【文章內(nèi)容簡介】 異丙醇的需求量將以年均約 %的速度增長 , 2021 年總需求量將達到 約 萬 t, 其中中東歐地區(qū)需求量的年均增長率最大 , 為 %。 其次是亞洲地區(qū) , 需求量的年均增長率將達到約 %。世界主要地區(qū)異丙醇的消費結(jié)構(gòu)以及需求預(yù)測情況見表 表 23 世界各地區(qū)異丙醇的消費現(xiàn)狀及預(yù)測 國家和地區(qū) 2021年 2021年 20212021年消費量的年均增長率 /% 消費量 /萬 t 所占比例 % 消費量 /萬 t 所占比例 % 北美 中南美 西歐 中東歐 亞洲 其他 合計 100． 00 異丙醇的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 目前 , 我國異丙醇主要用作油墨、涂料和制藥工業(yè)過程中的溶劑或萃取劑 , 其消費量約占異丙醇總消費量的 60%。在涂料中 , 異丙醇主要用在如硝化纖維素清漆中作惰性溶劑以減少貯存和運輸過程中的可燃性等 。 在制藥方面 , 主要用作抗生素、維生素萃取劑和藥品膠囊清洗劑等 。 在油墨中 , 主要用作水基涂料的助年產(chǎn) 10 萬噸 98%異丙醇項目 可行性研究報告 7 劑和稀釋劑。醇溶油墨能夠解決甲苯類油墨對健康所產(chǎn)生的危害以及溶劑殘留影響包裝食品質(zhì)量等問題 , 近年來醇溶油墨已經(jīng)發(fā)展成為一種趨勢。目前 , 我國已經(jīng)成為世界第二大涂料生產(chǎn)國家 , 而且近幾年來 ,我國涂料工業(yè)合資合作和結(jié)構(gòu)調(diào)整的步伐明顯加快 , 涂料向高檔化方向發(fā)展 , 國外許多大型涂料生產(chǎn)商紛紛在我國投資建設(shè)高檔涂料生產(chǎn)裝置 ,加上交通、汽車和建筑等行業(yè)快速發(fā)展的拉動 ,我國涂料行業(yè)對異丙醇的需求呈現(xiàn)較快的增長勢頭。在油墨方面 , 2021 年我國油墨的總產(chǎn)量為 萬 t, 2021 年增長到 萬 t, 年均增長率達到 %。隨著國內(nèi)包裝品、廣告、出版等行業(yè)迅速發(fā)展 , 對油墨等的需求也大幅度增加 , 相應(yīng)對異丙醇的需求量也將不斷增加 。 我國制藥行業(yè)是我國傳統(tǒng)的精細(xì)化工領(lǐng)域 , 隨著世界經(jīng)濟的一體化 , 出口形勢看好。由此可見 , 在今后幾年 ,我國異丙醇在溶劑方面的應(yīng)用仍將大發(fā)展 , 預(yù)計到 2021 年對異丙醇的需求量將達到約 萬 t。 近年來 , 我國異丙醇的消費一直保持高速增長勢頭。 1997 年我國異丙醇的表觀消費量只有 萬 t, 2021 年增加到 萬 t, 1997— 2021 年表觀消費量的年均增長率為 %。 2021 年我國異丙醇的表觀消費量為 萬 t, 2021 年增加到 萬 t, 比 2021 年增長約 %, 2021— 2021 年的表觀消費量的年均增長率約為 %。我國異丙醇的供需情況見表所示。 表 24 我國異丙醇的供需情況 年份 產(chǎn)量 /萬 t 進口量 /萬 t 出口量 /萬 t 表觀消費量 /萬 t 表觀消費量比上年增長 /% 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2021 年產(chǎn) 10 萬噸 98%異丙醇項目 可行性研究報告 8 第三章 工藝技術(shù)方案 概述 目前，工業(yè)上異丙醇 的生產(chǎn)方法主要是丙烯水合法，可分為丙烯間接水合法和丙烯直接水合法兩種。丙烯間接水合法因“三廢”污染、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重和生產(chǎn)成本高等問題， 20 世紀(jì) 80 年代后該法被逐漸淘汰。