年产10万吨环氧丙烷生产工艺设计.docx

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北京理工大学珠海学院珠海学院2016届本科生毕业设计

年产10万吨环氧丙烷生产工艺设计

年产10万吨环氧丙烷生产工艺设计

摘要

本次设计的设计主题是年产10万吨环氧丙烷生产工艺设计，本次选用的制取方法为HPPO法（直接氧化法），HPPO法是以丙烯和过氧化氢作为反应原料与甲醇水溶液混合后在反应器中进行环氧化反应之后生成环氧丙烷和水的生产工艺。

本设计说明书一共有8章内容，分别列举了获得环氧丙烷产品不同的生产工艺流程的特性同时在多种不同的方法中选择了最适宜生产环氧丙烷的工艺流程，本次的生产工艺进行了物料衡算和能量衡算，对生产过程中的非标准设备也进行了相应的计算和设备的选型，对生产环氧丙烷的厂址所在地进行选择，对厂区安排和车间布置进行了设计。

最后对本次设计中的非工艺设计进行了说明。

关键词：

环氧丙烷；工艺设计；工艺流程；HPPO法；直接氧化法

Productionprocessdesignofannualproductionof100,000tonsofpropyleneoxide

Abstract

Thedesignthemeofthisdesignistheproductionprocessdesignof100,000tonsofpropyleneoxideannually.ThepreparationmethodselectedthistimeistheHPPOmethod（directoxidationmethod）.TheHPPOmethodusespropyleneandhydrogenperoxideasreactionrawmaterialsandmethanolaqueoussolution.Aftermixing,theepoxidationreactioniscarriedoutinthereactortoproducepropyleneoxideandwater.

Thisdesignspecificationhasatotalof8chapters,whichrespectivelylistthecharacteristicsofdifferentproductionprocessesforobtainingpropyleneoxideproducts.Atthesametime,themostsuitableprocessforproducingpropyleneoxideisselectedfromavarietyofdifferentmethods.ThisproductionprocessiscarriedoutInadditiontomaterialbalanceandenergybalance,non-standardequipmentintheproductionprocesswasalsocalculatedandequipmentselected,thelocationoftheplantproducingpropyleneoxidewasselected,andtheplantlayoutandworkshoplayoutweredesigned.Finally,thenon-processdesigninthisdesignisexplained.

 Keywords:

Propyleneoxide;technologicaldesign;Processflow;HPPOmethod;Directoxidation

目录

1 绪论 1

1.1. 概述及设计意义 1

1.1.1 世界环氧丙烷供需分析 1

1.1.2 中国环氧丙烷供需分析 2

1.2. 生产工艺的选取 3

1.2.1 氯醇法 3

1.2.2 哈康法 3

1.2.3 直接氧化法 4

1.2.4 生产工艺比较 4

1.3. 工艺流程简述 4

1.3.1 工艺流程简述 4

2 物料衡算 6

2.1. 反应器的物料衡算 6

2.1.1. 基础数据 6

2.1.2. 物料衡算[9] 6

2.2. 环氧丙烷精馏塔的物料衡算 8

3 热量衡算 9

3.1. 反应器的能量衡算 9

3.2. 环氧丙烷精馏塔的能量衡算 10

3.2.1. 操作条件确定 10

3.2.2. 采用试差法计算温度 11

3.2.3. 塔顶露点温度计算 11

3.2.4. 塔底泡点温度的计算 12

3.2.5. 物性数据 12

3.2.6. 最小回流比的确定 14

3.2.7. 冷凝器的热负荷 17

3.2.8. 再沸器的热负荷 18

4 设备选型 20

4.1. 环氧丙烷精馏塔的初步设计 20

4.1.1. 物性数据 20

4.1.2. 体积流量 22

4.1.3. 塔径的计算与选择 23

4.1.4. 溢流装置 25

4.1.5. 塔板分布、浮阀数目及排列 27

4.1.6. 实际板数和进料位置 30

4.2. 塔板流体力学的计算 30

4.2.1. 汽相通过浮阀塔板的降压 30

4.2.2. 淹塔 31

4.2.3. 雾沫夹带 32

4.2.4. 塔板负荷性能图 34

4.2.5. 操作弹性 37

4.3. 塔总体高度设计 38

4.3.1. 塔顶封头 38

4.3.2. 塔顶空间 38

4.3.3. 塔底空间 39

4.3.4. 人孔 39

4.3.5. 进料板处间距 39

4.3.6. 裙座 39

4.4. 塔的接管 40

4.4.1. 进料管的选择和计算 40

4.4.2. 回流管 40

4.4.3. 塔底出料管 40

4.4.4. 塔顶蒸汽出管 41

4.4.5. 塔底蒸汽进气管 41

4.5. 塔的附属设备设计 41

4.5.1. 进料前换热器的选型 41

4.5.2. 冷凝器的选择 42

4.5.3. 再沸器的选择 42

4.5.4. 离心泵的估选 43

4.6. 列管式固定床反应器的工艺计算 43

4.6.1. 催化剂用量 43

4.6.2. 反应器列管数 44

4.6.3. 换热面积 44

4.7. 列管式固定床反应器的设备尺寸计算 44

4.7.1. 反应器的筒体直径 44

4.7.2. 反应器的高度 45

4.7.3. 筒体和封头的厚度 45

5 厂房及车间布置 47

5.1. 选址原则 47

5.2. 厂址 47

5.3. 厂区布置依据 48

5.4. 车间 48

5.4.1. 布置原则 48

5.4.2. 主要设备间距原则 49

6 自控方案 50

6.1. 自动控制概述 50

6.2. 列管式固定床反应器控制 50

6.3. 储罐控制 51

6.4. 泵类的自控方案 51

6.5. 精馏塔的自控方案 52

7 非工艺专业 53

7.1. 给排水 53

7.1.1. 给水 53

7.1.2. 设计要求 53

7.1.3. 排水系统 53

7.2. 供热工程 53

7.3. 采暖通风及空气调节 54

7.3.1. 采暖 54

7.3.2. 空气调节 54

8 结论 56

参考文献 57

谢辞 58

附录 59

1绪论

1.1.概述及设计意义

环氧丙烷，作为化工生产所需要的工业原料应用在现在许多的化工生产中，是有机化合物原料中非常重要的一种。

环氧丙烷本身是一种燃点低容易发生燃烧的液体，它带有与醚类气体相似的气味。

环氧丙烷本身具有一定的毒性，接触环氧丙烷会对人体的粘膜和皮肤造成一定的刺激性，若接触到眼睛则会会对眼角膜和结膜造成损伤，也会引起人体呼吸系统疼痛，会使人体感到皮肤灼伤和肿胀，严重的话甚至会导致组织坏死。

环氧丙烷目前的生产用途主要是用于生产制造各种不同的非离子表面活性剂，在许多由环氧丙烷作为原料生产各种下游产品数量已经达到近百种，各种各样的非离子型表面活性剂在石油、化工、农药、纺织、日化等行业得到广泛应用。

。

1.1.1世界环氧丙烷供需分析

根据表1.1可以对环氧丙烷在未来的世界各地区的供需情况进行合理的展望可以知道,在2020年以前，西欧和北美环氧丙烷供需格局在大方向上应该基本维持不变,世界范围内生产环氧丙烷新增产能和环氧丙烷的消费量变化则主要取决于在东北亚和中东地区这两个地区的需求量,在两个地区中，特别增长的地区大概率为中东地区,2020年前，世界仍然有许多新建的环氧丙烷厂正在出现，进行产能投产。

所以预计在2020年至2025年间，环氧丙烷的生产规模可能进一步扩大到1440万吨左右，而消耗的环氧丙烷量将达到1243万吨左右，从世界整个范围来看。

环氧丙烷的供需增速也将逐渐降低，但是环氧丙烷的需求量的增长会比产能的增速块，全球范围内生产装置平均开工率会得到较大幅度上升。

世界环氧丙烷的供需情况见表1.1[1]

表1.1环氧丙烷供需状况表

地区

产能/万吨

产量/万吨

消费量/万吨

印巴

3.7

3.2

1.4

中东欧

32.9

23

28.2

北美

242.4

239

221

中东

37.5

27

9

东北亚

387.6

338

378

东南亚

87.8

79.02

47

西欧

279

239.9

237

南美

22

16.6

18.8

合计

1098

872.9

940

世界环氧丙烷的供需现状及未来预测如表1.2所示。

表1.22010年-2015年世界环氧丙烷供需现状及预测表

项目

2010

2016

2017

2020

2015

增长率/％

（2015-2020）

增长率/％

（2015-2020）

生产能力/万t

878

1098

1140

1243

1440

3.7

3.2

产量/万t

736.7

966.2

1003

1243

3.5

2.5

开工率/％

83.9

88

88

89

86.3

-

-

需求/万t

738.8

940

986

1073

1243

3.4

3.2

1.1.2中国环氧丙烷供需分析

从中国需要环氧丙烷的量和所能供给的量来看,从环氧丙烷的生产供给量供应到2017年底的数据来看,中国生产的环氧丙烷产量达到了327万吨,同比上年的产量增长了7.9%，而环氧丙烷的供应量则是达到了264万。

