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甲基丙烯酸甲酯生产工艺毕业设计设备选型与布置992020年4月19日文档仅供参考 目录1. 前言1 1.1 MMA市场应用及前景1 1.2 MMA生产工艺2 1.2.1 丙酮氢醇(ACH)路线2 1.2.2 合成气法3 1.2.3 乙烯拨基化路线3 1.2.4 丙炔法4 1.2.5 异丁烯法4 1.3 本文MMA生产工艺路线的确定5 1.4 化工设备选型计算中使用的软件7 1.4.1 Cup-Tower对塔设备的选型7 1.4.2 智能选泵系统8 1.4.3 Aspen与EDR联用设计换热器9 1.4.4 化工设备布置图CAD设计9 1.5 项目概况10 1.5.1 项目名称10 1.5.2 拟建地址10 1.5.3 生产工艺10 1.5.4 原料及产品102. 工艺流程简介及模拟11 2.1 流程概述11 2.2 Aspen plus仿真模拟流程12 2.2.1 MAL合成工段的模拟12 2.2.2 MMA合成工段的模拟133. 设备设计计算及选型14 3.1 反应器的设计14 3.1.1 MAL合成反应器(R101)的设计14 3.1.2 MMA合成浆态床反应器(R201)的设计23 3.2 塔设备的选型与设计27 3.2.1 急冷喷淋塔简单设计计算27 3.2.2 cup-Tower对脱水塔的选型30 3.2.3 cup-Tower对吸收塔的选型33 3.2.4 MMA精馏塔设计36 3.3 换热器的选型52 3.3.1 换热器设计选型示例（E201的选型）52 3.3.2 换热器选型结果汇总57 3.4 泵的选型57 3.4.1 泵的设计选型示例（P201的选型)57 3.4.2 泵的选型结果63 3.5 储罐设计63 3.5.1 主要储罐的设计63 3.5.2 储罐设计结果一览表66 3.6 膜分离的简单设计66 3.6.1 膜分离工艺流程66 3.6.2 膜分离器选型与设计67 3.7 压缩机的选型69 3.7.1 选型示例69 3.7.2 压缩机选型结果69 3.8 设计图704. 环境保护与经济核算70 4.1 环境保护70 4.1.1 有害因素分析70 4.1.2 废物的处理措施71 4.2 经济核算结果735. 设计结果75 5.1 设备选型一览表（附后）75 5.2 设计图（附后）75参考文献76谢辞781 前言1.1 MMA市场应用及前景甲基丙烯酸甲酯的分子式为C5H8O2, 简称MMA, 外观为无色液体, 易挥发, 易燃, 溶于乙醇、乙醚、丙酮等多种有机溶剂, 微溶于乙二醇和水。甲基丙烯酸甲酯既是一种有机化工原料, 又可作为一种化工产品直接应用。作为有机化工原料, 主要应用于有机玻璃( PMMA) 的生产, 也用于聚氯乙烯助剂ACR的制造以及作为第二单体应用于腈纶生产。除此之外, 在涂料、纺织、粘接剂等领域也得到了广泛地应用。作为一种化工产品, 可直接应用于皮革、纺织、造纸、地板抛光、不饱和树脂改性、甲基丙烯酸高级酯类, 也可作为木材浸润剂、印染助剂及塑料的增塑剂等许多行业1。近年来, 国内外MMA 的聚合物、型材、板材、涂料、乳液等需求增长, 同时MMA的衍生物甲基丙烯酸-2-羟基乙酯( 2-HEMA) 、甲基丙烯酸丁酯( BMA) 、甲基丙烯酸缩水甘油酯( GMA ) 、甲基丙烯酸-2-乙基已酯( 2-HMA) 、甲基丙烯酸二甲胺乙酯等的需求量也增加23。随着MMA在世界范围内的扩张，中国MMA市场也异常火爆，产销两旺，产品供不应求，MMA价格一路上扬。中国MMA市场需求年增长率达15%，而且需求仍在不断扩大，未来几年将成为仅次于美国和日本的全球第三大消费市场。而且在 年，中国甲醇行业虽有部分新建装置因不确定因素投产时间推迟，但全年甲醇总产能预计仍可达到3500万吨，产量大约1500万吨，有一半产能过剩。据了解， 底，国内原计划投产的甲醇在建项目共有25个，新增年产能合计861万吨，意味着 全国甲醇产能将超过4000万吨，产能的增茂名石化年产3万吨MMA量已远远大于消费需求的增加量。另外，中国还有25个拟建或处于规划阶段的甲醇项目，年产能合计2440万吨，新建、在建装置的不断投产，将进一步加剧国内甲醇产能过剩的局面，甲醇进料价格可能有所下滑。众多调查结果证明MMA 具有良好的发展前景45。1.2 MMA生产工艺1.2.1 丙酮氢醇(ACH)路线丙酮氰醇法是以丙酮和氢氰酸为原料，在碱性催化剂存在下，生成丙酮氰醇，然后丙酮氰醇与硫酸反应生成甲基丙烯酰胺硫酸盐，经水解后再与甲醇酯化，可得甲基丙烯酸甲酯粗品，再经精制得产品6。 反应式如下。 三菱气体化学公司开发了一种再循环型的ACH路线。新ACH法由丙酮与氢氰酸反应生成丙酮氰醇(ACH)，然后水合生成羟基异丁酸酰胺(HBD)。用甲醇脱氢生成的甲酸甲酯和HBD反应生成羟基异丁酸甲酯(HBM)，再将生成物脱水得到MMA。