年產(chǎn)10萬噸乙腈法生產(chǎn)丁二烯的工藝設計

年產(chǎn)10萬噸乙腈法生產(chǎn)丁二烯的工藝設計摘要丁二烯是碳四餾分中最重要的組分。它是石油化工的基本原料之一，在石油化工烯烴原料中的地位僅次于乙烯和丙烯，主要用于合成橡膠（如丁苯橡膠、順丁橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠）的生產(chǎn)，也用于合成樹脂（如ABS樹脂、SBS樹脂、BS樹脂、MBS樹脂）和合成其它有機化工產(chǎn)品。此外，還可用于生產(chǎn)1,4-丁二醇、己二腈、環(huán)丁砜、蒽醌等重要化合物。隨著全球化工行業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)丁二烯生產(chǎn)技術得到不斷優(yōu)化，而丁二烯的加工利用水平也是整個石油化工發(fā)展水平的一個重要標志。目前，國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)丁二烯的主要方法有：乙腈法、二甲基甲酰胺法和NMP法。本設計內(nèi)容是年產(chǎn)10萬噸丁二烯精餾工藝的設計，采用了萃取精餾的方法，對裝置篩板塔的精餾工段建立計算模型，將所學知識與實際情況緊密結合了起來，在經(jīng)濟合理、生產(chǎn)安全的基礎上，盡力做到技術進步，從而有效的利用國家資源。關鍵詞:丁二烯；乙腈法；精餾Processdesignfortheproductionofbutadienefromacetonitrilewithanannualcapacityof100,000tonsAbstractButadieneisthemostimportantcomponentofthecarbontetrafraction.Itisoneofthebasicrawmaterialsofpetrochemicals,secondonlytoethyleneandpropyleneinthepetrochemicalolefinrawmaterials,mainlyusedintheproductionofsyntheticrubber(suchasstyrenebutadienerubber,nitrilerubber,neoprenerubber),alsousedinsyntheticresins(suchasABSresin,SBSresin,BSresin,MBSresin)andthesynthesisofotherorganicchemicalproducts.Inaddition,itisalsousedtoproduceimportantcompoundssuchas1,4-butanediol,dicyanogen,sulfoxideandanthraquinone.Withthedevelopmentoftheglobalchemicalindustry,thedomesticproductiontechnologyofbutadienehasbeenoptimizedandthelevelofprocessingandutilizationofbutadieneisanimportantindicatorofthelevelofdevelopmentoftheentirepetrochemicalindustry.Atpresent,themainmethodsfortheindustrialproductionofbutadieneinChinaare:acetonitrile,dimethylformamideandNMP.Thedesigncoversthedesignofadistillationprocessforbutadienewithanannualproductioncapacityof100,000tons.Themethodofextractivedistillationisusedtomodelthecalculationofthedistillationsectionofthesieveplatecolumnoftheplant,whichcloselycombinestheknowledgeacquiredwiththeactualsituation,andmakeseveryefforttoachievetechnologicalprogressonthebasisofeconomicrationalityandproductionsafety,thusmakingeffectiveuseofnationalresources.Keywords:Butadiene;Acetonitrile;Distillation.