年产12万吨丁二烯工艺设计开题报告

山东科技大学本科毕业设计（论文）开题报告题目年产12万吨丁二烯工艺设计学烷名称化学与环境工程学烷专业班级化学工程与工艺学生姓名张三学号201201110804指导教师李四填表时间：2016年3月10日设计（论文）题目年产12万吨丁二烯工艺设计设计（论文）类型（划“√”）工程实际科研项目实验室建设理论研究其它√一、本课题的研究目的和意义丁二烯是一种重要的石油化工基础有机原料和合成橡胶单体,在石油化工烯烃原料中的地位仅次于乙烯和丙炼。主要用于合成丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯弹性体(SBS)、丁腈橡胶、丙烯腈-丁二烯-苯乙炼(ABS)树脂等多种橡胶产品,此外还可用于生产己二胺、己二腈、尼龙66、1,4-丁二醇等有机化工产品以及用作汽油添加剂、粘接剂等,用途十分广泛。由于近几年多套大型乙烯装置的建成投产，我国丁二烯的生产能力不断增加。今后几年产能和产量仍将大幅度增长。但随着大批新建装置的建成投产，未来市场竞争将更加激烈。加大新工艺和技术的开发力度，进一步降低能耗和物耗，使我国丁二烯生产技术再上一个新台阶。目前国内各化工企业生产丁二烯的主要方法有三种:乙腈法、二甲基甲酰胺法和NMP法。其中，相对于二甲基甲酰胺法的后续副产多及NMP法的工艺不成熟等缺点，乙腈法具有原料廉价易得、工艺路线成熟、操作条件温和等优点。本设计以乙腈（CAN）法制备丁二烯的工艺路线为依据，优化工艺参数，模拟生产流程，采用通用设计计算方法对装置筛板塔精馏工段建立计算模型。由于丁烷、丁烯馏分用普通精馏方法难以从碳四中彻底分离。当加入溶剂乙腈后,可使碳四各组分间的相对挥发度差值增大,易挥发组分丁烷、丁烯馏分从丁二烯萃取精馏塔顶排出,对难挥发组分1-丁炔、乙烯基乙炔、碳四溶解在乙腈中的1,3-丁二烯等,一起从丁二烯萃取精馏塔釜排往溶剂解吸塔内,并在溶剂解吸塔侧线随乙腈一起排出,溶剂乙腈则经解吸后循环使用。1,3-丁二烯、1-丁烯、乙烯基乙炔沸点相近。用普通的方法即可将炔烃和乙腈分离。本设计在经济合理,生产可靠的基础上,力求技术进步,从而确保有效地利用国家资金资源。二、本课题的主要研究内容（提纲）1.根据文献资料，确定合适的工艺路线2.利用软件模拟丁二烯的生产工艺流程，优化工艺参数，3.对整个工艺流程进行物料衡算和能量衡算，根据模拟确定各操作参数后，设计和选择合适的反应器实现对丁二烯的生产要求。4.绘制PID工艺流程图和生产工艺流程图。5.绘制主要设备的设备装配图。6.后续环境分析三、文献综述（国内外研究情况及其发展）1国外丁二稀生产技术目前,世界上丁二稀的生产以日本JSR公司改进的ACN工艺、德国BASF公司的NMP工艺以及日本瑞翁公司的DMF工艺最具有竞争力。此外,KLP工艺(C4馏分选择加氢除炔工艺)等新工艺正在不断地开发和使用。(1)日本JSR工艺(ACN法)[1]日本JRS工艺(ACN法)以含水10%的乙腈(ACN)为溶剂,采用两段萃取蒸馏,第一萃取蒸馏塔由两塔串联而成。该工艺经过两次重大的改造。第一次改造是采用热偶合技术,即将第二萃取蒸馏塔顶全部富含丁二烯的蒸汽不经冷凝直接送人脱重塔中段,同时将脱重塔内下降液流的一部分从中段塔盘上抽出,送往第二萃取蒸馏塔作为塔顶回流液,这样第二萃取蒸馏塔塔顶不需要冷凝器,这部分热量将全部加到脱重塔,使该塔塔底再沸器的热负荷比热偶合前降低40%左右,从而实现大幅度节能。第二次改造主要解决系统热能回收问题,即在提浓塔和脱轻塔安装中间冷凝器,将提浓塔从进料板附近上、下两段串联相接,这样既可使上塔负荷大幅度降低,又不会影响塔的操作条件。将塔分为上下两段,下塔操作压力提高,塔内温度相应升高,这样中间冷凝器就可回收到高品位的热能。此外,溶剂回收塔塔底废水的热能可用于该塔进料管线的预热器,加上解吸塔从侧线采出炔烃也可回收部分热能,因而该工艺在同类工艺中的能耗是最低的。