甲基丙烯酸甲酯生产工艺毕业设计-设备选型与布置

1、目录101. 前言1.5.1项目名称 .1.5.2拟建地址 .1.5.3生产工艺 .1.5.4原料及产品MMA 市场应用及前景1.2.1丙酮氢醇（ACH）路线 21.2.2合成气法 31.2.3乙烯拨基化路线 31.2.4丙炔法 41.2.5异丁烯法 41.3 本文 MMA 生产工艺路线的确定 51.4 化工设备选型计算中使用的软件 71.4.1Cup-Tower 对塔设备的选型 71.4.2智能选泵系统 81.4.3As pen与EDR联用设计换热器 . 91.4.4化工设备布置图 CAD 设计 91.5 项目概况 101.2 MMA 生产工艺21010 102. 工艺流程简介及模拟112.

2、1 流程概述112.2 Aspen plus 仿真模拟流程122.2.1 MAL 合成工段的模拟122.2.2 MMA 合成工段的模拟133. 设备设计计算及选型143.1 反应器的设计143.1.1MAL 合成反应器 (R101) 的设计143.1.2 MMA 合成浆态床反应器 (R201) 的设计 .233.2 塔设备的选型与设计273.2.1急冷喷淋塔简单设计计算273.2.2cup-Tower 对脱水塔的选型303.2.3cup-Tower 对吸收塔的选型333.2.4MMA 精馏塔设计363.3 换热器的选型523.3.1 换热器设计选型示例( E201 的选型) .523.3.2

3、换热器选型结果汇总573.4 泵的选型57341泵的设计选型示例(P201的选型)57633.4.2 泵的选型结果3.5 储罐设计633.5.1 主要储罐的设计633.5.2 储罐设计结果一览表663.6 膜分离的简单设计663.6.1 膜分离工艺流程663.6.2 膜分离器选型与设计673.7 压缩机的选型693.7.1 选型示例693.7.2 压缩机选型结果693.8 设计图704. 环境保护与经济核算704.1 环境保护704.1.1 有害因素分析704.1.2 废物的处理措施714.2 经济核算结果错误! 未定义书签。 35. 设计结果755.1 设备选型一览表（附后）755.2 设计

4、图（附后）75参考文献76谢辞781 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 , 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

5、, 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

6、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451.

7、2 MMA生产工艺1.2.1丙酮氢醇(ACH)路线丙酮氰醇法是以丙酮和氢氰酸为原料,在碱性催化剂存在下，生成丙酮氰醇,然后丙酮氰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 反应式如下。OHHQ gO+HCN N旳H.Hcf -CN 丹濤6 . CHt民OSOiOHHC-C CONlh上CHz=C-COOCH> CHsECH.三菱气体化学公司开发了一种再循环型的ACH路线。新ACH法由丙酮与氢氰酸反应生成丙酮氰醇(ACH)，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

8、物脱水得到MMA。合成HBM时生成的副产氢氰酸在 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。OHCH,-CH厂f COOCHj + HCONH2 CHi反应式如下:HiC-,CH,CH,ICHjCHi-CHi=CCOOCHjCH)CHiHCONH2 HCN+HiO122合成气法新工艺第一步由乙烯和合成气生产丙酸，使用均相碘钼催化剂进行加氢甲酰 化，反应在低温(150C200oC)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，使用硅酸铌双功能催化剂。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。1.2

9、.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 。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。巴斯夫路线的反应式如下:H2C=C 出 + CO + Ht 一 CHiCHiCHO 皿dOh 辛 HO 亘 Hb =CH)CHi124丙炔法壳牌公司开发的另一条合成 MMA的新路线是使丙炔在甲醇存在下，用一氧化碳羰基化生产 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

10、择性达100% .丙炔是由乙烯副产C3馏分经MIBK或DMF萃取蒸馏分离得到的.丙炔一步法生产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125异丁烯法将异丁烯在钼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，寿命长，甲基丙烯酸的收率高。该法无污染，原料来源广泛，且成本低于丙酮氰醇法，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 MA