目錄1.緒論 .緒論1.1丁二烯的用途丁二烯是一種重要的石油化工原料，不但可以用于生產(chǎn)合成橡膠(丁腈橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠、順丁橡膠、)的主要原料，還可作為合成樹脂（如MBS樹脂、ABS樹脂、BS樹脂、SBS樹脂、）以及其它有機化工產(chǎn)品的合成[1]。另外，它還可用于生產(chǎn)1,4-丁二醇、己二腈、環(huán)丁砜、蒽醌等重要的化合物，應用范圍很廣[1]。1.2國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀近年來，由于乙烯原料不斷向輕質化方向發(fā)展、以及國內(nèi)合成橡膠生產(chǎn)規(guī)模的迅速擴大，使得國內(nèi)丁二烯出現(xiàn)了供不應求的局面，以至于丁二烯的價格急劇上升。在這一背景下，丁二烯產(chǎn)能快速擴張，而乙烯裝置副產(chǎn)C4抽提的方法是生產(chǎn)丁二烯最為經(jīng)濟[2]。碳四組分溶劑抽提法生產(chǎn)工藝主要有三種類型：乙腈法(ACN)、二甲基甲酰胺法(DMF)法和NMP法[2]。這三種工藝的原理及流程基本一致,即將碳四餾分與溶劑進行萃取，將丁烯、丁烷等難溶性成分從塔頂部分離出來，然后采用蒸餾的方式將萃取液中的萃取溶劑分離出來，最終將甲基乙炔等雜質分離出來，從而獲得丁二烯產(chǎn)品。在國內(nèi)，丁二烯主要來源于乙烯裂解過程中產(chǎn)生的碳四，約為91%，其他的主要來源于丁烯的氧化脫氫。而生產(chǎn)裝置則以中國石化、中國石油為主體，中國石化擁有2120噸/年（包括合資）的產(chǎn)能，約占總產(chǎn)能的52.62%；中國石油擁有975噸/年的石油產(chǎn)能，約占總產(chǎn)能的24.20%；其他當?shù)毓镜漠a(chǎn)能為934噸/年，在總產(chǎn)能中所占比例為23.18%[2]。1.2.2國外工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀目前，世界上丁二烯的貿(mào)易以在亞洲、北美、西歐為主導。但由亞洲和中東乙烯產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，今后中東地區(qū)在全球丁二烯貿(mào)易中所占比重將逐漸增加，亞洲將由純進口轉變成為純出口[2]。日本合成橡膠公司引進了ACN工藝之后，利用流程一體化技術和復雜塔技術，將ACN工藝的節(jié)能優(yōu)點凸顯出來，從而在丁二烯生產(chǎn)中占據(jù)了一席之地[2]。1.3本設計的指導思想本設計以乙腈法理論為依據(jù)，以國內(nèi)某公司有機合成丁二烯生產(chǎn)車間為基礎。對裝置中的蒸餾部分進行了模擬計算，并對整個蒸餾過程進行了經(jīng)濟分析、環(huán)境評估和安全預評價[1]。1.4設計依據(jù)（1）設計任務書。（2）新鄉(xiāng)市稅收、建設等有關法令、法規(guī)、政策、規(guī)定。1.5主要原料的技術規(guī)格及來源本設計中所涉及到的主要原料為碳四餾分和乙腈溶液，碳四餾分來源于茂名石油化工有限公司，乙腈溶液來源于濟南世紀通達化工有限公司。1.6廠址概況本設計的廠址位于新鄉(xiāng)市工業(yè)園區(qū)內(nèi)，具有如下優(yōu)勢：（1）有足夠的原材料，可節(jié)省原材料的運輸費用；（2）交通便捷，擁有良好的交通基礎設施；（3）有足夠的水和動力，能保證工程所需要的工程用水；（4）電力供應充足，能夠保證生產(chǎn)用電的需要；（5）具有良好的政策環(huán)境，能夠獲得政府的有力支持[3]。1.7廠區(qū)人員配置該公司車間定員75人，并實行四班三倒連續(xù)生產(chǎn)，如表1.1所示。表1.1車間人員配置職位數(shù)量操作工人分析工人包裝工人機修工人主任副主任工藝技術員設備技術員安全技術員成品核算員總計3612128121111752.