5000吨丙烯腈设计说明书Word下载.docx

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0.065

0.7

0.007

0.12

操作压力0.203MPa，出口压力0.162MPa，

反应器进口温度110℃，反应温度450℃，气体出口温度350℃。

其他设计参数查相关手册。

1.3丙烯腈的物理性质

丙烯腈在常温常压下是无色液体，熔点－82℃、密度0.80ｇ/m3、沸点77.3℃。

味甜具有刺激性的微臭味、有毒。

室内允许浓度为0.002mg/L，爆炸极限为3.05%―17.5%。

能溶于许多有机溶剂中，与水部分互溶。

丙烯腈可与苯、四氯化碳、甲醇形成二元共沸物能与水形成最低共沸物。

1.4丙烯腈的化学性质

丙烯腈：

化学式CH2=CHCN含有双键和氰基其化学性质活泼，易聚合.也易与其他发生加成反应。

是三大合成材料―合成纤维、合成橡胶、塑料的基本且重要的原料。

是用来生产聚丙烯纤维（即合成纤维腈纶）、丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料（ABS）、苯乙烯塑料和丙烯酰胺。

其用途分配：

合成纤维约占40%―60%.树脂和橡胶约占15%―28%。

此外还有丙烯酰胺等有机产品。

另外丙烯腈可制得丙烯酸酯等。

1.5丙烯腈的制取方法

“丙烯腈的生产方法有氰乙醇法、乙炔法和乙醛-氢氰酸法、丙烯氨化氧化法。

其中氰乙醇法已淘汰，乙炔法仅少数国家沿用。

①氰乙醇法　环氧乙烷和氢氰酸在水和三甲胺的存在下反应得氰乙醇。

然后以碳酸镁为催化剂，于200～280℃脱水制得丙烯腈，收率约75％。

此法虽能制得高纯度丙烯腈，但氢氰酸毒性大，成本也较高。

②乙炔法　乙炔和氢氰酸在氯化亚酮-氯化钾-氯化钠稀盐酸溶液的催化作用下，在80～90℃反应得丙烯腈：

C2H2+HCN─→CH2＝CHCN。

此法生产简单，收率良好，以氢氰酸计可达97％，但副反应多，产物精制较难，毒性也大，且原料乙炔价格高于丙烯，在技术经济上落后于丙烯氨化氧化法。

③乙醛-氢氰酸法乙醛已能由乙烯大量廉价制得

CH3CHO+HCN==CH3CH2OH→CH2=CHCN

④丙烯氨化氧化法　丙烯氨化氧化的反应为：

2C3H6+2NH3+3O2→2CH2=CHCN+6H2O

丙烯是目前大量生产的石油化学工业的产品，氨是合成氨工业的产品，这两种原料均来源丰富且价格低廉。

工艺流程比较简单,反应的副产物较少品纯度较高。

经一步反应便可得到丙梯脯产物。

副产物主要是氢氰酸，都可以回收利用。

1.6丙烯腈的发展简史及展望

第二次世界大战前夕，发现丙烯腈的共聚物可极大改善合成橡胶的耐油和耐溶剂性，丙腈烯因而开始受到重视。

战争期间，德国开发了环氧乙烷和氢氰酸合成丙烯腈的氰乙醇法工艺。

后来，德国法本公司又开发了乙炔和氢氰酸直接合成丙烯腈的乙炔法。

在1960年以前，此法是丙烯腈的主要生产方法。

其后，丙烯腈在合成纤维、树脂等方面的新应用，又促进了丙烯腈新生产方法的研究及其产量激增。

1960年，美国俄亥俄标准油公司采用流化床反应器开发丙烯氨化氧化一步合成丙烯腈工艺并投入工业生产，引起丙烯腈生产工艺的巨大变革。

1983年，世界丙烯腈年产量已达3Mt，几乎全部采用丙烯氨化氧化法生产。

目前全球95%以上的装置采用BP公司开发的丙烯氨氧化法技术，催化剂是丙烯腈合成的关键，用MO、Bi、CO等数十种金属混合氧化物，反应温度为35℃，丙烯转化率达到96.4%，丙烯腈转化率为80.2%。

