摘 要

环氧丙烷是生活中用途广泛的有机化工产品。本次设计的主要任务是年产20万吨环氧丙烷的反应工艺设计。在本次设计中采用过氧化氢法制备环氧丙烷，所用的原料为丙烯、过氧化氢、甲醇以及TS-1钛硅分子筛催化剂。在确定了工艺方法之后，在设计过程中首先采用Aspen Plus模拟软件进行全流程的模拟，其次在模拟的基础上进行了反应器的物料衡算、能量衡算以及精馏塔和相关附属设备的设计及选型，然后对整个车间进行车间布置。最后在此基础上完成了本次设计中的带控制点的工艺流程图、精馏塔的设备装配图和车间平、立面布置图的绘制。

关键词：环氧丙烷；环氧化反应；化工设计

Abstract

Propylene oxide is a widely used organic chemical product in our life.And it is an important raw material of organic compounds.The main task of this design is the reaction process design of 200,000 tons of propylene oxide per year. In this design, propylene oxide was prepared by using the hydrogen peroxide method. The raw materials include propylene,hydrogen peroxide, methanol, and TS-1 titanium silicalite catalyst. After the process method was determined, the Aspen plus simulation software was used to simulate the entire process in the design process. Then, on the basis of simulations carried out heat balance and material balance of reactions. It also carries out the design and selection of rectification towers and related ancillary equipment, and then it arranges the entire workshop. Finally, on this basis, the completion of the process flow diagram of the refining section with control points, equipment assembly drawing of rectification tower,workshop flat and surface layout.

Key words:Propylene oxide; Epoxidation; Chemical Engineering Design

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 环氧丙烷的性质和用途 1

1.1.1 环氧丙烷的理化性质 1

1.1.2 PO的用途 1

1.2 PO的发展现状 2

第2章 设计方案的确定 3

2.1 环氧丙烷生产技术比较 3

2.1.1 氯醇法 3

2.1.2 共氧化法 3

2.1.3过氧化氢直接氧化法(HPPO) 4

2.2 工艺方案的选择 4

2.2.1 工艺流程简述 5

2.2.2 动力学分析 6

2.3 ASPEN模拟 7

2.3.1全流程模拟 7

2.3.2 精馏塔的模拟 7

2.3.3 工艺流程优化 8

第3章 物料衡算 10

3.1 物料衡算原理 10

3.2 单元物料衡算 10

第4章 热量衡算 14

第5章 设备设计 16

5.1 反应器对比 16

5.2 反应器设备选型及计算 16

5.2.1 反应器列管尺寸的设计 16

5.2.2 反应器尺寸 17

5.2.3 反应器机械强度设计 18

5.3 塔设备选型及计算 19

5.3.1 塔型选择 19

5.3.2 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 19

5.3.3 塔板主要工艺尺寸计算 20

5.3.4 筛板的流体力学验算 22

5.3.5塔板负荷性能图 24

5.3.6 塔高 26

5.3.7筒体机械强度设计 27

5.4 精馏塔接管与计算 28

5.4.1 塔顶蒸汽出口管的直径D1 28

5.4.2 回流管直径D2 28

5.4.3 进料管直径D3 28

5.4.4 塔顶出料管直径D4 28

5.4.5 再沸器入口管直径D5 29

5.5塔设计结果汇总 29

第6章 附属设备选型 30

6.1 换热器选型 30

6.2 泵的选型 31

6.3 储罐选型 32

第7章 车间布置 34

7.1 设计基本依据 34

7.2 车间设备布置 34

第8章 结论 35

参考文献 36

附录 37

致谢 39

第1章 绪论

1.1 环氧丙烷的性质和用途

1.1.1 环氧丙烷的理化性质

1）环氧丙烷的物理性质

表1.1 环氧丙烷的物理特性

2）环氧丙烷的化学性质

表1.2 环氧丙烷的化学特性

1.1.2 PO的用途

环氧丙烷(PO)是丙烯的衍生物中用途较为广泛的有机化工产品，是无色、易挥发并且具备醚类气味的低沸点液体^[1]。环氧丙烷的用途十分广泛。它不仅可以用来生产聚醚多元醇，进而生产聚氨酯，在生产有丙二醇和生活中随处可见的非离子表面活性剂也有很重要的作用，除此之外，PO在汽车、建筑、食品、医药及化妆品等行业也有重要的应用。总的来说，虽然在现实生活中我们对环氧丙烷了解的不够多，但它的作用是无可替代的。以环氧丙烷为原料而合成聚醚多元醇，再进一步加工制造的聚氨酯也是人们生活中最常用到的化工产品，在国防和日常生活中上也得到充分利用^[2]，被加工为能发挥积极作用的化工产品，具有广阔的发展前景。

