1、年产 7 万吨环氧环己烷精制工段工艺设计The Refining Process Design of Epoxy-cyclohexane on 70 kt/a目 录摘要 .IAbstrac.II引言 .1第一章 绪论 .21.1 环氧环己烷 .21.2 环氧环己烷的合成 .21.3 环氧环己烷的精馏分离 .21.4 环氧环己烷精制工艺的国内外研究现状 .3第二章 设计方案 .52.1 设计方案 .52.2 工艺的选用 .5第三章 精制工段工艺设计 .63.1 设计条件 .63.2 精馏塔的设计 .63.2.1 精馏塔的物料衡算 .63.2.2 塔板数的确定 .73.2.3 精馏塔的工艺条件及有
2、关物性数据的计算 .83.2.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 .143.2.5 塔板主要工艺尺寸计算 .163.2.6 塔板流体力学验算 .193.2.7 塔板负荷性能 .213.3 附属设备的设计 .253.3.1 全凝器的设计 .253.3.2 再沸器的设计 .263.3.3 原料预热器的设计 .263.3.4 法兰的设计 .273.3.5 接管的计算与选择 .27第 4 章 自动控制系统 .304.1 自动控制概述及要求 .304.2 自动控制设计 .31第 5 章 厂区布置 .325.1 概述 .325.2 布置原则及方法 .32结论 .34致谢 .35参考文献 .36I年产 7 万吨环
3、氧环己烷精制工段工艺设计摘要：环氧环己烷是一种重要的有机合成中间体，本文设计了一个常压浮阀精馏塔，分离含环己烯 0.40（以下皆为质量分数）的环己烯环氧环己烷混合液，其中环氧环己烷产量为 70000t/年，最终获得 0.985 的塔顶产品环己烯和 0.98 的塔釜产品环氧环己烷。本设计采用泡点进料，泡点回流，塔釜采用间接蒸汽加热。本设计通过翻阅大量的资料进行物性数据处理、塔板计算、结构计算、流体力学计算以及计算接管壁厚。此外，还对一些辅助设备进行了设计，包括全凝器、再沸器和原料预热器，对本设计中需要的自动控制系统也有简单的介绍。在设计中，精馏塔塔径为 1.5m，有效高度为 11.1m，塔板采用
4、分块式塔板和单溢流弓形降液管，板间距为 0.45m。关键词：环氧环己烷；环己烯；浮阀精馏塔；精制IIThe Refining Process Design of Epoxy-cyclohexane on 70 kt/aAbstrac：Epoxy-cyclohexane is important organic synthetic intermediates,and this paper designed a float valve distillation column of atmospheric pressure to separate cyclohexene-epoxy-cyclohex
5、ane mixture with cyclohexene containing 0.40（mass fraction,so as follows）. Cyclohexene 0.985 was obtained at the top and 0.98 the bottoms product epoxy cyclohexane.The production of epoxy cyclohexane is 70kt/a.The bubble point feed, the bubble point back-flow were used,and the tower reactor employs
6、indirect steam heating.A great deal of literature for processing physical property data,computing tower plates,computing the tower body structure, computational fluid dynamics and computational takeover wall thickness were consulted in this design.In addition,some of the auxiliary equipment, includi
7、ng the whole condenser, reboiler and raw material preheater were designed in this paper.The necessary automatic control system are simply introduced.The rectifying tower diameter is 1.5 m,and its effective height is 11.1m.Plate of the tower adopt the block type plate and single overflow arch downcom
