大連理工盤(pán)錦校區(qū)chemblock設(shè)計(jì)集項(xiàng)目摘要

1、設(shè)計(jì)摘要一、項(xiàng)目背景目前我國(guó)煉廠氣大多石油液化氣作使用，C3 組分利用率低。為提高丙烷的利用率，本項(xiàng)目以慶陽(yáng)丙烷為原料，建立一座年產(chǎn) 15 萬(wàn)噸丙烯腈的分廠。丙烯腈主要用于生產(chǎn)腈綸、ABS/SAN、丙烯酰胺和聚醚多元醇等產(chǎn)品， 2015 年我國(guó)丙烯腈的消費(fèi)結(jié)構(gòu)為：47.7%用來(lái)生產(chǎn)腈綸，28.1% 生產(chǎn) ABS/SAN，其余用來(lái)生產(chǎn)丙烯酰胺等。我國(guó)丙烯腈大量依托進(jìn)口，自 2011 年以來(lái)年進(jìn)口量都在 50 萬(wàn)噸以上，可見(jiàn)生產(chǎn)丙烯腈前景樂(lè)觀。二、工藝路線本項(xiàng)目選址慶陽(yáng)，以丙烷為原料生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品丙烯腈。采用兩步法路線丙烯腈：參考 UOP 公司的 Oleflex 工藝與 BP 公司的 Sohio

2、 工藝，并對(duì)兩工藝進(jìn)行優(yōu)化。兩步法工藝優(yōu)勢(shì)在于收率高，技術(shù)安全穩(wěn)定。由于氨氧化工藝對(duì)丙烯純度要求不高，所以自產(chǎn)自用丙烯方案可行；同時(shí)丙烷脫氫為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，丙烯氨氧化為強(qiáng)放熱反應(yīng)，可耦合兩個(gè)反應(yīng)熱以節(jié)約能量。三、設(shè)計(jì)新型移動(dòng)床膜反應(yīng)器反應(yīng)收率，節(jié)約能量丙烷脫氫反應(yīng)創(chuàng)新性地使用移動(dòng)床膜反應(yīng)器，使反應(yīng)與分離耦合，增大丙烷單程轉(zhuǎn)化率，降低后續(xù)分離能耗。四、用膜分離代替深冷分離，極大減少能耗由膜分離系統(tǒng)代替深冷分離，簡(jiǎn)化工藝流程，且分離溫度由-100左右升高至-28,極大的降低了冷耗。綜合考慮節(jié)能與操作彈性優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)與熱泵精餾技術(shù)的應(yīng)用減少了對(duì)公用工程的使用，實(shí)現(xiàn)了能量的優(yōu)化。五、使用新型過(guò)程設(shè)備縮

3、短工藝流程，使生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行流化床反應(yīng)使用新型進(jìn)氣分布器與旋風(fēng)分離器，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和收率；水洗填料塔內(nèi)使用新型填料有利于丙烯腈的吸收；T201 脫乙烷塔頂回流泵內(nèi)使用了新型干氣密封結(jié)構(gòu)，使生產(chǎn)高效、連續(xù)；用急冷換熱器代替急冷塔冷卻脫氫反應(yīng)器的出料液,縮短工藝流程。六、清潔與安全生產(chǎn)項(xiàng)目堅(jiān)持清潔生產(chǎn)與安全生產(chǎn)的原則：兩個(gè)反應(yīng)工段的固體催化劑可在本廠完成再生循環(huán)；采用吸附分離處理廢氣、四效蒸發(fā)處理廢水等實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)與資源的循環(huán)利用；熱泵精餾、換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化減少單產(chǎn)碳排放；采用分散型控制系統(tǒng)、安全儀表系統(tǒng)、可燃和氣體檢測(cè)系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)方案等完成自動(dòng)控制，對(duì)罐區(qū)使用 Risksystem廠區(qū)的

4、安全穩(wěn)定的運(yùn)行。進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)模擬并做足預(yù)案。保證了目錄設(shè)計(jì)摘要. - 1 -第 1 章 項(xiàng)目可行性 . - 4 -1.1 項(xiàng)目政策符合性分析. - 4 -1.1.1 產(chǎn)業(yè)政策符合性. - 4 -1.1.2 產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入符合性. - 4 -1.1.3 園區(qū)發(fā)展規(guī)劃符合性. - 4 -1.1.4 國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策符合性. - 4 -1.1.5 建設(shè)規(guī)模. - 4 -1.2 產(chǎn)品方案. - 4 -1.3.原料、輔助材料的用量和來(lái)源. - 5 -1.4 經(jīng)濟(jì)分析. - 6 -第 2 章 反應(yīng)技術(shù) . - 8 -2.1 催化劑優(yōu)選. - 8 -2.2 通過(guò)開(kāi)發(fā)移動(dòng)床膜反應(yīng)器,增加單程轉(zhuǎn)換率. - 8 -2.3 流化