生產(chǎn)方法與工藝流程2.1生產(chǎn)工藝綜述及選擇乙腈（ACN）法目前，ACN法是生產(chǎn)丁二烯的主要方法，以碳四餾分為原料，乙腈作為溶劑。乙腈溶液化學穩(wěn)定性好，腐蝕性小，是一種優(yōu)良的溶劑。因此，生產(chǎn)裝置中的大部分設備可以用碳材料制造。工藝過程主要分為兩個工段，分別是萃取精餾工段和丁二烯精制工段[4]。該方法工藝簡單，萃取過程中操作溫度較低，而操作溫度低可以防止丁二烯的自聚，操作過程中不需要用到壓縮機，同時乙腈溶液的粘度較低，塔板效率較高，可以有效地減少成本，但是乙腈溶液的沸點低，容易造成損失，并且工藝流程中需要較多的水洗工藝[4]。該抽提工藝一直在不斷地改進和提高，降低能耗，且可以適用于不同的碳四餾分。二甲基甲酰胺法(DMF)法DMF法最早是由日本瑞翁公司研發(fā)的。這種方法是以碳四餾分為原料，二甲基甲酰胺為溶劑。DMF有一定的毒性，不易與碳四形成共沸物，是一種優(yōu)良的溶劑。其生產(chǎn)過程與ACN法相同，但必須使用壓縮機，而壓縮機的投入使用，大大提高了抽提工藝的能耗。DMF抽提工藝具有較高的選擇性起分離效果較好。因為溶劑具有毒性，所以該方法會腐蝕設備[4]。雖然其操作溫度較高，但效果好，使用周期長。另外，該工藝需要的設備較多，同比之下占地面積大，而且對操作要求較高，達不到操作要求會不利于分離，增加能耗。N-甲基吡咯烷酮（NMP）法NMP法最早是由德國BASM公司研發(fā)的，于1968年工業(yè)化。該方法以碳四餾分為原料，NMP為溶劑。NMP的溶解能力較好，而且選擇性較高。除此之外，它的穩(wěn)定性好，并且對設備無腐蝕，對人體無毒無傷害[4]。該工藝流程簡單，生產(chǎn)操作彈性大，需要使用壓縮機，具有較大的能耗，不會對設備產(chǎn)生腐蝕塔板效率較低，對環(huán)境保護具有突出的優(yōu)越性。所需設備較少，占地面積小。綜上所述，三種抽提工藝的分離原理基本相同，但由于三種溶劑的基本物性不同，在流程和設備應用上有所差別，工藝流程又有各自的優(yōu)缺點[4]。不過，相比之下，ACN抽提工藝在能耗，流程難易程度，安全環(huán)保和經(jīng)濟方面具有更大的優(yōu)勢[1]。本設計采用ACN抽提工藝生產(chǎn)丁二烯。2.2工藝流程簡述ACN工藝流程主要分為兩個工段，萃取精餾工段和丁二烯精制工段。如圖2-1所示，B1,B2和B3為工藝流程中的萃取精餾工段，B1是第一萃取精餾塔，B2是第二萃取精餾塔，B3是閃蒸塔,進料物流1碳四餾分和進料物流2乙腈溶劑分別B1萃取段下部和上部進料，碳四餾分經(jīng)抽提后，比丁二烯輕的物流3丁烷、丁烯等組分從B1塔頂采出，其余組分及乙腈溶劑為物流4從B1的塔底抽出進入B2。在B2中，物流6較輕組分粗丁二烯產(chǎn)品從B2塔頂獲得，物流7比丁二烯重的乙烯基乙炔等炔烴組分則從B2下部側線采出進入B3進行脫除，物流9乙腈溶劑從B2塔底回收，經(jīng)調配后循環(huán)可回到B1。萃取精餾工段獲得的粗丁二烯產(chǎn)品即物流6中除丁二烯外，主要還包括丙炔等比丁二烯輕的組分及順-2-丁烯和碳五等比丁二烯重的組分。此時就需要對粗丁二烯產(chǎn)品進行精制。B4和B5為丁二烯精制工段，B4是脫重塔，B5是脫輕塔。將萃取精餾工段輸送而來的粗丁二烯產(chǎn)品即物流6輸入B4，B4塔頂采出除去碳五等重組分的丙炔、丁二烯等組分即物流11進入B5進一步分離，而物流12順-2-丁烯和碳五等比丁二烯重的組分在B4塔釜脫除。物流11進入B5后，B5塔頂獲得物流13丙炔等輕組分，而B5塔釜則獲得物流14丁二烯產(chǎn)品。圖2-1ACN法生產(chǎn)丁二烯的工藝流程模擬圖2.3工藝流程的優(yōu)化對工藝流程優(yōu)化設計中，選用AspenPlus軟件進行模擬運算[5]。DSTWU模塊DSTWU模塊是用于簡捷精餾塔的計算，輸入組分后確定物性方法，繪制出工藝流程，再輸入進料組成、進料溫度、塔壓等，然后規(guī)定輕、重關鍵組分的回收率，該模塊會估算出最小理論板數(shù)、最小回流比、進料位置、冷凝器和再沸器的負荷、塔頂和塔底溫度[5]。RadFrac模塊RadFrac模塊是嚴格模型模擬計算，常用于常規(guī)的兩相和三相蒸餾體系，可以用于模擬所有類型的精餾操作，如精餾、吸收、萃取、汽提和共沸精餾，還可用于設計和核算板式塔、填料塔以及二者組合流程[5]?？