基于Aspen模拟的1,3-丙二醇工艺设计及节能优化

摘要1,3-丙二醇（1,3-PDO）是一种关键化工原料，广泛用于制药、化妆品和塑料等领域。该物质可作为制备高性能聚酯材料聚对苯二甲酸丙二醇（PTT）的核心单体，在工业中具有重要价值。本设计针对传统化学法生产1,3-丙二醇存在的高能耗、高污染问题，提出以甘油、水和氢气为原料的绿色工艺路线，利用AspenPlus流程模拟技术，开展年产3.3万吨1,3-丙二醇联产0.5万吨的羟基丙酮的工艺设计，资源利用率高。项目遵循清洁绿色的生产理念，工艺中设计了原料水循环、丙烯醛循环和氢气循环三条循环路径，显著提高了产品产率并减少了废液排放。通过差压热耦合精馏、热泵精馏、双效精馏等节能技术及换热网络的设计，实现了过程节能，降低了能耗和碳排放。在3-羟基丙醛加氢工段选用滴流床反应器，流速均一，可实现大量连续标准化生产，反应条件温和、环境友好。结果表明，该工艺不仅符合绿色清洁生产要求，还具有较高的经济效益和环境效益，为1,3-丙二醇的工业化生产提供了可行的技术方案。关键词：1,3-丙二醇，滴流床反应器，流程模拟，节能优化技术

ABSTRACTAsanimportantchemical,1,3-propanediol(1,3-PDO)hasawiderangeofapplicationsinindustriessuchaspharmaceuticals,cosmeticsandplastics.Inparticular,1,3-propanediolcanbeusedasakeymonomerfortheproductionofpolyterephthalicacidpropyleneglycol(PTT),ahigh-performancepolyestermaterial.Inviewofthehighenergyconsumptionandpollutionproblemsintheproductionof1,3-propanediolbytraditionalchemicalmethod,thisdesignproposesagreenprocessrouteusingglycerol,waterandhydrogenasrawmaterials,andcarriesouttheprocessdesignfortheco-productionof0.5milliontonnesofhydroxyacetonefrom33,000tonnesof1,3-propanediolperyearbyusingAspenPlusprocesssimulationtechnologywithahighresourceutilisationrate.Theprojectfollowstheconceptofcleanandgreenproduction,andtheprocessisdesignedwiththreerecyclepaths,namelyrawmaterialwaterrecycle,acroleinrecycleandhydrogenrecycle,whichsignificantlyimprovestheproductyieldandreducesthewasteliquiddischarge.Throughenergy-savingtechnologiessuchasdifferentialpressureheat-coupleddistillation,heatpumpdistillation,double-effectdistillationandthedesignoftheheatexchangenetwork,processenergysavinghasbeenrealised,reducingenergyconsumptionandcarbonemissions.Adrip-bedreactorwasselectedforthehydrogenationsectionof3-hydroxypropionaldehyde,withauniformflowrate,whichcanachievealargenumberofcontinuousstandardisedproduction,andthereactionconditionsaremildandenvironmentallyfriendly.Theresultsshowthattheprocessnotonlymeetstherequirementsofgreenandcleanproduction,butalsohashigheconomicandenvironmentalbenefits,providingafeasibletechnicalsolutionfortheindustrialproductionof1,3-propanediol.KEYWORDS：1,3-Propanediol,DripBedReactor,ProcessSimulation,EnergySavingOptimisationTechnology

表5-3所示。表5-SEQ表5-\*ARABIC3出料流股信息相态单位汽相液相组分质量流量质量分率质量流量质量分率水kg/hr95.180.318370.000.0000丙烯醛kg/hr4.870.016300.000.0000氢气kg/hr0.250.00080.000.00003-羟基丙醛kg/hr1.130.00380.000.0000乙缩醛kg/hr68.650.229695.180.0000DIMACRkg/hr128.840.43104.870.00001,3-丙二醇kg/hr0.040.00010.250.89804-杂氧基庚二醛kg/hr0.000.00001.130.0455DIMHPAkg/hr0.000.000068.650.0561

第6章能量集成及换热网络设计6.1节能技术分析6.1.1概述使用AspenEnergyAnalyzerV11软件，对未加入节能设备的流程进行分析首先对最小换热温差进行分析ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>洪小东</Author><Year>2019</Year><RecNum>18</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[12]</style></DisplayText><record><rec-number>18</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59w0p5frwvdvsiexfd2v0vtv0aedaww09swz"timestamp="1746172267">18</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>洪小东</author></authors><tertiary-authors><author>汪燮卿,</author><author>廖祖维,</author><author>阳永荣,</author