【正文】 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。 封頭名義厚度 ???? 1Cdn ?? ， 鋼板負(fù)偏差 C1 取 ， ? 為圓整值。 （ 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。 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。 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 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。 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。 （ 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。 （ 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(gè)點(diǎn)加入空氣來滿足全部反應(yīng)所需氧。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]。 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。故反應(yīng)器類型定為固定床式反應(yīng)器。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。 （ 2）確定精餾各單元操作中所需的熱量或冷量及傳遞速率，確定加熱劑和冷劑的用量，為后續(xù)換熱和公用工程的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。最終對全工藝段進(jìn)行系統(tǒng)級的熱量平衡計(jì)算，進(jìn)而用于指導(dǎo)節(jié)能降耗設(shè)計(jì)工作。凡引入某一設(shè)備的物料成分、質(zhì)量或體積比等于操作后所得產(chǎn)物的成分、質(zhì)量或體積加上物料損失。故選擇最佳工藝條件是理論板數(shù)為25,物流 BYCL 的回流進(jìn)料板位置為第 22 塊理論板 ,吸收劑的摩 爾流量為200Kmol/h。理論板數(shù)越多 ,塔頂丙稀酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小。以 15 塊理論板為例 ,考察不同理論板數(shù)分別在 1 2 30 塊理論板下 ,記錄結(jié)果如表 25。對這兩種因素進(jìn)行模擬 ,找出最優(yōu)組合 ,確定最佳工藝參數(shù)。N表示理論板數(shù) 。由圖 可以看出 ,最佳回流板位置在靠近塔底的某一個(gè)位置 ,隨著回流板位置從塔頂依次下移到塔底 ,塔頂物流 D中丙烯酸的摩爾分?jǐn)?shù)出現(xiàn)先減小后增大的趨勢 ,出現(xiàn)一個(gè)最小值 ,即最佳回流板位置。當(dāng)塔頂物流 D 中丙稀酸的摩爾分?jǐn)?shù)最小時(shí) ,進(jìn)料板位置為最佳回流板位置。而一些反應(yīng)參數(shù)是根據(jù)文獻(xiàn)所述確定的最佳操作條件，這些參數(shù)無需進(jìn)行優(yōu)化。同醋酸塔相同首先利用間捷法精餾設(shè)計(jì)來模擬回收塔 ，得到塔的參數(shù)結(jié)果為最小回流比 ，實(shí)際回流比 ，理論板數(shù) 4，實(shí)際板數(shù) 10，進(jìn)料位置是第4 塊板，再沸器所需熱量 ，冷凝器所需冷量 。 同醋酸塔相同首先利用間捷法精餾設(shè)計(jì)來模擬回收塔，得到塔的參數(shù)如表 23，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。 回收塔的作用 是回收醋酸塔塔頂餾出的部分丙烯酸溶液 ,以減少產(chǎn)品損失。塔的參數(shù)為塔板數(shù)為 第三塊板進(jìn)料、共沸劑塔頂加入、塔頂壓力為 1atm?？紤]氣液液相平衡。 利用甲苯和水、甲苯和醋酸共沸的性質(zhì) ,輕組分分離塔塔頂富集甲苯、水、醋酸組分 ,利用甲苯和水的非均相共沸性質(zhì) ,在塔頂?shù)膬A析器中冷卻分層 ,不凝氣進(jìn)一步處理 ,液相分為水相和油相 ,水相中含有大部分水及少量醋酸等組分 ,油相主要組分為甲苯 ,可以作為共沸劑回流到輕組分分離塔循環(huán)使用。物流 WATER 為吸收劑純水流股 ,由塔頂進(jìn)料。模擬結(jié)果出料溫 度為 ，壓力為 ，生成各組分的含量如表 22。 RStoic反應(yīng)器是通過人為設(shè)定反應(yīng)器出口 反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率 來進(jìn)行模擬的，因此只要進(jìn)口的量確 定，出口的產(chǎn)物中各組分的量就確定了，與反應(yīng)器內(nèi)的操作壓力與溫度無關(guān)，這樣我們就無法通過模擬來確定反應(yīng)器的最佳操作條件，最佳的操作條件只能通過文獻(xiàn)調(diào)研來確定 。 在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，采用 Aspen Plus 對整個(gè)工藝流程進(jìn)行了較為精確的計(jì)算， Aspen Plus 有強(qiáng)大的物性數(shù)據(jù)庫，但是具體物性方法的選擇需要根據(jù)自己的實(shí)際流程選取。增濕空氣 ,使用小型化壓縮機(jī) ,減少水蒸氣用量 ,這就意味著急冷塔塔把丙稀酸濃度提高了 ,從而大大減少了精制單元系統(tǒng)中廢水量。其分離系統(tǒng)采用的是共沸精餾提純方法。時(shí)至今日，世界上所有丙烯酸大型生產(chǎn)裝置均采用丙烯氧化法生產(chǎn)。該技術(shù)可從可再生原料來源制取碳中性的丙烯酸。第二步反應(yīng)為丙烯醛氧化為丙烯酸，目前采用的催化劑均為 MoVCu 系，通常需要添加助催化劑。除主反應(yīng)外，還有大量副反應(yīng)，其副產(chǎn)物有 CO 和 CO2等深度氧化物以及乙醛、醋酸、丙酮。要降低反應(yīng)放熱量，只能通過降低丙烯的濃度來實(shí)現(xiàn)，因此生產(chǎn)能力低；③催化劑壽命短，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上不合理。 