化工设计大赛年产5.5万吨1,4-丁二醇项目.doc

化工设计竞赛化工设计竞赛 年产年产 5 55 5 万吨万吨 1 4 1 4 丁二醇项目丁二醇项目 目录目录 第一章第一章 总总论论 1 1 1 项目概况 1 1 2 设计依据 1 1 3 化工设计指导思想 1 1 4 设计原则 1 第二章第二章 厂厂址址选择选择 3 2 1 选择原则选择原则 3 2 2 厂址选定厂址选定 4 2 2 1 地理位置 4 2 2 2 原料和市场 4 2 2 3 自然条件 5 2 2 4 交通运输 5 2 2 5 电力能源 6 2 2 6 政策环境 7 2 3 厂址附图厂址附图 7 2 4 产品方案产品方案 8 2 5 主要原料规格及消耗主要原料规格及消耗 8 第三章第三章 工艺工艺说说明明 9 3 1 工艺方案的选择工艺方案的选择 9 3 1 1 Davy Mckee 顺酐法 9 3 1 2 Reppe 法 9 3 1 3 丁二烯法 9 3 1 4 丙烯醇法 9 3 2 工艺流程说明 对应工艺流程说明 对应 PFD 流程图 流程图 10 3 2 1 酯化工段 10 3 2 2 加氢工段 11 3 2 3 精制工段 12 3 3 ChemCAD 模拟工艺模拟工艺 13 3 3 1 模拟流程图 14 3 3 2 全流程模拟结果及工艺分析 16 3 3 3 物料衡算书 16 3 3 4 能量衡算 22 第四章第四章 设备设备选选型型 28 4 1 塔设备选型塔设备选型 28 4 1 1 塔设备的设计目标 28 4 1 2 塔设备类型及选择 28 4 1 3 与物性有关的因素 29 4 1 4 与操作条件有关的因素 29 4 1 5 其他因素 29 4 1 6 具体类型 32 4 1 7 机械工程设计和校核 42 4 1 8 辅助装置及附件 43 4 1 9 塔设备载荷计算 44 4 2 换热器计算及选型换热器计算及选型 51 4 2 1 计算依据 51 4 2 2 选型原则 51 4 2 3 换热器选型示例 55 4 3 泵和储罐的选型泵和储罐的选型 60 4 3 1 选用依据 60 4 3 2 参数的确定 60 4 3 3 泵的选型要求 60 4 3 4 具体选型 60 4 3 5 储罐的选型 64 第五章第五章 总图总图设设计计 67 5 1 设计依据设计依据 67 5 1 1 执行的主要标准规范 67 5 1 2 设计原则 67 5 1 3 设计基础资料 67 5 2 设计范围设计范围 67 5 3 厂址概况厂址概况 67 5 4 总平面布置总平面布置 68 5 4 1 总平面布置原则 68 5 4 2 总平面布置的要求 68 5 4 3 厂区总体布局概述 69 5 4 4 分区说明 70 5 5 车间布置车间布置 74 5 5 1 车间布置原则 74 5 5 2 布置概况 74 5 5 3 反应车间 75 5 5 4 精制车间 78 5 6 运输运输 82 5 6 1 工厂运输 82 5 6 2 原料运输 82 5 6 3 产品运输 83 5 7 储存储存 84 5 7 1 原料储存 84 5 7 2 产品储存 85 5 8 绿化布置绿化布置 86 5 9 主要指标附表主要指标附表 86 第六章第六章 自动控制自动控制 88 6 1 生产装置对仪表和控制系统的要求生产装置对仪表和控制系统的要求 88 6 2 DCS 简述简述 88 6 3 SIS 安全仪表系统安全仪表系统 89 6 3 1 甲醇进料泵 P0101A B 停车自动联锁保护系统 89 6 3 2 单体设备联锁 90 6 4 安全及防护措施安全及防护措施 90 6 5 仪表动力部分仪表动力部分 90 6 5 1 仪表电源 90 6 5 2 仪表供风 90 6 5 3 仪表蒸汽伴热 90 6 6 仪表仪表控控制方案制方案 90 6 6 1 反应器控制 90 6 6 2 原料甲醇进装置液位调节 91 6 6 3 甲醇进料泵 P0101A B 控制 91 6 6 5 二脂分离塔 T0203 的控制 92 6 6 6 换热器控制 94 6 6 7 精制车间压缩机 C0201A B 控制 95 第七章第七章 公用工程公用工程 97 7 1 电气与通讯电气与通讯 97 7 1 1 全厂电力消耗 97 7 1 2 电力供应 97 7 1 3 供电设计原则 98 7 1 4 供配电系统设计 98 7 1 5 危险区域划分及设备选择 100 7 1 6 通讯系统 101 7 2 给排水给排水 102 7 2 1 给水系统 102 1 生活供水子系统 103 2 蒸汽供水子系统 103 3 消防用水供水子系统 104 7 2 2 排水系统 104 1 生活废水的排放 105 2 生产废水排放 105 3 消防废水排放 105 4 排水管线的敷设 105 7 3 采暖通风采暖通风 106 7 3 1 厂区所在地气候条件 106 7 3 2 设计参数 107 7 3 3 设计范围 108 7 3 4 采暖方案设计 108 7 3 5 通风方案设计 110 7 3 6 空气调节 111 第八章第八章 环境保护环境保护 115 8 1 设计依据和标准设计依据和标准 115 8 1 1 法律法规 115 8 1 2 参考标准 115 8 2 工程概况工程概况 116 8 2 1 厂址地理概况 116 8 2 2 项目组成及规模 116 8 3 主要污染物主要污染物 116 8 4 二氧化碳处理二氧化碳处理 116 8 4 1 