年產(chǎn)二萬PO項目初步設計 化工設計

目錄1 總論51.1項目概況51.2設計依據(jù)51.3工藝特點51.4產(chǎn)品方案51.5主要物料規(guī)格及消耗61.6廠址概況61.7主要危險品防護71.8全廠綜合經(jīng)濟技術指標72 原料采購及產(chǎn)品營銷92.1原料采購92.1.1丙烯92.1.2雙氧水92.1.3甲醇92.2主要產(chǎn)品標準92.2.1環(huán)氧丙烷92.2.2本廠產(chǎn)品102.3營銷103 化工工藝及系統(tǒng)113.1工藝方案的選擇113.1.1環(huán)氧丙烷的性質113.1.2環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)工藝113.1.3工藝優(yōu)缺點比較153.1.4工藝方案的選擇193.2本廠工藝原理193.2.1反應動力學203.2.2反應條件213.3工藝流程說明213.3.1工藝流程方框圖213.3.2工藝流程簡述223.3.3合成工段223.3.4分離工段243.3.5精餾塔塔頂?shù)目刂?73.3.6精餾塔塔釜的控制284 物料及熱量衡算304.1 總論304.2 物料衡算324.2.1 衡算方法324.2.2 進料工段物料衡算324.2.3 反應工段物料衡算324.2.4 丙烯回收段物料衡算334.2.6 甲醇回收工段物料衡算334.2.7 環(huán)氧丙烷精餾工段物料衡算344.3 能量衡算354.3.1 基本原理354.3.2 能量衡算任務354.3.3 系統(tǒng)物料及能量衡算364.3.3.1 反應器364.3.3.2 丙烯回收塔364.3.3.3 甲醇回收塔374.3.3.4環(huán)氧丙烷精餾塔375設備設計及選型385.1丙烯儲罐V101385.2雙氧水儲罐V102385.3甲醇儲罐V103385.4PO儲罐V105395.5進料泵設計405.5.1石油、化工裝置對泵的要求405.5.2 進口直徑D405.5.3 出口直徑D415.5.4 泵進口速度V415.5.5泵出口速度V415.5.6 比轉速n425.5.7水力效率425.5.8容積效率425.5.9機械效率435.5.10總效率435.5.11軸功率P435.5.12計算扭矩M445.5.13 計算軸徑d445.5.14泵的揚程445.6反應釜R101的設計465.6.1罐體和夾套的設計465.6.2罐體幾何尺寸計算465.6.3夾套的幾何尺寸計算475.6.4.反應釜的攪拌裝置475.6.5攪拌器的安裝方式及其與軸連接的結構設計485.6.6夾套反應釜的強度計算485.6.7夾套厚度計算495.6.8 水壓試驗校核計算495.6.9常用電機及其連接505.6.10釜用減速機類型，標準及其選用505.6.11反應釜的其他附件515.7丙烯精餾塔的設計535.8反應器R102的設計705.8.1反應參數(shù)705.8.2 反應器結構的計算705.9甲醇回收塔的設計745.9.1塔的設計要求745.9.2塔設備選型745.9.3塔板性能比較755.9.4基本數(shù)據(jù)765.9.5塔徑的設計及計算765.9.6溢流裝置785.9.7塔板流體力學的計算795.9.8塔板負荷性能圖815.9.9進出口管設計及計算865.9.10筒體厚度計算865.9.11封頭的設計875.9.12支座的設計及計算875.9.13塔高的計算885.10換熱器E107的設計915.10.1 設計任務和初始條件915.10.2 定性溫度915.10.3計算總傳熱系數(shù)911.熱流量及平均溫差915.10.4工藝結構尺寸的計算921. 管程數(shù)和傳熱管數(shù)925.10.5換熱器的核算935.10.6壁溫計算945.10.7換熱器結構與強度計算955.11環(huán)氧丙烷精餾塔設計975.11.1塔的設計要求975.11.2塔設備選型975.11.3塔板性能比較985.11.4基本數(shù)據(jù)995.11.5塔徑的計算995.11.6溢流裝置1025.11.7塔板流體力學計算1035.11.8淹塔1045.11.9塔板負荷性能計算及圖示1055.11.10進出口管設計1105.11.11筒體厚度的設計1105.11.12封頭的設計1115.11.13支座的設計1115.11.14塔高的計算1125.12冷凝器的設計1135.12.1aspen模擬數(shù)據(jù)1135.12.2定性溫度1135.12.3管程設計1135.12.4公稱直徑1145.12.5折流板設計1145.12.6殼程計算1145.13再沸器1165.13.1aspen模擬數(shù)據(jù)1165.13.2管程設計1165.13.3公稱直徑1175.13.4折流板設計1175.13.5殼程計算1176車間布置圖說明1197設備一覽表1248任務分配1271 總論1.1項目概況本項目建址于XX市XX化工園區(qū)。項目總投資為3014.83萬元。其中固定資產(chǎn)投資為2317.497萬元，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(chǎn)期10年，靜態(tài)投資回收期為2.83年，動態(tài)投資回收期為3.78年。1.2設計依據(jù)1、化工工程設計相關規(guī)定；2、國家經(jīng)濟、建筑等相關政策； 3、2010“三井化學杯”大學生化工設計大賽指導書；4、XX大學化工學院設計組可行性報告。1.3工藝特點本分廠以用H2O2催化氧化丙烯得到PO和水，甲醇為溶劑。丙烯、H2O2、甲醇直接購買得到。該工藝由環(huán)氧化、分離、PO精制工序組成。