環(huán)氧丙烷的生產工藝路線選擇案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u18049環(huán)氧丙烷的生產工藝路線選擇案例分析 1312201.1概述 1210301.2生產方法選擇 1139871.1.1PO現有生產方法 1132811.1.2八種生產工藝方法對比 397831.1.3生產方法的確定 447221.3本項目的環(huán)氧丙烷生產原理 5163191.4生產工藝流程設計 51.1概述本項目為年產5000噸乙酰水楊酸的生產工業(yè)設計，是為寧波市內大型乙酸酐生產公司—寧波王龍科技股份有限公司建立的一個以一水硫酸氫鈉催化法生產乙酰水楊酸的分廠，有效利用了廠區(qū)本地充足的乙酸酐基礎有機化工原料。本項目采用水楊酸、乙酸酐為原料，一水硫酸氫鈉作為催化劑，在反應釜中進行合成反應，反應后，得到高附加值的乙酰水楊酸，再利用水作為原料將多余的乙酸酐分解為乙酸，然后使用離心機將固體產物乙酰水楊酸與主要液體產物乙酸、水等分離，緊接著將乙酸送至乙酸精制塔，得到98%的乙酸產物，將粗分離的固體產物輸送至乙酰水楊酸再提純工段，加入軟水及乙醇將乙酰水楊酸固體溶解后輸送至重結晶反應釜，再將固液混合物輸送至離心機得到95%的乙酰水楊酸固體，之后將95%的產品固體送至干燥器通入過熱氮氣，將乙酰水楊酸產品提純至99.95%，最后將濾液輸送至乙醇精制塔，將其提純至93%，循環(huán)使用。項目首先確定乙酰水楊酸的生產方法及技術路線，然后進行乙酰水楊酸粗提純工段、乙酰水楊酸精提純工段，最后對全流程進行aspen模擬，各項操作參數優(yōu)化，設備計算與選型等。1.2生產方法選擇1.1.1PO現有生產方法目前，乙酰水楊酸的合成再世界生產中主要采用水楊酸、乙酸酐為原料，根據催化劑的不同，以不同的比例投放生產，主要的催化方法有有8種：濃硫酸催化法、維生素C催化法、一水硫酸氫鈉催化法、碳酸鈉催化微波合成法、對甲苯磺酸催化法、酸性膨潤土催化法、固體超強酸催化法和超聲輔助醋酸鈉法。[4]隨著環(huán)境污染的日益嚴重，國家對環(huán)保的管控越來越嚴格，一系列的環(huán)保要求相繼出臺，新的生產廠商迫切需要一種三廢少，污染低的生產方法。具體生產工藝流程方框圖如圖2-1所示。圖2-1乙酰水楊酸生產工藝流程方框圖1.濃硫酸催化法濃硫酸催化法為最先使用到乙酰水楊酸合成中的催化方法，其誕生于1976年，在反應器中加入原料及濃硫酸催化劑，加熱使反應開始進行，攪拌使其散熱均勻，待反應結束后加入冷凝水，在攪拌時將溶液冷卻至室溫，將合成產物析出，抽濾重結晶，該催化劑能使乙酰水楊酸的合成率達到60%。該催化劑的主要優(yōu)點是其價格較為低廉，但使用濃硫酸作為催化劑將會產生大量的工業(yè)廢水，并且濃硫酸會對反應設備造成強烈的腐蝕作用，對反應設備以及周圍環(huán)境造成極大的危害，無形之中又會加大資金的投入。1.維生素C催化法采用維生素C作為催化劑時，原料投放的最佳比例為：4.0g水楊酸、8.5ml乙酸酐、維生素C0.1-0.2g；其反應溫度要求在60-80攝氏度，反應時間為10-25min，并且其收率高達80.5%。其分離過程與濃硫酸催化法相同。