【正文】 液相流量 kmol 55 第四章 設(shè)備計(jì)算及選型 塔頂操作壓力： PD=1MPa 塔頂溫度： tm=180℃ 進(jìn)料溫度 tF1=35℃ 反應(yīng)段平均溫度（ 180+35） /2=℃ 塔頂平均摩爾質(zhì)量： MLDm= MVDm= kg/kmol 進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量： MLFm= kg/kmol MVFm= kg/kmol 反應(yīng)段平均摩爾質(zhì)量： MVm=(+)/2=MLm=(+)/2= 氣相平均密度： m Vmm VmRT MP 塔頂液相平均密度 進(jìn)料板液相平均密度 3 反應(yīng)段液相平均密度為： （ +） /2= 829 .69kg/m3 塔頂液相平均表面張力： 進(jìn)料板液相平均表面張力： 反應(yīng)段液相平均表面張力： （ +） /2= mN/m 塔頂液相平均粘度： 56 進(jìn)料板液相平均粘度： 反應(yīng)段液相平均粘度： （ +） /2= ⑴ 反應(yīng)段塔徑計(jì)算 精餾段采用填料塔進(jìn)行計(jì)算，則塔徑 D= 其中 Cs= 查波紋填料最大負(fù)荷因子圖，取 350Y金屬孔波紋管填料，其中流動(dòng)參數(shù) Ψ 表示如下： Ψ= 查圖得到 ， CS== u= = =則塔徑 D= 圓整按照塔徑標(biāo)準(zhǔn)得到塔徑為 。 49 通過(guò)以上優(yōu)化。 圖 233 進(jìn)料溫度對(duì)乙二醇摩爾濃度的 影響 從上圖可以看出，隨著進(jìn)料溫度的不斷增高，塔頂采出乙二醇摩爾濃度 45 有略微的降低，但幅度不大。 下面我們采用嚴(yán)格計(jì)算法對(duì)塔進(jìn)行模擬優(yōu)化，在這里，我們采用的初 始實(shí)際回流為最小回流比的 ，即為 。 表 26 脫水塔優(yōu)化后參數(shù) 優(yōu)化參數(shù) 理論板數(shù) /塊 進(jìn)料板 /塊 進(jìn)料溫度 /℃ 回流比 采出率 數(shù)據(jù) 16 12 依據(jù)表 26結(jié)果，最后我們得到了乙二醇脫水塔的全塔操作工況，結(jié)果 如表 27所示。 圖 219進(jìn)料溫度對(duì)乙二醇與二乙二醇總回收率的關(guān)系曲線 如圖所示，當(dāng)進(jìn)料溫度高于 49oC時(shí)，產(chǎn)品的回收率呈明顯的下降趨勢(shì)， 因此進(jìn)料溫度應(yīng)低于 49oC，同時(shí)，我們還必須考慮進(jìn)料溫度對(duì)塔底再沸器 熱負(fù)荷和塔頂冷凝器熱負(fù)荷的影響，其影響結(jié)果如圖 220和圖 221所示。 ⑴ 理論塔板數(shù)的優(yōu)化 首先，我們做了乙二醇回收率對(duì)理論塔板數(shù)的靈敏度分析，結(jié)果如圖 31 215所示。 圖 212為反應(yīng)精餾塔全塔液相濃度分布圖。 ⑶ 回流比的確定 確定其它參數(shù)不發(fā)生變化，分析回流比對(duì)乙二醇的選擇性以及塔的熱 負(fù)荷的影響，分析結(jié)果如下： 24 圖 29回流比對(duì)乙二醇選擇性靈敏度分析 圖 210回流比對(duì)再沸器熱負(fù)荷靈敏度分析 乙二醇的選擇性隨著回流比的增加而不斷提高，但再沸器的熱負(fù)荷將 會(huì)急劇上升，為了一方面提高乙二醇的選擇性而另一方面降低再沸器熱負(fù) 荷，我們采用 回流比為 20。塔的操作 壓力為 1MPa，全塔共有 11塊塔板（包括冷凝器和再沸器），水的加料位置 為第二塊板，環(huán)氧乙烷的加料位置為第 7塊板。對(duì)于極性體系要選擇活度系數(shù)方法．對(duì)于非極性體系要選擇狀態(tài) 方程法。 16 圖 12 乙二醇反應(yīng)精餾工藝流程 乙二醇的工業(yè)用途廣泛，但是在面對(duì)全球乙二醇生產(chǎn)過(guò)剩的情況下， 而我國(guó)還需大量進(jìn)口，為解決目前我國(guó)乙二醇的市場(chǎng)的缺口，本設(shè)計(jì)從 技術(shù)和節(jié)能的前提出發(fā)，設(shè)計(jì)一套年產(chǎn) 5萬(wàn) t的乙二醇生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì) 內(nèi)容主要包括以下幾點(diǎn)： （ 1）對(duì)比傳統(tǒng)工藝（六校蒸發(fā)工藝）與反應(yīng)精餾工藝，采用流程短、 工藝簡(jiǎn)單、高轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)精餾工藝作為設(shè)計(jì)工藝； （ 2） 在保證高轉(zhuǎn)化率的情況下，研究反應(yīng)精餾塔的操作條件，通過(guò)調(diào) 優(yōu)設(shè)計(jì)，得到最佳操作條件； （ 3） 對(duì)乙二醇工藝中的蒸發(fā)塔和精制塔進(jìn)行研究，采用 aspen plue軟 件對(duì)過(guò)程進(jìn)行模擬，得到最佳工藝條件； （ 4） 對(duì)整個(gè)工藝的用能進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化； （ 5） 用此工藝的用能與遼化的 5萬(wàn) t每年的用能進(jìn)行對(duì)比，得到此工 藝的優(yōu)點(diǎn)。 