甲基丙烯酸甲酯生产工艺设计毕业设计-设备选型及布置

1、. 目录 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc5064 1. 前言 PAGEREF _Toc5064 1 HYPERLINK l _Toc3093 1.1 MMA市场应用及前景 PAGEREF _Toc3093 1 HYPERLINK l _Toc2806 1.2 MMA生产工艺 PAGEREF _Toc2806 2 HYPERLINK l _Toc26470 1.2.1 丙酮氢醇(ACH)路线 PAGEREF _Toc26470 2 HYPERLINK l _Toc21900 1.2.2 合成气法 PAGEREF _Toc21900 3 HYPERLINK l _

2、Toc5293 1.2.3 乙烯拨基化路线 PAGEREF _Toc5293 3 HYPERLINK l _Toc16062 1.2.4 丙炔法 PAGEREF _Toc16062 4 HYPERLINK l _Toc15770 1.2.5 异丁烯法 PAGEREF _Toc15770 4 HYPERLINK l _Toc28558 1.3 本文MMA生产工艺路线确实定 PAGEREF _Toc28558 5 HYPERLINK l _Toc7437 1.4 化工设备选型计算中使用的软件 PAGEREF _Toc7437 7 HYPERLINK l _Toc7599 1.4.1 Cup-Tow

3、er对塔设备的选型 PAGEREF _Toc7599 7 HYPERLINK l _Toc18138 1.4.2 智能选泵系统 PAGEREF _Toc18138 8 HYPERLINK l _Toc14032 1.4.3 Aspen与EDR联用设计换热器 PAGEREF _Toc14032 9 HYPERLINK l _Toc7805 1.4.4 化工设备布置图CAD设计 PAGEREF _Toc7805 9 HYPERLINK l _Toc4859 1.5 工程概况 PAGEREF _Toc4859 10 HYPERLINK l _Toc31845 1.5.1 工程名称 PAGEREF _

4、Toc31845 10 HYPERLINK l _Toc20262 1.5.2 拟建地址 PAGEREF _Toc20262 10 HYPERLINK l _Toc16081 1.5.3 生产工艺 PAGEREF _Toc16081 10 HYPERLINK l _Toc14645 1.5.4 原料及产品 PAGEREF _Toc14645 10 HYPERLINK l _Toc10829 2. 工艺流程简介及模拟 PAGEREF _Toc10829 11 HYPERLINK l _Toc16619 2.1 流程概述 PAGEREF _Toc16619 11 HYPERLINK l _Toc2

5、4396 2.2 Aspen plus仿真模拟流程 PAGEREF _Toc24396 12 HYPERLINK l _Toc15787 2.2.1 MAL合成工段的模拟 PAGEREF _Toc15787 12 HYPERLINK l _Toc5499 MMA合成工段的模拟 PAGEREF _Toc5499 13 HYPERLINK l _Toc5875 3. 设备设计计算及选型 PAGEREF _Toc5875 14 HYPERLINK l _Toc4799 3.1 反响器的设计 PAGEREF _Toc4799 14 HYPERLINK l _Toc3573 3.1.1 MAL合成反响器

6、(R101)的设计 PAGEREF _Toc3573 14 HYPERLINK l _Toc17140 MMA合成浆态床反响器(R201)的设计 PAGEREF _Toc17140 23 HYPERLINK l _Toc6336 3.2 塔设备的选型与设计 PAGEREF _Toc6336 27 HYPERLINK l _Toc16113 3.2.1 急冷喷淋塔简单设计计算 PAGEREF _Toc16113 27 HYPERLINK l _Toc974 3.2.2 cup-Tower对脱水塔的选型 PAGEREF _Toc974 30 HYPERLINK l _Toc17499 3.2.3

7、cup-Tower对吸收塔的选型 PAGEREF _Toc17499 33 HYPERLINK l _Toc29945 3.2.4 MMA精馏塔设计 PAGEREF _Toc29945 36 HYPERLINK l _Toc27971 3.3 换热器的选型 PAGEREF _Toc27971 52 HYPERLINK l _Toc803 3.3.1 换热器设计选型例如E201的选型 PAGEREF _Toc803 52 HYPERLINK l _Toc11702 3.3.2 换热器选型结果汇总 PAGEREF _Toc11702 57 HYPERLINK l _Toc286953.4 泵的选型

