基于年产30万吨 1,4-丁二醇工厂的工艺工程经济分析开题报告

1. 研究目的与意义

1,4-丁二醇用途广泛，在美国和西欧一半以上用于生产四氢呋喃，其次用于生产γ-丁内酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯，后者是迅速发展中的工程塑料；1,4-丁二醇作为增链剂和聚酯原料用于生产聚氨酯弹性体和软质聚氨酯泡沫塑料；1,4-丁二醇制得的酯类是纤维素、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯类和聚酯类的良好增塑剂。1,4-丁二醇具有良好的吸湿性的增柔性，可作明胶软化剂和吸水剂，玻璃纸和其他未用纸的处理剂。还可制备N-甲基吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮及其他吡咯烷酮衍生物，也用于制备维生素B6、农药、除草剂以及作用多种工艺过程的溶剂、增塑剂、润滑剂、增湿剂、柔软性、胶粘剂和电镀工业的光亮剂。

近年来我国1,4-丁二醇产能增长迅速，而国内1,4-丁二醇需求则呈平稳，还面临进口产品的竞争。由于我国1,4-丁二醇现有产能多基于较为陈旧的工艺和装备技术，与绿色制造水准还有相当大的差距，导致现有产能的市场竞争力低下，产能利用率处于低位。我国1,4-丁二醇行业要更好地前进，唯有遵循《中国制造2025》指出的发展方针，以创新驱动，发展资源多元化、低耗、高效、安全、清洁的绿色制造技术，才能迎来我国1,4-丁二醇产业可持续稳定发展的前景。

2. 课题关键问题和重难点

通过方案论证确定1，4-丁二醇反应动力学，并使用aspen plus流程模拟软件对反应器进行模拟优化，主要关键问题及难点有：

（1）深度了解生产1，4-丁二醇的反应原理，并结合相关实验数据以及文献，提出合理的工艺流程，运用aspen plus流程模拟软件对其进行可行性模拟，即化学反应动力学和催化剂验证可行性。

（2）运用 aspen plus 流程模拟软件对全流程进行模拟，通过筛选首先得到合适的物性方程，并对模型验证，然后在对工艺中涉及到而 aspen 里面没有的物质进行物性模拟，得到相关物性数据。并对全流程进行详细设计。

3. 国内外研究现状（文献综述）

目前1,4-丁二醇的合成通常有以下五种方法：环氧丙烷法、丁二烯法、顺酐法、炔醛法、生物基法。

1 常用工艺方案

1.1环氧丙烷法

环氧丙烷法是先由环氧丙烷异构化生成烯丙醇，烯丙醇再液相加氢甲酰化生成4一羟基丁醛溶液，然后再在雷尼镍催化剂作用下加氢生成1,4一bdo,典型理论产率为93%。环氧丙烷工艺所使用的催化剂可以循环利用，生产工艺简单，成本投入较少，对环境的影响较小，可以减少蒸汽消耗，并保障1,4-丁二醇生产率，可实现对于生产负荷的有效调节，具 备较强的市场变化适应能力。为此在生产制备1,4-丁二醇方面，可以利用环氧丙烷生产工艺，强化企业的市场竞争力。但同时，环氧丙烷生产工艺的使用中所采用的磷酸锂、三苯基膦、十六羰基六铑等原材料，在运输与储存方面面临一定的困难，且生产过程中所产生的中间产物具有较大毒性，如羟基丁醛，本身就具有毒性，并且会受热分解产生有毒的巴豆醛气体，为 此需要采取更加合理的运输与存储措施，并削弱中间产物毒性。

1.2丁二烯法

丁二烯生产法包括氯化工艺与醋酸工艺。（1）利用氯化技术生产制备1,4-丁二醇，是在260~300℃的环境下，通过对丁二烯的气相氯化处理，生成1,4-二氯-2-丁烯及其他中间产物，对1,4-二氯-2-丁烯，进行碱性水解处理，产生丁烯二醇，加氢生成1,4-丁二醇；（2）利用醋酸工艺制备1,4-丁二醇，催化剂选用钯-碲材料，反应原料选用氧气、醋酸与丁二烯，进行加氢处理，生成的中间产物，进行精馏处理，生成1,4-二乙酰氧基-2-丁烯。以钯对1,4-二乙酰氧基-2-丁烯进行催化，加氢处理，产生1,4-二乙酰氧基丁烷。采用硫磺型阳离子交换树脂催化，经过水解反应，产生1,4-丁二醇。丁二烯制备1,4-丁二醇的方法，反应条件较为温。2018年09月工艺管控原料较多，在制备过程中并不会产生过多废物、废气与废水，具备较高的原料转化率。但同时，采用该技术的生产过程中，会对生产制备设备造成较为严重的腐蚀，所产生的蒸汽消耗量大，且钯-碲等催化剂价格昂贵，因此该生产工艺的应用需要投入较大的经济成本，影响企业的经济效益与市场竞争力。

