【正文】 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 丙烯酸生產(chǎn)的設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 34 第四章 丙烯酸生產(chǎn)的設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 反應(yīng)器設(shè)計(jì) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和反應(yīng)器是化工生產(chǎn)流程中的中心環(huán)節(jié)，反應(yīng)的設(shè)計(jì)往往占有重要 的地位。 能量衡算任務(wù) （ 1）確定流程中機(jī)械所需的功率， 為設(shè)備設(shè)計(jì)和選型提供依據(jù)。 系統(tǒng)物料衡算 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 物料衡算與能量衡算 20 1. 第一段反應(yīng)器（ R0101） 表 31 一段反應(yīng)器的物料衡算表 流入 流出 Temperature K Pressure atm Vapor Frac 1 1 Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume Flow l/min Enthalpy MMBtu/hr Mass Flow kg/hr C3H6 O2 N2 H2O C3H4O 0 C3H4O2 0 C2H4O2 0 CO2 0 C4H4O4 0 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 物料衡算與能量衡算 21 2 第二段反應(yīng)器（ R0102） 表 32 二段反應(yīng)器的物料衡算表 流入 流出 Temperature K Pressure atm Vapor Frac 1 1 Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume Flow l/min 2039660 Enthalpy MMBtu/hr Mass Flow kg/hr C3H6 O2 N2 H2O C3H4O C3H4O2 C2H4O2 CO2 CO C4H4O4 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 物料衡算與能量衡算 22 3 吸收塔（ T0201） 表 33 吸收塔的物料衡算表 流入物流 1 流入物流 2 流出物流 1 流出物流 2 Temperature K Pressure atm 1 1 1 1 Vapor Frac 1 1 0 Mole Flow kmol/hr 200 Mass Flow kg/hr Volume Flow l/min Enthalpy MMBtu/hr Mole Flow kg/hr C3H6 0 O2 0 N2 0 H2O 200 C3H4O 0 C3H4O2 0 C2H4O2 0 CO2 0 CO 0 C4H4O4 0 0 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 物料衡算與能量衡算 23 4 輕組分分離塔（ T0202） 表 34 輕組分分離塔的物料衡算表 進(jìn)料 1 進(jìn)料 2 出料 1 出料 2 出料 3 Temperature K Pressure atm 1 1 1 1 1 Vapor Frac 0 0 TRACE TRACE 0 Mole Flow kmol/hr TRACE 0 Mass Flow kg/hr TRACE 0 Volume Flow l/min 0 Enthalpy MMBtu/hr 0 RACE 0 Mole Flow kg/hr 0 0 C3H6 0 0 O2 0 TRACE 0 N2 0 0 0 TRACE 0 H2O TRACE TRACE 0 C3H4O 200 0 TRACE 0 C3H4O2 0 0 TRACE TRACE 0 C2H4O2 TRACE 0 CO2 TRACE 0 CO 0 C4H4O4 0 TRACE 0 C7H8 0 0 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 物料衡算與能量衡算 24 5 醋酸塔（ T0301） 表 35 醋酸塔的物料衡算表 流入物流 流出物流 1 流出物流 2 Temperature K Pressure atm 1 1 1 Vapor Frac 0 0 Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume Flow l/min Enthalpy MMBtu/hr Mass Flow kg/hr H2O TRACE C3H4O2 C2H4O2 C4H4O4 TRACE 6 回收塔（ T0302） 表 36 丙烯酸回收塔的物料衡算表 流入物流 流出物流 1 流出物流 2 Temperature K Pressure atm 1 1 1 Vapor Frac 0 0 0 Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume Flow l/min Enthalpy MMBtu/hr Mass Flow kg/hr H2O C3H4O2 C2H4O2 TRACE 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 物料衡算與能量衡算 25 7 提純塔（ T0303） 表 37 提純塔的物料衡算表 流入物流 流出物流 1 流出物流 2 Temperature K Pressure atm 1 1 1 Vapor Frac 0 0 Mole Flow kmol/hr Mass Flow kg/hr Volume Flow l/min Enthalpy MMBtu/hr Mass Flow kg/hr C3H4O2 C2H4O2 C4H4O4 能量衡算 能量衡算的意義 在進(jìn)行全廠熱量衡算時(shí)，是以單元設(shè)備為基本單位，考慮由機(jī)械能轉(zhuǎn)換化學(xué)應(yīng)釋放和單純的物理變化帶來(lái)的熱量變化。物料衡算是質(zhì)量守恒定律的一種表現(xiàn)形式。綜上所述 ,考慮吸收劑用量的影響 ,吸收劑用量確定在 200250Kmol/h較為合適 ,吸收劑量過(guò)小 ,液體不易在填料塔內(nèi)均勻分布 ,影響效果 ,吸收劑用量過(guò)大 ,增加塔底含水量 ,進(jìn)而增大后續(xù)精制能耗。噴淋水摩爾流量越小 ,塔頂丙烯酸的摩爾濃度越大。然后再調(diào)節(jié)吸收劑物流 WATER 的摩爾流量分別為 150Kmol/h、 250Kmol/h。 （ 2） 吸收主要因素的模擬 影響吸收塔吸收效果的主要因素還有吸山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 丙烯酸生產(chǎn)的工藝流程設(shè)計(jì) 16 收劑流量、理論板數(shù)。 圖 物流 BYCL 最佳回流板位置 (注 :Xaa 表示物流 D中丙稀酸的摩爾分?jǐn)?shù) 。分別通過(guò)模擬確定總理論板數(shù)為 1 2 的最佳回流板位置 ,記錄 結(jié)果并作圖?？疾煳锪?BYCL 在不同的回流進(jìn)料板位置對(duì)塔頂物流 D 中丙稀酸摩爾分?jǐn)?shù)的影響。 在建立全流程模擬的過(guò)程中已經(jīng)對(duì)局部可以尋優(yōu)的參數(shù)進(jìn)行了尋求最優(yōu)的求解，這些參數(shù)包括各精餾塔的塔板數(shù)、回流比、采出率、進(jìn)料板位置以及萃取劑劑用量等。重組分由塔底物流排出 ,進(jìn)行下一步處理。重組分由塔底物流排出回流進(jìn)入醋酸塔 ,主要組分為丙烯酸。再采用 RadFrac 法進(jìn)行核算和確定，輕關(guān)鍵組分、重關(guān)鍵組分在塔頂?shù)幕厥章示_(dá)到要求。塔 T1 中餾出液由物流 2排出 ,進(jìn)入傾析器 V1 中 ,傾析器 V1 中少量的氣體由物流 GAS 排出 ,液體分層 ,分為油相物流 TOL+和水相物流 WATER,物流 TOL+大部分為甲苯 ,作為共沸劑回流到塔中 ,水相進(jìn)一步處理。 圖 輕組分分離塔的模擬流程圖 采用嚴(yán)格收斂方式 RadFrac 塔模塊模擬輕組分分離塔 ,因?yàn)樗敵隽现杏姓羝突ゲ?相溶的甲苯和水溶液 ,故采用傾析器來(lái)分離氣相、甲苯相和水相。我設(shè)定吸收劑純水的進(jìn)料溫度為 25℃ ，原料進(jìn)料溫度為 170℃ ，進(jìn)料壓力為 。 圖 吸收塔的模擬流程圖 物流 FEED 為原料進(jìn)料流股 ,由塔底進(jìn)料。 表 21 一段反應(yīng)器的模擬結(jié) 果 組分 C3H6 O2 N2 H2O C3H4O 流量 kmol/h 組分 C3H4O2 C2H4O2 CO2 C4H4O4 流量 kmol/h （ 2） 第二段反應(yīng)器 第二段反應(yīng)器的主要工藝條件有反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力， 通過(guò)查閱文獻(xiàn)及模擬的結(jié)果， 最終確定反應(yīng)溫度為 240℃ ，反應(yīng)壓力為 ，原料為一段反應(yīng)器的出口物料，在二段入口補(bǔ)充空氣，使山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 丙烯酸生產(chǎn)的工藝流程設(shè)計(jì) 10 氧烯摩爾比為 ，水烯摩爾比為 。 