年产8万吨丙烯腈工艺设计(丙烷一段氨氧化法)

1、-范文最新推荐- 年产8万吨丙烯腈工艺设计(丙烷一段氨氧化法) 摘要：丙烯腈主要用于生产腈纶纤维，世界上其所占比例约为55%。我国用于生产腈纶的丙烯腈占80%以上。腈纶应用十分广泛，是继涤纶、尼龙之后的第3个大吨位合成纤维品种。其次，是用于ABS/AS塑料。由丙烯腈、苯乙烯和丁二烯合成的ABS塑料和由丙烯腈与苯乙烯合成的AS塑料是重要的工程塑料。因该产品具有高强度、耐热、耐光和耐溶性能较好等特点。与丁二烯共聚制丁腈橡胶也是丙烯腈的主要用途之一。丙烯腈也是重要的有机合成原料。丙烯腈经催化水合可制得丙烯酰胺,经电解加氢偶联可制得己二腈，丙烯酰胺主要用于纸张、废水处理、矿石处理、油品回收、三次采油化

2、学品方面。此外，丙烯腈还可用来生产医药、高分子絮凝剂、纤维改性剂、纸张增强剂等。丙烷氨氧化法目前有两种工艺流程，一是丙烷在催化剂作用下，同时进行丙烷的氧化脱氢和丙烯氨氧化反应，称为丙烷一段氨氧化法；二是丙烷经氧化脱氢后生成丙烯，然后以常规的丙烯氨氧化工艺生产丙烯腈，称为丙烷两段氨氧化法。本设计采用丙烷一段氨氧化法。关键词：丙烯腈；腈纶纤维；丙烷一段氨氧化法4104With an annual output of 80000 tons of acrylonitrile process designAbstract： Acrylonitrile mainly for the production

3、of acrylic fiber and its proportion in the world is about 55%. Used in the production of acrylic acrylonitrile accounted for more than 80% of our country. Acrylic is widely used, it is the third big tonnage after polyester, nylon synthetic fibers. Next, it is used for ABS/AS plastic. By acrylonitril

4、e, styrene and butadiene synthesis of ABS plastic and synthesized from styrene and acrylonitrile AS plastic is an important engineering plastics. Because the product has high strength, heat resistance, light resistance and solvent resistance performance is good wait for a characteristic. With the co

5、polymerization system of butadiene nitrile rubber is also one of the main purposes of acrylonitrile. Acrylonitrile is important raw material in organic synthesis. Acrylonitrile acrylamide, via catalytic hydration can be obtained by electrochemical hydrogenation coupling can be obtained adiponitrile,

6、 acrylamide is mainly used for paper, waste water treatment, ore processing, oil recovery, eor chemical aspects. Moreover, acrylonitrile can also be used to produce medicine, high polymer flocculant, fiber modifier, paper strengthening agent, etc. Propane ammoxidation method there are two processes,

7、 one is the propane in the role of catalyst, at the same time on the oxidation of propane dehydrogenation and propylene ammonia oxidation reaction, call a period propane ammoxidation method; 2 it is generated after oxidative dehydrogenation of propane to propylene, and then in the usual propylene am

8、monia oxidation process production of acrylonitrile, called propane ammoxidation method two pieces. This design adopts the propane period of ammonia oxidation process. 4.2.2过程的热效应Q3164.2.3反应产物由设备中带出的热量Q184.2.4设备向四周散失的热量Q194.2.5消耗在加热设备各个部件上的热量Q195 丙烯腈精馏塔计算205.1 精馏塔的选择205.2 精馏塔的设计205.2.1 基础数据整理205.2.2

