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年产1.5万吨丙烯酸甲酯生产工艺中丙烯酸分馏工段的设计 大学毕业设计 北京化工大学北方学院 NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGY （ 2022 ）届本科生毕业设计（论文） 题目：年产1.5万吨丙烯酸甲酯生产工艺中丙烯酸分馏工段的设计学院：理工学院专业：化学工程与工艺 学号：090101160 姓名：杨岚祁 指导教师：孟献民教授 诚信声明 本人申明： 我所呈交的本科毕业设计是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得北京化工大学北方学院或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成毕业设计的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：年月日 年产1.5万吨丙烯酸甲酯工艺流程中丙烯酸分离工段的设计 杨岚祁 化学工程与工艺专业化工0906班学号090101160 指导教师孟献民教授 摘要 本人所做的毕业设计是根据北京东方化工厂丙烯酸甲酯的生产工艺流程规程所提供的相关数据，主要对丙烯酸分馏工段进行能量衡算，物料衡算及丙烯酸分馏塔及塔釜再沸器设备的选型计算。丙烯酸分馏塔设计的关键部分是对塔顶馏出液、进料液及塔釜液体在定性温度下混合液体的相关物性数据的确定。本人查找了较多的计算手册并将其中比较精确的计算公式运用到毕业论文物性参数的确定上，为之后的设备计算夯实了基础。由于相关文献资料中所涉及的多组分精馏塔的设计比较少见，尤其是通过手算的方法，所以本设计是对多组分精馏塔手算法的一个比较好的补充。再者有关文献资料对再沸器的设计选型计算步骤描述的比较浅显，大多是对单一组分的物料进行加热或冷却，对发生相变的过程描述的不够详尽，不能根据其描述的方法设计出比较合适的再沸器。很难满足实际工业生产要求。所以本设计也是对加热多组分物料立式热虹吸再沸器设计的一个很好的借鉴。 关键词：混合物的物性数据多组分精馏塔多组分立式热虹吸再沸器 The Design of Fractional Distillation of Acrylic Acid Section in the Process of Annual Production of Fifteen Thousand Tons of Methyl Acrylate Abstract My related data of graduation design is according to the production process of methacrylate in Beijing eastern chemical plant,which mainly design fractionation section of acrylicon on energy balance,material balance and the equipment type selection of acrylic fractionating tower and tower kettle reboiler. It is the key part of designing for the fractionating tower of acrylic that is to confirm the relevant physical properties under the qualitative temperature about feed liquid,overhead fraction and tower bottoms. I find many handbook of chemical engineering calculation,and select some precise of calculating formulas used to establish the date of physical property,which