年產(chǎn)8萬噸丁二烯工藝設(shè)計10000字【論文】

1年產(chǎn)8萬噸丁二烯工藝設(shè)計 1第1章緒論 2 2 2 2 3 3第2章原料方案與產(chǎn)品簡介 42.1概述 4 4 5 5 6 63.1.1加氫反應(yīng)器R101 6第4章工藝流程的仿真模擬與優(yōu)化 8 8 5.1概述 5.3能量衡算 第6章設(shè)備設(shè)計及選型 206.2換熱器的選型 33丁二烯在化工基礎(chǔ)方面是非常重要的原料。在石油化工烯烴原料中有很高的地位，僅僅比乙烯和丙烯略遜一籌，可以用來生產(chǎn)非常多的有機化工產(chǎn)品和汽油添加劑以及一些粘接劑，它的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。本次工藝是生產(chǎn)8萬t/a丁二烯，采取萃取精餾的辦法，使丁二烯從C4混合烴中分離出來，從中得到純度大于99%的產(chǎn)品丁二烯?，F(xiàn)在主要使用的萃取劑有3種：ACN、DMF、NMP,對應(yīng)3種抽提丁二烯工藝。在本設(shè)計中采用NMP法完成年產(chǎn)8萬噸丁二烯工藝設(shè)計。關(guān)鍵詞：NMP法；丁二烯；萃取精餾；抽提工藝2第1章緒論1.1設(shè)計依據(jù)及原則1.1.1設(shè)計依據(jù)(1)化工工程設(shè)計相關(guān)標準和規(guī)定；(2)國家經(jīng)濟、建筑、環(huán)保等相關(guān)政策。1.1.2設(shè)計原則(1)本設(shè)計項目的推動服從國家的相關(guān)法規(guī)，契合國家政策；(2)應(yīng)用可靠，優(yōu)秀穩(wěn)定的技術(shù)，保證工藝生產(chǎn)運行的參數(shù)波動小，三廢的排放比較少，獲得的產(chǎn)品性能更佳；(3)在保證生產(chǎn)足夠可靠的先決條件下，盡量使用實現(xiàn)國產(chǎn)的設(shè)備，材料，且控制所需花費在適當(dāng)?shù)姆秶?4)認真對待環(huán)保，安全和工業(yè)衛(wèi)生，項目使用清潔的工藝；1.2項目概況年產(chǎn)8萬噸丁二烯工藝設(shè)計本次設(shè)計是以乙烯蒸汽裂解裝置的次要產(chǎn)品C4混合烴作為原材料，實現(xiàn)年生產(chǎn)8萬噸丁二烯。1.3工藝特點本工藝為C4原料中丁二烯的分離。丁二烯是通過萃取蒸餾提純的。由于粗丁二烯各組分的沸點非常接近，所以需要萃取蒸餾錯誤：未找到引用源。C4餾分進入之后通過前加氫的方法進行預(yù)處理脫去其中含有的炔烴，這樣就可以只用一個萃取精餾塔分離需要的產(chǎn)品，使用這樣的方法下是因為所需要的塔設(shè)備比較少，建立的流程較之兩段萃取精餾更為簡單，且產(chǎn)品的分離率也比較大，產(chǎn)品也會比較純。減少了塔的數(shù)量，降低了能耗，在三種工藝中流程最短，3設(shè)備總臺數(shù)最少錯誤!未找到引用源。o1.4原料及產(chǎn)品方案本次設(shè)計中最主要的物料為C4混合烴，還有一些其他的物料如氫氣、N-甲序號原料種類使用量(萬t/a)1/23氫氣工業(yè)級本項目主要產(chǎn)品丁二烯，產(chǎn)品規(guī)格及生產(chǎn)量見表1-2.純度產(chǎn)品等級年產(chǎn)量/噸丁二烯優(yōu)級品1.5市場分析2019年，我國丁二烯的生產(chǎn)能力達到398.9萬t/a。2018年，我國丁二烯的表4■中國石化■揚子石化生產(chǎn)能力■中國石油■吉林石化■齊翔騰達■中海殼牌■中沙(天津)石化山東玉皇化工圖1-12019年丁二烯生產(chǎn)能力圖1.5.2結(jié)論我國丁二烯主要靠在國外進口，而我國國內(nèi)的產(chǎn)能在下游需求增多的情況下還未達到飽和。