年产3.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计课程设计

年产吨丙烯腈合成工工艺设计课程设计化工工艺设计课程设计年万吨丙烯腈合成工段工艺设计年级20XX年专业化学工程与工艺号姓名指导教师设计成绩完成日期20XX年年月日《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，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设备设计和选型设计图纸图纸规范标注清晰方案流程图评阅教师签名工艺物料流程图带控制点的工艺流程图20平时成绩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3.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计术参数生产能力：

设计技吨年原料：丙烯，丙烷摩尔分率液氨产品（丙烯腈水溶液产方法丙烯氨氧化法丙烯腈损失率：设计裕量：7.操作日：122

300天设计要求确定设计方案并画出流程框（要求见4（）；2.物料衡算，热量衡算主要设备的工艺设计计算4.绘图要求）流程框图（或者绘，截图在方案设计中（2）方案流程图（或绘，图纸（3工艺物料流程（带物料表CAD或手绘图纸（4）制带控制点的工艺流程图（或手绘，图纸5.写设计说明书工作量设计计算：1.5周2.艺流程图与设计说明书：1周答辩：周工作计划第一周：物料衡算量衡算及主要设备的工艺设计计算第二周图，撰写设计说明书，第三周：答辩考资《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，年《化学化工物性参数手册岛化工学院等编，化学工业出版社，20XX年第一部分述1.1丙烯腈的性质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Acrylonifrile（简称化学分子式：CH2=CH-CN；分子量烯腈在常温下是无色或淡黄色液体毒，有特殊气味；222

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

。丙烯腈在室内允许浓度为在空中的爆炸极限为（体积此在生产、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共沸点中丙烯腈的含量为（质量有苯乙烯存在下，还能形成丙烯—乙烯水三元共沸混合物。丙烯腈的主要物理性质见表表丙烯腈与水的相互溶解度温℃水在丙烯腈中的溶解质量丙烯腈在水中的溶解质量2.102.55207.303.82407.906.157.65709.9011.10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(101.3KPa)78.5℃燃点/481蒸汽压/KPa熔点/比热容/J.kg-1.K-120.92±0.038.7时6.67相对密度()0.0806蒸发潜热(0~7732.6kJ/mol45.5时33.33粘度0.34生成热℃)151kJ/mol77.3℃101.32折射率()1.3888燃烧热临界温度246闪点℃0聚合热72kJ/mol临界压力3.42MPa丙烯腈的化学性质及应用丙烯腈分子中含有双键及氰基（化学性质非常活泼，可322

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以在丙烯腈成品及丙烯腈生产过程中要加少量阻聚剂苯酚甲基聚剂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此可制得合成纤维料料和粘合剂等。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氧基丙胺是液体染料的分散剂静电剂维处理剂面活性剂药等的原料。丙烯腈与氨反应可制得，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ABS树脂，丙烯酰胺、丙烯酸纤维、己二睛和苯乙烯-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，年进口量超过。1.2丙烯腈的生产状况世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。422

全世界1999年丙烯腈总生产能力为，万t(见。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％。年世界丙烯腈需求量为480万t，产量470万t。预计到20XX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。中用于腈纶的消费量为万t，用于ABS、AS为126万t，其它万t(见表。今年台塑公司月和年末各有万t/a装置投产、美国Solutia公司月25万t/a装置建成还会增加45万t生产能力20XX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能力美国164.2土耳其9.0德国巴西9.0意大利南非7.5荷兰印度3.0西班牙罗马尼亚8.0英国28.0保加利亚4.5墨西哥日本韩国37俄罗斯中国(总)中国台湾省合计表1-4世界丙烯腈消费结构万t)年份*****20XX年生产能力508545产量437469消费量415469腈纶244275ABS/AS107110126其它848694106开工率％)86国内生产概况我国内烯腈生产起步于1968年。八十年522

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万t正在计划建设的生产装置有上海石化公司万t／金陵石化公司6.6万t／不少装置也准备将其生产能力扩大20XX年我国丙烯腈总生产能力可达80多万其中中国大陆丙烯腈生产能力可达42～万t/a台湾省丙烯脂生产能力为38万。这样，我国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。表我国丙烯腈生产能力(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5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BP技术齐鲁石化公司丙烯腈厂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5技术计划扩展吉化公司化肥厂BP技术安庆石化公司腈纶厂BP技术台CPDC公司18技术合计59.31.3我国丙烯腈发展方向丙烯氨氧化的原理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

