甲基丙烯酸甲酯生产工艺毕业设计-设备选型与布置

1、精品文档目录1. 前言 01.1 MMA 市场应用及前景01.2 MMA 生产工艺 11.2.1 丙酮氢醇 (ACH) 路线 11.2.2 合成气法 21.2.3 乙烯拨基化路线 21.2.4 丙炔法 31.2.5 异丁烯法 31.3 本文 MMA 生产工艺路线的确定 41.4 化工设备选型计算中使用的软件 61.4.1 Cup-Tower对塔设备的选型 61.4.2 智能选泵系统71.4.3 Aspen 与 EDR 联用设计换热器81.4.4 化工设备布置图 CAD 设计 81.5 项目概况 91.5.1 项目名称 91.5.2 拟建地址 91.5.3 生产工艺 91.5.4 原料及产品 9

2、2. 工艺流程简介及模拟 102.1 流程概述 102.2 Aspen plus 仿真模拟流程 112.2.1 MAL 合成工段的模拟 112.2.2 MMA 合成工段的模拟 123. 设备设计计算及选型133.1 反应器的设计133.1.1 MAL 合成反应器(R101) 的设计 133.1.2 MMA 合成浆态床反应器(R201) 的设计 223.2 塔设备的选型与设计 273.2.1 急冷喷淋塔简单设计计算 273.2.2 cup-Tower对脱水塔的选型 303.2.3 cup-Tower对吸收塔的选型 333.2.4 MMA 精馏塔设计 373.3 换热器的选型533.3.1 换热器

3、设计选型示例( E201 的选型) 533.3.2 换热器选型结果汇总 583.4 泵的选型 593.4.1 泵的设计选型示例( P201 的选型 ) 593.4.2 泵的选型结果64643.5 储罐设计3.5.1 主要储罐的设计 643.5.2 储罐设计结果一览表673.6 膜分离的简单设计 673.6.1 膜分离工艺流程 673.6.2 膜分离器选型与设计683.7 压缩机的选型703.7.1 选型示例 703.7.2 压缩机选型结果703.8 设计图 714. 环境保护与经济核算714.1 环境保护 714.1.1 有害因素分析714.1.2 废物的处理措施724.2 经济核算结果错误

4、! 未定义书签。 35. 设计结果 775.1 设备选型一览表（附后） 775.2 设计图（附后） 77参考文献 78谢辞 801 前言1.1 MMA 市场应用及前景甲基丙烯酸甲酯的分子式为C5H8O2, 简称 MMA, 外观为无色液体, 易挥发 ,易燃 , 溶于乙醇、乙醚、丙酮等多种有机溶剂 , 微溶于乙二醇和水。甲基丙烯酸甲酯既是一种有机化工原料, 又可作为一种化工产品直接应用。作为有机化工原料 , 主要应用于有机玻璃( PMMA) 的生产 , 也用于聚氯乙烯助剂 ACR 的制造以及作为第二单体应用于腈纶生产。除此之外, 在涂料、纺织、粘接剂等领域也得到了广泛地应用。作为一种化工产品 ,

5、可直接应用于皮革、纺织、造纸、地板抛光、不饱和树脂改性、甲基丙烯酸高级酯类, 也可作为木材浸润剂、印染助剂及塑料的增塑剂等许多行业1 。近年来 , 国内外 MMA 的聚合物、型材、板材、涂料、乳液等需求增长, 同时 MMA 的衍生 物 甲基丙烯 酸 -2- 羟基 乙酯 ( 2-HEMA) 、 甲基丙烯酸丁酯( BMA) 、 甲基丙烯酸缩水甘油酯( 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 。随着 MMA 在世界范围内的扩张，我国 MMA 市场也异常火爆，产销两旺，产品供不应求， MMA 价格一路上扬。我国 MMA 市场需求年增长率

6、达15% ，而且需求仍在不断扩大， 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。并且在 2010 年，我国甲醇行业虽有部分新建装置因不确定因素投产时间推迟，但全年甲醇总产能预计仍可达到 3500 万吨，产量大约 1500 万吨，有一半产能过剩。据了解， 2010 年底，国内原计划投产的甲醇在建项目共有25 个，新增年可编辑品品文档产能合计861万吨，意味着2011年全国甲醇产能将超过 4000万吨，产能的增茂名石化年产3万吨MMA量已远远大于消费需求的增加量。另外，我国还有25个拟建或处于规划阶段的甲醇项目，年产能合计2440万吨，新建、在建装置的不断投产，将进一步加剧国内甲醇产能过剩

