年产3.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计.docx

1、化工工艺设计课 程 设 计年产3.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计年 级 专 业 化学工程与工艺学 号姓 名指导教师设计成绩完成日期 年 月 日课程设计成绩评定栏评定基元评审要素评审内涵分值评分签名栏设计说明，50%格式规范内容完整格式是否规范10评阅教师签名内容是否完整10工艺计算正确、完整和规范物料恒算10热量衡算10设备设计和选型10设计图纸，40%图纸规范标注清晰方案流程图10评阅教师签名工艺物料流程图10带控制点的工艺流程图20 平时成绩，10%上课出勤上课出勤考核5指导教师签名制图出勤制图出勤考核5合计100化工工艺设计课程设计任务书学 号学生姓名专业（班级）设计题目年产 3.5 万吨

2、丙烯腈合成工段工艺设计设计技术参数1.生产能力： 35000 吨/年2.原料：丙烯85%，丙烷15%（摩尔分率）；液氨100%3.产品：1.8%（wt）丙烯腈水溶液4.生产方法：丙烯氨氧化法5.丙烯腈损失率：3%6.设计裕量：6%7.年操作日：300天设计要求1.确定设计方案，并画出流程框图（要求见4（1）；2.物料衡算，热量衡算3.主要设备的工艺设计计算4.绘图要求：（1）流程框图（CAD或者PPT绘，截图在方案设计中）；（2）方案流程图（CAD或手绘，A3图纸）；（3）工艺物料流程图（带物料表，CAD或手绘，A3图纸）；（4）制带控制点的工艺流程图（CAD或手绘，A3图纸）；5.编写设计说

3、明书工作量1.设计计算：1.5周2.工艺流程图与设计说明书：1周3.答辩：0.5周工作计划第一周：物料衡算、热量衡算及主要设备的工艺设计计算第二周：画图，撰写设计说明书，第三周：答辩参考资料化工工艺设计手册第四版(上下册)，中国石化集团上海工程有限公司编，化学工业出版社，2009年化学化工物性参数手册，青岛化工学院等编，化学工业出版社，2002年目录年产3.5万吨丙烯睛合成工段工艺设计1第一部分概述11.1丙烯睛的性质11.1.1丙烯精的物理性质11.1.2丙烯脂的化学性质及应用21.2丙烯睛的生产技术的发展31.2.1国外的发展情况31.2.2国内发展概况41.3丙烯睛生产工艺研究进展51.

4、4丙烯氨氧化的原理61.4.1化学反应 61.4.2催化剂7第二部分生产方案选择8第三部分工艺流程设计83.1丙烯睛工艺流程示意图83. 2小时生产能力9第四部分物料衡算和热量衡算104.1反应器的物料衡算和热量衡算104.1. 1计算依据104.1.2物料衡算104.1.3热量衡算124. 2空气饱和塔的物料衡算和热量衡算144. 2. 1计算依据144. 2. 2物料衡算144. 2.3热量衡算154. 3氨中和塔物料衡算和热量衡算164. 3. 1计算依据164. 3. 2物料衡算174. 3.3热量衡算184. 4换热器物料衡算和热量衡算214.4.1计算依据214. 4. 2物料衡算

5、214. 4.3热量衡算224. 5水吸收塔物料衡算和热量衡算234. 5. 1计算依据234. 5. 2物料衡算234. 5.3热量衡算264. 6空气水饱和塔釜液槽274. 6. 1计算依据274. 6. 2物料衡算284. 6. 3热量衡算284.7丙烯蒸发器热量衡算294.7. 1计算依据294.7. 2有关数据294.7. 3热衡算求丙烯蒸发器的热负荷和冷冻盐水用量294. 8丙烯过热器热量衡算304. 8. 1计算依据304. 8. 2热量衡算求丙烯过热器热负荷和加热蒸汽量304. 9氨蒸发器热量衡算304. 9. 1计算依据304. 9. 2有关数据304. 9. 3热衡算求氨蒸

