丙烯腈硫酸水合法生产5000吨年丙烯酰胺装置的工艺设计毕业设计.docx

毕 业 设 计（论文） 题 目：丙烯腈硫酸水合法生产5000吨/年丙烯酰胺装置的工艺设计 教 学 院： 化学与化工学院 专业名称： 化学工程与工艺（精细化工方向） 学 号： 201140820112 学生姓名： 胡锡富 指导教师： 陈霖 年 月 日学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学院有关保障、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日毕业设计（论文）摘要丙烯酰胺是一种用途广泛的重要精细有机化工原料。本文采用硫酸水合法生产丙烯酰胺。论文在参考大量文献以及实际生产实践的基础上，对丙烯酰胺的合成工艺进行了研究，论述了丙烯酰胺的实际应用。除了硫酸水合法之外，本设计还简单的阐述了其它两种合成工艺。本文涉及到丙烯酰胺主要单元物料衡算和热量衡算。通过本次设计，我们可以了解到完成设计的流程。反应容器主要是反应釜和中和塔。通过本次设计，可以清楚了解整个工艺流程。本设计选择的是搅拌反应釜，其直径为3200m，高度为3200m，壁厚为9mm。【关键词】：丙烯腈；丙烯酰胺；硫酸水合法；搅拌反应釜AbstractAcrylamide is a fine use of a wide range of important organic chemical raw materials. The article is using of sulfuric acid hydration process to product acrylamide. The essay on the basis of a large number of literature and actual production practice, studied the synthesis process of acrylamide and discuss the practical application of acrylamide. In addition to sulfuric acid hydration process , the essay also simply introduce the other two kinds of synthesis process. This article involves the material balance and heat balance of the main unit of acrylamide. The reaction vessel is reaction kettle and Neutralization tower. Through this design, we can clearly understand the whole process. This design chooses mixing reaction kettle as the reaction vessel, and his diameter is 3200 m, the height is 3200 m and the wall thickness is 9 mm.【Key words】：acrylonitrile；acrylamide；sulfuric；Mixing reaction kettle目录1. 文献综述11.1 丙烯酰胺简述11.1.1 固体丙烯酰胺的物理性质11.1.2 丙烯酰胺的化学性质21.1.3 丙烯酰胺的毒性21.1.4 丙烯酰胺的应用31.2 原料丙烯腈简述31.3 市场调研41.3.1 国际丙烯酰胺生产发展现状41.3.2 国内丙烯酰胺生产发展现状51.4 丙烯酰胺的合成方法和工艺条件61.4.1 硫酸水合法61.4.2 铜催化水合法71.4.3 微生物法81.4.4 方案的选择91.4.5 反应过程分析92. 工艺流程103. 工艺计算113.1 物料衡算113.1.1 画出物料平衡关系示意图113.1.2 反应方程式113.1.3 基础数据113.1.4 选择计算基准123.1.5 计算主要物料流量123.2 热量衡算134. 主要设备的工艺计算194.1 搅拌釜式反应器194.1.1 反应器的选型194.1.2 反应釜的容积与数量194.1.3 反应釜釜体尺寸的设计214.1.3 反应釜搅拌装置的设计244.1.4 反应釜其它零部件的设计254.2 干燥器285. 