><author>王靖岱,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>换热网络合成与优化方法研究</title></titles><keywords><keyword>换热网络</keyword><keyword>热集成水网络</keyword><keyword>概念设计法</keyword><keyword>数学规划法</keyword><keyword>混合整数非线性规划</keyword><keyword>厂际热集成</keyword><keyword>求解策略</keyword></keywords><dates><year>2019</year></dates><work-type>博士</work-type><urls><related-urls><url>/doi/10.27461/ki.gzjdx.2019.000851</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.27461/ki.gzjdx.2019.000851</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"洪小东,2019#18"12]。作出总费用随关系曲线，如图6-1所示。图6-1总费用随最小换热温差关系图（不含节能技术）根据图6-1，选取总费用最低点对应的温差（10℃）作为传热计算参数。从曲线变化趋势可见，总费用随最小换热温差的增大呈现先下降后上升的规律，在10℃处达到最小值。值得注意的是，当换热温差过小时，不仅会提高操作难度，还可能导致实际换热器无法实现理论上的小温差传热效果，同时也会对换热器材料提出更高要求，而这些因素在Aspen模拟中难以完全体现。考虑到工业实践中最小换热温差通常维持在10℃左右的经验值，为确保换热过程的可行性并避免小温差传热带来的技术难题。因此，最小换热温差取10℃，绘制组合曲线如图6-2所示，总复合曲线如图6-3所示。图6-2组合曲线图（不含节能设备）图6-3总复合曲线图（不含节能设备）从组合曲线和温焓图可以看出，在100℃左右存在热平台和冷平台且能量较大，夹点之上平台区需要加热的流股ToCondenser@T0102_TO_0118和ToCondenser@T0202_TO_0232，夹点之下平台区需要加热的流股ToReboiler@T0102TO0119和ToReboiler@T0202_TO_0233。同时，可以发现，200摄氏度时夹点之下存在一个小的平台ToReboiler@T0402_TO_0408。则需要对T0102、T0202和T0402采用节能措施。T0102与T0202塔顶底温差过大，两塔冷凝器热负荷绝对值接近于再沸器热负荷绝对值，且负荷较大，故可以使用差压热耦合精馏与双效精馏。而T0402塔顶与塔底的温差适中，塔釜再沸器流股平台区处于夹点之上，可以改装为热泵精馏塔，从而增大换热量。最终决定将T0102、T0202运用多效精馏和差压热耦合节能技术，T0402运用热泵精馏技术。6.1.2T0201差压热耦合精馏技术分析差压热耦合技术是通过将常规精馏塔拆分高压塔和低压塔两个压力不同的塔，利用高压塔顶蒸汽来加热低压塔底物流，实现塔顶与塔底之间的能量交互耦合，大幅度减少能耗ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>李爱国</Author><Year>2025</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[13]</style></DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59w0p5frwvdvsiexfd2v0vtv0aedaww09swz"timestamp="1746172426">19</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>李爱国</author><author>彭华忠</author><author>李楠</author><author>王跃宇</author><author>姜占坤</author></authors></contributors><auth-address>山东瀚华工程设计有限公司;济南大学化学化工学院;</auth-address><titles><title>热耦合精馏技术研究与应用进展</title><secondary-title>当代化工研究</secondary-title></titles><periodical><full-title>当代化工研究</full-title></periodical><pages>24-26</pages><number>05</number><keywords><keyword>热耦合精馏</keyword><keyword>内部热耦合精馏</keyword><keyword>差压热耦合精馏</keyword><keyword>节能优化</keyword></keywords><dates><year>2025</year></dates><isbn>1672-8114</isbn><call-num>10-1435/TQ</call-num><urls><related-urls><url>/doi/10.20087/ki.1672-8114.2025.05.008</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.20087/ki.1672-8114.2025.05.008</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"李爱国,2025#19"13]。对T0102采用差压热耦合精馏技术，改造成T0102-1（低压塔）和T0102-2（高压塔）。差压热耦合精馏技术Aspen模拟流程见图6-4所示。图6-4T0102差压热耦合精馏技术首先把T0102拆成低压（T0102-1）和高压(T0102-2)两个塔，两个塔的塔板数之和为原单塔的塔板数。并通过调节高压塔的压力使其达到换热要求，以及设计规范优化T0102-1和T0102-2的回流比，使其达到单塔的分离要求，再通过工艺流程选项中的设计规范选项，使得T0102-1的再沸器负荷和T0102-2的冷凝器负荷之和为零，为后续差压热耦合精馏模拟奠定基础，具体优化过程见图6-5。图6-5T0102-1及T0102-2优化过程节能效果见表6-1所示。表6-1T0102运用差压热耦合精馏技术后能量分析项目冷凝器热负荷（kW）再沸器热负荷（kW）泵（kW）总计（kW）运用节能技术前能量消耗-15733.47315800.776-31534.249运用节能技术后能量消耗-8532.9889188.2360.52517722.799能量节约（%）能耗节约百分比=(1-(差压热耦合总能耗+电×3)/单塔总能耗)×100%=(1-17722.799/31534.249)×100%=43.79%6.1.3T0202双效精馏技术分析多效精馏以低能耗、具备较高热力学效率等特点成为现在节能技术研究的热门方向。