《年产35万吨的丙烯酸甲酯工艺合成工段工艺设计》12000字（论文）

年产35万吨的丙烯酸甲酯工艺合成工段工艺设计TOC\o"1-3"\h\u28874摘要 摘要近些年来化学工业在我国的发展速度可谓是逐年递增，丙烯酸甲酯作为一种有机合成中间体和精细化工原料很重要，所以受到了很多国内外学者的普遍关注。我对年产35万吨的丙烯酸甲酯工艺合成工段进行工艺设计。在这次设计中我采取的是丙烯直接氧化的方法，通过3个反应釜、1个分离塔、2个精馏塔等化工设备来实现丙烯酸甲酯的合成工段。这次设计的主要内容有：丙烯酸甲酯性质介绍、生产工艺的选择，生产流程叙述，主要反应原理的介绍，反应器、气液分离器、丙烯酸甲酯精馏塔的（物料衡算、热量衡算、主要设备设计）,用AutoCAD软件绘制带控制点的工艺流程图、设备布置图、刨面图）。关键词：丙烯酸甲酯；合成工段设计；物料衡算；能量衡算；设备设计第1章绪论选题背景及意义选题背景近年来人类社会发展迅速，我们所付出的代价是消耗大量不可再生资源和能源，同时向大气排放了大量的废物，严重破坏了我们赖以生存的地球环境。具体表现有：温室效应、空气中的PM2.5严重、海洋和河流受到污染、全球森林数量与土地面积急剧大量减少、固体液体废弃物等大量排放造成严重污染等方面。为了使人类得以繁衍生存，也使自然环境能继续保持可持续绿色发展，我们就需对现有的对环境污染严重的工艺流程进行绿色优化，因此发展绿色化学是化学这一行业发展的必然趋势之一。丙烯酸甲酯是一种重要的精细化工原料，用途广泛[1,2]，主要用作有机合成和聚合单体的中间体。由它合成的聚合物不仅广泛用于纺织品、涂料，皮革制造等行业，而且它在造纸、皮革、油漆、制药和其他行业的生产中也具有广泛的用途[3,4]。在2010年，我国需求大约为40万吨，并且每年以10％到15％的速度增长。目前，制备丙烯酸甲酯的方法主要包括丙烯的氧化法，丙烯腈的水解法，乙烯酮法，丙烷氧化法等。然而，这些方法都污染大、消耗大、以及反应的中间产物的毒性大和收率低等缺点。因此，丙烯酸甲酯的绿色合成工艺具有非常重要的现实意义。1.1.2选题意义我的这次设计主要通过AspenPlus模拟，优化丙烯酸甲酯合成过程，利用丙烯、氧气、甲醇为原料，在3种催化剂作用下模拟一种绿色生产工艺。设计中在通过催化剂选择、原料配比、温度选择及压力控制模拟适合于丙烯俩步氧化制丙烯酸甲酯的工艺，从绿色环保方面考虑，该方法是一种很有发展潜力的工艺路线。催化剂的载体选择三维有序大孔材料，由于大孔材料的孔道通透，在催化的过程中可以大幅度降低传质阻力，避免因为反应物和生成物在流通中堵塞孔道而降低催化剂的效率。孔道内部三维交联有内表面，可以在一定程度上增大催化剂比表面积，增加催化剂的活性中心中的分散度和负载量，进而增加催化剂活性及选择性[1]。本设计采用丙烯二步合成丙烯酸甲酯的方法，选用选择性高的催化剂，采用串联式的催化反应，在丙烯酸甲酯的合成方法、合成工艺的研究有重要的意义。1.2丙烯酸甲酯国内外生产状况1.2.1国外生产状况上世纪90年代，丙烯酸甲酯的产量面临增加的热潮，逐渐的，其在洗涤剂和洗水剂上的应用越来越多，导致世界上很多人开始建设生产丙烯酸甲酯的工厂，丙烯酸甲酯生产工厂主要集中在美国、西欧和日本等少数发达国家，在当时丙烯酸酯的年产量是230万吨[5]。1.2.2国内生产状况上世纪60年代，丙烯酸和丙烯酸酯的产量很少几乎供不应求，除上海皮革厂外均超过1000吨/年，其他工厂均低于500吨/年[6]。目前国内已有多家企业和工厂继续扩产。到70年代，全国使用约62%的丙烯酸生产丙烯酸盐，应用于胶粘剂、纺织、涂料等化工行业，丙烯酸被利用于生产丙烯酸共聚物，大部分用于制作水处理剂，等到70年代后，两种聚合物被用于清洁剂和超吸收树脂，为丙烯酸的使用提供了方向，促进了生产产业的发展。目前，全球约38%的丙烯酸消费量用于非酯化丙烯酸[7]。但丙烯酸在我国化工发展中还是处于新兴工业，在精细化工中属于新型模式，具有高附加值的有点，可以衍生为高技术产业链条，市场前景很光，还有很多领域有待发展。