物理法 116 8 4 2 化学法 117 8 4 3 物理 化学法 118 8 5 废气废气 118 8 6 废水废水 119 8 7 废渣废渣 120 8 8 噪声噪声 120 8 9 厂区绿化厂区绿化 121 第九章第九章 劳动安全消防劳动安全消防 121 9 1 设计标准依据设计标准依据 122 9 2 物质危险性物质危险性 122 9 3 安全防范措施安全防范措施 122 9 3 1 甲醇防范措施 122 9 3 2 丁二醇防范措施 123 9 3 3 顺酐 124 9 3 4 氢气 124 9 4 安全安全生生产措施产措施 124 9 4 1 安全生产责任 124 9 4 2 生产车间防火安全管理规定 125 9 4 3 安全操作 126 9 5 总述总述 126 9 6 职业卫生职业卫生 126 9 6 1 卫生管理 127 9 6 2 劳动保护用品及卫生安全管理 127 第十章第十章 工厂组织与劳动定员工厂组织与劳动定员 128 10 1 企业组织企业组织 128 10 1 1 企业组织机构设置 128 10 1 2 企业组织机构形式 129 10 2 劳动定员劳动定员 130 附录一附录一 主要设备选型一览表主要设备选型一览表 131 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 1 Constant Exploring 第一章第一章 总论总论 1 11 1 项目概况项目概况 本项目为甲醇和顺酐为原料制备 1 4 丁二醇工艺 建厂于山西省晋中市榆 次工业园区 项目通过采用 Davy Mckee 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 本项目注册资金为 5 亿元人民币 由公司注入部分自有资金 并通过晋中 市政府向银行贷款筹措资金 1 21 2 设计依据设计依据 1 化工工程设计相关规定 2 国家经济 建筑 环保等相关政策 3 化工建设项目可行性研究报告内容和深度的规定 2005 及有关专 业的国家标准 1 31 3 化工设计指导思想化工设计指导思想 化工设计工作的基本任务是按照国家有关方针 政策 执行国家 部门和 有关地区的有关设计标准 规范和规定 做出切合实际 安全适用 技术先进 经济合理的高质量 高水平 效益显著的化工工程设计 在整个化工设计过程 中 我们必须熟悉它的原则和精神 并贯彻到设计工作中去 在化工设计中灵 活运用资源 既符合规范 又不造成对生产的违背 实现对资源的最大利用 化工设计人员要坚持正确的设计指导思想 保持设计工作的科学性和公正性 要积极采用先进技术 贯彻勤俭方针 精心设计 保证质量 要严格执行国家 部门和项目所在省 区 市颁布的标准 规范 规定 认真贯彻 工厂布置一 体化 生产装置露天化 建 构 筑物轻型化 公用工程社会化 引进技术国产 化 的基本设计原则 1 1 4 4 设计原则设计原则 1 严格贯彻执行国家的消防 安全 卫生 劳动保护等有关规定 规范 保障生产安全顺利进行和操作人员的安全 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 2 Constant Exploring 2 严格执行国家环境保护的相关条例 大气环境质量标准 GB3095 82 污水综合排放标准 GB8978 96 工业 三废 排放试行标准 GBJ4 73 地表水环境质量标准 GB3838 2002 3 产品生产和质量指标符合国家及地方颁发的各项相关标准 4 体现 社会经济效益 环保效益和企业经济效益并重 的原则 按照国 民经济和社会发展的长远规划 行业 地区的发展规划 在项目调查 选择中 对项目进行详细全面的论证 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 3 Constant Exploring 第二章第二章 厂址选择厂址选择 厂址选择是基本建设前期工作的重要一环 是一项政策性 技术性很强的 工作 厂址的选择工厂的建设质量 投资金额 经济效益 环境保护 发展前 景和社会效益都有重要的影响 当厂址选择确定后 才能估算其建设投资额和 投产后的生产成本 才能对经济效益 环境影响 社会效益进行分析评估 判 断项目的可行性 因此厂址选择工作是可行性研究的一部分 需考虑原材料和 成品的产供销 动力设施的安装和维修 交通运输方式和费用 产品结构与质 量及职工生活安排等方面 2 12 1 选择原则选择原则 1 原料和市场 厂址应靠近各种原料产地和销售市场 2 能源 化工厂需要大量的动力和蒸汽 应靠近燃料的供应点 3 气候 化工厂的建厂地点应该温度适宜 湿度适中 4 运输条件 尽量考虑铁路枢纽以及利用河流 运河 湖泊或海洋进行运输的可能性 公路运输可用作铁路和水路的补充 5 供水 化工厂使用大量的水 用于产生蒸汽 冷却 洗涤 有时还用做原料 因 此 厂址必须靠近水量充足和水质良好的水源 6 对环境的影响 应得到当地环保部门的认可 以便于妥善处理废物 7 协作条件 选择在贮运 机修 公用工程 电力 蒸汽 和生活设施等方面具有良好 协作条件的地区 8 灾害及其他 避免低于洪水水位或在采取措施后仍不能确保不受水淹的地段 以及地震 泥石流 滑坡 有开采价值的矿藏 文物保护等地区 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 4 Constant