丙烯直接水合法，它是丙烯在催化劑存在下直接發(fā)生水合反應(yīng)生成異丙醇。由使用的催化劑不同分為三種方法，即氣相直接水合法、液相直接水合法、氣液混相直接水合法。 工藝選擇 氣相直接水合法 氣相直接水合法是目前世界上生產(chǎn)異丙醇的主要方法之一，氣相直接水合使用磷酸 /硅藻土為催化 劑，在反應(yīng)溫度 180～ 260℃，壓力 ～ ， n（丙烯） :n（水） =1: 條件下進行直接反應(yīng)，生成粗異丙醇溶液，再入共沸塔分離提濃。丙烯單程轉(zhuǎn)化率為 5%～ 7%，異丙醇選擇性為 98%。 優(yōu)點：該法與間接水合法相比，選擇性好，副產(chǎn)物少，丙烯總轉(zhuǎn)化率達 97%，生成異丙醇的選擇性高達 98%。反應(yīng)條件緩和，反應(yīng)壓力低，流程簡單，投資少，同時對設(shè)備腐蝕、環(huán)境問題較丙烯間接水合法有了很大的改善。 缺點：該法為防止磷酸溶出，需要把水轉(zhuǎn)為氣態(tài)，采用了對平衡不利的高溫低壓反應(yīng)條件，使丙烯單程轉(zhuǎn)化率低，大量未反應(yīng) 的丙烯需循環(huán)使用，耗能量大；為了減少副產(chǎn)物的生產(chǎn)量，需用高濃度丙烯（≥ 99%）做原料；同時磷酸不斷流失，生產(chǎn)上需補加磷酸。 液相直接水合法 該法使用活性、選擇性良好的鎢系雜多酸催化劑，催化劑溶于來自精制工序年產(chǎn) 10 萬噸 98%異丙醇項目 可行性研究報告 9 的循環(huán)工藝水中，在反應(yīng)溫度 240～ 280℃，壓力 條件下， n（丙烯） :n（水） =1:27，進行接觸反應(yīng)，生成異丙醇水溶液，再入共沸塔分離提濃。 優(yōu)點：催化劑活性高，丙烯和雜多酸陰離子能形成活性絡(luò)合物，與傳統(tǒng)的丙烯間接水合法相比，在相同的氫離子濃度的情況下，反應(yīng)速度增大數(shù)倍，產(chǎn)品選擇性 好，改進了催化劑的流失問題，催化劑較穩(wěn)定、可循環(huán)使用、壽命長、無公害。 缺點：該法水烯比大，導(dǎo)致粗產(chǎn)品中含大量水，蒸餾熱量消耗量大，反應(yīng)壓力過高，設(shè)備投資高。 氣 液混相直接水合法 該法采用強酸性陽離子交換樹脂催化劑，要求丙烯純度在 92%以上、反應(yīng)溫度 135～ 160℃、壓力 ～ 條件下、 n（丙烯） :n（水） =1:15。由于反應(yīng)采用了中壓、低溫的有利于化學(xué)平衡的工藝條件，故能得到較高的丙烯轉(zhuǎn)化率，丙烯的單程轉(zhuǎn)化率 70%左右，異丙醇選擇性大于 96%。 優(yōu)點：無需高純度丙烯及大量未反應(yīng)的丙 烯循環(huán)。反應(yīng)條件相對緩和，溫度、壓力以及水烯比適中，丙烯轉(zhuǎn)化率高，能耗低。 缺點：樹脂催化劑不耐高溫，溫度不能超過 175℃，且樹脂催化劑存在流失問題，壽命較短。 丙烯直接水合法生產(chǎn)工藝分析比較 對于丙烯直接水合反應(yīng)過程，在低溫、高壓的條件下，丙烯的平衡轉(zhuǎn)化率高。然而，溫度較低時反應(yīng)速率太慢；提高反應(yīng)溫度，雖可以加快反應(yīng)速度，但會對反應(yīng)帶來不利影響：① 丙烯轉(zhuǎn)化率低；② 異丙醇選擇性降低。提高壓力，可以提高丙烯轉(zhuǎn)化率，原因是只有溶解于水中的丙烯才能在催化劑表面起反應(yīng)，壓力增高會增加丙烯在水中的溶解度 ，但壓力過高會增加設(shè)備投資和操作費用。因此，在上述已經(jīng)工業(yè)化的丙烯直接水合生產(chǎn)技術(shù)中，以氣液混相法生產(chǎn)技術(shù)反應(yīng)條件緩和、丙烯轉(zhuǎn)化率高，異丙醇時空產(chǎn)率高等優(yōu)點受到人們的廣泛注意和使用。 