年产10000吨甲基丙烯酸甲酯(MMA)工艺设计要求.doc

年产10000吨甲基丙烯酸甲酯(MMA)工艺设计要求摘要甲基丙烯酸甲酯(MMA)因其优异的性能和广泛的用途，已成为一种极具市场潜力的化工产品。本文主要介绍了甲基丙烯酸甲酯(MMA)主要的生产技术和开发进展以及各种工艺的技术经济分析，并阐述了国内外MMA的生产能力和需求现状。分析了国内外甲基丙烯酸甲酯市场需求及其发展趋势，介绍了国内甲基丙烯酸甲酯拟建、扩建项目，并就甲基丙烯酸甲醋的产品性质、用途、市场分析、供需情况、消费发展趋势，以及根据分析结果，给出了一些建议。提出了产业发展中应该注意规避的几个问题。设计根据既定的工艺路线和工艺条件，采用相关的单元过程及单元操作，设计出优化的工艺流程，并根据工艺条件选择出合适的设备，设计出合理的厂房布局，以满足生产的要求，并做到技术上可行、符合安全条例、经济上合理，确定最优方案，以达到使其工艺产率增加，能耗降低，降低环境污染的目的。关键字：甲基丙烯酸甲酯；生产技术；经济分析；市场目录引言5第1章 绪论61.1 甲基丙烯酸甲酯概述61.1.1 甲基丙烯酸甲酯理化性质61.1.2 甲基丙烯酸甲酯的用途91.2 甲基丙烯酸甲酯的生产方法101.2.1 国内外MMA生产方法101.2.2 甲基丙烯酸甲酯不同生产工艺对比181.2.3 综合分析201.2.4 结论201. 3 甲基丙烯酸甲酯市场状况及发展前景211.3.1 世界市场211.3.2 国内市场241.3.3 甲基丙烯酸甲酯行业发展前景281.4 研究目的及意义301.5 课题简介30第2章 设计生产方法及工艺流程302.1 ACH法工艺技术特点302.1.1 反应原理312.1.2 酯化反应工艺条件322.1.3 甲基丙烯酸甲酯ACH法生产流程框图342.2甲基丙烯酸甲酯ACH法生产流程叙述352.2.1 反应循环352.2.2 回收及分离362.2.3 提纯精制系统38第3章 工艺计算403.1物料衡算403. 2 物料衡算表413.3 热量衡算433.3.1 混合釜433.3.2 酰胺反应釜44第4章 主要设备及管道的选择及计算454.1 主要设备选择及计算454.1.1 混合釜454.1.2 酰胺反应釜464.1.3 多级酯化釜464.1.4 其他设备474. 2 主要物料管道材质选择474.2.1 98%硫酸、20%发烟硫酸管道474.2.2 100%硫酸管道474.2.3 丙酮氰醇管道474.2.4 MMA管道484.2.4 高温废酸液输送管道484.2.5 生产污水管484.3 结语48第5章 主反应釜设计495.1 混合釜设计495.1.1 已知条件495.1.2 筒体和夹套的设计495.1.3反应釜的附属装置515. 2 酯化反应釜设计525.2.1 设备设计条件525.2.2 筒体和夹套的设计52第6章 车间布局设计546.1 车间主要设备546.2 车间布局设计546.2.1 厂房的整体布局设计556.2.2 车间的设备布置设计55结论和展望55致 谢56参考文献57引言甲基丙烯酸甲酯(简称MMA)是一种重要的有机化工原料，主要作为聚合单体用于生产其聚合物和共聚物，还可通过酯交换用于生产甲基丙烯酸高碳酯。甲基丙烯酸甲酯的主要下游产品聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)-有机玻璃是一种发展较早的重要热塑性塑料，具有极好的透明性、化学稳定性、耐候性等优良特性，广泛用于汽车、建筑、卫生洁具等方面，它可代替玻璃作为不易破碎的建筑材料。PMMA高分子材料适用于制造高级光学镜头、高级光学仪器透镜、高容量DVD碟片片基材料、汽车尾灯灯罩、液晶显示器导光板等产品，具有良好的市场前景。另外，甲基丙烯酸甲酯还用于涂料、乳液树脂、粘合剂、PVC树脂改性剂、聚合物混凝土、腈纶第二单体、纺织浆料、医药功能材料，离子交换树脂、纸张上光剂、纺织印染助剂、皮革处理剂、润滑油添加剂、原油降凝剂、木材和软木材的浸润剂、电机线圈的浸透剂、绝缘灌注材料和塑料型乳液的增塑剂等，用途十分广泛。一直以来，甲基丙烯酸甲酯在人们日常生活中有不可或缺的作用，渗透于人们生活中的方方面面。甲基丙烯酸甲酯在药剂中主要用作粘合剂和溶剂。作粘合剂时,常添加适宜的过氧化物使其聚合。此外也用于制备丙烯酸醋树脂以及其他聚合物的单体。第1章绪论1.1甲基丙烯酸甲酯概述1.1.1甲基丙烯酸甲酯理化性质1、理化性质国标编号：32149CAS号：80-62-6中文名称：甲基丙烯酸甲酯英文名称：Methylmethacrylate；Methacrylicacid，methylester别名：异丁烯酸甲酯；牙托水；有机玻璃单体分子式：C5H8O2；CH2C(CH3)COOCH3外观与性状：无色易挥发液体，并具有强辣味分子量：100.12蒸汽压：5.33kPa/25闪点：10熔点：-50沸点：101溶解性：微溶于水，溶于乙醇等密度：相对密度(水=1)；相对密度(空气=1)稳定性：稳定用途：主要用作有机玻璃的单体，也用于制其他塑料、涂料等危险标记：7(易燃液体)主要用途：用作有机玻璃的单体，也用于制造其它树脂、塑料、涂料、粘合剂、润滑剂2.对环境的影响:一、健康危害侵入途径：吸入、食入。