8、 PAGEREF _Toc28695 57 HYPERLINK l _Toc3732 3.4.1 泵的设计选型例如P201的选型) PAGEREF _Toc3732 57 HYPERLINK l _Toc15978 3.4.2 泵的选型结果 PAGEREF _Toc15978 63 HYPERLINK l _Toc6261 3.5 储罐设计 PAGEREF _Toc6261 63 HYPERLINK l _Toc27490 3.5.1 主要储罐的设计 PAGEREF _Toc27490 63 HYPERLINK l _Toc13923 3.5.2 储罐设计结果一览表 PAGEREF _Toc1

9、3923 66 HYPERLINK l _Toc5429 3.6 膜别离的简单设计 PAGEREF _Toc5429 66 HYPERLINK l _Toc22448 3.6.1 膜别离工艺流程 PAGEREF _Toc22448 66 HYPERLINK l _Toc22556 3.6.2 膜别离器选型与设计 PAGEREF _Toc22556 67 HYPERLINK l _Toc4403 3.7 压缩机的选型 PAGEREF _Toc4403 69 HYPERLINK l _Toc16647 3.7.1 选型例如 PAGEREF _Toc16647 69 HYPERLINK l _Toc

10、16816 3.7.2 压缩机选型结果 PAGEREF _Toc16816 69 HYPERLINK l _Toc27388 3.8 设计图 PAGEREF _Toc27388 70 HYPERLINK l _Toc6708 4. 环境保护与经济核算 PAGEREF _Toc6708 70 HYPERLINK l _Toc17510 4.1 环境保护 PAGEREF _Toc17510 70 HYPERLINK l _Toc12977 4.1.1 有害因素分析 PAGEREF _Toc12977 70 HYPERLINK l _Toc9182 4.1.2 废物的处理措施 PAGEREF _To

11、c9182 71 HYPERLINK l _Toc21535 4.2 经济核算结果 PAGEREF _Toc21535 73 HYPERLINK l _Toc20529 5. 设计结果 PAGEREF _Toc20529 75 HYPERLINK l _Toc11494 5.1 设备选型一览表附后 PAGEREF _Toc11494 75 HYPERLINK l _Toc32184 5.2 设计图附后 PAGEREF _Toc32184 75 HYPERLINK l _Toc2402 参考文献 PAGEREF _Toc2402 76 HYPERLINK l _Toc4916 辞 PAGEREF

12、 _Toc4916 78. 1 前言1.1MMA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, 也可作为木材浸润剂、印染助剂及塑料的增塑剂

13、等许多行业1。近年来, 国外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在世界围的扩，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第三大消费市场。并且在2010 年，我国甲醇行业虽有局部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

14、可到达3500万吨，产量大约1500万吨，有一半产能过剩。据了解，2010年底，国原方案投产的甲醇在建工程共有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工程，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 具有良好的开展前景45。1.2 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

15、反响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。 反响式如下。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响生成丙酮氰醇(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反响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。 反响式如下：1.2.2 合成气法新工艺第步由乙烯和合成气生产丙酸，使用均相碘钼催化剂进展加氢甲酰化，反响在低温(150200oC)和低压37MPa

16、下进展。第二步由丙酸与甲醛反响生产甲基丙烯酸，使用硅酸铌双功能催化剂。第三步以甲醇酯化反响生成甲基丙烯酸甲酯，该工艺与其它工艺比拟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展拨基合成(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本钱较高8。 巴斯夫路线的反响式如下：1.2.4 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

17、生产装置，反响采用了最新催化剂，使其生成MMA的选择性达100丙炔是由乙烯副产C3馏分经MIBK或DMF萃取蒸馏别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7。1.2.5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，且本钱低于丙酮氰醇法，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