7、的局面，甲醇进料价格可能有所下滑。众多调查结果证明MMA具有良好的发展前景45 o1.2 MMA 生产工艺1.2.1 丙酮氢醇（ACH）路线丙酮鼠醇法是以丙酮和氢氟酸为原料，在碱性催化剂存在下，生成丙酮鼠醇，然后丙酮鼠醇与硫酸反应生成甲基丙烯酰胺硫酸盐，经水解后再与甲醇酯化，可得甲基丙烯酸甲酯粗品，再经精制得产品6。反应式如下。0HHC-O+HCN专-CN 'Q .CHiCHjOSOX5HHjC- c- CONH：-COQCH CH1QH -CHi-C COOCHj&3CH】CHj三菱气体化学公司开发了一种再循环型的 ACH路线。新ACH法由丙酮与氢 氟酸反应生成丙酮鼠醇（AC

8、H）,然后水合生成羟基异丁酸酰胺 （HBD）。用甲醇脱 氢生成的甲酸甲酯和 HBD反应生成羟基异丁酸甲酯（HBM）,再将生成物脱水得到MMA 。合成HBM时生成的副产氢氟酸在 ACH合成中循环使用。这一工艺称为MGC(R-HNC)路线，日本已建有一套工业化装置反应式如下:OHHjC- f9+HCN '皿一陷一96<业8CH3CHj产,HCH,- C-CON7L H00QCtbCHi-<p COOCHj + HCONH2CH3ch,7HCHj-8OCH3 ali0Hl CHt=C-COOCHjCHjCHHCONHj -*- HCN+HiO1.2.2 合成气法新工艺第一步由乙烯

9、和合成气生产丙酸，使用均相碘铝催化剂进行加氢甲酰 化，反应在低温 (150 C200 °C)和低压37MPa下进行。第二步由丙酸与甲醛 反应生产甲基丙烯酸，使用硅酸花双功能催化剂。第三步以甲醇酯化反应生成甲基丙烯酸甲酯，该工艺与其它工艺比较具有较强的竞争优势7。1.2.3 乙烯拨基化路线该路线先对乙烯进行拨基合成 (醛化)生成丙醛，再与甲醛缩合生成甲基丙烯 醛，然后再氧化、醋化生成 MMA。因巴斯夫公司是首家也是唯一一家使用本路 线的公司，故该工艺也称为巴斯夫路线 2。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较高 8。巴斯夫路线的反应式如下：HiC=C

10、Hi + C0 + HiC山辛HoQ-e. 卜6H侬1叽 CHl ccac任CHjCH1.2.4 丙快法壳牌公司开发的另一条合成 MMA的新路线是使内快在甲醇存在下，用一氧 化碳染基化生产 MMA .该公司利用此法现已建成 60千吨/年MMA生产装置， 反应采用了最新催化剂，使其生成 MMA的选择性达100 %.内快是由乙烯副产 C3微分经MIBK或DMF萃取蒸储分离得到的.内快一步法生产MMA的工艺简单，投资省，产品纯度高，是目前较经济的一种 MMA生产方法7。1.2.5 异丁烯法将异丁烯在铝催化剂存在下经空气氧化制成甲基丙烯酸，然后与甲醇酯化可 得产品。该法的特点是催化剂活性高，选择性好，

11、寿命长，甲基丙烯酸的收率高。 该法无污染，原料来源广泛，且成本低于丙酮鼠醇法，但工艺过程较复杂。异丁烯法制MMA工艺比ACH法有显著的优点。异丁烯氧化制MMA的工艺引起了许多科学家及化学公司的注意 9 o异丁烯氧化制MMA主要有三种工艺路线：异丁烯氧化到MAL ,再氧化到 MAA ,再酯化为MMA ;异丁烯一步氧化到 MAA ,再酯化为MMA ,这种工艺 首先氧化成对应醛，再氧化成酸，两者氧化动力学不同，采用相同工艺条件和催 化剂得不到最佳 MAA选择性；异丁烯氧化到 MAL ,氧化酯化为MMA1011。新制法以异丁烯为起始原料，甲基丙烯醛在一工序中同时进行氧化、酯化反应，省去甲基丙烯酸工序合

12、成MMA ,称为直接甲酯化法。此法由于合成路线缩短，基建费用也可减少12 o1.3 本文MMA生产工艺路线的确定西方研究机构对上述 MMA的主要生产工艺路线进行成本对比，以下是不同 工艺路线装置的生产成本对比情况表1-1 113。表 1-1 MMA主要生产工艺路线成本对比（单位：美分P磅）ACH-S项目ACH-法法I-C4BASF 法MGC法原料成本31.9931.9926.5229.0527.2公用工程成本4.844. 844.555.159.63其他口艾成木0.10.10.1-1.62-0.64口艾成木36.0336.0331.1732.5836.19固定成本8.6915.571112.1

