【年產(chǎn)10萬噸環(huán)氧丙烷工藝設(shè)計6500字（論文）】

年產(chǎn)10萬噸環(huán)氧丙烷工藝設(shè)計摘要：環(huán)氧丙烷是除丙烯腈和聚丙烯外的第三大丙烯衍生物，是重要的有機化工基本原料，本次設(shè)計通過對比各種環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)工藝選擇合適的工藝方法，采用HPPO法制作環(huán)氧丙烷，本設(shè)計通過對工藝流程進行物料衡算和熱量衡算以及設(shè)備計算選型，設(shè)計出符合實際生產(chǎn)要求的制備環(huán)氧丙烷的工藝路線。關(guān)鍵詞：環(huán)氧丙烷；HPPO法；物料衡算；熱量衡算引言環(huán)氧丙烷(簡稱PO)又稱氧化丙烯,化學式為C3H6O，其分子量是58.08，沸點是34℃，熔點是-112℃，無色醚味液體，易燃。與水部分混溶，與乙醇、乙醚混溶，與戊烷、戊烯、環(huán)戊烷、環(huán)戊烯、二氯甲烷形成二元共沸混合物，是非常重要的有機化合物原料，是僅次于聚丙烯和丙烯腈的第三大丙烯類衍生物，主要用于生產(chǎn)聚醚、丙二醇等。它是第四代洗滌劑非離子表面活性劑、油田破乳劑、農(nóng)藥乳化劑等的主要原料。環(huán)氧丙烷的衍生物廣泛用于汽車、建筑、食品、煙草、醫(yī)藥及化妝品等行業(yè)。生產(chǎn)了近100種加工產(chǎn)品，它們是精細化學品的重要原材料。環(huán)氧丙烷主要用于生產(chǎn)聚醚多元醇(PPG)，國內(nèi)環(huán)氧丙烷用于聚醚多元醇的消費量占總消費量的85%，占據(jù)主導地位，未來環(huán)氧丙烷消費中，聚醚仍然占主導地位，所占的比例有所上升。作為的丙烯衍生物，每年約7%的丙烯用于環(huán)氧丙烷生產(chǎn)[1,2]。工業(yè)上生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的主要方法有氯醇法、共氧化法、單產(chǎn)法及直接氧化法。其中氯醇化法和共氧化法是目前世界生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的主要的工業(yè)化方法，本次設(shè)計通過對比環(huán)氧丙烷各制備方法的優(yōu)缺點及可實施性情況選擇合適的環(huán)氧丙烷工藝方法，同時進行物料平衡和熱量平衡的計算同時選定和繪制相應(yīng)流程圖和設(shè)備圖。生產(chǎn)工藝介紹[3]氯醇法氯醇法是生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的傳統(tǒng)工業(yè)方法。該方法通過次氯酸和丙烯的反應(yīng)產(chǎn)生氯丙醇，氯丙醇和氫氧化鈣的乳液進行皂化反應(yīng)以形成環(huán)氧丙烷。該方法具有成熟的技術(shù)，工藝短，設(shè)備要求低和生產(chǎn)成本低的特點。但該工藝中的氯消耗量很高對設(shè)備腐蝕嚴重。同時生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢物和廢水嚴重污染了環(huán)境，總的來說綜合處理需要大量的投資。技術(shù)專利美國陶氏化學公司(DowChemical)和意大利埃尼公司(Enichem)控制，改進的氯醇工藝用石灰乳代替稀釋液，并在100°C至105°C和常壓下與氯丙醇發(fā)生皂化反應(yīng)。該方法有效地抑制了皂化反應(yīng)中的副反應(yīng)，減少了丙二醇的形成并減少了廢渣的形成，但是產(chǎn)生了更多的廢水。在環(huán)境保護和環(huán)氧丙烷和氯堿工業(yè)的供需壓力下，短期內(nèi)不能完全替代氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧丙烷。共氧化法（間接氧化法）共氧化法過程可分為兩個過程，異丁烷共氧化過程和乙苯共氧化過程。