隨著下游產(chǎn)量的增加，2021年全球丁二烯需求回升錯誤!未找到引用源。o第2章原料方案與產(chǎn)品簡介通過分離裂解次要產(chǎn)物C4混合烴，得到質(zhì)量分數(shù)超過99.5%的產(chǎn)品丁二烯。使用的原材料C4是裂解次要產(chǎn)品，其中各組分含量如表2-1所示。表2-1原料C4各組分含量52.3輔助原材料本項目對H?為工業(yè)級合格品，其來源來自石化煤制氫氣項目，氫氣規(guī)格如表2-2所示。表2-2H?規(guī)格純度(%)大于99.1%氧含量(%)氨含量(%)符合標準符合標準游離水(ml/瓶)小于等于99Ni/Al?O3。2.4成品丁二烯產(chǎn)品丁二烯規(guī)格及產(chǎn)量如表2-3所示。純度產(chǎn)品等級年產(chǎn)量/噸丁二烯優(yōu)級品6第一部分：化學(xué)品名稱分子量：54.09第二部分：丁二烯成分/組成信息如表2-4所示表2-4成分/組成信息1,3-丁二烯第3章工藝流程簡介通過分離裂解次要產(chǎn)物C4混合烴，得到質(zhì)量分數(shù)超過99.5%的產(chǎn)品丁二烯。以下介紹具體通過何種方法來分離C4餾分的丁二烯的。C4分離主要包含了R101、T101、T102及T103等塔設(shè)備，接下來對使用到的主要塔設(shè)備進行簡明的表述。R101被用來脫去原材料中的炔類。之所以需要脫去炔類。主要有以下兩種原炔烴，通過前加氫可以不必要使用二段萃取，使得流程得到簡化，提高整個分離裝置對C4混合烴的適應(yīng)性。該反應(yīng)器選用固定床反應(yīng)器，采用雙反應(yīng)器，這樣受到催化劑的再生周期的7時候可以切換反應(yīng)器，使得影響降到最低。催化劑選擇加入助催化劑的載鈀催化劑T101的目的是脫去R101過來的物料中的輕組分，在塔頂排去輕組分，在釜液中得到脫輕后的物料。在萃取之前加入T101裝置，可以使得T102塔頂?shù)臏囟却笥?5℃,當(dāng)滿足這個條件的時候就可以使用循環(huán)水冷卻。如果不能使用冷卻水冷卻，會使操作變的復(fù)雜。所以添加T101脫輕是非常有必要的。T102是為了把產(chǎn)品從C4餾分中分離出來。把已經(jīng)脫過輕的物料送入T102萃取精餾，把難以溶于NMP的組分從塔的頂部脫去，塔頂餾出的餾分中丁二烯基本沒有，塔釜餾出的餾分中溶解了幾乎所有的產(chǎn)品。NMP溶劑性能優(yōu)良，能與水以任何比例混溶，且不易發(fā)生水解或熱降解。溶劑中含有8.3%的水，降低沸點，降低蒸餾溫度，阻止丁二烯自身聚合，降低了提T103的目的是回收NMP和提純產(chǎn)品，進入T103的是溶解了基本所有的產(chǎn)品的溶劑，通過T103簡單的精餾分離，產(chǎn)品從塔頂排出，塔頂獲得的產(chǎn)品純度超過99.5%,達到聚合級標準。回收的萃取劑在塔底餾出液中，然后通過換熱與后面補加的NMP混合后泵入T102。C4餾分分離整個過程如圖3-1所示。8原料C4和氫氣混合后打入R101進行反應(yīng)，反應(yīng)條件：反應(yīng)壓力是0.827MPa,反應(yīng)溫度是40℃。把脫去炔烴后的物料泵入T101中，在塔頂脫去氫氣、丙烯和丙烷等輕組分，在釜液中得到已經(jīng)脫輕的物料，然后經(jīng)過減壓閥減壓，之后泵入萃取精餾塔，難以溶解在NMP中的組分在塔頂脫去，在釜液中的是溶解了大部分丁二烯的溶劑，將釜液泵入至溶劑回收塔中，塔頂是達到了聚合級要求的丁二烯產(chǎn)品，釜液中的NMP與后面補加的NMP混合一起經(jīng)過換熱加壓后泵入T102中多次利用。