年产1万吨丙烯醛水合加氢法制备1,3-丙二醇项目精制工段的工艺设计

年产1万吨丙烯醛水合加氢法制备1,3-丙二醇项目精制工段的工艺设计摘要：1,3-丙二醇作为聚合单体，是合成高性能聚酯材料聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）的主要原料；此外，作为化工原料，可用于增塑剂、洗涤剂、防腐剂、乳化剂的合成，在食品、化妆品和制药等行业也有广泛应用，但是，我国1,3-丙二醇产能不足和技术落后成为限制PTT产业发展、拓展1,3-丙二醇的应用领域的“卡脖子”问题，对其工艺路线进行设计具有重要意义。本项目采用丙烯醛法制备1,3-丙二醇，对其精制工段进行工艺设计。首先，依据技术先进、合理、可靠等原则，利用Aspenplus软件对该工段进行纤细流程设计和工艺优化，获得该工段主要物料和能量衡算的初步数据，为后续设计提供基础设计；其次，根据该精制工段产品纯度要求高、操作条件精准控制等特点，并依据Aspenplus获得物料和能量衡算数据，对该工段非标设备塔设备T进行详细设计计算，最后，还对该工段车间布置、安全与环保、经济预算与评价等进行设计或概算，结果显示，该项目合理、安全、环保、经济利润高，符合国家十二五-“绿色、低碳和环保”,具有较强理论指导和实践应用价值。关键词：丙烯醛；水合加氢；1，3-丙二醇

ProcessDesignoftheRefiningSectionfora10,000-ton-per-year1,3-PropanediolProjectPreparedbyHydrationandHydrogenationofAcroleinAbstract:1,3-Propyleneglycol,asapolymermonomer,isthemainrawmaterialforsynthesizinghigh-performancepolyestermaterialpolytrimethyleneterephthalate(PTT).Additionally,asachemicalrawmaterial,itcanbeusedinthesynthesisofplasticizers,detergents,preservatives,andemulsifiers,andiswidelyappliedinthefood,cosmetics,andpharmaceuticalindustries.However,theinsufficientproductioncapacityandbackwardtechnologyof1,3-propanediolinChinahavebecomethe"bottleneck"issuesrestrictingthedevelopmentofthePTTindustryandtheexpansionoftheapplicationfieldsof1,3-propanediol.Therefore,thedesignofitsprocessrouteisofgreatsignificance.Thisprojectusestheacroleinmethodtoprepare1,3-propanediolanddesignstheprocessforthepurificationsection.Firstly,basedontheprinciplesofadvancedtechnology,rationality,andreliability,theAspenPlussoftwareisutilizedtoconductdetailedprocessdesignandoptimizationforthissection,obtainingthepreliminarydataofmaterialandenergybalanceforthissection,whichprovidesabasisforsubsequentdesign.Secondly,consideringthehighpurityrequirementoftheproductandtheprecisecontrolofoperatingconditionsinthispurificationsection,andbasedonthematerialandenergybalancedataobtainedfromAspenPlus,detaileddesignandcalculationofthenon-standardequipmenttowerTinthissectionarecarriedout.Finally,thelayoutoftheworkshop,safetyandenvironmentalprotection,economicbudgetandevaluationofthissectionarealsodesignedorestimated.Theresultsshowthatthisprojectisreasonable,safe,environmentallyfriendly,andhashigheconomicprofits,whichisinlinewiththenational"12thFive-YearPlan"of"green,low-carbonandenvironmentalprotection",andhasstrongtheoreticalguidanceandpracticalapplicationvalue.Keywords：Acrolein；Hydrogenationhydration；1,3-Propyleneglycol目录第一章 引言 11.1设计目的 11.2工艺技术 11.3产品概况 1第二章国内外生产现状 12.1国外生产现状 12.2国内生产现状 1第三章生产工艺方案 33.1环氧乙烷法 33.1.1制备方法 33.2丙烯醛法 43.2.1制备方法 53.3生物发酵法 53.3.1制备方法 53.4工艺选择 6第四章工艺流程介绍 94.1工艺流程阐述 94.2主要原料与辅助材料用量及来源 104.3PDO精制的工艺流程图bx 10第五章物料衡算 95.1物料衡算数据 95.2水合加氢精制工段物料平衡 9第六章能量衡算 166.1丙烯醛水合精制工段物料衡算 166.1.1塔设备能量衡算 166.1.2其他设备能量衡算 17第七章设备设计计算和选型 167.1塔设备选型 167.1.1塔设备简介 167.2.