5、床反應(yīng)器. - 9 -第 3 章 分離技術(shù) . - 10 -3.1 采用膜分離回收氫氣，降低能耗 78.7% . - 10 -3.2 運(yùn)用側(cè)線采出乙腈技術(shù)，降低乙腈提純難度. - 11 -3.3 萃取共沸精餾，除去共沸物乙腈. - 11 -第 4 章 工藝方案 . - 13 -4.1 工藝選擇. - 13 -4.2 工藝簡(jiǎn)介. - 13 -4.2.1 丙烷脫氫工段. - 13 -4.2.2 丙烯精制工段. - 13 -4.2.3 丙烯氨氧工段. - 14 -4.2.4 丙烯腈精制工段. - 14 -4.3 總工藝流程框圖. - 16 -第 5 章 節(jié)能技術(shù) . - 17 -5.1 考慮溫度匹配

6、和能量匹配的三大主要換熱. - 17 -5.2 基于經(jīng)濟(jì)型和可操作性考慮的換熱網(wǎng)絡(luò). - 17 -5.3 熱泵技術(shù). - 18 -5.4 四效蒸發(fā)技術(shù). - 18 -第 6 章 總圖布置 . - 20 -第 7 章 設(shè)備選型 . - 21 -7.1 概述. - 21 -7.2 新型過(guò)程設(shè)備應(yīng)用創(chuàng)新. - 21 -7.2.1 急冷換熱器代替急冷塔，回收 4.9Gcal/h 能量. - 21 -7.2.2 新型反應(yīng)器設(shè)備的應(yīng)用. - 22 -7.2.3 新型高效分離設(shè)備的應(yīng)用. - 23 -7.2.4 新型流體輸送設(shè)備的應(yīng)用. - 24 -第 8 章 自動(dòng)控制 . - 25 -8.1 分散控制系統(tǒng)

7、() . - 25 -8.2 安全儀表系統(tǒng)(SIS). - 25 -8.3 可燃和氣體檢測(cè)系統(tǒng)(GDS). - 25 -8.4 工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng). - 25 -第 9 章 清潔生產(chǎn) . - 26 -9.1 四效蒸發(fā)法處理廢水. - 26 -9.2 吸附分離法處理廢氣. - 26 -9.3 綠色催化劑. - 26 -9.4 單產(chǎn)碳排放減少. - 26 -第 10 章 項(xiàng)目總結(jié) . - 27 -第 1 章 項(xiàng)目可行性1.1 項(xiàng)目政策符合性分析1.1.1 產(chǎn)業(yè)政策符合性產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011 年本）（修正）中的限制類包含第四類第二項(xiàng)新建 13 萬(wàn)噸/年以下丙烯腈項(xiàng)目，由于本項(xiàng)目丙烯腈產(chǎn)量是

8、15 萬(wàn)噸/年，所以不屬于限制類項(xiàng)目。參考依據(jù)：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011 年本）（修正）。1.1.2 產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入符合性根據(jù)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011 年本）（修正），新建丙烯腈項(xiàng)目產(chǎn)量應(yīng)大于 13 萬(wàn)噸/年，本項(xiàng)目丙烯腈產(chǎn)量是 15 萬(wàn)噸/年大于 13 萬(wàn)噸/年，符合行業(yè)準(zhǔn)入政策。1.1.3 園區(qū)發(fā)展規(guī)劃符合性項(xiàng)目廠址選在并經(jīng)國(guó)家發(fā)改委、慶陽(yáng)西峰工業(yè)園區(qū)，該園區(qū)是 2006 年由省，資源部予以審核公告的、以石油煉化、精細(xì)化工為主的的工業(yè)園區(qū)。本項(xiàng)目由丙烷經(jīng)兩步丙烯腈，符合西峰工業(yè)園區(qū)發(fā)展規(guī)劃。1.1.4 國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策符合性國(guó)家“十三五”和石油化工和化學(xué)工業(yè)“十三五”發(fā)展指南，深入實(shí)施西

9、部大開(kāi)發(fā)，發(fā)展優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)升級(jí)改造，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新力和安全水平，提高資源的綜合利用率。支持西部大開(kāi)發(fā)，選址在省慶陽(yáng)市，利用慶陽(yáng)副產(chǎn)物丙烷，加工丙烯腈，提高丙烷的利用價(jià)值，緩解國(guó)內(nèi)丙烯腈供給家產(chǎn)業(yè)政策。的現(xiàn)狀，拉動(dòng)慶陽(yáng)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，符合國(guó)1.1.5 建設(shè)規(guī)模我國(guó)丙烯腈大量依托進(jìn)口，自 2011 年以來(lái)年進(jìn)口量都在 50 萬(wàn)噸以上，可見(jiàn)生產(chǎn)丙烯腈前景樂(lè)觀。國(guó)內(nèi)丙烯腈需求量年增長(zhǎng)率為 5%，結(jié)合國(guó)家對(duì)新建丙烯腈項(xiàng)目的規(guī)模要求，確定年產(chǎn) 15 萬(wàn)噸丙烯腈，占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額的 8%。1.2 產(chǎn)品方案1 主要產(chǎn)品名稱規(guī)格產(chǎn)量（萬(wàn)噸/年）丙烯腈99.5%152.副產(chǎn)品名稱規(guī)格產(chǎn)量（萬(wàn)噸/

