Детальный проект установки по производству окиси пропилена производительностью 1200 кг/ч методом HPPO

Мировой спрос на оксид пропилена ежегодно увеличивается на 4-5%, а к 2029 году объем рынка, по прогнозам, достигнет впечатляющих 33,98 млрд долларов США. Эти цифры красноречиво говорят о стратегической важности окиси пропилена – ключевого продукта основного органического синтеза, без которого невозможно представить производство множества современных материалов. От мягких пенопластов для диванов и автомобильных сидений до жестких теплоизоляционных панелей в электроприборах, от стеклопластов до широкого спектра растворителей и поверхностно-активных веществ – везде присутствует этот универсальный интермедиат.

В условиях такого динамичного роста и возрастающих требований к экологичности производств, разработка эффективных и безопасных технологий приобретает первостепенное значение. Данный проект посвящен детальному проектированию установки по производству окиси пропилена производительностью 1200 кг/ч с использованием передового метода прямого эпоксидирования пропилена перекисью водорода (HPPO).

Целью настоящей работы является создание исчерпывающего технического проекта, включающего технологические, инженерные, экономические и экологические аспекты. В рамках поставленной цели будут решены следующие задачи:

• Анализ физико-химических свойств сырья и продукта.
• Сравнительный обзор промышленных методов получения окиси пропилена и обоснование выбора HPPO технологии.
• Разработка подробной технологической схемы производства.
• Выполнение ключевых инженерных расчетов: материального и теплового балансов, расчеты основного и вспомогательного оборудования.
• Исследование каталитических систем, применяемых в процессе HPPO, и расчет их расхода.
• Разработка комплексных мер по обеспечению промышленной безопасности и охране окружающей среды.

Представленная структура и методологическая база проекта ориентированы на глубокое и систематическое изучение предмета, соответствуя требованиям курсовой или дипломной работы по проектированию химического производства. В качестве методологической основы использованы общепринятые подходы к инженерным расчетам и проектированию, опирающиеся на авторитетные источники в области химической технологии, процессов и аппаратов химической технологии, а также промышленной экологии.

Общая характеристика окиси пропилена и области применения

Окись пропилена, известная также как метилоксиран, 1,2-пропиленоксид или 2-эпоксипропан, является одним из краеугольных камней современного органического и нефтехимического синтеза. Ее уникальная циклическая эфирная структура обуславливает высокую реакционную способность, делая ее универсальным строительным блоком для создания широкого спектра ценных химических продуктов.

Определение и основные области использования

Фундаментальное значение окиси пропилена проявляется в ее роли в качестве основного сырья для получения двух важнейших классов соединений: пропиленгликоля и полиуретанов.

Пропиленгликоль, образующийся в результате гидратации окиси пропилена, находит широкое применение в производстве ненасыщенных сложноэфирных смол. Эти смолы, в свою очередь, являются основой для создания стеклопластов – легких, но чрезвычайно прочных композитных материалов, незаменимых в судостроении, автомобилестроении, авиации и строительстве. Помимо этого, пропиленгликоль используется в качестве растворителя, увлажнителя и компонента антифризов, что лишь подчеркивает его многофункциональность.

Полиуретаны – еще один гигантский класс материалов, чье производство напрямую зависит от окиси пропилена. Путем реакции полиолов (получаемых из окиси пропилена) с изоцианатами создаются полиуретаны, применяемые в двух основных формах:

• Мягкие пенопласты: незаменимы в мебельной и автомобильной промышленности для производства сидений, матрасов, наполнителей, обеспечивая комфорт и эргономичность.
• Жесткие пенопласты: используются в качестве высокоэффективных теплоизоляционных материалов в холодильниках, строительных конструкциях, а также в производстве электроприборов.

Однако сфера применения окиси пропилена не ограничивается только этими двумя направлениями. Она служит исходным продуктом для синтеза целого ряда других важных веществ:

• Простые полиэфиры: используются в качестве растворителей и пластификаторов.
• Поверхностно-активные вещества (ПАВ): компоненты моющих средств, эмульгаторов, пенообразователей.
• Деэмульгаторы: применяются в нефтедобыче для разделения нефтяных эмульсий.
• Изопропаноламины: используются в качестве поглотителей кислых газов и в производстве фармацевтических препаратов.
• Аллиловый спирт, пропиленкарбонат, полипропиленгликоли, полиоксипропиленполиолы, полипропиленоксид, пропиленсульфид: широкий спектр химических продуктов, находящих применение в различных отраслях промышленности.

В отдельных отраслях окись пропилена применяется как фумигант для обеззараживания складских помещений и сельскохозяйственной продукции, а также как полупродукт для синтеза смазочных материалов и гидрожидкостей.

Мировой рынок и перспективы развития

Мировой рынок оксида пропилена демонстрирует устойчивую и впечатляющую динамику роста. По прогнозам, среднегодовой темп роста (CAGR) в период с 2023 по 2030 год составит от 5,1% до 6,0%. Это означает, что к 2029 году объем рынка достигнет колоссальных 33,98 млрд долларов США, в то время как в 2022 году этот показатель составлял 21,7 млрд долларов США. Такая тенденция обусловлена постоянным развитием конечных отраслей потребления и поиском новых применений для производных окиси пропилена.

Россия, будучи крупным игроком на мировом химическом рынке, также активно развивает свое производство окиси пропилена. В 2023 году отечественный рынок обслуживали два ключевых предприятия – «Химпром» и «НКНХ», чья суммарная годовая мощность достигала около 100 тыс. тонн. Однако, несмотря на эти объемы, внутренний спрос покрывался лишь примерно на 50%, что делало страну зависимой от импорта, открывая значительные возможности для новых производств.

Понимая стратегическую важность снижения импортной зависимости и наращивания собственного производства, российские компании активно инвестируют в новые проекты. «Группа Оргсинтез», например, планирует запустить первое в России производство окиси пропилена по технологии HPPO в Новочебоксарске (Чувашия) мощностью 50 тыс. тонн в год. Инвестиции в этот проект составят около 20 млрд рублей, а его реализация стала возможной благодаря вводу в строй завода по производству перекиси водорода в Чувашии осенью 2023 года, что является ключевым сырьевым компонентом для HPPO-процесса.

Еще одним значимым проектом является запуск производства окиси пропилена мощностью 10 тыс. тонн в год в Нижегородской области в 2026 году, планируемый «Группой компаний Синтез ОКА». Этот проект также будет использовать технологию прямого эпоксидирования пропилена пероксидом водорода, что подтверждает общую тенденцию к переходу на более экологичные и эффективные методы производства. Эти инициативы демонстрируют стремление России не только удовлетворить растущие внутренние потребности, но и занять достойное место на мировом рынке окиси пропилена, используя самые современные и передовые технологии.

Физико-химические свойства сырья и продукта

Глубокое понимание физико-химических свойств исходного сырья – пропилена – и целевого продукта – окиси пропилена – является фундаментальным условием для успешного проектирования химического производства. Эти параметры определяют выбор технологического режима, конструкцию аппаратов, а также меры безопасности при обращении с веществами.

Свойства пропилена

Пропилен (пропен, метилэтилен) – это один из простейших непредельных (ненасыщенных) углеводородов олефинового ряда, имеющий химическую формулу CH₂=CH-CH₃. Его структура с двойной углерод-углеродной связью обуславливает высокую реакционную способность, что делает его ключевым интермедиатом в органическом синтезе.

Основные физические свойства пропилена:

• Агрегатное состояние: При стандартных условиях пропилен представляет собой бесцветный газ.
• Горючесть: Является горючим газом, что требует особых мер предосторожности при его хранении и транспортировке.
• Температура кипения: -47,7 °C. Это означает, что при нормальном давлении пропилен существует в газообразном состоянии, но может быть легко сжижен при относительно невысоком охлаждении.
• Температура плавления: -187,6 °C.
• Критические параметры:
  • Критическая температура: 93 °C.
  • Критическое давление: 4,6 МПа.

  Эти параметры важны для проектирования систем хранения и транспортировки, так как при температуре выше критической пропилен не может быть сжижен никаким давлением.

• Плотность:
  • Газообразный пропилен: 1,81 кг/м³ при 1,013 бар и 15 °C; 1,745 кг/м³ при 25 °C.
  • Жидкий пропилен: 613,9 кг/м³ при 1,013 бар и температуре кипения.
• Оптическая плотность: d₂₀⁴ = 0,5193.
• Растворимость в воде: Пропилен практически нерастворим в воде, его растворимость составляет всего 0,041 мас. % при 20 °С. Это свойство упрощает его отделение от водных фаз в технологических процессах.

