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2023 年 第 7 期 化学工程与装备 2023 年 7 月 Chemical Engineering&Equipment 207 Aspen plus 在丙烷制丙烯腈中的应用 Aspen plus 在丙烷制丙烯腈中的应用 王 欢1，王洪发2，单 译1，孔俊嘉1（1沈阳科技学院；2中化环境科技工程有限公司，辽宁 沈阳 110167）摘 要：摘 要：以丙烷氨氧化反应为例,介绍了应用 Aspen Plus 软件模拟丙烯腈生产总流程。分别对反应单元、回收及精制单元流程进行模拟计算。从经济和能耗方面着手，对丙烯腈精馏塔作模拟研究，经分析得：最佳总塔板数为 30 块，最佳回流比为 3。关键词：关键词：Aspen Plus；丙烯腈；应用 引 言 引 言 近十年来我国丙烯腈产业飞速发展，尽管我国丙烯腈新装置不断建设，产量逐年增加，但是仍不能满足国内下游产品快速发展的需求。目前，丙烯腈在国内市场呈现供不应求的状况，每年需大量进口来满足国内市场供应，且进口量呈逐年上升趋势。国内的丙烯腈装置大多采用丙烯氨氧化工艺1，我国是世界能源消费大国之一，对石油的依赖度随着对乙烯、丙烯等基本化工原料的需求增长而与日俱增，因此以低碳烷烃替代传统的低碳烯烃生产化工产品日益受到人们重视，丙烷氨氧化反应直接生成丙烯腈引起了人们广泛关注2。目前对于丙烷氨氧化，国内尚无以工业化为目的的持续研究。因此很有必要建立该装置的流程模拟模型，通过对工艺流程的模拟，确定较优的操作条件，提升装置的经济效益。1 丙烯腈装置流程 1 丙烯腈装置流程 丙烷氨氧化制丙烯腈过程中所用的催化剂比较特殊，并且能够对该反应起到催化作用的催化剂种类亦比较少。Sb-V和 Mo-V 混合氧化物被认为是最有可能实现工业化的丙烷氨氧化 催化剂。目前，Sb-V 混合氧化物催化剂丙烯腈最高收率达到 39%3；利用高通量组合化学制备的 Mo-V 混合氧化物中的Mo-V-Nb-Te混合氧化物催化剂的丙烯腈收率达到62%。这两类催化剂共同特点是：（1）都有 V 存在，并且是活化丙烷的重要元素；（2）为了获得高的选择性，复合氧化物必须形成特定结构，因此各种制备因素强烈地影响催化剂性能4。本文以丙烯腈装置为例，选择 NRTL-RK 热力学模型，应用 Aspen Plus 软件建立丙烯腈装置反应单元、回收及精制单元流程模拟模型，包括流化床反应器、急冷塔、水吸收塔、脱氢氰酸塔、乙腈精馏塔、丙烯腈精馏塔等系统，对产物进行精制提纯，得到工业合格产物。其整体流程模拟见图 1。图 1 工艺流程模拟 figure 1 Simulation of the process flow 图 1 工艺流程模拟 figure 1 Simulation of the process flow DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.07.002208 王 欢：Aspenplus 在丙烷制丙烯腈中的应用 1.1 反应单元流程模拟 图 2 反应单元模拟 figure 2 Reaction unit simulation 图 2 反应单元模拟 figure 2 Reaction unit simulation 空气压缩后经空气加热器预热到一定温度，氨经氨气过热器过热到需要的温度，两者进入混合器混合后至反应器R101，丙烷经过换热器换热后亦进入 R101，反应后的气体经冷却后进入氨中和塔。反应单元中主要包括换热器、混合器、反应器等设备，下面以 E101、M101 及 R101 为例，说明几个典型设备操作参数。1.1.1 换热器 E101 的模拟 进料流股 AIR 的压力为 1atm，温度为 25，O2占 21%,N2为 79%，经压缩机加压到 2.90bar，之后进入换热器 E101。换热器参数设定温度为 115，压力为 2.90bar，出料流股8。1.1.2 混合器 M101 的模拟 M101进料流股为8和S7,混合器参数设定温度为115、压力为0.13MPa，出料流股进入反应器R101。1.1.3 反应器 R101 的模拟 反应器R101参数设定温度为115、压力为0.13MPa。1.2 回收及精制单元模拟 图 3 回收及精制单元模拟 figure 3 Simulation of the Recovery and refinement unit 图 3 回收及精制单元模拟 figure 3 Simulation of the Recovery and refinement unit 反应后的产物经过氨中和塔，出口气体经换热器 E301冷却后进入水吸收塔 T302，用 10的水吸收丙烯腈和其他副产物，水吸收塔塔底得到丙烯腈水溶液，经换热器与氨中和塔出口气体换热，升温后再经脱氢氰酸塔、乙腈精馏塔、丙烯腈精馏塔等设备，对产物进行精制提纯，得到合格的工业产物。