年产15万吨丙烯酸工艺

1、北京化工大大学北方学院（论文）1北京化工大学北方学院北京化工大学北方学院NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGY（20142014）届本科生毕业设计（论文）届本科生毕业设计（论文）毕业论文（理工类）毕业论文（理工类）题目： 年产 15 万吨丙烯制丙烯酸 学院： 化工与材料工程学院 专业： 化学工程与工艺 学号： 100110127 姓名： 王腾飞指导教师： 孟令强 教研室主任（负责人）： 刘军凯 毕业设计（论文）成绩： 北京化工大大学北方学院（论文）2诚信申明诚信申明本人申明：我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师

2、指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学北方学院或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 年 月 日北京化工大大学北方学院（论文）3年产年产 15 万吨的丙烯氧化法制取丙烯酸的工艺设计万吨的丙烯氧化法制取丙烯酸的工艺设计王腾飞化工与材料工程学院 化学工程与工艺 1005 班 学号 100110127指导教师

3、 孟令强 教研室主任 刘俊凯摘摘 要要本设计综述了国内外丙烯酸生产的工艺及其发展前景。在对各种丙烯酸的生产工艺进行详细比较的基础上，选择了丙烯两步氧化生产工艺生产丙烯酸。在物料衡算和热量衡算的基础上，进行了主体设备设计、辅助设备选型以及车间布置等，完成了年产15 万吨丙烯酸生产车间工艺设计。并绘制了工艺流程图及车间布置图等，对整个工艺方案进行了经济、环保和安全评价，表明该工艺可行，经济合理。关键词：丙烯酸 两步氧化 工艺设计 北京化工大大学北方学院（论文）4Process design with an annual output of 150000 tons of propylene oxid

4、ation method and acrylic acidAbstractThe design review process and its development prospect at home and abroad ofacrylic acid production. Based on detailed comparison in the production process of various acrylic acid on the oxidation of propylene, two step process of producing acrylic acid. Based on

5、 the material balance and heat balance of themain equipment, auxiliary equipment selection and design, workshop layout,completed an annual output of 150000 tons of acrylic acid production workshop design. And has drawn up the flow chart and workshop layout, economic,environmental and safety evaluati

6、on of the whole process, showed that the process was feasible, economical and reasonable.Keywords:Keywords: Acrylic ； Two step oxidation ；Process design北京化工大大学北方学院（论文）5目目 录录1 1引言引言.7 71.1 概述.71.2 丙烯酸生产工艺技术.81.2.1 氰乙醇法.81.2.2 Reppe 法 .81.2.3 烯酮法.81.2.4 丙烯腈水解法.91.2.5 丙烯氧化法.91.3 丙烯酸工业生产概况.101.3.1 国外工业生

7、产概况.101.3.2 国内工业生产现状.111.4 丙烯酸生产工艺技术的发展前景.121.5 研究的目的及意义.122 2 丙烯酸工艺流程的确定丙烯酸工艺流程的确定.13132.1 丙烯酸生产原理.132.2 拟采用的生产工艺.132.3 主要原料及其规格.14北京化工大大学北方学院（论文）62.4 工艺流程图.142.5 工艺流程简述.143 3 物料衡算物料衡算.16163.1 基础数据.163.1.1 全装置工艺数据.163.1.2 工艺配方.163.2 计算基准.173.3 计算.173.3.1 第一氧化反应器的物料衡算.173.3.2 冷却器的物料衡算.193.3.3 第二氧化反应

8、器的物料衡算.193.4 原料消耗综合表.204 4 热量衡算热量衡算.21214.1 基础数据.214.1.1 计算基准.214.1.2 热量衡算方程式.214.2 热量衡算式中各参数计算方法.224.3 计算.224.3.1 氧化反应器热量衡算.224.3.2 冷却器的热量衡算.244.4 动力消耗综合表.24北京化工大大学北方学院（论文）75 5 设备的工艺设计设备的工艺设计.25255.1 主体设备工艺设计.255.1.1 氧化反应器的设计计算.255.1.2 反应器零部件选用与设计.285.2 辅助设备的设计.295.2.1 冷凝器的设计选型30.295.2.2 动力设备的选型.29

9、5.2.3 泵和管路的选型.305.2.4 物料进、出料管径确定.325.3 工艺设备一览表.326 6 车间布置设计车间布置设计 .34346.1 概述 .346.2 车间布置的基本依据 .346.3 厂房布置 .346.4 设备布置 .346.4.1 生产操作 .356.4.2 设备安装 .356.4.3 安全要求 .357 7 安全、储运设计与三废处理安全、储运设计与三废处理 .36367.1 安全设计 .367.1.1 装置安全 .37北京化工大大学北方学院（论文）87.1.2 人身安全 .377.2 包装与储存 .387.3 三废处理 .387.3.1 废酸的处理 .387.3.4

10、废水的处理 .398 8 经济性分析经济性分析.39398.1 投资估算及资金来源.398.1.1 项目投资估算.398.1.2 资金来源 .408.2 财务评价 .418.2.1 产品成本估算 .418.2.2 年销售收如何年销售税金及附加估算 .429 9 总结总结.4343北京化工大大学北方学院（论文）91引言引言1.11.1 概述概述1.1.1 丙烯酸的物化性质丙烯酸（英文名：Acrylic acid），分子式为C3H4O2，相对分子量为72.06，结构式为CH2=CHCOOH。比重（20）为1.051，外观为无色透明液体，有较强刺激味，沸点141.3，熔点13.2（近似），闪点54.