与此同在催化剂表面还发生如下一系列主要的副反622

应。（1）生成乙腈ACN)：（2）生成氢氰酸。（3）成丙烯醛。

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上述副反应外还有生成微量丙酮腈、丙烯酸和乙酸等副反应。催化剂丙烯氨氧化所采用的催化剂主要有两类Mo系Sb系催化剂。

（1Mo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和的作用是夺取丙烯中的氢,Mo作用是往丙烯中引入氧或氨因而是一个双功能催化剂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460～丙烯腈收率右于在原料气中需配入大量水蒸气约为丙烯量的倍在反应温度下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年就被、等代替。（2）Sb系催化剂

Sb系催化剂在年代中期用于工业生产有、Sb-Sn-O和Sb-Fe-O等。初期使用的催化剂活性很,丙烯转化率和丙烯腈收率都较但由于具有放722

射性废催化剂处理困难使用几年后已不采用。催化剂由日本化学公司开发成功即牌号为和催化剂。据文献报道催化剂中比为∶1(mol),X光衍射测试表明催化剂的主体是FeSbO4,有少量的Sb2O4工业运转结果表明丙烯腈收率达右副产乙腈生成量甚少价格也比较便宜添加、W等可改善该催化剂的耐还原性。反应机理和动力学机理目前主要有两种观点。

丙烯氨氧化生成丙烯腈的反应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小时生产能力按年工作日天，丙烯腈损失率3%设计裕量为6%，年产量为万吨计算，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计算依据1）丙烯腈产量

5307.36kg/h即（料组摩尔分数）丙，丙烷）15%（3）进反应器的原料配比（摩尔分数）为反应后各产物的单程收率为：物质丙烯腈氰化氢）乙腈）烯醛（）CO2摩尔收率0.60.070.12（）操作压822

力进口0.203MPa出口0.162MPa（5反应器进口气体温度℃反应温度℃出口气体温度360℃物料衡算（）反应器进口原料气中各组分的流量C3H6:C3H8：NH3：：N2：（2应出合中各分流丙腈5307.36kg/h乙腈：丙烯醛：CO2：：N2：：NH3：：（3器物料平衡表流量和组成组分反应器进口反应器出口kmol/h%(mol)%(wt)kmol/hkg/h%(mol)%(wt)922

166.727002.106.1823.02966.981.3229.421294.531.7829.421294.53NH3175.062975.954.08425.17383.4614.2216.8292.202950.404.05N253.4855.381442.5451.7955.37500.169002.8818.5412.34961.4823.73丙烯腈（00005307.36乙腈（ACN）0717.770.98氰化氢（）00877.78丙烯醛（）00001.1765.530.0402640.842.163.62合计2697.361002784.91100热量衡算查阅相关资料获得各物质各物质0～℃0～℃～的平均定压比热容物质ANACN0~1101.8412.050.9411.0461.8830~3602.6783.0132.6361.0041.0882.0081.8741.6401.9331.966℃2.9293.3472.9391.0461.1092.0922.0291.7241.213（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℃反应器入口混合气℃浓相段出口混合气℃反应器入口混合气25℃相段出口混合气假设如下热力学途径：各物质25~t℃平均比热容用0~t℃的平均比热容代替差不大因此若热损失取的5%需有浓相段换热装置取出的热1022

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饱和蒸汽焓℃和水焓：所以：（2）稀相段热衡算求稀相段换热装置的热负荷产生蒸汽量以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计算依据(1)入塔空气压力，出塔空气压力0.243MPa空压机入口空气温度30，相对温度％，空压机出口气体温度170℃饱和塔气、液比为体积比)，饱和0.81塔顶喷淋液为乙腈解吸塔釜液温℃组成如下组分氰醇水合计（Wt）0.0080.00050.000299.986塔顶出口湿空气的成分和量按反应器入口气体的要求：，即****.59kg/hN2：1442.54kmol/h，即kg/h即9002.88kg/h物料衡算（）进塔空气量查得℃相对湿度空气温含量为0.022kg1122

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，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O2N2H2O的量与反应器入口气体相同，因而：：383.46kmol/h，即*****.59kg/h：1442.54kmol/h，即*kg/h：，即9002.88（4）出塔液量热量衡算（气饱和塔出口气体温度空气饱和塔出口气体中，蒸汽的摩尔分数为：根据分压定律，蒸汽的实际分压为：饱和度为0.81以饱和蒸汽分压应为：查饱和蒸汽表得到对应的饱和温度为90此控制出塔气体温度为℃才保证工艺要求的蒸汽量（2入塔热水温度入塔水来自精制工段乙腈解吸塔塔釜105℃（由热衡算求出塔热水温度t热衡算基准：0气态空气，0液态水℃塔空气带入的热量℃汽焓值为，干空气在℃的平均比热容出塔湿空气带出热量90蒸汽焓2660kJ/kg空气比热容取℃塔喷淋液带入热求出塔热水温t出塔水带出热量热损失按5%者，则1222

