甲基丙烯酸甲酯生产基本工艺毕业设计方案设备选型与布置.doc

目录
1. 前言 1
1.1 MMA市场应用及前景 1
1.2 MMA生产工艺 2
1.2.1 丙酮氢醇(ACH)路线 2
1.2.2 合成气法 3
1.2.3 乙烯拨基化路线 3
1.2.4 丙炔法 4
1.2.5 异丁烯法 4
1.3 本文MMA生产工艺路线拟定 5
1.4 化工设备选型计算中使用软件 7
1.4.1 Cup-Tower对塔设备选型 7
1.4.2 智能选泵系统 8
1.4.3 Aspen与EDR联用设计换热器 9
1.4.4 化工设备布置图CAD设计 9
1.5 项目概况 10
1.5.1 项目名称 10
1.5.2 拟建地址 10
1.5.3 生产工艺 10
1.5.4 原料及产品 10
2. 工艺流程简介及模仿 11
2.1 流程概述 11
2.2 Aspen plus仿真模仿流程 12
2.2.1 MAL合成工段模仿 12
2.2.2 MMA合成工段模仿 13
3. 设备设计计算及选型 14
3.1 反映器设计 14
3.1.1 MAL合成反映器(R101)设计 14
3.1.2 MMA合成浆态床反映器(R201)设计 23
3.2 塔设备选型与设计 27
3.2.1 急冷喷淋塔简朴设计计算 27
3.2.2 cup-Tower对脱水塔选型 30
3.2.3 cup-Tower对吸取塔选型 33
3.2.4 MMA精馏塔设计 36
3.3 换热器选型 52
3.3.1 换热器设计选型示例（E201选型） 52
3.3.2 换热器选型成果汇总 57
3.4 泵选型 57
3.4.1 泵设计选型示例（P201选型) 57
3.4.2 泵选型成果 63
3.5 储罐设计 63
3.5.1 重要储罐设计 63
3.5.2 储罐设计成果一览表 66
3.6 膜分离简朴设计 66
3.6.1 膜分离工艺流程 66
3.6.2 膜分离器选型与设计 67
3.7 压缩机选型 69
3.7.1 选型示例 69
3.7.2 压缩机选型成果 69
3.8 设计图 70
4. 环保与经济核算 70
4.1 环保 70
4.1.1 有害因素分析 70
4.1.2 废物解决办法 71
4.2 经济核算成果 73
5. 设计成果 75
5.1 设备选型一览表（附后） 75
5.2 设计图（附后） 75

参照文献 76
谢辞 78

1 前言
1.1 MMA市场应用及前景
甲基丙烯酸甲酯分子式为C5H8O2，简称MMA，外观为无色液体，易挥发，易燃，溶于乙醇、乙醚、丙酮等各种有机溶剂，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，重要应用于有机玻璃( PMMA) 生产，也用于聚氯乙烯助剂ACR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、甲基丙烯酸高档酯类，也可作为木材浸润剂、印染助剂及塑料增塑剂等许多行业[1]。
近年来，国内外MMA 聚合物、型材、板材、涂料、乳液等需求增长，同步MMA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需求量也增长[2][3]。
随着MMA在世界范畴内扩张，国内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。国内MMA市场需求年增长率达15%，并且需求仍在不断扩大，将来几年将成为仅次于美国和日本全球第三大消费市场。并且在 年，国内甲醇行业虽有某些新建装置因不拟定因素投产时间推迟，但全年甲醇总产能预测仍可达到3500万吨，产量大概1500万吨，有一半产能过剩。据理解，底，国内原筹划投产甲醇在建项目共有25个，新增年产能共计861万吨，意味着全国甲醇产能将超过4000万吨，产能增茂名石化年产3万吨MMA量已远远不不大于消费需求增长量。此外，国内尚有25个拟建或处在规划阶段甲醇项目，年产能共计2440万吨，新建、在建装置不断投产，将进一步加剧国内甲醇产能过剩局面，甲醇进料价格也许有所下滑。众多调查成果证明MMA 具备良好发展前景[4][5]。
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反映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]。
反映式如下。

