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甲基丙烯酸甲酯生产工艺毕业设计-设备选型与布置
辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸目录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 生产工艺路线的确定 .................................. 5 1.4 化工设备选型计算中使用的软件 .................................. 7 1.4.1 Cup-Tower 对塔设备的选型 ................................... 7 1.4.2 智能选泵系统 .............................................. 8 1.4.3 Aspen 与 EDR 联用设计换热器 ............................... 91.4.4 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辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸2. 工艺流程简介及模拟 .............................................. 11 2.1 流程概述 ..................................................... 11 2.2 Aspen plus 仿真模拟流程 ........................................ 12 2.2.1 MAL 合成工段的模拟 ...................................... 12 2.2.2 MMA 合成工段的模拟 ...................................... 13 3. 设备设计计算及选型 .............................................. 14 3.1 反应器的设计 ................................................. 14 3.1.1 MAL 合成反应器(R101)的设计 ............................... 14 3.1.2 MMA 合成浆态床反应器(R201)的设计 ......................... 23 3.2 塔设备的选型与设计 ........................................... 27 3.2.1 急冷喷淋塔简单设计计算 ................................... 27 3.2.2 cup-Tower 对脱水塔的选型 .................................. 30 3.2.3 cup-Tower 对吸收塔的选型 .................................. 33 3.2.4 MMA 精馏塔设计 .......................................... 36 3.3 换热器的选型 ................................................. 52 3.3.1 换热器设计选型示例（ E201 的选型） ......................... 52 3.3.2 换热器选型结果汇总 ....................................... 57 3.4 泵的选型 ..................................................... 57 3.4.1 泵的设计选型示例（ P201 的选型) ............................ 57 3.4.2 泵的选型结果 ............................................. 63辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸3.5 储罐设计 ..................................................... 63 3.5.1 主要储罐的设计 ........................................... 63 3.5.2 储罐设计结果一览表 ....................................... 66 3.6 膜分离的简单设计 ............................................. 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 压缩机的选型 ................................................. 69 3.7.1 选型示例 ................................................. 69 3.7.2 压缩机选型结果 ........................................... 69 3.8 设计图 ....................................................... 70 4. 环境保护与经济核算 .............................................. 70 4.1 环境保护 ..................................................... 70 4.1.1 有害因素分析 ............................................. 70 4.1.2 废物的处理措施 ........................................... 71 4.2 经济核算结果 ................................ 错误！未定义书签。 3 5. 设计结果 ........................................................ 75 5.1 设备选型一览表（附后） ....................................... 75 5.2 设计图（附后） ............................................... 75 参考文献 ........................................................... 76 谢辞................................................................ 78辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸1 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 , 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 [2][3]。 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 1辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸能合计 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[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 [6]。 反应式如下。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 2辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸为 MGC(R-HNC)路线，日本已建有一套工业化装置。 反应式如下：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，反应在低温 (150℃～200oC)和低压 3～7MPa 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 [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成本较高[8]。 巴斯夫路线的反应式如下：3辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸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 生产装置， 反应采用了最新催化剂，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 [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：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 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；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时进行氧化、酯化反4辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸应，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 短，基建费用也可减少 [12]。1.3 本文 MMA 生产工艺路线的确定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 1-1[1][13]。表 1-1 MMA 项目 原料成本 公用工程成本 其他可变成本 可变成本 固定成本 现金成本 折旧成本 生产成本合计 生产成本 +10%主要生产工艺路线成本对比 (单位：美分 P 磅) ACH-S I-C4 法 31.99 4.84 0.1 36.03 8.69 46.62 9.17 55.33 65.03 31.99 4．