丙烯腈反应系统设计

1、目录丙烯購流化床反应器的控制系统轴11丙烯睛生产及流化床反应器简介11.1丙烯睛生产背景11.2丙烯睛的生产方法213流化床反应器31.3.1流倔象31.3.2流化床的结爵Q优点31.3.3流化床的一般控制方法42控制系统过程参数的选择及依据52.1 原米斗的配比52.1.1丙烯与氨的配比（氨比）52.1.2丙烯与空气的配比（氧比）52.1.3丙烯与水蒸气的配比（水比）62.2 线速度及操纵变星的选择62.3 被控变臺的选择：融器的温度63反应系统设计73.1反应设计参数73.2控制系统方框图83.3 仪表选型83.3.1温度变送器83.3.2 流呈测量仪113.3.3调节阀113.3.4 P

2、lD 调节器124 丙烯睛控制系统仿真及性能刚介155 丙烯睛反应器控制成本分析f应用前景156耐历程及為15参考文献1517PPT制作思路：17遗留问题丙烯睛流化床反应器的控制系统设计1丙烯睛生产及流化床反应器简介1.1丙烯睛生产背景丙烯睛是一种重要的有机化工原料，源自石油、煤、天然气的重要基础有机 化工原料,全球丙烯的产能已超1亿吨/年。主要应用于合成树脂、合成纤维及 合成橡胶的生产。目前，国十多家丙烯睛生产商基本采用丙烯氨氧化法来生产丙 烯睛。近年，国丙烯膳的产能和产量稳步增加。丙烯購以其在ABS合成树脂方 面等的应用及我国未来一段时间ABS的迅猛需求将有较好的市场前景。1.2丙烯睛的生

3、产方法当前生产丙烯BS的主要方法是丙烯氨氧化法，它是以丙烯、氨、空气和水为 原料，按其一定量配比进入沸腾床或固定床反应器，在以硅胶作载体的磷铝钮系 或锚铁系催化剂作用下Z在400-500°C温度和常压下Z生成丙烯月青。然后经中和 塔用稀硫酸除去未反应的氨，再经吸收塔用水吸收丙烯睛等气体，形成水溶液, 使该水溶液经萃取塔分离乙睛,在脱氢氨酸塔除去氢氟酸,经脱水、精f留而得丙 烯睛产品Z其单程收率可达75% ,副产品有乙睛、氢鼠酸和硫酸披。此法是最有 工业生产价值的生产方法。该法具有原料价廉易得、工艺流程简单、设备投资少、 产品质量高、生产成本低等许多优点。丙烯氨氧化法：主反应：CH=C

4、H-CH3 + NH3 +02 CH2=CH-CN + 3H2O副反应：CH2=CHCH3 + 3NH3 + 302 - 3HCN + 6H2O氢氨酸的生成量约占丙烯睛质量的1/6CH2=CHCH3 +NH3 +02 CH3CN + 3H2O乙購的生成量约占丙烯購质量的1/7CH2=CHCH3 + 02 - CH2=CHCH0 + H20丙烯醛的生成量约占丙烯睛质量的1/100CH2=CHCH3 + 02 3CO2 + 3H2O二氧化碳的生成量约占丙烯睛质量的1/4 ,它是产量最大的副产物。上述副 反应都是强放热反应，尤其是深度氧化反应。在反应过程中,副产物的生成,必 然降氐目的产物的收率。这

5、不仅浪费了原料，而且使产物组成复杂化,给分离和 精制带来困难Z并影响产品质量。为了减少副反应,提高目的产物收率,除考虑 工艺流程合理和设备强化外Z关键在于控制影响反应的各个因素Z尤其是温度。13流化床反应器由于丙烯睛氧化反应是强放热，所以工业生产中多采用流化床反应器。流化 床反应器是气相反应常用的一种反应器。当反应气体通过反应器时，催化剂颗粒 受到气流的作用悬浮起来,在反应器作剧烈的翻滚、流动,整个系统与流动的或 沸腾的液体很相像,所以称流化床或沸腾床。13.1流化现象对于固定床反应器,因为催化剂是固定的。流体实际上只能在催化剂颗粒间 的孔隙穿流Z不但催化剂的表面反应受到限制,降低了催化剂利用

