年产80000吨丁辛醇合成气净化及羰基合成的工艺设计课程设计学位论文文档格式.docx
《年产80000吨丁辛醇合成气净化及羰基合成的工艺设计课程设计学位论文文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《年产80000吨丁辛醇合成气净化及羰基合成的工艺设计课程设计学位论文文档格式.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
10-6会使少数比较敏感的人感到有不良气味并有不舒适的感觉;
CO2浓度超过1000×
10-6会使人有不舒适的感觉,并易引起人员产生嗜睡。
国内尚无商业建筑CO2浓度的卫生标准规定。
丙烯中常常含有H2O、S、O2、As和炔烃等杂质，这些杂质容易使催化剂活性降低，甚至中毒失去活性，影响装置的正常生产，必须进行精制脱出丙烯中的微量杂质，保证装置的正常进行[4]。
本次的设计题目为年产8万吨丁辛醇合成气净化及羟基合成工段的初步设计。
在合成气和丙烯原料中都含有微量的含有H2O、S、O2、As和炔烃等杂质。
这些杂质容易影响装置的正常生产。
则需要将杂质除去。
本设计的主要内容为利用活性炭、硫化铂、浸苛性钠的活性氧化铝、浸苛性钠的活性氧化锌除去S、O2、HCN\Hcl、Fe（CO）5/Ni（CO）4等杂质。
1.1.2产品的性质与特点
本装置产品为丁醇和2-乙基己醇。
1.丁醇（Butylalcohol）分子式C4H9OH，有四种同分异构体——正丁醇CH3CH2CH2CH2OH，异丁醇（CH3）2CHCH2OH，仲丁醇CH3CH（OH）CH2CH3和叔丁醇（CH33COH。
均为无色有毒的易燃液体，能溶于多种有机溶剂中。
2.正丁醇（n-Butylalcohol）英文名称1-Butanol。
产品理化性质：
分子式C4H10；
系统命名为1-丁醇。
分子量：
74.12，熔点-90.2℃，相对密度为0.810g/mol。
无色透明液体，沸点117.5℃，凝固点-89.5℃，闪点36-38℃，自然点365℃，微溶于水，能与乙醇和乙醚混溶。
3.异丁醇（i-Butylalcohol）
系统命名为2-甲基-1-丙醇。
74.12，熔点-108℃，相对密度为0.805g/mol。
无色透明液体，沸点108.0℃，凝固点37.7℃，闪点28℃，自燃点426.6℃，易溶于水，乙醇和乙醚。
折光率（n20）：
1.395-1.397。
4.辛醇（Octylalcohol）英文名称2-ethylhexanol.
无色透明油状液体，沸点185℃，凝固点-76℃，闪点85℃，自燃点270℃，与水可形成共沸物，能与醇、氯仿、醚等多种有机溶剂互溶，分子量130。
23，分子式C8H18O，密度0.524，熔点-195℃，折光率（n20）：
1.428-1.431。
1.1.3产品的生产方法概述
丁辛醇的生产工艺有两种路线[2]。
一种是以乙醛为原料，巴豆醛缩合加氢法；
另一种是以丙烯为原料的羰基合成法。
由于发酵法及乙醛法工艺流程长，设备腐蚀严重，极不经济，现有装置已基本淘汰。
当今丁辛醇生产的主要方法是以丙烯为原料的羰基合成法。
以丙烯为原料的羰基合成法又分为高压钴法、改性铑法、高压铑法和改性铑法。
其中改性铑法是当代丁辛醇合成技术的主流。
改性铑法又分为气相循环和液相两种。
液相循环改性铑法是当今世界最先进，最广泛使用的丁辛醇合成技术。
高压羰基合成技术是1940年由德国开发成功的，1970年发展到顶峰。
该法以钴盐作为催化剂，反应压力为20-30MPa。
中压羰基合成技术是壳牌公司首先采用的。
该法采用一种有机膦配位体钴做催化剂。
反应温度在104—200℃，反应压力为6.5MPa。
低压羰基合成技术是在70年代中期出现的，是丁辛醇生产技术的一个突破。