三菱气体化学公司开发了一种再循环型ACH路线。新ACH法由丙酮与氢氰酸反映生成丙酮氰醇(ACH)，然后水合生成羟基异丁酸酰胺(HBD)。用甲醇脱氢生成甲酸甲酯和HBD反映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。
反映式如下：

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行加氢甲酰化，反映在低温(150℃～200oC)和低压3～7MPa下进行。第二步由丙酸与甲醛反映生产甲基丙烯酸，使用硅酸铌双功能催化剂。第三步以甲醇酯化反映生成甲基丙烯酸甲酯，该工艺与其他工艺比较具备较强竞争优势[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公司，故该工艺也称为巴斯夫路线[2]。这一路线欠缺之处是生产中有中间产物甲基丙烯醛，而甲基丙烯醛氧化成本较高[8]。
巴斯夫路线反映式如下：

1.2.4 丙炔法
壳牌公司开发另一条合成MMA新路线是使丙炔在甲醇存在下，用一氧化碳羰基化生产MMA．该公司运用此法现已建成60千吨／年MMA生产装置，反映采用了最新催化剂，使其生成MMA选取性达100％．丙炔是由乙烯副产C3馏分经MIBK或DMF萃取蒸馏分离得到．丙炔一步法生产MMA工艺简朴，投资省，产品纯度高，是当前较经济一种MMA生产办法[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。该法特点是催化剂活性高，选取性好，寿命长，甲基丙烯酸收率高。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法有明显长处。异丁烯氧化制MMA工艺引起了许多科学家及化学公司注意[9]。
异丁烯氧化制MMA重要有三种工艺路线：①异丁烯氧化到MAL，再氧化到MAA，再酯化为MMA；②异丁烯一步氧化到MAA，再酯化为MMA，这种工艺一方面氧化成相应醛，再氧化成酸，两者氧化动力学不同，采用相似工艺条件和催化剂得不到最佳MAA选取性；③异丁烯氧化到MAL，氧化酯化为MMA[10][11]。
新制法以异丁烯为起始原料，甲基丙烯醛在一工序中同步进行氧化、酯化反映，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生产工艺路线拟定
西方研究机构对上述MMA重要生产工艺路线进行成本对比，如下是不同工艺路线装置生产成本对比状况表1-1[1][13]。