8、er with plate distance is 0.45 m.Key words：cyclohexene oxide;cyclohexene; float valve distillation column;refine1引 言1,2-环氧环己烷又名环氧环己烷，是一种带香味的无色或淡黄色液体。由于环氧环己烷分子结构中存在十分活泼的环氧基，使其能与胺、酚、醇、羧酸等反应生成一系列高附加值的化合物。环氧环己烷的用途很广，可作为中间体用于制备农药克螨特，己二酸、尼龙 66、环氧类涂料、橡胶促进剂、燃料等化工产品也是一种应用领域非常广泛的有机溶剂，为此，研究开发经济适用的高纯环氧环己烷的生产技术具
9、有重要意义。环氧环己烷是一种热敏性物料，其精馏分离常采用常压蒸馏。常压蒸馏用于热敏性物料的分离，对温度要格外注意，因此对热敏性物料的精馏分离应特别注意塔釜温度的控制。塔设备可以为传质过程创造适宜的外界条件，除了维持一定的压强、温度、规定的气、液流量等工艺条件外，还可以从结构上保证气、液有充分的接触时间、接触空间和接触面积，以达到相际之间比较理想的传质和传热效果。本设计通过使用热量衡算、物料衡算等方法，对操作压力、温度、塔板数、所用塔的个数进行计算，设计出所用的洗液的浓度和用量、以及副产物的合理循环利用等，以得到高质量的环氧环己烷产品。2第一章 绪论1.1 环氧环己烷1,2-环氧环己烷又名环氧环
10、己烷，是一种带香味的无色或淡黄色液体。熔点-40，沸点 130132，闪点 27。相对密度（20/4） 0.966，不溶于水，能与乙醇、丙酮、醚等挥发物质相溶；易燃、易挥发、无腐蚀性。由于 1,2-环氧环己烷分子结构中存在十分活泼的环氧基，使其能与胺、酚、醇、羧酸等反应生成一系列高附加值的化合物。1,2-环氧环己烷的用途很广，可作为中间体用于制备农药克螨特，己二酸、尼龙 66、环氧类涂料、橡胶促进剂、燃料等化工产品也是一种应用领域非常广泛的有机溶剂。1.2 环氧环己烷的合成1,2-环氧环己烷可从轻质油中分离，也可经过化学方法合成。含环氧环己烷的轻质油来源于环己烷氧化制环己酮的少量副产物，其产量
11、受限于环己酮的产量，而且产品的纯度较低。因此，化学合成法是生产环氧环己烷的主要方法。目前其合成方法有氯醇法、空气催化环氧化法、以过氧化物为氧源的催化环氧化法是环氧化物传统的合成方法。 氯醇法、过酸法本身存在着选择性不高、设备腐蚀严重、反应工艺复杂等缺点，而空气催化环氧化法一般只适用于低级烯烃。1983 年 Venturello 等研究开发了杂多离子 /PTC/H2O2 复合催化体系应用于烯烃的环氧化，此方法具有工艺简单、催化活性及选择性高、绿色化及易于工业化等优点。在工艺路线设计及催化剂的选择上采用以过氧化氢为氧源，在温和的条件下由环己烯催化环氧化直接合成环氧环己烷。1.3 环氧环己烷的精馏分
12、离环氧环己烷是一种热敏性物料，对温度十分敏感，受热到一定程度会发生分解、聚合或者其他的化学反应，即日常生活中所说的变质。热敏问题在医药、食品、香料、石油炼制等工业生产过程比较常见，是生产中要予以考虑的重要问题。同时，热敏性物料的分离和精制是精馏技术应用领域中的重要技术课题之一。关于热敏性物料的分离，有很多种方法，常见的有精馏、溶剂萃取、膜分离等技术。就精馏方法而言，常压蒸馏用于热敏性物料的分离，对温度要格外注意，温度过高不仅物料会发生变质，分离塔也会发生一定程度的结焦现象，使塔的洗涤造成困难。因此对热敏性物料的精馏分离应特别注意塔釜温度的控制，避免以上情况的发生。3根据由 Hickman 和
13、Embree 等人提出，并由 R.W.king 发展的物料稳定性指数理论可知，影响热敏性物料是否发生热敏反应的关键因素有两个：一是物料的饱和蒸汽压，二是分离物料在热危险区的停留时间，其中饱和蒸汽压主要和加热温度有关。基于此理论，工业上对热敏性物料的分离主要采用以下两种方法：（1）采用减压或高真空精馏，降低蒸气压在减压下，纯物质的沸点较正常压力下要低。减压精馏可以降低混合物的泡点，从而降低分离温度。因此可减少用于加热的蒸汽消耗和使用较低压力的加热蒸汽。但真空操作对设备的密封性要求严格，在技术上带来一定的困难。特别对易燃易爆物质，当设备内漏入空气时，有爆炸的危险。且减压精馏的生产能力低于常压和加压
14、精馏设备。（2）改造设备结构或流程，减少物料在高温区的停留时间改造设备结构或流程，主要方法包括：使用多塔连续精馏；在分离混合液中加入萃取剂：在混合液中加入重组分；循环被分离的物料等等。在实际应用中，常将减压精馏与改造设备或流程结合起来，以达到分离的目的。环氧环己烷的分离采用常压间歇精馏与减压间歇精馏相结合的方法。先用常压间歇精馏分离出大部分环氧环己烷，再用减压间歇精馏分离出常压塔处理剩余的环氧环己烷。间歇精馏有以下特点：（1）间歇精馏为非定态过程在精馏过程中釜液组成不断降低。若在操作时保持回流比不变，则馏出液组成将随之下降；反之，为使馏出液组成保持不变，则在精馏过程中应不断加大回流比。为达到预
