180kta丙烯腈回收和精馏工段工艺的初步的设计

第一章总论1.概述1.1选题依据丙烯腈在有机化工中扮演重要角色，丙烯系的聚合物都离不开它，ABS塑料、苯乙烯塑料、聚丙烯腈纤维都是其主要的下游产品。丙烯腈的高分子聚合的性质十分显著，广泛应用于建筑以及精细化工行业。1.2生产意义及作用丙烯腈是聚合性质十分突出，下游产品很多。合成羊毛，既腈纶，就是一种以丙稀腈作为原料制得的纤维;在新材料领域的应用上，以丙烯腈为原料的ABS树脂，可与多种树脂配混为共混物，也是最近新材料的研究热点;丙烯腈还可电解加氢偶联制得己二腈,由己二腈加氢又可制尼龙66的原料己二胺[1]。丙烯腈下游产品品系繁杂，加之近几年新工艺与新产品的不断问世，世界范围内的丙烯腈是供不应求的。我国也不例外，并且每年丙烯腈的需求量还在稳步增长。与高需求量所不符合的是我国的丙烯腈产能的严重不足，大量依赖进口。为了响应国家号召，抓紧产业升级和供给侧结构改革，将产能抓在自己手里，建设一个大型丙烯腈生产装置是必要的。1.3丙烯腈物理性质丙烯腈，英文名Acrylonifrile（简称为ACN），化学分子式：CH2=CH-CN；分子量：53.1。无色或淡黄色液体，有特殊气味，沸点：77.3℃冰点：－83.5℃生成热：184.2kJ/mol(25℃)燃烧热：1761.5kJ/mol聚合热：72.4kJ/mol蒸汽压：11.0KPa(20℃)闪点：0℃自燃点：481℃爆炸极限在空气中3.0%～17%（体积）/水分配系数的对数值为-0.92毒性：剧毒，毒作用似氢氰酸溶解性：溶于丙酮、苯、四氯化碳、乙醚、乙醇等有机溶剂，微溶于水[2]。1.4丙烯腈化学性质丙烯腈由于分子结构带有C=C双键及-CN键，所以化学性质非常活泼，可以发生加成、聚合、腈基及氢乙基化等反应[3]。在丙烯腈的C=C双键上会发生加成反应和聚合反应，纯丙烯腈在光的作用下能自行聚合，所以会加相对少量阻聚剂在丙烯腈成品及丙烯腈生产过程中，如对苯酚甲基醚（阻聚剂MEHQ）、对苯二酚等。除发生自聚外，丙烯腈还能与苯乙烯、丁二烯、乙酸乙烯、丙烯酰胺等发生共聚反应，由此可制得合成纤维、塑料、涂料和胶粘剂等[4]。丙烯腈经电解加氢偶联反应可以制得已二腈。氰基的水解、醇解等都是氰基反应。而丙烯酰胺，则由丙烯腈和水制得。氰乙基化反应是丙烯腈与醇、硫醇、胺、氨、酰胺、醛、酮等反应；1，3丙二胺可由丙烯腈与氨反应制得，该产物可用作纺织溶剂、聚氨酯溶剂和催化剂。1.5国内外发展前景及发展状况国外情况近年来随着丙烯腈下游产品腈纶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/苯乙烯（ABS/AS）、丙烯酰胺、丁腈橡胶和丁腈胶乳、己二腈和己二胺等方面的发展[5]。最近二十年丙烯腈的产量都在稳步增长。世界主要生产商及产能见表1-1。表1-1世界丙烯腈需求及预测（万吨）地区2001年2002年2003年2004年2005年2010年中东303030303535亚洲230250270280315340拉丁美洲202025253030北美洲706045454070欧洲130130130125100100全世界约480约490约500约510约520约550我国曾经从国外引进多台丙烯腈的生产装置，基本上都用于中石油中石化等炼油企业，这也从侧面说明，丙烯腈是炼油项目的重要环节。表1-2我国丙烯腈主要生产装置及2012年产量（万吨每年）生产厂商2012年产量备注中国石油大庆炼化公司84.8丙烯酰胺中国石油大庆石化公司85腈纶/ABS中国石油抚顺石化公司80.3腈纶中国石油吉林石化公司298.7ABS中国石化上海石化分公司143.2腈纶中国石化安庆石化分公司77.4腈纶上海赛科石油化工股份有限公司254.8中国石化齐鲁石化分公司102.6腈纶齐泰化工责任有限公司8.0中国石油兰州石油化工公司24.6丁腈橡胶/ABS合计1159.4改革开放以来我国的丙烯腈的产量增加了将近15倍。在经济快速的增长的情况下，我国的丙烯腈的产能也在不断增长，但还尚未达成丙烯腈的完全自给，每年仍需大量进口来填补丙烯腈的产能缺口。表1-32012年中国大陆丙烯腈主要进口情况国家或地区进口量/kt所占比例，%美国147.026.5韩国148.026.6中国台湾120.021.6日本96.017.3俄罗斯17.03.0其他27.45.0合计55.4100从表1-3可以看出，我国每年都要从日美韩等地进口55.4吨丙烯腈来填补产能缺口。1.6丙烯腈生产工艺1.6.1环氧乙烷法工艺环氧乙烷法是早期的丙烯腈的合成方法，在环氧乙烷中引入羟基和氰基，然后脱水便得到了丙烯腈。但是因为氰酸的高成本以及存在剧毒，生产成本被堆高，因此如今已经被淘汰。1.6.2丙烷氨氧化法以美国BP公司、日本三菱化成公司为代表的主要丙烯腈生产商开始了以丙烷为原料的生产丙烯腈的技术开发工作。该技术主要合成工艺有两种：一是BP

公司开发的丙烷直接氨氧化法，在特定的催化剂下，以纯氧为氧化剂，同时进行丙烷氧化脱氢和丙烯氨氧化法反应[6]；二是三菱化成公司开发的独特循环工艺，主要是丙烷氧化脱氢后生成丙烯，然后再以常规氨氧化法生产丙烯腈[7]。其主要特点是采用选择性烃的吸附分离体系的循环工艺，可将循环物流中的惰性气体和碳氧化物选择性除去，原料丙烷和丙烯100%回收，从而降低了生产成本[8]。1.6.3丙烯氨氧化法（sohio法）丙烯氨氧化法相比于环氧乙烷法更为成熟和经济实惠，全球90%以上的装置都采用了这种工艺。本工艺使用丙烯，氨、氧气三种原料直接一步催化生成丙烯腈，不过这种方法也存在副反应，会产生乙腈、氰酸、二氧化碳等副产物。具体反应如下图所示。丙烯氨氧化法是在室温下反应，使用流化床反应器，在反应器底部把原料以空气、丙烯、空气以10:1:1.5投入。由于反应体系会放出大量热量，因此需要大量撤热水来回收热量。待反应体系冷却下来，分离提纯之后便得到了高纯度的丙烯腈。1.7丙烯腈回收和精馏工艺选择从反应器气中出来的气体有大量丙烯腈与乙腈混合物，如使用蒸馏来分离二者，二者沸点差为4℃，相对挥发度为1.15，采用普通蒸馏方法分离需要的理论板太多。更好的办法是使用萃取精馏，由于乙腈能与水互溶，并且二者之间的极性差异，以水做萃取剂，通过影响丙烯腈与已经之间的相对挥发度从而达到萃取分离的目的。