6、率。而且，床 层的温度分布不均匀，不能保证各部分都在最适宜的温度条件下进行化学反应。 如果减少颗粒大小,增加气流遍度,且让气流由下自上通过,当气流速度达到某 值以后，催化剂在床处于气流的湍动状态，大大增加了催化剂和气流的接触面 积，既增加了催化剂的利用率，又改善了温度分布,这种固体在气流作用下产生 像流体一样流动状态称流化态。13.2流化床的结构和优点为了保证流化和一定反应温度以及回收催化剂等原因，使流化床结构不同于 固定床。为适应流化状态、传热和催化剂回收等作用，流化床结构一般都由壳体、 气体分布装置、部构件、换热装置、气固分离装置和固体颗粒加卸载装置等组成。常用流化床反应器有两种，一种是有

7、固体物料连续进料和出料的装置，用于 固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。例如催化裂化过程，催化剂 在几分钟即显著失活，需用装置不断将其分离后进行再生。另一种是无固体物料 连续进料或出料装置，用于固体（催化剂）在长时间不发生明显变化的反应过程。流化床反应器是气-固相催化反应常用的一种反应器。反应气出口一 防爆板匸"反应段 导向扌当板尸L分布板扩大段料腿冷却管进料瓷锥辰菽风分离器图I :丙烯睛流化床反应器示意图丙烯睛反应所采用的流化床就属于后一种，催化剂长期不发生明显变化，且 进料都是气体。液态的丙烯与液氨经过气化后,在管路中汇合后经反应器底部的 丙烯、氨分布器进入反应器，压缩

8、空气经反应器底部的空气分布器进入反应器, 定的流动速度使催化剂颗粒呈悬浮状态,三种物料在处于流化状态下的催化剂 的作用下，生成丙烯月青。与固定床反应器相比Z丙烯睛流化床反应器具有以下优点： 可以实现物料的连续输入和输出； 流体和颗粒运动使床层具有良好的传热性能,床层部遍度均匀，可在最 佳温度点操作,而且易于控制Z特别适用于强放热反应,此外,由于颗 粒的高热容和返混,能防止局部过热或过冷,操作比较稳定; 颗粒比较细小,有效系数高,可减少催化剂的用量； 压降區定，不易受异物堵塞;13.3流化床的一般控制方法对单器流化床的基本控制方法是流化床浓相区温度为被调参数,调节手段为 下列管换热器进水量和稳定

9、反应物料流量。在冷水流量变化较大情况下,应该用反应温度与冷却水流量串级调节,因为, 对流化床下部列管换热器来说Z冷却剂流量、温度等变化,对反应影响极大。对 中、上部列管换热器Z由于对反应影响小,冷却剂有些扰动影响不大。图2 :般流化床反应器的温度控制（此处还剩恩邦的一小部分，和柳旭聪的有点重合）2控制系统过程参数的选择及依据2.1原料的配比合理的原料配比，是保证丙烯購合成反应稳定、副反应少、消耗定额低，以 及操作安全的重要因素。2.1.1丙烯与氨的配比（氨比）在实际投料中发现，当氨比小于理论值1:1时,有较多的副产物丙烯醛生 成，氨的用量至少等于理论比。但用量过多也不经济,既增加了氨的消耗量,

10、又 增加了硫酸的消耗量，因为过量的氨要用硫酸去中和，所以又加重了氨中和塔的 负担。因此，丙烯与氨的摩尔比，应控制在理论值或略大于理论值,即丙烯:氨 =1:1-1.2 左右。2.1.2丙烯与空宅的配比（氧比）丙烯氨氧化所需的氧气是由空气带入的。目前，工业上实际采用的丙烯与氧 的摩尔比约为1：2 3 （大于理论值1:1.5 ） Z采用大于理论值的氧比，主要是为 了保护催化剂，不致因催化剂缺氧而引起失活。反应时若在短时间因缺氧造成催 化剂活性下降，可在540°C温度下通空气使其再生，恢复活性。但若催化剂长期 在缺氧条件下操作,虽经再生，活性也不可能全部恢复。2.1.3丙烯与水蒸宅的配比（水