84 0.1 36.03 15.57 52.5 11.3 63.8 77.2 26.52 4.55 0.1 31.17 11 42.17 10.23 52.39 62.62 29.05 5.15 -1.62 32.58 12.19 44.77 11.28 56.06 67.32 27.2 9.63 -0.64 36.19 13.8 49.99 12.95 62.94 75.89 BASF 法 MGC 法ACH-法投资回报 注：ACH-L法为13.6万tPa装置，ACH-S法为4.5万tPa装置。 5辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸原料取价为丙酮 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 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，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[1][14]。 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6辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸算[9][12][16][17][18] 。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7辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸核方面：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。图 1-1智能选泵功能选择窗体8辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸点击&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)和扬程 (单位：m)， 输入一个选泵精度值（范围： 50~100，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：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 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。1.4.3 热器Aspen 与 EDR（Exchanger Design and Rating ）联用设计换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。9辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸（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，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） 。10辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸2 工艺流程简介及模拟2.1 流程概述图 2-1 物料流程图 (PFD)附后。总流程简图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 11辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸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。12辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸图 2-2MAL 合成工段模拟流程图2.2.2 MMA 合成工段的模拟MMA 合成工段工段主要包括 MAL 合成反应器、精馏塔、相分离储罐、膜分 离等主体设备。 MMA 合成工段模拟流程简图如图 2-3 所示。图 2-3MMA 合成工段模拟流程图13辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸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 项目 颗粒密度 堆积密度 视密度 ※反应方程 主反应：C4H8 + O2 → C4H6O + H2O ※异丁烯催化氧化反应机理 数值 Dp=5.5 mm Ρb=0.60g/ml Ρb=0.95g/ml 催化剂物性参数 项目 比表面 孔体积 空隙率 数值 Sp=4.61g2/g Vv=0.121ml/g § =0.6314图 3-1异丁烯氧化机理 14辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸※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。 选择氧化合成甲基丙烯醛的主要工艺条件为： 反应温度：350℃ 反应压力：常压 空间速度：h-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 项目 甲基丙烯酸甲酯年产量 年工作时间 反应温度 反应压力设计数据和工作参数 项目 原料配比 空速 反应选择性 空时收率 数值 IB:H2O:O2:N2=1:1.5:2:12 .0% 120 h 100kg/m3 100kg/（m ? h） 15数值 6 万吨 7500 h 350 oC 101 KPa辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸表 3-3 反应器进口 异丁烯 水 氧气 氮气 氢气 总量 Kmol/h反应器进口物料组成 Kg/h 9.585 16.53 10 45334.22 %(mol) 6 9 12 72.87 0.13 10086.35 188.698 .6.76表 3-4 反应器出口 甲基丙烯醛 异丁烯 水 氧气 氮气 氢气 一氧化碳 二氧化碳 对苯二甲酸 乙酸 Kmol/h反应器物料出口组成 Kg/h ..158 16.53 10 215.6 172.38 16 %(mol) 0..05E-03 0....13 4.92E-03 4.42E-03 6.63E-04 6.63E-0477.806 239.78 .....036299辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸续表 3-4 反应器出口 丙醛 总量 Kmol/h 0.3.021 Kg/h 45..22 %(mol) 4.97E-04 100表 3-5 异丁烯 56 一氧化碳 28 醛 甲基丙烯 70 二氧化碳 44相对分子质量 M 水 18 乙酸 60 氧气 32 丙醛 58 氮气 28 对苯二甲酸 166进料混合平均相对分子质量：M in ? ? yi , inM i ? 29.12出口混合平均相对分子质量：M out ? ? yi , outM i ? 29表 3-6 名称 密度 ρ (kg/m3) 甲基丙烯醛 1.377082 密度 临界压力 （MPa） 3.68 临界压缩因子 Zc 0.253临界温度 Tc（k） 56617辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸续表 3-6 名称 密度 ρ (kg/m3) 异丁烯 水 氮气 氢气 一氧化碳 二氧化碳 对苯二甲酸 乙酸 乙醛 氧气 1.962 0......761 0.6256 临界温度 Tc（k） 428.6 440 132.92 1 530 838.8 126.2 154.58 883.6 304.21 临界压力 （MPa） 4.1 4.6 3.499 1 4.25 5.891 3.4 5.043 3.486 7.383 临界压缩因子 Zc 0.274 0.262 0.299 1 0.246 0.246 0.289 0.288 0.201 0.274混合物密度：?in ?p M in ? 0.569371 Kg / m3 ZRT p M out ? 0.567177 Kg / m3 ZRT?out ?（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， 18辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸此模型为拟均相模型。 1）动力学方程K ? Ae?ERTln k ? ln A ?E RTln r ? ln k ? n ln cIBA :指前因子 CIB :异丁烯浓度 E ：反应活化能以 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 7.37× 10 和 169.7 kJ/mol，最终得到该反应的动力学方程为：r ? 7.37?1014 e2)物料衡算式?169744RTCIBFA0dXA ? ?B ( ?rA)?4Dr 2 dlFA0 ：任意位置上物质的摩尔流量， kmol/h dxA ：物质的转化率 ρB ：催化剂的床层堆积密度， g/ml Dr ：反应器直径，m19辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸其中反应器直径计算用公式Dr ?计算得:4V?u 0dl ?FA0dXA?B ( ?rA)?? 0.21dx / A(?rA)24Dr代入数据积分得: l ? 7m 取反应管长为 8m。 3）其他设计： 反应列管：φ 35× 2 反应管根数：?4取反应管根数 4880 根。 反应器壁厚的计算:Ar ? 0.0342? 4874 根? ?δ ：圆筒的计算，mmpDi 2[? ]' ? ? pP ：圆筒计算压力， MPa D ：圆筒的内径，mm 20辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸[ζ ]′：钢板在该温度下的许用应力， MPa φ ：焊接接头系代入数据计算得：? ?圆整后取壁厚 20 mm。 反应器内径：3660 mm。 ※反应器质量pDi ? 18.6m m 2[? ]' ? ? p选择 16MnR 为材质，其密度约为 7850 kg/m3。 反应管质量 m1=viρin Vi ：反应管体积，m3 ρ ni： 材质密度，kg/m3 ： 反应管根数代入数据得 m1=viρin=7938.95 kg 筒体质量 m2=VRρi=904.6 kg 封头取标准椭圆封头，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m3 ? { [( DN ? 2? ) 2 (hi ? ? ) ? DN 2 hi ] ? [( DN ? 2? ) 2 ? DN 2 ]h} ? 21??辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸代入数据 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 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 模拟软件对该反应器进行换热模拟，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。22辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸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 甲醇进料