热衡方

Q1+Q3=Q2+Q4+Q损即1220XX年35.11+***-*****.93=***-*****.92+*****.93t+***-*****.95解得℃故出塔热水温度为℃4.3氨中和塔物料衡算和热量衡算计算依据（1入塔气体流量和组成与反应器出口气体相同（2）中和塔内全部氨被硫酸吸收，生成硫酸铵（3）新鲜硫酸吸收剂的含量为93％（4底口液体即循环液)的组成如下组分HCN硫酸硫酸铵合计%wt）68.530.020.5（）进塔气温度℃出塔气温度76℃新鲜硫酸吸收剂温度℃6）塔顶压力，塔底压力0.142MPa图2氨中和塔局部流程1—氨中和塔；2—循环冷却器物料衡（出的废液量及其组成进塔气中含有425.17kg/h的氨，在塔内被硫酸吸收生成硫酸铵氨和硫酸反应的方程式：的生成量，即需要连续排出的的流量为：塔底排出液中,(NH4)2SO4的含量为30.9%（wt此，排放的废液量为排放的废液中．各组分的量H2O：：：1322

(NH4)2SO4：（2）需补充的新鲜吸收剂（的H2SO4）的量为：（）出塔气体中各组分的量

：C3H8:：*****.12kg/h=1442.54kmol/h：5307.36-0.12=5307.24kg/h=100.02kmol/h：0.08=717.69kg/h=17.50kmol/h：

：

877.78-0.06=877.72kg/h=32.51kmol/h

：：*****.64+1346.45×0.07-3660.83=*****.06kg/h=763.34kmol/h热量衡算（）出塔气体温度塔顶气体中实际蒸汽分压为：PH2O=yH2OP=0.298×0.122=0.0364MPa设饱和度为0.98，则与出塔气体温度平衡的饱和蒸汽分压为：入塔喷淋液的硫酸铵含量为：已知硫酸铵上方的饱和蒸汽压如表含量温度0.027960.027560.027160.042520.0419900.06290.06199根据入塔喷淋液的硫酸铵含量和的值，内插得到出：塔气的温度为℃（）入塔喷淋液温度入塔喷淋液温度比气体出口温度低6.7，故为℃（塔釜排出液温度1422

yH2O=0.3452

入

塔

气

水

蒸

汽

分

压：PH2O=yH2OP=0.3452×0.142=0.049MPa在釜(NH4)2SO4含量(下溶液上方的饱和蒸汽分压等于0.049MPa时的釜液温度即为釜液的饱和温度内插法从表中得到温度为℃，设塔釜液温度比饱和温度低2.53℃即81℃又查硫酸铵的溶解度数据得知，℃．每水能溶解95.3g硫酸铵，而釜液的硫酸铵含量为()所以釜液温度控制81℃不会有硫酸铵结晶析出。（4）热衡算求循环冷却器的热负荷和冷却水用量作图的虚线方框列热平衡方程得3氨中和塔的热量衡算1—氨中和塔；2循环冷却器①入塔气体带入热入塔气体带入热量出塔气体带出热各组分在076.7的平均比热容的值如下

组分N2ACNCO21.7151.9660.94141.0461.8831.3471.3931.4061.3430.921Q2=(966.98×1.715+1294.53×1.966+2950.4×0.9414+*****.12×1.046+*****.06×1.883+1.347×5307.24+1.393×877.72+1.406×717.69+1.343×65.53+0.921×2640.84)×(76.7-0)=*****.38×76.7=***-*****kJ/h蒸汽在塔内冷凝放热蒸汽在塔内的冷凝量=进1522

塔气体带入蒸汽-出口气

=3566.58kg/h

蒸

汽

的

冷

凝

热

为

2246.6kJ/kgQ3=3566.58×2246.6=***-*****.63kJ/h有机物冷凝放热的冷凝量1.60kg/h凝热为615kJ/kgACN的冷凝量，其冷凝热为728kJ/kg的冷凝量0.85kg/h其冷凝热为878.6kJ/kg氨中和放热每生成1mol硫酸铵放热273.8kJ⑥硫酸稀释放热硫酸的稀释热为749kJ/kg塔釜排放的废液带出热量