11、比）丙烯氨氧化的主反应并不需要水蒸气参加。但根据该反应的特点,在原料中 加入一定量水蒸气有多种好处，如可促使产物从催化剂表面解吸出来，从而避免 丙烯購的深度氧化；若不加入水蒸气，原料混合气中丙烯与空气的比例正好处于 爆炸围,加入水蒸气对保证生产安全有利;水蒸气的热容较大,又是一种很好的 稀释剂,加入水蒸气可以带走大量的反应生成热,使反应温度易于控制;加入水 蒸气对催化剂表面的积炭有清除作用。另一方面，水蒸气的加入,势必降彳氐设备 的生产能力，增加动力消耗。当催化剂活性较高时,也可不加水蒸气，从目前工 业生产情况来看，当丙烯与加入水蒸宅的摩尔比为1:3时，综合效果较好。2.2 线速度及操纵变量的

12、选择对于固定床反应器,因为催化剂是固定的。流体实际上只能在催化剂颗粒间 的孔隙穿流Z不但催化剂的表面反应受到限制,降低了催化剂利用率。而且，床 层的温度分布不均匀，不能保证各部分都在最适宜的温度条件下进行化学反应。 如果减少颗粒大小,增加气流遍度,且让气流由下自上通过,当气流速度达到某 值以后，催化剂在床处于气流的湍动状态，大大增加了催化剂和气流的接触面 积Z既増加了催化剂的利用率，又改善了温度分布,这种固体在气流作用下产生 像流体一样流动状态称流化态。因此，在反应器尺寸结构一定的情况下，物料流量要保捋一定,以保证物料 流动的速度使物料达到湍动状态，保证催化剂的利用率。23 被控变量的选择:反

13、应器的温度温度是影响丙烯氨氧化的一个重要因素。当温度低于350oC时，几乎不生成 丙烯睛。遍度的变化对丙烯的转化率、丙烯購的收率、副产物氢鼠酸和乙購的收 率以及催化剂的空时收率都有影响。要获得丙烯睛的高收率,必须控制较高的反 应温度。丙烯氨氧化法生产丙烯睛时,除生成丙烯睛外,尚有多种副产物生成。在反 应过程中，副产物的生成Z必然降低目的产物的收率。这不仅浪费了原料,而且 使产物组成复杂化，给分离和精制带来困难，并影响产品质量。为了减少副反应, 提高目的产物收率，除考虑工艺流程合理和设备强化外，关键在于控制影响反应 的各个因素Z尤其是温度。反应温度C图3 :丙烯氨氧化法生产丙烯睛反应温度-产物曲

14、线如图所示仮应温度高，丙烯購单程收率高、副产少。但当反应温度过高时Z 合成物易深度氧化Z生成较多的C02 ,遍度难以控制;另外，若持续长时间的 高温Z还会缩短催化剂的寿命。生产中，实际温度控制在460oC左右，丙烯睛收 额得最大值同时Z流化床工作的好坏,可以明显地从反应温度上表现出来,当反应状况 良好时,反应温度易于控制。所以Z选择温度作为反应器的被控变量。3反应系统设计3.1反应设计参数丙烯流量：质量浓度99.5%以上Z年工作日：330天，回收率98% ,年产1 万吨,则丙烯購原料液的流量应该为1294.8kgh,丙烯睛物质的量流量为 24kmolh,则可以取丙烯的流量为25kmolh氨烯比