不同于传统萃取精馏，本设计选用侧线精馏塔技术，在萃取精馏塔中部抽出乙腈与水的混合物，其中的已经含量较高，可以大大节约热能。1.8主要原料及产品规格1.8.1原料指标表1-4原料指标序号原料名称指标名称指标单位控制指标丙烯含量（V/V）%乙烯含量1丙烯丙炔含量丙二烯含量丁烯和丁二烯含量丁烯和丁二烯含量总硫mg/kg总硫外观--无色透明液体外观2氨含量氨含量%氨含量残留物含量%1.8.2产品指标表1-5产品指标序号指标名称单位指标范围优级品一等品合格品1外观——透明液体，无悬浮物2色度：Pt-CO号≤5≤5≤103密度（20℃）0.800~0.8074酸度（以乙酸计）mg/kg2030——5PH值（5%的水溶液）——6.0~8.06滴定值（5%的水溶液）mL≤2.0≤2.0≤3.01.8.3副产品指标表1-6副产品指标名称项目单位指标氢氰酸氢氰酸×10-2（wt）>99.5丙烯腈×10-6（wt）<50乙腈乙腈×10-2（wt）=35丙烯腈×10-2（wt）=0.2氢氰酸×10-2（wt）=5稀硫铵液硫铵×10-2（wt）20-26重组分×10-2（wt）2.0-3.0总氰×10-6（wt）<1000第二章工艺流程设计2.1工艺流程简述本工艺采用丙烯氨氧化法生产丙烯腈。本工艺得到副产物乙腈和氰酸，还伴随少量杂质。但是胜在工艺简单，只需要简单的把原料投入到流化床反应器中即课，之后便能得到丙烯腈。工艺流程的工段主要都是预处理工段，只有一个主要反应工段。图2-1年产18万吨丙烯腈项目全流程模拟流程图2.1.1反应工段丙烯氨氧化反应工段主要包括一个流化床反应器以及撤热水系统。由于反应的主副反应都是放热反应，所以维持体系温度及时转移反应热就变得至关重要。本反应的反应温度435℃，反应过程中放出的热量由垂直安装在反应器内U形撤热水管中的撤热水引出，并产生一定温度、压力的过热蒸汽，供空气压缩机、制冷机驱动蒸汽透平。2.1.2磷铵急冷工段磷铵急冷工段由脱轻塔、解吸塔和氨精馏塔组成。富液进入脱轻塔脱除少量丙烯腈和已经等轻组分。之后的富液进行进一步解吸，可以在塔顶得到工业氨水。把工业氨水泵图案精馏塔继续精制在塔顶得到99.6%的无水氨，以提升经济效应。2.1.3乙腈精制工段乙腈精制装置工艺流程由三塔一釜组成组成。第二脱氰塔塔顶蒸出的氢氰酸等物质送去焚烧处理单元。化学处理釜脱氢氰酸的乙腈从T-201以气相侧线抽出，在化学处理釜处理后的物料进入减压共沸塔。由于乙腈和水二者是互溶体系，只能通过在减压和加压共沸塔里改变压力来影响体系的共沸点，来进行脱水。2.1.4四效蒸发工段由于反应会产生大量有毒废水，所以需要将废水进行焚烧处理。在四效蒸发工段可以将有毒废水进行浓缩分级从而方便进入急冷塔去进行焚烧。由于蒸发大量水需要消耗大量能量，而浓缩后的废水减少了含水量，降低了焚烧时的能耗。2.2丙烯腈回收精馏工段模拟图2-1丙烯腈回收精馏工段模拟急冷塔顶部的气体在骤冷塔的冷却器中进一步冷却至40°C，冷凝水通过冷凝水冷却器冷却至10℃并注入吸收塔的中间最终选用数据为吸收塔30块理论板，吸收水用量305000kg/hr，气体由塔底进入，液体部分冷却至10℃后由塔中部第15块板处进料。本工艺应该控制塔顶的乙腈的浓度，若乙腈与丙烯腈混合进入之后的工段将无法有效分离。根据《操作工》的指标，塔顶的油相乙腈不能超过200ppm。由于侧线乙腈的技术的存在，取消了解析塔，节省了大量热能。复合塔的工艺为乙腈从侧线采出，采出气相进入乙腈塔，乙腈塔为乙腈与水初分离的装置。由于整个系统会作为大循环，因此乙腈塔应将大部分乙腈采出，否则，后续接好循环后，乙腈的浓度会大幅攀升，将无法保证成品塔中乙腈的浓度水平。因此设计此侧线时需要考虑乙腈的回收率。侧线出料的位置将会影响塔顶丙烯腈、氢氰酸的回收率，同时，受乙腈精制单元所限，侧线出料不能夹带过多的丙烯腈及氢氰酸，根据《操作工》给出的工艺指标，乙腈塔顶馏出物的丙烯腈含量必须少于0.15%。最终选择侧线出料量为5200kg/hr，设计结果乙腈塔顶馏出物丙烯腈浓度为582ppm，ACN浓度为48.2%，氢氰酸含量为953ppm。回收塔顶丙烯腈浓度为84.7%，乙腈含量为123ppm，基本满足要求。回收塔和脱氰酸塔都设置了分层器，目的是借用丙烯腈与水部分互溶的性质来去除体系里的水分。尽管成品塔内的产品浓度很高，但是轻组分此时为共沸物，难以采集，需要中间侧线气相出产品。若仅有丙烯腈与水，则采出液相丙烯腈浓度更高，之所以采出气相，主要是考虑聚合物等重组分的影响[9]。在丙烯腈精制段中，精制回收率为91.6％。将乙腈精制阶段的乙腈与反应器出口进行比较，乙腈的回收率为98.62%，氢氰酸的回收率为96%。2.2.1物料回流主要设备的参数及模拟结果如表2-1～2-6所示。表2-2T102参数模拟结果设备名称关键结果吸收塔理论板数30进料位置13115塔顶采出（kmol/h）3210.333回流比0塔顶温度（℃）4.2塔底温度（℃）4.2操作压力（atm）1表2-3T103参数模拟结果设备名称关键结果萃取精馏塔理论板数50进料位置1252534塔顶采出（kmol/h）780.583馏出物进料比0.05246塔顶温度（℃）81.3塔底温度（℃）115.2操作压力（atm）1表2-4T104参数模拟结果设备名称关键结果乙腈塔理论板数30进料位置31塔顶采出（kmol/h）47.239回流比5塔顶温度（C）79.5塔底温度103.4操作压力（atm）1表2-5T105参数模拟结果设备名称关键结果脱氢氰酸理论板数30进料位置1322塔顶采出（kmol/h）1146.02回流比5塔顶温度（℃）0塔底温度（℃）76.6操作压力（atm）0.78表2-6T106参数模拟结果设备名称关键结果成晶塔理论板数25进料位置15塔顶采出（kmol/h）287.045回流比45塔顶温度（℃）38.6塔底温度（℃）45.7操作压力（atm）0.3第三章物料衡算3.1衡算方法物料衡算是根据质量守恒定律，利用某进出化工过程中某些已知物流的流量和组成，通过建立有关物料的平衡式和约束式，求出其他未知物流的流量和组成的过程[10]。