乙二醇反應(yīng)精餾工藝流程 反應(yīng)精餾制乙二醇的工藝流程如圖 12所示，整個(gè)流程僅由 3個(gè)塔組成。八十年代開(kāi)發(fā)的由丙 烯酸，過(guò)醋酸和水合成甘油的達(dá)依賽爾法以及甲醇與異丁烯合成甲基叔丁 基醚的過(guò)程均得到了較好的經(jīng)濟(jì)效果。五十年代中期開(kāi)始 出現(xiàn)反應(yīng)精餾的計(jì)算方法，但有關(guān)反應(yīng)精餾的一般性規(guī)律研究卻是從六十 年代術(shù)開(kāi)始。這是一條試圖尋求以便宜的生物資源 為原料生產(chǎn)乙二醇的工藝路線，如能改進(jìn)乙二醇的選擇性，將會(huì)具有一定 的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。把三價(jià)乙酰丙酮化釕、乙酰丙酮化銠懸浮在四 丁基膦溴化物上，組成釕 銠雙金屬催化劑，在 220℃ 、 286MPa， H2∶ CO=1∶ 1（摩爾比）的條件下，可得到較高的乙二醇收率。 CO2經(jīng)冷凝器除去冷凝液后重新回 到反應(yīng)器中，分離 CO2后的乙二醇溶液則進(jìn)行濃縮，精制成合格產(chǎn)品。反應(yīng)所得的乙二 醇稀溶 液通過(guò)熱交換器被冷卻后進(jìn)入膨脹器，在此將乙醛、巴豆醛等易揮發(fā)組分 吹出，液體流入貯槽，再用泵送去蒸發(fā)提濃，經(jīng)多效蒸發(fā)后的液體進(jìn)入脫 水塔脫除水分，塔頂粗乙二醇進(jìn)入精制塔，塔頂?shù)玫郊兊囊叶?，塔底? 到多縮乙二醇，再進(jìn)入填料塔得到各種組分。 美國(guó)孟山都公司 1983 年以甲醛、 CO 和氫氣為原料、運(yùn)用 HRH(CO)2上述反應(yīng)中，醋酸可 循環(huán)使用，乙烯轉(zhuǎn)化率為 60%，乙二醇總選擇性可達(dá) 97%，以乙烯 計(jì)乙二 醇收率約為 94%。截止到 2021年 12 月底，我國(guó) EG生產(chǎn)廠家已達(dá) 16家，總生產(chǎn)量達(dá) 。如一 次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)采用二氯乙烷水解法生產(chǎn)乙二醇；二十年代，隨著 汽車工業(yè)的發(fā)展，防凍劑用量的急劇增長(zhǎng)，美國(guó)采用氯乙醇法大規(guī)模生產(chǎn) 乙二醇；五十年代，由于聚酯樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)成功，使得以石油為基礎(chǔ)的乙烯、 環(huán)氧乙烷（ Ethylene Oxide，簡(jiǎn)稱 EO）合成乙二醇的技術(shù)有了突破，再次促 進(jìn)了乙二醇的生產(chǎn)。 reactive distillation。 石河子大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 題目： 5萬(wàn)噸 /年乙二醇 生產(chǎn)工藝初步設(shè)計(jì) 1 5萬(wàn)噸 /年乙二醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計(jì) 摘要 乙二醇是一種重要的石油化工基本有機(jī)原料，主要用于生產(chǎn)聚酯纖維、不飽和聚酯樹(shù)脂、防凍 劑等。 glycol。 6 自從 1859年法國(guó)化學(xué)家伍爾茲以乙二醇二乙酸酯與氫氧化鉀皂化反應(yīng) 制得乙二醇以來(lái)，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)了多種可行的生產(chǎn)工藝和制備方法。 