Exploring 2 22 2 厂址选定厂址选定 本项目厂址选在山西省晋中市榆次工业园区 修文工业基地成立于 2004 年底 由晋中市政府批准规划组建 定位为榆次工业园区能源化工产业基地 修文工业基地拥有企业 40 家 2008 年全年园区企业可实现工业总产值 25 亿元 销售收入 36 亿元 上缴税金超过 1 1 亿元 实现出口总额 8500 万美元 建区以来园区已累计实现工业总产值 92 亿元 上缴税金 4 2 亿元 安置劳动力 1 万余人 山西榆次工业园区修文工业基地正逐步成为一个布局合理 功能 齐备 配套完善的现代化工业基地和精品型高效生产区域 2 2 12 2 1 地理位置地理位置 晋中位于山西省中部 东依太行 西临汾河 北与省会太原市毗邻 榆次 素有 太原南大门 省城门户 之称 是山西省交通运输的重要枢纽 榆 次区位于山西中部的 晋中盆地 太行山西麓 东与 寿阳县交界 西同 清徐 毗邻 南与太谷县接壤 西北与 太原市相连 榆次地处东经 112 34 113 8 北纬 37 23 37 54 2 2 22 2 2 原料和市场原料和市场 1 原料来源 原料来源 本项目所采用的原料为精制甲醇 精制顺酐 高纯度氢气 在榆次区内投 建的佳新能源化工实业有限公司拥有丰富的醇醚燃料与醇醚汽车研发 示范 应用管理经验以及广泛的技术协作网络 另有投资 18 亿元的太原煤气化甲 醇及醋酸项目 山西太谷北外环 山西太明化工工业有限公司目前拥有 26000 吨 年顺丁烯二酸酐装置 其中两套 10000 吨 年顺丁烯二酸酐装置是目前 我国自行设计的最大规模的生产装置 山西榆次万嘉化工有限公司提供氢气 为本项目提供了足够的原料来源 从而可以保证本项目能够顺利开工运行 2 产品市场 产品市场 世界1 4 丁二醇的生产集中度较高 世界前五大生产商 BASF LyondellDuPont ISP和BP生产能力达91 3万吨 年 占世界1 4 丁二醇 生产能力的72 9 预计到 2010 年 世界 1 4 丁二醇新增生产能力 25 万吨 年左右 市场需 求将以年均 4 8 的速度增长 届时生产能力将达到 150 万吨 年左右 美国和 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 5 Constant Exploring 西欧 1 4 丁二醇的需求量将分别达到 46 0 万吨和 35 2 万吨 年均需求增长 率分别为 2 6 和 5 8 而同期的日本年均需求出现负增长 2 4 在其它 地区 1 4 丁二醇需求增长最快 年均增长率为 9 8 需求结构仍以 THF 和 PBT 为主 THF 领域 1 4 丁二醇年均需求增长率为 3 2 低于同期平均速度 导致需求结构自 2003 年的 50 6 降低到 2010 年的 45 4 快速拉动 1 4 丁 二醇需求的是 PBT 领域 年均需求增长率为 7 1 是需求增长最快的领域 2010 年需求结构的比例将达到 46 0 较 2003 年的 27 2 增加 18 8 个百分点 1 4 丁二醇在 GBL 和 PU 领域的年均需求增长率均为 6 7 高于同期 1 4 丁 二醇平均增长速度 以致需求结构均呈增加趋势 而 1 4 丁二醇在其它领域 需求增长趋于缓慢 年均需求增长率为 0 8 2 2 32 2 3 自然条件自然条件 1 气候条件 气候条件 晋中属暖温带大陆性季风气候 季节变化明显 总的特征为 春季干燥 多风 夏季炎热多雨 秋季天高气爽 冬季寒冷少雪 全年太阳日照时数平 均为2530 8小时 榆次最多 灵石最少 辐射总量为 545 581千焦 平方厘 米 寿阳最大 昔阳最小 年平均气温 9 4 C 其中平川区平均为10 4 C 东山区平均为8 1 C 年平均无霜期 151天 其中平川区为 160天 东山 区为140天 降水主要集中在夏季 6 8月份 年平均降水量 479 6毫米 其中 平川区为437 4毫米 东山区为 530 3毫米 东山区比平川区偏多 93 9毫米 年平均蒸发量为 1718 4毫米 一般平川区大于东山区 2 2 水文地质 水文地质 水资源状况根据2005年完成的第二次水资源评价成果 晋中长系列 1956 年 2000年 地表水资源量8 35亿m3 地下水资源量7 81亿m 扣除重复计算 部分 水资源总量为13 06亿m 短系列 1980年 2000年 地表水资源量6 34 亿m 地下水资源量7 48亿m 扣除重复计算部分 水资源总量为10 9亿m 2 2 42 2 4 交通运输交通运输 晋中是山西省的交通枢纽和 太原市的南门户 南同蒲铁路 太 原 焦 作 铁路 阳 泉 涉 县 铁路南北纵穿 石 家庄 太 原 铁路 东西横贯 太原 旧关 大同 运城 太原 长治 3 条高速公路和 108 国道 208 国道 207 国道 307 国道以及 12 条省级公路南北交织 东 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 6 Constant Exploring 西穿梭 构成网状 市城区距太原市武宿空港15 公里 交通十分便利 榆次工业园区修文工业基地总规划面积 20平方公里 作为承接城区工 业 退二进三 的重点区域 基地位于晋中市榆次区城南 10公里处 该区 域距武宿机场 20公里 108国道 省道榆长公路和太长高速公路穿境而过 南同蒲铁路 太焦铁路在此交汇 距北京约 540公里 距天津约 