《年产15万吨的三羟甲基丙烷工艺合成工段工艺分析》11000字

年产15万吨的三羟甲基丙烷工艺合成工段工艺分析ADDINCNKISM.UserStyle摘要三羟甲基丙烷是化工中重要的精细化工品，随着化工行业的发展，对于三羟甲基丙烷的需求也会越来越大。但是，目前对于三羟甲基丙烷的生产不能够满足现在时代的需求。在本次设计中。本人主要针对年产15万吨的三羟甲基丙烷工艺合成工段进行工艺设计。本次设计通过直接合成，通过沸腾床、分离塔、反应釜等化工设备组合来实现三羟甲基丙烷的合成工段。三羟甲基丙烷工艺的选择，工艺说明，反应原理的介绍，催化剂的介绍，三羟甲基丙烷的精馏塔（物料平衡，热平衡，工艺参数的选择，设备结构的设计），辅助设备的计算和选择（分离塔），使用AutoCAD软件绘制反应过程流程图以及控制点和设备布局图（平面图，立面图）。关键词：三羟甲基丙烷，物料衡算，能量衡算，工艺设计。目录摘要 [14]。2.5Aspenplus工艺流程仿真模拟AspenPlus过程仿真涉及在组合一系列单元操作并通过计算机设置不同参数以实现所需过程结果之后，使用数学模型来描述过程。Aspenplus在各个工程领域的整个生命周期中进行过程仿真，工程性能监视，优化和其他过程行为。由于使用了精确和先进的计算方法，因此它可以对不同部分进行严格的模拟，从而可以为化工公司提供切合实际的工艺设计，并可以优化现有部分的操作，使其与预期收益更加一致。本节利用化工流程模拟软件进行模拟设计与优化，确定最适合的反应工艺操作环境。本文所涉及模拟计算均在AspenPlusV9中完成。工艺流程图如图2-1所示。图2-1工艺流程图3物料衡算3.1物料衡算在设计生产过程的过程中，物料平衡是关键。根据设计和生产过程的任务要求，只有在获得物料平衡的初步结果之后，我们才能知道实际生产中需要投入的原材料数量以及生产中产生的三种废物的数量。在生产过程中，最后设计和选择标准设备（例如泵）和非标准设备。而且，仅基于物质平衡的结果，就可以进行简单的能量平衡，最终可以计算出整个生产过程中涉及的水，电和其他公共工程量。然后，我们可以根据获得的物料平衡和能量平衡的结果评估制造的产品的经济指标，从而估算整个生产过程所需的投资额。可以看出，在整个生产过程中设计的物料平衡起到了非常重要的作用。在Aspenplus模拟中，物料平衡计算必须首先完成整个过程的模拟，以确保设备可以正常运行，在计算中可以使流量收敛，并且在过程中不会产生浪费。过程中循环的累积将导致仿真报告错误。模拟完成后，以可以确定每个设备的进料流和输出流的状态和组成，并计算每个部分的输出是否符合预期的设计以及是否还有物料。还有是否能够达到充分利用；以及利用低费率导致三种废物的过量排放，增加了处理过程的成本，并为进一步优化过程开辟了道路。设计目标为年产三羟甲基丙烷15万吨，开工生产时长为8000h，采用连续生产操作，则每小时三羟甲基丙烷的设计产量为18.75吨，即18.75t/h。3.2总过程物料衡算经过aspen模拟之后，对于整个工艺过程的总物料衡算如图3-1所示图3-SEQ图3-\*ARABIC1总的物料模拟结果其中，S9、S2为进料股，S18为出料流股可得，设备的总进料量为18746.4kg/h,出口料量为1874634kg/h，对于进出口物料相对相等，确定符合物料平衡。3.3反应器B4的物料衡算B4中甲醛、正丁醛与氢气反应生成产物三羟甲基丙烷，数据如下图3-SEQ图3-\*ARABIC2B4内物料模拟结果表3-SEQ表3-\*ARABIC1反应器B4物料衡算值组分名称质量流量（kg/h）进料S5出料S6温度(℃)120120压力（kpa）50005000正丁醛21899.111825.5甲醛19494.811105.3三羟甲基丙烷2.55*10-17318744.8氢气612.172330.546总计42006.142006.1由此表可知反应器B4的总物料进量为42006.1kg/h，出口物料总量为42006.1kg/h，进出口物料总量近乎相等。确定符合物料平衡3.3精馏塔的物料衡算图3-SEQ图3-\*ARABIC3塔内物料模拟结果表3-SEQ表3-\*ARABIC2分离塔内物料模拟结果组分名称质量流量（kg/h）进料流股S14出料流股S18出料流股S17温度（℃）120120120压力（KPa）500050005000正丁醛11825.41.7519111823.6甲醛0.000.000.00三羟甲基丙烷18744.50.002.55*10-173氢气0.000.000.00总计30569.918746.311823.6可得，设备的总物料进料量为30569.9kg/h,出口物料总量为S17与S18相加之和。对于进出口物料相对相等，确定符合物料平衡。

