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1、目录第一章 工艺过程与分离方法的创新11.1 产品体系的有效融合与集成11.1.1 原料与总厂产品体系的有效融合11.1.2 产品体系与园区有效融合11.1.3 产品丙烯腈的有效融合11.1.4 氢腈酸产品的有效融合21.1.5 其他副产集成关系21.2 变压吸附21.2.1 结果分析31.2.2 变压吸附过程的节能环保51.3 侧线采出71.4 废水处理与多效蒸发101.5 膜分离废水处理与多效蒸发111.6 部分含腈水循环141.7 磷铵大循环氨回收与吸收液循环利用151.7.1 磷铵循环基本原理161.7.2 设备组成171.8.3 磷铵循环优点171.8 能量循环与利用191.10 双
2、效精馏分离技术的应用（含双压）201.11 热泵精馏技术应用221.12 进料组成对流程创新影响241.13 磷铵工艺对后续工艺创新的影响24第二章 反应器的优化262.1 催化剂与动力学的选定262.1.1 高效催化剂的选用262.1.2 使用含晶格氧的反应网络动力学模型272.2 流化床反应器的设计282.2.1 反应器类型的选择282.2.2 反应器内部构件的优化282.3 撤热水系统的优化302.4 反应器SIS控制30第三章 控制技术的创新323.1 反应器SIS控制323.2 Dynamics动态模拟323.3 复杂控点363.3.1 进料比值控制系统363.3.2 乙腈精制高压塔
3、复杂控点37第四章 节能技术的创新384.1 能量优化384.1.1 调整冷公用工程溴化锂冰机生产低温冷却水节能384.1.2 禁止匹配394.2 多效与热泵精馏技术的应用39第五章 清洁生产过程的创新405.1 丙烯腈生产过程绿色度分析40第六章 新型过程设备应用创新426.1 分离设备结构创新426.1.1 新型组合导向浮阀塔板应用426.2 反应器结构创新42第一章 工艺过程与分离方法的创新1.1 产品体系的有效融合与集成1.1.1 原料与总厂产品体系的有效融合在原料方面，XXXX石化单体炼化1250万吨/年，以炼化产液化石油气丙烷2%计，XXXX年提供丙烷25万吨/年，本项目产15万吨
4、丙烯腈/年，需丙烷资源约23万吨/年；另外园区有XX石化1600万吨/年原油加工产能，长三角还有镇海大型炼化企业。因此，上游原料丙烷有充足供应。1.1.2 产品体系与园区有效融合本工艺年产15万吨/年丙烯腈，副产1.6万吨/年乙腈，0.8万吨/年氢腈酸。具体产品规格如下表：表1-1主副产品规格序号产品规格（%）产量（t/a）备注1丙烯腈99.9150539.72主产品2乙腈99.916000.35副产品3氢氰酸99.98055.55副产品1.1.3 产品丙烯腈的有效融合XX石化年产20万吨ABS树脂产量，需要20万吨/年以上丙烯腈原料。另外园区除XX石化，还有华谊集团20万吨/年ABS产能，年
5、需20万吨以上丙烯腈供应。表1-2园区华谊一体化项目XX华谊（集团）公司投资建设的一体化基地项目，总投资19.7亿元人民币主要装置及规模：20万吨/年ABS以上丙烯腈原料大部分原料可由本项目提供。丙烯腈属于易燃易爆有毒有害物质，长距离运输不仅成本高而且危险性增大。本项目丙烯腈产品与总厂、园区形成上下游产业链，减了少运输成本、产业耦合、提高了稳定性与安全性。1.1.4 氢腈酸产品的有效融合本项目副产大量氢腈酸，园区英威达生产己二腈、己二胺，年需大量氢腈酸。表1-3英威达投资项目总投资额：7亿美元(其中一期3亿美元)主要装置及规模20万吨/年己二胺（I期）30万吨/年己二睛尼龙6，6聚合物1.1.
