环氧氯丙烷任务书.docx

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环氧氯丙烷任务书

山东理工大学

毕业设计（论文）手册

学院系

专业班级

学生姓名学号

指导教师职称

职称

山东理工大学教务处编印

二〇〇年月

毕业设计（论文）自二〇一六年三月至二〇一六年六月共16周

毕业设计任务书（理工）

学院

化学工程学院

学生姓名

宋键

专业

化学工程

班级

化工1204

学号

12110802125

指导教师

宋峰

职称

讲师

课题名称

年产6万吨环氧氯丙烷生产工艺设计

起止日期

自2016年2月29日起至2016年6月20日

一、课题来源、目的与要求：

课题来源：

B

环氧氯丙烷（ECH）别名表氯醇，是一种重要的有机化工原料和精细化工产品，用途广泛。

Aspen化工计算软件是生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。

它为用户提供了一套完整的单元操作模型，可对各种操作过程，从单个操作单元到整个工艺流程进行设计，模拟和优化。

本课题的目的是使用ASPENPLUS软件，设计出年产6万吨环氧氯丙烷生产流程。

要求根据环氧氯丙烷的反应，生产特点，设计出合理的环氧氯丙烷生产流程，其中包括反应器，精馏塔和换热器。

二、主要设计内容：

主要的设计内容包括

1、反应器，精馏塔，换热器工艺参数的计算，

2、环氧氯丙烷生产流程的设计，

3、分离塔的详细设计。

4、换热器的详细设计

三、主要设计技术指标与参数：

主要的指标包括

1、环氧氯丙烷含量≥99.95wt％

其它含量≤0.001ppm

2、环氧氯丙烷回收率为99.8％

3、排空的气体

苯含量≤0.15％wt

四、分阶段指导性进度计划：

第一阶段（3.1-3.16）：

查找环氧氯丙烷的生产资料，包括环氧氯丙烷的合成方法的进展，环氧氯丙烷生产过程的研究进展。

第二阶段（3.17-4.13）：

学习ASPENPLUS软件，包括软件的基本操作，基本概念，各个模块的设计和优化，流程的绘制的计算。

第三阶段（4.14-5.4）：

绘制流程图，确定生产流程，并进行计算

第四阶段（5.5-5.30）：

对分离塔和换热器进行详细设计

第五阶段（5.31-6.20）：

数据整理，论文写作，准备答辩。

五、主要参考文献资料：

1、ASPENPLUS入门教程

2、化工过程数值模拟及软件

3、ASPEN塔设计案例

4、大庆金桥－aspen自学软件

指导教师（签字）：

20年月日

系主任（签字）：

20年月日

注：

本表由指导教师填写，经系主任审定后下发学生。

毕业设计开题报告（理工类）

设计题目

年产6万吨环氧氯丙烷生产工艺设计

学生姓名

宋键

学号

12110802125

专业

化学工程与工艺

一、课题的目的意义：

环氧氯丙烷的主要用途是用于制造双酚A缩水甘油醚。

即环氧氯丙烷在烧碱存在下与双酚A缩合成为双酚A氯醇醚，然后以烧碱脱去其氯化氢，即制得双酚A缩水甘油醚。

环氧氯丙烷主要用于合成甘油和环氧树脂，也可用于制造环氧树脂、氯醇橡胶、硝化甘油炸药、玻璃钢、农药、医药、表面活性剂、涂料、胶粘剂、增塑剂、增强塑料及电绝缘制品等。