600公里 距省城太原约 25公里 1 公路 公路 晋中撤地设市以来 公路建设继续保持了快速增长的良好势头 平均每年 保持 90 以上的增长速度 大大高于全省同期 10 的增长速度 全市累计完成投 资达 80 多亿元 共新增公路通车里程达 6000 多公里 从 2002 年起 为了搭建 起城乡互动桥梁 实现经济协调发展 全市以农村公路建设为重点 通过五年 的奋力拼搏 村村通水泥 油 路工程共完成投资 30 多亿元 完成 2600 多个 行政村 20000 多公里建设任务 使行政村通达率达到 97 5 村村通公交 班 车通达率也达到了 96 5 以上 在晋中境内基本实现 双通 经过努力 晋中农村路网建设取得了前所未有的成绩 目前 公路通车总 里程达到 13485 公里 公路密度达到了 82 21 公里 百平方公里 居全省领先水 平 其中高速公路 273 公里 一级公路 184 公里 二级公路 1453 公里 三级公路 1532 公里 路网布局进一步完善 路网结构进一步优化 路网技术等级和通达 深度进一步提高 公路交通对经济社会发展的 瓶颈 制约明显缓解 由于公 路建设融入了经济发展的大背景 为全市公路发展注入了强大的生机和活力 为全面完成 十一五 总目标奠定了坚实的基础 2 铁路 铁路 晋中市在发展公路运输 提高运输能力的同时 也在不断发展铁路运输 新建的晋中南铁路等铁路建设项目 为晋中境内的化工企业在运输方面提供了 极大的便利 形成了四通八达的现代交通运输网络 2 2 52 2 5 电力能源电力能源 华能榆社电厂地处山西晋中 榆社县城南10公里处 紧靠 太焦铁路线 水资源充足 煤资源丰富 交通便利 公司总规划装机容量为 2000MW 一期工程安装两台 100MW汽轮发电机组 于1992年10月31日开工建设 是国家 八五 重点工程 在省 地 县各 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 7 Constant Exploring 级领导的大力支持下 两台机组分别于 1994年8月和12月投产发电 一期工 程总投资79438万元 占地面积 917亩 现有主业人员 498人 电力能源是每 个现代化企业都不可或缺的公用工程 而达拉特旗发电厂正好可以为本项目的 实施提供必要的电力供应保障 以使得本项目可以顺利实施 2 2 62 2 6 政策环境政策环境 一 对招商引资项目 区招商引资领导组根据项目的投资规模 投资强度 投资产业 技术含量 纳税能力和产业带动能力等因素 进行综合评估后实行 一企一策 一事一议 特事特办和分级优惠 二 凡招商引资项目所需土地按本区域最低工业用地出让价格供应 并视 企业建成后税收贡献率予以奖励形式返回 三 凡招商引资项目享受省 市 区大招商 大引资优惠政策 工业项目 享受省级开发区优惠政策 四 凡招商引资项目的行政性规费收费标准 一律按下限执行 五 服务优惠 1 招商引资项目的审批实行 一个窗口受理 一站式审批 一条龙服务 的联合办公代理审批制度 限时办结 2 建立重点项目协调服务制度 对符合国家产业政策 列入省市产业发 展规划 投资规模较大的招商引资项目 进行全程跟踪 封闭运行 由区招商 引资领导组协调服务 3 凡招商引资项目建成后 如遇行政处罚必须报区招商引资领导组批准 执法部门对招商引资项目采取强制性手段 需经区级主要领导批准 六 凡为榆次区引进规模较大的投资项目 区政府视引进企业综合效益给 予引进人相应比例的物质奖励 并免交个人所得税 2 32 3 厂址附图厂址附图 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 8 Constant Exploring 图 2 1 厂址地图 2 42 4 产品方案产品方案 本项目所得产品主要有摩尔分率 99 9 的 1 4 丁二醇产品规格如表 2 1 表表 2 12 1 产品规格表产品规格表 产品名称产品名称规格规格 产量 万吨产量 万吨 年 年 价格 元价格 元 吨 吨 1 4 丁二醇 摩尔分率 99 9 5 513500 2 52 5 主要原料规格及消耗主要原料规格及消耗 本项目所采用的工艺生产过程为以甲醇和顺酐为原料制备 1 4 丁二醇 所 采用的原料为摩尔分率 99 的精制甲醇和精制顺酐 原料规格及消耗情况如表 1 2 所示 表表 2 22 2 主要原料规格及消耗表主要原料规格及消耗表 原料名称原料名称规格规格消耗量 万吨消耗量 万吨 年 年 甲醇甲醇摩尔分率 99 5 639 顺酐顺酐摩尔分率 99 6 589 氢气氢气摩尔分率 99 0 00064 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 9 Constant Exploring 第三章第三章 工艺说明工艺说明 3 13 1 工艺方案的选择工艺方案的选择 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 3 1 13 1 1 DavyDavy MckeeMckee 顺酐法顺酐法 该方法首先将顺酐与一元醇 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 3 1 23 1 2 ReppeReppe 法法 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 3 1 33 