新建2萬噸環(huán)氧丙烷生產廠初步設計書

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1、 初步設計書 第二篇 初步設計說明書 目錄 目錄 2 1 總論 3 1.1項目概況 3 1.2設計依據 4 1.3工藝特點 4 1.4產品方案 4 1.5主要物料規(guī)格及消耗 4 1.6廠址概況 5 1.7主要危險品防護 5 1.8全廠綜合經濟技術指標 6 2 原料采購及產品營銷 7 2.1原料采購 7 2.1.1甲醇 8 2.1.2丙烯 8 2.1.3雙氧水 8

2、2.2主要產品標準 8 2.2.1環(huán)氧丙烷 8 2.2.3本廠產品 9 2.3營銷 9 2.3.1 公司品牌策略 9 2.3.2公司產品策略 9 2.3.3產品價格策略 9 2.3.4顧客服務策略 10 2.3.5網頁策略 10 3 化工工藝及系統(tǒng) 10 3.1工藝方案的選擇 10 3.1.1環(huán)氧丙烷的性質 10 3.1.2環(huán)氧丙烷的生產工藝 11 3.1.3工藝優(yōu)缺點比較 14 3.1.4工藝方案的選擇 16 3.2本廠工藝原理 17 3.2.2反應動力學 17 3.2.3反應條件 18 3.3工藝流程說明 19 3.3.1工藝流程方框圖 19 3.

3、3.2工藝流程簡述 20 3.3.3工藝流程模擬 20 3.3.4合成工段 21 3.3.5分離工段 21 3.4全廠物料能量衡算 24 4、化工計算 25 4.1 反應器物料衡算 25 4.2 預分離塔物料恒算如表4.2 25 4.3 甲醇回收塔物料衡算如表4.3 26 4.4 丙烯回收塔物料衡算如表4.4 26 丙烯回收塔物料衡算如表4.4 26 4.5 環(huán)氧丙烷精餾塔物料衡算 27 5、設備設計及選型 28 5.1 反應器計算 28 5.1.2反應管長度的計算 29 5.1.3管束尺寸和反應管的排列 29 5.1.4 板厚的計算 30 5.1.5 孔

4、數和孔徑的確定 30 5.2 精餾塔設計 31 5.2.1 塔徑的計算 32 5.2.2 塔高的計算 33 5.2.3 其他精餾塔的計算 34 5.3離心泵的選型 34 5.3.1 丙烯進料泵的選型： 34 5.3.2雙氧水進料泵的選型： 35 5.3.3 甲醇進料泵的選型： 35 5.3.4預精餾回流泵選型： 36 5.3.5 丙烯回收塔回流泵選型： 37 5.3.7 甲醇回收塔回流泵選型： 38 5.4 換熱器選型 38 5.4.1 設計計算主要公式 38 5.4.2 流體流動阻力計算主要公式 40 6、車間布置說明 42 1

5、總論 1.1項目概況 本項目為XX化工園區(qū)新建2萬噸環(huán)氧丙烷生產廠。建址于XX市XX化工園區(qū)。項目總投資為3148.78萬元。其中固定資產投資為2062.17萬元，流動資金為600萬元每年。從中國建設銀行貸款60%，借款利率為7%，其余由自有資金注入。建設期為1年，生產期10年，靜態(tài)投資回收期為1.83年，動態(tài)投資回收期為2.29年。 1.2設計依據 1、化工工程設計相關規(guī)定； 2、國家經濟、建筑等相關政策； 3、2009“三井化學杯”大學生化工設計大賽指導書； 4、本項目可行性報告。 1.3工藝特點 本廠以丙烯、雙氧水、甲醇為主要原料。甲醇由園區(qū)廠家通過管道輸送直接供應。

6、丙烯及雙氧水存有XX本地廠家供應。 1.4產品方案 本廠產品主要為環(huán)氧丙烷。產品方案如表1.1 表1.1 產品方案 產品名稱 本廠規(guī)格 國家規(guī)定 產量（萬噸/年） 單價（元/噸） 環(huán)氧丙烷 99.7% 一級品 2 15000 產品銷售市場簡介：環(huán)氧丙烷主要用于生產聚醚多元醇、丙二醇和各類非離子表面活性劑等，其中聚醚多元醇是生產聚氨酯泡沫、保溫材料、彈性體、膠粘劑和涂料等的重要原料，各類非離子型表面活性劑在石油、化工、農藥、紡織、日化等行業(yè)得到廣泛應用。同時，環(huán)氧丙烷也是重要的基礎化工原料。 1.5主要物料規(guī)格及消耗 表1.2 主要物料規(guī)格及消耗 項目

7、 規(guī)格 數量(萬噸/年) 原料 雙氧水 工業(yè)級 1.3 丙烯 工業(yè)級 1.6 甲醇 工業(yè)級 0.46 公用工程 冷卻水 20℃ 7000 蒸汽 100℃-200℃ 383 1.6廠址概況 廠區(qū)地處XXXX化工園區(qū)。XX區(qū)幅員面積1423平方公里，人口88萬，是XX陸路的交通樞紐和長江上游的重要港口，是XX經濟社會資源向三峽庫區(qū)輻射的重要中繼站。XX化工園區(qū)是2001年12月XX市人民政府批準成立的省級工業(yè)園區(qū)。園區(qū)首期規(guī)劃面積31.3平方公里，分為天然氣化工片區(qū)、石油化工片區(qū)、精細化工片區(qū)及化工材料片區(qū)，是XX市集天然氣化工、石油化工、生物質化

8、工、精細化工和新材料產業(yè)于一體的綜合性化工園區(qū)，是XX市資源加工業(yè)的重要平臺。園區(qū)具有優(yōu)越的地理位置、便捷的交通網絡、豐富的自然資源、雄厚的產業(yè)基礎、完善的配套設施，規(guī)劃合理，布局科學。經過五年的開發(fā)建設，園區(qū)已基本形成了石油化工、天然氣化工、氯堿化工、生物質化工、精細化工和新材料產業(yè)基礎。成功引進英國BP公司、中國石化集團公司、中國石油天然氣集團公司、德國巴斯夫、德國林德氣體公司、美國普萊克斯公司、中化國際、云天化股份有限公司等81家企業(yè)，其中有世界五百強12家，國內外上市公司19家，協議投資總額超過800億元人民幣，將在2011年底前全部建成投產。 原料優(yōu)勢：XX地區(qū)有豐富的天然氣資源，