多效精馏的节能效果η与效数N的关系为：由该式可知，效数越多则节能效果越明显ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陈万源</Author><Year>2024</Year><RecNum>20</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[14]</style></DisplayText><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59w0p5frwvdvsiexfd2v0vtv0aedaww09swz"timestamp="1746172769">20</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>陈万源</author><author>罗开</author><author>张征贵</author><author>杨猛</author><author>刘冬霞</author></authors></contributors><auth-address>贵州思远工程科技有限公司;广东政和工程有限公司贵州分公司;</auth-address><titles><title>多效精馏节能在化工分离中的应用研究</title><secondary-title>山西化工</secondary-title></titles><periodical><full-title>山西化工</full-title></periodical><pages>200-201</pages><volume>44</volume><number>11</number><keywords><keyword>多效精馏</keyword><keyword>节能</keyword><keyword>化工分离</keyword></keywords><dates><year>2024</year></dates><isbn>1004-7050</isbn><call-num>14-1109/TQ</call-num><urls><related-urls><url>/doi/10.16525/14-1109/tq.2024.11.068</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.16525/14-1109/tq.2024.11.068</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"陈万源,2024#20"14]。考虑到3-羟基丙醛在本工艺体系中是作为中间产物存在，其提纯需求量较小，采用双效精馏技术能够达到要求。对T0202进行双效精馏改造，改造成T0202-1（低压塔）和T0202-2（高压塔）。双效精馏Aspen模拟流程见图6-6所示。图6-6T0202双效精馏技术同样，先把T0202拆成低压（T0202-1）和高压(T0202-2)两个塔，两个塔的塔板数之和为原单塔的塔板数。并通过调节高压塔的压力使其达到换热要求，以及设计规范优化T0202-1和T0202-2的回流比，使其达到单塔的分离要求，再通过工艺流程选项中的设计规范，使得T0202-1的再沸器负荷和T0202-2的冷凝器负荷之和为零，为后续双效精馏模拟奠定基础，具体优化过程见图6-7。图6-7T0202-1及T0202-2优化过程节能效果见表3-3所示。表6-2T0202运用双效精馏技术后能量分析项目冷凝器热负荷（kW）再沸器热负荷（kW）泵（kW）总计（kW）运用节能技术前能量消耗-28852.9928878.96-57731.95运用节能技术后能量消耗-14473.4115603.501.9130082.64能量节约（%）能耗节约百分比=(1-(双效总能耗+电×3)/单塔总能耗)×100%=(1-30082.64/57731.95)×100%=47.89%6.1.4T0201与T0202邻塔间热泵精馏技术分析由上表6-2可知，T0202-1的冷凝器负荷仍很高，冷凝器温度为68.09℃，同时，再次对平台区分析需对T0202-1冷凝器采取节能措施，T0201的温度为83.25℃，符合热泵精馏的条件。虽仅仅将釜液用于另一塔的再沸器加热并非节能技术，但由于将塔模块中的全凝器或再沸器拆除会导致流程稳态的破坏，无法简单地将加热器模块Heater改为换热器模块HeatX，故此步骤在换热网络优化之前进行，并入换热网络优化前的节能方案中。邻塔间热泵精馏Aspen模拟流程见图6-8所示图6-8邻塔间热泵精馏技术节能效果见表6-3所示。项目冷公用工程用量(kW)热公用工程用量(kW)用电量（kW）总能耗（kW）普通精馏-14473.413057.49-17530.90邻塔间热泵精馏-11731.31-330.4112722.54能量节省量/%(1-(11731.31+330.41.09×3)/17530.90)×100%=27.43%表6-3T0201与T0202邻塔间热泵精馏技术结果分析6.1.5T0402热泵精馏技术分析T0402精馏塔塔顶和塔釜的温度相差为41℃，同时1，3-丙二醇沸点较高，满足热泵精馏要求。将T0402塔顶蒸汽压缩后用于与塔底液体换热以实现再沸，作为塔底加热蒸汽，而塔顶蒸汽经换热过程冷凝后再进行部分采出操作。热泵精馏Aspen模拟流程见图6-9所示。图6-9T0402热泵精馏技术节能效果见表6-4所示。项目冷公用工程用量(kW)热公用工程用量(kW)用电量（kW）总能耗（kW）普通精馏1874.091888.13-3762.22热泵精馏350.92148.46229.091186.65能量节省量/%1-(350.92+148.46+229.09×3)/3762.22×100%=68.46%表6-4T0402运用热泵精馏技术后能量分析6.1.5节能技术小结在AspenEnergyAnalyzerV11中对最小换热温差进行分析，作出总费用随最小换热温差的关系曲线，如图6-10所示。图6-10总费用随最小换热温差关系图（含节能设备）6.2换热网络设计使用AspenEnergyAnalyzer进行换热网络设计时，由于自度较大所以会存在很多种设计方案。因此在换热网络设计前，依据工业生产实际，可直接剔除部分流股与设备热负荷，从而简化设计过程，具体如下：（1）删除反应器R0101、R0201、R0202的反应热，降低换热网络复杂程度。（2）删除双效精馏、热泵精馏、差压热耦合精馏、邻塔间热泵精馏技术中的换热器。冷热流股信息如表6-5和表6-6所示。