4能量衡算在一般情况时，对于放到系统中的物料都会相互发生各种反应，包括物理、化学反应，这些都会对热量产生大小不同程度的影响，而对于系统中产生的能量是否守恒、是否能够处于平衡状态，都需要通过能量衡算才能够作出一个准确的判断。为了降低生产成本，提高生产效率，关键在于分离装置是否科学合理，因为不同的分离装置的热力学性质差异较大。在这种情况下，必须进行科学的能量平衡。这种能量平衡是最重要的环节。通过计算能量平衡，可以连续调节设备的传热面积和性能，从而达到降低能耗的目的[16]。4.1热量衡算的原理能量衡算涉及到热、功交换，在化工生产过程中，需要与外界进行能量交换，来改变物料的温度、相态，以此来达到生产要求。生产过程中的能量消耗是非常巨大的，消耗能量越大，生产成本就会越高。能耗大小与生产工艺有很大关系，生产管理对能耗也有很大影响。能量衡算可以为减少热负荷、降低能耗、提高能量利用率提供参考依据。连续流动系统的总能量衡算式是伯努利方程式，即：Q+W=∆H+g∆Z+4.2热量衡算基准能量衡算要必须遵循科学原则，况且在另一方面，这也是热力学第一定律所必须坚持的重要原则。也就是说，热量的输入量与输出量并不一定是处于绝对相等的状态，而是要加上额外所损失的热量[16]。因此，热量衡算的公式可以表示为：∑G4.3B4反应器表4-SEQ表4-\*ARABIC1反应器的能量衡算物料进料流股出料流股温度（℃）120120压力（kpa）50005000焓H(kw)-38948.8-50952.2热Q(kw）-12003.4由表可知反应器进料焓为-38948.8kw,出料焓为-505952.2kw。计算热为两者之差得-112003.4kw。4.4精馏塔表4-SEQ表4-\*ARABIC2分离塔的能量衡算物料进料流股出料流股1出料流股2温度（℃）12074.4288.289压力（kpa）5000100100焓H(kw)-37383.3-10571.4-25115.2热Q(kw）1696.7由表可知分离塔进料焓为-37388.3kw,出料焓为两个出口之和为-35686.6kw。计算热为两者之差得1696.7kw。

