年產6萬噸2-丙基庚醇車間合成工段工藝初步設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 規劃與建設政策。本廠生產 的 2丙基庚醇 ，實現了碳四的高附加值利用。本廠的建立有利于提高西部地區在塑化劑方面的完整性。 因此 內蒙古包頭九原工業園區非常適合作為本次設計的廠址 。 齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 5 圖 11 包頭市地理位置 圖 設計規模與生產制度 設計規模 本設計擬定的設計規模為年產 6 萬 噸 2丙基庚醇，則需要消耗純度為 97%的 正戊醛200 t/a，純度為 99 %的 氫氣 t/a。反應所得粗 2丙基庚醇 180 t/a，其中含有 2丙基 2 庚烯醛 t/a，異戊醛 t/a， 正戊醛 t/a， 2甲基丁醛 t/a，水 t/a。 合成 2丙基庚醇的選擇性可達 97%以上 。 生產制度 本 年產 6萬噸 2丙基庚醇項目 生產為連續化生產，但由于電廠運行受用電量不 同所限制，年運行時間為 8000 小時。生產三班輪值，根據《中華人民共和國勞動法》，每周工作 40 小時，為保證生產順利進行，生產部、質保安全部、維修部門采用 “ 四班三運轉 ” ， 每班 8 小時 ， 其余部門采用一班制，個別操作按照需要進行一班制定員，夜間輪值管理。 表 14 工廠人員編制 序號 崗位名稱 管理員 技術員 生產人員 輔助人員 共計 1 班長 — — 5 — 5 2 操作 — — 25 — 25 3 主任、書記 5 — — — 5 4 技術員 — 5 — — 5 5 統計 — — — 1 1 6 補勤 — — — 4 4 合計 — — — — 45 齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 6 原料和產品規格 表 15為主要原料和消耗品規格。 表 15 主要原料和消耗品規格 原料 規格 數量 (t/a) 正戊醛 工業級 催化劑 NaOH溶液 工業級 氫氣 工業級 循環冷卻水 30℃ 低壓蒸汽 180℃ ； 2bar 產品主要是 2丙基庚醇。表 16為產品規格表。 表 16 產品規格表 產品名稱 本廠規格 國家規定 產量 (t/a) 單價 (元 /噸 ) 2丙基庚醇 ≥ % 優等品 經濟核算 為了明確 2丙基庚醇車間和成工段的總成本 (/年 )，分別對車間定員、原料用量、冷熱公用工程消耗量、設備投資及車間占地面積投資等方面對本工段進行了簡單的經濟核算，核算結果見下表： 表 17 經濟核算表 序號 指標名稱 單位 設計指標 成本 (萬元 ) 1 生產規模 ta 1 60 000 — 2 車間定員 人 45 170 3 原材料量： 正戊醛 ta1 200 1200 原材料量： H2 ta 1 800 4 蒸汽耗量 ta 1 7 5 冷凝水耗量 ta 1 10 6 設備數量及投資 臺 23 12 000 7 車間建筑面積 m2 504 96 合計 — — — 14283 齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 7 第 2章 工藝設計和計算 工藝路線的選擇 2丙基庚醇工藝介紹 2丙基庚醇 目前已經工業化的合成工藝路線按其主要原料為 1丁烯羰基合成路線和 1丁烯和 2丁烯混合羰基合成路線 [13]。 2丙基庚醇生產工藝技術包括 DOW/Davy 聯合公司低壓羰基合成技術， BASF公司 2丙基庚醇合成技術，中石化 2丙基庚醇制備方法等[14]。 對幾種方法進行比較，確定本廠工藝流程。 (1) DOW/Davy 聯合公司低壓羰基合成技術 DOW/Davy的 2丙基庚醇生產工藝是以混合碳四、合成氣 (CO， H2)為原料 [15]，在銠/NORMAXTM催化劑作用下 [16]，進行低壓羰基合成反應生成混合戊醛，分離出的混合戊醛在氫氧化鈉的催化作用下縮合脫水生成不飽和 C10醛，不飽和 C10醛加氫生產出粗 2丙基庚醇 [17]，最后經過精餾得到 2丙基庚醇產品。