近年来丙烷氨化氧化法生产丙烯腈的研究已经取得了长足性的进展，现处于中试阶段，就一方面由于价格的因素，丙烷的价格比丙烯低的多，但另一方面也为惰性的丙烷开拓新的领域，就目前的技术水平看，投资大、转化率低、选择性不高等多方面弱点，所以在目前还不能和丙烯氨化氧化法相媲美，所以丙烯氨化氧化法至今经久不衰。

1.7市场分析

我国丙烯腈主要用作腈纶，2000年我国丙烯腈产量约为400kt,消费量约为550kt，消费结构与腈纶占85%，ABS/AS约占7%，丙烯酰胺约占3%，其他为5%,由于国内供应不足，国内近期有多家企业计划扩建丙烯腈装置。

近十年来我国发展迅速，1988年产量为80.5kt，2000年约为400kt，年增长率约为14.3%，丙烯腈的生产与消费主要集中在美国，西欧，日本与工业发达国家和地区，他们生产能力约占全球生产能力的66.2%。

2.物料衡算与热量衡算

2.1发生的主反应和副反应

主要采用丙烯氨化氧化法。

丙烯氨化氧化法：

反应的主要副产物为氢氰酸、乙腈和二氧化碳、水等。

生产上，原料气中丙烯、氨、空气之体积比为1:

（1～1.2）:

（9.5～11.5）。

原料气从底部通入流化床反应器，反应温度430～450℃、压力0.16～0.18MPa（绝对压力），反应热用软水循环回收，发生高压蒸汽。

反应后气体经洗涤、吸收、精馏等可得到高纯度丙烯腈。

由于氢氰酸为剧毒物质，可就近与氢氧化钠溶液制成氰化钠，或与丙酮反应制成丙酮氰醇，用作合成甲基丙烯酸的原料。

乙腈提纯后，虽可用作选择性溶剂及中间体，但用量不大，因此许多工厂常常把它烧掉，此法原料便宜，成本低，目前已是丙烯腈最主要的生产方法。

主反应：

2C3H6+2NH3+3O2→2CH2=CHCN+6H2

副反应:

生成氰化氢（HCN）C3H6+NH3+3O2

3HCN=6H2O

生成丙烯醛（ACL）C3H6+O2

CH=CHCHO+H2O

生成乙腈（ACN）2C3H6+3NH3+3O2

3CH3CN+6H2O

生成CO2和H2O2C3H6+9O2

6CO2+6H2O

2.2生产工艺流程

液态丙烯和液态氨分别经丙烯蒸发器和氨蒸发器气化，然后分别在丙烯过热器和氨过热器过热到需要的温度后进入混合器；

经压缩后的空气先通过空气饱和塔增湿，再经空气加热器预热至一定温度后进入混合器。

混合器出口气体混合物进入反应器，在反应器内进行丙烯的氨氧化反应。

反应出口的高温气体先经过废热锅炉回收热量，气体冷却到230℃左右进入氨中和塔，在70―80℃下用硫酸吸收反应器出口气体中未反应的氨，中和塔塔底的含硫酸氨的酸经循环冷却器除去吸收热后，返回塔顶循环使用，同时补充部分新鲜酸液，并从塔釜排放一部分含硫酸氨的废液。