全国丙烯酸产能达到15万吨/年，丙烯酸盐15万吨/年，我国丙烯酸及其酯产品投产较晚，日产量较少，1984年投产后，丙烯添加催化剂、氧化生产丙烯酸的新情况使产量大幅增加，截至目前，我们国家已经成为世界上首屈一指的丙烯酸和丙烯酸酯的主要生产国[8]。总之，随着丙烯酸在涂料、胶粘剂以及SAP树脂应用的不断扩展，预计丙烯酸的需求量将继续上涨，因此建议国内化工企业经过风险预测、可行性策略分析，进行相应的工艺优化，使我国生产丙烯酸在纯度及性能上领先别国，丙烯酸及其酯类产品应用十分广泛，所以对丙烯酸甲酯的生产加大投入就有巨大的意义，其未来应用前景十分广阔。1.3丙烯酸甲酯的性质及用途1.3.1物理性质丙烯酸甲酯的化学式是C4H6O2,简称MA。丙烯酸甲酯具有辛辣气味，类似于大蒜，一种没有颜色的液体，而且易溶于苯、乙醇及乙醚，在水中溶解度小，其存放的地方一般是通风好且温度低。由于丙烯酸甲酯极易燃烧，所以需要远离火种。保存必须密封，不能和其他化学品混储。其部分物理性质如下表1-1所示。表SEQ表\*ARABIC1-1丙烯酸甲酯部分物理性质性质数据性质数据熔点（℃）-76.5爆炸下线（%）2.8相对密度（水=1）0.95溶解性微溶于水，易溶于乙醇、乙醚、丙酮相对蒸汽密度（空气=1）2.97黏度（mPa·s,20℃)0.53饱和蒸汽压（kPa)13.3(28℃)比热容（J/g·℃）2.0燃烧热（KJ/mol)-2102溶度系数（J/cm）9.022临界温度（℃）263气相标准燃烧焓（KJ/mol)-2098.57临界压力（MPa)4.3气相标准生成焓（KJ/mol）-333.00辛醇/水分配系数0.8液相标准燃烧焓（KJ/mol)-2069.36闪点（℃）-3℃/开杯液相标准生成焓（KJ/mol)-362.21爆炸上限（%）25.0引燃温度（℃）4681.3.2化学性质丙烯酸甲酯有剧毒，当空气中含量4752mg/m3时，大鼠存在4小时死亡。其通过人体呼吸、食入和皮肤进入人体，当处在高浓度时，会引起人的眼睛和呼吸道刺激反应，严重的话引起呼吸困难、水肿死亡。在生产时，操作人员应佩戴化学安全防护眼镜，工作服要防静电，手戴橡胶手套。丙烯酸甲酯极易与氧化剂大声剧烈反应，而且其很容易发生聚合反应，聚合速度与温度呈正相关。其蒸汽状态比空气中，可以在较低的地方扩散到较远的地方，遇到明火极易爆炸。1.3.3丙烯酸甲酯的用途（1）用于胶粘剂。腈棉纤维的主要原材料、及涂层材料，它们是一种中间体由分子聚合物以及有机物一起混合形成，目前人们可以用它们生产乳液状的胶粘剂和丙烯酸酯类胶粘剂。（2）有机化学中的单体。其与丙烯酸丁酯发生共聚反应形成的乳液可以改善皮革的性能，让皮革变得更软、梁、耐磨。被广泛应用到制药及其他皮革行业。（3）同时当它已经发展成为各种各类有机物提取合成的中间体和产物时,其也被广泛认为为它是一种高分子有机聚合物在从为人体提取合成产物过程中所需要用于得到的一个重要单体。橡胶合成以及涂料加工经常用到其单体。第2章丙烯酸甲酯生产方法介绍2.1丙烯酸甲酯工艺发展历程丙烯酸甲酯生产方法主要有：烯酮法、丙烯腈水解法、甲酸甲酯法及丙烯氧化法、丙烷氧化法，进入21世纪，随着工艺方法的不断革新，人们环保意识和对产品要求的不断提升，那些污染大、毒性高的生产方法渐渐地被淘汰，而丙烯二步氧化法逐渐成为主流生产工艺。2.2生产工艺2.2.1烯酮法这种方法是将乙酸先裂解成乙烯酮，然后与无水甲醛生成β-丙内酯。生成的β-丙内酯继续与无水磷酸发生反应生成丙烯酸丙烯酸和甲醇在进行酯化反应得到丙烯酸甲酯。这种方法获得的产品纯的较高，收率也高，而且可以连续生产，由于中间产物乙烯酮有剧毒，很容易让人患癌，所以逐渐淘汰[9]。2.2.2丙烯腈水解法这种方法自发明以来受到人们推崇，此法是在丙烯腈中加入硫酸进行水解反应生成丙烯酰胺硫酸盐，然后继续与甲醇发生酯化反应得到丙烯酸甲酯，该法的主要副产物是硫酸氢氨。这种方法简单，但副产物处理起来很困难且环境污染严重，成本也高，在20世纪末被淘汰[10]。