5主要设备设计计算与选型5.1概述化工设备是进行化学生产所需的硬件，其性能直接关系到产品的质量和化工厂的效率。在完成化学过程设计，物料平衡计算和能量平衡计算之后，化学过程设计之后的另一个重要任务是执行过程设计，设备的选择和验证以及车间布局的设计，施工图的设计和非过程设计该项目提供了基础[15]。5.2塔设备5.2.1塔设备简介塔设备是工艺设计中不可或缺的一环，通过传热与传质进行分离精制，吸收解析，干燥冷却等单元操作。塔设备是石油生产、化工、医药、轻工等领域最重要的设备之一。在化学生产中，它可以提供气体（或气）、液或液、液之间直接接触的可能性，以实现相间传质和传热的目标，并在经过一段时间的接触而无需培训的情况下将两相分离。塔设备可以执行的常见操作包括：塔的蒸馏、吸收、解吸、汽提、冷却、加湿、干燥和其他操作[15]。在化工生产中，有大部分的能量是消耗在分离过程中。而且，在总投资的成本中，塔设备占据了将近总量的四分之一。因此，塔式设备的设计和研究在石油和化学工业的发展中起着重要的作用。根据塔的内部结构，它分为板式塔和填料塔。两者均可用于气液传质过程，例如蒸馏和吸收。但是，两者都有各自的优点和缺点，应根据特定条件进行选择。其中板式塔以压板为主要成分，加热后的气体通过压板和冷却液而产生传质和产热，从而达到分离效果。当分离不同的物料时，不同的塔板通常具有不同的分离效果。因此，板式车床根据塔板的结构进行分类。常见的板式塔有：筛板塔、泡罩塔、浮阀塔等。其中，泡罩塔的单位时间流量处理能力最差，分离效果好，但成本低，操作灵活。浮阀塔每单位时间的流量大，分离效果好，成本适中，操作灵活。筛板塔每单位时间的处理通量最好，分离效率也好，成本是平均的，但是操作的灵活性稍差。填料塔以填料为主要成分。加热的气体穿过固体填料和冷却的液体的表面，以产生传质和生热，从而实现分离效果。当分离不同的材料时，不同的固体填料通常具有不同的分离效果。因此，根据不同的包装结构对包裹的塔进行分类。常见的填料塔包括鲍尔环填料塔、波纹填料塔、螺旋环填料塔等。与板式塔相比，填料塔只能装满固体填料。因此，对比板式塔的结构简单，制造成本低，并且固体内衬不易受到原料进料的腐蚀，使用寿命长。但是，填料塔的高度相对较小，还受塔高的限制，导致单位时间内的原料处理量和分离效率均比板式塔低，并且如果进料液为由于混合了小的固体颗粒，很容易在固体装料之间积聚颗粒，这会造成堵塞，并使填料塔的稳定运行变得困难。5.2.2塔设备选择原则工业生产中塔型的比较和选择是一个比较复杂的问题，它直接影响分离任务的完成，设备投资和运营成本。选择时应考虑材料的性质，操作条件，塔式设备的性能，加工，安装，维护，经济性和其他因素，并遵循以下基本原则：排出的纯度高，使精馏塔的纯度和生产量达到预期的标准，否则不仅会影响后续设备的正常运行，还会降低最终产品的质量。容易造成经济损失。处理流程很重要。如果精馏塔每单位时间的工艺进料速率太小，则会使再沸器或冷却器过载，从而带来安全隐患，并使工艺设计难以实现生产原有的设计生产目标产量。操作的灵活性很高，因为该过程涉及循环电流，这会导致功率组件的状态发生变化。如果操作灵活性太小，则精馏塔将无法稳定运行，并且会影响精馏塔的分离效率。通常，选择塔的类型可能无法完全满足上述原则。设计人员应根据具体情况把握主要矛盾，并选择经过工业设备验证的高速，高效，节能的塔内组件[15]。5.2.3塔设备设计Aspen模拟之后塔内数据如图5-1所示图5-SEQ图5-\*ARABIC1模拟塔内数据设计塔盘空间为0.6096m，塔直径为3.9m。在AspenPlus软件中操作如5-2所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC2设计塔内参数然后，在塔段设计中设计CS1、CS2几何尺寸，几何尺寸是是先给出的，后续通过模拟可以进行修改，达到合理设计参数。如图5-3、5-4所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC3CS1几何尺寸图5-SEQ图5-\*ARABIC4CS2几何尺寸所有参数设置完毕，点击运行，可得到结果。结果摘要如图5-5、图5-6所示。CS1塔直径为3.9m，塔盘间距为0.6096m时，塔段高度为28m，全塔压降为0.3673bar。CS2塔直径为3.9m，塔盘间距为0.6096m时i，塔段高度为46.1m，全塔压降为0.557bar。图5-SEQ图5-\*ARABIC5CS1摘要图5-SEQ图5-\*ARABIC6CS2摘要在AspenPlus软件中可查看液压图和塔水力学结果。如图5-7所示。塔的操作点是在正常操作范围内的，符合设计要求。停留时间3.84s左右，在一般规定的3-5s内，停留时间合理。图5-SEQ图5-\*ARABIC7液压图和塔水力结果5.3反应器化学工业中的工业制造技术通常包括原料的纯化，反应的制备，试剂的分离和纯化等。化学反应过程复杂，反应材料的相态多样，反应环境相对恶劣。反应器作为化学生产的主要设备，其技术进步对化学生产，特别是化学制备和工程规模化具有重要影响[17]。作为工艺设计的主要设备，反应器负责在特定的温度、压力和催化剂条件下将原材料转化为产品出料。反应器主要由反应的动力学方程和热力学方程确定。反应器的选择和设计与整个过程的可行性有关，即转化率是否符合预期以及经济效益是否符合标准。由于原料、反应机理、化学试剂类型、反应温度、反应压力、反应载体以及传热传质方法的不同而可以得到不同的反应器类型。5.3.1反应器概述在反应器中所发生的化学反应都要遵循三个基本方程：物料衡算式、反应动力学方程式还有热量衡算式。三大方程式联系密切，反应器所能表现的性能都可以通过其而表达出来。物料衡算式给出反应物的无质量浓度或者转化率跟随时间的变化而具有的函数关系，关键组分A的物料衡算式可以表示为：加入量A组分=A组分流出量+A组分转化量+组分A累积量[17]。反应动力学方程式通过表达反应速度与影响因素函数关系而推出的公式，既反映速度方程式：