9、 初估塔径215.2.3 理论板数的计算235.2.4 塔内件设计265.2.5 塔板流体力学验算295.2.6 塔板负荷性能图315.2.7 丙烯腈精馏塔工艺计算结果汇总356 部分设备选型与计算366.1 丙烯腈反应器366.1.1 入塔管径d1366.1.2 出塔管径d2366.1.3 其它尺寸选定366.2 搅拌装置的计算366.3 丙烯腈精馏塔.376.3.1 各类尺寸的计算376.3.2 精馏塔塔顶冷凝器选型406.3.3 精馏塔塔底再沸器选型416.3.4 泵416.4 设备一览表437 致谢448 参考文献459 附录461 丙烯腈概况1.1性质与用途1.1.1丙烯腈的物理特性

10、丙烯腈为无色或淡黄色有特殊气味的液体，分子量为53.06，沸点为77.3 ，冰点为83.5 ，蒸汽压为11.0KPa(20)，闪点为0，自燃点为481，爆炸极限为在空气中3.0%17%（体积），生成热为184.2 kJ/mol(25)，油水分配系数为辛醇/水分配系数的对数值为-0.92，燃烧热为1761.5 kJ/mol，毒性为剧毒，毒作用似氢氰酸，聚合热为72.4 kJ/mol，溶解性为溶于丙酮、苯、四氯化碳、乙醚、乙醇等。1.1.2 丙烯腈的化学性质丙烯腈由于分子结构带有C=C 双键及-CN 键，所以化学性质非常活泼，可以发生加成、聚合、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

11、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，如对苯酚甲基醚（阻聚剂MEHQ）、对苯二酚、氯化亚铜和胺类化合物等。除发生自聚外，丙烯腈还能与苯乙烯、丁二烯、乙酸乙烯、丙烯酰胺等发生共聚反应，由此可制得合成纤维、塑料、涂料和胶粘剂等。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。 表1.1 世界丙烯腈需求及预测（万吨/年）地区 2001年 2002年 2003年 2004年 2005年 2010年欧洲 130 130 130 125 100 100

12、中东/非洲 30 30 30 30 35 35亚洲 230 250 270 280 315 340拉丁美洲 20 20 25 25 30 25北美 70 60 45 45 40 40全世界 约480 约490 约500 约510 约520 约5501.2.2国际现状2005年我国主要的丙烯腈生产企业有10家，见表2，总产能约为101.3万吨/年，(全国总产能约达110万吨/年),总产量达到93.1万吨/年。2005年我国丙烯腈消费量达到124.7万，国内供应缺口为31.6万。2006年丙烯腈消费量略有增加。国内需求与现有生产能力仍有一定差距，丙烯腈在国内拥有广阔的市场和发展潜力。表1.2 我国

13、丙烯腈主要生产厂家及产能生产厂家 产能/(万吨/年)上海石化公司 13.0大庆石化公司 8.0大庆炼化公司 8.0齐鲁石化丙烯腈厂 4.0抚顺石化腈纶厂 8.0吉林石化公司 21.2 公用工程6.66.35.98.3可变成本45.155.950.862.5装置现金成本53.965.360.269.1生产成本66.084.378.986.3产品成本101.5117.0111.5112.2全球丙烯资源的短缺和丙烷价格的低廉使丙烷氨氧化制丙烯腈工艺成为烷烃活化技术中的开发热点。然而,由于丙烷转化率过低,反应产物较复杂,因而装置投资费用高于丙烯法工艺。虽然丙烷原料价格不到丙烯的一半，但考虑装置投资费用

14、的回报率，产品生产成本并未占多大优势，所以,过高的投资费用在一定程度上制约了丙烷法的工业化进程,而进一步开发高性能催化剂则是促进该工艺工业化的重要因素2.2生产方法的选择丙烷氨氧化法目前有两种工艺流程，一是丙烷在催化剂作用下，同时进行丙烷的氧化脱氢和丙烯氨氧化反应，称为丙烷一段氨氧化法；二是丙烷经氧化脱氢后生成丙烯，然后以常规的丙烯氨氧化工艺生产丙烯腈，称为丙烷两段氨氧化法。（1) 丙烷一段氨氧化工艺：该法与丙烯氨氧化工艺大体相同，仅在工艺条件和设备大小上有所差异。（2)丙烷两段氨氧化工艺：两段工艺中丙烯氨氧化工序负荷较小，丙烷的转化率和丙烯腈选择性较高，故设备尺寸相对较小，丙烷再循环量小，利

