【正文】 圖(PFD)附后。該工藝采用異丁烯氧化法制取MMA，工藝流程簡(jiǎn)潔，轉(zhuǎn)化率高，選擇性好，較之西歐采用的ACH法制造MMA的大型工廠，中型規(guī)模的異丁烯制造MMA工廠具有對(duì)環(huán)境壓力小，綠色環(huán)保等優(yōu)越性。異丁烯與外加N2,O2 及低壓水蒸氣混合后加熱送至MAL合成反應(yīng)器中，異丁烯被催化氧化合成MAL。反應(yīng)后的氣體經(jīng)急冷噴淋塔，脫水塔和吸收塔，其中脫水塔底部的水返回至急冷噴淋塔中循環(huán)使用，脫水塔和吸收塔的吸收劑來自于MMA合成未反應(yīng)的甲醇溶液，吸收塔塔頂為多余的未反應(yīng)的異丁烯,N2 及O2，還有以少部分氧化反應(yīng)生成的氣體雜質(zhì)，一同排入到火炬系統(tǒng)處理。吸收塔塔底為含有甲醇的MAL溶液經(jīng)泵輸送至MMA合成反應(yīng)器中，在催化劑和空氣作用下進(jìn)行酯化反應(yīng)生成MMA和少量的氣體雜質(zhì)，其中氣體雜質(zhì)同未反應(yīng)的空氣送至火炬系統(tǒng)中。MMA合成反應(yīng)器底部出來的液體送至精餾塔中，用作為萃取劑，塔頂?shù)玫胶屑状技拔捶磻?yīng)的少量MMA返回至脫水塔，吸收塔及MMA合成反應(yīng)器中進(jìn)行循環(huán)使用。塔底得到的MMA和水經(jīng)換熱冷卻后通過靜置相分后，下面的水經(jīng)處理后循環(huán)返回至精餾塔中，上面的甲基丙烯酸甲酯經(jīng)高壓泵送至膜分離裝置，脫除水分后，得到產(chǎn)物MMA，其純度達(dá)到聚合級(jí)要求。 Aspen plus仿真模擬流程在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，采用 Aspen Plus 對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行了計(jì)算，將整個(gè)工藝流程分為工段分別模擬。 MAL合成工段的模擬 MAL合成工段工段主要包括MAL反應(yīng)器、噴淋塔、脫水塔、吸收塔等主體設(shè)備。MAL合成工段模擬流程簡(jiǎn)圖如圖22所示. 詳細(xì)模擬過程見同組崔法政的工藝流程模擬。圖22 MAL合成工段模擬流程圖 MMA合成工段的模擬MMA合成工段工段主要包括MAL合成反應(yīng)器、精餾塔、相分離儲(chǔ)罐、膜分離等主體設(shè)備。 MMA合成工段模擬流程簡(jiǎn)圖如圖23所示。圖23 MMA合成工段模擬流程圖3 設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型 反應(yīng)器的設(shè)計(jì) MAL合成反應(yīng)器(R101)的設(shè)計(jì)表31 催化劑物性參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值項(xiàng)目數(shù)值顆粒密度Dp= mm比表面Sp=堆積密度Ρb=孔體積Vv=視密度Ρb=空隙率167。=※反應(yīng)方程主反應(yīng)：C4H8 + O2 → C4H6O + H2O※異丁烯催化氧化反應(yīng)機(jī)理圖31 異丁烯氧化機(jī)理※工藝條件使用80（）/20Si 復(fù)合氧化物為催化劑，異丁烯為氣相。選擇氧化合成甲基丙烯醛的主要工藝條件為：反應(yīng)溫度：350℃反應(yīng)壓力：常壓空間速度：12001800h1原料氣組成比例：異丁烯：水：氧氣：氮?dú)?1::2:12（摩爾比）※反應(yīng)器計(jì)算（1）設(shè)計(jì)選材考慮到使用溫度、耐酸、許用壓力、價(jià)格、供貨情況及材料的焊接性能等，在設(shè)計(jì)中選取16MnR。 (2)基本物性參數(shù)表32 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和工作參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值項(xiàng)目數(shù)值甲基丙烯酸甲酯年產(chǎn)量6 萬噸原料配比IB:H2O:O2:N2=1::2:12年工作時(shí)間7500 h空速12001120 h反應(yīng)溫度350 oC反應(yīng)選擇性%反應(yīng)壓力101 KPa空時(shí)收率100kg/m3100kg/（m h）表33 反應(yīng)器進(jìn)口物料組成反應(yīng)器進(jìn)口Kmol/hKg/h%(mol)異丁烯6水9氧氣12氮?dú)鈿錃?0總量100表34 反應(yīng)器物料出口組成反應(yīng)器出口Kmol/hKg/h%(mol)甲基丙烯醛異丁烯水氧氣氮?dú)鈿錃?0一氧化碳二氧化碳對(duì)苯二甲酸乙酸續(xù)表34反應(yīng)器出口Kmol/hKg/h%(mol)丙醛總量100表35 相對(duì)分子質(zhì)量 M異丁烯甲基丙烯醛水氧氣氮?dú)?670183228一氧化碳二氧化碳乙酸丙醛對(duì)苯二甲酸28446058166進(jìn)料混合平均相對(duì)分子質(zhì)量： 出口混合平均相對(duì)分子質(zhì)量： 表36 密度名稱密度ρ(kg/m3)臨界溫度Tc（k）臨界壓力（MPa）臨界壓縮因子Zc甲基丙烯醛566續(xù)表36名稱密度ρ(kg/m3)臨界溫度Tc（k）臨界壓力（MPa）臨界壓縮因子Zc異丁烯水440氮?dú)鈿錃?11一氧化碳530二氧化碳對(duì)苯二甲酸乙酸乙醛氧氣混合物密度： （3）反應(yīng)器的數(shù)學(xué)計(jì)算此反應(yīng)選用固定床列管式反應(yīng)器，反應(yīng)物、產(chǎn)物均為氣體，催化劑為固體，此模型為擬均相模型。 1）動(dòng)力學(xué)方程A :指前因子 CIB :異丁烯濃度 E ：反應(yīng)活化能以 1/T 為橫坐標(biāo)，lnk 為縱坐標(biāo)作圖，則直線的截距為lnA，斜率為E/R，計(jì)算即可得反應(yīng)指前因子A和反應(yīng)活化能E。 kJ/mol，最終得到該反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程為：2)物料衡算式 FA0 ：任意位置上物質(zhì)的摩爾流量， kmol/hdxA ：物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率ρB ：催化劑的床層堆積密度， g/mlDr ：反應(yīng)器直徑，m其中反應(yīng)器直徑計(jì)算用公式計(jì)算得:代入數(shù)據(jù)積分得:取反應(yīng)管長(zhǎng)為8m。3）其他設(shè)計(jì)：反應(yīng)列管：φ 35 2反應(yīng)管根數(shù)：取反應(yīng)管根數(shù)4880根。反應(yīng)器壁厚的計(jì)算:δ ：圓筒的計(jì)算，mmP ：圓筒計(jì)算壓力，MPaD ：圓筒的內(nèi)徑，mm[σ ]′：鋼板在該溫度下的許用應(yīng)力，MPaφ ：焊接接頭系代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：圓整后取壁厚20 mm。反應(yīng)器內(nèi)徑：3660 mm?！磻?yīng)器質(zhì)量選擇16MnR為材質(zhì)，其密度約為7850 kg/m3。反應(yīng)管質(zhì)量m1=viρinVi ：反應(yīng)管體積，m3ρi ： 材質(zhì)密度，kg/m3n ： 反應(yīng)管根數(shù)代入數(shù)據(jù)得m1=viρin= kg 筒體質(zhì)量m2=VRρi= kg封頭取標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，內(nèi)徑DN=3660 mm，厚度δ=20 mm，曲面高h(yuǎn)i=925 mm，封頭直邊高h(yuǎn)=50 mm.