9、有天然氣合成甲醇以及氫氣，廠區(qū)有甲醇和一氧化碳生產廠家，來源穩(wěn)定運費低廉。原料運輸由管道運輸完成運費低廉。 交通優(yōu)勢：長江黃金水道、國家干線鐵路、骨干高速公路、毗鄰國際機場構成了快速便捷的立體交通網絡。 1、港口：園區(qū)南、北兩岸擁有37個泊位的深水港碼頭，年吞吐能力達2090萬噸； 2、鐵路：渝懷鐵路、渝利鐵路和規(guī)劃中的城際鐵路都將通過園區(qū)，設有客、貨運站，建有園區(qū)化學品專用站； 3、公路：XX-上海、XX-福州的高速公路在園區(qū)交匯； 4、航空：距XX江北國際機場50公里。 1.7主要危險品防護 表1.3 危險物一覽表 序號 物質名稱 分子量 熔點（℃） 沸點（℃）

10、閃點（℃） 自燃溫度（℃） 爆炸極限 火災危險類別 毒性危害 下限V％ 上限V％ 1 甲醇 32.04 -97.8 64.8 11 385 5.5 44 甲類 III 2 丙烯 42.08 -185.3 -47.4 <-107 497 2 11.7 甲類 II 3 環(huán)氧丙烷 58.08 -104.4 33.9 -37 420 2.8 37 甲類 III 本廠主要危險品性質及防護見附錄MSDS章節(jié)。 1.8全廠綜合經濟技術指標 表1.4 綜合經濟技術指標 序號 指標名稱 單位 數量 1 設計規(guī)模

11、 萬噸/年 2 2 年操作日 小時/年 7200 3 原料及輔助材料消耗 萬元/年 4700 4 工廠用地面積 平方米 24321 5 建筑面積 平方米 7224.8 6 總定員 人 139 7 總投資 萬元 3014.83 8 全廠總產值 萬元/年 8347 9 產品年總成本 萬元/年 5865.4395 10 靜態(tài)投資回收期 年 1.83 11 動態(tài)投資回收期 年 2.29 12 投資利潤率 % 54.59 13 投資利稅率 % 72.79 14 內部收益率 % 53.00 15

12、 盈虧平衡點 % 83.08 具體計算見可行性報告。 2 原料采購及產品營銷 2.1原料采購 由于本分廠的主要原料合成氣都是由總廠轉化后直接輸送而來。因此本節(jié)主要介紹總廠對本分廠所需合成氣合成原料的采購方案。 2.1.1甲醇 本廠所需甲醇，由園區(qū)甲醇生產廠家直接供應，在廠區(qū)內通過管道直接輸送。在經濟核算時，以市價計算所需甲醇價格。 2.1.2丙烯 本廠每年共需1.66萬噸丙烯，由XX本地廠商提供。在經濟核算時，以市價計

13、算所需丙烯價格。 2.1.3雙氧水 本廠每年共需1.35萬噸氧氣，由XX本地廠家提供。在經濟核算時，以市價計算所需雙氧水價格 2.2主要產品標準 2.2.1環(huán)氧丙烷 表2.1環(huán)氧丙烷標準 項目 指標（摩爾分率） 一級品 優(yōu)級品 純級品 外觀 無色透明液體，無可見雜質 環(huán)氧丙烷，% 99.5 99.8 99.8 水份，% ≤0.1 ≤0.050 ≤0.0020 甲醇含量，% ≤0.20 ≤0.050 ≤0.0020 色度(鉑-鈷色號)，號 10 5 5 相對密度，g/cm3 1.0710.005 2.2.3本廠產品 表2.3

14、 本廠產品結構 產品名稱 本廠規(guī)格 國家規(guī)定 產量（萬噸/年） 單價（元/噸） 環(huán)氧丙烷 摩爾分率>0.97 一級品 1 15000 2.3營銷 2.3.1 公司品牌策略 首先公司經營的產品要確定自己的品牌，通過多種手段樹立品牌，打響名號。如專業(yè)銷售人員進行銷售、產品推廣；召開產品新聞發(fā)布會；參加業(yè)內頗有影響力的行業(yè)展會；在客戶群中形成良好的口碑；利用電視、雜志和報紙等平面媒體對企業(yè)品牌進行宣傳；建立公司網站，通過網絡平臺對產品進行宣傳，甚至可以建立在線貿易系統(tǒng)，在網絡上進行交易。 2.3.2公司產品策略 企業(yè)使用網絡營銷方法要先明確自己的公司所賣產品或者服務項目

15、，明確哪些群體是消費者，有目的的尋找消費群體，產品的選擇是很重要的，產品的選擇決定了要進行網絡營銷的消費群體。選擇好產品可以通過網絡營銷獲得更大的利潤。 2.3.3產品價格策略 價格，是消費者最關注的，以最低價格購買到最好質量的產品或服務是每個消費者的最大希望了。先以產品質量和較低的價格，良好的售后服務樹立信譽，打入本地市場；逐步確定主要銷售目標市場和客戶群 ，逐步擴大市場，穩(wěn)定市場占有率，直至建立起完善的銷售網絡。 一個企業(yè)要想在價格上取勝，就要注重強調自己的產品性能價格以及與同行業(yè)競爭者產品的特點，及時調整不同時期不同價格。如果在自身品牌推廣階段完全可以用低價來吸引消費者，在滿足自己

16、成本的基礎上以最好的質量回饋消費者，通過這樣的方式來占領市場。當品牌推廣累積到一定階段后，制定自動價格調整系統(tǒng)，降低成本，根據變動成本市場需求狀況以及競爭對手報價來及時適時調整。 2.3.4顧客服務策略 根據自身公司產品特性,根據特定的目標客戶群，特有的企業(yè)文化來加強互動，建立完善的客戶服務系統(tǒng)，節(jié)約開支，避免傳統(tǒng)營銷模式營銷手法單一所帶來的弊端。 2.3.5網頁策略 通過網絡營銷，將營銷建立在互聯網上，企業(yè)可以選擇比較有優(yōu)勢的網址來建立自己的網站，然后專人進行維護管理，節(jié)省原來傳統(tǒng)市場營銷很多廣告費用，搜索引擎也會關注網站搜索率，一定程度上來說比廣告效果好。 3