11、5（开口杯）。溶于水、乙醇、乙醚等。化学性质活泼，它是一种重要的不饱和有机酸，其化学结构中含有不饱和碳碳双键和羧基，能与多种化合物通过均聚或缩聚反应，合成一系列丙烯酸共聚物，如丙烯酸酯及聚丙烯酸。其危险性类别排第8.1类，为高闪点可燃液体及酸性腐蚀品，属于丙烯酰基化合物1。丙烯酸是作为一种非常常见的有机化工产品和原料，它的主要用途是用于生产丙烯酸酯类，同时还可用在制造助洗涤剂、水处理剂和高吸水性树脂等，并且广泛应用于粘合剂、塑料、纺织、皮革、化纤、涂料、石油开采等各个领域2。 在 20 世纪 20 年代末期，化学家 Otto Rohm 在使用 2-氯乙醇支取羟基丙腈时候由而生产出了丙烯酸，此时

12、第一次完成了对丙烯酸生产工艺的工艺化做出研究3。继而 1939 年，德国化学家 Reppe 创造了一种以乙炔、水和一氧化碳为原料，用催化计（剂羰基镍）以此来生产出丙烯酸。此后，1969 年，美国联碳公司向英国 BP 公司直接引进丙烯氧化法制取丙烯醛从而制取丙烯酸技术，并并且恋碳公司建立了一套专业工业化生产装置。经过长期的改造和研究，特别针对丙烯氧化催化剂的改进，目前这种方法已成为世界上生产制造丙烯酸的主要生产方法4。1.21.2 丙烯酸生产工艺技术丙烯酸生产工艺技术丙烯酸，作为一种主要的有机化学原料，早在在 20 世纪 30 年代就实现了工业化生产，它的生产方法主要经历了：氰乙醇法、雷普(Re

13、ppe)法、烯酮法、丙烯腈水解法和丙烯氧化法5、6。1.2.1 氰乙醇法氰乙醇法是世界上最先开始工业化制造丙烯酸及其酯的工艺方法。北京化工大大学北方学院（论文）10分别在 1927 年和 1931 年德国和美国相继使用此方法完成了工业化的生产。但是反应的副产物过多，导致最终的产率很低，仅能达到 6070%之间，并且氰化物含有，对环境的污染很厉害，所以，这种工业方法制取丙烯酸早在 50 年代就被关闭。1.2.2 Reppe 法德国的 Walter Reppe 博士在 20 世纪 30 年代发现利用自己研究成果的Reppe 反应，可以利用乙炔直接生产获得丙烯酸和丙烯酸酯类。60 年代之前，利用 R

14、eppe 法或者利用改良后的 Reppe 法生产丙烯酸及其酯的工艺曾占据着世界主导方法，但是伴随着石油化工技术的不断革新和改善，同样也伴随着对环境保护意识和要求的不断加强，到 1976 年此种方法已经全部停止使用。1.2.3 烯酮法这种方法主要是用乙酸或者丙酮作为为原料，磷酸三乙酯做为催化剂，在高温 700下经过裂解生成乙烯酮。然后再次与无水甲醛在催化剂（AlCl3或 BF3）存在下，在 25时气相反应，反应生成 -丙内酯。最后，再与热的磷酸接触生成丙烯酸。乙烯酮法生产丙烯酸的纯度很高，同时产率也非常高，副产物和未反应的物料也可以循环利用，非常适合工业化连续生产，但是原料乙酸或丙酮价格过高且

15、-丙内酯时一种致癌物质。1.2.4 丙烯腈水解法这种方法是由法国 SocietedUgine 和美国 Sohio 共同研制出的工业化生产的工艺流程。该工艺相对比较简洁，反应过程也比较温和容易达到，设备和投入相对低廉，可同时生产丙烯酸胺。缺点是对环境的污染比较严重，副产物为大量低廉的硫酸铵。目前，该流程只有日本旭化成和英国联合胶体还存在并且运行。1.2.5 丙烯氧化法7,81985 年世界丙烯酸生产能力中丙烯氧化法占 85、Reppe 法占 12、丙烯腈法、占 3，Reppe 法和丙烯腈法逐步被丙烯氧化法所取代。北京化工大大学北方学院（论文）11目前基本上全部采用丙烯氧化法生产工艺。丙烯氧化法生

16、产经过四十多年的不断改进，尤其是对丙烯氧化催化剂的改进，使丙烯氧化法成为生产丙烯酸的主导方法。工业生产中应用的丙烯氧化法生产技术主要有俄罗斯的 Sohio 法、日本触媒法、日本三菱化学法和 BASF 法9。从丙烯的总转化率和选择性看日本触媒法、日本三菱化学法在技术上比较有优势，也是我国较多引进的技术方法。目前，世界上工业装置越来越多地采用的主流方法是丙烯氧化法工艺。该方法以丙烯和空气中的氧气为原料，在水蒸气存在下和 250400反应条件下，通过催化剂床层进行反应。反应分两段进行。第一步的主反应为：CH2=CHCH3+O2 CH2=CHCHO+H2O第一步的副反应为：CH2=CHCH3+0.5O