第4章工藝流程的仿真模擬與優(yōu)化仿真模擬的目的主要有3點：2.提供參數(shù)參考，選擇更優(yōu)的方案；3.優(yōu)化選定的方案，找出使生產(chǎn)更穩(wěn)定的工藝條件。選定UNIFAC物性方法，對每個單獨的主要塔設(shè)備進行模擬，模擬的結(jié)果比較準確。原材料C4的處理主要包括R101、T101、T102、T103等等主要的設(shè)備。整個分離的過程、流股名稱以及設(shè)備名如圖4-1所示。9(1)R101的模擬最后選擇哪一個模型需要看手里掌握的有哪些數(shù)據(jù)，以及想達成什么樣的目主反應(yīng)：(1)乙烯基乙炔和氫氣生成丁二烯(2)丙炔和氫氣生成丙烷副反應(yīng)：(3)丁二烯和氫氣生成正丁烯參與的元素數(shù)目是2,獨立反應(yīng)數(shù)是3。知道了這些就可以知道R101的進出料每個組分的含量?？梢缘玫礁鱾€組分的收率和轉(zhuǎn)化率，結(jié)合文獻中的理論可以得到它的宏觀動力學(xué)數(shù)據(jù)，但是通過化學(xué)計量反應(yīng)器的方法，設(shè)定轉(zhuǎn)化率來計算，選定RStoic模型做為R101的模擬模型，R101選為固定床。R101的操作條件是：加氫溫度為35-50℃,加氫壓力為0.6-1.6MPaT101選為嚴格精餾模型，T101的工藝操作條件為：理論板數(shù)為50-80,操作壓力為0.8-1.8MPa,錯誤!未找到引用源。。模擬時操作壓力為0.8MPa,理論板數(shù)為70,回流比為20,再沸比為6.4513*10-1。萃取精餾是用萃取劑來增加難以分離物料的相對揮發(fā)度，使物料容易通過精餾而分離的過程9。模擬操作條件：理論塔板數(shù)為85,控制條件：塔頂?shù)臏囟仁?2℃,塔釜的溫度是141℃,壓力為4.7bar。T103定為嚴格精餾模型，理論塔板數(shù)40-60塊，壓力1.5bar。4.2流程優(yōu)化4.2.1T101的優(yōu)化在已有的操作參數(shù)上對T101的塔板進料位置進行了模擬，在改變進料位置的時候看對設(shè)備的負荷和產(chǎn)品質(zhì)量流量的影響關(guān)系，得出當(dāng)進料位置在34的時4.2.2T102的優(yōu)化(1)再沸比的影響的濃度提高也沒有很大的影響，深入的了解了一下發(fā)現(xiàn)當(dāng)再沸比還很低的這樣導(dǎo)致分離變的比預(yù)期中的復(fù)雜且能耗也會變大，所以再沸比定為0.241148。(2)溶劑比影響(3)溶劑入塔溫度影響(4)溶劑和原料入塔位置影響由于溶劑在整個塔中的影響非常大，因此它進入T102的位置和物料進入的位置也必須進行模擬。模擬之后發(fā)現(xiàn)當(dāng)物料進料塔板為40、萃取劑進入位置為2時的產(chǎn)品濃度最高，且負荷不會過大。選定物料流股從第40塊塔板進入，NMP進入的位置是第3塊，因為在第二塊進入的時候會使溶劑在頂部逸出的量過大。T102優(yōu)化過的條件如表4-1所示。表4-1優(yōu)化結(jié)果總板數(shù)回流比再沸比溶劑流量(kg/h)溶劑：3壓力(bar)塔頂流率(kg/h)T103優(yōu)化過條件如表4-2所示設(shè)備參數(shù)名稱結(jié)果總板數(shù)50塊壓力回流比第5章物料衡算及能量衡算5.1概述烯8萬噸。并利用Aspen對所涉及的流程進行模擬，在所獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果的前提下，做物料和能量衡算，全流程的簡圖如圖5-1所示。