進行異丁烷或丙烯與乙苯的共氧化反應(yīng)以形成叔丁醇或苯乙烯，同時形成環(huán)氧丙烷。共氧化工藝消除了氯醇工藝的缺點，例如嚴重的腐蝕和過多的廢水，并且具有生產(chǎn)成本低和對環(huán)境的影響小的優(yōu)點。自1969年工業(yè)化以來，它在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，使用這種方法生產(chǎn)的環(huán)氧丙烷目前約占世界總生產(chǎn)能力的55％。單產(chǎn)法單產(chǎn)法是基于共氧化工藝生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的改進工藝。異丙苯氧化法和過氧化氫異丙苯共氧化工藝統(tǒng)稱為單產(chǎn)法。該工藝中用異丙苯代替乙苯且異丙苯可回收，不會產(chǎn)生相聯(lián)產(chǎn)品等問題，因此被稱為單產(chǎn)法。該工藝主要包括將異丙苯氧化生成過氧化氫異丙苯，將其放置在配備有鈦基催化劑的固定床反應(yīng)器中，而過氧化氫異丙苯用作氧化劑將丙烯環(huán)氧化為二甲基芐醇和環(huán)氧丙烷，將二甲基芐醇脫水成α-甲基苯乙烯，然后氫化以獲得異丙苯以進行再循環(huán)。與氯醇法相比沒有設(shè)備腐蝕和產(chǎn)生更多廢水之類的缺點，但是當前的技術(shù)仍未得到充分開發(fā)，并且仍然存在諸如產(chǎn)量低，設(shè)備運行成本高以及不確定的成本等問題需要改進。直接氧化法直接氧化法可分為過氧化氫直接氧化法（HPPO）和氧氣直接氧化法。HPPO法當前環(huán)氧丙烷的工業(yè)生產(chǎn)仍然存在一些設(shè)計問題，例如復(fù)雜的工藝，較多的副產(chǎn)物和環(huán)境污染大。為了上述問題，世界各地和國內(nèi)許多公司，科學技術(shù)研究人員都致力于開發(fā)可實施性的環(huán)氧丙烷生產(chǎn)工藝。丙烯的直接氧化已經(jīng)成為研究的熱點使過氧化氫的直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的技術(shù)變得更加成熟。該工藝的主要特點是工藝設(shè)備簡單，所需設(shè)備少，占地面積小，投資成本低，并且在生產(chǎn)過程中僅形成目標產(chǎn)品環(huán)氧丙烷，水和少量丙二醇，對環(huán)境的影響可忽略不計，缺點是甲醇溶液在生產(chǎn)過程中會使環(huán)氧丙烷開環(huán)，大大降低環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)率。另外原料昂貴投資高，并且過氧化氫溶液的儲存和運輸也加大了投資成本。該生產(chǎn)目前以美國陶氏化學(Dow)、德國伍德公司(Uhde)、德國德固賽化學有限公司(Degussa)、德國巴斯夫公司(BASF)工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)最為成熟，在國內(nèi)中國石化、中科院大連物化所、華東理工大學也擁有相關(guān)研發(fā)的自主技術(shù)。氧氣直接氧化法氧氣直接氧化法指氧化丙烯生產(chǎn)環(huán)氧丙烷，該方法有著無需昂貴的試劑以及無產(chǎn)生副產(chǎn)物的優(yōu)點。美國利安德化學工業(yè)公司(Lyondell

Chemical

Company)正在開發(fā)將氫氣、氧氣、丙烯直接轉(zhuǎn)化為環(huán)氧丙烷的氧化技術(shù)，同時使用一種含鈀-鈦的硅酸鹽雙功能催化劑，用氫和氧產(chǎn)生過氧化氫后迅速將丙烯轉(zhuǎn)化為環(huán)氧丙烷，整個過程在一個反應(yīng)器中完成，生產(chǎn)過程不需要其他輔助材料。與過氧化氫直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧丙烷相比，該方法在降低資本投入方面具有明顯的優(yōu)勢。