合成HBM时生成的副产氢氰酸在ACH合成中循环使用。这一工艺称为MGC(R-HNC)路线，日本已建有一套工业化装置。 反应式如下：1.2.2 合成气法新工艺第步由乙烯和合成气生产丙酸，使用均相碘钼催化剂进行加氢甲酰化，反应在低温(150200oC)和低压37MPa下进行。第二步由丙酸与甲醛反应生产甲基丙烯酸，使用硅酸铌双功能催化剂。第三步以甲醇酯化反应生成甲基丙烯酸甲酯，该工艺与其它工艺比较具有较强的竞争优势7。 1.2.3 乙烯拨基化路线该路线先对乙烯进行拨基合成(醛化)生成丙醛，再与甲醛缩合生成甲基丙烯醛，然后再氧化、醋化生成MMA。因巴斯夫公司是首家也是唯一一家使用本路线的公司，故该工艺也称为巴斯夫路线2。这一路线的欠缺之处是生产中有中间产物甲基丙烯醛，而甲基丙烯醛的氧化成本较高8。 巴斯夫路线的反应式如下：1.2.4 丙炔法壳牌公司开发的另一条合成MMA的新路线是使丙炔在甲醇存在下，用一氧化碳羰基化生产MMA该公司利用此法现已建成60千吨年MMA生产装置，反应采用了最新催化剂，使其生成MMA的选择性达100丙炔是由乙烯副产C3馏分经MIBK或DMF萃取蒸馏分离得到的丙炔一步法生产MMA的工艺简单，投资省，产品纯度高，是当前较经济的一种MMA生产方法7。1.2.5 异丁烯法 将异丁烯在钼催化剂存在下经空气氧化制成甲基丙烯酸，然后与甲醇酯化可得产品。该法的特点是催化剂活性高，选择性好，寿命长，甲基丙烯酸的收率高。该法无污染，原料来源广泛，且成本低于丙酮氰醇法，但工艺过程较复杂。 异丁烯法制MMA工艺比ACH法有显著的优点。异丁烯氧化制MMA的工艺引起了许多科学家及化学公司的注意9。 异丁烯氧化制MMA主要有三种工艺路线：异丁烯氧化到MAL，再氧化到MAA，再酯化为MMA；异丁烯一步氧化到MAA，再酯化为MMA，这种工艺首先氧化成对应醛，再氧化成酸，两者氧化动力学不同，采用相同工艺条件和催化剂得不到最佳MAA选择性；异丁烯氧化到MAL，氧化酯化为MMA1011。 新制法以异丁烯为起始原料，甲基丙烯醛在一工序中同时进行氧化、酯化反应，省去甲基丙烯酸工序合成MMA，称为直接甲酯化法。此法由于合成路线缩短，基建费用也可减少12。1.3 本文MMA生产工艺路线的确定西方研究机构对上述MMA的主要生产工艺路线进行成本对比，以下是不同工艺路线装置的生产成本对比情况表1-1113。表1-1 MMA 主要生产工艺路线成本对比(单位：美分P磅)项目ACH-法ACH-S法I-C4BASF法MGC法原料成本31.9931.9926.5229.0527.2公用工程成本4.844844.555.159.63其它可变成本0.10.10.1-1.62-0.64可变成本36.0336.0331.1732.5836.19固定成本8.6915.571112.1913.8现金成本46.6252.542.1744.7749.99折旧成本9.1711.310.2311.2812.95生产成本合计55.3363.852.3956.0662.94生产成本+10%投资回报65.0377.262.6267.3275.89 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。中国现有的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，在中国并不适用。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它方法比较，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114。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912161718。 1.4 化工设备选型计算中使用的软件1.4.1 Cup-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，能够实现布置。（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：50100，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：29，默认值5）台数，点击按钮开始选泵。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。1.4.3 Aspen与EDR（Exchanger Design and Rating）联用设计换热器 Aspen 7.0以后版本已经实现了Aspen和EDR的接口。Aspen Plus能够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。一般采用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和水经换热冷却后经过静置相分后，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。