葡萄糖转化法年产6万吨1,3-丙二醇工艺设计糖转化法年产6万吨1,3-丙二醇工艺设计|化学工程设计项目|毕设项目|化学工程设计|毕设

一、項目介绍摘 要1,3 - 丙二醇PDO属于重要的有机化工原料其主要用来合成聚对苯二甲酸丙二醇酯PTT。这种材料性能优越而且易于加工在化纤工程塑料等领域被全面应用国内PTT产业发展速度很快所以1,3 - 丙二醇的需求不断增多不过国内的产能短缺而且技术依靠进口迫切须要有自主的大规模生产技术。本设计把葡萄糖当作原料利用生物转化 - 加氢精制这种联合工艺流程经由 Aspen Plus V14 这款软件来执行全过程的模拟计算这个工艺包含葡萄糖预处理阶段生物转化阶段加氢精制阶段以及产品分离提纯阶段最后得到纯度达到99. 99%摩尔分数的 1,3 - 丙二醇产品在设计期间完成了主要设备的物料守恒和能量守恒依靠 Aspen Plus 对塔设备内部结构以及水力学参数做了改良运用自动化控制技术改善生产时的稳定性和安全性而且深入剖析了设备安装的重点要素还做了全方位的安全考量和经济估计。本设计工艺具有环保特性其原料来源较为广泛玉米甘蔗等生物质均能加工成葡萄糖该技术路线已经比较成熟稳定如果做到年产2.5万吨的规模就能有效地弥补国内市场的不足从而助力我国化纤行业以及生物基材料产业达成自身发展。关键词1,3 - 丙二醇葡萄糖生物转化加氢精制工艺设计研究背景在双碳战略及绿色化工发展这样的大环境当中生物质资源的高值化利用成了化工行业转型升级的关键走向1,3 - 丙二醇PDO是合成新型聚酯材料PTT的关键单体其市场需求随着化纤新材料产业不断发展而不断增多到2025年国内市场需求量已经超越了2.5万吨但是国内产能仍然存在很大缺口。传统生产工艺大多依靠丙烯醛环氧乙烷等石油基原料这些原料受到石油资源价格起伏的影响而且存在碳排放高的情况还存在关键技术被国外企业所垄断的现象葡萄糖属于最普通的生物质单糖来源十分普遍而且具备可再生性可以从玉米秸秆薯类等农林生物质经水解得到用葡萄糖作为原料经过生物转化法制取1,3 - 丙二醇可以避开石油资源的限制缩减生产过程中的碳排放这符合我国《中国制造2025》里生物基轻工材料的发展计划[1]。 当下葡萄糖转化法制备1,3 - 丙二醇的核心技术在于创建高效的工程菌株并改良发酵工艺国外的杜邦公司已达成此工艺的工业化生产其产能为8万吨 / 年国内虽已有实验室研究成果显示发酵液中1,3 - 丙二醇PDO浓度达到80g/L 以上但仍未做到大规模工业化生产存在发酵效率低下产物分离成本高昂工艺融合度低等状况。本设计将目标定为年产1,3 - 丙二醇2.5万吨去展开葡萄糖转化法的工业化工艺设计经由改良大肠杆菌工程菌株规划高效的工艺路线并选好设备来解决既有技术在工业化时遭遇的瓶颈弥补国内大规模生物质基1,3 - 丙二醇生产的空白促使我国PTT产业链做到自主可控并走上绿色发展道路还会给生物质资源的高值化利用供应可供模仿的工艺方案本设计的工业化推行将会进一步加强我国生物质化工产业的技术水准有益于化工行业做到碳达峰和碳中和的目标。羟基化反应工段依靠管道运送过来的新鲜环氧乙烷新鲜氢气从原料储罐来的甲醇它们都要按着预定比例同循环原料先在静态混合器里混和起来混合之前全都得经由加压设备压到6.05兆帕左右充分融入之后再放到加热器加热到七十摄氏度加热完毕的物流会顺着串联好的鼓泡搅拌釜反应器里面搅拌并发生化学变化从而生成粗3 - 羟基丙酸甲酯以及DME反应得到的产品。这些产品的物料先经历降压处理然后进入一级气液分离器分离出绝大多数无法凝结的气体即氢气环氧乙烷这些气体可供原料重复利用剩下的物料再被泵加压输送进热泵精馏塔该塔进一步将其中混杂的不凝气体氢气环氧乙烷以及少量甲醇分离出来以供原料循环回用热泵精馏塔塔釜处的液体经降压加热以后依照专利《环氧乙烷羰基合成3 - 羟基丙酸酯后的分离工艺》采用二级闪蒸方法分离出粗催化剂[6]。在模拟时粗催化剂含有大量3 - 羟基丙酸甲酯所以要用甲醇回收塔把甲醇分出来并循环利用然后按照相关专利用真空分离技术回收催化剂和助剂接着在减压到200Pa的精馏塔里完成催化剂系统的回收及循环。塔顶分离出的主要为3 - 羟基丙酸甲酯的馏出液经由二级气液分离器分开气相部分再加上产物分离塔得来的馏出液共同加压之后便成了氢反应工段的原料产物分离塔塔顶产生的混合气体包含甲醇水以及副产物乙二醇二甲醚经过压缩机加压之后变成DME精制工段的原料羟基化反应工段的流程如图2.2所示。