年产8万吨1,4丁二醇项目说明书.docx
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年产8万吨1,4丁二醇项目说明书.docx
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目录
1、概述 3
1.1设计目的和意义 3
1.21,4丁二醇的性质与用途 3
1.31,4丁二醇的发展 4
1.41,4丁二醇的主要生产方法 5
1.4.1DavyMckee顺酐法 5
1.4.2Reppe法 5
1.4.3丁二烯法 6
1.4.4丙烯醇法 6
1.4.5工艺方法的比较 6
2.工艺流程设计 7
2.1工艺流程简述 7
2.2物料衡算 8
2.3热量计算 14
2.4公用工程 17
2.5厂址选择 18
2.5.1厂址概况 18
2.5.2厂址位置 19
2.5.3工程地质及水文地质特征概述 20
2.5.4交通优势 21
3.设备计算与选型 22
3.1反应器 22
3.2换热器 28
3.3精馏塔 31
3.4压缩机 35
3.5设备一览表 35
4.管道及仪表控制 36
4.1管径计算 36
4.1.1管径确定的依据 36
4.1.2管道布置 38
4.2设备控制方案 40
4.2.1换热器的控制方案 41
4.2.2压缩机控制方案 41
4.2.3反应器的控制方案 42
4.2.4精馏塔的控制方案 42
5.车间设备布置 43
5.1车间布置 43
5.1.1压缩机的布置 47
5.1.2换热器的布置 48
5.1.3精馏塔的布置 48
5.1.4反应器的布置 48
6.安全与环保分析 49
6.1安全分析 49
6.2环保分析 49
6.2.1废水处理 50
6.2.2废弃处理 50
6.2.3废固处理 51
1、概述
1.1设计目的和意义
本项目为年产8万吨的1,4丁二醇(简称BDO)制备工艺。
项目通过采用DavyMckee顺酐法技术,以甲醇和顺酐为原料来合成市场所需要的1,4丁二醇。
近年来国外BDO新技术不断成熟,低成本的生产工艺和BDO的良好发展前景刺激了大量投资者。
未来大多数新生产装置都将采用正丁烷/顺酐工艺,对传统的乙炔法工艺形成较大冲击,因此今后全球BDO市场竞争更为激烈﹐在不久的将来全球BDO行业将会出现一些重大的结构调整。
虽然目前世界BDO的生产能力有一定过剩﹐但由于地区差别而存在很大差异,从亚洲来看,东亚地区BDO的生产能力不能满足迅猛发展的市场需求,我国BDO在近期内供需矛盾仍然无法解决,加上其下游产品不断发展,因此在我国建设具有竞争力、经济规模的BDO生产装置十分紧迫和必要。
内BDO表观消费量快速增长,说明国内BDO供求缺口增大,国内BDO需求量随着PBT树脂和氨纶等下游产业的发展而快速增长。
由于国内现有产能较小,BDO在国内一直处于供不应求的状态,进口量逐年上升,2005年我国BDO的需求在14.1万吨,进口8.6万吨,实际产量5.5万吨,进口依赖度在60%-70%左右。
2006年的需求已增长到17.6万吨左右,而国内产量在10.1万吨,仍需要6.8万吨的进口量来平衡国内供需。
较大的供需缺口,为国内BDO生产提供了较大的增长空间。
市场行情来看,目前国内1,4-丁二醇市场缺口较大,进口依存度高,下游产品需求旺盛。
国外的产品占据了国内市场的多数份额,产品价格受国际因素影响较大,基本与国际价格同步。
中国是1,4-丁二醇紧缺的国家,今后几年的需求量还会有较大的增长,供需矛盾仍然存在,因此新建具有竞争力、经济规模的BDO生产装置十分必要。
1.21,4丁二醇的性质与用途
1,4-丁二醇是一种重要的基本有机化工和精细化工原料。
尤其衍生物更是附加价值高的精细化工产品,广泛用作溶剂、医药、化妆品、增塑剂、固化剂、农药、除莠剂、人造革、纤维、工程塑料等方面。
1,4-丁二醇用作制造四氢呋喃(THF)、γ-丁内酯等。
20世纪加年代以来,由于聚氨酯工业和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)工程塑料的迅速发展,促进了1,4—丁二醇的发展。
近年来PBT工程塑料和PBT纤维,因其易加工,优异的电性能、机械[及耐热性能,而被广泛应用于汽车、机械、电子和电气等工业。