10、年）乙腈90%85.8%99.5%0.40.30.64氫酸氫氣1.3.原料、輔助材料的用量和來(lái)源原料的選擇應(yīng)該滿足環(huán)境友好型、成本經(jīng)濟(jì)性和來(lái)源穩(wěn)定性三要求。本項(xiàng)目中所涉及到的主要原料及其用量和規(guī)格見(jiàn)表 1-1。表 1-1 原料消耗表項(xiàng)目名稱數(shù)量來(lái)源方式從總廠通過(guò)管道丙烷19.2 萬(wàn)噸/年總廠提供空氣94.8 萬(wàn)噸/年來(lái)自大氣液氨6.4 萬(wàn)噸/年外購(gòu)公路原料公路、鐵路運(yùn)輸公路、鐵路運(yùn)輸從總廠通過(guò)管道從總廠通過(guò)管道催化劑 A16 噸/年外購(gòu)催化劑 B50.5 噸/年外購(gòu)工藝軟水15.5 萬(wàn)噸/年總廠提供輔料蒸汽1.2 萬(wàn)噸/年總廠提供注：比賽前期調(diào)研可知總廠可以提供本項(xiàng)目所需原料與輔料。表 1-2

11、 項(xiàng)目動(dòng)力及公用工程消耗估算表材料名稱年消耗量/萬(wàn)噸使用方式來(lái)源冷卻水連續(xù)使用總廠11523低壓蒸汽(0.8MPa)連續(xù)使用總廠215.5中壓蒸汽(4MPa)連續(xù)使用總廠30.08電連續(xù)使用總廠43951注：比賽前期調(diào)研可知總廠可以提供本項(xiàng)目所需公用工程。（比賽題目規(guī)定分廠所需公用工程由總廠提供）1.4 經(jīng)濟(jì)分析本項(xiàng)目旨石油慶陽(yáng)的基礎(chǔ)上建立一個(gè)丙烷資源化利用分廠，通過(guò)丙烷脫氫制丙烯，丙烯氨氧化制純度 99.5%的丙烯腈，原料丙烷全部來(lái)自慶陽(yáng)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)建設(shè)期為 2 年，投產(chǎn)期為 2 年，生產(chǎn)能力分別為全負(fù)荷 的 60%和 80%；全負(fù)荷生產(chǎn)期為 10 年，總工期為 15 年。詳見(jiàn)經(jīng)濟(jì)分析一覽表

12、。表 1-3 成本和費(fèi)用估算表序號(hào)項(xiàng)目投產(chǎn)期生產(chǎn)期合計(jì)/萬(wàn)元第 3 年第 4 年第 5-7 年第 8-15年100698975537.72026.32362.1649.8生產(chǎn)負(fù)荷(%）原接材料費(fèi)6041938.23322.21215.81377.3389.98055917.64430.216211869.7519.8100698975537.72026.32362.1649.812345237649.821862.56889.38371.22209.3動(dòng)力費(fèi)工資福利費(fèi)折舊費(fèi)修理費(fèi)6789101112131415攤銷費(fèi)103.3389.01748.718004117.660057537.9457

13、96.37903.951939.7103.3518.72331.624005489.680076715.461061.710503.469252.8103.3648.42914.530006862100095893.676327.213103.586566.2103.3648.42914.530006826100095857.676327.213067.586566.2413.22204.613309.31020033743.03400326404.5259512.344578.3283877.1財(cái)務(wù)費(fèi)銷售費(fèi)利息支出其他費(fèi)用總成本費(fèi)用可變成本固定成本經(jīng)營(yíng)成本表 1-4 銷售收入一覽表產(chǎn)品規(guī)格價(jià)

14、格（元/噸）投產(chǎn)期生產(chǎn)期 3 年4 年5-15 年產(chǎn)量/萬(wàn)噸 9總價(jià)/萬(wàn)元 90000產(chǎn)量/萬(wàn)噸 12總價(jià)/萬(wàn)元 120000產(chǎn)量/萬(wàn)噸 15總價(jià)/萬(wàn)元 15000099.5%10000丙烯腈99.4%230000.3887400.51117300.6414720氫氣9.389874012.5113173015.64164720總計(jì)本項(xiàng)目綜合各種創(chuàng)新技術(shù)可使本項(xiàng)目投資回收期縮短，經(jīng)計(jì)算本項(xiàng)目投資回收期為 4.7 年15 年（化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)投資回收期），故本項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)可行。本節(jié)內(nèi)容參見(jiàn)可行性第 2 章 反應(yīng)技術(shù)2.1 催化劑優(yōu)選選取價(jià)格便宜,高效,反應(yīng)條件相對(duì)溫和的催化劑本工藝丙烷脫氫選用大連化物所

