年产8万吨丁二烯工艺设计10000字【论文】

1年产8万吨丁二烯工艺设计 1第1章绪论 2 2 2 2 3 3第2章原料方案与产品简介 42.1概述 4 4 5 5 6 63.1.1加氢反应器R101 6第4章工艺流程的仿真模拟与优化 8 8 5.1概述 5.3能量衡算 第6章设备设计及选型 206.2换热器的选型 33丁二烯在化工基础方面是非常重要的原料。在石油化工烯烃原料中有很高的地位，仅仅比乙烯和丙烯略逊一筹，可以用来生产非常多的有机化工产品和汽油添加剂以及一些粘接剂，它的应用相当广泛。本次工艺是生产8万t/a丁二烯，采取萃取精馏的办法，使丁二烯从C4混合烃中分离出来，从中得到纯度大于99%的产品丁二烯。现在主要使用的萃取剂有3种：ACN、DMF、NMP,对应3种抽提丁二烯工艺。在本设计中采用NMP法完成年产8万吨丁二烯工艺设计。关键词：NMP法；丁二烯；萃取精馏；抽提工艺2第1章绪论1.1设计依据及原则1.1.1设计依据(1)化工工程设计相关标准和规定；(2)国家经济、建筑、环保等相关政策。1.1.2设计原则(1)本设计项目的推动服从国家的相关法规，契合国家政策；(2)应用可靠，优秀稳定的技术，保证工艺生产运行的参数波动小，三废的排放比较少，获得的产品性能更佳；(3)在保证生产足够可靠的先决条件下，尽量使用实现国产的设备，材料，且控制所需花费在适当的范围。(4)认真对待环保，安全和工业卫生，项目使用清洁的工艺；1.2项目概况年产8万吨丁二烯工艺设计本次设计是以乙烯蒸汽裂解装置的次要产品C4混合烃作为原材料，实现年生产8万吨丁二烯。1.3工艺特点本工艺为C4原料中丁二烯的分离。丁二烯是通过萃取蒸馏提纯的。由于粗丁二烯各组分的沸点非常接近，所以需要萃取蒸馏错误：未找到引用源。C4馏分进入之后通过前加氢的方法进行预处理脱去其中含有的炔烃，这样就可以只用一个萃取精馏塔分离需要的产品，使用这样的方法下是因为所需要的塔设备比较少，建立的流程较之两段萃取精馏更为简单，且产品的分离率也比较大，产品也会比较纯。减少了塔的数量，降低了能耗，在三种工艺中流程最短，3设备总台数最少错误!未找到引用源。o1.4原料及产品方案本次设计中最主要的物料为C4混合烃，还有一些其他的物料如氢气、N-甲序号原料种类使用量(万t/a)1/23氢气工业级本项目主要产品丁二烯，产品规格及生产量见表1-2.纯度产品等级年产量/吨丁二烯优级品1.5市场分析2019年，我国丁二烯的生产能力达到398.9万t/a。2018年，我国丁二烯的表4■中国石化■扬子石化生产能力■中国石油■吉林石化■齐翔腾达■中海壳牌■中沙(天津)石化山东玉皇化工图1-12019年丁二烯生产能力图1.5.2结论我国丁二烯主要靠在国外进口，而我国国内的产能在下游需求增多的情况下还未达到饱和。随着下游产量的增加，2021年全球丁二烯需求回升错误!未找到引用源。o第2章原料方案与产品简介通过分离裂解次要产物C4混合烃，得到质量分数超过99.5%的产品丁二烯。使用的原材料C4是裂解次要产品，其中各组分含量如表2-1所示。表2-1原料C4各组分含量52.3辅助原材料本项目对H₂为工业级合格品，其来源来自石化煤制氢气项目，氢气规格如表2-2所示。表2-2H₂规格纯度(%)大于99.1%氧含量(%)氨含量(%)符合标准符合标准游离水(ml/瓶)小于等于99Ni/Al₂O3。2.4成品丁二烯产品丁二烯规格及产量如表2-3所示。纯度产品等级年产量/吨丁二烯优级品6第一部分：化学品名称分子量：54.09第二部分：丁二烯成分/组成信息如表2-4所示表2-4成分/组成信息1,3-丁二烯第3章工艺流程简介通过分离裂解次要产物C4混合烃，得到质量分数超过99.5%的产品丁二烯。以下介绍具体通过何种方法来分离C4馏分的丁二烯的。C4分离主要包含了R101、T101、T102及T103等塔设备，接下来对使用到的主要塔设备进行简明的表述。