2.2.3甲酸甲酯法此种方法要求是均相，经过碘化物-镍盐-铜盐这一体系，以N，N-二甲基甲酰胺作为溶剂，在下一步合成丙烯酸甲酯是以乙炔和甲酸甲酯为原料来加氢，反应的化学方程式是：C2H2+HCOOCH2→CH2=CHCOOCH3，反应中甲酸甲酯的转化率是60%,丙烯酸甲酯的收率是86%。甲酸甲酯作为原料成为该法的特点，一氧化碳制备及运输等一系列问题也得到了解决，这种方法在天然气多的地方更适用。基于丙烯酸酯生产工艺的发展，目前主要集中在工艺的改进及催化剂的研究。最近几年研究人员普遍关注以C3作为原料，经过羟醛缩合反应来制丙烯酸甲酯，而以丙酸合成丙烯酸甲酯也在国内外引起研究，由于催化剂容易失活，产物收率不高等问题，到目前还是在研究中[11,12]。2.2.4丙烯氧化法上世纪60年代，丙烯二步氧化法被开发出来，丙烯主要来与石油，价格便宜，此法具有三废处理的好、环境污染低、生产成本低等优势，很快成为工业生产丙烯酸甲酯的主要方法。目前丙烯二步氧化工艺技术成熟的公司有日本触媒化学（NSKK）、日本三堎化学（MCC）、及德国巴斯夫（BASF）[13]。经过多年发展，制作丙烯酸成熟的技术有俩段固定床气相氧化技术。为了提高生产效率和降低生产成本，越来越多的公司通过改进生产工艺及催化剂性能来获得优势。丙烯二步制丙烯酸甲酯是丙烯被氧化成丙烯醛，丙烯醛继续被氧化成丙烯酸，最后丙烯酸和甲醇发生酯化反应得到丙烯酸甲酯。反应方程式如下：CH2=CHCH3+O2→CH2CHCHO+H2OCH2CHCHO+0.5O2→CH2CHCOOHCH2CHCOOH+CH3OH→CH3OOCCHCH22.2.5丙烷氧化法这种方法分为二步，第一步将丙烷部分氧化为丙烯醛，第二步是将丙烯醛氧化为丙烯酸，最后与甲醇发生酯化反应得到丙烯酸甲酯[14]。这种方法丙烯酸单程收率最高是13%，虽然这种方法原料易得，价格也便宜，但收率低，逐渐被淘汰。第3章工艺设计3.1工艺原理反应原理简单，第一步以Mo-Bi系为催化剂，在反应器中丙烯和氧气生成丙烯醛，氧化反应温度是330℃，压力200KPa,收率是0.85。第二步以MoV系为催化剂，在反应器中丙烯醛和氧气生成丙烯酸，氧化反应温度是300℃，压力189.9KPa,收率是0.995。第三步以阳离子交换树脂为催化剂，丙烯酸和甲醇生成丙烯酸甲酯，酯化温度80℃，压力179.9KPa,收率是0.88。该反应是放热反应，以丙烯为原料，工艺流程简单，催化剂的高效选择性是关键。丙烯氧化要有前处理系统，将丙烯、氧气、水蒸气根据一定配比通入反应器，在反应器中丙烯在催化剂作用下被氧化成丙烯醛，随后经过热交换器降温，丙烯醛进入第二个反应器继续被氧化，产生丙烯酸。丙烯、氧气、水蒸气的摩尔比是6.5：10：：11.7。本次设计采用连续式生产工艺，首先用蒸馏水将纯化的丙烯酸进行稀释，（范围为49wt%至74wt%）的丙烯酸水溶液，然后丙烯酸与甲醇发生酯化反应得到丙烯酸甲酯，用气液分离器将未反应的丙烯和氧气脱去，将剩余物质注入精馏塔中把水和丙烯酸进行脱除，此时产物中还有少量丙烯醛及未反应的甲醇，经过换热器，在另一精馏塔中对丙烯酸甲酯进行精制。该工艺的特点：通过吸收塔顶部的空气对反应过程的水蒸气进行供给，其优势是降低了水蒸气含量，进一步提高丙烯的转化率，也防止丙烯对大气进行污染。3.2工艺流程酯化反应在加热的条件下，丙烯酸和甲醇发生酯化反应，在反应中生成的水合物经高温蒸馏，经过气液分离器脱去水分，并将反应物料再次送入反应器，循环使用。催化剂回收反应完成后，将催化剂送到回收反应塔，用萃取的方法回收所有的催化剂，并且回收的催化剂可以循环使用。（3）汽提从洗涤器上部的有机物质被送到酒精脱离器，然后再次通过蒸汽间接加热蒸馏来脱醇。塔顶部的甲醇通过二次凝结回收并送到酯化反应器。（4）精馏将从气液分离器出来的物料送入精馏塔，精馏后，塔低的产品是丙烯酸甲酯，塔顶底部的产品为重丙烯酸甲酯。再组合分配到分解器，回收部分分解的丙烯酸甲酯，剩余的再组合分配到剩余的液体储存罐进行保存。反应各个阶段均加入少量阻聚剂，在反应过程中生成的废弃进行焚烧处理。