該公司在美國建立了一套當前處于試驗階段的實驗裝置，以進一步開發(fā)該工藝用于環(huán)氧丙烷的工業(yè)生產(chǎn)。生產(chǎn)工藝方法對比及選擇表1工藝方法的比較工藝方法優(yōu)點缺點氯醇法工藝成熟、安全；流程短，產(chǎn)品單一；投資低；制造成本得低，選擇性收率高；對原料要求低；操作彈性大[4]“三廢”排放量大，對環(huán)境污染嚴重；設(shè)備腐蝕嚴重共氧法“三廢”排放量少，對生產(chǎn)設(shè)備無腐蝕性工藝流程長，投資大；操作壓力高；原料多，質(zhì)量要求高；聯(lián)產(chǎn)品多，易受市場制約HPPO法工藝流程簡單；無污染；產(chǎn)品收率高，無副產(chǎn)品儲運昂貴；技術(shù)不成熟考慮到環(huán)境保護、生產(chǎn)安全、資金投入等各方面，在當今號召“節(jié)能環(huán)保”的理念下，清潔經(jīng)濟型化學工藝設(shè)計應(yīng)是優(yōu)先選擇的方向，對比之下選擇HPPO法制環(huán)氧丙烷作為本次設(shè)計的方法。反應(yīng)原理在實際工藝流程操作中，丙烯和過氧化氫在含沸石的鈦硅（TS-1）固定床催化劑催化下反應(yīng)生成環(huán)氧丙烷和水。主要的反應(yīng)方程式為：?主要的副反應(yīng)有以下；a.環(huán)氧丙烷的皂化反應(yīng)Cb.環(huán)氧丙烷的醚化反應(yīng)Cc.過氧化反應(yīng)Cd.過氧化氫分解反應(yīng)H為了提高環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)率，選擇適量的丙烯及甲醇，高選擇性的催化劑以及合適的反應(yīng)溫度都是需要有效掌控的，針對產(chǎn)品損失可以通過優(yōu)化完善工藝流程等其他條件來有效避免，反應(yīng)產(chǎn)生的以上副產(chǎn)物可通過加料中的阻聚劑對反應(yīng)混合物的PH值起緩沖作用進行有效控制。工藝路線在溫度接近室溫的條件下，將過氧化氫水溶液，丙烯與甲醇混合，反應(yīng)在裝有TS-1催化劑的固定床反應(yīng)器發(fā)生。反應(yīng)后在分離器中分離環(huán)氧丙烷，甲醇，丙烯和水的混合產(chǎn)物，將所得的混合產(chǎn)物送至預(yù)分離塔進行分離。先將從甲醇和水的混合物中分離出PO和丙烯，將PO餾出物送至PO塔進行處理，清除掉殘留的甲醇，水和少量雜質(zhì)的混合物，多次精餾后所得的PO餾出液達到要求的標準。丙烯和剩余的甲醇水溶液再循環(huán)，分離出的丙烯氣體壓縮純化后返回至反應(yīng)裝置中。在分離塔和PO塔的底部，從甲醇和水混合物中分離出甲醇，并將從上部轉(zhuǎn)移的甲醇蒸氣返回到PO反應(yīng)器中，從甲醇塔底部分離出的水和副產(chǎn)物返回至管道進行循環(huán)處理[5]。其工藝流程框圖如下：圖1工藝流程框圖工藝中制取環(huán)氧丙烷應(yīng)注意：一是丙烯為可燃氣體，去除其中的較多氧氣時可能會存在爆炸等安全問題，需要在此前對工藝系統(tǒng)進行爆炸分析以及安全防患，為解決此問題，應(yīng)該做好除氧工序的溫度和壓力控制，使其在爆炸范圍上限。二是該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度過高會導致副反應(yīng)的增加，同時催化劑也會受到影響，因此需調(diào)控各個反應(yīng)段的溫度，及時將反應(yīng)器中的反應(yīng)熱排出去，控制最佳的溫度范圍來提高生產(chǎn)效率。