化工厂布置与设计315.1 化工厂布置的基本任务315.2 厂址选择315.3 化工厂总平面布置原则315.4 厂房建筑325.5 生产操作335.6 设备装修345.7 安全要求345.8 环境保护346. 结论36致谢37参考文献381. 文献综述1.1 丙烯酰胺简述1.1.1 固体丙烯酰胺的物理性质丙烯酰胺，简称AM，为无色、无味、无臭的片状晶体。有毒。溶于水、醇、丙酮、醚和氯仿等极性溶剂，微溶于苯和甲苯，不溶于正庚烷等脂肪烃。丙烯酰胺在水中的溶解度与温度有关。丙烯酰胺在苯和甲苯中的溶解的随温度的升高显著增大 1。丙烯酰胺的物理性质及在水中的溶解度如表1-1、表1-2所示。表1-1 丙烯酰胺的重要物理性质性质数据分子量71.08物理状态片状晶体密度（30/4）/（Kg/L）1.122熔点/84.5沸点（3.3KPa）/125蒸汽压（20)/Pa9.3310-5亨利定律常数/m3/(molPa)2.9810-13蒸气密度(空气=1)2.46聚合热/（KJ/mol）81.51闪点/138平衡水含量/(g水/kg干AM)1.7表1-2 丙烯酰胺在水中的溶解度温度/ X2S(X2)cSc20.000.28360.3040156.3172.50.2942164.625.000.34990.3266212.5191.50.3300194.530.000.36480.3659226.8227.90.3688230.740.000.45590.4573330.9332.70.4557330.61.1.2 丙烯酰胺的化学性质丙烯酰胺是一种含有双键和酰胺基的双官能团单体，可进行两种官能团的典型反应。丙烯酰胺的双键和羰基处于共轭状态，这种双键较其他烯烃的双键具有缺电子键特性。因此它易受亲核试剂的攻击，进行1,4-加成反应。如与氨生成氨三（3-丙酰胺）。丙烯酰胺的双键在自由基型或离子型引发剂的作用下，可进行连锁聚合反应，形成聚合物或共聚物。上述反应式如下1：CH2=CHCONH2+Nu:HNu-CH2CH2CONH2CH2=CHCONH2+NH3NCH2CH2CONH23丙烯酰胺的酰胺基在酸，尤其是在碱性介质中可快速发生水解得到含有羰基的产物。丙烯酰胺在浓硫酸中可形成硫酸盐，此盐与醇反应可得丙烯酸酯。CH2=CHCONH2+H2SO4CH2=CHCONH2H2SO4CH2=CHCONH2+HCl+H2OCH2COOH+NH4ClCH2=CHCONH2+NaOHCH2=CHCONa+NH31.1.3 丙烯酰胺的毒性丙烯酰胺具有多种毒性，包括神经毒性、致癌性、遗传毒性、发育毒性、雄性生殖毒性等，目前在人群中得到证实的为神经毒性，而致癌性、遗传毒性等正在研究中2。丙烯酰胺中毒主要损伤神经系统，临床表现取决于接触的剂量和浓度(亚急性或急性中毒以中枢神经系统及小脑功能障碍为主，慢性中毒以周围神经变性损害为主2。临床表现2为：（1）急性、亚急性神经毒性：丙烯酰胺在体内需累积到80-130mg/kg时才可引起中毒，急性中毒多为消化道吸收所致，主要症状为嗜睡、意识障碍、躁动不安、抽搐昏迷等中毒性脑病表现，严重者可因多脏器器官功能衰竭而死亡。短时间接触高浓度丙烯酰胺可引起亚急性发病，表现为四肢无力、嗜睡及小脑功能障碍，可见眼球水平震颤、言语含糊、步态不稳等。（2）慢性神经毒性：多于接触丙烯酰胺数月、数年后发病。主要表现为头痛、头晕、疲乏无力、嗜睡、食欲不振、消瘦等；随着病情进展，可形成周围神经病，表现为手足明显多汗、湿冷，手掌红斑脱屑，进而有四肢无力、肢端麻木、持物不牢、精步态蹒跚、易向前倾倒、不能下蹲等。（3）致癌性、遗传毒性：环氧丙酰胺的遗传毒性，致癌性更明显，国际癌症研究机构最近已将其列为2A类化学物质，即对人类可能有致癌性。目前大部分研究均来源于细胞及动物实验，已有的资料显示饮食中的丙烯酰胺与部分人类恶性肿瘤存在关联，丙烯酰胺对人类的致癌性的临床流行病学有待于进一步深入研究。1.1.4 丙烯酰胺的应用丙烯酰胺是高分子化合物的重要单体和有机合成的原料。它与丙烯酸钠的共聚物用于钻探工程，能使泥浆悬浮液中的固体凝聚并快速沉降，从而加快钻探速度。此外还可用作土壤的改良剂，纤维改性剂，增稠剂及粘合剂等。目前丙烯酰胺的应用主要是通过均聚或共聚得到聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺 简称PAM，是一种线型高分子聚合物，是丙烯酰胺均聚物和各种共聚物的统称。聚丙烯酰胺主要用于石油开采、造纸、水处理、采矿、纺织、医药、农业等行业。聚丙烯酰胺是需求量成长较快的石油化工产品之一，国际上聚丙烯酰胺对于上述领域的应用较早，最大用途领域为水处理剂。