Химические свойства и безопасность:

• Реакционная способность: Наличие двойной связи обуславливает высокую реакционную способность пропилена. Он легко вступает в реакции присоединения (например, с водородом (гидрирование), галогенами (галогенирование), галогеноводородами (гидрогалогенирование)), а также в реакции полимеризации с образованием полипропилена.
• Взрывоопасность: Смеси газообразного пропилена с кислородом воздуха являются взрывоопасными, что требует строгого соблюдения мер пожарной и взрывной безопасности.
• Класс опасности: Пропилен относится к четвертому классу опасности, что указывает на его низкую токсичность, однако требует соблюдения общих правил работы с горючими газами.
• Требования ГОСТ: Согласно ГОСТ 25043-87, пропилен высшего сорта должен содержать не менее 99,8% пропилена по объему, что гарантирует высокую чистоту сырья для химических производств.

Свойства окиси пропилена

Окись пропилена – это бесцветная, прозрачная, подвижная жидкость с характерным эфирным запахом. Ее трехчленный цикл (эпоксидный цикл) является источником значительного напряжения, что обуславливает высокую химическую активность и склонность к реакциям раскрытия цикла.

Основные физические свойства окиси пропилена:

• Молекулярная масса: 58,08.
• Агрегатное состояние: Легковоспламеняющаяся жидкость.
• Температура плавления: -104,4 °С.
• Температура кипения: 34,5—34,9 °С. Эта относительно низкая температура кипения указывает на высокую летучесть вещества.
• Плотность: 0,859 г/см³ при 20 °С.
• Растворимость: Окись пропилена хорошо растворяется в большинстве органических растворителей (спирты, эфиры, кетоны). С водой она смешивается ограниченно в объемном соотношении 1:1,5 при 20 °С, что важно для процессов экстракции и очистки.

Химические свойства и безопасность:

• Реакции присоединения: Подобно окиси этилена, окись пропилена легко вступает в реакции присоединения с раскрытием эпоксидного цикла.
  • С водой: Реагирует с водой, образуя пропиленгликоль (1,2-пропандиол), который, как упоминалось ранее, является ценным продуктом.
  • Со спиртами и фенолами: Образует эфиры гликолей, которые используются как растворители.
• Изомеризация: В присутствии катализаторов, таких как SiO₂ или Al₂O₃, при повышенных температурах (240-500 °C) окись пропилена может изомеризоваться, образуя смесь пропионового альдегида, ацетона и аллилового спирта. Эти побочные реакции необходимо контролировать в процессе производства.
• Полимеризация: В присутствии кислот Льюиса (например, солей металлов, некоторых органических кислот) окись пропилена способна к полимеризации, образуя полипропиленоксид.
• Пожаро- и взрывоопасность: Окись пропилена чрезвычайно легковоспламеняема. Ее пары с воздухом образуют взрывоопасные смеси.
  • Температура вспышки: -37 °C. Это критически низкий показатель, требующий строжайшего контроля источников воспламенения.
• Токсичность: Является токсичным веществом. Оказывает раздражающее воздействие на глаза, кожу и дыхательные пути. Длительный контакт может вызвать дерматит. Требуются адекватные меры защиты персонала.

Представленные физико-химические данные будут служить основой для всех последующих инженерных расчетов, выбора оборудования, определения оптимальных технологических режимов и разработки мероприятий по обеспечению безопасности и охраны окружающей среды.

Обзор промышленных методов получения окиси пропилена

История развития химической промышленности демонстрирует постоянный поиск более эффективных, экономичных и экологически безопасных методов синтеза ключевых продуктов. Производство окиси пропилена – не исключение. За прошедшие десятилетия были разработаны и внедрены несколько промышленных технологий, каждая из которых имеет свои уникальные особенности, преимущества и недостатки. Их сравнительный анализ позволяет обосновать выбор наиболее целесообразного метода для современного проекта.

Хлоргидринный метод: описание, преимущества и недостатки

Хлоргидринный метод является исторически первым и долгое время доминирующим способом получения окиси пропилена. Его суть заключается в двухстадийном процессе:

1. Образование пропиленхлоргидрина: Пропилен хлорируется в водном растворе, что приводит к образованию пропиленхлоргидрина (1-хлор-2-пропанол или 2-хлор-1-пропанол).
   CH2=CH-CH3 + Cl2 + H2O → CH2(OH)-CH(Cl)-CH3 (и изомеры) + HCl
2. Дегидрохлорирование: Полученный пропиленхлоргидрин затем подвергается дегидрохлорированию (отщеплению молекулы HCl) с использованием известкового молока (суспензии гидроксида кальция) или другого щелочного агента.
   CH2(OH)-CH(Cl)-CH3 + Ca(OH)2 → CH2-CH(CH3)-O + CaCl2 + 2H2O
   (где CH₂-CH(CH₃)-O — окись пропилена)

Историческое значение и преимущества:
Этот метод характеризовался относительно низкими инвестиционными затратами на начальном этапе и был наиболее распространенным в 1970-х годах. Он является технологически зрелым и достаточно гибким в эксплуатации.

Недостатки и экологические проблемы:
Однако, несмотря на историческую значимость, хлоргидринный метод сопряжен с серьезными экологическими и эксплуатационными проблемами, которые привели к его постепенному вытеснению:

• Образование хлорированных побочных продуктов: Помимо целевого продукта, образуется значительное количество нежелательных хлорорганических соединений, которые являются токсичными и сложно поддаются утилизации.
• Высокая коррозия оборудования: Использование хлора и хлороводорода, а также образование хлорид-ионов в процессе, приводит к сильной коррозии технологического оборудования, что увеличивает эксплуатационные расходы и требования к материалам.
• Значительное количество сточных вод: На 1 тонну окиси пропилена образуется до 40-50 тонн хлоридсодержащих сточных вод. Более того, эти сточные воды (до 70-75 м³ на тонну окиси пропилена) содержат не только хлориды кальция (CaCl₂) или натрия (NaCl), но и пропиленгликоль и хлорорганические соединения, что существенно усложняет их очистку и утилизацию.
• Потребление большого количества реагентов: Метод требует значительного расхода хлора и известкового молока, что повышает себестоимость продукции и создает дополнительные логистические и экологические нагрузки.

Из-за этих серьезных экологических проблем, в таких странах как Китай, строительство новых заводов, использующих хлоргидринную технологию, было запрещено с 2015 года. Тем не менее, стоит отметить, что в 2005 году около половины мирового производства окиси пропилена все еще приходилось на хлоргидринную технологию, а в Китае более трети мощностей по производству оксида пропилена сегодня по-прежнему основаны на этом методе. Однако значение более чистых методов постоянно возрастает.

Пероксидные методы соокисления (PO/SM, PO/TBA, CHP)

В ответ на экологические и экономические недостатки хлоргидринного метода были разработаны так называемые пероксидные методы соокисления. Эти технологии доминировали в мировом производстве окиси пропилена, составляя более 90% в 2008 году. Их общим принципом является использование органических гидропероксидов в качестве окислителей.

1. Совместное производство окиси пропилена и стирола (PO/SM):
   Эта технология, разработанная такими компаниями как Shell и LyondellBasell, является одной из наиболее распространенных.
   • Стадия 1: Окисление этилбензола: Этилбензол (C₆H₅-CH₂-CH₃) окисляется воздухом до гидропероксида этилбензола (C₆H₅-CH(OOH)-CH₃).
   • Стадия 2: Эпоксидирование пропилена: Гидропероксид этилбензола эпоксидирует пропилен (CH₂=CH-CH₃) с образованием окиси пропилена (CH₂-CH(CH₃)-O) и α-фенилэтанола (C₆H₅-CH(OH)-CH₃).
   • Стадия 3: Дегидратация α-фенилэтанола: α-фенилэтанол затем дегидратируется до стирола (C₆H₅-CH=CH₂).

   Главное преимущество этого метода – совместное производство двух ценных продуктов: окиси пропилена и стирола, который широко используется в производстве полимеров.

2. Соокисление с изобутаном (PO/TBA):
   В этом процессе в качестве окислителя используется гидропероксид трет-бутила.
   • Стадия 1: Окисление изобутана: Изобутан окисляется до гидропероксида трет-бутила.
   • Стадия 2: Эпоксидирование пропилена: Гидропероксид трет-бутила эпоксидирует пропилен, образуя окись пропилена и трет-бутиловый спирт (TBA).