还可用作油漆、纤维素酯、纤维素醚和树脂等的溶剂。

环氧丙烷化学性质活泼，易开环聚合，可与水、氨、醇、二氧化碳等反应，生成相应的化合物或聚合物。

在含有两个以上活泼氢的化合物上聚合，生成的聚合物通称聚醚多元醇。

环氧树脂是目前环氧氯丙烷最主要的消费领域，产品主要用于生产涂料、复合材料、电子电器以及胶粘剂等。

目前，国内环氧树脂的生产厂家已经超过150多家，2007年生产能力达到约95.0万t，产量约为55.0万t，对环氧氯丙烷的需求量约为30.0万t。

目前，国内环氧树脂需求仍保持较快增长。

尽管近年来国内产能迅猛增长，但仍无法满足需求，每年需要进口大量环氧树脂。

2005-2007年，环氧树脂的净进口量分别为18.2万t、18.2万t和17.5万t。

从国内环氧树脂市场缺口来看，未来国内环氧氯丙烷市场需求仍将保持较高速度增长。

环氧氯丙烷作为世界重要的原料，现今发展非常迅速，由于它综合性能优异，广泛应用于农业、工业、国防、制造业等许多领域。

当前高速发展的建筑行业的旺盛需求，也推动着中国环氧氯丙烷的蓬勃发展。

中国今天这样拥有一个广阔的应用市场和高速发展态势的局面展现于世人面前。

原料和能源圆满解决之际，将是迎来巨头争霸之时。

届时中国的环氧氯丙烷无论是产量还是市场消费都会跃居世界前列，中国的环氧氯丙烷有着璀璨的前景。

二、资料调研分析：

环氧氯丙烷的制备方法

（一）丙烯高温氯化法

目前，世界上90%以上的环氧氯丙烷采用此法进行生产。

其工艺过程主要包括丙烯高温氯化制氯丙烯，氯丙烯次氯酸化合成二氯丙醇，二氯丙醇皂化合成环氧氯丙烷3个反应单元。

丙烯与氯气经干燥、预热后以摩尔比4～5:

1混合进入高温氯化反应器进行反应，得氯丙烯产品。

氯气在水中生成次氯酸，次氯酸与氯丙烯反应生成二氯丙醇，二氯丙醇水溶液再与Ca（OH）2或NaOH反应生成环氧氯丙烷。

反应过程如下：

图1.1丙烯高温氯化法反应过程

丙烯高温氯化法具体工艺流程：

图1.2丙烯高温氯化法流程图

1-氯醇化反应器；2-二氯丙醇循环槽；3-洗涤塔；4-预反应器；

5-汽提塔；6-闪蒸塔；7-粗馏塔；8-回收塔；9-精制塔；10-回收塔

丙烯高温氯化法的特点是生产过程灵活，工艺成熟，操作稳定，除了生产环氧氯丙烷外，还可生产甘油、氯丙烯等重要的有机合成中间体，副产D-D混剂（1，3-二氯丙烯和1，2-二氯丙烷）也是合成农药的重要中间体。

缺点是原料氯气引起的设备腐蚀严重，对丙烯纯度和反应器的材质要求高，能耗大，氯耗量高，副产物多，产品收率低。

生产过程产生的含氯化钙和有机氯化物污水量大，处理费用高，清焦周期短。

（二）醋酸丙烯酯法

醋酸丙烯酯法工艺过程主要包括合成醋酸丙烯酯，醋酸丙烯酯水解制烯丙醇，合成二氯丙醇以及二氯丙醇皂化生成环氧氯丙烷4个反应单元。

在钯和助催化剂作用下，丙烯与氧在温度160-180℃、压力0.5—1.0MPa，醋酸存在下反应生成醋酸丙烯酯；在温度60-80℃、压力0.1-1.0MPa下，以强酸性阳离子交换树脂为催化剂，醋酸丙烯酯经水解反应生成烯丙醇；在温度0—10℃，压力0.1—0.3MPa条件下，烯丙醇与氯通过加成反应生成二氯丙醇；二氯丙醇与氢氧化钙发生皂化反应生成环氧氯丙烷。

反应过程如下：

图1.3醋酸丙烯酯法反应过程

醋酸丙烯酯法工艺流程：

图1.4醋酸丙烯酯法的皂化及精制工艺流程图

T1-二氯丙醇精制塔；T2-皂化反应塔；T3-轻组分塔；T4-精制塔

与传统的丙烯高温氯化法相比较，醋酸丙烯酯法的特点是避免了高温氯化反应，反应条件温和，易于控制，不结焦、操作稳定，丙烯、氢氧化钙和氯气的用量大大减少，反应副产物和含氯化钙废水的排放量也大大减少；开发了烯丙醇的氯化加成反应系统，成功地将氧引入环氧化物中，首次实现了由氧氧化代替氯氧化的技术，减少了醚化副反应，提高了系统的收率；工艺过程无副产盐酸产生；可以较容易获得目前技术还不能得到的高纯度烯丙醇。