氨中和塔出口气体经换热器冷却后进水吸收塔，用5―10℃的水吸收丙烯腈和其他副产物。

水吸收塔塔底得到含丙烯腈约1.8%的丙烯腈水溶液，经换热器与氨中和塔出口气体换热，温度升高后去精制工段。

2.3物料衡算

2C3H6+2NH3+3O2→2CH2=CHCN+6H2

已知条件：

液态丙烯原料含丙烯85％，丙烷15％，液态氨原料含氨100％

丙烯腈损失率3.1％

设计裕量6％

工段产品为丙烯腈水溶液，含丙烯腈约1.8％（wt）

丙烯腈的实际摩尔流量：

=14.32kmol／h

所需丙烯量：

所需丙烷的量：

所需氨气的量：

所需氧气的量：

所需氮气的量：

所以总进料量：

F=314.57kmol/h

各物质0～t℃的平均定压比热容如下：

温度

比热容

C3H6

C3H8

NH3

O2

N2

H2O

AN

HCN

ACN

ACL

CP/

[KJ/（kg·

K）]

0~110℃

0~360℃

0~470℃

1.841

2.05

2.301

0.941

1.046

1.883

2.678

3.013

2.636

1.004

1.088

2.008

1.874

1.640

1.933

1.966

1.130

2.929

3.347

2.939

1.109

2.092

2.029

1.724

2.10

2.172

1.213

假设如下热力学途径：

△H

△H1△H3

△H2

注：

△H1为进料的温变热量；

△H2为反应热；

△H3为出口物的温变热量；

各物质25~t℃的平均比热容用0～t℃的平均比热容代替误差不大。

因此：

若热损失取△H的5%，则需由浓相段换热装置取出的热量（即换热装置的热负荷）为：

浓相段换热装置生产0.405MPa的饱和蒸汽（饱和温度143℃）

143℃饱和蒸汽焓：

143℃饱和水焓：

产生的蒸汽量

稀相段热衡算求稀相段换热器的热负荷及产生蒸汽量

以0℃气体为衡算基准，进入稀相段的气体带入热为：

离开稀相段的气体带出热为：

热损失取4%，则稀相段换热装置的热负荷为：

稀相段换热装置产生0.405MPa的饱和蒸汽，产生的蒸汽量为：

3.丙烯腈合成工段生产工艺流程图和物料流程图

4.主要设备的工艺计算

4.1浓相段直径计算

因为反应过程总物质的量增加，所以按出口处计算塔径比较安全。

出口处气体体积流量为：

取空床线速0.6m/s

浓相段直径为：

取流化床浓相段直径为2.8m。

4.2浓相段高度

按接触时间为10s计算，催化剂的堆体积应为：

净床高

取浓相段高为12m。

催化剂的堆密度为640kg/m3

催化剂质量

所以催化剂负荷为：

试验装置的催化剂负荷可达到1.77mol/（h·

kg），本设计的值小于实验值，是可靠地。

4.3扩大段直径

取扩大段气速为操作气速的一半，即u=0.3m/s

气体流量为：

扩大段直径为：

故取扩大段直径为4m

4.4扩大段高度

根据流化床直径2.8m，空塔气速0.6m/s，查图得

故稀相段高度

取H2=6m

4.5浓相段冷却装置的换热面积

换热装置用套管式，总传热系数取233W/（m2·

K）

换热装置的热负荷已由热衡算求出：

换热面积为：

取30%的设计裕量，则换热面积为40m2。

4.6稀相段冷却装置的换热面积

用套管式换热装置，水为冷却剂，产生0.405MPa（143℃）蒸汽。

总传热系数取20W/（m2·

K）,换热装置热负荷为：

取30%设计裕量，则换热面积为130m2。

5.设计结果汇总

5.1工艺设备一览表

序号

设备位号

设备名称及规格

设备图号、型号或标准图号

单位

数量

材料

单重

总重

备注

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

R-1

合成反应器

流化床反应器.依箱胶直径Φ800mm,

高Φ12000mm稀相段直径Φ4000mm,高

6000mm.浓相段内有换热面积为40㎡

的套管式换热装置，稀相段内有换热面积为130㎡的套管换热装置

台

T-1

空气饱和塔

填料塔.塔径Φ1200mm，内装Φ50x

50X4.5的陶瓷拉西环11m.填料共分两

层，两层填科间设液体分布—再分布器

T-2

水吸收塔

填料塔。

塔径Φ1300mm.内装250Y型塑料孔板波纹填料7m