截至2017年底，我国生产的环氧丙烷的总生产量达到了327.1万吨。

[6]

环氧丙烷产量产能统计表见表1.3：

表1.3环氧丙烷产量产能统计表

年份

产能/万t

同比/％

产量/万t

同比/％

产能利用率/％

2017

327

7.9

264

9.0

81

2016

303.1

0.8

242.3

15.9

83

2015

300.7

2

209.1

-0.5

69.5

中国环氧丙烷产能增长预测如表1.4所示：

表1.4中国环氧丙烷产能预测表

年份

2009

2014

2015

2016

2017

2019

产能/万t

151.3

255.6

235.2

269.3

286.8

315.5

年均增速/％

13.8（2009-2014）

4.7（2014-2019）

1.2.生产工艺的选取

目前环氧丙烷的生产方法有氯醇法、哈康法、直接氧化法（HPPO法）。

接下来对三种生产方法进行简述和对比，从而选出本次设计中的所采用的环氧丙烷生产方式。

1.2.1氯醇法

氯醇法的反应过程是将氯气、水和丙烯混合后送入反应器中，在反应器中发生氯醇化反应，第一步的反应生成的中间体为氯丙烷，随后使用石灰水与反应第一步生成的氯丙烷进行皂化反应而制得环氧丙烷。

氯醇法的优点为操作过程较为安全，技术成熟，产品单一，反应的流程较短，容易进行组织生产，生产出的产品选择性与其他方法相比高，产品的收率高，而且在生产过程中对原料丙烯质量的要求不是很高。

生产的投资也比其他生产方法更低。

而氯醇法也具有一定缺点，就是在生产制造环氧丙烷的反应过程中需要消耗大量的氯气，同一时刻在氯醇法生产环氧丙烷生产过程中产生的副产物次氯酸带有腐蚀性，所以会对反应设备造成一定程度的腐蚀破坏，由此设备的使用年限会大大缩短，不仅如此，在氯醇法法反应过程中也会产生大量的石灰渣和含氯废水，会使生产过程结束后续的综合治理投资较大。

[1]

1.2.2哈康法

哈康法还有一个别名为共氧化法，哈康法制取环氧丙烷的反应原理是依据原料和联产品的差异性来对环氧丙烷进行制取，哈康法中有两种不用的反应方法，分别是乙苯共氧化法和异丁醇共氧化法两种反应方法。

将哈康法与氯醇法进行比较可以知道，哈康法的在反应过程中不会发生于氯醇法相同的“三废”问题，由于没有“三废”问题的干扰所以在很大程度的提升了反应过程中单套装置生产环氧丙烷的生产规模，极大程度的降低了在生产过程产生的污水排放，哈康法反应生产环氧丙烷的联产品也很大程度上使环氧丙烷的生产经济性得到提升；但是哈康法也有着它自身不可小觑的短处，比如防爆要求高、生产工艺的流程长、生产投资大、对反应所需要的原料规格要求较高、反应过程中所要求的的操作条件严苛、反应产生的联产品占产物的比例大等。

且哈康法所需要的装置必须考虑对反应过程中产生的联产品同时有生产需求才能显出哈康法的优越性。

[1]

1.2.3直接氧化法

由丙烯与过氧化氢进行混合然后直接进入反应器直接发生环氧化反应而生成环氧丙烷的技术（HPPO）称为直接氧化法，直接氧化法生成的主要反应产物是环氧丙烷，生成的副产物为水，在反应过程中不会产生有害气体。

[8]

使用直接氧化法制造环氧丙烷的工艺操作简单，反应发生所需要的反应条件温和，操作的风险较小安全性能高，由于反应不产生其他的副产品所以不收联产品制约，且直接氧化法制环氧丙烷所需要的装置占地面积小，所以需要配套的基础设备的数量也相应减小。

