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年产25万吨乙二醇生产工艺设计
摘要
乙二醇（EG）是一种重要的有机化工原料，可衍生出多种化工产品，在很多行业中都有广泛应用。近年来，由于我国乙二醇的需求量逐年增加，使得乙二醇具有广阔的市场前景。
本设计是对年产20万吨乙二醇的生产工艺设计，采用环氧乙烷水合的方法制乙二醇，即乙烯和氧气为原料先合成环氧乙烷，然后催化剂的作用下，环氧乙烷与水合成乙二醇。该方法具有工艺成熟，操作简单，成本低的好处。
本设计包括确定年产20万吨乙二醇的合理生产流程，该流程可以简单分为乙烯环氧化工段、环氧乙烷精制工段、乙二醇反应工段和乙二醇精馏工段等四个工段。本设计根据流程对各个工段进行了物料衡算和热量衡算，以此为依据对反应器，换热器等设备进行了设计计算，再根据计算结果绘制出反应器和换热器的设备图以及物料平衡图。通过本次设计，可以为乙二醇产品的工艺设计提供技术支持。
关键词 乙二醇；环氧乙烷；工艺设计
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.1.1 乙二醇的性质 1
1.1.2 乙二醇的主要用途 1
1.2 乙二醇的生产现状 1
1.2.1 乙二醇的全球的生产现状 1
1.2.2 乙二醇的国内生产现状 2
1.2.3 乙二醇的发展趋势 2
1.3 课题意义及设计内容 2
1.3.1 课题的意义 2
1.3.2 设计内容 3
第2章 生产工艺流程 4
2.1 乙二醇的生产工艺概述 4
2.1.1 石油路线法 4
2.1.2 非石油路线法 5
2.1.3 其它方法 6
2.2 乙二醇的生产工艺选择 7
2.3 乙二醇的生产工艺流程 7
2.3.1 反应原理 7
2.3.2 总体乙二醇生产工艺简介 7
2.4 本章小结 8
第3章 物料衡算 9
3.1 物料衡算原理和基础 9
3.2 物料衡算结果 9
3.2.1 乙烯环氧化工段 9
3.2.2 EO精制工段 11
3.2.3 乙二醇反应及回收工段 12
3.2.4 乙二醇精制工段 14
3.3 本章小节 15
第4章 热量衡算 16
4.1基本原理 16
4.2热量衡算结果 16
4.2.1乙烯环氧化工段 16
4.2.2 EO回收及CO2脱除工段 18
4.2.3轻组分脱除及环氧乙烷精制工段 19
4.2.4乙二醇反应及回收工段 20
4.2.5乙二醇精制工段 21
4.3本章小结 22
第5章 设备选型及一览表 23
5.1 反应器设计计算 23
5.1.1 概述 23
5.1.2 反应条件 23
5.1.3 反应器的类型确定 23
5.1.4 设计数据和工作参数 23
5.1.5 物料衡算和热量衡算及结果 23
5.1.6 反应器结构的计算 24
5.1.7 机械强度的计算和校核 26
5.1.8 气体分布板设计 27
5.1.9 壳程换热 29
5.1.10 管口设计 29
5.1.11 封头的设计 30
5.1.12 支座的设计 30
5.1.13 反应器工艺及强度计算结果 30
5.2 换热器设计计算 32
5.2.1 设计任务和初始条件 32
5.2.2 换热器的选型 32
5.2.3 计算总传热系数 33
5.2.4 计算压强降 36
5.2.5 工艺结构尺寸的计算 36
5.2.6换热器结构与强度计算 37
5.2.7 开孔补强 38
5.2.8 设计结果汇总 42
5.3本章小节 43
结 论 44
致谢 45
参考文献 46
附录 A 48
附录 B 56
第1章 绪论
1.1 概述
1.1.1 乙二醇的性质
物理性质
乙二醇是一种最简单的二元醇，俗称 “甘醇”，简称EG。化学分子式为(CH2OH)2，分子量为62.068。乙二醇是没有颜色，没有臭味的，有甜味的液体，对动物有毒性。乙二醇的密度比水略大，为1.12kg/m3，熔点是-12℃左右，沸点在197.3℃，闪点是111.1℃。与水、乙醇、丙酮等溶液可以互溶，在制作溶剂、防冻剂时都要用到乙二醇。但微溶乙醚溶液，与石油烃完全不相溶，可以溶解碳酸钾、碘化钾、氢氧化钾等无机物[1]。
化学性质
乙二醇由于它本身的结构特征，化学性质相当的活泼，可以与酸进行酯化、醚化、脱水缩合、氧化等一系列的反应。如与乙醇相似，主要能与无机或有机酸反应生成酯。在催化剂作用下加热乙二醇，可发生分子内或分子间脱水。乙二醇能与碱金属或碱土金属作用形成醇盐。此外，乙二醇由于其结构也极容易被氧化，可生成各种产物,如乙醇醛 、乙二醛、乙醇酸等。乙二醇经常可代替甘油使用。在制革用作水合剂，在制药工业中作溶剂。有一种炸药的主要成分是乙二醇的二硝酸酯衍生物。
1.1.2乙二醇的主要用途
乙二醇作为重要的有机化工原料之一，由于其特性，所以在很多行业中都有应用，如在化妆品等生活用品中作为保湿剂；在印刷、制造行业中作为溶剂；在工业中可制造炸药等。还可以用来生产对苯二甲酸乙二酯(PET) 、醇酸树脂等聚酯。此外，在汽车防冻剂等方面也有广泛的应用，还用于工业冷量的输送，一般称呼为载冷剂[2]。