系统中物料衡算一般表达式为：系统中的积累=输入-输出+生成-消耗式中，生成或消耗项是化学反应消耗和生成的能量；不同的过程有积累量的情况不同。而积累量为零时，称为稳定状态过程。稳定状态过程时，可以简化为：输入=输出-生成+消耗对无化学反应的稳定过程，又可表示为：输入=输出3.2回收系统物料衡算图3-1回收系统工艺路线图表3-1回收系统总物料衡算入口出口物流编号111131132+循环水114116物流说明吸收后富水溶剂水塔釜液粗丙烯腈粗乙腈Temperature（℃）66.068.0115.23833540.679.5Pressure（bar）1.7001.2001.71.0201.100VaporFrac0.0000.00000.0000.000MoleFlow（kmol/hr）19628.0677775.04226865.6834489.47247.239MassFlow（kg/hr）67323.646140364.32485011.3121484.6471167.30VolumeFlow（cum/hr）396.538147.789538.69876827.9171.598Enthalpy（Gcal/hr）-1280.881-524.563-1788.50799.212-2.051MassFlow（kg/hr）C3H60.2740.0001.589e-260.0110.000C3H80.1340.0005.4026e-190.0020.000NH30.0000.00000.0000.000O20.1490.0001.948e-190.0020.000N28.3150.0004.297e-200.0510.000AN18205.3880.0002.8493e-1318203.4050.680ACN565.1000.1140.394423732.651562.168HCN1923.6720.0001.7803e-101919.6461.113ACL0.0000.00000.0000.000H2O345711.750140000.00483752.4471355.748603.344CO0.1300.0003.6419e-180.0010.000CO214.3730.0003.0584e-203.0310.000MAP0.0000.00000.0000.000DAP0.0000.00000.0000.000C4H5NO401.138163.330564.3725750.0950.0002AN493.222200.878694.0968950.0040.000NAOH0.0000.00000.0000.000C4H4N20.0000.00000.0000.000NACN0.0000.00000.0000.000H3O+0.0000.00000.0000.000NA+0.0000.00000.0000.000NAOH(S)0.0000.00000.0000.000NAOH:(S)0.0000.00000.0000.000NACN(S)0.0000.00000.0000.000CN-0.0000.00000.0000.000OH-0.0000.00000.0000.000NACL0.0000.00000.0000.000MassFracC3H60.0000.0003.2762e-320.0000.000C3H80.0000.0001.1139e-240.0000.000NH30.0000.00000.0000.000O20.0000.0004.0164e-250.0000.000N20.0000.0008.8596e-260.0000.000AN0.0500.0005.8748e-190.8470.001ACN0.0020.0008.1323e-070.0000.482HCN0.0050.0003.6706e-160.0890.001ACL0.0000.00000.0000.000H2O0.9410.9970.997404470.0630.517CO0.0000.0007.5089e-240.0000.000CO20.0000.0006.3058e-260.0000.000MAP0.0000.00000.0000.000DAP0.0000.00000.0000.000C4H5NO0.0010.0010.001163620.0000.0002AN0.0010.0010.001431090.0000.000NAOH0.0000.00000.0000.000C4H4N20.0000.00000.0000.000NACN0.0000.00000.0000.000H3O+0.0000.00000.0000.000NA+0.0000.00000.0000.000NAOH(S)0.0000.00000.0000.000NAOH:(S)0.0000.00000.0000.000NACN(S)0.0000.00000.0000.000CN-0.0000.00000.0000.000OH-0.0000.00000.0000.000NACL0.0000.00000.0000.0003.3丙烯腈精制系统物料衡算图3-2丙烯腈精制系统工艺路线图表3-2丙烯腈精制系统物料衡算入口出口物流编号114119124125126121物流说明粗丙烯腈氢氰酸共沸物丙烯腈成品重组分废水Temperature（℃）40.60.038.645.147.235.5Pressure（bar）1.0200.7800.3000.3240.3301.050VaporFrac0.0000.0000.0001.0000.0000.000MoleFlow（kmol/hr）489.47270.9506.500333.6132.09376.125MassFlow（kg/hr）21484.6471918.022300.00017700.000117.7191446.940VolumeFlow（cum/hr）27.9172.6760.38627268.9470.1491.523Enthalpy（Gcal/hr）9.2121.7400.10414.8430.077-4.952MassFlow（kg/hr）C3H60.0110.0020.0000.0000.0000.000C3H80.