13、913.8现金成本46.6252.542.1744.7749.99折旧成本9.1711.310.2311.2812.95生广成本可计55.3363.852.3956.0662.94生产成本65.0377.262.6267.3275.89+10%投资回报注：ACH-L法为13.6万tPa装置，ACH-S法为4.5万tPa装置。原料取价为丙酮586$Pt ,氢鼠酸742$Pt ,硫酸53$Pt ,异丁烯604$Pt , 氧气 49$Pt ,乙烯 573$Pt ,甲醇 144$Pt 。在MMA的生产工艺中，异丁烯法、大规模的丙酮鼠醇法和乙烯法是生产 MMA最具竞争力的工艺。对于丙酮鼠醇法来讲，装置规

14、模对产品成本的影响很 大。甲基丙烯月青法由于工艺复杂，投资过高而缺乏竞争力。我国现有的MMA装置全部采用丙酮鼠醇法工艺，装置规模小，原材料消耗高，污染重，产品成本高。 在诸多的MMA生产工艺中，丙酮鼠醇法、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严重供不足需，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。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， 国内外生产公司较多，产量大、易采购、好运输，在工艺上很容易裂解制得异烯 14。以异丁烯为原料生产 MMA。一方面充分利用了富余的 C4资源

15、，减少了资 源浪费，另一方面又缓解了市场对于产品的的紧缺，维持了市场的平衡发展。异 丁烯氧化法生产甲基丙烯酸甲酯 （MMA）技术，与传统的丙酮鼠醇法以及其他方 法比较，此法具有原料来源广泛，催化剂活性高、选择性好、寿命长，反应收率 和原子利用率高，无污染、环境友好、成本低的优势，具备很强的竞争力。中等规模装置（4-6万吨）的投资，异丁烯法要低于丙酮鼠醇法；而丙酮鼠醇 法的优势在较大规模的装置（10万吨以上）上将显现出来，其单位投资将明显降低可编辑品品文档114。MMA 路线。对异丁烯制 MMA 过程进行了模拟计算9121617181.4 化工设备选型计算中使用的软件1.4.1 Cup-Towe

16、r 对塔设备的选型Cup-Tower 软件是一款可靠、易用、通用的塔设备水力学综合计算软件，它将工业上常见的板式塔、筛萃取散装填料规整和板式塔、筛萃取散装填料规整和板式塔、筛萃取散装填料规整和板式塔、筛萃取散装填料规整和等多种类型的塔内件集合在一起，是一款功能强大、综合性很强的全新软件。其借鉴了国内外相关软件的特点，在可靠性、易用性、通用性等方面更胜一筹。其主要功能如下：（ 1 ）可用于板式塔、筛萃取散装填料规整和的计算，可用于板式塔、筛萃取散装填料规整和的计算，可用于板式塔、筛萃取散装填料规整和的计算，可用于板式塔、筛萃取散装填料规整和的计算，可用于板式塔、筛萃取散装填料规整和的计算，具有设

17、计和校核的功能。（ 2 ）塔板类型包括浮阀（圆，条） 、固垂直筛舌斜孔塔板类型包括浮阀（圆，条） 、 固垂直筛舌斜孔塔板类型包括浮阀（圆，条） 、固垂直筛舌斜孔塔板类型包括浮阀（圆，条） 、固垂直筛舌斜孔塔板类型包括浮阀（圆，条） 、固垂直筛舌斜孔筛板、泡罩穿流折挡多降液管塔以及 FRIFRIFRI 系列塔板。(3)塔板的溢流形式包括单、双四，可以实现布置。(4)校核方面：能够根据已知的塔设备结构和工艺条件，获得水力学计算 校核方面：能够根据已知的塔设备结构和工艺条件，获得水力学计算校核方面： 能够根据已知的塔设备结构和工艺条件，获得水力学计算结果，给出最终的负荷 性能图。1.4.2 智能选泵

18、系统智能选泵系统首先进入如图1-1功能选择窗体。图1-1智能选泵功能选择窗体点击 选泵 按钮进入优化选泵功能区，显示泵选择窗体。泵选择窗体中有泵类型和技术参数两大区域，使用者首先要根据自己的需要用鼠标选中一种或几种泵类型；然后在技术参数区域中输入所需泵的流量（单位：L/s） 和扬程（单位：m） ，输入一个选泵精度值（范围： 50100 ，默认值 90 ，数值越大精度越高） ，并确定泵同时运行的最多（范围： 29 ，默认值5 ）台数，点击开始搜索按钮开始选泵。系统将符合条件的泵全部选出，并根据优化选泵原则按优先选择的顺序排列在该窗体的表中。使用者用鼠标点击自己选中的泵型号，可显示该泵的特性工作曲

