生物基对二甲苯生产工艺流程模拟及经济分析
近年来，随着对环境的重视及降低温室气体CO2排放政策的推动，以绿色、环保及可再生的生物质作为原料生产燃料和化学产品逐渐成为研究的热点。对二甲苯作为大宗有机化学品，广泛应用于塑料行业，多家公司开发了生物基PX的生产路线，但由于生物基PX的经济性差，不足以与石油基PX竞争，近年来工业化生产的进程缓慢。因此，本文对目前存在的几种生物基PX生产路线的可行性进行了相关研究，并通过工艺优化和实验优化两方面提高工艺的经济性。主要研究内容如下: 1.首先收集生物基PX不同生产路线的信息，确定探究的路线为经由异丁醇途径、5-羟甲基糠醛(HMF)途径以及新提出的经由2,5-己二酮(HDO)的两步法途径。其次根据收集的物性数据和实验数据初步设计工艺流程，确定流程模拟的基本信息，在稳态模拟软件Aspen plus V11上对3条工艺(6条路线)进行全流程模拟。 2.为了探究工艺的可行性并提出提高工艺经济性的方案，根据流程模拟的基本结果，对不同路线进行初步技术经济计算。确定基于文献数据和基于实验室数据设计的HMF途径的最佳溶剂分离回收方案。以成本最小化为指标优化了流程中涉及的所有精馏过程，优化后异丁醇途径、基于实验室数据设计的HMF途径、基于文献数据设计的HMF途径以及HDO途径总生产成本分别降低3.26％、28.09％、11.94％以及50.84％。对比了三种工艺(4条路线)的经济计算结果，分析每条路线的成本构成，确定降低PX生产成本的方案。 3.根据分析结果，从工艺方面对HDO途径进行优化，利用三效精馏代替单塔溶剂回收，优化后PX总生产成本下降24.44％。为确定假设的因素是否成立，对催化剂堆积密度、反应器设备成本进行了敏感性分析，并且探究了原料价格浮动及反应条件变化对PX生产成本的影响。采纳本文提出的优化建议，降低HDO途径实验油水比并提高原料浓度后，PX总成本下降58.03％。综合实验和工艺优化，HDO途径PX生产总成本下降64.6％。 4.为进一步降低PX生产成本，以更廉价的甘蔗渣作为原料，探究其预处理的工艺，试图将纤维素、半纤维素、木质素三者均得到利用。优化有机酸草酸预处理甘蔗渣的条件，结果表明使用3 wt％草酸，在120℃下处理35 min甘蔗渣为最优条件，可在单步酸处理后去除78％以上的木聚糖。探究了有机碱去除木质素的效果，发现有机碱去除木质素效果不理想,处理后甘蔗渣内木质素含量仍超过20％。探究了无机酸碱预处理甘蔗渣的条件，优化了 H2SO4和NaOH的处理浓度，结合经济性和处理效果，确定H2SO4和NaOH在浓度为1.5 wt％和1 wt％为最优浓度。对以甘蔗渣为原料通过预处理得到纤维素进而生产PX的总流程进行成本计算，发现以廉价的甘蔗渣为原料通过预处理后PX生产成本为15971元/吨，若进一步提高纤维素得率并联合生产木质素和乳酸后，PX的成本可降至11081元/吨。
生物基对二甲苯;生产工艺流程;三效精馏;反应条件;原料预处理
北京化工大学
硕士
生物工程
陈必强
2023
中文
TQ241.13
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）