丙烯腈反应系统设计样本Word文档下载推荐.docx

1、主反应:CH=CH-CH3 + NH3 +O2 CH2=CH-CN + 3H2O副反应:CH2=CHCH3 + 3NH3 + 3O2 3HCN + 6H2O 氢氰酸的生成量约占丙烯腈质量的1/6CH2=CHCH3 +NH3 +O2 CH3CN + 3H2O 乙腈的生成量约占丙烯腈质量的1/7CH2=CHCH3 + O2 CH2=CHCHO + H2O 丙烯醛的生成量约占丙烯腈质量的1/100CH2=CHCH3 + O2 3CO2 + 3H2O二氧化碳的生成量约占丙烯腈质量的1/4, 它是产量最大的副产物。上述副反应都是强放热反应, 特别是深度氧化反应。在反应过程中, 副产物的生成, 必然降低目

2、的产物的收率。这不但浪费了原料, 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, 特别是温度。1.3 流化床反应器由于丙烯腈氧化反应是强放热, 因此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见的一种反应器。当反应气体经过反应器时, 催化剂颗粒受到气流的作用悬浮起来, 在反应器内作剧烈的翻滚、 流动, 整个系统与流动的或沸腾的液体很相像, 因此称流化床或沸腾床。1.3.1 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内穿流,

3、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, 增加气流温度, 且让气流由下自上经过, 当气流速度达到某一值以后, 催化剂在床内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, 又改进了温度分布, 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。1.3.2 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、 内部构件、 换热装

4、置、 气固分离装置和固体颗粒加卸载装置等组成。常见流化床反应器有两种, 一种是有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, 催化剂在几分钟内即显著失活, 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-固相催化反应常见的一种反应器。图1: 丙烯腈流化床反应器示意图丙烯腈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, 压缩空气

5、经反应器底部的空气分布器进入反应器, 一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, 生成丙烯腈。与固定床反应器相比, 丙烯腈流化床反应器具有以下优点:1 能够实现物料的连续输入和输出;2 流体和颗粒运动使床层具有良好的传热性能, 床层内部温度均匀, 可在最佳温度点操作, 而且易于控制, 特别适用于强放热反应, 另外, 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;3 颗粒比较细小, 有效系数高, 可减少催化剂的用量;4 压降恒定, 不易受异物堵塞;1.3.3 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

6、节手段为下列管换热器进水量和稳定反应物料流量。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, 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, 由于对反应影响小, 冷却剂有些扰动影响不大。图2: 一般流化床反应器的温度控制（ 此处还剩张恩邦的一小部分, 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, 是保证丙烯腈合成反应稳定、 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

7、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, 又增加了硫酸的消耗量, 因为过量的氨要用硫酸去中和, 因此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=1:11.2 左右。2.1.2丙烯与空气的配比（ 氧比） 丙烯氨氧化所需的氧气是由空气带入的。当前, 工业上实际采用的丙烯与氧的摩尔比约为l:23（ 大于理论值1:1.5） , 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。反应时若在短时间内因缺氧造成催化剂活性下降, 可在540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

8、件下操作, 虽经再生, 活性也不可能全部恢复。2.1.3丙烯与水蒸气的配比（ 水比） 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, 从而避免丙烯腈的深度氧化; 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范围内, 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, 加入水蒸气能够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, 势必降低设备的生产能力, 增加动力消耗。当催化剂活性较高时, 也可不加水蒸气,

9、从当前工业生产情况来看, 当丙烯与加入水蒸气的摩尔比为1:3 时, 综合效果较好。2.2 线速度及操纵变量的选择因此, 在反应器尺寸结构一定的情况下, 物料流量要保持一定, 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。2.3 被控变量的选择: 反应器内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350时, 几乎不生成丙烯腈。温度的变化对丙烯的转化率、 丙烯腈的收率、 副产物氢氰酸和乙腈的收率以及催化剂的空时收率都有影响。要获得丙烯腈的高收率, 必须控制较高的反应温度。丙烯氨氧化法生产丙烯腈时, 除生成丙烯腈外, 尚有多种副产物生成。图3: 丙烯氨氧化法生产丙烯腈反应温

10、度-产物曲线如图所示, 反应温度高, 丙烯腈单程收率高、 副产少。但当反应温度过高时, 合成物易深度氧化, 生成较多的CO2, 温度难以控制; 另外, 若持续长时间的高温, 还会缩短催化剂的寿命。生产中, 实际温度控制在460左右, 丙烯腈收率取得最大值同时, 流化床工作的好坏, 能够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。因此, 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, 年工作日: 330天, 回收率98%, 年产1万吨, 则丙烯腈原料液的流量应该为1294.8kg/h,丙烯腈物质的量流量为24kmol

11、/h,则能够取丙烯的流量为25kmol/h氨烯比: 1.15: 1空烯比: 10.5:3.2 控制系统方框图3.3 仪表选型3.3.1 温度变送器SK-SBW 系列一体化温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 范围内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、 科研院所温度测控的更新换代产品, 是集散系统、 数字总线系统的必备产品。特点: 超小型（ 模块4418 ） 一体化, 通用性强二线制 420mA DC 输出。传输距离远, 抗干扰

12、能力强。冷端、 温漂、 非线形自动补偿。测量精度高, 长期稳定性好。温度模块内部采用环氧树脂浇注工艺, 适应于各种恶劣和危险场所使用。一体化设计, 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 。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。现场环境温度 70 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: EXdIIBT4、 EXdIIBT6 、 EXdIICT6。防护等级: IP54其技术指标如下:类 别 SK-SBW 模块式温变 SK-SBW 一体化温变 准 确 度 0.2%F.S 0.5%F.S 输 入 热电偶: B 、 S 、 T 、 K 、 J 热电阻: Pt100 、 Pt10 、 Cu100 、 Cu50 输 出 二线制 4-20mA DC 使用温度 -25-85 （ 一体化 LCD 表头时 0-60 ） 温度影响 0.05%/ 湿 度 5-95%RH 现场显示 无 31/2LED 3 1/2LCD 0-100% 等分刻度 显示精度 数字式: 0.5 级 指针式: 2.0 级 负载能力 600 （ 额定负载 250