19、线、安装尺寸图、技术参数和外形图等信息。1.4.3 Aspen 与 EDR （ Exchanger Design and Rating ）联用设计换热器Aspen 7.0 以后版本已经实现了 Aspen 和 EDR 的接口。 Aspen Plus 可以在流程模拟工艺计算之后直接无缝集成，转入设备设计计算，对换热器进行设计计算。1.4.4 化工设备布置图 CAD 设计设备布置图是设备布置设计中的主要图样，在初步设计阶段和施工图设计阶段都要进行绘制。设置布置图是按正投影原理绘制的，图样一般包括如下几方面内容：（ 1 ）考虑设备布置图的视配置，采用一组视图表示厂房建筑的基本结构和可编辑精品文档设备珀

20、厂房内外的布置情况。确定图样幅面，注意选择适宜的模板图同时选定绘图比例。通常采用 1 ： 50 和 1 ： 100 。（ 2 ）绘制平面图：从底层平面起逐个绘制。（ 3 ）绘制剖视图= 绘制步骤与平面图大致相同，逐个画出剖视图。（ 4 ）绘制方位标。（ 5 ）说明与附注是对设备安崧布置有特辣要求的说明。对设备一览表进行绘制，列表填写设备位号、名称等。最后制作标题栏，注写图名、图号、比例、设计阶段等可使用模板图。1.5 项目概况1.5.1 项目名称年产 6 万吨甲基丙烯酸甲酯项目1.5.2 拟建地址山东省滨州市1.5.3 生产工艺本工艺主要分为甲基丙烯醛（ MAL ）合成工段和甲基丙烯酸甲酯（

21、MMA ） 合成工段。MMA 的合成工艺采用异丁烯氧化酯化法合成工艺，该工艺方法具有工艺流程简单，产品纯度和收率高，甲醇回收利用率高，副产物少，不造成环境污染等优点。1.5.4 原料及产品本项目主要原料为异丁烯，辅助原料为甲醇、氢气、甲基丙烯醛（物质，生产聚合级（99.9 %）甲基丙烯酸甲酯（MMA）。2工艺流程简介及模拟MAL ）等2.1 流程概述图2-1总流程简图物料流程图（PFD）附后。该工艺采用异丁烯氧化法制取 MMA ,工艺流程简洁，转化率高，选择性好，较之西欧采用的 ACH法制造MMA的大型工厂，中型规模的异丁烯制造MMA工厂具有对环境压力小，绿色环保等优越性。异丁烯与外加N2,O

22、2 及低压水蒸气混合后加热送至 MAL 合成反应器中，异丁烯被催化氧化合成MAL 。 反应后的气体经急冷喷淋塔，脱水塔和吸收塔，其中脱水塔底部的水返回至急冷喷淋塔中循环使用，脱水塔和吸收塔的吸收剂来自于MMA 合成未反应的甲醇溶液，吸收塔塔顶为多余的未反应的异丁烯 ,N2 及 O2， 还有以少部分氧化反应生成的气体杂质，一同排入到火炬系统处理。吸收塔塔底为含有甲醇的 MAL 溶液经泵输送至MMA 合成反应器中，在催化剂和空气作用下进行酯化反应生成MMA 和少量的气体杂质，其中气体杂质同未反应的空气送至火炬系统中。 MMA 合成反应器底部出来的液体送至精馏塔中，用作为萃取剂，塔顶得到含有甲醇及未

23、反应的少量 MMA 返回至脱水塔，吸收塔及 MMA 合成反应器中进行循环使用。塔底得到的 MMA 和水经换热冷却后通过静置相分后，下面的水经处理后循环返回至精馏塔中，上面的甲基丙烯酸甲酯经高压泵送至膜分离装置，脱除水分后，得到产物 MMA ，其纯度达到聚合级要求。2.2 Aspen plus 仿真模拟流程在整个设计过程中， 采用 Aspen Plus 对整个工艺流程进行了计算， 将整个 工艺流程分为工段分别模拟。2.2.1 MAL 合成工段的模拟MAL 合成工段工段主要包括MAL 反应器、喷淋塔、脱水塔、吸收塔等主体设备。 MAL 合成工段模拟流程简图如图 2-2 所示 .详细模拟过程见同组崔

24、法政的工艺流程模拟。可编辑品品文档图2-2 MAL合成工段模拟流程图2.2.2 MMA 合成工段的模拟MMA合成工段工段主要包括 MAL合成反应器、精储塔、相分离储罐、 膜分离等主体设备。MMA合成工段模拟流程简图如图 2-3所示图2-3 MMA合成工段模拟流程图3设备设计计算及选型3.1 反应器的设计3.1.1 MAL 合成反应器（R101）的设计表3-1催化剂物性参数项目数值项目数值颗粒密度Dp=5.5 mm比表面Sp=4.61g 2/g堆积密度P b=0.60g/ml孑L体积Vv=0.121ml/g视密度P b=0.95g/ml空隙率§ =0.6314反应方程主反应：C4H8