梢愿鶕?jù)自己的需求對設計規(guī)定、側線出料、冷凝器和再沸器的熱負荷、填料性質、等進行規(guī)定。2.3.1萃取精餾工藝的優(yōu)化第一萃取塔B1和第二萃取塔B2是丁二烯的萃取精餾工段一般流程中該工段所需板數(shù)較高，熱負荷較大，優(yōu)化后，降低了能耗，節(jié)省了由此引起的經(jīng)濟損失。一萃塔塔頂丙烷的收率為81.3%，塔釜丁二烯的收率為99.3%，再沸器負荷13059.9kW/h,冷凝器負荷371.27kW/h,由DSTWU模塊中回流比與理論板數(shù)的關系曲線中取曲線快速下降到緩慢下降的轉折點所對應的塔板數(shù)，可得出理論塔板數(shù)取174最為合適[3]。根據(jù)再沸器和冷凝器的能耗情況對進料板進行優(yōu)化，得出總能耗最小時的進料位置是84，再使用RadFrac模塊進行更準確的優(yōu)化。優(yōu)化后增加了24塊塔板，優(yōu)化前后結果對比如表2.1所示，再沸器和冷凝器的負荷均減少了，優(yōu)化效果較為明顯[3]。二萃塔塔頂丁二烯的收率為99.9%，塔釜乙腈的收率99.66為%，再沸器負荷12485.85kW/h,冷凝器負荷4680kW/h,由DSTWU模塊中回流比與理論板數(shù)的關系曲線中取曲線快速下降到緩慢下降的轉折點所對應的塔板數(shù)，可得出理論塔板數(shù)取136最為合適[3]。根據(jù)再沸器和冷凝器的能耗情況對進料板進行優(yōu)化，得出總能耗最小時的進料位置是46，再使用RadFrac模塊進行更準確的優(yōu)化。優(yōu)化后減少了14塊塔板，優(yōu)化前后結果對比如表2.1所示，再沸器和冷凝器的負荷均減少了，優(yōu)化效果較為明顯[3]。表2.1萃取段優(yōu)化前后結果對比塔名優(yōu)化前后塔板數(shù)回流比再沸器熱負荷kW/h冷凝器熱負荷kW/h一萃塔二萃塔優(yōu)化前優(yōu)化后優(yōu)化前優(yōu)化后15017415013612.1110.682.313059.9212783.712485.8516160.6-371.27-282.96-4680-2938.532.3.2水洗處理工藝的優(yōu)化由于ACN的沸點較低，生產(chǎn)之后的丁二烯不可避免混少量的ACN雜質，ACN雜質無色透明，易發(fā)生加成反應，會影響丁二烯產(chǎn)品濃度。為了除去丁二烯中含有的少量CAN雜質,需要采用水洗處理工藝。通常情況下，國內(nèi)工藝都是將二萃塔B2的產(chǎn)物進行水洗除去ACN，但丁二烯水洗塔用水量過大，能量損耗也過大。所以，為了減少能耗，節(jié)約利用水資源非常重要[6]。而丁二烯脫重塔可以將那些比丁二烯與那些比丁二烯重的組分分離開,主要是順-2-丁烯，反-2-丁烯和C5等。因為ACN比丁二烯的質量大，在脫重塔脫重時，大部分ACN都會和丁二烯分離開，所以工藝流程中把脫重塔放在第二萃取塔后，這樣就可以減少能耗，節(jié)約利用水資源，并除去大量ACN雜質，提高丁二烯產(chǎn)品濃度。2.3.3精制處理工藝的優(yōu)化脫重塔B4和脫輕塔B5是丁二烯的精制部分，在一般工藝流程中都是先脫輕后脫重，但優(yōu)化后本設計采用先脫輕后脫重的方法[7]。脫重塔塔頂丁二烯的收率為99.99%，塔釜順-2丁烯的收率99.54為%，再沸器負荷38547.28kW/h,冷凝器負荷28684.37kW/h,由DSTWU模塊中模擬出的回流比與理論板數(shù)的關系曲線中取曲線快速下降到緩慢下降的轉折點所對應的塔板數(shù)，可得出理論塔板數(shù)取92最為合適[3]。根據(jù)再沸器和冷凝器的能耗情況對進料板進行優(yōu)化，得出總能耗最小時的進料位置是27，再使用RadFrac模塊進行更準確的優(yōu)化。優(yōu)化后減少了8塊塔板，優(yōu)化前后結果對比如表2.2所示，再沸器和冷凝器的負荷均減少了，優(yōu)化效果較為明顯。脫輕塔塔頂丙炔的收率為97.2%，塔釜丁二烯的收率99.85為%，再沸器負荷238.57kW/h,冷凝器負荷55kW/h,由DSTWU模塊中模擬出的回流比與理論板數(shù)的關系曲線中取曲線快速下降到緩慢下降的轉折點所對應的塔板數(shù)，可得出理論塔板數(shù)取136最為合適[3]。