17、 化工工藝及系統(tǒng) 3.1工藝方案的選擇 3.1.1環(huán)氧丙烷的性質 環(huán)氧丙烷在常溫常壓下為無色透明低沸易燃液體，具有類似醚類氣味；環(huán)氧丙烷工業(yè)產品為兩種旋光異構體的外消旋混合物。凝固點-112.13℃，沸點34.24℃，相對密度（20/20℃）0.859，折射率(nD)1.3664，粘度（25℃）0.28 mPaS。與水部分混溶[20℃ 時水中溶解度40.5%（重量）；水在環(huán)氧丙烷中的溶解度12.8%（重量）]，與乙醇、乙醚混溶，并與二氯甲烷、戊烷、戊烯、環(huán)戊烷、環(huán)戊烯等形成二元共沸物。 3.1.2環(huán)氧丙烷的生產工藝 環(huán)氧丙烷的生產在國民經濟的發(fā)展中占有舉足輕重的地位。環(huán)氧丙烷（

18、PO） 是重要的有機化工原料， 在丙烯的重要衍生物中僅次于聚丙烯和丙烯腈， 居第三位。環(huán)氧丙烷最主要的用途是用于生產聚醚多元醇， 其次是用于生產丙二醇， 此外還用于生產表面活性劑、羥丙基纖維素等多種精細化工產品。這些精細化工產品廣泛應用于化工、輕工、醫(yī)藥、食品、紡織等行業(yè)。 環(huán)氧丙烷的生產方法已工業(yè)化的主要有氯醇化法、共氧化法和HPPO 法， 其中共氧化法又可以分為乙苯法和異丁烷法兩種。2007 年世界PO生產能力統(tǒng)計， 氯醇化法占總生產能力的40.3%，共氧化法占51.5%， HPPO 法占5%， 其它工藝僅占1.2%。就共氧化法而言， 乙苯法占世界總生產能力的24.9%， 異丁烷法占26

19、.6%。 1.氯醇法 傳統(tǒng)的氯醇法生產PO流程示意見圖3.1，該法以丙烯、氯氣和水按一定比例送入次氯酸化反應器, 反應壓力為常壓或略高于常壓。反應溫度為40~ 90e 。一般使丙烯和水過量以降低生成副產物二氯丙烷、丙醛等。次氯酸化反應后, 未反應的丙烯及生成的二氯丙烷等由反應器頂部排出進入丙烯分離器, 再經洗滌、分離后使未反應的丙烯循環(huán)返回次氯酸化反應器, 反應生成的氯丙醇濃度約為5% 。次氯酸化生成的氯丙醇的鹽酸液與過量的10% ~ 20%的Ca ( OH ) 2 溶液經預熱后進入皂化反應器, 皂化生成的粗PO 由塔釜以蒸汽汽提至塔頂蒸出, 皂化污水由釜底排出后泵送閃蒸罐,回收廢熱并在污

20、水沉降池回收過量的C a( OH) 2, 上部液體送污水處理。粗PO 經初餾塔和精餾塔分離出水、二氯丙烷及其他有機雜質得產品PO。為了減少PO 水解為氯丙醇, 宜采用真空精餾。 圖3.1 傳統(tǒng)氯醇法生產工藝流程圖 2．共氧化法 根據采用不同原料和聯產不同產品, 共氧化法可分為乙苯共氧化法和異丁烷共氧化法。除PO 外, 前者還聯產苯乙烯, 后者則聯產叔丁醇。鑒于MTBE 會污染地下水, 如今美國等已停止使用。因此當今聯產法大都建成PO /SM生產裝置。較好的工藝為She ll工藝技術，She ll工藝技術生產PO /SM 的比例為1: 212~ 213, 主要工藝過程包括乙苯

21、氧化、丙烯環(huán)氧化( epox idation)、產品分離、PO 精制及苯乙烯精制等5部分。She ll法催化劑為負載于二氧化硅上的釩、鎢、鉬或鈦的化合物, 如以氯化三甲基硅烷活化的T iO2 /S iO2 催化劑, 在丙烯與乙苯過氧化物的摩爾比為6: 1, 反應溫度為80~ 90e , 壓力313MPa和接觸時間為30m in 的條件下反應時,過氧化物轉化率為97%, 環(huán)氧丙烷選擇性為91% ~ 95%。其流程圖如圖3.2. 圖3.2 共氧化法工藝流程圖 3.HPPO法 該法通過丙烯經氧化劑雙氧水進行直接氧化的工藝流程較簡單, 副產物少, 且不像氯醇法有環(huán)境污染問題, 因此當前已

22、為各國所關注。2002年由Dow Chem ical與BASF 合作開發(fā)成功的過氧化氫制PO (HP - PO ) 工藝, 并決定將此技術工業(yè)化, 并在BASF公司Antw erp 建設300kt/ aHP- PO裝置。據稱原計劃將于2008年5月完成, 后由于建設方面問題推遲了完成時間。預計2009年后將投產。該工藝采用管式反應器, 在中溫、低壓和液相條件下, 在甲醇溶劑中用過氧化氫催化丙烯環(huán)氧化生產PO。BASF公司為了解決工程放大中可能出現問題, 曾于2000年在路德維希建100t /a HP - PO 工藝中試裝置。該法流程圖如圖3.3 圖3.3 陶氏- 巴斯夫HP- PO工藝流程

23、示意圖 3.1.3工藝優(yōu)缺點比較 環(huán)氧丙烷的生產方法已工業(yè)化的主要有氯醇化法、共氧化法和HPPO 法， 其中共氧化法又可以分為乙苯法和異丁烷法兩種。2007 年世界PO生產能力統(tǒng)計， 氯醇化法占總生產能力的40.3%，共氧化法占51.5%， HPPO 法占5%， 其它工藝僅占1.2%。就共氧化法而言， 乙苯法占世界總生產能力的24.9%， 異丁烷法占26.6%.目前, PO的工業(yè)化生產方法即氯醇化法、共氧化法和HPPO法在生產工藝、原料要求、副產品量、三廢處理等方面各有優(yōu)劣。在投資、原材料消耗量、副產品生成量、公用工程消耗量等方面也各有千秋。表4.1列出了三種方法的優(yōu)缺