15、開(kāi)發(fā)的 NDC-8 催化劑，該催化劑已于 2013年完成工業(yè)化示范；丙烯氨氧化選用中石油蘭州該催化劑已于 2009 年完成工業(yè)化示范。開(kāi)發(fā)的 XYA-5 催化劑，2.2 通過(guò)開(kāi)發(fā)移動(dòng)床膜反應(yīng)器,增加單程轉(zhuǎn)換率移動(dòng)床膜反應(yīng)器可連續(xù)移走氫氣,增加單程轉(zhuǎn)化率，減少后續(xù)分離難度。選擇高效透氫的 Pd 膜，且 Pd 膜可涂在管內(nèi)，不與反應(yīng)體系接觸，保證了膜的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。本反應(yīng)器主要針對(duì)丙烷脫氫500-550范圍內(nèi)，反應(yīng)壓力為 5bar。丙烯反應(yīng)，該反應(yīng)的高效反應(yīng)溫度在圖 2-1 移動(dòng)床膜反應(yīng)器串聯(lián)操作團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了移動(dòng)床膜反應(yīng)器。該反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了分離與反應(yīng)的耦合，加入 Pd 管選擇性透過(guò)氫氣，在反

16、應(yīng)體系中選擇性地移走氫氣使反應(yīng)正向進(jìn)行。在膜反應(yīng)器中膜的存在可以使得本反應(yīng)在較高壓下保持高轉(zhuǎn)化率，有利于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。移動(dòng)床反應(yīng)器串聯(lián)操作，反應(yīng)器之間設(shè)置換熱器，使反應(yīng)體系溫度保持在 525左右的高效低副產(chǎn)反應(yīng)溫度范圍，采用移動(dòng)床反應(yīng)器工藝進(jìn)行催化劑的外循環(huán)，有效解決催化劑失活再生問(wèn)題，生產(chǎn)能力大、效率高。Pd 管可以在反應(yīng)體系溫度下選擇性透過(guò)氫氣，遵循“溶解-擴(kuò)散”機(jī)理。我們以一根 Pd 管為例詳細(xì)計(jì)算 Pd 膜透氫行為：圖 2-2 Pd 管透氫計(jì)算示意圖將得到的結(jié)果輸入 comsol中完成移動(dòng)床膜反應(yīng)器的設(shè)計(jì)：將得到的結(jié)果輸入 comsol理場(chǎng)數(shù)值計(jì)算在 comsol中完成移動(dòng)床膜反應(yīng)器的

17、設(shè)計(jì)。移動(dòng)床反應(yīng)器在 comsol 多物中的設(shè)計(jì)：中選擇稀物質(zhì)傳遞場(chǎng)與層流場(chǎng)的耦合計(jì)算該反應(yīng)器，在中以 1:1 的比例設(shè)計(jì)該反應(yīng)器，得到反應(yīng)器的數(shù)據(jù)指導(dǎo)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)：圖 2-3 移動(dòng)床膜反應(yīng)器2.3 流化床反應(yīng)器反應(yīng)器的類型多種多樣，按其結(jié)構(gòu)可大致分為管式、釜式、塔式、固定床和流化床等。每種反應(yīng)器均有其自身的特點(diǎn)，選型時(shí)需要結(jié)合反應(yīng)器的特性進(jìn)行綜合分析，做出合理選擇。本項(xiàng)目丙烯氨氧化制丙烯腈選用流化床反應(yīng)器。反應(yīng)為氣固反應(yīng)。反應(yīng)在固體催化劑上進(jìn)行，主要反應(yīng)為丙烯氨氧化生成丙烯腈，副反應(yīng)生成乙腈、 化氫等。反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算詳見(jiàn)設(shè)備計(jì)算說(shuō)明書(shū)。本章內(nèi)容參見(jiàn)初步設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第三章和設(shè)備計(jì)算說(shuō)明書(shū)第三章第

18、 3 章 分離技術(shù)3.1 采用膜分離回收氫氣，降低能耗 78.7%用膜分離代替深冷分離，簡(jiǎn)化了流程，減少了投資費(fèi)用和操作費(fèi)用。本團(tuán)隊(duì)使用 Hysys 并編程計(jì)算，嚴(yán)格模擬膜分離單元，詳見(jiàn)初步設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)與 Hysys源文件。深冷分離系統(tǒng)能量消耗量為 15.0Gcal/hr ， 膜分離系統(tǒng)能量消耗量為3.2Gcal/hr，采用膜分離后可節(jié)約能耗 78.7%。膜分離與深冷分離工藝流程對(duì)比:圖 4-1 深冷分離流程圖圖 4-2 膜分離流程圖傳統(tǒng)工藝采用深冷分離氫氣，溫度為-100左右，此工藝成熟，但冷耗需求量特別大，需要采用丙烯乙烯復(fù)迭壓縮制冷。冷耗消耗量為-5.8Gcal/hr。能量消耗量為 15.

19、0Gcal/hr。氫氣的摩爾分率為 95.6%，氫氣回收率為 97.8%。設(shè)備投資為 1030 萬(wàn)，每年操作費(fèi)用為 0.9 億。工藝流程如圖 4-1。本裝置采用膜分離技術(shù)。膜采用 PI 膜，氫氣的滲透速率為 210GPU，膜面積 1200m2。采用淺冷技術(shù)，溫度為-28。本裝置冷耗的消耗量量為 4.1Gcal/hr。能量消耗量為 3.2Gcal/hr。氫氣的摩爾分率為 99.4%，氫氣回收率為 95%。設(shè)備投資 749 萬(wàn)，操作費(fèi)用 1900 萬(wàn)。工藝流程如圖 4-2。本項(xiàng)目采用膜分離技術(shù)，在簡(jiǎn)化工藝流程的同時(shí)也完成了對(duì)控制過(guò)程的簡(jiǎn)化，每年可節(jié)省成本 7000。且膜分離產(chǎn)出的氫氣可以在絕大部分