2.2 Aspen plus仿真模拟流程在整个设计过程中，采用 Aspen Plus 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。2.2.1 MAL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2-2 MAL合成工段模拟流程图2.2.2 MMA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2-3 MMA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3.1.1 MAL合成反应器(R101)的设计表3-1 催化剂物性参数项目数值项目数值颗粒密度Dp=5.5 mm比表面Sp=4.61g2/g堆积密度b=0.60g/ml孔体积Vv=0.121ml/g视密度b=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项目数值项目数值甲基丙烯酸甲酯年产量6 万吨原料配比IB:H2O:O2:N2=1:1.5:2:12年工作时间7500 h空速1200-1120 h反应温度350 oC反应选择性89.0%反应压力101 KPa空时收率100kg/m3100kg/（m h）表3-3 反应器进口物料组成反应器进口Kmol/hKg/h%(mol)异丁烯86.358214845.3456水141.52352599.5859氧气188.6986088.1112氮气1132.18831816.5372.87氢气4.960613100.13总量1556.7645334.22100表3-4 反应器物料出口组成反应器出口Kmol/hKg/h%(mol)甲基丙烯醛77.895115459.7490.049836异丁烯1.64080692.061551.05E-03水239.19464309.1580.153034氧气86.665782773.2010.055448氮气1132.18831816.530.724359氢气4.960613100.13一氧化碳7.685881215.28464.92E-03二氧化碳6.908657304.04864.42E-03对苯二甲酸1.036299172.16366.63E-04乙酸1.03629962.232386.63E-04续表3-4反应器出口Kmol/hKg/h%(mol)丙醛0.77722445.141194.97E-04总量1563.02145334.22100表3-5 相对分子质量 M异丁烯甲基丙烯醛水氧气氮气5670183228一氧化碳二氧化碳乙酸丙醛对苯二甲酸28446058166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(kg/m3)临界温度Tc（k）临界压力（MPa）临界压缩因子Zc甲基丙烯醛1.3770825663.680.253续表3-6名称密度(kg/m3)临界温度Tc（k）临界压力（MPa）临界压缩因子Zc异丁烯1.09934428.64.10.274水0.3529624404.60.262氮气0.547599132.923.4990.299氢气0.039413111一氧化碳0.5475325304.250.246二氧化碳0.860687838.85.8910.246对苯二甲酸3.382413126.23.40.289乙酸1.18024154.585.0430.288乙醛1.139761883.63.4860.201氧气0.6256304.217.3830.274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7.3710和169.7 kJ/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/hdxA ：物质的转化率B ：催化剂的床层堆积密度， g/mlDr ：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）其它设计：反应列管： 35 2反应管根数：取反应管根数4880根。反应器壁厚的计算: ：圆筒的计算，mmP ：圆筒计算压力，MPaD ：圆筒的内径，mm ：钢板在该温度下的许用应力，MPa ：焊接接头系代入数据计算得：圆整后取壁厚20 mm。反应器内径：3660 mm。反应器质量选择16MnR为材质，其密度约为7850 kg/m3。反应管质量m1=viinVi ：反应管体积，m3i ： 材质密度，kg/m3n ： 反应管根数代入数据得m1=viin=7938.95 kg 筒体质量m2=VRi=904.6 kg封头取标准椭圆封头，内径DN=3660 mm，厚度=20 mm，曲面高hi=925 mm，封头直边高h=50 mm.