6、5 其他副产集成关系XX化学工业区拥有大量精细化工企业，有众多医药合成公司。乙腈是重要医药合成原料。本项目副产乙腈可提供给这些医药公司，减了少运输成本、产业耦合、提高了稳定性与安全性。综上所述，本项目原料利用总厂所产生产的产品，产物丙烯腈可作为总厂进一步生产的原料，且通过创新性变压吸附回收了本应该燃烧处理的丙烷和丙烯，达到了资源化利用丙烷的目的，充分符合了本次设计大赛任务书所规定的与总厂体系有效融合、且资源化利用的要求。1.2 变压吸附传统工艺浪费大量丙烷丙烯，且每年排放大量二氧化碳，不仅造成了资源浪费，且严重污染环境。我们采用变压吸附工艺回收了绝大部分丙烷丙烯气体，不仅节约了资源，而且减少了
7、二氧化碳等温室气体的排放。变压吸附详细过程详情请见变压吸附工段说明书。1.2.1 结果分析图1-1过程中7种气体浓度随时间的变化变压吸附过程中七种气体浓度随时间变化如图1-1所示，浓度比较高的气体中，蓝色线条表示丙烯气体，绿色线条表示丙烷气体，灰色线条表示氮气。从图中可以看出，随着变压吸附循环过程的进行，混合气中的丙烷丙烯摩尔分数不断升高并被富集，其他气体则不断被吸附，浓度降低，前四个循环由于装置中存在残留空气导致过程的不稳定，而在第六个循环后装置中的空气基本排出，吸附过程达到稳定。当丙烷浓度达38.20%，丙烯浓度达到54.54%，氮气浓度降低到6.33%，氧气浓度降低到0.66%，一氧化碳
8、浓度降低到0.09%，二氧化碳浓度降低到0.08%后，各组分浓度变化不再明显，变压吸附过程停止，停止时间设定为6000s，最终达到了分离出丙烷丙烯产品气的目的。图1-2表示在第一层（吸附床下层）中各组分气体随吸附层高度增加的浓度变化情况。从图中看出，随着吸附床层高度的增加，二氧化碳气体，氧气，水在活性炭吸附层中逐渐被吸附，浓度降低，而丙烷丙烯气体，氮气和一氧化碳气体属于难吸附组分，因此在该层吸附中，丙烷丙烯气体，氮气和一氧化碳气体组分的浓度随床层底部沿着塔轴向上逐渐增大。这些组分将在下一层中继续分离。图1-2吸附床下层中7种气体浓度随吸附床层高度变化图1-3表示在第二层（吸附床上层）中各组分气
9、体随吸附层高度增加的浓度变化。从图中看出，随着吸附层高度的增加，氮气和一氧化碳气体在分子筛层中逐渐被吸附，而该层中丙烷丙烯气体属于难吸附组分，所以在该层吸附中，丙烷丙烯气体随着时间、床层高度的增加，浓度不断增加。该过程成功分离出了丙烷丙烯气体。图1-3吸附层上层中7种气体浓度随吸附床层高度变化图1-4表示丙烷气体在整个吸附床层中随时间的浓度变化，从图中可以看出，在0-0.9m的吸附床高度中，丙烷气体的摩尔分数变化并不明显，这是因为在下层吸附层中摩尔分数为85%的氮气为难吸附组分，这部分主要吸附的气体在混合气中摩尔分数较小，因此丙烷气体被聚集的并不明显。在0.9-1.8m的吸附床高度中，塔内主要
10、剩余丙烷丙烯气体，一氧化碳气体和氮气，由于氮气被吸附，丙烷气体被不断聚集，摩尔分数不断升高。图1-4丙烷气体在整个吸附床层中随时间的浓度变化丙烯在整个吸附床层中随时间的浓度变化和丙烷气体类似。通过双层变压吸附的模拟，成功分离出了丙烷丙烯气体，丙烷浓度达到38.20%，丙烯浓度达到54.54%，回收率达到90%，同时得到体积分数为85%的大量氮气。1.2.2 变压吸附过程的节能环保1.2.2.1 工艺节能变压吸附工艺过程简单，适应性强，具有以下优点：（1）产品纯度高。（2）一般可在室温和不高的压力下工作，床层再生时不用加热，节能经济。（3）设备简单，操作、维护简便，与其他的净化方法相比，变压吸附
