【《丙烯腈合成工艺计算过程案例》5800字】

丙烯腈合成工艺计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u30707丙烯腈合成工艺计算过程案例 1149831.1小时生产能力 1150761.2流化床反应器 1291811.3废热锅炉 5169171.4空气饱和塔 6224841.5氨中和塔 946001.6换热器 1323241.7水吸收塔 14112841.8空气饱和塔 16325871.9丙烯蒸发器 1744701.10丙烯过滤器 18138771.11氨蒸发器 18312701.12气氨过热器 181.1小时生产能力设置每年工作日时间为300天，丙烯腈的年产量原料损失设计补偿利用率3%和每年小时设计平均原料裕量6%，年产量为20万吨，那么每小时的平均原料量是：1.2流化床反应器计算依据a.丙烯腈产量大约为30327.78kg/h，即572.22kmol/hb.选择丙烷丙烯摩尔分数比为15:85c.原料摩尔比为：Cd.反应后各产物的单程收率为：表1.1反应后各产物单程收率物质丙烯腈氰化氢乙腈丙烯醛二氧化碳摩尔收率/%0.60.0650.070.0070.12e.操作压力：进口0.023MPa，出口0.162MPaf.进入流化床的气体需要预热到110℃，反应温度为470℃左右，从流化床反应器出来的气体进去换热器降温到360℃。物料衡算a.反应器进口原料气中各组分的流量v=b.反应器出口原料气中各组分的流量AN丙烯腈：ACN（乙腈）：951.7×32×0.07=100.14ACL（丙烯醛）：951.7×0.07=66.76kmol/h=3742.57kg/h二氧化碳：951.7×3×0.12=343.33kmol/h=15106.52kg/hHCN：951.7×3×0.065=185.97kmol/h=5021.19kg/h丙烷：168.3kmol/h=7405.2kg/hN2OC3HC.反应器物料平衡表如表1.2物质反应器进口反应器出口kmol/hkg/h%（mol）%(wt)kmol/hkg/h%（mol）%(wt)C3H6951.740055.46.209.6071.533004.260.450.72C3H8168.37405.21.091.77168.37405.21.061.77NH31001.3917021.636.494.08141.062432.020.900.60O22191.5170192.3214.2016.83467.3214954.242.931.58N28251.78231049.8451.4855.388251.78231049.8451.8055.37H2O2861.151499.818.5412.345560.07100081.2634.9021.98AN0000572.2230327.781.597.28ACN0000100.144105.740.630.98HCN0000185.975021.191.171.20ACL000066.763742.570.410.90CO20000341.3315106.522.1623QS1.62合计15429.78417226.1910010015930.48417230.62100100表1.2反应器物料平衡表(3)能量衡算各物质0-470℃的平均定压比热容如下：表1.3各物质0~470℃的平均定压比热容组分C3H6C3H8NH3O2N2H20ANHCNACNACLCO2Cp0~110℃1.84102.0512.3011.0461.8830~360℃2.67801.0131.0131.0882.0081.8741.6401.9331.9661.1300~470℃2.92911.3471.34711.1092.0922.0921.7242.1012.1721.213a.流化床内换热装置的热负荷以及浓相段的热量平衡计算假设如下热力学途径470℃，浓相段出口混合14701∆H∆H∆H1∆H1∆H3∆H∆H225℃，浓相段出口混合口混合252525图3.1流化床反应器热力学途径用0-t℃的平均比热容代替各物质25−t℃的平均比热容，误差忽略不计，因此根据∆H=Cpm∆T得：∆H1=(40055.4×1.841+7405.2×2.05+17021.63×2.301+70192.32×0.941+51499.8×1.046+231049.84×1.883)×（25-110）=-5.81×107kJ/h∆H2=-(572.22×103×512.5+100.14×103×362.3+185.97×103×315.1+66.76×103×351.1+341.33×103×641)=-6.3×108kJ/h∆H3=3004.26×2.929+7405.2×1.347+2432.02×2.939+14954.24×1.046+231049.84×1.109+100081.26×2.092+30327.78×2.029+4105.74×2.10+5021.19×1.724+3742.57×2.172+15106.52×1.213=6.27×10∆H=∆H1+∆H2+∆H3=－5.81×107－6.3×108+6.27×105=－6.87×108kJ/h热损失=∆H×5%，则换热装置的热负荷为：Q=T=416K；P饱和蒸汽=0.405MPa；i143℃=2736kJ/h；∴蒸汽量G=b.