17、2 CH2=CHCOOH2CH2=CHCH3+7.5O2 3CO2+3CO+6H2OCH2=CHCH3+2.5O2 CH3COOH+3CO2 +H2O第二步的主反应为：CH2=CHCHO+0.5O2 CH2=CHCOOH第二步的副反应为：2CH2=CHCHO+5.5O2 3CO2+3CO+4H2O4CH2=CHCHO+2H2O+O2 4CH2O+CH3CHO此外还伴随若干其他副反应发生，并生成丙酸、糠醛、丙酮、甲酸、马来酸等副产物。1.31.3 丙烯酸工业生产概况丙烯酸工业生产概况 20世纪90年代，丙烯酸系单体面临一个扩展的热潮，随着聚丙烯酸型超吸收剂和家用洗涤剂增量剂的开发和普及，在世界上

18、形成了一个投资兴建丙烯酸北京化工大大学北方学院（论文）12及酯单体装置的热潮。由于其品种繁多、用途广泛、产品附加值高等优点，现在已形成了独立的丙烯酸化工体系10。1.3.1 国外工业生产概况 在国外,氰乙醇法是最早生产丙烯酸及其酯的方法，是 1937 年德国Rohm & Hass 公司开发的技术。由于反应过程中生成各种聚合物，丙烯酸的收率较低只有 6070，且氰化物有毒环境污染严重，故此法的生产装置在上个世纪 50 年代就已经全部关闭。1952 年 Rohm & Hass 公司建立以 Reppe 反应为基础的丙烯酸酯生产装置，1956 年 BASF 公司对其工艺进行进一步的改革

19、，成为后来改进 Reppe 法的雏形。该反应的特点是液相反应，以四氢呋喃为溶剂，溴化镍为催化剂，溴化铜为促进剂，反应一步生成丙烯酸。在 20 世纪 60 年代前用 Reppe 法或改进 Reppe 法建设的丙烯酸装置曾占主导地位。随着石油化工技术的开发和环保要求的加强，到 1976 年 Reppe 法或改进 Reppe 法的丙烯酸装置已全部停产。1955 年前后，法国 Ugine Kuhlmann 公司开发的丙烯腈水解法，工艺过程是丙烯腈先经硫酸水解生成丙烯酰胺，再在酸环境下与醇酯化反应生成相应的丙烯酸酯。该工艺反应条件温和设备投资不大，同时可生产丙烯酰胺，但污染严重，副产品含有大量的低价值的

20、硫酸铵，该工艺目前也已基本淘汰。1969 年 UCC 公司对引进的 BP 公司专利技术进行了改进，建立了丙烯两步氧化制丙烯酸生产装置，第一步丙烯氧化生成丙烯醛，第二步丙烯醛进一步氧化生成丙烯酸。表 1.1 所示为全球酯化级丙烯酸生产装置的区域分布11。北京化工大大学北方学院（论文）131.3.2 国内工业生产现状我国丙烯酸工艺生产技术始于 20 世纪 60 年代，当时均采用丙烯腈水解法，整体上规模小、品种少12。1984 年北京东方化工厂成套引进日本技术和设备，建成投产我国首套大型1.8 万吨丙烯氧化法丙烯酸生产装置，此后经过两次扩能改造和多次脱瓶颈改造，目前有三套丙烯酸装置均为丙烯氧化法工艺

21、，总产能达到 7.8 万 t/a13。1992 年吉林石化引进日本三菱化学技术建成 2.7 万 t/a 丙烯氧化法丙烯酸装置；1994 年上海华谊丙烯酸有限公司引进日本三菱化学技术建成 3.0 万 t/a 丙烯氧化法丙烯酸装置14，经过技术改造 2002 年丙烯酸生产能力达到 3.9 万 t/a。2004 年该公司又建成一套 3.0 万 t/a 丙烯氧化法丙烯酸装置，目前丙烯酸总产能为 6.8 万 t/a；2005 年扬巴公司采用 BASF 公司自己的丙烯氧化法技术建成一体化丙烯酸及酯项目，丙烯酸装置能力为 16 万 t/a。2006 年蓝星沈阳石蜡化工有限公司引进日本三菱化学技术建成 8 万

22、 t/a 丙烯酸装置19和台塑集团在宁波建设的 16 万 t/a 丙烯酸装置，也是丙烯氧化法工艺。目前国内丙烯腈水解法生产丙烯酸工艺已淘汰，生产方法均为丙烯二步氧化法。从长远看，中国将成为丙烯酸需求增长的主要地区，中国丙烯酸产品仍有较大发展空间。1.3.3 国内需求现状 国内的丙烯酸主要用于生产丙烯酸的酯类产品，在纺织、建筑包装等领域，占据着 67%的比重，其中也包含高吸水性树脂在内的聚丙烯酸及其盐类，占据丙烯酸消费的 15%的份额。但是，相比较于欧美、以及亚洲发达国家地区，这个数字就低的多。伴随着人们生活水平的提高和改善，尤其是尿不湿的普及，一次性卫生品用量的加大，预计需求将会持续以年均 1

23、2%13%的量进行增长。除此以外，国内政府对无磷洗洁剂的推广，将会进一步促进聚丙烯盐类的发展。图 1.2 是国内丙烯酸装置产能增长情况以及 2015 的预测16。北京化工大大学北方学院（论文）141.41.4 丙烯酸生产工艺技术的发展前景丙烯酸生产工艺技术的发展前景现如今，我国的丙烯酸生产企业所使用的工艺技术大多从日本引进，投资金额较高。采用国内技术、设备和催化剂，将会大幅降低投资和生产成本，提高产品竞争力。在丙烯酸工艺技术的改进过程中，因为催化剂费用占了生产成本的相当比例，提高选择性和转化率，延长催化剂寿命成为研究的关键17。当前形势下，我国丙烯酸行业应加快丙烯酸生产工艺及催化剂的国产化，形

