趙衍武，鄒再平, 鄒君峰

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丙烯腈裝置消瓶頸技術(shù)擴(kuò)能改造

趙衍武，鄒再平, 鄒君峰

（中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113008）

通過對原設(shè)計(jì)為5萬t丙烯腈/a裝置的主要關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行核算，找出制約裝置擴(kuò)能的關(guān)鍵因素，借鑒丙烯腈生產(chǎn)、建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，消除裝置瓶頸，增加裝置產(chǎn)能，降低裝置物耗、能耗，提高主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，滿足市場所需，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

丙烯腈；消瓶頸；擴(kuò)能改造；經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

丙烯腈是一種重要的有機(jī)化工原料，主要用于生產(chǎn)腈綸纖維、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和苯乙烯-丙烯腈(S丙烯腈)樹脂、己二腈、丙烯酰胺和丁腈橡膠等[1]。我國在20世紀(jì)80年代末，先后從國外引進(jìn)了多套設(shè)計(jì)能力為年產(chǎn)5萬t工業(yè)級丙烯腈的丙烯腈裝置，采用的工藝路線均為成熟的丙烯/氨氧化生產(chǎn)丙烯腈工藝技術(shù)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球丙烯腈生產(chǎn)能力逐年增長，實(shí)際消費(fèi)量大幅增加。伴隨我國塑料和有機(jī)合成工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，以及丙烯腈用途的多樣化，對丙烯腈需求將日趨增加。根據(jù)調(diào)查研究和預(yù)測，丙烯腈工業(yè)在我國仍有較大發(fā)展空間。

除新建和擴(kuò)建外，如果借鑒現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，利用丙烯、氨及空氣中的氧在催化劑作用下生產(chǎn)丙烯腈工藝發(fā)展成熟過程中出現(xiàn)的新技術(shù)、新工藝，對現(xiàn)有裝置進(jìn)行技術(shù)改造，消除瓶頸、優(yōu)化運(yùn)行條件、挖掘潛力，降低物耗、能耗，增加丙烯腈產(chǎn)量，投資省，見效快，既可以滿足市場需求，又可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

1 工藝簡介

丙烯、氨氧化生產(chǎn)丙烯腈的工藝路線是，氣態(tài)的丙烯、氨按一定比例混合后進(jìn)入被壓縮空氣流化的流化床催化反應(yīng)器，丙烯、氨和空氣中的氧發(fā)生催化氧化反應(yīng)，生成主產(chǎn)物丙烯腈和副產(chǎn)物氫氰酸及乙腈，以及一些其它雜質(zhì)。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱用軟化水移除，發(fā)生4.12 MPa（G）過熱蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽一部分用作驅(qū)動(dòng)為反應(yīng)器提供壓縮空氣的空壓機(jī)組透平，另一部分用作驅(qū)動(dòng)為裝置提供冷量的制冷機(jī)組透平，剩余部分外送。從反應(yīng)器排出的反應(yīng)氣體經(jīng)冷卻、中和除氨、吸收、萃取、精制，最終得到工業(yè)級的丙烯腈產(chǎn)品和部分氫氰酸、乙腈。簡要的工藝流程見圖1。

2 改造目的及原則

丙烯腈裝置原設(shè)計(jì)能力為年產(chǎn)5萬噸丙烯腈。參照丙烯腈生產(chǎn)、建設(shè)經(jīng)驗(yàn)以及丙烯、氨氧化生產(chǎn)丙烯腈工藝發(fā)展成熟過程中的新技術(shù)，對丙烯腈裝置進(jìn)行技術(shù)改造，使其生產(chǎn)能力提高至8萬t/a、丙烯腈回收率提高到93％、裝置物耗能耗較改造之前有一定程度下降，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提升裝置經(jīng)濟(jì)效益。

