化工工艺课程设计

化工课程年产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2021年6月15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，40%格式完整格式是否规范8评阅教师签名内容是否完整8工艺运算正确、完整和规范物料恒算8热量衡算8设备设计和选型8设计图纸，30%图纸规范标注清晰流程图7评阅教师签名工艺物料流程图8带操纵点的工艺流程图15答辩成绩20%仪态自然语言流畅语言流畅10答辩老师签名答题正确10平常成绩，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答辩记录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.丙烯腈缺失率：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.要紧设备的工艺设计运算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〕制带操纵点的工艺流程图〔CAD或手绘，A3图纸〕；5.编写设计说明书工作量1.设计运算：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、热量衡算及要紧设备的工艺设计运算第二周：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编，化学工业出版社，2020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年名目TOC\o"1-3"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc453793700"年产3.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计PAGEREF_Toc453793700\h1HYPERLINK\l"_Toc453793701"第一部分概述PAGEREF_Toc453793701\h1HYPERLINK\l"_Toc453793702"1.1丙烯腈的性质PAGEREF_Toc453793702\h1HYPERLINK\l"_Toc453793703"1.1.1丙烯腈的物理性质PAGEREF_Toc453793703\h1HYPERLINK\l"_Toc453793704"1.1.2丙烯腈的化学性质及应用PAGEREF_Toc453793704\h2HYPERLINK\l"_Toc453793705"1.2丙烯腈的生产技术的进展PAGEREF_Toc453793705\h3HYPERLINK\l"_Toc453793706"1.2.1国外的进展情形PAGEREF_Toc453793706\h3HYPERLINK\l"_Toc453793707"1.2.2国内进展概况PAGEREF_Toc453793707\h4HYPERLINK\l"_Toc453793708"1.3丙烯腈生产工艺研究进展PAGEREF_Toc453793708\h5HYPERLINK\l"_Toc453793709"1.4丙烯氨氧化的原理PAGEREF_Toc453793709\h6HYPERLINK\l"_Toc453793710"1.4.1化学反应PAGEREF_Toc453793710\h6HYPERLINK\l"_Toc453793711"1.4.2催化剂PAGEREF_Toc453793711\h7HYPERLINK\l"_Toc453793712"第二部分生产方案选择PAGEREF_Toc453793712\h8HYPERLINK\l"_Toc453793713"第三部分工艺流程设计PAGEREF_Toc453793713\h8HYPERLINK\l"_Toc453793714"3.1丙烯腈工艺流程示意图PAGEREF_Toc453793714\h8HYPERLINK\l"_Toc453793715"3.2小时生产能力PAGEREF_Toc453793715\h9HYPERLINK\l"_Toc453793716"第四部分物料衡算和热量衡算PAGEREF_Toc453793716\h10HYPERLINK\l"_Toc453793717"4.1反应器的物料衡算和热量衡算PAGEREF_Toc453793717\h10HYPERLINK\l"_Toc453793718"4.1.1运算依据PAGEREF_Toc453793718\h10HYPERLINK\l"_Toc453793719"4.1.2物料衡算PAGEREF_Toc453793719\h10HYPERLINK\l"_Toc453793720"4.1.3热量衡算PAGEREF_Toc453793720\h12HYPERLINK\l"_Toc453793721"4.2空气饱和塔的物料衡算和热量衡算PAGEREF_Toc453793721\h14HYPERLINK\l"_Toc453793722"4.2.1运算依据PAGEREF_Toc453793722\h14HYPERLINK\l"_Toc453793723"4.2.2物料衡算PAGEREF_Toc453793723\h14HYPERLINK\l"_Toc453793724"4.2.3热量衡算PAGEREF_Toc453793724\h15HYPERLINK\l"_Toc453793725"4.3氨中和塔物料衡算和热量衡算PAGEREF_Toc453793725\h16HYPERLINK\l"_Toc453793726"4.3.1运算依据PAGEREF_Toc453793726\h16HYPERLINK\l"_Toc453793727"4.3.2物料