24、點。表4.2列出了三種方法的技術經濟指標。 表3.1氯醇化法、共氧化法和HPPO 法優(yōu)缺點 生產路線 優(yōu)點 缺點 氯醇化法 歷史悠久， 工藝流程短， 工藝成熟； 單產品， 操作彈性大； 選擇性好,收率高； 生產比較安全； 對原料丙烯純度要求不嚴； 建設投資小 設備易腐蝕； 廢水量大； 氯氣消耗多； 副產二氯丙烷； 廢渣量大 共氧化法 廢水量少； 無腐蝕； 副產品經濟價值高 廢水處理困難； 工藝流程長； 原料品種多； 對原料丙烯純度要求高； 生產大量聯產品； 建設投資大 HPPO法 三廢少； 投資少； 無聯產品；

25、工藝流程短； 占地面積少 工業(yè)化時間短； 工藝待完善 表3.2 氯醇化法、共氧化法和HPPO 法技術經濟指標 項目 氯醇化法 共氧化法 HPPO法 異丁烷法 乙苯法 投資/億元(以1萬t/a裝置計) 2.10 2.77 4.69 1.10 PO產品收率/% 88% 91%~93% 94%~95% 每噸PO需原材料 丙烯 0.80~0.90 0.85 0.80 0.80 異丁烷 2.77 乙苯 3.20 氫氣 2.73 氯氣 1.35~1.50 生石

26、灰 1.00 過氧化氫 0.65 每噸PO副產物/ t 二氯丙烷 0.10~0.27 二氯異丙醚 0.022 叔丁醇 2.36 苯乙烯 2.60 公用工程(每噸PO需) 電耗/(KWh) 100 385 442 比傳統(tǒng)工藝能耗 降低35%~40% 冷卻水耗/t 200 500 855 蒸汽（4MPa）/t 2.0 4.0 12 人工 81 56 74 50 我國環(huán)氧丙烷生產始于上世紀60年代中期,隨著國民經濟的發(fā)展，我國PO的生產規(guī)模逐漸提高，具體生產企業(yè)的

27、情況見表3.3. 從表3.3可知國內生產PO大部分企業(yè)依然采用污染較大的氯醇法。 隨著國內環(huán)保壓力日益增加, 氯醇法生產壓力大增, 盡管氯醇法工藝流程簡單，生產比較安全, 但是最大缺點是設備腐蝕嚴重，大量廢水難以治理。近年來國際上新建裝置多選擇PO SM 法, PO SM 共氧化法雖然比較先進, 但由于要使用原料乙苯, 而且在生產環(huán)氧丙烷的同時要聯產苯乙烯, 每噸環(huán)氧丙烷要聯產l.s t苯乙烯, 對于沒有乙苯資源, 也沒有苯乙烯的下游產業(yè)鏈的企業(yè), 不宜采用PO S M 法而隨著PO 新技術工業(yè)應用的成功, 如日本C H P 路線已經投產, 清潔節(jié)能的H P P O 路線在韓國尉山的建設,

28、以及中石化自主產權的HPPO 國產工藝包的推出, 將推動環(huán)氧丙烷進入一個環(huán)保有國際競爭力的快速發(fā)展的時代。所以發(fā)展HPPO不僅是環(huán)保的需求，也是行業(yè)發(fā)展的大勢所趨。 表3.3 2010年我國環(huán)氧丙烷生產商和產能及核心技術 3.1.4工藝方案的選擇 1、選擇標準 我們在具體選擇工藝時主要考慮的因素及其重要程度依次排列如下： （1）有較為成熟的工藝技術，接近或已工業(yè)化； （2）環(huán)境友好。環(huán)境問題已逐漸成為影響人們生活質量的重要因素，近來對環(huán)境問題的關注也越來越廣泛。長期以來化工廠往往被人看成是污染的代名詞，因此環(huán)保理念對于現代工廠的設計是非常重要的； （3）操作費用低

29、，能耗低。因為工廠是連續(xù)運營生產的，因此對于蒸汽、水電等每天都在消耗的成本要求盡量低； （4）設備費用低，投資成本低。設備為一次性投資，因此在保證操作費用低的基礎上盡量減少設備等一次性投資成本。 2、工藝選取 結合工藝比較，我們最終決定選擇HPPO法。其中理由如下： （1）直接氧化法法工藝簡單，并且環(huán)保無污染問題，符合時代需求，且產率較高； （2）生產安全環(huán)保，符合建設和諧社會的要求； （3）避開了使用傳統(tǒng)方法所帶來的環(huán)保，以及自動化較低的問題 (4)原料簡單，均可在XX本地購買，降低成本； (5)作為未來極有發(fā)展前途的技術，直接氧化法的工業(yè)化應用，將會對其未來的發(fā)展，以及P

30、O的合成工藝，以及其它方面產生影響。 3.2本廠工藝原理 本廠所采用的工藝是過氧化氫直接氧化法（HPPO）。其反應方程為： 反應后，反應液進入甲醇回收塔，回收其中未反應的甲醇重新回到反應器，塔釜液進入環(huán)氧丙烷塔，從塔頂分離出丙烯進行回收；塔底液進入環(huán)氧丙烷回收塔，回收較純環(huán)氧丙烷，塔底液可直接排放進入污水處理廠處理。 3.2.2反應動力學 1 主反應動力學 丙烯環(huán)氧化反應生成環(huán)氧丙烷是個串并聯反應, 但是由實驗可以發(fā)現, 在反應過程中丙二醇的生成量相對較少, 因此, 此反應可以近似地認為是串聯反應: 其反應的動力學方程為: 在反應過程中, 液相中丙