6、发器的热负荷和加热蒸汽用量314.10氨气过热器314.10. 1计算依据314.10. 2热衡算求气氨过热器的热负荷和加热蒸汽用量314. 11混合器314. 11. 1计算依据314.11.2热衡算求进口温空气的温度t324. 12空气加热器的热量衡算324.12.1计算依据324.12.2热衡算求空气加热器的热负荷和加热蒸汽量33第五部分主要设备的工艺计算335.1合成反应器335.1. 1计算依据335.1.2浓相段直径335.1.3浓相段高度345.1.4扩大段（此处即稀相段）直径345.1.5扩大段高度355.1.6浓相段冷却装置的换热面积355.1.7稀相段冷却装置的换热面积36

7、5.2空气饱和塔365.2.1计算依据365.2.2塔径的确定375.2.3填料高度395.3水吸收塔395.3.1计算依据395.3.2塔径的确定405.3.3填料高度415.4丙烯蒸发器435.4.1计算依据435.4.2丙烯蒸发器换热面积435.5循环冷却器455.5.1计算依据455.5.2计算换热面积455. 6氨蒸发器485. 6. 1计算依据485. 6. 2计算换热面积485. 7氨气过热器495. 7. 1计算依据495. 7. 2计算换热面积495.8丙烯过热器505.8.1计算依据505.8.2计算换热面积505.9空气加热器515.9.1计算依据515.9.2计算换热面

8、积515.10循环液泵535.11空气压缩机535.12中和液贮槽54第五部分课程设计心得55第六部分附录566.1参考文献566.3附图57年产3.5万吨丙烯睛合成工段工艺设计摘要：本设计为年产3.5万吨丙烯睛的合成段工艺设计，在设计中采用了丙烯氨 氧化制丙烯睛法，此法能有效降低生产成本。该设计对丙烯睛的性质、应用、国 内外发展、生产方法等进行了简单介绍。本设计的重点在于计算丙烯氨氧化生产 丙烯睛过程中的物料衡算、热量衡算和主要设备的工艺计算。通过设计计算得出 流化床浓相段总高是16米，直径为6.9米，催化剂堆体积是294.9立方米，稀相 段高度为10米，直径是9米，达到了预期目标。第一部分

9、 概述1.1 丙烯腈的性质1.1.1 丙烯腈的物理性质丙烯腈是一种非常重要的有机化工原料，在合成纤维、树脂、橡胶急胶粘剂等领域有着广泛的应用。丙烯腈，英文名Acrylonifrile（简称为ACN），化学分子式：CH2=CH-CN；分子量：53.1。丙烯腈在常温下是无色或淡黄色液体，剧毒，有特殊气味；可溶于丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和乙醇等有机溶剂；与水互溶，溶解度见表1-1。丙烯腈在室内允许浓度为0.002MG/L，在空中的爆炸极限为3.0517.5%（体积）。因此，在生产、贮存和运输中，必须有严格的安全防护措施。丙烯腈和水、苯、四氯化碳、甲醇、异丙醇等会成二元共沸混合物，和水的共沸点为 71

10、，共沸点中丙烯腈的含量为88%（质量），在有苯乙烯存在下，还能形成丙烯腈苯乙烯水三元共沸混合物。丙烯腈的主要物理性质见表1-2。表 1-1 丙烯腈与水的相互溶解度温度/水在丙烯腈中的溶解度（质量）/%丙烯腈在水中的溶解度（质量）/%02.107.15102.557.17203.087.30303.827.51404.857.90506.158.41607.659.10709.219.908010.9511.10表 1-2 丙烯腈的主要物理性质性质指标性质指标性质指标沸点(101.3KPa)78.5燃点/481蒸汽压/KPa熔点/82.0比热容/J.kg-1. K-120.920.038.7时6