热量平衡计算的基准取0℃气体时，求换热设备的热负荷和蒸汽量。进入稀相段的气体带热为根据Q=Cpm∆T得：Q1=(3004.26×2.929+7405.2×1.347+2432.02×2.939+14954.24×1.046+231049.84×1.109+100081.26×2.092+30327.78×2.029+4105.74×2.10+5021.19×1.724+3742.57×2.172+15106.52×1.213)×(470−0)=2.95×求气体从反应器的稀相段出去时候从反应器拿走的热Q2=(3004.26×2.929+7405.2×1.347+2432.02×2.939+14954.24×1.046+231049.84×1.109+100081.26×2.092+30327.78×2.029+4105.74×2.10+5021.19×1.724+3742.57×2.172+15106.52×1.213)×(360-0)=2.26×108kJ/h热能量损失4%,稀相段热交换能力：Q3==0.405MPa蒸汽量可用公式表示为：Gm=m×Cp×∆tHG=6.62×107/(2736-601.2)=31009.93kJ/h1.3废热锅炉（1）计算依据a.该设备的出口气为此设备进口气；b.T入口=360℃，P=0.162MPa；c.T温度180℃，P=0.152MPa；d.该设备产生P饱和蒸汽0.405MPa的；（2）热量衡算以0℃的气体作为衡算基准，各种化学物质之间在0～180℃平均比热容在下表表示出来。表1.4各物质0～180℃的平均比热容物质C3H6C3H8NH3O2N2H20ANHCNACNACLCO2Cp[kJ/(kg∙K)]2.0712.3432.4060.9621.0541.9251.5521.4851.6071.5861.004a.进入废热锅炉的热量为上一个设备带出的热量Q1=2.26×108kJ/h（即反应器出口）。b.废热锅炉出去的热量（由气体带出）：Q2=（3004.26×2.071+7405.2×2.343+2432.02×2.406+14954.24×0.962+231049.84×1.054+100081.26×1.925+30327.78×1.552+4105.74×1.607+5021.19×1.485+3742.57×1.586+15106.52×1.004）×（180−0）=c.热量衡算求得出需要取出的热量QQ=0.9（Q1-Q2）=0.9×（2.26×108-1.012×108）=1.123×108kJ/h上式中数据0.9为除去损失的占比。d.产生蒸汽量：产生P饱和蒸汽=0.405MPa的量为G=G=1.123×1.4空气饱和塔（1）计算依据a.进入塔，和出塔的压力分别是0.263MPa，0.243MPa；b.湿度为80%，温度30摄氏度的气体在经过空气压缩机后的温度是170摄氏度；c.气体和液体在塔内的体积比为152.4，其在塔内饱和度，取0.8；d.从乙腈解吸塔塔釜出来的温度105摄氏度的液体作为该塔的喷淋液，组成已经在下面的表格给出：表1.5塔顶喷淋液各组成组分ANACN氰醇ACLH2O合计%（wt）0.0050.0080.00050.000299.986100e.流化床反应器进口气体的特定要求，决定了空气出去时的量和组成成分。O2：2191.51kmol/h=70192.32kg/hH2O：2861.1kmol/h=51499.8kg/hN2：8251.78kmol/h=231049.84kg/h（2）物料衡算a.进塔空气量进塔干空气量=(2191.5+2861.1)=5054.6kmol/h=145752.76kg/h查空气相对湿度与湿含量的关系表得到30℃时，0.022kg水气/kg时湿度为80%，Gb.进塔热水量气液比为151.2，求塔喷淋液的量：当T喷淋液=378K，ρ=958kg/m3,所以每一个小时进入塔内的工艺液体水的量：464.35×958=444847.3kg/hc.出塔湿空气量反应器要求的进入的空气中各个组分的量就是这个设备出塔时候的量：O2：2191.51kmol/h=70192.32kg/hH2O：2861.1kmol/h=51499.8kg/hN2：8251.78kmol/h=231049.84kg/hd.