該催化劑的優(yōu)點為其價格低廉，來源豐富，環(huán)境友好，并且其應用前景樂觀。但是維生素C催化劑不能夠再生循環(huán)使用，而且其生產工藝尚不成熟，并未運用到大規(guī)模的乙酰水楊酸生產中。3.一水硫酸氫鈉催化法一水硫酸氫鈉法催化合成乙酰水楊酸的方法誕生于2003年，其與傳統(tǒng)的濃硫酸催化法對比，兩種生產方法的操作工藝均很安全，產品為白色結晶，生產效果相當，一水硫酸氫鈉的催化溫度為70-85℃，其產率于濃硫酸催化法相比也較高，反應時間較短，為20min。[15]該催化劑的優(yōu)點在于其易于分離回收，可以循環(huán)重復多次使用，減少了由催化劑產生的廢物污染，并且其價格較低，易于接受，對設備及環(huán)境的影響也較低，不會造成大量的污染和危害，最為關鍵的是該催化方法經過長期的發(fā)展后，其工藝技術成熟，能夠運用到生產實踐之中。4.碳酸鈉催化微波合成法本方法使用硫酸鎳為催化劑，其水楊酸、乙酸酐、硫酸鎳配比為1：2：0.1，微波輻射時間為50s，輻射功率為480w，其轉化率高達87.7%，較傳統(tǒng)的合成方法相比，其大大節(jié)省了反應所需的大量時間，而且產品轉化率得到了大幅度的提升，并且滿足了綠色化學可持續(xù)發(fā)展的需求但是該反應使用微波輻射加快反應速率、增加轉化率，其設備要求與傳統(tǒng)方法相比要求較為苛刻。5.對甲苯磺酸催化法該催化劑的最佳條件為：水楊酸與酸酐物質的量比1：2，反應時間為20min，產率為84%，但其產生的三廢較多。6.酸性膨潤土催化法使用該催化劑的反應溫度與傳統(tǒng)方法相比，其反應溫度較高達到80-90℃，浪費的原料較多，其水楊酸與酸酐投放比例為1：3.6，催化劑用量為5%，反應條件溫和，收率較高，可達90%。7.草酸催化法使用草酸作為催化劑合成乙酰水楊酸的方法較傳統(tǒng)工藝相比較，其反應時間較長，徐連續(xù)攪拌反應50min，并且其物料比為1：3（水楊酸：乙酸酐），最佳反應溫度為80℃。8.固體超強酸催化法該方法使用固體超強酸SO42-/TiO2作為催化劑其最佳反應條件為：反應溫度76-80℃，反應時間30min，水楊酸與乙酸酐物質的量比1：2；收率79%，但應為其獨有的強酸性會對設備等造成一定的壓力。固體超強酸SO42-/TiO2具有較高的催化活性，可多次循環(huán)使用，不造成三廢污染，是一種環(huán)境友好型催化劑。1.1.2八種生產工藝方法對比據相關資料可知，現有的多種催化合成乙酰水楊酸方法各有優(yōu)缺點，現對以上所列的八種催化合成方法進行對比。其中一水硫酸氫鈉催化合成法與固體超強酸催化合成法兩種催化劑的催化性能相似，均屬于可再生性催化劑，但是固體超強酸SO42-/TiO2的制作及反應要求較為苛刻，因此兩種方法對比之后，我們選擇一水硫酸氫鈉催化合成法。而傳統(tǒng)的濃硫酸催化合成法有著較多的弊端，如：對設備的腐蝕性較大、對環(huán)境的危害較高、產品收率較低等，其工藝成熟的優(yōu)點并不能使其進入該項目的考慮范圍內。而對甲苯磺酸催化法、酸性膨潤土催化法、草酸催化法將會造成原料的大量浪費，并且沒有太多突出的優(yōu)點，因此本項目不考慮使用這三類合成方法。