R101被用来脱去原材料中的炔类。之所以需要脱去炔类。主要有以下两种原炔烃，通过前加氢可以不必要使用二段萃取，使得流程得到简化，提高整个分离装置对C4混合烃的适应性。该反应器选用固定床反应器，采用双反应器，这样受到催化剂的再生周期的7时候可以切换反应器，使得影响降到最低。催化剂选择加入助催化剂的载钯催化剂T101的目的是脱去R101过来的物料中的轻组分，在塔顶排去轻组分，在釜液中得到脱轻后的物料。在萃取之前加入T101装置，可以使得T102塔顶的温度大于45℃,当满足这个条件的时候就可以使用循环水冷却。如果不能使用冷却水冷却，会使操作变的复杂。所以添加T101脱轻是非常有必要的。T102是为了把产品从C4馏分中分离出来。把已经脱过轻的物料送入T102萃取精馏，把难以溶于NMP的组分从塔的顶部脱去，塔顶馏出的馏分中丁二烯基本没有，塔釜馏出的馏分中溶解了几乎所有的产品。NMP溶剂性能优良，能与水以任何比例混溶，且不易发生水解或热降解。溶剂中含有8.3%的水，降低沸点，降低蒸馏温度，阻止丁二烯自身聚合，降低了提T103的目的是回收NMP和提纯产品，进入T103的是溶解了基本所有的产品的溶剂，通过T103简单的精馏分离，产品从塔顶排出，塔顶获得的产品纯度超过99.5%,达到聚合级标准。回收的萃取剂在塔底馏出液中，然后通过换热与后面补加的NMP混合后泵入T102。C4馏分分离整个过程如图3-1所示。8原料C4和氢气混合后打入R101进行反应，反应条件：反应压力是0.827MPa,反应温度是40℃。把脱去炔烃后的物料泵入T101中，在塔顶脱去氢气、丙烯和丙烷等轻组分，在釜液中得到已经脱轻的物料，然后经过减压阀减压，之后泵入萃取精馏塔，难以溶解在NMP中的组分在塔顶脱去，在釜液中的是溶解了大部分丁二烯的溶剂，将釜液泵入至溶剂回收塔中，塔顶是达到了聚合级要求的丁二烯产品，釜液中的NMP与后面补加的NMP混合一起经过换热加压后泵入T102中多次利用。第4章工艺流程的仿真模拟与优化仿真模拟的目的主要有3点：2.提供参数参考，选择更优的方案；3.优化选定的方案，找出使生产更稳定的工艺条件。选定UNIFAC物性方法，对每个单独的主要塔设备进行模拟，模拟的结果比较准确。原材料C4的处理主要包括R101、T101、T102、T103等等主要的设备。整个分离的过程、流股名称以及设备名如图4-1所示。9(1)R101的模拟最后选择哪一个模型需要看手里掌握的有哪些数据，以及想达成什么样的目主反应：(1)乙烯基乙炔和氢气生成丁二烯(2)丙炔和氢气生成丙烷副反应：(3)丁二烯和氢气生成正丁烯参与的元素数目是2,独立反应数是3。知道了这些就可以知道R101的进出料每个组分的含量。可以得到各个组分的收率和转化率，结合文献中的理论可以得到它的宏观动力学数据，但是通过化学计量反应器的方法，设定转化率来计算，选定RStoic模型做为R101的模拟模型，R101选为固定床。R101的操作条件是：加氢温度为35-50℃,加氢压力为0.6-1.6MPaT101选为严格精馏模型，T101的工艺操作条件为：理论板数为50-80,操作压力为0.8-1.8MPa,错误!未找到引用源。。模拟时操作压力为0.8MPa,理论板数为70,回流比为20,再沸比为6.4513*10-1。萃取精馏是用萃取剂来增加难以分离物料的相对挥发度，使物料容易通过精馏而分离的过程9。模拟操作条件：理论塔板数为85,控制条件：塔顶的温度是42℃,塔釜的温度是141℃,压力为4.7bar。T103定为严格精馏模型，理论塔板数40-60块，压力1.5bar。4.2流程优化4.2.1T101的优化在已有的操作参数上对T101的塔板进料位置进行了模拟，在改变进料位置的时候看对设备的负荷和产品质量流量的影响关系，得出当进料位置在34的时4.2.2T102的优化(1)再沸比的影响的浓度提高也没有很大的影响，深入的了解了一下发现当再沸比还很低的这样导致分离变的比预期中的复杂且能耗也会变大，所以再沸比定为0.241148。