18、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，采用一样工艺条件和催化剂得不到最正确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展氧化、酯化反响，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短，基建费用也可减少12。1.3 本文MMA生产工艺路线确实定西方研究机构对上述MMA的主要生产工艺路线进展本钱比照，以下是不同工艺路线装置的生产本钱比照情况表1-1113。表1-1 MMA 主要生产工艺路线本钱比照(单位：美分P磅)工程

19、ACH-法ACH-S法I-C4BASF法MGC法原料本钱31.9931.9926.5229.0527.2公用工程本钱4.844844.555.159.63其他可变本钱0.10.10.1-1.62-0.64可变本钱36.0336.0331.1732.5836.19固定本钱8.6915.571112.1913.8现金本钱46.6252.542.1744.7749.99折旧本钱9.1711.310.2311.2812.95生产本钱合计55.3363.852.3956.0662.94生产本钱+10%投资回报65.0377.262.6267.3275.89注：ACH-L法为13.6万tPa装置，ACH-

20、S法为4.5万tPa装置。原料取价为丙酮586$Pt，氢氰酸742$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最具竞争力的工艺。对于丙酮氰醇法来讲，装置规模对产品本钱的影响很大。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MMA装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，产品本钱高。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。但乙烯法由于国乙烯严重供缺乏需，且运输和储存条件苛刻、本钱高，同时BASF公司一直对转

21、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。一方面充分利用了充裕的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，维持了市场的平衡开展。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拟，此法具有原料来源广泛，催化剂活性高、选择性好、寿命长，反响收率和原子利用率高，无污染、环境友好、本钱低的优势，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氰醇法；而丙酮氰

22、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过程进展了模拟计算912161718。 1.4化工设备选型计算中使用的软件1.4.1Cup-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：

23、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：能够根据的塔设备构造和工艺条件，获得水力学计算校核方面

24、：能够根据的塔设备构造和工艺条件，获得水力学计算校核方面：能够根据的塔设备构造和工艺条件，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。 图1-1 智能选泵功能选择窗体点击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围：29，默认值5台数，点击按钮开场选泵。系统将符合条件的泵全部选出，并根

25、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线、安装尺寸图、技术参数和外形图等信息。1.4.3Aspen与EDRE*changer 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，对换热器进展设计计算。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展绘制。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容：1考虑设备布置图的视

26、配置，采用一组视图表示厂房建筑的根本构造和设备珀厂房外的布置情况。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一样，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。对设备一览表进展绘制，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 工程概况1.5.1 工程名称年产6万吨甲基丙烯酸甲酯工程1.5.2拟建地址省滨州市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

27、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原料及产品本工程主要原料为异丁烯，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。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合成反响器中，异丁

28、烯被催化氧化合成MAL。反响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合成未反响的甲醇溶液，吸收塔塔顶为多余的未反响的异丁烯,N2 及O2，还有以少局部氧化反响生成的气体杂质，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合成反响器中，在催化剂和空气作用下进展酯化反响生成MMA和少量的气体杂质，其中气体杂质同未反响的空气送至火炬系统中。MMA合成反响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响的少量MMA返回至脱水塔，吸收塔及MMA合成反响器中进展循环使用。塔底得到的M

29、MA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别离装置，脱除水分后，得到产物MMA，其纯度到达聚合级要求。2.2Aspen plus仿真模拟流程在整个设计过程中，采用 Aspen Plus 对整个工艺流程进展了计算，将整个工艺流程分为工段分别模拟。2.2.1MAL合成工段的模拟 MAL合成工段工段主要包括MAL反响器、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法政的工艺流程模拟。图2-2 MAL合成工段模拟流程图2.2.2MMA合成工段的模拟MMA合成工段工段主要包括MAL合成反响

30、器、精馏塔、相别离储罐、膜别离等主体设备。 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 反响器的设计L合成反响器(R101)的设计表3-1 催化剂物性参数工程数值工程数值颗粒密度Dp=5.5 mm比外表Sp=4.61g2/g堆积密度b=0.60g/ml孔体积Vv=0.121ml/g视密度b=0.95g/ml空隙率=0.6314反响方程主反响：C4H8 + O2 C4H6O + H2O异丁烯催化氧化反响机理图3-1异丁烯氧化机理工艺条件使用80Mo12Bi1Fe2.0Co7.0V0.2Cs0.1/20Si 复合氧化物为催化剂，异丁烯为

31、气相。选择氧化合成甲基丙烯醛的主要工艺条件为：反响温度：350反响压力：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摩尔比反响器计算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)根本物性参数表3-2设计数据和工作参数工程数值工程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1200-1120 h反响温度350oC反响选择性89.0%反响压力101KPa空时收率100kg/m3100kg/m h表3-3 反响器进口物料

32、组成反响器进口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 反响器物料出口组成反响器出口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.