健康危害：人对本品气味感觉阈浓度为85mg/m3，刺激作用阈浓度(暴露1分钟)为285mg/m3。中毒表现为乏力、恶心、反复呕吐、头痛、头晕、胸闷、伴有短暂的意识消失、中性白细胞增多症。慢性中毒：神经系统受损的综合症状占主要地位，个别可发生中毒性脑病。可引起轻度皮炎和结膜炎。接触时间长可致麻醉作用。二、毒理学资料及环境行为毒性：为麻醉剂，麻醉浓度和致死浓度几乎相同，有弱的刺激作用。急性毒性：LD507872mg/kg(大鼠经口)；LC503750ppm(大鼠吸入)；人吸入725ppm，最小致死浓度；人吸入62ppm20-90分钟，粘膜刺激；人吸入12.5-25ppm2090分钟，头晕，恶心，意识障碍。亚急性和慢性毒性：狗吸入46800ppm1.5小时/日8日，绝对致死浓度，肝、肾有损害。致突变性：微粒体致突变：鼠伤寒沙门氏菌34mmol/L。生殖毒性：大鼠吸入最低中毒浓度(TCL0)：109g/kg(孕615天用药)，致胚胎毒性，对肌肉骨骼系统有影响。危险特性：遇明火、高热或与氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险。若遇高热，可能发生聚合反应，出现大量放热现象，引起容器破裂和爆炸事故。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。燃烧(分解)产物：一氧化碳、二氧化碳。3.现场应急监测方法:4.实验室监测方法:气相色谱法空气中有害物质的测定方法，杭士平主编羟胺-氯化铁比色法空气中有害物质的测定方法，杭士平主编5.环境标准:前苏联车间空气中有害物质的最高容许浓度10mg/m3前苏联(1975)居民区大气中有害物最大允许浓度0.1mg/m3(最大值，昼夜均值)前苏联(1975)水体中有害有机物的最大允许浓度0.01mg/L嗅觉阈浓度0.21ppm6.应急处理处置方法:一、泄漏应急处理切断火源。戴自给式呼吸器，穿一般消防防护服。在确保安全情况下堵漏。喷水雾可减少蒸发。用砂土、蛭石或其它惰性材料吸收，然后运至空旷的地方掩埋、蒸发、或焚烧。或用不燃性分散剂制成的乳液刷洗，经稀释的洗液放入废水系统。如大量泄漏，利用围堤收容，然后收集、转移、回收或无害处理后废弃。二、防护措施呼吸系统防护：空气中浓度较高时，建议佩戴防毒面具。眼睛防护：戴化学安全防护眼镜。防护服：穿防静电工作服。手防护：必要时戴防护手套。其它：工作现场严禁吸烟。工作后，淋浴更衣。注意个人清洁卫生。三、急救措施皮肤接触：脱去污染的衣着，用肥皂水及清水彻底冲洗。眼睛接触：立即翻开上下眼睑，用流动清水冲洗15分钟。就医。吸入：脱离现场至空气新鲜处。呼吸困难时给输氧。呼吸停止时，立即进行人工呼吸。食入：误服者给饮足量温水，催吐，就医。灭火方法：雾状水、泡沫、二氧化碳、干粉、砂土。化工应用：是有机玻璃单体。用于制造其他树脂、塑料、涂料、粘合剂、润滑剂、木材和软木的浸润剂、电机线圈的浸透剂、纸张上光剂、印染助剂和绝缘灌注材料.可作人造石的无缝连接材料。1.1.2甲基丙烯酸甲酯的用途甲基丙烯酸甲酯(简称MMA)是一种重要的有机化工原料，主要作为聚合单体用于生产其聚合物和共聚物，还可通过酯交换用于生产甲基丙烯酸高碳酯。甲基丙烯酸甲酯的主要下游产品聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)-有机玻璃是一种发展较早的重要热塑性塑料，具有极好的透明性、化学稳定性、耐候性等优良特性，广泛用于汽车、建筑、卫生洁具等方面，它可代替玻璃作为不易破碎的建筑材料。PMMA高分子材料适用于制造高级光学镜头、高级光学仪器透镜、高容量DVD碟片片基材料、汽车尾灯灯罩、液晶显示器导光板等产品，具有良好的市场前景。另外，甲基丙烯酸甲酯还用于涂料、乳液树脂、粘合剂、PVC树脂改性剂、聚合物混凝土、腈纶第二单体、纺织浆料、医药功能材料，离子交换树脂、纸张上光剂、纺织印染助剂、皮革处理剂、润滑油添加剂、原油降凝剂、木材和软木材的浸润剂、电机线圈的浸透剂、绝缘灌注材料和塑料型乳液的增塑剂等，用途十分广泛。甲基丙烯酸甲酯(MMA)的聚合物由于具有良好的透明性和耐候性,而广泛使用于招牌、显示器、水槽、车辆、低压电器、建筑材料、涂料、光学材料、纸涂层及树脂改性等。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在交通运输业、建筑业及电子工业中都有广泛应用,而且已逐渐渗透到非透明体的应用中。由于PMMA具有良好的表面性能(硬度、光泽、手感),可以应用到浴缸、窗框、钢笔和牙刷等日常用品中。1993年Rohm&Hass公司实现了PMMA的工业化生产,在一定程度上取代赛璐珞和苯酚树脂。由于价格和原料方面的问题,聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等树脂的用量已经远远超过了PMMA。但是利用MMA有可能设计出具有应用前景的分子结构,而且可以解聚重新加以作用。所以今后MMA单体可望有大的需求。1.2甲基丙烯酸甲酯的生产方法1.2.1国内外MMA生产方法目前国内外MMA已工业化的生产技术有丙酮氰醇法、乙烯法、异丁烯直接氧化法、甲基丙烯腈法和改进丙酮氰醇法。