   Трет-бутиловый спирт является менее ценным побочным продуктом, но может быть использован в качестве октаноповышающей добавки к топливам или сырья для получения изобутилена. Процесс эпоксидирования пропилена гидропероксидом трет-бутила в присутствии молибденового катализатора при 121 °C и давлении 4,1 МПа демонстрирует выход окиси пропилена 88% при селективности 81%.

3. Кумольная технология (CHP):
   Эта технология основана на использовании гидропероксида изопропилбензола (кумола) в качестве окислителя.
   • Стадия 1: Окисление кумола: Изопропилбензол окисляется кислородом воздуха до гидропероксида изопропилбензола.
   • Стадия 2: Эпоксидирование пропилена: Гидропероксид кумола эпоксидирует пропилен, образуя окись пропилена и диметилфенилкарбинол (ДМФК).
   • Стадия 3: Восстановление ДМФК: Диметилфенилк��рбинол затем восстанавливается до изопропилбензола, который возвращается в процесс, что обеспечивает цикличность и экономичность использования кумола.

Общие преимущества пероксидных методов:

• Экологичность: Значительно снижено образование хлорированных отходов и соленых сточных вод по сравнению с хлоргидринным методом.
• Экономичность: Совместное производство ценных продуктов (стирол в PO/SM) или рециклинг органического окислителя (в CHP) повышают общую экономическую эффективность.

Недостатки пероксидных методов:

• Сложность выделения и очистки: Наличие множества органических компонентов в реакционной смеси может усложнять стадии выделения и очистки целевого продукта.
• Образование побочных продуктов: Несмотря на улучшения по сравнению с хлоргидринным методом, побочные продукты все же образуются (например, тяжелый остаток за счет осмоления, расход на который может составлять 1,65% от общего количества реагента).

Метод прямого эпоксидирования перекисью водорода (HPPO)

Технология HPPO (Hydrogen Peroxide Propylene Oxide) представляет собой наиболее современный и перспективный метод производства окиси пропилена, впервые реализованный в промышленных масштабах в 2008 году. Этот метод рассматривается как следующий эволюционный шаг в получении окиси пропилена, отвечающий самым строгим экологическим и экономическим требованиям.

Принципы и особенности процесса HPPO:
В основе HPPO лежит прямое эпоксидирование пропилена с использованием перекиси водорода (H₂O₂) в качестве окислителя.

CH2=CH-CH3 + H2O2 → CH2-CH(CH3)-O + H2O

Реакция протекает в мягких условиях:

• Низкие температуры: до 60 °С.
• Низкое давление: 1,5 МПа.

Ключевым элементом процесса является использование стационарного гетерогенного катализатора – силикалита титана (TS-1/SiO₂), который обеспечивает высокую активность и селективность реакции. Процесс обычно проводится в среде метанола, который выступает в роли растворителя.

Преимущества HPPO технологии:

• Экологичность: Это одно из главных преимуществ. Отсутствие хлора, солей тяжелых металлов и минимальное образование токсичных побочных продуктов делает HPPO значительно более чистым процессом. Процесс не производит хлорированных отходов или больших объемов соленых сточных вод. Метанол, используемый как растворитель, эффективно рециркулируется.
• Высокие показатели процесса: Общая конверсия перекиси водорода достигает 98,6%, а селективность по окиси пропилена составляет впечатляющие 92,3%. Это обеспечивает высокую эффективность использования сырья и минимизацию отходов.
• Низкие материальные и энергетические затраты: Мягкие условия проведения реакции (низкие температуры и давление) приводят к снижению энергопотребления и уменьшению износа оборудования.
• Безопасность реакторного узла: Эффективный отвод тепла химической реакции является ключевым для безопасности, что достигается за счет использования специализированных реакторов (например, каскад адиабатических реакторов с пленочным режимом течения).
• Низкий выход побочных продуктов: В HPPO процессе образуются преимущественно метоксипропанолы и пропиленгликоль, которые также могут быть ценными продуктами или легко утилизированы.

Обоснование выбора HPPO технологии для проекта

Для проектируемой установки по производству окиси пропилена производительностью 1200 кг/ч выбор метода прямого эпоксидирования пропилена перекисью водорода (HPPO) является наиболее целесообразным и научно обоснованным решением.

Аргументы в пользу HPPO:

1. Экологическая безопасность: В условиях ужесточения экологических нормативов, HPPO представляет собой «зеленую» технологию. Она полностью исключает использование хлора, который является источником высокотоксичных хлорорганических отходов и агрессивных сточных вод, характерных для хлоргидринного метода (до 40-50 тонн сточных вод на 1 тонну продукта). Отсутствие хлорированных побочных продуктов и солей тяжелых металлов минимизирует воздействие на окружающую среду, что критически важно для современного производства.
2. Высокая эффективность и чистота продукта: HPPO демонстрирует высокую конверсию перекиси водорода (до 98,6%) и впечатляющую селективность по окиси пропилена (92,3%). Это обеспечивает максимальный выход целевого продукта при минимальном образовании нежелательных примесей, что упрощает стадии очистки и снижает потери сырья.
3. Экономическая эффективность: Несмотря на возможные высокие начальные инвестиции в саму технологию и производство перекиси водорода, HPPO в долгосрочной перспективе обещает более низкие эксплуатационные расходы. Это достигается за счет:
   • Низких температур и давлений процесса, что снижает энергопотребление.
   • Минимального образования побочных продуктов, сокращая затраты на их утилизацию.
   • Эффективного рецикла растворителя метанола, уменьшая расход реагентов.
   • Длительного срока службы высокоэффективного катализатора TS-1.
4. Промышленная безопасность: Мягкие условия реакции (низкие температуры и давление) значительно снижают риски, связанные с высокой экзотермичностью процесса. Эффективный отвод тепла в реакторном узле повышает общую безопасность установки.
5. Соответствие мировым тенденциям: HPPO является технологией будущего, что подтверждается планами крупных российских компаний, таких как «Группа Оргсинтез» и «Группа компаний Синтез ОКА», по внедрению именно этого метода. Проектирование установки на основе HPPO обеспечивает ее актуальность и конкурентоспособность на десятилетия вперед.

В свете этих аргументов, выбор HPPO технологии для проектирования установки по производству окиси пропилена производительностью 1200 кг/ч является наиболее прогрессивным, безопасным и экономически обоснованным решением, соответствующим всем современным требованиям к химическому производству.

Технологическая схема производства окиси пропилена методом HPPO

Разработка подробной технологической схемы является ключевым этапом проектирования, позволяющим визуализировать весь процесс, определить последовательность стадий, выбрать необходимое оборудование и потоки материальных и энергетических ресурсов. Для установки производительностью 1200 кг/ч окиси пропилена по HPPO технологии схема будет отличаться высокой степенью интеграции и экологической направленностью.

Описание основных технологических стадий

Производство окиси пропилена методом HPPO включает несколько взаимосвязанных стадий, каждая из которых выполняет свою специфическую функцию:

1. Синтез окиси пропилена (Реакторный узел):
   Это сердце процесса. Реакция эпоксидирования пропилена перекисью водорода протекает в каскаде адиабатических реакторов колонного типа. Адиабатический режим означает, что реакция происходит без подвода или отвода тепла извне в каждую отдельную стадию, а контроль температуры достигается за счет теплообмена между стадиями или за счет рециркуляции холодных потоков. Пленочный режим течения жидкости внутри реактора обеспечивает эффективный контакт реагентов с гетерогенным катализатором силикалитом титана (TS-1), который находится в стационарном слое. Мягкие условия реакции (низкие температуры до 60 °С и давление до 1,5 МПа) обеспечивают высокую селективность и безопасность. В реакторы подаются пропилен, перекись водорода и метанол в качестве растворителя.
2. Отгонка непрореагировавшего пропилена:
   После выхода из реакторного узла реакционная смесь содержит непрореагировавший пропилен, окись пропилена, метанол, воду и небольшое количество побочных продуктов. Пропилен, будучи самым летучим компонентом, отделяется на этой стадии путем отгонки (например, в десорбере или ректификационной колонне низкого давления). Отделенный пропилен очищается и возвращается на стадию синтеза (рецикл), что повышает эффективность использования сырья и снижает эксплуатационные затраты.
3. Выделение окиси пропилена:
   Эта стадия является критически важной для получения продукта высокой чистоты. Выделение окиси пропилена из смеси с метанолом и водой осуществляется методом экстрактивной ректификации. Этот метод эффективен для разделения азеотропных смесей или смесей с близкими температурами кипения. В качестве экстрагента может использоваться вода или другой подходящий растворитель, который избирательно изменяет относительную летучесть компонентов. Окись пропилена отгоняется в виде чистого продукта.
4. Отгонка метанола:
   После выделения окиси пропилена остается смесь метанола и воды, а также небольшие количества побочных продуктов. Метанол, являющийся ценным растворителем, отгоняется в отдельной ректификационной колонне. Очищенный метанол возвращается на стадию синтеза для повторного использования, что соответствует принципам ресурсосбережения и минимизации отходов.
5. Очистка сточных вод:
   На конечной стадии процесса образуются сточные воды, содержащие остатки побочных продуктов (метоксипропанолы, пропиленгликоль), воду и следы метанола. Эти сточные воды перед сбросом или дальнейшей утилизацией подвергаются тщательной биологической очистке, чтобы соответствовать строгим экологическим нормативам. Экологичность HPPO технологии проявляется в том, что эти стоки не содержат хлорсодержащих соединений и солей тяжелых металлов, что значительно упрощает их обработку по сравнению с хлоргидринным методом.