由于本反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的缺乏，我們選擇 RStoic 轉(zhuǎn)化率 反應(yīng)器。 圖 工藝流程圖 工藝流程的模擬與優(yōu)化 各工段的模擬 過(guò)程模擬最為重要的任務(wù)有三點(diǎn)： （ 1）對(duì)各候選工藝進(jìn)行判斷是否可行； （ 2）選擇最為合適的工藝方案； （ 3）對(duì)所選工藝方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最優(yōu)工藝條件。其工藝特點(diǎn)是以 高濃度丙稀為原料 ,減少惰性氣體及水蒸氣用量。 日本觸媒公司采用一體式氧化反應(yīng)器，這種反應(yīng)器具有占地小投資少的優(yōu)點(diǎn)，且縮短了一二段催化劑床層的距離，抑制了丙烯醛的深度氧化。另外，近幾年正在開(kāi)發(fā)的乙烯法、乙炔法 [12]、丙烷法 [13]工藝尚不成熟，尚未有大規(guī)模的生產(chǎn)裝置，惟有丙烯氧化法獨(dú)占大規(guī)模丙烯酸生產(chǎn)工廠。該新技 術(shù)采用高活性催化劑，制取生產(chǎn)丙烯酸的中間體丙烯醛。第一步反應(yīng)為丙烯氧化為丙烯醛，所用催化劑大多為 MoBiFeCo 系，再加入少量其他元素，以鉬酸鹽的形式表現(xiàn)出催化活性。 反應(yīng)屬?gòu)?qiáng)放熱反應(yīng)，有效地移除反應(yīng)熱是反應(yīng)過(guò)程的突出問(wèn)題。一步法具有反應(yīng)裝置簡(jiǎn)單、工藝流程短、只需一種催化劑、投資少等優(yōu)點(diǎn)，但 存在幾個(gè)突出缺點(diǎn)： ①一步法是在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行兩個(gè)氧化反應(yīng)，強(qiáng)制一種催化劑去適應(yīng)兩個(gè)不同反應(yīng)的要求，影響了催化作用的有效發(fā)揮，丙烯酸收率低；②把兩個(gè)反應(yīng)合并為一步進(jìn)行，反應(yīng)熱效應(yīng)大。但此法丙 烯酸選擇性只在 75%～ 85%。 Ciba Specialty Chemicals 公司在英國(guó) Bradford 的 萬(wàn)噸 /年的裝置也于 1999 年停產(chǎn)。 CH2=CHCN + H2O ? CH 2=CHCONH2 CH2=CHCONH2 + H2O + H2SO4→CH 2=CHCOOH + (NH4)SO4 CH2=CHCONH2 + ROH + H2SO4→ CH2=CHCOOR + (NH4)SO4 丙烯腈水解法工藝比較簡(jiǎn)單、易行，其投資也較少，但毒性較大。其反應(yīng)方程式如下： C H + C O + H 2 OC H 1 0 M p a C H 2 C H C O O H 此法間接地還是丙烯路線，因丙烯腈是由丙烯制得的。C H 2 C H 2O+ H C N H O C H 2 C H 2 C N R O H C H 2 C H C O O R 法 高壓 Reppe 法于 1930 年德國(guó)開(kāi)發(fā)成功，該法采用乙炔和一氧化碳為原料。 氯乙醇法是最早的丙烯酸工業(yè)生產(chǎn)方法， 1927 年和 1931 年分別在德國(guó)和美國(guó)建立工業(yè)生產(chǎn)裝置。擴(kuò)產(chǎn)后的中國(guó)將會(huì)成為全球最大丙烯酸體生產(chǎn)及消費(fèi)國(guó)， 2021年前后中國(guó)丙烯酸產(chǎn)能預(yù)計(jì)突破 250萬(wàn)噸／年，很快成為丙烯酸單體凈出口國(guó)。世界發(fā)達(dá)國(guó)家的丙烯酸生產(chǎn)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)基本滿足了當(dāng)?shù)氐氖袌?chǎng)需求，今后發(fā)展中國(guó)家將成為丙烯酸產(chǎn)品的主要需求市場(chǎng)。 2021年全球丙烯酸生產(chǎn)能力為 503萬(wàn) t， 2021年達(dá) 513萬(wàn) t，截止 2021年 8月年全球丙烯酸的產(chǎn)能約為 521萬(wàn) t[4]。其酸度能為人體皮膚所承受。丙烯酸酯最大的用途是涂料，其次為膠黏劑、密封劑，還用于對(duì)紡織和纖維的改性，也是塑料重要的