15、用率高。但在丙烯腈装置附近要建一个与之配套的丙烷脱氢装置，使整个丙烯腈装置的数量增多，固定投资增大，产品价格上升。本设计在文献调研及文献小试实验数据的基础上对丙烯腈设计选择丙烷一段氨氧化生产方法。 丙烷进料量(流量)对丙烯腈单收的影响主要是因物料流中丙烷进料量的增加还意味包括氨进料，氮气和氧气进料的增加, 丙烷进料的变化引起总物料的变化是以一当十,就物料流对丙烯腈单收的影响来看它是最大的，空比的影响次之,空比的影响主要是自身的物料流基数很大和空气中的惰性组分冲淡了反应物浓度。因此,应采用低空比尤其是高负荷时更要降低空比，丙烷流量和空比增加,增加了反应压力,这也是使丙烯腈单收降低的原因之一。温度

16、对丙烯腈单收的影响有双重性，一是高温可以稍提高丙烯腈的单收，二是温度高催化剂的使用寿命减短，因而不宜于用提高反应温度来提高丙烯腈单收。3.2.2 流程设计与合成部分相关的工艺流程如图3.2所示：图3.2 丙烷氨氧化生成丙烯腈工艺流程图（反应部分） 流化床反应器 反应气体冷却器 开工空气加热炉 催化剂贮槽 催化剂补充料斗 冷剂槽 垂直换热器 来自丙烯过热器的丙烯进料 来自氨过热器的氨进料 经冷却器的反应器出口气体去急冷塔工艺:(1)原料液态丙烷由丙烷球罐送入丙烯蒸发器蒸发，气态丙烷经捕沫器除去夹带液体丙烯后，进入丙烷过热器，经过热后与氨混合。(2)原料液态氨由氨球罐送入氨蒸发器，气态氨经捕沫器除

17、去夹带的液体氨后进入氨过热器，经过热后与丙烯混合。(3)混合气体通过反应器内部的丙烯/氨分布器进入反应器内。(4)原料空气自空气压缩机压缩后，经开工空气加热炉从反应器底部的空气分布板进入床层。开车时，开工空气加热炉以丙烷为燃料，通过加热来自空气压缩机的空气使反应器升温。（5）丙烷、氨和空气在反应器内混合，当与催化剂接触后，发生反应，生成丙烯腈以及其它副产物，反应产物经过两级旋风分离器分离催化剂后，进入产物冷却器用脱氧水冷却，然后去急冷塔降温。（6）丙烷氨氧化反应为放热反应，放出的热量由安装在反应器内部的 U 型撤热水管将热量移出反应器外。（7）催化剂的加入。系统开车时，由空气将催化剂贮槽中的催

18、化剂送入反应器中。由于连续的反应操作，催化剂不断磨损消耗而导致催化剂的损失，需要不断补充新鲜催化剂，由催化剂连续补充系统送入反应器。 0.91X1X21.5X311111.11=X1=10148.16 kg/h可知原料丙烷的消耗量为：X1 =10148.16 kg/h丙烷的流量为：F = =230.12kmol/h=X2=3566.19 kg/h可知原料氨气的消耗量为：X2 =3566.19 kg/h氨气的流量为：F = =209.41kmol/h=X3=4467.34 kg/h可知原料氧气的消耗量为：X1 =4467.34kg/h氧气的流量为：F = =139.60 kmol/h空气流量为：