(2)日本瑞翁公司的DMF法[2]日本瑞翁(Zeon)公司的N-甲基吡咯烷酮(DMF)法工艺的特点是对原料C4的适应性强,丁二烯含量在15%～60%范围内都可生产出合格的丁二烯产品；生产能力大,成本低,工艺成熟,安全性好,节能效果较好,产品、副产品回收率高达97%；由于DMF对丁二烯的溶解能力及选择性比其他溶剂高,所以循环溶剂量较小,溶剂消耗量低；无水DMF可与任何比例的C4馏分互溶,因而避免了萃取塔中的分层现象；DMF与任何C4馏分都不会形成共沸物,有利于烃和溶剂的分离；但由于其沸点较高,溶剂损失小。热稳定性和化学稳定性良好,无水存在下对碳钢无腐蚀性。但由于其沸点高,萃取塔及解吸塔的操作温度都较高,易引起双烯烃和炔烃的聚合。(3)BASF公司的NMP工艺[3]N-甲基吡咯烷酮(NMP)法由德国BASF公司开发成功,其工艺特点是溶剂性能优良,毒性低,可生物降解,腐蚀性低；原料范围较广,可得到高质量的丁二烯,产品纯度可达99.7%～99.9%；C4炔烃无需加氢处理,流程简单,投资低,操作方便,经济效益高；NMP法具有优良的选择性和溶解能力,沸点高,蒸汽压低,因而运转中溶剂损失小；它热稳定性和化学稳定性极好,即使发生微量水解,其产物也无腐蚀性,因此装置可全部采用普通碳钢；为了降低其沸点,增加选择性,降低操作温度,防止聚合物生成,利于溶剂回收,可在其中加人适量的水,并加人亚硝酸钠作阻聚剂。(4)UOP公司的KLP工艺[4]UOP公司C4烃选择加氢脱炔烃工艺(即KLP工艺)特点是选择性加氢反应在装有催化剂的固定床中进行,反应温度由低压蒸汽控制,HZ与C4原料在进人反应器之前混合,然后进人装有KLP-60催化剂的固定床反应器中,并采用足够高的压力使反应混合物保持液相。经加氢反应后的C4物料直接进人单级抽提单元,经分离制得纯度大于99.6%的1,3一丁二烯。该抽提工艺避免了常规抽提工艺的复杂性,减小丁二烯的损失和避免了处理高浓度炔烃的复杂性,并且丁二烯的质量很高,其中的炔烃含量控制在5×10-6以下。另外公用工程费用低(比原来降低10%),维修费用低,操作安全性高。(5)丁烯生产丁二烯新技术[5]日本三菱化学公司于2009年3月22日宣布,其利用自主研发的专有催化剂,开发出将用途不大的丁烯转变为l,3-丁二烯的新技术。这一工艺过程已在三菱化学公司日本水岛生产基地完成中试(能力为200t/a)。目前,三菱化学公司正在与日本国内和海外化工生产商积极谈判,希望合作推广其最新开发的以丁烯为原料生产丁二烯的技术，因而倍受关注。2国内丁二稀生产技术目前工业上常用分离丁二烯的方法主要有乙腈法(ACN)、二甲基甲酰胺法(DMF)和N-甲基吡咯烷酮法(NMP)，由于ACN在我国来源丰富，对C4气体的分离能力较强，工艺要求比DMF、NMP低，故以ACN为萃取剂分离C4中丁二烯技术在我国具有广阔的发展前景[6]。中石油兰州石油化工公司自行设计开发的ACN法经多次改造,日益完善。燕山石油化工公司和兰州石油化工公司还分别自主开发出复杂塔和热偶合技术,缩短了工艺流程,减少了相变,两者均大幅度降低了能耗。吉林石油化工公司的丁二烯技术虽然为引进日本合成橡胶(JSR)公司技术,但乙腈经过两段萃取精馏在脱重精制后生产聚合级丁二烯的能耗较高,为此,该公司与青岛伊科思技术工程有限公司合作,通过引进技术的消化与吸收,在国内乙腈法工艺基础上开发出独特的流程集成节能新技术,简称QJ-ACN技术。借鉴国外分壁塔分离丁二烯生产技术,青岛伊科思技术工程有限公司提出了双隔板集成流程,以含水乙腈作溶剂通过萃取精馏从C4混合物中分离出丁烯并除去丁炔及重组分获得粗1,3-丁二烯的装置及工艺,使传统两次萃取精馏操作及部分脱重组分操作在一个塔中完成,具有投资少,操作简单,能耗低等特点,发展前景看好[2]。北京燕山石油化工公司在DMF法工艺方面已经形成了具有我国自主知识产权的DMF法设计核算体系、丁二烯螺杆压缩机装配检修技术、丁二烯防自聚技术和分析测试技术,并将50kt/a成套技术转让给茂名石油化工公司。