根據(jù)再沸器和冷凝器的能耗情況對進料板進行優(yōu)化，得出總能耗最小時的進料位置是32，再使用RadFrac模塊進行更準確的優(yōu)化。優(yōu)化后減少了20塊塔板，優(yōu)化前后結果對比如表2.2所示，再沸的負荷均減少的較多，優(yōu)化效果較為明顯[3]。表2.2精制段優(yōu)化前后結果對比塔名優(yōu)化前后塔板數(shù)回流比再沸器熱負荷/kW冷凝器熱負荷/kW脫重塔優(yōu)化前1002.838547.28-28684.37優(yōu)化后929.123101.6-23160.3脫輕塔優(yōu)化前1009.7238.57-55優(yōu)化后8011.262.26-62.632.3.4回收處理工藝的優(yōu)化回收處理工藝主要是將ACN從稀溶液中提取出來,并使廢水中的各種物質得到分離。目前，工業(yè)普遍使用的是傳統(tǒng)的普通精餾方法，而該工藝的能耗較大，所以本設提出了一種吸收精餾工藝，以濃鹽水溶液作為分離劑，可以有效地去除污水中的雜質。這種方法是利用鹽效應提高各組分的相對揮發(fā)度，降低塔頂回流比，從而節(jié)約能源[6]。3.物料衡算本設計工藝流程采用AspenPlus軟件進行模擬計算，計算結果均以表格形式呈現(xiàn)[8]。3.1基礎數(shù)據(jù)如表3.1所示，為C4餾分中各組分組成。表3.1C4餾分中各組分組成序號組分分子量質量分數(shù)%1234567891011121314丙烷丙烯丙炔丙二烯正丁烷異丁烷丁烯異丁烯反-2-丁烯順-2-丁烯1,3-丁二烯1,2-丁二烯正戊烷乙烯基乙炔44424040585856565656545472522.11×10-31.00×10-26.13×10-24.83×10-27.613.546.3223.43.272.5850.60.290.361.913.2工藝條件3.2.1各塔進料溫度及壓力如表3.2所示，為各塔進料溫度及進料壓力。表3.2各塔進料溫度、進料壓力項目一萃塔二萃塔脫重塔脫輕塔流股進料溫度/℃進料壓力/bar1557.52506.84116.396.85506.46107.735.41143.834.93.2.3收率一萃塔：①塔頂丙烷收率81.3%②塔釜丁二烯收率：99.3%二萃塔：①塔頂丁二烯收率：99.99%②塔釜乙腈收率：99.66%脫重塔：①塔頂丁二烯收率：99.99%②塔釜順-2-丁烯收率：99.54%脫輕塔：①塔頂丙炔收率：97.2%②塔釜丁二烯收率：99.85%3.2.4產(chǎn)品規(guī)格產(chǎn)量：10萬噸/年=1×108kg/年生產(chǎn)天數(shù)：300天/年產(chǎn)品要求:≥99.0%丁二烯的進料量:1×108/99%=101010101kg/年=14029.2kg/hC4進料量量：14029.18/50.6%=28058.4kg/h進料比乙腈：C4=8:1[9]含水5%的乙腈溶液進料量：224467kg/h3.3第一萃取塔B1的物料衡算第一萃取塔B1共有四個流股，流股1為碳四餾分，流股2為含水5%的乙腈溶液，流股3中輕關鍵組分是丙烷，流股4中重關鍵組分是丁二烯，使用AspenPlus軟件對脫重塔進行物料衡算，以下結果均為優(yōu)化后的物料衡算[10]。如表3.2所示，為一萃塔物料衡算結果。表3.2一萃塔物料衡算結果項目輸入輸出流股溫度(℃)壓力(bar)摩爾流量(kmol/h)質量流量(kg/h)體積流量(m3/h)1557.4508.21128058.449.932506.85817.4224467304.75347.955.94.0039220.140.394116.396.76321.6252305395.626如表3.3所示，為一萃塔進料、塔頂及塔釜組成。表3.3一萃塔進料、塔頂、塔釜組成組分進料流量(kg/h)塔頂組成%塔頂流量(kg/h)塔釜組成%塔釜流量(kg/h)丙烷丙烯丙炔丙二烯正丁烷異丁烷1-丁烯異丁烯反-2-丁烯順-2-丁烯1,3-丁二烯1,2-丁二烯正戊烷乙烯基乙炔乙腈水0.592.8117.2013.552135.21993.251773.266565.55917.49723.8914197.381.37101.01535.9121324411223.40.000580.00360.00870.01030.0240.1080.1050.3070.00350.0009560.4263.89×10-61.44×10-110.0023