表1-1 MMA 重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-C4
BASF法
MGC法
原料成本
31.99
31.99
26.52
29.05
27.2
公用工程成本
4.84
4．84
4.55
5.15
9.63
其她可变成本
0.1
0.1
0.1
-1.62
-0.64
可变成本
36.03
36.03
31.17
32.58
36.19
固定成本
8.69
15.57
11
12.19
13.8
钞票成本
46.62
52.5
42.17
44.77
49.99
折旧成本
9.17
11.3
10.23
11.28
12.95
生产成本共计
55.33
63.8
52.39
56.06
62.94
生产成本+10%投资回报
65.03
77.2
62.62
67.32
75.89
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$Pt，氢氰酸742$Pt，硫酸53$Pt，异丁烯604$Pt，氧气49$Pt，乙烯573$Pt，甲醇144$Pt。
在MMA生产工艺中，异丁烯法、大规模丙酮氰醇法和乙烯法是生产MMA最具竞争力工艺。对于丙酮氰醇法来讲，装置规模对产品成本影响很大。甲基丙烯腈法由于工艺复杂，投资过高而缺少竞争力。国内既有MMA装置所有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MMA生产工艺中，丙酮氰醇法、异丁烯法、乙烯法是最具备竞争力工艺。但乙烯法由于国内乙烯严重供局限性需，且运送和储存条件苛刻、成本高，同步BASF公司始终对转让乙烯法技术不积极等因素，在国内并不合用。异丁烯法装置原料采用MTBE裂解制得，MTBE是大宗商品，生产工艺简朴成熟，国内外生产公司较多，产量大、易采购、好运送，在工艺上很容易裂解制得异烯[14]。以异丁烯为原料生产MMA。一方面充分运用了富余C4资源，减少了资源挥霍，另一方面又缓和了市场对于产品紧缺，维持了市场平衡发展。异丁烯氧化法生产甲基丙烯酸甲酯（MMA）技术，与老式丙酮氰醇法以及其她办法比较，此法具备原料来源广泛，催化剂活性高、选取性好、寿命长，反映收率和原子运用率高，无污染、环境和谐、成本低优势，具备很强竞争力。
中档规模装置(4-6万吨）投资，异丁烯法要低于丙酮氰醇法；而丙酮氰醇法优势在较大规模装置(10万吨以上)上将显现出来，其单位投资将明显减少[1][14]。
由此本文选取异丁烯法制MMA路线。对异丁烯制MMA过程进行了模仿计算[9][12][16][17][18]。
1.4 化工设备选型计算中使用软件
1.4.1 Cup-Tower对塔设备选型
Cup-Tower软件是一款可靠、易用、通用塔设备水力学综共计算软件，它将工业上常用板式塔、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各种类型塔内件集合在一起，是一款功能强大、综合性很强全新软件。其借鉴了国内外有关软件特点，在可靠性、易用性、通用性等方面更胜一筹。
其重要功能如下：
（1）可用于板式塔、筛萃取散装填料规整和计算，可用于板式塔、筛萃取散装填料规整和计算，可用于板式塔、筛萃取散装填料规整和计算，可用于板式塔、筛萃取散装填料规整和计算，可用于板式塔、筛萃取散装填料规整和计算，具备设计和校核功能。
（2）塔板类型涉及浮阀（圆，条）、固垂直筛舌斜孔塔板类型涉及浮阀（圆，条）、固垂直筛舌斜孔塔板类型涉及浮阀（圆，条）、固垂直筛舌斜孔塔板类型涉及浮阀（圆，条）、固垂直筛舌斜孔塔板类型涉及浮阀（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）塔板溢流形式涉及单、双四，可以实现布置。
（4）校核方面：可以依照已知塔设备构造和工艺条件，获得水力学计算校核方面：可以依照已知塔设备构造和工艺条件，获得水力学计算校核方面：可以依照已知塔设备构造和工艺条件，获得水力学计算成果，给出最后负荷性能图。
1.4.2 智能选泵系统
《智能选泵系统》一方面进入如图1-1功能选取窗体。

图1-1 智能选泵功能选取窗体

点击<选泵>按钮进入优化选泵功能区，显示泵选取窗体。泵选取窗体中有泵类型和技术参数两大区域，使用者一方面要依照自己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流量(单位：L/s)和扬程(单位：m)，输入一种选泵精度值（范畴：50~100，默认值90，数值越大精度越高），并拟定泵同步运营最多（范畴：2~9，默认值5）台数，点击<开始搜索>按钮开始选泵。系统将符合条件泵所有选出，并依照优化选泵原则按优先选取顺序排列在该窗体表中。使用者用鼠标点击自己选中泵型号，可显示该泵特性工作曲线、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后来版本已经实现了Aspen和EDR接口。Aspen Plus可以在流程模仿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重要图样，在初步设计阶段和施工图设计阶段都要进行绘制。设立布置图是按正投影原理绘制，图样普通涉及如下几方面内容：
（1）考虑设备布置图视配备，采用一组视图表达厂房建筑基本构造和设备珀厂房内外布置状况。拟定图样幅面，注意选取适当模板图．同步选定绘图比例。普通采用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=绘制环节与平面图大体相似，逐个画出剖视图。
（4）绘制方位标。
（5）阐明与附注是对设备安崧布置有特辣规定阐明。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
本工艺重要分为甲基丙烯醛（MAL）合成工段和甲基丙烯酸甲酯（MMA）合成工段。
MMA 合成工艺采用异丁烯氧化酯化法合成工艺，该工艺办法具备工艺流程简朴，产品纯度和收率高，甲醇回收运用率高，副产物少，不导致环境污染等长处。
1.5.4 原料及产品
本项目重要原料为异丁烯，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 工艺流程简介及模仿
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，选取性好，较之西欧采用ACH法制造MMA大型工厂，中型规模异丁烯制造MMA工厂具备对环境压力小，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合成反映器中，异丁烯被催化氧化合成MAL。反映后气体经急冷喷淋塔，脱水塔和吸取塔，其中脱水塔底部水返回至急冷喷淋塔中循环使用，脱水塔和吸取塔吸取剂来自于MMA合成未反映甲醇溶液，吸取塔塔顶为多余未反映异丁烯,N2 及O2，尚有以少某些氧化反映生成气体杂质，一同排入到火炬系统解决。
吸取塔塔底为具有甲醇MAL溶液经泵输送至MMA合成反映器中，在催化剂和空气作用下进行酯化反映生成MMA和少量气体杂质，其中气体杂质同未反映空气送至火炬系统中。MMA合成反映器底部出来液体送至精馏塔中，用作为萃取剂，塔顶得到具有甲醇及未反映少量MMA返回至脱水塔，吸取塔及MMA合成反映器中进行循环使用。塔底得到MMA和水经换热冷却后通过静置相分后，下面水经解决后循环返回至精馏塔中，上面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，其纯度达到聚合级规定。
2.2 Aspen plus仿真模仿流程
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仿。
2.2.1 MAL合成工段模仿
MAL合成工段工段重要涉及MAL反映器、喷淋塔、脱水塔、吸取塔等主体设备。MAL合成工段模仿流程简图如图2-2所示.
详细模仿过程见同组崔法政工艺流程模仿。