同时在第一萃取精馏塔后加设预汽提塔后,使产能提升到60kt/a。此外,大庆石化、齐鲁石化等公司为防止丁二烯自聚,在工艺改进、优化操作、自动控制、节能降耗等方面也都有创新之处[7]。3消费现状及发展前景[8]2009年我国聚丁二烯橡胶的生产能力为593kt,产量为447kt,消费丁二烯约451kt。今后几年,我国将有中石油计划在四川成都乙烯工程中建设150kt/a聚丁二烯橡胶生产装置,福建泥州湾氯碱工业公司的50kt/a聚丁二烯橡胶生产装置,山东玉皇化工公司的50kt/a聚丁二烯橡胶生产装置,大庆石油化工公司的100kt/a聚丁二烯橡胶生产装置,齐鲁石油化工公司50kt/a聚丁二烯橡胶生产装置等,预计2015年聚丁二烯橡胶对丁二烯的需求量将达到约792kt。加上其他方面的需求量,预计2015年我国对丁二烯的总消费量将达到2.6Mt。而届时的生产能力将达到约3.30Mt/a,装置开工率只要达到79.0%左右就可以满足实际生产的需求,产能已经过剩,未来竞争将更加激烈。四、拟解决的关键问题1.选择工艺流程，确定工艺参数并对之进行优化2.工艺参数的确定3.物料衡算与能量衡算，设备参数计算，主要工艺设备的优选五、研究思路和方法本课题拟对丁二烯的生产工艺进行系统的设计，通过查找相关文献，综合考虑，选择乙腈法C4抽提丁二烯。具体思路和方法如下：1.选择乙腈（CAN）法制备丁二烯的工艺路线，优化工艺参数，利用Aspen-plus软件模拟生产流程，采用通用设计计算方法对装置筛板塔精馏工段建立计算模型。由于丁烷、丁烯馏分用普通精馏方法难以从碳四中彻底分离。当加入溶剂乙腈后,可使碳四各组分间的相对挥发度差值增大,易挥发组分丁烷、丁烯馏分从丁二烯萃取精馏塔顶排出,对难挥发组分1-丁炔、乙烯基乙炔、碳四溶解在乙腈中的1,3-丁二烯等,一起从丁二烯萃取精馏塔釜排往溶剂解吸塔内,并在溶剂解吸塔侧线随乙腈一起排出,乙腈则经解吸后循环使用。1,3-丁二烯、1-丁烯、乙烯基乙炔沸点相近。用普通的方法即可将炔烃和乙腈分离。2.通过物料和能量衡算，确定输入或输出设备的热量，加热剂和冷却剂的消耗量，计算出主要反应设备及机、泵等类型设备的工作能力及技术特性，从而选择相应的设备型号。非标准设备的设计，通过计算出的数据对其进行设计。3.运用CAD软件，绘制工艺流程图、P&ID图及主要设备结构图。4.对后续环境问题进行分析。六、本课题的进度安排第1-4周查阅和整理文献资料，确定生产工艺路线及工艺流程图，形成开题报告第5-7周进行能量衡算和热量衡算第8-11周进行设备选型与典型设备的设计第12-14周绘制工艺流程图和主要反应设备的CAD图、PID图，形成论文初稿第15-16论文定稿，制作PPT，准备答辩七、参考文献[1]白桦.丁二烯的生产技术及国内外市场分析.化工科技市场，2007,30（1）：19-23[2]李玉芳,李明.丁二烯生产技术进展与市场分析.化学工业，2007,25（12）：24-33[3]孙淑伟，赫晓辉，任宪梅等.丁二烯生产技术分析及发展趋势.河北化工，2008,31（6）：48-49[4]胡旭东,傅吉全,李东风.丁二烯抽提技术的发展.石化技术与应用，2007,25（6）：553-558[5]钱伯章.日本三菱化学公司将加快丁烯生产丁二烯新技术的工业应用进程石化技术与应用,2009,(5):469[6]YangXJ,YinX,OuyangPK.Simulationof1,3-butadieneproductionprocessbydimethylfomamideextractivedistillation[J].Chin.J.Chem.Eng.,2009,17(1):27-35[7]AmmenheuserMM,BechtoldWE,Abdel-RahmanSZ,RosenblattJI,Hastings-SmithDA,WardJB.Assessmentof1,3-butadieneexposureinpolymerproductionworkers