PBT纤维具有优异的弹性(优于尼龙),染色性和吸水性好,手感丰满,主要用于高档运动服,妇女内衣和紧身衣等,具有一定的潜在市场。
1,4-丁二醇作为溶剂,可以用于医药、香料和化工等行业。
1,4-丁二醇作为化工原料,可以生产聚四亚甲基乙二醇醚(PTMEG)、四氢噻吩、吡喏烷酮、2,3-二氯四氢呐喃、1,4-二氯乙烷、丁内脂、z戊内脂反油墨和香料等下载文档高清无水印
1,4-丁二醇是生产聚醚,聚氨酯超软弹性纤维及高弹性橡胶的最佳材料。
1.31,4丁二醇的发展
我国从六十年代即开始开发BDO生产技术,并陆续建设了数套百吨级的小装置,且以生产丁炔二醇居多,工艺路线为Reppe法。
1995年上海吴淞化工厂建成2000吨/年BDO装置,当时为国内最大。
由于生产BDO成本高,无效益,故改产丁炔二醇。
2002年BDO装置已停产。
我国1,4-丁二醇工业起步较晚,传统装置生产规模小、生产落后、产品质量不稳定。
国内四氢吠喃、γ-丁内酯、PBT、聚氨酯生产所需大部分原料依赖进口。
近年来,由于工程塑料PBT及医药、聚氨酯等工业的发展,我国每年都要进口万吨以上1,4-丁二醇及部分下游产品来满足国内生产需要。
1,4-丁二醇处于旺销状态,市场价格坚挺。
近几年BDO需求快速扩张导致供求紧张的原因一方面是国内BDO产能小,严重低于需求;另一方面则是氨纶产业快速扩张。
2010年氨纶总产能1.985万吨,而2015年则达到21.6万吨,增加近20倍。
2012年国内BDO需求仅5.5万吨,2016年上升到13.8万吨,增长544%。
我国1,4-丁二醇(BDO)市场一直波动频繁,究其原因,主要可归结为以下几方面:
(1)BDO产品下游需求领域分散,涉及PU、医药、工程塑料等众多行业,能对其市场产生影响的行业或相关产品也较多;
(2)BDO企业生产工艺多有不同,原料结构和生产成本、产品品质也差异较大;
(3)BDO主要用于THF/PTMEG生产,进而生产氨纶,BDO和氨纶之间虽有中间产品相隔,但实际相互影响较大,近年氨纶市场巨幅震荡,对BDO市场波及也较大;
(4)2020年之前国内并无万吨级BDO装置,之后陆续有山东佳泰、山西三维、四川天华等企业开始生产,产能扩张较快,2025年我国BDO自给率达到约60%,揭示国内BDO市场迎来新转折的同时,竞争也将越发激烈。
该项目属有机化工和精细化工,同时也是精细化工上游产品的高科技项目,符合国家产业政策,在国家《产业结构调整指导目录(2005年本)》中属国家鼓励类投资的高科技化工项目。
1.41,4丁二醇的主要生产方法
1,4丁二醇是一种重要的有机化工和精细化工原料﹐是生产聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)工程塑料和PBT纤维的基本原料;PBT塑料是最有发展前途的五大工程塑料之一。
目前,国外有多种合成1,4-丁二醇的工艺路线,除最早的乙炔法外,还有顺酐法、二氯丁烯法、醋酸法、环氧内烷法及丙烯法等。
在许多新方法中,顺酐法原料易得,副产有价值的四氢呋喃,生产较经济,故发展前景良好。
1.4.1DavyMckee顺酐法
DavyMckee公司开发了自己的顺酐法制1,4-丁二醇工艺,其工序是先用正丁烷氧化制的顺酐二步酯化得顺丁烯二酸二乙酯,然后将二乙酯气相催化加氢/氢解制得1,4-丁二醇和乙醇。
该方法中顺酐可与一元醇(甲醇或乙醇等)进行酯化反应生成顺丁烯二酸二酯,然后进行加氢水解得到1,4-丁二醇。
该生产方法投资低,生产成本低三废低,生产成本低三废量少可联产四氢咦喃和γ-丁内酯。
1.4.2Reppe法
该法是(BDO的主要生产方法,应用该法生产的BDO占世界总产量的40%左右。
它是以乙炔和甲醛为主要原料,在铜催化作用下生成1,4-丁炔二醇,然后再加氢生成BDO。
1.4.3丁二烯法
该工艺方法分为三步,首先是丁二烯与醋酸和氧气发生乙酰化反应,生成1,4-二乙酰氧基丁烯,然后催化加氢生成1,4-二烯乙酰氧基丁烷,最后水解制得BDo。
1.4.4丙烯醇法
该工艺法方法首先将环氧丙烷异构化制成烯内醇,然后烯丙醇在铑系催化剂作用下,液相加氢甲酰化生成4-羟基丁醛,最后再加氢生成1,4-丁二醇。
1.4.5工艺方法的比较
表1-11,4丁二醇的主要生产方法的比较
工艺路线
专利公司
特点
投资回报率/%
