内部文件！5万吨生物法BDO工厂的设计模拟

文摘 2024-11-25 00:01 广东

通过生物发酵技术，以年产5万吨BDO为目标，项目总成本为57769.901万元，年利润总额为59407.901万元。

1,4-丁二醇生产工厂的设计模拟

王露航1郑自伟1何欣伟1邢一欣2涂清1

1三峡大学生物与制药学院2三峡大学材料与化工学院

来源：广州化工2023年11月

摘要：1,4-丁二醇是一种重要的有机化工和精细化工原料，其下游产品四氢呋喃、γ-丁内酯等更是合成一系列具有高附加值产品的重要原料，广泛用于农药、医药和化妆品等领域。本设计为生物法生产1,4-丁二醇的工厂设计模拟，设计内容包括对厂址选择、工艺流程、物料衡算、设备选型等方面进行设计和计算，并绘制厂区总平面布置图。本项目在满足一定生产要求，及国家行业生产标准基础上，坚持绿色发展，创新驱动发展，以新工艺满足绿色化工发展要求。

目前，工业化生产1,4-丁二醇(BDO)的方法有4种，分别为：炔醛法、顺酐法、丁二烯法和环氧丙烷法。上述方法都存在原料依赖性大、生产过程能耗较大、污染严重等问题[8]。而生物合成法具有明显的价格优势，以及原料可持续的环境友好型特点。因此，生物法生产BDO对于我国化学工业的转型升级具有重要的意义。本设计项目为年产5万吨纯度为99.98%的BDO，原料选择为山东兰典生物科技股份有限公司生产的生物基丁二酸，厂址选择在山东省寿光市羊口镇高新技术产业园。

1 生产工艺

1.1 设计工艺简要描述[9]

本项目采用专利CN110862302A发明的一种浆态床加氢与固定床加氢组合制备BDO的方法，并使用基于Carina Heisig等[10]的研究成果，进行Aspen模拟。

1.2 设计工艺详细描述

1.2.1 原料选择

该方案的原料选择为山东兰典生物科技股份有限公司生产的生物基丁二酸。

1.2.2 催化剂选择

浆态床反应器内使用100目的粉末5% Pd/C催化剂，粉末5%Pd/C催化剂的用量为丁二酸水溶液质量的3%;固定床反应器内使用4目的片状0.5%Pd/C催化剂接触进行加氢反应。

1.2.3 丁二酸加氢单元

生物基丁二酸与水(质量流量约为15:1)进行充分混合，然后通过泵加压与氢气混合进入浆态床反应器反应(240℃，70bar)6h，然后进入固定床反应器(220℃，60bar)，制得粗制BDO及少量副产物(THF，BUTANOL，GBL为主)。

1.2.4 BDO精制单元

粗制得的BDO与萃取剂EG混合(质量流量约为734:1)后进入精馏塔进行萃取精馏，塔釜进一步分离得到BDO(纯度约为94%);塔顶得到含水混合物，可用于后续分离循环利用。前塔分离的BDO继续进入下一精馏塔萃取分离，萃取后得到高纯度得BDO(纯度约为99.98%)，并从塔顶馏出物经过加压，泄压，分流后循环回部分萃取剂EG，通过泵加压输送回收循环利用。

1.2.5 萃取剂回收单元

由精制工段萃取精馏塔顶馏出的混合物进行水分析将水分离用于加氢工段的循环利用以及工厂的日常用水；其余馏分进入闪蒸罐，其中THF通过闪蒸除去，之后通过加压进入精馏塔精馏从塔釜分离出BDO；塔顶馏出物则进一步精馏分离，其中塔釜所得EG进行回收循环利用，塔顶的废液则排入污水厂进行处理。

图1 丁二酸加氢工段

图2 萃取回收工段

图3 BDO精制工段

1.3 工艺创新

(1)本方法溶剂为水，在中等压力条件下，实现了对生物质基丁二酸直接液相加氢制备BDO，产品收率高，工艺简单，易于操作。研究结果则表明，制造生物基1,4-BDO的温室气体排放量比化石基对应物低约52%。与传统BDO相比，生物基BDO在其整个生命周期中减少了50%的碳足迹。

(2)萃取精馏－溶剂回收过程涉及双塔精馏过程，还涉及循环，具有多输入、多输出、多干扰变量、内在机理复杂等特点。各变量之间存在相互关联，要实现对精馏塔的精确、平稳、高效和安全控制是一项较为复杂的工作。本设计结合萃取精馏－萃取剂回收过程的典型控制方案。

(3)改造热泵精馏技术，BDO精馏塔操作量较大，且水与副产物丁醇共沸，因此塔顶塔底消耗能量较大。结合以上原因，我们设计了热泵蒸发的方式来进行有效的能量回收。通过热泵蒸发，将功转化成热能，提高流股的温位，使原本不能换热的流股可以进行换热，从而减少公用工程的用量。这样，消耗少量电能(用以做功)便可以节省大量的冷量与热量，从而节能。

