【導(dǎo)讀】Circle100kt/aHPPO法環(huán)氧丙烷生產(chǎn)項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)說明書。第2章原料采購及產(chǎn)品營銷 7. 第3章工藝方案與工藝流程模擬 13. Degussa公司過氧化氫法 16. 第4章物料衡算及能量衡算 33. 主要設(shè)備物料及能量衡算 44. 第5章能量集成與節(jié)能 45. 第6章設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 52. 第7章自動控制及儀表 111. 反應(yīng)器的基本控制方案 120. 第22章工廠組織與勞動定員 204. 企業(yè)組織形式概論 204. 安全和環(huán)保管理 207. 本項(xiàng)目為全國特大型石油化工聯(lián)合企業(yè)--齊魯石化公司建立一個年產(chǎn)10萬噸環(huán)氧丙烷的分廠。項(xiàng)目采用過氧化氫法，以過氧化氫和丙烯為原料，甲醇為溶劑，采用多次精餾的方法得到較純的環(huán)氧丙烷和副產(chǎn)物丙二醇單甲醚。本項(xiàng)目位于山東省淄博市臨淄區(qū)齊魯化學(xué)工業(yè)園區(qū)內(nèi)，。本項(xiàng)目廢棄了現(xiàn)如今我國廣泛使用但對環(huán)境污染嚴(yán)重的氯醇法工藝，采用環(huán)保的過氧化氫法，有效地促進(jìn)了我國環(huán)氧丙烷生產(chǎn)工藝的發(fā)展。山東省淄博市相關(guān)資料，齊魯化學(xué)工業(yè)園區(qū)相關(guān)資料，包括自然條件、交通條件和公用工程及配套設(shè)施條件等；國家經(jīng)濟(jì)、建筑等相關(guān)政策；

　　

【正文】 流率如表所示。在換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，夾點(diǎn)溫差的確定是個關(guān)鍵因素。夾點(diǎn)溫差越小，則回收的熱量越多，所需的熱公用工程和冷公用工程量越小，即運(yùn)行中能量費(fèi)用越少。但是夾點(diǎn)溫差越小，整個換熱網(wǎng)絡(luò)各處的傳熱溫差均相應(yīng)減小，使換熱面積加大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的投資費(fèi)用增大。反之夾點(diǎn)溫差越大，回收的熱量越小，所需的熱公用工程和冷公用工程量越大，運(yùn)行中的能量費(fèi)用相應(yīng)越大。 在提取物流數(shù)據(jù)后，我們得到總費(fèi)用與ΔTmin(最小傳熱溫差)的關(guān)系圖如圖51所示：圖51總費(fèi)用與ΔTmin的關(guān)系曲線通過上圖，確定最小傳熱溫差ΔTmin為5℃。根據(jù)以上選擇的最小傳熱溫差為5℃，夾點(diǎn)位置如圖52所示，可以在Aspen Energy Analyzer中得到組合曲線及總組合曲線。圖52 組合曲線圖圖53 總組合曲線圖根據(jù)Aspen Energy Analyzer計(jì)算所得的總組合曲線，可以選擇相應(yīng)溫位的公共工程?？偨M合曲線表示需要外界加熱的熱量與溫位的關(guān)系。夾點(diǎn)之上的總組合曲線表示需要外界加熱的熱量與溫位的關(guān)系；同樣夾點(diǎn)之下的總組合曲線表示需要外界冷卻的熱量與溫位的關(guān)系。根據(jù)這樣的關(guān)系及所得到的總組合曲線，再綜合考慮最小傳熱溫差，可以得到所需的公共工程。結(jié)合總組合曲線和最小傳熱溫差，本工段換熱網(wǎng)絡(luò)的熱公用工程采用175℃的中壓蒸汽和125℃低壓蒸汽，冷公共工程采用20℃冷卻水。 通過對冷熱物流溫度、熱容流率以及其流量等參數(shù)進(jìn)行整合，結(jié)合夾點(diǎn)技術(shù)，同時盡量考慮工廠實(shí)際設(shè)備布置及公用工程配置情況，我們初步得出了一下工藝物流間匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖54所示：圖54 換熱網(wǎng)絡(luò)圖首先我們遵循夾點(diǎn)技術(shù)的物流匹配原則，盡可能在不穿越夾點(diǎn)的情況下對物流進(jìn)行匹配；除此之外，我們參考工藝和工廠實(shí)際操作情況，對物料匹配進(jìn)行調(diào)整，最終得到以上初步換熱網(wǎng)絡(luò)圖。用閃蒸罐以及反應(yīng)器放出的熱對丙烯丙烷精餾塔再沸器進(jìn)行加熱，使其達(dá)到額定溫度，從而將丙烯從塔頂分離出去。