表6-5工艺过程物流信息表过程流股加热/冷却进口温度/℃出口温度/℃热负荷/MW0416_To_PDO冷却191.5540.000.430403_To_0404冷却222.32190.000.110121_To_0122冷却151.9745.000.030303_To_0304冷却78.3445.000.170305_To_0306加热45.0080.000.180101_To_0102加热86.58330.008.330233_To_0234冷却188.6855.000.360103_To_0104冷却330.0060.0015.510205_To_0206冷却50.0025.001.280202_To_0203冷却79.4950.002.460118_To_0124冷却71.2130.001.25表6-6塔设备物流信息表塔位号换热器类型进口温度/℃出口温度/℃热负荷/MWT0201冷凝器19.579.002.76T0201再沸器54.5262.442.77T0102冷凝器98.5856.118.53T0102再沸器118.01119.749.19T0103冷凝器104.86104.831.36T0103再沸器151.69151.971.34T0104冷凝器55.6855.181.66T0104再沸器103.18103.213.06T0201冷凝器52.9534.460.03T0202-2再沸器161.01188.6815.60T0401冷凝器137.13118.860.29T0401再沸器221.76222.320.806.2.1换热网络设计在AspenEnergyAnalyzerV11.0中输入上述工艺流股数据，在1~36℃范围内，以3℃为步长，得出总费用-最小传热温差关系曲线如图6-11所示。图6-11全工段总成本与最小传热温差△Tmin的关系图（原始工艺）通过对图6-11的分析可知，在1~10℃区间内，成本费用随最小传热温差的增加而降低；而在10℃~35℃范围内，成本费用则随最小传热温差的增大而上升。于是，本设计将最小传热温差选定为10℃。得到温焓图和总组合曲线如图6-12、图6-13所示：图6-12全工段物流温焓图（含节能技术）图6-13全工段物流总组合曲线图（含热泵、双效节能技术）进行换热网络优化前换热网络见图6-14：图6-14优化前换热网络6.2.2推荐方案在AspenEnergyAnalyzerV11以夹点温差为10℃进行换热网络方案推荐，从所列10个方案中挑选经济性最优者用于后续优化环节，方案选择见表6-7。表6-7推荐方案信息序号方案TotalCostIndex（Cost/s）%ofTarget备注1A_Design24.027500.42A_Design34.035501.43A_Design41.039129.14A_Design51.038129.05A_Design61.036128.7最优方案6A_Design71.039129.17A_Design84.058504.38A_Design91.045129.99A_Design101.053130.910A_Design111.050130.4分析比较10种方案的TotalCostIndex，综合考虑所需费用，选用A_Design9进行后续的优化过程，该方案换热网络如图6-15：图6-15最优推荐方案的换热网络由图可知，该换热网络设计复杂，许多换热器的设置不合理，需要进一步优化。6.2.3手动优化上述推荐方案中，部分换热器因换热面积小、热负荷低，可以撤除。另有一些换热器由于间距过大，尽管理论上存在合并换热的可行性，但在实际生产中，通常仍需独立进行换热操作。此外，该换热网络存在较多LOOP回路，这类回路在实际运行中较少出现ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>洪小东</Author><Year>2019</Year><RecNum>18</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[12]</style></DisplayText><record><rec-number>18</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59w0p5frwvdvsiexfd2v0vtv0aedaww09swz"timestamp="1746172267">18</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>洪小东</author></authors><tertiary-authors><author>汪燮卿,</author><author>廖祖维,</author><author>阳永荣,</author><author>王靖岱,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>换热网络合成与优化方法研究</title></titles><keywords><keyword>换热网络</keyword><keyword>热集成水网络</keyword><keyword>概念设计法</keyword><keyword>数学规划法</keyword><keyword>混合整数非线性规划</keyword><keyword>厂际热集成</keyword><keyword>求解策略</keyword></keywords><dates><year>2019</year></dates><work-type>博士</work-type><urls><related-urls><url>/doi/10.27461/ki.gzjdx.2019.000851</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.27461/ki.gzjdx.2019.000851</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"洪小东,2019#18"12]。因此需要对系统推荐的换热网络进行调优。（1）删除换热面积＜1m2的换热器，见图6-16所示。图6-16换热面积＜1m2的换热器（2）删除LOOP回路，见图6-17所示。图6-17LOOP回路（3）删除跨车间换热器，见图6-18所示。图6-18跨越车间的换热器（4）删除复杂换热，见图6-19所示。图6-19复杂换热路径（5）补齐公用工程在化工过程中，当某一流股与多种公用工程进行换热时，能降低操作成本，但会导致换热器数量增加，进而提升设备费用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>洪小东</Author><Year>2019</Year><RecNum>18</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[12]</style></DisplayText><record><rec-number>18</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59w0p5frwvdvsiexfd2v0vtv0aedaww09swz"timestamp="1746172267">18</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>洪小东</author></authors