8萬噸/年丙烯酸項目初步設計——合成工段工藝設計論文題目：年產8萬噸丙烯酸項目初步設計——合成工段工藝設計姓名：學號：學院：專業：指導教師：完成時間： 摘要本設計在查閱大量的文獻的基礎上，研究了國內和國外的丙烯酸的生產情況，研究了丙烯酸的生產原理和工藝方法。通過對多種生產方法的對比確定了本設計生產丙烯酸的工藝路線為丙烯兩步氧化法制丙烯酸。在此工藝路線的基礎上對丙烯酸合成工段進行了模擬。使用AspenPlus過程模擬軟件模擬出合成工段的各項數據。對反應器進行了設備設計，對換熱器、吸收塔、離心泵等設備進行了選型。同時進行了丙烯酸合成工段設備平面布置。完成整個丙烯酸合成工段的初步設計。關鍵詞：丙烯酸；兩步氧化法；合成工段；固定床反應器

AbstractThedesignofalargenumberofdocumentsonthebasisofapreliminaryunderstandingofthedomesticandforeignproductionofacrylicacid,andasimplegraspoftheacrylicproductionprinciplesandprocessmethods.Throughthecomparisonofavarietyofproductionmethodstodeterminethedesignandproductionofacrylicacidacrylicoxidationprocessforthetwo-stepoxidationprocess,Onthebasisofthisprocessroute,theacrylicsynthesissectionwassimulated.TheAspenPlusprocesssimulationsoftwarewasusedtosimulatethedataofthesynthesissection.Theequipmentdesignofthereactor,theheatexchanger,absorptiontower,centrifugalpumpsandotherequipmentwereselected.Atthesametimetheacrylicsynthesissectionoftheworkshoplayout.Completetheinitialdesignoftheentireacrylicsyntheticsection.Keywords:acrylicacid;two-stepoxidation;synthesissection;fixed–bedreactor

目錄前言 1第1章文獻綜述 21.1丙烯酸簡介 21.1.1丙烯酸物理性質 31.1.2丙烯酸化學性質 31.1.3丙烯酸的國內外生產現狀 31.2生產規模和產品方案 71.2.1產品方案和生產規格 71.2.2產品質量 81.3工藝技術方案的選擇 81.3.1工藝路線 81.3.2丙烯酸生產工藝路線的比較與選擇 121.3.3丙烯兩步氧化法工藝流程及反應器 121.4本設計研究的內容 14第2章流程模擬及物料和熱量衡算 152.1生產流程模擬 152.2物料及熱量衡算 152.2.1固定床反應器R1101和R1102模擬及結果 152.2.2吸收塔T-1110模擬及結果 172.3生產工藝流程模擬優化 18第3章設備設計及其選型 203.1固定床反應器設計 203.1.1反應器概述 203.1.2反應器選型 203.1.3催化劑型號選取 203.1.4反應器設計計算 213.1.5反應器強度校核 263.2相關塔設備初步設計 303.2.1塔設備初步計算與選型 303.3換熱器設計 333.3.1換熱器設計 333.4泵選型 363.4.1各類泵的性能參數 363.4.2泵(P101)的具體選型 36第4章車間布置 394.1設計原則與依據 394.2車間布置設計 394.3單元設備布置方法 404.3.1固定床反應器布置 404.3.2塔設備布置 414.3.3換熱器布置 414.3.4泵的布置 42結論 43謝辭 44參考文獻 45附錄 47前言本次設計的題目為年產8萬噸丙烯酸項目初步設計中合成工段工藝設計。丙烯酸是一種應用前景巨大的有機化工原料。在化工生產中占有重要的地位。我國對丙烯酸的消費量逐年增加。研究丙烯酸的生產原理和工藝方法至關重要。世界上丙烯酸的生產方法有10種左右。考慮到各方面的因素，本次設計選用丙烯兩步氧化法。使用模擬軟件對合成工段進行模擬計算，并且對反應器進行了設計和對其他設備進行選型。本設計結果對丙烯酸生產過程操作參數的優化有指導意見。

第1章文獻綜述1.1丙烯酸簡介丙烯酸是重要的有機原料。丙烯酸是最簡單的不飽和羧酸之一，重要的有機化工中間體，丙烯酸類化合物和共聚物都是用丙烯酸生產的，丙烯酸組成是乙烯基和羧基組成的[1]。本文主要對國內外丙烯酸的生產和產能進行了分析，然后選擇了丙烯酸合成催化劑的工藝和催化劑的選擇，以幫助丙烯酸的氧化合成丙烯酸。丙烯酸作為一種重要的有機化工原料，近年來丙烯酸及其酯發展迅速，已成為聚丙烯、丙烯腈、環氧丙烷等產品，作為工業丙烯的主要衍生物[2]。丙烯酸根據雜質的多少可分為兩類，一個是粗粗丙烯酸丙烯酸，幾乎所有用于生產丙烯酸酯，丙烯酸結構可分為通用型特種丙烯酸和丙烯酸，廣泛應用于涂料、土木工程、包裝材料、水處理、采礦、石油生產、冶金等行業。另一個是高純度的丙烯酸，主要用于丙烯酸共聚物和聚丙烯酸的生產，產品主要用于高吸水性樹脂、絮凝劑、分散劑和增稠劑等生產，洗滌劑[3]。丙烯酸行業的產品鏈見圖1.1。圖1.1丙烯酸行業產品鏈1.1.1丙烯酸物理性質表1.1丙烯酸物理性質相對蒸汽密度（空氣=1）飽和蒸氣壓（kpa）燃燒熱（kJ/mol）引燃溫度（℃）黏度（mPa.s,25℃）相對密度（20℃，4℃）2.451.33（39.9℃）-1366.93601.1491.0501.1.2丙烯酸化學性質1．易燃，丙烯酸蒸汽和空氣可以形成爆炸性混合物，如遇火災，高熱可引起爆炸。氧化劑反應強烈。遇高熱，會發生聚合，釋放出大量的容器破裂引起的熱爆炸。遇熱、光、濕氣、過氧化物和鐵容易引起爆炸。