乙二醇的甲醚系列的产品也可广泛应用，在印刷行业中，能被用作油墨，在工业中用作的清洗剂的溶剂和稀释涂料、印染液等；还可用来生产农药和医药的中间体以及作为化工产品的原料；此外，该系列可以被用作电解质；在制取革制品时被用作化纤染剂等。另外，乙二醇的甲醚系列的产品还可以应用于纺织工业中，它可以合成液体染料；在化肥和炼油等生产中，可作脱硫剂。除了上面几种用途，还有很多应用方向在陆续地开发中。
1.2乙二醇的生产现状
1.2.1乙二醇的全球的生产现状
从全球范围来看，乙二醇生产能力在呈稳步上升的态势。2002年，全球EG生产总量是1200多万吨，到2010年，乙二醇的世界需求量约1700万吨/年，到2011年，乙二醇产量达到2200多万吨，生产总量年均增长率为6~7%。其中在2011年，亚洲产量只占全球总量的四成左右，但乙二醇的消费量占全球总消费量的七成；中东地区与北美地区总产量共占一半左右，然而，消耗才仅仅占两成。2010年亚洲地区的乙二醇生产能力为888万吨/年，2011年生产总量却上升到了960万吨，增长了8.1%。消费量增长了1.8%。而中东地区乙二醇生产能力为730万吨/年，2011年同比增长16.4%。消费总量达到了86万吨。目前，中东地区以九成的乙二醇出口量占据世界乙二醇出口的榜首。在2015年，乙二醇的需求量比起往年来说有着显著的提高，达到了近3000万吨的高峰，产量比往年来说更是十分可观，产量直至达到3300万吨左右。按此态势，到2020年时，乙二醇产量将突破4000万吨/年。未来几年时间内，乙二醇产量将会呈现出飞一般的增长，而中东地区，因天然气丰富并且比较廉价，所以以天然气为原料合成乙二醇的成本比较低，在国际市场潜力非常大[3]。
1.2.2 乙二醇的国内生产现状
由2005年到2013 年这八年中，我国乙二醇的消费量由 707.50 万吨增加到 1204.08 万吨，增长约 48.4%，2008 年相应产品自给率为26.5%，2013 年为 31.6%。由于乙二醇是一种重要的化工材料，可以作为聚酯纤维，炸药和保湿剂及防冻剂的原材料。特别是随着我国汽车工业的迅速发展，乙二醇在防冻液上的用量将会增加。又由于聚酯等下游产品的强劲需求，我国乙二醇不能满足市场日益增长的需求，每年都得大量进口，且进口量呈逐年增加的态势[4]。
在价格方面，2016年乙二醇延续涨势，华东地区乙二醇价格5900元/吨左右；华南地区市场价格5850元/吨左右；华北地区市场价格在5600元/吨。市场行情重心表现坚挺。
1.2.3 乙二醇的发展趋势
由于乙二醇的下游产品应用广泛，我国已经有很多厂家在生产乙二醇，同时，我国也在研究新型方法生产乙二醇，这就造成了我国乙二醇的产量在迅速增加。但是，由于乙二醇的下游产品快速消耗，如车用防冻液以及保湿化妆品等，使乙二醇的需求量一年比一年增加，最终导致我国乙二醇的产量不能满足人民要求，导致了国内市场不得不对外进口且逐年增加。
我国主要的乙二醇生产来源是大型石化企业，其中中国石化企业和中国石油占了六成左右。另外，近几年中研发的由煤和天然气合成EG的非石油路线的方法也发挥了巨大作用，在2015年我国煤制乙二醇提高到300万吨的产能。
就我国目前的情况来说，由于生产技术不完善，生产设备不先进，原料价高导致生产成本比较高，生产能力比较小。所以我国现在需要完善生产技术，对小型生产装置进行改造提升，降低成本，扩大生产规模。除了上述所说的外，我国应研究新型方法生产乙二醇，同时还需从国外引进先进高规模，高效率的生产装置，从而在根源上解决我国乙二醇供不应求的现状，以便于增强我国在国内外市场中的竞争力[5]。
1.3 课题意义及设计内容
1.3.1 课题的意义
乙二醇作为重要的有机化工原料之一，由于其物化性质可在化妆品中充当保湿剂，在汽车工业中充当防冻剂，在印刷、制造行业中充当溶剂。随着科学技术不断地进步，新的应用领域还在持续的发现扩展中。在乙二醇的几十年的发展生产研究中，生产技术已越来越完善，生产规模越来越大。目前全球已拥有了多套高产装置。近年来，我国乙二醇的下游产品快速消耗，如车用防冻液以及保湿化妆品和印染行业溶剂等，使乙二醇的需求量一年比一年增加，最终导致我国乙二醇的产量不能满足要求，使得国内市场不得不依赖对外进口来缓解国内市场的需求。因此，本设计具有广阔市场前景，并有利于缓解国内需求，非常有可行性。
1.3.2设计内容
本设计先行确定年产20万吨乙二醇的合理生产流程，并根据流程计算出设计的物料衡算、热量衡算、主要设备计算等，再根据计算数据绘制出工艺流程图、设备装备图等。
1.4本章小结
本章对乙二醇产品做了简要的介绍，介绍了乙二醇的性质和用途。通过对乙二醇近年来国内外市场的供需来推断乙二醇产业的现状和发展前景，并且对设计内容做了粗略的介绍。
参考文献
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