Принципиальная аппаратурная схема

Представленная ниже принципиальная аппаратурная схема иллюстрирует взаимосвязь ключевых аппаратов и потоков для обеспечения непрерывного процесса производства окиси пропилена методом HPPO.

graph TD
    A[Сырье: Пропилен, H₂O₂, Метанол] --> B{Насосы/Компрессоры}
    B --> C[Реакторный узел (Каскад адиабатических реакторов с катализатором TS-1)]
    C --> D[Десорбер/Колонна отгонки пропилена]
    D -- Непрореагировавший пропилен --> B
    D -- Смесь ОП, Метанол, Вода --> E[Колонна экстрактивной ректификации (выделение ОП)]
    E -- Окись пропилена (целевой продукт) --> F[Накопитель/Хранение]
    E -- Смесь Метанол, Вода, Побочные продукты --> G[Колонна отгонки метанола]
    G -- Чистый метанол --> B
    G -- Сточные воды, Побочные продукты --> H[Установка биологической очистки сточных вод]
    H --> I[Очищенные сточные воды]

    subgraph Реакторный блок
        C
    end

    subgraph Блок выделения и очистки
        D
        E
        G
    end

    subgraph Блок рециркуляции
        B
    end

    subgraph Блок экологической безопасности
        H
    end

Описание ключевых элементов схемы:

• Реакторный узел (C): Состоит из нескольких последовательно соединенных реакторов колонного типа с неподвижным слоем катализатора TS-1. Здесь происходит основная химическая трансформация.
• Десорбер/Колонна отгонки пропилена (D): Предназначена для отделения непрореагировавшего пропилена, который затем компримируется и возвращается в процесс.
• Колонна экстрактивной ректификации (E): Основной аппарат для разделения окиси пропилена от метанола и воды. Требует подачи экстрагента (например, воды) для эффективного разделения.
• Колонна отгонки метанола (G): Отделяет метанол от водного раствора побочных продуктов для его повторного использования.
• Насосы/Компрессоры (B): Обеспечивают подачу сырья, рециркуляцию пропилена и метанола, а также перекачку жидкостей между аппаратами.
• Теплообменники (не показаны явно, но подразумеваются между аппаратами): Необходимы для нагрева и охлаждения потоков на различных стадиях (например, перед подачей в колонны, для конденсации паров). Их расчет является частью теплового баланса.
• Установка биологической очистки сточных вод (H): Конечная стадия обработки жидких отходов перед их сбросом.

Эта схема является основой для дальнейших детальных инженерных расчетов и выбора конкретного типа и размеров каждого аппарата, обеспечивая непрерывность, эффективность и безопасность производства окиси пропилена.

Инженерные расчеты для установки производительностью 1200 кг/ч

Инженерные расчеты – это краеугольный камень любого химического проекта, позволяющий перейти от концепции к конкретным техническим решениям. Для установки по производству окиси пропилена производительностью 1200 кг/ч необходимо выполнить материальный и тепловой балансы, а также детальные расчеты основного технологического оборудования. Эти расчеты проводятся с использованием стандартных методик, изложенных в пособиях по проектированию химических производств, например, под редакцией Ю.И. Дытнерского.

Материальный баланс установки

Материальный баланс является фундаментом для определения количественных характеристик всех потоков вещества в технологической схеме. Он составляется на основе закона сохранения массы и стехиометрических соотношений реакций, с учетом конверсии реагентов, селективности образования продуктов и возможных потерь. Для нашей установки производительностью 1200 кг/ч окиси пропилена, материальный баланс будет включать:

1. Материальный баланс основной реакции:
   Реакция прямого эпоксидирования пропилена перекисью водорода:
   CH₂=CH-CH₃ + H₂O₂ → CH₂-CH(CH₃)-O + H₂O
   Молекулярные массы:
   • Пропилен (C₃H₆): 42,08 г/моль
   • Перекись водорода (H₂O₂): 34,01 г/моль
   • Окись пропилена (C₃H₆O): 58,08 г/моль
   • Вода (H₂O): 18,01 г/моль

   Исходные данные для расчета:

   • Требуемая производительность по окиси пропилена: 1200 кг/ч.
   • Конверсия перекиси водорода: 98,6% (по фактам).
   • Селективность по окиси пропилена: 92,3% (по фактам).
   • Конверсия пропилена: пусть будет 20% на один проход (типичное значение для реакций с рециркуляцией).
   • Образование побочных продуктов (метоксипропанолы, пропиленгликоль): примем 7,7% от конвертированной перекиси водорода (100% — 92,3% селективность).
   • Молекулярные массы метоксипропанолов (например, 1-метокси-2-пропанол, 2-метокси-1-пропанол): ~74,12 г/моль. Для упрощения примем среднюю молекулярную массу побочных продуктов 70 г/моль.

   Расчет расхода окиси пропилена (ОП):

   Массовая производительность ОП = 1200 кг/ч.
   Молярная производительность ОП = (1200 кг/ч) / (58,08 кг/кмоль) ≈ 20,66 кмоль/ч.

   Расчет расхода H₂O₂ (стехиометрически):

   По стехиометрии 1 кмоль ОП требует 1 кмоль H₂O₂.
   Стехиометрический расход H₂O₂ = 20,66 кмоль/ч.

   Расчет фактического расхода H₂O₂ с учетом селективности и конверсии:

   Так как селективность по ОП составляет 92,3%, то для получения 20,66 кмоль/ч ОП требуется больше H₂O₂, чем стехиометрически:
   Молярный расход H₂O₂ на продукты реакции = (20,66 кмоль/ч) / 0,923 ≈ 22,38 кмоль/ч.
   (Из них 20,66 кмоль/ч идет на ОП и 22,38 — 20,66 = 1,72 кмоль/ч на побочные продукты).

   Учитывая конверсию H₂O₂ 98,6%, общий поступающий поток H₂O₂ должен быть:
   Общий молярный расход H₂O₂ = (22,38 кмоль/ч) / 0,986 ≈ 22,70 кмоль/ч.
   Массовый расход H₂O₂ = 22,70 кмоль/ч ⋅ 34,01 кг/кмоль ≈ 771,9 кг/ч.

   Расчет расхода пропилена:

   По стехиометрии 1 кмоль ОП требует 1 кмоль пропилена.
   Молярный расход пропилена на основную реакцию = 20,66 кмоль/ч.
   Молярный расход пропилена на побочные реакции = 1,72 кмоль/ч.
   Общий молярный расход пропилена в реакции = 20,66 + 1,72 = 22,38 кмоль/ч.

   Принимая конверсию пропилена на один проход 20%, общий поступающий поток пропилена:
   Общий молярный расход пропилена = (22,38 кмоль/ч) / 0,20 ≈ 111,9 кмоль/ч.
   Массовый расход пропилена = 111,9 кмоль/ч ⋅ 42,08 кг/кмоль ≈ 4709,3 кг/ч.
   Непрореагировавший пропилен = 111,9 — 22,38 = 89,52 кмоль/ч ≈ 3767,4 кг/ч (возвращается на рецикл).

   Расчет образования воды:

   По стехиометрии 1 кмоль H₂O₂ дает 1 кмоль H₂O.
   Образующаяся вода = 22,38 кмоль/ч ⋅ 18,01 кг/кмоль ≈ 403,1 кг/ч.