离开的总计流体量G∴Ge.饱和塔物料表1.6饱和塔物料平衡表成分入塔气出塔气入塔喷淋液塔釜排出液kmol/hKg/h%(mol)%(wt)kmol/hKg/h%(mol)%(wt)Kg/h%(wt)Kg/h%(wt)O2191.5170192.3216.4819.902191.570192.3216.4819.90000N8251.78231049.862.0165.508251.78231049.862.0165.50000H3206.5657718.0821.5114.602861.151499.821.5114.644484799.986217004.0299.972AN0000000022.250.00522.250.0102ACN0000000035.590.00835.590.0163氰醇000000002.220.00052.220.00102ACL000000000.890.00020.890.00041合计13651.85358960.2410010013306.39352741.9100100444908100217064.97100（3）热量衡算a.T出口温度从物料平衡表得知，蒸汽的摩尔分数0.215是气体出塔时的数据，蒸汽的实际分压，可以根据分压定律求得：P饱和蒸汽分压=上式中0.81是饱和度气体温度应控制为90℃，因为如果要保证工艺所需的蒸汽质量不变，那么该蒸汽分压时的饱和温度为90摄氏度[12]。b.入塔后的热水温度105℃。c.由热量衡量计算我们可以分别得到一个塔式加热水的国际温度基准t。温度基准:0℃低热气态低温空气,0℃低温液态蒸馏水。(a)T=443K空气带入热量170℃时的蒸汽热容2771.3kJ/kg,干空气温度0～170℃时的平均比热容量为1.004kJ/(kg∙K)。Q1= (b)出塔湿空气带出热量 i90℃=2660kJ/kg，Cp=1.004kJ/(kg∙K)。Q (c)105℃入塔喷淋液带入热量 (d)计算温度，热水出塔时。 出塔热水带出热量：Q4 热量损失取0.05，则T=443K空气带入热量+105℃入塔喷淋液带入热量Q3=出塔湿空气带出热量+出塔热水带出热量+热损失:∴2.115×108+1.95×108=1.64×108+908199.83448t+1.71×T出塔热水=79.01℃。1.5氨中和塔（1）依靠下面的要求进行计算流体流量：该设备进口等于反应器装置出口；进入装置的硫酸可以和氨进行反应，把它处理掉99%；使用的硫酸的浓度为0.93；塔底出口液体（即循环液）的组成；气体T进塔=180℃,T出塔=76℃,使用硫酸作为吸附净化剂的出塔气体温度303K；P塔底0.14201MPa，P塔顶0.123MPa；表1.7塔底出口液体的组成组分H2OANACNHCNH2SO4(NH4)SO4合计%(wt)68.530.030.020.0160.530.90100（2）物料衡算废液量及其组成进塔时氨的质量流量为2432.02kg/h，下面是氨中和塔的吸收原理：2硫酸铵总计生成量：2432.02×132/(2×17)=9441.96kg/h塔底排出液中，(NH4)2SO4的含量为0.309，算出废液量：9441.96/0.309=30556.50kg/h排放的废液中，各组分的量：H2O：30556.50AN：30556.50×0.0003=9.16695ACN：30556.50×0.0002=6.1113HCN：30556.50×0.00016=4.88904H2SO4：30556.50×0.005=152.7825(NH4)2SO4：30556.50×0.309=9441.9585kg/ha.需要及时补充的新鲜硫酸和吸收氧化剂(93%H2SO4)的实际量分别定义为：(b.完成吸收以后的摩尔流量C3H6：3004.26kg/h=71.53kmol/hC3H8：7405.2kg/h=168.3kmol/hO2：14954.24kg/h=467.32kmol/hN2：231049.84kg/h=8557.4kmol/hAN：30327.78-9.16695=30318.61305kg/h=572.04kmol/hACN：4105.74-6.1113=4099.6287kg/h=100kmol/hHCN：5021.19-4.88904=5016.30096kg/h=185.8kmol/hCO2：15106.52kg/h=341.33kmol/hH2O：输送到的塔气废液中的水=废液进入到的塔气中所吸收带入的能量水+新鲜废液吸收催化剂+输送到塔的水-新鲜废液所吸入带来的能量水=100081.26+7701.85×0.07-20940.37=79680.0195kg/h=4426.667kmol/h（3）热量衡算T出塔在塔中的蒸汽的压力是：PH2O=yH2OP=0.2980×0.122=0.0363Mpa根据温度和压力的计算可以得出蒸汽在该温度下的分压：P上式中0.98是饱和度；进入此塔(NH4)2SO4的需求量：100×30.9/68.53=45g(NH4)2SO4/100gH2O，已知硫酸铵溶液上方的饱和蒸汽压在下表给出。