CN114230487B - 一种丙烯腈与乙腈的生产热能耦合系统及热能耦合方法 - Google Patents

一种丙烯腈与乙腈的生产热能耦合系统及热能耦合方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种丙烯腈与乙腈的生产热能耦合系统及热能耦合方法，所述热能耦合系统包括包括丙烯腈反应器和乙腈反应器，所述丙烯腈反应器和所述乙腈反应器的内部分别包含丙烯腈取热装置和乙腈给热装置；所述乙腈反应器的顶部设有不凝气排放口；所述乙腈反应器位于空间高处，所述丙烯腈反应器位于空间低处。本发明提供的联产丙烯腈与乙腈的节能系统，乙腈和丙烯腈可联产共用原料储罐、公用工程、分离装置等。丙烯腈反应器的操作温度高于乙腈反应器的操作温度，利用丙烯腈反应器的放出的热量，作为乙腈反应器吸热的热量供给，可优化能量的利用、避免能量的多级转换而造成的损失。整套系统需要的设备少，设计简单，投资较少，改造方便。

Description

一种丙烯腈与乙腈的生产热能耦合系统及热能耦合方法
技术领域
本发明涉及化工合成技术领域，特别是涉及一种丙烯腈与乙腈的生产热能耦合系统及热能耦合方法。
背景技术
丙烯腈是合成纤维、合成橡胶和合成树脂的重要单体，是我国石油化工重点发展的产品之一。由丙烯腈制得的聚丙烯腈纤维即腈纶，其性能极似羊毛，因此也叫合成羊毛。丙烯腈与丁二烯共聚可制得丁腈橡胶，具有良好的耐油性，耐寒性，耐磨性，和电绝缘性能，并且在大多数化学溶剂、阳光和热作用下，性能比较稳定。丙烯腈与丁二烯、苯乙烯共聚制得的ABS树脂，具有质轻、耐寒、抗冲击性能较好等优点。丙烯腈水解可制得丙烯酰胺和丙烯酸及其酯类，它们是重要的有机化工原料。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得己二胺，己二胺是尼龙66原料，可制造抗水剂和胶粘剂等，也用于其他有机合成和医药工业中，并用作谷类熏蒸剂等。此外，该品也是一种非质子型极性溶剂，作为油田泥浆助剂PAC142原料。丙烯腈还是制备杀虫剂虫满腈的中间体。
乙腈是一种有机腈，最明显的功用就是做溶剂，包括合成纤维的溶剂、一些特殊涂料的溶剂、除去焦油和酚等物质的溶剂、抽提丁二烯的溶剂、从动植物油中抽提脂肪酸的溶剂、制造维生素B1溶剂、氨基酸的活性介质溶剂、可代替氯化溶剂、丙烯腈合成纤维的溶剂。在合成橡胶工业中做Ca馏分的抽提剂、丁二烯和脂肪酸的萃取剂、酒精变性剂。在纺织染色、乙烯基涂料、亮化工程、香料制造和感光材料制造中也有许多用途。乙腈是制备乙胺、乙酸和原乙酸酯的原料，是生产二氯菊酸甲酯等酯的中间体，并可用于磺酰脲类除草剂中间体嘧啶衍生物的原料，在医药工业可用于制造维生素B1和合成维生素A。用作色谱分析标准物质、溶剂及气相色谱固定液，尤其是高端色谱纯乙腈具有很好的应用前景。
当前，工业化的丙烯腈和乙腈的生产技术主要是1960年美国Sohio公司开创的丙烯氨氧化法(Sohio法)。经过多年的发展，丙烯腈的生产技术已经日趋成熟和完善，现今全球95％以上的丙烯腈都采用Sohio法生产。
丙烯氨氧化法是以丙烯、氨、空气和水为原料，按一定配比进入沸腾床或固定床反应器，在以硅胶作载体的磷钼铋系或锑铁系催化剂作用下，在400-500℃温度和常压下，生成丙烯腈。然后经中和塔用稀硫酸除去未反应的氨，再经吸收塔用水吸收丙烯腈等气体，形成水溶液，使该水溶液经萃取塔分离乙腈，在脱氢氰酸塔除去氢氰酸，经脱水、精馏而得丙烯腈产品，副产品有乙腈、氢氰酸和硫酸铵。
2CH3CHCH2+2NH3+3O2＝2CH2CHCN+6H2O，
2CH3CHCH2+3NH3+3O2＝3CH3CN+6H2O。