2．具有雙鍵和羧基官能團，可以加入反應、官能團反應和酯交換反應，可以制備多環化合物和雜環化合物，容易由氫還原為丙酸，將堿分解為甲酸和乙酸。

3．丙烯酸具有強腐蝕性，中等毒性。丙烯酸水溶液或高濃度的蒸汽會刺激皮膚和粘膜。1.1.3丙烯酸的國內外生產現狀1.國內生產現狀在二十世紀三十年代，丙烯酸實現工業生產，丙烯酸的工業生產方法有氰乙醇、丙烯腈水解、烯酮法、羰基合成法、丙烯氧化法，前四種方法由于的技術和經濟上的原因，基本上消除了。丙烯氧化法是在上世紀60年代發展的生產方法，該開始分為一步法和二步法[4]。在二十世紀八十年代后新擴建的丙烯酸裝置采用兩步丙烯氧化法。中國的丙烯酸及酯生產開始于二十世紀六十年代，但使用的方法是丙烯腈水解，規模小，生產品種少。到上世紀70年代還只有幾千噸的丙烯酸及酯生產廠。北京東方化工廠1978年首次引進日本催化劑化工公司萬噸丙烯酸酯及酯成套生產設備（該裝置正式投產1984）。自上世紀90年代初以來，中國的丙烯酸及酯市場具有巨大的潛力和良好的發展前景，由于中國增加了丙烯酸及酯的供給和需求。這增加了國內外投資者投資丙烯酸和酯項目的熱情[5]。吉林化工股份有限公司（1992）和華藝丙烯酸有限公司（1994）引進了三菱油基丙烯酸酯和酯生產廠。隨后，北京東方化工廠擴大規模，引入丙烯酸及酯裝置的第二和第三套后，使得中國的丙烯酸及酯生產取得了巨大的發展[6]。2000以來，腈綸工業的發展更加迅速。華藝上海腈綸廠對引進技術消化吸收的基礎上，對丙烯的選擇性氧化催化劑的蘭州石油化工研究院自主開發，建成30000噸/年丙烯酸及酯項目，以及后來在丙烯酸及酯項目的基礎上，逐步建立了兩套10000噸級丙烯酸裝置。揚子石化-巴斯夫股份有限公司建設的丙烯酸和酯聯合工廠在2005年六月投入運營。江蘇裕廊化工有限公司投資建設了兩套設備，分別有45000噸/年丙烯酸和60000噸/年丙烯酸丁酯裝置于2005年初投產。這兩套采用德國巴斯夫的專利技術設備，是中國最大的單套丙烯酸及酯生產設備[7]。臺塑集團于2006十月在寧波建設了160000噸/年的丙烯酸裝置也投入運營，采用日本催化劑技術。藍星子公司和沈陽石蠟化工公司建立兩套丙烯酸酯和酯連接設備分別為80000噸/年丙烯酸和130000噸/年丙烯酸在2006年底完成并投入生產。日本三菱化學株式會社轉讓丙烯酸及酯技術使中國化工集團公司在山東省廣饒縣投資的丙烯酸及酯項目，包括60000噸/年丙烯酸和40000噸/年丙烯酸在2004年十月開車。截至2014年底丙烯酸及酯項目達到首期設計規模，丙烯酸的年產量達到920000噸。蘭州石化80000噸/年丙烯酸裝置和浙江衛星集團丙烯酸裝置也將投入運營。2015年中國的丙烯酸產業具有770000噸/年的生產能力被釋放（包括浙江衛星320000噸/年，福建沿海60000噸/年，萬州石化80000噸/年，山東宏鑫80000噸/年，揚子石化-巴斯夫190000噸/年）。截至2016年底，中國的丙烯酸生產企業16個，總容量268萬噸/年，產量195萬噸，開工率71.8%。從2014到2016，丙烯酸年產量和生產能力年均增長率分別達到18%和18.6%。從長遠來看，中國的丙烯酸及酯類產品仍有很大的發展空間[8]。2.中國丙烯酸消費情況在過去的十年中，丙烯酸單體消費加速增長，因為城市化進程的加快，2010-2020年預計將增加約15%單體丙烯酸平均表觀消費量，中國的丙烯酸產業有望迎來十年的快速發展。國內丙烯單體消費量在2008達到100萬噸，在2009達到146萬噸。從下游需求方面來看，中國的丙烯酸單體的未來需求很強[9]。丙烯酸涂料因其優異的性能和環保性而被廣泛使用。2009年國務院常務會議通過的十大產業振興規劃和房地產市場的回暖，家電下鄉、汽車下鄉支持使得業界的涂料行業發展機遇受到強烈的刺激，中國的涂料產量達到755萬噸在2009年，需求增長將超過20%，丙烯酸單體在400000噸左右的消費。目前，最有前途的深加工產品是SAP，SAP占30%丙烯酸比國際消費，而國內只有17%左右，近年來加入SAP的衛生產品呈快速增長[10]。國際上聚丙烯酸鈉已被廣泛應用于水污染的替代品，大型磷洗滌助劑，年消費量超過4000萬噸，在聚丙烯酸酯國內需求近年來也很大，因為近年來非磷洗滌劑中國推廣。根據丙烯酸和市場需求的新的生產能力，國內供應和丙烯酸為圖1.2所示的需求，可以大膽預測未來幾年國內丙烯酸市場在未來幾年前景不太光明[13]，丙烯酸工廠的開工率將維持70%-80%。圖1.22004～2012年國內粗丙烯酸供需及開工率3．國外生產現狀上世紀90年代以來，從事丙烯酸及其酯生產的企業不斷擴大產能。由于與丙烯酸超吸水性和家庭洗滌劑添加劑的發展和普及，在世界上形成丙烯酸及其酯設備的建設熱潮投資。公司競相做市場的弄潮兒。2006至2010年來，新增產能的全球只有440000噸的生產能力，可以清楚地看到，自2006以來，世界丙烯酸單體生產能力增長放緩顯著。但許多化工生產丙烯酸和酯下游領域的不斷擴大，不斷增長的需求，開始有針對潛在市場投資新的或擴大（見表1.2），亞洲是主要焦點，2016全球丙烯酸生產能力超過600萬噸/年[13]。表1.22011-2016年全年丙烯酸新增產能情況公司名稱裝置地點產能/（萬噸/年）建設時間浙江衛星中國嘉興122011年6月江蘇裕廊中國泰州482011年10月宜興三木中國泰州122011年12月上海華誼中國402012年10月中海油中國惠州162012年3月揚子巴斯夫中國南京162013年6月齊魯開泰中國東營162013年11月臺塑（寧波）中國寧波162013年8月煙臺萬華中國煙臺162014年12月神華陶氏中國榆林162015年3月燕山石化中國北京16意向中石化湛江中國湛江16意向中化泉州石化中國泉州16意向LG化學韓國麗水162012年7月印尼（觸煤）印尼82013年9月Danmman7沙特朱拜勒182012年11月陶氏化學沙特朱拜勒162013年5月巴西EK巴西82014年4月印尼化學印度82016年9月合計330目前世界15個國家或地區，近30家公司生產丙烯酸，主要在美國，西歐，亞洲，南非。2005，丙烯酸酯總消費量為314萬5000噸，世界丙烯酸總消費量為336萬1000噸。美國、西歐、日本和中國是主要的消費領域，約占世界總量的80%。2006至2009世界丙烯酸總需求量以年均超過200000噸的年增長率達到460萬噸。從2011到2015，全球丙烯酸需求量以5%的速度增長。新的生產能力分布的全球丙烯酸單體單元從2011到2015，如表1.3所示。今后，發展中國家將成為丙烯酸產品的主要需求市場，因為世界上發展的丙烯酸設備經過幾十年的發展，已基本滿足當地市場需求。例如，中東有原材料的優勢，中東目前正在建設丙烯酸及酯項目有兩個，這兩個項目是建立在沙烏地阿拉伯朱拜勒，一個是沙特丙烯酸單體生產廠，另一個是達曼石油化工有限公司生產設備。