25、+ O2 - C4H6。+ H 2OX异丁烯催化氧化反应机理图3-1异丁烯氧化机理工艺条件使用 80 (MoizBilFe 2.0CO7.0V0.2CS0.1) /20Si 复合氧化物为催化剂，异丁 烯为气相。选择氧化合成甲基丙烯醛的主要工艺条件为：反应温度：350 c反应压力：常压空间速度：1200-1800h -1原料气组成比例：异丁烯：水：氧气：氮气 =1:1,5:2:12(摩尔比)反应器计算(1)设计选材考虑到使用温度、耐酸、许用压力、价格、供货情况及材料的焊接性能等， 在设计中选取16MnR 。(2)基本物性参数表3-2设计数据和工作参数项目数值项目数值甲基丙烯酸甲酯年产量6万吨原料

26、配比IB:H 20：。2小2=1：1,5:2年工作时间7500 h空速1200 -1反应温度350 °C反应选择性89.0%反应压力101 KPa空时收率100kg/m 3表3-3反应器进口物料组成反应器进口Kmol/hKg/h%(mol)异丁烯86.358214845.3456水141.52352599.5859氧气188.6986088.1112氮气1132.18831816.5372.87氢气4.960613100.13总量1556.7645334.22100表3-4 反应器物料出口组成反应器出口Kmol/hKg/h%(mol)甲基丙烯醛77.895115459.7490.04

27、9836异丁烯1.64080692.061551.05E-03水239.19464309.1580.153034氧气86.665782773.2010.055448氮气1132.18831816.530.724359氢气4.960613100.13一氧化碳7.685881215.28464.92E-03二氧化碳6.908657304.04864.42E-03对苯二甲酸1.036299172.16366.63E-04乙酸1.03629962.232386.63E-04续表3-4反应器出口Kmol/hKg/h%(mol)丙醛0.77722445.141194.97E-04总量1563.021453

28、34.22100表3-5相对分子质量M异丁烯甲基丙烯水氧气氮气5670183228一氧化碳二氧化碳乙酸丙醛对苯二甲酸28446058166进料混合平均相对分子质量:Min yi,inMi 29.12出口混合平均相对分子质量:Moutyi,ouMi 29可编辑表3-6 密度名称密度P(kg/m 3)临界温度Tc (k)临界压力(MPa )临界压缩因子Zc甲基丙烯醛1.3770825663.680.253续表3-6名称密度p(kg/m 3)临界温度Tc (k)临界压力(MPa )临界压缩因子Zc异丁烯1.09934428.64.10.274水0.352964404.60.2622氮气0.54759

29、9132.923.4990.299氢气0.039413111一氧化碳0.5475325304.250.246二氧化碳0.860687838.85.8910.246对苯二甲酸3.382413126.23.40.289乙酸1.18024154.585.0430.288乙醛1.139761883.63.4860.201氧气0.6256304.217.3830.274混合物密度:inpM in ZRT_ _30.56937Kg/m3outpMoutZRT_ 30.567177Kg/m3(3)反应器的数学计算此反应选用固定床列管式反应器，反应物、产物均为气体，催化剂为固体,此模型为拟均相模型。1)动力学

30、方程EAe RTln kln A -E-RTlnrInknlncB:指前因子C IB:异丁烯浓度:反应活化能以1/T 为横坐标，Ink为纵坐标作图,则直线的截距为lnA ,斜率为-E/R ,计算即可得反应指前因子A和反应活化能E0根据以上方法得到的反应指前因子和反应活化能分别为7.37 X 10和169.7 kJ/mol ，最终得到该反应的动力学方 程为:169744r 7.37 1014ertCib2）物料衡算式2 ,FA0dxAb（A）Dr dl4Fao :任意位置上物质的摩尔流量，kmol/hdxA :物质的转化率Pb ：催化剂的床层堆积密度，g/mlDr :反应器直径，m其中反应器直径

31、计算用公式4VDr 、u U0计算得:dlF A0 dXA0.21dx/A( rA)b( rA) Dr4代入数据积分得:l 7m取反应管长为8m。3）其他设计：反应列管：小 35 X 2反应管根数：4874 根20.034取反应管根数4880根。反应器壁厚的计算： pD i2 P6 :圆筒的计算，mmP :圆筒计算压力，MPaD :圆筒的内径，mm6':钢板在该温度下的许用应力，MPa小：焊接接头系代入数据计算得：pD i ； 18 .6 mm 2 p圆整后取壁厚20 mm 。反应器内径：3660 mm 。反应器质量选择16MnR 为材质，其密度约为 7850 kg/m反应管质量m尸V