图2-2 MAL合成工段模仿流程图
2.2.2 MMA合成工段模仿
MMA合成工段工段重要涉及MAL合成反映器、精馏塔、相分离储罐、膜分离等主体设备。 MMA合成工段模仿流程简图如图2-3所示。

图2-3 MMA合成工段模仿流程图
3 设备设计计算及选型
3.1 反映器设计
3.1.1 MAL合成反映器(R101)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
Ρb=0.60g/ml
孔体积
Vv=0.121ml/g
视密度
Ρb=0.95g/ml
空隙率
§=0.6314
※反映方程
主反映：C4H8 + O2 → C4H6O + H2O
※异丁烯催化氧化反映机理

图3-1 异丁烯氧化机理
※工艺条件
使用80（Mo12Bi1Fe2.0Co7.0V0.2Cs0.1）/20Si 复合氧化物为催化剂，异丁烯为气相。
选取氧化合成甲基丙烯醛重要工艺条件为：
反映温度：350℃
反映压力：常压
空间速度：1200-1800h-1
原料气构成比例：异丁烯：水：氧气：氮气=1:1.5:2:12（摩尔比）

※反映器计算
（1）设计选材
考虑到使用温度、耐酸、许用压力、价格、供货状况及材料焊接性能等，
在设计中选用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
120 h
反映温度
350 oC
反映选取性
89.0%
反映压力
101 KPa
空时收率
100kg/m3
100kg/（m ·h）
表3-3 反映器进口物料构成
反映器进口
Kmol/h
Kg/h
%(mol)
异丁烯
86.35821
4845.345
6
水
141.5235
2599.585
9
氧气
188.698
6088.11
12
氮气
1132.188
31816.53
72.87
氢气
4.960613
10
0.13
总量
1556.76
45334.22
100

表3-4 反映器物料出口构成
反映器出口
Kmol/h
Kg/h
%(mol)
甲基丙烯醛
77.89511
5459.749
0.049836
异丁烯
1.640806
92.06155
1.05E-03
水
239.1946
4309.158
0.153034
氧气
86.66578
2773.201
0.055448
氮气
1132.188
31816.53
0.724359
氢气
4.960613
10
0.13
一氧化碳
7.685881
215.2846
4.92E-03
二氧化碳
6.908657
304.0486
4.42E-03
对苯二甲酸
1.036299
172.1636
6.63E-04
乙酸
1.036299
62.23238
6.63E-04
续表3-4
反映器出口
Kmol/h
Kg/h
%(mol)
丙醛
0.777224
45.14119
4.97E-04
总量
1563.021
45334.22
100