2013，沙特丙烯酸單體公司建成了年產360000噸/年丙烯酸和酯的組合（含通用丙烯酸酯和160000噸/年丙烯酸類丙烯酸樹脂）。沙特阿拉伯大漢石化有限公司的項目包括400000噸/年丙烯酸及酯合成設備、200000噸/年丁醇廠，預計總投資10億美元。其中400000噸/年丙烯酸及酯廠含酯化噸/年丙烯酸、20000噸/年丙烯酸辛酯、180000噸/年丙烯酸丁酯、25000噸/年丙烯酸甲酯。2011年初工程完成項目設計，二月竣工投產。此外，巴西、印度等新興經濟體也加入了丙烯酸行業的競爭。2013年巴西的EK的160000噸/年丙烯酸及酯廠（其中80000噸/年酯化級丙烯酸和80000噸/年通用丙烯酸裝置）投產。表1.32011～2016年全球丙烯酸單體裝置新增國家CAA產能AE產能中國136120韓國1610沙特3442印度4052巴西88合計2342324．國外丙烯酸消費情況丙烯酸需求增長在世界是4%至5%，根據全球每年的需求為5%，全球每年的需求至少約200000噸。亞洲特別是中國的需求強勁，印度和南洋的需求增長高，而中國的需求增長率約為15%。2009年丙烯酸的全球需求量約為430萬噸/年，產量為460萬噸/年，2012年為492萬噸/年，2015年全球需求量為520萬噸/年。受金融危機的影響，除了中國，自2009以來，全球需求的有機增長下降，隨著全球經濟復蘇，丙烯酸需求恢復較快。在2009球丙烯酸工廠開工率達到84%2014世界新的丙烯酸生產能力只有日本觸煤達到80000噸/年，2016全球丙烯酸裝置開工率將達到88%[14]，自2006，逐步釋放新的能力將不斷增長的需求消化達到最高點，將在未來幾年來，開工率保持在80%以上。1.2生產規模和產品方案1.2.1產品方案和生產規格1.產品方案本次設計是以丙烯為原料來生產丙烯酸，反應器入口的物料組成主要是：新鮮的空氣、丙烯氣體。第一段反應的產物主要有：丙烯醛。第二段反應的主要產物有：丙烯酸、丙烯酸酯。2.生產規格（1）產品產量：年產8萬噸丙烯酸；（2）第一段反應器和第二段反應器中丙烯酸等產物的損失均為3%，其中2%的丙烯酸生成丙烯酸酯。1.2.2產品質量本次設計生產的產品主要為99.9%的丙烯酸產品。1.3工藝技術方案的選擇在上世紀30年代開始工業生產丙烯酸，丙烯酸的生產方法是丙烯腈水解，乙炔羰基合成、氰乙醇、乙烯和丙烯氧化法等，近年來已經有一些利用生物方法制備丙烯酸。1.3.1工藝路線（1）氯乙醇法最早的丙烯酸生產方法是氯乙醇法的應用，1927在德國和1931在美國與氯乙醇的乙醇生產廠的建立，對丙烯酸的生產。該方法是在堿性催化劑與氯乙醇和氰化鈉為原料生產氰乙醇的存在，然后在硫酸存在下的氰乙醇脫水生產丙烯腈，最后水解（或酒精）得到丙烯酸酯。式（1.1）式（1.1）（2）氰乙醇法氰乙醇法是在氯乙醇法基礎上發展而來，環氧乙烷和氫氰酸合成生成氰乙醇。式（1.2）式（1.2）此法的生產裝置羅門哈斯公司(Rohm&Haas)和美國聯碳公司(UCC)等都有過采用。（3）高壓Reppe法德國的Dr.Walter在20世紀30年代率先開發成功Reppe法生產丙烯酸。該法為乙炔和一氧化碳的淡基合成法。在催化劑鎳鹽的作用下乙炔、一氧化碳和水生成醋化級丙烯酸，再與醇反應生成丙烯酸醋。式（1.3）（（1.3）式（1.3）（（1.3）BASF公司于1956年采用此方法生產丙烯酸。（4）改良Reppe法該法是在Reppe法的基礎上改進而形成的。CH2=CH-COORCH2=CH-COOR式（1.4）當x=1，即為Reppe法；當x<l，即為改良Reppe法，通常x可取0.2。羅門哈斯公司(Rohm&Haas)在20世紀50年代中期用此法進行工業化生產，后改用丙烯直接氧化法。BASF公司也采用過改良Reppe法進行丙烯酸生產，催化劑采用的是CuBr2和NiC12體系。式（1.5）式（1.5）（5）烯酮法該法采用乙烯酮(由丙酮和醋酸為原料制得)與無水甲醛反應生產β-丙內醋，熱磷酸與β-丙內醋接觸異構化生成丙烯酸，與醇和硫酸處理由生成丙烯酸醋。式（1.6）式（1.6）（6）甲醛一乙酸法由于石油價格在20世紀70年代高漲，工業上開始尋求以非石油原料路線生產丙烯酸，甲醛一乙酸法隨之出現。式（1.7）式（1.7）（7）丙烯腈水解法丙烯氨氧化生產丙烯腈在20世紀60年代得到發展，因為丙烯腈來源豐富，所以，出現了以丙烯腈為原料合成丙烯酸的工藝。由于丙烯腈是由丙烯制得，因此此法實質上是間接的走了丙烯路線。式（1.8）式（1.8）丙烯腈在200-3000℃下，可水解生成丙烯酸。式（1.11）式（1.9）式（1.10）式（1.11）式（1.9）式（1.10）CibaSpecialtyChemicals公司、日本旭化成公司、Celanese公司曾使用此法生產丙烯酸，后轉為丙烯氧化法生產。（8）乙烯法該法用乙烯為原料，催化劑為鈀，合成得到丙烯酸。式（1.12）式（1.12）1973年美國聯合石油公司使用該方法建成工業化裝置。（9）丙烯直接氧化法丙烯直接氧化法分為一步法和兩步法兩種。一步法的反應為:式（式（1.13）兩步法的反應為:第一步主反應：CH2＝CH-CH3+O2→CH2=CH-CHO式（1.14）第一步副反應：CH2＝CHCH3+1/2O2→CH2=CHCOOH式（1.15）2CH2＝CHCH3+15/2O2→3CO2+3CO+6H2O式（1.16）第二步主反應：CH2＝CHCHO+1/2O2→2CH2=CH-COOH式（1.17）第二步副反應：2CH2＝CHCHO+11/2O2→3CO2+3CO+4H2O式（1.18）4CH2＝CHCHO+O2+2H2O→4CH2O+CH3CHO式（1.19）（10）丙烷氧化法近年來出現了丙烷氧化法生產丙烯酸生產工藝。該方法原料為丙烷，催化劑為金屬氧化物(如Mo-Sb-V-Nb-K等金屬氧化物混合物)，丙烷氣相氧化制備丙烯酸。（11）環氧乙烷法原料為環氧乙烷與一氧化碳，合成生產丙烯酸，選擇性可達90%。該方法也是近來出現的合成方法[16]。除了上述的11種方法，目前流行的生物合成丙烯酸合成半合成和全生物法、半合成生物與化學相結合的方法，使生產過程從傳統的化學法，生物法的過渡可以逐步實現由可再生資源替代化石資源。還有一種方法是以可再生資源為原料，利用生物技術將其轉化為生產丙烯酸中間體，然后通過化學方法將中間物質轉化為丙烯酸。此外，還有一種研究思路是將化石資源作為底物進行發酵，這種生產方法比工業兩步氧化法也能實現節約能源。目前，丙烯酸的半合成研究主要包括乳酸的化學脫水和丙烯腈、丙烯酰胺的轉化等。雖然丙烯酸的半合成具有減少環境污染，簡化生產工藝比傳統的化學合成法的優點，還存在一些問題，如丙烯腈、丙烯酰胺和獲得仍然需要基于化石燃料。生物法制丙烯酸可替代目前使用的石化生產丙烯酸，以適應社會可持續發展的要求，有利于能源的合理利用。