表5-3化反應器R103Aspen模擬結果總量單位進出摩爾流量kmol/hr3158.773158.77質量流量kg/hr120950120950焓kw-149082-182935圖5-3Aspen模擬反應器R103結果由上圖看可知出口溫度80℃，出口壓力179.9kPa,熱負荷-34499.7kw，凈熱負荷-34499.7KW，汽相分率為0.49。功：W=0kw熱交換能量：Q=?34499.7kwHin=?149082kwHout=?182935kw△H=-34499.7kwQ+W=△H，符合熱量衡算。5.3.4分離器V101能量衡算經(jīng)過一系列反應后，物流中含有大量的丙烯和氧氣，因此要通過氣液分離器V01進行分離。經(jīng)過Aspen模擬數(shù)據(jù)如下表5-4，進入反應器的摩爾流量為3158.77kmol/h，出去為3158.77kmol/h。進入反應器的質量流量為120950kg/h,出去為120950kg/h,焓進去-182935kw，出去為-190732kw。表5-4氣液分離器V101Aspen模擬結果單位進出摩爾流量kmol/hr3158.773158.77質量流量kg/hr120950120950焓kw-182935-190732圖5-4氣液分離器V101Aspen模擬結果由上圖可知熱負荷為-7797.28kw。功：W=0kw熱交換能量：Q=?7797kwHin=?182935kwHout=?190732kw△H=?7797kwQ+W=△H，符合熱量衡算。5.3.5丙烯酸甲酯精餾塔T101的能量衡算在精餾塔T101對上一步的剩余物質進行一定的分離，塔頂?shù)玫奖┧峒柞?、丙烯醛、丙烯酸、甲醇產(chǎn)品，塔底出來剩余廢物，Aspen模擬數(shù)據(jù)如下表5-5所示，進入反應器的摩爾流量為2301.99kmol/h，出去為2301.997kmol/h。進入反應器的質量流量為kg/h,出去為92263.7kg/h,焓進去-191903kw，出去為-191219kw。表5-5Aspen模擬精餾塔T01結果單位進出摩爾流量kmol/hr2301.992301.99質量流量kmol/hr92263.792263.7焓kw-191903-191219圖5-5Aspen模擬丙烯酸甲酯精餾塔T101由上圖可知冷凝器溫度70.6℃，熱負荷-56824.2kw,流出物流率877.174kmol/hr,回流比是6，再沸器溫度107.149℃，熱負荷為57508.5kw,在沸比3.64。功：W=0kw熱交換能量：Q=57508-56824=684kwHin=?191903kwHout=?191219kw△H=684kwQ+W=△H，符合熱量衡算。5.3.6丙烯酸甲酯精餾塔T102的能量衡算進一步精制丙烯酸甲酯Aspen模擬數(shù)據(jù)如下表5-6所示，進入反應器的摩爾流量為877.174kmol/h，出去為877.174kmol/h。進入反應器的質量流量61960.7為kg/h,出去為61960.7kg/h,焓進去-78693.1kw，出去為-79352.8kw。表5-6Aspen模擬精餾塔T02結果總量單位進出摩爾流量kmol/hr877.174877.174質量流量kg/hr61960.761960.7焓kw-78693.1-76352.8圖5-6Aspen模擬丙烯酸甲酯精餾塔T102由上圖可知冷凝器溫度111.784℃，熱負荷-5054078kw,流出物流率293.853kmol/hr,回流比是1，再沸器溫度139.605℃，熱負荷為7395.1kw,在沸比1.54。功：W=0kw熱交換能量：Q=-5054.7+7395.1=2340.3kwHin=-78693.1KwHout=-76352.8kw△H=2340.3kwQ+W=△H，符合熱量衡算。第6章主要設備設計6.1化工設備選用基本原則（1）裝備技術要求合理性的裝備設計必須完全符合生產(chǎn)工藝的基本要求,所設計選擇的生產(chǎn)設備與工藝流程、生產(chǎn)工藝規(guī)模、操作管理條件、工藝生產(chǎn)質量以及過程控制工藝水平相緊密適應,設備的實際生產(chǎn)效能及其要求水平均應能夠達到我國同類生產(chǎn)行業(yè)的先進技術水平。（2）針對設備施工安全性能的要求:保證設備正常運轉安全可靠、自控操作技術水平大小適宜、操縱穩(wěn)定、彈性好、沒有任何安全事故隱患:對設備施工工藝及所用建筑、土地、廠房結構無苛刻的安全要求;盡量減小勞動強度,盡量避免使用施工運行過程及途中的任何高溫、低壓、高空振動作業(yè);盡量避免不用危險或其他有毒、惡劣的施工設施以及附件和配套物。（3）由于設備的維護經(jīng)濟性設備需要合理的材料選材,節(jié)約了企業(yè)設備設計制造和工具購置的成本時間;由于設備維護需要安全易于進行加工、維修、更新,沒有特別嚴格的設備維修維護要求;大大減少了設備運行的維護成本;并且要考慮企業(yè)是否需要采取工業(yè)生產(chǎn)用的設備,以及工具是否在各種露天地方擺放。（4）應當采取相關政策性保護措施根據(jù)當前當下我國的實際市場情況,遵循三廢化工設備的相關設計技術文件所有者的規(guī)定及相關標準,保護環(huán)境和為全國人民廣大群眾生產(chǎn)提供安全保障良好的設備運營生產(chǎn)管理服務條件,確保安全正常生產(chǎn),使這些三廢化工處理的質量問題完全徹底消滅在一個無形的庫存狀態(tài)或者僅僅是在一個完全自動密閉的生產(chǎn)系統(tǒng)中再次。

(5)系統(tǒng)本身的化學操作過程是一個完整的系統(tǒng)。設備不僅要注意各設備的性能和產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，還要防止整個系統(tǒng)的改進和優(yōu)化?？傊?在石油天然氣化工裝置的選型與工藝設計上,我們需要充分考慮它們相關技術的先進性、安全性、經(jīng)濟性、環(huán)境衛(wèi)生和系統(tǒng)性,做到裝置的設計合理,盡量沒有遺憾。6.2催化反應器R103設計反應器模擬結果如下圖6-1所示，出口溫度300℃，出口壓力189.9KPa。圖6-1反應器R103Aspen模擬結果反應器的進出口物料組成模擬如下：表6-1反應器R103進出口流量進口出口流量71633863進料物體積流量Qv=7163m3/h，取停留時間t=15s，則床體積VR=t×Qv=29.84m3取空床速度u0=3m/s，則床層截面積為AR=VR/u0=29.84/3=9.94m