is greatest helpful to equipment calculation. Due to the design of multicomponent distillation is rare in related literature material, especially by hand calculation method, so this design is a good supplement for multicomponent distillation. Furthermore the description of calculation steps for reboiler is relatively shallow in relevant literature, which is mostly for heating or cooling single component material, and is not detailed about the process of phase change,and is difficult to design more appropriate reboiler according to its description method. It is not easy to meet the actual industrial production requirements. So this design is a good reference for vertical heated multicomponent materials heat siphon reboiler design . Key words: Property data of mixture Multicomponent distillation dower Multicomponent vertical thermosyphon reboiler 目录 前言 (1) 第1章绪论 (2) 1.1节丙烯酸甲酯的简介 (2) 1.2节丙烯酸甲酯生产工艺概述 (3) 1.3节丙烯酸甲酯的合成工艺 (6) 1.4节丙烯酸甲酯的发展状况 (7) 第2章丙烯酸分离塔T3011物料衡算和能量衡算 (9) 2.1节 T3011的物料衡算 (9) 2.2节 T3011的能量衡算 (9) 第3章丙烯酸分馏塔T3011的选型 (12) 3.1节 T3011塔顶、进料、塔釜组成的确定 (12) 3.2节 T3011塔板数的确定 (14) 3.3节 T3011精馏段的操作的工艺条件及相关物性数据的计算 (15) 3.4节精馏段塔径、塔板和塔高主要工艺尺寸的计算 (19) 3.5节精馏段塞板的流体力学验证 (21) 3.6节精馏段塔板负荷性能图 (22) 3.7节 T3011提馏段的操作的工艺条件及相关物性数据的计算 (24) 3.8节提馏段塔径、塔板和塔高主要工艺尺寸的计算 (26) 3.9节提馏段塞板的流体力学验证 (28) 3.10节提馏段塔板负荷性能图 (29) 3.11节精馏塔的设计计算结果汇总一览表 (31) 第4章丙烯酸分馏工段中再沸器E3311的选型 (33) 第4.1节再沸器E3311的操作的工艺条件及相关物性数据的计算 (33) 第4.2节冷热流体的物性参数的计算 (33) 4.3节再沸器E3311的设计 (38) 第5章丙烯酸甲酯的影响与危害 (43) 5.1节丙烯酸甲酯对健康的影响 (43) 5.2节丙烯酸甲酯泄露的应急处理 (43) 5.3节生产防护急救措施 (44) 结论 (45) 附录 (46) 参考文献 (47) 致谢 (48) 前言 本人毕业设计的论文题目为年产1.5万吨丙烯酸甲酯工艺中丙烯酸分馏工段的设计。上世纪八十年代国内目前丙酸甲酯年总产量约4.5万吨,其中北京东方化工厂引进日本的生产装置年产量最大约为1.5万吨，吉化公司电石厂年产量约0.55万吨.