19、F = 664.76 kmol/h（2） 进反应器的混合物组成空气的平均分子量为28.80 kg/kmol；根据物料衡算计算可知，丙烷进料摩尔流量为230.12 kmol/h，空气进料流量为664.76 kmol/h；原料与空气混合后进反应器的混合物组成组分及含量如下表3.2所示：表4.2 原料与空气混合后进反应器的混合物组成组分及含量反应器进口混合物组成组成成分N2O2CO2NH3ArC3H8总量摩尔流量 (kmol/h)518.51139.600.20209.416.25230.121104.09摩尔分数（%）46.96312.6430.01818.9670.56620.843100 H2

20、O0.000.000.000.00196.503 7.3333537.064.432Ar6.25 0.566249.691.19623.870 0.891954.801.196O2139.60 12.6434467.200.0758376.880 14.06612060.1815.112C3H8230.1220.84310148.2930.800.000.000.000.00C3H3N0.000.000.000.00209.410.0011111.119.146NH3209.4118.9673559.9710.800.000.000.000.00Σ1104.0910032952.2

21、31002679.36410079805.001004.2热量衡算化学工程过程的热量恒算一般可以用下式表示：式中—所处理的物料带到设备中去的热量；—由加热剂（或冷却剂）传给设备和所处理的物料热量；—过程的热效应； -116.16-57.80-108.70-94.05= -108.70(-18.60-57.80) = -32.3 kcal/mol同理可得：ΔA = ΣγBAB = 5.668ΔB = ΣγBBB = 0.01518ΔC = ΣγBCB =

22、 -2.501×10-5ΔD = ΣγBDB = 1.1185×10-8所以：= 5.6680.01518 T2.501×10-5 T21.1185×10-8 T3该应器的定性温度为403K其中：ΔCp= =3.60kcal/mol=-32.3+3.60=-28.70kcal/mol均可根据主反应的计算方法算得。综上所述：主反应：ΔHr,m = -28.70 kcal/mol在温度T = 403K，压力 = 0.1MPA下，处于混合状态的反应物完全反应生成处于混合状态下的产物的摩尔反应焓

23、为 :反应热= -（ ）= -（28.7075.3851.5）= 155.58 kcal/mol4.2.3反应产物由设备中带出的热量 反应产物由设备中带出的热量 可用公式 •c•t计算，式中—物料的重量（kJ）；—物料的比热容（kJ/kg•）；—物料的温度（）。在反应釜中，产物在378K的条件下离开反应釜。由于催化剂量相对于主原料量太小，故不计催化剂热量。(丙烷 )= 5555.56 ×0.2627 ×643 = 938423.5285 kcal/h = 25.018 kcal/mol 5.2 精馏塔的设

24、计5.2.1 基础数据整理(1) 精馏段平均温度：(130+65)=97.5平均压力：(0.13 106-0.01 106)0.01 106=99.6KPa表5.1精馏段物料流率物料质量流量：kg/h分子量：kg/kmol内回流7053.6662.07标准状况下的体积：V0=181.50 22.4=4065.60 Nm3/h操作状况下的体积：V1=4065.60=2778.05m3/h气体负荷：Vn= =0.772m3/s气体密度：= =2.54kg/m3液体负荷：Ln= =1.96查化工工艺设计手册，97.5时丙烯腈的密度 =1025.8kg/m3Ln=0.0019197.5时丙烯腈的密度 =1025.8kg/m3(2) 提馏段平均温度： (108+130)=114.5入料压力：(0.13 106-0.01 106)=89.6kPa平均压力： (89.6 103+0.13 106)=109.8kPa表5.2提馏段内回流量物料质量流量：kg/h分子量：kg/kmol内回流7617.1262.07标准状况下的体积：=199.02 22.4=4458.05 Nm3/h操作状态下的体积： =4458.05=3074.86所以：气体负荷：Vm= =0.854m3/s气体密度：= =2.48kg/m3查得进料状态丙烯腈溶液温为130，丙烯腈的密度为