32、ipmVi :反应管体积，m3Pi : 材质密度，kg/mn :反应管根数代入数据得m i=Vi pn=7938.95 kg筒体质量 m2=VR «=904.6 kg封头取标准椭圆封头，内径DN=3660 mm ，厚度6 =20mm，曲面高hi=925 mm ,封头直边高 h=50 mm.封头质量按m3 (Dn 2 )2(hi ) DN2hi (Dn 2 )2 DN2h 7850 64代入数据 m3=1323.16 kg反应器主体质量 m=m 1+m 2+2m 3=11483.87 kg附件以主体质量的0.2倍计算，则反应器总质量 m总=13780.64 kg壳程换热设计(1)换热介

33、质进出口结构为了降低入口流体的横向流速，消除流体诱发的管子振动，采用外导流筒式 的进出口结构。(2)换热介质冷却水：101 KPa10 oC液态水 Cp =4.184 KJ/(kg - K)饱和水蒸气潜热 r=2051.0 KJ/kg采用Aspen Plus 模拟软件对该反应器进行换热模拟， 通过不断优化，最终 得到G H 2 O,out =27000 kg/h ,冷却水进口的质量流量为 G H 2 3n =27000 kg/h。取液态水的进口流速为 1m/s，进口管口直径为100 mm。换热介 质出口的温度为85 °C,出口流量为液态水进口流量1 m/s，出口 管径为100 mm

34、。(3)折流板型式由于反应器中间不排管，选用环盘型折流板。折流板间距为1 m。板厚10mm 。3.1.2 MMA 合成浆态床反应器(R201 )的设计反应器操作条件(1)进出口物料组成MMA合成反应器物料主要组成如表 3-7所示。表3-7 反应器进口物料组成空气进料甲醇进料MAL进料质量流量（kg/h）49893.46697127451摩尔流kmol/h )反应条件T=70 0cP=0.3 MPa根据 Aspen plus模拟结果可知反应器出口物料组成如表3-8所示表3-8 出口物料组成物质质量流量（kg/h ）摩尔流量（kmol/h ）MMA7942.879.4MA

35、L1341.419.1H2O2567142.5甲醇66894.52087.7空气48554.41681.7（2）操作条件反应温度为：70 0c醇醛质量比为：10 : 1压力为：0.3 MPa反应器结构设计（1）反应的动力学方程：甲基丙烯醛氧化酯化制备甲基丙烯酸甲酷的反应方程式如下CH5CHrCCHO+ 1/202+ CHjOH- CH 吓YOOCH3 + HjO CHj由此可知，MAL氧化酯化制备MMA的本征反应动力学方程可用指数形式表达如下：r凯,kMALaMeOHbO2c式中：r :反应速率，mol -1 h -1K :反应速率常数A: MAL的反应级数b : MeOH的反应级数C ： O

36、2的反应级数由于该反应在恒温、恒压、氧气流速不变的条件下进行的，并且。2在反应液中连续供应，可以认为在反应过程中O近似为一常数。因此可以简化为：d MALabrkMAL MOH dt即为：r dMAL k(CMAL0 CMAL0 X)a(CMeOH0 CMeOH0m)bdt式中MAL转化率CMAL0 : MAL的初始浓度，mol/LCMeo： MeOH的初始浓度，mol/L反应速率常数k也可用下式表示：EaK ke RTko :指前因子Ea :反应的活化能，J m-olR :摩尔气体常数，J molk-1最终可得到：E a = 7.24 KJ / mol , k o = 0.1727反应速率方

37、程为:37.24 10r 0.1627MAL MeOH 广 e RT(2)床径的确定床径可按气体处理量和操作速度由流量方程计算求得:D_4VV u 3600 即 D J-4: 3600式中V为原料气中的体积流量，m3/h带入相关数据可求得:4 16209-4.5m36000.28在化工生产中，处特殊要求外，一般均采用圆形截面床体。 合适。般而力，采用夹套形式的反应器内套管与外壳的直径比0.7-0.9之间较为因此浆态床床径为 D=4.5 m ,反应器外径为 D=5 m反应器质量选材16MnR ,其密度约为 7850 kg/m 3。反应器壁厚计算该反应器筒体选材为16MnR ,根据反应条件，利用壁

