【正文】 ) mPa 甲醇 分廠每年共需 30kt甲醇，由購買所得。 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(dá) 2090萬噸； 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(shè)有客、貨運(yùn)站，建有園區(qū)化學(xué)品專用站； 公路： XX上海、 XX福州的高速公路在園區(qū)交匯； 航空：距 XX江北國際機(jī)場 50 公里。 XX化工園區(qū)是 2021年 12月 XX市人民政府批準(zhǔn)成立的省級工業(yè)園區(qū)。 產(chǎn)品方案 本廠產(chǎn)品主要有環(huán)氧丙烷，副產(chǎn)物較少。 設(shè)計依據(jù) 化工工程設(shè)計相關(guān)規(guī)定； 國家經(jīng)濟(jì)、建筑等相關(guān)政策； 2021“ 三井化學(xué)杯 ” 大學(xué)生化工設(shè)計大賽指導(dǎo)書； XX大學(xué)化工學(xué)院設(shè)計組可行性報告。其中固定資產(chǎn)投資為 萬元，流動資金為 600 萬元每年。工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是環(huán)氧化用的管式反應(yīng)器，它在足以使反應(yīng)物維持在液態(tài)高壓和低于 100℃的溫度下運(yùn)作，其創(chuàng)新性設(shè)計可將高效傳熱和理想的柱塞流特性完美地結(jié)合在一起。自 2021 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(fèi)量將有大幅增加。 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(yùn)費(fèi)低廉。在經(jīng)濟(jì)核算時，以市價 計算所需丙烯價格。 售后服務(wù)的完善也很重要。 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(shè)，該法甲醇量大，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重；共氧化法是后起之秀，適宜在石油化工廠建設(shè)，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。 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(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，未反應(yīng)的丙烯與反應(yīng)中產(chǎn)生的 HCI 及部分的二氯丙烷等自反應(yīng)器頂部排出，經(jīng)冷凝除去氯化氫和有機(jī)氯化物，丙烯循環(huán)回用。13 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。 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) 。 2021 年，陶氏化學(xué) 與巴斯夫公司共同宣布在比利時安特衛(wèi)普合資建設(shè) 30萬 t/a過氧化氫法環(huán)氧丙烷裝置，計劃于 2021年初建成投產(chǎn)。 15 共氧 化法 單位裝置產(chǎn)能大； 對設(shè)備無腐蝕； 無需氯氣資源； 三廢污染小。（ 5060億） HPPO 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(shù)先進(jìn)，無副產(chǎn)物，環(huán)境友好，而且裝置投資少。 工藝選取 結(jié)合工藝比較，我們最終決 定選擇 HPPO法。反應(yīng)產(chǎn)物流含 PO、未反應(yīng)的 H2O甲醇及少量丙二醇，從管減壓后進(jìn)入環(huán)氧丙烷精餾塔 T101。 進(jìn)料量的控制 本次設(shè)計方案為常壓液體進(jìn)料，其中雙氧水、丙烯、甲醇進(jìn)料量分別為： hkmol 1265 165 55 321 ??? uhkmoluhkmolu，進(jìn)料 流量相對較大，22 要求壓力降小，流量測量準(zhǔn)確度高，調(diào)節(jié)閥靈敏度高，泄漏量小，以此保證進(jìn) 料量的穩(wěn)定。 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。冷 凝器控制 溫度為 96℃，壓強(qiáng)為 。塔釜再沸器 E104的含部分有機(jī)物的甲醇回到反應(yīng)釜中作為溶劑再次利用，塔頂冷凝器中采出物進(jìn)入第二個甲醇精餾塔 T103。 精餾塔塔頂?shù)目刂? 由塔頂采出的氣相物質(zhì)進(jìn)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(zhì)作為塔頂產(chǎn)品采出。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(dāng) 再沸器 出口物料溫度不等于設(shè)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(shè)定值。系統(tǒng)中物料衡算一般表達(dá)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(xué)反應(yīng)而生成或消耗的量 ；積累量可以是正值，也可以是負(fù)值，當(dāng)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。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(qiáng)加到 ，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(zhì)量分?jǐn)?shù)為%。 進(jìn)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。在已確定化學(xué)生產(chǎn)工 藝和流程后，由定性階段轉(zhuǎn)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(jìn)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(jì)技術(shù)指標(biāo)，從而定量地評述初步設(shè)計所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟(jì)上是否合理，技術(shù)上是否先進(jìn)，為后階段的設(shè)計提供數(shù)據(jù)?；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。 塔頂冷凝器 E105中采出物進(jìn)入 PO精餾塔T104。 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。 合成工段 PID 圖如下： 23 分離工段 反應(yīng)完成后，反應(yīng)液中含有： （ 1）主反應(yīng)生成物：環(huán)氧丙烷 ； （ 2） 未完全反應(yīng)的反應(yīng)物及溶劑：丙烯、雙氧水和甲醇； （ 3）副產(chǎn)物：水、氧氣、丙二醇。 泵的控制 離心泵將機(jī)械能通過在泵體內(nèi)作高速旋轉(zhuǎn)的葉片給液體以動能，將此動能（速度頭）轉(zhuǎn)化為靜壓頭，再排出泵外，表明離心泵流量和供給壓頭及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系即為泵的特性曲線。釜液進(jìn)入甲醇精餾塔 T102回收甲醇，為充分回收甲醇，在進(jìn)入一個甲醇回收塔 T103。 本廠工藝原理 本廠所采用的工藝是 HPPO法。 