P=0.3 MPa MAL 进料 空气进料 质量流量（kg/h) 摩尔流量（kmol/h） 反应条件 7 T=70 oC根据 Aspen 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 物质 MMA MAL H2O 甲醇 空气出口物料组成 摩尔流量（kmol/h） 79.4 19.1 142.5 1.7质量流量（kg/h） 1.4 .5 48554.423辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸(2)操作条件 反应温度为： 压力为 ： 70 oC 0.3 MPa 醇醛质量比为： 10： 1※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 :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:r??式中 ：d [ MAL ] ? k[ MAL ]a [ MeOH ]b [O 2]c dtr ：反应速率， mol? L-1? h-1 K：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： 24辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸d [ MAL ] ? k[ MAL ]a [ MOH ]b dtr?即为：r?式中 xd [ MAL ] ? k (CMAL0 ? CMAL0 x) a (CMeOH 0 ? CMeOH 0 m)b dt： MAL 转化率CMAL0 ：MAL 的初始浓度， mol/LCMeOH 0 ：MeOH 的初始浓度，mol/L反应速率常数 k 也可用下式表示：? EaK ? kek0 ：指前因子RTEa ：反应的活化能，J? mol-1 R ：摩尔气体常数， J? mol-1? k-1 E a = 7.24 KJ / mol ， k 0 = 0.1727最终可得到：反应速率方程为：r ? 0.1627 [MAL](2)床径的确定1.39[MeOH]1.47e?7.24?103RT床径可按气体处理量和操作速度由流量方程计算求得：V??D 24? u ? 3600即D?4V 3600? ? ? u式中 V 为原料气中的体积流量， m3/h 25辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸带入相关数据可求得：D?4 ? 16209 ? 4.5m 3600? ? ? 0.28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 厚 δ 为：? ?圆整去 10 mm。 封头设计pcDi ? 5.4m m 2[? ]' ? ? pc本反应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 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 m1=VRρi=9850 kg 封头质量26辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸? ?m 2 ? { [( DN ? 2? ) 2 (hi ? ? ) ? DN 2 hi ] ? [( DN ? 2? ) 2 ? DN 2 ]h} ? =2118.33 kg 主体质量 m=m1+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 ；则根据 Aspen plus 模拟得到其气体的体积流量为 Vg= m3 ? h-1,取装载系数为 ε=0.75，则得到塔设备的容积为 V=895 m3； 根据空塔气?速计算公式及经验得，塔径 D=3.6 m；则由得，塔筒体高度为 H=22 m；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 项目 Di(mm) 夹套直径与筒体直径的关系 数值 500～ 800 数值 900～ 2200 数值 27辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸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 来源 工艺软水 循环工艺水 脱水塔底部水 急冷喷淋塔的用水操作参数数据表 数值 m3/h 3750 用水量 （ kg? h ）
压力（ atm） 起 始 温 度 1 1 1.2 15 （℃） 15 68.7用水途径 夹套及蛇管 塔顶喷淋 中上段喷淋※换热情况 据比热容公式Q ? KS?tm ? WcCpc(t1 ? t 2)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 Aspen plus 导出物流传热数据得到热负 Q= 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=103.528辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸oC；计算出平均温度差，?tm ??t1 ? ?t 2 (350? 180) ? (103.5 ? 150 ? ? 110.8 oC ?t1 ( 350 ?180 ) ln ?t 2 ln (103.5?15)总传热系数 K(以外表面积为基础 )，K?1do do bdo 1 ? Rsi ? ? Rso ? ?idi di ?dm ?oo 通过查找《化工原理》书查找得到总传热系数 K=901.5 W/(m2? C)，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=1.15×=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：? ?圆整取 10 mm。pcDi ? 6.2m m 2[? ]' ? ? pc塔体质量 m1=Vρ=79862.76 kg 封头质量 封头取标准椭圆封头，内径 DN=4000 mm，厚度 δ=10 mm，曲面高 hi=100029辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸mm，封头直边高 h=50 mm，材质选用 16MnR。m 2 ? { [( DN ? 2? ) 2 (hi ? ? ) ? DN 2 hi ] ? [( DN ? 2? ) 2 ? DN 2 ]h} ? =1376 kg 塔主体质量 m=m1+2m2=82614.76 kg 附件取主体质量的 0.2， 总质量 m 总=99137.7 kg??3.2.2 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Density Viscosity Viscosity Surface tension liquid from dyne/cm 27.69Volume flow Volume flow Density Stage liquid from vapor to cum/hr cum/hr 67469.79liquid from vapor to liquid from vapor to kg/cum 965.49 kg/cum 0.72 cP 0.42 cP 0.017平均6.6930辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸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。图 3-2水力学数据输入31辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸图 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 3-4。图 3-4塔板工艺参数32辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸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 0.50 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。 Aspen plus 得水力学数据如表 3-12。33辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸表 3-12Volume flow Volume flow Density Stage liquid from cum/hr 平均 6.69 vapor to cum/hr 67469.79吸收塔水力学数据Density Viscosity Viscosity Surface tension liquid from dyne/cm 27.69liquid from vapor to kg/cum 965.49 kg/cum 0.71liquid from vapor to cP 0.42 cP 0.016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结构参数结果如图 3-7。 34辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸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 35辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸负荷性能图如 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 气相流量 Vs 全塔平均 15.865m3/s 液相流量 Ls 0.03m3/s 全塔平均水力学数据 气相密度 ρV 2.723kg/m3 液相密度 ρL 821.32kg/m3 混合液表面 张力 ζ 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36辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸umax 的 0.6～0.8 倍即： u＝（0.6～ 0.8）umaxuma x?C?? L ? ?V ?????? ?V式中 C 可由史密斯关联图查得，液气动能参数为： ????Ls ? L 12 0.03 821.32 12 ?( ) ? ?( ) ? 0.033?? Vs ?V 15.865 2.723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表面张力为 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：C ? C 20 (最大允许气速：?L20) 0.2 ? 0.17 ??????U max ? C? L ? ?V 821.32 ? 2.723 ? 0.15 ? 2.6m / s ?V 2.723取安全系数为 0.7，则适宜空塔速度为： u ? (安全系数) ? umax =1.8 由下式计算塔径：D' ? 4VS 4 ?15.865 ? ? 3.35m ?u 3.14?1.8按标准塔径尺寸圆整，取 D = 3800 mm； 实际塔截面积：AT ? 0.785D2 ? 0.785? 3.82 ? 11.3m237辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸实际空塔速度：u?安全系数：v S 15.865 ? ? 1.67m / s AT 11.3u umax在 0.6～0.8 范围间，合适。 ※溢流装置 选用单流型降液管，不设进口堰。 1）降液管尺寸?1.67 ? 0.64m / s 2.6,取 溢 流 堰 长 lw=0.7D ， 即 lw/D=0.7 ， 由 弓 形 降 液 管 的 结 构 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=0.09×11.3=1.017 m2 ??? 弓形降液管宽度:Wd=0.15× 3.8=0.57 m2? 验算液体在降液管的停留时间 θ： ? ??Af HT Lh?1.017? 0.8 ? 27.12s 0.03由于停留时间 θ＞5 s，合适。 2）溢流堰尺寸 由以上设计数据可求出： 溢流堰长 lw=0.7×3.8=2.66 m38辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸采用平直堰，堰上液层高度可依下式计算，式中 E 近似取 1，即how ? L 2 2.84 0.03 ?
2.84 ? 1.0 ? ( ) ? 0.034 m ?E ?( s ) 3 ?
1000 lw溢流堰高:hw=hL-how=0.1-0.034=0.066 m 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= 0.2 m/s； 降液管底隙高度：h0 ?Ls 0.03 ? ? 0.056m lwu '0 2.66? 0.2hw ? h0 ? 0.066? 0.056 ? 0.01m ? 0.006m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：u0 ?每层塔板上浮阀个数 ：FO?V?9 ? 5.45m / s 2.723N?Vs 15.865 ? ? 2438 (个） 2 0.785d u0 0.785? 5.45? 0.03922）浮阀的排列 按所设定的尺寸画出塔板，并在塔板的鼓泡区内依排列方式进行试排，确定 出实际的阀孔数。 ??已知 Wd = 0.57 m，选取无效边缘区宽区 WC = 0.065 m、破沫区宽度 WS=0.1 39辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸m，由下式计算鼓泡区面积，即：Aa ? 2( x r 2 ? x 2 ?? 2 ?1 x r sin ) 180 rr ? D ? Wc ? 1.9 ? 0.065 ? 1.835m 2x ? D ? (Wd ? Ws ) ? 1.9 ? (0.57 ? 0.1) ? 1.23m 2Aa ? 2 ? (1.23 ? 1.835 2 ? 1.23 2 ? 3.14 1.23 ?1.835 2 ? sin ?1 ) ? 9.5m 2 180 1.835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=75 mm，则等 腰三角形的高度： 估算排间距:?t' ? Aa 9.5 ? ? 0.052m na 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：u0 ??4Vs?d 2 n??15.865 ? 5.52(m / s) 0.785? 0.0392 ? 2406动能因数:F0 ? u0 ?v ? 5.52 2.723 ? 9.1动能因数在 9～12 之间，合适。 塔板开孔率： 40辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸0.039 2 ) ? 0.14 3.8? ? N (d 0 / D) 2 ? 2406 (开孔率在 10％～14％之间，合适。 ※塔板流体力学验算 1）塔板压降 利用下式计算：hP ? hc ? hl ? h?（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 5.522 2.723 U0 ?v hc ? 5.34 ? ? ? 5.34 ? ? ? 0.027m 2 ? g ?L 2 ? 9.81 821.32（2）板上充气液层阻力 本设备分离烃化液，液相为碳氢化合物，可取充气系数 ε0= 0.5。 ?hl ? 0.5 ? 0.1 ? 0.05m（3）液体表面张力造成的阻力 由于采用浮阀塔板， 克服鼓泡时液体表面张力的阻力很小， 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: 则单板压降 :?Pf ? hp ?L g ? 0.077? 821.32? 9.81 ? 620Pahp=0.027+0.05=0.077 m2）降液管液泛校核 为了防止降液管液泛现象发生，要求控制降液管内清液层高度 41辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸Hd≤φ(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=0.077 m。 （2）液体通过降液管的压头损失（不设进口堰）? Ls Hd ? 0.153? ?l h ? w o（3）板上液层高度 前已选定 hL=0.1 m。? ? 0.03 ? ? ? ? 0.153? 2.66 ? 0.056 ? ?2? ? ? 0.0062 ?m? ? ?2所以 Hd=0.077+0.=0.1832 m 取降液管中泡沫层相对密度 φ=0.5,前已选定板间距 HT=0.8 m，hw=0.066 m。 则： φ(HT+Hw)=0.5(0.8+0.066)=0.433 可见，Hd＜φ(HT+Hw)，符合防止降液管液泛要求。 3）液体在降液管内停留时间 应保证液体在降液管内的停留时间大于 3～5s，才能使得液体所夹带气体的 释出。本设计的停留时间t?可见，所夹带气体可以释出。 4）雾沫夹带量校核Af H T L'S? 27.12s依下面两式分别计算泛点率 F，即42辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸?vVs F1 ?? L ? ?v?v? 1.36Ls Z LVs?100% 和 F1 ?? L ? ?vKcF Ap0.78Kc F AT?100%板上液体流径长度：Z L ? D ? 2Wd ? 3.8 ? 2 ? 0.57 ? 2.66m板上液流面积：Ap ? AT ? 2 Af ? 11.3 ? 2 ?1.017 ? 9.266m2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：15.865? F1 ?2.723 ? 1.36? 0.03? 2.66 821.32 ? 2.723 ?100% ? 72.6% 1? 0.152? 9.266Vs F1 ?? L ? ?v?v0.78KcF AT?100% ? 68.3%对于大塔，为避免过量雾沫夹带，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 eV＜0.1kg(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 F0＜5 时会发生严重漏液，故取 F0=5 计算相应 的气相流量 VS，min： 43辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸? 2 5 5 d 0 nu0 ? 0.785? d 02 n ? 0.785? 0.0392 ? 2406? ? 8.7(m 3 / s) 4 ?v 2.723VS ,min ?2）过量雾沫夹带线 根据前面雾沫夹带校核可知，对于大塔，取泛点率 F = 0.8，那么F ? VS ? 2.723 ? 1.36? LS ? 2.66 821.32 ? 2.723 ?100% ? 80% ?????? 1? 0.152? 9.266S整理得: 0.058VS ? 3.62L ? 1.127 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 0.006 m。取 how=0.006 m，可 作出液相负荷下限线。how ? 2.84 ?10 ?3 ?1.0 ? ( 3600 ? Ls min 2 / 3 ) ? 0.006 2.66取 E=1、代入 lw 则可求出 LS,min：Ls ,min ? 