0020.0000.0000.0000.0000.000NH30.0000.0000.0000.0000.0000.000O20.0020.0000.0000.0000.0000.000N20.0510.0010.0000.0000.0000.000AN18203.4050.000276.87917696.432104.383111.223ACN2.6510.0000.0092.5680.0270.047HCN1919.6461916.0280.0670.0000.0002.911ACL0.0000.0000.0000.0000.0000.000H2O1355.7480.23423.0450.9980.0001331.470CO0.0010.0000.0000.0000.0000.000CO23.0311.7550.0000.0000.0000.000MAP0.0000.0000.0000.0000.0000.000DAP0.0000.0000.0000.0000.0000.000C4H5NO0.0950.0000.0000.0000.0860.0082AN0.0040.0000.0000.00013.2231.281NAOH0.0000.0000.0000.0000.0000.000C4H4N20.0000.0000.0000.0000.0000.000NACN0.0000.0000.0000.0000.0000.000H3O+0.0000.0000.0000.0000.0000.000NA+0.0000.0000.0000.0000.0000.000NAOH(S)0.0000.0000.0000.0000.0000.000NAOH:(S)0.0000.0000.0000.0000.0000.000NACN(S)0.0000.0000.0000.0000.0000.000CN-0.0000.0000.0000.0000.0000.000OH-0.0000.0000.0000.0000.0000.000NACL0.0000.0000.0000.0000.0000.000MassFracC3H60.0000.0000.0000.0000.0000.000C3H80.0000.0000.0000.0000.0000.000NH30.0000.0000.0000.0000.0000.000O20.0000.0000.0000.0000.0000.000N20.0000.0000.0000.0000.0000.000AN0.8470.0000.9231.0000.8870.077ACN0.0000.0000.0000.0000.0000.000HCN0.0890.9990.0000.0000.0000.002ACL0.0000.0000.0000.0000.0000.000H2O0.0630.0000.0770.0000.0000.920CO0.0000.0000.0000.0000.0000.000CO20.0000.0010.0000.0000.0000.000MAP0.0000.0000.0000.0000.0000.000DAP0.0000.0000.0000.0000.0000.000C4H5NO0.0000.0000.0000.0000.0010.0002AN0.0000.0000.0000.0000.1120.001NAOH0.0000.0000.0000.0000.0000.000C4H4N20.0000.0000.0000.0000.0000.000NACN0.0000.0000.0000.0000.0000.000H3O+0.0000.0000.0000.0000.0000.000NA+0.0000.0000.0000.0000.0000.000NAOH(S)0.0000.0000.0000.0000.0000.000NAOH:(S)0.0000.0000.0000.0000.0000.000NACN(S)0.0000.0000.0000.0000.0000.000CN-0.0000.0000.0000.0000.0000.000OH-0.0000.0000.0000.0000.0000.000NACL0.0000.0000.0000.0000.0000.000第四章热量衡算4.1热量衡算原则设计依据化工设计中关于热量的衡算，都尽量在实际工程情况与理论计算情况之间寻找一个平衡点。其中一个主要依据是能量平衡方程：其中，——表示输入设备热量的总和；——表示输出设备热量的总和；——表示损失热量的总和。对于连续系统：Q+W=∑Hout-∑Hin其中，Q——设备的热负荷。W——输入系统的机械能。∑Hout——离开设备的各物料焓之和。∑Hin——进入设备的各物料焓之和。在进行热量衡算时，是以单元设备为基本单位，考虑由机械能转换、化学反应释放和单纯的物理变化带来的热量变化。最终对整个工艺流程进行全方位的热量平衡计算，然后用来开展节能降低耗损的设计工作。4.2回收系统热量衡算表4-1回收系统部分换热器热量衡算来源说明热负荷[Gcal/hr]E116回收塔冷凝器-7.2152E117回收塔再沸器33.9077E118乙腈塔冷凝器-2.6139E110回收塔尾气冷凝器-0.0033总计24.0753表4-2回收系统能量衡算入口出口物流编号111131132+循环水114116V110物流说明吸收后富水溶剂水塔釜液粗丙烯腈粗乙腈回收塔顶尾气Temperature（℃）66.068.0115.240.679.510.0Pressure（bar）1.7001.2001.71.0201.1001.02VaporFrac0.0000.00000.0000.0001.000MoleFlow（kmol/hr）19628.0677775.04226865.6834489.47247.2390.715MassFlow（kg/hr）367323.646140364.322485011.3121484.6471167.30524.768VolumeFlow（cum/hr）396.538147.789538.69876827.9171.59816.509Enthalpy（Gcal/hr）