一、传统生产技术1909年，Roehm与OttaHass组建了化学品生产公司。1933年，该公司建成第一套甲基丙烯酸甲酯(MMA)工业化装置。其合成路线是先将丙酮与氰化氢反应生成丙酮氰醇(ACH)，再将ACH转化成一羟基异丁酸酯，最后用五氯化磷为脱水剂脱水生成甲基丙烯酸甲酯。1934年，ICI公司推出一种生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)专利，先将ACH转化为甲基丙烯酰胺硫酸盐，然后再水解、酯化生成甲基丙烯酸酯。这一工艺成为目前ACH工艺生产MMA所采用的路线，这一技术路线约占世界MMA总生产能力的80。如果生产商有廉价的氢氰酸(HCN)来源。则ACH工艺是相当经济的。但尽管如此。这种工艺仍存在需处理大量硫酸氢铵副产品问题。每生产1吨MMA则产生1.2吨硫酸氢铵。鉴于该工艺存在的副产品处理问题以及期望避免使用和制取剧毒性HCN，进行了大量的研究工作，旨在开发新的低成本的MMA生产技术。前10-15年间，已有大量替代的MMA生产工艺投入工业化应用，也有一些其他工艺即将投入应用。这些新工艺色彩纷呈，有的采用新的原料，如异丁烯、乙烯甚至甲基乙炔(丙炔)；有的再循环使用HCN或硫酸氢铵。与此同时。现有工艺也继续得到改进和完善。已工业化应用的工艺有：(1)丙酮氰醇(ACH)路线ACH法是由英国ICI公司最早工业化生产MMA的方法，也是目前世界最主要的MMA生产工艺。该法技术先进、成熟可靠、产品收率高、质量好、竞争力较强，得到广泛应用，目前世界采用ACH法的MMA约占总产量的80%左右。ACH法的不足之处是原料氢氰酸的供应问题，氢氰酸是剧毒物质，建设氢氰酸合成装置受到技术、原料和环保等多个方面条件的限制。氢氰酸其他比较经济的来源是丙烯腈装置的副产，但这将使MMA生产受到丙烯腈装置开工率的影响。ACH法的另一个欠缺是废液处理问题。与其他工艺相比，ACH法需配套建设价格昂贵的酸性残液处理回收装置，回收硫铵。因此采用ACH法的MMA装置需有具有较大的规模才能保持较强的竞争力。如果副产硫铵能够在当地以较合理的价格销售，会进一步提高其竞争力。该工艺以丙酮和氢氰酸(或购买ACH)为原料开始，然后进行脱水、水解和酯化。大型装置主要采用这种工艺。但该工艺仍需进一步改进和提高，尤其是改善脱水/水解这一环节。反应式见式(1)：三菱气体化学公司开发了一种再循环型的ACH路线。在该路线中，先按常规方法以丙酮和氢氰酸为原料生产ACH，然后将ACH水解成一羟基异丁酰胺，一羟基异丁酰胺再与一氧化碳和甲醇在压力下反应生成甲酰胺和甲基一一羟基异丁酸酯。甲基一一羟基异丁酸酯脱水便生成MMA，而联产品甲酰胺可脱水生成HCN，再循环使用。这一工艺称为MGC(RHNC)路线。反应式见式(2)。日本已建有一套工业化装置。(2)异丁烯（I-C4法）/叔丁醇氧化（ASAHI法）路线异丁烯氧化法于1982年由日本三菱人造丝公司（MitsubishiRayonCo.Ltd.）首先实现工业化，目前日本共同单体公司（KyodoMonomerLnc.）和立邦MMA单体公司（NihonMethacrylCo.Ltd.）也采用异丁烯法生产MMA，此法在日本所占比例较大，约占其总能力的60%。九十年代韩国乐喜公司（LGMMACorp.）通过合资形式也获得该技术，建成了5万tPa和5.5万tPaMMA装置。该工艺技术先进，成熟可靠，原料异丁烯易得，生产过程简单，成本低，具有一定竞争力。日本旭化成公司（AsahiChemicalIndustryCo.Ltd.）最近又开发了改进异丁烯氧化技术，1999年1月建成6万tPa基于该工艺的MMA装置。据旭化成公司介绍，与原异丁烯法相比，新工艺缩短了流程，将MMA的收率由原来的67%提高到81%，减少了原来MMA生产过程中产生的废物，同时使甲基丙烯酸的回收和净化工作量大大减少。因此新工艺在原料上明显低于传统方法，投资也略低一些。该工艺包括两步气相氧化异丁烯(或叔丁醇)生成甲苯丙烯酸，然后再酯化生成MMA。远东地区已有工业化生产装置。反应式见式(3)。现还开发了一种先将异丁烯气相氧化成甲基丙烯醛的新工艺。生成的液态甲基丙烯醛先与甲醇混合，然后以Pd/Pb为催化剂，用空气在液相中氧化生成甲基丙烯酸，同时酯化生成MMA。这一工艺称为旭化成直接法或旭(D)路线。反应式见式(4)。最近，旭化成公司已在日本将旭(D)工艺投人生产运行，取代了其另一项基于甲基丙烯腈的独特技术。(3)乙烯羰基化（BASF法）路线乙烯生产MMA是德国BASF公司开发成功的专利技术，目前世界上仅BASF公司采用此法生产MMA，于1988年建成3.6万tPa生产装置。乙烯法生产MMA工艺包括4个步骤：乙烯经氢甲酰化反应制取丙醛；丙醛和甲醛经缩合反应生产甲基丙烯醛；甲基丙烯醛空气氧化制甲基丙烯酸；甲基丙烯酸经甲醇酯化生成MMA。工艺的优点是工艺简单，原料易得，具有一定的竞争力，特别是与大型石化乙烯装置联合一体化生产更具优势。但BASF公司从未转让过该技术，也没有建立乙烯法MMA的合资装置。该路线先对乙烯进行羰基合成(醛化)生成丙醛，再与甲醛缩合生成甲基丙烯醛，然后再氧化、酯化生成MMA。因是首家也是唯一一家使用本路线的公司是巴斯夫公司，故该工艺也称为巴斯夫路线。