丙烯腈裝置消瓶頸技術擴能改造

趙衍武，鄒再平, 鄒君峰

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丙烯腈裝置消瓶頸技術擴能改造

趙衍武，鄒再平, 鄒君峰

（中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113008）

通過對原設計為5萬t丙烯腈/a裝置的主要關鍵設備進行核算，找出制約裝置擴能的關鍵因素，借鑒丙烯腈生產、建設經驗，采用新技術、新工藝、新設備，消除裝置瓶頸，增加裝置產能，降低裝置物耗、能耗，提高主要經濟技術指標，滿足市場所需，提高企業經濟效益。

丙烯腈；消瓶頸；擴能改造；經濟技術指標

丙烯腈是一種重要的有機化工原料，主要用于生產腈綸纖維、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80年代末，先后從國外引進了多套設計能力為年產5萬t工業級丙烯腈的丙烯腈裝置，采用的工藝路線均為成熟的丙烯/氨氧化生產丙烯腈工藝技術。隨著經濟的發展，全球丙烯腈生產能力逐年增長，實際消費量大幅增加。伴隨我國塑料和有機合成工業的進一步發展，以及丙烯腈用途的多樣化，對丙烯腈需求將日趨增加。根據調查研究和預測，丙烯腈工業在我國仍有較大發展空間。

除新建和擴建外，如果借鑒現有經驗，利用丙烯、氨及空氣中的氧在催化劑作用下生產丙烯腈工藝發展成熟過程中出現的新技術、新工藝，對現有裝置進行技術改造，消除瓶頸、優化運行條件、挖掘潛力，降低物耗、能耗，增加丙烯腈產量，投資省，見效快，既可以滿足市場需求，又可以獲得良好的經濟效益[2]。

1 工藝簡介

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

2 改造目的及原則

丙烯腈裝置原設計能力為年產5萬噸丙烯腈。參照丙烯腈生產、建設經驗以及丙烯、氨氧化生產丙烯腈工藝發展成熟過程中的新技術，對丙烯腈裝置進行技術改造，使其生產能力提高至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，降低產品生產成本，提升裝置經濟效益。

為盡量減少投資，達到改造目的，改造可遵循如下幾個方面的原則：1）保持基本工藝流程不變，對局部工藝流程進行改進，相關操作參數適當調整。現有塔的直徑不變，保留其外殼，改造能力不夠的塔內件。對不能滿足要求的換熱器、泵、罐等，首選調整相關操作參數或更換內件，若仍無法滿足改造要求，則增加臺數或更新；2）采用高效節能設備，積極采用新的科研成果來提高設備能力；3）原設計中的環保措施保持不變，并采取措施進行加強，減少“三廢”排放量；4）充分利用現有裝置的設備、廠房及辦公行政設施，原有的設備、材料在改造設計中能滿足要求的，繼續使用；5）工藝設備的能力在達到規模要求前提下，可改可不改的則一律不改。除已指明要采用的國內工藝技術之外，原有的設備、材料在改造設計中盡可能繼續使用，不隨便更新換代。

圖1 簡要的丙烯腈工藝流程圖

3 可行性分析

3.1 工藝技術的可行性

改造時仍保留原有的丙烯/氨氧化生產丙烯腈的工藝方法。該工藝方法自1959年出現[3]并發展到現在，已屬先進技術，且工藝技術十分成熟。另外，我國從1960年開始丙烯腈生產技術的研究開發工作[4]，到現在，已形成了自有特色，在某些關鍵技術方面達到了國內外先進水平，并實現了主要關鍵設備的國產化，如丙烯腈流化床反應器、反應氣體冷卻器、丙烯氨/氧化生產丙烯腈的催化劑等。若依照原工藝技術基礎，參考國內發展的新技術，利用國產的先進催化劑，進行流程上的局部改動，同時通過調整部分工藝參數和更新部分設備，實現增加產能的目的。從技術上來看，不存在任何困難。

