【導(dǎo)讀】本設(shè)計(jì)綜述了國內(nèi)外丙烯酸生產(chǎn)的工藝及其發(fā)展前景。三個工段，分別是反應(yīng)工段、吸收工段和精制工段。最后對丙烯兩步氧化法生產(chǎn)丙烯酸工藝進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和

　　

【正文】 純塔 焓變計(jì)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 Mass Flow kg/hr Enthalpy MMBtu/hr Σ H MMBtu/hr 表 328 提純塔 能量衡算表 Q 總 MMBtu/hr W 總 MMBtu/hr Σ Hin MMBtu/hr Σ Hout MMBtu/hr Error 0 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。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要包括：反應(yīng)器選型；尋找合適的工藝條件；確定實(shí)現(xiàn)這些工藝條件所需的技術(shù)措施；確定反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸；確定必要的控制手段。 反應(yīng)器的選型 反應(yīng)器的類型多種多樣，按其結(jié)構(gòu)來分大致可以分為管式、釜式、塔式、固定床和流化床等類型。每種反應(yīng)器均有其自身的特點(diǎn)，選型時(shí)需要結(jié)合反應(yīng)器的特性進(jìn)行綜合分析，做出合理選擇。對于本課題，選用列管式固定床反應(yīng)器。故反應(yīng)器類型定為固定床式反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)是：返混小，高轉(zhuǎn)化率時(shí)催化劑用量少，催化劑不易磨損；由于固定床反應(yīng)器基本上呈平推流，故 其溫度分布有梯度，所以傳熱控溫不易，另外催化劑的裝卸麻煩，連續(xù)生產(chǎn)需要設(shè)置備用反應(yīng)器。 反應(yīng)原理 丙烯氧化法以丙烯和空氣中的氧氣為原料，在水蒸氣存在下和 250～400℃反應(yīng)條件下，通過催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)分兩段進(jìn)行， 第一步的主反應(yīng)為： CH2=CHCH3+O2→ CH 2=CHCHO+H2O 第一步的副反應(yīng)為 ： CH2=CHCH3+→ CH 2=CHCOOH 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 35 2CH2=CHCH3+→ 3CO 2+3CO+6H2O CH2=CHCH3+→ CH 3COOH+3CO2 +H2O 第二步的主反應(yīng)為： CH2=CHCHO+→ CH 2=CHCOOH 第二步的副反應(yīng)為： 2CH2=CHCHO+→ 3CO 2+3CO+4H2O 4CH2=CHCHO+2H2O+O2→ 4CH 2O+CH3CHO 此外還伴隨若干其他副反應(yīng)發(fā)生，并生成丙酸、糠醛、丙酮、甲酸、馬來酸等副產(chǎn)物。 催化劑的選擇 催化劑 是丙烯兩步氣相催化氧化法生產(chǎn)丙烯醛和丙烯酸的核心，早期經(jīng)歷了 Cu2O、 CuSeO3 和 Sb－ U 等類型的變化。 20 世紀(jì) 70 年代后，美國標(biāo)準(zhǔn)石油公司研制成功以 Mo－ Bi 元素為主的復(fù)合金屬氧化物催化劑，并逐漸成為丙烯氣相催化氧化制丙烯醛的主導(dǎo)催化劑。目前，擁有丙烯氣相催化氧化工藝技術(shù)的公司有日本觸媒化學(xué)公司、三菱化學(xué)公司和 BASF公司等，工業(yè)上廣泛應(yīng)用的丙烯醛催化劑以 Mo－ Bi 元素為主，添加包括 W、 Fe、堿金屬和堿土金屬元素等的復(fù)合金屬氧化物催化劑 [16]。日本三菱化學(xué)的氧化催化劑使用壽命長，選擇 率高，一段可達(dá)四年以上，二段可保證使用六年、可望使用八年。一段丙烯轉(zhuǎn)化率 98%以上，二段丙烯醛轉(zhuǎn)化率 99%以上，催化劑強(qiáng)度高，無粉化現(xiàn)象 [17]。本設(shè)計(jì)選擇三菱化學(xué)的催化劑技術(shù)。 反應(yīng)條件 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 36 反應(yīng)器入口氣體由原料丙烯、空氣中的氧氣、空氣帶入的氮?dú)庖约八魵饨M成。組成控制目標(biāo)為丙烯濃度、氧氣與丙烯的體積分?jǐn)?shù)比（氧烯比）、水烯比。 （ 1）丙烯濃度 不同的催化劑選擇不同的丙烯濃度，一般在 %～%之間；對于較高的丙烯入口濃度，則需要提供較高的氧氣濃度以滿足反 應(yīng)的需要，但由于丙烯和氧氣的混合物存在爆炸區(qū)域，所以從安全和追求理想反應(yīng)結(jié)果的角度考慮，就要采用分段補(bǔ)氧的方式，即分別從一段反應(yīng)器入口和二段反應(yīng)器入口兩個點(diǎn)加入空氣來滿足全部反應(yīng)所需氧。本設(shè)計(jì)的丙烯濃度為 12%。 （ 2）氧烯比 氧烯比一般控制在 :1～ :1 之間，過低和過高的氧烯比會影響丙烯的轉(zhuǎn)化率和選擇性，同時(shí)還可能造成催化劑的損壞和裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的安全隱患。本設(shè)計(jì)的一段氧烯比為 。 （ 3）水烯比 水蒸氣的存在一是為了提高催化劑的選擇性，使反應(yīng)產(chǎn)物容易從催化劑表面解析出來；二是降低反應(yīng)氣中的氧 濃度，以便減緩丙烯的深度氧化；另外，由于水蒸氣具有較大的熱容，有利于床層的熱穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)的水烯比為 。 絕對空速（ SV0）：一段反應(yīng)器入口每小時(shí)加入的丙烯氣體的體積與純催化劑體積的比值，即0 VSV V? 丙 催。它反映催化劑的實(shí)際反應(yīng)負(fù)荷，在120 h1左右。 相對空速（ SV）：混合氣體的小時(shí)體積通量與催化劑床層體積之比，即： VSV V? 氣床。一般在 800～ 2021h1之間。 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 37 一段反應(yīng)一般 為 300～ 400℃，二段反應(yīng)一般在 250～ 320℃。工藝參數(shù)如表 41。 表 41 氧化工藝基本參數(shù)值 反應(yīng)器 基本參數(shù) 設(shè)計(jì)取值 一段反應(yīng)器 丙烯進(jìn)料濃度 /%（摩爾分?jǐn)?shù)） 12 進(jìn)料中氧氣 /丙烯（摩爾比） 進(jìn)料中水蒸氣 /丙烯（摩爾比） 反應(yīng)溫度 /℃ 310 空速 / h1 1450 二段反應(yīng)器 丙烯醛進(jìn)料濃度 /%（摩爾分?jǐn)?shù)） 氧氣 /丙烯醛（摩爾比） 水蒸氣 /丙烯醛（摩爾比） 反應(yīng)溫度 /℃ 240 空速 / h1 1650 計(jì)算催化劑床層體積、直徑及高度 對于第一反應(yīng)器： 查看物流信息得 V 氣 = l/min= m3/h 床層體積： 1450 073 mSVVVVVSV ????? 氣床床氣 床層直徑 ： D= muV ????? ?? 取一段反應(yīng)器筒體直徑為 5m。 其中 u 為空床操作氣速，取 1m/s； 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 38 催化劑平均粒徑取 ，床層孔隙率 ε取 ； 床層高度 : mDVL 4)1( 22?????? ??? 床 經(jīng)圓整，取 5m； 同理，對于第二反應(yīng)器： 床層體積： 1650 237 9 mSVVVVVSV ????? 氣床床氣 床層直徑 : muVD 4 ?????? ?? 取二段反應(yīng)器筒體直徑為 7m。 其中 u 為空床操作氣速，取 1m/s； 催化劑平均粒徑取 5mm，床層孔隙率 ε取 ； 床層高度 : mDVL 41 22????? ??? ）（ 床 經(jīng)圓整，取 ； 反應(yīng)管數(shù) 給定管子 φ30 ，故管內(nèi)徑 dt 為 25mm，即為 ；管長為 5m，一段反應(yīng)器催化劑充填高度 L 為 ，二段反應(yīng)器催化劑填充高度 L 為,管長為 。 因此 0 2 0 1 3 750 2 4 22????? ?? LdVn 床 同理，對于二段反應(yīng)器： 335774 22????? ?? LdVn 床 反應(yīng)器 材料： 由于丙烯酸具有較強(qiáng)的腐蝕性，本設(shè)計(jì) 選用 一般等級的山東科技大學(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 39 不銹鋼 0Cr17Ni12Mo2。 反應(yīng)床層壓力降的計(jì)算 查閱物流信息得一段反應(yīng)器入口質(zhì)量流量為 h1，二段反應(yīng)器入口質(zhì)量流量為 h1。 質(zhì)量速度： )/(41222??????? hmKgdnmG ?? 修正雷諾數(shù) ) 1( )1 1(R 5e ????? ???? ???Gd sM 固 定床壓降計(jì)算公式為3 )1(20 ? ???sr dLfP ??? 