為盡量減少投資，達(dá)到改造目的，改造可遵循如下幾個(gè)方面的原則：1）保持基本工藝流程不變，對局部工藝流程進(jìn)行改進(jìn)，相關(guān)操作參數(shù)適當(dāng)調(diào)整。現(xiàn)有塔的直徑不變，保留其外殼，改造能力不夠的塔內(nèi)件。對不能滿足要求的換熱器、泵、罐等，首選調(diào)整相關(guān)操作參數(shù)或更換內(nèi)件，若仍無法滿足改造要求，則增加臺(tái)數(shù)或更新；2）采用高效節(jié)能設(shè)備，積極采用新的科研成果來提高設(shè)備能力；3）原設(shè)計(jì)中的環(huán)保措施保持不變，并采取措施進(jìn)行加強(qiáng)，減少“三廢”排放量；4）充分利用現(xiàn)有裝置的設(shè)備、廠房及辦公行政設(shè)施，原有的設(shè)備、材料在改造設(shè)計(jì)中能滿足要求的，繼續(xù)使用；5）工藝設(shè)備的能力在達(dá)到規(guī)模要求前提下，可改可不改的則一律不改。除已指明要采用的國內(nèi)工藝技術(shù)之外，原有的設(shè)備、材料在改造設(shè)計(jì)中盡可能繼續(xù)使用，不隨便更新?lián)Q代。

圖1 簡要的丙烯腈工藝流程圖

3 可行性分析

3.1 工藝技術(shù)的可行性

改造時(shí)仍保留原有的丙烯/氨氧化生產(chǎn)丙烯腈的工藝方法。該工藝方法自1959年出現(xiàn)[3]并發(fā)展到現(xiàn)在，已屬先進(jìn)技術(shù)，且工藝技術(shù)十分成熟。另外，我國從1960年開始丙烯腈生產(chǎn)技術(shù)的研究開發(fā)工作[4]，到現(xiàn)在，已形成了自有特色，在某些關(guān)鍵技術(shù)方面達(dá)到了國內(nèi)外先進(jìn)水平，并實(shí)現(xiàn)了主要關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化，如丙烯腈流化床反應(yīng)器、反應(yīng)氣體冷卻器、丙烯氨/氧化生產(chǎn)丙烯腈的催化劑等。若依照原工藝技術(shù)基礎(chǔ)，參考國內(nèi)發(fā)展的新技術(shù)，利用國產(chǎn)的先進(jìn)催化劑，進(jìn)行流程上的局部改動(dòng)，同時(shí)通過調(diào)整部分工藝參數(shù)和更新部分設(shè)備，實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)能的目的。從技術(shù)上來看，不存在任何困難。

3.2 方案可行性

丙烯腈裝置的關(guān)鍵設(shè)備是流化床反應(yīng)器。核心技術(shù)主要集中在丙烯腈催化劑上。對裝置進(jìn)行消瓶頸技術(shù)擴(kuò)能改造的重點(diǎn)是根據(jù)適合的催化劑對反應(yīng)器進(jìn)行核算，在此基礎(chǔ)上對后續(xù)處理系統(tǒng)進(jìn)行能力校核。

3.2.1 丙烯腈催化劑的選擇

反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸不變時(shí)，生產(chǎn)能力的大小主要取決于反應(yīng)器的操作線速度、反應(yīng)器內(nèi)催化劑的裝填量、反應(yīng)器流化狀態(tài)下的催化劑密相段床層高度等[5]。國內(nèi)國外生產(chǎn)的較為先進(jìn)的丙烯腈催化劑有上海石油化工研究院的CTA-6催化劑、英力士的C-49MC催化劑等，綜合參考選取CTA-6催化劑，屬國內(nèi)先進(jìn)。該催化劑的主要性能指標(biāo)見表1。

表1 CTA-6催化劑性能表

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，CTA-6型催化劑性能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）反應(yīng)器在較高的操作壓力條件下，丙烯腈單收仍可達(dá)到78％左右，這對反應(yīng)器和后系統(tǒng)的擴(kuò)能改造是有利的。

（2）噸催化劑每小時(shí)處理的丙烯量（W·W·H）較高，能達(dá)到0.075 t丙烯/t催化劑，反應(yīng)器內(nèi)一次性所需要裝填的催化劑量較少，在現(xiàn)有反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸下進(jìn)行擴(kuò)能改造非常有利。

（3）氰氫酸單收較高，達(dá)到6.43％。

另外，從投資角度考慮，丙烯腈催化劑的價(jià)格約為每噸34萬元，若裝置擴(kuò)能至8萬t丙烯腈/a，則催化劑的裝填量為144 t，需要資金近5 000萬元。

