丙烯腈装置消瓶颈技术扩能改造

赵衍武，邹再平, 邹君峰



丙烯腈装置消瓶颈技术扩能改造

赵衍武，邹再平, 邹君峰

（中国石油抚顺石化公司，辽宁 抚顺 113008）

通过对原设计为5万t丙烯腈/a装置的主要关键设备进行核算，找出制约装置扩能的关键因素，借鉴丙烯腈生产、建设经验，采用新技术、新工艺、新设备，消除装置瓶颈，增加装置产能，降低装置物耗、能耗，提高主要经济技术指标，满足市场所需，提高企业经济效益。

丙烯腈；消瓶颈；扩能改造；经济技术指标

丙烯腈是一种重要的有机化工原料，主要用于生产腈纶纤维、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和苯乙烯-丙烯腈(S丙烯腈)树脂、己二腈、丙烯酰胺和丁腈橡胶等[1]。我国在20世纪80年代末，先后从国外引进了多套设计能力为年产5万t工业级丙烯腈的丙烯腈装置，采用的工艺路线均为成熟的丙烯/氨氧化生产丙烯腈工艺技术。随着经济的发展，全球丙烯腈生产能力逐年增长，实际消费量大幅增加。伴随我国塑料和有机合成工业的进一步发展，以及丙烯腈用途的多样化，对丙烯腈需求将日趋增加。根据调查研究和预测，丙烯腈工业在我国仍有较大发展空间。

除新建和扩建外，如果借鉴现有经验，利用丙烯、氨及空气中的氧在催化剂作用下生产丙烯腈工艺发展成熟过程中出现的新技术、新工艺，对现有装置进行技术改造，消除瓶颈、优化运行条件、挖掘潜力，降低物耗、能耗，增加丙烯腈产量，投资省，见效快，既可以满足市场需求，又可以获得良好的经济效益[2]。

1 工艺简介

丙烯、氨氧化生产丙烯腈的工艺路线是，气态的丙烯、氨按一定比例混合后进入被压缩空气流化的流化床催化反应器，丙烯、氨和空气中的氧发生催化氧化反应，生成主产物丙烯腈和副产物氢氰酸及乙腈，以及一些其它杂质。该反应为放热反应，反应热用软化水移除，发生4.12 MPa（G）过热蒸汽，产生的蒸汽一部分用作驱动为反应器提供压缩空气的空压机组透平，另一部分用作驱动为装置提供冷量的制冷机组透平，剩余部分外送。从反应器排出的反应气体经冷却、中和除氨、吸收、萃取、精制，最终得到工业级的丙烯腈产品和部分氢氰酸、乙腈。简要的工艺流程见图1。

2 改造目的及原则

丙烯腈装置原设计能力为年产5万吨丙烯腈。参照丙烯腈生产、建设经验以及丙烯、氨氧化生产丙烯腈工艺发展成熟过程中的新技术，对丙烯腈装置进行技术改造，使其生产能力提高至8万t/a、丙烯腈回收率提高到93％、装置物耗能耗较改造之前有一定程度下降，降低产品生产成本，提升装置经济效益。

为尽量减少投资，达到改造目的，改造可遵循如下几个方面的原则：1）保持基本工艺流程不变，对局部工艺流程进行改进，相关操作参数适当调整。现有塔的直径不变，保留其外壳，改造能力不够的塔内件。对不能满足要求的换热器、泵、罐等，首选调整相关操作参数或更换内件，若仍无法满足改造要求，则增加台数或更新；2）采用高效节能设备，积极采用新的科研成果来提高设备能力；3）原设计中的环保措施保持不变，并采取措施进行加强，减少“三废”排放量；4）充分利用现有装置的设备、厂房及办公行政设施，原有的设备、材料在改造设计中能满足要求的，继续使用；5）工艺设备的能力在达到规模要求前提下，可改可不改的则一律不改。除已指明要采用的国内工艺技术之外，原有的设备、材料在改造设计中尽可能继续使用，不随便更新换代。

图1 简要的丙烯腈工艺流程图

3 可行性分析

3.1 工艺技术的可行性

改造时仍保留原有的丙烯/氨氧化生产丙烯腈的工艺方法。该工艺方法自1959年出现[3]并发展到现在，已属先进技术，且工艺技术十分成熟。另外，我国从1960年开始丙烯腈生产技术的研究开发工作[4]，到现在，已形成了自有特色，在某些关键技术方面达到了国内外先进水平，并实现了主要关键设备的国产化，如丙烯腈流化床反应器、反应气体冷却器、丙烯氨/氧化生产丙烯腈的催化剂等。若依照原工艺技术基础，参考国内发展的新技术，利用国产的先进催化剂，进行流程上的局部改动，同时通过调整部分工艺参数和更新部分设备，实现增加产能的目的。从技术上来看，不存在任何困难。

3.2 方案可行性

丙烯腈装置的关键设备是流化床反应器。核心技术主要集中在丙烯腈催化剂上。对装置进行消瓶颈技术扩能改造的重点是根据适合的催化剂对反应器进行核算，在此基础上对后续处理系统进行能力校核。