3.3酯化反应装置特点第三步反应是可逆反应，打破反应的平衡状态可以提高丙烯酸的转化率，使反应向着生成丙烯酸甲酯的方向进行，这一步将进行如下操作：(1)采用阳离子交换树脂作为催化剂，为了增加丙烯酸甲酯的产率，甲醇应过量，选用连续式精馏反应器。(2)由于丙烯酸甲酯分子中含有不饱和的双键，在聚合中容易获得电子，所以丙烯酸和丙烯酸甲酯在高温时容易聚合，应该降低反应器的温度，还要除掉反应中生成的水，要采用负压操作。(3)为防止物料在设备表面进行相变，用热水或蒸汽对全过程进行保温，防止相变引起聚合反应，还要对那些流程死区增加喷淋。(4)为防止工艺过程聚合反应加深，进而使刚得到的聚合中心突然失去活性，这一步操作在反应器内以及塔顶回流出添加阻聚剂，并增加阻聚空气，确保反应器及塔内的氧气量，阻止进一步聚合的发生。(5)禁止液体在管线和设备中停滞，特别是那些温度超过40℃的物料。所以在各反应器设有冷却管，确保各个储罐的温度在40℃之下。3.4原料及产品纯度丙烯酸纯度wt%≥99.0,甲醇纯度wt≥99.5,丙烯酸甲酯纯度≥99.5。3.5回收系统在对丙烯酸回收时，利用精馏塔T101进行分馏，轻组分甲醇、丙烯酸甲酯、丙烯醛从塔顶蒸出，丙烯酸和水是重组分则从精馏塔底出去。然后是对甲醇回收，精馏塔T102中丙烯酸甲酯从塔底出来，甲醇和部分MA从塔顶出来，由于甲醇易容与水，利用这一性质，在萃取塔中用水将甲醇萃取出来，这时的萃取液还有一些丙烯酸甲酯，进行再次精馏操作，萃取出来的甲醇进行循环利用。3.6接触时间接触时原料在床层中停留时间被称为接触时间。增加接触时间，就住反应来所可以提高丙烯酸甲酯的单程收率，对副反应来说，增加接触时间对副反应的收率影响不大。由此可知，我们适当增加接触时，丙烯酸与甲醇酯化生成丙烯酸甲酯是有利的，随着丙烯酸转化率的提高，丙烯酸甲酯的单程收率也会增加，当接触时间长时，丙烯酸的其他副反应会发生，导致丙烯酸甲酯的收率降低。催化剂的选择性、活性和反应温度都与接触时间有关，催化剂要是选择性好，活性高，其接触时间可以短一点，反之可以长一点；当反应温度高时，接触时间会短一点，反之可以长一点。一般硫化床的接触时间5-10s。第4章反应器物料衡算4.1原理根据重要的质量守恒定律：进入系统的物料质量=输出系统的物料质量+系统内积累的物料质量。现实操作中大多数生产过程是连续的，所以系统内无物料的积累，此时的表达公式为：进入系统的物料质量=输出的物料质量4.2步骤（1）将物料衡算完成后的数据列为对应的表格。（2）写出合成工段主反应的化学方程式。（3）列出相关要求，如：年工作日，产率。（4）根据要求确定工艺计算基准的。（5）收集与模拟所相关的数据。（6）进行物料衡算模拟。（7）将aspen模拟后的物料衡算的数据转化成物料衡算表。4.3Aspen模拟流程此流程为丙烯二步氧化制丙烯酸甲酯流程图，图中FEED为丙烯、氧气、甲醇的进料流股，S2、S3、S4为出料流股，反应器R101、R102、R103、气液分离器V101、精馏塔T101、T102.首先原料经FEED进入反应器R101发生CH2=CHCH3+O2→CH2CHCHO+H2O氧化反应，然后反应物料输送到反应器R102发生CH2CHCHO+0.5O2→CH2CHCOOH氧化反应，最后物料输送到反应器R103发生CH2CHCOOH+CH3OH→CH3OOCCHCH2+H2O酯化反应，经过气液分离器氧气和水分离出去，经压力变换器将剩余物质送到精馏塔T101，在精馏塔T01中水和中间产物丙烯酸被除去，在精馏塔T102中丙烯醛和多余甲醇被出去，最终得到产品丙烯酸甲酯。图4-1Aspen模拟流程图4.4物料衡算过程4.4.1整个过程的物料衡算经过Aspen的模拟，整个过程总的物料衡算数据结果如下图4-1所示，图中ACROI-01是丙烯醛，ACRYL-01是丙烯酸，METHY-01是丙烯酸甲酯。总进料量FEED是120950kg/hr,S2出料量是30303kg/hr,S3出料量12351.8kg/hr,S4出料量49608.9kg/hr，4出料量28686.3kg/hr。