表3-5 相对分子质量 M
异丁烯
甲基丙烯醛
水
氧气
氮气
56
70
18
32
28
一氧化碳
二氧化碳
乙酸
丙醛
对苯二甲酸
28
44
60
58
166
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 密度
名称
密度ρ
(kg/m3)
临界温度
Tc（k）
临界压力（MPa）
临界压缩因子Zc
甲基丙烯醛
1.377082
566
3.68
0.253

续表3-6
名称
密度ρ
(kg/m3)
临界温度
Tc（k）
临界压力（MPa）
临界压缩因子Zc
异丁烯
1.09934
428.6
4.1
0.274
水
0.352962
440
4.6
0.262
氮气
0.547599
132.92
3.499
0.299
氢气
0.039413
1
1
1
一氧化碳
0.547532
530
4.25
0.246
二氧化碳
0.860687
838.8
5.891
0.246
对苯二甲酸
3.382413
126.2
3.4
0.289
乙酸
1.18024
154.58
5.043
0.288
乙醛
1.139761
883.6
3.486
0.201
氧气
0.6256
304.21
7.383
0.274

混合物密度：

（3）反映器数学计算
此反映选用固定床列管式反映器，反映物、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 ：反映活化能
以 1/T 为横坐标，lnk 为纵坐标作图，则直线截距为lnA，斜率为-E/R，计算即可得反映指前因子A和反映活化能E。依照以上办法得到反映指前因子和反映活化能分别为7.37×10和169.7 kJ/mol，最后得到该反映动力学方程为：

2)物料衡算式

FA0 ：任意位置上物质摩尔流量， kmol/h
dxA ：物质转化率
ρB ：催化剂床层堆积密度， g/ml
Dr ：反映器直径，m
其中反映器直径计算用公式

计算得:

代入数据积分得:
取反映管长为8m。
3）其她设计：
反映列管：φ 35× 2
反映管根数：

取反映管根数4880根。
反映器壁厚计算:

δ ：圆筒计算，mm
P ：圆筒计算压力，MPa
D ：圆筒内径，mm
[σ ]′：钢板在该温度下许用应力，MPa
φ ：焊接接头系
代入数据计算得：

圆整后取壁厚20 mm。
反映器内径：3660 mm。
※反映器质量
选取16MnR为材质，其密度约为7850 kg/m3。
反映管质量m1=viρin
Vi ：反映管体积，m3
ρi ： 材质密度，kg/m3
n ： 反映管根数
代入数据得
m1=viρin=7938.95 kg
筒体质量m2=VRρi=904.6 kg
封头取原则椭圆封头，内径DN=3660 mm，厚度δ=20 mm，曲面高hi=925 mm，封头直边高h=50 mm.
封头质量按
代入数据m3=1323.16 kg
反映器主体质量m=m1+m2+2m3=11483.87 kg
附件以主体质量0.2倍计算，
则反映器总质量m总=13780.64 kg
※壳程换热设计
（1）换热介质进出口构造
为了减少入口流体横向流速，消除流体诱发管子振动，采用外导流筒式进出口构造。
(2)换热介质
冷却水：101 KPa 10 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 模仿软件对该反映器进行换热模仿，通过不断优化，最后得到G H 2 O,out =27000 kg/h ，冷却水进口质量流量为 G H 2 Oin =27000 kg/h。
取液态水进口流速为1m/s，进 口 管 口 直 径 为100 mm。换 热 介 质 出 口 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
由于反映器中间不排管，选用环盘型折流板。折流板间距为1 m。板厚10 mm。

3.1.2 MMA合成浆态床反映器（R201）设计
※反映器操作条件
(1)进出口物料构成
MMA 合成反映器物料重要构成如表3-7所示。

表3-7 反映器进口物料构成

空气进料
甲醇进料
MAL进料
质量流量（kg/h)
4989346
69712
7451
摩尔流量（kmol/h）
1727
2174
107
反映条件
T=70 oC
P=0.3 MPa