1物料平衡計算1.1設(shè)計依據(jù)：（1）設(shè)計任務(wù)：年產(chǎn)10萬噸環(huán)氧丙烷（2）年工作時間：300天（3）過氧化氫轉(zhuǎn)化率：96%（4）環(huán)氧丙烷的選擇性：90%（5）排空氣體比率：0.2%（6）催化劑質(zhì)量分數(shù)：1.2%表2物性數(shù)據(jù)表序號物質(zhì)分子量沸點℃1H2.01588-252.772O32-182.963H34.01150.24C42.08-47.75C44.10-42.16C32.0464.77C58.08341.2物料衡算基本原理物料衡算是根據(jù)質(zhì)量守恒建立起用,來表達系統(tǒng)內(nèi)進出物料量及組成的變化，即：系統(tǒng)累計的質(zhì)量+出系統(tǒng)的質(zhì)量+應(yīng)消耗的質(zhì)量=輸入系統(tǒng)的質(zhì)量+反應(yīng)生成的質(zhì)量[6]假設(shè)系統(tǒng)無泄漏則有:dF/dt=當系統(tǒng)無化學反應(yīng)發(fā)生時則有：dF/dt=在比較穩(wěn)定狀態(tài)則有：dF/dt=即：F其中：FINFOUTGRCR1.2物料衡算的目的通過定量計算化工裝置和處理裝置系統(tǒng)的物料平衡，可以確定主要產(chǎn)品和副產(chǎn)品的形成，廢物處置，原材料消耗的確定以及“三廢”的排放，同時計算最終產(chǎn)品質(zhì)量和其他重要經(jīng)濟方面的指標。技術(shù)指標可為后續(xù)設(shè)計提供了思路和基礎(chǔ)。1.3系統(tǒng)物料衡算下面由AspenPlus軟件模擬HPPO工藝流程的物料衡算圖：圖2HPPO工藝流程工序物料衡算圖表3系統(tǒng)的物料衡算結(jié)果表進入系統(tǒng)物流質(zhì)量流量/kg/h離開系統(tǒng)物流質(zhì)量流量/kg/hIN?32946.38O3627.84IN?C24709.79T0202W3927.56IN?13649.62C2263.50C5947.00PO12588.82H626.00CH26194.04H14104.46H213867.78C533.18C408.98H362.68合計77878.8合計77878.8從表2可以看出，進出系統(tǒng)物流的的質(zhì)量流量保持平衡。2熱量平衡2.1熱量衡算基本原理熱量衡算是據(jù)能量守恒原理，確定工藝設(shè)計中供給或移走的能量研究系統(tǒng)各類型的能量變化[7]，即：輸出系統(tǒng)的能量+系統(tǒng)積累的流量=輸入系統(tǒng)的能量輸出系統(tǒng)的能量+系統(tǒng)積累的流量=輸入系統(tǒng)的能量當為連續(xù)系統(tǒng)時則有：Q其中：Q指設(shè)備的熱負荷W指輸出系統(tǒng)的能量HOUTHIN2.2熱量衡算的目的確定過程中增加或減少的能量，為換熱器的設(shè)計提供基礎(chǔ)，了解其傳熱效率和設(shè)備損耗，采取適當措施。2.3系統(tǒng)熱量衡算下面由AspenPlus軟件模擬反應(yīng)工序的能量衡算圖：圖3反應(yīng)工序能量衡算圖表4總流程質(zhì)量與能量平衡表Conventionalparts(KMOL/HR)INOUTGENERATIONRELATIVEDIFFH1406.351632.03225.6820.263131E-05C321.12588.6628-232.4620.449263E-09C3.094763.094760.000000.840926E-09C0.00000220.979220.979-0.395979E-06O0.000000.968593E-010.968593E-010.162717E-08C0.000006.973846.973870.433187E-05C0.000004.509754.509770.338262E-05H242.1489.49216-232.6560.202750E-06C771.165766.659-4.50977-0.557803E-05C144.863144.8630.000000.117718E-14C0.000000.000000.000000.00000表5總平衡數(shù)據(jù)一覽表TOTALBALANCEMOLE(KMOL/HR)2888.752877.36-11.38680.157420E-15MASS(KG/HR)77878.877878.8-0.772995E-06ENTHALPY(WATT)-0.171272E+09-0.184640E+090.723996E-01表6系統(tǒng)的熱量衡算結(jié)果表進入系統(tǒng)能量能量/kw離開系統(tǒng)能量能量/kwIN?