3.2 方案可行性

丙烯腈裝置的關鍵設備是流化床反應器。核心技術主要集中在丙烯腈催化劑上。對裝置進行消瓶頸技術擴能改造的重點是根據適合的催化劑對反應器進行核算，在此基礎上對后續處理系統進行能力校核。

3.2.1 丙烯腈催化劑的選擇

反應器的結構尺寸不變時，生產能力的大小主要取決于反應器的操作線速度、反應器內催化劑的裝填量、反應器流化狀態下的催化劑密相段床層高度等[5]。國內國外生產的較為先進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，屬國內先進。該催化劑的主要性能指標見表1。

表1 CTA-6催化劑性能表

根據以上數據，CTA-6型催化劑性能主要體現在以下幾個方面：

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

（2）噸催化劑每小時處理的丙烯量（W·W·H）較高，能達到0.075 t丙烯/t催化劑，反應器內一次性所需要裝填的催化劑量較少，在現有反應器結構尺寸下進行擴能改造非常有利。

（3）氰氫酸單收較高，達到6.43％。

另外，從投資角度考慮，丙烯腈催化劑的價格約為每噸34萬元，若裝置擴能至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正在使用的CTA-6催化劑。

3.2.2 丙烯腈反應器能力核算及改造方案的確定

丙烯腈生產裝置中的關鍵核心設備是流化床反應器，為保證改造達到預期目的，同時確保改造后的安全優化生產，應采用先進、可靠、成熟的技術。反應器內部構件主要有丙烯/氨分布器、空氣分布板、旋風分離器和移熱系統。在實施消瓶頸技術擴能改造之前，需要進行相關的核算。

（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器重要的內構件之一。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器的研究較早，并逐漸形成了一套較為優化的基礎性規定，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。若擴大反應器的生產能力，丙烯/氨分布器及空氣分布板上小孔單位時間和截面積內的氣體通過量增加，氣體通過小孔的流速及壓降也自然增加?，F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。經核算，若反應器的能力提高至8萬t丙烯腈/a，則丙烯/氨分布器的過孔氣速為124 m/s，其壓降會達到床層壓降的52%；同樣空氣分布板的過孔氣速為154.5 m/s，其壓降會達到床層壓降的76%，均超過了國外研究得到的基礎規定。將丙烯/氨分布器的孔徑擴至5.7、5.9、6.1 mm，空氣分布板的孔徑擴至12 mm，則二者的過孔氣速分別降至106.5、124.2 m/s，擴孔后的壓降分別占總壓降的38%、46%，達到了相關基礎規定值，能夠滿足擴能所需。

（2）旋風分離器

在生產丙烯腈的流化床反應器中，旋風分離器用來分離回收反應氣體夾帶的固體催化劑顆粒，避免反應氣體將催化劑顆粒從反應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器床層循環使用。有研究結果表明，旋風分離器的入口氣速及結構尺寸決定了其分離效果的好壞[6]。處理的氣體量、氣體中含有的細顆粒濃度、細顆粒尺寸大小已知的條件下，旋風分離器入口氣速有一個最佳范圍。通過對現有旋風分離器在8萬t丙烯腈/a、操作壓力為0.068 MPa（G）的條件下進行核算，發現其第一級入口氣速達到了21.4 m/s，第二、三級入口氣速達到了23.7 m/s。旋風分離器入口氣速偏高。與其它已改造成功的同等規模丙烯腈裝置的旋風分離器相比，現有旋風分離器的長徑比也小。因此旋風分離器需要更換。新的旋風分離器擬選用國內開發的PV型旋風分離器[7]，采用2級12組共24個。