其發生的主要化學反 應如下： CH3CH2CH=CH2(1丁烯 )+CO+H2 CH3CH2CH2CH2CHO(正戊醛 ) CH3CH=CHCH3(2丁烯 )+ CO+ H2 CH3CH2CH2CH2CHO(正戊醛 ) 同時還存在以下副反應 CH3CH2CH=CH2(1丁烯 )+CO+H2 CH3CH2CH(CH3)CHO(2甲基丁醛 ) 由于異丁烯的由于異丁烯的存在還有以下反應： (CH3)2C=CH2(異丁烯 ) + CO+H2 (CH3)2CHCH2CHO(異戊醛 ) 戊醛縮合： 2CH3CH2CH2CH2CHO CH3CH2CH2CH2CH=C(CH2CH2CH3)CHO+H2O 加氫得 2丙基庚醇 ： CH3CH2CH2CH2CH=CCHO+2H2 CH3(CH2)3CH2CH(CH2CH2CH3)CH2OH CH2 CH2CH3 該工藝的主要流程是：以混合碳四、合成氣為原料，采用低壓羰基合成工藝生產 2丙基庚醇 [18]。 (2) BASF公司 2丙基庚醇合成技術 BASF公司 2丙基庚醇生產工藝未見公開，從其中申請的多項發明專利中可推斷出工藝方法的大體輪廓。 BASF注意到混合丁烯中 1丁烯和 2丁烯反應活性具有很大差異，故在工藝中兩個反應區采用了各不相同的催化劑體系，讓第一反應區中未能轉化的 2丁烯催化劑 催化劑 催化劑 催化劑 催化劑 催化劑 齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 8 在第二反應區完成反應，兩反應區各自獨立地進行催化劑的分離和循環 [19]。 (3) 中石化 2丙基庚醇制備方法 中國石油化工股份有限公司北京化工研究院郭浩然等人提出了一種以混合丁烯為原料制備 2丙基庚醇的方法 。 該方法的混合丁烯原料按質量比的組成范圍 是： 1丁烯和 2丁烯 50%， 1丁烯： 2丁烯 =~10:1，其他含有碳碳雙鍵或三鍵的化合物總量 1%。原料經兩段羰基化反應生成戊醛，兩段反應采用同一催化劑，而反應釜采用不同溫度，提高各自反應的選擇性，使戊醛的正異構物比大大提高。然后戊醛經過縮合脫水得到烯醛，再經過加氫、分離得到 2丙基庚醇。 此方法的特點是：采用兩段氫甲?；磻迫∥烊?，且兩段反應采用相同的銠 雙亞磷酸酯催化劑。 該方法 生產 2丙基庚醇的工藝流程主要包括四個步驟：第一步，原料經兩段羰基化反應得到戊醛，兩段反應采用相同的銠 雙亞磷酸酯 催化劑。原料先在第一反應釜進行第一段氫甲酰化反應生成戊醛，然后在第二反應釜進行第二段羰基化反應生成戊醛，第二反應釜的溫度比第一段反應溫度高20~40 ℃ ；第二步，上述兩段反應生成的戊醛經縮合一脫水反應，得到烯醛；第三步，所得的烯醛經過加氫反應，生成 2丙基庚醇；第四步，經過分離，得到 2丙基庚醇產品。 2丙基庚醇工藝的確定 由于混合 C4餾分中既含有 1丁烯也含有 2丁烯，并且二者含量之比約為 1:3，如果采用僅 1丁烯合成路線，需要把 2丁烯異構化 [20]，使得方案不可行，因此 本課題 選擇混合丁 烯的羰基化合成路線更加合適 [21]。 通過對比以上三種 2丙基庚醇的生產工藝，由于BASF的生產工藝未見具體公布，并且短時間內很難得到他的技術專利；對比郭浩然等人提出的專利技術和 DOW/Davy聯合公司的羰基合成技術，雖然 DOW/Davy聯合公司的技術較成熟，但是郭浩然等人提出的技術在戊醛產物上有較高正異比，生產出的產品質量更高，同時又是國內自主開發的技術。綜合以上各方面因素， 本課題 最終確定選用中國石油化工股份有限公司北京化工研究院郭浩然等人提出的 2丙基庚醇合成 技術。 工藝流程簡述 來自精制工 段純度 ≥97% 的正戊醛溫度為 100 ℃ ，含有異戊醛、 2甲基丁醛、和少量水，經正戊醛原料儲罐 V102，由進料泵 P101 送入戊醛縮合反應器 R101 在 NaOH 溶液催化下進行脫水縮合反應，反應溫度為 100 ℃ ，壓力 MPa，反應產物主要成分為 2丙基 2 庚烯醛， 2甲基丁醛，正、異戊醛，水和 NaOH 溶液。