-121174.54O356.61IN?C-50770.46T0202W1186.44IN?1803.81C474.71C1629.65PO-7395.13H-2760.84CH-56372.06E010233030.62H2-60818.16C01016620.04H2-59874.72T0201再沸器11336.68C-887.74E02046.78C-791.01C020161.57H-519.18T0202再沸器3459.34E01011392.42T0301再沸器4802.21R010114818.66T0302再沸器2058.10E020139650.66T0401再沸器17588.97T0201冷凝器3162.82T0402再沸器17467.60E020519.81T0501再沸器18186.24T0202冷凝器3502.94T0502再沸器411.47T0301冷凝器4194.63T0503再沸器532.88T0302冷凝器5024.25T0401冷凝器19481.59T0402冷凝器17429.07E05011876.40T0501冷凝器17442.77T0502冷凝器395.92T0503冷凝器538.90合計-55709.87合計-55709.393設(shè)備計算與選型3.1反應(yīng)器設(shè)備計算反應(yīng)器進料形式為液態(tài)混合，考慮到原料運輸效率及催化劑失活等[8]可能存在因素，本次選用固定床反應(yīng)器[9]為來達到此次工藝目的。圖3反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖由上述物料衡算和能量衡算結(jié)果，確定催化劑床所需層數(shù)、溫度和用量[13]。結(jié)合動力學方程則有：ddFddT根據(jù)上述公式可得：進料體積流率為空時空速停留時間塔內(nèi)平均流速塔徑取得擋板距離取總塔高則為取整后3.2塔設(shè)備設(shè)計氣液傳質(zhì)分離常用的塔設(shè)備，常用的塔包括板式塔和填料塔[10]。兩種類型均可用于蒸餾，吸收和其他氣液傳質(zhì)過程，但每種都有其優(yōu)缺點。本次工藝蒸餾和過程分離要求效率穩(wěn)定，巨大的操作靈活性，方便的維護以及較低的投資成本。這次塔板塔被選為技術(shù)設(shè)備。通過Aspen軟件模擬數(shù)據(jù)計算可得：氣相平均流量和平均密度分別為液相平均流量和平均密度液相平均表面張力和粘度dyne3.2.1塔徑計算令塔板間距，板上清液層高度則可得：氣相負荷因子[11]：塔板允許有效空塔氣速：所以估算塔徑取整為0.8m由，，故可選擇塔直徑為0.83.2.2塔高計算[12]計算得則實際塔板數(shù)可取塔板數(shù)為10塔頂空間高度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進氣管管徑進氣管底部到塔釜液面的距離為保證塔底有1min的液體儲量：所以裙座高度：封頭高度：且H=0.8m，則需增加高度所以塔高：塔頂出料液體，塔釜出料液體速度[13]皆取0.5m/s。塔頂液體出料管：、選用的鋼管，流速為0.532m/s。塔釜出料管：選用的鋼管，流速為0.385m/s。進料管為選用的鋼管，流速為0.776m/s。3.3傳熱面積計算通過Aspen換熱器模擬數(shù)據(jù)計算得傳熱量則對數(shù)平均溫差：由于混合氣本身的物性和壓力影響則總傳熱系數(shù)傳熱面積為選用固定管板式換熱器[14]，管心距圓缺高度為直徑的折流板間距為。公式當量直徑殼程流通截面積殼程流速雷諾數(shù)普蘭特數(shù)粘度校正得由管程流通截面積管程流速雷諾數(shù)普蘭特數(shù)由格林林斯基公式得其中且得到得查化工工藝物性手冊可得管內(nèi)側(cè)污垢熱阻管外側(cè)污垢熱阻管壁熱阻總傳熱系數(shù)：換熱所需面積實際換熱面積，該換熱器可使用。