因此綜合考慮改造仍依據(jù)正在使用的CTA-6催化劑。

3.2.2 丙烯腈反應(yīng)器能力核算及改造方案的確定

丙烯腈生產(chǎn)裝置中的關(guān)鍵核心設(shè)備是流化床反應(yīng)器，為保證改造達(dá)到預(yù)期目的，同時(shí)確保改造后的安全優(yōu)化生產(chǎn)，應(yīng)采用先進(jìn)、可靠、成熟的技術(shù)。反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)件主要有丙烯/氨分布器、空氣分布板、旋風(fēng)分離器和移熱系統(tǒng)。在實(shí)施消瓶頸技術(shù)擴(kuò)能改造之前，需要進(jìn)行相關(guān)的核算。

（1）丙烯/氨分布器及空氣分布板

丙烯/氨分布器及空氣分布板是丙烯腈流化床反應(yīng)器重要的內(nèi)構(gòu)件之一。為使通過丙烯/氨分布器及空氣分布板的氣體分布均勻，分布器及分布板必須有合適的壓降。國外對丙烯腈流化床反應(yīng)器的研究較早，并逐漸形成了一套較為優(yōu)化的基礎(chǔ)性規(guī)定，其中要求丙烯/氨分布器的壓降占床層壓降的30%左右、空氣分布板的壓降占床層壓降的60％左右為宜。若擴(kuò)大反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，丙烯/氨分布器及空氣分布板上小孔單位時(shí)間和截面積內(nèi)的氣體通過量增加，氣體通過小孔的流速及壓降也自然增加。現(xiàn)有丙烯/氨分布器的孔徑為5.2、5.4、5.6 mm；空氣分布板的孔徑為10.5 mm。經(jīng)核算，若反應(yīng)器的能力提高至8萬t丙烯腈/a，則丙烯/氨分布器的過孔氣速為124 m/s，其壓降會(huì)達(dá)到床層壓降的52%；同樣空氣分布板的過孔氣速為154.5 m/s，其壓降會(huì)達(dá)到床層壓降的76%，均超過了國外研究得到的基礎(chǔ)規(guī)定。將丙烯/氨分布器的孔徑擴(kuò)至5.7、5.9、6.1 mm，空氣分布板的孔徑擴(kuò)至12 mm，則二者的過孔氣速分別降至106.5、124.2 m/s，擴(kuò)孔后的壓降分別占總壓降的38%、46%，達(dá)到了相關(guān)基礎(chǔ)規(guī)定值，能夠滿足擴(kuò)能所需。

（2）旋風(fēng)分離器

在生產(chǎn)丙烯腈的流化床反應(yīng)器中，旋風(fēng)分離器用來分離回收反應(yīng)氣體夾帶的固體催化劑顆粒，避免反應(yīng)氣體將催化劑顆粒從反應(yīng)器中帶出而造成的催化劑損失，以保證催化劑能夠回到反應(yīng)器床層循環(huán)使用。有研究結(jié)果表明，旋風(fēng)分離器的入口氣速及結(jié)構(gòu)尺寸決定了其分離效果的好壞[6]。處理的氣體量、氣體中含有的細(xì)顆粒濃度、細(xì)顆粒尺寸大小已知的條件下，旋風(fēng)分離器入口氣速有一個(gè)最佳范圍。通過對現(xiàn)有旋風(fēng)分離器在8萬t丙烯腈/a、操作壓力為0.068 MPa（G）的條件下進(jìn)行核算，發(fā)現(xiàn)其第一級入口氣速達(dá)到了21.4 m/s，第二、三級入口氣速達(dá)到了23.7 m/s。旋風(fēng)分離器入口氣速偏高。與其它已改造成功的同等規(guī)模丙烯腈裝置的旋風(fēng)分離器相比，現(xiàn)有旋風(fēng)分離器的長徑比也小。因此旋風(fēng)分離器需要更換。新的旋風(fēng)分離器擬選用國內(nèi)開發(fā)的PV型旋風(fēng)分離器[7]，采用2級12組共24個(gè)。

（3）反應(yīng)器移熱系統(tǒng)