依照 Aspen plus 模仿成果可知反映器出口物料构成如表3-8所示

表3-8 出口物料构成
物质
质量流量（kg/h）
摩尔流量（kmol/h）
MMA
7942.8
79.4
MAL
1341.4
19.1
H2O
2567
142.5
甲醇
66894.5
2087.7
空气
48554.4
1681.7
(2)操作条件
反映温度为： 70 oC 醇醛质量比为： 10：1
压力为 ： 0.3 MPa
※反映器构造设计
(1)反映动力学方程：
甲基丙烯醛氧化酯化制备甲基丙烯酸甲酷反映方程式如下 :

由此可知，MAL氧化酯化制备MMA本征反映动力学方程可用指数形式表达如下:

式中 ：
r ：反映速率，mol·L-1·h-1
K：反映速率常数
A：MAL 反映级数
b ：MeOH 反映级数
C ：O2 反映级数
由于该反映在恒温、恒压、氧气流速不变条件下进行，并且O2在反映液中持续供应，可以以为在反映过程中[O]近似为一常数。
因而可以简化为：

即为：

式中
x ： MAL 转化率
：MAL初始浓度，mol/L
：MeOH初始浓度，mol/L
反映速率常数 k 也可用下式表达：

k0 ：指前因子
Ea ：反映活化能，J·mol-1
R ：摩尔气体常数，J·mol-1·k-1
最后可得到： E a = 7.24 KJ / mol ， k 0 = 0.1727
反映速率方程为：

(2)床径拟定
床径可按气体解决量和操作速度由流量方程计算求得：
即
式中 V 为原料气中体积流量，m3/h
带入有关数据可求得：

在化工生产中，处特殊规定外，普通均采用圆形截面床体。
普通而言，采用夹套形式反映器内套管与外壳直径比0.7-0.9之间较为适当。
因而浆态床床径为 D=4.5 m，反映器外径为 D=5 m
※反映器质量
选材16MnR，其密度约为7850 kg/m3。
反映器壁厚计算
该反映器筒体选材为16MnR，依照反映条件，运用壁厚公式，求得壁
厚δ 为：

圆整去10 mm。
封头设计
本反映器选取原则椭圆形封头，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。壁厚即为反映器壁厚10 mm，直边高度为50 mm。材质选用16MnR。
筒体质量m1=VRρi=9850 kg
封头质量
=2118.33 kg
主体质量m=m1+2m2=14086.66 kg
附件取主体质量0.2倍，
则反映器总质量m总=16903.99 kg
3.2 塔设备选型与设计
3.2.1 急冷喷淋塔简朴设计计算
※主体尺寸计算
依照本工艺操作特点，考虑到容器直径较大，气体介质温度较高及压力较低，常采用整体夹套分段式夹套形式，这样不但能提高传热介质流速，改进传热效果，并且还能提高筒体受外压稳定性和刚度。
选取停留时间为t=30s；则依照Aspen plus 模仿得到其气体体积流量为Vg=79929.625 m3 ·h-1,取装载系数为ε=0.75，则得到塔设备容积为V=895 m3；依照空塔气¼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；采用原则椭圆形封头。
夹套直径与筒体直径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关系
项目
数值
数值
数值
Di(mm)
500～800
900～2200
2200～4000
Dj(mm)
Di+50
Di+100
Di+200
通过表可知筒体夹套至筒体间距为200 mm。
※喷淋水用量状况
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，筒体和夹套用水为工艺软水，与高温气体间接换热；而其中有一某些水为直接进行喷淋降温除杂，这某些水分为两个进水，其中一种为来自循环工艺水在塔顶进行喷冷，尚有一种来自脱水塔底部水在在塔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 急冷喷淋塔用水操作参数数据表
来源
用水途径
数值m3/h
用水量（kg·h ）
压力（atm）
起始温度（℃）
工艺软水
夹套及蛇管
3750
1
15
循环工艺水
塔顶喷淋
1000
1
15
脱水塔底部水
中上段喷淋
6225.5
1.2
68.7