><tertiary-authors><author>汪燮卿,</author><author>廖祖维,</author><author>阳永荣,</author><author>王靖岱,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>换热网络合成与优化方法研究</title></titles><keywords><keyword>换热网络</keyword><keyword>热集成水网络</keyword><keyword>概念设计法</keyword><keyword>数学规划法</keyword><keyword>混合整数非线性规划</keyword><keyword>厂际热集成</keyword><keyword>求解策略</keyword></keywords><dates><year>2019</year></dates><work-type>博士</work-type><urls><related-urls><url>/doi/10.27461/ki.gzjdx.2019.000851</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.27461/ki.gzjdx.2019.000851</electronic-resource-num><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"洪小东,2019#18"12]。最终的换热网络如图6-20所示：图6-20补齐公用工程后换热网络（6）手动添加2台流股间换热器因甘油脱水工段原产物需要升温至330℃进行反应，反应后又需降温至60℃进行分离提纯，故将反应产物的部分热量用于反应原料的预热。可在此工段手工增加1台流股间换热，使用反应后的流股作为热流股给反应原料进行预热。因产物需要由191.5℃降温至40℃后进入储罐，其热量可用于同车间反应原料加热。上述流股间换热器如图6-21所示。图6-21手动添加2台流股间换热器6.2.4最终方案确定优化后的换热网络如图6-22所示，所需换热器台数为24台，包括4个流股热量回收利用的换热器，有效减少设备投资。公用工程负荷对比如表6-8所示。图6-22最终换热网络方案表6-8公用工程对比表项目冷公用工程（MW）热公用工程（MW）总计（MW）原公用工程54.7841.5496.32换热网络设计后公用工程48.6336.2384.86能量节约（%）11.2312.7811.906.3本章小结本设计采用热集成节能技术，借助AspenEnergyAnalyzerV11.0软件完成换热网络的设计，实现能量高效回用。通过换算后节能58.85MW，需要冷公用工程48.63MW，热公用工程36.23MW，实现了较大程度的能量回收。表6-9公用工程明细表公用工程进口温度（℃）出口温度（℃）介质负荷（MW）CW2737冷却水43.14SALT1712冷冻盐水2.558SALT2-12-7冷冻盐水2.94RY380350热油5.953LP207.1206.1低压蒸汽29.11MP247.3246.3中压蒸汽0.9478

第7章反应器设备设计7.1概述反应器是化工生产的核心设备，可实现液相单相及液液、气液、气固、液固、气液固等多相反应过程。与其它化工设备相比，反应器运行更为复杂，不仅包含物理变化，还涉及化学反应、热量传递和物质传输等多个过程。反应器性能优劣不仅直接影响化学反应进程，还影响产物分离效果，故而在设计时需综合考量多方因素ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>石腊梅</Author><RecNum>25</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[15]</style></DisplayText><record><rec-number>25</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59w0p5frwvdvsiexfd2v0vtv0aedaww09swz"timestamp="1746175753">25</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>石腊梅</author><author>李立威</author><author>张伟军</author></authors></contributors><titles><title>化工设备机械基础</title></titles><pages>260</pages><edition>1</edition><dates><pub-dates><date>202408</date></pub-dates></dates><publisher>化学工业出版社</publisher><isbn>978-7-122-45853-7</isbn><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"石腊梅,#25"15]。7.2反应器类型反应器按结构大致可分为釜式、管式、固定床和流化床等。7.2.1釜式反应器反应釜具有较强的通用性，成本较低，应用范围广泛。它可以连续操作，也可以间歇操作。连续操作时，通过多个反应釜串联，可精准调控停留时间。而间歇操作中，合理设计搅拌方式，能够确保温度一致、浓度均匀。此外，反应完成后物料排出便捷，设备清洗简单。7.2.2管式反应器管式反应器最大特点是传热面积大，传热系数高，其可实现反应连续化，流体流动迅速，物料停留时长较短。通过特定的控制方法，该反应器能够形成一定的温度与浓度梯度。因其直径较小，故具备耐高温高压的优势。7.2.3固定床反应器固定床反应器主要用于气-固相反应，其结构简单，操作稳定，便于控制，能够实现连续操作。加热方法灵活多样，反应温度可设得较高，主要分为三种类型，即轴向绝热式、径向绝热式以及列管式固定床反应器。7.2.4流化床反应器流化床反应器的特点是细的或粗的固体粒子在床内均非静止状态，而是在高速流体作用下会被扰动并悬浮，呈现剧烈运动状态，适用于气-固和液-固相反应。它的最大优势在于传热面积广且传热系数高，可实现高效传热。然而，由于物料返混严重及颗粒磨损明显，该体系需配备粒子回收与除尘设备。7.3反应器的选择本反应器主要针对的是3-羟基丙醛在Ni/SiO2/Al2O3固体催化剂催化下进行加氢反应(R0301)。该反应为汽-液放热反应，根据动力学文献，该工艺可在滴流床反应器中进行，故本设计选择滴流床反应器。