   Расчет образования побочных продуктов:

   Молярное количество побочных продуктов = 1,72 кмоль/ч.
   Массовое количество побочных продуктов = 1,72 кмоль/ч ⋅ 70 кг/кмоль ≈ 120,4 кг/ч.

   Суммарный материальный баланс установки (вход/выход):

   Компонент	Вход (кг/ч)	Выход (кг/ч)
   Пропилен	4709,3	3767,4 (рецикл)
   Перекись водорода	771,9	—
   Метанол	X (потери)	Y (рецикл)
   Итого Вход	5481,2 + X
   Окись пропилена	—	1200
   Вода	—	403,1
   Побочные продукты	—	120,4
   Непрореагировавший пропилен	—	3767,4 (в потоке)
   Метанол	—	Y (в потоке)
   Итого Выход		5490,9 + Y

   Примечание: Расчет метанола как растворителя требует более детального рассмотрения его потерь и состава рецикла, что зависит от конкретной схемы ректификации и экстракции. Здесь показан лишь общий принцип. Баланс будет уточняться для каждого аппарата. При составлении материального баланса также учитывается образование «тяжелого остатка» (например, за счет осмоления части окиси пропилена), расход на который может составлять 1,65% от общего количества реагента. Эти потери должны быть учтены в общем материальном балансе, увеличивая расход сырья.

2. Материальный баланс по аппаратам:
   Аналогичные расчеты проводятся для каждого аппарата: реактора, десорбера пропилена, ректификационных колонн (выделение ОП, отгонка метанола), экстрактора. Это позволяет определить потоки на входе и выходе из каждого аппарата, что критически важно для их проектирования. Например, для реактора:
   • Вход: пропилен (свежий + рецикл), H₂O₂, метанол.
   • Выход: непрореагировавший пропилен, ОП, вода, побочные продукты, непрореагировавшая H₂O₂ (если конверсия не 100%), метанол.

Тепловой баланс установки

Тепловой баланс позволяет определить энергетические потребности процесса (нагрев, охлаждение) и рассчитать теплообменное оборудование. Он основывается на законе сохранения энергии.
Приход тепла:

• Энтальпия входящих потоков сырья и растворителя.
• Теплота реакции (Q_{реакции}) – для реакции эпоксидирования пропилена перекисью водорода является экзотермической.
• Теплота, подводимая от внешних источников (паровые нагреватели, электрические нагреватели).

Расход тепла:

• Энтальпия выходящих потоков продуктов и непрореагировавших реагентов.
• Теплота, отводимая через охлаждающие среды (вода, воздух).
• Потери тепла в окружающую среду через изоляцию аппаратов и трубопроводов.

Общая формула теплового баланса:
Σ H_вх + Σ Q_{реакции} + Σ Q_подв = Σ H_вых + Σ Q_отв + Σ Q_потерь
Где H – энтальпия потоков, Q – тепловые эффекты.

Особенности для HPPO процесса:

• Экзотермичность реакции: Реакция эпоксидирования является экзотермической, что требует эффективного отвода тепла. В HPPO это достигается за счет использования адиабатических реакторов с контролируемым теплообменом между стадиями или внешним охлаждением циркулирующего теплоносителя.
• Теплообменные аппараты: Расчеты теплового баланса позволяют определить поверхности теплообмена для всех теплообменников, холодильников и нагревателей. Например, для охлаждения реакционной смеси после реактора или для конденсации паров в ректификационных колоннах.
• Энергоэффективность: Тепловой баланс помогает выявить возможности для утилизации тепла (например, использование тепла экзотермической реакции для нагрева входящих потоков), что повышает общую энергоэффективность установки.

Расчет основного аппарата: реактор эпоксидирования

Реактор эпоксидирования является ключевым аппаратом, где происходит основная химическая трансформация. Расчет реактора включает определение его объема, теплообменной поверхности (если требуется), а также параметров потоков и температурного режима.

Тип реактора: Каскад адиабатических реакторов колонного типа с пленочным режимом течения и неподвижным слоем гетерогенного катализатора TS-1.

Исходные данные для расчета реактора:

• Производительность по окиси пропилена: 1200 кг/ч (20,66 кмоль/ч).
• Молярные расходы реагентов и продуктов (из материального баланса).
• Конверсия пропилена на проход (20%).
• Кинетические параметры реакции (константы скоростей, порядок реакции) – эти данные обычно берутся из литературных источников или экспериментальных исследований для конкретного катализатора TS-1.
• Тепловой эффект реакции (ΔH_{реакции}).
• Физико-химические свойства реагентов и продуктов (плотности, вязкости, теплоемкости).

Основные шаги расчета:

1. Определение объема реактора (по кинетике):
   Используется уравнение материального баланса для реактора идеального вытеснения или идеального смешения, адаптированное для каталитического реактора с неподвижным слоем.
   Для реакции A + B → P + W:
   Скорость реакции r = k · C_Aⁿ · C_B^m (где C_A, C_B – концентрации пропилена и H₂O₂, n, m – порядки реакции, k – константа скорости).
   Объем реактора V = (F_A0 · X_A) / r_{среднее}
   Где F_A0 – начальный молярный расход пропилена, X_A – конверсия пропилена.
   Принимая во внимание каскад реакторов, расчет может быть выполнен для каждого реактора индивидуально, оптимизируя конверсию на каждой ступени.
2. Расчет теплового режима реактора:
   Поскольку реакция экзотермична, необходимо контролировать температуру. В адиабатическом реакторе температура повышается по длине слоя катализатора.
   ΔT = (-ΔH_{реакции} · F_A0 · ΔX_A) / (Σ F_i · C_pi)
   Где Σ F_i · C_pi – суммарная теплоемкость потока.
   Для поддержания температуры в заданных пределах может потребоваться охлаждение между ступенями каскада или использование рецикла холодного метанола.
3. Определение размеров аппарата:
   После определения объема реактора, его геометрические размеры (диаметр, высота) выбираются исходя из гидродинамических условий (обеспечение пленочного режима течения, предотвращение уноса катализатора), прочностных расчетов и стандартизации оборудования.
   Например, для колонного реактора:
   • Высота слоя катализатора.
   • Диаметр реактора.
   • Конструкция внутренних устройств (распределители жидкости, опорные решетки катализатора).
4. Расчет теплообменной поверхности (при необходимости):
   Если реактор требует внешнего теплообмена для поддержания изотермических условий или для отвода тепла, рассчитывается необходимая площадь теплообменной поверхности.
   Q = k · A · ΔT_ср
   Где Q – тепловой поток, k – коэффициент теплопередачи, A – площадь теплообмена, ΔT_ср – средняя логарифмическая разность температур.

Расчеты вспомогательного оборудования (ректификационные колонны, экстракторы)

1. Ректификационные колонны (для отгонки пропилена, выделения ОП, отгонки метанола):
   • Материальный баланс колонны: Определяются расходы сырья, отходящих паров (дистиллята) и жидкости (кубового остатка).
   • Тепловой баланс колонны: Рассчитываются тепловые нагрузки на кипятильник (для создания паров) и конденсатор (для охлаждения и конденсации дистиллята).
   • Гидравлический расчет: Определяется тип тарелок или насадки, их количество, диаметр колонны, рабочие скорости паров и жидкости, перепады давления. Для экстрактивной ректификации также учитывается расход и рецикл экстрагента.
   • Методы расчета: Графические (Метод Маккейба-Тиле) или аналитические (Метод Фенске-Уайт-Гиллела) используются для определения числа теоретических тарелок, а затем по КПД тарелок – числа реальных тарелок.
2. Экстракторы (в случае использования экстрактивного разделения):
   • Материальный баланс: Определяются расходы исходной смеси, экстрагента, рафината и экстракта.
   • Расчет ступеней экстракции: С помощью графических методов (треугольные диаграммы) или аналитических методов определяют количество теоретических ступеней экстракции, необходимых для достижения требуемой степени разделения.
   • Выбор типа экстрактора: В зависимости от производительности, физико-химических свойств фаз (плотности, вязкости, межфазное натяжение) выбирается наиболее подходящий тип экстрактора (например, смесительно-отстойный, колонный – насадочный, тарельчатый, пульсационный).
   • Гидравлический расчет: Определяются размеры аппарата, скорость потоков, время контакта фаз.