20、煉化裝置上使用，而在深冷流程中，由于產(chǎn)出氫氣純度不夠高，應(yīng)用很大受到限制。3.2 運(yùn)用側(cè)線采出乙腈技術(shù)，降低乙腈提純難度傳統(tǒng)工藝中，萃取精餾塔僅做丙烯腈與乙腈的分離，乙腈從塔釜排出。乙腈精制時(shí)需要首先從塔釜液中解吸提濃，而塔底乙腈濃度僅為 0.1%。本項(xiàng)目在分離乙腈與丙烯腈的萃取精餾塔采用側(cè)線精餾技術(shù)，萃取精餾塔側(cè)線 32 塊板采出量 32kmol/hr 的氣相。乙腈的含量為 59%，進(jìn)一步提純就可以送回總廠作為萃取劑使用。此復(fù)合塔可以有效減小回收乙腈的能耗以及處理乙腈廢水的冷耗。工藝流程如圖 4-4：圖 4-4 側(cè)線精餾技術(shù)3.3 萃取共沸精餾，除去共沸物乙腈由于丙烯腈與乙腈的沸點(diǎn)相差約 4

21、，其相對(duì)揮發(fā)度在此溫度范圍內(nèi)約為 1.15，采用普通蒸餾方法分離需理論板數(shù)超過(guò) 100。若采用萃取精餾，選擇水為萃取劑，乙腈能與水互溶，由于乙腈的極性比丙烯腈強(qiáng)，水的加入使丙烯腈與乙腈的相對(duì)揮發(fā)度大幅度提高，從而將乙腈分離出來(lái)。因此本項(xiàng)目采用萃取精餾分離。萃取精餾塔塔頂采出進(jìn)入三相閃蒸罐，水相返回萃取精餾塔，氣相作為廢氣進(jìn)入催化氧化系統(tǒng)，油相進(jìn)入共沸精餾塔；側(cè)線采出乙腈。萃取精餾塔與共沸精餾塔共沸精餾，萃取精餾塔的操作壓力 1.7bar，共沸精餾塔壓力 0.9bar。共沸精餾塔側(cè)線采出含乙腈的產(chǎn)品進(jìn)入三相閃蒸罐，油相返回共沸精餾塔，水相進(jìn)入萃取精餾塔；塔頂為粗氫酸；塔底為丙烯腈粗產(chǎn)品；側(cè)線采出

22、乙腈粗產(chǎn)品。圖 3-3 萃取共沸精餾流程圖本章內(nèi)容參見(jiàn)初步設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第四章和設(shè)備計(jì)算說(shuō)明書(shū)第七章第 4 章 工藝方案4.1 工藝選擇丙烯腈的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法通過(guò)劇毒的氫大，很大程度上限制了丙烯腈生產(chǎn)的發(fā)展。酸引進(jìn)-CN 基，生產(chǎn)成本高，污染丙烷直接氧化法設(shè)備投資大，技術(shù)難度高，其催化劑體系尤為復(fù)雜，轉(zhuǎn)化率低，產(chǎn)率低，尚無(wú)工業(yè)化應(yīng)用。丙烷脫氫再丙烯氨氧化得兩步法工藝，丙烷原料費(fèi)用低，工藝技術(shù)成熟，催化劑體系簡(jiǎn)單，產(chǎn)品收率高。政策原因使得國(guó)內(nèi)丙烯生產(chǎn)高度，三大石油公司下游產(chǎn)品產(chǎn)能與丙烯產(chǎn)能相當(dāng)，極少有丙烯外供。經(jīng)過(guò)以上對(duì)比，本團(tuán)隊(duì)選用兩步丙烯腈。副產(chǎn)乙腈可用作萃取劑使用，副產(chǎn)化氫可銷售，副產(chǎn)氫氣可返回

23、總廠用于加氫重整，實(shí)現(xiàn)了總廠與分廠的交互。同時(shí)兩個(gè)反應(yīng)工段可以實(shí)現(xiàn)熱耦合，極大地節(jié)約能源。綜上所述，本工藝路線可行，符合中國(guó)國(guó)情和市場(chǎng)發(fā)展需求。4.2 工藝簡(jiǎn)介4.2.1 丙烷脫氫工段原料丙烷與循環(huán)丙烷經(jīng)多級(jí)壓縮進(jìn)入丙烷預(yù)熱器，預(yù)熱后進(jìn)入膜反應(yīng)器。在反應(yīng)器中進(jìn)行脫氫反應(yīng)后的粗產(chǎn)品由急冷換熱器終止反應(yīng)。產(chǎn)物進(jìn)入淺冷-膜分離系統(tǒng)分離氫氣，冷凝液和未透過(guò)膜的氣體混合后進(jìn)入下一工段。圖 4-1 丙烷脫氫工段流程圖4.2.2 丙烯精制工段來(lái)自混合罐的丙烯粗產(chǎn)品依次進(jìn)入脫乙烷塔、脫丁烷塔和丙烯精制塔得到較純丙烯。丙烯塔塔頂組分為 92%的丙烯，送入丙烯氨氧工段。圖 4-2 丙烯精制工段流程圖4.2.3 丙