反应式见式(5)。在德国路德维希港有一家工厂采用巴斯夫路线工业化生产MMA.这一路线的欠缺之处是生产中有中间产物甲基丙烯醛，而甲基丙烯醛的氧化成本很高。二、新开发的技术(1)璐彩特国际公司-MMA路线英国甲基丙烯酸甲酯(MMA)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)生产商璐彩特(Lucite)国际公司将第一次采用其AlphaMMA(-MMA)新技术在新加坡建设甲基丙烯酸甲酯(MMA)装置，这是该工艺开发10年后将建设的第一套装置，能力为12万吨/年，已于2006年8月中旬投入建设。定于2008年初投产。该装置设计采用数据来自完全一体化、连续式的微型装置(由Davy过程技术公司建造)。该微型装置概念包含了中型装置至工业规模装置的设计详情，而却可按实验室规模的费用基准操作，典型的放大因子为10000-30000。可代替常规开发路线(设计、建造和运作验证)。该微型装置概念使放大到工业装置的中试时间减少到3年。璐彩特公司从乙烯、甲醇和CO生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)的一工艺与基于丙酮和氢氰酸或异丁烯的现有技术相比，可减少生产费用4045。一工艺不产生任何废物，而且选择性高。待新加坡这套12万吨/年MMA装置建成后，璐彩特公司将计划建设25万吨/年MMA装置为常规装置规模的2倍以上，初定于2011年建成。-工艺将乙烯进行羰基化和酯化制备甲基丙酸酯(采用钯基均相羰基化催化剂，对甲基丙酸酯的选择性超过999，而无需复杂的分离工序。温度、压力和腐蚀性等工艺条件缓和)，甲基丙酸酯与甲醛在几乎无水的条件下反应生成甲基丙烯酸甲酯(采用长寿命的均相催化剂，甲基丙酸酯的选择性超过96，甲醛的选择性超过85)。这一路线的优点是反应中不生成异丁烯醛中间产物。新工艺在缓和条件下操作，有高的产率。该工艺不使用有毒或有腐蚀性的化学品，其维护费用比现有技术要低得多。唯一的废弃产物为水和重质酯类。酯类可用作过程燃料。新技术选用原材料方便，无其他工艺过程的副产物。反应式见式(6)。在璐彩特公司现有装置中，MMA用常规的三段法工艺生产，丙酮和氢氰酸组合生成丙酮氰醇。丙酮氰醇再转化成MMA。新工艺与现有工艺相比。有成本上的优势。因为无需依赖丙酮、氢氰酸和异丁烯，并且无需高成本建造材料的酸回收装置。在ICI专利中考虑了从原料甲醛中除去水、回收未反应甲醛、分离和再循环大量的甲基丙酸酯和甲醇以及提纯MMA产品和副产品丙酸。(2)RTI-Eastman-Bechtel路线RTI(ResearchTriangleInstitute)一EastmanBechtel三步路线先将乙烯进行加氢羰基化生成丙酸，丙酸再与甲醛缩合生成甲基丙烯酸，最后酯化生成MMA。这一路线存在的问题是缩合催化剂寿命有限。该路线缩合反应中甲基丙烯酸的选择性比璐彩特路线中的选择性略低。然而，从整体上而言，RTIEastmanBechtel路线所需投资比巴斯夫路线和璐彩特乙烯路线要低。(3)改进的巴斯夫路线巴斯夫推出一条将乙烯同时羰基化/酯化生成甲基丙酸酯。再与甲缩醛缩合生成MaMA的路线。巴斯夫现将这种简化的巴斯夫路线投入应用。该路线中的缩合催化剂寿命尚不清楚，实验室试验表明，新鲜催化剂表现出较高的选择性和高转化率。但回收率较低。假如能找到长寿命的缩合催化剂，则理想的巴斯夫改进路线就能产生良好的经济效益。该路线的优点在于工艺简单。单程转化率高和选择性很高。该路线尚未工业化应用。可能是尚未找到寿命理想的催化剂。(4)异丁烷氧化路线该工艺将异丁烷氧化脱氢生成甲基丙烯醛/甲基丙烯酸，与异丁烯选择性氧化相似。已有许多公司对此进行了研究，研究进展最快的是埃尔夫阿托化学和住友化学公司。该工艺具有原材料成本较低的优点。反应式见式(7)。迄今，至少已有三家公司申请了该工艺专利：埃尔夫阿托化学公司、住友化学公司和Roehm化工公司。表1比较了异丁烷氧化工艺和异丁烯氧化工艺的原材料成本。比较表明。前者具有成本节约的潜力。但尽管异丁烷氧化路线很简单。然而即使使用基于铯和钼促进剂的多组分新催化剂。异丁烯单程转化率仍然很低(9-12)，对甲基丙烯酸的选择性也在50左右。(5)丙炔路线丙炔羰基化/酯化直接生成MMA路线由壳牌公司开发。该技术现属于Ineos公司。该路线工艺简单。但在原材料供应方面有局限性。反应式见式(8)。(6)MGC路线三菱气体化学公司(MGC)开发了一条独特的工业化生产MMA的路线：HCN循环利用路线。它可满足HCN供应不足和废物排放限制的要求。该公司现又开发出一条改进的生产路线，即MGC路线。该工艺再循环使用的是氨而不是HCN。尽管该工艺的原材料净成本没有太大的降低，但它的设备投资费用低且所需原材料易于获得。(7)丙烯羰基化路线丙烯羰基化路线先使丙烯羰基化生成异丁酸，然后脱氢生成甲基丙烯酸，最后酯化生成MMA。反应式见式(9)。尽管该工艺有经济上的竞争优势，但可能因为设备设计较为困难，故尚未引起太大关注。(8)丙酸酯化路线伊士曼化学公司成功地开发出使用Nb/SiO2催化剂的丙酸和甲醇氧化酯化生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)-工艺。