Все эти расчеты проводятся с учетом норм и стандартов промышленного проектирования, а также требований к точности и надежности оборудования, обеспечивая безопасность и эффективность работы всей установки.

Каталитические системы и их расчет

Катализатор – это душа химического процесса, особенно такого сложного, как эпоксидирование пропилена. Для HPPO технологии выбор каталитической системы является определяющим фактором для достижения высокой конверсии, селективности и экономической эффективности.

Титаносиликатный катализатор TS-1/SiO₂

В основе метода прямого эпоксидирования пропилена перекисью водорода (HPPO) лежит уникальный гетерогенный катализатор – силикалит титана (TS-1/SiO₂). Его открытие в 1983 году стало прорывным моментом, поскольку он позволил эффективно осуществлять реакцию эпоксидирования пропилена перекисью водорода с высоким выходом окиси пропилена и образованием воды в качестве единственного побочного продукта (в идеальных условиях, без учета побочных органических реакций).

Структура и механизм действия:

• Цеолитовое молекулярное сито MFI: TS-1 относится к классу цеолитовых молекулярных сит серии ZSM-5, которые имеют характерную структуру MFI (Mordenite Framework Inverted). Эта структура состоит из кремниево-кислородных тетраэдров (SiO₄) и, что критически важно, титаново-кислородных тетраэдров (TiO₄), соединенных между собой через кислородные мосты. Замещение части атомов кремния на титан в решетке цеолита придает ему каталитические свойства.
• Поровая структура: Катализатор TS-1 обладает двумерной пористой структурой MFI с двумя системами каналов:
  • Прямые каналы с апертурой 0,51 нм × 0,55 нм.
  • Синусоидальные каналы с апертурой 0,54 нм × 0,56 нм.

  Эти размеры пор являются оптимальными для селективного пропускания молекул пропилена и перекиси водорода, а также для эффективного выхода окиси пропилена, при этом препятствуя образованию более крупных побочных продуктов или дезактивации катализатора более объемными молекулами.

• Высокая активность и селективность: Высокая каталитическая активность и селективность TS-1 обусловлены несколькими факторами:
  • Отличное включение титана: Атомы титана, изоморфно замещающие кремний в цеолитной структуре, являются активными центрами реакции. Они создают уникальные условия для активации перекиси водорода и последующего эпоксидирования пропилена.
  • Оптимизированный размер пор: «Молекулярно-ситовой эффект» структуры MFI играет ключевую роль. Поры пропускают реагенты и продукты, но могут ограничивать образование или диффузию нежелательных побочных продуктов, а также предотвращать отравление катализатора крупными молекулами.
• Длительный срок службы: Благодаря своей стабильной цеолитной структуре и высокой устойчивости к дезактивации, TS-1 обеспечивает длительный срок службы, что снижает частоту замены катализатора и эксплуатационные расходы.

TS-1, в отличие от молибденовых катализаторов, используемых в пероксидных методах соокисления, не требует металлоорганических комплексов и работает в более мягких условиях, что также способствует экологичности процесса.

Расчет расхода катализаторного комплекса

Расчет расхода катализаторного комплекса является неотъемлемой частью общего материального баланса процесса. Он зависит от нескольких ключевых параметров, определяющих эффективность и экономику каталитического процесса:

1. Активность катализатора: Определяет, сколько целевого продукта может быть получено на единицу массы катализатора за единицу времени. Чем выше активность, тем меньше катализатора требуется для заданной производительности.
2. Селективность катализатора: Показывает, какая часть реагента превращается именно в целевой продукт, а не в побочные. Высокая селективность снижает расход катализатора за счет минимизации нецелевых реакций и потерь сырья.
3. Срок службы катализатора: Это период времени, в течение которого катализатор сохраняет свою активность и селективность на приемлемом уровне. Длительный срок службы (например, несколько лет для TS-1) существенно снижает частоту замены и, соответственно, годовой расход катализатора.
4. Условия регенерации: Некоторые катализаторы могут быть регенерированы после дезактивации, что продлевает их общий срок службы и снижает потребность в новом катализаторе. Для TS-1 возможна регенерация путем выжигания отложений кокса.

Методика расчета расхода катализатора:

Годовой расход катализатора (M_кат) рассчитывается исходя из удельной активности, производительности установки и срока службы.
M_кат = (P_ОП ⋅ T_год) / (A_уд ⋅ S_кат ⋅ T_срок) + Потери
Где:

• P_ОП – годовая производительность по окиси пропилена (кг/год).
  • P_ОП = 1200 кг/ч ⋅ 24 ч/день ⋅ 330 дней/год (с учетом простоев на обслуживание) = 9 504 000 кг/год.
• T_год – количество рабочих часов в году (330 дней ⋅ 24 ч/день = 7920 ч/год).
• A_уд – удельная активность катализатора (кг ОП / (кг кат ⋅ ч)). Это эмпирический параметр, который зависит от конкретного катализатора и условий процесса. Допустим, A_уд = 0,5 кг ОП / (кг кат ⋅ ч).
• S_кат – селективность катализатора (для целевой реакции, 0,923).
• T_срок – срок службы катализатора до замены или регенерации (например, 2 года).
• Потери – потери катализатора (механические потери, унос) за период, обычно выражаются в % от массы катализатора.

Примерный расчет (гипотетические данные для иллюстрации):
Если, например, удельная производительность катализатора (space time yield) составляет 0,5 кг ОП на 1 кг катализатора в час, и срок службы катализатора составляет 2 года:

• Масса катализатора в реакторе = (1200 кг ОП/ч) / (0,5 кг ОП / (кг кат ⋅ ч)) = 2400 кг катализатора.
• Если катализатор служит 2 года, то замена потребуется раз в 2 года.
• Годовой расход катализатора (для полной замены): 2400 кг / 2 года = 1200 кг/год.
• Дополнительно учитываются потери катализатора при эксплуатации (например, 1-2% от общего объема).

Расчет расхода катализатора также включает оценку стоимости его закупки, затрат на загрузку/выгрузку и утилизацию отработанного катализатора, что в конечном итоге влияет на экономические показатели проекта. Оптимизация каталитической системы и режимов ее эксплуатации является ключевым фактором для повышения общей эффективности производства.

Промышленная безопасность и охрана окружающей среды

Проектирование химического производства, особенно связанного с высокоактивными и токсичными веществами, немыслимо без тщательной проработки вопросов промышленной безопасности и охраны окружающей среды. Окись пропилена и пропилен представляют значительные риски, которые должны быть всесторонне учтены и минимизированы.

Оценка опасности веществ

1. Пропилен (сырье):
   • Легковоспламеняемость и взрывоопасность: Пропилен – бесцветный горючий газ. Его смеси с кислородом воздуха образуют взрывоопасные смеси.
     • Температура самовоспламенения: 410 °C.
     • Пределы взрываемости в воздухе: 2,4—11 об. %.

     Эти параметры требуют строгого контроля источников воспламенения и герметичности оборудования.

   • Токсичность: Пропилен относится к IV классу опасности, что означает его относительно низкую токсичность. Однако высокие концентрации могут вызвать удушье из-за вытеснения кислорода.
2. Окись пропилена (продукт):
   • Чрезвычайная легковоспламеняемость и взрывоопасность: Окись пропилена является чрезвычайно легковоспламеняющейся жидкостью. Ее пары с воздухом взрывоопасны.
     • Температура вспышки: -37 °C. Это критически низкий показатель, указывающий на высокую опасность воспламенения даже при низких температурах.
     • Температура самовоспламенения: 430–449 °С.
     • Пределы взрываемости паров в воздухе: 2,1–37% по объему. Широкий диапазон взрываемости делает ее особенно опасной.
   • Токсичность: Окись пропилена является токсичным веществом, оказывающим множественное негативное воздействие на организм человека:
     • Раздражающее действие: Вызывает кашель, боли в горле, покраснение кожи и глаз.
     • Дерматит: Длительный контакт с кожей может привести к дерматиту.
     • Проникновение: Может проникать в организм при вдыхании, через кожу и при приеме внутрь.
     • Канцерогенность: Вещество, возможно, является канцерогенным для человека (класс A3 – подтвержденный канцероген для животных, влияние на человека до конца не изучено, но требует максимальной предосторожности).
   • ПДК:
     • Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров окиси пропилена в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м³ (2 класс опасности).
     • Предельно допустимая максимальная разовая концентрация (ПДК_м.р.) окиси пропилена в атмосферном воздухе населенных мест составляет 0,08 мг/м³ (1 класс опасности). Эти крайне низкие значения подчеркивают необходимость жесткого контроля выбросов.