33、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反响器出口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异丁烯甲基丙烯醛水氧气氮气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：出口混合平均相对分子质量：表3-6

34、 密度名称密度(kg/m3)临界温度Tck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(kg/m3)临界温度Tck临界压力MPa临界压缩因子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1.18024154.585.0430.288乙醛1.139761883.63.

35、4860.201氧气0.6256304.217.3830.274混合物密度：3反响器的数学计算此反响选用固定床列管式反响器，反响物、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A :指前因子 CIB:异丁烯浓度 E ：反响活化能以 1/T 为横坐标，lnk 为纵坐标作图，则直线的截距为lnA，斜率为-E/R，计算即可得反响指前因子A和反响活化能E。根据以上方法得到的反响指前因子和反响活化能分别为7.3710和169.7kJ/mol，最终得到该反响的动力学方程为：2)物料衡算式FA0 ：任意位置上物质的摩尔流量， kmol/hd*A ：物质的转化率B ：催化剂的床层堆积密度， g

36、/mlDr ：反响器直径，m其中反响器直径计算用公式计算得:代入数据积分得:取反响管长为8m。3其他设计：反响列管： 35 2反响管根数：取反响管根数4880根。反响器壁厚的计算: ：圆筒的计算，mmP ：圆筒计算压力，MPaD ：圆筒的径，mm ：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：圆整后取壁厚20mm。反响器径：3660mm。反响器质量选择16MnR为材质，其密度约为7850kg/m3。反响管质量m1=viinVi：反响管体积，m3i：材质密度，kg/m3n ：反响管根数代入数据得m1=viin=7938.95kg筒体质量m2=VRi=904.6kg封头取标准椭圆

37、封头，径DN=3660mm，厚度=20mm，曲面高hi=925mm，封头直边高h=50mm.封头质量按代入数据m3=1323.16kg反响器主体质量m=m1+m2+2m3=11483.87kg附件以主体质量的0.2倍计算，则反响器总质量m总=13780.64kg壳程换热设计1换热介质进出口构造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构造。(2)换热介质冷却水：101KPa 10oC液态水 Cp =4.184KJ/(kgK)饱和水蒸气潜热 r=2051.0KJ/kg采用 Aspen Plus 模拟软件对该反响器进展换热模拟，通过不断优化，最终得到G H 2 O,

38、out =27000kg/h ，冷却水进口的质量流量为 G H 2 O,in =27000kg/h。取液态水的进口流速为1m/s，进 口 管 口 直 径 为100mm。换 热 介 质 出 口 的 温 度 为85oC ， 出 口 流 量 为液态水进口流量1m/s，出口管径为100mm。(3)折流板型式由于反响器中间不排管，选用环盘型折流板。折流板间距为1m。板厚10mm。3.1.2MMA合成浆态床反响器R201的设计反响器操作条件(1)进出口物料组成 MMA 合成反响器物料主要组成如表3-7所示。表3-7 反响器进口物料组成空气进料甲醇进料MAL进料质量流量kg/h)49893.46697127

39、451摩尔流量kmol/响条件T=70oCP=0.3MPa根据 Aspen plus 模拟结果可知反响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/hMMA7942.879.4MAL1341.419.1H2O2567142.5甲醇66894.52087.7空气48554.41681.7(2)操作条件反响温度为： 70oC 醇醛质量比为： 10：1压力为 ： 0.3MPa反响器构造设计(1)反响的动力学方程：甲基丙烯醛氧化酯化制备甲基丙烯酸甲酷的反响方程式如下 :由此可知，MAL氧化酯化制备MMA的本征反响动力学方程可用指数形式表