-1280.881-524.563-1788.5089.212-2.051-0.021∑Hin(Gcal/hr)-1805.444∑Hout(Gcal/hr)-1781.368表4-3热量平衡计算一览表QHinHoutError24.075-1805.444-1781.3684.1537E-054.3丙烯腈精制系统热量衡算表4-4丙烯腈精制系统部分热量衡算来源说明热负荷[Gcal/hr]E111脱氢氰酸塔进料预热器0.2775E119脱氢氰酸塔冷凝器-2.7848E120脱氢氰酸塔再沸器3.4329E112脱氢氰酸塔侧线冷却器-0.7510E121成品塔冷凝器-2.5125E122成品塔再沸器4.9365总计2.5986表4-5丙烯腈精制系统能量衡算入口出口物流编号114V-106119124125126121物流说明粗丙烯腈脱氰塔不凝气氢氰酸共沸物丙烯腈成品重组分废水Temperature（℃）40.60.00.038.645.147.235.5Pressure（bar）1.0200.7800.7800.3000.3240.3301.050VaporFrac0.0001.0000.0000.0001.0000.0000.000MoleFlow（kmol/hr）489.4720.05570.9506.500333.6132.09376.13MassFlow（kg/hr）21484.6471.9781918.022300.00017700.000117.7191447VolumeFlow（cum/hr）27.9171.5952.6760.38627268.9470.1491.523Enthalpy（Gcal/hr）9.212-0.0021.7400.10414.8430.077-4.952∑Hin(Gcal/hr)9.212∑Hout(Gcal/hr)11.810表4-6热量平衡计算一览表QHinHoutError2.5989.21211.8101.9900E-04第五章设备选型及计算5.1塔设备设计5.1.1概述在化工、石油化工及炼油中，由于炼油工艺和化工生产工艺过程的不同，以及操作条件的不同，塔设备内部结构形式和材料也不同。在化工厂的建设过程中，塔设备所占据的费用一般都在整个设备的四分之一以上。塔设备所耗用的钢材料重量在各类工艺设备中所占的比例也较多，例如在年产250万吨常压减压炼油装置中耗用的钢材重量占62.4%，在年产60~120万吨催化裂化装置中占48.9%。因此，塔设备的设计和研究，对石油、化工等工业的发展起着重要的作用。5.1.2.塔型的类型与选择板式塔和填料塔的比较表5-1板式塔和填料塔性能比较塔型填料塔板式塔压降压降小，适于要求压力降小的场合一般比填料塔大空塔气速空塔气速较大空塔气速较小塔效率塔径越大，效率越低但是在1.4m以下效率较高效率稳定、大塔效率比小塔有所提高液-气比对液体喷淋量有一定要求适用范围较大持液量较小较大安装、检修较困难较容易材质金属及非金属耐腐蚀材料均可一般用金属材料制作造价小直径塔造价低，直径越大越贵大直径时一般比填料塔造价低重量重较轻综合考虑两种塔的特点，工艺要求，建设时的制造难度，落成后的维护工作，最终选择板式精馏塔。5.1.3塔板性能比较及应用范围板式塔分为穿流式与溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不稳定，很少使用。各种塔板的性能比较表5-2各种塔板性能比较塔盘型式结构优点缺点主要应用范围泡罩塔圆形泡罩复杂弹性好无泄漏费用高、板间距大、压力降比较大用于具有特定要求的场合浮阀塔条形浮阀简单操作弹性较好；塔板效率较高；处理能力较大没有特别的缺点适用于加压及常压下的气液传质过程穿流型筛板(溢流式)简单正常负荷下的效率高；费用最低；压力降小稳定操作范围窄；要么扩大孔径，否则易堵物料；容易发生液体泄漏适于处理量变动少且不析出固体物的系统波纹筛板简单比筛板压力降稍高，但具有同样的优点；气液分布好栅板简单处理能力大；压力降小；费用便宜适用于粗蒸馏各种塔板的应用范围表5-3各类塔盘的处理能力比较塔盘类型塔板效率处理能力操作弹性压降结构成本泡罩板1.01.051复杂1筛板1.2~1.41.430.5简单0.4~0.5浮阀板1.2~1.31.590.6一般0.7~0.9舌型板1.1~1.21.530.8简单0.5~0.65.1.4设计结果（1）塔设备选择厂区共需要选择八个塔，并对T103萃取解析塔详细设计。（2）流体力学数据精馏塔的精馏段和提馏段的计算方法不同，并且变径塔和等径塔计算方法也不同。在这个项目里，由于两段的热状态不同，应当采用变径塔，所以计算时精馏他和提馏段应分别计算，所以都选用提馏段和精馏段的符合最大的两块板进行计算。表5-4计算用流体力学数据板数液相温度气相温度液相流速气相流速液相密度气相密度液相粘度气相粘度液相表面张力℃℃cum/hrcum/hrkg/cumkg/cumcPcPdyne/cm965.94866.951174.17333344.82922.5491.1270.4250.0089863.56928563493.47493.502485.16373603.95925.0210.4730.3010.0123359.503406以第一个塔为例，进行计算。5.2计算塔径初选塔板间距设溢流堰的高堰上清液层高度板上液层高度想要求塔径应该先求出空塔气速u，而根据化工原理下册160页的公式，可知式中—液相密度，kg/m3；—气相密度，kg/m3；—极限空塔气速，m/s；C—负荷系数，m/s。史密斯关联图如下：可查表得：表面张力为22.3mN/m，则：则最大允许空塔速度：为避免雾沫夹带及液泛的发生，一般情况在此取安全系数0.8，所以，初算塔径圆整后取D=2.8mm。塔板间距HT，一般都根据经验选取。设计时通常根据塔径的大小，由下表列出的塔板间距的经验数值选取。5-5踏板间距的经验数值塔径D/m0.3~0.50.5~0.80.8~1.61.6~2.02.0~2.4>2.4板间距Ht/mm200~300300~350350~450450~600500~800>800对应板间距范围为≥800mm，故满足条件，假设成立。