1.2 PO的发展现状

自从进入2004年，我国聚氨酯工业进入飞速发展期，这也就代表了各个工厂所需要的原料环氧丙烷也在上升。2014年环氧丙烷的消费量为235.1万吨，同比增长约4.9%，2009至2014年需求量的年均增长率为12.6%^[3]。聚氨酯是PO产品的主要应用领域，近年来，聚氨酯消费较为频繁的制冷和建筑行业发展势头迅猛，为环氧丙烷产业带来巨大的发展机遇。由此可以看出，聚氨酯工业的发展带动了环氧丙烷的生产，但我国PO的生产量还是难满足PO消费量，PO产业长期处于供不应求的一个状态，需要快速发展。近年来丙二醇扩产速度加快，国内丙二醇的市场需求不够旺盛，而且丙二醇的部分替代品成功替代了其在各个领域中的应用情况，这就说明接下来几年环氧丙烷在丙二醇领域的需求量将会有所下降^[4]。

近年来，随着工艺越来越成熟，环氧丙烷的生产能力稳步增加，直到2014年，世界范围内环氧丙烷的总生产能力已经达到10265kt/a。亚洲、西欧和北美地区是主要的生产区，其中亚洲地区的生产能力在世界的总生产能力中占有很大的比重，将近二分之一。美国的陶氏化学公司占据了世界上最大的环氧丙烷市场，在多个国家都建有生产装置，主要采用工艺成熟的氯醇法进行生产^[5]。另一大巨头莱昂德尔公司计划于2018年在美国新建400kt/a生产装置，并采用共氧化工艺进行制备，加上其他公司的新建装置，在全球范围内PO的生产能力将会有极其显著的突破。

我国的环氧丙烷的生产虽然无法完全实现自给自足，但在一定程度上减少了我国PO产品进口的压力。随着中国大陆地区新增生产能力的陆续开工和市场上丙烯、聚醚多元醇和丙二醇价格的波动，以及科技进步带来的更多的替代品，国内外环氧丙烷的产品竞争将面临重要的挑战。但由于近年来国家相关政策的开放，我国将会积极引进国外先进的生产产技术，不断扩大PO的生产规模，朝着实现自给自足的目标迈进。

第2章 设计方案的确定

2.1 环氧丙烷生产技术比较

2.1.1 氯醇法

目前氯醇法生产技术为：原料为丙烯和氯气。丙烯先在氯气和水的环境中反应生成氯丙醇，然后氯丙醇在NaOH溶液中皂化得到粗产品环氧丙烷，最后精制分离得到产品^[2]。反应机理如下：

与其他生产工艺相比，氯醇工艺流程较为简单，产品选择性好。因世界上大部分工厂均采用氯醇法进行环氧丙烷的制备，所以这种工艺技术比较成熟、生产也较为安全、投资少。但此方法对设备具有强烈的腐蚀性、生产过程需要消耗大量氯气，生产过程中的三废排放问题是目前最棘手的问题。虽然此法适用范围较广但为了适应当今绿色环保的理念，氯醇法的工艺急需改进^[2]。

2.1.2 共氧化法

目前联产法有：异丁烷共氧化法、乙苯共氧化法。共氧化法的基本生产原理是：在一定温度和压力下，原料经氧气或空气氧化后，生成相应的有机氢过氧化物^[2]。然后，丙烯与有机氢过氧化物在催化剂的条件下发生反应，从而得到环氧丙烷产品，但同时也副产α-甲基苯甲醇或叔丁醇等其他联产品。

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