該放熱反應在甲醇溶劑中進行，用一種具有高的產(chǎn)品選擇性固體硅酸鈦催化劑。工藝的關鍵環(huán)節(jié)是環(huán)氧化用的管式反應器，它在足以使反應物維持在液態(tài)高壓和低于100的溫度下運作，其創(chuàng)新性設計可將高效傳熱和理想的柱塞流特性完美地結合在一起。PO一經(jīng)生成，即從水相轉入液體丙烯相，從而減少了副產(chǎn)物的生成，進而提高PO的選擇性。通過卸壓和蒸餾使未反應的丙烯從產(chǎn)品中分離，可得到質量分數(shù)99.97 的PO，PO收率95。1.4產(chǎn)品方案本廠產(chǎn)品主要有環(huán)氧丙烷，副產(chǎn)物較少。表1.1 產(chǎn)品方案產(chǎn)品名稱 本廠規(guī)格國家規(guī)定產(chǎn)量（萬噸/年）單價（元/噸）環(huán)氧丙烷99.97%優(yōu)等品211899產(chǎn)品銷售市場簡介：國內(nèi)PO的下游產(chǎn)品主要用于制造聚醚多元醇( PPG) 、丙二醇( PG) 、非離子型表面活性劑等。而按2007年初步統(tǒng)計則PPG占PO總消費量的83%, 丙二醇占6% , 非離子型表面活性劑及丙二醇醚等其他產(chǎn)品約占11%。丙二醇( PG) 是PO 的主要下游產(chǎn)品, 它的消費領域現(xiàn)集中在不飽和樹脂領域。而它在該領域消費比例將接近70%, 其它領域約占30%。自2000年迄今國內(nèi)不飽和樹脂行業(yè)的快速發(fā)展, 使丙二醇的消費量將有大幅增加。1.5主要物料規(guī)格及消耗表1.2 主要物料規(guī)格及消耗項目規(guī)格數(shù)量(萬噸/年)原料 丙烯工業(yè)級5雙氧水工業(yè)級0.76甲醇工業(yè)級30公用工程冷卻水207000蒸汽100-2003831.6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(jīng)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、生物質化工、精細化工和新材料產(chǎn)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(wǎng)絡、豐富的自然資源、雄厚的產(chǎn)業(yè)基礎、完善的配套設施，規(guī)劃合理，布局科學。經(jīng)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(chǎn)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(nèi)外上市公司19家，協(xié)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(chǎn)。原料優(yōu)勢：XX地區(qū)有豐富的天然氣資源，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(chǎn)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(wǎng)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 危險物一覽表序號品名分子量熔點沸點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V1甲醇32.04-97.864.8113855.544甲類III2丙烯42.08-191.2-47.72-1084552.011.7甲類3雙氧水43.01-2158無意義無意義無意義甲類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(jīng)濟技術指標 表1.4 綜合經(jīng)濟技術指標序號指標名稱單位數(shù)量1設計規(guī)模萬噸/年22年操作日小時/年72003原料及輔助材料消耗萬元/年22024.48054工廠用地面積畝455建筑面積畝376總定員人1397總投資萬元2320.4828全廠總產(chǎn)值萬元/年237989產(chǎn)品年總成本萬元/年23180.59910靜態(tài)投資回收期年1.8211動態(tài)投資回收期年3.1512投資利潤率%55.013投資利稅率%73.314內(nèi)部收益率%25.9715外部收益率%18.8816盈虧平衡點%37.9具體計算見可行性報告。 2 原料采購及產(chǎn)品營銷2.1原料采購本節(jié)主要介紹丙烯、H2O2、甲醇的采購方案。2.1.1丙烯分廠每年共需5kt丙烯，購買所得。在經(jīng)濟核算時，以市價計算所需丙烯價格。2.1.2雙氧水分廠每年共需0.76kt雙氧水，購買所得。在經(jīng)濟核算時，以市價計算所需雙氧水價格。2.1.3甲醇分廠每年共需30kt甲醇，由購買所得。在經(jīng)濟核算時，以市價計算所需甲醇價格。2.2主要產(chǎn)品標準2.2.1環(huán)氧丙烷 表2.1 環(huán)氧丙烷產(chǎn)品規(guī)格項目指標合格品一級品優(yōu)級品外觀 無色透明易燃液體 氣味 具有醚類氣味水份（wt%） 0.100.040.02環(huán)氧乙烷含量（wt%） 0.300.100.01色度（鉑-鈷色號），Hazen 20105酸度(以乙酸計)，% 0.010.0060.003醛含量（以丙醛計），% 0.100.0300.0102.2.2本廠產(chǎn)品表2.3 本廠產(chǎn)品結構產(chǎn)品名稱本廠規(guī)格國家規(guī)定產(chǎn)量（萬噸/年）單價（元/噸）環(huán)氧丙烷摩爾分率>0.997優(yōu)等品211600表2.4 目標市場產(chǎn)品環(huán)氧丙烷銷售對象環(huán)氧丙烷產(chǎn)業(yè)鏈下游產(chǎn)品生產(chǎn)商主要優(yōu)勢高質量，低價格2.3營銷營銷策略：先以產(chǎn)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(wǎng)絡。