3.2.1 丙烯腈催化剂的选择

反应器的结构尺寸不变时，生产能力的大小主要取决于反应器的操作线速度、反应器内催化剂的装填量、反应器流化状态下的催化剂密相段床层高度等[5]。国内国外生产的较为先进的丙烯腈催化剂有上海石油化工研究院的CTA-6催化剂、英力士的C-49MC催化剂等，综合参考选取CTA-6催化剂，属国内先进。该催化剂的主要性能指标见表1。

表1 CTA-6催化剂性能表

根据以上数据，CTA-6型催化剂性能主要体现在以下几个方面：

（1）反应器在较高的操作压力条件下，丙烯腈单收仍可达到78％左右，这对反应器和后系统的扩能改造是有利的。

（2）吨催化剂每小时处理的丙烯量（W·W·H）较高，能达到0.075 t丙烯/t催化剂，反应器内一次性所需要装填的催化剂量较少，在现有反应器结构尺寸下进行扩能改造非常有利。

（3）氰氢酸单收较高，达到6.43％。

另外，从投资角度考虑，丙烯腈催化剂的价格约为每吨34万元，若装置扩能至8万t丙烯腈/a，则催化剂的装填量为144 t，需要资金近5 000万元。

因此综合考虑改造仍依据正在使用的CTA-6催化剂。

3.2.2 丙烯腈反应器能力核算及改造方案的确定

丙烯腈生产装置中的关键核心设备是流化床反应器，为保证改造达到预期目的，同时确保改造后的安全优化生产，应采用先进、可靠、成熟的技术。反应器内部构件主要有丙烯/氨分布器、空气分布板、旋风分离器和移热系统。在实施消瓶颈技术扩能改造之前，需要进行相关的核算。

（1）丙烯/氨分布器及空气分布板

丙烯/氨分布器及空气分布板是丙烯腈流化床反应器重要的内构件之一。为使通过丙烯/氨分布器及空气分布板的气体分布均匀，分布器及分布板必须有合适的压降。国外对丙烯腈流化床反应器的研究较早，并逐渐形成了一套较为优化的基础性规定，其中要求丙烯/氨分布器的压降占床层压降的30%左右、空气分布板的压降占床层压降的60％左右为宜。若扩大反应器的生产能力，丙烯/氨分布器及空气分布板上小孔单位时间和截面积内的气体通过量增加，气体通过小孔的流速及压降也自然增加。现有丙烯/氨分布器的孔径为5.2、5.4、5.6 mm；空气分布板的孔径为10.5 mm。经核算，若反应器的能力提高至8万t丙烯腈/a，则丙烯/氨分布器的过孔气速为124 m/s，其压降会达到床层压降的52%；同样空气分布板的过孔气速为154.5 m/s，其压降会达到床层压降的76%，均超过了国外研究得到的基础规定。将丙烯/氨分布器的孔径扩至5.7、5.9、6.1 mm，空气分布板的孔径扩至12 mm，则二者的过孔气速分别降至106.5、124.2 m/s，扩孔后的压降分别占总压降的38%、46%，达到了相关基础规定值，能够满足扩能所需。

（2）旋风分离器

在生产丙烯腈的流化床反应器中，旋风分离器用来分离回收反应气体夹带的固体催化剂颗粒，避免反应气体将催化剂颗粒从反应器中带出而造成的催化剂损失，以保证催化剂能够回到反应器床层循环使用。有研究结果表明，旋风分离器的入口气速及结构尺寸决定了其分离效果的好坏[6]。处理的气体量、气体中含有的细颗粒浓度、细颗粒尺寸大小已知的条件下，旋风分离器入口气速有一个最佳范围。通过对现有旋风分离器在8万t丙烯腈/a、操作压力为0.068 MPa（G）的条件下进行核算，发现其第一级入口气速达到了21.4 m/s，第二、三级入口气速达到了23.7 m/s。旋风分离器入口气速偏高。与其它已改造成功的同等规模丙烯腈装置的旋风分离器相比，现有旋风分离器的长径比也小。因此旋风分离器需要更换。新的旋风分离器拟选用国内开发的PV型旋风分离器[7]，采用2级12组共24个。

（3）反应器移热系统

丙烯/氨催化氧化反应属于放热反应，因此在反应器内需要一定数量的“U”型冷却管，以移除反应热，控制反应温度。移出的热量用于发生4.12 MPa（G）的过热蒸汽。“U”型冷却管分为蒸发管和过热管，经核算，蒸发管的换热面积有富裕，而过热管的换热面积不够。由于反应器不更换，其直径及内部空间已固定，所以冷却管根数及高度均不能增加，即总的换热面积无法增加，因此将部分蒸发管调整为过热管使用，既可保证蒸发管的换热面积，又可保证过热管的换热面积。方法是调整反应器外的配管。反应器内的移热系统调整之后，蒸发管的换热面积为514 m2，富裕46%，过热管的换热面积为174.1 m2，富裕36%。调整后的的冷却水管切换使用。