随着乙腈使用日益广泛，其在医药、农药、染料等高附加精细化学品的开发受到重视。乙腈大多由丙烯腈的副产品生产，丙烯腈装置的副产物是乙腈，产量是丙烯腈产量的2％～3％，其产能受丙烯腈装置生产性能影响，产量具有不稳定性。国内乙腈主要由中国石油和中国石化下属的企业生产，当国内丙烯腈装置的开车率不高时，市场会出现大量的乙腈缺口。
综上，开发一种联产丙烯腈与乙腈且节能的系统，将极大的解决乙腈产能不稳定的问题。届时既可获得较大经济利益，还可以优化资源利用，实现可持续发展战略，提高产品竞争力。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种丙烯腈与乙腈的生产热能耦合系统，及利用该系统进行热能耦合的方法，利用导热介质的自身相变的循环变化，实现丙烯腈装置的取热和乙腈反应器的供热该方法装置和方法操作简单，设备生产效率高且利于工业化应用。
本发明的第一方面在于提供一种丙烯腈与乙腈的生产热能耦合系统，包括丙烯腈反应器和乙腈反应器，所述丙烯腈反应器和所述乙腈反应器的内部分别包含丙烯腈取热装置和乙腈给热装置；所述乙腈给热装置的顶部设有不凝气排放口；所述乙腈反应器位于空间高处，所述丙烯腈反应器位于空间低处；所述丙烯腈取热装置的入口与所述乙腈给热装置的出口连接，所述丙烯腈取热装置的出口与所述乙腈给热装置的入口连接；连接管线均为绝热管线。
根据本发明所述的系统的一些优选的实施方式中，所述系统还包括缓冲罐，所述缓冲罐的入口与所述乙腈给热装置的出口连接，所述缓冲罐的出口与所述丙烯腈取热装置的入口连接；所述缓冲罐外壁绝热。
根据本发明所述的系统的一些优选的实施方式中，所述系统还包括不凝气分离罐，所述乙腈给热装置顶部的不凝气排放口与所述不凝气分离罐的入口连接。
根据本发明所述的系统的一些优选的实施方式中，连接管线选自铜管、碳钢、铝、不锈钢、铜钢复合管、不锈钢铜复合管和钛管中的任意一种；优选为不锈钢管或钛管。
本发明的第二方面在于提供一种利用上述系统进行丙烯腈与乙腈的生产热能耦合的方法，包括：
S1、所述导热介质从所述丙烯腈取热装置的入口进入所述丙烯腈取热装置，然后从所述丙烯腈取热装置的出口流出；
S2、所述导热介质从所述乙腈给热装置的入口进入所述乙腈给热装置，然后从所述乙腈给热装置的出口流出；导热介质冷凝后产生的不凝气体从所述不凝气排放口排出；
S4、所述导热介质进入所述丙烯腈取热装置的入口，建立起导热介质的循环。
根据本发明，所述丙烯腈取热装置可以为换热管；和/或，所述乙腈给热装置可以为换热管。所述导热介质进入换热管内部，与反应器内换热管外的反应体系中的物质进行换热。
根据本发明所述的方法的一些优选的实施方式中，在S4之前，还包括：S3、所述导热介质进入所述缓冲罐的入口，然后从所述缓冲罐的出口流出。
根据本发明所述的方法的一些优选的实施方式中，在S2中，还包括：所述不凝气体由不凝气排放口进入不凝气分离罐。
根据本发明，上述系统中的设备和管线均需要保温，避免气态导热介质提前冷凝或能量散失。
根据本发明所述的方法的一些优选的实施方式中，所述丙烯腈反应器的操作温度为400～460℃。
根据本发明所述的方法的一些优选的实施方式中，所述乙腈反应器的操作温度为300-400℃；优选为320～360℃。
根据本申请，丙烯腈反应器中，400～460℃条件下进行丙烯氨氧化反应，现有工艺中使用蒸汽取热，同时产出高压蒸汽。本申请中导热介质经过丙烯腈取热装置将温度提高到400℃以上并气化，气态导热介质在乙腈给热装置中液化供热，乙腈反应器中的反应温度在300～380℃之间。液态导热介质流出乙腈反应器后经过缓冲罐再次进入丙烯腈取热装置，达成整体的循环。系统运行过程中，严禁空气和有机类物质混入。因此导热介质应保持清洁，连接管线须保温以避免气体导热介质由于热量散失而提前液化，阻碍循环。为便于导热介质气化和稳定，须将连接管线中空气抽净，并定期排除不凝气避免影响换热效果。系统运行过程中，须严格控制升温速度，尽量避免系统运行中急冷急热。