1 3 丁二烯法丁二烯法 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 3 1 43 1 4 丙烯醇法丙烯醇法 该工艺方法首先将环氧丙烷异构化制成烯丙醇 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 表表 3 13 1 1 4 1 4 丁二醇生产特点比较丁二醇生产特点比较 工艺路线工艺路线专利公司专利公司特点特点 投资回报投资回报 率率 ReppeReppe 法法德国 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 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 10 Constant Exploring 丙烯法丙烯法日本可乐丽 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 顺酐酯化顺酐酯化 加氢法加氢法 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 联产四氢呋喃 一次性投资大 近年新开发工艺 有一定竞争力 13 14 3 23 2 工艺流程说明 对应工艺流程说明 对应 PFDPFD 流程图 流程图 3 2 13 2 1 酯化工段酯化工段 图图 3 13 1 甲醇顺酐混合甲醇顺酐混合 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 11 Constant Exploring 图图 3 23 2 酯化反应工段酯化反应工段 顺酐溶解在甲醇中 加热至 75 后送至单酯化反应器反应 无催化剂 生成顺丁烯二酸单甲酯 85 的顺酐转化为顺丁烯二酸单甲酯 其中 12 的 顺丁烯二酸单甲酯转化成顺丁烯二酸二甲酯 反应器中还含顺酐和甲醇 以上混合物全部送入双酯化反应器 几乎所有的顺酐转化为顺丁烯二酸二甲 酯 DMM 催化剂 DNW I 型离子交换树脂 温度 75 压力 0 13Mpa 反应区 和分离区在同一个塔器中进行 催化蒸馏反应器由反应区和蒸馏区构成 顺丁 烯二酸单甲酯和甲醇在催化剂筐中发生反应 产物进入分离区进行分离 移走 产物顺丁烯二酸二甲酯和水 这样经过反应和分离作用 顺丁烯二酸单甲酯达 到深度转化 同时也使单酯化反应器中未反应的顺酐完全转化 3 2 23 2 2 加氢工段加氢工段 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 12 Constant Exploring 图图 3 33 3 加氢工段一加氢工段一 图图 3 43 4 加氢工段二加氢工段二 顺丁烯二酸二甲酯 加热汽化 氢气的循环气流中 催化剂 Cu MAC 41 压 力 4 6Mpa 温度 180 240 绝热固定床反应器 丁内酯 1 4 丁二醇 四氢呋喃 气液分离回收大部分氢气 并循环利用 再经过一次闪蒸 降低压力 除去气体化合物 3 2 33 2 3 精制工段精制工段 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 13 Constant Exploring 图图 3 53 5 精制工段一精制工段一 图图 3 63 6 精制工段二精制工段二 三个塔 1 分离甲醇 2 分离顺丁烯二酸二甲酯 DMM 3 净化 1 4 丁 二醇 最后得到纯度 99 98 的 1 4 丁二醇 3 33 3 ChemCADChemCAD 模拟工艺模拟工艺 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 14 Constant Exploring 3 3 13 3 1 模拟流程图模拟流程图 本设计工艺模拟采用美国 Chemstations 公司开发的用于对化学和石油工业 炼油 油气加工等领域中的工艺过程进行计算机模拟的应用软件 CHEMCAD 以 下为 CHEMCAD 模拟流程图 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 15 Constant Exploring 图图 3 73 7 CHEMCADCHEMCAD 模拟流程图总图模拟流程图总图 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 16 Constant Exploring 3 3 23 3 2 全流程模拟结果及工艺分析全流程模拟结果及工艺分析 如模拟所示 本设计流程分为三部分 酯化工段 加氢工段和精制工段 其中反应工段是将原料精甲醇 顺酐合成顺丁烯二酸二甲酯 加氢工段是经过 加热 汽化 气液分离 闪蒸减压等技术将 丁内酯 四氢呋喃等除去 精 制工段是将甲醇 顺丁烯二酸二甲酯等经蒸馏 冷凝等处理生成最后得纯度 99 98 的 1 4 丁二醇 3 3 33 3 3 物料衡算书物料衡算书 1 衡算原理及依据 物料衡算是研究某一个体系内进出物料组成及质量的变化 根据质量守恒 定律 对某一个体系内质量流动及变化情况用数学式描述物料平衡关系为物料 衡算方程 其基本表达式为 F F0 0 D D A A B B 3 1 式中 F 输入体系的物料质量 D 离开体系的物料质量 A 体系内积累的物料质量 B 过程损失的物料质量 如跑 冒 滴 漏 