根据上面计算出的数据，查表得气体T出口=76℃。b.求T喷淋液：查阅资料得到结论：一般来说气体的出口温度要比喷淋液的温度高，所以喷淋液温度取70℃c.T釜液温度/℃(NH4)2SO4含量/g[(NH4)2SO4/gH2O]4045507080900.027960.042520.06290.027560.04190.061990.027160.041290.06109表1.8硫酸铵溶液上方的饱和蒸汽压/MPad.热量衡算求循环冷却器的热负荷及冷却水用量Q1+Q3+Q4+Q5+Q6+Q8=Q7+Q2+Q9Q1废热锅炉出口带出热量即为该塔气体带入热量。出塔气体带出热Q2，各组分在0～76℃的平均比热容的值表1.9各组分在0～76℃的平均比热容的值物质C3H6C3H8O2N2H2OANHCNACNACLCO2CP1.7151.9660.94141.0461.8831.3471.3931.4061.3430.921Q该塔当中的蒸汽冷却成水珠时自身放出蒸汽在塔内的冷凝量=进塔气体带入蒸汽-出口气带出蒸汽=100081.26−79680.0195=20401.24每一千克的蒸汽凝结成液体时可以释放22466kJ，所以，Q求气体中几种有机物质冷凝成液体需要送出的热量：QNH3冷却成液氨时给出∆HNH3H2SO4在水中时会放出热每一千克硫酸溶解在水中稀释可以释放能量749kJ所以，Q从塔底出去的液体带走的热量混合液的Cp=1.347所以，Q7=2.487×105kJ/h硫酸自身进入塔时带有的热当T=303K时，进塔CpH2SO4=1.6031。计算出冷却器内交换的热量 热量的自然丢失不计入计算内。把这些数据代入最开始的方程求出循环的一个用于冷凝气体的装置负荷为Q9=5.42×108kJ/h求用于换热器冷却气体所使用的水的量F 上水温度32.5摄氏度，回水温度36.5摄氏度 ∴F=求循环液量m查阅资料得Cp循环液=1.368kJ/（kg∙K），Cp混合喷淋=1.364kJ/（kg∙K）本设计的循环液流过管道的，真实流量的等于nkg/h，循环液出换热装置的温度大约为t℃。查阅资料可以列出方程：对循环换热器列热方程：n×3(1)，(2)两个方程可以计算出：t=70.1℃,n=1080000kg/h1.6换热器（1）计算依据操作压力115.5kPa，进出口气体温度分别是76℃，40℃，氨中和塔出口气的组成和流量就是该换热器进口的数据。（2）根据物质守恒定律而进行物料平衡的计算T出口气体=40℃，此时温度下的气体正好形成液体时的压力就是P=7.3KPa,同时也等于55.23毫米的汞柱的高度。y就是这些气体在出口时成分中包含水汽的摩尔流量，时间以小时计。查阅气体压力与摩尔流量的关系，有一个分压定律，可以用来计算上面提到的y：y最后通过计算y=411.912kmol/h=7414.416kg/h蒸汽冷凝量为：79680.0195-7414.416=72265.6035kg/h（3）计算这个设备各个物质在塔内的热量交换换热器入口气体带入热与氨中和塔出塔热量一样为Q1=1.75×107kJ/h；蒸汽冷凝后释放的热量Q2，40℃的水汽化热为2401.1kJ/kg；Q2=72265.6035×2401.1=1.735×108kJ/h；用来进行冷却作用的工艺液体带出Q3=mCp∆t=72265.6035×4.184（40-0）=1.2094×107kJ/h；气体在进入下一个设备时从该设备携带了热走；表1.10出口气体各组分在0～40℃的平均摩尔热容物质C3H6C3H8O2N2H2OANACNHCNCO2CP61.9272.3829.4629.2936.7561.3552.0962.7638.66出口的气体各成份在0～40℃的温度下所组成的平均相对于热容量计算公式为：Q4=(71.53×61.92+168.3×72.38+467.32×29.46+8557.4×29.29+572.04×61.35+100×52.09+185.8×62.76+341.33×38.66+411.912×36.75)×（40-0）=1.45×107kJ/h换热器能给物料提供的热量为上式结果通过热量的平衡方程计算得到。1.7水吸收塔（1）计算依据a.进入该塔的物料质量流量与上个设备的出来的流量一样；b.出塔AN溶液中含AN1.8%（wt）；c.对气体的一些要求，T入塔=313K，P=112kPa。T出塔=283K，压力101kPa；（2）a.进塔物料的流量与组成换热器的出口相同b.