※换热状况
据比热容公式

设定从反映器中出来物流温度从T1=350 oC降至T2=180 oC热量被用于工艺软水加热，依照 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t1=15 oC，出口温度为t2=103.5 oC；计算出平均温度差，
oC
总传热系数 K(以外表面积为基本)，

通过查找《化工原理》书查找得到总传热系数K=901.5 W/(m2·oC)，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%面积裕度，得S=1.15×=31.372 m2选用φ45×2.5 mm传热管（无缝钢管），计算得管内流速为u=0.83 m/s。换热管总长度为=1973 m，圆整为 m。
※塔质量计算
材质选取16MnR，其密度约为7850 kg/m3。
塔内径Di=4000 mm。
塔体厚度：

圆整取10 mm。
塔体质量m1=Vρ=79862.76 kg
封头质量
封头取原则椭圆封头，内径DN=4000 mm，厚度δ=10 mm，曲面高hi=1000 mm，封头直边高h=50 mm，材质选用16MnR。
=1376 kg
塔主体质量m=m1+2m2=82614.76 kg
附件取主体质量0.2，
总质量m总=99137.7 kg
3.2.2 cup-Tower对脱水塔选型
脱水塔是在0.145 MPa 条件下，将从急冷塔出来水蒸气、MAL、空气混合物中水脱除。在脱水塔上部引入了来自MMA合成反映工段MAL和甲醇混合液体，来自急冷塔MAL、水蒸气、空气混合物与MAL和甲醇混合液体在塔内逆向接触，这样使得轻组分中MAL含量增高，以使得产品产量增高，同步使得水等重组分从塔底排出，空气、MAL、甲醇气体从塔顶排出。
该脱水塔选取板式浮阀塔，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
Stage
Volume flow liquid from
Volume flow vapor to
Density liquid from
Density vapor to
Viscosity liquid from
Viscosity vapor to
Surface tension liquid from

cum/hr
cum/hr
kg/cum
kg/cum
cP
cP
dyne/cm
平均
6.69
67469.79
965.49
0.72
0.42
0.017
27.69
将水力学数据输入到cup-Tower中进行选型，如图3-2所示。
Cup-Tower计算出脱水塔塔板构造参数成果如图3-3。

图3-2 水力学数据输入

图3-3 脱水塔塔板构造参数
Cup-Tower计算出脱水塔塔板工艺参数成果如图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对吸取塔选型
吸取塔是在0.50 MPa条件下，将从脱水塔出来MAL、甲醇、空气混合物中空气排出，并将MAL和甲醇液化为液体。在吸取塔上部引入来自MMA合成反映工段MAL 和甲醇混合液体，来自脱水塔混合气体与来自MMA 合成反映工段混合液体逆向接触，使得MAL和甲醇液化为液体，同步使得重组分中MAL和甲醇含量增高，以提高最后产品产量。空气等气体则从塔顶排出，MAL和甲醇混合液体从塔底排出。 吸取塔选取浮阀塔，单溢流进行选型。
Aspen plus得水力学数据如表3-12。
Stage
Volume flow liquid from
Volume flow vapor to
Density liquid from
Density vapor to
Viscosity liquid from
Viscosity vapor to
Surface tension liquid from

cum/hr
cum/hr
kg/cum
kg/cum
cP
cP
dyne/cm
平均
6.69
67469.79
965.49
0.71
0.42
0.016
27.69
表3-12 吸取塔水力学数据

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计算出脱水塔塔板构造参数成果如图3-7。
Cup-Tower计算出脱水塔塔板工艺参数成果如图3-8。

图3-7 塔板成果参数

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 ρV
液相密度
ρL
混合液表面张力 σ
全塔平均
15.865m3/s
0.03m3/s
2.723kg/m3
821.32kg/m3
42.4mN/m
※塔 径
欲求出塔径应先计算出适当空塔速度。适当空塔速度u普通为最大容许气速umax0.6～0.8倍即： u＝（0.6～0.8）umax

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，图中参变量值HT-hL=0.6-0.1 =0