甲基丙烯酸甲酯生产工艺毕业设计设备选型与布置Word文档下载推荐.docx
- 文档编号:5756634
- 上传时间:2023-05-05
- 格式:DOCX
- 页数:72
- 大小:1.56MB
甲基丙烯酸甲酯生产工艺毕业设计设备选型与布置Word文档下载推荐.docx
《甲基丙烯酸甲酯生产工艺毕业设计设备选型与布置Word文档下载推荐.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《甲基丙烯酸甲酯生产工艺毕业设计设备选型与布置Word文档下载推荐.docx(72页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
ACH-法
ACH-S法
I-C4
BASF法
MGC法
原料成本
31.99
26.52
29.05
27.2
公用工程成本
4.84
4.84
4.55
5.15
9.63
其他可变成本
0.1
-1.62
-0.64
可变成本
36.03
31.17
32.58
36.19
固定成本
8.69
15.57
11
12.19
13.8
现金成本
46.62
52.5
42.17
44.77
49.99
折旧成本
9.17
11.3
10.23
11.28
12.95
生产成本合计
55.33
63.8
52.39
56.06
62.94
生产成本+10%投资回报
65.03
77.2
62.62
67.32
75.89
注:
ACH-L法为13.6万tPa装置,ACH-S法为4.5万tPa装置。
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过程进行了模拟计算[9][12][16][17][18]。
1.4化工设备选型计算中使用的软件
1.4.1Cup-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
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。
1.4.3Aspen与EDR(ExchangerDesignandRating)联用设计换热器
Aspen7.0以后版本已经实现了Aspen和EDR的接口。
AspenPlus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。
(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)。
2工艺流程简介及模拟
2.1流程概述
图2-1总流程简图
物料流程图(PFD)附后。
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。
2.2Aspenplus仿真模拟流程
在整个设计过程中,采用AspenPlus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。
2.2.1MAL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。
图2-2MAL合成工段模拟流程图
2.2.2MMA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
3设备设计计算及选型
3.1反应器的设计
3.1.1MAL合成反应器(R101)的设计
表3-1催化剂物性参数
数值
颗粒密度
Dp=5.5mm
比表面
Sp=4.61g2/g
堆积密度
Ρb=0.60g/ml
孔体积
Vv=0.121ml/g
视密度
Ρb=0.95g/ml
空隙率
§
=0.6314
※反应方程
主反应:
C4H8+O2→C4H6O+H2O
※异丁烯催化氧化反应机理
图3-1异丁烯氧化机理
※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:
1200-1800h-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设计数据和工作参数
甲基丙烯酸甲酯年产量
6万吨
原料配比
IB:
H2O:
O2:
N2=1:
12
年工作时间
7500h
空速
1200-1
120h
反应温度
350oC
反应选择性
89.0%
反应压力
101KPa
空时收率
100kg/m3
100kg/(m·
h)
表3-3反应器进口物料组成
反应器进口
Kmol/h
Kg/h
%(mol)
异丁烯
86.35821
4845.345
6
水
141.5235
2599.585
9
氧气
188.698
6088.11
氮气
1132.188
31816.53
72.87
氢气
4.960613
10
0.13
总量
1556.76
45334.22
100
表3-4反应器物料出口组成
反应器出口
甲基丙烯醛
77.89511
5459.749
0.049836
1.640806
92.06155
1.05E-03
239.1946
4309.158
0.153034
86.66578
2773.201
0.055448
0.724359
一氧化碳
7.685881
215.2846
4.92E-03
二氧化碳
6.908657
304.0486
4.42E-03
对苯二甲酸
1.036299
172.1636
6.63E-04
乙酸
62.23238
续表3-4
丙醛
0.777224
45.14119
4.97E-04
1563.021
表3-5相对分子质量M
56
70
18
32
28
44
60
58
166
进料混合平均相对分子质量:
出口混合平均相对分子质量:
表3-6密度
名称
密度ρ
(kg/m3)
临界温度
Tc(k)
临界压力(MPa)
临界压缩因子Zc
1.377082
566
3.68
0.253
续表3-6
1.09934
428.6
4.1
0.274
0.352962
440
4.6
0.262
0.547599
132.92
3.499
0.299
0.039413
1
0.547532
530
4.25
0.246
0.860687
838.8
5.891
3.382413
126.2
3.4
0.289
1.18024
154.58
5.043
0.288
乙醛
1.139761
883.6
3.486
0.201
0.6256
304.21
7.383
混合物密度:
(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,此模型为拟均相模型。
1)动力学方程
A:
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169.7kJ/mol,最终得到该反应的动力学方程为:
2)物料衡算式
FA0:
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,m
其中反应器直径计算用公式
计算得:
代入数据积分得:
取反应管长为8m。
3)其他设计:
反应列管:
φ35×
2
反应管根数:
取反应管根数4880根。
反应器壁厚的计算:
δ:
圆筒的计算,mm
P:
圆筒计算压力,MPa
D:
圆筒的内径,mm
[σ]′:
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20mm。
反应器内径:
3660mm。
※反应器质量
选择16MnR为材质,其密度约为7850kg/m3。
反应管质量m1=viρin
Vi:
反应管体积,m3
ρi:
材质密度,kg/m3
n:
反应管根数
代入数据得
m1=viρin=7938.95kg
筒体质量m2=VRρi=904.6kg
封头取标准椭圆封头,内径DN=3660mm,厚度δ=20mm,曲面高hi=925mm,封头直边高h=50mm.
封头质量按
代入数据m3=1323.16kg
反应器主体质量m=m1+m2+2m3=11483.87kg
附件以主体质量的0.2倍计算,
则反应器总质量m总=13780.64kg
※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:
101KPa10oC
液态水Cp=4.184KJ/(kg·
K)
饱和水蒸气潜热r=2051.0KJ/kg
采用AspenPlus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GH2O,out=27000kg/h,冷却水进口的质量流量为GH2O,in=27000kg/h。
取液态水的进口流速为1m/s,进口管口直径为100mm。
换热介质出口的温度为85oC,出口流量为液态水进口流量1m/s,出口管径为100mm。
(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1m。
板厚10mm。
3.1.2MMA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
空气进料
甲醇进料
MAL进料
质量流量(kg/h)
49893.46
69712
7451
摩尔流量(kmol/h)
1727
2174
107
反应条件
T=70oC
P=0.3MPa
根据Aspenplus模拟结果可知反应器出口物料组成如表3-8所示
表3-8出口物料组成
物质
MMA
7942.8
79.4
MAL
1341.4
19.1
H2O
2567
142.5
甲醇
66894.5
2087.7
空气
48554.4
1681.7
(2)操作条件
反应温度为:
70oC醇醛质量比为:
10:
压力为:
0.3MPa
※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:
式中:
r:
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:
即为:
式中
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 甲基丙烯酸 生产工艺 毕业设计 设备 选型 布置