之后可以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(chǎn)品推廣；召開產(chǎn)品新聞發(fā)布會；參加業(yè)內(nèi)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(wǎng)站，通過網(wǎng)絡平臺對產(chǎn)品進行宣傳，甚至可以建立在線貿(mào)易系統(tǒng)，在網(wǎng)絡上進行交易。售后服務的完善也很重要?？蛻粼谑褂没ぎa(chǎn)品過程中因生產(chǎn)工藝、設備裝置、技術水平的不同會出現(xiàn)不同的問題，本廠會派出工程技術人員幫助客戶查找和解決問題，這也是本廠樹立負責任良好形象、拓展客戶關系的好機會。3 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(chǎn)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。環(huán)氧丙烷化學性質活潑，易開環(huán)聚合，可與水、氨、醇、二氧化碳等反應，生成相應的化合物或聚合物。在含有兩個以上活潑氫的化合物上聚合，生成的聚合物通稱聚醚多元醇。3.1.2環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)工藝環(huán)氧丙烷（PO）生產(chǎn)工藝主要有氯醇法、共氧化法和HPPO法三種方法。 氯醇法是傳統(tǒng)生產(chǎn)方法,主要原料是丙烯和氯氣，適宜在沿海大型氯堿廠建設，該法甲醇量大，設備腐蝕嚴重；共氧化法是后起之秀，適宜在石油化工廠建設，主要原料是乙苯(或異丁烷)和丙烯，從60年代到90年代初發(fā)展速度較快，此生產(chǎn)方法無腐蝕、甲醇量少，因工藝流程長，單位投資大，適宜大規(guī)模生產(chǎn)采用。乙苯法路線生產(chǎn)1 噸環(huán)氧丙烷要聯(lián)產(chǎn)2.3 噸苯乙烯(理論上1.8 噸/噸)，異丁烷法路線生產(chǎn)1 噸環(huán)氧丙烷要聯(lián)產(chǎn)3 噸叔丁醇(理論上2.51噸/噸)。HPPO法的優(yōu)點是生產(chǎn)過程中只生成環(huán)氧丙烷和水，工藝流程簡單，占地面積??；產(chǎn)品收率高，沒有其他聯(lián)產(chǎn)品；三廢少，基本無污染，屬于環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)系統(tǒng)。HPPO生產(chǎn)工藝的選擇性很高，相對于傳統(tǒng)工藝，原材料消耗更低。1、氯醇法氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的主要原料為氯氣、丙稀、石灰乳，生產(chǎn)工藝分為三個部分：即氯醇化、皂化及精制。氯醇法生產(chǎn)機理如下：（1）氯醇化反應氯醇化是將烯烴與溶解于水中氯氣反應生成氯醇的過程，同樣的裝置可適用于乙烯和丙烯兩種不同原料。2、 氯醇化反應3、 氯醇化副反應（2）皂化反應4、 皂化反應 皂化是氯醇與堿反應制取環(huán)氧化物的過程。5、 皂化副反應（3）精制是提純環(huán)氧化物的過程（4）氯醇法生產(chǎn)PO工藝流程介紹氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的工藝流程如圖3-1所示。圖1 傳統(tǒng)氯醇法環(huán)氧丙烷生產(chǎn)工藝流程首先將丙烯氣體、氯氣和水按一定配比送入氯醇化反應器中進行反應，未反應的丙烯與反應中產(chǎn)生的HCI及部分的二氯丙烷等自反應器頂部排出，經(jīng)冷凝除去氯化氫和有機氯化物，丙烯循環(huán)回用。反應器底部得到氯丙醇質量分數(shù)為4%-5%的鹽酸溶液。將該溶液與過量約10%的石灰乳混合后送入皂化塔中皂化，再經(jīng)精餾即可得到環(huán)氧丙烷。氯醇法優(yōu)點是流程比較短、工藝成熟、操作負荷彈性大、產(chǎn)品選擇性好、收率高、生產(chǎn)比較安全、對原料丙烯純度的要求不高、投資少。缺點是對設備有腐蝕、消耗大量的氯氣、生產(chǎn)中產(chǎn)生含有氯化鈣的甲醇（這種含氯化鈣的甲醇嚴重污染環(huán)境，專家指出，污染現(xiàn)己成為制約環(huán)氧丙烷工業(yè)發(fā)展的首要因素）。2、共氧化法共氧化法又稱哈康法，包括異丁烷共氧化法和乙苯共氧化法2種，分別由異丁烷或乙苯與丙烯進行共氧化反應，生成叔丁醇或苯乙烯，同時聯(lián)產(chǎn)環(huán)氧丙烷。共氧化法由美國奧克蘭公司開發(fā)，現(xiàn)為美國萊昂德爾（Lyondell，也譯為利安德）公司所有。共氧化法克服了氯醇法的腐蝕大、污水多等缺點，具有產(chǎn)品成本低（聯(lián)產(chǎn)品分攤成本）和環(huán)境污染較小等優(yōu)點。自1969年工業(yè)化以來，在世界范圍發(fā)展迅速，如今，共氧化法環(huán)氧丙烷產(chǎn)能已占世界總產(chǎn)能的55%左右。