38、厚公式，求得壁厚6为：pcD i ； 5.4mm 2 pc圆整去10 mm 。封头设计本反应器选择标准椭圆形封头，取其形状系数K=1 ,则D/2hi=2 。外径Do为5000 mm ,则其圆边高度为 hi=1250 mm 。壁厚即为反应器壁厚 10 mm , 直边高度为50 mm 。材质选用16MnR 。筒体质量 m i=V r p i=9850 kg封头质量_22_2_2_m2 (Dn 2 )2(hi) DN2hi (Dn 2 )2DN2h 785064=2118.33 kg主体质量 m=m 1 +2m 2=14086.66 kg附件取主体质量的0.2倍，则反应器总质量 m总=16903.9

39、9 kg3.2塔设备的选型与设计3.2.1 急冷喷淋塔简单设计计算主体尺寸的计算根据本工艺的操作特点，考虑到容器直径较大，气体介质温度较高及压力较 低，常采用整体夹套的分段式夹套形式，这样不仅能提高传热介质的流速，改善 传热效果，而且还能提高筒体受外压的稳定性和刚度。选择停留时间为t=30s ;则根据Aspen plus 模拟得到其气体的体积流量为 Vg=79929.625 m 3 h -1,取装载系数为e =0.75 ,则得到塔设备的容积为V=895 m3;根据空塔气？速计算公式及经验得，塔径 D=3.6 m；则由得，塔筒体高度为H=22 m ;采用标准椭圆形封头。夹套直径与筒体直径的关系由

40、查找化工工艺设计手册如表3-9所示。表3-9 一套直径与筒体直径的关系项目数值数值数值Di(mm) 500 800900 22002200 Dj(mm)Di+50Di+100Di+200通过表可知筒体的夹套至筒体的间距为200 mm 。喷淋水用量情况冷却水采用循环方式，考虑到防止设备因结垢导致堵塞，影响传热效果，筒体和夹套的用水为工艺软水，与高温气体间接换热；而其中有一部分水为直接进 行喷淋降温除杂，这部分水分为两个进水，其中一个为来自循环工艺水在塔顶进 行喷冷，还有一个来自脱水塔底部的水在在塔的中上段进行喷淋降温。各个用水 操作参数详见表3-10所示。表3-10 急冷喷淋塔的用水操作参数数据

41、表来源用水途径数值m 3/h压力(atm )起始温度工2软水夹套及蛇管3750115循环工艺水塔顶喷淋1000115脱水塔底部水中上段喷淋6225.51.268.7换热情况据比热容公式Q KS tmWcCpc(tlt2)设定从反映器中出来的物流的温度从 Ti =350 oC降至T2=180 oC的热量被 用于工艺软水的加热，根据Aspen plus 导出物流传热数据得到热负 Q=2724.3696 kw ,工艺用水量 Wc=3750 kg/h ,水量进口温度为 3=15 °C, 出口温度为t2=103.5 °C;计算出平均温度差，110.8 °C(350 180)

42、ln (103.5 15)tit2 (350 180) (103.5 150总传热系数K（以外表面积为基础）K1do do bdo 1：p RsiRso -idi di dm o计算通过查找化工原理书查找得到总传热系数 K=901.5 W/(m 2 °C),得到传热面积为S=27.28 m 2。u=0.83 m/s由于水蒸气发生相变，考虑到 15%的面积裕度，得S=1.15 X =31.372选用4 45 x2.5 mm传热管(无缝钢管)，计算得管内流速为热管的总长度为=1973 m ,圆整为2000 m 。塔质量计算材质选择16MnR ,其密度约为 7850 kg/m 3。塔内径D

43、i=4000 mm塔体厚度:pcD i2 pc6.2 mm圆整取10 mm 。塔体质量 m产V p =79862.76 kg封头质量封头取标准椭圆封头，内径 DN=4000 mm ,厚度 6 =10 mm ,曲面高 hi=1000 mm ,封头直边高 h=50 mm ,材质选用16MnR 。m2(Dn 2 )2(hi ) DN2hi ( Dn 2 )2 DN2h 785064=1376 kg 塔主体质量 m=m i+2m 2=82614.76 kg附件取主体质量的0.2 ,总质量 m总=99137.7 kg3.2.2 cup-Tower对脱水塔的选型脱水塔是在0.145 MPa 的条件下，将从

44、急冷塔出来的水蒸气、MAL、空气混合物中的水脱除。在脱水塔的上部引入了来自MMA合成反应工段的 MAL和甲醇的混合液体，来自急冷塔的 MAL、水蒸气、空气混合物与 MAL和甲醇的混 合液体在塔内逆向接触，这样使得轻组分中MAL的含量增高，以使得产品产量增高，同时使得水等重组分从塔底排出，空气、 MAL、甲醇气体从塔顶排出。该脱水塔选择板式浮阀塔，单溢流进行选型。Aspen plus 得出水力学数据如表3-11所示。表3-11 脱水塔水力学数据VolumeVolumeDensityDensityViscosityViscositSurfaceStageflow liquidflow vaporl