(2)溶剂比影响(3)溶剂入塔温度影响(4)溶剂和原料入塔位置影响由于溶剂在整个塔中的影响非常大，因此它进入T102的位置和物料进入的位置也必须进行模拟。模拟之后发现当物料进料塔板为40、萃取剂进入位置为2时的产品浓度最高，且负荷不会过大。选定物料流股从第40块塔板进入，NMP进入的位置是第3块，因为在第二块进入的时候会使溶剂在顶部逸出的量过大。T102优化过的条件如表4-1所示。表4-1优化结果总板数回流比再沸比溶剂流量(kg/h)溶剂：3压力(bar)塔顶流率(kg/h)T103优化过条件如表4-2所示设备参数名称结果总板数50块压力回流比第5章物料衡算及能量衡算5.1概述烯8万吨。并利用Aspen对所涉及的流程进行模拟，在所获得的数据结果的前提下，做物料和能量衡算，全流程的简图如图5-1所示。25.2物料衡算5.2.3工艺系统物料衡算一览表R101、T101、T102、T103物料衡算如表5-1至5-4所示表5-1加氢反应器模拟结果123温度℃压力bar质量流量kg/hT2C4=kg/hC4H4kg/h1800000000000000000000001000000000877.52380000000345温度℃压力bar88810焓流量MMB/h质量流量kg/h0000000000000000000000006789温度℃1000焓流量MMB/h000000000000000000000000000000000000000000温度℃压力bar00焓流量MMB/h质量流量kg/h000000000000000000000000005.3能量衡算R101的能量平衡、能量信息、负荷计算如表5-5至5-7所示热负荷热负荷(Gcal/h)进出3温度℃8体积流量m³/hQW误差0热负荷(Gcal/h)进出345温度℃压力bar88810QW误差0表5-11T102负荷计算表热负荷(Gcal/h)进出67891000QW误差0热负荷(Gcal/h)进出流股ID00质量流量kg/hQW误差0第6章设备设计及选型6.1溶剂回收塔设计(1)塔的类型与选择工业上，塔设备分为板式和填料式这两种不同类型的塔。两种塔应用的场合不一样，不一样的场合有不一样的需求，因依据设计具体情况来选取。对比了不同种类的塔之后，依据设计的参数，选定塔型为板式。分为错流式和逆流式。现在塔板的类型很多，主要有4种塔板：筛板、泡罩板、浮阀板、穿流筛板在此次的设计中，由于分离丁二烯的量比较大，对于产品的要求也比较高。所以选定塔板类型为筛板。T103的工艺参数如表6-1所示。压力回流比总板数(1)基本水力学数据依据Aspen流程模拟的结果，每一个理论板在Aspen中得到的数据如表6-21234567897.773997.77401198.976920.831.462681.462681.462681.462681.462681.462681.462681.462681.462691.46281.463741.447521.445741.432671.419950.2801640.2801640.2801640.2801640.2801640.2801640.2801640.2801640.2801640.2801640.2801660.2801740.2802450.3592840.3592210.3582760.35604(36.79100(2)塔径的设计如表6-3所示：LV利用Smith关联图法估算塔径。HT-h=0.45m表观空塔气相速度为u=(0.6~0.8)umax,停留时间取值为0.8。当塔径为2m时，板间距一般选为500-800毫米，假定HT=0.50m合理。(3)塔板结构设计1)流型选择表6-4流型与塔径之间的关系液体流量kg/s1232)溢流装置计算根据Francis公式：3)塔板布置因塔径>1800mm,塔板使用分为5块的分块式塔板。