这种反应器又称涓流床反应器，液体以薄层状流经固体催化剂，呈分散相分布，气体作为连续相可进行并流或逆流运动，鉴于气液并流下行时压降较低且不易发生液泛现象，因而是滴流床最广泛使用的操作形式ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>马守涛</Author><Year>2021</Year><RecNum>21</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[16]</style></DisplayText><record><rec-number>21</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59w0p5frwvdvsiexfd2v0vtv0aedaww09swz"timestamp="1746175301">21</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>马守涛</author><author>王保举</author><author>孙发民</author><author>谭青峰</author><author>罗勇</author><author>初广文</author></authors></contributors><auth-address>中国石油石油化工研究院大庆化工研究中心;北京化工大学教育部超重力工程研究中心;中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院;</auth-address><titles><title>滴流床多相催化反应器强化技术研究进展</title><secondary-title>石油化工</secondary-title></titles><periodical><full-title>石油化工</full-title></periodical><pages>727-731</pages><volume>50</volume><number>07</number><keywords><keyword>滴流床反应器</keyword><keyword>强化技术</keyword><keyword>流体力学</keyword><keyword>多相催化</keyword></keywords><dates><year>2021</year></dates><isbn>1000-8144</isbn><call-num>11-2361/TQ</call-num><urls><related-urls><url>/kcms2/article/abstract?v=IP3-TJYmrEvGu6ncqpF8dXZmXa6nZ9myIx7X_eZNvVybI0blSG_AnZ1LZFtM2g9ztLX5FpEj7LoiISs7n9xavMXcpgmoQKtC4m4q0YPfsQpn1gwBNKFG1DgG0Ad0690AXQOTwSYOWdFDo2pLaY-Y9FHkwGGd6p0mf0oGtQMT4PVwwFMCP-8EIyvwQ74R8jfy6YyoQqhnfDg=&uniplatform=NZKPT&language=CHS</url></related-urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"马守涛,2021#21"16]。7.4催化剂参数根据动力学文献ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Zhu</Author><Year>1997</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[11]</style></DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59w0p5frwvdvsiexfd2v0vtv0aedaww09swz"timestamp="1746171474">17</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Zhu,X.D.</author><author>Valerius,G.</author><author>Hofmann,H.</author><author>Haas,Th</author><author>Arntz,D.</author></authors></contributors><titles><title>IntrinsicKineticsof3-HydroxypropanalHydrogenationoverNi/SiO2/Al2O3Catalyst</title><secondary-title>Industrial&EngineeringChemistryResearch</secondary-title></titles><periodical><full-title>Industrial&EngineeringChemistryResearch</full-title></periodical><pages>2897-2902</pages><volume>36</volume><number>8</number><dates><year>1997</year><pub-dates><date>1997/08/01</date></pub-dates></dates><publisher>AmericanChemicalSociety</publisher><isbn>0888-5885</isbn><urls><related-urls><url>/10.1021/ie9601561</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1021/ie9601561</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Zhu,1997#17"11]，本设计方案中3-羟基丙醛加氢反应使用Ni/SiO2/Al2O3催化剂。催化剂参数如表7-1。表7-1催化剂的化学组成和物理性质化学组成物理性质组成质量百分数形态圆柱形Ni50-52尺寸Φ0.8×3~8mmSiO225堆积密度600kg/m3Al2O310粒度1430kg/m3其他13-15表面积209m2/g平均直径(nm)微孔0.8中孔3.97.5反应条件当搅拌速度大于400r/min时，在催化剂用量为20g/L时，可以忽略气液固传质阻力。原料为3-羟基丙醛和氢气，反应温度为45℃，反应压力为3MPa。7.6反应动力学说明在Ni/SiO2/Al2O3催化剂催化下，3-羟基丙醛进行加氢反应，生成1,3-丙二醇，涉及反应方程见第二章ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Zhu</Author><Year>1997</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[11]</style></DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59w0p5frwvdvsiexfd2v0vtv0aedaww09swz"timestamp="1746171474">17</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Zhu,X.D.