反應產物經分離罐 V103將 NaOH 溶液和水從罐頂分離送入污水處理車間，罐底產品成分為 2丙基 2庚烯醛， 2甲基丁醛，正、異戊醛和少量水經換熱器 E101 加熱到 150 ℃ ，由烯醛精餾塔進料泵 P102送入粗烯 醛精餾塔 T101 的第 4 塊塔板進行精餾，粗烯醛進塔溫度為 150 ℃ ，壓力為 MPa，精餾后塔頂主要成分為異戊醛， 2甲基丁醛，水和部分正戊醛，溫度 103 ℃ ，經齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 9 塔頂冷凝器 E102 換熱后溫度降到 90 ℃ ，進入塔頂回流罐 V104，再由粗烯醛回流泵 P103打入塔頂，部分回流到塔內，另一部分送入污水處理車間。塔釜溫度 180 ℃ ，壓力 MPa，一部分釜液經塔底再沸器 E103 加熱至 220 ℃ 作為粗烯醛精餾塔 T101 的再沸蒸汽，另一部分進入換熱器 E104，將溫度從 180 ℃ 降低至 140 ℃ ，換熱后釜液經釜液輸 送泵P104 打入烯醛加氫反應器 R102， 與氫氣進行加氫反應，反應溫度 140 ℃ ，壓力 MPa，反應產物主要成分為 2丙基庚醇， 2丙基 2 庚烯醛，正、異戊醛 ， 2甲基丁醛， H2 和少量水。反應產物經換熱器 E105 降溫至 60 ℃ ，送入閃蒸罐 V105 除去未反應的 H2，得到粗產品 2丙基庚醇，總工藝流程圖如下。 圖 21 2丙基庚醇合成工段工藝流程圖 物料衡算 反應器 R101 的物料衡算 原料 為 正戊醛純度 ≥97% ，其余為異戊醛， 2甲基丁醛，和少量水。 本工藝化學 反應方程式如下 ： 2CH3CH2CH2CH2CHO CH3CH2CH2CH2CH=C(CH2CH2CH3)CHO+H2O 反應中正戊醛的轉化率為： 99%。 以每小時的進料質量為基準衡算 (kgh 1)，各物質的相對分子質量及含量見表21。 表 21 反應物及產物 物性參數表 名稱 分子式 相對分子質量 反應轉化率 正戊醛 C5H10O 86 99% 2丙基 2庚烯醛 C10H18O 154 ― 水 H2O 18 ― 反應物的消耗及產物質量流量如下： NaOH 齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 10 7 3 8 3 .9 7 8 6 2 8 2 4 7 .0 3154w ?? ? ?正 戊 醛 kgh 1 27 3 8 3 .9 7 8 6 2 8 2 4 7 .0 3154HOw ?? ? ? kgh 1 ? kgh1 原料中各物質的質量流量 ： 8 2 4 7 .0 3 8 3 3 0 .3 30 .9 9w ??正 戊 醛 kgh 1 ?異 戊 醛 kgh1 2 ?甲 基 丁 醛 kgh 1 反應后各物質的質量流量 ： 83 30 .3 3 82 47 .0 3 = 83 .3w ?正 戊 醛 kgh1 ?異 戊 醛 kgh1 2 ?甲 基 丁 醛 kgh1 表 22 反應平衡 表 反應物 質量流量 (kgh1) 進料量 出料量 正戊醛 2丙基 2庚烯醛 0 異戊醛 2甲基丁醛 水 0 合計 分離罐 V103 的物料衡算 圖 22 分離罐 V103的物料衡算圖 原料中正戊醛與催化劑 NaOH 溶液的投料比 VNaOH： V 正戊醛 =1:2 體積比換算成摩爾比： 8 1 0 2 4 0 = 5 .51 3 6 8 6 1N aO Hnn ??? ??正 戊 醛 28 3 3 0 .3 3 4 0 7 0 4 .4 78 6 5 .5HOw ???? kgh 1 1 83. 3 + 738 7 + 85. 88+ 171 .76 + 863 .06 + 704 .47 = ? kgh1 2 ? kgh1 齊齊哈爾大學畢業設計（論文） 11 3 8 3 .3 + 7 3 8 3 .9 7 + 4 2 .7 3 + 8 5 .8 8 + 1 7 1 .7 6 = 7 7 6 7 .6 4w ? kgh 1 23 1 5 2 4 .8 7 7 6 7 .6 4 9 2 9 2 .4 4ww? ? ? ? kg h1 1 2 3 9 2 9 2 .4 4w w w? ? ? kgh 1 表 23 分離罐 V103的物料衡算表 組成 質量流量 (kgh1) w1 w2 w3 正戊醛 0 2丙基