1.3.2丙烯酸生產工藝路線的比較與選擇生產工藝路線的比較與選擇如表1.4表1.4工藝路線比較與選擇工藝方法優缺點是否選用氯乙醇法投資較少，但毒性較大否甲醛一乙酸法工藝尚不成熟否乙烯法工藝不成熟，處于研發階段否丙烯腈水解法工藝比較復雜，且投資高否環氧乙烷法工藝上不成熟否丙烯兩步氧化法工藝成熟，投資少否通過表1.4可以很直觀的看出目前丙烯酸合成工藝成熟的工藝路線是丙烯兩步氧化法。1.3.3丙烯兩步氧化法工藝流程及反應器1.氧化反應工藝流程目前工業上丙烯酸氧化過程可分為兩種類型，一種是“單向法”，即反應氣體一次通過反應器催化劑床，分離后的目標產物。原材料和惰性氣體及副產品排放。另一種是“循環法”，它需要一部分的反應后的氣體（廢氣）的吸收過程返回到反應器入口，與添加的新鮮空氣和新鮮的丙烯氣體混合，以形成所需的反應器入口氣體[17]組成。回收過程“有兩個好處：第一，為了未反應的丙烯再利用，第二是通過水蒸氣豐富的廢氣吸收，提供必要的水分，以避免“單向”濕鏈接，同時減少水蒸汽量。近年來，有一個過程的廢氣再循環后，被燒毀，然后部分地循環到反應器入口，也可以被視為“循環的方法”，這是為了減少反應器的入口氣體含量。本次設計采用的是“循環法”，循環法工藝的流程示意如圖1.3。圖1.3循環法工藝流程簡圖2．丙烯氧化反應器立管式恒溫反應器是世界大型丙烯酸廠家用于丙烯氧化反應器，管數可根據設備的能力，從幾千到幾萬，管催化劑，管（熱載體），熱熔鹽一般使用（由硝酸鉀、亞硝酸鈉或少量其他物質混合組成），熱容量和熱傳輸系統是大的，有個別廠商采用導熱油。丙烯氧化反應器一般由配置分離，也就是由一系列的兩個、兩個部分組成的兩個反應器，有兩個反應器在一個配置。對于反應器的單獨配置，通常在反應器出口前的驟冷裝置，丙烯酸氣體冷卻，以防止反應器出口氣體丙烯醛在高溫自氧化[18]。熱載體在殼體的循環中循環和循環的內循環的目的是允許在折流板反應器殼體的熱載體的快速循環保證了丙烯氧化反應釋放熱量迅速撤回通過熱載體，也為了保證軸向反應器殼體的徑向溫度分布和均勻性，這是通過軸流泵與反應[19]綜合完成。外循環可以通過單獨的輸送泵或內部循環材料的導流來實現。其作用是將熱載體的熱量傳遞給廢熱鍋爐進行回收，并通過調節外循環的流量來達到控制反應溫度的目的。（見圖1.4）。圖1.4氧化反應器圖1.4本設計研究的內容本設計以丙烯為原料合成丙烯酸工藝為研究對象，目的是為了設計出一個年產8萬噸丙烯酸的完整流程。首先對丙烯酸的物理性質和化學性質進行初步了解，然后對國內外合成丙烯酸工藝進行分析比較，結合實際需要選擇了一套經濟實用的工藝方法：丙烯兩步氧化法，所選工藝流程采用循環法工藝流程。丙烯氧化采用Mo-Bi系或Mo-Co系催化劑,丙烯醛的單程收率約為80%[20]。丙烯醛進一步氧化采用Mo,W,V,Fe系催化劑,丙烯酸單程收率高于90%。第2章流程模擬及物料和熱量衡算2.1生產流程模擬整體模擬流程圖見下圖2.1所示：圖2.1化工流程模擬軟件AspenPlus模擬流程圖原料丙烯、水和空氣分別從儲罐中出來，經換熱器蒸發后進入到混合氣中混合均勻。從混合器中出來后，進入到第一段反應器中，進行反應，反應條件為溫度：340℃，壓力：1.8bar。反應得到的產物經冷卻器冷卻后，輸送至第二段反應器中反應。同時由反應器頂部輸送物料空氣進來參與反應。反應的條件為溫度：260℃，壓力2bar。反映得到的產物經換熱器輸送到水吸收塔，主要是吸收產物中未反應完的原料。同時調節體系中的PH體系，便于后面的精制工段。吸收塔中的水由外界輸送進去，產物吸收后將得到的產品有底部排出并送入丙烯酸的精制工段。塔頂排出廢氣至三廢處理。2.2物料及熱量衡算2.2.1固定床反應器R-1101和R-1102模擬及結果1．反應器R-1101生產模擬流程圖2.2合成反應段流程模擬2．物料及能量衡算固定床反應器R-1101模擬的物料及能量衡算的結果如下表所示：表2.1反應器R-1101物料衡算數據流入物料4流出物料5溫度℃125.3340壓力bar1.61.8氣相分率11質量流量kg/hr6283062830體積流量m3/h43628.8859779.69熱負荷Gcal/hr-13.143-13.143質量流量kg/hr丙烯800080氧氣12577.526037.939水8304357.653氮氣41422.4841422.48丙烯醛010125.5甲酸0228.3333.反應器R-1102生產模擬流程圖2.3合成反應段流程模擬4．物料及能量衡算固定床反應器R-1102模擬的物料及能量衡算的結果如下表所示：表2.2反應器R-1102物料衡算數據流入物料6流入物料7流出物料8溫度℃230125260壓力bar272氣相分率111質量流量kg/hr628301350076330體積流量m3/h44127.42213.77555205.73熱負荷Gcal/hr-15.625-9.806-25.431質量流量kg/hr丙烯80080氧氣6037.9393144.386162.706水4357.65304422.726氮氣41422.4810355.6251778.1丙烯醛10125.500甲酸228.3380228.3332.2.2吸收塔T-1110模擬及結果1．模擬流程圖見圖2.4所示圖2.4吸收塔流程模擬圖2．物料及能量衡算表2.3吸收塔T-1110物料衡算數據流入物料9流入物料10流出物料11流出物料15溫度℃1703865.260.5壓力bar21.81.11氣相分率1001質量流量kg/hr763302120029224.27668305.724體積流量m3/h45854.7621.60330.33971824.46熱負荷Gcal/hr-27.373-80.04-76.018-31.395質量流量kg/hr丙烯8002.84877.152氧氣6162.706010.8226151.884水4422.7262120016055.99566.828氮氣51778.1037.31151740.79丙烯醛0000甲酸228.33301228.33302.3生產工藝流程模擬優化生產工藝流程模擬的最終目的是為了優化生產流程，以達到某方面的效益最佳，如經濟效益最好、節能效果最佳等。在建立全過程仿真過程中，優化參數。這些參數包括每個吸收塔板的數量，吸收劑的用量和操作條件。這里我們將舉例說明優化操作過程中一些典型設備在工藝優化過程中，如吸水塔對塔板數的優化過程。板的數量增加，雖然較好的主要副產物如丙烯醛的吸收作用，但更大的設備的成本，并在一定程度上，當塔板數大于一定值時，丙烯醛的吸收不必用的板數的增加改變。因此，合理的板數對工藝模擬非常重要。橫坐標是板的數量，和縱坐標是回流比。優化結果見圖2.5所示：圖2.5水吸收塔理論塔板數的優化曲線圖由上圖可以看出，當理論塔板數為29塊時，回流比最小，塔頂不凝氣中丙烯醛的含量降到最低點，并且隨著塔板數的在增加，不凝氣中的丙烯醛含量并沒有發生進一步的降低變化。所以，我們據此可以確定，水吸收塔在當前吸收劑用量和操作條件下，最優的理論塔板數為29塊。