24、烯氨氧工段原料液氨經(jīng)泵送入換熱器 E302 進(jìn)行預(yù)熱，汽化得到的氨氣進(jìn)入原料緩沖罐 V302，與來(lái)自丙烯塔的原料混合共同進(jìn)入換熱器，再進(jìn)入流化床反應(yīng)器。原料空氣取自大氣，經(jīng)空氣壓縮機(jī)加壓，預(yù)熱后進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行氨氧化反應(yīng)。粗丙烯腈進(jìn)入酸洗塔，洗掉其中未反應(yīng)的氨，塔頂組分進(jìn)入水洗塔。圖 4-3 丙烯氨氧工段流程圖4.2.4 丙烯腈精制工段上一工段的粗丙烯腈進(jìn)入水洗塔分離不溶性氣體，塔頂組分進(jìn)入吸附分離系統(tǒng)，塔底組分進(jìn)入共沸精餾系統(tǒng)除去 化氫和共沸物乙腈。較純丙烯腈在成品塔中側(cè)線采出 99.5%的丙烯腈。粗乙腈進(jìn)入乙腈初分塔，塔底為水，塔頂組分經(jīng)升溫加壓后進(jìn)入乙腈精制塔，乙腈精制塔采用熱泵精餾系統(tǒng)，

25、塔底組分為精制乙腈。圖 4-4 丙烯腈精制工段4.3 總工藝流程框圖本節(jié)內(nèi)容參見(jiàn)初步設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第三、四章第 5 章 節(jié)能技術(shù)5.1 考慮溫度匹配和能量匹配的三大主要換熱圖 5-1 主要的能量換熱方案5.2 基于經(jīng)濟(jì)型和可操作性考慮的換熱網(wǎng)絡(luò)圖 5-2 全流程熱集成yzer 能量分析器對(duì)全流程進(jìn)行熱集成網(wǎng)絡(luò)分析，結(jié)果使用 Aspen Energy表明全流程能進(jìn)行比較合理的能量匹配利用，經(jīng)過(guò)對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的改造，最終得到了如下圖所示的熱集成方案。進(jìn)行冷熱流股匹配后，全流程公用工程耗量下降明顯，達(dá)到了較好的節(jié)能效果，熱集成前后冷熱公用工程對(duì)比情況如表 5-1 所示。表 5-1 熱集成前后冷熱公用工程對(duì)比

26、表項(xiàng)目熱公用工程/MW冷公用工程/MW換熱單元數(shù)總換熱面積/m2匹配前匹配后節(jié)能248.3143.942.0%347.6187.146.2%363946156129305.3 熱泵技術(shù)節(jié)能一直以來(lái)是化工行業(yè)的所和，有學(xué)者通過(guò)研究出提高傳質(zhì)傳熱效率的設(shè)備從而增加分離效率，而更常用的是化工熱力學(xué)的方法來(lái)節(jié)能降耗。即將熱泵用于精餾裝置。熱泵相當(dāng)于一種能源采掘機(jī)械，以消耗一部分高品質(zhì)質(zhì)量的能量比如機(jī)械能，電能或者高溫的熱能等為代價(jià)，通過(guò)熱力循環(huán)，把自然環(huán)境介質(zhì)中生產(chǎn)排放的余熱中的能量加以利用。目前的熱泵主要是把低于80的大量溫?zé)釤嵩礋崃炕厥绽?，能輸出的最高溫度大約為 150。隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展，以后

27、估計(jì)能將熱泵輸出溫度升至 250左右。本組使用熱泵精餾技術(shù)，操作費(fèi)用僅僅取決于壓縮機(jī)消耗的機(jī)械能或者電能的費(fèi)用。其經(jīng)濟(jì)性可以通過(guò)功耗量所得到的供熱量來(lái)衡算。本項(xiàng)目對(duì)乙腈精制精制塔運(yùn)用熱泵技術(shù)，回收 20%的能量。具體工藝流程圖如圖 5-3：圖 5-2 熱泵精餾流程圖5.4 四效蒸發(fā)技術(shù)本項(xiàng)目使用蒸發(fā)技術(shù)處理廢水。利用相變潛熱的四效蒸發(fā)技術(shù)，可節(jié)約 48%的蒸汽。具體流程如下：一個(gè)蒸發(fā)器蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽引入下一蒸發(fā)器，利用其凝結(jié)放出的熱加熱蒸發(fā)器中的水，以充分利用熱能的蒸發(fā)系統(tǒng)。圖 5-3 四效蒸發(fā)流程圖第 6 章 總圖布置的分廠，廠區(qū)長(zhǎng) 300 米，寬 170 米，總面積為 51000本項(xiàng)目為慶