11、.67相对密度(d426 )0.0806蒸发潜热(077)32.6kJ/mol45.5时33.33粘度(25)0.34生成热(25)151kJ/mol77.3时101.32折射率(nD25 )1.3888燃烧热1761kJ/mol临界温度246闪点/0聚合热(25)72 kJ/mol临界压力3.42MPa1.1.2 丙烯腈的化学性质及应用丙烯腈分子中含有双键及氰基（-CN ），其化学性质非常活泼，可以发生加成、聚合、水解、醇解、腈基及氢乙基化等反应。聚合反应和加成反应都发生在丙烯腈的 C=C 双键上，纯丙烯腈在光的作用下能自行聚合，所以在丙烯腈成品及丙烯腈生产过程中，通常要加少量阻聚剂，如对苯

12、酚甲基醚（阻聚剂MEHQ）、对苯二酚、氯化亚铜和胺类化合物等。除自聚外，丙烯腈还能与苯乙烯、丁二烯、乙酸乙烯、氯乙烯、丙烯酰胺等中的一种或几种发生共聚反应，由此可制得合成纤维、塑料、涂料和粘合剂等。丙烯腈经电解加氢偶联反应可以制得已二腈。氰基反应包括水合反应、水解反应、醇解反应等，丙烯腈和水在铜催化剂存在下，可以水合制取丙烯酰胺。氰乙基化反应是丙烯腈与醇、硫醇、胺、氨、酰胺、醛、酮等反应；丙烯腈和醇反应可制取烷氧基丙胺，烷氧基丙胺是液体染料的分散剂、抗静电剂、纤维处理剂、表面活性剂、医药等的原料。丙烯腈与氨反应可制得1，3 丙二胺，该产物可用作纺织溶剂、聚氨酯溶剂和催化剂。丙烯腈主要用来生产

13、ABS 树脂，丙烯酰胺、丙烯酸纤维、己二睛和苯乙烯-己二睛树脂等，目前国内供不应求，每年需大量进口来满足市场需求，2000 年进口量超过150kt。1.2丙烯腈的生产状况1.2.1世界丙烯腈生产与消费概况全世界丙烯腈的生产主要集中在美国、西欧和日本等国家和地区。全世界1999年丙烯腈总生产能力为，523.3万t(见表1-3) 。美国、日、西欧丙烯腈生产能力合计为357万t， 占世界总能力的66.9。1999年世界丙烯腈需求量为480万t，产量470万t。 预计到2000年，世界丙烯腈总生产能力将达到585万t，产量及消费量将达到507万t。其中用于腈纶的消费量为275万t，用于ABS、AS为1

14、26万t，其它106万t(见表1-4)。今年台塑公司4月和年末各有10万t/a装置投产、美国Solutia公司8月25万t/a装置建成，还会增加45万t生产能力。2000年是日本旭化成、三菱化学和韩国东西石油化学、泰光产业等公司的定期检修年，这会缓和对新增能力投产的冲击。表1-3 1999年世界丙烯腈生产能力(万t/a)国家和地区生产能力国家和地区生产能力美国164.2土耳其9.0德国44巴西9.0意大利19南非7.5荷兰18.5印度3.0西班牙11.5罗马尼亚8.0英国28.0保加利亚4.5墨西哥16.5日本71.8韩国37俄罗斯24中国(总计)38.8中国台湾省18.0合计532.3表1-

15、4 世界丙烯腈消费结构(万t)年份19951996199719982000生产能力463508533545585产量415437451469507消费量415437451469507腈纶231244251260275ABS/AS100107110115126其它84869094106开工率()90868586871.2.2国内生产概况我国内烯腈生产起步于1968年。八十年代开始，我国丙烯腈工业发展很快，从国外引进技术目前正在运行的生产装置有9套 (包括中国台湾省) , 总生产能力为58.8万t，加上采用国内技术的生产装置，总生产能力为59.3万t。正在计划建设的生产装置有上海石化公司25万ta