第3章設備設計及其選型3.1固定床反應器設計3.1.1反應器概述化工生產過程中的中心部分和設備是化學反應過程和反應器，所以反應器的設計往往占有重要的地位。由于反應器單元涉及到許多復雜的過程，如傳熱、溫度變化、反應速度不穩定等，都會影響產品的產量和質量。因此，反應器一直是化工設計中的一個問題。3.1.2反應器選型反應器的種類很多，按結構可分為固定床、釜、流化床塔、管。每個反應器都有其自身的特點，需要結合反應器的特點進行綜合分析，做出合理的選擇。在本設計中，該反應器為列管式固定床反應器。因此，反應器類型被設置為固定床反應器。固定床反應器的特點是：返混小，轉化率高，催化劑少，催化劑不易磨損。列管式固定床反應器如圖3.1所示。圖3.1列管式固定床反應器3.1.3催化劑型號選取催化劑是丙烯兩步氣相催化氧化法生產丙烯醛、丙烯酸核心，早期經驗的Cu2O，CuSeO3和SB-U和其他類型的變化。二十世紀70年代來，美國美孚石油公司成功研制出鉬鉍基復合金屬氧化物催化劑，并逐步成為丙烯氣相催化氧化丙烯醛基催化劑。目前，丙烯氣相催化氧化技術的公司包括日本催化劑化工公司、三菱化學公司和巴斯夫公司。工業上廣泛使用的丙烯醛催化劑主要是鉬雙金屬元素，包括鎢、鐵、堿金屬和堿土金屬元素如金屬氧化物催化劑等。日本三菱化學氧化催化劑使用壽命長，選擇性高，一般可達四年以上，二者可保證使用六年。丙烯轉化率達到98%以上，二段丙烯醛轉化率達到99%以上，催化劑強度高，無粉末現象。本設計選用三菱化學催化技術。催化劑主要性質如表3.1：表3.1催化劑主要性質外觀柱狀、七孔、成品為灰色尺寸（可根據裝置反應管參數調節）/mm外徑8.0～9.5長7.5～9.0內孔直徑1～2平均壓碎強度（側向）/(N·粒-1)≥80磨損率，%（質量分數）≤15堆密度（與反應管內徑有關）/(Kg·m3)800±50銀含量，%28.0±1.03.1.4反應器設計計算1．計算催化劑床層體積、直徑及高度對于第一反應器：查看物流信息得V氣=43628.88m3/h床層體積：