该工艺的催化剂制备过程为：在36二氧化硅含水悬浮液中慢慢加入NbF，然后逐渐加热脱水，把所得固体材料在300高温下焙烧4小时，再在450下焙烧6小时。试验过程为：催化剂装入不锈钢反应器中，通入氮气保护，加热至300，原料丙酸和甲醇引入预反应器，将反应器中通入氧气两个多小时后即得到甲基丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯。(9)其他路线中东现大量生产MTBE用于出口，但是，美国将禁用MTBE的趋势将使其寻求MTBE的替代出路。Nexant化学系统公司提出了基于异丁烯生产MMA的联合装置流程，见图1。图1MMA-MTBE联产流程(MMA生产作为基于MTBE的异丁烯联产装置的一部分)日本催化合成公司已提出MTBE生产MMA的工艺路线，该流程可组合多种异丁烯利用项目，如丁基橡胶、异戊二烯和MMA。为MTBE的综合利用将带来重要的技术和贸易发展机遇。表21999年世界MMA工艺路线分别（单位：万t）1.2.2甲基丙烯酸甲酯不同生产工艺对比西方研究机构对上述MMA的工艺路线进行成本对比，以下对其分析过程和结果进行介绍。在美国、海湾地区采用不同工艺路线新建MMA装置，装置规模均选定为4.5万tPa(ACH-L法装置规模选定为13.6tPa)，ACH法和ASAHI法装置包括废酸回收处理部分。表3MMA主要生产工艺路线路线成本对比（单位：美分P磅）原料取价：丙酮586$Pt，硫酸53$Pt，异丁烯604$Pt，氧气49$Pt，乙烯573$Pt，甲醇144$Pt技术经济比较：Nexant公司对一系列工业化和正在开发的MMA生产路线成本进行分析比较，结果见表4。表4各种工艺路线MMA生产费用估算由表4可见，BASF路线的生产成本较高。除了原料价格和原料成本上的原因以外，另一个主要原因是该路线使用了丙醛缩合生成甲基丙烯醛中间产物，而甲基丙烯醛必须氧化成甲基丙烯酸，这就增加了该路线的复杂性，造成投资增多，公用工程费用增加。在催化剂得到改进后，BASF路线也得以改进。改进后的路线(BASF新路线)中生成的甲基丙酸醋中间产物，而不是丙醛，从而它比丙醛路线节约成本。旭直接氧化路线的原材料成本比BASF路线要低许多。MGC（R-ACH）路线的技术经济性质是一个初浅的概念，该路线公用工程费用高，故经济上并无优势。1.2.3综合分析上述比较表明，在MMA的生产工艺中，异丁烯法、大规模的丙酮氰醇法和乙烯法是生产MMA最具有竞争力的工艺，MGC法生产路线生产成本要高于以上三种工艺的成本，但要优于同等中型丙酮氰醇法工艺。对于丙酮氰醇法来讲，装置规模对产品影响很大。甲基丙烯腈法由于工艺复杂，投资过高而缺乏竞争力。事实上，如前所述旭化成公司已放弃了该工艺，而转向开发改进异丁烯技术。其新的改进异丁烯法1999年才取得产业化成功，尚未完全公开，至今没有咨询机构对其进行评估比较。我国现有的MMA全部采用ACH法，装置规模小，原材料消耗高、污染重、产品成本高。我国加入世贸组织后，为保证市场竞争力，提高我国MMA整体水平，今后国内新建MMA装置必然会引进国外先进技术，并应具备一定的经济规模。在诸多的MMA生产工艺中，ACH法、异丁烯法、乙烯法是最具有竞争力的工艺。但乙烯法由于国内乙烯产量供不足需，且运输和储存条件苛刻、成本高，同时BASF公司一直对转让乙烯法技术不积极等原因，在我国并不适用。在我国新建MMA装置究竟选择ACH法还是异丁烯法，要根据各地的实际条件，尤其是原料供应，进行选择。异丁烯法装置的原料采用MTBE裂解制得，MTBE是大宗商品，生产工艺简单成熟，国外生产公司较多，产量大、易采购、好运输，在工艺上很容易裂解制得异丁烯，我国燕山石化公司已成功开发MTBE裂解制异丁烯技术，并建成了一套4万tPa高纯异丁烯生产装置。1.2.4结论根据国外已发表的资料，中等规模装置（4-6万tPa）的投资，异丁烯法要低于丙酮氰醇法，而丙酮氰醇法的优势在较大规模的装置（10万tPa）上将显现出来，其单位投资将明显降低。因此在选择工艺路线时，必须根据市场情况考虑装置的规模效应，找到原料的、市场和投资的最佳结合点。目前国内MMA市场需求形式较好，但这也促使了大量的MMA项目产生，未来几年竞争必然加大。另外，考虑到国内技术现状及本人知识层面不够，本设计使用ACH法生产MMA，并对其进行适当的优化，未来市场火爆时，也可迅速在原规模上进行扩大生产。1.3甲基丙烯酸甲酯市场状况及发展前景聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是甲基丙烯酸甲酯（MMA）的均聚物或共聚物，俗称有机玻璃，美、英、德、日等国家均称之为Acrylics（压克力）。有机玻璃是具有无定型结构的高透明热塑性材料，其透光率达90%-92%，折光指数1.49，是透光性最好的热塑性塑料。有机玻璃具有优良的机械性、抗碎裂性、耐气候性、耐腐蚀性和电绝缘性，适宜于机械加工、热塑成型、吹塑、吸塑、溶剂胶合、热印、丝网印刷等二次加工，产品广泛应用于国防军工、建筑、交通运输、广告装潢、文教卫生、仪器仪表、日用品等领域。1.3.1世界市场一、供需现状2007年世界MMA生产能力341.6万t/a，产量约304.5万t，装置开工率89%。