封頭質(zhì)量按 代入數(shù)據(jù)m3= kg反應(yīng)器主體質(zhì)量m=m1+m2+2m3= kg，則反應(yīng)器總質(zhì)量m總= kg※殼程換熱設(shè)計(jì)（1）換熱介質(zhì)進(jìn)出口結(jié)構(gòu)為了降低入口流體的橫向流速，消除流體誘發(fā)的管子振動(dòng)，采用外導(dǎo)流筒式的進(jìn)出口結(jié)構(gòu)。(2)換熱介質(zhì)冷卻水：101 KPa 10 oC液態(tài)水 Cp = KJ/(kgK)飽和水蒸氣潛熱 r= KJ/kg采用 Aspen Plus 模擬軟件對(duì)該反應(yīng)器進(jìn)行換熱模擬，通過不斷優(yōu)化，最終得到G H 2 O,out =27000 kg/h ，冷卻水進(jìn)口的質(zhì)量流量為 G H 2 O,in =27000 kg/h。取液態(tài)水的進(jìn)口流速為1m/s，進(jìn) 口 管 口 直 徑 為100 mm。換 熱 介 質(zhì) 出 口 的 溫 度 為85 oC ， 出 口 流 量 為液態(tài)水進(jìn)口流量1 m/s，出口管徑為100 mm。(3)折流板型式由于反應(yīng)器中間不排管，選用環(huán)盤型折流板。折流板間距為1 m。板厚10 mm。 MMA合成漿態(tài)床反應(yīng)器（R201）的設(shè)計(jì)※反應(yīng)器操作條件(1)進(jìn)出口物料組成 MMA 合成反應(yīng)器物料主要組成如表37所示。表37 反應(yīng)器進(jìn)口物料組成空氣進(jìn)料甲醇進(jìn)料MAL進(jìn)料質(zhì)量流量（kg/h)697127451摩爾流量（kmol/h）17272174107反應(yīng)條件T=70 oCP= MPa根據(jù) Aspen plus 模擬結(jié)果可知反應(yīng)器出口物料組成如表38所示表38 出口物料組成物質(zhì)質(zhì)量流量（kg/h）摩爾流量（kmol/h）MMAMALH2O2567甲醇空氣(2)操作條件反應(yīng)溫度為： 70 oC 醇醛質(zhì)量比為： 10：1壓力為 ： MPa※反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程：甲基丙烯醛氧化酯化制備甲基丙烯酸甲酷的反應(yīng)方程式如下 :由此可知，MAL氧化酯化制備MMA的本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程可用指數(shù)形式表達(dá)如下:式中 ：r ：反應(yīng)速率，molL1h1K：反應(yīng)速率常數(shù)A：MAL 的反應(yīng)級(jí)數(shù)b : MeOH 的反應(yīng)級(jí)數(shù)C : O2 的反應(yīng)級(jí)數(shù)由于該反應(yīng)在恒溫、恒壓、氧氣流速不變的條件下進(jìn)行的，并且O2在反應(yīng)液中連續(xù)供應(yīng)，可以認(rèn)為在反應(yīng)過程中[O]近似為一常數(shù)。因此可以簡(jiǎn)化為：即為：式中x ： MAL 轉(zhuǎn)化率 ：MAL的初始濃度，mol/L：MeOH的初始濃度，mol/L反應(yīng)速率常數(shù) k 也可用下式表示：k0 ：指前因子Ea ：反應(yīng)的活化能，Jmol1R ：摩爾氣體常數(shù)，Jmol1k1最終可得到： E a = KJ / mol ， k 0 = 反應(yīng)速率方程為：(2)床徑的確定床徑可按氣體處理量和操作速度由流量方程計(jì)算求得： 即 式中 V 為原料氣中的體積流量，m3/h帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可求得：在化工生產(chǎn)中，處特殊要求外，一般均采用圓形截面床體。