正丁烷法制取顺丁烯二酸酐流程设计

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1、正丁烷法制取顺丁烯二酸酐流程设计化81队曾永超，徐克，沈宇丰，杨千里摘要：本文从安全和能源角度入手，尝试设计出正丁烷制顺酐流程图。首先利用文献中已经提供的反应动力学模型进行模拟计算，并用Unisim软件进行全流程的模拟，以证明分股进料、循环物流这两个设计的经济性、安全性。而后对本过程的安全要素进行分析，参考已经发生过的事故，设计控制结构来提高安全性能、消除安全隐患。最后得到整个工艺流程图。关键字：正丁烷；顺丁烯二酸酐；流程设计；安全顺丁烯二酸酐（顺酐）是仅次于苯酐和醋酐的世界第三大有机酸酐，由于其很强的反应性能，它是合成树脂以及精细化工产品的

2、重要原料。目前它的生产方法主要包括苯氧化法、C4氧化法、正丁烷法。而正丁烷法因为其原料便宜、高碳原子利用率、低污染、低毒性已成为世界主流的方法（4）。而我国的正丁烷制取顺酐工艺刚刚起步，目前国内的反应装置主要是列管式固定床反应器。本文首先从经济角度考虑，论证分股进料、循环物流能够提高经济效益。而后从安全角度考虑，设计控制结构和安全装置。最后给出最后的工艺流程图。流程简介工艺流程如下图所示，加氢后的正丁烷经过蒸发，与已经过滤、与循环空气混合的新鲜空气混合，平均分成三股后注入固定床反应器。反应器周围用熔盐循环控制热量，而熔盐带走的热量在熔盐冷却塔

3、用公共水系统吸收。换热系统有两个耦合的换热回路。经过反应的气体经过气体冷却塔到的分离单元。分离后顺酐继续到吸收塔进一步精制，而氮气和氧气循环回到原空气进料阶段，省去预热环节。（注意预热器还是要放在那里，因为开车时不存在回流）图一：顺酐生产流程图9一、设计反应装置对于列管式固定床反应器，以下从比较分股进料与不分股进料优劣的角度出发，得出设计的可行性。需要注意的是，由于装置对于压降有要求，因此管长不宜太长，分股不宜太多，仅以三股分股做模拟。同时经过计算我们可以得出反应状态随熔盐温度的变化规律，一次可以给出设计反应装置的可行性建议。1.建立反应器模

4、型这个反应是PBR的反应器模型，查得进料压强为0.18Mpa（2），反应压降比较小，可以忽略。反应催化剂用的是VPO催化剂，不考虑催化剂的再氧化恢复活性过程，反应的机理可以简化为如下（5）：图二：正丁烷选择氧化三角网络模型反应式、速率方程以及相关参数如下（5）：方程式：速率方程：相关参数：项目指前因子k0/mol/m3/s活化能E/J/mol平衡常数K反应热ΔHRx/kJ/mol主反应1.2310670.7110329.3-1262副反应14.43108111.06103180-2092副反应21.1710456.30103NA-883表一：

5、速率方程相关参数其它参数：物质摩尔定压热容Cp/J/kg/K氮气20.86氧气18.2849表二：物性参数名称符号参数总的传热系数U80kJ.m-2.s-1.K-1单位体积的传热面积a40m-1催化剂密度ρp2000kg/m3床层空隙率εb0.441床层堆密度ρb225.7kg/m3表三：设备参数忽略压强，用以上数据以PBR反应器的形式计算整个反应器。需要说明的是，没有考虑反应器内部的轴向浓度扩散和径向不均匀性。1.模拟结果与分析（1）对于反应器可控性A：分股进料对控制温度的影响：比较以下两幅图（T为熔盐温度）：图二：不分股进料温度随体积变化

6、9图三：分股进料温度随体积变化B：分股进料对产物流量的影响比较一下两幅图：图四：不分股进料产物流量随体积的变化9图五：分股进料产物流量随体积的变化从中可以看到，在没有循环的前提下，在322℃时温度很难控制，但是在分股进料以后，很明显地发现在这个温度点温度可控的范围增加了，也就是说熔盐温度的可承受波动性增加。反应器可控性增强。（2）B：控制熔盐温度对与转化率、选择性、收率的影响：S表示选择性，X表示转化率，Y表示收率，结果是：V=3m3熔盐温度Ta/℃转化率X选择性S产率Y3221.00000.10900.32863201.00000.3794

7、0.70973181.00000.39420.72253161.00000.40550.73183141.00000.41580.74013120.99990.42560.74773100.99990.43490.75483080.99980.44400.76163060.99970.45290.76803040.99950.46170.77433020.99920.47030.78039表四：改变环境温度对反应结果的影响可以发现，在没有循环物流的前提下，熔盐温度过高会降低反应体系的选择性，增加后期分离成本。因此我们给出的建议是对于实际反应体

8、系，在不过大影响转化率的条件下降低熔盐温度。这样做的好处还可以减少换热量，因为选择性差后大量的反应经过路径2，这个副反应放热量量巨大。一、循环回路的设计这个设计的总