工作性质 167.2.3设计温度与设计压力 187.2.4理论板数与进料板 187.2.4设计条件汇总表 197.3结构设计 197.3.1塔直径和塔板间距 197.3.2塔顶空间设计 197.3.3塔底空间设计 197.3.4人孔 197.3.5设备筒体壁厚计算 207.3.6封头设计 207.4设计汇总 21第八章车间布置设计 298.1设备布置 298.2塔 298.3泵和压缩机 298.4换热器 30第九章环境保护 319.1安全生产 319.2工业卫生 329.3处理措施 329.3.1废水 349.3.2废气 349.3.3废固 35第十章安全与卫生 3510.1生产过程的主要危险 3510.2重大危险源物质辨识与分析 35第十一章投资估算及经济分析 3711.1投资分析 3711.2静态投资回收期 3711.3动态投资回收期 3811.4成本及费用估算 3811.5敏感性分析 38第十二章结论与展望 40参考文献 41致谢 43引言1.1设计目的 以丙烯醛为原料制备丙二醇，要求年产量为1万吨。主要对其精制工段进行工艺设计。1.2工艺技术本项目采取丙烯醛水合加氢法制1,3-丙二醇[1]，1,3-丙二醇作为关键化工中间体，在聚酯材料制造领域应用广泛，且市场需求呈持续上升态势。基于水合加氢法的制备工艺凭借温和的反应条件与成熟的加氢技术，不仅契合绿色化学理念与可持续发展目标，彰显出显著的环境友好特性，还能在实际生产中大幅减少副产物产生，显著提升生产过程的经济效益，因而在中国具备巨大的工业化推广潜力。随着全球对绿色化学和可持续发展的重视程度加深，丙烯醛水合加氢法制备1,3-丙二醇的市场潜力将进一步扩大。非常多企业正积极投入研发与应用推广，以把握这一良好机遇，推动该技术的商业化发展，实现经济效益与环境效益的双赢。具体利用Aspenplus、Cup-Tower、Auto-CAD等先进软件，对精炼过程进行了工艺方案选用、生产流程介绍、物料/能量衡算、设备选型及设计、厂址选择及区域规划、安全保护与环境保护、财务估算和评价的详细设计。1.3产品概况1,3-丙二醇作为关键有机化工原料，在多个领域具有广泛应用，包括油墨制造、涂料生产、化妆品配方、药品制备以及防冻剂等行业。最为重要的应用是充当聚酯、聚醚和聚氨酯的合成单体。这种化合物所制备的聚酯材料[2]不仅具备独特的特性和卓越的性能，还能赋予聚酯塑料可生物降解的特性，使其更易于实现自然循环。1,3-丙二醇产能不足成为我国发展PTT产业、拓展1,3-丙二醇的应用领域的“卡脖子”问题，对其工艺路线进行设计具有重要意义。第二章国内外生产现状2.1国外生产现状从全球市场格局来看，1,3-丙二醇产业保持着稳定增长的发展态势。权威市场研究机构GII（GlobalInfoResearch）的统计数据显示，2020年该产品的全球市场容量已达4.02亿美元。行业分析师预测，随着应用领域的持续拓展，预计到2025年市场规模将扩大至6.91亿美元，充分彰显了这一化工产品在国际市场上的重要地位与发展前景。作为一种重要的精细化工原料，1,3-丙二醇在工业生产中具有广泛的应用价值。其主要用途体现在以下方面,首先，该化合物是制备PTT聚酯的核心原料，PTT聚酯作为一种性能优异的高分子材料，在多个工业领域发挥着重要作用。在纺织领域，由其制成的纤维材料具有优异的回弹性和染色性能；在电子制造领域，因其良好的介电性能和机械强度，常用于电子元器件的封装材料；在汽车工业中，则主要应用于内饰件的生产制造。其次，该产品在多个精细化工领域都有重要应用。在塑料加工行业，它是生产环保型增塑剂的关键中间体；在日化产品领域，合成具有温和亲肤特性的表面活性剂[3]；在食品工业中，可用作安全的品质改良剂；在医药制造领域，既可作为药物合成的中间体，又能作为制剂辅料使用。这些多元化的应用充分体现了1,3-丙二醇在现代化学工业中的核心地位。2.2国内生产现状近年来，中国市场对1,3-丙二醇（1，3-PDO）的消费需求持续攀升，但本土产能尚无法满足市场需求。据统计，在2015到2020这五年间，1，3-PDO的年均消费增速达到26%，到2020年国内总消费量已突破4万吨。由于国内工业化生产技术尚未完全成熟，加之规模化生产能力有限，目前市场供给主要依赖海外进口。数据显示，2020年国内1，3-PDO进口比例接近八成，其中美国杜邦公司是最主要的供应商。这些进口产品主要应用于杜邦在华合作的PTT聚酯代工厂，用于制造高性能PTT聚酯材料。从终端应用来看，2020年中国PDO的消费结构中，PTT聚酯生产占据了绝对主导地位，占比高达九成，而化妆品、医药等领域的用量相对有限。深入剖析2021年PTT聚酯的下游应用可以发现，纺织纤维领域贡献了九成的需求，工程塑料应用仅占一成。这一分布格局反映出当前1，3-PDO的市场需求具有明显的单一性特征，主要集中在PTT纤维制造领域，其他潜在应用市场仍有待进一步开发。