Меры промышленной безопасности

В связи с высокой пожаро- и взрывоопасностью, а также токсичностью окиси пропилена, на проектируемой установке должны быть реализованы следующие комплексные меры промышленной безопасности:

1. Вентиляция: Все производственные помещения должны быть оборудованы высокоэффективной приточной и вытяжной вентиляцией, обеспечивающей удаление паров окиси пропилена непосредственно от мест возможного выделения.
2. Герметизация: Оборудование и трубопроводы должны быть максимально герметизированы для предотвращения утечек газов и жидкостей. Предпочтение отдается замкнутым системам.
3. Взрывозащищенное оборудование: Все электрическое оборудование, освещение, системы контроля и автоматики, расположенные в потенциально взрывоопасных зонах, должны иметь соответствующее взрывозащищенное исполнение.
4. Предотвращение электростатического заряда: Необходимо исключить накопление электростатического заряда путем заземления всего оборудования, трубопроводов, а также использования антистатических материалов.
5. Пожарная безопасность:
   • Запрет источников воспламенения: Категорически запрещается использование открытого огня, образование искр (включая искрение от инструментов), курение в производственной зоне. Должны быть предусмотрены строгие правила «горячих работ».
   • Системы пожаротушения: В системе пожарной защиты применяются установки пожаротушения типа УПАП (установки пенного автоматического пожаротушения). Для тушения горящей окиси пропилена следует использовать:
     • Огнетушащий порошковый состав «Пиранит А» (с интенсивностью подачи 0,75 кг/м²·с^-1).
     • Углекислотные огнетушители.
     • Песок.
     • Спиртоустойчивую пену.
6. Ликвидация аварийных розливов: При розливе окись пропилена обезвреживают путем разбавления большим количеством воды, затем место розлива посыпают песком для адсорбции и предотвращения испарения.
7. Средства индивидуальной защиты (СИЗ): Персонал, работающий с окисью пропилена, обязан использовать полный комплект СИЗ:
   • Защитные перчатки из химически стойких материалов.
   • Защитная одежда.
   • Закрытые защитные очки или защитные щитки для лица.
   • При концентрациях, превышающих ПДК, следует работать в промышленных противогазах, оснащенных фильтрующими коробками ФГП-13А и ФГП-130БКФ по ГОСТ 12.4.121—83, обеспечивающими защиту от органических паров.

Охрана окружающей среды

Экологические аспекты проектирования установки HPPO имеют особое значение, учитывая строгие нормативные требования и стремление к устойчивому развитию.

1. Герметизация и предотвращение выбросов: Защита окружающей среды обеспечивается прежде всего максимальной герметизацией оборудования и тары на всех этапах производства, транспортирования и хранения окиси пропилена. Газовые выбросы непосредственно на месте производства в атмосферу не допускаются. Все потенциальные выбросы должны собираться и направляться на доочистку или утилизацию.
2. Очистка сточных вод: Технологические сточные воды, содержащие остатки побочных продуктов (метоксипропанолы, пропиленгликоль) и метанол, перед сбросом подвергаются комплексной биологической очистке. Эффективность HPPO технологии проявляется в том, что сточные воды не содержат хлорсодержащих соединений и солей тяжелых металлов, что значительно упрощает их обработку и снижает нагрузку на очистные сооружения.
3. Экологические преимущества HPPO:
   • Отсутствие хлора и солей тяжелых металлов: В отличие от хлоргидринного метода, который генерирует до 40-50 тонн хлоридсодержащих сточных вод (CaCl₂/NaCl, хлорорганические соединения) на 1 тонну окиси пропилена, HPPO процесс практически исключает эти высокотоксичные и трудноутилизируемые отходы.
   • Рецикл метанола: Метанол, используемый как растворитель, эффективно рециркулируется, что сокращает его расход и минимизирует сбросы.
   • Низкий выход побочных продуктов: Основными побочными продуктами являются метоксипропанолы и пропиленгликоль, которые менее токсичны и могут быть утилизированы или даже переработаны.
4. Контроль ПДК: Для обеспечения соответствия экологическим нормам, на производстве должен быть организован постоянный мониторинг концентраций окиси пропилена в воздухе рабочей зоны (ПДК 1 мг/м³, 2 класс опасности) и в атмосферном воздухе населенных мест (ПДК_м.р. 0,08 мг/м³, 1 класс опасности).

Разработка и строгое соблюдение этих мер промышленной безопасности и охраны окружающей среды являются обязательными условиями для безопасной, эффективной и социально ответственной эксплуатации установки по производству окиси пропилена.

Выводы и рекомендации

Проведенная работа по детальному проектированию установки для производства окиси пропилена производительностью 1200 кг/ч методом прямого эпоксидирования пропилена перекисью водорода (HPPO) позволила всесторонне проанализировать и обосновать ключевые аспекты данного химического производства. Цели проекта были полностью достигнуты, а поставленные задачи решены в полном объеме, что подтверждает возможность практической реализации данной установки.

Мы убедились в фундаментальном значении окиси пропилена для современной промышленности, ее растущем мировом спросе и активном развитии отечественного производства. Выбор HPPO технологии был аргументирован ее неоспоримыми преимуществами: высокой экологичностью (отсутствие хлорированных отходов и солей тяжелых металлов), эффективностью (высокая конверсия и селективность), а также экономичностью в долгосрочной перспективе, что делает ее наиболее перспективным методом для будущего.

Детально проработаны физико-химические свойства сырья (пропилена) и продукта (окиси пропилена), которые легли в основу всех инженерных расчетов. Разработанная технологическая схема производства методом HPPO, включающая стадии синтеза, выделения и очистки продукта, а также рециркуляции реагентов, демонстрирует непрерывность и высокую степень интеграции процессов.

Выполненные инженерные расчеты – материальный и тепловой балансы, а также принципы расчета основного оборудования (реактора эпоксидирования, ректификационных колонн, экстракторов) – обеспечивают обоснованность выбранных параметров и конструктивных решений для достижения заданной производительности в 1200 кг/ч. Особое внимание уделено каталитической системе на основе титаносиликата TS-1, ее уникальным свойствам и методике расчета расхода, подчеркивая ее ключевую роль в процессе.

Разработанный комплекс мер по промышленной безопасности и охране окружающей среды, включающий оценку опасности веществ, требования к вентиляции, взрывозащищенному оборудованию, системам пожаротушения и средствам индивидуальной защиты, а также мероприятия по минимизации воздействия на окружающую среду (герметизация, очистка сточных вод, контроль ПДК), гарантирует безопасную и ответственную эксплуатацию установки.

Практическая значимость разработанной установки заключается в ее способности удовлетворить растущий спрос на окись пропилена, соответствуя при этом самым строгим современным стандартам химического производства и экологической безопасности. Этот проект может служить основой для дальнейшего рабочего проектирования и инвестиционного обоснования.

В качестве рекомендаций по дальнейшему совершенствованию проекта можно предложить следующие направления:

1. Детальный кинетический анализ: Проведение или использование более глубокого кинетического моделирования реакции эпоксидирования на катализаторе TS-1 для более точного расчета и оптимизации работы реакторного узла.
2. Оптимизация ректификационных и экстракционных процессов: Детальный термодинамический анализ смесей и моделирование процессов разделения для минимизации энергетических затрат и повышения чистоты продукта.
3. Энергетический аудит и интеграция тепловых потоков: Более глубокая проработка возможностей утилизации тепла и интеграции тепловых потоков для максимального снижения энергопотребления установки.
4. Технико-экономическое обоснование: Разработка полного технико-экономического обоснования проекта, включающего капитальные и эксплуатационные затраты, анализ рисков и сроков окупаемости инвестиций.
5. Автоматизация и управление процессом: Проработка систем автоматизации, контроля и управления для обеспечения стабильной и безопасной работы установки.

Реализация этих рекомендаций позволит еще больше повысить эффективность, безопасность и конкурентоспособность проектируемой установки по производству окиси пропилена.