然而国内丙烯酸甲酯的在国内的消费需求大致为：化纤行业用作腈纶的第二单体，年消耗丙烯酸甲酯约为2万吨，约占消费量的50%；涂料行业用于与乙酸乙烯或苯乙烯共聚，生产性能优良的涂料，需丙烯酸甲酯约0.6万吨，约占消费量的6%；皮革加工饰剂消费约占6%；纺织行业作为上浆、印染、整理助剂约占6%；生产粘合剂，制造各种胶带、胶布约占4%；造纸行业用于纸张涂布加工和浸渍约占4%；其他如水处理，PVC改性，石油开采等行业约占6%。年总需求量约7万吨左右，部分尚需从国外进口弥补。近年来每年需进口2万吨左右。 国内目前各行业对丙烯酸甲酯的年需求量以每年平均10%左右的速度递增，由于国内市场供应紧张，其价格也逐步上涨。1994年底国内丙烯酸甲酯价格为1.2万/t，到1995年底价格已涨至1.6万/t，涨幅达33%，2000年国内丙烯酸甲酯需求量已达5.5万吨，近期若无新建装置投产，届时丙烯酸甲酯市场供求矛盾将更为突出，价格也大幅上涨。所以对我国现有的生产丙烯酸甲酯的生产工艺进行改良，以满足国内各行业的生产需求迫在眉睫。 第1章绪论 1.1节丙烯酸甲酯的简介 1.1.1丙烯酸甲酯的理化性质 丙烯酸甲酯：英文名Methyl Acrylate，分子式C4H6O2，相对分子量86.09，结构式CH2=CHCOOCH3，无色透明液体，有类似大蒜的气味，易燃，微溶于水，能与乙醇、乙醚混溶，易聚合，易与多种乙烯基单体共聚。沸点80.3，熔点-76.5，液体密度：0.9561 克毫升(15)，爆炸极限：2.225(体积百分比)，燃烧热 5.700Kcal/g 2055KJ/mol，临界温度 262.7，闪点 -3 （密闭）。 1.1.2生产丙烯酸甲酯的主要原料 丙烯酸（CAA）、甲醇、对苯二酚(HQ)、对苯二酚甲基醚(MEHQ)、高效阻聚剂（ZJ705）、强酸性阳离子交换树脂（D72）。 1.1.3 丙烯酸甲酯的主要用途 丙烯酸甲酯是有机合成中间体及合成高分子的单体，由丙烯酸甲酯合成共聚橡胶具有良好的耐高温及耐油性能。与丙烯腈共聚可改变聚丙烯腈纤维的可纺性、耐塑料及染色性。与甲基丙烯酸甲酯、乙酸乙烯或苯乙烯共聚是性能良好的涂料和地板上光剂。此外，在医药制造、皮革加工、树脂合成、涤/棉、涤/腈等混纺织物经纱上浆、造纸、粘合剂制造、油漆等工业中也有其日益广泛的用途。 1.1.4丙烯酸甲酯上下游产品信息 下游产品2-磷酸丁烷-1,2,4-三羧酸无纺布胶BT型改性丙烯酸树脂涂饰剂系列CSF系列改性丙烯酸树脂乳液1-甲基-4-哌啶酮盐酸盐防油、防水涂饰剂全候性系列树脂AC防霉涂饰剂桃醛十四醛三聚物丙烯酸 2-乙基己酯1-甲基-4-氯哌啶盐酸盐高效高分子酰化催化剂软1树脂4-氧四氢噻酚-3-羧酸甲酯经纱上浆剂MVACN-月桂酰基-N'-羟乙基乙二胺丙酸盐N-羟乙基-N-羟烷基-氨基丙酸新型丙烯酸树脂乳液匹格列酮依普罗沙坦N-月桂酰基-N'-羟乙基-羧丙基乙二胺丙酸内盐柔软剂D33-甲硫基丙酸甲酯中1号树脂、丙烯酸酯类共聚物瑞芬太尼丙烯酸系氨羧基螯合树脂月桂氨基丙酸1,3-二甲基-4-哌啶酮离子交换树脂硝基磁漆异 噻唑啉酮填充树脂分散棕 19丙位十二内酯1-甲基-4-哌啶酮-3-羧酸甲酯N-(2-苯乙基)-4-哌啶酮 上游原料甲醇马来酸酐环氧丙烷甘油丙烯酸卡波姆树脂丙烯酰胺蓖麻油丙烯醛苯甲酸丙二醇植物油季戊四醇聚醚乙烯酮菜籽油 1.2节丙烯酸甲酯生产工艺概述 1.2.1北京东方化工厂MA装置概况说明 MA装置是我国第一套丙烯酸甲酯生产装置，于1984年10月建成投产。该装置的生产技术和大部分装备由日本引进,设计年生产能力为15000吨。丙烯酸甲酯（MA）生产装置，是以酯化级丙烯酸（CAA）和甲醇（MeOH）为原料，经过前系统的酯化和后系统的精制两部分生成丙烯酸甲酯（MA）。 1.2.2生产工艺简述 丙烯酸甲酯（MA）生产装置，是以酯化级丙烯酸（CAA）和甲醇（MeOH）为原料，经过前系统的酯化和后系统的精制两部分完成丙烯酸甲酯的生产。整套装置设有反应器1 台（R301），塔9 座(T3011、T3012、T302、T303、T305、T306、T307、T3621、T3622)，换热器33 台，槽17 个，泵47 台（包括蒸汽喷射泵），共107 台设备，设计年产丙烯酸甲酯1.5 万吨,100%生产负荷时。 