实际塔载面积：实际空塔气速：与上述计算过程相同，得到下段塔的塔径为4.5m。5.3塔高的计算（1）实际塔板模拟数据得出，N=98（2）塔顶空间高HD塔顶空间高度一般取1.0~1.5m，这里取HD=1m。（3）塔板间距HTHT=0.8m（4）开设人孔的板间距HT由于开设了人孔，应当满足HT≥600mm，这里取H‵T=800mm。（5）人孔数S这里取8块板设置一个人孔，塔板人孔数应该是12个，再加上塔顶与塔底的人孔，总共是13个（6）进料段空间高度HF一般HF要比HT大，取HF=1m。（7）塔底空间高度HB塔底空间不宜太小，最好预留10ml左右的储量，以免生产时塔底液被排干净。对于塔底产量较大的塔，塔底容量可取小些，取2~5min的储量。取塔底空间高度为1.5m。（8）裙座高度筒体高度大于10m，塔径1.4m>1m，故采用圆柱形裙座（9）封头高度H2=0.9m。综上所述，总的塔高H=91.7m5.4塔体结构设计表5-6塔体计算结果参数上段塔下段塔塔板编号(实际)1—4849—98塔板层数4850塔内径，m2.84.5板间距，mm800800液流程数22Ａd/Ａt,%12.111.6开孔率,%10.10.堰长，mm1760/27892793/4483堰高，mm5050底隙/侧隙，mm50/5050/50降液管宽，mm311/252486/393受液盘宽，mm311/252486/393受液盘深，mm6060堰型平堰平堰塔板形式圆形浮阀圆形浮阀塔板编号1#—48#1#—50#溢流强度，m3/mh49.16109.16停留时间，s12.448.75降液管液泛，%40.1553.85阀孔动能因子，(m/s)(kg/m3)0.513.8911.48单位塔板压降，Pa903.40860.51降液管内线速度,m/s0.060.09降液管底隙速度,m/s0.300.64基本信息1项目名称18万吨丙烯腈厂7校核人2装置名称萃取精馏塔8日期2018-5-203塔的名称T103上段9说明4塔板编号(实际)1#—48#10计算选用的理论版24#5塔板层数4811塔板编号(理论)1#—24#6塔板形式圆形浮阀12分段说明上段塔工艺设计条件液相气相1质量流量kg/h154513.597质量流量kg/h41290.412密度kg/m3893.118密度kg/m31.803体积流量m3/h173.019体积流量m3/h22973.384粘度cp0.3210粘度cp0.015表面张力dyn/cm59.8211安全因子/0.826体系因子/0.9512充气因子/0.60塔板结构参数1塔径m2.806孔数#515.712板间距m0.80007开孔密度#/m2137.793塔截面积m26.15758溢流程数/24开孔区面积m23.74279堰的形式/平堰5开孔率%10.00溢流区尺寸两侧中心1降液管面积比%12.1411.422堰径比%62.8499.603降液管顶部宽度m0.31100.25164弯折距离m0.05250.10505降液管底部宽度m0.25850.14666受液盘深度m0.06000.06007受液盘宽度m0.31100.25168堰高m0.05000.05009降液管底隙m0.05000.050010降液管顶部面积m20.74750.703511降液管底部面积m20.56980.410212顶部堰长m1.75952.788713底部堰长m1.62102.796214进口堰高度m15进口堰宽度m圆形浮阀参数1浮阀孔径m0.03952单阀重量kg0.03363748工艺计算结果正常操作150%操作50%操作1空塔气速m/s1.03641.55460.51822空塔动能因子m/s(kg/m3)^0.51.38942.08410.69473空塔容量因子m/s0.04650.06980.02334孔速m/s10.363715.54565.18195孔动能因子m/s(kg/m3)^0.513.894020.84116.94706漏点气速m/s3.72963.72963.72967漏点动能因子m/s(kg/m3)^0.55.00005.00005.00008相对泄露量kg液/100kg液9溢流强度m^3/(h.m)49.162373.743424.581110流动参数/0.16790.16790.167911板上液层高度m0.08810.09990.074012堰上液层高度m0.03810.04990.024013液面梯度m14板上液层阻力m液柱0.04410.05000.037015干板压降m液柱0.05920.13310.029716总板压降m液柱0.10320.18310.066717雾沫夹带kg液/kg气0.00550.02600.000318降液管液泛%40.152461.427728.253319降液管内液体高度m0.20480.31330.144120降液管停留时间s12.44278.295124.885421降液管内线速度m/s0.06430.09640.032122降液管底隙速度m/s0.29650.44470.148223降液管底隙阻力m液柱0.01340.03030.003424稳定系数/2.77884.16821.389425降液管最小停留时间s3.00003.00003.0000负荷性能图参数1操作点横坐标m3/h173.012操作点纵坐标10^3m3/h22.973操作上限百分比--150.00%4操作下限百分比--50.00%55%漏液时漏点动能因子m/s(kg/m3)^0.55.00610%漏液时漏点动能因子m/s(kg/m3)^0.5X液相体积流量m3/hY气相体积流量10^3*m3/h0-操作线1-液相下限线2-液相上限线3-漏液线4-雾沫夹带线5-液泛线表5-7上段塔校核计算说明书第六章项目建设地与厂址厂房建设6.1项目建设地6.1.1厂址建设地本设计计划建厂与江苏省连云港市的徐圩新区，位于连云港市的市区附近。厂址选在连云港市的斯尔邦工厂附近，作为一个子项目促进生产。图6-1连云港市在全国位置徐圩新区的位置如图6-2所示。图6-2徐圩新区的位置6.1.2项目建设地自然情况连云港市位于我国东部沿海地区，江苏省东北部。连云港作为一个港口城市，坐落与海州湾的西岸，紧邻黄海。陆地上位于山东江苏两省交界处。