16、，金陵石化公司6.6万ta。另外，有不少装置也准备将其生产能力扩大。到2000年，我国丙烯腈总生产能力可达80多万t，其中中国大陆丙烯腈生产能力可达42万45万t/a，台湾省丙烯脂生产能力为38万t/a。 这样，我国2000年丙烯腈总生产能力将居世界第二位，而仅次于美国。我国丙烯腈生产能力。见表1-5。表1-5 我国丙烯腈生产能力(万t/a)生产厂家生产能力采用技术备 注上海石化股份有限公司5BP技术实际可达到7大庆石化总厂化工一厂6BP技术大庆油田聚合物厂6BP技术齐鲁石化公司丙烯腈厂4BP技术齐鲁石化公司齐胜化工厂0.5国内技术兰化公司石化厂3.2BP技术抚顺石化公司腈纶厂5BP技术计划扩

17、展7吉化公司化肥厂6.6BP技术安庆石化公司腈纶厂5BP技术台湾CPDC公司18BP技术合计59.31.3我国丙烯腈发展方向1.4丙烯氨氧化的原理1.4.1化学反应在工业生产条件下,丙烯氨氧化反应是一个非均相催化氧化反应: 与此同时,在催化剂表面还发生如下一系列主要的副反应。（1）生成乙腈(ACN)：（2）生成氢氰酸(HCN)。（3）生成丙烯醛。(4)生成二氧化碳。上述副反应中,生成乙腈和氢氰酸的反应是主要的。CO2、CO和H2O可以由丙烯直接氧化得到,也可以由丙烯腈、乙腈等再次氧化得到。除上述副反应外,还有生成微量丙酮、丙腈、丙烯酸和乙酸等副反应。1.4.2 催化剂丙烯氨氧化所采用的催化剂主

18、要有两类,即Mo系和Sb系催化剂。（1）Mo系催化剂工业上最早使用的是P-Mo-Bi-O(C-A)催化剂,其代表组成为PBi9Mo12O52。活性组分为MoO3和Bi2O3.Bi的作用是夺取丙烯中的氢,Mo的作用是往丙烯中引入氧或氨。因而是一个双功能催化剂。P是助催化剂,起提高催化剂选择性的作用。这种催化剂要求的反应温度较高(460490),丙烯腈收率60%左右。由于在原料气中需配入大量水蒸气,约为丙烯量的3倍(mol),在反应温度下Mo和Bi因挥发损失严重,催化剂容易失活,而且不易再生,寿命较短,只在工业装置上使用了不足10年就被C-21、C-41等代替。（2）Sb系催化剂Sb系催化剂在60

19、年代中期用于工业生产,有Sb-U-O、Sb-Sn-O和Sb-Fe-O等。初期使用的Sb-U-O催化剂活性很好,丙烯转化率和丙烯腈收率都较高,但由于具有放射性,废催化剂处理困难,使用几年后已不采用。Sb-Fe-O催化剂由日本化学公司开发成功,即牌号为NB-733A和NB-733B催化剂。据文献报道,催化剂中Fe/Sb比为11(mol),X光衍射测试表明,催化剂的主体是FeSbO4,还有少量的Sb2O4。工业运转结果表明,丙烯腈收率达75%左右,副产乙腈生成量甚少,价格也比较便宜,添加V、Mo、W等可改善该催化剂的耐还原性。1.4.3 反应机理和动力学丙烯氨氧化生成丙烯腈的反应机理,目前主要有两种

20、观点。可简单地用下式表示。第二部分 生产方案选择第三部分 工艺流程设计3.1 丙烯腈工艺流程示意图3.2小时生产能力按年工作日300天，丙烯腈损失率3%，设计裕量为6%，年产量为3.5万吨计算，则每天每小时产量：第四部分 物料衡算和热量衡算4.1反应器的物料衡算和热量衡算4.1.1计算依据（1）丙烯腈产量 5307.36kg/h，即F=100.03kmol/h（2）原料组成（摩尔分数） 丙烯（C3H6）85%，丙烷（C3H8）15%（3）进反应器的原料配比（摩尔分数）为C3H6:NH3:O2:H2O=1:1.05:23:3反应后各产物的单程收率为：物质丙烯腈（AN）氰化氢（HCN）乙腈（CAN