3.2.3 塔器能力校核及改造方案

丙烯腈装置主要有合成、回收精制、四效蒸发、废水焚烧处理等几个单元，有急冷塔（氨中和塔）吸收塔、萃取塔精馏塔、成品塔等共计7个。经核算，丙烯腈产能增加至8万t/a后，乙腈塔满足处理能力，吸收塔在之前已进行过改造，能满足要求，不必再改。急冷塔的气相负荷增加，气速过大，气、液相接触时间过短，反应气体中未反应的氨难以全部中和除去，为使气液充分接触，氨和硫酸充分反应，上段更换喷头，同时新增防堵液体分布器和1 200 mm防堵高效格栅填料；由于下段循环量增加，需更换下段喷头和新增600 mm防堵高效格栅填料，拆除下段底层除沫板。回收塔将原浮阀塔板更换为高性能塔板；原降液管较小，进行改造。脱氢氰酸塔、成品塔、轻有机物汽提塔将原浮阀塔板更换为高性能塔板，保留原降液管。

3.2.4 换热器能力校核及改造方案

考虑到装置产量增加，设备的处理量也会相应增加，同时兼顾流体输送的压力损失，所以对换热器类设备采取更新、调整利旧、增加台数、改造等措施来满足扩能改造的需要。

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满足8万t丙烯腈/a的能力进行，这里不详细讨论。

3.2.6 机泵能力校核及改造方案

装置生产能力达到8万t丙烯腈/a后，部分机泵已不能满足扩能要求，需要新增、调整利旧、更新的机泵共计28台，在满足生产所需及保证安全的前提下，尽量选用国产机泵。

3.2.7 空压机能力校核及改造方案

消瓶颈技术改造后，反应器正常需要空气流量为70 256 kg/h，超出了原有空压机的能力。经核算，并与空压机供货厂家咨询，采取保留原压缩机基础及机壳，更换压缩机转子、密封及隔板等部件和调整压缩机出口压力等措施来满足扩能改造的要求。

4 改造后的物耗、能耗预期情况

丙烯腈装置在实施改造之前，丙烯消耗为1 102 kg/t。通过消瓶颈改造，采用丙烯腈生产工艺完善过程中形成的新技术、新工艺，生产能力达到8万t丙烯腈/a后，其物料丙烯的消耗将会有大幅度下降，预期能达到1 081.6 kg/t。

丙烯腈装置能耗主要是燃料油、循环水、电和1.0 MPa蒸气。改造后装置产量从5万t丙烯腈/年增加到8万t。在改造过程中会考虑降低装置综合能耗的措施，改造四效蒸发单元，更换第一、二效换热段，加长换热段筒体，增加换热面积；更换第四效之后的尾气冷凝器，缓解第四效换热面积紧张的问题。四效蒸发单元改造后，废水蒸发效率将会提高，由四效单元送往急冷塔系统的废水将由改造前的1 910.7 kg/t下降至1 257.6 kg/t，相应由急冷塔系统送往焚烧炉的废水将由改造前的617.8 kg/t降低为575.8 kg/t。另外，丙烯腈装置消瓶颈技术改造后，反应器产汽量提高，外送蒸汽量由改造前1.11t/t提高到1.357 t/t。丙烯腈装置消瓶颈扩能改造后总能耗预计有较大幅度的下降。

5 改造后的主要指标实际情况

丙烯腈装置消瓶颈扩能改造后，对装置运行情况进行了标定。具体数据见表2。

从表2可看出，消瓶颈扩能改造后，装置主要物料丙烯消耗、综合能耗均比改造之前有较大幅度的下降，改造达到了预期目的。

表2 改造前后的物耗、能耗数对比据表

6 结束语

在不增加人员编制、环保排放指标达到国家规定标准、提高产品产量的前提下，通过较小的投资，对装置实施了较大的改造，尤其是对丙烯腈装置反应器进行了较多的改动。改造后，通过对装置的运行调整及跟踪统计，证明改造是成功的，其物耗、能耗均较改造之前有大幅度的降低，这对满足市场需求、提高装置效益起到了很好的保证作用。同时，本次改造也为国内同行业的丙烯腈装置实施扩能改造提供了有益的参考，尤其是在反应器旋风分离器、反应气体冷却器、急冷塔气液分离器等设备的国产化应用上，起到了很好的借鉴。

［1］张惠民，赵震，徐春明．C3烃氨氧化制丙烯腈研究进展[J].石油化工，2005，34(2)：181．

［2］乔映宾．我国丙烯腈工业的发展[J].石油化工，1997，26：408-411．

［3］张乐．丙烯腈生产的反应原理与主要方法[J].化学工程与装备，2011 (8)：135-137．

［4］关兴亚．中国丙烯腈生产技术国产化发展过程[J].合成纤维工业，1992，15(1)：43-48．

［5］卢天雄．流化床反应器[M].北京：化学工业出版社，1986.

［6］孙国刚，时铭显．PV型旋风分离器设计与应用中的几个问题[J].炼油设计，2003，32(9)：4-7．

［7］时铭显，陈建义．丙烯腈装置扩能改造中的新旋风分离器技术[J].金山油化纤，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

赵衍武（1959-），男，山东肥城人，硕士学位，高级工程师，研究方向：化工化纤工艺。E-mail：fsghz@sohu.com。