11、工艺在初始的设备投资上不相上下，但是操作费用要少的很多。（4）连续循环操作，可完全达到自动化。因此，当这种新技术问世后，就受到各国工业界的关注，竞相开发和研究，发展迅速，并日益成熟。（5）开停车快速便捷，通常装置启动约0.5小时即可得到合格产品，停车可在数分钟内完成。（6）装置操作弹性大，对操作过程具有很强的调节能力。（7）安全性高。（8）吸附剂的使用周期长。通常情况下，变压吸附法中的吸附剂可以使用10年以上，补充新的吸附剂就可以延长其使用时间。（9）环境效益好，在设备运行的过程中不会产生新的环境污染。1.2.2.2 资源利用变压吸附工段处理的气体是年产15万吨丙烯腈项目中丙烯腈工段T0301
12、吸收塔塔顶的排放气体。变压吸附工段将这部分气体分离并回收利用，项目原料中丙烷在吸收塔塔顶气体回收率达到90%，同时回收大量中间产物丙烯，可以资源再利用。总计每小时回收约2.5吨丙烷气体，3.7吨丙烯气体，参考平均价格丙烷2500元/吨，丙烯价格6000元/吨，年直接回收资金约22760万元，创造了极大的经济效益。1.2.2.3 绿色环保年产15万吨丙烯腈项目中丙烯腈工段T0301吸收塔塔顶的排放气体，原计划为进入焚烧炉做焚烧处理，由于排放气体中含有大量丙烷丙烯气体及一氧化碳二氧化碳气体，燃烧后会造成大量温室气体排放。碳排放量如表所示：表1-4吸收塔塔顶排放温室气体含量混合气中所含温室气体C3H
13、8C3H6COCO2摩尔流量（kmol/h）63.6898.05121.11114.74碳原子摩尔流量（kmol/h）191.03294.17121.11114.74年二氧化碳排放量（万吨）6.7210.424.264.04由上表可看出，传统工艺浪费大量丙烷丙烯，且每年排放大量二氧化碳，不仅造成了资源浪费，且严重污染环境。我们采用变压吸附工艺回收了绝大部分丙烷丙烯气体，不仅节约了资源，而且减少了二氧化碳等温室气体的排放。在使用变压吸附工艺处理混合气后，回收约90%的丙烷丙烯气体，减少年总燃烧排放二氧化碳气体15.37万吨，总计节能减排60.56%。1.3 侧线采出丙烯腈回收塔生产原工艺采用水作
14、为萃取剂，提高分离物系相对挥发度。丙烯腈、氢腈酸从塔顶采出，组成约0.003的乙腈水溶液从塔釜采出。乙腈水溶液从塔釜出来后，需要一个精馏塔进行分离提纯。由于原工艺塔釜乙腈含量特别低，需要塔板数很多的塔对乙腈溶液进行精馏，这造成很大的设备投资与操作成本。因此需要找到一个能够减少设备投资又能达到乙腈精制效果的工艺方案。图1-5回收塔侧线采出本设计根据这点要求，提出乙腈侧线采出的工艺技术方案（图1-5），并对侧线方案与原工艺进行了比较：表1-5回收塔侧线出料与无侧线出料比较侧线出料无侧线出料优点避免多塔精馏，避免投资增大操作简单降低塔低再沸器能耗操作稳态保持性好塔低可除去重组分与废水缺点操作复杂，操
15、作技术要求高能耗高影响塔失稳因素增加塔设备多，投资增加塔釜其他重组分任需二次分离回收塔塔釜物流流量大，无侧线出料，乙腈从塔底采出浓度低，后面分离的精馏塔塔板数增加，设备成本加大。具体乙腈物流浓度如下：表1-6侧线乙腈与无侧线乙腈分离效果一览表侧线采出塔釜馏出侧线/塔釜采出量（kg）6500679014乙腈采出量（kg）2348.3902237.075乙腈质量浓度36.1%0.33%由上表可以看出，侧线采出乙腈浓度比无侧线采出乙腈浓度高达100倍。因此侧线采出有利于后面乙腈精制。侧线采出与无侧线采出达到同等分离程度能耗对比：表1-7 侧线采出与无侧限采出能耗对比侧线采出无侧线采出主塔能耗(kw)59296.192160453.8906副塔能耗(kw)090868.9796