15、:1.15 : 1空烯比:10.5 : 13.2控制系统方框3.3仪表选型3.3.1 Slg变送器SK-SBW系列一体化遍度变送器是温度传感器与变送器的完美结合,以十 分简捷的方式把-200+1600 OC围的温度信号转换为二线制420mA DC 的电信号传输给显示仪、调节器、记录仪、DCS等，实现对温度的精确测量和 控制。一体化温度变送器是现代工业现场、科硏院所温度测控的更新换代产品Z 是集散系统、数字总线系统的必备产品。特点：超小型（模块44l8 ）体化,通用性强二线制420mA DC输出。传输距离远，抗干扰能力强。冷端、温漂、非线形自动补偿。测量精度高Z长期稳定性好。温度模块部采用环氟对

16、脂浇注工艺,适应于各种恶劣和危险场所使用。体化设计，结构简单合理，可直接替换普通装配式热电偶、热电阻。机械保护IP65 O采用热电偶温变，可免用补偿导线，降低成本液晶、数码管、指针等多种指示功能方便现场适时监控。现场环境遍度70 OC时，变送器和现场显示仪表可采用分离（隔离）式安装防爆等级：EXdnBT4s EXdnBT6、EXdnCT6o防护等级：IP54其技术指标如下：类别SK-SBW模块式遍变SK-SBW 体化温变准确度0.2%F.S O.5%F.S输入热电偶：B、S、T、K、J热电阻：PtIOO、PtIO、CUlOO、Cu50输出二线制 4-2OmA DC使用温度-25-85 OC （

17、体化 LCD 表头时 0-60 OC ）温度影响0.05% OC湿度5-95%RH现场显示无3 1/2LED 3 1/2LCD 0-100% 等分刻度显示精度无数字式：0.5级指针式:2.0级负载能力< 600 （额定负载250 ）外形尺寸44×1870 ×100 （中继器）选型要求：测温围：420OC50oC仪表使用要求：精度高，抗干扰,防震防潮防爆,方便温度测量和变送 测量环境：反应器部：易燃易爆Z有剧毒(要密封),强氧化,55KPa ;反应器外部：常温常压热电偶的选择:根据图中热电偶的测量围和线性度,选择镇锯-铜镇型热电偶。热电偶的时间常数为 60S(Imin)

18、O具体型号选择：安装接线保护固定盒管直温现元件扬结保护管说明号别材料显示形式径标志构特征SK-SB温度变送器WR热电偶Z热电阻M银错硅镣错NN標错僅硅KE银错铜银 E F铁铜標 J C铜铜镇 T P钳PtlOOC铜Cu50Y现场液晶显TF1无固定装置2固定螺纹3馳法兰4固定法兰5活络管接头式6固定螺纹锥形式7直形管接头式8固定螺纹管接头式9活动螺纹管接头式2防喷式3防水式4防爆式O16112216高铝质管32O高铝质管B隔爆无普通元件K铠装元件F防腐型N耐磨型SK -SBWREY240BKF型号选型型号选定为SK-SBWREY240BKF成本商家报价约为1000元/个3.3.2流量测量仪4类别

19、工作原理仪表名称可测流体种类适用管径mm测量精度安装要求、特点体积流呈计差流压呈式计流体流过 通管道中 的阻力件 时产生的 压力差与 流量之间 有确走关 系,通过测 呈差压值 求得趣-M-流式液、气蒸汽501000±1-2需直管段，压损大喷嘴50-500需直管段,压损中等文斤甲筲100 1200需直管段J压损小均谏管液、气蒸汽25-9000±1需直管段,压损小转子流呈计液、气4-150±2垂直安装靶式流呈计液、气、蒸汽15-200±1-4需直管段，弯管流呈计液、气+0.5-5需直管段，无压损式量成比例的电来质粉料2科氏质量流呈计液、 气±0.1