图4-2整个过程Aspen模拟数据表4-1整个过程物料衡算表单位FEEDS2S3S44质量流量kg/hr1209503030312351.849608.928686.3水kg/hr024152.6000丙烯醛kg/hr0026.0658174.0830甲醇kg/hr28004.707666.74305.9970丙烯kg/hr35347.60005302.14氧气kg/hr57597.700023384.2丙烯酸kg/hr06143.51000丙烯酸甲酯kg/hr033.86934659.0449128.80由图可得反应总进料量为F=120950kg/hr，出口料量为F=120950kg/hr，误差为0.00%，符合物料衡算。4.4.2反应器R101物料衡算丙烯和氧气进入反应器R101发生氧化反应，进料FEED是120950kg/hr，出料1是120950kg/hr，反应温度为330℃，压力200KPa,收率是0.85，气相分率为1，反应得到丙烯醛。Aspen模拟数据如下：图4-3Aspen模拟反应器R101数据表4-2反应器R101的模拟数据物质进料（kg/hr）出料（kg/hr）丙烯35347.65302.14甲醇28004.728004.7氧气57597.734750.6水012862.9丙烯醛040029.7丙烯酸00丙烯酸甲酯00总计120950120950由上表可以知道反应器R101的总进料量为F=120950kg/hr，出料量为F=120950kg/hr，其中氧气的转化率是0.39，丙稀的转化率是0.85，误差为0.00%，误差在允许范围内，符合物料平衡。4.4.3化反应器R102物料衡算丙烯醛和氧气进入R102发生氧化反应，反应温度为300℃，压力是189.9kPa,收率是0.995，反应得到丙烯酸，Aspen模拟数据如下:图4-4Aspen模拟反应器R102结果表4-3反应器R102模拟数据结果物质进料（kg/hr）出料（kg/hr）丙烯5302.145302.14甲醇28004.728004.7氧气34750.623384.2水12862.912862.9丙烯醛40029.7200.184丙烯酸051195.9丙烯酸甲酯00总计120950120950由上表可得反应器R102的总进料量为F=120950kg/hr，出料量为F=120950kg/hr，其中氧气转化率是0.33，丙烯醛的转化率是0.995，误差为0.00%，误差在允许范围内，符合物料平衡。4.4.4反应器R103物料衡算丙烯酸和甲醇，在反应器R103中发生酯化反应。反应温度80℃，压力为179.9kPa,得到丙烯酸甲酯，收率是0.88，Aspen模拟数据如下:图4-5Aspen模拟反应器R103的结果表4-4反应器R103物料衡算数据物质进料（kg/hr）出料（kg/hr）丙烯5302.145302.14甲醇28004.77972.74氧气23384.223384.2水12862.924125.6丙烯醛200.184200.148丙烯酸51195.96143.51丙烯酸甲酯053821.7总计120950120950由上表可知酯化反应器R103的总进料量为F=120950kg/hr，出料量为F=120950kg/hr，甲醇转化率是0.71，丙烯酸转化率是0.87，误差为0.000%，在允许的误差范围内，符合物料平衡。4.4.5分离器V101物料衡算经过一系列反应后，物流中含有大量未反应的丙烯和氧气，因此要通过气液分离器V101对这些物质进行脱去处理。Aspen模拟数据如下：图4-6气液分离器V101Aspen模拟结果表4-5气液分离器V101物料衡数据物质进料（kg/hr）出料（kg/hr）出（kg/hr）丙烯5302.145302.140甲醇7972.7407972.74氧气23384.223384.20水24125.604125.6丙烯醛200.1480200.148丙烯酸6143.5106143.51丙烯酸甲酯53821.705382107总计12095028686.392263.7由上表可知气液分离器V101的总进料量为F=120950kg/hr，出料量为F=120950kg/hr，丙烯脱除率100%，氧气脱除率100%，误差为0.00%，符合物料衡算。