000.480.791.922.275.3623.8523.0767.530.770.2193.720.000863.16×10-90.50001.84×10-67.98×10-66.05×10-54.47×10-50.00840.00380.00690.0260.00360.00290.0560.000320.00040.00210.850.0440.112.0115.2711.282129.84969.401750.196498.02916.72723.6814103.681.37101535.42132441122.4如表3.4所示，為一萃塔的溫度、回流比及塔板數(shù)。表3.4一萃塔的溫度、回流比、塔板數(shù)塔頂溫度（℃）塔釜溫度（℃）最小回流比實際回流比最小塔板數(shù)實際塔板數(shù)進料位置47.95116.3911.9512.116.98120843.4第二萃取塔B2的物料衡算第二萃取塔B2共有四個流股，流股4來自一萃塔，流股5為含水5%的乙腈溶液，流股6中輕關鍵組分是丁二烯，流股4中重關鍵組分是乙腈，使用AspenPlus軟件對脫重塔進行物料衡算，以下結果均為優(yōu)化后的物料衡算[10]。如表3.5所示，為二萃塔物料衡算結果。表3.5二萃塔物料衡算結果項目輸入輸出流股溫度(℃)壓力(bar)摩爾流量(kmol/h)質量流量(kg/h)體積流量(m3/h)4116.396.86321.6252305395.635506.41454.3556116.776.196107.735.47214.25281668432.969149.985.9651.7026753.943.36如表3.6所示，為二萃塔進料、塔頂及塔釜組成。表3.6二萃塔進料、塔頂、塔釜組成組分進料流量(kg/h)塔頂組成%塔頂流量(kg/h)塔釜組成%塔釜流量(kg/h)丙烷丙烯丙炔丙二烯正丁烷異丁烷1-丁烯異丁烯反-2-丁烯順-2-丁烯1,3-丁二烯1,2-丁二烯正戊烷乙烯基乙炔乙腈水0.462.0115.2711.282129.84969.401750.196498.02916.72723.6814103.681.37101535.4266554.914029.241.73×10-57.52×10-50.000570.000420.04890.03610.06540.21020.02160.0290.5270.00120.00110.01890.03430.00680.462.0115.2711.281309.48966.411750.195624.5578.02723.6814103.5933.2830.064505.82916.67182.4800000.00291.06×10-500.00310.0012000.000170.000250.000100.9430.0490000820.32.990873.46338.70048.0870.9429.57265637.8913846.7如表3.7所示，為二萃塔的溫度、回流比及塔板數(shù)。表3.7二萃塔的溫度、回流比、塔板數(shù)塔頂溫度（℃）塔釜溫度（℃）最小回流比實際回流比最小塔板數(shù)實際塔板數(shù)進料位置49.68140.711.712.314120463.5脫重塔B4的物料衡算脫重塔B4共有三個流股，流股6為粗丁二烯進料，流股11中輕關鍵組分為丁二烯，流股12中重關鍵組分為順-2-丁烯，使用AspenPlus軟件對脫重塔進行物料衡算，以下結果均為優(yōu)化后的物料衡算[11]。如表3.8所示，為脫重塔物料衡算總結果。表3.8脫重塔物料衡算總結果項目輸入輸出流股溫度(℃)壓力(bar)摩爾流量(kmol/h)質量流量(kg/h)體積流量(m3/h)649.685.4498.4626753.346.121143.214.9422.172320440.121271.022.176.283549.35.79如表3.9所示，為脫重塔進料、塔頂及塔釜組成。