25.2物料衡算5.2.3工藝系統(tǒng)物料衡算一覽表R101、T101、T102、T103物料衡算如表5-1至5-4所示表5-1加氫反應(yīng)器模擬結(jié)果123溫度℃壓力bar質(zhì)量流量kg/hT2C4=kg/hC4H4kg/h1800000000000000000000001000000000877.52380000000345溫度℃壓力bar88810焓流量MMB/h質(zhì)量流量kg/h0000000000000000000000006789溫度℃1000焓流量MMB/h000000000000000000000000000000000000000000溫度℃壓力bar00焓流量MMB/h質(zhì)量流量kg/h000000000000000000000000005.3能量衡算R101的能量平衡、能量信息、負荷計算如表5-5至5-7所示熱負荷熱負荷(Gcal/h)進出3溫度℃8體積流量m3/hQW誤差0熱負荷(Gcal/h)進出345溫度℃壓力bar88810QW誤差0表5-11T102負荷計算表熱負荷(Gcal/h)進出67891000QW誤差0熱負荷(Gcal/h)進出流股ID00質(zhì)量流量kg/hQW誤差0第6章設(shè)備設(shè)計及選型6.1溶劑回收塔設(shè)計(1)塔的類型與選擇工業(yè)上，塔設(shè)備分為板式和填料式這兩種不同類型的塔。兩種塔應(yīng)用的場合不一樣，不一樣的場合有不一樣的需求，因依據(jù)設(shè)計具體情況來選取。對比了不同種類的塔之后，依據(jù)設(shè)計的參數(shù)，選定塔型為板式。分為錯流式和逆流式?，F(xiàn)在塔板的類型很多，主要有4種塔板：篩板、泡罩板、浮閥板、穿流篩板在此次的設(shè)計中，由于分離丁二烯的量比較大，對于產(chǎn)品的要求也比較高。所以選定塔板類型為篩板。T103的工藝參數(shù)如表6-1所示。壓力回流比總板數(shù)(1)基本水力學(xué)數(shù)據(jù)依據(jù)Aspen流程模擬的結(jié)果，每一個理論板在Aspen中得到的數(shù)據(jù)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)塔徑的設(shè)計如表6-3所示：LV利用Smith關(guān)聯(lián)圖法估算塔徑。HT-h=0.45m表觀空塔氣相速度為u=(0.6~0.8)umax,停留時間取值為0.8。當(dāng)塔徑為2m時，板間距一般選為500-800毫米，假定HT=0.50m合理。(3)塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計1)流型選擇表6-4流型與塔徑之間的關(guān)系液體流量kg/s1232)溢流裝置計算根據(jù)Francis公式：3)塔板布置因塔徑>1800mm,塔板使用分為5塊的分塊式塔板。選擇δ=3mm碳鋼板，取篩孔直徑d?=5mm。篩孔為正三角形型排列，篩孔數(shù)目6.1.4篩板的流體力學(xué)驗算(1)塔板壓降1)干板阻力hc由2)氣體通過液層的阻力h?查圖6-1,得β=0.551h?=βh=β(hw+3)液體表面張力阻力h。APp=hpPLg=703.6948Pa(2)液面落差(3)液沫夾帶ev符合設(shè)計依據(jù)。(4)漏液對于篩板塔，漏液點氣速故明顯的漏液不會發(fā)生(5)液泛如果要控制塔不發(fā)生液泛，應(yīng)滿足下列條件取φ=0.6即液泛不可能發(fā)生。6.1.5塔板負荷性能計算(1)漏液線在操作的合理范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，得到對應(yīng)的Vs由上表數(shù)據(jù)可作出線1。