4.4.6丙烯酸甲酯精馏塔T101物料衡算在精馏塔T101对上一步的剩余物质进行一定的分离，塔顶得到丙烯酸甲酯、丙烯醛、丙烯酸、甲醇产品，塔底出来剩余废物，上层塔板温度70℃，回流比为6，馏出物进料比为0.38。下层塔板温度107℃，在沸比0.6，塔底采出与进料比是0.62。Aspen模拟数据如下：图4-7Aspen模拟丙烯酸甲酯精馏塔T101的结果表4-6精馏塔T01物料衡算数据物质进料（kg/hr)出料（kg/hr)出料（kg/hr）丙烯000甲醇7972.747972.840氧气000水24125.6024125.6丙烯醛200.148200.1480丙烯酸6143.5106143.51丙烯酸甲酯53821.753821.70总计92263.761960.730303由上表可知，精馏塔T101总的进料量为F=92263.7kg/hr，出料量为F=92263.7kg/hr，丙烯酸和水的脱除率是100%，误差为0.00%，符合物料衡算。4.4.7精馏塔T102物料衡算由上表可知还有很多物质没有脱去，所以进一步用精馏塔T102精制丙烯酸甲酯，上层塔板精制117.7℃，回流比是1，馏出物进料比是0.335，下层塔板精制温度139℃，在沸比1.54，塔底采出与进料比0.665，Aspen模拟数据如下：图4-8Aspen模拟丙烯酸甲酯精馏塔T101的结果表4-7丙烯酸甲酯精馏塔T102物料衡算数据物质进料（kg/hr)出料（kg/hr)出料（kg/hr)丙烯000甲醇7972.747666.74305.997氧气000水000丙烯醛200.14826.0658174.083丙烯酸000丙烯酸甲酯537878.84659.0449128.8总计6196012351.849608.9由上表可知，精馏塔T102总的进料量为F=61960kg/hr，出料量为F=61960kg/hr，甲醇脱除率是100%,丙烯醛脱除率是100%，误差为0.00%，符合物料衡算。第5章反应器的热量衡算5.1热量衡算的原理根据热力学第一定律，能量衡算方程式的一般形式可写为:ΔE=Q+W（5-1）在上式中，ΔE为系统总能量的变化，Q为系统从外界吸收的热量，W为环境对体系所做的功。对于相对简单反应过程，假定位能与动能忽略不记，而且系统不做功，即不考虑能量的转换而只考虑热量变化时，则反应过程的能量衡算就是计算反应过程的焓变，此时方程式为：Q+W=ΔH（5-2）5.2热量衡算基准在进行热量平衡衡算时，还需要确定计算数据。常用的计算数据包括两个方面，第一是相位状态数据，另一个是数量数据。在定量参考的情况下，它指的是计算给定热量的特定量。可以假设以1kg或1kmol作为热衡算基准，然后以小时转换为基准。也可以直接通过相关设备的每小时供给量来作为衡算基准。相比之下，后一种方法更受人们的欢迎，使用频率也较高。由于焓是在热平衡过程中广泛使用的热力学函数，因此确定热平衡中的基态是必要的。没有焓的绝对值，只有在特定状态下关于基状态的相对值。然而，这些焓可以在焓图和焓表中找到。事实上，它们是与焓表或焓表的基态的焓差。然而，焓图和焓图的基态并不一定是相同的。因此，在执行一定的热平衡时，必须指定基本状态。参考状态的规范是任意的，不同的参考状态可以用于不同的材料。但是，在特殊情况下，相同材料的数据状态必须保持不变。5.3主要过程热量衡算具体过程5.3.1催化反应器R101的能量衡算丙烯和氧气通入反应器R101发生氧化反应，得丙烯醛。Aspen模拟数据如下表5-1所示，进入反应器的摩尔流量为3513.99kmol/h，出去为3513.99kmol/h。进入反应器的质量流量为120950kg/h,出去为120950kg/h,焓进去-50684.8KW，出去为-96598.5KW。