其中 e ??f 由于 1000Re10,所以 f 中的兩項(xiàng)都不可忽略 [18]。 KP aPaP )3600/()( 3 2 ???? ????? 第二氧化反應(yīng)器的計(jì)算方法與第一氧化反應(yīng)器的計(jì)算方法相同。計(jì)算得二段反應(yīng)器的壓力降為 。 筒體與封頭壁厚的計(jì)算 由于操作壓力不大，假設(shè)計(jì)算壁 厚小于 16mm，由于丙烯酸液體具有腐蝕性，故選用不銹鋼材質(zhì)，一段反應(yīng)器選擇牌號為 0Cr19Ni19 的不銹鋼，二段反應(yīng)器選擇牌號為 0Cr17Ni12Mo2 的不銹鋼。 （ 1）圓筒厚度的計(jì)算 [19] 圓筒厚度的計(jì)算式為 ? ?cc pDpt i?? ??? 2 圓筒的計(jì)算壓力為 ，查手冊，在設(shè)計(jì)溫度為 310℃時(shí)，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 40 0Cr19Ni19 的許用應(yīng)力為 ??t? =87MPa；在 制造中采用雙面焊對接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全熔透對接接頭，且局部無損檢測，故焊接接頭系數(shù)值取。 故 ???? ??? 圓筒的設(shè)計(jì)厚度 2Cd ???? , 腐蝕余量 C2 取 2mm，則 ???? 圓筒的名義厚度 ???? 1Cdn ?? ，鋼板負(fù)偏差 C1 取 ，為圓整值。計(jì)算可得名義厚度為 ,由鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，取圓筒名義厚度為 8mm。 （ 2） 封頭厚度計(jì)算 采用橢圓形封頭，其厚度計(jì)算公式為 ? ?ctic PDP ?? ??? 計(jì)算得 ????? ??? 封頭設(shè)計(jì)厚度 mmCd 0 7 7 ????? ?? ； 封頭名義厚度 mmCdn ????????? ?? 。 按照 JB1115473 橢圓封頭標(biāo)準(zhǔn)選擇所需的封頭曲面高度為 1000mm，直邊高度 50mm，質(zhì)量 [20]。 （ 1）圓筒厚度的計(jì)算 圓筒厚度的計(jì)算式為 ? ?cc pDpt i?? ??? 2 圓筒的計(jì)算壓力為 ，查手冊，在設(shè)計(jì)溫度為 260℃時(shí)，0Cr17Ni12Mo2 的許用應(yīng)力為 ??t? =93Mpa；在制造中采用雙面焊對接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全熔透對接接頭，且局部無損檢測，故焊接接頭系數(shù)值山東科技大學(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 41 取 。 故 ???? ??? 圓筒的設(shè)計(jì)厚度 2Cd ???? , 腐蝕余量 C2 取 2mm，則 ???? 圓筒的名義厚度 ???? 1Cdn ?? ，鋼板負(fù)偏差 C1 取 ， ? 為圓整值。計(jì)算可得名義厚度為 ,由鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，取圓筒名義厚度為。 （ 2） 封頭厚度計(jì)算 采用橢圓形封頭，其厚度計(jì)算公式為 ? ?ctic PDP ?? ??? 計(jì)算得 ????? ??? 封頭設(shè)計(jì)厚度 2Cd ???? ， 腐蝕余量 C2 取 2mm，則設(shè)計(jì)厚度為。 封頭名義厚度 ???? 1Cdn ?? ， 鋼板負(fù)偏差 C1 取 ， ? 為圓整值。計(jì)算可得名義厚度為 ,由鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，取圓筒名義厚度為 。 按照 JB11154737 橢圓封頭標(biāo)準(zhǔn)選擇所需的封頭曲面高度為 1000mm，直邊高度 50mm，質(zhì)量 。 塔設(shè)備的設(shè)計(jì) 本項(xiàng)目分離與精制采用的塔設(shè)備包括：吸收塔 T020共沸精餾塔T020醋酸塔 T030丙烯酸回收塔 T030提純塔 T0303。本項(xiàng)目完成了對全廠塔設(shè)備的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，并選取其中其中最具代表性的醋酸塔山東科技大學(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 42 T0301 給出了詳細(xì)的計(jì)算和選型說 明，其他設(shè)備見設(shè)備選型設(shè)計(jì)一覽表。 塔設(shè)備的選型原則 工業(yè)上使用的塔類型主要是