生產(chǎn)現(xiàn)狀比較 表 34 國外主要環(huán)氧丙烷生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)能統(tǒng)計 17 表 35 2021 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(yán)重，產(chǎn)能較低，對于新型環(huán)境有好清18 潔生產(chǎn)系統(tǒng) — HPPO法有待進(jìn)一步的嘗試。 HP PO 工藝流程簡單，流程短、副產(chǎn)品少。陶氏化學(xué)還計劃 2021年在瑞士開工建設(shè) 38萬 t/a過氧化氫法環(huán)氧丙烷項目。 2021 年，贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)和伍德公司在德國法蘭克福建設(shè)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(shù)進(jìn)行工業(yè)化設(shè)計。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) ，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。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。 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)。 10 3 化工工藝及系統(tǒng) 工藝方案的選擇 環(huán)氧丙烷的性質(zhì) 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(gòu)體的外消旋混合物。在經(jīng)濟(jì)核算時，以市價計算所需雙氧水價格。 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(jī)場構(gòu)成了快速便捷的立體交通網(wǎng)絡(luò)。 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(jì)社會資源向三峽庫區(qū)輻射的重要中繼站。通過卸壓和蒸餾使未反應(yīng)的丙烯從產(chǎn)品中分離，可得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞ ％ 的 PO， PO 收率＞ 95％。建設(shè)期為 1年，生產(chǎn)期 10年，靜態(tài)投資回收期為 ，動態(tài)投資回收期為 。從中國建設(shè)銀行貸款 60%，借款利率為 7%，其余由自有資金注入。 PO一經(jīng)生成，即從水相轉(zhuǎn)入液體丙烯相，從而減少了副產(chǎn)物的生成，進(jìn)而提高 PO的選擇性。 主要物料規(guī)格及消耗 表 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 甲醇 工業(yè)級 30 公用工程 冷卻水 20℃ 7000 蒸汽 100℃ 200℃ 383 廠址概況 廠區(qū)地處 XXXX化工園區(qū)。原料運(yùn)輸由管道運(yùn)輸完成運(yùn)費(fèi)低廉。 雙氧水 分廠每年共需 ，購買所得。客戶在使用化工產(chǎn)品過程中因生產(chǎn)工藝、設(shè)備裝置、技術(shù)水平的不同會出現(xiàn)不同的問題，本廠會派出工程技術(shù)人員幫助客戶查找和解決問題，這也是本廠樹立負(fù)責(zé)任良好形象、拓展客戶關(guān)系的好機(jī)會。乙苯法路線生產(chǎn) 1 噸環(huán)氧丙烷要聯(lián)產(chǎn) 噸苯乙烯 (理論上 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 噸 /噸 )。反應(yīng)器底部得到氯丙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4%5%的鹽酸溶液。 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(jìn)行，設(shè)備材質(zhì)多采用合金鋼，設(shè)備造價高，建設(shè)投資大。 目前過氧化氫真接氧化法工藝分別由贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)（原德固薩， Degussa）與伍德（ Uhde）公 司 、 陶 氏 化 學(xué) 和 巴 斯 夫 （ BASF ） 公 司 聯(lián) 合 開 發(fā) 和 工 業(yè) 化 推 廣 。 2021年 6月，陶氏化學(xué)與泰國 SiamCement集團(tuán)（ SCG）合資建立的 SCGDOW集團(tuán)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(yù)計將于 2021年投入運(yùn)營。 工藝流程長 , 復(fù)雜，防爆要求高，操作條件嚴(yán)格； 原料品種多，對丙烯純度要求高； 生產(chǎn)大量聯(lián)產(chǎn)品，市場穩(wěn)定性差； 裝置規(guī)模要求較高，投資大，建設(shè)周期較長； 國內(nèi)尚未自主掌握共氧化法技術(shù)，只能采取和跨國化工公司合作建設(shè)的方法。 投資成本的比較 幾種合成技術(shù)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見表 33： 表 33 幾種合成技術(shù)的投資比較16 從表可以發(fā)現(xiàn) HPPO法的工藝經(jīng)濟(jì)性最佳。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(shè)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(shù)， HPPO法的工業(yè)化應(yīng)用將會對其未來的發(fā)展以及其它方面產(chǎn)生影響。塔頂餾分主要為未反應(yīng)丙烯，從管進(jìn)入冷凝器 E101，丙烯物流從管循環(huán)回反應(yīng)釜；塔底再沸器 E102不斷回流，使釜液中丙烯含 量降低。 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(yīng)物料液位高度出料量。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(dāng)管道內(nèi)流量不等于設(shè)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(shè)定值。 塔釜再沸器 E102溫度控制在 ℃，壓強(qiáng)為 8bar, 溫度控制在 50℃左右 。與 T102原理相同，塔釜再沸器 E106的甲醇餾出液回到反應(yīng)釜中作為溶劑再次利用， 溫度控制在 ℃，壓強(qiáng)為 。 塔頂冷凝器的冷介質(zhì)用量是根據(jù)冷凝器的出口 溫度而定的，當(dāng)冷凝器的冷介質(zhì)用量過多時會造成回流的液相物質(zhì)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。 28 29 4 物料及熱量衡算 總論 物料衡算與熱量衡算是化工過程中最基本的運(yùn)算之一。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(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定過程，又可表示為： 輸入 =輸出 物料衡算包括總質(zhì)量衡算、組分衡算和元素衡算。 表 環(huán)氧丙烷精餾塔物料平衡表 管路 26 27 28 壓力 (bar) 溫度（℃） 50 氣體分率 流量 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 摩爾流量 (kmol/h) 摩爾分?jǐn)?shù) % 34 環(huán)氧丙烷 水 trace 丙烯 雙氧水 trace trace trace 甲醇 0. 001 丙二醇 0. 00 總流量 能量衡算 基本原理 工程依據(jù)化工設(shè)計中關(guān)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(jié)合的原則，進(jìn)行熱量衡算