我国大量应用生产聚丙烯酰胺始于上世纪80年代末和90年代中期，与国际上不同的是目前我国大部分聚丙烯酰胺主要作为石油开采上三次采油的驱油剂，其消费量占国内总需求量的81。其次，水处理是国内聚丙烯酰胺第二大消费领域，目前占总消费量的9，发展潜力很大。另外聚丙烯酰胺在造纸行业中可用作助滤剂、干增强剂和废水处理的絮凝剂，2005年我国造纸行业对聚丙烯酰胺的需求量达到1.5万吨。再次，在采矿、冶金、煤炭、高吸水性树脂、粘合剂、皮革复 鞣剂等领域，聚丙烯酰胺也有一定的消费量，尤其是近几年用于生产尿不湿和卫生巾的高吸水性树脂市场发展很快，对聚丙烯酰胺的需求量增加较快3。1.2 原料丙烯腈简述丙烯腈在常温下是无色有毒液体，有苦杏仁味；熔点是-83.6，沸点77.3，可溶于丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和乙醇等有溶剂；与水互溶；易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物。遇明火、高热易引起燃烧，并放出有毒气体。在火场高温下，能发生聚合放热，使容器破裂。丙烯腈在室内允许浓度为0.002mg/L；在空气中的爆炸极限为3.05-17.5%（体积）；丙烯腈和水、苯、四氯化碳、甲醇、异丙醇等会形成二元共沸混合物，和水的共沸点为71，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-水的三元共沸混合物。 丙烯腈由于分子结构带有CC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。与氧化剂、强酸、强碱、胺类、溴反应剧烈。聚合反应和加成反应都发生在丙烯腈的CC双键上，纯丙烯腈在光的作用下能自行聚合，与强碱混合时，聚合十分剧烈，大量放热，易爆炸；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己二腈。氰基反应包括水合反应、水解反应、醇解反应等。1.3 市场调研1.3.1 国际丙烯酰胺生产发展现状国外化学法生产丙烯酰胺有两个比较有代表性的技术：一是三菱公司悬浮床连续催化生产工艺，产品50%的丙烯酰胺水溶液；二是美国DOW化学公司为代表的固定床连续催化工艺技术，产品为25-30%丙烯酰胺水溶液。这两种生产工艺的共同特点是采用丙烯腈催化水合法生产丙烯酰胺，丙烯腈转化率高，无副产品，产品质量好，催化剂和原材料的消耗指标都较低，三废排放量少4。国外生化法技术主要由日本日东公司开发成功，1984年在日本横滨建成一套4000吨/年生化法丙烯酰胺生产装置，1992年将装置的生产能力提高到2万吨/年。日东生化法生产丙烯酰胺技术仍以丙烯腈为原料，在多级连续平流型反应器内进行水合反应，反应物经泡沫分离和过滤直接得到50%的丙烯酰胺单体溶液，其技术的先进性表现在腈水合酶催化剂选择性好，收率高，产品杂质少，副产物少，反应在常温常压下进行，省去了产品提浓和丙烯腈回收等工段，使工艺过程得到简化。目前，法国SNF公司采用生化法丙烯酰胺生产技术在美国和法国建设两套万吨级生产装置，并在中国泰州独资建设2万吨/年生化法丙烯酰胺单体装置和配套聚合物生产装置4。国外丙烯酰胺单体生产装置仍以化学法为主，技术覆盖率在90%以上，其它为生化法技术。丙烯酰胺生产技术的发展趋势是提高丙烯腈的转化率、选择性、简化工艺和减少含腈污水的排放率、提高产品质量4。国外生产的丙烯酰胺在各行业的消费量见表1-3和1-45。表1-3 日本生产的丙烯酰胺在各行业中消耗量的比例纸张增强剂48%水处理30%纤维处理剂及其他8%出口14%表1-4 美国及西欧生产的丙烯酰胺在各行业中消费量的情况名称美国西欧水处理50%56%造纸20-25%17%选矿10-15%22%石油工业10-15%5%其他5%1.3.2 国内丙烯酰胺生产发展现状国内化学法生产丙烯酰胺工艺起步晚，且近年没有很大的发展，仍限于采用铜系催化剂，固定床工艺路线，最大生产能力为2000吨/年，与国外先进生产技术相比，规模小，能耗高，而且产品质量不稳定，达不到生产高分子量聚丙烯酰胺的原料要求3。近年来，国内生化法生产丙烯酰胺技术得到了较快的发展，近期国内建设的丙烯酰胺装置大多采用生化法技术3。我国从八十年代中期开始进行生化法生产丙烯酰胺的研究工作，上海交大、北京微生物所、石油化工科学研究院、上海生物化工研究中心等大专院校和科研部门都相继开展了此项研究工作。1993年10月在浙江桐庐采用上海生物化工研究所的技术完成了500t/a 规模的中试装置，得到了较高质量的丙烯酰胺产品，取得了突破性进展，并于当年通过国家科委组织的鉴定验收3。