24、成自主知识产权，将有利于丙烯酸行业的健康发展。1.51.5 研究的目的及意义研究的目的及意义随着经济的飞速发展，丙烯酸需求量逐年增长，我国丙烯酸行业面临良好的发展机遇与技术挑战。目前全球以丙烯氧化制丙烯酸为首要技术，几乎占据了所有的生产量，选择最优的氧化工艺技术，从而扩大生产能力、节省设备投资迫在眉睫。基于此，本课题采用丙烯气相两步氧化法制备丙烯酸的生产技术，借鉴国内外的先进经验，选择高效能催化剂，以此建一 15 万吨/年丙烯酸生产车间，使生产产品的综合性能在原有基础上明显提高，生产效率进一步提升，工艺、控制更加优化，生产成本明显下降。2 2 丙烯酸工艺流程的确定丙烯酸工艺流程的确定2.12.

25、1 丙烯酸生产原理丙烯酸生产原理丙烯直接氧化法生产丙烯酸有一步法和两步法之分。一步氧化法相对而言反应装置简单、工艺流程短、只需一种催化剂、投资少等优点，但存在几个突出缺点18：北京化工大大学北方学院（论文）15一步法对丙烯酸进行氧化，是在一个反应器当中进行的，这就要求一种催化剂要同时适用于两个不同的氧化反应，从而抑制或者影响了催化剂的有效利用和发挥，最终导致产品收率很低；两个反应一步进行，反应热效应大。要降低反应放热量，只有通过降低丙烯酸原料的浓度，因此生产能力低；催化剂寿命短，成本高，经济效益不明显。鉴于以上原因，目前工业上主要采用两步法生产，即第一步丙烯氧化生成丙烯醛，第二步丙烯醛氧化生成

26、丙烯酸。丙烯两步氧化制丙烯酸的主反应可用下列两式表示：CH2CHCH3 + O2CH2CHCHO + H2OCH2CHCHO + 1/2 O2CH2CHCOOH反应属强放热反应，有效地移除反应热是反应过程的突出问题。除主反应外，还有大量副反应，其副产物有 CO 和 CO2等深度氧化物以及乙醛、醋酸、丙酮。因而，提高反应选择性和目标产物收率非常重要，要达到这一目的，必须在反应过程中使用高活性、高选择性催化剂。由于生产丙烯酸分步进行，所以每步反应所用催化剂也不同。第一步反应为丙烯氧化为丙烯醛，所用催化剂大多为 Mo-Bi-Fe-Co 系，再加入少量其他元素，以钼酸盐的形式表现出催化活性。第二步反应

27、为丙烯醛氧化为丙烯酸，目前采用的催化剂均为 Mo-V-Cu 系，通常需要添加助催化剂。2.22.2 拟采用的生产工艺拟采用的生产工艺丙烯直接氧化法是目前生产丙烯酸最常用也是最新的方法，原料丙烯价格较低而且比较容易得到，而且反应催化剂的活性和选择性高，所以目前这种办法在丙烯酸的生产工艺中占据主导地位。因此本课题拟采用丙烯两步氧化法。2.32.3 主要原料及其规格主要原料及其规格丙烯：95%，主要来自炼油厂的催化裂化装置和丙烷脱氢技术催化剂：第一步氧化（丙烯氧化为丙烯醛）选用固态钼-铋系催化剂Mo12Bi1.0Fe1W2Co4Si1.35K0.06；第二步氧化（丙烯醛氧化为丙烯酸）选用固态钼-钒系

28、催化剂Mo12V4.0W1.0Cu2.2Sb0.5北京化工大大学北方学院（论文）16吸收塔催化剂冷却器空气第一反应器丙烯第二反应器预热器汽化器熔盐（55%KNO3+45%NaNO2）2.42.4 工艺流程图工艺流程图氧化过程一般采用两台反应器串联，从第一台反应器出来的丙烯醛、未反应的丙烯以及副产物可以不经处理直接供给第二反应器。丙烯氧化生产丙烯酸拟常用列管式反应器，管内装填催化剂，管间采用熔盐循环移除反应热。其氧化工序工艺流程图如图 2.1 所示。图图 2.1 丙烯酸氧化工序工艺流程框图丙烯酸氧化工序工艺流程框图2.52.5 工艺流程简述工艺流程简述经汽化器预热气化后的丙烯（纯度 95%以上）

29、与经水蒸气增湿后的空气以一定配比混合后进入第一反应器，并在反应器上部利用反应放出的热量将其预热后进入氧化钼-铋催化剂层，在催化剂作用下发生部分氧化反应生成丙烯醛，控制反应温度 593633K。为使反应温度均匀，采用熔盐在反应管间强制循环移除反应热，并通过熔盐废热锅炉产生蒸汽，以回收余热。第一反应器生成的气体（含丙烯醛、少量丙烯酸以及副反应生成的一氧化碳和二氧化碳等）经过气体冷却器换热冷却后被送入第二反应器，在氧化钼-钒催化剂作用下，丙烯醛进一步氧化为丙烯酸，反应温度控制在 533573K。反应放出的热量采用熔盐在管间强制循环移出22。第二反应器出口气体送入吸收塔，用丙烯酸水溶液吸收，吸收后尾气