一般而言。因此漿態(tài)床床徑為 D= m，反應(yīng)器外徑為 D=5 m※反應(yīng)器質(zhì)量選材16MnR，其密度約為7850 kg/m3。反應(yīng)器壁厚計(jì)算該反應(yīng)器筒體選材為16MnR，根據(jù)反應(yīng)條件，利用壁厚公式，求得壁厚δ 為：圓整去10 mm。封頭設(shè)計(jì)本反應(yīng)器選擇標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，取其形狀系數(shù)K=1，則D/2hi=2。外徑Do為5000 mm，則其圓邊高度為hi=1250 mm。壁厚即為反應(yīng)器壁厚10 mm，直邊高度為50 mm。材質(zhì)選用16MnR。筒體質(zhì)量m1=VRρi=9850 kg封頭質(zhì)量 = kg主體質(zhì)量m=m1+2m2= kg，則反應(yīng)器總質(zhì)量m總= kg 塔設(shè)備的選型與設(shè)計(jì) 急冷噴淋塔簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)計(jì)算※主體尺寸的計(jì)算根據(jù)本工藝的操作特點(diǎn)，考慮到容器直徑較大，氣體介質(zhì)溫度較高及壓力較低，常采用整體夾套的分段式夾套形式，這樣不僅能提高傳熱介質(zhì)的流速，改善傳熱效果，而且還能提高筒體受外壓的穩(wěn)定性和剛度。選擇停留時(shí)間為t=30s；則根據(jù)Aspen plus 模擬得到其氣體的體積流量為Vg= m3 h1,取裝載系數(shù)為ε=，則得到塔設(shè)備的容積為V=895 m3；根據(jù)空塔氣188。速計(jì)算公式及經(jīng)驗(yàn)得，塔徑D= m；則由得，塔筒體高度為H=22 m；采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。夾套直徑與筒體直徑的關(guān)系由查找化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)如表39所示。表 39 夾套直徑與筒體直徑的關(guān)系項(xiàng)目數(shù)值數(shù)值數(shù)值Di(mm)500～800900～22002200～4000Dj(mm)Di+50Di+100Di+200通過表可知筒體的夾套至筒體的間距為200 mm?！鶉娏芩昧壳闆r冷卻水采用循環(huán)方式，考慮到防止設(shè)備因結(jié)垢導(dǎo)致堵塞，影響傳熱效果，筒體和夾套的用水為工藝軟水，與高溫氣體間接換熱；而其中有一部分水為直接進(jìn)行噴淋降溫除雜，這部分水分為兩個(gè)進(jìn)水，其中一個(gè)為來自循環(huán)工藝水在塔頂進(jìn)行噴冷，還有一個(gè)來自脫水塔底部的水在在塔的中上段進(jìn)行噴淋降溫。各個(gè)用水操作參數(shù)詳見表310所示。表310 急冷噴淋塔的用水操作參數(shù)數(shù)據(jù)表來源用水途徑數(shù)值m3/h用水量（kgh ）壓力（atm）起始溫度（℃）工藝軟水夾套及蛇管3750115循環(huán)工藝水塔頂噴淋1000115脫水塔底部水中上段噴淋※換熱情況據(jù)比熱容公式 設(shè)定從反映器中出來的物流的溫度從T1=350 oC降至T2=180 oC的熱量被用于工藝軟水的加熱，根據(jù) Aspen plus 導(dǎo)出物流傳熱數(shù)據(jù)得到熱負(fù)Q= kw，工藝用水量Wc=3750 kg/h，水量進(jìn)口溫度為t1=15 oC，出口溫度為t2= oC；計(jì)算出平均溫度差， oC總傳熱系數(shù) K(以外表面積為基礎(chǔ))，通過查找《化工原理》書查找得到總傳熱系數(shù)K= W/(m2oC)，計(jì)算得到傳熱面積為S= m2。由于水蒸氣發(fā)生相變，考慮到15%的面積裕度，得S== m2選用φ45 mm傳熱管（無縫鋼管），計(jì)算