表3.9脫重塔的塔頂、塔釜組成組分塔頂組成%塔頂流率(kg/h)塔釜組成%塔釜流率(kg/h)丙烷丙烯丙炔丙二烯正丁烷異丁烷1-丁烯異丁烯反-2-丁烯順-2-丁烯1,3-丁二烯1,2-丁二烯正戊烷乙烯基乙炔乙腈水1.9×10-58.67×10-50.000660.000490.02880.04160.07540.2420.0010.00010.6081.162×10-83.17×10-180.0016000.462.0115.2711.28668.72966.411750.185623.5223.343.1314102.920.000277.36736.740000000.181.07×10-182.59×10-60.000290.1560.2030.0001890.00940.00850.1320.2580.05140000640.763.81×10-50.00921.037554.67720.550.6733.2930.06469.09916.67182.48如表3.10所示，為脫重塔的溫度、回流比及塔板數(shù)。表3.10脫重塔的溫度、回流比、塔板數(shù)塔頂溫度（℃）塔釜溫度（℃）最小回流比實際回流比最小塔板數(shù)實際塔板數(shù)進料位置43.2171.025.329.13890273.6脫輕塔B5的物料衡算脫輕塔B3共有三個流股，流股11來自脫重塔塔頂，流股13中輕關鍵組分為丙炔，流股14中重關鍵組分丁二烯，使用AspenPlus軟件對脫重塔進行物料衡算，以下結果均為優(yōu)化后的物料衡算[11]。如表3.11所示，為脫輕塔物料衡算總結果。表3.11脫輕塔物料衡算總結果項目輸入輸出流股溫度(℃)壓力(bar)摩爾流量(kmol/h)質量流量(kg/h)體積流量(m3/h)1143.214.9422.172320440.1071337.544.50.93351.40.0891443.214.9421.2423152.640.02如表3.12所示，為脫輕塔進料、塔頂及塔釜組成。表3.12脫輕塔的塔頂、塔釜組成表序號塔頂組成%塔頂流率(kg/h)塔釜組成%塔釜流率(kg/h)丙烷丙烯丙炔丙二烯正丁烷異丁烷1-丁烯異丁烯反-2-丁烯順-2-丁烯1,3-丁二烯1,2-丁二烯正戊烷乙烯基乙炔乙腈水0.000510.00290.00840.00970.00480.130.1260.3231.25×10-51.68×10-70.395002.79×10-5000.0260.1490.4330.4990.2456.6796.45616.6050.0006448.63×10-620.3058.22×10-1300.00143001.89×10-58.047×10-50.000640.000460.02890.04140.07530.2420.0010.00010.6081.16×10-800.00159000.4371.86314.84110.784668.475959.7331743.7245606.9123.3443.12914082.620.00027036.7400如表3.13所示，為脫輕塔的溫度、回流比及塔板數(shù)。表3.13脫輕塔的溫度、回流比、塔板數(shù)塔頂溫度（℃）塔釜溫度（℃）最小回流比實際回流比最小塔板數(shù)實際塔板數(shù)進料位置37.5443.219.411.22280324.能量衡算能量平衡方程是能量衡算的主要依據(jù)。加熱時熱量為正，冷卻時為負[3]。使用AspenPlus軟件對脫重塔和脫輕塔進行能量衡算，其結果在流股結果中可以查到的有焓流量。4.1第一萃取塔的能量衡算如表4.1所示，為一萃塔的能量衡算。表4.1一萃塔的能量衡算項目輸入輸出流股焓流量(kW)14047.432-143.99315.746416388.44.2第二萃取塔的能量衡算如表4.2所示，為二萃塔的能量衡算。表4.2二萃塔的能量衡算項目輸入輸出流股焓流量(kW)416388.45-35.9964048.71918525.84.3脫重塔的能量衡算如表4.3所示，為脫重塔的能量衡算。表4.3脫重塔的能量衡算項目輸入輸出流股焓流量(kW)64048.71114404.1712-414.1724.4脫輕塔的能量衡算如表4.4所示，為脫輕塔的能量衡算。表4.4脫輕塔的能量衡算項目輸入輸出流股焓流量(kW)114404.17131.972144402.085.主要設備的工藝計算、設計及選型5.1選塔依據(jù)浮閥塔板是在泡罩、篩孔塔板的基礎上發(fā)展起來的，既有其優(yōu)點，又有其不足之處。浮閥塔的構造比較簡單，它的主要結構有受液盤，降液管，溢流堰，浮閥和塔板等[12]。浮閥塔性能優(yōu)越、制造方便、成本低廉、結構簡單、；塔板孔徑大，生產(chǎn)能力較大；因為閥片可以隨著空氣流量變化而自由的上升和下降，所以其操作彈性較大；由于浮閥塔的氣液接觸時間更長，所以塔板的效率會更高，即使在低負荷情況下，也能保持很高的效率，而且壓降也比較小，這樣可以獲得較好的分離效果，節(jié)約了設計成本[1]。