30、中含有少量未反应的丙烯、丙烯醛、乙醛等有机物和不溶性气体，约 50%返回反应器进料系统循环使用，其余尾气送废气催化焚烧装置。吸收塔底部流出的丙烯酸水溶液约含丙烯酸 20%30%（质量分数） ， 送分离工段进行分离精制。北京化工大大学北方学院（论文）173 3 物料衡算物料衡算3.13.1 基础数据基础数据3.1.1 全装置工艺数据（1）生产规模：年产 15 万吨丙烯酸的生产（2）生产时间：年工作日大约为 334 天，时数为 8000h（3）每吨丙烯酸消耗定额：0.775t 98%丙烯（4）全装置总收率按 88%计，损耗（包括工艺损耗、机械损耗）为12%；其中一段反应器丙烯醛的收率可达 90.5

31、%，丙烯酸收率可达 6%；二段反应器中丙烯醛的转化率可达 99.2%，丙烯酸产率可达 95.2%。3.1.2 工艺配方（1）反应器入口气体组成：原料丙烯、空气中的氧气以及水蒸气。不同的催化剂选择不同的丙烯浓度，一般在 7.0%10.0%之间；氧烯比一般控制在 1.8:12.0:1 之间，过低和过高的氧烯比会影响丙烯的转化率和选择性；水蒸气的存在一是为了提高催化剂的选择性，使反应产物容易从催化剂表面解析出来；二是降低反应气中的氧浓度，以便减缓丙烯的深度氧化；另外，由于水蒸气具有较大的热容，有利于床层的热稳定。（2）反应空速：绝对空速（SV0）：一段反应器入口每小时加入的丙烯气体的体积与纯V丙催化

32、剂体积的比值，即。它反映催化剂的实际反应负荷，在 120 h-10VSVV丙催左右。相对空速（SV）：混合气体的小时体积通量与催化剂床层体积之比，V气V床即：。一般在 8002000h-1之间。VSVV气床（3）反应温度：一段反应一般为 300400，二段反应一般在 250320。北京化工大大学北方学院（论文）18表表 3.1 氧化工艺配方基本参数值氧化工艺配方基本参数值反应器基本参数设计取值丙烯进料浓度/%（摩尔分数）8.7进料中氧气/丙烯（摩尔比）1.80进料中水蒸气/丙烯（摩尔比）0.76反应温度/325一段反应器空速/ h-11450丙烯醛进料浓度/%（摩尔分数）6.4氧气/丙烯醛（摩

33、尔比）1.05水蒸气/丙烯醛（摩尔比）2.11反应温度/260二段反应器空速/ h-116503.23.2 计算基准计算基准此过程属于连续操作过程，计算基准选时间，单位为 kmol/h。3.33.3 计算计算在生产过程中以氧化反应为主，不考虑副反应，也不对副反应进行物料衡算。3.3.1 第一氧化反应器的物料衡算 COCO2 图图 3.1 第一氧化反应器物料衡算示意图第一氧化反应器物料衡算示意图依照图 3.1 中第一氧化反应器物料衡算示意图进行计算：（1） 丙烯进料量：北京化工大大学北方学院（论文）19每小时生产量：1500008000=18.8 t 丙烯酸需要 98%的丙烯：18.80.775

34、=14.57 t/h=14570.0 kg/h=346.9 kmol/h 以 346.9 kmol/h 为基准，扣除损耗的 1%丙烯应有丙烯醛和丙烯酸：346.9(10.01) =343.44kmol/h 第一反应器按氧化反应总转化率 96.5%计；98%的丙烯进料量：343.440.965=355.89 kmol/h原料中含丙烯 98%，则原料量应为：355.890.98=363.16kmol/h（2）水蒸气进料量：0.76363.16=276.00 kmol/h（3）氧气进料量：1.8363.16=653.69kmol/h 总气体进料量：363.168.7%=4174.25 kmol/h空

35、气进料量：4174.25363.16276.00=3535.09 kmol/h（4）丙烯醛出料量：363.1690.5%=328.66 kmol/h（5）丙烯酸出料量：363.166%=21.79 kmol/h（6） 副产物：363.162.5%=9.079 kmol/h；丙烯损失量：363.161%=3.63 kmol/h（7）据绝对空速可计算催化剂的用量，本设计中绝对空速取 120 h-1：；催化剂用量：67.8m3/h300363.16 22.467.8120VVSVVmVSV丙丙催催总出料量：328.66+21.79+3.63+9.079+3535.09+276.0=4174.25 k

36、mol/h第一氧化反应器物料平衡表如表 3.2 所示：表表 3.2 第一氧化反应器物料平衡表第一氧化反应器物料平衡表物料分子量gmol-1密度kgm-3粘度Pas摩尔进料量 kmolh-1摩尔出料量kmolh-1丙烯42.081.9141.610-5363.16空气28.951.2931.8110-53535.093535.09水蒸气18.021.000.9810-5276.00276.00丙烯醛56.060.84020.39310-3328.66丙烯酸72.061.05111.14910-39.079副产物3.63损失3.63北京化工大大学北方学院（论文）20催化剂67.8 m3/h67.8