4. 研究方案

工艺方案比较

本项目为1,4-丁二醇生产项目，致力于达到《中国制造2025》中提出的绿色发展2025指标。各工艺流程优缺点总结列表如下：

表4-1 工艺流程优缺点总结表

4.3 方案选择

通过对不同方案投资成本、原料消耗、转化率、本质安全、本质环保、流程繁简等方面的比较后，按各项目影响性高低对不同工艺方案进行遴选，过程如下：

炔醛法工艺成熟，反应过程副产品少，最终产品的收率高，催化剂寿命长、活性高、选择性高，装置投资低，适合于大规模生产。但是，从年开始内家地区“能耗双限”，电石供给不稳定，操作条件较为苛刻，且电石路线有污染问题，天然气制乙炔项目审批受限，因此不选择炔醛法。

丁二烯法操作运行条件温和，运行中产生的废液量少，但工艺流程长，投资、配套的公用工程投资偏高且运行中设备腐蚀情况严重，国内原料来源有限，因此不考虑丁二烯法。

环氧丙烷法装置投资低，反应过程中产生的副产品价值高，催化剂有效使用期限长，系统中蒸汽能有效利用，实现节能降耗。。但是生产运行成本偏高，烯丙醇难以廉价获得，反应过程中羟基化反应的选择性低，同时BDO生产全过程收率偏低，因此不考虑环氧丙烷法。

目前我国国内生产生物基BDO的企业不多，仅有山东蓝典生物科技有限公司有生物基BDO项目（待生产），其他新投产BDO的企业多采用“顺酐法”、“乙炔法”，生产石油基BDO。因此，本项目不考虑生物基法。

顺酐法工艺流程短，投资低，生产运行成本低，运行中三废排放量少，同时可联产四氢呋喃(THF)。本项目依托于母厂的正丁烷厂，原料正丁烷来源充足，且能够与原有设备相兼容，延伸工艺路线，提高产品的附加值，同时能够根据市场变化灵活调配产品的产出比例，从而提高本项目的生存能力。考虑到生产过程的环保型、节能和经济效益，且相对于酯化加氢，直接加氢流程更短，因此本项目最终选择顺酐直接加氢法。

顺酐直接法反应选择性高，三废排放少，流程简单，经济效益高，能耗低，本项目以现有的工艺技术为基础进行技术升级，以达到《中国制造2025》提出的绿色发展2025目标，并进一步开发成工艺并加以推广，降低生产成本，实现节能减排，增强市场竞争力，打开下游市场，促进产业整体升级。

全厂总流程

本项目作为齐翔腾达1,4-丁二醇分厂，为其后续扩建作为技术储备，我们以正丁烷和氢气为原料，顺酐制备工段、顺酐精制工段、1,4-丁二醇制备及副产品工段，最终制得纯度为99.7%（wt%）的1,4-丁二醇和纯度为99.8%（wt%）的四氢呋喃。

5. 工作计划

首先通过方案论证确定1，4-丁二醇反应动力学和所选工艺流程，并使用Aspen Plus流程模拟软件对反应器进行模拟优化和动力学研究，接下来深度了解生产1，4-丁二醇的反应原理，并结合相关实验数据以及文献，提出合理的工艺流程，运用Aspen Plus流程模拟软件对反应器进行可行性模拟，即化学反应动力学和催化剂验证可行性。在其基础上运用 Aspen plus 流程模拟软件对反应器进行模拟，通过筛选首先得到合适的物性方程，并对模型验证，然后在对工艺中涉及到而 aspen 里面没有的物质进行物性模拟，得到相关物性数据。并对反应器类型进行选择及尺寸进行详细设计，同时寻找反应器创新点。其次采用COMSOL对反应器的流体场进行模拟分析，对反应器内部流态进行PDMS建模，模拟整个反应器中反应流程。最后对反应器装配图进行绘制。