封头质量按 代入数据m3=1323.16 kg反应器主体质量m=m1+m2+2m3=11483.87 kg附件以主体质量的0.2倍计算，则反应器总质量m总=13780.64 kg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：101 KPa 10 oC液态水 Cp =4.184 KJ/(kgK)饱和水蒸气潜热 r=2051.0 KJ/kg采用 Aspen Plus 模拟软件对该反应器进行换热模拟，经过不断优化，最终得到G H 2 O,out =27000 kg/h ，冷却水进口的质量流量为 G H 2 O,in =27000 kg/h。取液态水的进口流速为1m/s，进 口 管 口 直 径 为100 mm。换 热 介 质 出 口 的 温 度 为85 oC ， 出 口 流 量 为液态水进口流量1 m/s，出口管径为100 mm。(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1 m。板厚10 mm。3.1.2 MMA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)49893.46697127451摩尔流量（kmol/h）17272174107反应条件T=70 oCP=0.3 MPa根据 Aspen plus 模拟结果可知反应器出口物料组成如表3-8所示表3-8 出口物料组成物质质量流量（kg/h）摩尔流量（kmol/h）MMA7942.879.4MAL1341.419.1H2O2567142.5甲醇66894.52087.7空气48554.41681.7(2)操作条件反应温度为： 70 oC 醇醛质量比为： 10：1压力为 ： 0.3 MPa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示如下:式中 ：r ：反应速率，molL-1h-1K：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，而且O2在反应液中连续供应，能够认为在反应过程中O近似为一常数。因此能够简化为：即为：式中x ： MAL 转化率 ：MAL的初始浓度，mol/L：MeOH的初始浓度，mol/L反应速率常数 k 也可用下式表示：k0 ：指前因子Ea ：反应的活化能，Jmol-1R ：摩尔气体常数，Jmol-1k-1最终可得到： E a = 7.24 KJ / mol ， k 0 = 0.1727反应速率方程为：(2)床径的确定床径可按气体处理量和操作速度由流量方程计算求得： 即 式中 V 为原料气中的体积流量，m3/h带入相关数据可求得：在化工生产中，处特殊要求外，一般均采用圆形截面床体。一般而言，采用夹套形式的反应器内套管与外壳的直径比0.7-0.9之间较为合适。因此浆态床床径为 D=4.5 m，反应器外径为 D=5 m反应器质量选材16MnR，其密度约为7850 kg/m3。反应器壁厚计算该反应器筒体选材为16MnR，根据反应条件，利用壁厚公式，求得壁厚 为：圆整去10 mm。封头设计本反应器选择标准椭圆形封头，取其形状系数K=1，则D/2hi=2。外径Do为5000 mm，则其圆边高度为hi=1250 mm。壁厚即为反应器壁厚10 mm，直边高度为50 mm。材质选用16MnR。筒体质量m1=VRi=9850 kg封头质量 =2118.33 kg主体质量m=m1+2m2=14086.66 kg附件取主体质量的0.2倍，则反应器总质量m总=16903.99 kg3.2 塔设备的选型与设计3.2.1 急冷喷淋塔简单设计计算主体尺寸的计算根据本工艺的操作特点，考虑到容器直径较大，气体介质温度较高及压力较低，常采用整体夹套的分段式夹套形式，这样不但能提高传热介质的流速，改进传热效果，而且还能提高筒体受外压的稳定性和刚度。选择停留时间为t=30s；则根据Aspen plus 模拟得到其气体的体积流量为Vg=79929.625 m3 h-1,取装载系数为=0.75，则得到塔设备的容积为V=895 m3；根据空塔气速计算公式及经验得，塔径D=3.6 m；则由得，塔筒体高度为H=22 m；采用标准椭圆形封头。夹套直径与筒体直径的关系由查找化工工艺设计手册如表3-9所示。表 3-9 夹套直径与筒体直径的关系项目数值数值数值Di(mm)500800900220022004000Dj(mm)Di+50Di+100Di+200经过表可知筒体的夹套至筒体的间距为200 mm。喷淋水用量情况冷却水采用循环方式，考虑到防止设备因结垢导致堵塞，影响传热效果，筒体和夹套的用水为工艺软水，与高温气体间接换热；而其中有一部分水为直接进行喷淋降温除杂，这部分水分为两个进水，其中一个为来自循环工艺水在塔顶进行喷冷，还有一个来自脱水塔底部的水在在塔的中上段进行喷淋降温。