(2)液沫夾帶線以ev=0.1kg液/kg氣為限，求Vs-Ls關(guān)系如下：在操作的合理范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，得到對應(yīng)的Vs值，結(jié)果如表6-6所示(3)液相負荷下限線可作出線3(4)液相負荷上限線以θ=4s作為停留時間的下限，即得故(5)液泛線b′=φHr+(φ-β-1)hw=0.27故由上表數(shù)據(jù)即可作出線5。負荷性能圖如圖6-2所示作出操作點A,OA即是操作線。由圖可看出，2線控制塔的操作上限，1線操作彈性K=6.204/1.193=5.20,設(shè)計結(jié)果合理。(1)塔高估算1)有效傳質(zhì)高度取全塔效率為60%,除去再沸器和冷凝器，則：2)進料板處板間距選擇Hp=0.8m。np=1D>1m的板式塔，一般6-8個板放一個人孔。T103選定8個板設(shè)一人孔，所以np=9,取Hp=0.8m,直徑取0.6m,選定伸出T103的距離為0.2m。4)塔頂部空間高度5)塔底部空間高度取釜液滯留180秒。HB=1.5m6)封頭高度封頭選擇：EHA2000×16-16MnRGB/T25198查詢得其總深度：7)裙座高度故T103總高H=(n-np-np-1)HT+npHF+npHp+Hp+HB+H?+H?(2)接管尺寸1)塔頂蒸氣管直徑dp與塔釜再沸管直徑(圓整取為500mm塔釜再沸器直徑dp取為600mm2)塔頂回流管直徑dR圓整取為100mm3)進料管直徑df圓整取為400mm取uf=25m/s4)塔釜出料管直徑dw圓整取為400mm(3)塔盤機械結(jié)構(gòu)設(shè)計1)塔盤板使用自身梁式塔盤板。2)塔盤的支撐和連接支持圈焊在筒內(nèi)壁上，取圈寬度0.06m,厚度0.01m。規(guī)定螺栓的材料為鉻鋼。3)降液管和受液盤使用可拆式的傾斜降液管。傾斜角取10°,下部設(shè)置支撐筋。降液板為不銹鋼制作，厚度是3mm。使用凹形可拆式受液盤，盤深0.05米，下面設(shè)置加強筋板。采用厚度是0.003米。(4)塔體選材及壁厚1)塔體選材T103操作溫度在6℃-140℃,壓力為0.15Mpa,可選用16MnR鋼作為塔體材料2)塔體壁厚a)封頭選擇：EHA2000×16-16MnRGB/T25198(5)輔助裝置及附件1)裙座DN為2000mm,使用HG/T21639-28吊柱，起吊的重量為1000kg。吊柱的重量為353kg。6.2.1設(shè)計依據(jù)GB/T28712.1-2012GB/T28712.2-2012GB/T28712.3-2012GB/T28712.4-20126.2.2概述6.2.3換熱器類型的確定(1)確定相關(guān)數(shù)據(jù)E102是使用循環(huán)冷卻水來對5號流股降溫，在Aspen和文獻中得到數(shù)據(jù)，如下表6-8所示。冷流(殼)熱流(管)流量(kg/h)密度p(kg·m-3)粘度μ(Pa·s)(2)估算傳熱面積1)熱流量Q=mCp△T=22379.41×2.752×(62.08-41.5)=1.27×10?KJ/h2)對數(shù)平均溫度差3)傳熱面積取裕度為0.13,則傳熱面積為16.0m2。(3)工藝結(jié)構(gòu)尺寸1)管徑和管內(nèi)流速u選用φ25×2傳熱管(碳鋼),取u=0.5m/s2)管程數(shù)和傳熱管數(shù)取換熱管數(shù)為62根。依照單程管來計算，所需依照單程管來設(shè)計，采用單管程結(jié)構(gòu)。取1=4m,則Np=1傳熱總