连云港市东西横跨129千米，南北相距132千米。陆地面积7499.9平方千米，水域面积1759.4平方千米。从地形地貌上来看，连云港市位于山东丘陵于淮北平原的交汇处，河流高山，湖泊小岛，你能找到所有地形都能在连云港找到，这里的人生活习俗结合了南北方的文化，形成了极具地方特色的文化。在气候上，同大多数中国城市一样属于季节性的季风气候，但由于临近海洋，连云港的气候还带有一定的海洋性气候的特征。四季分明，雨量适中，是连云港的气候特点。6.1.3连云港市经济情况连云港市的经济组成中，三大产业的分布十分均衡的，其中又以工业为主导，工业又以高新技术的制造业为支柱，俗称三新一高，既新材料、新能源、新医药和高端制造业。斯尔邦、虹港石化、润众制药等多家化工相关企业坐落于连云港市，其中还有七家销售破百亿的企业。在连云港的制造商，大多都是生产高附加值的产品，这在进行的产业升级的中国来说，连云港能争取到更多的资源和政策倾斜。在连云港这座城市上的头衔很多，比如一带一路重要战略支点（21世纪海上丝绸之路的起点）、上海合作组织出海基地（上海合作组织东进太平洋的窗口）、江苏自由贸易试验区的重要部分（多个自贸试验区坐落在连云港）。不论从产业上还是从政策上，连云港市的经济前途是一片光明。而徐圩新区是国务院批准设立的国家东中西区域合作示范区的先导区。依托新区内港区的交通优势和工业园区的产品优势,海外业务的拓展更加便利。6.2厂区厂房建设厂区布置总面积为5.50188公顷，呈矩形布置，南北相距178米，东西横跨309米。厂区依据不同用途被分为了七大区域。而有一条宽九米的支路横跨厂区中央，用以连接各个区域。在反应区、储罐区均设有环形消防通道。 食堂、宿舍等生活区域独立于工厂之外；厂区内部设置医疗站以及行政办公场所。设置包括控制室、化验室、机修室等设施。厂内设施完整，功能齐全。厂区设置5个进出口。一号门位于厂区西南角，作为厂区的正门，进门便能看见办公楼。二号门与三号门位于主路两头，作为侧门和消防通道，平时用于分担正门的通勤压力，紧急情况则用作消防通道。四号门五号门位于厂区东南角靠近装卸区，需要能够让大型货车进出，而四号门用于进厂，五号门则用于出厂。布置如图6-3所示。图6-3丙烯腈生产总厂址布置图连云港市全年风向频率最高是东南方向，最低是东北方向。因此将办公楼与中控室等人员密集的区域放置在高频风向的上风处，将事故池和焚烧池等高污染的区域放置在东北处，由于连云港靠海，厂区东北方向并没有城市，所以不用担心高频的东南风会造成污染。生产装置则集中放置在厂区中间，便于运输调度。与此同时，中控室设置朝向西侧，并采取这样措施来避免西晒，中控室内部采取人工照明来避免采光不足的问题。并且中控室内部设备都应作防电磁干扰处理和抗震处理，避免厂区内的生产活动对中控室造成干扰。第七章车间布置7.1车间设备布置原则车间设备布置顾名思义就是确定各设备在车间内的几何位置和相对位置。在设计布置时也应注意以下方面：（1）设备的布置尽量按工艺顺序布置；（2）设备布置要满足安装和检修的要求；（3）相同的设备或同类型设备要尽可能布置在一起；（4）有效利用车间建筑面积和土地；（5）车间的三防措施一定要符合规定；（6）注意车间的发展和厂房的扩建；（7）考虑建厂地区的气象和地质等条件；（8）考虑车间的经济指标及节能等问题。7.2车间布置方法模型设计法将车间各设备用模型成比例缩小来设计布置方案。这种方法很直观，错误少，但是在工程上难以携带，模型一般都用于效果展示，而不用于实际施工。图样法图样法则是在车间各平面和剖面标注设备和安装尺寸，并按一定比例将其投影绘制出来并标注设备名称，最后汇总则制定施工图纸。图样法可以和模型法相结合，以模型法做效果展示，在模型的基础上绘制平面施工图纸。这样做出来的图纸精度更高，错误更少。7.3车间划分丙烯腈回收和精馏车间如图7-1，分别为丙烯腈回收和精馏车间三层俯视图和正面视角剖面布置图。车间布置使用的是多层与单层相结合的形式。在设备集中的区域设置防火墙，各设备之间保持安全距离，并且对户外的露天设备做遮阳保护和围栏保护。设备的朝向必须与工艺流程方向一致，减少横向的物料运输，节省一部分运输的能量。同时车间的每一层设置泄爆孔和10°～20°的坡度并做好地漏，防止雨水沉积。图7-1丙烯腈回收和精馏车间装置布置图第八章自动控制8.1自动控制原理工厂的中控室有的控制系统采用集中分散式控制系统（DCS）。DCS系统主要通过在工厂的各个设备和关键节点安装的传感器，传出的物性数据，监测现场和设备内部的反应过程。同时在关键控制点安装有电子阀，进行远程遥控对关键控制节点的关键数据进行操控。8.2重要控制点下图为重要的控制点：图8-1流量记录调节仪流量记录调节仪：维持系统是一个相对稳定的控制过程，控制反应的时间，并且影响反应温度的变化。图8-2温度指示调节控制温度指示调节控制：确保进入设备的物料达到工艺要求的温度。根据反应需要，调节阀门的大小，来调节进料流量的多少。表8-1重要控制点编号内容位置控制要求压力填料塔壁处常压操作1温度填料塔壁处70.9℃原料量FIC13320.45kg/h压力填料塔壁处常压操作2温度填料塔壁处108℃原料量FIC577.92kg/h第九章经济评价9.1概述年产18万吨丙烯腈回收和精馏项目是新建项目。该项目是基于可行性报告的市场调研，同时兼顾实际施工的难度和厂址的选定，同时确保项目工艺达标排放，工厂的有序组织和尽可能经济的投资等多方因素的综合考量下，多次论证和研究所得出的综合性最佳方案。