綜上所述，現將：維生素C催化法、一水硫酸氫鈉催化法、碳酸鈉催化微波合成法這三類方法進行對比，根據相關文獻，將這三種工藝的各項參數進行對比，如表2-1所示。表2-1三種工藝的技術指標對比[1,21]項目維生素C催化法一水硫酸氫鈉催化法碳酸鈉催化微波合成法酸、酐投放比例4g、8.5ml1：1.35不嚴格較少成熟能20min70-80℃80較少1：2要求不嚴格嚴格設備投入較少較大工藝路線較成熟較成熟能否回收使用不能不能反應時間30min1min反應溫度80-85℃—收率/%80.587.7電耗/（KW/h）.較少較大由表2-1可見，一水硫酸氫鈉催化合成法最佳，因為：一是其造成的原料損失較少，并且對反應的要求并不高，有大量操作空間；二是其反應溫度較低，設備投入較少；最重要的是其合成工藝已經成熟1.1.3生產方法的確定在選擇生產工藝路線時，首先要考慮原料的廉價、原料的毒性等，其次是考慮生產過程中是否可靠安全，中間是否產生對環(huán)境有污染的物料等因素。通過以上對比，一水硫酸氫鈉催化合成法的生產過程中不產生固體廢物，并且在生產過程中將主要的廢水乙酸酐以及重結晶所使用的軟化水、乙醇溶劑進行轉化、分離提純，將分離提純后的乙酸作為副產物出售，乙醇作為溶劑循環(huán)使用，大大降低了廢水的排放量，最后使用氮氣進行干燥后將會產生少量的廢氣。生產過程中基本無污染屬于環(huán)境友好的清潔生產系統(tǒng)，能夠有效提高綠色水平，符合我國可持續(xù)發(fā)展要求。此外，該工藝能夠產生很大的經濟效益和社會效益，很有發(fā)展前景。[16.17]1.3本項目的環(huán)氧丙烷生產原理1)反應原理該生產方法只，主要反應設備內只涉及一個化學反應，即水楊酸與乙酸酐混合生成乙酰水楊酸的反應，由于反應溫度控制在80℃以內，并沒有達到副反應的溫度要求，故該反應不會產生副反應，而輔助反應器內發(fā)生的反應為乙酸酐水解生成乙酸。乙酰水楊酸合成反應器、輔助反應器內發(fā)生的主反應如下：主反應：(CH1.4生產工藝流程設計本設計的生產工藝流程共分為3個工段：乙酰水楊酸合成工段，乙酰水楊酸精制工段，乙酰水楊酸再精制工段，本設計所采用的一水硫酸氫鈉催化合成法制乙酰水楊酸改進后的生產工藝流程方框圖如圖2-2所示。圖2-5改進后的生產工藝流程方框圖下面對各個工段的流程作簡要闡述：乙酰水楊酸合成工段：將乙酸酐經過加壓后與水楊酸按照1：1.35的比例混合、加熱至65-70℃之間，送入裝有一水硫酸氫鈉催化劑的攪拌反應釜中，進行一水硫酸氫鈉催化反應生成乙酰水楊酸，原料在反應器內停留時間為20-35分鐘，將反應得到的酸酐，水楊酸，乙酰水楊酸混合液急劇降溫，將溶液中的乙酰水楊酸析出，再打入乙酸反應釜中，加入軟水，將反應剩余的酸酐，轉化為乙酸，最后將乙酸、水楊酸、水、乙酰水楊酸固液混合物一起輸送至乙酰水楊酸精制工段乙酰水楊酸精制工段：自乙酸反應釜中輸送出來的固液混合物進入離心機中進行固液分離操作，將乙酰水楊酸濾渣送入乙酰水楊酸再精制工段，將含有大量乙酸的濾液經乙酸精制塔進料泵加壓后打入乙酸精致塔中進行分離。從塔頂出來的組分主要為水，以及少量的水楊酸、乙酸，當作廢水處理后排放；塔釜餾出98%的乙酸，送進乙酸儲罐之中作為本廠的副產物出售。乙酰水楊酸再精制工段：將上一工段得到的乙酰水楊酸濾渣與軟水、乙醇混合后打入溶解器中，將乙酰水楊酸溶解，接著進入重結晶攪拌釜中