表5-1Aspen模拟反应器R101的数据单位进出摩尔流量kmol/hr3513.993513.99质量流量kg/hr120950120950焓kw-50684.8-96598.5图5-1Aspen模拟反应器R101数据图由图可知出口温度330℃，出口压力199.9kPa,热负荷-45913.7KW，净热负荷-45913.7KW，汽相分率为1。由上面公式计算功：W=0kw热交换能量：Q=45913.7kwHin=−50684.8kwHout=-96598.5kw△H=45913.7kwQ+W=△H，符合热量衡算。5.3.2催化反应器R102的能量衡算丙烯醛和氧气进入反应器R102进行氧化反应，得到丙烯酸，Aspen模拟数据如下表5-2所示，进入反应器的摩尔流量为3513.99kmol/h，出去为3458.77kmol/h。进入反应器的质量流量为120950kg/h,出去为120950kg/h,焓进去-96598.1kw，出去为-14908.2kw。表5-2催化反应器R102Aspen模拟结果总量单位进出摩尔流量Kmol/hr3513.993158.77质量流量kg/hr120950120950焓kw-96598.1-149082图5-2Aspen模拟反应器R102结果由上图看可知出口温度300℃，出口压力189.9kPa,热负荷-52483.9kw，净热负荷-52483.9KW，汽相分率为1。功：W=0kw热交换能量：Q=52483.9kwHin=−96598.5kwHout=−149082kw△H=−52483.9kwQ+W=△H，符合热量衡算。5.3.3反应器R103的能量衡算丙烯酸和甲醇，在反应器R103下进行酯化反应，得到丙烯酸甲酯。Aspen模拟数据如下表5-3所示，进入反应器的摩尔流量为3158.77kmol/h，出去为3158.77kmol/h。进入反应器的质量流量为120950kg/h,出去为120950kg/h,焓进去-149082kw，出去为-182935kw。表5-3化反应器R103Aspen模拟结果总量单位进出摩尔流量kmol/hr3158.773158.77质量流量kg/hr120950120950焓kw-149082-182935图5-3Aspen模拟反应器R103结果由上图看可知出口温度80℃，出口压力179.9kPa,热负荷-34499.7kw，净热负荷-34499.7KW，汽相分率为0.49。功：W=0kw热交换能量：Q=−34499.7kwHin=−149082kwHout=−182935kw△H=-34499.7kwQ+W=△H，符合热量衡算。5.3.4分离器V101能量衡算经过一系列反应后，物流中含有大量的丙烯和氧气，因此要通过气液分离器V01进行分离。经过Aspen模拟数据如下表5-4，进入反应器的摩尔流量为3158.77kmol/h，出去为3158.77kmol/h。进入反应器的质量流量为120950kg/h,出去为120950kg/h,焓进去-182935kw，出去为-190732kw。表5-4气液分离器V101Aspen模拟结果单位进出摩尔流量kmol/hr3158.773158.77质量流量kg/hr120950120950焓kw-182935-190732图5-4气液分离器V101Aspen模拟结果由上图可知热负荷为-7797.28kw。功：W=0kw热交换能量：Q=−7797kwHin=−182935kwHout=−190732kw△H=−7797kwQ+W=△H，符合热量衡算。5.3.5丙烯酸甲酯精馏塔T101的能量衡算在精馏塔T101对上一步的剩余物质进行一定的分离，塔顶得到丙烯酸甲酯、丙烯醛、丙烯酸、甲醇产品，塔底出来剩余废物，Aspen模拟数据如下表5-5所示，进入反应器的摩尔流量为2301.99kmol/h，出去为2301.997kmol/h。进入反应器的质量流量为kg/h,出去为92263.7kg/h,焓进去-191903kw，出去为-191219kw。