酯化单元：丙烯酸的酯化及丙烯酸甲酯的粗分离 前系统 R301T3011T302 流程 来自V1102 的酯化级丙烯酸（CAA），由P311A/B 输送，经FRCQA3111控制流量来自V201 的甲醇（MeOH）由P201 A/B 输送，经FRCA3012 按进料moL 配比计算所得数据进行流量控制；来自V325 的回收醇经P325 A/B输送，由FRCA3252 控制适当流量，上述三股进料进入管道混合器（ZZ301）在此充分混合，配成醇酸摩尔比1.8：1 的混合液，来自V321 由P321 输送，经FRCA3211 控制流量的反应循环液与上述三股物料的混合液一起进入预热器E311，并用蒸汽（LLS）通过TICA3111 控制温度为70±1，把上述物料加热到反应温度后由反应器R301 顶部进入。反应液经过强酸性阳离子交换树脂催化剂床层（70）后，丙烯酸单程转化率约为40%，反应生成液从反应器底部出口由PICA3111 控制压力0.1MPa，送至T3011 塔釜。 T3011 是酸分离塔，通过塔釜再沸器E3311 供给热量，再沸器蒸汽（LLS）由FICA3311 控制流量，进料组成为酯、醇、水、酸和副产物等，酯、醇、水从塔顶蒸出，以气相送往 T302，塔釜液由P3311 送出，一路由FICA3212 控制流量送至T3012 脱除反应液中的副产重组分，使反应液中的副产重组分保持在较低水平，保证树脂的催化能力；另一路由LICA3011 控制液位50%送往V321。 T3011 的回流液来自V222 和V326，一路由P322 A/B 输送经FICA3221 控制流量约1m3/h，另一路由P326A/B 输送经FICA3262 控制流量约0.5m3/h，两路汇合后一同进入T3011 顶部。 T3012 是闪蒸塔，其作用是脱除循环液中的副产重组分。来自T3011 釜由P3311 输送的部分塔釜液与P337A/B 来的T307 釜液一起，在T3012 上部进料，含有丙烯酸、醇及丙烯酸甲酯的轻组分从顶部蒸出，经E3211、E361 冷凝后进入V321；塔釜液进入薄膜蒸发器E3312，在此用PRCA3311 控制夹套蒸汽压力0.6MPa 进行高效蒸发，进一步回收丙烯酸，蒸发物进入T3012，残液进入V331，由P3312 A/B 送出，一部分由FG3311 控制作为E3312 循环液，另一部分由FG3312 控制送往V602 处理。V321 中的物料由P321 A/B 输送，一路由FRCA3211 控制流量约7.0m3/h 作为反应器的循环液，另一路经E3212 用CW水冷却后分别由FG3211 FG3212 控制流量200l/h、100l/h 作为E3211、E361的喷淋液。T3012 是真空操作塔，由蒸汽喷射泵J361 给塔系抽真空，由PRCA3611 控制150mmHg。T302 是脱重组分塔。来自T3011 顶部的气相物料进入T302 的23#塔板，酯、醇、水由T302 顶部蒸出，经E3221、E3621 冷凝后进入顶部受槽V222；含有少量的丙烯酸（AA）及甲氧基丙酸甲酯（MPM）的釜液经P332 A/B 由LICA3021 控制T302 液位50%送往V6011 处理。T302 热源由工艺水再沸器E332提供，由TICA3021 控制温度7884，进入E332 的工艺水（PW）汽化直接进入塔釜给塔系提供热量。T302 塔内投入仪表空气（IA）由FG3721 控制4.9m3/h 用于阻聚。T302 回流液来自V222 经P322 A/B 输送，由FICA3222 控制流量4.55.5m3/h，并与来自V346 经P346 A/B 输送由FICA3421 控制流量63l/h的阻聚剂一起进入塔顶。另外，E3221 内投入来自V222 由FG3222 控制300l/h的喷淋液，和来自V345 由FICA3422 控制83l/h 的阻聚剂；E3621 内投入来自V222 由FG3223 控制200l/h 的喷淋液用于阻聚。 精制单元：从 V222 来的物料，在T303 中连续萃取，分离出来的甲醇经T305 回收再用于酯化反应，粗丙烯酸酯在T306 中除去少量水、甲醇及其它轻组分，最终在T307 得到到高纯度的丙烯酸酯。 T303T305 、T303 T306T307 流程叙述 T303 为萃取塔。