（3）反應器移熱系統

丙烯/氨催化氧化反應屬于放熱反應，因此在反應器內需要一定數量的“U”型冷卻管，以移除反應熱，控制反應溫度。移出的熱量用于發生4.12 MPa（G）的過熱蒸汽?！癠”型冷卻管分為蒸發管和過熱管，經核算，蒸發管的換熱面積有富裕，而過熱管的換熱面積不夠。由于反應器不更換，其直徑及內部空間已固定，所以冷卻管根數及高度均不能增加，即總的換熱面積無法增加，因此將部分蒸發管調整為過熱管使用，既可保證蒸發管的換熱面積，又可保證過熱管的換熱面積。方法是調整反應器外的配管。反應器內的移熱系統調整之后，蒸發管的換熱面積為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、廢水焚燒處理等幾個單元，有急冷塔（氨中和塔）吸收塔、萃取塔精餾塔、成品塔等共計7個。經核算，丙烯腈產能增加至8萬t/a后，乙腈塔滿足處理能力，吸收塔在之前已進行過改造，能滿足要求，不必再改。急冷塔的氣相負荷增加，氣速過大，氣、液相接觸時間過短，反應氣體中未反應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，上段更換噴頭，同時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，進行改造。脫氫氰酸塔、成品塔、輕有機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

考慮到裝置產量增加，設備的處理量也會相應增加，同時兼顧流體輸送的壓力損失，所以對換熱器類設備采取更新、調整利舊、增加臺數、改造等措施來滿足擴能改造的需要。

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的能力進行，這里不詳細討論。

3.2.6 機泵能力校核及改造方案

裝置生產能力達到8萬t丙烯腈/a后，部分機泵已不能滿足擴能要求，需要新增、調整利舊、更新的機泵共計28臺，在滿足生產所需及保證安全的前提下，盡量選用國產機泵。

3.2.7 空壓機能力校核及改造方案

消瓶頸技術改造后，反應器正常需要空氣流量為70 256 kg/h，超出了原有空壓機的能力。經核算，并與空壓機供貨廠家咨詢，采取保留原壓縮機基礎及機殼，更換壓縮機轉子、密封及隔板等部件和調整壓縮機出口壓力等措施來滿足擴能改造的要求。

4 改造后的物耗、能耗預期情況

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

丙烯腈裝置能耗主要是燃料油、循環水、電和1.0 MPa蒸氣。改造后裝置產量從5萬t丙烯腈/年增加到8萬t。在改造過程中會考慮降低裝置綜合能耗的措施，改造四效蒸發單元，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。四效蒸發單元改造后，廢水蒸發效率將會提高，由四效單元送往急冷塔系統的廢水將由改造前的1 910.7 kg/t下降至1 257.6 kg/t，相應由急冷塔系統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改造后，反應器產汽量提高，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能改造后總能耗預計有較大幅度的下降。

5 改造后的主要指標實際情況

丙烯腈裝置消瓶頸擴能改造后，對裝置運行情況進行了標定。具體數據見表2。

從表2可看出，消瓶頸擴能改造后，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，改造達到了預期目的。

表2 改造前后的物耗、能耗數對比據表

6 結束語

在不增加人員編制、環保排放指標達到國家規定標準、提高產品產量的前提下，通過較小的投資，對裝置實施了較大的改造，尤其是對丙烯腈裝置反應器進行了較多的改動。改造后，通過對裝置的運行調整及跟蹤統計，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，本次改造也為國內同行業的丙烯腈裝置實施擴能改造提供了有益的參考，尤其是在反應器旋風分離器、反應氣體冷卻器、急冷塔氣液分離器等設備的國產化應用上，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展[J].石油化工，2005，34(2)：181．

［2］喬映賓．我國丙烯腈工業的發展[J].石油化工，1997，26：408-411．

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

［4］關興亞．中國丙烯腈生產技術國產化發展過程[J].合成纖維工業，1992，15(1)：43-48．

［5］盧天雄．流化床反應器[M].北京：化學工業出版社，1986.

［6］孫國剛，時銘顯．PV型旋風分離器設計與應用中的幾個問題[J].煉油設計，2003，32(9)：4-7．

［7］時銘顯，陳建義．丙烯腈裝置擴能改造中的新旋風分離器技術[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，碩士學位，高級工程師，研究方向：化工化纖工藝。E-mail：fsghz@sohu.com。