加氢反应工段第一阶段羟基化反应产生的产物3 - 羟基丙酸甲酯原料其与来自罐区的甲醇通过管道输送的氢气以及循环流物流充分混合混合好的原料物流经两次加热温度升至180℃即反应所需温度然后进入加氢固定床列管式反应器实施加氢反应该反应会生成主要产物PDO副产物NPA甲醇以及水。反应器出口的物流冷却到60℃之后再经由多级闪蒸冷冻分离法分离出大部分不凝气体氢气并且少量甲醇可被用作原料参与循环液相粗产物送入甲醇精制塔以精炼甲醇并执行后续分离步骤所得到的甲醇产品部分存于甲醇罐供本厂使用剩余甲醇则当作原料投入循环当中而分离出来的塔釜液将会流入第三工段负责 PDO 和 NPA 精制的工段做进一步加工加氢反应工段的流程参见图 2.3。PDO及NPA精制工段甲醇精制塔分离出一种包含1,3 - 丙二醇和正丙醇的物流并将其输送给PDO及NPA精制工序段该物流经由泵被送进 PDO精制塔从塔釜处分离出的纯度达 99. 89% 的 PDO 已达标可作产品外输装车塔顶液体再由泵送入丙酸酯回收塔从塔釜获取的 3 - 羟基丙酸甲酯当作原料参与循环利用而塔顶流出物则为 NPA 和水的混合液经泵打入萃取精馏隔壁塔以完成对水的精炼并提取正丙醇最终得到纯度为 99. 8% 的正丙醇成品PDO 和 NPA 精制工序流程参照图 2.4。DME精制工段产物分离塔的塔顶分理出甲醇水与乙二醇二甲醚混合物其经由压缩机送进DME精制工段再被压缩机压入甲醇回收塔。塔顶分离所得的甲醇作为原料实行循环利用塔釜液体减压到200Pa并加热至60℃之后进入膜分离装置执行渗透汽化以精制DME从而分离出废水获取纯度达99.5%的DME产品DME精制工段的流程参照图2.5。物料说明本项目包含若干主要组分环氧乙烷EO甲醇MeOH氢气H₂一氧化碳CO3 - 羟基丙酸甲酯3 - HPM1 , 3 - 丙二醇PDO正丙醇NPA乙二醇二甲醚DME水H₂O八羰基二钴催化剂Co₂(CO)₈3 - 羰基吡啶PY - 3以及萃取剂二甲基亚砜DMSO其中3 - 羟基丙酸甲酯在Aspen Plus数据库已有现成物性数据能够直接调用。Aspen Plus 部分组分需自行定义我们经由查阅相关文献并利用基团贡献法计算得岀必要参数其余参数由 Aspen Plus 估算得到在 Aspen Plus 物料组分规定处输入组分 ID选定 NRTL 模型作为全局物性方法。二、文档说明三、項目设计羟基化反应工段的进口流股包含环氧乙烷甲醇一氧化碳以及催化剂其出口流股含有3 - 羟基丙酸甲酯和DME等物质羟基化反应工段的物料衡算见表4.1。加氢反应工段物料衡算加氢反应工段的进口流股包含3 - 羟基丙酸甲酯甲醇以及氢气其出口流股包含甲醇粗正丙醇等物质有关加氢反应工段的物料衡算情况详见表4.2。可知进口物料的总流量为8236. 4011kg/hr出口物料的总流量为8235. 8906kg/hr其误差处于允许范围内由此可知加氢反应工段物料守恒。本项目是关于环氧乙烷羟基化法合成1,3 - 丙二醇的项目该项目以环氧乙烷甲醇和氢气为原料实施反应并执行甲醇回收1,3 - 丙二醇精制乙二醇二甲醚精制以及正丙醇精制其产品1,3 - 丙二醇年产达25642.207吨纯度为99.89 wt%属于工业优等品部分副产品是乙二醇二甲醚年产519.294吨纯度为99.5 wt%也是优等品副产物甲醇年产25146.667吨纯度达到99.99%是工业优等品副产物正丙醇年产2914.009吨纯度为99.8%同样是工业优等品在设计阶段采用Aspen Plus V14对该全流程执行模拟凭借此完成了物料平衡和能量平衡Aspen Plus V14所模拟的流程见图4 - 1。能量衡算在化学过程的能量分析中根据能量守恒定律我们可以清晰地表述原料在反应中的能量转换关系。原料在输入系统时所携带的能量应当与化学过程结束后系统输出的能量总量相等。这一能量平衡关系可以用数学公式来精确地表达Q W ΣH_out - ΣH_in这里Q是系统的热负荷W是输入的机械能ΣH_in表示物质焓流入系统累计量ΣH_out表示物质焓流出系统累计量。设计任务PDO精制塔T0301主要用来分离1,3 - 丙二醇产品从而改善该产品的质量其塔顶所产出的3 - 羟基丙酸甲酯与正丙醇混合物会被送往后续的分离单元而塔底所得到的就是高纯度的1,3 - 丙二醇产品。