来自V222 的料液由P322A/B 输送，经FRCA3223 控制流量4.5m3/h，进入T303 塔加料冷却器E313，用CW 水冷却到40进入T303底部；来自V333 由P333 A/B 输送的工艺水（PW）由FRCA3331 控制3.5m3/h进入T303 顶部，同时T306 塔顶受槽V326 的水相，经P3262 输送由FG3264控制流量与萃取一同进入塔顶，T3622 脱臭塔的洗涤水由P362 A/B 输送用LIC3621 控制流量从5# 塔板进入塔内，水相和酯相在塔顶部分层，界面 LIA3031 控制为50%。经过逆向接触，甲醇被溶解到萃取水中，由PICA3331控制T303 塔釜压力为0.18MPa，通过E315 与T305 塔底液被换热到70从第16# 板进入T305 进行甲醇的回收。萃余相中含少量甲醇及少量水的丙烯酸甲酯，由FRCA3161 控制2.61m3/h 送往脱轻组分塔T306。 T305 为醇回收塔。从T303 塔釜来的萃取液，经T305 的加料预热器E315与T305 釜液进行热交换至70后从16# 板进入T305 塔内，甲醇、水及少量的丙烯酸甲酯经共沸从塔顶蒸出，经塔顶冷凝器E3251、尾气冷凝器E365 冷凝后，进入塔顶部受槽V325，该馏出液经P325 A/B 输送回反应器，再作酯化反应原料。塔釜液用P335 A/B 输送经E315 与萃取相换热达68后进入T305塔釜冷却器E3352 进一步冷却到40后，送到V333 作为T303 的萃取水，塔釜液采出量由LICA3051 控制50%。再沸器E3351 的加热用蒸汽（LLS）由24#板的中温控制，中温TRCA3051 控制96，蒸汽由FR3351 控制。V325 的回收醇经P325 A/B 输送用FICA3251 控制向塔内回流，为了阻聚，将来自V345的含对苯二酚（HQ）阻聚剂喷淋到T305 馏出冷凝器E3251 内。阻聚剂量由FICA3451 控制，塔顶馏出液由P325 A/B 输送向E3251 和E365 顶部喷淋FG3251控制400l/h、FG3252 控制200l/h。 T306 为脱轻组分塔。来自T303 塔顶的萃余相经T306 进料预热器E316预热达60后从15# 板进入塔内，温度由TICA3161 控制。经蒸馏，甲醇及醋酸酯等轻组分，随少量的丙烯酸甲酯和水一起从塔顶蒸出，经冷凝器E3261 冷凝后，又经E3262 与回流液换热到40再经E3264 进一步冷却到20进入塔顶受槽V326，不凝气体经尾气冷凝器E366 进一步冷凝。T306 为负压操作塔，经J366 抽真空，PRCA3661 控制400mmHg。V326 内液体经静置分层，下部的水层由P3262 送往T303 作为萃取水由FG3264 控制67l/h. 上部酯相由P3261A/B 输送，经E3262 与冷凝液换热到42后，再经E3263 与蒸汽（LLS）换热到55回流到塔内，回流量由FICA3261 控制3.0m3/h，E3263 蒸汽（LLS）由TICA3261 控制55。为了防止聚合，将来自V346 含有对苯二酚（HQ）和 ZJ的阻聚剂喷入E3261 内，由FICA3461 控制160l/h，含有阻聚剂的冷凝液作为回流进入塔内，塔底加入仪表空气（IA）由FG3761 控制4.2m3/h，再把含有阻聚剂的V326 内馏出液对塔顶和E3261、E366 顶部投入喷淋，量值分别为FG3261 500l/h、FG3262 300l/h、FG3263 200l/h。 T307 为精制高纯度的丙烯酸酯塔。脱轻组分塔T306 的塔釜液由塔釜输送泵P336 A/B 输送，经FRCA3362 控制2.5m3/h 到T307 塔，经脱色以塔顶馏出液的形式得到高纯度丙烯酸甲酯。气相甲酯从塔顶蒸出，经T307 顶部冷凝器E3271、E367 冷凝，再经P327 A/B 输送到E3272 进一步冷却到40后，进入成品中间罐V307A/B，输送量由E3271 底部液位表LICA3271 控制50%，送出量2.1t/h。冷凝液经P327 A/B 由FICA3271 控制1.1 m3/h 回流到塔内。为了防止聚合，从阻聚剂罐V347 经P3472 A/B 输送来的含有对苯二酚单甲醚（Q）