11、A，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MMA11。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、酯化反短,基建费用也可减少121.3本文MMA生产工艺路线的确定应,省去甲基丙烯酸工序合成 MMA，称为直接甲酯化法。此法由于合成路线缩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1-113。表1-1 MMA主要生产工艺路线成本对比（单位：美分P磅）项目ACH-法ACH-S法I-C4BASF 法MGC法原料成本3

12、1.9931.9926.5229.0527.2公用工程成本4.844. 844.555.159.63其他可变成本0.10.10.1-1.62-0.64可变成本36.0336.0331.1732.5836.19固疋成本8.6915.571112.1913.8现金成本46.6252.542.1744.7749.99折旧成本9.1711.310.2311.2812.95生产成本合计55.3363.852.3956.0662.94生产成本+10%投资回报65.0377.262.6267.3275.89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,

13、氢氰酸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、大规模的丙酮氰醇法和乙烯法是生产MMA 装MMA 最具竞争力的工艺。对于丙酮氰醇法来讲,装置规模对产品成本的影响很 大。甲基丙烯腈法由于工艺复杂,投资过高而缺乏竞争力。我国现有的 置全部采用丙酮氰醇法工艺,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,丙酮氰醇法、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

14、,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,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,与传统的丙酮氰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

15、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 万吨以上 ）上将显现出来,其单位投资将明显降低114 。由此本文选择异丁烯法制 MMA 路线。对异丁烯制 MMA 过程进行了模拟计算912161718 。1.4 化工设备选型计算中使用的软件1.4.1 Cup-Tower 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

16、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

17、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智能选泵系统智能选泵系统首先进入如图1-1功能选择窗体。选泵1查询1用明使说化学工业出版社:北京科艺电子出版社图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

18、）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。窗体的表中。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线、安装尺寸图、技术参数和外形图等信息。1.4.3Aspen 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 As pen和EDR的接口。As pen Plus可以在流程模拟工艺计算之后直接无缝集成

19、， 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设备珀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

20、，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（ 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（ MAL ）等 物质，生产聚合级（ 99.9 ）甲基丙烯酸甲酯（ MMA

21、 ）。2工艺流程简介及模拟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,O2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

22、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

23、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法政的工艺流程模拟。r-a-*©s-s.Ia图2-2 MAL合成工段模拟流程图2.2.2 MMA合成工段的模拟相分离储罐、膜分MMA合成工段工段主要包括 MAL合成反应器、精馏塔、离等主体设备。 MMA合成工段模拟流程简图如图2-3所示。P HM3a回H3-*'4E3-p0:©

24、;_H0KZ-4_0*OS图2-3MMA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=4.61g2/g堆积密度P b=0.60g/ml孔体积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 + 02 7 C4H6O + H2OVI异丁烯催化氧化反应机理I/|沁 存、图3-1异丁烯氧化机理工艺条件使用80 ( Moi2BHFe2.oCo7.oVo.2Cs0.i) /20Si复合氧化物为催化剂，异丁烯为气相

25、。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：1200-1800疗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6万吨原料配比IB:H2O:O2：N2=1:1.5:2:12年工作时间7500 h空速1200-1反应温度350 oC反应选择性89.0%反应压力101 KPa空时收率100kg/m3续表3-4反应器进口Kmol/hK

26、g/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77.895115459.7490.049836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4.96061

27、3100.13一氧化碳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反应器出口Kmol/hKg/h%(mol)丙醛0.77722445.141194.97E-04总量1563.02145334.22100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：M inyi, inM i29.12Moutyi'OuMi 29出口混合

28、平均相对分子质量:表3-6密度名称密度P临界温度临界压力临界压缩因子(kg/m3)Tc (k)(MP a)Zc甲基丙烯醛1.3770825663.680.253续表3-6名称密度P临界温度临界压力临界压缩因子(kg/m3)Tc (k)(MP a)Zc异丁烯1.09934428.64.10.274水0.3529624404.60.262氮气0.547599132.923.4990.299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