</author><author>Valerius,G.</author><author>Hofmann,H.</author><author>Haas,Th</author><author>Arntz,D.</author></authors></contributors><titles><title>IntrinsicKineticsof3-HydroxypropanalHydrogenationoverNi/SiO2/Al2O3Catalyst</title><secondary-title>Industrial&EngineeringChemistryResearch</secondary-title></titles><periodical><full-title>Industrial&EngineeringChemistryResearch</full-title></periodical><pages>2897-2902</pages><volume>36</volume><number>8</number><dates><year>1997</year><pub-dates><date>1997/08/01</date></pub-dates></dates><publisher>AmericanChemicalSociety</publisher><isbn>0888-5885</isbn><urls><related-urls><url>/10.1021/ie9601561</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1021/ie9601561</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Zhu,1997#17"11]。设计时，在AspenPlus中规定速率基准为“催化剂（重量）”，规定浓度单位为“体积摩尔浓度”。Aspen动力学输入需要的参数如表7-2所示。表7-2动力学参数序号物理量数值单位1k1.545×108kmol/(kg-cat×s)2E55590kJ/kmol7.7反应器设计条件7.7.1模拟结果反应器模拟结果和流股信息如图7-1及表7-3所示：图7-1反应器模拟结果表7-3反应器流股信息项目单位进料出料温度C4545压力bar3029.8摩尔焓kJ/kmol-55791.91611-68830.23031质量焓kJ/kg-4522.401626-5104.184765摩尔熵cal/mol-K-18.3705566-22.58133039质量熵cal/gm-K-1.489087323-1.674544485摩尔密度mol/cc0.0013098320.001294444质量密度kg/cum16.159125117.45565603焓流量MW-6.58318137-7.430072965平均分子量12.3367893313.48505853质量流量kg/hr5240.4573715240.457371水kg/hr84.5389468584.62160761丙烯醛kg/hr3.026661513.160238458甲醛kg/hr1.50014E-221.50014E-22氢气kg/hr733.3164886660.39350333-羟基丙醛kg/hr3838.7043411158.839661乙缩醛kg/hr8.0522783498.182519697DIMACRkg/hr132.5429701132.54297011,3-丙二醇kg/hr3.3146465982755.7556244-杂氧基庚二醛kg/hr194.8678552194.8680637DIMHPAkg/hr242.0931824242.09318247.7.2反应器条件根据Aspen流股模拟数据，设计压力取P=(1～1.1)PW，设计温度一般比最高温度高15℃～30℃左右。因此设计压力：设计温度：7.8反应器工艺设计7.8.1催化剂用量假设该滴流床反应器模型为活塞流模型。催化剂总体积是决定反应器主要尺寸的基本依据，计算公式如下所示：——标准状况下原料气流量，，（——标准立方米，本说明书中标况指101.325kPa，0℃）；——停留时间，h；原料气进料时压力为P1=30bar，温度T1=45℃，此条件下体积流量V1=324.303m3/h，换算成标况下的体积流量：停留时间为0.01639hr，则反应器催化剂床层总体积为：其中催化剂堆积密度为600QUOTEkg/m3，则反应器催化剂用量为：7.8.2床层高度在3MPa的操作压力下，为确保转化率与压降满足要求，该压缩气体的空床流速取0.5m/s较为适宜，则床层直径计算如下：圆整至2.5m。床层高度：圆整至2.6m。7.8.3入口质量通量气体质量通量：液体质量通量：7.8.4压降采用欧根方程ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>孙富伟</Author><Year>2019</Year><RecNum>22</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[17]</style></DisplayText><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59w0p5frwvdvsiexfd2v0vtv0aedaww09swz"timestamp="1746175551">22</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>孙富伟</author><author>刘林洋</author><author>劳国瑞</author></authors></contributors><auth-address>中国昆仑工程有限公司;</auth-address><titles><title>液固模拟移动床床层压降计算方法探讨</title><secondary-title>能源化工</secondary-title></titles><periodical><full-title>能源化工</full-title></periodical><pages>46-50</pages><volume>40</volume><number>01</number><keywords><keyword>液固模拟移动床</keyword><keyword>吸附分离</keyword><keyword>压降</keyword><keyword>计算方法</keyword></keywords><dates><year>2019</year></dates><isbn>2095-9834</isbn><call-num>32-1856/TQ</call-num><urls><related-urls><url>/kcms2/article/abstract?v=IP3-TJYmrEsMGmYw96Qc0LqDzqLUMxk-I57I7WleSlbeJzrK7Yn1fc1kTcUZtJtpoaCG0oaD_ufkigRhr0narWUPwozRRWnMkL-vgeyt3WAMSO4R2o6wSID2Fy8Q5OXNJjb9XkarT_crjmxbUSPxJTgx_0J5fCsr0DS7IOhpf6pTQ9KuTG_wGSBDNdsB17FvCxH2bt0MJ7A=&uniplatform=NZKPT&language=CHS</url></related-urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"孙富伟,2019#22"17]计算填充床内两相压降：：催化剂直径，取0.8mm：气体密度，2.3：气体流率，0.0891：空隙率，取0.4：气体黏度，：气含率，9799代入计算得压降:7.8.5持液量对于出于滴流的弱相互作用流区：其中，：动态持液量；：颗粒比表面积，由动力学文献知可取209；：空隙率，取0.4；：液体雷诺数代入，得：反应器内填料的总持液量为：7.9反应器部件7.9.1入口扩散器设置两个开口以避免物料高速直接冲击分液盘，进料方向与开口呈垂直状态。7.9.2液体分布器滴流床反应器中，液相分布器对其性能起着关键的影响作用。较差的液体分布，会导致气或液相的局部聚集。因此，优化反应器性能，使得入口位置和床层内部的液相均匀分布十分关键。液体分布器的期望特性如下：（1）低压降；（2）能够在较大的气液流速范围内工作；（3）不易堵塞和结垢；（4）易于操作；（5）易于安装、维护和清洗。综上所述，选择排管式分布器，液体沿着中央管流动，并向径向分布的T形支管扩散。该分布器具有显著优势，其产生的压降小，气流与液相能够单独进料，相互作用较弱，影响液体均匀分布的关键因素主要为支管的数量以及支管上凹槽的数量。将填料分为三段，每段7.4m高。7.9.3防污篮筐由若干个孔篮筐用链条连接，周围充填惰性材料。其结构可为反应物流入提供较大表面积，同时捕集锈皮与沉积物，且不会导致压力降过度提升。7.9.4接管反应器进料接管计算：进料体积流量为320.76m3/h，取气体流速为10m/s根据GBT17395-2008无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差，选取外径为114mm，壁厚为3mm的无缝钢管ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>刘祥初</Author><Year>2009</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[18]</style></DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59w0p5frwvdvsiexfd2v0vtv0aedaww09swz"timestamp="1746175551">23</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>刘祥初</author></authors></contributors><auth-address>成都华西化工科技股份有限公司;</auth-address><titles><title>压力管道壁厚选择及相关应力的问题</title><secondary-title>广州化工</secondary-title></titles><periodical><full-title>广州化工</full-title></periodical><pages>163-164+170</pages><volume>37</volume><number>06</number><keywords><keyword>压力管道</keyword><keyword>壁厚</keyword><keyword>应力</keyword></keywords><dates><year>2009</year></dates><isbn>1001-9677</isbn><call-num>44-1228/TQ</call-num><urls><related-urls><url>/kcms2/article/abstract?v=IP3-TJYmrEs8tP8HHTPDejRSum6xl95FEWWgWPds0jxhPFPhcSaBEV4CWWziDcB2RaDrchKwAkdiFeL_atZPOVDTCYirQZzS5jwBcNBvq-CV0Xi_bSMg66Fyl1H1r5QMxUsbsVZzJeRvMGAEV-mNH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第8章安全与环保8.1安全管理8.1.1工艺安全在工艺安全方面，本设计采用本质安全设计原则，本质安全是通过源头设计消除或降低风险，而非依赖后期控制措施。其重点在于使系统自身具有安全性，即便出现故障或操作不当，也可防止事故。在本设计中，主要原料为低毒、低反应活性的原料甘油，替代丙烯醛直接进料。为有效防范火灾爆炸、有毒物质泄漏、人员灼伤及电气事故等潜在风险，必须建立完善的安全管理体系。具体措施包括：严格执行设备巡检与维护制度，规范危险化学品的储存与使用流程，配备个人防护装备，制定切实可行的应急预案，并定期组织安全培训与演练。同时，必须严格遵守国家安全生产法规及行业标准要求，确保各项安全措施落实到位，为员工创造安全可靠的工作环境ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>吴兴发</Author><Year>2025</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[19]</style></DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59w0p5frwvdvsiexfd2v0vtv0aedaww09swz"timestamp="1746176112">26</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>吴兴发</author><author>李明</author><author>王耒</author></authors></contributors><auth-address>兰州兰煤置业有限公司;兰州国信环境能源科技有限责任公司;</auth-address><titles><title>化工安全生产管理及事故应急措施</title><secondary-title>中国石油和化工标准与质量</secondary-title></titles><periodical><full-title>中国石油和化工标准与质量</full-title></periodical><pages>25-27</pages><volume>45</volume><number>05</number><keywords><keyword>化工企业</keyword><keyword>安全生产</keyword><keyword>事故应急