年產(chǎn) 10 萬噸 98%異丙醇項目 可行性研究報告 10 工藝介紹 通過對三種丙烯直接水合生產(chǎn)工藝的各自特點進行對比分析，可以看出無論是從收率、生產(chǎn)成本、裝置投資，還是從安全操作、環(huán)保的角度看，氣液混相法更為理想。所以本次我們所采用的工藝就是氣液相直接水合法 。該工藝具有如下優(yōu)點：（ 1）采用新型催化劑，提高了低碳烯烴的 選擇性。（ 2）生產(chǎn)過程能耗低，充分利用能量，進行循環(huán)利用，經(jīng)濟效益顯著。（ 3）對三廢進行綜合處理，采用新型處理方式，污染大大降低，對環(huán)境友好。 催化劑介紹 催化研究表明，不同類型的沸石上丙烯水合反應(yīng)的性能有很大的差別，目前研究所用的沸石包括： β 、 L、超穩(wěn) Y、絲光、 ZSM ZSM 一 ZSM3ZSM50 等，其中對 β 沸石的研究比較集中。對丙烯水合動力學(xué)研究表明， β 沸石催化劑的反應(yīng)活性在 0． 1MPa、 140℃與 0． 3MPa、 160℃時達到最大，但在更高反應(yīng)溫度以上，由于平衡轉(zhuǎn)化率下降而活性降低，反應(yīng)溫度在 140℃以下時，異丙醇有高選擇性，但隨溫度上升而單調(diào)下降。在丙烯水合反應(yīng)中，沸石分子篩的水吸附量越小，活性越高，即越是采用疏水性催化劑，對烯烴水合反應(yīng)越有利。其原因是由于在疏水性沸石催化劑中抑制了水的凝結(jié)，而對酸中心吸附烯烴分子的影響變小，或者說疏水性沸石避免了吸附水所造成的酸強度下降。 以改性β沸石為基礎(chǔ)，選用適當(dāng)?shù)恼{(diào)變方法，合理調(diào)整其酸量和酸強度，通過離子交換制成含金屬離子的改性β沸石丙烯水合催化劑。在反應(yīng)溫度 140～160℃、壓力 8． 0MPa、 n(水 )： n(丙烯 )=20： 丙烯液態(tài)空速大的條件下，丙烯單程轉(zhuǎn)化率≥ 50％、異丙醇選擇性≥ 98％，產(chǎn)品時空產(chǎn)率達到 600kg 異丙醇／ t催化劑 h，高于目前國內(nèi)外各種工藝的技術(shù)水平。 該催化劑還通過了 2021h 水熱穩(wěn)定性試驗、再生性能優(yōu)良，并配套開發(fā)出中壓丙烯水合全流程工藝。水合反應(yīng)在滴流床反應(yīng)器內(nèi)進行，整個工藝過程采用了分段進料、無氧水技術(shù)、催化劑活化和新開工工藝等多項專利技術(shù)。 DICP 中壓丙烯水合工藝技術(shù)環(huán)境友好、無三廢排放、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良。 有學(xué)者指出對催化劑進行預(yù)處理可以提高活 性，利用極性含氧脂肪族碳水化合物，最好是水合反應(yīng)的產(chǎn)物醇或者醚，浸漬 β 沸石催化年產(chǎn) 10 萬噸 98%異丙醇項目 可行性研究報告 11 劑，可以提高催化劑的催化活性。 工藝流程設(shè)計 本工藝生產(chǎn)烯烴可分為如下單元：反應(yīng)段、產(chǎn)品分離段。 工藝流程圖 圖 31 氣 液混相直接水合法制異丙醇工藝流程圖 原料丙烯通過壓縮機壓縮并換熱達到 120℃， 8MP，將工業(yè)用水通過壓縮機并換熱達到 94℃， 8MP，然后將丙烯蒸汽與工業(yè) 用水進入反應(yīng)器與催化劑充分接觸，在反應(yīng)器內(nèi)充分反應(yīng)。 反應(yīng)產(chǎn)物混合后反應(yīng)后經(jīng)過換熱器進入脫丙烯塔，將反應(yīng)后混合物中的丙烯全部脫去，丙烯重新加熱壓縮進入反應(yīng)器?