MMA生产主要集中在美国、西欧和日本三个发达国家和地区的20多家工厂，生产能力合计约228万t/a，占世界总生产能力70%。在世界其它地区，现有和在建的较大规模MMA生产装置大部分也属于欧、美、日生产公司的合资企业、子公司或许可生产。世界MMA的生产以丙酮氰醇法为主，约占总产能的80%。其余大部分采用异丁烯法。美国和西欧的MMA生产装置主要采用丙酮氰醇法，而日本MMA生产主要采用异丁烯法。另外，东亚、东南亚一些新建装置也采用了日本的异丁烯直接氧化法技术。根据国外研究机构最新统计，截至2008年上半年，全球MMA总产能已增至363.5万t/a，美国、西欧、中东欧和中南美的产能变化很小，主要增长在亚太地区，亚太地区产能已增至177万t/a。英国Lucite国际公司（原IneosAcrylics公司）是世界最大的MMA生产商，在美国、英国和我国台湾拥有生产装置，其总能力占世界总能力的21.7%。美国RohmandHaas公司是世界第二大MMA生产公司，其在Texas的36万t/a生产装置是世界最大的MMA装置。世界其它MMA主要生产企业还包括德国Degussa、法国Total、日MitsubishiRayon（三菱人造丝）、Sumitomo（住友）和AsahiKaseiChemicalIndustry（旭化成）等。2007年世界MMA主要生产企业列于表5。表52007年世界MMA主要生产企业近几年，世界新增MMA产能主要集中在亚洲地区。2005年，上海璐彩（Lucite）公司在上海化工区9万t/aMMA和6万t/aPMMA装置投产；新加坡SMM公司扩增3万t/a；中国惠州惠菱化成有限公司7万t/aMMA装置2006年底建成投产；泰国MMA公司新增2万t/a；韩国LGMMA公司丽水MMA装置增加8万t/a产。20052007年间，亚洲新增产能合计为29万t/a。国外MMA主要消费于生产丙烯酸树脂和塑料（有机玻璃浇铸、挤出片材和模塑料），在美国、西欧和日本分别占各自国家和地区消费比例的48.1%、58.8%和49.9%。其次是表面涂料，在美国和西欧分别占22.5%和24.4%。MMA在欧美日发达国家属市场成熟产品，高性能PMMA树脂的不断开发成功，为其市场应用注入了新的活力。2007年世界MMA消费量约304.2万t，其中亚洲需求急剧增加，达到145.5万t（含日本），近两年我国MMA市场年均增长速度高达13%，而且需求仍在不断扩大。MMA最主要的下游产品有机玻璃（PMMA）具有光学透明特性、耐气候性、电绝缘性、耐药品性、耐冲击性、质量轻及易成型性等优点，发达国家广泛应用于建筑、汽车、照明器材、光学仪器、展览橱窗以及各种工业用、家用、医用设备等领域。由于有机玻璃大量应用于建筑、汽车等行业，因此其发展速度受整个国民经济的发展速度的影响很大。近几年，世界信息产业的高速发展，电脑和平板电视大量采用液晶显示器（LCD）替代传统的阴极射线管（CRT）监视器，使LCD的消费量持续增长，今后几年预计发展速度将进一步加快。PMMA模塑料是LCD面板的主要原料，LCD需求的迅速增长大大促进了光导用PMMA切片和粒料的生产发展。由于LCD等电子器件，以及广告牌用品、汽车配件、人造大理石等在亚太地区的需求量迅速增长，带动了MMA和PMMA的需求，MMA和PMMA已成为亚太地区今后的投资热点。世界各大生产厂商都十分看好亚洲MMA市场前景，纷纷计划在亚洲新建和扩建MMA项目，以获取高额利润，亚洲MMA生产迎来了巨大的发展机遇。在新建项目时，欧美企业仍倾向于使用传统的丙酮氰醇法工艺，而日、韩、台公司倾向采用异丁烯法技术。由于这两种工艺在原料供应上均存在一定的限制条件，因此投资者更可能以合资、合作形式出现，即在当地寻找合作伙伴共同建设。二、供需预测除日本之外的亚洲其他地区将成为MMA未来生产与消费的主要地区，大部分新建装置将集中在这一地区。预计未来几年将是MMA产能高速增长时期，由于亚洲地区MMA下游产品年消费增长率一直保持两位数增长，因此许多企业计划在亚洲新建或扩建MMA生产装置。预计2011年世界MMA生产能力将达到420.7万t/a，较2006年新增88.3万t/a，其中亚洲其他地区将新增产能66.6万t/a，其总产能达到155万t/a。在亚洲其他地区中，我国大陆、韩国、新加坡和泰国是MMA产能主要增长地区。20112016年期间，预计世界MMA生产能力将进一步增加至492.6万t/a，中东地区也将开始MMA生产，沙特国际石化公司（Sipchem）与璐彩特的合资公司在朱拜勒建设的25万t/aMMA装置预计2012年建成。预计今后几年世界MMA市场需求将以每年5%左右的速度增长，需求增速超过期GDP增长速度，2011年达到371.3万t左右，2016年增长至420万t左右。同期，亚洲MMA市场需求增长更为迅速，达到年均8.4%。我国MMA市场年均增长速度高达9.4%，未来几年将成为仅次于美国和日本的全球第三大消费市场。亚洲MMA需求增长的主要动力，将来自于液晶显示器、建筑和汽车领域。世界PMMA下游增长最迅速的LCD市场，预计20062011年将年均增长16.8%，20112016年需求年均增长7.1%，需求增长主要受到电脑和平板电视市场增长的驱动。