共氧化法的缺點是工藝流程長，原料品種多，丙烯純度要求高，工藝操作在較高的壓力下進行，設備材質多采用合金鋼，設備造價高，建設投資大。同時，環(huán)氧丙烷在共氧化法生產(chǎn)中，只是1個產(chǎn)量較少的聯(lián)產(chǎn)品，每噸環(huán)氧丙烷要聯(lián)產(chǎn)2.2-2.5t苯乙烯或2.3t叔丁醇，原料來源和產(chǎn)品銷售相互制約因素較大，必須加以妥善解決，只有環(huán)氧丙烷和聯(lián)產(chǎn)品市場需求匹配時才能顯現(xiàn)出該工藝的優(yōu)勢。此外，共氧化法產(chǎn)生的污水含COD也比較高，處理費用約占總投資的10%。國內(nèi)環(huán)氧丙烷生產(chǎn)一直采用氯醇法工藝。2006年3月，隨著中海殼牌年產(chǎn)25萬t環(huán)氧丙烷裝置投產(chǎn)，環(huán)氧丙烷生產(chǎn)格局發(fā)生一定變化。中海殼牌項目是如今國內(nèi)最大的1套環(huán)氧丙烷裝置，也是唯一采用環(huán)氧丙烷/苯乙烯共氧化聯(lián)產(chǎn)法工藝的環(huán)氧丙烷裝置。預計2009年底，Lyondell與中石化合資在鎮(zhèn)海建設的28萬t/a共氧化法環(huán)氧丙烷生產(chǎn)裝置將建成投產(chǎn)。3 R. V; A/ / C; l! ! 3、HPPO法過氧化氫真接氧化法（HPPO法）是由過氧化氫（雙氧水）催化環(huán)氧化丙烯制環(huán)氧丙烷的新工藝，生產(chǎn)過程中只生成環(huán)氧丙烷和水，工藝流程簡單，產(chǎn)品收率高，沒有其他聯(lián)產(chǎn)品，基本無污染，屬于環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)系統(tǒng)。 目前過氧化氫真接氧化法工藝分別由贏創(chuàng)工業(yè)集團（原德固薩，Degussa）與伍德（Uhde）公司、陶氏化學和巴斯夫（BASF）公司聯(lián)合開發(fā)和工業(yè)化推廣。 2001年，贏創(chuàng)工業(yè)集團和伍德公司在德國法蘭克福建設了1套過氧化氫法試驗性裝置，測試最佳催化劑和測定臨界參數(shù)，并開始對技術進行工業(yè)化設計。2003年，贏創(chuàng)推出該技術的商業(yè)化工藝包。 2006年5月，韓國環(huán)氧丙烷和聚酯薄膜生產(chǎn)商SKC公司從贏創(chuàng)和伍德購買專利，開始在韓國蔚山建設世界第1套過氧化氫法環(huán)氧丙烷裝置，該裝置生產(chǎn)規(guī)模為10萬t/a，2008年7月已建成投產(chǎn)，生產(chǎn)運行良好。贏創(chuàng)工業(yè)集團正在與俄羅斯天然氣寡頭Gazprom的子公司Sibur談判，計劃在俄羅斯建設過氧化氫和環(huán)氧丙烷聯(lián)合生產(chǎn)裝置。 2001年，陶氏化學從EniChem公司購買了利用過氧化氫作為氧化劑來生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的實驗室技術，還包括在意大利的1套試驗裝置。2003年，陶氏化學和巴斯夫開始合作開發(fā)過氧化氫法技術并將其商業(yè)化。2006年，陶氏化學與巴斯夫公司共同宣布在比利時安特衛(wèi)普合資建設30萬t/a過氧化氫法環(huán)氧丙烷裝置，計劃于2009年初建成投產(chǎn)。2008年6月，陶氏化學與泰國SiamCement集團（SCG）合資建立的SCG-DOW集團在泰國的環(huán)氧丙烷裝置動工，使用陶氏與巴斯夫聯(lián)合開發(fā)的過氧化氫法工藝，產(chǎn)能為39萬t/a，該項目預計將于2011年投入運營。陶氏化學還計劃2010年在瑞士開工建設38萬t/a過氧化氫法環(huán)氧丙烷項目。 中國大連化學物理研究所也從事過氧化氫法技術的研究。2002年，大連化物所與中石化簽訂了中試合作合同，2005年上半年大連化物所“反應控制相轉移催化丙烯氧化制環(huán)氧丙烷小試研究”通過了由中石化組織的技術鑒定。2008年8月，大連化物所研發(fā)的雙氧水直接氧化丙烯制環(huán)氧丙烷技術通過了由遼寧省科技廳組織的鑒定。反應機理和反映歷程如下：3.1.3工藝優(yōu)缺點比較1、工藝條件的比較表3-1 氯醇法、共氧化法和HPPO法優(yōu)缺點對比生產(chǎn)路線優(yōu)點缺點氯醇法1、工藝成熟；流程簡單；2、單產(chǎn)品，操作彈性大；3、對設備要求低，基建投資低；4、生產(chǎn)比較安全。1、設備易腐蝕；2、氯氣消耗多；3、副產(chǎn)二氯丙烷；4、甲醇、廢渣量大。共氧化法1、單位裝置產(chǎn)能大；2、對設備無腐蝕；3、無需氯氣資源；4、三廢污染小。1、工藝流程長, 復雜，防爆要求高，操作條件嚴格；2、原料品種多，對丙烯純度要求高；3、生產(chǎn)大量聯(lián)產(chǎn)品，市場穩(wěn)定性差；4、裝置規(guī)模要求較高，投資大，建設周期較長；5、國內(nèi)尚未自主掌握共氧化法技術，只能采取和跨國化工公司合作建設的方法。HPPO1、工藝流程簡單，流程短、副產(chǎn)品少。2、無聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品，市場靈活性強3、物料消耗、能耗低，占地少、投資相對少。1、工業(yè)化時間短，工藝待完善；2、H2O2水溶液儲運困難,需要跟H2O2裝置聯(lián)合布置或外購H2O2。3、H2O2和催化劑價格相對較高。