7 表 12 2021年我國(guó)乙二醇主要生產(chǎn)廠家情況（萬(wàn)噸 /年） 生產(chǎn)廠家 生產(chǎn)能力 備注 北京燕山石油化工公司 1998年 7月擴(kuò)產(chǎn) 遼陽(yáng)石油化纖公司 原 Huls空氣法， 1989年改為 UCC氧氣法 撫順石油化工公司 2021年擴(kuò)產(chǎn) 吉林石油化工公司 1996投產(chǎn)， 2021年擴(kuò)產(chǎn) 北京東方化工廠 1996年投產(chǎn) 揚(yáng)子石油化工公司 1999年擴(kuò)產(chǎn) 上海石油化工公司 2021年擴(kuò)產(chǎn) 茂名石油化工公司 1996投產(chǎn) 新疆獨(dú)山子石油化工公司 1996投產(chǎn)， 2021年擴(kuò)產(chǎn) 合計(jì) 目前，隨著南京楊子 巴斯夫有限公司、中海 殼牌石油化工限公司 等多 套新建擴(kuò)建的項(xiàng)目的完成，我國(guó)乙二醇產(chǎn)量有較大提高。 石油 環(huán)氧乙烷 甲醛 乙烯 二甲醚 甲酸甲酯 甲醇 乙二醇 石油路線 非石油路線 煤 /天然 氣 草酸酯 合成氣 9 工業(yè)成熟工藝 研究開(kāi)發(fā)工藝 圖 11 乙二醇制取工藝路線 乙烯直接水合法 乙烯直接水合法是美國(guó) HalconSD公司首先開(kāi)發(fā)，此法是乙烯在含 TeO2和 48%HBr催化劑存在下，在醋酸溶液中于 160℃ 、 氧化生成乙二醇、乙二醇二乙酸酯，乙二醇單乙酸酯的混合物，后兩種產(chǎn) 物可在 70～ 130℃ 、 時(shí)酸催化水解成乙二醇。由于反應(yīng)中 硫酸量大，造成嚴(yán)重的污染問(wèn)題故現(xiàn)在也基本不采用此方法生產(chǎn)乙二醇 [5]。工業(yè)生產(chǎn)中主要 產(chǎn)物摩爾比大致為 EG： DEG： TEG=100： 10： 1。其過(guò)程為環(huán)氧乙 烷、二氧化碳和催化劑水溶液一起在反應(yīng)器中反應(yīng)得到乙二醇水溶液，再 進(jìn)入 CO2分離器使 CO2與乙二醇分離。若以羰 基銠絡(luò)合物作催化劑，四氫呋喃為溶劑，在 、 190～ 230℃ 下，等 摩爾比的 H CO，經(jīng)液相一步合成可得乙二醇，選擇性為 85%，副產(chǎn)物是 丙二醇、甘油及少量甲醇。 多元醇加氫裂解法 使用鈷或釕、鈀、鉑等金屬催化劑，在較高壓力下，用木糖醇、己糖 醇等系列的生化 產(chǎn)品可制得乙二醇。從三十年 代到六十年代初主要是進(jìn)行一些特定體系的工藝探索。例 如較早的酷化 (特別是低碳梭酸與低碳醉合成醋 )、醋交換 (例如苯二甲酸二 甲醋與乙二醇的反應(yīng) )、皂化 (由二氛丙醇生成環(huán)氧氯丙烷 )以及胺化、水解、 異構(gòu)化、烴化、縱化、脫水、乙酸化、硝化等反應(yīng)。 (6)對(duì)于難分離的物系，可以利用反應(yīng)精餾來(lái)獲得較純的產(chǎn)品。塔底獲得副產(chǎn)品二甘醇 (DEG)。 18 物性方法的選擇 模型所采用的物性計(jì)算方法主要根據(jù)該體系的熱力學(xué)特點(diǎn)有針對(duì)的進(jìn) 行選擇。 表 21 反應(yīng)速率方程 反應(yīng) Rate/(mol/cm3s) ΔH/(kJ/mol) 1 exp[ 9547/T(K)]xEOxH2O 80 2 exp[ 9547/T(K)]xEOxEG 在 aspen plus中用于反應(yīng)精餾的塔設(shè)備模型為 RadFrac，模擬流程如圖 21所示： 圖 21 乙二醇反應(yīng)精餾模擬流程圖 首先在界面中建立一個(gè) RadFrac模塊，設(shè)置常規(guī)參數(shù)，依據(jù)生產(chǎn)任務(wù)， 乙二醇的質(zhì)量流量為 5988kg/h，工藝水的質(zhì)量流量為 2178kg/h。 ⑵ 進(jìn)料板位置確定 采用靈敏度分析，以進(jìn)料板位置對(duì)乙二醇選擇性作分析結(jié)果如圖 27 所示： 23 圖 27水進(jìn)料板位置對(duì)乙二醇選擇性靈敏度分析 圖 28環(huán)氧乙烷進(jìn)料板位置對(duì)乙二醇選擇性靈敏度分析 由圖 27和圖 28可以看出，水的進(jìn)料板位 置和環(huán)氧乙烷的進(jìn)料板位置 大于 7塊板時(shí)，乙二醇選擇性有略微降低，因此我們選擇水的進(jìn)料板位置 為第二塊板，環(huán)氧乙烷的進(jìn)料板位置為第 7塊板。h 1 1 10 6505 0 2 10 0 6665 6505 3 10 0 6665 6544 4 10 0 6664 6544 5 10 0 6655 6543 6 10 0 6426 6534 7 10 0 6425 6272 8 10 0 6414 6271 9 10 0 6288 6260 10 10 0 5466 6134 11 10 5312 表 25為全塔液相負(fù)荷性能表 28 表 25 全塔液相摩爾分?jǐn)?shù)分布