1.3.2国内市场一、我国甲基丙烯酸甲酯生产现状我国甲基丙烯酸甲酯最早由有机玻璃废料裂解制得。目前，生产厂家有10多家，总生产能力约为6.4万吨/年(不含裂解单体的生产厂家和生产能力)，生产工艺全部采用丙酮氰醇法。由于我国丙酮氰醇供应严重不足以及生产规模等因素的影响，我国甲基丙烯酸甲酯产品的生产成本很高，生产发展缓慢。加上进口产品凭借价格较低的优势，大量涌入我国，进一步冲击国内甲基丙烯酸甲酯的生产，使得国内甲基丙烯酸甲酯的开工率很低。除此之外，我国还有30多家裂解单体生产甲基丙烯酸甲酯的厂家，这些生产厂家将有机玻璃边角料、机头料、废料回收重新裂解生产，厂家主要分布在江苏、浙江和广东等地，以私营或乡镇企业为主，总裂解生产能力约为6-7万吨/年，年产量约为2.5-2.8万吨，产品纯度为98左右，最高可以达到99。我国甲基丙烯酸甲酯生产厂家的生产工艺路线基本类同，有一部分生产厂采用氰化钠为原料，经与硫酸反应生产氢氰酸，再与丙酮作用生成丙酮氰醇，进而制得甲基丙烯酸甲酯的原料路线，浪费了大量的硫酸和氢氧化钠，并产生大量的含氰废水，对环境污染大，生产成本高；大部分生产厂家采用丙烯腈装置副产的氢氰酸直接生产丙酮氰醇，进而生产甲基丙烯酸甲酯的原料路线。除此之外，我国还有一部分生产厂家采用轻油裂解法和有机玻璃边角余料裂解法来生产甲基丙烯酸甲酯。到目前为止，我国还没有建立采用其它方法生产甲基丙烯酸甲酯的生产装置。国内早期的MMA生产是由有机玻璃废料经裂解而制取的。20世纪50年代末期，先后在苏州安利化工厂和上海制笔化工厂各建了一套1000t/a和6000t/a装置，工艺均采用丙酮氰醇路线。20世纪70年代又陆续建设了一批中小型装置。20世纪80年代末期开始从国外引进技术，建设较大规模的MMA生产装置，黑龙江安达龙新化工有限公司和抚顺有机玻璃厂先后从意大利Vedril公司和捷克PLZ公司引进2万t/a和1.3万t/a的装置。经过重组改造，吉化公司已成为国内最主要的MMA生产企业之一，已形成12.8万t/a产能；2007年4月，日本三菱（合纤）丽阳株式会社在我国最大的投资项目广东惠州大亚湾石化工业区惠菱化成公司9万t/aMMA项目建成投产，成为国内首家采用异丁烯工艺的MMA企业。2007年我国MMA生产能力达到35.8万t/a，产量约30万t。目前国内MMA主要生产企业见表6。表6国内MMA主要生产企业的生产情况此外，我国还有上百家小型有机玻璃裂解生产MMA的企业，年产量在12万t左右，主要分布在华东、华南和华北地区，尤其集中在江苏、浙江和广东等地，以私营或乡镇企业为主。这些生产厂将有机玻璃制品回收料、有机玻璃生产加工过程产生的边角料、机头料、废料加以裂解生产低档次的MMA产品，其裂解原料主要来自进口和废料回收。现阶段新建、扩建计划：（1）赢创（原德固赛Degussa）公司。投资2.5亿欧元在上海漕泾建设MMA和甲基丙烯酸酯精细化学品一体化联合装置，MMA和PMMA装置能力分别为10万t/a和4万t/a，采用异丁烯法技术。国家发改委于2007年4月初批准了该项目建设。2007年9月该项目举行奠基仪式，定于2009年投运。（2）上海璐彩特公司。计划将其生产能力由9万t/a扩建到11.5万-15万t/a（视上游丙烯腈装置情况确定）。（3）吉化公司。随着其丙烯腈装置的不断扩建，氢氰酸副产量增加，其下游的MMA装置势必加以扩建，其扩建规模也将视上游丙烯腈装置扩建情况确定。（4）黑龙江中盟龙新化工有限公司。该公司是国内主要有机玻璃生产企业之一，现有2.5万t/aMMA产能，计划新建5万t/aMMA项目。2011年国内MMA生产能力将达到55万t/a左右（不包括裂解有机玻璃废料的MMA产能）。二、国内MMA供需预测我国近年MMA和PMMA模塑料净进口量列于表6。表6我国MMA和PMMA模塑料年进口量进口量自2004年以来开始有所下降，出口量大幅度增加。2007年，国内MMA进口量为7.26万t，PMMA进口量达到14.94万t。我国大陆MMA进口主要来自日本、德国、我国台湾省、泰国、韩国和新加坡等地区，PMMA进口主要来自韩国、日本、新加坡和我国台湾省等地区。经过多年应用开发，国内MMA应用领域正在不断扩展。MMA已从20世纪70年代几乎全部作为单体聚合加工成PMMA浇铸板的单一品种状况转向应用于非树脂产品的加工领域，如PVC抗冲改性剂ACR和MBS、表面涂料、粘合剂、纺织浆料、医用高分子材料、皮革助剂和一些多元复合塑料合金等领域，并开发了耐温、耐磨、抗静电、高抗冲PMMA，特大、特厚、中空、异型等有机玻璃及光导纤维用的PMMA内芯材料等。2007年我国MMA产量约30万t（不含裂解MMA产量），进口7.26万t，出口5.65万t，表观消费量31.6万t（不含裂解MMA）。国内MMA消费量主要用于有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA），约占总消费量的62%；其次用于PVC抗冲改性剂，占19%，表面涂料占14%，其他领域占5%。2007年国内MMA消费结构及需求预测见表7。表7国内MMA消费结构及需求预测我国丙烯酸酯最大的下游用户是涂料。据统计，2005年我国建筑涂料产量为180万t，消费丙烯酸酯30万t，占丙烯酸酯总消费量的45%。