1999年9月胜利油田采用上海生化所技术建成1万吨/年丙烯酰胺生产装置，之后，江西昌九农科化工有限公司、大庆石油管理局技术开发实业公司等分别建成了万吨级生化法丙烯酰胺生产装置。国内生化法丙烯酰胺生产装置的总的产能约15万吨/年，主要生产企业详见表1-53。表1-5 国内主要生化法丙烯酰胺生产厂商序号厂商名称建设规模（104t/a）技术来源备注1山东宝莫生物化工有限公司2.5上海生化所自用2新乡效胜化工有限公司2.4中科院外销3新乡市新昌化工有限公司0.6中科院外销4江西昌九农科中科院3.0上海生化所外销5大庆炼化公司1.6上海生化所自用6北京恒聚化工集团有限公司2.0上海生化所自用国内生化法技术在国内的覆盖率在90%以上。生化法技术在国内迅速发展的主要原因是技术来源较为广泛，工艺条件较为温和以及国内化学法技术不够成熟。今后生化法技术需要解决的主要问题是含腈废水量较大，降低丙烯腈单耗；化学法工艺需要借鉴国外成熟工艺，达到一定的建设规模，实现国产化3。我国丙烯酰胺在各行业中的消费情况见表1-65表1-6 我国丙烯酰胺在各行业中的消费情况如下石油工业66.6%煤矿工业4.4%纺织工业5.2%造纸工业15%水处理2.0%冶金32%化工4.5%制糖3.2%其他9.45%1.4 丙烯酰胺的合成方法和工艺条件1.4.1 硫酸水合法1954年，美国氰胺公司采用丙烯腈硫酸水合法实现了工业化生产。该法的特点是简单易行，可得固体结晶产品。但原料消耗定额高，设备腐蚀严重，产品纯度低，又污染环境4。丙烯腈在硫酸存在下进行水合，首先生成丙烯酰胺的硫酸盐反应物（进料配比为丙烯腈：浓硫酸：水=1：0.995：1.044。然后用液氨中和即生成丙烯酰胺和硫酸铵。反应时，过长的停留时间和过高的反应温度都会增加副产物的收率，特别是聚合物和丙烯酸。必须严格控制反应物的比例，以便抑制副反应。硫酸水合法投资大，丙烯腈等原料消耗定额高，并产生大量含丙烯酰胺的硫酸盐或硫酸废液污染环境，从20世纪60年代开始，美国、日本等国积极研制开发无公害的工艺路线。到目前为止，采用硫酸水合法制备丙烯酰胺的工艺已经基本被淘汰。其工艺过程包括为水解、中和、分离、回收和精制几个步骤。丙烯酰胺与硫酸铵可依溶解度不同而分离。反应的主要副产物是自聚物，氨三（3-丙酰胺）及丙烯酸等4。CH2=CHCN+H2O+H2SO4CH2=CHCONH2H2SO4CH2=CHCONH2H2SO4+2NH3CH2=CHCONH2+NH42SO41.4.2 铜催化水合法70年代初日本和美国同时开发了以铜为主的各类催化水合法生产丙烯酰胺，由于它和硫酸法比有很多优越性，纯度及转化率都有很大的提高，环境污染少，成本低，在70年代中期基本上取代了硫酸水合法。流程图如图16丙烯腈水未反应丙烯腈分离催化剂分离水合反应100-150催化剂产品脱色除Cu浓缩图1-1铜催化法流程方块图反应后滤去催化剂，回收未反应的丙烯腈，丙烯酰胺水溶液经浓缩、冷却得丙烯酰胺结晶。铜催化水合法与硫酸法相比有很多优越性，纯度及转化率都有很大提高，环境污染少，成本低。缺点是需要回收丙烯腈以及分离铜，浪费资源和能源；同时副反应较多，不容易控制，产品纯度不高。1.4.3 微生物法生物法制取丙烯酰胺。系将丙烯腈、原料水和固定化生物催化剂调配成水合溶液。催化反应后分离出废催化剂就可得到丙烯酰胺产品。其特点是：在常温常压下反应。设备简单，操作安全；酶的特异性能使选择性极高，无副反应。采用J-1菌种时，反应温度为515，pH为78，反应区丙烯腈质量分数为1%-2%，丙烯腈转化率为99.99%，丙烯酰胺选择性为99.98%。反应器出口丙烯酰胺质量分数接近50%，失活的酶催化剂排出系统外的量小于产品的0.1%，无需离子交换处理，使分离精制操作大为简化。产品浓度高。无需提浓操作，整个过程操作简便，利于小规模生产。微生物法生产的单体因杂质含量少、活性高，特别适合于生产超高分子量的聚丙烯酰胺，因此受到推崇。微生物法有以下几种具体工艺技术2： (1)应用膜技术的微生物法。该方法包含的工序有微生物菌体培养、菌体分离、用游离菌体作生物催化剂进行丙烯腈水合反应、分离反应所得的丙烯酰胺水合液。其特征是用微滤膜或离心机来分离发酵液中的菌体，用超滤膜来分离丙烯酰胺水合液及生物杂质。采用该工艺生产丙烯酰胺可以明显提高生产效率和菌体利用率，同时水合液产品中的生物杂质含量降低，得到的丙烯酰胺质量好，纯度高。(2)微生物连续催化法。该法通过发酵生产含有腈水合酶的丙酸棒杆菌或其诱变株细胞，然后用游离细胞法或固定化细胞法催化丙烯腈水合成丙烯酰胺，然后处理，得到高纯度的丙烯酰胺。