；旌衔镞M入 干燥塔脫去混合物中的大部分水，水也可以進行回收利用。剩下的混合物 進行間歇精餾脫去混合物中的正丙醇，正丙醇可以 回收 用作燃料 。最后兩個精餾塔是共沸精餾，第三種組分是乙二醇，使它們共沸從第一個塔的塔頂脫去異丙醚和少部分的水。最后的一個塔是乙二醇回收塔，回收混合液中的乙二醇重新進行共沸精餾。最終得到 98%的異丙醇。 年產(chǎn) 10 萬噸 98%異丙醇項目 可行性研究報告 12 第四章 物料衡算 概論 物料衡算是推導(dǎo)描述物質(zhì)運動規(guī)律數(shù)學(xué)模型的直接而簡便的方法。所謂物料衡算是指在質(zhì)量守恒基礎(chǔ)上，對任一過程單元按單位時間內(nèi)，體系所含物料總質(zhì)量必等于進入體系的總質(zhì)量減去從體系流出的總質(zhì)量所進行的運算。簡言之，即質(zhì)量守恒原理在一個過程單元中的應(yīng)用。物料衡算可得到一組代數(shù)方程或微分方程。對于體系內(nèi)任一點的參數(shù)完全不隨時間而變化，且只含一個因變量的連續(xù)穩(wěn)定過程，所得代數(shù)方程就是該過程的數(shù)學(xué)模型。 物料衡算可對一個工廠生產(chǎn)的全過程，一個工序或一臺裝置做出。對于現(xiàn)有生產(chǎn)過程。物料衡算提供表示生產(chǎn)運作正常與否、問題所在和改進途徑的參考數(shù)據(jù)；對于新建裝置和生產(chǎn)過程，則可為設(shè)備設(shè)計、過程優(yōu)化、過程控制和經(jīng)濟評估等提供必要數(shù)據(jù)。 衡算方法 物料衡算是根據(jù)質(zhì)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(guān)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(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。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 年產(chǎn) 10 萬噸 98%異丙醇項目 可行性研究報告 13 全廠物料衡算 我公司異丙醇工藝，其 工藝流程分為 反應(yīng)段、產(chǎn)品分離段 。以下計算使用ASPEN PLUS 處理原始數(shù)據(jù)。 反應(yīng)段物料衡算 表 41 反應(yīng)器物料衡算 數(shù)據(jù)項 物料 H2O1 H2O2 C3H61 C3H62 C3H63 MIX1 MIX2 Mass Flow kg/hr PROPY01 0 0 23000 23000 11040 11040 11040 WATER 82021 82021 0 0 0 76929 76929 ISOPR01 0 0 0 0 0 1PRO01 0 0 0 0 0 DIISO01 0 0 0 0 0 ETHYL01 0 0 0 0 0 0 0 Mass Frac PROPY01 0 0 WATER 0 0 0 ISOPR01 0 0 0 0 0 1PRO01 0 0 0 0 0 DIISO01 0 0 0 0 0 ETHYL01 0 0 0 0 0 0 0 年產(chǎn) 10 萬噸 98%異丙醇項目 可行性研究報告 14 Total Flow kmol/hr 2 Total Flow kg/hr 82021 82021 23000 23000 11040 +5 +5 Total Flow l/min 8 3 Temperature C 25 94 25 120 100 150 100 Pressure MPa 8 8 8 8 8 8 8 產(chǎn)品分離段物料衡算 表 42