介质与选材在操作环境下1,3 - 丙二醇与正丙醇是主要成分它们的质量分数之和高过99%由于操作条件下的压力和温度均处于较低状况所以我们先考量碳钢用作塔体材料是否合适经由查阅《腐蚀数据手册》中的有关资料得知碳钢在前面提到的介质里其腐蚀速率一直维持在小于0. 05mm/a的范围之内这显示碳钢具有较好的耐腐蚀性按照材料强度及其他性能的要求我们决定选用 Q345R 材料来制作 PDO 精制塔 T0301从而保证其结构的稳定性以及长时间运行的可靠性。自动控制本设计按照技术先进经济合理运行稳定操作便捷的原则密切联系工艺装置的生产规模流程特点质量标准以及工艺操作的实际需求并参照国内相似装置的自动化水平对主要生产装置执行集中监测和运作针对生产过程中须要在现场直接观察的过程变量采用就地显示的办法以此保证数据的时效性和准确性至于那些必要在场操作的设备则经由附近设置的仪表盘或者控制箱达成精确控制进而保障整条生产线既高效又安全可靠。反应器自动控制设计羟基化反应器R0101以环氧乙烷一氧化碳和甲醇的化学反应为例其内部的操作温度定为70℃压力达到6.0MPa由于反应物具有较高的易燃性并且在高压环境下存在潜在风险如果温度失去控制就有可能导致设备无法稳定运行所以为了保障设备一直稳定又安全地运行下去我们采用了全方位的安全仪表系统SIS这个系统在操作出现异常的时候可以凭借安全逻辑器快速展开故障判断并随时执行监测功能而且该系统还会对流量压力温度这些重要参数加以即时监测从而保证反应过程处于稳定安全的状态之中。羟基化反应器的控制方案包括1温度控制经由调整循环冷却水流量以控制反应器温度一旦温度超出设定值就会自动启动紧急冷却系统。2压力控制调节出料阀的开度以控制反应器压力一旦压力超出安全值便会自动启动泄压阀。3进料比例控制利用单闭环比值控制系统维持环氧乙烷一氧化碳和甲醇的进料比例处于最佳区间。4安全联锁温度压力或者进料比例若超出安全范围SIS系统会自动切断原料进料然后通入氮气实施稀释保护。结 论经过深入查阅关于1,3-丙二醇制备的文献本文对比了多种生产工艺最终选择了环氧乙烷羰基化法作为目标工艺。该工艺首先通过环氧乙烷的羟基化反应生成3-羟基丙酸甲酯随后3-羟基丙酸甲酯再与氢气经历加氢反应最终得到1,3-丙二醇。针对这一工艺我们设计了年产2.5万吨的生产规模并利用Aspen Plus软件进行了模拟。模拟结果显示四个工段的物料衡算和能量衡算均达到了守恒状态。同时我们也通过Aspen Plus模拟了塔内结构确定了塔的基本参数。为确保工艺的稳定性和安全性我们为整个工艺配置了自动控制系统并进行了全面的安全分析。此外我们还针对生产过程中产生的三废进行了有效的处理并进行了详细的经济分析以验证工艺的可行性。从过程中得出以下结论环氧乙烷羰基化法制取1,3 - 丙二醇时温度设定在70℃压力为6.0MPa较为合适环氧乙烷单次转化率可超过95%3 - 羟基丙酸甲酯的选择性亦可达到90%以上。工艺被模拟之后产品的纯度为99.89%针对工艺流程展开物料衡算与能量衡算其结果显示符合物料守恒及能量守恒定律。典型设备PDO精制塔T0301经过了设计与选型结果显示其塔径为1.2米填料层高度达12米设计温度为240℃设计压力为1.21bar塔类型综合考量后被选为填料塔。对主要设备执行了自动化控制设计涉及反应器的SIS安全仪表系统换热器的串级控制系统以及储罐的液位压力控制系统以此来保障生产安全并改善产品质量。在车间布局设计的时候重点在于改良厂房空间的利用率从而创建起一个既开阔又利于操作的工作环境而且还针对厂房的通风系统实施了设计进一步巩固了防火防爆措施以此来保证生产过程的安全。完成安全分析之后得到了重大危险源与危险因素针对三废处理实施了设计其中废水利用 MBR 工艺加以处理废气则依靠火炬燃烧法来处理废催化剂归供应商负责回收这同绿色化工理念相契合。对项目执行经济核算之后可得本项目大概需投入43833.848万元其产品收益约为93920.770万元/年投资回收年限为5.17年财务内部收益率达38%具备不错的经济效益。本设计采用工艺流程较为先进投资成本属于合理范畴相关技术已趋于完善工艺近乎成熟且同绿色能源的要求相符从各方面考量来看环氧乙烷羰基化法制取1,3 - 丙二醇这种技术渐渐趋于完善其应用前景愈发辽阔。