先用公用工程對甲醇水分離塔塔頂物料進(jìn)行降溫，再將其余熱對原料進(jìn)行加熱，使原料加熱到制定溫度。其余各工段通過公用工程進(jìn)行物料換熱，是各工段物料達(dá)到所需溫度。表52 換熱效果信息表項(xiàng)目熱公用工程量(kJ/h)冷公用工程量(kJ/h)熱集成個數(shù)匹配前0匹配后3節(jié)約公用工程——節(jié)能率%%——對于本工藝的反應(yīng)工段，物流中有三處冷凝器需要使冷凝后液體達(dá)到低溫；單單靠冷卻水不能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)溫度，需要使用冷卻劑。冷凍水及低溫鹽水是指通過制冷機(jī)使其溫度下降后再流向冷卻工藝的循環(huán)水，主要應(yīng)用在石油化工、鋼鐵行業(yè)及中央空調(diào)領(lǐng)域。冷凍水及低溫鹽水在運(yùn)行過程中對設(shè)備的存在腐蝕的危害，其中以電化學(xué)腐蝕為主，也存在化學(xué)腐蝕。工業(yè)上應(yīng)用較多的是加入緩蝕劑以緩解設(shè)備腐蝕，通常加入的有鉻酸鹽系列和亞硝酸鹽系列。本廠擬用六水氯化鈣溶液作為冷卻劑，該冷卻劑具有較高的潛熱值，可以作為一種較好的潛熱介質(zhì)。是化工工作中常用冷卻劑，而且操作簡單。六水氯化鈣冷卻劑由六水氯化鈣和水或者冰配制而成，不同六水氯化鈣與冰的質(zhì)量比對應(yīng)不同的冰點(diǎn)，相應(yīng)六水氯化鈣質(zhì)量比對應(yīng)冰點(diǎn)值如表53所示：表53 100g冰中不同六水氯化鈣質(zhì)量對應(yīng)冰點(diǎn)六水氯化鈣質(zhì)量82100125150500冰點(diǎn)(℃)94954本廠選用100g冰中含125g六水氯化鈣的質(zhì)量比來配置冷卻劑已達(dá)到所需冷卻效果。(1)部分設(shè)備因化工選型時，余量放的太大，可壓縮它的余量。如循環(huán)水泵，可通過對葉輪進(jìn)行切割，降低其揚(yáng)程及功率，并可更換小功率的電機(jī)，節(jié)省電費(fèi)(舊電機(jī)留作他用)； (2)對于功率較高的泵采用變頻調(diào)節(jié)，鍋爐給水、循環(huán)冷卻水，軸流泵等都可安裝。這樣可以適應(yīng)流量偏大時的工況變化； (3)氧化脫氫工段中反應(yīng)器出口氣溫度較高，為節(jié)省能源，實(shí)現(xiàn)能量的再利用，將出口氣用于副產(chǎn)蒸汽，為其他工藝設(shè)備提供能源，同時節(jié)約了公用工程消耗量。第6章 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型(1)催化劑選擇本工藝選用的催化劑是碳硅分子篩(TS1)，同時選用多孔堇青石為載體，該載體化學(xué)組成為2MgO2Al2O35SiO2。碳硅分子篩具有ZSM5結(jié)構(gòu)，由于催化劑為負(fù)載型催化劑，所以催化劑的結(jié)構(gòu)主要取決于載體的結(jié)構(gòu)。本工藝選用載體結(jié)構(gòu)為外觀Φ125mm85mm的圓柱體，整體制成蜂窩狀，通道截面為三角形，通道分布為62c㎡。制成這種結(jié)構(gòu)的催化劑的抗熱沖擊性能優(yōu)越，比表面積大，具有很低的膨脹系數(shù)。催化劑的制備主要分為兩步：l 用Ti Cl3溶液作為鈦源，同時采用有機(jī)硅源。用價格較低的TPABr作為模版劑和氨水作為堿源，在較高PH值條件下，同時向合成液中混入碳納米粒子，通過晶化和焙燒后，即可合出高結(jié)晶度，無銳鈦型TiO2的中孔(約5181。m)TS1分子篩。還可以通過提高晶化溫度，以利于鈦原子進(jìn)入分子篩骨架。和加入表面活性劑，使得晶體形狀更加規(guī)則。l 用浸漬法，將載體浸泡在含有催化劑(TS1)的溶液中，接觸一定時間后除去過剩的溶液，再經(jīng)干燥、焙燒和活化，即可制得催化劑。(2)反應(yīng)方程主反應(yīng)： 主副反應(yīng)：此外還有少量副產(chǎn)物氧氣、丙二醇。(3)反應(yīng)條件根據(jù)反應(yīng)的動力學(xué)理論，以及實(shí)驗(yàn)中測得數(shù)據(jù)，其中溫度對PO選擇性和雙氧水轉(zhuǎn)化率影響分別如如圖61和62所示。綜合考慮雙氧水轉(zhuǎn)化率和環(huán)氧丙烷的選擇性及經(jīng)濟(jì)效益選擇反應(yīng)溫度為40℃。 圖61 溫度對PO選擇性的影響 圖62 溫度對雙氧水轉(zhuǎn)化率性影響為了保證原料氣態(tài)丙烯在溶劑甲醇中完全溶解，反應(yīng)物料全為液態(tài)。選擇反應(yīng)壓力為 10 bar。