现代化工设计概论期末大作业

现代化工设计概论期末大作业

学院化工学院

专业过程装备与控制工程

年级大一

姓名曾献杰

2017年1月1日

硫的原子经济性利用生产链设计

1.原子经济性的概念及意义

1.1原子经济性概念:

原子经济性最早由美国斯坦福大学的B.M.Trost教授提出，他针对传统上一般仅用经济性来衡量化学工艺是否可行的做法，明确指出应该用一种新的标准来评估化学工艺过程，即选择性和原子经济性，原子经济性考虑的是在化学反应中究竟有多少原料的原子进入到了产品之中，这一标准既要求尽可能地节约不可再生资源，又要求最大限度地减少废弃物排放。即高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每个原子, 使之结合到目标分子中, 以实现最低排放甚至零排放理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不产

生副产物或废物，实现废物的“零排放”。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放”,

1.2原子经济性的意义

○1最大限度地利用了反应原料，最大限度地节约了资源；

○2最大限度地减少了废物排放（“零废物排放”），因而最大限度地减少了环境污染，即从源头上消除了由化学反应副产物引起的污染。

2.提高原子经济性的途径

（1）.开发新型催化剂

例如：环氧丙烷的生产

传统方法——氯醇法

•2CH3-CH=CH2+2HClO→CH3-CHOH-CH2Cl+CH3-CHCl-CH2OH

•CH3-CHOH-CH2CL+CH3-CHCL-CH2OH+Ca(OH)2→

缺点：原子利用率低，仅为31%；消耗大量的石灰和氯气，设备腐蚀和环境污染严重

新型催化剂法：

钛硅分子筛（TS-1）催化氧化法

Ugine公司和Enichem公司开发了TS-1分子筛作催化剂的新工艺：

新工艺的特点：

a. 反应条件温和。常压，40-50℃。

b.氧源安全易得（30%H2O2），转化率高（以H2O2计算为93%）。

c.选择性高达97%以上，原子利用率76.3%。

d.仅联产水，是低能耗、无污染的绿色化工过

（2）简化合成步骤

布洛芬，非类固醇消炎剂，具有止痛消肿的作用。原来的合成方法有六步，原料的原子利用率为40.03%。

德国BHC公司发明了新方法，只需三步反应，原子利用率提高到77.44%。

该公司因此获得1997年度美国“总统绿色化学挑战奖”的变更合成路线奖

（3）采用新合成原料

甲基丙烯酸甲脂（简称MMA），一种重要的有机化工原料，其聚合物

俗称有机玻璃。其工业生产方法是1932年由英国帝国化学工业公司首先

开发出来的丙酮-氰醇法。该法以丙酮、HCN、甲醇为原料，原子利用率

为47%，因为使用剧毒的HCN和腐蚀性的硫酸，严重危害环境，属于非

环境友好的化学反应。

最近，Shell公司开发出了一种新工艺，以甲基乙炔、甲醇、一氧化碳为原料，二价钯化合物作催化剂，一步制得MMA，原子利用率为100%，反应选择性高达99.9%，单程转化率高达98.9%。具有很高的经济效益和环境效益

3.设计项目介绍

某生态工业园区具有以下的企业：

●40万吨/年有机硅（中外合资），

●1万吨/年气相白炭黑，

●11万吨/年PC（聚碳酸酯），

●20万吨/年MDI（二苯基甲烷二异氰酸酯），

●20万吨/年烧碱，

●14万吨/年蛋氨酸，

●30万吨/年苯酚丙酮，

●13万吨/年丙烯腈，

●15万吨/年双酚A和相关的配套生产，

●20万吨/年聚碳酸酯工程塑料（PC）。

4.各产品的技术工艺

（6）烧碱的生产工艺：采用隔膜法生产烧碱，选用石墨阳极立式隔膜电解槽。主要化学反应为：2NaCl+2H2O→2NaOH+Cl2↑+H2↑，原子利用率为52.3%。

生产过程分为盐水制备，食盐溶液电解，碱液蒸发和熬浓，氯氢处理与输送等四大过程，生产流程如图（1），

生产工艺流程简述：首先将蒸发工序来的回收盐，卤水经预热温度控制在65-70℃，自上而下用泵压入化盐桶，同时用斗式提升机将固体盐自上部加入，以维持足够的盐层高度，使盐水通过后达到饱和，含NaCl：315g/l左右，再溢流入缓冲桶，加入精制剂Na2CO3，NaOH，BaCl2，使盐水中Ca2+

、Mg2+以及SO42-离子生成沉淀析出：CaCO3，Mg（OH）2和BaSO4。盐水进入澄清桶前，加入苛化麸皮助沉。沉清盐水自澄清桶溢流圈流至中和槽，加入盐酸中和，控制PH值在7.5-8，中和盐水泵入精盐水贮槽，供电解使用。精制盐水泵入高位槽，经加热至65-85℃后注入电解槽，精盐水在直流电作用下进行电解，产生出氯气，氢气和烧碱。

（7）蛋氨酸生产工艺一生物酶拆分法和微生物发酵法生物酶拆分法是将DL-蛋氨酸酰化成乙酰DL蛋氨酸，利用米曲霉中的氨基酰化酶或者动物肾脏中的酶拆分为L-蛋氨酸。Tosa 等[19]应用连续溶解技术，即用一系列固定化真菌氨基酰化酶溶解DL-蛋氨酸混合物，拆分得L-蛋氨酸，并于商业化应用。Voelkel 等[20]用曲霉菌的休止细胞，将DL-5-（2-甲基硫基乙基）-乙内酰脲转化为蛋氨酸，其产率达90%。蒲广西等[21]利用基因重组工程技术构建氨基酸酰化酶工程菌，连续拆分DL-蛋氨酸，酶解液经分离精制获得L-蛋氨酸，收率高达74.5%左右。热拉尔·里歇等[22]应用循环酶法制备富含对应异构体的L-蛋氨酸，所得产品产废量小，产率高。王东阳等[23]发明一种L-蛋氨酸非水溶液酰化高效生产方法，DL-蛋氨酸直接滴加醋酐进行酰化反应，无需进行拆分工序。微生物发酵法生产蛋氨酸，收率极低，成本较高，目前还不具备工业化生产价值，因此关于此方面的研究并不多。Fong 等[24]提出L-蛋氨酸可以通过酶催化合成，或者通过微生物的深层发酵合成。Young 等[25]通过蛋白质的表达制备L-蛋氨酸菌株，在L-苏氨酸中生物合成得L-蛋氨酸。此外，Rose 等[26]尝试利用发酵法制备蛋氨酸，但其收率不高，此技术不利于工业化应用。化学合成法蛋氨酸的化学合成方法一般是以甲硫醇与丙烯醛加成后经Strecker 反应而得[27-28]，主要有氨基内酯法、丙二酸酯法、固-液相转移催化法和海因法等。目前对海因法合成蛋氨酸的研究较多，该方法具有原材料价格低、生产工艺路线短、工艺能耗少、收率高等特点，因而被国内外广大生产厂家所采用。2.2.1 氨基内酯法Livak 等[29]对γ-丁酯内酯溴化得α-溴-γ-丁基