Sv床層直徑：

D=4V取第一段反應器筒體直徑為5m。其中u為空床操作氣速，取1m/s。催化劑顆粒平均粒徑取4.1mm，床層孔隙率ε取0.48。床層高H=V床圓整，取4.8m。第二段反應器V氣=44127.4m3/h床層體積：

床層直徑：

D=取第二段反應器直徑為5m。其中u為空氣操作氣速，取1m/s。催化劑平均粒徑取5mm,床層孔隙率ε取0.48。床層高度：

H=圓整，取4.5m。反應管數采用管子φ30×2.5管長為5m。一段反應器催化劑的填充高度H為4.76m。二段反應器催化劑的填充高度H為4.19m。所以，第一段反應器的管數n。

n=V第二段反應器的管數n。n=反應器材料：由于丙烯酸具有較強的腐蝕性，本設計選用一般等級的不銹鋼Q345R。2．反應床層壓力降的計算查閱物流信息得一段反應器入口質量為62830kg/h，二段反應器入口質量流量為76330kg/h。第一段反應器質量流速：

G=m雷諾數

Re=修正雷諾數

R所以ReM=1607.21>1000固定床壓力降計算公式：式（2.7）當ReM>1000時，為充分湍流。式（2.8）所以ΔP=50026Pa=50.026kPa第二段反應器G=mnπ4d2=修正雷諾數