Reepe法
德国BASF
运行费用低,设备造价昂贵,投资费用高。
13.8
丙烯醇法
日本三菱化成
原料便宜,投资低,工艺简单,但公用工程费用高。
-
丙烯法
日本可乐丽
投资低,副产物价值高,催化剂寿命长,可根据需要调节1,4-丁二醇产量。
18
顺酐酯化加氢法
美国戴维
最好与顺酐装置联建,需要正丁烷丰富,反应条件缓和,可关产四氢吠喃,一次性投资大,近年新开发工艺,有一定竞争力。
13~14
雷珀法是目前国内生产BDO的主流生产工艺。
该法的生产成本在很大程度上取决于原料乙炔的来源和价格,从乙炔来源看,以石油裂解制乙烯副产物乙炔的成本最低,但可供应量有限;其次是天然气部分氧化法制乙炔;而高能耗的电石法乙炔生产成本最高,目前国内主要采用的就是电石法乙炔生产BDO,不仅规模小,而且生产成本和销售价太高。
所以该工艺的生产成本较高,已有逐渐被其他生产工艺所取代的趋势。
与传统的雷珀法相比,顺酐酯化加氢法的生产成本低15%左右,且该工艺还可以联产THF和GBL,根据市场需求可以灵活调节THF和GBL的生成比例。
此外,从原料来源和技术经济性各方面来看,Davy工艺也是目前生产BDO的最有发展前途的工艺。
丁二烯法工艺流程长,多次脱醋酸蒸馏,技术难度高,必须达到一定规模才具备竞争力。
该法的经济性取决于能否获得廉价原料丁二烯,在日本以外的地区不存在太大的竞争力。
丙烯醇法工艺简单、投资低、催化剂寿命长、产品收率高,但叛基化的选择性低,副产品多。
不过即使千吨级装置也具备竞争力,其经济性主要取决于原料成本。
综上所述,顺酐法是这些生产工艺中最具有竞争力的也是最具有发展潜力的工艺,近几年采用该工艺建设的新装置较多,也是BDO生产工艺的主要发展趋势。
本项目建议选择顺酐酯化加氢法改良工艺。
2.工艺流程设计
2.1工艺流程简述
图2-1工艺流程图
本项目为年产8万吨的1,4丁二醇(简称BDO)制备工艺,利用Aspenplus流程对该工艺进行模拟和计算。
本项目采用的顺酐法制1,4-丁二醇工艺。
甲醇和顺酐在常温常压的条件下进入混合器M0101中进行混合,然后进入加热器中加热至75℃后,依次进入单酯反应,双酯反应和加氢反应器中参与反应,三个反应器中依次对应的反应式如下:
单酯反应:
CH3OH(甲醇)+C4H2O3(顺酐)=C5H6O4(顺丁二烯单甲酯)
CH3OH+C5H6O4=C6H8O4(顺丁二烯双甲酯)+H2O
双酯反应:
2CH3OH+C4H2O3=C6H8O4
CH3OH+C5H6O4=C6H8O4+H2O
加氢反应:
C6H8O4+3H2=C4H6O2(γ-丁内酯)+2CH3OH
C4H6O2+2H2=C4H10O2(1,4-丁二醇)
C4H10O2=C4H8O(四氢呋喃)+H2O
反应得到的粗产品进入冷却器中进行换热,然后进入闪蒸器中除去粗产品中未完全反应的氢气,然后闪蒸器底部的液体进入脱甲醇塔(T0201)中除去未完全反应的甲醇原料,塔底产品进入精馏塔T0202中,塔底除去中间产物顺丁二烯双甲酯,塔顶产品进入精馏塔T203中,塔底得到纯度为99.9%的1,4丁二醇产品。
2.2物料衡算
工艺设计中,物料衡算是在工艺流程确定后进行的。
目的是根据原料与产品之间的定量转化关系,计算原料的消耗量,各种中间产品、产品和副产品的产量,生产过程中各阶段的消耗量以及组成,进而为热量衡算、其他工艺计算及设备计算打下基础。
对于已有装置,物料衡算可以弄清原料的来龙去脉,找出生产中的薄弱环节,为改进生产、完善管理提供可靠的依据和明确方向,并可作为检查原料利用率及三废处理完善程度的一种手段。
物料衡算是根据质量守恒定律,利用某进出化工过程中某些系统中的
积累=输入-输出+生产-消耗
式中:
生成或消耗项是由于化学反应而生成或消耗的量;
积累量可以是正值,也可以是负值,当系统中积累量不为零时称为非稳定状态过程;
积累量为零时,称为稳定状态过程。
稳定状态过程时,可以简化为:
输入=输出-生成+消耗
对无化学反应的稳定过程,又可表示为:
输入=输出
表2-1混合器的物料衡算结果
进料kg/h
出料kg/h
组分
S1
S2
S3
CH3OH
19225.30
0.00
19225.30
C4H2O3
0.00
23533.94
23533.94
C5H6O4
0.00
0.00
0.00
C6H8O4
0.00