40、达如下:式中：r ：反响速率，molL-1h-1K：反响速率常数A：MAL 的反响级数b : MeOH 的反响级数C:O2 的反响级数由于该反响在恒温、恒压、氧气流速不变的条件下进展的，并且O2在反响液中连续供给，可以认为在反响过程中O近似为一常数。因此可以简化为：即为：式中*： MAL 转化率 ：MAL的初始浓度，mol/L：MeOH的初始浓度，mol/L反响速率常数 k 也可用下式表示：k0：指前因子Ea ：反响的活化能，Jmol-1R ：摩尔气体常数，Jmol-1k-1最终可得到： E a = 7.24 KJ / mol ， k 0 = 0.1727反响速率方程为：(2)床径确实定床径可

41、按气体处理量和操作速度由流量方程计算求得： 即 式中 V 为原料气中的体积流量，m3/h带入相关数据可求得：在化工生产中，处特殊要求外，一般均采用圆形截面床体。一般而言，采用夹套形式的反响器套管与外壳的直径比0.7-0.9之间较为适宜。因此浆态床床径为 D=4.5m，反响器外径为 D=5m反响器质量选材16MnR，其密度约为7850kg/m3。反响器壁厚计算该反响器筒体选材为16MnR，根据反响条件，利用壁厚公式，求得壁厚 为：圆整去10mm。封头设计本反响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5000mm，则其圆边高度为hi=1250mm。壁厚即为反响器壁厚1

42、0mm，直边高度为50mm。材质选用16MnR。筒体质量m1=VRi=9850kg封头质量 =2118.33kg主体质量m=m1+2m2=14086.66kg附件取主体质量的0.2倍，则反响器总质量m总=16903.99kg3.2 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=79929.625m3 h-1,

43、取装载系数为=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历得，塔径D=3.6m；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。表 3-9夹套直径与筒体直径的关系工程数值数值数值Di(mm)500800900220022004000Dj(mm)Di+50Di+100Di+200通过表可知筒体的夹套至筒体的间距为200mm。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；而其中有一局部水为直接进展喷淋降温除杂，这局部水分为两

44、个进水，其中一个为来自循环工艺水在塔顶进展喷冷，还有一个来自脱水塔底部的水在在塔的中上段进展喷淋降温。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用水量kgh 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 设定从反映器中出来的物流的温度从T1=350oC降至T2=180oC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=2724.3696kw，工艺用水量Wc=3750kg/h，水量进口温度为t1=1

45、5oC，出口温度为t2=103.5oC；计算出平均温度差，oC总传热系数 K(以外外表积为根底)，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=27.28m2。由于水蒸气发生相变，考虑到15%的面积裕度，得S=1.15=31.372m2选用452.5mm传热管无缝钢管，计算得管流速为u=0.83m/s。换热管的总长度为=1973m，圆整为2000m。塔质量计算材质选择16MnR，其密度约为7850kg/m3。塔径Di=4000mm。塔体厚度：圆整取10mm。塔体质量m1=V=79862.76kg封头质量封头取标准椭圆封头，径DN=4000mm，厚度

46、=10mm，曲面高hi=1000mm，封头直边高h=50mm，材质选用16MnR。=1376kg塔主体质量m=m1+2m2=82614.76kg附件取主体质量的0.2，总质量m总=99137.7kg3.2.2cup-Tower对脱水塔的选型脱水塔是在0.145MPa 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合成反响工段的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

47、塔选择板式浮阀塔，单溢流进展选型。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StageVolume flow liquid fromVolume flow vapor toDensity liquid fromDensity vapor toViscosity liquid fromViscosity vapor toSurface tension liquid 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中进展

48、选型，如图3-2所示。Cup-Tower计算出脱水塔的塔板构造参数结果如图3-3。图3-2 水力学数据输入 图3-3脱水塔的塔板构造参数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3-5。 3-5 塔板负荷性能3.2.3 cup-Tower对吸收塔的选型吸收塔是在0.50MPa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合成反响工段的MAL 和甲醇的混合液体，来自脱水塔的混合气体与来自MMA 合成反响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