各个用水操作参数详见表3-10所示。表3-10 急冷喷淋塔的用水操作参数数据表来源用水途径数值m3/h用水量（kgh ）压力（atm）起始温度（）工艺软水夹套及蛇管3750115循环工艺水塔顶喷淋1000115脱水塔底部水中上段喷淋6225.51.268.7换热情况据比热容公式 设定从反映器中出来的物流的温度从T1=350 oC降至T2=180 oC的热量被用于工艺软水的加热，根据 Aspen plus 导出物流传热数据得到热负Q=2724.3696 kw，工艺用水量Wc=3750 kg/h，水量进口温度为t1=15 oC，出口温度为t2=103.5 oC；计算出平均温度差， oC总传热系数 K(以外表面积为基础)，经过查找化工原理书查找得到总传热系数K=901.5 W/(m2oC)，计算得到传热面积为S=27.28 m2。由于水蒸气发生相变，考虑到15%的面积裕度，得S=1.15=31.372 m2选用452.5 mm传热管（无缝钢管），计算得管内流速为u=0.83 m/s。换热管的总长度为=1973 m，圆整为 m。塔质量计算材质选择16MnR，其密度约为7850 kg/m3。塔内径Di=4000 mm。塔体厚度：圆整取10 mm。塔体质量m1=V=79862.76 kg封头质量封头取标准椭圆封头，内径DN=4000 mm，厚度=10 mm，曲面高hi=1000 mm，封头直边高h=50 mm，材质选用16MnR。 =1376 kg塔主体质量m=m1+2m2=82614.76 kg附件取主体质量的0.2，总质量m总=99137.7 kg3.2.2 cup-Tower对脱水塔的选型脱水塔是在0.145 MPa 的条件下，将从急冷塔出来的水蒸气、MAL、空气混合物中的水脱除。在脱水塔的上部引入了来自MMA合成反应工段的MAL和甲醇的混合液体，来自急冷塔的MAL、水蒸气、空气混合物与MAL和甲醇的混合液体在塔内逆向接触，这样使得轻组分中MAL的含量增高，以使得产品产量增高，同时使得水等重组分从塔底排出，空气、MAL、甲醇气体从塔顶排出。该脱水塔选择板式浮阀塔，单溢流进行选型。Aspen plus得出水力学数据如表3-11所示。表3-11 脱水塔水力学数据StageVolume flow liquid fromVolume flow vapor toDensity liquid fromDensity vapor toViscosity liquid fromViscosity vapor toSurface tension liquid fromcum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcPcPdyne/cm平均6.6967469.79965.490.720.420.01727.69将水力学数据输入到cup-Tower中进行选型，如图3-2所示。Cup-Tower计算出脱水塔的塔板结构参数结果如图3-3。 图3-2 水力学数据输入 图3-3 脱水塔的塔板结构参数Cup-Tower计算出脱水塔的塔板工艺参数结果如图3-4。图3-4 塔板工艺参数塔板负荷性能图如图3-5。 3-5 塔板负荷性能3.2.3 cup-Tower对吸收塔的选型吸收塔是在0.50 MPa的条件下，将从脱水塔出来的MAL、甲醇、空气混合物中的空气排出，并将MAL和甲醇液化为液体。在吸收塔的上部引入来自MMA合成反应工段的MAL 和甲醇的混合液体，来自脱水塔的混合气体与来自MMA 合成反应工段的混合液体逆向接触，使得MAL和甲醇液化为液体，同时使得重组分中MAL和甲醇的含量增高，以提高最终产品的产量。空气等气体则从塔顶排出，MAL和甲醇混合液体从塔底排出。 吸收塔选择浮阀塔，单溢流进行选型。Aspen plus得水力学数据如表3-12。StageVolume flow liquid fromVolume flow vapor toDensity liquid fromDensity vapor toViscosity liquid fromViscosity vapor toSurface tension liquid fromcum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcPcPdyne/cm平均6.6967469.79965.490.710.420.01627.69表3-12 吸收塔水力学数据将水力学数据输入到cup-Tower中，如图3-6所示。 图3-6 水力学数据输入Cup-Tower计算出脱水塔的塔板结构参数结果如图3-7。Cup-Tower计算出脱水塔的塔板工艺参数结果如图3-8。图3-7 塔板结果参数 图3-8 塔板工艺参数负荷性能图如3-9。图3-9 负荷性能图3.2.4 MMA精馏塔设计由Aspen得到的全塔平均水力学数据如表3-13。