29、.0430.288乙醛1.139761883.63.4860.201氧气0.6256304.217.3830.274混合物密度:inpM in30.56937Kg/moutpMout3第 0.567177Kg/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）动力学方程CIB:指前因子:异丁烯浓度:反应活化能In kInrAe %TIn A RTInk nInoB以1/T为横坐标，Ink为纵坐标作图，则直线的截距为InA,斜率为-E/R,计算即可得反应指前因子 A和反应活化能E。根据以上方法得到的反应指前因子和反应活化能分别为

30、 7.37 X10和169.7 kJ/moI,最终得到该反应的动力学方程为:r 7.371014e169744 -'rtCib2）物料衡算式FAOdXA2B( rA)Dr dl4Fa0 :任意位置上物质的摩尔流量,kmol/hdxA :物质的转化率P :催化剂的床层堆积密度，g/mlDr :反应器直径，m其中反应器直径计算用公式计算得:dl代入数据积分得:l7m取反应管长为8m。DrF AOdXA2B( rA) Dr44VU00.21dx/A( rA)3）其他设计:反应列管：©35 X反应管根数:取反应管根数4880 根。Ar4874 根0.034 2反应器壁厚的计算：pD

31、i2' P:圆筒的计算，mm :圆筒计算压力，MPa :圆筒的内径，mmc 钢板在该温度下的许用应力， MPa© :焊接接头系代入数据计算得:pD 18.6 mm2 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/m3。反应管质量 mi=vi pnVi :反应管体积，m3p i :材质密度，kg/m3n :反应管根数代入数据得mi=vi pn=7938.95 kg筒体质量 m2=V R p=904.6 kg封头取标准椭圆封头，内径DN=3660 mm，厚度 S =20mm，曲面高hi=925 mm,圭寸头直边高

32、 h=50 mm.封头质量按m3 (Dn 2 )2(hi) DN2hi (Dn 2 )2 DN2h 785064代入数据 m3=1323.16 kg反应器主体质量 m=m1+m2+2m3=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

33、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 O,in =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 oC ，出口流量 为液态水进口流量1 m/s,出口管径为100 mm。(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10 mm。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

34、量（kg/h）49893.46697127451摩尔流量（kmol/h应条件T=70 oCP=0.3 MPa根据As pen 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）MMA7942.879.4MAL1341.419.1H2O2567142.5甲醇66894.52087.7空气48554.41681.7(2)操作条件反应温度为:70 oC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CH2=C-CHO+

35、1/24+ CH3OH 一OOCH3 + HjO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:dtdMAL kMALaMeOH bO2c式中：r :反应速率，mol L-1h-1K:反应速率常数A: MAL的反应级数b : MeOH的反应级数C : O2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O2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:即为:式中dMALdtdMALdtk(CMAL0kMALaMOH bCmal0 x)a(CMeOH0 CMeOH0m)b式中V为原料气中的体积流量，m3/hMAL转化率C

36、mal0:MAL的初始浓度，mol/LCMeOH0 : MeOH 的初始浓度，mol/L 反应速率常数k也可用下式表示:ko:指前因子Ea:反应的活化能，J mol-1Ea/ ke /RT:摩尔气体常数，J mol-1 k-1最终可得到:E a = 7.24 KJ / mol ，k 0 = 0.1727反应速率方程为:r 0.1627MAL1.39MeOH 广7"'(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:V u 3600 即 D J4V4卞3600 u带入相关数据可求得:n 4 162094.5mV 36000.28在化工生产中，处特殊要求外，一般均采

37、用圆形截面床体。一般而言，采用夹套形式的反应器内套管与外壳的直径比0.7-0.9之间较为合适。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/m3。反应器壁厚计算该反应器筒体选材为16MnR,根据反应条件,利用壁厚公式，求得壁pcD i5.4mm2 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，贝U 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 mi=VR P i=9850kg封头

38、质量m2 (Dn 2 )2(hi) DN2hi (Dn 2 )2 DN2h 785064=2118.33 kg主体质量 m=mi+2m2=14086.66 kg附件取主体质量的0.2倍,则反应器总质量 m总=16903.99 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；贝肪艮据 As pen plus模拟得到其气体的体积流量为Vg=79929.625 m3