(3)使用经丙烯酸水溶液洗涤的微生物催化剂。该法先用丙烯酸水溶液洗涤微生物催化剂，然后将经洗涤的微生物催化剂用于转化反应来制备丙烯酰胺。采用微生物催化法效率大大的提高了，生产工艺大为简化，除了省去丙烯腈回收、除Cu等工段外，微生物催化法的其他工段的生产工艺过程如脱色、浓缩、结晶、干燥等均合化学合成法相同。微生物法的核心技术在于生产高效率的微生物催化剂。如图1-26。脱色催化剂 分离水合反应10-25丙烯腈、水固定化细胞产品浓缩图1-2 微生物催化法方块流程图1.4.4 方案的选择丙烯腈的合成路线主要有以上三种，硫酸水合法基本淘汰，现在用得较多的是铜催化水合法和微生物法。但根据老师给定的设计任务书，选择硫酸水合法来完成此设计。1.4.5 反应过程分析（1）丙烯腈硫酸水合原理化学反应在工业生产条件下，对于丙烯腈硫酸水合法，主反应生成丙烯腈，由于反应中加入了不受浓硫酸影响的阻聚剂，所以丙烯酰胺与丙烯腈的聚合副反应忽略不计。CH2=CHCN+H2O+H2SO4CH2=CHCONH2H2SO4CH2=CHCONH2H2SO4+2NH3CH2=CHCONH2+NH42SO4（2）阻聚剂因为丙烯酰胺与丙烯腈都很容易聚合，所以必须在反应时加入不受浓硫酸影响的阻聚剂，常用的为铜粉、亚铁盐和硫磺，如选用亚铁盐为阻聚剂，则最终可以无机磷酸盐的形式从丙烯酰胺中除去。本设计中选择铜粉作为阻聚剂。（3）工艺条件的选择a.反应物进料的配比：丙烯腈：浓硫酸：水=1：0.995：1.04b.反应温度：温度应控制在90-100。c.采用年开工时间为330天，每天24小时。全装置主要采用连续操作方式。d.丙烯腈的转化率80%。e.反应器：搅拌釜式反应器；2. 工艺流程 根据合成工艺画出生产工艺流程示意图，见图2-1所示。丙烯腈水 水合反应 丙烯酸胺硫酸盐浓硫酸 氨 中和反应 分离 硫铵 干燥 硫铵产品 滤液 蒸发浓缩 晶析 废液 产品 干燥 丙烯酰胺结晶图2-1 丙烯酰胺合成工艺流程示意图图2-1的流程简述如下：原料丙烯腈与浓硫酸以等分子混合，在反应器中于90-100反应约1h(在155-175反应5-8分钟)。因为丙烯酰胺与丙烯腈都很容易聚合，所以必须在反应时加入不受浓硫酸影响的阻聚剂。常用的为铜粉、亚铁盐和硫：如选用亚铁盐为阻聚剂，则最终可以以无机磷酸盐的形式从丙烯酰胺中出去。水解后，进行硫酸丙烯酰胺的中和与丙烯酰胺的分离，其过程相当困难。通常是将硫酸丙烯酰胺溶液用水稀释，然后用氨中和使之生成硫酸铵。利用硫铵在丙烯酰胺的水溶液中溶解度很小的这一性质，经过滤使两者分离，滤液浓缩后丙烯酰胺即结晶析出，经干燥即为成品。3. 工艺计算3.1 物料衡算3.1.1 画出物料平衡关系示意图干燥离心分离中和塔反应器丙烯腈98%浓硫酸氨蒸发浓缩硫铵产品 水11400t（0.3%） 丙烯酰胺产品结晶干燥5000t（99%） 图3-1 物料平衡关系示意图3.1.2 反应方程式CH2=CHCN+H2O+H2SO4CH2=CHCONH2H2SO4CH2=CHCONH2H2SO4+2NH3CH2=CHCONH2+NH42SO4反应条件：a.反应温度90-100；b.消耗定额（以生产每吨丙烯酰胺计）确定： 丙烯腈（以100%计） 0.98t 氨（以100%计） 0.7t 硫酸（98%） 2t 副产物硫酸铵 2.28t3.1.3 基础数据（1）年生产能力：5000t/a丙烯酰胺；（2）年开工天数：330天（每天24h,共7920h）；（3）进料配比：丙烯腈：浓硫酸：水=1：0.995：1.04；（4）丙烯腈的转化率为80%；（5）反应生成产物丙烯酰胺纯度为99%；（6）丙烯酰胺的单程收率为82%；3.1.4 选择计算基准因为是连续操作过程，所以计算基准选时间计算单位定位kg/h。3.1.5 计算主要物料流量该生产装置年产量5000吨，年开工330天，连续生产。丙烯酰胺固体流量：500010333024=631.31kg/h丙烯酰胺水溶液流量：631.3199%=637.69kg/h丙烯腈流量：50001030.9833024=618.69kg/h氨气流量：50001030.733024=441.92kg/h浓硫酸流量：5000103233024=1262.63kg/h溶解度计算公式:S=100x2M1M11-x2 式中 M1，M2分别为溶剂、溶质的分子量； x2溶液中溶质的摩尔分率； S溶解度，克溶质/100克溶剂；查表1-2，查得40时，x2=0.4559，可得：S=1000.455971181-0.4559=330.5丙烯酰胺产量：637.69711=8.98kmol/h=637.69kg/ha.