出塔气量和组成设入塔内气体中的AN、HCN、ACL、ACN等各个组分都会被水所吸收，C3H6，C3H8，O2，N2，CO2等组分不溶于水，则出塔气中含有水蒸气的量按分压定律计算：10℃水的饱和蒸汽压p0H2O=1228Pa，总压101325Pa，出塔气中干气总量：71.53+168.3+467.32+8557.4+343.33出塔气总量为：3004.26+7405.2+14954.2+231049.84+15106.52+2121.05=273641.07kg/hc.塔顶加入的吸收水量（a）AN溶液出塔总量：30318.61305/0.018=1.684×106kg/h（b）水吸收塔的总质量衡算得：入塔时的气体吸收液的总量=进入塔底下的AN气体溶液的总量+输送到塔内的塔外气体凝水总量+输送出塔时的塔内气体凝水含量-塔内的气体凝水量=1.684×106+273641.07-10995.9-72265.6035=1.87×106kg/hd.在塔釜中丙烯腈中含有的水的流量为丙烯腈中净水量=物料带入塔的水分+本身用于吸收加入塔的水分-气体从塔出去时携带走的水分=1.87×106+7414.416+72265.6035-2082=1.95×106kg/h（3）a.入塔气带入热Q1下面计算过程所需要的比热容数据参照表1.10中给出的数据Q1=mCp∆t=(71.53×61.92+168.3×72.38+467.32×29.46+8557.4×29.29+572.04×61.35+100×52.09+185.8×62.76+341.33×38.66+411.912×36.75)×（40-0）=2.04×107kJ/hb.入塔凝水带入热Q2Q2=mCp∆t=72265.6035×4.184(40-0)=1.209×107kJ/hc出塔气带出热Q3Q3=（791362.43+8557.4×29.29+117.87×36.75+341.33×38.66）×（10-0）=1.08×106kJ/hd吸收水带入热Q4Q4=1.87×106×4.184（5-0）=1.91×107kJ/he.出塔AN溶液带出热Q5组分H2OANACNHCNACLCP/[KJ/(kmol∙k)]75.3121.1107.371.55121.8表1.11AN溶液中各组分的液体摩尔热容Q5=(91362.43×75.3+572.04×121.1+100×107.3+185.8×71.55+6.7×121.8)×t=6.97×106tf.水冷凝放热Q6水冷凝量=7414.416-2121.05=7202.366kg/h水冷凝热为2256kJ/kg所以，Q6=7202.366×2256=1.62×107kJ/hg.AN、ACN、ACL、HCN等气体的溶解放热Q7溶解热=冷凝热AN、ACN、ACL、HCN的冷凝热表1.12AN、ACN、ACL、HCN的冷凝热组分ANACNACLHCN冷凝热(kJ/kg)610.9765.7491.7937.2Q7=30318×610.9+4099.624×765.7+374×491.7+5018×937.2=2.65×107kJ/hg.热衡算求出塔液温度热平衡方程Q1+Q2+Q4+Q6+Q7=Q3+Q5代入数据解得t=15.96℃1.8空气饱和塔（1）以下面要求开始计算空气饱和塔的塔内需要的温度要根据我国空气质量饱和塔内所有的气体物料和所有电能热衡流量计算处理方法进行决定的；我国供水-空气吸收材料塔的塔釜液量和流量计算是由我国供水-空气吸收材料塔的所有物质流量衡算统计方法进行决定，排出率的值可以被广泛考虑到可以作为萃取乙炔乙烯分析材料塔所有气体排出材料塔整体容积的15%；萃取乙腈乙炔解析材质塔的材料塔釜液量及物料去渣和萃取乙腈解析材料塔的塔釜液量均由我国精制材料系统工程中的所有物料热衡核算方法所得出的结果进行确定。（2）物料衡算从塔出去的物料的流量计算：a.去水吸收塔液体量1.87×106kg/hb.去萃取解析塔液体量600000kg/h进料：a.从精制工段，用来解析产物中乙腈的塔设备塔釜进入该塔的流量=2266056-950048=1316008kg/hb.该塔的循环液为=905176-135872=769304kg/hc.进入塔的工艺水的流量设成mkg/h通过上面给出的数据，算出总的进入塔内的工艺水流量：1316008+769304+m=1.87×106+600000解得m=1.84×105kg/h（3）热量衡算a.入槽乙腈解析液在塔釜液中也可带入其他热量Q1=mCp∆tQ1=1.3×106×4.184（105-0）=5.71×108kJ/hb.进入塔的水可能带来的热量Q2=mCp∆tQ2=1.5×105×4.184（30-0）=1.88×108kJ/hc.从塔釜排出的废液带走该系统一部分热量Q3=mCp∆tQ3=769304×4.184（79-0）=2.54×108kJ/hd.塔底有一部分液体被加入吸收塔中成为吸收液，改部分损失的热量为Q4Q4=1.