0.00
0.00
H2
0.00
0.00
0.00
C4H6O2
0.00
0.00
0.00
BDO
0.00
0.00
0.00
C4H8O
0.00
0.00
0.00
H2O
0.00
0.00
0.00
合计
19225.30
23533.94
42759.24
表2-2加热器的物料衡算结果
进料kg/h
出料kg/h
组分
S3
S4
CH3OH
19225.30
19225.30
C4H2O3
23533.94
23533.94
C5H6O4
0.00
0.00
C6H8O4
0.00
0.00
H2
0.00
0.00
C4H6O2
0.00
0.00
BDO
0.00
0.00
C4H8O
0.00
0.00
H2O
0.00
0.00
合计
42759.24
42759.24
表2-3反应器R0101的物料衡算结果
进料kg/h
出料kg/h
组分
S4
S5
CH3OH
19225.30
11904.30
C4H2O3
23533.94
3530.09
C5H6O4
0.00
23355.60
C6H8O4
0.00
3528.23
H2
0.00
0.00
C4H6O2
0.00
0.00
BDO
0.00
0.00
C4H8O
0.00
0.00
H2O
0.00
441.01
合计
42759.24
42759.24
表2-4反应器R0102的物料衡算结果
进料kg/h
出料kg/h
组分
S5
S6
CH3OH
11904.30
3845.06
C4H2O3
3530.09
0.00
C5H6O4
23355.60
0.00
C6H8O4
3528.23
34590.51
H2
0.00
0.00
C4H6O2
0.00
0.00
BDO
0.00
0.00
C4H8O
0.00
0.00
H2O
441.01
4323.67
合计
42759.24
42759.24
表2-5反应器R0103的物料衡算结果
进料kg/h
出料kg/h
组分
S8
S6
S7
CH3OH
0.00
3845.06
13196.24
C4H2O3
0.00
0.00
0.00
C5H6O4
0.00
0.00
0.00
C6H8O4
0.00
34590.51
13559.48
H2
2015.88
0.00
545.09
C4H6O2
0.00
0.00
0.00
BDO
0.00
0.00
12493.10
C4H8O
0.00
0.00
526.09
H2O
0.00
4323.67
4455.11
合计
2015.88
42759.24
44775.12
表2-6压缩机的物料衡算结果
进料kg/h
出料kg/h
组分
H2
S8
CH3OH
0.00
0.00
C4H2O3
0.00
0.00
C5H6O4
0.00
0.00
C6H8O4
0.00
0.00
H2
2015.88
2015.88
C4H6O2
0.00
0.00
BDO
0.00
0.00
C4H8O
0.00
0.00
H2O
0.00
0.00
合计
2015.88
2015.88
表2-7换热器E0201的物料衡算结果
进料kg/h
出料kg/h
组分
H2
S8
CH3OH
0.00
0.00
C4H2O3
0.00
0.00
C5H6O4
0.00
0.00
C6H8O4
0.00
0.00
H2
2015.88
2015.88
C4H6O2
0.00
0.00
BDO
0.00
0.00
C4H8O
0.00
0.00
H2O
0.00
0.00
合计
2015.88
2015.88
表2-8闪蒸器F0201的物料衡算结果
进料kg/h
出料kg/h
组分
S9
S10
S11
CH3OH
13196.24
12881.71
314.53
C4H2O3
0.00
0.00
0.00
C5H6O4
0.00
0.00
0.00
C6H8O4
13559.48
13559.48
0.00
H2
545.09
0.08
545.01
C4H6O2
0.00
0.00
0.00
BDO
12493.10
12493.05
0.05
C4H8O
526.09
349.21
176.88
H2O
4455.11
4391.60
63.51
合计
44775.12
43675.13
1099.98