37、 m3/h合计4174.254174.253.3.2 冷却器的物料衡算 丙烯酸及副产物丙烯醛熔盐丙烯醛丙烯酸副产物及损失的丙烯冷却器图图 3.2 冷却器物料衡算示意图冷却器物料衡算示意图依照图 3.2 对冷却器进行物料衡算：此过程只发生相态变化，物料平衡，因此不需要进行物料衡算。3.3.3 第二氧化反应器的物料衡算 COCO2 图图 3.3 第二氧化反应器物料衡算示意图第二氧化反应器物料衡算示意图依照图 3.3 中第二氧化反应器物料衡算示意图进行计算：（1）丙烯醛进料量：328.66 kmol/h（2）水蒸气进料量：2.11328.66=693.47 kmol/h（3）氧气进料量：1.0532

38、8.66=345.09 kmol/h 总气体进料量：328.666.4%=5135.31 kmol/h空气进料量：5135.31328.66693.47=4806.6 kmol/h（4）丙烯酸进料量 21.79 kmol/h；副产物 9.079 kmol/h；剩余丙烯量 3.63 kmol/h总进料量：5135.31+21.79+9.079+3.63=5169.809 kmol/h（5）丙烯酸出料量：328.6695.2%=312.88 kmol/h（6）副产物：328.66(99.2%95.2%) =13.15 kmol/h北京化工大大学北方学院（论文）21（7）损失的量：328.66(19

39、9.2%) =2.629 kmol/h（8）空气和水蒸气的用量不变，且催化剂用量不变。据绝对空速可计算催化剂的用量： 300328.66 22.461.34120VVSVVmVSV丙丙催催 催化剂的量：61.33 m3/h总出料量：312.88 +13.15 +2.629+4806.6+693.47 =5135.31 kmol/h第二氧化反应器物料平衡表如表 3.3 所示：表表 3.3 第二氧化反应器物料平衡表第二氧化反应器物料平衡表进料出料物料名称摩尔进料量 kmolh-1物料名称摩尔出料量 kmolh-1丙烯醛328.66丙烯酸312.88水蒸气693.47副产物13.15空气4806.6

40、损失2.629催化剂61.33 m3/h水蒸气693.47丙烯酸21.79空气4806.6副产物9.079损失3.63合计5828.73合计5828.733.43.4 原料消耗综合表原料消耗综合表原料消耗综合表如下表 3.4 所示：表表 3.4 原料消耗综合表原料消耗综合表序号物料名称单位每吨产品消耗量每小时消耗量每年消耗量1丙烯t0.77510.148.111042空气t7.54（一段）7.79（二段）70.17（一段）70.17（二段）5.614105（一段）5.614105（二段）3催化剂m367.8（一段）61.33（二段）5.5105（一段）4.91105（二段）4水蒸气t0.593

41、.3（一段）2.64104（一段）北京化工大大学北方学院（论文）221.3147.36（二段）5.888104（二段）北京化工大大学北方学院（论文）234 4 热量衡算热量衡算连续操作过程属于定态操作过程，物料状态、反应状态等不随时间而变化，所以热负荷（传热速率）也不随时间变化而变化，主要计算正常操作时的传热速率。4.14.1 基础数据基础数据氧化反应器中主要发生以下两个重要反应：CH2CHCH3 + O2CH2CHCHO + H2O + 3.4 105JCH2CHCHO + 1/2 O2CH2CHCOOH + 2.52 105J（1）反应器物料衡算数据（见氧化反应器物料平衡表）（2）入口温度

42、：25，第一反应器温度：325，第二反应器温度：260（3）有关物性数据如表 4.1 所示：表表 4.1 物性数据表物性数据表物料名称定压比热容/kJkg-1K-1导热系数/Wm-1h-1-1标准生成热/kJmol-1丙烯1.5285.710-320.42空气1.02852.110-3水蒸气1.94854.910-357.798丙烯醛2.194-105.05 丙烯酸2.151-336.47 4.1.1 计算基准热流量基准：kJ/h；基准温度：254.1.2 热量衡算方程式在化工过程中，各种热量之间的转化关系可以用热平衡方程表示：Q =H出-H进其中 Q -设备或系统与外界环境交换热量之和，通常

43、包括热损失，kJ；H出-离开设备或系统各股物料的焓之和，kJ；H进-进入设备或系统各股物料的焓之和，kJ。在解决实际问题时，热平衡方程式写成以下形式更容易计算： QT = Q1+Q2+Q3+Q4北京化工大大学北方学院（论文）24式中 QT -设备或系统内物料与外界交换热量之和（传入为正 ，传出为负） ，kJ；Q1-由于物料温度变化，系统与外界交换的热量，kJ；Q2-由于物料发生各种变化（化学变化、相变、溶解、混合等） ，系统与外界交换的热量（吸热为正、放热为负） ， kJ；Q3-由于设备温度变化，系统与外界交换的热量（设备升温为正、降温为负） ， kJ；Q4-设备向外界环境散失的热量（操作温度

44、高于环境温度为正、低于环境温度为负） ，kJ。上式也可以写成如下形式：qT =q1+q2+q3+q4 （kJ/h）4.24.2 热量衡算式中各参数计算方法热量衡算式中各参数计算方法1、q1的计算：认为反应器内压力不变，即整个过程为恒压变化过程dTCwqTTP1212、q2的计算：（标准化学反应热）Hrq23、q3的计算：对于连续操作，由于操作过程是在定态条件下进行的，物料温度与设备温度都不随时间变化，此时 q3=0。4、q4的计算：设备温度高于环境温度时，q40，设备操作温度低于环境温度时，q40。在实际操作中，若设备有保温层，为简化计算，常取热损失速率为总速率的 10%。4.34.3 计算计

45、算主要对一段、二段氧化反应器以及冷却器进行热量衡算；第一反应器进料温度为 250，反应温度为 325；第二反应器进料温度 210，反应温度 260。4.3.1 氧化反应器热量衡算1、第一氧化反应器热量衡算（1）q1的计算：TCpwTCpwqqq)250()325(1进料出料进料出料q出=(328.6656.062.194+21.7972.062.151+3535.0928.951.028+276.00 18.021.914) (325-25)=46578000.0 kJ/h北京化工大大学北方学院（论文）25q进料=(363.1642.081.52+3535.0928.951.028 +276.