第三章生产工艺方案目前工业上生产1,3-丙二醇的方法主要有：环氧乙烷法、丙烯醛法、生物发酵法三种。3.1环氧乙烷法在1995年美国壳牌公司成功研发出以环氧乙烷[4]（EO）为原料的低成本1,3-丙二醇（1,3-PDO）合成工艺前，它的工业化生产进程长期受多种技术瓶颈制约，极大限制了相关产业的规模化发展。新型合成工艺的成功开发，有效突破了传统技术桎梏，为1,3-丙二醇及其下游产品产业链拓展创造了有利条件，其具体化学反应路径如下：EO+CO+2H2—>HOCH2CH2CH2OH以乙烯为原料制备1,3-丙二醇（1,3-PDO）的工艺中，首段反应流程为：在280℃条件下，借助银催化剂的作用，促使乙烯发生氧化反应，进而转化为环氧乙烷（EO）。后续制备过程存在两条不同的技术路线：其一为一步法，即让环氧乙烷在90℃、10MPa的反应环境及催化剂作用下，直接生成1,3-PDO；其二为两步法，该工艺以环氧乙烷、CO和H₂为初始原料，首先在85℃、10MPa条件下，通过催化剂参与的羰基化反应（又称氢甲酰化反应）生成3-羟基丙醛（3-HPA），随后通过固定床催化加氢步骤，将3-HPA进一步转化为目标产物1,3-PDO。参考壳牌公司公开的专利技术，该制备工艺展现出显著的技术革新。在EO羰基化催化剂体系方面，创新性地采用八碳二钴作为催化活性组分，摒弃了成本高昂的膦配体添加，催化剂用量仅占反应体系总量的0.05%-0.3%，实现了生产成本的大幅优化。反应过程选用MTBE作为溶剂，这种溶剂体系不仅简化了产物与催化剂的分离流程，此外，还可以将反应系统中的3-羟基丙醛(3-HPA)的含量提高到35%甚至更高，在3-HPA的后续处理方面，利用水萃取，钴催化剂的循环利用率达到99.6%。另外，在该羰基化反应系统中准确控制水与3-HPA的浓度，抑制高沸物生成，进而提高反应选择性并控制在90%以上。3.1.1制备方法1.原料准备阶段：把环氧乙烷（EO）与合成气（H₂和CO）按照特定比例进行混合，同时准备好催化剂以及溶剂。2.催化反应过程：在高压釜里，将环氧乙烷、合成气、催化剂和溶剂充分混合。随后加热到适宜温度，一般处于70-110℃这个区间，同时施加高压，压力范围通常在3.45-20.7MPa。在这样的条件下，环氧乙烷与合成气发生羰基化反应，先是环氧乙烷与CO和H₂反应生成中间体3-羟基丙醛（3-HPA），接着3-HPA进一步加氢，最终生成1,3-丙二醇。3.产物分离与精制环节：等反应结束，对反应混合物进行分离操作，目的是除去未反应的原料、催化剂和溶剂等杂质。之后，对含有1,3-丙二醇的混合物开展精制处理，比如采用蒸馏、萃取等方法，以此获得高纯度的1,3-丙二醇产品。3.2丙烯醛法在以丙烯醛水合、氢化方式制备1,3-丙二醇（1,3-PDO）的工艺方法专利申请领域，德国Degussa公司的专利申请数量居于首位。该企业成功实现了丙烯醛为原料生产1,3-PDO的工业化，在同样的技术领域内，专利申请数量仅次于德国Degussa公司的是德国赫司特公司，反应化学方程式为：CH2=CHCHO+H2O—>HOCH2CH2CHO+H2—>HOCH2CH2CH2OH（1）丙烯醛水合制3-HPA在丙烯醛水合制备3-羟基丙醛[5]（3-HPA）的早期研究中，无机酸曾被用作催化剂，但该方法存在明显弊端，不仅产率与选择性欠佳，而且丙烯醛在酸性环境下易发生缩合或聚合反应。为克服这些问题，Degussa公司改用弱酸性离子交换树脂作为催化剂，大幅提升了3-HPA的选择性，以及丙烯醛水合反应的转化率和选择性。（2）3-HPA氢化制1,3-丙二醇在3-羟基丙醛（3-HPA）的加氢反应中，通常会使用经过活性改良的Ni基催化剂，如Ni/Al₂O₃，或是将Pt负载于TiO₂载体、活性炭上。反应过程一般将温度控制在30-180℃，氢气压力维持在10.1-15.2MPa，并且常采用分段加热的操作方式，这样做的目的是为了尽可能使3-HPA的转化率和选择性接近100%，同时提升1,3-丙二醇（1,3-PDO）的产品质量。不同公司在催化剂应用和反应条件上各有特点。壳牌公司采用含Ni50%的Ni/SiO₂/Al₂O₃催化剂，在6.9MPa、50-80℃，且3-HPA浓度处于3%-22.6%的条件下进行加氢反应，取得了优异的效果，3-HPA转化率高达100%，1,3-PDO的选择性甚至超过100%，这意味着该催化剂能够促使部分高沸物转化为目标产物1,3-PDO。3.2.1制备方法1.丙烯醛生产步骤：通过丙烯的催化氧化反应来制备丙烯醛。在这个过程中，需要在特定的反应条件下进行操作，例如使用合适的催化剂，精准控制反应温度等，以确保丙烯醛的顺利生成。2.丙烯醛水合[6]过程：在催化剂（像硫酸或者离子交换树脂）存在的情况下，让丙烯醛与水发生反应，生成3-羟基丙醛（HPA）。这一步必须在适宜的反应条件下进行，以此保证丙烯醛的转化率以及水合产物的选择性达到理想状态。3.3-HPA氢化阶段：在催化剂（比如镍或铜基催化剂）的作用下，对3-羟基丙醛进行加氢反应，从而生成1,3-丙二醇。同样，这一步也需要在合适的反应条件下进行，以保障HPA的转化率和1,3-丙二醇的选择性。4.产物分离与精制环节：和环氧乙烷法相似，反应结束后，需要对混合物进行分离以及精制处理，通过一系列操作来获取高纯度的1,3-丙二醇产品。3.3生物发酵法生物发酵法的生产流程包括原料筛选、发酵过程控制、菌体蛋白去除、脱盐处理及产品精馏等关键工序。在发酵法制备过程中，所得发酵液组分十分复杂，除主要产物1,3-PDO外，还含有大量杂质，如微生物细胞、蛋白质、核酸、多糖类物质、无机盐类、有机酸盐、残余甘油、副产物2,3-丁二醇[7]以及水分等。值得注意的是，1,3-PDO分子具有极强的极性特征，在发酵液中的浓度较低，一般处于50-110克／升。如此一来，从稀溶液里分离回收1,3-PDO就变得相当困难，这也成为了阻碍生物法1,3-PDO工艺实现大规模生产的关键因素。为突破整个分离工艺所面临的诸多难题，亟待进一步优化提纯工艺，特别是要研发出经济高效的分离方法。