选择δ=3mm碳钢板，取筛孔直径d₀=5mm。筛孔为正三角形型排列，筛孔数目6.1.4筛板的流体力学验算(1)塔板压降1)干板阻力hc由2)气体通过液层的阻力h₁查图6-1,得β=0.551h₁=βh=β(hw+3)液体表面张力阻力h。APp=hpPLg=703.6948Pa(2)液面落差(3)液沫夹带ev符合设计依据。(4)漏液对于筛板塔，漏液点气速故明显的漏液不会发生(5)液泛如果要控制塔不发生液泛，应满足下列条件取φ=0.6即液泛不可能发生。6.1.5塔板负荷性能计算(1)漏液线在操作的合理范围内，任取几个Ls值，得到对应的Vs由上表数据可作出线1。(2)液沫夹带线以ev=0.1kg液/kg气为限，求Vs-Ls关系如下：在操作的合理范围内，任取几个Ls值，得到对应的Vs值，结果如表6-6所示(3)液相负荷下限线可作出线3(4)液相负荷上限线以θ=4s作为停留时间的下限，即得故(5)液泛线b′=φHr+(φ-β-1)hw=0.27故由上表数据即可作出线5。负荷性能图如图6-2所示作出操作点A,OA即是操作线。由图可看出，2线控制塔的操作上限，1线操作弹性K=6.204/1.193=5.20,设计结果合理。(1)塔高估算1)有效传质高度取全塔效率为60%,除去再沸器和冷凝器，则：2)进料板处板间距选择Hp=0.8m。np=1D>1m的板式塔，一般6-8个板放一个人孔。T103选定8个板设一人孔，所以np=9,取Hp=0.8m,直径取0.6m,选定伸出T103的距离为0.2m。4)塔顶部空间高度5)塔底部空间高度取釜液滞留180秒。HB=1.5m6)封头高度封头选择：EHA2000×16-16MnRGB/T25198查询得其总深度：7)裙座高度故T103总高H=(n-np-np-1)HT+npHF+npHp+Hp+HB+H₁+H₂(2)接管尺寸1)塔顶蒸气管直径dp与塔釜再沸管直径(圆整取为500mm塔釜再沸器直径dp取为600mm2)塔顶回流管直径dR圆整取为100mm3)进料管直径df圆整取为400mm取uf=25m/s4)塔釜出料管直径dw圆整取为400mm(3)塔盘机械结构设计1)塔盘板使用自身梁式塔盘板。2)塔盘的支撑和连接支持圈焊在筒内壁上，取圈宽度0.06m,厚度0.01m。规定螺栓的材料为铬钢。3)降液管和受液盘使用可拆式的倾斜降液管。倾斜角取10°,下部设置支撑筋。降液板为不锈钢制作，厚度是3mm。使用凹形可拆式受液盘，盘深0.05米，下面设置加强筋板。采用厚度是0.003米。(4)塔体选材及壁厚1)塔体选材T103操作温度在6℃-140℃,压力为0.15Mpa,可选用16MnR钢作为塔体材料2)塔体壁厚a)封头选择：EHA2000×16-16MnRGB/T25198(5)辅助装置及附件1)裙座DN为2000mm,使用HG/T21639-28吊柱，起吊的重量为1000kg。吊柱的重量为353kg。6.2.1设计依据GB/T28712.1-2012GB/T28712.2-2012GB/T28712.3-2012GB/T28712.4-20126.2.2概述6.2.3换热器类型的确定(1)确定相关数据E102是使用循环冷却水来对5号流股降温，在Aspen和文献中得到数据，如下表6-8所示。冷流(壳)热流(管)流量(kg/h)密度p(kg·m-3)粘度μ(Pa·s)(2)估算传热面积1)热流量Q=mCp△T=22379.41×2.752×(62.08-41.5)=1.27×10⁶KJ/h2)对数平均温度差3)传热面积取裕度为0.13,则传热面积为16.0m²。(3)工艺结构尺寸1)管径和管内流速u选用φ25×2传热管(碳钢),取u=0.5m/s2)管程数和传热管数取换热管数为62根。依照单程管来计算，所需依照单程管来设计，采用单管程结构。取1=4m,则Np=1传热总