表5-5Aspen模拟精馏塔T01结果单位进出摩尔流量kmol/hr2301.992301.99质量流量kmol/hr92263.792263.7焓kw-191903-191219图5-5Aspen模拟丙烯酸甲酯精馏塔T101由上图可知冷凝器温度70.6℃，热负荷-56824.2kw,流出物流率877.174kmol/hr,回流比是6，再沸器温度107.149℃，热负荷为57508.5kw,在沸比3.64。功：W=0kw热交换能量：Q=57508-56824=684kwHin=−191903kwHout=−191219kw△H=684kwQ+W=△H，符合热量衡算。5.3.6丙烯酸甲酯精馏塔T102的能量衡算进一步精制丙烯酸甲酯Aspen模拟数据如下表5-6所示，进入反应器的摩尔流量为877.174kmol/h，出去为877.174kmol/h。进入反应器的质量流量61960.7为kg/h,出去为61960.7kg/h,焓进去-78693.1kw，出去为-79352.8kw。表5-6Aspen模拟精馏塔T02结果总量单位进出摩尔流量kmol/hr877.174877.174质量流量kg/hr61960.761960.7焓kw-78693.1-76352.8图5-6Aspen模拟丙烯酸甲酯精馏塔T102由上图可知冷凝器温度111.784℃，热负荷-5054078kw,流出物流率293.853kmol/hr,回流比是1，再沸器温度139.605℃，热负荷为7395.1kw,在沸比1.54。功：W=0kw热交换能量：Q=-5054.7+7395.1=2340.3kwHin=-78693.1KwHout=-76352.8kw△H=2340.3kwQ+W=△H，符合热量衡算。第6章主要设备设计6.1化工设备选用基本原则（1）装备技术要求合理性的装备设计必须完全符合生产工艺的基本要求,所设计选择的生产设备与工艺流程、生产工艺规模、操作管理条件、工艺生产质量以及过程控制工艺水平相紧密适应,设备的实际生产效能及其要求水平均应能够达到我国同类生产行业的先进技术水平。（2）针对设备施工安全性能的要求:保证设备正常运转安全可靠、自控操作技术水平大小适宜、操纵稳定、弹性好、没有任何安全事故隐患:对设备施工工艺及所用建筑、土地、厂房结构无苛刻的安全要求;尽量减小劳动强度,尽量避免使用施工运行过程及途中的任何高温、低压、高空振动作业;尽量避免不用危险或其他有毒、恶劣的施工设施以及附件和配套物。（3）由于设备的维护经济性设备需要合理的材料选材,节约了企业设备设计制造和工具购置的成本时间;由于设备维护需要安全易于进行加工、维修、更新,没有特别严格的设备维修维护要求;大大减少了设备运行的维护成本;并且要考虑企业是否需要采取工业生产用的设备,以及工具是否在各种露天地方摆放。（4）应当采取相关政策性保护措施根据当前当下我国的实际市场情况,遵循三废化工设备的相关设计技术文件所有者的规定及相关标准,保护环境和为全国人民广大群众生产提供安全保障良好的设备运营生产管理服务条件,确保安全正常生产,使这些三废化工处理的质量问题完全彻底消灭在一个无形的库存状态或者仅仅是在一个完全自动密闭的生产系统中再次。

(5)系统本身的化学操作过程是一个完整的系统。设备不仅要注意各设备的性能和产品的生产能力，还要防止整个系统的改进和优化。总之,在石油天然气化工装置的选型与工艺设计上,我们需要充分考虑它们相关技术的先进性、安全性、经济性、环境卫生和系统性,做到装置的设计合理,尽量没有遗憾。6.2催化反应器R103设计反应器模拟结果如下图6-1所示，出口温度300℃，出口压力189.9KPa。图6-1反应器R103Aspen模拟结果反应器的进出口物料组成模拟如下：表6-1反应器R103进出口流量进口出口流量71633863进料物体积流量Qv=7163m3/h，取停留时间t=15s，则床体积VR=t×Qv=29.84m3取空床速度u0=3m/s，则床层截面积为AR=VR/u0=29.84/3=9.94m