反应器进口原料中各组分的流量：中合塔进口的氨气：28.980.82=21.90kmol/h=372.30kg/h丙烯腈流量：8.980.820.8=13.69kmol/h=725.57kg/h根据进料配比为丙烯腈为浓硫酸：水=1：0.995：1.04得：浓硫酸：13.690.995=13.62kmol/h=1334.76kg/h水：13.691.04=14.24kmol/h=256.32kg/hb.反应器出口各组分的流量副产物硫酸铵固体流量：50001032.2833024=1439.39kg/h丙烯酰胺水溶液通过干燥器损失的水分：637.69-631.31=6.38kg/h 结晶塔中的水分，根据丙烯酰胺在40时，在水中的溶解度为330.5得：631.31100330.5=191.02kg/h废液的流量：191.02-6.38=184.64kg/h硫铵产品干燥后损失的水按4%计算：1439.394%=57.58kg/hc.反应器物料平衡衡算反应器进口原料中各组分的流量总和：372.30+725.57+1334.76+256.32=2688.95kg/h反应器出口原料中各组分的流量总和：1439.39+6.38+184.64+57.58+637.69=2325.68kg/h由于反应过程中进料中的氨气一部分以硫酸铵的形式作为副产品，一部分继续以氨气的形式被回收循环利用。所以反应器进口原料中各组分的流量总和：2688.95-372.30=2316.65kg/h通过比较反应器进出口流量总和的比较，发现相差不多，故物料平衡。3.2 热量衡算以组分的标准生成热为基础进行热量衡算，根据反应过程的能量衡算就是计算反应过程的焓变的结论，则反应过程的焓变也可以下列方程式表达8：Q=H=niHi出-niHi进 进入反应器物料的热焓：niHi=i=1nniHf,298K+T1298KniCpidT+i=1nHi,298K出反应器物料的热焓:niHi=i=1nniHf,298K+298KT2niCpidT+i=1nHi,298K式中 组分的摩尔流量，kmol/h； Hf,298K组分的标准生成热，kJ/mol； Cpi组分的等压热容，kJ/(molK)；Hi,298K进料组分在基准温度下从进料相态变为基准相态的相变热，kJ/mol； Hi,298K出料组分在基准温度下从基准相态变为出料相态的相变热，kJ/mol；无机酸的定压摩尔比热容（P=101.3Kpa）,计算式9：CP=A+0.001BT+105C/T2+10-6DT2 J/molK式中T为温度，K；A、B、C、D的值可查表无机酸的定压摩尔焓。查表无机酸的定压摩尔焓9，T在298-553K的范围内取：，。（1） 反应器操作压力101.3Kpa，进料温度为25，出料温度为50（中和温度50，pH=6.5)a. 进料焓值查手册生成热得： HfH2SO4=-814kJ/mol因此：HH2SO4,25=HfH2SO4=-814kJ/molHH2SO4=nH2SO4HH2SO4=nH2SO4HfH2SO4=13.62kmol-814=-11.09106kJ/h 查手册9得：HfNH3=-45.72kJ/molHNH3,25=HfNH3=-45.72kJ/molHNH3=nNH3HNH3=nNH3HfNH3=21.90kmol-45.72=-1.001106kJ/h水的生成热即是氢气的燃烧热，查得氢气的标准摩尔燃烧热为-285.8kJ/molHH2O,25=HfH2O=-285.8kJ/molHH2O=nH2OHH2O=nH2OHfH2O=14.24kmol-285.8=-4.07106kJ/h 丙烯腈的摩尔生成焓可根据标准状态下，丙烯腈完全燃烧反应式求得，因为该燃烧反应的产物是CO2(g)，H2O(l)和N2(g)。故可知丙烯腈的摩尔生成焓为-1760.71kJ/mol。HCH2=CHCN,25=HfCH2=CHCN=-1760.71kJ/molHCH2=CHCN=nCH2=CHCNHCH2=CHCN=nHf=13.69kmol-1760.71=-24.1106kJ/h故总的进料焓值为：niHi=-11.09106-1.001106-4.07106-24.1106=40.26106kJ/hb. 出料热焓丙烯酰胺（50）：由文献10查得丙烯酰胺的定压比热容为160.1J/(molK)HCH2=CHCONH2,50=CP50-25=160.125=4.0025kJ/mol硫酸铵（50），查资料得硫酸铵的生成热为：HfNH4SO4=1.17103kJ/mol查表9得：硫酸铵摩尔定压热容为3.433kJ/（kgK）HNH42SO4=HfNH42SO4+2550CPNH42SO4dT=1.17103+3.43350-2513210-3=1.18103kJ/molHNH42SO4=nNH42SO4HNH42SO4=1439.391321.18106=12.86106kJ/hH2O（50）：查资料10得水的定压比热容为4.181kJ/(kgK)。