上式为物料平衡普遍式 如果体系内发生化学反应 增对任一组分或任意 元素做物料衡算时 必须把反应消耗或生成的质量也考虑在内 所以上式成为 F FX Xif if X Xi i DXDXid id AX AXia ia BX BXib ib 3 2 式中 Xi 反应过程生成或消耗的i组分的量 反应生成i组分时则取 号 反应消耗i组分时则取 号 Xif Xib Xia Xid i组分在 F B A D 中的分率 如果体系内不积累物料时 即连续温定的操作过程 这样累积的物料量 A 等于零 所以上式为 F F0 0 D D B B 3 3 如果体系内没有化学反应 对任一组分或任一元素做物料衡算时 式 2 中 Xi 0 则 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 17 Constant Exploring FXFXif if DX DXid id AX AXia ia BX BXib ib 3 4 2 物料衡算 1 反应车间 反应车间主要设备物料衡算表如下表所示 表 3 1 R0101 单酯化反应器物衡表 进口进口出口出口 TemperatureTemperature 7575 PressurePressure MpaMpa0 550 53 VaporVapor FracFrac00 MoleMole FlowFlow kmol hkmol h303 5232 525 MassMass FlowFlow kg hkg h15237 0815237 08 MassMass Frac MethanolFrac Methanol0 46263720 2954738 MaleicAnhydrideMaleicAnhydride0 53736280 08060443 MethylmaleicMethylmaleic AciAci00 5332901 DimethylDimethyl MaleateMaleate00 08056199 WaterWater00 01006976 HydrogenHydrogen00 1 4 Butanediol1 4 Butanediol00 Gamma ButyrolactGamma Butyrolact00 TetramethyleneTetramethylene00 TotalTotal15237 0815237 08 表表 3 23 2 R0102R0102 双酯化反应器物衡表双酯化反应器物衡表 进口进口出口出口 TemperatureTemperature 4 35395175 PressurePressure MpaMpa0 130 11 VaporVapor FracFrac2 64249e 0050 2543318 MoleMole FlowFlow kmol hkmol h870 5482858 0231 MassMass FlowFlow kg hkg h34167 8434167 83 MassMass Frac MethanolFrac Methanol0 62013940 5388494 MaleicMaleic AnhydrideAnhydride0 035945370 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 18 Constant Exploring MethylmaleicMethylmaleic AciAci0 23781960 003140598 DimethylDimethyl MaleateMaleate0 03592650 348741 WaterWater0 064997230 1040971 HydrogenHydrogen2 375126e 0062 375127e 006 1 4 Butanediol1 4 Butanediol00 Gamma ButyrolactGamma Butyrolact3 938517e 0063 938519e 006 TetramethyleneTetramethylene0 00516560 0051656 TotalTotal34167 8434167 84 表表 3 33 3 R0201R0201 加氢反应器物衡表加氢反应器物衡表 进口进口出口出口 TemperatureTemperature 213 2062220 PressurePressure MpaMpa4 884 86 VaporVapor FracFrac0 91916070 816522 MoleMole FlowFlow kmol hkmol h1362 1451126 833 MassMass FlowFlow kg hkg h29226 8429226 84 MassMass Frac MethanolFrac Methanol0 42440120 6000206 MaleicMaleic AnhydrideAnhydride00 MethylmaleicMethylmaleic AciAci0 003678070 003678071 DimethylDimethyl MaleateMaleate0 4114310 01645726 WaterWater0 071852950 07416385 HydrogenHydrogen0 052460930 02492431 1 4 Butanediol1 4 Butanediol0 012958710 