1976年低压铹法羰基合成丁醛工业装置在波多黎各投产成功。
1.2设计依据
1.齐齐哈尔大学化学与化学工程学院化工系颁发的《化工系毕业教学环节文件汇编》。
2.首选依据是老师布置的“任务书”—年产八万吨丁辛醇合成气净化及羰基合成车间的初步设计。
3.依据学苑出版社出版的《化工工程设计》。
1.3原料及产品规格
主要原料规格及技术指标
表1-2丙烯原料规格及技术指标
化学级丙烯
丙烯
95×
10-2mol
最低
丙烷、甲烷和乙烷
5×
最高
乙烯
20×
10-6mol
甲基乙炔及丙二烯
15×
氧
总硫
1×
10-6wt
C4及C4以上的烃
乙炔
氢
总氯（以HCL计）
绿油
10×
水份
醇（以甲醇计）
CO+CO2
进界区状态；
液态
压力：
2.2-2.8MPa.a
温度：
环境
在生产丁辛醇过程中，原料合成气与丙烯中含有H2O、S、O2、As和炔烃等杂质，这些杂质容易使催化剂活性降低，甚至中毒失去活性，影响装置的正常生产，必须进行精制脱出丙烯中的微量杂质，保证装置的正常进行。
因此工段主要为利用催化剂将微量杂质脱出。
催化剂的规格见表1-3。
表1-3催化剂规格
名称型号
规格
一次用量
硫化铂
进口：
C53-2
国产：
BC-02-009
3mm直径挤压成型
脱除
合成气
中的氧
1121
（第一层）
5.5m3
Pt≥0.08×
10-2wt
活性碳
207A
JB-1
5-10目颗粒状
脱除合成气
中的羰基铁
和羰基镍
1120
8.5m
CTC值55-60×
10-2
水分≤10×
浸苛性钠的
活性氧化铝
ICI-59
T402
3-5mm球
脱除合成气中的氨
4m3
Na2O≥12×
Al2O3（高表面）
Al2O3（高表面）
其余松密度≥900kg/m3
铑催化剂
ROPAC
BG-2-007
Rh；
19-21×
OXO反应
催化剂
年用量
70kg
氯化物：
≤0.1×
铁：
≤0.005×
锌：
10-2wt
三苯基膦
TPP
白色晶状小片或颗粒
助催化剂
≤34000kg
熔点：
78.5-81.5℃
三苯基膦≥99×
钠≤5×
灰份≤100×
10-6wt
干燥损失≤2.5×
第2章工艺设计与计算
2.1工艺原理
净化的合成气与丙烯，在铑催化剂的作用下发生羰基合成反应生成丁醛，反应方程式如下：
（1）丙烯醛化生成正丁醛：
CH2CH=CH2+CO+H2
CH3CH2CH2CHO
（2）丙烯醛化生成异丁醛：
CH3CH=CH2+CO+H2
（CH3）2CHCHO
上述两个反应，正丁醛是目的产物，而异丁醛是副产物。
在选择的反应条件下，正丁醛/异丁醛生成的比率为10：
1。
2.2工艺路线的选择
本设计是年产8万吨丁辛醇合成气净化及羰基合成工艺的初步设计。
国内外的羰基合成法又分为高压钴法、改性钴法、高压铑法和改性铑法。
国外对液相循环改性铑法技术加以发展、改进，形成有特色的专项技术，主要技术代表有四家公司，具体情况如下：
DAVY/DOW联合开发的第二代丙烯铑法低压羰基合成技术—液相循环法。
三菱化工开发的铑法低压羰基合成技术。
鲁尔公司的羰基合成工艺。
BASF的羰基合成工艺。
本设计以净化后的合成气和丙烯为原料，采用低压气相循环改性铑法进行羰基合成反应。
2.3工艺流程简述
2.3.1流程示意图
图2-1流程示意图
2.3.2各工段工艺流程
1.合成气净化。
造气装置生成的合成气在40℃、2.4—2.8MPa.g的条件下进入该系统，经过FQ102计量和FIC103控制补加一些高纯度的氢气，调节合成气中的H2/CO比为1.07—1.09：
1，然后进入水洗塔1123的下部，在1123中装有聚丙烯鲍尔环填料。
1123水洗塔用得洗涤冷凝液来自蒸汽冷凝液贮槽1118，经过3212泵提压高压冷凝液均匀的向下喷淋，洗涤合成气后的废冷凝液在1123塔液位LIC101的控制下送到造气装置废冷凝液储槽1118.