下面以 E301、T302 及 T601 为例，说明几个典型设备操作参数。1.2.1 换热器 E301 的模拟 换热器参数设定温度为 45、压力为 0.191MPa，出料流股至 T302。1.2.2 水吸收塔 T302 的模拟 T302 进料流股压力为 0.191MPa，温度为 10，塔参数设定计算类型为 Equilibrium。1.2.3 丙烯腈精馏塔 T601 的模拟 塔参数设定计算类型为 Equilibrium，总塔板数为 30，塔顶冷凝器设为 TOTAL，再沸器设为 KETTLE。2 丙烯腈精馏塔的模拟分析 2 丙烯腈精馏塔的模拟分析 丙烯腈精馏塔是本工艺模拟中的关键装置，它是衡量经济性和节约能耗的重要设备之一。因此选择以此塔为例，对其进行优化。2.1 总塔板数优化 总塔板数是精馏中的关键参数，应用 Sensitivity 对总塔板数进行优化，优化结果如图 4 所示（横轴为总塔板数，纵轴为塔顶丙烯腈的百分含量）。由图可知，最初随着总塔板数的增加，塔顶丙烯腈的百分含量随之增加，当塔板数达到 30 块时，塔顶丙烯腈含量基本没有变化。若总塔板数继续增加，塔板费用将会增加，因此从经济方面考虑，总塔板数选择 30 块最佳。王 欢：Aspenplus 在丙烷制丙烯腈中的应用 209 图 4 总塔板数灵敏度分析 figure 4 Sensitivity analysis of the total plate number 图 4 总塔板数灵敏度分析 figure 4 Sensitivity analysis of the total plate number 2.2 回流比优化 回流比是衡量能耗的关键因素之一。因此，在能够达到分离效果的同时，要选取最小回流比。应用Sensitivity对回流比进行分析，优化结果如图5所示（横轴为摩尔回流比，纵轴为塔顶丙烯腈的百分含量）。图 5 回流比灵敏度分析 figure 5 Sensitivity analysis of the reflux ratio 图 5 回流比灵敏度分析 figure 5 Sensitivity analysis of the reflux ratio 可以看出，随着回流比的增大，分离效果越来越好，但能耗也会随之增大，当回流比为 3 时，可以达到分离效果，并且能耗相对较小，因此从节能方面考虑，回流比选择 3为最佳。3 总 结 3 总 结 应用 Aspen Plus 流程模拟软件，能够比较清晰地展示出丙烷氨氧化制丙烯腈的工艺过程。通过对关键设备的模拟分析，优选出最佳的工艺条件，保证了整个工艺的经济合理性和能耗合理性。参考文献 参考文献 1 段新琪,等.流程模拟技术在丙烯腈装置上的应用J.中外能源,2016(21):76-82.2 汪国军.丙烷氨氧化制备丙烯腈催化剂的研究D.上海:华东理工大学,2012.3 P.Botella,P.Concepcion,J.M.Nieto,et al.The influence of Te-precursor in Mo-V-Te-O and Mo-V-Te-Nb-O catalysts on their catalytic behavior in the selective propane oxidationJ.Catalysis Today,2005,99(1-2):51-57.4 T.L.Drenski,M.S.Friedrich,C.Paparizos.Ammoxidation catalysts containing germanium to produce high yields of acrylonitrile:US,5688739P.1997.（上接第 230 页）_ （上接第 230 页）_ 参考文献 参考文献 1 NAPPER I E.,THOMPSON R C.Release of synthetic microplastic plastic fibres from domestic washina machines effects of fabric type and washina conditions Marine Pollution BulletinJ.2016,112(1/2):39-45.2 施京京.实施“限塑令”远离白色污染J.中国质量技术监督,2008(02).3 刘帅,韩龙.原子吸收光谱法在食品重金属检测中的应用分析J.食品安全导刊,2022(1):177-179.4 周富强,刘松,冉菲,等.四酸微波消解-电感耦合等离子体原子发射光谱法测定土壤中 6 种重金属元素J.理化检验(化学分册),2021.57(9):799-803.5 张宏康,王中瑗,许佳璇,等.食品中重金属检测方法研究进展J.食品安全质量检测学报,2016,7(5):1844-1850.