20、5间接式同时测体 积流呈和 流体密度 来计算质体积流量经密度补偿液、气±0.5温度、压力补偿流量计的比较如上图所示Z可选择均速管、转子流量计、靶式流量计、涡轮 流量计、超声波流量计等。综合考虑测量精度、成本控制等因素Z选择气体涡轮流量计,如图：其部分参数如下,公称口径：SilXC : DN4DN200插入式：DNlOO DN2000精度等级：WilzC : ±0.5 级，±1.0 级插入式：±1.5级、±2.5级，高精度的可达0.2级环境温度：-20OC 50oC介质温度：测量液体：-20OC 120OC测量气体：-20OC 80oC大气压力：

21、86KPa 106KPa公称压力：1.6 MPa、2.5MPa、6.4MPa、25Mpa使用时根据管道公称直径等因素进行口径选择,单个成本在IOO-IOOO元。4.3.1调节阀由于初设的流量较大,阀前后压差较大,选择高精度电动单座调节阀,该调节阀压降损失小,输出力稳定响应迅速Z流量系数大,流量特性精度高,调节围广。以某公司生产的系列产品为例:阀体形 式单座淞球型阀公称通径20*20Omm公称励PN16. 40、64bar法兰摘隹JB/T79.1-94. 79.2-9俸材 斜绣钢（Dh不洲（久B）等上阀盖标准型:-17-23OOC散热型：4045（C低温型:-60-196oC波纹管童封型:-40

22、-35OOC阀盖形式累式埴 科V型漿四氟乙烯埴料.含浸霆四氮乙烯石楼課k石棉纺织嫌k石圏亘料闻内组件侗芯型式且座柱塞型阀芯事百分材科'1FTO(ICrl6Ni9TL 1Cr18Ni12M02TL 17-4PK 9018、316L).不锈网堆司太莱合金、钛 耐雕TiBc项目定位器带定垃器坯題±5.0+1.0回差<3.0<1.0死区3.0<0.4姒点腿始点土 2.5+1.0终点±5.0±1.0始点±5.0±1.0±2.5±1.0%<2.5ffiiSlhOQl %X阀擁容垦可调范围R30:1为使调节

23、过程平稳缓和，选用等百分比流量特性。介质为气体时,S =丄£ = 1_0.46竺43% PgPI且由于CV=VYIKVI粗取Pl=25bar, P2=10bar,可得丙烯和氨气的流量系数为2.23和3.14 ,空气流量系数为37.07o瀬定汛磁Kg倾定行配用执彳亍机构型吕.允训E差公称通径DN(mm)253240506580WO125150200阀 S径 DNonE253240506580100125150200813223250801202002&0450厅程L (mm)16204060礙晰WW号381 LS/XA-20381 LS/XA-30381 LS/XA-50381

24、 LS/XA-65允许压差bar)30201820.511.66.74.73.92.61.6苗注:对于波纹管密封调节阀矽IObar.吮许压羣为IOb衍r表中数值若小于IObQr则林r STlObarWJ取撕亍删型式381 LSA-O8381 LSA-20381 LSB-30381 LSB-50381 LSC-65381 LSC-99381 LSC-160活塞直径381 LXA08381 LXA-20381 LXB-30381 LXB-50381 LXC-65381 LXC-99381 LXC160揃出力推(N)800200030005000&500IOOOO16000最大行程:L(mm

25、)3060100工作醪mms)4.22.13.51.72.82.01.0主电源电压:220W50H渐入信号:4-2OmASJGl-SV DC出信号:4-2OmADC防护等级:相为IP55圖爰标志：EXdll BT4手接功能：手柄环境温度；-25 +70°C环境湿度；95%所以，对于丙烯和氨，选调节阀口径为DN25 ,配用执行机构为381 LS/XA-20 ,正常工作时阀门开度为27.9%和39.3%;对于空气Z选调节阀口径为DN65 ,配用执行机构为381 LS/XA-50 ,正常 工作时阀门开度为74.1%o4.3.2 PlD调节器因为我们要控制的都是流量调节阀,因此我们选择了由苏