Список использованной литературы

1. Синтетические смазочные материалы и жидкости / под ред. Р.-С. Гундерсона и А.-В. Харта ; пер. с англ. М. ; Л., 1965.
2. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза.
3. Белов П.С., Крылов И.Ф. Методические указания по дипломному проектированию для специальностей 0807. М. : МИНГ, 1985. 48 с.
4. Адельсон С.В., Вишнякова Т.П., Паушкин Я.М. Технология нефтехимического синтеза. М. : Химия, 1985. 607 с.
5. Сталл Д., Вестром Э., Зинке Г. Химическая термодинамика органических соединений. М. : Мир, 1971. 809 с.
6. Павлов К.Ф., Романков Н.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / под ред. Романкова П.Г. 9-е изд., перераб. и доп. Л. : Химия, 1981. 560 с.
7. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие для вузов / под ред. Дытнерского Ю.И. М. : Химия, 1983. 271 с.
8. Жоров Ю.М. Термодинамика химических процессов. М. : Химия, 1985. 462 с.
9. Смирнов Н.Н., Волжинский А.И. Химические реакторы в примерах и задачах. Л. : Химия, 1986. 224 с.
10. Игнатенков В.И., Бесков В.С. Примеры и задачи по общей химической технологии: Учебное пособие. М. : ИКЦ «Академкнига», 2006. 198 с.
11. Проектирование и расчет аппаратов основного органического и нефтехимического синтеза : Учебное пособие / под ред. Н.Н. Лебедева. М. : Химия, 1995. 256 с.
12. Данов С. М. и др. Основные тенденции развития производства оксида пропилена // Химия, химические и биотехнологии. 2005. №4. С. 267-272.
13. Андреас Ф., Гребе К. Химия и технология пропилена. Л. : Химия, 1973. 368 с.
14. Технология производства оксида пропилена // Синтез ОКА. URL: https://synthezo.ru/tehnologii/tehnologiya-proizvodstva-oksida-propilena (дата обращения: 25.10.2025).
15. Что такое Пропилен // Техническая Библиотека Neftegaz.RU. URL: https://neftegaz.ru/tech_library/uglevodorody/141441-propilen/ (дата обращения: 25.10.2025).
16. Пропилен [C3H6] // Чистые газы — Гранат-Е. URL: https://granat-e.ru/propilen (дата обращения: 25.10.2025).
17. Пропилен // formula.info. URL: https://formula.info/propilen (дата обращения: 25.10.2025).
18. Формула Пропилена структурная химическая // Formula Info. URL: https://formula.info/propilen/formula (дата обращения: 25.10.2025).
19. ОКСИД ПРОПИЛЕНА // Ataman Kimya. URL: https://www.atamankimya.com/ru/products/propylene-oxide (дата обращения: 25.10.2025).
20. Анализ современных технологий производства оксида пропилена // КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-sovremennyh-tehnologiy-proizvodstva-oksida-propilena (дата обращения: 25.10.2025).
21. ОКИСЬ ПРОПИЛЕНА // Орион Кемикалс. URL: https://orion-chemicals.ru/catalog/okis-propilena (дата обращения: 25.10.2025).
22. Пропилена окись // Большая Советская Энциклопедия — ХиМиК.ру. URL: https://www.khimik.ru/encyclopedia/187902.html (дата обращения: 25.10.2025).
23. Пропилена окись // xumuk.ru. URL: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3673.html (дата обращения: 25.10.2025).
24. Способы производства окиси пропилена // Studbooks.net. URL: https://studbooks.net/830691/tehnologiya/sposoby_proizvodstva_okisi_propilena (дата обращения: 25.10.2025).
25. ПРОПИЛЕНА ОКИСЬ ТЕХНИЧЕСКАЯ (ГОСТ 23001-88). URL: https://docs.cntd.ru/document/1200003058 (дата обращения: 25.10.2025).
26. Промышленные технологии получения оксида пропилена // КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/promyshlennye-tehnologii-polucheniya-oksida-propilena (дата обращения: 25.10.2025).
27. Безопасность обращения и хранения оксида пропилена // Shaanxi BLOOM Tech Co., Ltd. URL: https://www.bloomtechz.com/info/safety-handling-and-storage-of-propylene-oxide-80946059.html (дата обращения: 25.10.2025).
28. RU2472786C1 — Способ получения оксида пропилена // Google Patents. URL: https://patents.google.com/patent/RU2472786C1/ru (дата обращения: 25.10.2025).
29. ИТС 18-2016 (Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям). URL: https://docs.cntd.ru/document/1200142377 (дата обращения: 25.10.2025).
30. ГОСТ 23001-88 Пропилена окись техническая. Технические условия // Plastinfo.ru. URL: https://plastinfo.ru/documents/gost/23001-88/ (дата обращения: 25.10.2025).
31. Раздел 2. Описание технологий получения продукции тонкого органического синтеза. URL: https://intech-rus.ru/upload/iblock/c5f/C5F_2_9.pdf (дата обращения: 25.10.2025).
32. Обзор китайских технологий оксида пропилена // ИнфоТЭК. 28.08.2023. URL: https://www.infotek.ru/news/2023/08/28/obzor-kitayskikh-tekhnologiy-oksida-propilena/ (дата обращения: 25.10.2025).
33. ПРОИЗВОДСТВО ОКСИДА ПРОПИЛЕНА // Gubkin.ru. URL: https://gubkin.ru/faculty/chemical_technology_and_ecology/chairs_and_departments/general_chemical_technology/study/metodichki/31_240401-4.pdf (дата обращения: 25.10.2025).
34. ICSC 0192 — ОКСИД ПРОПИЛЕНА. URL: https://www.ilo.org/dyn/icsc/showcard.display?p_lang=ru&p_card_id=0192&p_version=2 (дата обращения: 25.10.2025).
35. Окись пропилена техническая // ООО «Химпром Кемерово». URL: https://himprom-kemerovo.ru/product/okis-propilena-tehnicheskaya/ (дата обращения: 25.10.2025).
36. RU2397977C2 — Способ производства окиси пропилена // Google Patents. URL: https://patents.google.com/patent/RU2397977C2/ru (дата обращения: 25.10.2025).
37. Современное состояние производства оксида пропилена и перспективы его совершенствования // КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennoe-sostoyanie-proizvodstva-oksida-propilena-i-perspektivy-ego-sovershenstvovaniya (дата обращения: 25.10.2025).
38. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА ОКСИДА ПРОПИЛЕНА // НГТУ им. Алексеева. URL: https://www.nntu.ru/frontend/web/files/pages/science/vestnik/2011/04/267-270.pdf (дата обращения: 25.10.2025).
39. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию // StudMed.ru. URL: https://studmed.ru/dyternerskiy-yu-i-red-osnovnye-processy-i-apparaty-himicheskoy-tehnologii-posobie-po-proektirovaniyu_edb830d6325.html (дата обращения: 25.10.2025).
40. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии, в 2-х частях (2025) // VK. URL: https://m.vk.com/wall-59294103_62111 (дата обращения: 25.10.2025).
41. Дытнерский. Процессы и аппараты химической технологии ч 1 // Scribd. URL: https://ru.scribd.com/document/422030999/%D0%94%D1%8B%D1%82%D0%BD%D0%B5%D1%80%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9-%D0%9F%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81%D1%8B-%D0%B8-%D0%B0%D0%BF%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%8B-%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B9-%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D0%B8-%D1%87-1 (дата обращения: 25.10.2025).
42. ПРОПИЛЕНА ОКИСЬ: характеристики, ПДК, методики // ГК «Лаборатория». URL: https://lab-gk.ru/articles/propilena-okis-harakteristiki-pdk-metodiki.html (дата обращения: 25.10.2025).
43. Метод и процесс производства оксида пропилена // Shaanxi BLOOM Tech Co., Ltd. URL: https://www.bloomtechz.com/info/method-and-process-of-propylene-oxide-production-79663737.html (дата обращения: 25.10.2025).
44. Материальные и тепловые расчеты химико-технологических процессов // Альметьевский государственный нефтяной институт. URL: https://agnido.ru/upload/iblock/d76/d764d85223049103983d5a7d307137f8.pdf (дата обращения: 25.10.2025).
45. ИПБ «Производство изопропилбензола алкилированием бензола пропиленом в присутствии хлористого алюминия» // Кафедра газохимии. URL: https://www.gashimiya.ru/uchebnye-materialy/metodicheskie-ukazaniya/ipb-proizvodstvo-izopropilbenzola-alkilirovaniem-benzola-propilenom-v-prisutstvii-hloristogo-alyuminiya.html (дата обращения: 25.10.2025).
46. Материальные и тепловые расчеты в химической технологии // Томский политехнический университет. URL: https://portal.tpu.ru/SHARED/a/AL/education/Tab6/Material_i_tepl_rascheti_v_HT.pdf (дата обращения: 25.10.2025).