表2-9精馏塔T0201的物料衡算结果
进料kg/h
出料kg/h
组分
S10
S12
S13
CH3OH
12881.71
12881.71
0.00
C4H2O3
0.00
0.00
0.00
C5H6O4
0.00
0.00
0.00
C6H8O4
13559.48
0.00
13559.48
H2
0.08
0.08
0.00
C4H6O2
0.00
0.00
0.00
BDO
12493.05
0.00
12493.05
C4H8O
349.21
349.21
0.00
H2O
4391.60
626.63
3764.97
合计
43675.13
13857.63
29817.51
表2-10精馏塔T0202的物料衡算结果
进料kg/h
出料kg/h
组分
S13
S14
S15
CH3OH
0.00
0.00
0.00
C4H2O3
0.00
0.00
0.00
C5H6O4
0.00
0.00
0.00
C6H8O4
13559.48
13.56
13545.92
H2
0.00
0.00
0.00
C4H6O2
0.00
0.00
0.00
BDO
12493.05
12480.56
12.49
C4H8O
0.00
0.00
0.00
H2O
3764.97
3764.97
0.00
合计
29817.51
16259.10
13558.41
表2-11精馏塔T0203的物料衡算结果
进料kg/h
出料kg/h
组分
S15
S16
S17
CH3OH
0.00
0.00
0.00
C4H2O3
0.00
0.00
0.00
C5H6O4
0.00
0.00
0.00
C6H8O4
13545.92
0.00
13.56
H2
0.00
0.00
0.00
C4H6O2
0.00
0.00
0.00
BDO
12.49
586.12
11894.45
C4H8O
0.00
0.00
0.00
H2O
0.00
3764.97
0.00
合计
13558.41
4351.09
11908.00
2.3热量计算
工程依据化工设计中关于热量衡算的基本思想和要求,遵循基本规范与实际工艺相结合的原则,进行热量衡算书的编制。
其中一个主要依据是能量平衡方程:
其中,Qin——表示输入设备热量的总和;
Qout——表示输出设备热量的总和;
Ql——表示损失热量的总和。
对于连续系统:
Q+W=∑Hout-∑Hin
其中,Q——设备的热负荷。
W——输入系统的机械能。
∑Hout——离开设备的各物料焓之和。
∑Hin——进入设备的各物料焓之和。
在进行全厂热量衡算时,是以单元设备为基本单位,考虑由机械能转换、化学反应释放和单纯的物理变化带来的热量变化。
最终对全工艺段进行系统级的热量平衡计算,进而用于指导节能降耗设计工作。
表2-12混合器的热量衡算
参数
进料
出料
温度/℃
25.00
25.00
26.06
压力/bar
1.00
1.00
1.00
气相分率
0.00
0.00
0.00
热量kW
-40263.11
-30843.04
-71106.14
发出的热量kW
0
表2-13加热器的热量衡算
参数
进料
出料
温度/℃
26.06
75.00
压力/bar
1.00
1.00
气相分率
0.00
0.20
热量kW
-71106.14
-67872.78
需要的热量kW
3233.36
表2-14反应器R0101的热量衡算
参数
进料
出料
温度/℃
75.00
75.00
压力/bar
1.00
1.30
气相分率
0.20
0.00
热量kW
-67872.78
-77398.47
反应热kW
9525.69
表2-15反应器R0102的热量衡算
参数
进料
出料
温度/℃
75.00
75.00
压力/bar
1.30
1.30
气相分率
0.00
0.00
热量kW
-77398.47
-77231.70
反应热kW
166.77
表2-16反应器R0103的热量衡算
参数
进料
出料
温度/℃
75.00
57.51
200.00
压力/bar
1.30
1.30
40.00
气相分率
0.00
1.00
0.48
热量kW
-77231.70
260.68
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