1.4 系统热量集成技术

使用热泵精馏前总公用工程耗能24590kW，使用后总公用工程耗能3515kW，节能效果85.71%。在无热泵精馏时，从组合曲线上我们可以看到，夹点的两侧有因为物质汽化潜热所造成的“热平台”，使得过程可以回收的热量很小。在引入热泵精馏之后，由于流股的温位提升，使得热平台中热流股的一部分提高，可以和冷流股进行更多的换热，于是提高了能量回收率。加热公用工程节省9536kW，节约94.89%。冷却公用工程节省11539kW节约79.36%。可见，利用热泵精馏技术可以通过提升热组合曲线的温位，改变组合曲线热平台，以此实现有效的能量回收，实现节能。

图4 冷热物流组合曲线图

2 工厂设计

2.1 厂址选择

结合地区政策、自然地理条件、原材料供应地、运输条件、与协作厂家的相对位置等因素[11]，本项目将厂址定于山东省寿光市羊口高新技术产业园，占地132亩。厂区依托寿光市这一交通网络中心，并拥有羊口港国家二类对外开放口岸，拥有便利的交通条件。同时与原料生产商山东兰典生物科技股份有限公司隔路相望，节省运输成本。山东省寿光市地处中纬度带，北濒渤海，属于暖温带季风区大陆性气候，年平均气温12.7℃，年平均降水量593.8mm，气候适宜，适合建厂要求。

2.2 厂区分布设计

利用AutoCAD[12]、sketchup分别对工厂进行平面、立体效果设计。本厂主要分为五个功能区：行政管理区、生活区、生产装置区、辅助生产区、储运区。本市全年主导风向为南偏东南风，故将生产车间至于西北部，办公生活区位于东南部。以满足工厂的设计分布基本规律。

图5 厂区平面图

3 物料衡算

表1 物料衡算表

4 设备选型

4.1 设备选型原则

设备的选型要充分考虑到生产消耗与设备生产能力的关系，既要保证设备有能力满足生产需求，又不能造成能源的浪费，同时又要考虑到设备的操作尽可能简单，设备安全系数要高，个别设备产生的噪音、粉尘尽可能少，设备成本尽可能低。总之，要根据生产工艺的需要选择尽可能性价比高的设备进行生产。

4.2 主要设备选型

根据产品方案和设计规模，对其生产设备进行选型，详见表2。

表2 生产车间设备选型一览表

表2为工厂主要工艺区间所需设备一览表，涉及的反应及纯化装置均按照产能进行定制设计。考虑到主要加氢过程所需的贵金属催化剂成本较高，故从气液固三相反应器中选择流化床反应器：该反应器以高压气体为搅拌动力，取代了传统反应器所用的机械搅拌，催化剂所受的摩擦更小，寿命更长，从而降低了生产成本。同时由于气体搅拌，气体呈小气泡分散在水中，接触面积更大能进一步提升反应效率，这与专利技术中转化率的横向比较结果一致。

5 项目财务分析

本项目通过生物发酵技术，以年产5万吨BDO为目标，通过ASPEN进行工艺模拟，计算得出以年消耗秸秆等农作物废料1480000吨(200元/吨)，氢气4536吨(1.5万元/吨)，EG586吨为原料(5000元/吨)，辅以Pd/C催化剂392t(10000元/吨)，可制得纯度99.98%的BDO50198吨。本项目工艺公用工程消耗量：电441058.8kW·h/a(0.75元/度)，冷却水5162t/a(1元/吨)，中压蒸汽58万t/a(240元/吨)，高压蒸汽7.1万t/a(300元/吨)。计算得：原料及辅助材料耗费37089万元/年，公用工程耗费16083.7万元/年。结合人员工资及建厂等费用，项目总成本为57769.901万元，年利润总额为59407.901万元。

表3 各项经济指标明细

6 结论

本设计针对市场需求及行业现状，通过Aspen软件进行工艺模拟计算，而后借助CAD及CADWorx系列软件完成厂区及车间的平面及立体设计。方案完成了全面的模拟与仿真，结果表明：

(1)通过查阅文献以及市场调查分析，确定了以生物发酵得到1,4-丁二酸，再用1,4-丁二酸加氢得到BDO的工艺路线，完成了AspenPlus流程设计与模拟，并对全流程进行了物料衡算和能量衡算，对设计的工艺流程进行了充分的验证。

(2)采用AspenEnergyAnalyzer软件对过程进行了换热网络的设计和优化，并根据工艺需要，采用新型的节能技术，进行相关的改进。

(3)进行BDO生产的工厂设计，并对厂址选择、物料衡算、设备选型等方面进行设计和计算。

(4)确定生产工艺主要为原料生物基丁二酸经过特殊水相加氢催化剂两步催化加氢下，得到产物BDO，最终精馏得到纯度为99.98%的BDO产品。

(5)该设计方案工艺先进、设计合理，可为BDO的工业化生产设计提供参考。

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