根据本发明所述的方法的一些优选的实施方式中，所述导热介质选自水、硫、铯、铯、萘、汞和导热姆中的至少一种，优选为水、硫、铯、萘、汞何导热姆中的至少一种。
根据本发明所述的方法的一些优选的实施方式中，系统停车前，所述导热介质全部排出所述热利用系统。
在本申请中，连接管线的一端为位于相对低处的蒸发段(即本申请中的丙烯腈取热装置)，另一端为位于相对高处的冷凝段(即本申请中的乙腈给热装置)，根据应用需要在蒸发段和冷凝段中间布置绝热段，将管内抽成负压后充以适量的液体工质加以密封。在重力场中应用时，蒸发段受热，连接管线中的液体工质蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向高处的冷凝段，放出热量后凝结成液体，液体在重力作用下流回低处的蒸发段。
本发明的第三方面在于提供上述生产热能耦合系统或上述生产热能耦合方法在丙烯腈与乙腈生产领域的应用。
本发明的有益效果至少在于：
本发明提供的联产丙烯腈与乙腈的节能系统，由于乙腈反应器的部分原料、产品种类基本囊括在丙烯腈反应器的原料、产品种类中，因此两者可联产共用原料储罐、公用工程、分离装置等。丙烯腈反应器的操作温度高于乙腈反应器的操作温度，利用丙烯腈反应器的放出的热量，作为乙腈反应器吸热的热量供给，可优化能量的利用、避免能量的多级转换而造成的损失。整套系统需要的设备少，设计简单，投资较少，改造方便。
附图说明
图1为实施例1-7涉及的含盐有机废水的除盐系统设备流程图；其中，1-丙烯腈反应器；2-乙腈反应器；3-不凝气分离罐；4-缓冲罐；5-丙烯腈取热装置；6-乙腈给热装置；a-丙烯腈取热装置导热介质入口；b-丙烯腈取热装置导热介质出口；c-乙腈反应器导热介质入口；d-乙腈反应器导热介质出口；e-缓冲罐入口；f-缓冲罐出口；g-不凝气排放口；h-不凝气分离罐的排气口。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用设备、仪表、阀门、试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购途径获得的常规产品。
在下述实施方式中，实施例1-7的生产热能耦合流程如图1所示。采用的系统包括丙烯腈反应器1、乙腈反应器2、不凝气分离罐3及缓冲罐4。丙烯腈反应器1内设置丙烯腈取热装置5，乙腈反应器3内设置乙腈给热装置6。丙烯腈取热装置的出口b与乙腈给热装置的入口c连接，乙腈给热装置的出口d与缓冲罐的入口e连接，缓冲罐的出口f与丙烯腈取热装置的入口a连接。乙腈给热装置6顶部的不凝气排放口g通过截止阀所述不凝气分离罐的入口连接，不凝气分离罐的排气口h连接尾气处理管路(图中省略)。
丙烯腈反应器1为流化床反应器，丙烯腈取热装置5为热管阵列、盘管等换热装置，乙腈反应器3为固定床反应器，乙腈给热装置6为热管阵列、盘管等换热装置，不凝气分离罐为气体储罐、气液分离器、闪蒸罐等实现气液分离的设备，连接管线采用不锈钢管、钛管等传热效率高管材，管线外及设备外均采用保温材料进行包裹实现绝热系统。
实施例1-7的具体热利用方法为：
S1、导热介质从丙烯腈取热装置的入口进入丙烯腈取热装置，然后从丙烯腈取热装置的出口流出；
S2、导热介质从乙腈给热装置的入口进入乙腈给热装置，然后从乙腈给热装置的出口流出；导热介质冷凝后产生的不凝气体从不凝气排放口排出；不凝气体由不凝气排放口进入不凝气分离罐；