这样不仅能提高1,3-PDO的收率与品质，还可简化工艺路线、降低能耗，同时回收发酵液中附加值较高的副产物。3.3.1制备方法1.菌种培养阶段：挑选合适的微生物菌种，例如大肠杆菌[8]、植物乳酸杆菌[9]等，然后对其进行培养和驯化，让菌种能够适应生产的实际需求。2.原料准备过程：收集新鲜的生物质原料，比如玉米淀粉、甘蔗汁等，这些将作为微生物发酵的碳源。同时，配制合适的培养基，为微生物的生长和发酵提供所需的养分和适宜条件。3.发酵过程环节：把培养好的微生物接种到培养基当中，在恰当的条件下，包括合适的温度、pH值、搅拌速度以及氧气供应等，开展发酵工作。在发酵期间，微生物利用生物质原料进行代谢活动，进而生成1,3-丙二醇等代谢产物。4.产物提取与纯化阶段：发酵完成后，运用恰当的提取和纯化方法，例如蒸馏[10]、结晶等手段，将1,3-丙二醇从发酵液中分离出来，之后再进行精制处理，以得到高纯度的产品。5.产品精制与包装环节：对精制后的1,3-丙二醇进行进一步的精制操作，比如脱色、除臭等，使其能够满足不同应用领域的要求。最后，将产品进行包装和妥善贮存，保证其稳定性和品质不受影响。3.4工艺选择表3-1三种主要工艺流程比较项目环氧乙烷法丙烯醛法生物发酵法原料来源广泛广泛广泛原料成本高高中等工艺过程简单简单复杂能耗一般一般较低规模生产大规模大规模规模小产品质量较高较高较低收率较高较高较低环保污染中等污染中等污染小投资高高较低由此可知，丙烯醛具有流程简单且成熟、原料广泛且稳定，具有高转化率和高选择性，具有充分的利润空间，可以解决80%下游PTT纤维产业发展不被卡脖子的问题，实现《中国制造2025》、“十四五”规划响应国家号召，实现绿色可持续发展，履行企业社会责任，本项目最终确定丙烯醛水合加氢制备1,3-丙二醇，并结合实际进行改进创新。第四章工艺流程介绍4.1工艺流程阐述本项目以丙烯醛为原料，采用丙烯醛水合加氢法生产1万吨/年的1,3-PDO。本项目生产工艺流程如下所述：（1）来自总厂的丙烯醛，与水混合之后，在催化剂的存在下反应，生成3-羟基丙醛（HPA）。这一步骤需要在适当的反应条件下进行，以确保丙烯醛的转化率和水合产物的选择性,一起作为丙烯醛加氢的进料。（2）将3-羟基丙醛在催化剂的存在下加氢，生成1,3-丙二醇。这一步骤同样需要在适当的反应条件下进行，以确保HPA的转化率和1,3-丙二醇的选择性。（3）反应结束后，将反应混合物进行分离，以去除未反应的原料、催化剂和溶剂等杂质。然后，对含有1,3-丙二醇的混合物进行精制处理，如蒸馏、萃取[11]等，以得到高纯度的1,3-丙二醇产品。图4-1丙烯醛水合精制工段流程图4.2主要原料与辅助材料用量及来源表4-2原材料及辅助材料用量表项目名称数量来源运输方式备注主要原料丙烯醛1.06万t/a山东兴鲁承宏新材料科技有限公司不锈钢槽车或特制的储罐纯度≥99.7%严格遵守危险化学品运输规定，确保安全水0.27万t/a本厂自供-纯度100%氢气2.95t/a山东塞克塞斯氢能源有限公司储罐或管道纯度≥99.99%严格遵守危险化学品运输规定，确保安全辅助材料3-羟基丙醛1.24万t/a山东省立帆化工有限公司汽运每五年添加5%丁酸异丁酯0.06t/a山东济北新材料有限公司汽运每五年添加5%4.3PDO精制的工艺流程图图4-3精制工段Aspen物料模拟图精制工段工艺流程如图4-3所示。本工段共有一股进料：粗1,3-丙二醇进料（0212）；共有四股出料：废液1出料（0214）、废液2出料（0216）、废气出料（0215）、1,3-丙二醇出料（0217）。第五章物料衡算5.1物料衡算数据材料平衡是工程规划体系中的关键环节，通常在工艺流程确定后开展。其核心工作是依据原料进入生产系统的流量、各工序的产出流量与类别，结合产品及副产品的固定产出比例关系，精确估算生产启动所需的原料总量，并明确半成品、主副产品的数量，以及生产过程中的损耗率与组成特性。这些数据为后续的热量平衡计算、技术方案评估、设备选型与布局设计奠定了重要的计算基础。材料平衡分析以质量守恒定律为理论依据，对系统内的物料输入、输出及反应过程进行全面的定量与定性核算。其基本原理可表述为：系统内的总质量等于流入系统的质量、流出系统的质量，以及反应生成和消耗质量的总和。假设系统无泄漏，则有：dF当系统无化学反应发生时，则有：dF在稳定状态下，则有：dF5.2水合加氢精制工段物料平衡表5-1加氢工段物料平衡表项目单位进料出料3-羟基丙醛进料氢气进料循环氢气进料1,3-丙二醇出料3-羟基丙醛出料废气出料1,3-丙二醇出料流股编号—01130204LOOP20214021502160217相态—汽相汽相汽相液相液相汽相液相温度℃32.5969252558.324251.23458.324213.845压力bar0.51501质量汽相分率—1110010质量流量kg/h303.52381.756586.7503293.836529.3930.7732947.287水kg/h5.38500.24666.2985.107E-450.03476.222E-10丙烯醛kg/h298.12004.32494.2631.031E-520.3505.879E-133-羟基丙醛kg/h1.122E-3400.008120.000826316.3444.362E-090.000816丁酸异丁酯kg/h005.017E-063.224E-4265.0011.533E-490低聚异麦芽糖kg/h5.706E-1900.086292.1319.7E-200.01114二聚吲哚kg/h3.013E-6002.106E-051.905E-38145.3791.320E-450氢气kg/h0.01881.756581.9220.009266.32E-1400.3551.765E-48纯碱kg/h2.343E-060