塔釜排放的废液中，与的(NH4)2SO4的摩尔比为，查氮肥设计手册得此组成的硫酸铵水溶液比热容为

Q7=5341.94×3.347×(80-0)=***-*****.85kJ/h⑧剂带入热的比热容为Q8=1346.45×1.603×(30-⑨循环冷却器负荷因操作温度不高，忽略热损失把有关数据代入热平衡方程有：解得：⑩环冷却器的冷却水用量设循环冷却器循环水上水温度℃排水温度36则冷却水量为：（5循环液量循环液流量受入塔喷淋液温度的限制70循环液的比热容为环液与新鲜吸收液混合后的喷淋液比热容为设循环液流量为m循环冷却器出口循环液温度t对1622

新鲜暖收剂与循环液汇合处附图中列热平衡方程得：(1)对循环冷却器列热平衡得:联解式(1)(2)得：4.4换热器物料衡算和热量衡算换热器AN溶液去精制AN溶液来自水吸收塔气体来自氨中和塔气液混合物去水吸收塔计算依据进口气体76.7℃，组成和流量与氨中和塔出口气相同出口气体温度40，操作压力物料衡算进口气组成及流量如下

组分流量17.50kmol/h1.17kmol/h32.51kmol/h合计出口气体温度℃40饱和蒸汽压力为设出口气体中含有x的蒸汽，根据分压定律有：解蒸汽量为*****.06-2208=*****.06kg/h因此得到换热器气体方()物料平衡如下：组分流量H2ON2HCNCO2冷凝水合计23.0122.792.21442.510017.5032.512561.7热衡算（1）换热器入口气1722

体带入等于氨中和塔出口气体带出热Q1=***-*****kJ/h（）蒸冷凝放出热

℃水汽化热为／kgQ2=*****.06×2401.1=***-*****.27kJ/h（3冷凝带出热Q3=*****.06×4.184×(40-0)=***-*****.56kJ/h（出口气体带出热出口气体各组分在0～℃平均摩尔热容为：组分N2ANHCNCO272.3829.4629.2936.7563.3552.0962.7665.6138.66（

23.0×61.92+29.4×72.38+36.75×122.7+92.2×29.46+1442.5×29.29+63.35×100+17.50×52.09+32.51×62.76+1.17×65.61+60.0×38.66）×(40-0)=***-（5）热衡算求换热器热负平方程：代入数据求得：Q5=***-*****.3kJ/h4.5水吸收塔物料衡算和热量衡算计算依据水吸收塔的局部流程1）塔气流量和组成与换热器出口相同（）入塔器温度℃压力出塔气温度℃，压力（3）入塔吸收液温度℃（）出塔AN溶液中含AN（）物料衡算（1）进塔物料（包括气体和凝水）的组成和流量与换热器出口相同进口

气

量=23×42+29.4×44+122.7×18+92.2×32+1442.5×28+100×53+17.1822

（塔气的组成和出塔干气有：C3H6O210水的饱和汽总压出中=23+29.4+92.2+1442.5+6.7=1593.8kmol/h出塔气中含有蒸汽的量按分压定律求得，计算如下：出

塔

气

总

量

为：966+1293.6+2950.4+*****+294.8=*****.8kg/h（3）塔顶加入的吸收水量出塔AN溶液总量出塔溶液中，为（wt的量为5307.36kg/h，因此，出塔AN溶液总量为塔顶加入的吸收水量塔的总质量衡算得：

作水吸收入塔吸收液量=塔底溶液量出塔气体总量－入塔气量－凝水量=*****.33+*****.8*****.39（塔底AN溶液的组成和量全部被水吸收，因为塔底溶液中的AN、HCN、的量与进塔气、液混合物相同，AN溶液中的水量按全塔水平衡求出溶液中的水量塔顶加入水进塔气液混合物中的水-出塔气带出的水=*****.68+763.34×18-351.95（吸收1922

塔平衡如下:入塔气组分O2N2ACNCO2合计流量Kmol/h23.010017.5032.5160.01921含量0.00910.01690.00061出塔气流量92.20060.0（）检验前面ACN全溶于水的假设的正确性因系统压力小于1Mpa，气相可视为理想气体AN、、的量相对于水很小溶液为稀溶液统服从亨利定律和分压定律。压力和含量的关系为：或塔底排出液的温度为℃(见后面的热衡算查得15时、、和AN亨利系数E值为：ACLE=444.4kPaE=405.3kPa①AN塔底从以上计算可