9.2项目总投资估算9.2.3投资估算及融资表9-1项目投资估算表（单位：万元）序号工程或费用名称估算价值占建设投资比例（%）建筑工程（取20%）设备购置安装工程（30%）其他费用合计一建设投资9788443381269510546773661固定资产投资9788443381269566821861.1工程费用8438421881265763283821.1.1主要生产项目73373668611006550281.1.2辅助生产车间367183455027511.1.3公用工程7343669110155031.2固定资产其他费用1350215038353851.2.1环保项目180018001.2.2总图运输3503501.2.3厂区服务项目3503501.2.4生活福利项目100010001.2.5厂外项目38382无形资产费用2680268032.1技术转让费100010002.2土地使用权168016803其他资产费用2520252034预备费用534653467基本预备费53465346建设投资合计978844338126951054677366100二建设期利息40384038三固定资产投资978844338126951458481405四流动资金1全额流动资金83508350230%铺底流动资金25052505五项目总投资978844338126952293489755六项目规模总投资9788443381269513051798719.2.3.1流动资金估算流动资金估算，按分项详细估算法进，流动资金主要用于盈利之前工厂的日常运营，估算总额为8349.917267万元。总投资 =固定资产投资+固定资产投资方向调节税+建设期利息+流动资金 =81404.7699+0+4038.382946+8349.917267=89754.68717万元9.2.3.2项目总投资估算及资金筹措项目启动资金为16782万元，借款72973万元，以项目设备为抵押向中国国家开发银行借款，利率6.4%。投资分年使用计划按第一年50%，第二年50%；表9-2项目总投资使用计划与资金筹措表见表序号年份项目合计123451总投资897553868338683608215687001.1建设投资7736638683386831.2建设期利息40381.3流动资金8350608215687002资金筹措897553868338683608215687002.1项目资本金（20%）167825119511918254702102.1.1用于建设投资1023951195119业主110239511951192.1.2用于建设期利息4038业主140382.1.3用于流动资金25051825470210业主1250518254702102.2债务资金729733356433564425710984902.2.1用于建设投资671283356433564银行16712833564335642.2.3流动资金借款5845425710984902.3其他资金9.2.4定员及工资全厂定员为567人，工资及福利费总共3402万元（人均5000元一年）。9.3财务评价9.3.1年销售收入及税金估算表9-3产品销售收入一览表（含税价）序号产品产量（万吨/年）价格（元/吨）总值（万元）1丙烯腈产量18115382076842乙腈产量0.432008586373氰化钠2.751025628204合计244525表9-4年销售税金序号名称数值（%）1增值税172城市维护建设税73教育费附加税5正常情况下年营业收入估算值为244525万元，纳税780万元。9.3.2总成本估算根据需要，该项目做了总成本费用估算表。总成本费用估算正常年为176840万元，其中经营成本正常年为169489万元。成本各项费用计算说明原材料及燃动力价格表9-5原材料及燃动力费用一览表（不含税价）序号名称规格单价（元/吨）用量（吨/年）费用（万元）1液氨化学级256467210.81185602丙烯工业级8120136967.81197683催化剂SANC08427351506904氢氧化钠化学级200920594.954455合计143472表9-6燃料及公用工程费用序号名称单价用量费用（万元）1低压蒸汽（0.4MPa）200元/吨710341吨/年121422冷却水（20-25℃）0.5元/吨93448576吨/年39933电0.7元/千瓦时12054543度/年515合计16651工资及福利费总计3402万元。基本折旧及待摊费固定资产原值为70859.11161万元，按平均年限法计算折旧，折旧年限为10年，年折旧额为6731.615603万元无形资产年摊销费为268万元，其他资产为2520万元，年摊销费用504万元修理费每年4107万元。其他费用其他费用估算公式为：其他制造费率取2%。得到其他制造费用为667万元。9.3.3利润估算利润总额正常年为20753万元。10%的税后利润用作公积金。表9-7利润与利润分配表序号年份项目合计345671营业收入5568731388611785351983731983731983732营业税金及附加42225467027807807803总成本费用4368631327501652101802681790871778554补贴收入5利润总额1157885565126231732518506197386弥补以前年度亏损7应纳税所得额1157885565126231732518506197388所得税28947139131564331462749359净利润(5-8)868414174946712994138801480410期初未分配利润12022711可供分配利润(9+10)2070683596872512168130541397812提取任意盈余公积金692036087312171305139813可供投资者分配的利润2001483236785310951117481258014应付优先股股利16各投资方利润分配66346323617未分配利润13380332367853109511174812580息税前利润119055795812081142261384213442息税折旧摊销前利润14868615462195852173021346209459.3.4财务盈利能力分析分别根据各项投资估算，得到下列财务评价指标。表9-8部分财务评价指标一览表序号财务评价指标本厂值行业基准值1所得税后财务内部收益率（FIRR）22.04%122所得税后财务净现值（ic=12%）40142.19253万元3所得税前财务内部收益率26.44%4所得税前财务净现值（ic=%）60042.26221万元5所得税后投资回收期（含建设期）6.14年6所得税前投资回收期（含建设期）5.68年7投资利润率21.90%8投资利税率27.37%9资本金利润率117%数据表现良好。大大超出行业标准，从经济角度有可行性。9.3.5不确定性分析（1）敏感度