表3-2：基本情況工藝類別原料成本億/萬tPO甲醇噸/tPO副產(chǎn)物/tPO缺點氯醇法2.1043噸CaCl2二氯丙烷1、甲醇量大2、副產(chǎn)物廉價3、設備腐蝕嚴重共氧化法2.77/4.69約1噸叔丁醇或苯乙烯1、工藝路線長。2、投資大。（50-60億）HPPO1.1約1噸無1、H2O2需配套從上表容易看出，直接氧化法較氯醇法，技術先進，無副產(chǎn)物，環(huán)境友好，而且裝置投資少。2、投資成本的比較幾種合成技術的經(jīng)濟指標比較見表3-3：表3-3 幾種合成技術的投資比較從表可以發(fā)現(xiàn)HPPO法的工藝經(jīng)濟性最佳。3、生產(chǎn)現(xiàn)狀比較 表3-4 國外主要環(huán)氧丙烷生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)能統(tǒng)計表3-5 2010年我國環(huán)氧丙烷生產(chǎn)企業(yè)情況從表可以發(fā)現(xiàn)，我們國內(nèi)主要采用氯醇法，污染嚴重，產(chǎn)能較低，對于新型環(huán)境有好清潔生產(chǎn)系統(tǒng)HPPO法有待進一步的嘗試。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(xiàn)代工廠的設計是非常重要的；（3）操作費用低，能耗低。因為工廠是連續(xù)運營生產(chǎn)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）生產(chǎn)過程中只生成環(huán)氧丙烷和水，工藝流程簡單；（2）三廢少，基本無污染，符合建設和諧社會的要求；（3）物料消耗、能耗低，占地少、投資相對少；（4）原料廉價易得，較低了成本，選擇性很高，相對于傳統(tǒng)工藝，原材料消耗更低；（5）作為未來極有發(fā)展前途的技術，HPPO法的工業(yè)化應用將會對其未來的發(fā)展以及其它方面產(chǎn)生影響。3.2本廠工藝原理本廠所采用的工藝是HPPO法。其反應方程如下：主反應： 主要副反應： 開環(huán)機理：環(huán)氧化合物三元環(huán)處于受張力的狀態(tài),性質活潑,容易與含活潑氫原子的物質，如醇、水等發(fā)生開環(huán)反應,生成互為同分異構體的伯醇或仲醇的衍生物。3.2.1反應動力學天津大學化工學院對以甲醇為溶劑的丙烯環(huán)氧化過程進行研究，建立了主副反應動力學模型，確立了各自的模型參數(shù)，為雙氧水 與丙烯環(huán)氧化過程的工業(yè)化提供了依據(jù)。在反應動力學模型中，冪指數(shù)方程的應用較廣，可以較好地描述各類反應，工程應用方便，因此采用“冪指數(shù)模型” 假設該反應的非機理速率方程為：在醚化反應中，甲醇的濃度遠大于雙氧水的濃度，故式（2）可變?yōu)槭街校簁1 、k2、 k3為指前因子；E1、E2、E3 為活化能；r1、r2、r3 為反應速度；Ci為各組分的濃度,其中丙烯濃度及液體密度值用UNIQUAC- RK 模型計算的活度系數(shù)和活度求得。 根據(jù)多組實驗中的濃度隨時間的變化，利用非線性差分方法得到各點的反應速度，再用最小二乘法擬合出副反應模型中的各個參數(shù)，得到30-60,0.2-0.4MP時的反應速率模型為：將分解反應r3的結論與主反應結果相結合，得到主反應速率模型為:3.2.2反應條件表3.2.3 主要設備的反應條件設備名稱反應溫度/反應壓強/MPa反應器552.8 冷凝器20-400.1-1.7再沸器50-1400.1-1.7丙烯精餾塔50-1400.1-1.0環(huán)氧丙烷精餾塔50-1400.05-1.0甲醇精餾塔50-1400.1-0.83.3工藝流程說明3.3.1工藝流程方框圖我們以HPPO法合成環(huán)氧丙烷為依據(jù)，設計了合成工藝。其工藝流程方框圖見圖3-1：3.3.2工藝流程簡述將存于儲罐V101、V102、V103中的丙烯、雙氧水、甲醇經(jīng)泵分別泵P101、P102、P103泵入夾套反應釜R101，經(jīng)過均勻混合和預熱后進入固定床反應器R102。反應產(chǎn)物流含PO、未反應的H2O2、甲醇及少量丙二醇，從管減壓后進入環(huán)氧丙烷精餾塔T101。塔頂餾分主要為未反應丙烯，從管進入冷凝器E101，丙烯物流從管循環(huán)回反應釜；塔底再沸器E102不斷回流，使釜液中丙烯含量降低。釜液進入甲醇精餾塔T102回收甲醇，為充分回收甲醇，在進入一個甲醇回收塔T103。最后進入PO精餾塔T104制的較純的環(huán)氧丙烷，H2O2轉化率達99.9%，PO收率為78.0%。3.3.3合成工段將儲罐V101摩爾分數(shù)為0.11%的新鮮丙烯以流量為165kmol/h，儲罐V102摩爾分數(shù)為0.04%的雙氧水以流量為55kmol/h和儲罐V103摩爾分數(shù)為0.85%的甲醇以流量為1265kmol/h分別經(jīng)泵P101、P102、P103進入夾套反應釜R101進行混合與預熱?；旌衔锪辖?jīng)過反應釜預熱到50，加壓到8bar,進入到反應器R102.丙烯在TS-1分子篩的催化下，反應生成環(huán)氧丙烷等產(chǎn)物。在反應合成過程中反應器溫度控制在55，壓力為2800kPa下。反應結束后雙氧水的轉化率為99.9%，產(chǎn)品環(huán)氧丙烷的選擇性95%，產(chǎn)品環(huán)氧丙烷的收率率為78% 。1、進料量的控制本次設計方案為常壓液體進料，其中雙氧水、丙烯、甲醇進料量分別為：，進料流量相對較大，要求壓力降小，流量測量準確度高，調(diào)節(jié)閥靈敏度高，泄漏量小，以此保證進料量的穩(wěn)定。 