T-3

氨中和塔

穿流板塔.塔径Φ1800mm,塔饭数20,板间距440mm,塔板孔径8mm,孔数6220

E-1

废热锅炉

壳管式，内有230根Φ2X3.5mm、长6m的冷却管，总换热西积150m2,管外为水的蒸发空间.产生0.4O5MPa的饱和蒸

汽

E-2

丙烯蒸发器

圆筒式，内有Φ38X2.5的U型钢管,

内走冷冻盐水，管外是丙烯蒸发空间，换热面积36㎡

E-3

丙烯过热器

浮头式换热器，壳体直径426mm.内

有Φ2.5X2.5mm、长4.5m的换热管74根，换热面积25.6m2。

双管程，单壳层

BFT426

E-4

氨蒸发器

圆筒式，内有换热蛇管，管内走加热蒸汽，管外为液氨蒸发空间。

换热面积

2.Om2

E-5

氨气过热器

浮头式热交换器，壳体直径325mm.

内有价Φ19X2mm、长3m的换热管60根。

换热面积10.5m2.双管程、单壳程

BFT325

E-6

空气加热器

浮头式换热器。

壳体直径700mm.内

有Φ25X2.5mm、长3m的抉热管268

根，换热面积80.4m2，双壳层、单壳程

BFT700

11

E-7

循环冷却器

列管式石墨换热器，壳体直径900mm，内有内径22mm、长3m的衣换热管417根，换热面积105m2

GH90-1051

石墨

12

E-8

换热器

浮头式换热器.壳体直径1000mm,内

有Φ25X2.5mm、长4.5m的换热器甘606根.换热面积206.6m2，双管程.单壳程

AFT1000

不锈钢

13

E-9

吸收水第一冷却器

螺旋板换热器，外径1600mm,板1.2m板厚4mm,通过间距14mm.换热面积123.7m2，公称压力1.OMPa

　JB/T4723-92

14

E-10

吸收水第二冷却器

规格、型号与吸收水第一冷却器相同

JB/T4723-92

15

E-11

吸收水第三冷却器

16

B-1

循环液泵

耐腐蚀离心泵.流量5Om3/h,扬程30m、电机功率7.5kw

80FVZ-30

17

C-1

空气压缩机

活塞式空气压缩机，排气量55m2/Min，排气压力0.35MPa.电机功率250kw

5L-55/3.5

18

V-1

中和液贮槽

卧式椭圆封头容器.工作压0.25MPa.公称容积6m3，直径1600mm.长2600m

JB1428-74

19

V-2

空气饱和塔釜液槽

卧式椭圆封头容器.工作压力0.25MPa，公称容积6m3,直径1600mm,长2600mm

20

V-3

混合器

立式椭圆封头容器，工作压0.25MPa.公称容积6m3,宜径1600mm,高2600mm

JB1426-74

管口按工艺条件修改

5.2原料消耗综合表

物料名称

成分

每吨产品的消耗量100%

每吨产品的消耗量工业纯度

每小时消耗量工业纯度

每昼夜消耗量工业纯度

每年消耗量工业纯度

丙烯

85%

t

1.33

1.565

1.188

28.5

8550

氨

100%

0.5613

0.426

10.22

3067

硫酸

93%

0.2361

0.2539

0.1927

4.625

1387.4

原料水

9.515

7.221

173.3

51991

5.3能量消耗综合表

（1）0.405MPa蒸汽产生量

a.浓相段换热装皿3953kg/h

b.稀相段换热装里879kg/h

c.废热锅护1217kg/h

（2）0.405MPa加热蒸汽消耗量

a.丙烯过热器71.6kg/h

b.氮燕发器280kg/h

c.氮过热器35kg/h

（3）0.608MPa加热蒸汽消耗量

空气加热器288kg/h

（4）循环水用皿

a.循环冷却器188.65t/h

b.吸收水第一冷却器214.88t/h

c.空气压缩机冷却水9.6t/h

（5）深井水

吸收水第二冷却器196.2t/h

（6）冷冻盐水

a.0。

0C冷冻盐水76.122t/h（丙烯蒸发器用）

b.-51。

0C冷冻盐水，94.566t/h（吸收水第三冷却器用）

由上面所列数据可以得到加热蒸汽、循环水、深井水和冷冻盐水的用量的计算值，再在深井水、循环水和加热蒸汽量的计算值乘以1.3的安全系数，冷冻盐水用量按计算值乘以1.2的安全系效，就得到能量消耗综合表。