2464861 Gamma ButyrolactGamma Butyrolact0 00056171160 00236487 TetramethyleneTetramethylene0 022655330 03190494 TotalTotal29226 8429226 84 表表 3 43 4 V0203V0203 气液分离罐物衡表气液分离罐物衡表 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 19 Constant Exploring Pressure Mpa 4 86 4 86 4 86 Vapor Frac0 81652210 Mole Flow kmol h1126 833920 0853206 7478 Mass Flow kg h29226 8418206 0211020 81 Mass Frac Methanol 0 60002060 49182890 2755614 Maleic Anhydride000 Methylmaleic Aci0 0036780711 876418e 006 0 009733742 Dimethyl Maleate0 016457260 000932990 4 0 03241782 Water0 074163850 097163690 05054556 Hydrogen0 024924310 392727 052162e 006 1 4 Butanediol0 24648610 0053779180 6132098 Gamma Butyrolact0 002364870 000232499 1 0 004600511 Tetramethylene0 031904940 011742110 01392409 Total29226 8429226 83 表表 3 53 5 T0201T0201 甲醇闪蒸塔物衡表甲醇闪蒸塔物衡表 进料进料出料出料 塔顶出料塔顶出料塔底出料塔底出料 TemperatureTemperature 220123 2148123 2148 PressurePressure MpaMpa4 860 150 15 VaporVapor FracFrac010 MoleMole FlowFlow kmol hkmol h206 747891 31819115 4296 MassMass FlowFlow kg hkg h11020 812804 928215 893 MassFrac MethanolMassFrac Methanol0 27556140 79896150 09687179 MaleicMaleic AnhydrideAnhydride000 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 20 Constant Exploring MethylmaleicMethylmaleic AciAci0 0097337422 118392e 0060 01305613 DimethylDimethyl MaleateMaleate0 032417820 015914780 03805198 WaterWater0 050545560 11973380 02692457 HydrogenHydrogen7 052162e 0062 770817e 0051 660199e 010 1 4 Butanediol1 4 Butanediol0 61320980 018390560 8162822 Gamma ButyrolactGamma Butyrolact0 0046005110 0019345260 005510682 TetramethyleneTetramethylene0 013924090 045035060 003302749 TotalTotal11020 8111020 812 精制车间 精制车间主要设备物料衡算表如下表所示 表表 3 63 6 T0301T0301 甲醇分离塔物衡表甲醇分离塔物衡表 进料进料出料出料 塔顶出料塔顶出料塔底出料塔底出料 TemperatureTemperature 123 214874 35488159 9995 PressurePressure MpaMpa0 150 150 15 VaporVapor FracFrac010 MoleMole FlowFlow kmol hkmol h115 429624 292191 13756 MassMass FlowFlow kg hkg h8215 893793 44467422 453 MassFrac MethanolMassFrac Methanol0 096871790 96580090 003985114 MaleicMaleic AnhydrideAnhydride000 MethylmaleicMethylmaleic AciAci0 0130561300 01445181 DimethylDimethyl MaleateMaleate0 0380519800 04211965 WaterWater0 026924574 474037e 0080 02980276 HydrogenHydrogen1 660199e 0101 719091e 0090 1 4 Butanediol1 4 Butanediol0 816282200 9035409 Gamma