丙烯/氨催化氧化反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，因此在反應(yīng)器內(nèi)需要一定數(shù)量的“U”型冷卻管，以移除反應(yīng)熱，控制反應(yīng)溫度。移出的熱量用于發(fā)生4.12 MPa（G）的過熱蒸汽?！癠”型冷卻管分為蒸發(fā)管和過熱管，經(jīng)核算，蒸發(fā)管的換熱面積有富裕，而過熱管的換熱面積不夠。由于反應(yīng)器不更換，其直徑及內(nèi)部空間已固定，所以冷卻管根數(shù)及高度均不能增加，即總的換熱面積無法增加，因此將部分蒸發(fā)管調(diào)整為過熱管使用，既可保證蒸發(fā)管的換熱面積，又可保證過熱管的換熱面積。方法是調(diào)整反應(yīng)器外的配管。反應(yīng)器內(nèi)的移熱系統(tǒng)調(diào)整之后，蒸發(fā)管的換熱面積為514 m2，富裕46%，過熱管的換熱面積為174.1 m2，富裕36%。調(diào)整后的的冷卻水管切換使用。

3.2.3 塔器能力校核及改造方案

丙烯腈裝置主要有合成、回收精制、四效蒸發(fā)、廢水焚燒處理等幾個(gè)單元，有急冷塔（氨中和塔）吸收塔、萃取塔精餾塔、成品塔等共計(jì)7個(gè)。經(jīng)核算，丙烯腈產(chǎn)能增加至8萬t/a后，乙腈塔滿足處理能力，吸收塔在之前已進(jìn)行過改造，能滿足要求，不必再改。急冷塔的氣相負(fù)荷增加，氣速過大，氣、液相接觸時(shí)間過短，反應(yīng)氣體中未反應(yīng)的氨難以全部中和除去，為使氣液充分接觸，氨和硫酸充分反應(yīng)，上段更換噴頭，同時(shí)新增防堵液體分布器和1 200 mm防堵高效格柵填料；由于下段循環(huán)量增加，需更換下段噴頭和新增600 mm防堵高效格柵填料，拆除下段底層除沫板?；厥账⒃￠y塔板更換為高性能塔板；原降液管較小，進(jìn)行改造。脫氫氰酸塔、成品塔、輕有機(jī)物汽提塔將原浮閥塔板更換為高性能塔板，保留原降液管。

3.2.4 換熱器能力校核及改造方案

考慮到裝置產(chǎn)量增加，設(shè)備的處理量也會(huì)相應(yīng)增加，同時(shí)兼顧流體輸送的壓力損失，所以對換熱器類設(shè)備采取更新、調(diào)整利舊、增加臺(tái)數(shù)、改造等措施來滿足擴(kuò)能改造的需要。

3.2.5 容器能力校核及改造方案

容器的核算及改造均按照滿足8萬t丙烯腈/a的能力進(jìn)行，這里不詳細(xì)討論。

3.2.6 機(jī)泵能力校核及改造方案

裝置生產(chǎn)能力達(dá)到8萬t丙烯腈/a后，部分機(jī)泵已不能滿足擴(kuò)能要求，需要新增、調(diào)整利舊、更新的機(jī)泵共計(jì)28臺(tái)，在滿足生產(chǎn)所需及保證安全的前提下，盡量選用國產(chǎn)機(jī)泵。

3.2.7 空壓機(jī)能力校核及改造方案

消瓶頸技術(shù)改造后，反應(yīng)器正常需要空氣流量為70 256 kg/h，超出了原有空壓機(jī)的能力。經(jīng)核算，并與空壓機(jī)供貨廠家咨詢，采取保留原壓縮機(jī)基礎(chǔ)及機(jī)殼，更換壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、密封及隔板等部件和調(diào)整壓縮機(jī)出口壓力等措施來滿足擴(kuò)能改造的要求。

4 改造后的物耗、能耗預(yù)期情況

丙烯腈裝置在實(shí)施改造之前，丙烯消耗為1 102 kg/t。通過消瓶頸改造，采用丙烯腈生產(chǎn)工藝完善過程中形成的新技術(shù)、新工藝，生產(chǎn)能力達(dá)到8萬t丙烯腈/a后，其物料丙烯的消耗將會(huì)有大幅度下降，預(yù)期能達(dá)到1 081.6 kg/t。