往意表中第7栏是工段产生的蒸汽,而非消耗量。

名称

规格

每吨产品的消耗量

每小时的消耗量

每昼夜的消耗量

每年的消耗量

深井水

循环水

加热蒸汽

冷冻盐水

产生蒸汽量

0.405MPa

0.608MPa

0℃

—5℃

336

692

0.659

0.501

118.6

151.5

6.05

255

525

0.5

0.38

90

115

6120

12600

9.12

2160

2760

145.2

1836000

3780000

3600

2736

648000

828000

43560

5.4排出物综合表

特性和成分

每吨产品排出量

每小时排出量

每年排出量

中和塔废液

尾气

空气饱和塔塔底排污

其中含AN0.03%（质量分数，下同）

ACN0.153%

HCN0.5%

（NH4）2SO430.9%

H2O68.53%

温度81℃

其中含

C3H61.38%（质量分数，下同）

C2H61.764%

O25.53%

N286.52%

CO21.212%

水蒸气3.599%

温度10℃其中含

AN0.00525%（质量分数，下同）

AN0.0084%

氰醇0.00053%

ACL0.00021%

H2O99.985%

温度79℃

m3（STP）

1．008

7046

11.2

0.7646

5347

8.5

5505

3.85×

107

61200

6.环境保护和安全措施要求

丙烯腈生产中的废水和废气处理在丙烯腈生产中,有大量的工业污水产生,这些污水中含有氢氰酸、乙腈、丙烯腈和丙烯醛等有毒物质,如不经处理直接排放,会污染水源,对人体和动、植物造成危害。

因此,国家对含氰废水的排放有严格的规定,一定要将它们治理达到标准后,才准予排放。

丙烯腈装置的废水来源主要是反应生成水和工艺过程用水。

因反应条件和采用的催化剂不同,各主、副反应物的单程收率不会一样,生成水量也会有所差别。

通常合成1t丙烯腈产生1.5～2.0m\+3反应生成水。

工艺过程用水包括分离合成产物过程用的吸收水和萃取水,反应器用的稀释蒸气（有些催化剂不用）,和蒸馏塔用的直接蒸气（最终冷凝成水）。

在提纯丙烯腈、乙腈、氢氰酸的加工过程中需将水分离、排放。

这些排放水中有含氰毒物、聚合物、无机物（硫酸铵、催化剂粉尘等）,在排放前都需要经过处理。

例如,氨中和塔釜液经废水塔处理后,含丙烯腈100～300mg/l,乙腈100～200mg/l,氢氰酸1000～1500mg/l,化学需氧量20000～30000mg/l,总有机物含量达5%（w）。

来自乙腈精制系统及清洗设备的废碱液中,含乙腈1.0～1.5%（w）,氢氧化钠2.0～2.5%（w）,其它物质1.5～2.0%（w）。

减少废水量对废水治理极为有利,是防治污染的有效措施。

由于丙烯腈生产中各设备排放出来的污水成分不同,将它们分别处理比较有利。

氨中和塔（急冷塔）产生的硫酸铵污水,先经废水塔回收丙烯腈等有机物,再通过沉降分离除去催化剂粉末和不溶性的固体聚合物,由于这部分污水有毒物质含量高、杂质多,处理比较困难,故直接送焚烧炉烧掉。

燃烧时,用中压蒸气雾化,以重油作辅助燃料,炉内温