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摘 要

在生物燃料技术的最新进展和日益减少的化石燃料资源导致的增加的生物柴油生产为燃料的全球需求量并没有表现出下降的迹象。然而，甘油可以转化为各种各样的高价值产品，如丙烯醛、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇等等。1,2-丙二醇又是一种重要的化工原料，目前在化学工业上应用非常广泛。本文据此设计了一套20万吨/年甘油加氢裂解制备1,2-丙二醇的工艺设计。通过查阅文献找到合适的工艺催化剂，并通过Aspen Plus软件进行工艺模拟和优化，使得最终的产品质量纯度达到99.5%。本文主要内容包括各设备工艺参数的确定以及其规格尺寸的计算，流程图的绘制，管道设计和设备布置图的绘制。

关键词：甘油加氢裂解 1,2-丙二醇 Aspen Plus模拟计算

The design of 200,000 tons/year of glycerol

hydrogenolysised to small molecule polyol preparation process

ABSTRACT

Recent advances in biofuel technology and dwindling fossil fuel resources have led to an increase in biodiesel production as the worldwide demand for fuel has not shown signs of decrease. However, glycerol can be transformed into a wide variety of high-value products such as acrolein, 1,2-propanediol, and 1,3-propanediol, among others. 1,2-Propanediol is an important industrial raw material which has been widely

Used in nowadays chemical engineering. According to this process, my paper designs a system that 200,000 tons/year of glycerol hydrogenolysised to 1,2-propanediol. Through literature search for suitable for industrial production of the catalyst, and using Aspen Plus process simulation and optimization software, eventually making the quality of the product purity up to 99.5%. This design includes the technological parameters and the specification and dimension of equipment. A process flow diagram, piping and instrument diagram and equipment layout will be given.