0.0023m3 / s4）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 3～5 s，取 θ= 5 s 作为液 体在降液管中停留时间的下限，则：LS ,max ?Af HT t?1.017? 0.8 ? 0.163(m 3 / s) 544辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸5）液泛线?(HT ? hw) ? hp ? hL ?h d ? hc ? h f ? h? ? hL ? hd由此确定液泛线方程：2 ? Ls ? u2 ? 2.84 3600LS 3 ? φ(HT+hw)= 5.34 ? 0 ? v + 0.153? + （ 1+ ） 〖 ? h ? E ( ) 0 w ?l h ? 1000 Lw 2 ? g ?L ? w o?2〗 化简整理得：2.7 L2 .3L3 .4 ??? VS2 ? 9272 S ? 4727 S ? 3036在操作范围内任意取若干 Ls 值， 由上式可算出相应的 Vs 值， 结果列于下表。VS 与LS 分别取值获得一条直线 ，数据如下表 3 ?14；表 3-14 Vs 和 Ls 值项目 液相流量 LS / ?m 3 / s ? 气相流量 VS / ?m3 / s ?数值 0.06 47.7数值 0.1 43.8将以上五条线标绘在同一 Vs～ Ls 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 Vmax，可求得该塔的操作弹性。 操作弹性: K ?Vs.max 18 ? ? 2.1 Vs.min 8.745辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸塔的有效高度： Z=（N-2） × HT=50×0.8=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 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 项目 液相密度 气相温度 气相流量 液相流量 实际塔板数 塔的有效高度 塔径 板间距 塔板溢流形式 空塔气速 溢流管形式 溢流堰长度 溢流堰高度 板上液层高度 Lw hw hL m m m u m/s 浮阀塔板工艺设计计算结果表 符号 ρl ρv Vs Ls Np Z D H 单位 Kg/m3 Kg/m3 m3/s m3/s 块 m m m 计算结果 821.32 2.723 15.865 0.03 50 40 3.8 0.8 单流型 1.67 弓形 2.66 0.066 0.146辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸续表 3-15 序号 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 项目 安定区宽度 开孔区到塔壁距离 开孔区面积 阀孔直径 浮阀数个 阀孔气速 阀孔动能因数 开孔率% 孔心距 排间距 塔板压降 液体在降液管内的停留时间 底隙高度 泛点率 气相负荷上限 气相负荷下限 操作弹性 Vs max Vs min t t′ ΔP t ho m m kpa s m % m3/s m3/s 符号 Ws Wc Aa d n u0 F0 单位 m m m2 m 个 m/s 计算结果 0.1 0.065 9.5 0.039
9.1 14 0.075 0.08 0.62 27.2 0.056 72.6 18 8.7 2.147辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸※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 (1)接管 1)进料管3 设计采用直管进料管。有 Aspen 得体积流量，VF ? 104.887m / h ，取管内流速 u ? 1.6 m / s 则管径d?4VF / 3600 ? ?u4 ?104.887/ 3600 ? 0.1523 m ? 152m m 3.14?1.6取进料管规格 Φ160×5 ，则管内径 d=150 mm。 进料管实际流速：u0 ? 4VF ? 4 ?104.887 ? 1.65(m3 / s) ? 0.152?d22)塔顶产品出料管3 由 Aspen 得塔顶体积流量 VD ? 98.842m / h ，取管内流速 uD ? 1.6m / s ，则出料管直径，可d? 4VD / 3600 ? ?u 4 ? 98.842/ 3600 ? 0.148m ? 148m m 3.14?1.6取回流管规格 Φ160×5，则管内径 d=150 mm。 出料管内实际流速：48辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸u0 ?4VF?d2?4 ? 98.842 ? 1.55(m3 / s) 2 ? 0.153)釜液排出管m3 / h ， 取 管 内 流 速 由 Aspen 得 塔 底 釜 液 流 出 流 量 Lw ? 15.721u w ? 1.6m / s ，则d? 4 LW ? ?u 4 ?15.721/ 3600 ? 0.059m 3.14?1.6可取回流管规格 Φ57×3.5。 则实际管径 d=50 mm，塔底釜液实际流速：u ? 4 ? LW / ?d 2 ?(2)裙座 裙座高度取 3.9 m。 (3)人孔数目4 ? 15.721 / 3600 ? 2.23m / s 3.14 ? 0.05 2人孔直径通常为 450 mm，本设计选择 DN500 mm 人孔，其中人孔处塔板间 距为 600 mm，人孔数一共 4 个。 ※塔质量计算 材质选择 16MnR，其密度约为 7850 kg/m3。 塔压为 3 atm， 焊接系数取 φ=0.85， 许用应力 170 MP， 设计内径 Di=3800 mm， 带入数据得壁厚 δ，49辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸? ?圆整壁厚 10 mm。pcDi ? 4.9m m 2[? ]' ? ? pc塔体质量 m1=Vρ=18757.89 kg 封头质量 封头取标准椭圆封头， 内径 DN=3800mm ， 厚度 δ=10mm， 曲面高 hi=950mm， 封头直边高 h=50mm，材质选用 16MnR。封头质量采用如下公式计算：m 2 ? { [( DN ? 2? ) 2 (hi ? ? ) ? DN 2 hi ] ? [( DN ? 2? ) 2 ? DN 2 ]h} ? 带入数据得 m2=698.5 kg 塔主体质量 m=m1+2m2=20154.89 kg 附件取主体质量的 0.2， 总质量 m 总 =24185.87 kg??50辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸图 3-10 塔板负荷性51辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸图 3-11 塔板设计图3.3 换热器的选型 3.3.1 换热器设计选型示例（ E201 的选型）E201 是一个通过精馏塔冷凝器换热后的循环低压水蒸气把合成 MMA 后的 循环甲醇预热至工艺要求的反应进料温度。 考虑到其温差不大，壳程压力不高且不易结垢，故选用应用广泛的固定管板 式换热器。与其他换热器相比，固定管板式换热器操作简单、便宜，并且耗用金52辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸属相对较少。 ※换热器流体通道及程数的选择 由于合成 MMA 后的循环甲醇是被加热流体，为了能够更好的加热，同时考 虑常压饱和水蒸气会发生相变，为了减少壳体厚度，所以让循环甲醇走管程。由 于管程数过多会导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差 下降，壳程操作压力为常压，初步选定单管程。 ※工艺计算 提取 Aspen Plus 数据如表 3-16 所示。 表 3-16 操作参数 壳程 介质 质量流量（kg/s） 进口温度（ oC） 出口温度（ oC） 进口压力（bar） 出口压力（bar） 水蒸气 1. 80 1. 工艺操作参数 参数 管程 循环甲醇 4. 1.初步选定换热器的形式后，根据任务要求利用 Aspen Exchanger Design ＆ Rating V8.0 进行模拟计算，模拟出来的换热器工艺参数如图 3-12 所示。 ※结构设计 利用此软件也可以对换热器进行结构设计，模拟出来的结果如图 3-13 所示。53辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸Views on arrow A T2A262 144 121 T23861 Overall 2673 S1T1S1432 432432432470T1 144S2 610 1829S2Pulling Length2670515139599395102 2 Bolts Fixed102 2 Bolts SlidingRef S1 S2 T1 T2OD 273 mm 60 mm 89 mm 60 mmWall 9.3 mm 3.9 mm 5.5 mm 3.9 mmNoz zle Data Standar d 150 ANSI Slip on 150 ANSI Slip on 150 ANSI Slip on 150 ANSI Slip onNotesDes ign Data Des ign Press ur e Des ign Temperatur e Full Vac uum Corr os ion Allowanc e Test Press ur e Number of Pass es Radiography PWHT Inter nal VolumeUnits bar C mm barShell 3.45 143.33 0 3.175 1 0 0 0.4589Channel 3.45 110. 0 3.175 6 0 0 0.11Company: Location: Service of Unit: Item No.: Date: Rev No.: Our Reference: Y our Reference: Job No.:Aspen Shel l & T ube Exchanger Setting Plan BEM 438 - 3048 Drawi ng NumberRev ision Date