49、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，单溢流进展选型。Aspen plus得水力学数据如表3-12。StageVolume flow liquid fromVolume flow vapor toDensity liquid fromDensity vapor toViscosity liquid fromViscosity vapor toSurface tension liquid fromcum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcPcPdyne/cm平均6.6967469.79965.490.7

50、10.420.01627.69表3-12吸收塔水力学数据将水力学数据输入到cup-Tower中，如图3-6所示。 图3-6 水力学数据输入Cup-Tower计算出脱水塔的塔板构造参数结果如图3-7。Cup-Tower计算出脱水塔的塔板工艺参数结果如图3-8。图3-7塔板结果参数图3-8 塔板工艺参数负荷性能图如3-9。图3-9 负荷性能图3.2.4 MMA精馏塔设计由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量Vs 液相流量 Ls 气相密度 V液相密度L混合液外表力 全塔平均15.865m3/s0.03m3/s2.723kg/m3821.32kg/m3

51、42.4mN/m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uma*的0.60.8倍即： u0.60.8uma*式中C可由史密斯关联图查得，液气动能参数为：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外表力为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：最大允许气速：取平安系数为0.7，则适宜空塔速度为： =1.8由下式计算塔径：按标准塔径尺寸圆整，取D = 3800mm；实际塔截面积：实际空塔速度：平安系数： ,在0.60.8围间，适宜。溢

52、流装置 选用单流型降液管，不设进口堰。1降液管尺寸 取溢流堰长lw=0.7D，即lw/D=0.7，由弓形降液管的构造参数图查得：Af/AT=0.09,Wd/D=0.15 因此：弓形降液管所占面积:Af=0.0911.3=1.017m2 弓形降液管宽度:Wd=0.153.8=0.57m2 验算液体在降液管的停留时间：由于停留时间5s，适宜。2溢流堰尺寸由以上设计数据可求出： 溢流堰长 lw=0.73.8=2.66m 采用平直堰，堰上液层高度可依下式计算，式中E近似取1，即溢流堰高:hw=hL-how=0.1-0.034=0.066m液体由降液管流入塔板不设进口堰，并取降液管底隙处液体流速u0=

53、0.2m/s； 降液管底隙高度：故降液管底隙高度设计合理。浮阀数及排列方式1) 浮阀数初取阀孔动能因数F0 = 9，阀孔气速为：每层塔板上浮阀个数 ：2浮阀的排列 按所设定的尺寸画出塔板，并在塔板的鼓泡区依排列方式进展试排，确定出实际的阀孔数。 Wd = 0.57m，选取无效边缘区宽区WC = 0.065m、破沫区宽度WS=0.1m，由下式计算鼓泡区面积，即： 浮阀的排列方式采用等腰三角形叉排。取同一横排的空心距t=75mm，则等腰三角形的高度：估算排间距:由于塔直径D=3800 mm，需采用分块式塔板四块。取t=0.080 m。现按t=75 mm,t=80 mm的等腰三角形叉排方式画出浮阀排

54、列图(附后图3-11，可排出阀孔数2406个，重新核算以下参数：阀孔气速：动能因数: 动能因数在912之间，适宜。塔板开孔率：开孔率在1014之间，适宜。塔板流体力学验算1塔板压降利用下式计算： 1干板阻力 因阀孔气速uo大于其临界阀孔气速uoc，故干板阻力计算式为 2板上充气液层阻力本设备别离烃化液，液相为碳氢化合物，可取充气系数0= 0.5。3液体外表力造成的阻力 由于采用浮阀塔板，克制鼓泡时液体外表力的阻力很小，所以可忽略不计。这样，气流经一层，浮阀塔板的静压头降液柱高度为 所以:hp=0.027+0.05=0.077 m 则单板压降:2降液管液泛校核 为了防止降液管液泛现象发生，要求控