丙烯腈裝置能耗主要是燃料油、循環(huán)水、電和1.0 MPa蒸氣。改造后裝置產(chǎn)量從5萬t丙烯腈/年增加到8萬t。在改造過程中會(huì)考慮降低裝置綜合能耗的措施，改造四效蒸發(fā)單元，更換第一、二效換熱段，加長換熱段筒體，增加換熱面積；更換第四效之后的尾氣冷凝器，緩解第四效換熱面積緊張的問題。四效蒸發(fā)單元改造后，廢水蒸發(fā)效率將會(huì)提高，由四效單元送往急冷塔系統(tǒng)的廢水將由改造前的1 910.7 kg/t下降至1 257.6 kg/t，相應(yīng)由急冷塔系統(tǒng)送往焚燒爐的廢水將由改造前的617.8 kg/t降低為575.8 kg/t。另外，丙烯腈裝置消瓶頸技術(shù)改造后，反應(yīng)器產(chǎn)汽量提高，外送蒸汽量由改造前1.11t/t提高到1.357 t/t。丙烯腈裝置消瓶頸擴(kuò)能改造后總能耗預(yù)計(jì)有較大幅度的下降。

5 改造后的主要指標(biāo)實(shí)際情況

丙烯腈裝置消瓶頸擴(kuò)能改造后，對裝置運(yùn)行情況進(jìn)行了標(biāo)定。具體數(shù)據(jù)見表2。

從表2可看出，消瓶頸擴(kuò)能改造后，裝置主要物料丙烯消耗、綜合能耗均比改造之前有較大幅度的下降，改造達(dá)到了預(yù)期目的。

表2 改造前后的物耗、能耗數(shù)對比據(jù)表

6 結(jié)束語

在不增加人員編制、環(huán)保排放指標(biāo)達(dá)到國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量的前提下，通過較小的投資，對裝置實(shí)施了較大的改造，尤其是對丙烯腈裝置反應(yīng)器進(jìn)行了較多的改動(dòng)。改造后，通過對裝置的運(yùn)行調(diào)整及跟蹤統(tǒng)計(jì)，證明改造是成功的，其物耗、能耗均較改造之前有大幅度的降低，這對滿足市場需求、提高裝置效益起到了很好的保證作用。同時(shí)，本次改造也為國內(nèi)同行業(yè)的丙烯腈裝置實(shí)施擴(kuò)能改造提供了有益的參考，尤其是在反應(yīng)器旋風(fēng)分離器、反應(yīng)氣體冷卻器、急冷塔氣液分離器等設(shè)備的國產(chǎn)化應(yīng)用上，起到了很好的借鑒。

［1］張惠民，趙震，徐春明．C3烴氨氧化制丙烯腈研究進(jìn)展[J].石油化工，2005，34(2)：181．

［2］喬映賓．我國丙烯腈工業(yè)的發(fā)展[J].石油化工，1997，26：408-411．

［3］張樂．丙烯腈生產(chǎn)的反應(yīng)原理與主要方法[J].化學(xué)工程與裝備，2011 (8)：135-137．

［4］關(guān)興亞．中國丙烯腈生產(chǎn)技術(shù)國產(chǎn)化發(fā)展過程[J].合成纖維工業(yè)，1992，15(1)：43-48．

［5］盧天雄．流化床反應(yīng)器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1986.

［6］孫國剛，時(shí)銘顯．PV型旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)與應(yīng)用中的幾個(gè)問題[J].煉油設(shè)計(jì)，2003，32(9)：4-7．

［7］時(shí)銘顯，陳建義．丙烯腈裝置擴(kuò)能改造中的新旋風(fēng)分離器技術(shù)[J].金山油化纖，2001(3)：1-4．

Capacity Expansion Revamping of Acrylonitrile Unit by Solving Technical Bottlenecks

，,

（PetroChina Fushun Petrochemical Company, Liaoning Fushun 113008，China）

The key equipments of 50kt/a acrylonitrile unit were checked and studied, key factors to restrict capacity expansion revamping of the acrylonitrile unit were found; based on practical experiences, technical bottlenecks were solved by using on new technologies and new equipments. After the capacity expansion revamping, plant capacity was increased, material consumption and energy consumption were decreased, which could improve the main economic and technical indicators to raise enterprise economic benefits.

Acrylonitrile; Bottleneck elimination; Capacity expansion; Economic and technical indicators

TQ 226.6

A

1671-0460（2014）06-1000-04

2013-12-28

趙衍武（1959-），男，山東肥城人，碩士學(xué)位，高級工程師，研究方向：化工化纖工藝。E-mail：fsghz@sohu.com。