由于1,3-丁二烯原料容易發(fā)生自聚，且在制備過程中會產(chǎn)生聚合物，所以對塔內(nèi)部件的設計提出了更高的要求，需要針對系統(tǒng)的特性進行細致的[13]。由于1,3-丁二烯在塔中易發(fā)生自聚,因此在塔中元件的設計中，要考慮到聚合物的阻塞，不能采用凹形受液盤，必須使用平受液盤，因為容器中的聚合物很可能會積聚在一起，從而阻塞了降液管，從而導致降液管液泛[13]。5.2塔的設計結果經(jīng)計算得各塔塔徑為D1=2.67m,D2=3.09m,D3=2.93m,D4=1.69m。在AspenPlus中對塔內(nèi)件進行模擬計算，得出塔內(nèi)件計算結果[5]。如表5.1所示，為塔設備一覽表。表5.1塔設備一覽表序號設備名稱1一萃塔2二萃塔3脫重塔4脫輕塔直徑/m溢流數(shù)塔板間距/mm孔直徑/mm孔個數(shù)側壁降液管寬度/mm側壁堰長/m中心降液管寬度/mm中心堰長/m堰高/mm降液管底隙/mm總高度/m總壓頭損失/m總壓降/bar2.6720.609612.72685413.41.932414.52.6450.838.171.9310.390.6143.0920.609612.738554422.165427.33.06450.838.190.2214.300.873.9320.9612.77671382.72.331309.23.92150.838.153.64510.330.5851.6920.7412.71471164.51.02132.91.68561.6448.9757.726.5850.373如圖5-1、圖5-2、圖5-3、圖5-4所示，分別為一萃塔、二萃塔、脫重塔、脫輕塔的水力學操作圖。圖5-1一萃塔水力學操作圖圖5-2二萃塔水力學操作圖圖5-3脫重塔水力學操作圖圖5-4脫輕塔水力學操作圖6.項目經(jīng)濟分析項目總投資由固定資產(chǎn)投資、流動資金以及建設期間貸款利息組成。其中，固定資產(chǎn)投資又分為遞延資產(chǎn)、無形資產(chǎn)、工程費及預備費用[3]。6.1流動資金估算近七日丁二烯平均出廠價格為9000元/噸，則丁二烯每年銷售可收9000×100000=90000萬元：由于我國化工行業(yè)的銷售收入流動資金率比較高，所以取20%，那么，流動資金為90000萬元×20%=18000萬元，取銀行的年利率為2.75%，則總流動資金為180000000×102.75%=18495萬元。6.2成本估算（1）原材料費碳四餾分一年用量20萬噸，每噸4000元，碳四餾分中被分離出的其他組分也可回收利用，所以碳四價格按2000元/噸計算；乙腈溶液一年所需量100萬噸，但乙腈溶液大部分可以循環(huán)使用，回收率高達99%，所以規(guī)定一年耗費1萬噸乙腈溶液，含水量乙腈溶液5%的市場價格為8000元%噸。所以原材料費為40000萬元。（2）員工工資取生產(chǎn)工人40000元/年/人，根據(jù)公式：總工資=（年平均工資/年產(chǎn)量）×人數(shù)=40000/100000×75=30萬元。（3）設備投資本設計中主要材料用到碳鋼，市場價格高壓碳鋼為15000元/噸，設備費用為8314萬元。設備安裝費及備件費4160萬元。工程費用管道工程費用約3060萬元，電氣工程費用約1724萬元，土建工程費用約2670萬元，公用工程費用約8432萬元。以上為該工藝投資費用，再加上土地使用費2850萬元和預備資金6000萬元。所以建設總投資為89580萬元。6.3資金籌措由建設總投資得，預計從銀行貸款50000萬元，其余由自由資金注入。貸款年限為5年，每年償還相應利息，期限滿后一次性還清所有貸款[1]。7.環(huán)境評價本設計選擇以碳四餾分和乙腈溶液為原料，使用較為成熟的ACN抽提工藝提取丁二烯[14]。在整個流程中有不同程度的有害物質，且乙腈屬于劇毒物質[14]。7.1三廢物質如表7.1所示，為有害物質一覽表。表7.1有害物質一覽表序號排放物名稱允許排放范圍危害性排放量(噸/天)備注123含乙腈廢水設備清洗水脫輕塔尾氣ACN≤75ppm水、油碳三、丁二烯易使COD超標PH、COD易燃易爆724812Nm3/h連續(xù)排放連續(xù)排放不定期7.2三廢處