31、烯的濃度取決于丙烯在甲醇中的溶解度, 由于丙烯的壓力恒定為0. 30 MPa, 因此, 丙烯在液相中的濃度也相對恒定, 同時甲醇的濃度遠遠大于環(huán)氧丙烷的濃度, 甲醇的濃度近似為一常數, 因此, 反應動力學方程可以簡化為 在丙烯壓力為0. 3 MPa, 溫度為30~ 50 e , 甲醇、雙氧水和催化劑質量比為127. 0 B 18. 0 B 1. 0的條件下進行了動力學實驗。由雙氧水的分解實驗可知, 當反應時間為60 min 時, 雙氧水的分解率均小于2%, 因此, 此時的雙氧水分解對反應的影響可以忽略。根據得到的雙氧水轉化率實驗數據可得丙烯環(huán)氧化反應動力學方程, 結合得到的環(huán)氧丙烷進一步

32、反應的副反應動力學, 得到氧丙烷生成反應速率方程為: a) 以甲醇為溶劑, T S21 催化丙烯/ H2 O2 環(huán)氧化反應中, TS21 催化劑不僅對丙烯環(huán)氧化有催化作用, 同樣對環(huán)氧丙烷的醚化和雙氧水分解也有催化作用, 因此催化劑濃度的選擇至關重要。 b) 反應溫度低于60 e , 雙氧水的分解率均小于6%, 基本可以忽略。環(huán)氧丙烷的醚化是主要的副反應, 在丙烯壓力為0. 3 MPa, 溫度為30~ 50 e 下, 用冪指數型的非機理速率方程建立了該串聯反應動力學方程, 其副反應活化能高于主反應活化能, 但主反應的反應級數高于副反應。 2、副反應動力學 環(huán)氧丙烷可以分別與甲醇

33、和水反應生成丙二醇甲醚以及丙二醇, 這是個平行反應, 但在實驗過程中發(fā)現丙二醇的生成量約為丙二醇甲醚的0. 5% ~ 1%, 因此, 丙烯環(huán)氧化的副產物主要是丙二醇甲醚, 假定生成的丙二醇忽略不計。 根據環(huán)氧丙烷濃度隨時間的變化規(guī)律, 利用非線性差分的方法, 得到各實驗點的反應速率,采用冪函數形式的動力學模型, 用最小二乘法計算出模型參數。由于甲醇的濃度遠遠大于環(huán)氧丙烷的濃度, 甲醇的濃度近似為一常數, 在壓力為0. 3 MPa, 溫度30~ 50 e 條件下環(huán)氧丙烷醚化生成丙二醇甲醚的動力學方程為: 3.2.3反應條件 表3.4 主要設備的反應條件 設備名稱 反應溫度/℃ 反

34、應壓強/MPa pH 反應器 50 1 3~6 預精餾塔 80 0.2 —— 甲醇精餾塔 40 0.15 —— 丙烯精餾塔 100 0.16 —— 環(huán)氧丙烷精餾塔 50 0．2 —— 3.3工藝流程說明 3.3.1工藝流程方框圖 我們采用HPPO法，根據國外的研究成果以及已經用于生產的工藝設計了合成工藝。其工藝流程方框圖見圖3.1。 圖3.1 所用工藝流程方框圖 3.3.2工藝流程簡述 如圖3.3.1所示，反應原料丙烯氣體、過氧化氫溶液，從丙烯回收塔回收來的丙烯，從H2O2回收塔回來的過氧化氫一起進如環(huán)氧化反應器進行環(huán)氧化反

35、應。反應方程式如下： 反應后，反應后，反應液進入甲醇回收塔，回收其中未反應的甲醇重新回到反應器，塔釜液進入環(huán)氧丙烷塔，從塔頂分離出丙烯進行回收循環(huán)使用；塔底液進入環(huán)氧丙烷回收塔，回收較純環(huán)氧丙烷，塔底液可直接排放進入污水處理廠處理 3.3.3工藝流程模擬 使用AspenPlus軟件對流程進行模擬，其模擬流程圖見圖3.2. 圖3.2 aspen模擬流程圖 第 42 頁 共 42 頁 3.3.4合成工段 合成工段主要包括了預處理及反應階段。預處理的目的是讓液體甲醇汽化，同時使反應原料達到一定的初試反應溫度。反應混合氣體在50℃、1MPa下

36、進入反應器。在反應合成過程中反應器溫度控制在50℃，壓力為1MPa下。由于合成反應是放熱反應，因此通過熱導油將熱量移走，以作為后續(xù)工藝的熱源。反應結束后，產品環(huán)氧丙烷的產率為87%，副產品丙二醇對雙氧水的選擇性為3%。 3.3.5分離工段 反應完成后，反應液中含有： （1）主反應生成物：環(huán)氧丙烷和H2O ； （2）未完全反應的反應物：丙烯和雙氧水； （3）未反應物：甲醇 （4）副產物：丙二醇。 為了能夠充分利用原料，提高原料利用率，需要將未反應的丙烯、過氧化氫和甲醇循環(huán)回環(huán)氧丙烷反應器中繼續(xù)參加反應，而氣液可以通過閃蒸進行分離。由于丙烯、過氧化氫和甲醇可形成共沸物，因此甲醇的回收

37、和環(huán)氧丙烷的分離提出需要通過精餾完成。 1、回收丙烯 在環(huán)氧化反應中，H2O2會在TS–1催化劑上部分分解產生一定量的O2，O2與丙烯形成一種可燃燒性混合物，使操作存在危險性。同時為了充分利用丙烯；通常使未反應的丙烯經分離和提純后循環(huán)回HPPO工藝。工藝流程見圖3.3。 圖3. 3 丙烯回收工藝流程示意圖 首先通過N2供應裝置向尾氣流中供應N2，使其中O2濃度稀釋至燃燒極限以外，然后使混合氣壓縮至1.5~2.5 MPa后送入冷凝裝置，在0~20℃下產生一個由丙烯、丙烷、O2及少量揮發(fā)物組成的氣相(T1)和一個主要由丙烯組成的液相(T2