我們在丙烯、雙氧水、甲醇儲罐V101 、V102 、V103分別安裝液位計 LG 和液位變送器 LT 來控制反應物料液位高度出料量。 2、泵的控制離心泵將機械能通過在泵體內(nèi)作高速旋轉的葉片給液體以動能，將此動能（速度頭）轉化為靜壓頭，再排出泵外，表明離心泵流量和供給壓頭及轉速之間的關系即為泵的特性曲線。而實際上泵的工作必須在一定的管路中進行，因此，還需研究不同流量下為克服管路阻力所需有效壓頭的大小。實際操作中，二者統(tǒng)一于兩條曲線的交點，即工作點。調(diào)節(jié)離心泵的流量，必須改變工作點使其符合新的要求。首先可以改變泵的特性曲線，通過改變泵的轉速或葉輪直徑來實現(xiàn)。其次可以改變管路特性曲線，比如改變閥門開啟度或在泵的出口加裝旁路。本工藝中主要采用通過儀表檢測流量來改變閥門開啟度從而直接節(jié)流的方法。這種方法是在泵的出口管路上安裝流量控制顯示儀表（FC），當管道內(nèi)流量不等于設定值時，儀表向控制器發(fā)出信號，控制器調(diào)節(jié)管道上閥門開度，從而改變管道中的流量，使其趨于設定值。合成工段PID圖如下：3.3.4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 ；（2）未完全反應的反應物及溶劑：丙烯、雙氧水和甲醇；（3）副產(chǎn)物：水、氧氣、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、雙氧水和甲醇循環(huán)回PO反應器中繼續(xù)參加反應，而氣液可以通過閃蒸進行分離。由于甲醇、丙烯、水和PO可形成共沸物，因此甲醇、丙烯、雙氧水的回收和PO的分離提出需要通過精餾完成。1、回收丙烯反應器產(chǎn)生的氣相混合物、液相混合物直接進入一個丙烯精餾塔T101。丙烯精餾塔T101主要是為了回收丙烯到反應釜中從而對丙烯重復利用。從塔頂冷凝器E101冷凝得到的的丙烯進入反應釜。冷凝器控制溫度為-96，壓強為0.06bar。塔釜再沸器E102溫度控制在7.7，壓強為0.14bar.丙烯回收塔的操作壓力為8bar, 溫度控制在50左右。塔底PO和甲醇等混合物從釜底再沸器E102中餾出到甲醇回收塔T102。2、回收甲醇由丙烯精餾塔底部E102采出料液進入甲醇精餾塔T102。采用精餾的方式分離PO和甲醇。含PO和甲醇的混合液從塔進入后，塔頂設冷凝器E103，溫度為-39.6，壓強為0.06bar。塔底設再沸器E104，溫度為27.6，壓強為0.18bar。由于甲醇含量較多，只由一個精餾塔回收，PO中含甲醇太多，故需要第二個精餾塔來進行二次回收甲醇。塔釜再沸器E104的含部分有機物的甲醇回到反應釜中作為溶劑再次利用，塔頂冷凝器中采出物進入第二個甲醇精餾塔T103。與T102原理相同，塔釜再沸器E106的甲醇餾出液回到反應釜中作為溶劑再次利用，溫度控制在20.1，壓強為0.15bar。塔頂冷凝器E105中采出物進入PO精餾塔T104。溫度控制在-49.7，壓強為0.04bar。3、分離環(huán)氧丙烷由甲醇精餾塔T103塔頂冷凝器E105進入換熱器E107,再進入PO精餾塔T104，此塔操作壓力為8bar, 溫度控制在50。從塔頂冷凝器E108出少量環(huán)氧丙烷和為回收干凈的丙烯，溫度控制在-41，壓強為1bar。塔底再沸器E109得到較純的PO，送入PO儲罐。E109溫度控制在107.5，壓強為8bar。 4、精餾塔塔頂?shù)目刂朴伤敳沙龅臍庀辔镔|進入塔頂冷凝器換熱成液相，部分冷凝后的液相回流回塔內(nèi)，另一部分液相物質作為塔頂產(chǎn)品采出。塔頂冷凝器的冷介質用量是根據(jù)冷凝器的出口溫度而定的，當冷凝器的冷介質用量過多時會造成回流的液相物質溫度降低，致使塔內(nèi)溫度降低，造成精餾塔體系不穩(wěn)定，反之亦然?；亓鞴薜幕亓髁扛鶕?jù)回流管路中的物料流量確定，采出物料的量則根據(jù)回流罐的液位來控制，他們流量的變化也會引起精餾塔體系不穩(wěn)定。因而有必要對他們進行控制。5、精餾塔塔釜的控制由塔釜流出的液相物質一部分進入塔釜再沸器換熱成氣相，另一部分冷凝后的液相直接采出。塔釜再沸器的熱介質用量是根據(jù)再沸器的出口溫度而定的，當再沸器的熱介質用量過多時會造成回流的氣相物質增多，致使塔內(nèi)溫度升高，嚴重時甚至會產(chǎn)生液泛。因此必須對其進行控制。本工藝中塔釜再沸器熱介質的用量是采用通過檢測其出口溫度的變化調(diào)節(jié)熱介質進料管道的閥門開度來控制熱介質流量，從而達到控制再沸器出口物料溫度的目的。這種方法是在再沸器出口管道上安裝一個溫度控制儀表（TC），當再沸器出口物料溫度不等于設定值時，儀表向控制器發(fā)出信號，控制器調(diào)節(jié)管道上閥門開度，從而改變管道中的流量，使其趨于設定值。4 物料及熱量衡算4.1 總論物料衡算與熱量衡算是化工過程中最基本的運算之一。在已確定化學生產(chǎn)工藝和流程后，由定性階段轉向定量階段，通過對整個生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)車間，以及部分重要的生產(chǎn)單元進行物料衡算計算出主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原材料的消耗定額、“三廢”排放量及組成，以及產(chǎn)品收率等各項經(jīng)濟技術指標，從而定量地評述初步設計所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟上是否合理，技術上是否先進，為后階段的設計提供數(shù)據(jù)。本項目是以丙烯、雙氧水為原料，反應生成環(huán)氧丙烷、丙二醇等產(chǎn)物。