000001,3-丙二醇kg/h000.008883010.5512.6690.004172946.992丙酮kg/h000.15430.58271.771E-380.01705.546E-08总计kg/h972.0296771.289第六章能量衡算6.1丙烯醛水合精制工段物料衡算6.1.1塔设备能量衡算（1）T0201表6-1流股焓值信息表单位进料出料摩尔流量kmol/hr51.9946.015.800.18质量流量kg/hr3824.003293.84529.390.77焓kW-6682.56-5644.78-877.51-0.25表6-2能量平衡计算表W/kWQ/KwHin/kWHout/kW0160.02-6682.56-6522.54（2）T0202表6-3流股焓值信息表单位进料出料摩尔流量kmol/hr46.0138.737.28质量流量kg/hr3293.842947.29346.55焓kW-5644.78-4747.05-446.18表6-4能量平衡计算表W/kWQ/kWHin/kWHout/kW0.00451.55-5644.78-5193.236.1.2其他设备能量衡算（1）Y0201表6-5流股焓值信息表单位进料出料摩尔流量kmol/hr51.9951.99质量流量kg/hr3824.003824.00焓kW-6682.56-6682.56表6-6能量平衡计算表W/kWQ/kWHin/kWHout/kW0.000.00-6682.56-6682.56第七章设备设计计算和选型7.1塔设备选型本过程对非标准设备进行设计下面以PDO粗分塔T0201为例进行说明。7.1.1塔设备简介塔设备是物质进行传质过程的主要设备之一，依据传质机理，从生产能力，分离效率，塔压降，操作弹性，操作便利性，结构，制造及造价等等方面分析，板式塔[12]与填料塔化工分离领域各有优劣。填料塔内部填充散装或规整填料，气液在填料层充分接触，比表面积大、传质效率高，适合难分离物系与热敏性物料；但其操作弹性较小，气液负荷大幅变动时易引发液泛、沟流等问题，且填料安装更换较为复杂。板式塔由多层带有筛孔、浮阀等开孔的塔板构成，气液呈阶梯式接触传质，虽传质效率相对逊色，但操作弹性良好，可承受较大范围内的气液负荷波动，不易液泛；同时，塔板安装检修便捷，维护成本较低，气体通过塔板的压降虽偏高，但在部分对压降要求不苛刻的工况下仍能满足需求。综合考虑选择板式塔更为合适，该项目处理量较大，需要设备具有较大的操作弹性来适应生产过程中的波动，板式塔能够更好地满足这一要求。虽然板式塔的传质效率略低于填料塔，但通过合理设计塔板结构和操作参数，可以提高传质效果，满足产品质量要求。此外，板式塔的安装和维护相对简单，能够降低设备的运行成本和维护难度，有利于长期稳定运行。7.2.工作性质T0201是PDO粗分塔，通过Aspen模拟优化，得到T0201进、出口流股信息如下表所示：表7-1T0201PDO粗分塔流股信息项目单位物流进料塔顶出料塔底出料温度℃50.02106.2070.44压力kPa160.0162.0147.0MassFlowsH2Okg/hr66.33310.0345.1E-45ACRkg/hr94.61370.351.031E-52HPAkg/hr316.3444.36E-09316.344C8H16O2kg/hr651.532E-4965DIMACRkg/hr92.140.0119.69E-20DIMHPAkg/hr145.37861.32E-45145.378H2kg/hr0.364670.3556.31E-140AHkg/hr000PDOkg/hr3013.220.00412.6688ACEkg/hr30.59880.0171.77E-38MassFractionsH2O0.0173460.044939.646E-48ACR0.024740.453331.948E-55HPA0.082725.6448E-090.5975C8H16O20.01691.983E-490.1227DIMACR0.0240.0143181.8322E-22DIMHPA0.0381.7E-450.2746H29.536E-050.4591.19E-142AH000PDO0.78790.005390.005ACE0.0080.0223.345E-417.2.3设计温度与设计压力根据GB150-2011标准要求，压力容器操作压力以容器顶部气相压力为准。就T0201设备来说，其顶部气体压力为150.0kPa，考虑到安全防护，塔顶设置防爆阀，按照规范其设计压力应控制在正常操作压力的1.05-1.1倍区间。经计算，理论设计压力p=1.1×150kPa=165kPa。为确保安全裕度，本设计最终选取175kPa作为设计压力，该数值既高于安全阀根部压力，也大于塔釜出料压力，满足设计规范要求。在温度参数设定方面，塔顶操作温度为223.224℃，系统运行过程中最热点温度达251.234℃。依据设计准则，设计温度需高于操作温度15-30℃，因此确定设备设计温度为280℃。设备塔身材料选用S30408不锈钢材质，以满足工艺条件下的耐腐蚀及强度要求。7.2.4理论板数与进料板由Aspen模拟出的理论板数为83块，理论进料板位置为第50块。图7-2理论板数图7-3进料板7.2.4设计条件汇总表表7-4设计条件汇总表设计温度/℃280设计压力/kPa175理论板数83加料位置50塔型筛板塔材料S304087.3结构设计7.3.1塔直径和塔板间距塔径的确定是化工设备设计中的关键环节，其尺寸规划需紧密结合待处理的液体与气体流量，并综合考虑塔体的操作条件。这一条件需满足双重要求：既需避免液泛现象的发生，又要确保塔内气液两相具备优良的传质效果。