(4)原料配比由于雙氧水不能回收，為了最大可能的保證雙氧水的轉(zhuǎn)化，在原料配比中丙烯過量，具體配比見反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算部分。(5)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和工作參數(shù)項(xiàng)目基本工作參數(shù)如表61表61 項(xiàng)目基本工作參數(shù)PO年產(chǎn)量 100kt/a原料配比(質(zhì)量比)CH4O:H2O2：H2O:C3H3=100:3:7:5年工作時間33024=7920空速6h1反應(yīng)溫度40℃反應(yīng)選擇性96％反應(yīng)壓力10bar(6)反應(yīng)器進(jìn)出口物料組成通過Aspen軟件進(jìn)行流程模擬，確定反應(yīng)器的進(jìn)出口物料組成如表663所示：表62 反應(yīng)器進(jìn)口物料組成反應(yīng)器進(jìn)口Kmol/hKg/h%(mol)m3/hkmol/m3甲醇220000過氧化氫97500水12250丙烯13650丙烷1350總量257000 表63 反應(yīng)器出口物料組成反應(yīng)器出口Kmol/hKg/h%(mol)m3/hkmol/m3環(huán)氧丙烷甲醇過氧化氫丙烷1350水丙烯氧氣丙二醇丙二醇單甲醚總量257000物料參數(shù)主要包括相對分子質(zhì)量、混合物密度、黏度以及比熱容。(1)相對分子質(zhì)量M 物料各成分的相對分子質(zhì)量以及混合物平均摩爾質(zhì)量如表64和65所示：表64 物料中各成分相對分子質(zhì)量(g/mol)水丙二醇甲醇環(huán)氧丙烷過氧化氫丙烯丙二醇單甲醚丙烷氧氣187632583442904432表65 反應(yīng)器進(jìn)出口平均摩爾質(zhì)量(g/mol)位置平均摩爾質(zhì)量進(jìn)口出口(2)混合物的密度進(jìn)口混合物密度如表66所示：表66 反應(yīng)器進(jìn)出口物料密度(kg/m179。)位置密度進(jìn)口出口(3)黏度H 部分物料成分黏度如表67所示： 表67 物料黏度(μPas 40℃ 10bar)水丙二醇甲醇環(huán)氧丙烷過氧化氫丙烯丙二醇單甲醚(4)比熱容Cp通過軟件模擬計(jì)算出混合物料的比熱容如表68所示：表68 反應(yīng)器內(nèi)物料比熱容(J/(molK) 45℃)項(xiàng)目比熱容反應(yīng)器內(nèi)物料考慮到本反應(yīng)為液相均相反應(yīng)，反應(yīng)溫度為40℃。進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)全為液相，催化劑為固態(tài)顆粒狀催化劑。綜合考慮生產(chǎn)效率和產(chǎn)率，選用帶換熱殼層的列管式固定床反應(yīng)器，其中催化劑裝填到反應(yīng)管中。選用的反應(yīng)器為列管式固定床反應(yīng)器，該類反應(yīng)器在工業(yè)上已經(jīng)有廣泛的使用。HPPO法合成環(huán)氧丙烷的方法反應(yīng)物均為液相，在列管式的反應(yīng)器中，前后壓差小對反應(yīng)無明顯影響。且反應(yīng)物在液相流動中，由于管徑和流速不大，所以流動模型可以選用“活塞流”模型進(jìn)行計(jì)算處理。(1)床層對外的徑向換熱相式中； ——傳熱通量； ——反應(yīng)管壁傳熱系數(shù)； ——反應(yīng)溫度； ——反應(yīng)管壁溫度。(2)反應(yīng)動力學(xué)方程本工藝主要反應(yīng)為一個串聯(lián)反應(yīng)，生成的環(huán)氧丙烷(PO)會在該條件下轉(zhuǎn)化為另外一種產(chǎn)物丙二醇單甲醚(MME)。 k1k2該反應(yīng)可表示為：C(MME)B(PO)E1E2A(H2O2)環(huán)氧丙烷的動力學(xué)方程式可以表示為：rpo=kH2O2expEaRTCH2O2αCC3H6γkMMEexp(EbRT)CPOβCCH3OHβ本工藝中由于原料雙氧水不能回收，為提高雙氧水轉(zhuǎn)化率，原料中加入過量的丙烯，所以丙烯濃度近似不變。又由于甲醇為溶劑在原料中的濃度更大，在整個反應(yīng)器中濃度也是不變的，所以上述動力學(xué)方程可以近似為以下方程：rpo=kH2O2expEaRTCH2O2αkMMEexp?(EbRT)CPOβ通過實(shí)驗(yàn)測得以上動力學(xué)方程各參數(shù)帶入上述方程，環(huán)氧丙烷的反應(yīng)動力學(xué)方程又可以表示為:rpo=106exp?