反應產(chǎn)物加壓精餾過程，從而分離所需產(chǎn)物。工藝流程的物料衡算以Aspen Plus的流程模擬結果為基礎所得到的。以工段為單位進行物料衡算，全流程分為四個工段：進料工段、反應工段、丙烯精餾、甲醇精餾工段、環(huán)氧丙烷精餾工段。Aspen Plus的流程模擬工藝過程圖如下： 4.2 物料衡算4.2.1 衡算方法 物料衡算的基本準則是質量守恒定律，利用某進出化工過程中某些已知物流的流量和組成，通過建立有關物料的平衡式和約束式，求出其他未知物流的流量和組成的過程。系統(tǒng)中物料衡算一般表達式為：系統(tǒng)中的積累=輸入-輸出+生成-消耗式中，生成或消耗項是由于化學反應而生成或消耗的量；積累量可以是正值，也可以是負值，當系統(tǒng)中積累量不為零時稱為非穩(wěn)定狀態(tài)過程；積累量為零時，稱為穩(wěn)定狀態(tài)過程。穩(wěn)定狀態(tài)過程時，可以簡化為： 輸入=輸出-生成+消耗對無化學反應的穩(wěn)定過程，又可表示為： 輸入=輸出物料衡算包括總質量衡算、組分衡算和元素衡算。4.2.2 進料工段物料衡算 丙烯、環(huán)氧丙烷、甲醇以一定比例和溫度混合通入混合器。表4.1 反應工段的物料平衡表管路S1S2S3壓力(bar)1.01 1.01 1.01溫度（）25.00 25.00 25.00 氣體分率0.00 1.00 0.00 流量摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%丙烯0.00 0.00 0.000.00 1650.11 雙氧水55.000.04 0.00 0.00 0.00 0.00 甲醇0.000.00 1265.000.850.00 0.004.2.3 反應工段物料衡算混合物料經(jīng)過加熱器預熱到50，加壓到8bar,進入到反應器，丙烯在TS-1分子篩的催化下，反應生成環(huán)氧丙烷等產(chǎn)物。該反應段主要包括流化床反應器。表4.2 反應工段的物料平衡表管路S4S5S6壓力(bar)8.00 8.008.00溫度（）30.450.00 50.00 氣體分率0.00 0.00 0.00 流量摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%環(huán)氧丙烷0.00 0.00 0.00 0.00 47.85 0.03 水0.00 0.00 0.00 0.00 47.85 0.03 丙烯165.00 0.11165.00 0.11 116.190.08 雙氧水55.00 0.04 55.000.04 6.19 0.004 甲醇1265.00 0.85 1265.00 0.85 1265.00 0.85 丙二醇0.00 0.00 0.00 0.00 0.96 0.0006 總流量1485.00 1.00 1485.00 1.00 1484.041.00 4.2.4 丙烯回收段物料衡算反應后的物料S6進丙烯回收塔，分離后（S8）氣體部分主要為丙烯，液體(S7)部分為環(huán)氧丙烷。表4.3 丙烯回收工段物料平衡表管路S6 S7S8 壓力(bar)8.000.14 0.06溫度（）50.00 7.70 -96.0氣體分率0.00 0.00 0.00 流量摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%環(huán)氧丙烷47.85 0.03 47.370.035 0.48 0.004 水47.85 0.03 47.84 0.035 0.0070.00 丙烯116.190.08 1.16 0.00 115.030.995 雙氧水6.19 0.004 6.1870.005 <0.001 0.000 甲醇1265.00 0.85 1264.940.9240.0650.001 丙二醇0.96 0.0006 0.963 0.00 0.00 0.00 總流量1484.041.00 1368.461.00 115.581.00 4.2.6 甲醇回收工段物料衡算此工段主要是通過精餾將溶劑甲醇回收利用。 表4.4 甲醇回收物料平衡表管路S7S9S10S11S12壓力(bar)0.140.180.060.040.15溫度（）7.727.6 -39.6-49.720.1氣體分率0.000.00 0.00 0.000.00流量摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%環(huán)氧丙烷47.370.035 0.470.00446.900.6446.430.9710.470.018水47.84 0.035 47.810.037 0.0340.00 <0.001 0.000.0340.001丙烯1.16 0.00 trace 0.00 1.160.016 1.1620.024trace0.00雙氧水6.1870.005 6.1870.005 <0.001 0.000 trace0.00<0.0010.00甲醇1264.90.9241236.60.95525.300.345 0.2530.00525.050.98丙二醇0.963 0.00 0.963 0.0007 0.00 0.00 0.000.00trace0.00總流量1368.461.00 1295.11.00 73.391.00 47.841.0025.551.004.2.7 環(huán)氧丙烷精餾工段物料衡算此工段主要是精餾環(huán)氧丙烷。首先甲醇回收后的物料S11經(jīng)過換熱器將物料加熱到50，壓強加到8.00bar，然后經(jīng)過最后一個精餾塔精餾得到產(chǎn)物環(huán)氧丙烷，質量分數(shù)為99.4%。