在传统设计方法中，塔径的计算通常遵循以下步骤：首先依据液泛气速经验关联式，精确求解出液泛临界点的气体流速；随后，通过引入合适的安全系数对该流速进行调整，从而确定实际操作气速；最终，以此为基础，经严谨计算得出适配的塔体直径。为提高设计的效率和精度，在AspenPlusRadfrac模块使用Interactivesizing和Rating功能，先用Interactivesizing进行初设，然后圆整后使用Rating功能。为使填料层能力因子在0.4~0.8之间，考虑该塔塔径较小，无变径的必要，因此，上、下塔的塔径统一圆整为2.5m，同时将下阶段塔板间距圆整到0.5m，降液管底隙圆整180mm,满足降液管液位高度与板间距在0.2~0.5之内。通过上述水力学[13]演算及圆整的结果可判定塔的直径为2.5m7.3.2塔顶空间设计在塔设备设计中，塔顶预留一定空间高度具有多重功能。其一，为液体分布器的安装调试提供必要空间，确保设备安装与检修的操作便利性；其二，满足手孔开设需求，便于设备维护与检查；其三，通过延长气体停留时间，促使气相中携带的液滴自然沉降分离，有效降低气液夹带现象。通常情况下，塔顶空间高度取值范围为1.0-1.5m，结合本项目具体工况与设备参数，最终将塔顶空间高度确定为1m。同时，在塔顶空间位置设置直径450mm的人孔，以满足设备日常维护与检修的实际需要。7.3.3塔底空间设计为防止塔底料液排空，应该保留塔底至少10~15min的储量，如果塔底出料多可酌情少留，为2~5min储量。根据Aspen模型的得出的数据，可以得知，塔底出料是0.281m3/min，已知塔直径2.5m，应考虑如何设置接收液体的装置和手孔位置。所以选择HB=1m。塔底空间开设直径为450mm的人孔。7.3.4人孔依据化工设备设计规范，当塔体直径达2.5米（显著超过900毫米标准）时，需设置人孔结构，常规人孔直径应大于400毫米。本项目塔器设计压力为50kPa，根据《HG/T21516-2005》标准，选用回转盖板式平焊法兰人孔B(600-0.6)型。为兼顾安装与检修便利性，采取每间隔八块塔板设置一个人孔的方案，人孔内径确定为450毫米，全塔（不含塔顶、塔底）共计布置9处检修人孔，设置人孔位置的塔板间距统一设定为800毫米，人孔开设的总高度为800mm。7.3.5设备筒体壁厚计算圆筒计算厚度：δ式中：Pc—计算压力，在液柱低时，可认为与设计压力P近似相等；Di—筒体内径0.7m；σt—材料在设计温度下许用应力，选材为S30408，为137采用双面焊对接接头[14]及无损检测的长度比例为100%，φ为1；从而δcδ由于塔设备材料选用S30408，属于高合金钢，根据GB150规定，高合金钢制容器壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度一般不应小于2mm，则取δc=4取壁厚负偏差C1=0.3mm，腐蚀裕量C2=2mm，因此δ向上圆整得名义厚度为7mm，SW6校核后，确定设备筒体厚度为7mm可行。7.3.6封头设计半球形封头受力、开孔受力最好，但是半球形封头构造较复杂，生产成本高，从经济效益来看不划算。因此采用次之于球形封头的受力的标准椭圆型封头。（1）上封头采用的材料与筒体相同为S30408，公称直径DN=2500mm。查阅GB/T25198-2010后得到：公称直径为2500mm的封头。曲边高度h1=0.25D，直边高度h2=40mm，封头高度：H计算厚度：δ式中：Pc—计算压力，在液柱低时，可认为与设计压力P近似相等；Di—筒体内径0.7m；σt—材料在设计温度下许用应力，选材为S30408，为137采用双面焊对接接头及无损检测的长度比例为100%，φ为1；从而δcδ考虑到塔设备材料选用S30408，其材质为高合金钢，根据GB150规定，高合金钢制容器壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度一般不应小于2mm，故取δc=4取壁厚负偏差C1=0.3mm，腐蚀裕量C2=2mm，因此δ向上圆整得名义厚度为7mm，SW6校核后，确定封头厚度为7mm可行。（2）下封头下封头同理，高度665mm，名义厚度7mm，SW6校核后，确定封头厚度为7mm可行。7.4设计汇总表7-5PDO粗分塔T0201设计结果汇总表设计压力/MPa0.175设计温度/℃280塔直径/mm2500塔板类型筛板塔实际板数(总)83理论加料版50筒体高度/m42.7壳体材料S30408塔总高/m48.03塔板间距/m0.5筛孔直径/mm12.7筛孔个数3046降液管底隙/mm180溢流堰堰长/m1.85m人孔数目9人孔直径/mm450降液管类型弓形降液管封头壁厚/mm10塔筒体壁厚/mm10裙座厚度/mm20地脚螺栓公称直径76mm地脚螺栓个数8第八章车间布置设计8.1设备布置化工厂设备布置需因地制宜、因需而定。在寒冷地区，或当生产工艺、设备运行存在特殊要求时，设备应优先安置于室内，以保障其稳定运行。常规情形下，多采用室内与露天相结合的布置方式。而在场地条件充裕、技术可行且安全达标的前提下，应通过采取完善的防护措施，如设置防雨棚、防风围挡、防腐涂层等，尽可能扩大露天联合布置的范围，以此实现空间高效利用，降低建设成本，提升生产管理效率。8.2塔应以塔为中心，把与塔有关的设备如中间槽、冷凝器[15]、回流泵、进料泵等就近布置，尽量做到流程顺、管线短、占地少、操作维修方便。在工业生产中，塔的布局与安装是确保流程顺畅及操作便利的关键环节。首先，应优先考虑生产流程的合理性，尽量减少物料输送距离，从而提高工作效率。同时，管道配置与维修区域同样不可忽视，良好的管道布局不仅能够降低压头损失，还能为后期的维护保养提供便利。在安装方式上，裙座式立地安装被广泛采用，其设计应充分考虑塔的高度，以便于后续的操作与检修。