46、0018.021.914)(250- 25)=31039050kJ/hq1= q出料q进料=10962362.25=1.55107 kJ/h（2）q2的计算：=105.15328.661000(20.42)363.161000=27856111.3Hrq2= 4.198107 kJ/h（3）q3的计算：对于连续操作，由于操作过程是在定态条件下进行的，物料温度与设备温度都不随时间变化，所以 q3=0（4）q4的计算：常取热损失速率为总速率的 10%；q4=10%(1.1107+2.786107)= 5.748106 kJ/h（5）qT的计算：qT =q1+q2 +q4 =1.1107+2.786

47、107+3.88106 = 6.32107 kJ/h（6）计算设备热负荷和熔盐消耗量：氧化反应是连续操作过程，所以设备热负荷应当等于 qT，为 6.32107 kJ/h熔盐（55%KNO3+45%NaNO2） ，进口温度 275，出口温度为 280其比热为 55%0.332+45%0.43=0.3761cal/g=1.575 kJ/kg熔盐对管壁给热系数 可取 2717 kJ/(m2h)所以kg/h671003. 8)275280(575. 11032. 6hG（7）电能消耗量的计算：据公式， 为用电设备的电功功率（一般取 0.850.95） ，设计取3600TqE 0.9；所以kwE5 .1

48、847995. 036001032. 672、第二氧化反应器的热量衡算方法同第一反应器，其计算结果如表 4.2 所示。北京化工大大学北方学院（论文）26表表 4.2 第一氧化反应器、第二氧化反应器热量衡算表第一氧化反应器、第二氧化反应器热量衡算表系统与外界交换的热量第一氧化反应器第二氧化反应器q1/(kJ/h)1.551072.6105q2/(kJ/h)4.1981073.8107q4/(kJ/h)5.7481063.8106qT/(kJ/h)6.321074.18107Gh/(kg/h)8.031065.31106E/kw18479.512222.24.3.2 冷却器的热量衡算1、计算依据进

49、口温度：275；出口温度：280冷却剂：熔盐，其冷凝热为 2717 kJ/kg2、热衡算求冷取器的热负荷和熔盐的用量，冷损失按 10%计算需要熔盐提供的热量：Q=1.1(328.6656.062.194+21.7972.062.151+3535.0928.951.028+276.0018.021.914)(325-260) =7.945106 kJ/h加热熔盐用量：W= Q/2717=2924.22kg/h4.44.4 动力消耗综合表动力消耗综合表动力消耗综合表如表 4.3 所示：表表 4.3 动力消耗综合表动力消耗综合表序号物料名称单位每吨产品消耗量每小时消耗量每年消耗量1熔盐t354.23

50、.361042蒸气t305277.454.221073电kwh400197691.581084锅炉用水t9225001.8 108北京化工大大学北方学院（论文）275 5 设备的工艺设计设备的工艺设计5.15.1 主体设备工艺设计主体设备工艺设计5.1.1 氧化反应器的设计计算常用的氧化反应器有搅拌式氧化器和气固氧化反应器，搅拌式氧化器主要用于使用化学氧化剂的液相氧化过程，而气固氧化反应器是以空气物料气体或氧化物料气体通过固体催化剂接触而反应的过程，这类反应器通常以气固流化床和气固固定床为多，在工业生产中广泛使用。本设计采用列管式固定床氧化反应器，此类反应器为列管式结构，传热面积大，有利于强放

51、热反应。1、计算催化剂床层体积、直径及高度对于第一反应器：床层体积：34174.25 22.464.531450VVSVVmVSV气气床床床层直径：244 4174.25 22.45.8360036001vDDmu其中 u 为空床操作气速，取 1m/s；催化剂平均粒径取 5mm，床层孔隙率 取 0.48；床层高度：2264.54.71(1 0.48) 0.785 5.8(1)4VLLmD床经圆整，取 4.8m同理，对于第二反应器：床层体积：35135.31 22.469.711650VVSVVmVSV气气床床床层直径：244 5135.31 22.46.38360036001vDDmu其中 u

52、 为空床操作气速，取 1m/s；催化剂平均粒径取 5mm，床层孔隙率 取 0.48；床层高度：2269.714.20(1 0.48) 0.785 5.2(1)4VLLmD床北京化工大大学北方学院（论文）28经圆整，取 4.2m2、反应器管数 n给定管子302.5，故管内径 dt为 25mm，即为 0.025 米；管长为 5 米，催化剂充填高度 L 为 4.8 米。因此2264.5273890.785 0.0254.84tVnnd L床同理，对于第二反应器：2269.71338300.785 0.0254.24tVnnd L床3、反应器材料：由于丙烯酸具有较强的腐蚀性，本设计选用经过钝化处理的碳