此法目前尚處于開發(fā)之中，工藝尚不成熟。 Celanese 公司在墨西哥的裝置也于 1993年轉(zhuǎn)為丙烯氧化法生產(chǎn)。目前世界范圍內(nèi)，盡管沒有大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，但仍有小規(guī)模的裝置用此法生產(chǎn)少量的丙烯酸及丙烯酸酯。 20 世紀(jì) 60 年代，丙烯氨氧化法制丙烯腈得到了發(fā)展。先由乙炔、一氧化碳和水在 鎳系催化劑作用下生成酯化級丙烯酸，再山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 丙烯酸生產(chǎn)的工藝流程設(shè)計(jì) 4 與醇反應(yīng)生成丙烯酸酯。該法以氯乙醇和氫化鈉為原料，在催化劑作用下生成氰乙醇，氰乙醇在硫酸存在 下脫水生成丙烯腈，再水解生成丙烯酸。 國內(nèi)丙烯酸需求增長主要是由于建筑和交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，增加了對丙烯酸乳 膠建筑涂料、密封膠等丙烯酸酯產(chǎn)品的需求。 國內(nèi)產(chǎn)能及市場 中國丙烯酸產(chǎn)業(yè)是近 10年來全球發(fā)展最快的國家，已經(jīng)形成較為穩(wěn)定的以國有企業(yè)為主體，外資和民營企業(yè)參與的市場競爭格局，生產(chǎn)企業(yè)由 3 家發(fā)展到了 11家，其中江蘇裕廊、上海華誼 、浙江衛(wèi)星位列全球前 10 大生產(chǎn)商。 2021年，世界丙烯酸的總消費(fèi)量為 t，丙烯酸酯的總消費(fèi)量為 t。 SAP已大量應(yīng)用于嬰兒紙尿片、婦女衛(wèi)生巾和成人衛(wèi)生用品中，其他領(lǐng)域如農(nóng)業(yè)、園林和食品等方 面。此外紙品、皮革等也需要丙烯酸酯做基料。 丙烯酸是一種重要的不飽和有機(jī)酸，其化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有不飽和碳碳雙鍵和羧基，能與多種化合物通過均聚或縮聚反應(yīng)，合成一系列丙烯酸共聚物，如丙烯酸酯及聚丙烯酸。 關(guān)鍵詞： 丙烯酸；反應(yīng)；精制；工藝設(shè)計(jì) 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 摘要 Abstract The acrylic acid production processes and its developments at home and abroad were reviewed and summarized in this thesis. Based on the detailed parison among various acrylic acid processes, the technology of twostep oxidation of propylene was selected. The technology of twostep oxidation of propylene consists of three sections, which are the reaction section, the absorb section and the refined section. The process parameters were determined and optimized using the Aspen Plus software, and the material balance and heat balance were also calculated. According to the results of the material balance and heat balance, the reactors, towers and heat exchangers were designed and the pumps were chosen properly. Meanwhile, the automatic control schemes of all equipments were also presented. Besides, the main equipment assembly drawings, the process flow diagrams and the workshop layout were given. Finally, the evaluations of economy, environment and safety of the technology program were carried out, which show that the technology is feasible and economically reasonable. Keywords acrylic acid； reaction； refining； technology design 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄 目錄 第一章 緒論 ................................. 1 概述 ............................................................................................... 1 國內(nèi)外丙烯酸產(chǎn)能及市場分析 ................................................... 2 第二章 丙烯酸生產(chǎn)的工藝流程設(shè)計(jì) ............... 3 工藝方案的選擇 .......................................................................... 3 工藝流程的模擬與優(yōu)化 ............................................................... 8 第三章 物料衡算與能量衡算 ..................... 18 物料衡算 ........................................................