衡算PAGEREF_Toc453793727\h17HYPERLINK\l"_Toc453793728"4.3.3热量衡算PAGEREF_Toc453793728\h18HYPERLINK\l"_Toc453793729"4.4换热器物料衡算和热量衡算PAGEREF_Toc453793729\h21HYPERLINK\l"_Toc453793730"4.4.1运算依据PAGEREF_Toc453793730\h21HYPERLINK\l"_Toc453793731"4.4.2物料衡算PAGEREF_Toc453793731\h21HYPERLINK\l"_Toc453793732"4.4.3热量衡算PAGEREF_Toc453793732\h22HYPERLINK\l"_Toc453793733"4.5水吸取塔物料衡算和热量衡算PAGEREF_Toc453793733\h23HYPERLINK\l"_Toc453793734"4.5.1运算依据PAGEREF_Toc453793734\h23HYPERLINK\l"_Toc453793735"4.5.2物料衡算PAGEREF_Toc453793735\h23HYPERLINK\l"_Toc453793736"4.5.3热量衡算PAGEREF_Toc453793736\h26HYPERLINK\l"_Toc453793737"4.6空气水饱和塔釜液槽PAGEREF_Toc453793737\h27HYPERLINK\l"_Toc453793738"4.6.1运算依据PAGEREF_Toc453793738\h27HYPERLINK\l"_Toc453793739"4.6.2物料衡算PAGEREF_Toc453793739\h27HYPERLINK\l"_Toc453793740"4.6.3热量衡算PAGEREF_Toc453793740\h28HYPERLINK\l"_Toc453793741"4.7丙烯蒸发器热量衡算PAGEREF_Toc453793741\h28HYPERLINK\l"_Toc453793742"4.7.1运算依据PAGEREF_Toc453793742\h28HYPERLINK\l"_Toc453793743"4.7.2有关数据PAGEREF_Toc453793743\h29HYPERLINK\l"_Toc453793744"4.7.3热衡算求丙烯蒸发器的热负荷和冷冻盐水用量PAGEREF_Toc453793744\h29HYPERLINK\l"_Toc453793745"4.8丙烯过热器热量衡算PAGEREF_Toc453793745\h29HYPERLINK\l"_Toc453793746"4.8.1运算依据PAGEREF_Toc453793746\h29HYPERLINK\l"_Toc453793747"4.8.2热量衡算求丙烯过热器热负荷和加热蒸汽量PAGEREF_Toc453793747\h29HYPERLINK\l"_Toc453793748"4.9氨蒸发器热量衡算PAGEREF_Toc453793748\h30HYPERLINK\l"_Toc453793749"4.9.1运算依据PAGEREF_Toc453793749\h30HYPERLINK\l"_Toc453793750"4.9.2有关数据PAGEREF_Toc453793750\h30HYPERLINK\l"_Toc453793751"4.9.3热衡算求氨蒸发器的热负荷和加热蒸汽用量PAGEREF_Toc453793751\h30HYPERLINK\l"_Toc453793752"4.10氨气过热器PAGEREF_Toc453793752\h30HYPERLINK\l"_Toc453793753"4.10.1运算依据PAGEREF_Toc453793753\h30HYPERLINK\l"_Toc453793754"4.10.2热衡算求气氨过热器的热负荷和加热蒸汽用量PAGEREF_Toc453793754\h30HYPERLINK\l"_Toc453793755"4.11混合器PAGEREF_Toc453793755\h31HYPERLINK\l"_Toc453793756"4.11.1运算依据PAGEREF_Toc453793756\h31HYPERLINK\l"_Toc453793757"4.11.2热衡算求进口温空气的温度tPAGEREF_Toc453793757\h31HYPERLINK\l"_Toc453793758"4.12空气加热器的热量衡算PAGEREF_Toc453793758\h32HYPERLINK\l"_Toc453793759"4.12.1运算依据PAGEREF_Toc453793759\h32HYPERLINK\l"_Toc453793760"4.12.2热衡算求空气加热器的热负荷和加热蒸汽量PAGEREF_Toc453793760\h32HYPERLINK\l"_Toc453793761"第五部分要紧设备的工艺运算PAGEREF_Toc453793761\h32HYPERLINK\l"_Toc453793762"5.1合成反应器PAGEREF_Toc453793762\h32HYPERLINK\l"_Toc453793763"5.1.1运算依据PAGEREF_Toc453793763\h32HYPERLINK\l"_Toc453793764"5.1.2浓相段直径PAGEREF_Toc453793764\h33HYPERLINK\l"_Toc453793765"5.1.3浓相段高度PAGEREF_Toc453793765\h33HYPERLINK\l"_Toc453793766"5.1.4扩大段〔此处即稀相段〕直径PAGEREF_Toc453793766\h34HYPERLINK\l"_Toc453793767"5.1.5扩大段高度PAGEREF_Toc453793767