Dwg. Chk . App.Des ign Codes 0 TEMA 0 Cus tomer Specificationsm?Empty 1131 k gWeight Summary Flooded 1585 k gBundle 596 kg图 3-13换热器结构设计5499辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸图 3-12换热器工艺参数 55辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸对模拟的数据进行圆整，并考虑到热损失等，换热面积有余量，选定换热器 的基本参数如下：公称直径为 DN=500 mm，换热管长度 L=3.2 m,管程数 N=1,壳 程数 N=1，管程公称压力 Pt=0.15 MPa，壳程公称压力 Ps=0.15 MPa，换热面积为 A=32.3 m2，换热管规格为 φ19×2.5，管子根数 176 根，采用正三角形排列，中心 排管数为 10。 ※换热器的机械设计 (1)管板的选择 管板板用来固定换热管并起着分隔管程和壳程的作用，这里选择固定管板兼 做法兰的管板，根据选定的换热器公称直径及操作压力查表可得管板数据，这里 选用其默认的管板类型为标准单管板。 (2)传热管 利用 Aspen Exchanger Design ＆ Rating V8.0 模拟出来的传热管排列如图 3-14 所示。56辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸3428281 9.0 53030262 3.8 12 5Shell inside diameter Front head inside diameter123.83 mmmm mm mm438.15 438.15 425.45 176 0Outer tube limit Tube number (calcs.) Tube number (layout) Tube length Tube O.D. Tube pitch Tube pattern Tube passes Tie rod number Tie rod diametermm mm mm 23. 6mm9.55 2 Single segmental195.26 mmSealing strips (pairs) Baffle type Centre to outer baffle cut Centre to inner baffle cut Impingement protection Shell S ide Inlet Nozzle Inside Diameter Shell S ide Outlet Nozzle Inside DiameterCom pa n y: L oc a ti o n : Serv i ce of Uni t: Item No .:None mm mm 254.508 52.5018As pen Shell & TubeDesign Codes AS ME Code Sec VIII Div 1 TEMA R - refinery service Customer S pecifications RevisionTube LayoutDrawing NumberDateDwg.App.图 3-14传热管排列方式由 Aspen Exchanger Design ＆ Rating V8.0 里 面 模 拟 的 尺 寸 再 结 合 标 准 GB/T 管道元件进行圆整。得到壳程进出口管子规格分别是外径 φ273 mm,DN=253 mm 及外径 φ60.3 mm,DN=50 mm；管程进出口管子规格分别是外径 φ88.9 mm,DN=80 mm 及外径 φ60.3 mm，DN=50 mm。3.3.2 换热器选型结果汇总其他的换热器采用同样的方法进行选型， 换热器汇总结果如设计结果中表 5-1 所示。3.4 泵的选型 3.4.1 泵的设计选型示例（ P201 的选型)57辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸选择 P201 为例，对泵进行设计计算，此泵输送介质为液体甲醇。根据 Aspen Plus 模拟得具体参数如表 3-17 所示。 表3-17 进料温度 (oC) 70 泵 P201 输送介质参数 体积流量 (m3/h) 81.133 出料压力 (atm) 4进料压力（ atm） 2.8※进出口直径 取进口液体流速 u1 = 3.2 m /s ，则进液管直径为：d1 ?圆整后取 d1 = 100 mm 。 此时实际流速：u1 ?V 0.785u? 95mmV ? 2.87 m / s 0.785 d 1 2取出口液体流速 u2 = 4.8 m/ s ，则出液管直径：d2 ?圆整后取d2 = 80 m。 此时实际流速：V 0.785u? 77.3mmu2 ?※泵所需的扬程V ? 4.49 m / s 0.785 d 2 258辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸进料管水头损失分为局部阻力损失和沿程阻力损失，查得局部阻力系数，如 表 3-18 所示。 表 3-18 底阀 6 进口止回 阀 6.5 进料管局部阻力系数 进口闸阀 0.1 进口弯管 0.3 进口锥形过 度 0.1则进料管水头损失为? h1 ?hf 1 ? ? h? 1 ?(?l1 u1 2 ?? ?) ? 72.03mm d1 2g出液管水头损失也分为局部阻力损失和沿程阻力损失，查得局部损伤系数， 如表 3-19 所示。 表3-19 出口止回 阀 6.5 则出水管水头损失为， 出液管局部阻力系数 出口弯管 0.3 出口锥形过 度 0.1出口闸阀 0.1? h2 ?hf 2 ? ? h? 2 ?(?则泵所需扬程为，l2 u22 ?? ? ) ? 202.43mm d2 2gH ' ? ( Hg ? Hp ) ? ? h1 ? ? h2 ?p 2 ? p1 ? 19.6m ?g考虑到余量，则设计的泵扬程为 H = 1.1H ′ = 21.56 m。 59辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸※泵的选型 此泵所需要求： ①密封性能好；②流量稳定；③对介质具有抗腐蚀性能。综合考虑到以上几 点，利用智能选泵软件对此要求的泵进行选型，经过对比之后，选择 IXB 泵，具体参数如表3-20所示。表3-20 型号泵的具体参数 效率 电机功 转数 数量 （％） 率（ kw） （r/min) 78.02 7.5 2900 1额定流 总扬 汽蚀 量 程 （m） 余量 （ L/s） （ m） IXB 22.54 22.28 2该泵的工作曲线，安装信息及安装尺寸等基本信息如下图 3-15 和 3-16。60辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸图 3-15 泵的工作曲线61辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸3-16安装信息图62辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸图 3-17泵的安装尺寸3.4.2 泵的选型结果其他泵的选型与计算方法类似， 泵的汇总结果一览表如设计结果中表 5-2 （附 后）所示。3.5 储罐设计 3.5.1 主要储罐的设计※原料 C4 储罐 设计原料 C4 在储罐中的储存时间为 T=2 d，流量 Qv=8.0944 m3? h-1,储存的安63辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸全系数为 ε=0.8 所需体积 V=Qv?T/ε=8./0.8=485.644 m3， 选用球形储罐， 直径 Φ=12000 mm， ，公称容积为 500 m3,数量为 2 个，设计压力 P=0.85 MPa，设 计温度 25 oC。 ※MAL 合成原料混合缓冲储罐 设计 MAL 合成原料在储罐中的停留时间为 T=5 s， 流量 Qv= m3? h-1， 储存的安全系数为 ε=0.85，所需体积 V=Qv?T/ε=211.24 m，选用立式椭圆形固定 顶封头储罐，直径 Φ=6550 mm，公称容积 220 m3，数量为 1 个，设计压力 P=0.12 MPa，设计温度 50 oC。 ※相分离储罐 设计精馏塔塔底馏出物在储罐中的储存时间为 T=30 min，流量 Qv=13.799 m3? h-1，储存的安全系数为 ε=0.8，所需体积 V=Qv?T/ε=13.799×0.5/0.8=8.624m 3， 选用立式椭圆形封头储罐，直径 Φ=1800 mm，公称容积 10 m3，数量为 2 个，设 计压力 P=0.35 MPa，设计温度 55 oC。 ※MMA 合成甲醇原料储罐 设计甲醇在储罐中的储存时间为 T=2d，流量 Qv=4.956 m3? h-1，储存的安全系 数为 ε=0.8 所需体积 V=Qv?T/ε=4.956×2×24/0.8=297.36 m3，选用立式内浮顶封头 储罐， 直径 Φ=6500 mm， 公称容积为 320 m3， 数量为 1 个， 设计压力 P=0.12 MPa， 设计温度 25 oC。 ※循环甲醇分离缓冲储罐 设计精馏塔塔顶产物循环甲醇在储罐中的储存 T=30 min，Qv=93.227m3? h-1，64辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸储存的安全系数为 ε=0.8，所需体积 V=Qv?T/ε=93.227×0.5/0.8=58.267 m3，选用卧 式椭圆形封头储罐，直径 Φ=2400 mm，L=14376 mm，公称容积为 63 m3，数量为 1 个，设计压力 P=0.35 MPa，设计温度 65 oC。 ※循环甲醇混合缓冲储罐 设计循环甲醇在储罐中的储存时间为 T=15 min，流量 Qv=92.095 m3? h-1，储 存的安全系数为 ε=0.8，所需体积 V=Qv?T/ε=29.133 m3，选用立式椭圆形封头储 罐，直径 Φ=2400 mm，公称容积为 32 m3，数量为 1 个，设计压力 P=0.35 MPa， 设计温度 65 oC。 ※循环水储罐 设计循环水在储罐中的储存时间为 T=30 min，流量 Qv= 5.082 m3? h-1，储存 的安全系数为 ε=0.8，所需体积 V=Qv?T/ε=5.082×0.5/0.8=3.176 m3，选用立式椭圆 形封头储罐，直径 Φ=1200mm 公称容积为 4m3，数量为 1 个 ，设计压力 P=0.35 MPa，设计温度 55 oC。 ※产品 MMA 储罐 设计产品 MMA 在储罐中的储存时间为 T=3 d，流量 Qv=8.704 m3? h-1，储存 的安全系数为 ε=0.8，所需体积 V=Qv?T/ε=8.704×3×24/0 .8=783.36 m3，选用球形 储罐， 直径 Φ=12300 mm， 公称容积为 1000 m3,数量为 1 个， 设计压力 P=0.25 MPa， 设计温度 25 oC。 ※精馏塔塔顶回流缓冲罐 设计精馏塔塔顶馏出物在储罐中的储存时间 T=3 min， 流量 Qv=171.115m3? h-165辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸储存的安全系数为 ε=0.8，所需体积 V=Qv?T/ε=64.168 m3 选用卧式椭圆形封头储 罐，直径 Φ=3000 mm，公称容积为 65 m3，数量为 1 个，设计压力 P=0.35 MPa， 设计温度 75 oC。 ※吸收塔塔顶回流缓冲罐 设计吸收塔塔顶馏出物在储罐中的储存时间 T=0.5 min，其中 Qvg=? h-1, QvL= 56.173 m3? h-1, 得总流量 Qv=