不足之处是工艺流程长，催化剂寿命短，投资费用相对较高。

（三）甘油法

甘油法生产环氧氯丙烷的主要原料为工业甘油、30%的烧碱和气体氯化氢。

工艺过程分为液体甘油和气态氯化氢在80～140℃温度和常压条件下，由催化剂催化，生成二氯丙醇；二氯丙醇在碱性溶液中环合皂化得到环氧氯丙烷产品两个步骤。

反应过程如下：

图1.5甘油氯化皂化法反应过程

甘油氯化皂化法工艺流程：

图1.6以甘油为原料制备环氧氯丙烷工艺流程简图

甘油可以用环氧氯丙烷为原料来生产，然而随着甘油价格的变化以及生产环氧树脂对环氧氯丙烷的需求量的大增，环氧氯丙烷的单价高于甘油。

从经济的角度考虑，环氧氯丙烷已经不适合用来生产甘油。

近年来，由于原油价格居高不下，各个国家大力发展生物柴油工业，用生物柴油副产的甘油生产环氧氯丙烷技术开始重新引起人们的关注。

采用甘油法生产ECH，摆脱了以石油资源为原料的依附，又节约了大量的石油资源，还减少了环境污染。

相对于石油法生产ECH来说，设备投入又大大减少。

对于中国这个农业大国来说，充分利用了农作物生物资源，便于资源的循环利用与经济的可持续发展。

工艺路线的选择以及具体操作

环氧氯丙烷90%用于生产环氧树脂，全球ECH产能约为140万吨，国内现有27.5万吨。

生产路线：

丙烯高温氯化法、丙烯酯法（日本技术，目前10万吨/年的生产能力）、甘油法。

丙烯高温氯化法：

国内技术成熟，技术转让费用低，总投资低，中间产品氯丙烯有较大的市场，废水排放量大，每吨产品排放约40吨；丙烯酯法：

投资高，专利转让费高，催化剂运行费用高；甘油法：

投资低，污水少，流程短。

选定甘油法。

确定环氧氯丙烷的生产流程，并使用ASPENPLUS模拟软件对环氧丙烷的生产过程进行了设计与优化，确定了一套合理的生产流程和合理的工艺设计条件。

·反应机理

1.甘油和HCl在催化剂的存在下反应生成二氯丙醇；

2.二氯丙醇和石灰乳反应生成环氧氯丙烷。

反应方程式如下：

·甘油法制环氧氯丙烷工艺流程说明

（1）连续氢氯化

连续氢氯化过程甘油与气体氯化氢发生化学反应，用醋酸作催化剂，反应生成70%的1,3-DCH和30%的2,3-DCH以及其他副产品.反应式如下：

C3H8O3+2HCl→C3H6Cl2O+2H2O

甘油氢氯化反应的工业化要综合考虑反应速率、甘油转化率和反应选择性等技术指标，通过合理的流程安排及控制方案来实现预定的指标。

甘油氢氯化反应是典型的气液非均相反应，反应器中物料必须混合良好，形成较大的气液接触界面以利于传质和传热；此外，由于甘油氢氯化反应属于可逆反应，应尽可能减少返混，才有利于反应转化率、收率及反应速率的提高。

根据甘油氢氯化反应的特点，整个氢氯化工艺可包括反应过程和反应产物的初步分离两个过程，连续化的工艺方案选择甘油循环路线。

具体工艺流程示意图如下：

图1.7甘油氢氯化工艺流程示意图

1-甘油储罐；2-甘油计量泵；3-甘油循环吸收塔；4-甘油循环泵；

5，6,7,-气相冷凝器；8,9,10-1#，2#，3#反应釜；11,12,13-气体流量计

14-液相冷凝器；15-液相产品贮槽；16-气相冷凝产品贮槽

采用带冷凝器的CSTR（ContinuousStirredTankReactor）反应器进行连续氢氯化反应。

CSTR反应器可实现气液两相良好的混合，但缺点是返混严重。

为了克服返混，可选择多个CSTR反应器串联，串连釜数愈多，返混的程度越弱。

串联釜数的增加，改善返混所收得的效益增加缓慢，制造等方面的麻烦却会相应增加，实际生产过程中的釜数通常以3-4釜为宜。

将一定量的醋酸催化剂加入到甘油中配成原料液置于贮槽中，通过计量泵把原料液从甘油吸收塔的顶部加入，吸收氢氯化反应尾气中的HCI气体后进入l#反应釜。

1#反应釜溢流出的反应液依次通过2#和3#反应釜，最后流至液相产品贮槽，通过液位控制保持各釜中料液量相同。

经干燥的HCl气体先用减压阀进行减压，然后分别通入三个搅拌釜与甘油进行反应，反应产物DCH和H2O从各釜中共沸蒸出，经冷凝后进入气相冷凝器。

尾气通入甘油吸收塔吸收HCl后，再经尾气吸收塔由碱液吸收剩余HCl后放空。

反应温度通过夹套的水浴控制，HCl气体流量和甘油流量由各自的流量计计量。

当系统操作稳定后，从液相产品贮槽和气相冷凝产品贮槽中取样进行气相色谱分析。

（2）二氯丙醇的分离

氢氯化反应结束后，生成的产物DCH主要分两个部分，一部分是以三元共沸物形式从反应器中蒸出，冷凝后收集馏