39、h-1,取装载系数为£ =0.75则得到塔设备的容积为V=895m3;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=22m；采用标准椭圆形封头。夹套直径与筒体直径的关系由查找化工工艺设计手册如表3-9所示。项目数值数值数值Di(mm)500800900220022004000表3-9夹套直径与筒体直径的关系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

40、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表来源用水途径数值m3/h压力（atm）起始温度工艺软水夹套及蛇管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 tm WcCp c(tl t2)设定从反映器中出来的物流的温度从T1 =350 oC降至T2=180 oC的热量被用于工艺软水的加热，根据As pen plus导出物流传热数据得到热负Q=2724.3

41、696 kw，工艺用水量 Wc=3750 kg/h，水量进口温度为 ti=15 oC，出口温度为t2=103.5oc；计算出平均温度差,t1 t2"In；(350 180)(血5 150 1108 oC(350 180)(103.5 15)总传热系数K（以外表面积为基础),1dodo"id! RSidTbdo"dm1Rso o通过查找化工原理书查找得到总传热系数K=901.5 W/(m2oC)，计算得到传热面积为S=27.28 m2。由于水蒸气发生相变，考虑到15%的面积裕度，得 S=1.15X=31.372 m2选用© 45X 2.mm传热管（无缝钢管

42、），计算得管内流速为 u=0.83 m/s。换热管的总长度为=1973 m，圆整为2000 m。塔质量计算材质选择16MnR，其密度约为7850 kg/m3。塔内径 Di=4000 mm。塔体厚度：pcD i2'6.2 mmpc圆整取10 mm。塔体质量 m1=VP =79862.76kg封头质量封头取标准椭圆封头，内径DN=4000 mm，厚度S =10mm，曲面高hi=1000mm,圭寸头直边高 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=mi+2m2=82614.76 kg

43、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Volume

44、flowVolume flowDen sityDen sityViscosityViscositySurface tensionStageliquid fromvapor toliquid fromvapor toliquid fromvapor toliquid fromcum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcPcPdyn e/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。谄板佶息浮涮S计（宝酝«匸：* # ） T丄

45、艺杀件hTS E3项自描迷-n拥甘童:I复龙& 4® 密度：件枳建童=I弗装目.79粘曲|d. 016賈全囚T： |0. S2传系丙子：jo. 7 充汽慕融：|d.5cp特畴液相.贞量赢童:密度:赤面张力：撫作上用E操作下用no %图3-2水力学数据输入戯工艺訝数图3-4塔板工艺参数淳阖酣I培径：i.两训0.B31辱賄顶咅腿度nbE717塔t通职：129GGj,3宫折逼富n0.2163开1E面駅；Z鬧m2降液管.克咅3蛊度IK咲号54开孑11.32度m0 0'54區狀孝我斟L44.豈騒空度IIU.D1FE护薛蘇贋13UJ和n2t藕1nrr降擢底nnC64降湄顶葺

46、74;釈n1.102阵湄克部面积n0£*沪施3t张n2E舅認星氏a2.2763逬=1垣高度L0逬口堰蛊度JI0溢汰凶尺寸塔盘偿息3-4 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Ml浮闽谡计_ ：(冥氐板号：*-*、 哥遽魏ZZIZ'亘塔肛艺抽11.191.1i/s堀上浦层高度0 001*1362K11/3曲s障U.0E47溢韶i宴239D1ii3/ (h. nJ琛濟叵停宙时间350 F77?5梶1潘层煎度QD&51n32.7705Ti干価降onri曲柱澤浦管朋速虞Dxnie/s匹莎齐弔車口鬧2.12降噴管内诰1'*呂便

47、QIZ3BIL阵壤誉理tis度QD0P11/3LUUJ/液面样畫0IL空睹动能底于1.2555m/睜帖10.&19TvVKyEdrvmro?5Dn/ff塔板负荷性能图如图3-5。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。As pen plus得水力学数据如表 3-12。表3-12吸收塔水力学数据3-7。Volume flowStageliquid fromVolume flowvapor tocum/hrcum/hrDen sityliquid fromkg/cumDen sityvapor tokg/cumViscosityli