重视产品质量，并逐步与国际标准接轨，成为我国涂料工业的必由之路，这也就必将造成中高档涂料的需求量增加，从而推动丙烯酸行业加快发展。除涂料外，胶粘剂、化纤、塑料加工等领域对丙烯酸酯的需求量也将持续增长，且增速较快。因此，从长远看，我国丙烯酸及酯有着良好的发展空间。在国内丙烯酸反倾销之后，境外企业以先进的技术和灵活的机制参与中国的市场竞争，产生了明显的鲶鱼效应。促进了原有企业的技术改造，带动了行业的技术进步和产业升级进程，有效地提高了我国丙烯酸及酯行业的国际竞争力。近几年丙烯酸及酯市场已步入充满风险和挑战的薄利时代，投资风险日益增大，涉足丙烯酸产业要谨慎、新建装置应充分考虑市场竞争力的问题。今后我国东北、华东、西北地区丙烯酸及酯将供大于求，而华南、华北将供不应求，特别是华南地区是丙烯酸下游产业集中的地区，市场规模较大。因此投资丙烯酸及酯项目应因地制宜选择投资地点，规划中的项目应慎重选择投资时机、充分论证，以免盲目建设。1.3.3甲基丙烯酸甲酯行业发展前景(1)将国内丙酮氰醇集中供应，以确保几个主要甲基丙烯酸甲酯生产厂家生产装置的正常运行，提高万吨级生产装置的开工率，发挥它的积极作用。另外，对一些管理不善、单耗高、规模小、效益不佳的小企业坚决进行关停并转。(2)国内有原料优势的企业应抓住机遇，利用原料优势，引进国外先进技术，规模化生产甲基丙烯酸甲酯，减少中间环节，降低生产成本，提高产品的市场竞争力。(3)对现有采用丙酮氰醇法工艺路线的生产装置进行改扩建，使其达到一定的生产规模。发挥丙酮氰醇法规模效益的优势。今后不宜重复建设未达到技术经济规模的生产装置。(4)在积极对丙酮氰醇法工艺路线进行改进优化的同时，还应积极探索甲基丙烯酸甲酯生产的其他工艺路线，开拓原料来源。由于我国乙烯生产严重供不足需，且运输和贮存条件苛刻，成本高，因此我国不适宜采用乙烯路线。甲基丙烯腈法的原料叔丁醇在我国也不好解决，该工艺的经济竞争力与其它工艺相比较也不强。加上这两项技术分别为德国BASF公司和日本旭化成公司独家所用，因而寻求技术转让不太容易，估计要价会很高。而异丁烯氧化法生产甲基丙烯酸甲酯与其他方法相比较，具有原料来源广泛、催化剂活性高、选择性好、寿命长、对环境污染小、经济技术好，很适合建设25万吨/年规模生产装置等特点，为此建议国内新上甲基丙烯酸甲酯生产装置应优先考虑采用该方法。原料异丁烯可以通过MIBE裂解法制得(由于各组分沸点接近，提取混合C4原料中的异丁烯不能通过简单的精馏分离)。燕山石化公司研究院和吉化公司研究院各自开发成功MTBE裂解制高纯异丁烯工艺技术，并实现了工业化生产，可以国内利用异丁烯氧化技术建设甲基丙烯酸甲酯生产装置提供原料保障。另外，异丁烯氧化法生产甲基丙烯酸甲酯工艺技术成熟，在日本有多家公司拥有生产技术，且已经建成多套经济规模的生产装置，比较容易引进。(5)在加强生产的同时，加大甲基丙烯酸甲酯下游产品的开发力度。生产企业应与科研部门联手合作，大力开发高附加值、高技术含量的下游产品，如特种有机玻璃，做到产品系列化、多元化、专用化，不断提高产品的质量，降低产品价格，避免遭受PSC、PVC等替代产品的冲击；高效能PVC抗冲击改性剂ACR和MBS是甲基丙烯酸甲酯下游产品中最具有发展前途的品种之一，国内应集中力量解决生产技术与工程化问题，一方面满足蓬勃发展的塑料工业的需求，另一方面促进甲基丙烯酸甲酯的消费。(6)走兼并重组的道路，形成规模化经营。(7)加强企业内部管理，降低单耗、能耗和生产成本，增加设备的开工率。1.4研究目的及意义本设计分析了目前国内外实现工业化MMA生成技术，并结合我国甲基丙烯酸甲酯生产现状，综合比较之后，选定了最适合的生产工艺。设计根据既定的工艺路线和工艺条件，采用相关的单元过程及单元操作，设计出优化的工艺流程，并根据工艺条件选择出合适的设备，设计出合理的厂房布局，以满足生产的要求，并做到技术上可行、符合安全条例、经济上合理，确定最优方案，以达到使其工艺产率增加，能耗降低，降低环境污染的目的。1.5课题简介此课题来源于指导老师的分配，查阅大量资料之后，对甲基丙烯酸甲酯行业有了一定了解，甲基丙烯酸甲酯是一种极其重要的化工产品，但关键技术几乎都掌握在几个垄断型大公司手中。作为一名大学生，我认为我们有义务打破这种垄断，要使中国也能在甲基丙烯酸甲酯生产技术领域有一定影响力。尽管我目前能力有限，但我会尽我所能去了解甲基丙烯酸甲酯行业，将来有机会为此做出贡献。第2章设计生产方法及工艺流程2.1ACH法工艺技术特点丙酮氰醇和硫酸分别用泵按所需比例连续加人到混合釜中反应,温度控制在以下,生成的甲基丙烯酞胺硫酸盐混合流靠重力流进醋化釜,同时加人甲醇、阻聚剂、洗涤水等,进行醋化反应,生成甲基丙烯酸甲醋。反应所得的气相,分层冷凝后进行中和萃取酉旨化后的中含有甲基丙烯酸,甲醇和水等其他有机物,用氢氧化钠溶液中和后,用水进行萃取萃取后的水相去脱轻塔进行甲醇回收,有机相为粗甲基丙烯酸甲酯送到精制工段，通过精馏塔进行精制，得到成品MMA。酯化反应采用的是连续化生产的工艺。新鲜和回收的甲基丙烯酸及甲醇按一定的比例进入酯化反应器，在催化剂及一定温度条件下进行酯化反应。离开反应器的物料中，除了甲基丙烯酸甲酯外，还有未反应的原料甲基丙烯酸、甲醇以及其他副产物，随后将其分离回收及提纯