洗涤后的合成气经过一个不锈钢除沫器脱除合成气中夹带的液滴后，从1123塔顶出来，在合成气预加热器1519中用0.5MPa蒸汽在TIC104的控制下加热到90℃进入1#合成气净化槽1120,1120内装一层活性炭催化剂，合成气经过该催化剂床层时，在过量氧的存在下，羰基金属化合物被氧化成金属氧化物而吸附出去。
合成气从1120净化槽出来后，在合成气加热器1520中，用3.6MPa蒸汽将合成气加热到180℃，由TIC102控制，然后合成气进入2#合成气净化槽1121,1121内装三层催化剂自上而下分别是硫化铂，浸苛性钠的活性氧化铝和氧化锌，合成气在通过这些催化剂床层时，合成气中的杂质氧、氯化物及硫均被脱除。
离开1121的净化合成气在PIC113控制系统压力下，由FIC451控制，经过滤器1709A/B过滤后进入汽提塔底作为汽提气，与气提出的溶解气一起进入OXO反应系统。
2.丙烯净化。
丙烯在2.4—2.8MPa压力和环境温度下，以液态送进界区，由PIC211控制液态丙烯系统的压力，去丙烯预热器E1301，用0.25MPa的蒸汽将丙烯预热到25℃，有TIC201控制预热温度。
被预热后的丙烯进入1#净化槽V1301，V1301内装一层活性氧化铝催化剂。
丙烯在经过该催化剂床层时，大部分H2S被吸附除去，同时在过量水的存在下，将丙烯中的全部CoS水解为H2S。
丙烯从V1301出来后，直接进入2#净化槽V1302，该槽自上而下装有活性氧化铝、氧化锌和浸铜活性碳三层催化剂。
第一层活性氧化铝同V1301催化剂所起的作用一样，是在V1301离线时，保护氧化锌床层，氧化锌将丙烯中的硫脱除到0.110mol以下，而浸铜活性碳将丙烯中的氯化物脱除到0.210mol以下。
丙烯从V1302出来后，在FIC202控制流量下，进入丙烯蒸发器E1302的蒸发段，E1302用0.25Mpa蒸汽再加热使壳程中的甲醇蒸发，甲醇冷凝下来，E1302壳程里的甲醇饱和压力由PIC209控制，蒸发温度由TIC203控制。
丙烯来开502蒸发段后进入丙烯过热器1503，用0.25MPa蒸汽将丙烯加热到80℃，然后经过PIC205控制丙烯汽化段的压力，经V1303A/B过滤器，进入OXO系统。
3.OXO反应
从原料净化工序来的丙烯进料气体，与来自汽提塔的汽提气和OXO循环压缩机C3101的循环气汇合在一起，在OXO反应器进料压力PIC301控制下，分二路（并联）有FIC304/305控制进料流量，进入OXO反应器R1103A\B。
R1103A\B是带搅拌的釜反应器，内有冷却盘管和进料气体分配器，并装填有Rh/Tpp丁醛的催化剂溶液，在气体分配器以及V1306A/B搅拌器的作用下，原料气体以小气泡的形式扩散在催化剂溶液中，并于90-110℃，1.65MP.ag条件下，在R1103A\B里发生OXO反应生成丁醛。
OXO反应是放热反应，反应热通过产品丁醛的蒸发脱除一部分，通过调温水换热脱除一部分。
反应温度由TIC305/316通过冷却盘管的调温水控制。
调温水系统是一个闭路循环回路，由调温水泵P3202保持循环，输送到1103A/B盘管的调温水温度为55℃，从R1103A\B盘管出来时温度升到80~90C，然后在调温水冷却器V1307中由TIC409控制，将调温水冷却到55℃后进到调温水缓冲罐V1107。
V1107对调温水介质随反应热的变化日产生的膨胀起一个缓冲作用。
反应产品丁醛被循环气体从反应器中汽提出来，经过雾沫分离器V1104A/B除去循环气体中夹带的含有催化剂的液滴，去羰基合成循环冷却器V1311A/B，将产品丁醛冷凝下来，并将循环气体冷却到40℃，然后进入羰基合成产品收集器V1105中，V1105中收集的液相产品丁醛一部分用粗环泵P3203打会反应器R1103A\B中，用LIC301/303控制保持R1103A\B液位稳定，环压缩机C3101，C3101将气体从1.5MPa.g压缩到1.9MPa.g，返回反应器R1103A\B中。
在气体进C3101前，由PIC305控制向燃料气管网排放部分气体，以维持反应系统中惰性气体组分的平衡和反应器气体循环回路压力的正常。
羰基合成循环压缩机C3101是一台由蒸汽透P1303驱动的单级叶轮离心压缩机，可获得0.4MPa的压差，蒸汽透平P1303用3.6MPa.g蒸汽操作，排出蒸汽压力为1.3MPa.g。
2.4工艺参数
丁辛醇生产的工艺参数如下表：
表2-1工艺参数表
序号
工艺参数
位号
单位
指标
1
界区丙烯压力
FIC101
MPa
2.4±
0.1
2
丙烯压力
PIC205
2.0±
3
OXO反应温度
TIC305/316
0C
87-120
4
OXO反应液位
LI306/307
%
8038-48
5
OXO进料压力
PIC301
＜1.95
6
OXO系统压力
PIC305
1.65±
0.02
7