在成组布置的情况下，各塔之间的间距、操作平台的设计以及维修区域的合理安排尤为重要，这些因素直接影响设备的使用效率和操作安全。通过对塔的设计与布置进行系统性考虑，可以有效提升生产效率，降低维护成本，为企业创造更大的经济效益。因此，在塔的布局与安装过程中，必须综合考虑上述多个因素，以确保设备的高效运行与维护的便利性。在化工流程中，再沸器与塔的布置设计直接影响设备的运行效率与安全性。首先，再沸器的位置需确保其与塔体之间的热量传递效果达到最佳，通常建议将再沸器设置在塔的下部，以便于高温蒸汽的回流及再加热。此外，塔顶冷凝器回流罐不仅需要保证冷凝液的顺利回流，还需考虑其与塔体的连接方式，以保证流体的畅通流动。8.3泵和压缩机泵组布局间距设置需依据泵体规格灵活确定。单排布置时，相邻泵体间距离控制在0.7米以内；采用双排布置方式时，两排泵电机端部间距不得小于2米，以此保障设备运行安全与检修操作空间。同时，每台泵与墙体之间需预留至少0.7米的净空距离，确保人员通行与设备维护通道畅通。在成排泵的管道安装方面，要求配管及阀门保持直线排列，避免管道在泵体及电机上方交叉跨越，既便于日常巡检观察，又能有效减少管道振动对设备运行的影响。设计的压缩机[16]还要考虑隔振性能，并与厂房的基础需保持一定的独立性。8.4换热器在规划设备布局时，需明确支座等安装结构细节与管口朝向。若实际操作有需求，可在不影响工艺流程和技术标准的情况下，对换热器规格及安装方式进行适度优化。换热器的安装位置应严格遵循工艺流程顺序，同时以缩短管线长度为原则，具体安装点位需综合考量周边设备布局情况，确保整体布局紧凑合理、运行高效。通常换热器是成组布置的，卧式换热器并排放置时也能叠放在一起使用，不管是独立的，大小不同的换热器都可以叠在一起。除此之外，采用这种布置方法还可以节省空间以及共用管道系统。两个换热器外壳之间有配管[17]，但无操作要求时其最小间距为750mm。换热器与塔和立式容器之间应预留宽度不小于1米的通道，便于人员通行和设备维护。当两台换热器之间无需安装管道时，二者的最小间距可设为600毫米。此外，无论是换热器相互之间，还是换热器与其他设备之间，水平间距一般要求达到1米；若受场地空间限制，该间距也不得低于0.6米，从而确保设备运行安全及检修操作的可行性。第九章环境保护9.1安全生产坚持以安全第一、预防为主的发展理念，促进化工工业的发展，本设计核心采用先进、科学可靠的生产工艺，并坚持国家及行业相应的法律法规，以提高技术装备水平，加强对三废的治理[18]、减少对环境的污染，确保生产安全，保障工人身体健康，保护生态的平衡[19]，加强企业管理和职工素质，做到文明安全生产。（1）工业毒物表9-1涉及物质毒性一览表化学品名称毒性级别丙烯醛高毒性质1,3-丙二醇轻度毒性丁酸异丁酯轻度毒性环氧乙烷中度毒性（2）燃烧与爆炸本厂涉及的物质大部分均具有易爆易燃的特点，所以本厂的防火防爆[20]是安全重点。（3）噪声工业噪声[21]是噪声污染的主要来源。控制噪声污染的根本途径是降低机器本身的噪声。同时也可用隔声、隔震、消声法控制噪声污染，这种污染没有时间长性的，当噪声源停止时，噪声污染也会消失，其危害是一个缓慢而间接性的伤害，不会产生致命影响，主要是导致听力下降，引发心血管、肠胃疾病、神经系统等问题。此外，噪声影响休息，影响睡眠，降低工作效率，高强度噪声能引起建筑物结构和设备的损坏。（4）腐蚀这种破坏或变质可由化学、生物、物理或电化学等作用引起，腐蚀主要分为化学腐蚀和电化学腐蚀[22]。9.2工业卫生表9-2车间卫生特征分级卫生特征1级2级3级4级有毒物质极易经皮肤吸收而引起中毒的剧毒物质（苯、甲苯等）易经皮肤吸收或高腐蚀物质（如环丁砜等）其他毒物不接触有毒物质或粉尘、不污染或轻度污染身体（如仪表、金属冷加工、机械加工等）粉尘/严重污染全身或对皮肤有刺激的粉尘（如炭黑、玻璃棉等）一般粉尘（如棉尘）/其他处理传染性材料、动物原料（如皮毛等）高温作业、井下作业重作业/9.3处理措施表9-3废水排放一览表序号装置或设施名称排放源废水名称温度/℃压力/bar排放量(t/a)污染物组成处理方法排放去向排放特征名称浓度/(mg/L)工艺流股质量分数/%1丙烯醛水合反应器塔顶采出放空含丙烯醛、3-羟基丙醛废液5011078.032水—96.35燃烧处理送至高青县常家污水处理厂连续排放/间歇处理丙烯醛—1.453-羟基丙醛—2.1923-羟基丙醛粗分塔塔顶采出放空含3-羟基丙醛废液99.8811025.976水—97.72燃烧处理送至高青县常家污水处理厂连续排放/间歇处理3-羟基丙醛—2.16二聚吲哚—0.0453丙烯醛原料预热器塔顶采出放空含3-羟基丙醛废液81.430.578.432水—99.62燃烧处理送至高青县常家污水处理厂连续排放/间歇处理3-羟基丙醛—0.34低聚异麦芽糖—0.044循环丙烯醛冷却器塔顶采出放空含丙烯醛废液250.5980.76水—98.79燃烧处理送往总厂污水处理系统连续排放/间歇处理丙烯醛—1.173-羟基丙醛—0.031低聚异麦芽糖—0.0125循环水换热器采出放空含丙烯醛、3-羟基丙醛废液80.7870.5963.048水—99.93燃烧处理送往总厂污水处理系统连续排放/间歇处理丙烯醛—0.0273-羟基丙醛—0.031低聚异麦芽糖—0.012表9-4废气排放组成表序号气体污染源名称组成摩尔组成/％排放特性排放体积流量/（m3/h）排放源排放去向处理方法温度/℃压力/kPa排放特征1丙烯醛水合工段原料回收塔回流罐水4.5229.5150连续337.184丙烯醛水合工段原料回收塔回流罐经水洗后送往总厂废气处理系统低温冷凝回收处理丙烯醛后燃烧丙烯醛80.63氢气14.85表9-5废固排放量表序号废渣名称成分排放特征年均排放数量排放源废固去向处理方法温度压力/kPa排放方式1生产包装物塑料包装物等常温101.325间歇排放80t/a仓库区送资质单位处理焚烧法处理2生活垃圾常见生活垃圾常温101.325间歇排放10t/a行政区送垃圾处理站处理堆肥法处理9.3.1废水本项目的工艺废液中，丙烯醛水合反应器、3-羟基丙醛粗分塔、丙烯醛原料预热器、循环丙烯醛冷却器和循环水换热器五个部分的废液中均为有机物，回收经济效益低，因此考虑将该部分废液储存于废液储罐中，经一定预处理后，定期运输至高青县常家污水处理厂，实现能源化利用。