26、科仪表生产的SK -808/900系列中的智能调节器，它是控制流化床反应器时常用的一种调节器。matt8ocSK - 808/900系列智能PID调节仪与各类传感器、变送器配合使用Z实现 对温度、压力、液位、容量、力等物理量的测量显示、智能PID调节仪并配合 各种执行器对电加热设备和电磁、电动、气动阀门进行PID调节和控制、报警 控制、数据采集、记录。该调节器有以下特点：(1) 万能输入功能(2) 自动校准和人工校准功能(3 )手动/自动无扰动切换功能(4 )可选择适应加热或制冷的正/反作用(5)控制输出信号限幅(6 )智能PlD调节仪采用模糊控制理论和传统PlD控制相结合的方式,使 控制(7

27、 )过程具有响应快、超调小、稳态精度高的优点，对常规PlD难以控制的大纯滞后对象有明显的控制效果(8 )智能PlD调节仪增加了 30段程序控制功能主要技术指标：基本误差：0.5%FS或0.2%FS±l个字分 辨力：1/20000、14位A/D转换器显示方式：双排四位LED数码管显示采样周期:0.5S报警输出：二限报警，报警方式为测量值上限、下限及偏差报警，继电器输出触点容量AC220V/3A控制输出：继电器触点输出固态继电器脉冲电压输出(DCl2V30mA )单相/三相可控硅过零触发单相/三相可控硅移相触发模拟量4 20mA、0 IOmAS 1 5V、0 5V控制输出通讯输出：接口方

28、式一隔离串行双向通讯接口RS485RS422RS232MOdem波特率-300 960ObPS部自由设定馈电输出：DC24V30mA电 源：开关电源85265VAC功耗4W以下 选型表：SK-808/9OO智能PlD调节仪外型尺寸A横式 16080l25mmA/S竖式 80×160×125mmB方式 96×96×110 mmC横式 96×48×110 mmC/S竖式 48×96×110mmD方式 72×72×110 mm报警输出BBl-I个报警点，B2-2个报警点控制输出N无控制输出L继电器控制

29、输出G固态继电器输出KI单相可控硅过零触发K2三相可控硅过零触发K3单相可控硅移相触发K4三相可控硅移相触发Xl4-2OmA输出X2O-IOmA输出X31-5出X40-5V输出通讯输出P微型打印机R串行通讯RS232S串行通讯RS485变送器配电电源无馈电输出V12带DC12V馈电输出V24带DC24V馈电输出供电电源220VAC供电WDC24V供电输入信号Sn见"输入信号类型表"输入类型表參龌示符输入信号容蜩提示符输入信号容tc-KK型rtd0-400tc-SS型1000PtIOOOtc-EE型bAlBAItc-bB型bA2BA2tc-tT型0-500-5OmAtc-nN

30、型0-5V0-5Vtc-jJ型1-5V1-5VPIOOPtIOO0-200-2OmAClOOCUlOO0-10O-IOmACu50Cu504-204-2OmA根据以上表，结合变送器的输岀方式及执行器的输入方式，我们选择CBlXlRV24WCu50代码组合的调节器5丙烯睛控制系统仿真及性能评价6丙烯睛反应器控制成本分析，应用前景6设计历程及总结反应系统设计的任务经历了 10周左右的时间，为我们设计真正的反应器打 下了基础Z做了一个良好的铺垫。初期设计遇到了很多困难：我们选择设计反应器的控制系统，并定下了基本 的原则选择一个具体的化工生产中的化学反应并在对现代工厂的控制方案 以及各类化学反应不甚了解的情况下选择了生产尿素的反应器的控制,搜索到一 些资料之后，发现大部分都是及其复杂的控制系统，作为过程装备控制系统设计 的初学者,衡量过自己已有的知识储备。中期设计,我们遭遇更多的是不确定性分析出反应器温度和不同物料流量 的比值是反应的决定性因素后Z又通过查阅文献，设计出一个串级+比值的控制 系统，经过定性分析,我们认为这样的组合能达到较好的控制，但却也不知这样 的控制是否能达到良好的控制效果。同时我们进行了