RReM>1000所以=71216Pa=71.216kPa3．簡體與封頭壁厚的計算該反應器操作溫度為330℃，取設計溫度340℃，操作壓力0.18MPa,取設計壓力為0.2MPa,由于反應溫度較高，且反應為放熱反應，假設計算壁厚小于16mm，同時丙烯酸液體具有腐蝕性，選不銹鋼材質，一段反應器為牌號Q345R，二段反應器牌號為Q345R的不銹鋼。第一段反應器圓筒壁厚度計算：式（2.9）圓筒的計算壓力為0.2Mpa。查手冊，在設計溫度為340℃時Q345R的許應力[δ]t=87Mpa在制造中采用雙面焊對接頭和相當于雙面焊的全熔透對接接頭，且局部無損檢測。故焊接接頭系數值取0.85.所以δ=0.15×5000圓筒設計壁厚度δd=δ+Cδ=5.076+2=7.076mm圓筒的名義壁厚度，鋼板負偏差C1取0.8mm，為圓整值。計算可得名義壁厚度為7.876mm，由鋼材標準規格，取圓筒名義壁厚度為8mm。（1）封頭厚度計算，采用橢圓形封頭，其厚度計算公式為式（2.10）計算得δ=0.15×5000封頭設計厚度δd封頭名義厚度δn=按照JB/T4746-02橢圓封頭標準選擇所需的封頭曲面高度為1000mm，直邊高度50mm，質量3685.4kg。第二段反應器該反應器操作溫度為250℃，取設計溫度260℃，操作壓力0.2MPa,取設計壓力為0.25MPa。（1）圓筒壁厚度計算圓筒壁的計算壓力為0.25Mpa。查手冊，在設計溫度為260℃時Q345R的許應力[δ]t=93Mpa在制造中采用雙面焊對接頭，且局部無損檢測。故焊接接頭系數值取0.85.所以δ=0.15×700圓筒設計壁厚度，腐蝕裕量C2取2mm,則δ=6.65+2=8.65mm圓筒的名義壁厚度，鋼板負偏差C1取0.8mm，為圓整值。計算可得名義壁厚度為9.45mm，由鋼材標準規格，取圓筒名義壁厚度為10mm。（2）封頭厚度計算采用橢圓形封頭，其厚度計算公式為計算得δ=0.15×7000封頭設計厚度δd封頭名義厚度δn=按照JB/T4746-02橢圓封頭標準選擇所需的封頭曲面高度為1000mm，直邊高度50mm，質量3685.4kg。4．反應器外徑確定由公式反應管按正三角形排列，故式（2.11）

t=1.368d0=0.0410m所以D=2.3890m取整：D=2.4m通過以上計算，最終將計算所得的反應器各個參數附表3.2所示表3.2參數匯總表反應器參數單位計算值（R1101）計算值（R1102）管程設計壓力pMPa0.20.25管程設計溫度t℃340260殼程設計壓力pMPa0.20.25殼程設計溫度t℃340260反應管內徑dimm2525反應管厚度mm2.52.5反應管管數n根1226012087反應管管長Lmm50005000反應器外徑Dmm24002400反應器筒體壁厚mm1010封頭壁厚mm10103.1.5反應器強度校核對反應器的相關參數計算后使用SW6進行強度校核，得到下列數據。圖3.2固定床反應器校核圖3.3固定床反應器內筒校核圖3.4固定床反應器內筒上封頭校核由上面的校核數據可以看出反應器的相關參數合格，可以使用。

3.2相關塔設備初步設計3.2.1塔設備初步計算與選型對吸收塔T-1110進行選型，使用AspenPlus進行簡單的塔設備計算選型。在Aspen塔T-1110的下方，找到TraySizing選項，因為已知塔設備具體參數，所以輸入物料由第2塊板進入由34塊板流出，并設定板間距為0.6m。具體設定輸入值如圖3.5：圖3.5TraySizing中進行對塔T-1110初步設定設定完畢后，即進行對設定數據的模擬，可以得到以下的運行結果如圖3.6：圖3.6塔T-1110初步設定參數運行結果