15、定的要求，实际操作可以灵活多样。例如，在操作初期可逐步加大回流比以维持馏出液组成大致恒定：但回流比过大，在经济上并不合理。故在操作后期可保持回流比不变，若所得的馏出液不符合要求，可将此部分产物并入下一批原料再次精馏。（2）全塔均为精馏段，没有提馏段（3）塔顶产品组成随操作方式而异间歇精馏的操作方式主要有以下两种：其一是馏出液组成恒定时的间歇精馏操作，即馏出液组成保持桓定，而相应的回流比不断的增大；其二是回流比恒定时的间歇精馏操作，及回流比保持恒定，而对应的馏出液组成逐渐降低。1.4 环氧环己烷精制工艺的国内外研究现状关于环氧环己烷分离提纯方法主要是以环氧环己烷作为环己酮的副产进行分离提纯，对以
16、环氧环己烷为合成产品进行分离的文献报道较少。4王开云介绍了环己酮副产品的轻质油中分离得到的 80环氧环己烷，用三氟化硼乙醚作催化剂，可以将其中的戊醇脱除，转化成高沸点的环己二醇单戊醚，用轻胺与酮醛杂质反应，可使之转化成高沸点的肝，而易于通过精馏的方法脱除杂质而得到高含量的环氧环己烷。较适宜的脱除戊醇的反应条件为：催化剂三氟化硼乙醚用量为总原料量0.20.5，反应时间为 12h，反应温度为 3055。较适宜的脱除酮醛的反应条件为：经胺与酮醛比为 2:14:1，反应温度 3055，环氧环己烷纯度 98，反应收率80。岳阳石化唐前中等先将轻质油进行常压预蒸馏，收集 128135的馏分（为环氧环己烷和
17、正戊醇的混合物）将此馏份 54 份，另加入 46 份水，再进行常压蒸馏，收集（905）的馏分即为粗环氧环己烷，将粗环氧环己烷的有机含量作为 50 份，加入甲醇或乙醇 25 份（也可兑一半的水）使之与环氧环己烷形成共沸物进行常压蒸馏，收集130132的馏分即为精环氧环己烷，其纯度可达 95，整个工艺的回收率大于 70。Nakahigashi 等也曾在 1975 年提出一种回收环氧环己烷的方法。他们是先将轻质油进行减压蒸馏，在 13.2kPa 压力下收集 65.77的馏分（其中含环氧环己烷 36.2），再往此馏分中加入 10的 NaOH 水溶液，于 98100回流 lh，将其中的戊醛、己醛、环戊酮
18、等低沸物转化成高沸物，接着用水洗涤以除去其中的碱，最后进行减压蒸馏，即可获得纯度达 94.7的环氧环己烷，收率为 69.7。日本 Tahara 等曾在 1974 年提出一种回收环氧环己烷的方法。他们是先将轻质油进行蒸馏处理，收集含环氧环己烷、丁醇、戊醛、环戊酮的馏分（其中含环氧环己烷37.9），再往此馏分中加入氨水进行搅拌，静置分层后取出含环氧环己烷和丁醇的有机层。然后将此其在 13.2kPa 压力下进行减压蒸馏，收集 4486的馏分，即得到 81的环氧环己烷。5第二章 设计方案2.1 设计方案本设计任务为分离环己烯环氧环己烷混合物。对于二元混合物的分离，应采用常压下的连续精馏装置。本设计采用
19、泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送入储罐。该物系属于易分离物系，最小回流比较小，操作回流比取最小回流比的 1.5 倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2.2 工艺的选用双氧水催化氧化环己烯制备环氧环己烷过程中所得到的产物是一种含有多组分的混合物，环氧环己烷需要通过分离达到一定纯度后方可被利用。本设计着力于目的产物环氧环己烷的分离与精制，利用精馏分离使环氧环己烷的纯度达到工业应用所需要的纯度，并对分离过程中得到的环己烯加以回收利用，确定精馏操作最佳工艺参数，为工业放大生产提供理论依据。塔顶 塔底图 2.1 环氧环己烷精制工段工艺流程
20、图 冷 却 器再 沸 器 环己烯储罐环氧环己烷 储 罐全 凝 器精 馏 塔预 热 器原 料冷 却 器6第三章 精制工段工艺设计3.1 设计条件原料为含环氧环己烷 40（质量分数,下同）的环己烯环氧环己烷混合物，环氧环己烷产量 70000 吨/年。塔顶环己烯产品浓度：98.5塔底釜液含环氧环己烷不低于 98操作条件：精馏塔的塔顶压力 4 kPa（表压）进料状态 泡点进料回流比 1.5Rmin全塔效率 52加热蒸汽压力 101.33kpa饱和水蒸汽压力 0.25Mpa （表压）设备形式 浮阀塔设备工作日 300 天3.2 精馏塔的设计3.2.1 精馏塔的物料衡算原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率环己烯的摩尔质量 MA=82.15kg/kmol环氧环己烷的摩尔质量 MB=98.14kg/kmol 43.01.98/6015.82/40.xF 7././9.D 024.1.98/.015.82/.0xW原料液及塔顶、塔底产品的摩尔质量 mol97.56kg/8.140.9782.150.4M23397 l./.3WDF 物料衡算