38、)。T2被送入分離器，借助蒸餾裝置得到一個富丙烯物流T2′和一個貧丙烯物流T2′′，前者丙烯純度≥95%，被循環(huán)回HPPO工藝；后者與O2混合燃燒轉化為可利用能源。T1被送入膜滲透裝置，滲透膜由聚合物與無機化合物復合而成，將T1分離成一個含丙烯、丙烷及揮發(fā)物的通過物流T3和一個由N2、少量O2及揮發(fā)物組成的保留物流T4，前者被循環(huán)回尾氣流，后者經處理后排放。 2、PO 的分離與回收 在回收未反應丙烯并使其經提純和循環(huán)使用后，使剩余的產品混合物進行蒸餾，以回收和精制PO產品。G. Hans-Georg 等報道了一種用萃取蒸餾法來分離PO產物的工藝。其工藝流程示意圖見圖3.4。 圖3.4

39、PO 的分離與回收工藝流程示意圖 分離丙烯后的產物流的質量組成為：PO8%~ 10.5%、甲醇65%~70%、水20%~25%、丙烯≤ 3 5 0 1 0 – 6、丙烷≤ 1 0 1 0 – 6、乙醛≤10010–6、高沸物≤0.65%，它經預熱后作為原料(M)從距塔頂第45 塊理論級處送入萃取蒸餾塔。該塔優(yōu)選有75 ~ 80 塊理論板，回流比優(yōu)選3.5 ~ 3.9，萃取劑用分離甲醇后的工藝水，它從距塔頂第10 塊理論板處引入，萃取劑用量(基于原料的質量)優(yōu)選0.45%~ 1%，m(PO)︰m(萃取劑)=(6 ~ 7)︰1，塔頂壓力優(yōu)選45 ~ 50 kPa，塔底溫度優(yōu)選50

40、~60℃，填料用比表面積為250~750m2/m3的金屬片或網。從塔頂得到純度≥97%的PO，其他組分質量分數滿足甲醇≤1010–6、水≤2010–6、丙烯和丙烷＜0.25%，該餾分經一個功率為3 ~ 9 MW的24 轉子的單級汽輪壓縮機(C100)壓縮至0.25 ~ 0.35 MPa，此時蒸氣溫度為70~90℃，經一個冷卻水換熱器和一個冷凍水換熱器冷卻至12~20℃，然后部分作為回流液返回萃取蒸餾塔。塔底餾分質量組成為：甲醇＞97%、水≤2%、乙醛≤5010–6、PO≤5010–6、高沸物≤0.2%，它被用作使原料預熱的換熱器的熱源，換熱后進一步分離甲醇并循環(huán)回HPPO工藝，分離甲醇后的水經

41、提純后用作萃取劑循環(huán)回萃取蒸餾塔。 在管殼式換熱器中優(yōu)選的操作方式是，首先在20 ~ 30 ℃ 內使丙烯壓縮至2.0 ~ 3.0 MPa，然后減壓至0.5 ~ 0.8 MPa并完全蒸發(fā)，所得的制冷功率用作換熱器的冷源，從而實現整個工藝的熱量一體化。 3、回收和精制甲醇溶劑 回收和精制甲醇溶劑的連續(xù)化工藝。它包括如下步驟：①從HPPO 工藝得到的反應產物中分離未反應丙烯和PO，得到一個質量組成為：甲醇55%~85%、水10 % ~ 40%、C1~3 羰基化合物0.1 % ~0 . 5 %、甲氧基丙醇和PG 0.1 % ~ 1 % 的混合物。使該混合物在承載的Pd 催化劑存在下，于65

42、~ 85 ℃、氫壓0.3 ~ 1.3 MPa條件下氫化，得到一個PG質量分數為0.1%~ 1.3% 的混合物。②用堿(如堿金屬氫氧化物水溶液)和該氫化產物，n(OH－)︰n(酸)=(1~2)︰1，pH =8~9，得到新的混合物。③使中和后的混合物在一個15~40塊理論板的蒸餾塔中于0.08 ~ 0.15 MPa下分離出一個質量組成為甲醇60%~80%、水15%~35%和低沸物≤0.01%的餾分。④使該餾分在一個20 ~ 50 塊理論級的蒸餾塔中于0.5 ~ 1.2 MPa下分離成一個質量組成為：甲醇90%~99%、水0.5%~5%、低沸物≤10010–6的餾分和一個含PG的主要由水組成的餾分。

43、使前者循環(huán)回HPPO工藝，后者經回收PG 后排放。 3.4全廠物料能量衡算 全廠物料能量衡算見表 3.5. 表3.5 全流程物料橫算 4、化工計算 4.1 反應器物料衡算 反應器的物料衡算如表4.1 溫度（C） 50 50 壓強(Mpa) 1 1 項目 進料 出料 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) C3H6 165.000 11.111 113.850 7.675 H2

44、O2 55.00 3.704 3.850 0.260 CH4O 1265.000 85.185 1265.000 85.280 H2O — — 49.500 3.337 C3H6O — — 49.500 3.337 C3H8O2 — — 1.650 0.111 4.2 預分離塔物料恒算如表4.2 預分離塔物料恒算如表4.2 溫度（C） 50 50 50 壓強(Mpa) 1 1 1 項目 進料 塔頂出料 塔底出料 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) 流量(K

45、mol/h) 流量百分數(%) C3H6 113.850 7.675 113.850 69.370 — — H2O2 3.850 0.260 — — 3.850 0.292 CH4O 1265.000 85.280 1.265 0.770 1263.735 95.830 H2O 49.500 3.337 0.003 微量 49.497 3.753 C3H6O 49.500 3.337 49.005 29.860 0.495 微量 C3H8O2 1.650 0.111 — — 1.650 0.125

46、4.3 甲醇回收塔物料衡算如表4.3 甲醇回收塔物料衡算如表4.3 溫度（C） 50 50 50 壓強(Mpa) 1 1 1 項目 進料 塔頂出料 塔底出料 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) C3H6 — — — — — — H2O2 3.850 0.292 0.495 微量 3.850 5.734 CH4O 1263.735 95.830 1251.098 99.921 12.637 18.822 H2O 4

47、9.497 3.753 0.495 微量 49.002 72.986 C3H6O 0.495 微量 — — — — C3H8O2 1.650 0.125 — — 1.650 2.458 4.4 丙烯回收塔物料衡算如表4.4 丙烯回收塔物料衡算如表4.4 溫度（C） 50 50 50 壓強(Mpa) 1 1 1 項目 進料 塔頂出料 塔底出料 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) C3H6 113.850 69.