1.2.4生产工艺比较

由上文总结环氧丙烷的生产工艺比较如表1.4所示

表1.4环氧丙烷生产工艺比较

生产工艺

优点

缺点

氯醇法

技术成熟，安全；流程短，产品单一；容易组织生产，产品选择性好，收率高；对原料丙烯质量的要求不高；投资较低

需要消耗大量的氯气，生产过程中产生的次氯酸还会对设备造成腐蚀，产生大量的石灰渣和含氯废水，综合治理投资较大。

共氧化法

大幅提升了单套装置的生产规模，减少了污水的排放，生产的联产品大大提升了环氧丙烷的生产经济性

工艺流程长，防爆要求严、投资大、对原料规格要求高、操作条件严格、联产品比例大

直接氧化法

条件温和、工艺简单、安全性能好、不收联产品制约，特别是具有内在清洁性，且装置占地面积小，需要配套的基础设备少

还没有在环氧丙烷的生产中普及，只有少数的国外工厂使用此方法

综上所述，本次设计选用直接氧化法。

1.3.工艺流程简述

1.3.1工艺流程简述

环氧化反应为连续反应，反应器则选用列管式固定床反应器，环氧化温度则控制在35～70℃，压力条件应该大于4.55Mpa在此温度和压力下丙烯的状态会保持为反应所需要的液态，丙烯原料可以用于制作工业品，选用一定浓度的氨水作为缓冲溶液来调整溶液酸碱度。

反应是使用丙烯和过氧化氢作为反应的原料，甲醇作为水溶液，催化剂为分子筛催化剂，将环氧丙烷、甲醇和过氧化氢进行混合然后一起送入反应器使混合液进行环氧化反应，在环氧化反应过程中生成的产物水和环氧丙烷则是进入尾气塔进行处理，反应生成的无毒尾气由尾气塔排放，水和环氧丙烷进入环氧丙烷粗制塔对进行环氧丙烷蒸馏而完成环氧丙烷的第一次粗制，粗制过后的环氧丙烷进入环氧丙烷精制塔进行精馏，精馏过程中产生的丙烯循环回反应器中进行反应，粗制环氧丙烷塔中的水醇混合物则进入水醇分离塔将甲醇与水进行分离，分离后的甲醇进行提纯后循环回反应器继续作为环氧化反应的催化剂。

图1.1直接氧化法工艺流程图

图1.2直接氧化法工艺流程简图

2物料衡算

2.1.反应器的物料衡算

用直接氧化法制环氧丙烷的化学方程式如下所示：

各物料的摩尔质量如表2.1所示：

表2.1各物质的摩尔质量

物料

CH3CHCH2

H2O2

CH3CHCH2O

H2O

摩尔质量/（g/mol）

42.08

34.01

58.08

18.02

2.1.1.基础数据

1.生产能力：

10万吨/年，一年按照300天计算，即7200小时。

2.环氧丙烷的纯度：

环氧丙烷≥0.99％

3.计算基准：

P=10×107÷7200=1.39×104（kg/ℎ）=239.33（koml/ℎ）

2.1.2.物料衡算[9]

选1000kg/h丙烯原料为计算基准，由于过氧化氢与丙烯进料为1:

1，所以以计算丙烯进料由此可以得到过氧化氢的输入量输出量。

原料丙烯纯度为99％，则纯丙烯量：

原料中的水的量：

丙烯转化率为80％，则参加反应的总丙烯量:

未反应的丙烯量：

由于选择性为90％，则由环氧丙烷的选择性，生成环氧丙烷量为：

按年产量10万吨的要求，每小时环氧丙烷的产量：

比例系数：

1.39×104/1229.96=11.30≈12

实际上每小时按照要求生产的环氧丙烷的量为：

反应产生的水量：

254.12kmol/ℎ=4579.31kg/ℎ

原料中的水量：

10kg/ℎ×12=120kg/ℎ=6.66kmol/ℎ

输出的水量：

120kg/ℎ+4579.31kg/ℎ=4699.31kg/ℎ=260.78kmol/ℎ

输入的丙烯量：

990kg/ℎ×12=11880kg/ℎ=282.31kmol/ℎ

参加反应的丙烯：

792kg/ℎ×12=9504kg/ℎ=225.86kmol/ℎ

未反应（输出）的丙烯：

198kg/ℎ×12=2376kg/ℎ=56.46kmol/ℎ

由此可知过氧化氢：

输入的量：

990kg/ℎ×12=11880kg/ℎ=349.31kmol/ℎ

输出的量：

198kg/ℎ×12=2376kg/ℎ=69.86kmol/ℎ

反应器物料衡算结果如表2.2所示：

表2.2反应器的物料衡算结果

组分

输入

输出

摩尔流量

kmol/h

质量流量

kg/h

摩尔流量

kmol/h

质量流量

kg/h

丙烯

282.31

11880.00

56.46

2376

过氧化氢

349.31

11880.00

69.86

2376

环氧丙烷

—

—

254.12

14759.52

水

—

—

260.78

4699.31

合计

631.62

23760

641.22

24210.58

2.2.环氧丙烷精馏塔的物料衡算

用清晰分割对精馏塔进行物料衡算，以环氧丙烷为重关键组分，丙烯为轻关键组分，以水和过氧化氢为非轻关键组分[2]，即：

进料量：

进料中各个组分流量如表2.3所示：

表2.3进料中各组分流量

组分

丙烯

过氧化氢

环氧丙烷

水

合计

摩尔流量

kmolℎ

56.46

69.86

254.12

260.78

641.22

zi%

8.80

10.89

39.63

40.68

100

设丙烯为物料1环氧丙烷为物料2，过氧化氢为物料3，水为物料4，即：

组分物料衡算，由清晰分割可知：

d4=0

d1=DxLK,D=55.90×0.999=55.7442kmol/ℎ

d3=f3=0.0698

d2=D−d1−d3−d4=55.90−55.7442−0.0698=0.086

w3=69.86kmol/ℎ

w1=WxLK,W=585.32×0.001=0.585kmol/ℎ

w4=0

环氧丙烷精馏塔物料衡算数据汇总表如表2.4所示：

表2.4环氧丙烷精馏塔物料衡算数据汇总表

组成

fi/（kmolℎ）

zi/%

di/（kmolℎ）

xi,d/%

wi/（kmolℎ）

xi,w/%

丙烯

56.46

8.80

55.7442

99.72

0.585

0.1

环氧丙烷

254.12

39.63

0.086

0.15

514.88

87.97

过氧化氢

69.86

10.89

0.0698

0.13

69.86

11.93

水

260.78

40.68

0

0

0

0

合计

641.22

100

55.90

100

585.32

100

3热量衡算

3.1.反应器的能量衡算

物料的进料温度为280℃，出反应器的温度为330℃，设基准温度为20℃，查丙烯、过氧化氢的比热容如下数据：

进料焓值

以100mol进反应器的丙烯为基准

出料焓值：

（niHi）出=nCH3CHCH2HCH3CHCH2+nH2O2HH2O2+nH2OHH2O+nCH3CHCH2OHCH3CHCH2O

=1.07×105+1.01×105+9.18×105+3.08×105

=1.43×106kJ/ℎ

计算结果如表3.1所示：

表3.1反应器能量衡算表

物料

n进

nCP△t

n出

nCP△t

丙烯

282.31

4.18×105

56.46

1.07×105

过氧化氢

349.31

4.15×105

69.86

1.01×105

水

—

—

254.12

9.18×105

环氧丙烷

—

—

260.78

3.08×105

热量损失QS主要体现在绝热效果上，如果热损失可忽略不计，则QS=0则,为保持反应器温度稳定，应及时补充反应热5.97×105kJ/ℎ。

3.2.环氧丙烷精馏塔的能量衡算

3.2.1.操作条件确定

本次进料方式为饱和液体进料[3]

体系的总压强为P总=600kPa，即P总=4500mmHg

根据安托因公式：

由于过氧化氢只需要两个常数即可计算，所以使用公式：

lgP=−52.23B/T+C

查安托因数据表所得数据如表3.2所示：

表3.2安托因公式数据表

组分

A

B

C

CH3CHCH2

15.7072

1870.53

-26.15

H2O2

—

48.85

8.853

H2O

18.3036

3816.44

-46.13

CH3CHCH2O

7.065

1113.6

232

CH3CHCH2：

lnPi,CH3CHCH2s=15.7072−1870.53/（T−26.15）

H2O2：

lnPi,H2O2s=−52.23×48.85/T+8.853

H2O：

lnPi,H2Os=18.3036−3816.44/（T−46.13）

CH3CHCH2O：

lnPi,CH3CHCH2Os=7.065−1113.6/（T+232）

3.2.2.采用试差法计算温度

压力不太高的时候，按完全理想系