在TraySizing的Results中我們可以得到，所設計的塔T-1110的直徑在3.25左右，為了下面對塔進行校核，因此此處選取3.45。在選取完塔的直徑后，我們進行對塔的校核。在TrayRating界面下，我們將已經得到的塔直徑參數輸入，其他相同數據設定值不變，在溢流堰高度設定值處，將其設定為50mm。設定數據輸入圖如下所示：圖3.7塔T-1110塔徑校核在Specs界面設定完畢后，點擊Layout進入下一設定界面。我們在Valvetray處選定ValvetypeV-1，輸入參數圖如下所示：圖3.8塔T-1110塔徑校核參數即進行對設定數據的模擬，可以得到以下的運行結果圖圖3.9塔T-1110塔徑校核運行數據表從運行結果中可知，校核中，最大液泛因子小于0.8；最大降液管液位，在0.2～0.5之間；停留時間大于4秒，所以符合設計要求。由上可知水吸收塔T-1110的塔徑為3.45m，還需塔高，所以下面進行對塔高的經驗計算：（1）塔板總高度H0塔頂空間高度H1=1m最后一塊板到塔底的距離進氣管頂部到最后一塊板的距離d1=0.5m進氣管管徑d2=0.6m進氣管底部到塔釜面的距離d3=0.5m所以H2=d1+d2+d3=1.6m（4）裙座高度H3（5）封頭高度H4（6）開孔高度H5所以塔高：H6=21+1+1.6+5+1.0+0.6=30.2m表3.3塔T-1110選型匯總表設備位號T-1110名稱水吸收塔類型篩板塔型號規格/mmΦ3450×30200數量1材料Q345設計壓力（bar）2.5設計溫度(℃)80內防腐是封頭形式標準橢圓封頭3.3換熱器設計3.3.1換熱器設計初步選定換熱器為列管式換熱器形式后，利用化工流程模擬軟件AspenPlus進行模擬計算，并利用計算所得數據進行ExchangeDesigners＆Rating初步設計，其設計結果如下：圖3.10換熱器設計表圖3.11換熱器設計表圖3.12換熱器模型圖3.13換熱器模型根據JB/T4715-92《固定管板式換熱器型式與基本參數》，對模擬數據進行圓整，并且考慮到熱損失等、換熱器面積選有余量。選定換熱器基本參數如下：公稱直徑為1524mm，換熱管長度為4267mm，管程數N=1，殼程數N=1，公稱壓力1.0Mpa，換熱面積為2588.8m2，換熱管規格為φ19×2，管子根數n=3339根，中間排管數61。換熱器選型結果見表3.4表3.4換熱器選型結果換熱器E101E104E106E107總傳熱系數（W/(m2·K)700.58886.06355.53164.97換熱量Q/kW476.5572.3207.02179.3換熱面積/m22588.81623.12679.53493.3殼內徑/mm500500500500殼程1111管內徑/mm15182019管長/m4.272.432.433.05腐蝕余量/mm1.5焊接頭系數0.850.850.850.853.4泵選型3.4.1各類泵的性能參數1．IH型化工離心泵(1)IH型泵是單級、單吸、耐腐蝕離心泵，供述不含固體顆粒、具有腐蝕性、或者粘結類似于水的介質，廣泛應用于石油化工、冶金、電力、造紙、食品、制藥等部門。(2)性能范圍流量Q6.3～400m3/h揚程H5～125m最高工作壓力1.6MPa介質溫度-20℃～150℃(3)型號意義IH50-32-160AIH—單級單吸化工離心泵50—泵入口直徑(mm)32—泵出口直徑(mm)160—葉輪直徑(mm)A—葉輪經第一次切割(B：葉輪經第二次切割)3.4.2泵(P101)的具體選型本次對泵的選型利用的是“智能選泵系統”軟件對泵進行合理選擇，其中P101的選擇過程如下面系列圖所示：圖3.14智能選泵圖3.15智能選泵結果圖3.16智能選泵結果圖3.17智能選泵結果從上面的軟件顯示我們得到該泵的性能參數如表3.5所示：表3.5泵P101的性能參數泵性能參數(泵P101)名稱取值單位流量123L/s揚程18.08m效率76.87％電動機功率37kW軸功率28.36kW轉速1450r/min公司廣東佛山水泵廠型號IS200-150-250第4章車間布置4.1設計原則與依據本設計依據：《石油化工企業設計防火規范》 GB50160-2008《建筑設計防火規范》GB50016-2014《化工裝置設備布置設計規定》HG/T20546-20094.2車間布置設計生產區包括反應器2臺、吸收塔5臺、換熱器6臺、泵2臺。車間采用露天布置，設置三層平臺。對于一般的框架或混合結構的多層廠房，常采用5m或6m的層高，最低不低于4.5m高度，結合本設計中設備規格的情況，層高采用6m。設備布置必須留出安全距離，常見設備布置安全距離如表4.1所示：表4.1設備布置的安全距離序號項目凈安全距離/m1泵與泵的間距不少于0.72泵與墻的距離至少1.23計量罐間的距離0.4～0.64泵列與泵列的距離不小于2.05儲槽與儲槽之間的距離0.4～0.66換熱器與換熱器之間的距離至少1.07塔與塔的距離1.0～2.08離心機周圍通道不小于1.59過濾機周圍通道1.0～1.810反應罐蓋上傳動裝置離天花板距離不小于0.84.3單元設備布置方法設備布置平面圖見下圖。圖4.1設備布置圖EL±0.000平面4.3.1固定床反應器布置固定床反應器通常是采用間歇操作，布置時要考慮便于加料和出料，液體物料通常經高位槽計量后依靠位差加入反應器中，氣體物料大多是從加料口加入反應器，反應器加料口離地面、樓面或操作平臺的高度為800mm為宜。反應器周圍的空間、操作平臺的寬度、與建筑物之間的距離取決于操作和維修通道的要求，反應器周圍設備的大小和布置、反應器基礎及建筑物基礎的大小、內部構件以及減速機與電動機維修時移動和防治空間的大小。多臺反應器應布置在一條中心線上，周圍留有放置催化劑盛器與必要的檢修場地。4.3.2塔設備布置大型塔設備占地大高度高，多數采用露天布置，用裙式支座直接安裝于地面基礎上。多個塔可按流程一排整齊布置，設備布置盡可能將設備，布置處于一條中心線上。其輔助設備的框架及接管安排于同一側，另一側作為安裝塔的空間預留。塔上設置平臺的布置，互相連接，既要便于操作又要起到結構上互相加強。塔的四周應分為操作區、通道區等布置，操作區專門對各種管道、閥門、儀表的布置。通道區可以布置走廊、樓梯、人孔等設備。塔的布置形式沒有統一標準，在滿足工藝流程的前提下，可以將塔高相近的塔采用相鄰布置。4.3.3換熱器布置化工廠中使用最多的是列管式換熱器有定型的系列圖可供選用,設備布置是將它們排列在適當的位置，確定軸承等安裝結構，噴嘴位置等。熱交換器的原理是遵循該過程并縮短管道的長度，因此其位置取決于與其緊密接觸的設備的位置。塔的熱交換器靠近塔，再沸器和冷凝器用大直徑的管連接到塔上，因此它應該靠近塔架放置，通常放置在塔的兩側。塔的回流冷凝器靠近油箱，但也靠近回油罐和回油泵。換熱器外殼和管道間隙為非絕緣外殼最小為50mm，最小絕緣為250mm。兩個換熱器外殼之間一般都有配管，但無操作要求時它們最小間距為750mm。塔和立式容器附近的換熱器，與塔和立式容器之間應保留有1m寬的通道。如果兩臺換熱器之間無配管，它們間最小距離為600mm。4.3.4泵的布置泵的集中布置應排列成直線，單排或雙排布置，但要注意操作和維護的便利。大型泵通常安排在房間內，易于維修。泵和泵之間的距離取決于泵的尺寸，一般不小于0.7m，雙排泵馬達與馬達端之間的距離不應小于2m，泵與墻壁至少