图9-6燃烧流程图9.3.2废气因在丙烯醛水合工段，原料回收塔回流罐排出的废气流量较大，超过100立方米每小时，并且其中丙烯醛浓度偏高，需要对这些废气加以回收利用。一般通过低温换热器或冷凝器进行处理，将气体温度降至丙烯醛沸点以下，促使其冷凝成液态。接着，采用蒸馏、吸附或溶剂萃取等分离技术，对冷凝后的液态混合物进行分离提纯。项目配备两台10吨/时的蒸汽锅炉，锅炉烟气的主要污染物为烟尘和二氧化硫。烟气经干湿两级除尘器处理，除尘效率达到97%。处理后，烟尘排放浓度为133毫克每标准立方米，二氧化硫排放浓度为331毫克每标准立方米。最后，通过45米高的砖烟囱排放至大气。本项目涉及的主要原料和产物多为挥发性有机物。随着设备长时间运行，受设备老化和物料腐蚀的影响，管道、阀门等部件可能会出现不同程度的泄漏问题。目前，国内多数化工园区都采用密闭式生产工艺。然而，由于废气无组织排放情况加剧，不仅导致化工园区异味明显，还造成大量物料损失。因此，开展气体泄漏监测与分析工作十分必要。9.3.3废固该项目的原料及产品均为气态或者液态，催化剂在工艺流中是以液体形式存在，故最主要的废物是生活垃圾。工厂内部的产品包装材料具有一定腐蚀成分和有害成分，会把工厂内部的产品包装废品交由具有资质的专业性机构进行无害化处理。其主要的方法是燃烧法，通常用焚烧的方法去焚烧此类产品包装材料。焚烧是通过一个高温燃烧的方式来处理能够燃烧或者惰性的残存物，残存物燃烧不充分的部分能够充当填充物，焚烧的过程中也会造成空气污染，焚烧过程中的尾气会产生空气污染，如氯化氢、硫酸盐、氮氧化合物等有害气体，则需要对焚烧后的烟雾进行二次处理。对一般废弃物采取袋装管理的方式，在固定的位置密封，及时清理运输到垃圾处理厂。垃圾处理厂一般会选择堆肥处理的方式。堆肥处理主要针对的是有机垃圾，操作的基本原理是借助微生物对垃圾中有机物的生物降解处理作用，同时在较高温度环境中实现处理的无害化及有机物生成的有机肥料处理作用。堆肥处理技术的优点是投资成本低，易于实现及管理，垃圾经过堆肥处理后可以制成肥料进而实现二次利用的效果，经处理的病原菌数量会显著减少，并且经过堆肥处理后的有机肥料的安全性也得到了确保。第十章安全与卫生10.1生产过程的主要危险危险有害因素是劳动者在劳动生产过程中，一切造成人员人身伤害或身体健康损害的诱发因素，根据其性质的不同，分有人、物、环境和管理四大危险有害因素类型。工程的主要有毒物质为丙烯醛、氢气、3-羟基丙醛、丁酸异丁酯，存储、生产过程一旦出现错误或突发事故，就有可能将有毒物质泄漏和喷溅，周围空气中的有毒物质达到极限，就导致中毒事故的发生，可经呼吸道、吞入、接触等方式进入人体引起机体不同程度的伤害。10.2重大危险源物质辨识与分析该项目包含了大量有火灾、爆炸危险性的物质，例如易燃易爆物品、腐化剂、化学品有毒物质等，特别是能与大气氧起化学反应生成可燃气体的易燃易爆物，这些物质极易受温度、火焰的加热、热辐射等作用而燃烧或爆炸，此外，还有些腐化剂除了对人体的危害外，还会腐蚀管线使管线破裂并泄漏出其中物质，有些有毒化学品一旦被乱用将对人的健康和环境造成毁灭性破坏。对这些存在较大安全隐患的物质进行综合、深度的研究显得尤为必要。如表所示，为该工艺流程危险物料主要危险性的分析结果：表10-1危险化学品易燃物质辨别结果危险物熔点/℃沸点/℃闪点/℃爆炸极限%（V/V）可燃等级下限上限丙烯醛52.552.5-26空气中2.8空气中31易燃气体1,3-丙二醇-27210～21479无资料无资料易燃液体水0.010012无资料无资料不易燃液体3-羟基丙醛无资料约168.2°C（在760mmHg下）61.8无资料无资料易燃液体氢气-259.2-252.8无资料74.14.1易燃液体丁酸异丁酯-80.6157-158377.590.96易燃固体低聚异麦芽糖155-160774.5±60.0288.9±26.4无资料无资料易燃液体二聚吲哚167230°C(Press:0.01Torr)232.5无资料无资料易燃液体纯碱851无资料无资料无资料无资料易燃液体丙酮-94.656.5-2013.02.5易燃液体燃烧和爆炸事故是由爆炸性混合物[23]引起的，若以上可燃气体从工艺设备、管线泄漏到空气中，遇到明火会造成爆炸事故。生产过程中设计以上物料的装置，生产危险性较大，生产类别为大多属甲类，属爆炸危险区域2区，为严重危险级建构筑物[24]。

第十一章投资估算及经济分析11.1投资分析表11-1项目总投资汇总表序号项目价格/万元1建设投资14568.17*1.1*固定资产10499.32*1.2*无形资产175.50*1.3*递延资产2568.973*1.4*预备费用1324.3792建设期利息73.933催化剂首次购置费用2234.304流动资金1748.18合计145674.411.2静态投资回收期项目投资现金流量表中累计净现金流量由负值变为零的时点，即为项目的静态投资回收期。应按下式计算：P式中，T为各年累计净现金流量首次为正值或零的年数。故静态投资回收期（所得税后）为：Pt小于化工企业标准的14年。11.3动态投资回收期考虑到折现率之后的投资回收期，计算方式同静态投资回收期。项目的动态投资回收期为：Pt11.4成本及费用估算表11-2成本和费用估算表项目估算成本/万元占生产成本比例/%原材料及辅助费9556.7754.53燃料动力费71