ButyrolactGamma Butyrolact0 00551068200 006099762 TetramethyleneTetramethylene0 0033027490 034199018 724442e 012 TotalTotal8215 8938215 8976 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 21 Constant Exploring 表表 3 73 7 T0302T0302 二酯分离塔物衡表二酯分离塔物衡表 进料进料出料出料 塔顶出料塔顶出料塔底出料塔底出料 TemperatureTemperature 159 9995109 3373241 1296 PressurePressure MpaMpa0 150 150 15 VaporVapor FracFrac010 MoleMole FlowFlow kmol hkmol h91 1375617 4108873 72666 MassMass FlowFlow kg hkg h7422 453745 09596677 355 MassFrac MethanolMassFrac Methanol0 0039851140 039698690 MaleicMaleic AnhydrideAnhydride000 MethylmaleicMethylmaleic AciAci0 0144518100 01606444 DimethylDimethyl MaleateMaleate0 042119650 41958442 082023e 008 WaterWater0 029802760 29688757 707774e 023 HydrogenHydrogen000 1 4 Butanediol1 4 Butanediol0 90354090 18308910 9839329 Gamma ButyrolactGamma Butyrolact0 0060997620 060740412 660365e 006 TetramethyleneTetramethylene8 724442e 0128 691063e 0110 TotalTotal7422 4537422 4509 表表 3 83 8 T03031T03031 4 4 丁二醇分离塔物衡表丁二醇分离塔物衡表 进料进料出料出料 塔顶出料塔顶出料塔底出料塔底出料 TemperatureTemperature 241 1296240 8477350 8332 PressurePressure MpaMpa0 150 150 15 VaporVapor FracFrac010 MoleMole FlowFlow kmol hkmol h73 7266673 074840 6518401 MassMass FlowFlow kg hkg h6677 3556592 55484 8044 MassMass Frac MethanolFrac Methanol000 MaleicMaleic AnhydrideAnhydride000 MethylmaleicMethylmaleic AciAci0 016064440 0034077071 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁二醇项目 22 Constant Exploring DimethylDimethyl MaleateMaleate2 082023e 0082 108805e 0080 WaterWater7 707774e 02300 HydrogenHydrogen000 1 4 Butanediol1 4 Butanediol0 98393290 99658969 298715e 012 Gamma ButyrolactGamma Butyrolact2 660365e 0062 694586e 0063 135352e 017 TetramethyleneTetramethylene000 TotalTotal6677 3556677 3584 3 3 43 3 4 能量衡算能量衡算 1 衡算原理及依据 热量衡算是能量衡算的一种 在能量衡算中占要重要地位 进行热量衡算 有两种情况 一种是对单元设备做热量衡算 当各个单元设备之间没有热量交 换时 只需对个别设备做计算 另一种是整个过程的热量衡算 当各个工序或 单元操作之间有热量交换时 必须做全过程的热量衡算 热量衡算方程热量衡算方程 热量衡算的理论依据是热力学第一定律 以能量守恒表达的方程式 Q Q入 入 Q Q出 出 Q Q损 损 3 5 即 输入输入 输出输出 损失损失 式中 Q入 输入设备热量的总和 Q出 输出设备热量的总和 Q出 损失热量的总和 对于单元设备的热量衡算 热平衡方程可写成如下形式 Q Q1 1 Q Q2 2 Q Q3 3 Q Q4 4 Q Q5 5 Q Q6 6 3 6 式中 Q1 各股物料带入设备的热量 kJ Q2 由加热剂或冷却剂传递给设备和物料的热量 kJ Q3 过程的各种热效应 如反应热 溶解热等 kJ Q4 各股物料带出设备的热量 kJ Q5 消耗在设备上的热量 kJ Q6 设备向外界环境散失的热量 kJ 将式 4 6 按式 4 5 整理得 Q Q入 入 Q Q1 1 Q Q2 2 Q Q3 3 西北大学 化工竞赛 年产 5 5 万吨 1 4 丁