取零計算傳熱管溫度則可得傳熱管平均溫度取則換熱器的阻力損失根據(jù)雷諾數(shù)及相對粗糙度查莫狄圖得則有液體流速很慢，壓降很小，所以損失皆在范圍內(nèi)。3.4泵選型計算上述選用了固定床反應(yīng)器為本次工藝設(shè)備，由AspenPlus軟件模擬可得以下數(shù)據(jù):進料溫度進料密度質(zhì)量流量體積流量進料口液體流速為則計算可得:故內(nèi)徑則管內(nèi)實際流速假定總管路長L=15m標準彎頭止回閥半球心閥全開球心閥則進料口離地面高度進料粘度在3000000范圍內(nèi)且內(nèi)徑為23mm的鋼鐵管則選取泵揚程H=20m允許汽蝕余量泵質(zhì)量為51kg底座質(zhì)量為41kg3.5工藝設(shè)備一覽表表7工藝設(shè)備表序號設(shè)備名稱單位數(shù)量1混合器臺12預(yù)熱器臺13反應(yīng)器臺14精餾塔臺65冷凝器臺64安全、選材及三廢處理4.1原料消耗表表8原料消耗表序號物料名稱濃度mol/L單位每秒消耗量mol/s1丙烯3.5秒211.52雙氧水1.2秒74.03甲醇15.0秒944.34.2安全設(shè)計環(huán)氧丙烷是一種易燃易爆的化學物質(zhì)。因此，為防止事故發(fā)生并確保生產(chǎn)人員的安全，對產(chǎn)品的生產(chǎn)，運輸，儲存等方面均要求嚴格[15]。考慮到該過程的實際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的一些安全問題，建議采取以下有效措施：1.按照國家建筑設(shè)計消防安全標準，嚴格規(guī)范每個處理站的要求。2.工廠內(nèi)部和外部必須安裝足夠的滅火系統(tǒng)，并且必須定期維修包含易燃易爆材料的設(shè)備和運輸線，并配備適當?shù)姆雷o裝置。3.如果易燃或有毒氣體可能泄漏并積聚，請設(shè)置警報以檢測易燃或有毒氣體。4.當停止系統(tǒng)設(shè)備管路進行維護時，應(yīng)徹底清除物料，只有在檢查合格后方可進行廢氣更換和火災(zāi)檢查。給系統(tǒng)設(shè)備管道開車，用氮氣置換，并且在移動之前，檢測到的氧氣含量需低于3％。5.所有控制室應(yīng)放置在安全位置。同時應(yīng)考慮采取安全措施，例如防火，防水，防爆，防塵和防雷措施，以應(yīng)對可能的工業(yè)事故，并建立常規(guī)控制，緊急停車和安全聯(lián)鎖裝置，向警告燈控制電路發(fā)出信號。6.安裝在危險區(qū)域中的設(shè)備需符合防爆要求，每個主機的工具和系統(tǒng)均由不間斷電源供電。7.生產(chǎn)中的有毒化學品，個人防護措施必須嚴格遵守勞動法規(guī)，并且必須對工人的急救措施進行培訓。4.3三廢處理在實際的生產(chǎn)工藝中，針對廢水廢氣的產(chǎn)生及排放，將統(tǒng)一排放至廢水處理廠處理后再進行排放，尾氣將進一步處理循環(huán)利用。5結(jié)論本次設(shè)計任務(wù)為年產(chǎn)10萬噸環(huán)氧丙烷的工藝設(shè)計，通過查閱有關(guān)文獻，相關(guān)化工設(shè)計類書本，綜合對比各種生產(chǎn)方法的優(yōu)缺點及可實施性，秉持“安全節(jié)能，綠色環(huán)保”的發(fā)展理念對此課題進行初步設(shè)計，運用Aspenplus軟件模擬工藝流程，對所得數(shù)據(jù)進行物料衡算和熱量衡算，在此基礎(chǔ)上根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)進行設(shè)備選型，同時使用CAD軟件對本次設(shè)計流程進行設(shè)計繪圖，為工業(yè)上生產(chǎn)環(huán)氧丙烷提供依據(jù)。18參考文獻[1]崔小明.國內(nèi)外環(huán)氧丙烷的供需現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析[J].石油化工技術(shù)與經(jīng)濟.2016,32(1