53、钢材质 Q235-A，接管材料选用 20 号钢。4、核算换热面积该反应是放热反应，需要移走热量，床层是被冷却的，因此床层对壁总给热系数按下式计算：床层被冷却时，0.73.5()exp( 4.6)fpptttd Gddd式中流体导热系数，kJm-1h-1-1；表观质量流速，kgm-2h-fG1；流体粘度，Pas ；催化剂粒径；列管内径pdtd总进料量：m=363.1642.08+3535.0928.95 +276.0018.02=122596kg/h551.316 1.6 12.8 1.81 0.98101.737 101.316 12.8 1Pa s混（）331.316 85.7 12.8 5

54、2.1 54.91055.21 10/()1.316 12.8 1fkJm h （）31.316 1.914 12.8 1.293 1.001.328/1.316 12.8 1kg m混21212259616844/17835(0.025)4Gkg mh50.005 140031119.671.737 103600ped GR北京化工大大学北方学院（论文）29床层对壁总给热系数：30.7255.21 100.0053.5 1346.83exp( 4.6)475.21/0.0250.025tkJ mh 总传热系数：20111tttmKdddd垢壁钢垢查得碳钢管的导热系数为 =167.5kJ/(m

55、h)251412.43/110.0250.0025 0.0254.78 10315.1227170.03167.5 0.0275KkJ mh 整个反应器床层可近似视为等温，为 325，则传热推动力为：(325275)(325280)47.52mt需要传热面积：725.748 102934.09412.43 47.5cmQAAmK t需需实际传热面积为23.14 0.025 4.8 2738910320.17tAd LnAm实实，故能满足传热要求。AA需实5、反应床层压力降的计算修正雷诺数：11()1346.81 ()2590.20 100011 0.48peMd GR固定床压降计算公式为223

56、23(1)11501.75fscscuPuLd gd g当时，为充分湍流，计算压降时可以略去第一项，因此1000eMR 2233111.75()1.75()fscsfuGPLLd gd23(16844/3600)1 0.481.75() 4.88999689.9960.005 1.3280.48PPakPa第二氧化反应器的计算方法与第一氧化反应器的计算方法相同。第一、第二氧化反应器的各数值如表 5.1 所示：北京化工大大学北方学院（论文）30表表 5.1 第一、第二氧化反应器换热面积核算及床层压力降值第一、第二氧化反应器换热面积核算及床层压力降值项目第一氧化反应器第二氧化反应器床层对壁总给热系

57、数211/tkJ mh475.21272.56总传热系数211/K kJ mh412.43265.97需要传热面积2/Am需2934.096291.75实际传热面积2/Am实1032.1711153.75床层压力降/P kPa89.99687.645.1.2 反应器零部件选用与设计（1）容器法兰：选用 JB4702-92 乙型平焊法兰，公称压力 PN1.0，公称直径 DN3200；法兰材料选用 20（锻） ，质量为 471.9 kg；螺栓材料选用 40Cr；螺母材料选用 35，凹凸密封面，配 60 个 M24 螺栓。（2）人孔：选用 JB580-79 回孔盖人孔，公称压力 Pg10，公称直径D

58、g500，采用一类材料，A 型密封面，人孔标记为 AIPg10Dg500JB580-79。（3）视镜：选用 4 个 HGJ501-86Pg10Dg100 碳钢视镜，设在反应器盖上，用于观察反应器内物料变化情况。（4）仪表测量口：测温口一般设在反应器底部，温度计要插入反应液中，为保护温度计，可将温度计放入金属套管中；测压口设在反应器釜盖上，安装螺纹为 M272。（5）安全装置口：由于反应器一般为密闭式操作，反应器过程有时带正压或负压，有时有气体产生，为了安全操作，需要在釜盖上设置安全阀口或放空口。（6）开孔补强：在人孔、加料和出料管口以及蒸汽进出口设置补强圈，补强圈按 JB1207-73 选用，

59、即人孔处补强圈 Dg50012，加料和出料口Dg10012，蒸汽进出口 Dg808。（7）支座：选用悬挂式支座，JB1165-81，共 4 个。配 M30 地脚螺栓，设置加强垫板。北京化工大大学北方学院（论文）315.25.2 辅助设备的设计辅助设备的设计5.2.1 冷凝器的设计选型30需要设置反应器外传热，设计列管式冷凝器，其传热系数为 370730kcal/ m2h，熔盐在其中的流速为 3m/s。（1）计算依据： 进口温度 275，出口温度 280； 热负荷为 7.945106kJ/h=2.21106J/s（2）计算换热面积：总传热系数：管壳式换热器作加热器时，设计取 282.37 W/m

60、2对数平均温差：热端温差为 325275=50，冷端温差为325280=45504547.550ln45mt换热面积 A=2.21106/(282.3747.5)=164.78 m2，取安全系数为 1.25，则需换热面积为 210 m2（3）换热器的选型：选用管壳式换热器，JB1145-71-2-33，换热面积为 210 m2，公称直径为Dg800mm，管长 6000 mm，管程数，管数 444，设备型号为 G800-16-2005.2.2 动力设备的选型1、循环气压缩机本设计选用的是 D-29/49-53 型。吸入压力为 4.9MPa，吸入温度为 25；排出压力为 5.3Mpa，排出温度为25；容积流量：6