(53286RT)其中 R：氣體常數(shù)T：反應(yīng)溫度(3)反應(yīng)器體積計(jì)算根據(jù)列管式反應(yīng)器以及活塞流模型，通過微元思想可以建立列管式固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)計(jì)算模型如圖63所示： 圖63 反應(yīng)器體積計(jì)算模型圖通過積分轉(zhuǎn)換可以得到該類反應(yīng)器體積的計(jì)算公式為：VR=FA00XAfdxArA=CA0V00XAfdxArA式中： VA0：入口處原料流量kmol/h ； XAf：目標(biāo)轉(zhuǎn)化率；CA0：入口處反應(yīng)物(過氧化氫)濃度； rA：環(huán)氧丙烷的反應(yīng)速率方程。將前已述及的各反應(yīng)條件以及物料濃度和流量代入上述公式?？蓪⒎磻?yīng)器體積計(jì)算公式具體為：VR =V0CA0 exp(12080RT)－106exp(53286RT)將體積流量V0= m179。/min，雙氧水初始濃度CA0= kmol/m179。，目帶入上式，我們通過MatLab軟件繪制出反應(yīng)器體積的積分函數(shù)圖。分析了反應(yīng)器體積積分函數(shù)的基本性質(zhì)如圖64所示：圖64 反應(yīng)器體積的積分函數(shù)圖我們再借助C程序，對反應(yīng)器體積的積分函數(shù)進(jìn)行積分計(jì)算。C語言代碼如圖65所示：圖65 反應(yīng)器體積的積分函數(shù)C語言代碼 ~1條件下反應(yīng)器理論體積如表69所示：表69 反應(yīng)器體積表目標(biāo)轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器計(jì)算體積/m179。目標(biāo)轉(zhuǎn)化率1反應(yīng)器計(jì)算體積/m179。按照表中數(shù)據(jù)借助Office Excel工具繪制出反應(yīng)器體積與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如圖66所示：圖66 反應(yīng)器體積與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系179。，如果繼續(xù)提高轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)器體積呈現(xiàn)快速增長。，179。，179。通過上式積分也可計(jì)算得到反應(yīng)器體積為：VR =179。 (4)反應(yīng)器換熱設(shè)計(jì)本工藝的主反應(yīng)。整個反應(yīng)器的放熱效應(yīng)為7107kJ/molh，為保證反應(yīng)體系的溫度恒定，需對反應(yīng)體系設(shè)計(jì)恒溫冷卻系統(tǒng)。反應(yīng)器為列管式固定床反應(yīng)器，與管板式換熱器結(jié)構(gòu)相似，在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時可以參考管板式換熱器的設(shè)計(jì)。在已設(shè)計(jì)好反應(yīng)器列管和殼層尺寸下。反應(yīng)器換熱參數(shù)如表610所示：表610 反應(yīng)器換熱參操作條件參數(shù)管層殼層介質(zhì)反應(yīng)物料混合液冷卻水質(zhì)量流量/（kgh1）23339740770進(jìn)口溫度/℃ 4025出口溫度/℃30進(jìn)口壓力/bar101出口壓力/bar反應(yīng)器類型與管板式換熱器相似，在進(jìn)行機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)時參照了管板式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)。反應(yīng)器其他部件參數(shù)設(shè)計(jì)如下表611所示：表611 反應(yīng)器部件參數(shù)設(shè)計(jì)部件名稱參數(shù)反應(yīng)列管直徑(mm)長度(mm)根數(shù)管心距(mm)Φ576000710975催化劑裝填高度(mm)5400筒體1,2號反應(yīng)器3號反應(yīng)器DN(mm)厚度(mm)殼/管間隙(mm)列管根數(shù)DN (mm)厚度(mm)殼/管間隙(mm)列管根數(shù)39001421234425142863折流板間距(mm)數(shù)量厚度圓缺率缺口高度