55、制降液管清液层高度Hd(HT+Hw)。其中:Hd=hp+hL+hd 1气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度hP前面已求出，hP=0.077m。2液体通过降液管的压头损失不设进口堰3板上液层高度 前已选定hL=0.1m。所以Hd=0.077+0.0062+0.1=0.1832m 取降液管中泡沫层相对密度=0.5,前已选定板间距HT=0.8m，hw=0.066m。则： (HT+Hw)=0.5(0.8+0.066)=0.433可见，Hd(HT+Hw)，符合防止降液管液泛要求。3液体在降液管停留时间 应保证液体在降液管的停留时间大于35s，才能使得液体所夹带气体的释出。本设计的停留时间可见，所夹带气体

56、可以释出。4雾沫夹带量校核依下面两式分别计算泛点率F，即 和板上液体流径长度： 板上液流面积：查得泛点负荷因数CF=0.152、物性系数K=1.0,将以上数据代入：对于大塔，为防止过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%。上两式计算的泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足eV0.1kg(液)/kg(气)的要求。5严重漏液校核当阀孔的动能因数F0低于5时将会发生严重漏液，前面已计出F0=9.1，可见不会发生严重漏液。塔板负荷性能图1气体负荷下限线漏液线对于F1型重阀，因动能因数F05时会发生严重漏液，故取F0=5计算相应的气相流量VS，min：2过量雾沫夹带线 根据前面雾沫夹带校核可知，对

57、于大塔，取泛点率F = 0.8，则整理得:雾沫夹带线为直线，由两点即可确定。当LS=0时，VS=19.4 m3/s；当LS=0.01时，VS=18.8 m3/s。由这两点便可绘出雾沫夹带线。3液相负荷下限线 对于平直堰，其堰上液层高度how必须要大于0.006m。取how=0.006m，可作出液相负荷下限线。取E=1、代入lw则可求出LS,min：4液相负荷上限线 液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于35s，取= 5s作为液体在降液管中停留时间的下限，则：5液泛线由此确定液泛线方程：(HT+hw)=+1+ 化简整理得：在操作围任意取假设干Ls值，由上式可算出相应的Vs值，结果列于下表。

58、表3-14Vs和Ls值工程数值数值液相流量0.060.1气相流量47.743.8将以上五条线标绘在同一VsLs直角坐标系中，画出塔板的操作负荷性能图。将设计点Ls，Vs标绘在附图3-10附后)，如P点所示，由原点O及P作操作线OP。操作线交严重漏液线(1)于点A。分别从图中A、B两点读得气相流量的下限Vmin及上限Vma*，可求得该塔的操作弹性。 操作弹性: 塔的有效高度： Z=N-2HT=500.8=40m设计结果现将以上精馏塔设计计算结果列于下表3-15。表3-15 浮阀塔板工艺设计计算结果表序号工程符号单位计算结果1液相密度lKg/m3821.322气相温度vKg/m32.7233气相流

59、量Vsm3/s15.8654液相流量Lsm3/s0.035实际塔板数Np块506塔的有效高度Zm407塔径Dm3.88板间距Hm0.89塔板溢流形式单流型10空塔气速um/s1.6711溢流管形式弓形12溢流堰长度Lwm2.6613溢流堰高度hwm0.06614板上液层高度hLm0.1续表3-15序号工程符号单位计算结果15安定区宽度Wsm0.116开孔区到塔壁距离Wcm0.06517开孔区面积Aam29.518阀孔直径dm0.03919浮阀数个n个240620阀孔气速u0m/s5.4521阀孔动能因数F09.122开孔率%1423孔心距tm0.07524排间距tm0.0825塔板压降Pkpa

60、0.6226液体在降液管的停留时间ts27.227底隙高度hom0.05628泛点率%72.629气相负荷上限Vs ma*m3/s1830气相负荷下限Vs minm3/s8.731操作弹性2.1辅助设备的选型冷凝器和再沸器用软件选型，结果见换热器选型结果一览表5-1。塔主要附件设计计算接收1)进料管设计采用直管进料管。有Aspen得体积流量，取管流速则管径取进料管规格1605 ，则管径d=150mm。进料管实际流速：2)塔顶产品出料管 由Aspen得塔顶体积流量，取管流速，则出料管直径，可 取回流管规格1605，则管径d=150mm。出料管实际流速：3)釜液排出管由Aspen得塔底釜液流出流量