28、陽(yáng)平方米，建筑物防火類別均為甲類，布局符合石油化工企業(yè)防火規(guī)范GB50160-2008 及建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范GB50016-2014。根據(jù)生產(chǎn)工藝、行政管理和交通要求將廠區(qū)分為行政區(qū)、輔助生產(chǎn)區(qū)、生產(chǎn)區(qū)和罐區(qū)。慶陽(yáng)常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，將行政區(qū)布置在上風(fēng)區(qū)。生產(chǎn)區(qū)布置在廠區(qū)的西南部，儲(chǔ)罐區(qū)布置在廠區(qū)西北部，設(shè)置消防站和消防水池等安全設(shè)施。輔助生產(chǎn)區(qū)位于廠區(qū)中部，生產(chǎn)區(qū)。廠區(qū)人流和物流合理區(qū)分，一號(hào)門為人流通道，二、三號(hào)門為物流通道，最大限度地減少了車輛在廠內(nèi)的行駛距離以及與生活區(qū)交叉的可能性，保證了廠內(nèi)的安全和人車分離廠區(qū)布置如圖 6-1。圖 6-1 廠區(qū)布置圖第 7 章 設(shè)備選型7.1 概述根

29、據(jù) Aspen plus 的模擬結(jié)果，本團(tuán)隊(duì)對(duì)工藝流程中的丙烯氨氧化反應(yīng)器R301、丙烯精制塔 T203、丙烷預(yù)熱換熱器 E101 進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括基本的設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)和特殊內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。利用 SW6-2011 及 Cup-Tower對(duì)流程中的全部塔設(shè)備進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)、基本參數(shù)設(shè)計(jì)和機(jī)械強(qiáng)度校核。利用SW6-2011 和Aspen Energy Design and Rating對(duì)全部的換熱器進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)、選型、基本參數(shù)設(shè)計(jì)和機(jī)械強(qiáng)度校核。利用 COMSOL Multiphysics 5.0 對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用 CPFD Barracuda VR 17.0.0詳細(xì)設(shè)計(jì)了流化床反應(yīng)器。

30、此外還對(duì)泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、儲(chǔ)罐、緩沖罐、回流罐等設(shè)備進(jìn)行了選型，使用 SW6-2011 對(duì)氣液分離器、蒸發(fā)設(shè)備、儲(chǔ)罐、緩沖罐、回流罐進(jìn)行設(shè)備的強(qiáng)度校核和重量計(jì)算。7.2 新型過(guò)程設(shè)備應(yīng)用創(chuàng)新7.2.1 急冷換熱器代替急冷塔，回收 4.9Gcal/h 能量傳統(tǒng)急冷塔工藝：丙烷脫氫反應(yīng)器出口的高溫反應(yīng)氣在急冷單元(T101)被快速降溫，以避免反應(yīng)氣在金屬管道中發(fā)生裂解反應(yīng)而降低目的產(chǎn)物的收率。急冷單元直接使用水急冷，該急冷方式設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，被廣泛應(yīng)用于烷烴裂解氣急冷工藝中。但此工藝引入水等雜質(zhì)，不僅增加了后續(xù)分離的難度，并在后續(xù)淺冷過(guò)程水的存在會(huì)導(dǎo)致管道堵塞，增加裝置運(yùn)行的不確定性。工藝流

31、程如圖 7-1.新型急冷換熱器：從裂解爐出來(lái)的裂解氣，為了防止高溫下乙烯、丙烯等目的產(chǎn)品發(fā)生二次反應(yīng)，需要在極短的時(shí)間內(nèi)把裂解氣急冷下來(lái)。為此，本裝置設(shè)置一種特殊結(jié)構(gòu)的急冷鍋爐，常稱作換熱器（transfer-line exchanger），在極短時(shí)間內(nèi)將高溫氣體冷卻到中止二次反應(yīng)的溫度以下，又能回收高溫裂解氣中的熱能產(chǎn)生高壓蒸汽。急冷鍋爐有這樣幾個(gè)特點(diǎn)：（1）高質(zhì)量流速，裂解氣質(zhì)量流速一般在 50120kg（/ m2s）；（2）發(fā)生高壓蒸汽，壓力一般在 85110kg/cm2；（3）短停留時(shí)間，一般要求裂解氣通過(guò)急冷鍋爐的時(shí)間控制在 0.05s 以下。工藝流程如圖 7-2。圖 7-1 傳統(tǒng)急

32、冷塔工藝圖 7-2 急冷換熱器工藝急冷換熱器的優(yōu)勢(shì)用急冷塔工藝，該急冷方式設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但此工藝能耗和水消耗量大，且將水引入系統(tǒng)之中，會(huì)導(dǎo)致淺冷過(guò)程中發(fā)生管道堵塞。采急冷換熱器工藝，每小時(shí)產(chǎn)生 85 公斤的蒸汽 680kmol，并且不引入新的雜質(zhì)。7.2.2 新型反應(yīng)器設(shè)備的應(yīng)用新型移動(dòng)床膜反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提高了單程轉(zhuǎn)化率，本團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將膜管引入反應(yīng)器，使反應(yīng)與分離耦合。詳見(jiàn)第二章反應(yīng)工程。CPFD Barracuda 是專門用于模擬“顆粒-流體”系統(tǒng)及化學(xué)反應(yīng)的500包，它致力于工業(yè)尺度的流化裝置模擬。眾多研究機(jī)構(gòu)和世界強(qiáng)企業(yè)選用它來(lái)做工廠設(shè)計(jì)和工藝過(guò)程優(yōu)化。在 Barracuda 中建