48、370 113.736 99.957 0.114 0.226 H2O2 — — — — — — CH4O 1.265 0.770 — — 1.265 2.513 H2O 0.003 微量 — — 0.003 微量 C3H6O 49.005 29.860 0.049 微量 48.956 97.255 C3H8O2 — — — — — — 4.5 環(huán)氧丙烷精餾塔物料衡算 環(huán)氧丙烷精餾塔物料衡算如表4.5 溫度（C） 50 50 50 壓強(Mpa) 1 1 1 項目 進料

49、 塔頂出料 塔底出料 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) 流量(Kmol/h) 流量百分數(%) C3H6 0.114 0.226 0.114 0.232 — — H2O2 — — — — — — CH4O 1.265 2.513 0.013 0.026 1.252 96.086 H2O 0.003 微量 0.001 微量 0.002 微量 C3H6O 48.956 97.255 48.907 99.739 0.049 微量 C3H8O2 — — — —

50、 — — 5、設備設計及選型 根據工藝流程圖，本廠所需主要設備為24個。基本情況如表5.1。 設備號 設備名稱 R101 固定床反應器 T101 預精餾塔 T102 甲醇回收塔 T103 丙烯回收塔 T104 環(huán)氧丙烷精餾塔 E101 預熱器 E102 冷凝器 E103 塔頂冷凝器 E104 塔底再沸器 E105 塔頂冷凝器 E106 塔底再沸器 E107 塔頂冷凝器 E108 塔底再沸器 E109 塔頂冷凝器 E11

51、0 塔底再沸器 P101 丙烯進料泵 P102 H2O2進料泵 P103 甲醇進料泵 P104 反應進料泵 P105 回流泵 P106 回流泵 P107 回流泵 P108 回流泵 V101 原料混合罐 5.1 反應器計算 本工藝以丙烯、甲醇、過氧化氫為原料，采用催化劑為鈦硅酸鹽， 其組成為( T i O 2 ) x ( S i O 2 )1 – x ( x = 0 . 0 0 1 ~ 0 . 0 5 ) ，n ( T i ) ∶ n ( T i + S i ) = ( 0 . 0 1 ~ 0 . 1 )∶1 ，優(yōu)選T S – 1 ( M F I

52、 結構) 和T S – 2 ( M E L 結構)。催化劑粒徑優(yōu)選≤1 0 0 nm ，比表面積優(yōu)選30030 m2/g。,空速取15。反應器選用列管式固定床反應器。 5.1.1 催化劑的填充量 由物料衡算表數據，根據空速計算催化劑的填充量： VR: 催化劑的填充量 VON: 原料氣體體積(標)流量 SV: 體積空速,h-1 5.1.2反應管長度的計算 取空床速度為0.05m/s，則床層截面積為： 則催化劑床層高度為： 根據化工原理取床層空隙率為0.3，則反映管長為: 5.1.3管束尺寸和反應管的排列 選取工業(yè)上所用的Φ3

53、5*2.5的列管，則單管催化劑體積為： 則管數為： 反應器采用正三角形排列采用正三角形排列，反應器列管的布置與普通換熱器有很大不同。首先，管束中央水循環(huán)受阻，傳熱惡化，溫度分布不均，故此區(qū)域不布管；其次反應管的排管把整個管板按6.7℃劃分為6個區(qū)間，整個管板由一個60區(qū)間陣列而成。取中央不布管區(qū)域直徑為200mm。 按正三角形排列，取管心距為，采用三角形排列，則單管所占的面積為，則反應器的直徑為 。 5.1.4 板厚的計算 根據流體進出選擇流體的設計溫度為100，設計壓力為1—2Mpa.由于反應原料為丙烯，雙氧水。有一定氧化性，，所選材料為0Cr18Ni10Ti。

54、（化工設備設計基礎） 焊接方式：選為雙面焊對接接頭，100%無損探傷，故焊接系數， 根據GB6654《壓力容器用鋼板》和GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》規(guī)定可知對OCr18Ni9鋼板. 材料的許用應力 則厚度按下式計算： 。圓整為55mm。 5.1.5 孔數和孔徑的確定 ，取孔徑d=10mm，則孔數為： 在分布板中心部分按等邊三角形排列，這樣，每一圈是正六邊形，最外2～ 3 圈為同心圓排列，同心圓與正六邊形之間的大空隙處，適當補加一些孔。 設孔間距為s，則： 取椎帽外徑為40mm，實際排孔數6123個，此時 ，滿足條件。 塔徑取

55、為6.3m,底座高度及塔頂頂封口高度取0.5m,則總高度為10.76m,取為11m. 5.2 精餾塔設計 塔的主要目的是將物質進行分離，本廠所采用工藝中，設計預精餾塔，甲醇回收塔，丙烯回收塔，以及環(huán)氧丙烷回收塔。以預精餾塔進行詳細計算說明。其他塔計算方法相同。 通過對設計要求的分析我們對工業(yè)上廣泛應用的塔設備進行比較和選型。選型的依據是：在保證工藝要求的前提上，做到安全生產，穩(wěn)定操作，較低的設備費用和操作費用。工業(yè)用的精餾塔種類主要有填料塔和板式塔。兩種類型的塔各有特點：不同任務、操作條件、介質性質情況下，選擇合適的精餾塔能夠充分發(fā)揮塔德作用，既能保證安全穩(wěn)定生產，又能夠降低

56、生產成本 。 通過比較我們得出結論，板式塔雖然壓降高，但其空塔氣速大、塔效率高 ，且穩(wěn)定、液氣比適用范圍較大、安裝和檢修容易、大直徑塔的造價低，這些特點能夠的 滿足我們設計中處理量大，塔效率高，液氣比范圍廣等要求。綜合考慮，我們優(yōu)先選擇板式塔。 5.2.1 塔徑的計算 由aspen 軟件模擬結果得出摩爾回流比 R=1.5，塔板數為6 塊塔板 ，初選板間距HT=0.35 m ; 取板上液層高度hl=0.06 m ，HT-hl=0.35-0.06=0.29 m ; 進料位置塔內液體密度 則精餾段平均密度為： 質量流量 體積流量： 空塔