45、iquidvapor toliquidy vaportensionfromtofromfromtoliquid fromcum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcPcPdyne/cm平均6.6967469.79965.490.720.420.01727.69将水力学数据输入到cup-Tower中进行选型，如图3-2所示Cup-Tower计算出脱水塔的塔板结构参数结果如图3-3 。图3-2水力学数据输入M: #* )。1 回 II 窗r塔板靖构簪敷雅工艺簪鼓_二理固设计塔急信息溢磕区尺寸塔径:板i强：4.*,降i症顶出寂度mJi 2弯折距居11理障液管底部宦度JK1受唳盘语度电4爰-4盘

46、盘度 n知小2t居局ji两例0.B0.5717塔蛹以开1E面积；用眸:直舲学他 西出浮幅度129GG402163呼的05411J2口IW0.5?! 7糊JOffi降等管底座nn降液苜直察原粮“1 102降傩彘通税n 顶部埸长电 原部堰长n进口焦震度H 进口堰定度JI0f497262.2763i0.0图3-3脱水塔的塔板结构参数Cup-Tower计算出脱水塔的塔板工艺参数结果如图3-4图3-4塔板工艺参数塔板负荷性能图如图3-53-5塔板负荷性能3.2.3 cup-Tower对吸收塔的选型吸收塔是在0.50 MPa的条件下，将从脱水塔出来的 MAL、甲醇、空气混合物中的空气排出，并将 MAL和甲

47、醇液化为液体。在吸收塔的上部引入来自MMA合成反应工段的 MAL和甲醇的混合液体，来自脱水塔的混合气体与来自MMA合成反应工段的混合液体逆向接触，使得 MAL和甲醇液化为液体，同时使得重组分中 MAL和甲醇的含量增高，以提高最终产品的产量。空气等气体则从塔顶排出，MAL和甲醇混合液体从塔底排出。吸收塔选择浮阀塔，单溢流进行选型。Aspen plus 得水力学数据如表3-12。表3-12吸收塔水力学数据VolumeVolumeDensityViscositySurfaceStagflow liquidflow vaporliquidDensityliquidViscositytension li

48、quidefromtofromvapor tofromvapor tofromcum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcPcPdyne/cm平均6.6967469.79965.490.710.420.01627.69将水力学数据输入到cup-Tower中，如图3-6所小0图3-6水力学数据输入Cup-Tower计算出脱水塔的塔板结构参数结果如图3-7Cup-Tower计算出脱水塔的塔板工艺参数结果如图3-8图3-7塔板结果参数期浮虑设计_ (甄和号"一牛o g可1次浴板结构参数”搭板工艺参数1辎计1空塔空速D 5g必堰上涌层高援口工湘一孔气速4g5空相任整口加脑.端庄施克强度

49、鹳4旬和3/包教危液菅停管寸间1口刷料S史上灌层高度 °埼由 小隆乖曾潘逐钝T/F *干板庄降口。自疥旗E就菅底隙速度。询 心赛诔夹带量M应ke(L)/iEC7；七豌系封卜的降液管内澜槁度口 gIT,降速管同线速度。1”总流童的30944磷面糕度口m空言动能因子1正11心tkg/M，t).S孔动能囱子06332m/工回就。,5扇点，遽之皿1也图3-8塔板工艺参数负荷性能图如3-9尔连画殳计（案磁震号;实时取点满相负荷x ：16,391m3/h10"3*to"3Zk%气相负荷y： F"-图形缩放二图3-9负荷性能图缩放比例，343.2.4 MMA 精微塔设

50、计由Aspen得到的全塔平均水力学数据如表3-13。表3-13全塔平均水力学数据气相流里液相流量气相密度液相密度混合液表面VsLspvPL张力（T全塔平均15.865m 30.03m3/2.723kg/821.32kg/42.4mN/ss3 m3 mm塔径欲求出塔径应先计算出适宜空塔速度。适宜空塔速度u 一般为最大允许气速Umax 的 0.6 0.8 倍即：u = (0.6 0.8 ) Umaxu max式中C可由史密斯关联图查得，液气动能参数为:Lsvs()12V0.03(821.32)1215865 ( 2.723)0.033取板间距Ht =0.8 m ,板上液层高度hL =0.1 m ,图中的参变量值HT-hL=0.6-0.1=0.7 m。根据以上数值由图可得液相表面张力为42.4 mN/m时的负荷系数C20 =0.15 。由所给出的工艺条件校正得：C C20( 方严 0.17最大允许气速：l v 821.32 2.72