S3、导热介质进入缓冲罐的入口，然后从缓冲罐的出口流出；
S4、导热介质进入丙烯腈取热装置的入口，建立起导热介质的循环。
实施例1
本实施例涉及的流程如图1所示。
导热介质采用汞，汞进入丙烯腈取热器前加热至342℃，流出丙烯腈取热器时温度为425℃。汞经管线流入乙腈给热器时温度为420℃，换热后离开乙腈给热器时温度345℃。汞通过循环泵给动力再次进入丙烯腈反应器取热。整个系统的连接管线为不锈钢管。
根据现有技术，在乙腈生产过程中采用蒸汽取热，须设立其单独的供热系统。根据本实施例方案，可将丙烯腈生产过程中的热量用于乙腈生产，节约了一套单独的供热系统。
本方案高效率在于热管利用了传热学中相变潜热的吸收和释放两个最强烈的过程。热管的工作利用相变吸、放潜热的机理和毛细泵或重力引起工作流体的循环进行输送热能。构造简单、无运动部分，工作可靠、重量轻。
实施例2
本实施例涉及的流程如图1所示。
导热介质采用导热姆，导热姆进入丙烯腈取热器前加热至342℃，流出丙烯腈取热器时温度为425℃。导热姆经管线流入乙腈给热器时温度为420℃，换热后离开乙腈给热器时温度345℃。导热姆通过循环泵给动力再次进入丙烯腈反应器取热。整个系统的连接管线为不锈钢管。
根据现有技术，在乙腈生产过程中采用蒸汽取热，须设立其单独的供热系统。根据本实施例方案，可将丙烯腈生产过程中的热量用于乙腈生产，节约了一套单独的供热系统。
本方案高效率在于热管利用了传热学中相变潜热的吸收和释放两个最强烈的过程。热管的工作利用相变吸、放潜热的机理和毛细泵或重力引起工作流体的循环进行输送热能。构造简单、无运动部分，工作可靠、重量轻。
实施例3
本实施例涉及的流程如图1所示。
导热介质采用水，水进入丙烯腈取热器前加热至342℃，流出丙烯腈取热器时温度为452℃。水经管线流入乙腈给热器时温度为440℃，换热后离开乙腈给热器时温度345℃。水通过循环泵给动力再次进入丙烯腈反应器取热。整个系统的连接管线为不锈钢管(铜做衬套)。
根据现有技术，在乙腈生产过程中采用蒸汽取热，须设立其单独的供热系统。根据本实施例方案，可将丙烯腈生产过程中的热量用于乙腈生产，节约了一套单独的供热系统。
本方案高效率在于热管利用了传热学中相变潜热的吸收和释放两个最强烈的过程。热管的工作利用相变吸、放潜热的机理和毛细泵或重力引起工作流体的循环进行输送热能。构造简单、无运动部分，工作可靠、重量轻。
实施例4
本实施例涉及的流程如图1所示。
导热介质采用萘，萘进入丙烯腈取热器前加热至340℃，流出丙烯腈取热器时温度为418℃。萘经管线流入乙腈给热器时温度为415℃，换热后离开乙腈给热器时温度344℃。萘通过循环泵给动力再次进入丙烯腈反应器取热。整个系统的连接管线为不锈钢管。
根据现有技术，在乙腈生产过程中采用蒸汽取热，须设立其单独的供热系统。根据本实施例方案，可将丙烯腈生产过程中的热量用于乙腈生产，节约了一套单独的供热系统。
本方案高效率在于热管利用了传热学中相变潜热的吸收和释放两个最强烈的过程。热管的工作利用相变吸、放潜热的机理和毛细泵或重力引起工作流体的循环进行输送热能。构造简单、无运动部分，工作可靠、重量轻。
实施例5
本实施例涉及的流程如图1所示。
导热介质采用硫，硫进入丙烯腈取热器前加热至340℃，流出丙烯腈取热器时温度为440℃。硫硫经管线流入乙腈给热器时温度为435℃，换热后离开乙腈给热器时温度344℃。硫硫通过循环泵给动力再次进入丙烯腈反应器取热。整个系统的连接管线为不锈钢管。
根据现有技术，在乙腈生产过程中采用蒸汽取热，须设立其单独的供热系统。根据本实施例方案，可将丙烯腈生产过程中的热量用于乙腈生产，节约了一套单独的供热系统。