表4.5 環(huán)氧丙烷精餾塔物料平衡表管路262728壓力(bar)8.008.001.00溫度（）50107.5-41.0氣體分率0.000.00 0.00 流量摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%摩爾流量(kmol/h)摩爾分數(shù)%環(huán)氧丙烷46.430.97145.970.9940.4640.286 水<0.001 0.00<0.001 0.00 trace0.00 丙烯1.1620.0120.0120.00 1.150.71雙氧水trace0.00trace0.00 trace0.000 甲醇0.2530.0050.2520.0050.0010.001 丙二醇0.000.000.000.00 0.00 0.00 總流量47.841.0046.231.00 1.621.00 4.3 能量衡算4.3.1 基本原理工程依據(jù)化工設計中關于熱量衡算的基本思想和要求，遵循基本規(guī)范與實際工藝相結合的原則，進行熱量衡算書的編制。其中一個主要依據(jù)是能量平衡方程：其中，表示輸入設備熱量的總和； 表示輸出設備熱量的總和； 表示損失熱量的總和。對于連續(xù)系統(tǒng)：其中: Q表示設備的熱負荷。 W表示輸入系統(tǒng)的機械能。 表示離開設備的各物料焓之和。 表示進入設備的各物料焓之和。本廠所需主要設備有反應器、換熱器、泵、壓縮機、和精餾塔等。輸入整個生產(chǎn)系統(tǒng)的能量主要有電能、加熱介質帶入的能量和進入物料的焓，輸出的能量有冷卻劑帶走的能量和輸出物料的焓。對全工藝段進行系統(tǒng)級的熱量平衡計算，進而用于指導節(jié)能降耗設計工作4.3.2 能量衡算任務(1) 確定流程中機械所需的功率，為為設備設計和選型提供依據(jù)。(2) 確定精餾各單元操作中所需的熱量或冷量及傳遞速率，確定加熱劑和冷劑的用量，為后續(xù)換熱和公用工程的設計做準備。(3) 確定反應過程中的熱交換量，指導反應器的設計和選型。(4) 最終計算出所需的能量和費用，判定工藝過程的經(jīng)濟性。4.3.3 系統(tǒng)物料及能量衡算4.3.3.1 反應器表4.8 反應器物料焓變計算表流入流出溫度() 5050壓力(bar) 88氣相分率00摩爾流量(kmol/hr) 1485.0001484.037質量流量(kg/hr) 49347.44549347.445氣體流率(cum/hr)67.38566.782焓(Gcal/hr) -293.037-303.7894.3.3.2 丙烯回收塔表4.9 丙烯回收物料焓變計算表流入流出物流名稱S6S8S7溫度() 50-967.7壓力(bar) 80.060.14氣相分率000摩爾流量(kmol/hr) 1484.04115.581368.46質量流量(kg/hr) 4433.8991712613.364917189.807氣體流率(cum/hr)66.7827.28954.211焓(Gcal/hr) -303.789-0.777-311.4164.3.3.3 甲醇回收塔表4.10 甲醇回收塔物料焓變計算表甲醇回收塔B5甲醇回收塔B10流入流出流入流出物流名稱S7S9S10S10S11S12溫度() 7.727.6-39.6-39.6-49.720.1壓力(bar) 0.140.180.060.060.040.15氣相分率000000摩爾流量(kmol/hr) 1368.4621295.06973.39373.39347.84425.549質量流量(kg/hr) 44477.10340893.1373583.9663583.9662753.59830.376氣體流率(cum/hr)54.21151.4593.9963.9963.0331.037焓(Gcal/hr) -311.42-297.731-11.602-11.602-5.773-5.8024.3.3.4環(huán)氧丙烷精餾塔表4.11 環(huán)氧丙烷精餾塔料焓變計算表流入流出物流名稱262728溫度() 50107.5-41壓力(bar) 881氣相分率000摩爾流量(kmol/hr) 47.84446.2291.615質量流量(kg/hr) 2753.592678.19875.392氣體流率(cum/hr)3.5333.8410.110焓(Gcal/hr) -5.277-4.894-0.0595設備設計及選型5.1丙烯儲罐V101工藝要求： 一般工業(yè)上所用的丙烯儲存的方式為常溫壓力儲存。99.6%的雙氧水密度為0.5139*103kg/m3，在本廠的設定下，摩爾流量為165kmol/h，C3H6的質量分數(shù)為42kg/kmol，常壓下通過對本廠環(huán)氧丙烷的產(chǎn)量分析，確定儲存時間為3天，3天儲存的總體積為V=165*42*72/0.5139*103*0.996=974.83m3選型： 由于3天內(nèi)雙氧水的儲存量不大，所以選擇固定圓筒形儲罐，選擇充裝系數(shù)為0.9，則儲罐所需的體積流量為974.83/0.9=1083.14m3，選擇型號為HG21502.92-119，其公稱容積為1500m3，儲罐內(nèi)徑為13000mm，儲罐高度為13500mm，儲罐材料選擇Q235-A。5.2雙氧水儲罐V102工藝要求： 一般工業(yè)上所用的雙氧水儲存的方式為30以下常壓避光儲存。30%的雙氧水密度為1.11*103kg/m3，在本廠的設定下，摩爾流量為55kmol/h，H2O2的質量分數(shù)為34kg/kmol，常壓下通過對本廠環(huán)氧丙烷的產(chǎn)量分析，確定儲存時間為3天，3天儲存的總體積為V=5