HH2O,50=CPH2O,5050-25=4.18125=104.53kJ/kgHH2O=mH2OHH2O=191.02+57.58104.53=0.26106kJ/h丙烯酰胺的恒压比热为2.25kJ/kg。HCH2=CHCONH2=HfCH2=CHCONH2+2550CPCH2=CHCONH2dT=-201.6+2.2550-257110-3=-197.6kJ/molHCH2=CHCONH2=nH=8.98103-197.6=-1.77106kJ/h故总的出料焓值为：niHi=12.86106+0.26106-1.77106=11.35106kJ/h故整个反应过程的焓变为：Q=H=niHi出-niHi进=11.35106-40.26106=-28.91kJ/h 反应器热量衡算见表3-1。表3-1 反应器热量衡算表反应前H/kJ/h反应后H/kJ/h浓硫酸-11.09106丙烯酰胺-1.77106氨气1.001106硫酸铵12.86106水-4.07106水0.26106丙烯腈-24.1106Q=H=11.35106-40.26106=-28.91kJ/h(2) 干燥器蒸发水分所需要的热量：Q=Wr式中 W为蒸发的水分量；r为汽化潜热，kJ /kg，与蒸发温度有关。不同温度下水分的汽化潜热可在水的饱和蒸汽压表上查取，通常可粗略地取r=2394 kJ /kg，并考虑热效率一般为0.6-0.9，故提供的热量为11：Q=Q=Wr/由此可确定供热设备的尺寸及计算供给干燥器的热空气量。a.硫铵产品的干燥硫铵产品干燥后损失的水分为57.58kg/h,即 W=57.58kg/h取热效率为0.8得：Q=Q=Wr=57.582394 0.8=0.17106kJ/h硫酸铵的显热为14.32kJ/mol,，故可得连产品干燥消耗的热量为：Q=10.910314.32+0.17106=0.326106kJ/hb.丙烯酰胺的干燥丙烯酰胺产品干燥后损失的水分为6.38kg/h，即 W=6.38kg/h取热效率为0.8得：Q=Q=Wr=6.382394 0.8=0.02106kJ/h丙烯酰胺的汽化显热为54.37kJ/mol，故可得丙烯酰胺干燥消耗的热量为：Q=8.9810354.37+0.02106=0.51kJ/h(3) 蒸发结晶过程的热量衡算加热蒸汽的消耗量21：D1=Wr+FCPt1-t0+QLr 式中 D1加热蒸汽的消耗量，kg/h； W蒸发器的二次蒸汽量，kg/h； r二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg； r加热蒸汽的汽化潜热，kJ/kg； t1浓缩液出口温度，； t0原料液入口温度； CP原料液的恒压比热，kJ/kg； F原料液流量，kg/h；蒸发器的热量衡算式：D1H-Cp,wT1= WH-Cp,wt1+ FCPt1-t0+QL式中T1加热蒸汽温度，； H加热蒸汽的焓，kJ/kg； H二次蒸汽的焓，kJ/kg； QL蒸发器的热损失，kJ/h； Cp,w水的恒压比热，kJ/kg；原料液的进口温度为25，浓缩液出口温度为40。丙烯酰胺的恒压比热为2.25kJ/kg。蒸发器的二次蒸汽量：W=256.32-57.58-191.02=7.72kg/h二次蒸汽的汽化潜热： r=574.17kJ/kg加热蒸汽的汽化潜热：r=2255.5kJ/kg忽略蒸发器的热损失，即有QL=0原料液流量：F=637.69kg/h故加热蒸汽的消耗量：D1=7.72574.17+637.692.2540-25+02255.5=11.4kg/h水的恒压比热：Cp,w=4.181kJ/kg二次蒸汽的焓：H=2574.3kJ/kg加热蒸汽的焓：H=2676.1kJ/kg加热蒸汽温度：T1=100故有：Q=D1H-Cp,wT1=11.42676.1-4.181100=0.26106kJ Q=WH-Cp,wt1+ FCPt1-t0+QL=7.722574.3-4.18140+637.692.2515=0.4106kJ4. 主要设备的工艺计算4.1 搅拌釜式反应器4.1.1 反应器的选型在选择反应器时，首先判断反应是何种形态，其次是了解在该相态下可选择何种反应装置。根据反应相态和反应器形式表12可知应该选用搅拌釜反应器比较合适。