57、氣速 ，安全系數。 0.644 由史密斯關聯圖查出： 塔頂液體表面張力： 精餾段表面張力： 則 ： 則塔徑： 圓整為 D=6m. 5.2.2 塔高的計算 取塔板間距HT=0.35m 塔的有效高度Z=HT(NP-1)=1.75m 頂部高度取1.3m 釜液高度取2m，液面-板取0.6m 進料板與上一板間距為2HT=0.7m 塔體高度=塔有效高度Z+頂部高度+底部高度=1.75+1.3+2+0.6+0.7=6.35m 則圓整為7m。 5.2.3 其他精餾塔的計算 表5.2 編號 塔徑m 塔高m T102 5 5 T10

58、3 4 5 T104 3 6 5.3離心泵的選型 設安裝高度h=3m，吸入管路阻力損失H=1.5m，吸入液面的壓力P=0.1MPa，安全裕量S=2.1 5.3.1 丙烯進料泵的選型： 型號 model 流量Q Capacity 揚程H Head (m) 轉速n Speed (r/min) 功率P（kw） 效率? （%） 必需汽蝕余量 （NPSH)r (m) (m3/h) L/s IH32-20-125 3.2 0.88 20 2900 0.48

59、 35 5.0 丙烯流量3976.6m3/h，選泵IH32-20-125 丙烯密度ρ=701.9Kg/m3 NASHa=P/ρg—h—H—Pv/ρg=14.5—3—1.5—4.1=5.9 NASHr=5.0 NASHa—NASHr=5.9—5。0=0.9<2.1 該泵工作時不會發(fā)生氣蝕。 5.3.2雙氧水進料泵的選型： 型號 model 流量Q Capacity 揚程H Head (m) 轉速n Speed (r/min) 功率P（kw） 效率? （%） 必需汽蝕余量 （NPSH)r

60、 (m) (m3/h) L/s IH32-20-200 3.2 0.88 50 2900 1.62 27 4.0 雙氧水流量1.3m3/h，選泵IH32-20-200 雙氧水密度ρ=1132.3Kg/m3 雙氧水的飽和蒸汽壓Pv=0.13KPa NASHa=P/ρg—h—H—Pv/ρg=9—3—1.5—0.012=4.49 NASHr=4.0 NASHa—NASHr=4.49—4.0=0.49<2.1 該泵工作時不會發(fā)生氣蝕。 5.3.3 甲醇進料泵的選型： 型號 model 流量Q Capacity

61、 揚程H Head (m) 轉速n Speed (r/min) 功率P（kw） 效率? （%） 必需汽蝕余量 （NPSH)r (m) (m3/h) L/s IH10065-200A 109.2 30.34 36.6 2900 16.0 60 5.2 甲醇流量51.1m3/h，選泵IH100-65-200A 甲醇密度ρ=791Kg/m3 雙氧水的飽和蒸汽壓Pv=12.2KPa NASHa=P/ρg—h—H—Pv/ρg=12.9—3—1.5—1.6=6.8 NASHr=5.2 NASHa—NA

62、SHr=6.8—5.2=1.6<2.1 該泵工作時不會發(fā)生氣蝕。 5.3.4預精餾回流泵選型： 選泵IH50-32-125A 型號 model 流量Q Capacity 揚程H Head (m) 轉速n Speed (r/min) 功率P（kw） 效率? （%） 必需汽蝕余量 （NPSH)r (m) (m3/h) L/s IH50-32-125A 13.6 3.78 14.7 2900 1.16 47 2.5 餾分含量：丙烯113.850,環(huán)氧丙烷49.005，甲醇

63、1.265，水0.003 總的質量流率m=7677.7Kg/h 總的體積流率v=10.2 m3/h 總密度ρ=m/v=801Kg/m3 NASHa=P/ρg—h—H—Pv/ρg=12.7—3—1.5—4.1=4.1 NASHr=2.5 NASHa—NASHr=4.1—2.5=1.6<2.1 該泵工作時不會發(fā)生氣蝕。 5.3.5 丙烯回收塔回流泵選型： 選型IH40-25-250 型號 model 流量Q Capacity 揚程H Head (m) 轉速n Speed (r/min) 功率P（kw） 效率

64、? （%） 必需汽蝕余量 （NPSH)r (m) (m3/h) L/s IH40-25-250 6.3 1.74 80 2900 15.3 26 4.5 餾分含量：丙烯113.74 水0.049 總的質量流率m=4788.94Kg/h 總的體積流率v=7.1 m3/h 總密度ρ=m/v=672.6Kg/m3 NASHa=P/ρg—h—H—Pv/ρg=15.15—3—1.5—4.1=6.5 NASHr=4.5 NASHa—NASHr=6.5—4.5=2<2.1 該泵工作時不會發(fā)生氣蝕。 5.3.6 環(huán)氧丙烷精餾塔回流泵選型：

65、 選型IH50-32-200A 型號 model 流量Q Capacity 揚程H Head (m) 轉速n Speed (r/min) 功率P（kw） 效率? （%） 必需汽蝕余量 （NPSH)r (m) (m3/h) L/s IH100-65-200A 6.8 1.89 42.7 2900 3.16 25 2.0 餾分含量：環(huán)氧丙烷：48.96、甲醇：1.265、水：0.003 總的質量流率m=2888.7g/h 總的體積流率v=3.34 m3

66、/h 總密度ρ=m/v=889.3Kg/m3 NASHa=P/ρg—h—H—Pv/ρg=11.5—3—1.5—4.1=2.9 NASHr=2 NASHa—NASHr=2.9—2=0.9<2.1 該泵工作時不會發(fā)生氣蝕。 5.3.7 甲醇回收塔回流泵選型： 選型IH100-65-200 型號 model 流量Q Capacity 揚程H Head (m) 轉速n Speed (r/min) 功率P（kw） 效率? （%） 必需汽蝕余量 （NPSH)r (m) (m3/h) L/s IH100-65-200 60 16.7 56 2900 14.5 63 3.4 餾分含量：甲醇：1251.1、環(huán)氧丙烷：0.049、水：0.002 總的質量流率m=40125.5g/h 總的體積流率v=48.9 m3/h 總密度ρ=m/v=820Kg/m3 NASHa=P/ρg—h—H—Pv/ρg=12.4—3—1