OXO气相CO浓度
AR301/302
2.0-4.5
8
1105液位
LIC403
60±
2.5物料衡算
2.5.1物料衡算的意义和作用
物料衡算是化工计算中最基本，最重要的内容之一，是进行化工计算的基础。
在化学工程中，为了导出某一过程的基本方程式和建立数学模型，设计或改造工艺流程和设备，了解和控制生产操作流程，核算生产过程的经济效益等都要惊醒物料衡算。
物料衡算在生产和设计中都得到广泛的应用
在工厂设计中，物料衡算是在工艺流程及工艺参数确定后即开始的一项化工计算工作。
因此，设计工作从定性分析转入定量计算。
物料衡算是通过每一道工序的物料变化情况进行平衡计算，从而得到在正常生产情况下各股物料的量。
通过物料平衡在已知产品生产任务情况下算出所需要的原材料，生成的副产物及废物等的生成量，或者在已知原料投放情况下，算出产品，副产物及废物量。
此外，通过物料衡算，不仅可以算出原材料消耗定额，并在此次基础上作出能量平衡，算出动量消耗和消耗定额。
算出生产过程所需要热量或冷量，同时为设备选型和计算提供依据。
物料衡算的结果直接关系到生产成本和车间运输量，对工厂技术经济指标有举足轻重的影响。
2.5.2物料衡算的方法与步骤
1.收集计算数据
（1）原料、辅料、中间产品及产品的规格；
（2）过程中单位时间内的物流量；
（3）有关消耗定额；
（4）有关转化率；
（5）有关物理化学常数。
如相对密度，相平衡常数等。
2.画物料流程图
3.确定衡算范围
4.确定计算基准
2.5.3.物料衡算
本次设计为年产丁辛醇80000吨，其中辛醇55000吨，正丁醇25000吨，同时副产异丁醇8000吨。
以每小时投料量作为计算基准。
一年的工作日按330天计算，每天工作24小时，设计中采用已知下列数据：
丙烯的摩尔质量为42.1kg/kmol.一氧化碳的摩尔质量为28.01kg/kmol.氢气的摩尔质量为2kg/kmol.正丁醛的摩尔质量为72.11kg/kmol.异丁醛的摩尔质量为72.11kg/kmol.正丁醇的摩尔质量为74.11kg/kmol.异丁醇的摩尔质量为74.11kg/kmol.辛醇的摩尔质量为130.23kg/kmol.合成气中CO占49.0%，氢气占50.4%，杂质（CH4+N2+Ar）占0.6%。
由于合成气净化过程中杂质为10-6/mol数量级，物料变化可以忽略不计，所以对合成气净化过程不进行物料衡算，直接对羰基合成反应进行物料衡算。
涉及到的反应有：
CH3CH=CH2+H2
CH3CH2CH3
上述三个反应，正丁醛是目的产物，而异丁醛是副产物，在选择的反应条件下，正丁醛/异丁醛生成的比率为10：
丙烯除了进行上述两个反应外，还与氢气发生加氢反应生成，丁醛/丙烷的生成比率为11：
0.3。
物料计算：
计算基准取100Kmol/h进口合成气进入反应器。
物料平衡图如下：
图2-2物料平衡图[3]
1.进入反应器的物料
100Kmol/h合成气中含CO=
Kmol/h
H2=
因为H2过量，所以以CO为反应基准，需C3H649Kmol/h
2.主副反应消耗CO的量[4]
因为产物nn-bal:
ni-bal=10:
所以主反应消耗CO的量=
C3H6的量=
生成n-bal的量=
副反应消耗CO的量=
生成i-bal的量=
3.主副反应消耗H2的量
主反应消耗H2=
副反应消耗H2=
Kmol/h，因为nn-bal:
nC3H8=11:
0.3,
ni-bal:
0.3，
所以反应生成C3H8的量=
所以三个反应共消耗H2=1.335+49=50.335Kmol/h
反应剩余的H2=50.4–50.335=0.065Kmol/h
4.主、副反应共消耗
C3H6=1.335+49=50.335Kmol/h
因为丙烯净化后组成为C3H695%，其余为C3H8
所以丙烯用量为50.335÷
95%=52.98Kmol/h
其中含C3H8的量=52.98–50.335=2.645Kmol/h
5.反应后
C3H8=2.645+1.335=3.98Kmol/h
6.反应生成的主、副产物的量
nn-bal=44.55Kmol/h，ni-bal=4.45Kmol/h，nC3H8=3.98Kmol/h，
表2-2反应器进口物料平衡表
组分
Kmol/h
%（mol）
分子量
Kg/h
%（wt）
C3H6
50.335
32.9
42.1
2119.1
56.87
H2
50.4
32.95
100.8
2.71
CO
49
32.03
28.01
1372.49
36.83
C3H8
2.65
1.73
44.1
116.87
3.14
杂质
0.6
0.39
28
16.8
0.45
合计
152.98
100
3726.06
表2-3反应器进口物料平衡表
n-Bal
44.55
83.02
72.11
3212.5
86.22
i-B
升级会员 