搅拌釜式反应器是一种从实验到工业装置均采用的反应器，容积从1L至200m3或更大，压力从真空到300MPa，温度从零下几十度至上百度。由于处理的无锡不同，根据温度、压力、腐蚀性，可选用碳钢、搪玻璃、镍、钛等耐腐蚀材料。搅拌釜式反应器的特性：（1） 由于物料性质的不同，搅拌釜式反应器的釜体、搅拌桨、挡板的结构形式也不同，反应器的差别也较大。（2） 搅拌釜式反应器常设加热或冷却装置。（3） 其高度一般与直径相等或稍高，约为直径的2-3倍。（4） 釜内舍友搅拌装置及档案，并根据不同的情况在釜内安装换热器火灾釜外壁设换热夹套，如果换热量大，也可将换热器装在釜外，通过流体的强制循环而进行放热；如果反应的热效应不大，可以不装换热器。4.1.2 反应釜的容积与数量选用连续反应釜，当按单釜计算得到的反应体积过大而导致釜的加工制造发生困难时，需要使用若干个体积较小的反应釜。对于正常动力学的反应（即反应速率随反应物浓度的增大而增大），釜内反应物浓度越高对反应越有利，在这种情况 下，采用串联方式比较好13。连续釜式反应器计算公式为：Vr=Q0式中Vr反应釜有效体积，m3； Q0反应器入口液体物料的体积流量，m3； 空时，即物料在釜内的平均停留时间；与反应物浓度，反应温度，其实和最终转化率有关，若已知反应的动力学方程式，的值可按下式求出：=CA0XAfRAf式中CA0反应釜入口液体中关键组分A的浓度，mol/L CAf反应釜入口液体中关键组分A的浓度，mol/LRAf反应温度和浓度下的反应速率，mol/(LS)XAf反应釜出口液体中关键组分A的转化率关键组分丙烯腈的转化率是80%，即XAf=80%根据98%浓硫酸在25时的密度为1.835g/cm3,丙烯腈的密度为0.81 g/cm3,水的密度为25=0.99708g/cm3可以算得丙烯腈的初始浓度，故有：VD=1334.761.835+725.570.81+256.320.99708=1880.23L/h丙烯腈的初始浓度：CA0=nV=13.69Kmol/h1880.23L/h=7.28mol/L连续反应釜的空时：反应为二级反应，其动力学方程为：RAf=kCA2故有：RAf=kCA2=kCA021-XAf2=CA0XAfRAf=CA0XAfkCA021-XAf2=XAfkCA01-XAf2根据反应反应动力学14知，k=0.163L/kgh=1.4410-3L/molmin;故可算得空时：=xAfkCA01-XAf2=0.81.4410-37.281-0.82=1908min=31.8h反应釜的体积：反应釜的有效体积为： Vr=Q0=1880.2331.8=59.79m3反应釜的实际体积为：V=Vr=59.79075=79.72m3由于算出的反应器实际体积很大，会导致反应釜的加工制造发生困难，需要使用若干个体积较小的反应釜串联起来使用。求算需要的设备个数m 15：已知VD与，根据已有的设备容积Va，取Va=30m3带搅拌的反应釜装料系数0.7-0.8，取装料系数=0.75，则每一釜料的体积Va，按设计任务，每天需要操作的总次数为：=VDVa=1880.23240.7530103=2.005每个设备每天能操作的批数为：=24=2431.8=0.75按设计任务需用的设备个数为：m=VD24Va=2.67算出的往往不是整数m，需取成整数mm,取m=3。因此实际设备总能力比设计要求提高了，其提高的程度称为设备能力的后备系数，以表示。=m-mm100%=3-2.672.67100%=11%则需要设备的总容积为：mVa=330=90m3所以设计中要串联3个容积为30m3的连续搅拌反应釜使用。4.1.3 反应釜釜体尺寸的设计1.筒体的直径与高度筒体的基本尺寸首先决定于工艺要求。对于带搅拌器的反应釜来说，设备容积为主要决定参数，根据化工原理知识，搅拌功率与搅拌器直径的五次方成正比，而搅拌器直径往往随容器直径的增大而增大，因此在同样的容积下，反应釜的直径太大是不适宜的。根据实践经验，几种反应釜的HDi值大致如表4-1所示15。表4-1 几种反应釜的HDi值种类釜内物料类型HDi一般反应釜液-固相或液-液相物料1.0-1.3气-液相物料1.0-2.0发酵罐类1.7-2.5设备容积V与操作容积V0的关系：V0=V对直立的反应釜来说，通常是指圆柱形筒体及下封头所包含的容积，即V=Vb+Vh式中 Vb设备筒体部分容积，m3 Vh封头容积，m3根据Va及选定的HDi值，可以初步估算筒体内径，选择HDi=1.2，取V=4Di2H 故：Di=34VHDi=34303.1412=3.17m初步估算出Di数值后，还要考虑使反应釜内径（用钢管做筒体时为外径）