33、模并模擬得到本流化床反應(yīng)器流化過(guò)程：圖 7-3 初始階段催化劑顆粒分布圖 7-4 一定時(shí)間后流化狀態(tài)顆粒分布本流化床反應(yīng)器中采用發(fā)明專利（ZL200710013931.5）粉體顆粒的環(huán)流式旋風(fēng)多級(jí)分級(jí)裝置，與傳統(tǒng)分離器相比獨(dú)特的流路設(shè)置使其壓降小，約為常規(guī)型旋風(fēng)除塵器的 1/3 至 1/2，能耗低；分離效率高，處理量大；放大效應(yīng)小，操作穩(wěn)定性好。圖 7-5 新型旋風(fēng)分離器和常規(guī)旋風(fēng)分離器同時(shí)分布器采用了發(fā)明專利(ZL200720176241.7)雙錐導(dǎo)流式進(jìn)氣分布器，其內(nèi)錐側(cè)面壓力均一，沿反應(yīng)器截面流速分布均一，有效提高了產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)量。圖 7-6 雙錐導(dǎo)流式進(jìn)氣分布器7.2.3 新型高效分離

34、設(shè)備的應(yīng)用膜分離系統(tǒng)代替深冷分離系統(tǒng)，極大降低了冷耗的使用，降低設(shè)備投資費(fèi)用與操作費(fèi)用。詳見(jiàn)第三章分離工程。對(duì)填料塔 T401 的填料進(jìn)行優(yōu)化，塔的上中段采用新型規(guī)整填料，下端采用高效散堆填料，有利于丙烯腈的回收，提高丙烯腈精制的回收率。7.2.4 新型流體輸送設(shè)備的應(yīng)用通過(guò)查閱文獻(xiàn)得知脫乙烷塔塔頂乙烷回流泵易出現(xiàn)磨損嚴(yán)重短、泄漏、密封頻繁地出現(xiàn)故障等問(wèn)題，針對(duì)這幾個(gè)典型問(wèn)題創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了機(jī)械密封與干氣密封結(jié)合的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)。：圖 7-7 一種新型的回流泵結(jié)構(gòu)用機(jī)械密封與干氣密封結(jié)合的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)可保證主密封有一定的背壓, 有效地降低因主密封工作端面液膜汽化而引起的不穩(wěn)定, 延長(zhǎng)了主密封的使用壽命

35、。一旦主密封失效, 干氣密封能在短時(shí)間內(nèi)起到主密封作用, 防止工藝介質(zhì)向大氣大量泄漏。該新型設(shè)備的創(chuàng)新保證設(shè)備能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。本章內(nèi)容參見(jiàn)設(shè)備計(jì)算說(shuō)明書(shū)第 8 章 自動(dòng)控制本丙烷制丙烯腈裝置對(duì)過(guò)程控制和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的要求很高，對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制及安全，并在裝置發(fā)生緊急事故時(shí)能夠自動(dòng)聯(lián)鎖停車。因此過(guò)程控制選用分散控制系統(tǒng)（）實(shí)現(xiàn)本裝置的、程序控制等功能。同時(shí)選用安全儀表系統(tǒng)（SIS），來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置的安全聯(lián)鎖和緊急停車。8.1 分散控制系統(tǒng)()作為過(guò)程控制系統(tǒng)的生產(chǎn)報(bào)表打印、歷史數(shù)據(jù)的其它控制系統(tǒng)均具有與，、操作提供了生產(chǎn)過(guò)程的基本控制、通過(guò)操作界面對(duì)裝置進(jìn)行監(jiān)視、操作。的通訊能力，重要信息將

36、傳送到監(jiān)視和控制。8.2 安全儀表系統(tǒng)(SIS)SIS 系統(tǒng)按照故障安全型設(shè)計(jì)，可與系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。SIS 系統(tǒng)設(shè)工及操作通過(guò)輔助操作臺(tái)上的開(kāi)關(guān)、站，順序事件（SER）站，相應(yīng)的按鈕及系統(tǒng)的操作站來(lái)完成。8.3 可燃和氣體檢測(cè)系統(tǒng)(GDS)可燃?xì)怏w和室設(shè)置單獨(dú)的 作站并配有聲光氣體檢測(cè)系統(tǒng)與分散控制系統(tǒng)合并設(shè)計(jì)，在控制操作站顯示可燃?xì)怏w檢測(cè)器、氣體檢測(cè)器的信號(hào)，該操，以不同顏色和聲音可區(qū)分可燃?xì)怏w和氣體。8.4 工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)界區(qū)內(nèi)設(shè)置 1 套工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)，服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及操作站的交流電源引自 UPS，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)供電采用控制室集中供電，引自 UPS。本章內(nèi)容參見(jiàn)初步設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第七章第 9 章 清潔生產(chǎn)9.1 四效蒸發(fā)法處理廢水該項(xiàng)目的廢水主要含乙腈，本項(xiàng)目采用四效蒸發(fā)工藝處理廢水，廢水主要來(lái)源于 T402 萃取精餾塔，T405 乙腈塔。