m3? h-1 ，储存的安全系数为 ε=0.85，所需体积 V=Qv?T/ε=530.748×0.5/0.85×60=54.7 m3，选用卧式椭圆形封头 储罐，直径 Φ=3000 mm，公称容积为 63 m3，数量为 1 个，设计压力 P=0.55 MPa， 设计温度 -10 oC。3.5.2 储罐设计结果一览表储罐设计结果汇总如设计结果表 5-3（附后） 。3.6 膜分离的简单设计 3.6.1 膜分离工艺流程膜分离甲基丙烯酸甲酯 /水工艺，采用多级过程操作，由于分离纯度要求高， 处理量比较大，为了满足连续生产的要求，采用多组间歇操作，本项目设计小组 拟设计四组分离，每两台同时工作，每一组采用带有前置级的两级增溶级联，水 大部分渗透卷式膜， 而甲基丙烯酸甲酯及阻聚剂为渗余物， 从而实现两者的分离， 达到分离效果。66辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸图 3-18膜分离流程3.6.2 膜分离器选型与设计※膜分离材质 A 型沸石膜对包括酸性物质和碱性物质都具有极好的耐久性和耐化学腐蚀 性等，该膜还具有足够的机械强度，以抵抗气相、液相和固相的三相混合等优点。 ※膜分离工艺操作条件及详细计算 （1）膜分离工艺操作条件 当除去水分时，从水的渗透率的角度考虑，高温是有利的，但从水的分离性 能考虑，低温是有利的，优选温度为 50～ 120 oC.当设置用于分离水的操作压力以 在膜两边产生压力时可进行水分离操作压力通常设置在 0.5～20 kg? cm-2 范围内。 当操作压力为 5 kg? cm-2 时，即使膜反面为常压，水也能分离，但是在这种情况 下，流速很小，因此，优选使用真空泵，以使水能够有效地除去。 （2）膜分离的计算 本项目设计小组通过 Aspen Plus 对 MMA 合成工段的模拟，得出在甲基丙 烯酸甲酯/水的流量为
kg ? hr。 其中含水量为 1.1% (wt),分离要求为渗余侧 水含量为 0.03% (wt)。 67辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸当使用具有膜面积为 0.01 m2 的分离膜时， 由组成为 1.1%(wt)的水， 98.8%(wt) 的甲基丙烯酸甲酯， 0.1%(wt)的对苯二酚组成的溶液在 50 oC，绝对压力 3 bar 下 开始用真空泵从渗透侧抽真空，并进行全蒸发分离，得到如下公式： aAB=(YA/YB) *(XA/XB) 其中 A 代表水， B 代表另外组分，XA 和 XB 分别代表在液体进料一侧水 A 的重量分数和另外组分 B 的重量分数， YA 和 YB 分别代表在渗透侧水 A 的重量 分数和另外组分 B 的重量分数。 同样， 渗透流量是指每单位膜面积每小时的渗透重量， 并可用如下公式表示： Q=(在渗透侧所有组分的重量 )/0.01*100（kg? m-2? h-1）所需膜面积为：A=进料 流量/Q 最后计算出所需膜总面积 A=137.8 m2。 （3）膜组件的特性参数见表 3-21 所示。表 3-21 型号 组件直径 膜有效长度 组件外壳材 速率 料 操作极限温 Prism 140mm 1400mm膜组件的特性参数表 结构 组件长度 膜材料 膜面积 操作压力 使用寿命 内压式 1500mm A 型沸石膜 25m2 5kg? cm-2 25m 5 年以上不锈钢材、 ABS 150―700 L? m2 ? h-1 300℃度 考虑到膜分离面积需要一定的裕度，所以选用 6 组膜分离组件。68辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸3.7 压缩机的选型 3.7.1 选型示例以 C106 吸收塔气体进料前压缩机为例进行设计说明。 脱水塔塔顶出料的气体经压缩机后主要物性参数见表 3-22 所示。 表 3-22 C106 进出料物性参数 气 体 流 量 m3/h 81.29 温度/K 320.35 352.45压强/MPa 进口 出口 0.12 0.50根据排气压力、排气流量以及介质的性质，本项目选择了三星系列空气、天 然气、氮氢气联合离心式压缩机其型号为 H830-6.4/0.90，其规格详见压缩机选型 结果一览表。3.7.2 压缩机选型结果其他压缩机的选型方法类似，其结果详见选型结果一览表 3-23。 表 3-23 位号 型号 代号 压缩机选型结果一览表 气量 m3/min 760 830 710 69 压力 (MPa) （MPa ） 进口 出口 0.09 0.09 0.087 0.2 0.64 0.60 转 速 (r/min) 2 10258 /
/12720 轴功率 (kw) 30气体 介质C105 C106 C2012MCL705 H830-6.4 /0.90 H710-6.0 /0.876060 E 6014 B 6086 AAir Air Air辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸3.8 设计图 3.8.1 厂区总平面图见设计结果中设计图 (附后） 。3.8.2 车间布置图※车间平面布置图（MMA 生产车间） 见设计结果中设计图 (附后） 。 ※车间 3D 设计图 见设计结果中设计图 (附后） 。4 环境保护与经济核算4.1 环境保护 4.1.1 有害因素分析化工厂在生产运行过程中都会有不同的有害因素，本项目使用的物料如异丁 烯、对苯二芬等对环境中水体、土壤和大气均有不同程度危害。通过对于本厂的 实际分析，将厂内有害因素分为四部分：易燃易爆、毒性、噪声以及其他危害。 ※ 易燃易爆 工厂生产、储运等装置的火灾、爆炸危险性较大。此外，本厂使用的物料大 多数易燃易爆品，在使用这些用品的时候应注意密闭操作，全面通风。 ※ 毒性 70辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸本厂生产过程中的甲基丙烯醛、 甲醇、 异丁烯等对人体都有强烈的毒害作用。 对于各种塔设备，若检修过程中置换不彻底，操作人员进入就可能造成窒息。 ※ 噪声 噪声也是本厂装置主要的噪声源为压缩机、大功率风机以及高压蒸气和工艺 气体的放空噪声，次要噪声源则为各种转动、传动设备以及泵运转时所产生的机 械振动噪声等。 ※其他危害 本厂生产中存在各种塔、烟囱、建构筑物和设备的操作平台等，需要在高处 操作、巡检和维修作业，如不采取完善的防护措施，就有发生高处坠落的危险。4.1.2 废物的处理措施※废气治理 开设火炬系统，用于处理开车时动力废气、工艺系统废气和泄压期间的可燃 气体。 ※ 废液治理 本工程排水总系统分为生活污水系统、生产废水系统、雨水处理系统以及非 正常排水系统四部分。因为本厂用水大部分为回收利用，则排放的水量将相对较 小，对排放的污水、废水进行严格的处理之后再对外排放。 （1）生活污染系统 生活污水是指园区内生活所产生的常规污水和废水， 与其他污水经管道收集， 然后送至污水处理站处理，达到循环水补充水水质标准后回用。71辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸（2）生产废水系统 生产污水是指园区内工艺所排放的水，本工艺产生的废水通过专用管道与生 活污水，含油污水一起排入污水处理系统进行达标处理。符合排放标准之后，进 行排放。 （3）雨水处理系统 厂区洁净雨水进行收集后，经管道送往水处理站进行水质检测和水处理，然 后合格部分用于厂区运作用水，进行循环使用；不合格部分再处理达排放标准后 就近排放。 （4）非正常排水系统 各装置废水经处理后回用于工艺系统，即使在装置运行出现波动的时候，仍 可以通过污水处理站进行调节。事故池内污水由定量泵送入污水处理站处理，不 外排。 ※ 废固弃物治理 废催化剂部分回收，部分送往催化剂再生。 废膜材料送至膜材料处理站。 锅炉房煤外运做建筑材料。 废碱渣（ NaO） ，生活垃圾（有机物） ，都进行集中外运处理。 ※噪音污染治理 各种压缩机均设置隔声罩，引风机尽量单独设在封闭房间。有些部位因生产 工艺要求在设备上无法采取隔、吸、消音处理措施，设计时，在操作人员较多的72辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸场所设集中隔声控制器，流动值班人员佩戴耳塞或耳罩。管道设计与调节阀的设 计与选型考虑防止振动和噪声，避免截面突变；管道与强烈振动的设备连接处选 用柔性接头。另外加强厂区绿化措施，降低噪声的传播。4.2 经济核算结果本厂设计的主要经济技术指标结果如表 4-1 所示。 表 4-1 项目名称 甲基丙稀酸甲酯产量 年操作时间 主要经济指标一览表 数值 6 7800 原料费用 异丁烯 甲醇 万吨/年 万吨/年 5.04 2.47 滨州裕华 广东茂名中海南 联石化有限公司 甲基丙烯醛 万吨/年 0.053 湖北老河口荆洪 化工有限公司 对苯二酚 万吨/年 0.005 广州市纳城化工 有限公司 Mo-Bi 系催化剂 千克/年 60308 淄博润福化工科 技有限公司 73 备注单位 万吨/年 小时辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸林德拉催化剂千克/年6296上海沪宇生物科技 有限公司公用工程费用 冷却水 中压蒸汽 低压蒸汽 冷冻盐水 电 万吨 万吨 万吨 万吨 kw .1 4.5 17.73 4792320 其他费用、资金 全员定员 占地总面积 总投资 固定资产投资 建设期利息 流动资金 经营成本 年均销售收入 借款偿还期 净现金流量 人 m2 万元 万元 万元 万元 万元 万元 年 万元 141 .658 0.96 77.314 1.608 计算到第 6 年74辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸续表 4-1 项目名称 投资利润率 投资利税率 净现值 单位 ％ ％ 万元 数值 56.81 63.59 28010.89 备注详细计算过程见同组迟楠楠经济核算。