Keywords：Hydrogenolysis of glycerol；1,2-propanediol；Aspen Plus simulation

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1 研究背景 1

1.2 1,2-丙二醇的介绍 1

1.2.1 1,2-丙二醇的主要性质 1

1.2.2 1,2-丙二醇的用途 1

1.2.3 1,2-丙二醇生产现状 1

1.3 甘油加氢裂解制备1,2丙二醇 2

1.3.1 甘油催化氢解制备丙二醇的机理 2

1.3.2 1,2-丙二醇合成方法 3

1.3.3 工业化生产要求 4

1.3.4 近年国内外工业化生产工艺专利 4

1.4 设计内容 6

第二章 设计基础 7

2.1 概况 7

2.1.1 设计依据 7

2.1.2 设计范围 7

2.2 生产任务及装置规模 7

2.3 原料规格 7

2.4 化学品规格 8

2.5 原料和反应产物的物性 8

第三章 工艺说明 9

3.1 反应单元工艺原理 9

3.1.1 概述 9

3.1.2 确定依据 9

3.1.3 反应原理 9

3.2 反应单元主要工艺操作条件 10

3.3 反应单元工艺流程描述 10

3.3.1 甘油水溶液的混合 10

3.3.2 加氢反应 10

3.3.3 气液分离 11

3.4 提纯单元工艺原理 11

3.4.1 概述 11

3.4.2 确定依据 11

3.5 提纯单元工艺流程示意图 11

3.6 提纯单元工艺流程描述 12

3.7 工艺流程图 12

第四章 物料平衡及消耗量 13

4.1 反应单元模拟计算 13

4.1.1 物性方法选择 13

4.1.2 模拟流程图 13

4.2 反应单元物料平衡 14

4.3 提纯单元模拟计算 15

4.4 提纯单元物料平衡 16

4.5 模拟计算结果分析 18

4.6 原料消耗量 18

4.7 化学品消耗量 18

第五章 工艺管道及仪表流程图 19

第六章 工艺设备设计 20

6.1 工艺设备说明 20

6.1.1 加氢反应器 20

6.1.2 气液分离器 21

6.1.3 精馏塔 22

6.1.4 换热器 22

6.2 主要设备选型计算 25

6.2.1 氢气预热器(E0101) 25

6.2.2 甘油溶液预热器(E0102) 28

6.2.3 粗产品冷却器(E0103) 32

6.3 精馏塔的选型与计算 35

6.3.1 脱轻组分塔(T0101)的选型计算 36

6.3.2 丙酮醇塔(T0102)计算与校核 37

6.3.3 1,2-丙二醇塔(T0103)的计算 39

6.4 反应器(R0101)的计算与选型 41

6.5 泵 43

6.6 压缩机 43

第七章 设备布置图及说明 44

7.1 平面布置原则 44

7.2 平面布置图 44

第八章 结论与展望 45

参考文献 46

附图 47

第一章 文献综述

1.1 研究背景

甘油主要来自动植物和化工产业(如肥皂、生物柴油产业)，具有可降解、可再生等优点。因其独特的性质，甘油成为近年来的研究热点。目前，甘油可转化为各种高附加值的精细化学品^[1-2]。其中，从甘油催化氢解制1,2-丙二醇(1,2-PDO)的技术最受关注。1,2-PDO的传统生产工艺包括环氧丙烷水解法、丙烯氧化法和酯交换法。上述工艺原料来自不可再生的石油资源，流程复杂，环境污染严重，经济效益低。而甘油氢解法使用绿色清洁的甘油作原料，产物种类少、收率高、易分离提纯，具有替代传统生产工艺的潜力。

1.2 1,2-丙二醇的介绍

1.2.1 1,2-丙二醇的主要性质

1,2-丙二醇，英文名：Propylene Glycol，分子式为C₃H₈O₂，分子量为76，CAS登记号为57-55-6，是一种无色粘稠稳定的吸水性液体，几乎无味无臭，不易燃，低毒。熔点为-59.5℃，沸点为187.3℃；闪点为107℃(开口)、98.9℃(闭口)粘度(20℃)60.5mpa•s比热容(20℃)2.49kJ/(kg•℃)，汽化热(101.3kpa)711 kJ/kg。与水、乙醇及多种有机溶剂混溶^[3]。

1.2.2 1,2-丙二醇的用途

1, 2-丙二醇是重要的化工原料，其用途相当广泛。它主要用作生产不饱和聚酯的原料，也是表面活性剂和乳化剂的生产原料。另外还广泛应用于食品、医药和化妆品工业中，作为吸湿剂、抗冻剂、润滑剂和溶剂使用。它还可用作烟草增湿剂、防霉剂和水果催熟剂等。

1.2.3 1,2-丙二醇生产现状

传统的1,2-丙二醇生产技术是以环氧丙烷为原料，经水合制得^[4]。该种生产工艺的特点是产品质量好，但水合法存在较大的环境污染问题，而且该方法以丙烯为原料，生产成本偏高，受石油价格和产业结构调整的影响大，由于丙烯等石化原料价格的快速上涨，现有生产方法面临生产成本的压力。特别是当1,2-丙二醇或者其衍生物应用于食品、化妆品和药品等与人类直接接触的领域时，与以化石原料生产的1,2-丙二醇相比，消费者更青睐以可再生原料(如糖类和甘油等)生产的1,2-丙二醇^[5]。另外有关数据表明：目前我国二元醇的表观消费量在10万t/a左右，而国内产量在6万t/a左右，约有4万t的市场缺口^[6]。所以目前迫切需要开发新的原料来源和合成路线。

1.3 甘油加氢裂解制备1,2丙二醇

1.3.1 甘油催化氢解制备丙二醇的机理

在催化剂作用和氢气存在的条件下，通过一次C-O键断裂，甘油可以转化成1,2-丙二醇和1,3-丙二醇。但是由于催化剂种类及反应参数的不同，可能发生以下副反应：在甘油过度氢解时，即经过2~3次C-O键断裂后，得到一元醇(正丙醇、异丙醇)和丙烷。如果经历1次C-C键的断裂则会生成乙二醇，经过2次C-C键的断裂将生成甲醇。甘油经过C-O键和C-C键同时或者交替的断裂，有可能得到正丙醇、异丙醇、乙二醇、乙醇、甲醇、丙烷、乙烷和甲烷。甘油催化氢解的反应机理是比较复杂的，由于反应条件、催化剂的不同，甘油氢解制丙二醇的机理也存在着一定的差异。

甘油氢解反应如下：

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