本方案高效率在于热管利用了传热学中相变潜热的吸收和释放两个最强烈的过程。热管的工作利用相变吸、放潜热的机理和毛细泵或重力引起工作流体的循环进行输送热能。构造简单、无运动部分，工作可靠、重量轻。
实施例6
本实施例涉及的流程如图1所示。
导热介质采用铯，铯进入丙烯腈取热器前加热至342℃，流出丙烯腈取热器时温度为452℃。铯经管线流入乙腈给热器时温度为440℃，换热后离开乙腈给热器时温度345℃。铯通过循环泵给动力再次进入丙烯腈反应器取热。整个系统的连接管线为不锈钢管。
根据现有技术，在乙腈生产过程中采用蒸汽取热，须设立其单独的供热系统。根据本实施例方案，可将丙烯腈生产过程中的热量用于乙腈生产，节约了一套单独的供热系统。
本方案高效率在于热管利用了传热学中相变潜热的吸收和释放两个最强烈的过程。热管的工作利用相变吸、放潜热的机理和毛细泵或重力引起工作流体的循环进行输送热能。构造简单、无运动部分，工作可靠、重量轻。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (6)

1.利用热能耦合系统进行丙烯腈与乙腈生产热能耦合的方法，其特征在于，所述热能耦合系统包括丙烯腈反应器(1)和乙腈反应器(2)，所述丙烯腈反应器(1)和所述乙腈反应器(2)的内部分别包含丙烯腈取热装置(5)和乙腈给热装置(6)；所述乙腈给热装置(6)的顶部设有不凝气排放口；所述乙腈反应器(2)位于空间高处，所述丙烯腈反应器(1)位于空间低处；所述丙烯腈取热装置(5)的出口与所述乙腈给热装置(6)的入口连接；
还包括缓冲罐(4)，所述缓冲罐(4)的入口与所述乙腈给热装置(6)的出口连接，所述缓冲罐(4)的出口与所述丙烯腈取热装置(5)的入口连接；所述缓冲罐(4)外壁绝热；连接管线均为绝热管线；还包括不凝气分离罐(3)，所述乙腈给热装置(6)顶部的不凝气排放口(g)与所述不凝气分离罐(3)的入口连接；
所述热能耦合的方法包括：
S1、所述导热介质从所述丙烯腈取热装置(5)的入口(a)进入所述丙烯腈取热装置(5)，然后从所述丙烯腈取热装置(5)的出口(b)流出；
S2、所述导热介质从所述乙腈给热装置(6)的入口(c)进入所述乙腈给热装置(6)，然后从所述乙腈给热装置(6)的出口(d)流出；导热介质冷凝后产生的不凝气体从所述不凝气排放口(g)进入不凝气分离罐(3)；
S3、所述导热介质进入所述缓冲罐的入口(e)，然后从所述缓冲罐的出口(f)流出；
S4、所述导热介质从所述缓冲罐(4)的出口(f)流出，进入所述丙烯腈取热装置(5)的入口(a)，建立起导热介质的循环；
所述丙烯腈反应器的操作温度为400～460℃；所述乙腈反应器的操作温度为300～400℃；
所述导热介质选自水、硫、铯、萘、汞和导热姆中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的热能耦合的方法，其特征在于，所述连接管线选自铜管、碳钢、铝、不锈钢、铜钢复合管、不锈钢铜复合管和钛管中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的热能耦合的方法，其特征在于，所述连接管线选自不锈钢管或钛管中的一种。
4.根据权利要求1所述的热能耦合的方法，其特征在于，所述乙腈反应器的操作温度为320～360℃。
5.根据权利要求1所述的热能耦合的方法，其特征在于，所述热能耦合系统停车前，所述导热介质全部排出所述热利用系统。
6.权利要求1-5中任一项所述的热能耦合方法在丙烯腈和乙腈生产领域中的应用。
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