5 设计结果5.1 设备选型一览表（附后） 5.2 设计图（附后）PID 流程图见同组崔法政。75辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸参考文献[1]王玉荣，胡志香.甲基丙烯酸甲酯生产现状及发展建议 [J].化工技术经济,)： 14-19. [2]钱伯章.甲基丙烯酸甲酯的生产技术及市场 [M].上海：金秋石化科技传播工作室,2002. [3]杨华.甲基丙烯酸甲酯生产应用与市场分析 [J].四川化工与腐蚀控制，2003，(2):15-21. [4]蔡杰.甲基丙烯酸甲酯市场现状及产业发展前景 [J].化学工业，)：21-26. [5] 崔小明 . 甲基丙烯酸甲酯的生产及市场前景分析 [J]. 甲基丙烯酸甲酯的生产及市场前景 分析，)：45-48. [6] 梁西良 , 王素漪 , 徐虹 . 甲基丙烯酸甲酯合成及生产 [J]. 黑龙江省石油化学研究院， ):10-17. [7]吴道鸿. 新工艺生产甲基丙烯酸甲酯 [J].辽宁化工,1990(3) :35 - 41. [8] 孙晓轩，王大军，乙烯法 MMA 工艺在我国的应用前景 [J]. 西南化工研究设计院， -26. [9]李华锋, 黄尚顺, 王俊, 韦少平, 韦志明.C4 馏分异丁烯制备甲基丙烯酸甲酯的技术进 展[J].现代化工，:13. [10]贾志光,雷鸣.异丁烯氧化法生产甲基丙烯酸研究进展 [J].石化技术, ) : 5255. [11] 张香平 , 闫瑞一 , 等 . 一种甲基丙烯酸甲酯生产中甲基丙烯醛的分离方法 [P]. 中国 , ）. [12] 展江宏，聂宏元，徐新良，异丁烯两步法制备甲基丙烯酸甲酯的研究 [J].石油炼制与76辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸化工，(7):21-29. [13] 孙晓轩，王大军 . 乙烯法 MMA 工艺在我国的应用前景 [J]. 西南化工研究设计院四， -22. [14]张希功， 韩燕， 邓新忠 .甲基丙烯酸甲酯的生产与市场[J].市场资讯,2001， 2(7)： 21-25. [14]夏清，贾绍义.化工原理[M].北京：清华大学出版社， 2005,第二版. [15]孙兰义.化工流程模拟实训 -Aspen plus 教程[M].北京：化学工业出版社,2014,第一版. [16]Setsuo Yamamatsu ? Tatsuo Yamaguchi ， Koshiro Yokota ? Osamu Nagano ? Masazumi Chono， Atsushi Aoshima ， Development of Catalyst Technology for Producing MethylMethacrylate (MMA) by Direct Methyl Esterification ，Catal Surv Asia ( C131. [17] K ouno, Seij,i Yasuda. Process for p roducing m ethy l m ethacrylate:US, 5360926[ P] . 1994 ，11（01） ：16-17. [18] Natio H iroyuk ,i Nagata Yuich iro, et a l. Produ ct ion of catalyst for product ion ofm ethacry lic acid: JP, 11 - 226412 [ P] . 1999.77辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸谢辞不经意地，在辽宁石油化工大学四年的学习生活结束了。回首四年所经历的 点点滴滴，我感慨万千。难忘我的大学岁月，我的似水年华。 我要感谢我的导师张健、王彦娟和封瑞江老师。老师们在我毕业论文初稿、 格式、定稿上，都给予了很大的帮助。抽身于百忙之中对我悉心指点，从论文的 设计计算到排版都进行了细致的修改，提供论文的资料、网站。同时，我还得到 了老师在学习上的启发，为我今后的工作和生活打下基础。除此之外，还要感谢 我的队友崔法政、迟楠楠的理解和配合。 最后，感谢石油化工学院的所有老师，给我创造了一个良好的学习机会，感 谢辽宁石油化工大学给了我人生最美的记忆。 所有恩情，点点滴滴，我将永远铭记于心。78辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸表 5-1 位号 型号换热器一览表（PID 流程图位号） 类型 壳 体 规 管长 格/mm /m 2.6 6.2 3.8 3.2 3.8 列管规 管数 排列 格/mm φ19×2 φ19×2 φ19×2 φ19×2 φ19×2 /根 418
204 方式 正三 角形 正三 角形 正三 角形 正三 角形 正三 角形 管程 换 热 面 数 1 1 1 1 1 积/m2 243.9 411.6 143.2 32.3 44 MAL 原料 预热器 用途 循环物料 冷却器 吸收塔冷 凝器 循环物料 预热器 甲醇预热 器 用途E101 E103 E102 E201 E202 E203 E204BEM-600-0.15/0.15-243.9-2.6/19-1Ⅰ BEM-/0.15-411.6-6.2/19-1Ⅱ BEM-700-0.55/0.15-143.2-3.8/19-1Ⅱ BEM-500-0.15/0.15-32.3-3.2/19-1Ⅱ BEM-450-0.15/0.15-44-3.8/19-1Ⅱ GJP-5.5× 7.8B-5.5/2F BEM-600-0.35/0.35-40-2/19-1Ⅱ管板 式 管板 式 管板 式 管板 式 管板 式 空冷 机 管板 式φ600×8 φ1000× 10 φ700×8 φ500×6 φ450×6φ600×62φ19×2373正三 角形140精馏塔进 料预热79辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸续表 5-1 位号 型号 类型 壳 体 规 管长 列管规 管 格/mm E205 E206 E207 AKS-600-0.55/0.35-264.2-6.2/19-1Ⅱ BEM-800-0.35/0.15-770.9-5.0/19-1Ⅱ BEM-500-0.35/0.15-21-3.2/19-1Ⅱ 管板 式 管板 式 管板 式 管板 式 φ600×6 φ800× 8 φ500×6 /m 6.2 5.0 3.2 格/mm φ19×2 φ19×2 φ19×2 数 367 /根 673 118 排列 方式 正三 角形 正三 角形 正三 角形 正三 角形 管 程 换热面 数 1 1 1 积/m2 264.2 770.9 21 精馏塔再 沸器 精馏塔塔 用途 顶冷凝器 精馏塔塔 顶出料冷 却器 精馏塔塔 底物料冷 却器 用途E208BEM-350-0.35/0.15-29.2-6.2/19-1Ⅱφ350×56.2φ19×281129.280辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸表 5-2 位号 名称泵选型结果（PFD 流程图位） 总额定流 量（L/s） 总扬程 （m） 16.14 17.87 32.28 23.39 24.82 22.28 16.1 16.12 14.15 42.78 46.5 14.38 汽蚀余 效率 电机总功 转速 数量型号量（m） （%） 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 74.06 48.71 65.24 75.89 75.31 78.02 78.06 67.78 76.45 35.95 78.53 71.49率（kw） （r/min） 3 1.1 3 7.5 7.5 7.5 5.5 2.2 11 1.5 37 4 50 00 50 50 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2P001 P101 P103 P102 P104 P201 P202 P203 P204 P205 P206 P207原料异丁烯泵 循环水泵 循环原料输送泵 循环原料输送泵 吸收塔回流泵 甲醇输送泵 原料 MAL 输送泵 循环原料输送泵 产物输出泵 循环水泵 精馏塔回流输送泵 精馏塔釜液采出泵IX165-50-110 IX150-32-125B 50D-8 XA50/13 IXB IXB IXA IS65-50-125A XA100/20 25GDL4-11 IL125-80-200 XA65/209.28 5.7 17.164 22.54 24.92 32.64 52.3681辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸续表 5-2 P208 P209 P210 P211 水泵 膜分离进料泵 循环原料输送泵 循环原料输送泵 IX140-32-100 IX150-32-100 XA65/13 XA65/13 1.86 27. 13.25 13.96 21.96 21.82 2 2 2 2 53.9 60.36 77.98 77.93 0.55 0.75 11 11 00
2 2表 5-3 位号 名称 类型储罐设计结果一览表 尺寸/mm (直径× 长度) Φ1 Φ Φ Φ Φ2400× 7540 公称容积 /m3 500 220 320 63 32 设计温度 /oC 25 C 50 25 65 65 设计压力 /MPa 0.85 0.12 0.12 0.35 0.35 数量V001 V101 V002 V204 V205原料异丁烯储罐 MAL 合成原料混合缓冲储 罐 MM 合成甲醇原料储罐 循环甲醇分离缓冲储罐 循环甲醇混合缓冲储罐球形 立式椭圆形封头 立式内浮顶封头 卧式椭圆形封头 立式椭圆形封头2 1 1 1 182辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸续表 5-3 位号 名称 类型 尺寸/mm (直径× 长度) Φ Φ Φ Φ1 Φ Φ 公称容积 /m3 63 10 4
设计温度 /oC 25 55 55 55 75 -10 设计压力 /MPa 0.15 0.35 0.35 0.55 0.35 0.55 数量V004 V202 V203 V003 V201 V102补加 MAL 储罐 相分离储罐 循环水储罐 产品 MMA 储罐 精馏塔塔顶回流缓冲罐 吸收塔塔顶回卧式椭圆形封头 立式椭圆形封头 立式椭圆形封头 球形 卧式椭圆形封头 卧式椭圆形1 2 1 1 1 183
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