21、）丙烯醛（ACL）CO2摩尔收率0.60.0650.070.0070.12（4）操作压力 进口：0.203MPa ，出口：0.162MPa（5）反应器进口气体温度110，反应温度470，出口气体温度3604.1.2 物料衡算（1）反应器进口原料气中各组分的流量C3H6:C3H8：NH3：O2：H2O：N2：（2）反应器出口混合气中各组分的流量丙烯腈：5307.36kg/h F=100.03kmol/h乙腈 ：丙烯醛：CO2：HCN：C3H8：N2：O2：C3H6：NH3：H2O：（3）：反应器物料平衡表流量和组成组分反应器进口反应器出口kmol/hkg/h%(mol)%(wt)kmol/hkg

22、/h%(mol)%(wt)C3H6166.727002.106.189.6023.02966.980.831.32C3H829.421294.531.091.7829.421294.531.061.78NH3175.062975.956.494.0825.01425.170.900.58O2383.4612270.5914.2216.8292.202950.403.314.05N21442.5440391.1253.4855.381442.5440391.1251.7955.37H2O500.169002.8818.5412.34961.4817306.6434.5223.73丙烯腈（AN）0

23、000100.035307.363.597.28乙腈（ACN）000017.51717.770.630.98氰化氢（HCN）000032.51877.781.171.20丙烯醛（ACL）00001.1765.530.040.09CO2000060.022640.842.163.62合计2697.3672937.171001002784.9172944.121001004.1.3 热量衡算查阅相关资料获得各物质各物质0110、0360、0470的平均定压比热容物质C3H6H2OANHCNACNACL01101.8412.052.3010.9411.0461.88303602.6783.0132.

24、6361.0041.0882.0081.8741.6401.9331.9661.13004702.9293.3472.9391.0461.1092.0922.0291.7242.102.1721.213（1）浓相段热衡算求浓相段换热装置的热负荷及产生蒸汽量110，反应器入口混合气470，浓相段出口混合气25，反应器入口混合气25，浓相段出口混合气假设如下热力学途径： 各物质25t平均比热容用0t的平均比热容代替，误差不大因此:若热损失取 的5%，则需有浓相段换热装置取出的热量（即换热装置的热负荷）为：浓相段换热装置产生0.405MPa 的饱和蒸汽（饱和温度143）143饱和蒸汽焓：143饱和水

25、焓：所以：（2）稀相段热衡算求稀相段换热装置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0.405 的饱和蒸汽，产生的蒸汽量为：4.2空气饱和塔的物料衡算和热量衡算4.2.1计算依据(1)入塔空气压力0.263MPa ，出塔空气压力0.243MPa(2) 空压机入口空气温度30，相对温度80，空压机出口气体温度170(3) 饱和塔气、液比为152.4(体积比)，饱和度0.81(4) 塔顶喷淋液为乙腈解吸塔釜液，温度105，组成如下:组分ANACN氰醇ACL水合计%（Wt）0.0050.00

26、80.00050.000299.986100(5) 塔顶出口湿空气的成分和量按反应器入口气体的要求为:O2：383.46kmol/h，即12270.59kg/hN2：1442.54 kmol/h，即40391.12 kg/hH2O：500.16kmol/h，即9002.88 kg/h4.2.2物料衡算（1）进塔空气量查得30，相对湿度80%时空气温含量为0.022kg水气/kg干空气因此，进塔空气带入的水蒸气量为：（2）进塔热水量气、液比为152.4，故进塔喷淋液量为：塔顶喷淋液105的密度为 ，因此进塔水的质量流量为：（3）出塔湿空气量出塔气体中的 O2、N2、H2O的量与反应器入口气体相同，因而：O2：383.46kmol/h，即12270.59kg/hN2：1442.54 kmol/h，即40391.12 kg/hH2O：500.16kmol/h，即9002.88 kg/h（4）出塔液量4.2.3热量衡算（1）空气饱和塔出口气体温度