rA=−其中Ra代表组分A的反应速度（mol/L·s）；VR代表反应器的有效体积（L）；t代表反应时间（s）；Na代表A物质的量；（mol）；k代表反应速度常数（1/s）；α代表反应级数；CA代表A的无质量浓度（mol/L）。热量衡算式可以表示成：输入热量+反应的热效应=输出热量+累计热量+传给环境热量5.3.2反应器原则（1）装备技术要求合理性的装备设计必须完全符合生产工艺的基本要求,所设计选择的生产设备与工艺流程、生产工艺规模、操作管理条件、工艺生产质量以及过程控制工艺水平相紧密适应,设备的实际生产效能及其要求水平均应能够达到我国同类生产行业的先进技术水平。

（2）针对设备施工安全性能的要求:保证设备正常运转安全可靠、自控操作技术水平大小适宜、操纵稳定、弹性好、没有任何安全事故隐患:对设备施工工艺及所用建筑、土地、厂房结构无苛刻的安全要求;尽量减小劳动强度,尽量避免使用施工运行过程及途中的任何高温、低压、高空振动作业;尽量避免不用危险或其他有毒、恶劣的施工设施以及附件和配套物。

（3）由于设备的维护经济性设备需要合理的材料选材,节约了企业设备设计制造和工具购置的成本时间;由于设备维护需要安全易于进行加工、维修、更新,没有特别严格的设备维修维护要求;大大减少了设备运行的维护成本;并且要考虑企业是否需要采取工业生产用的设备,以及工具是否在各种露天地方摆放。

（4）应当采取相关政策性保护措施根据当前当下我国的实际市场情况,遵循三废化工设备的相关设计技术文件所有者的规定及相关标准,保护环境和为全国人民广大群众生产提供安全保障良好的设备运营生产管理服务条件,确保安全正常生产,使这些三废化工处理的质量问题完全彻底消灭在一个无形的库存状态或者仅仅是在一个完全自动密闭的生产系统中再次

。

(5)系统本身的化学操作过程是一个完整的系统。设备不仅要注意各设备的性能和产品的生产能力，还要防止整个系统的改进和优化。

5.3.3反应器设计反应器模拟参数如图5-8所示图5-SEQ图5-\*ARABIC8反应器模拟参数反应器的进出口物料如表5-4所示表5-SEQ表5-\*ARABIC4反应器进出口物料进料出料流量(m3/h)1256.64837.527进料物体积流量qv=56.1m3/h,取停留时间t=15s,则床体积VR=t×qv=14.025m3,取空窗速度u0=2m/s,则床层截面积为AR=VR/U0=7.02m2近似看作圆柱体，则反应器的直径为D=(4AR/π)1/2=2.99m则反应器高度为H=VR/AR=2m

6结论本文通过设计反应工段流程以达到年产十五万吨三羟甲基丙烷的目的，对整个过程的反应原理介绍。以正丁醛与甲醛为原料混合反应。使用三乙胺和氢氧化钠混合为催化剂以达到最大的转化率。利用aspenplus模拟反应工段，确定反应温度为120℃，反应压力为0.5Mpa，回流比为10，总塔板数为125，进料板为48。所生产产品收率为85.6%。

参考文献[1]田连生,石万龙,史延茂,董超.三羟甲基丙烷生产工艺研究[J].河北省科学院学报,1999(4):42-44.[2]三羟甲基丙烷的制备及应用_邢文丽[J].[3]三羟甲基丙烷合成新工艺研究_胡兵[J].[4]徐兆瑜,三羟甲基丙烷[J].四川化工与腐蚀