\h34HYPERLINK\l"_Toc453793768"5.1.6浓相段冷却装置的换热面积PAGEREF_Toc453793768\h34HYPERLINK\l"_Toc453793769"5.1.7稀相段冷却装置的换热面积PAGEREF_Toc453793769\h35HYPERLINK\l"_Toc453793770"5.2空气饱和塔PAGEREF_Toc453793770\h35HYPERLINK\l"_Toc453793771"5.2.1运算依据PAGEREF_Toc453793771\h35HYPERLINK\l"_Toc453793772"5.2.2塔径的确定PAGEREF_Toc453793772\h36HYPERLINK\l"_Toc453793773"5.2.3填料高度PAGEREF_Toc453793773\h38HYPERLINK\l"_Toc453793774"5.3水吸取塔PAGEREF_Toc453793774\h38HYPERLINK\l"_Toc453793775"5.3.1运算依据PAGEREF_Toc453793775\h38HYPERLINK\l"_Toc453793776"5.3.2塔径的确定PAGEREF_Toc453793776\h39HYPERLINK\l"_Toc453793777"5.3.3填料高度PAGEREF_Toc453793777\h40HYPERLINK\l"_Toc453793778"5.4丙烯蒸发器PAGEREF_Toc453793778\h42HYPERLINK\l"_Toc453793779"5.4.1运算依据PAGEREF_Toc453793779\h42HYPERLINK\l"_Toc453793780"5.4.2丙烯蒸发器换热面积PAGEREF_Toc453793780\h42HYPERLINK\l"_Toc453793781"5.5循环冷却器PAGEREF_Toc453793781\h44HYPERLINK\l"_Toc453793782"5.5.1运算依据PAGEREF_Toc453793782\h44HYPERLINK\l"_Toc453793783"5.5.2运算换热面积PAGEREF_Toc453793783\h44HYPERLINK\l"_Toc453793784"5.6氨蒸发器PAGEREF_Toc453793784\h47HYPERLINK\l"_Toc453793785"5.6.1运算依据PAGEREF_Toc453793785\h47HYPERLINK\l"_Toc453793786"5.6.2运算换热面积PAGEREF_Toc453793786\h47HYPERLINK\l"_Toc453793787"5.7氨气过热器PAGEREF_Toc453793787\h48HYPERLINK\l"_Toc453793788"5.7.1运算依据PAGEREF_Toc453793788\h48HYPERLINK\l"_Toc453793789"5.7.2运算换热面积PAGEREF_Toc453793789\h48HYPERLINK\l"_Toc453793790"5.8丙烯过热器PAGEREF_Toc453793790\h49HYPERLINK\l"_Toc453793791"5.8.1运算依据PAGEREF_Toc453793791\h49HYPERLINK\l"_Toc453793792"5.8.2运算换热面积PAGEREF_Toc453793792\h49HYPERLINK\l"_Toc453793793"5.9空气加热器PAGEREF_Toc453793793\h50HYPERLINK\l"_Toc453793794"5.9.1运算依据PAGEREF_Toc453793794\h50HYPERLINK\l"_Toc453793795"5.9.2运算换热面积PAGEREF_Toc453793795\h50HYPERLINK\l"_Toc453793796"5.10循环液泵PAGEREF_Toc453793796\h52HYPERLINK\l"_Toc453793797"5.11空气压缩机PAGEREF_Toc453793797\h52HYPERLINK\l"_Toc453793798"5.12中和液贮槽PAGEREF_Toc453793798\h53HYPERLINK\l"_Toc453793799"第五部分课程设计心得PAGEREF_Toc453793799\h53HYPERLINK\l"_Toc453793800"第六部分附录PAGEREF_Toc453793800\h54HYPERLINK\l"_Toc453793801"6.1参考文献PAGEREF_Toc453793801\h54HYPERLINK\l"_Toc453793802"6.3附图PAGEREF_Toc453793802\h55年产3.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计摘要：本设计为年产3.5万吨丙烯腈的合成段工艺设计，在设计中采纳了丙烯氨氧化制丙烯腈法，此法能有效降低生产成本。该设计对丙烯腈的性质、应用、国内外进展、生产方法等进行了简单介绍。本设计的重点在于运算丙烯氨氧化生产丙烯腈过程中的物料衡算、热量衡算和要紧设备的工艺运算。通过设计运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专门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Acrylonitrile〔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，有专门气味；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。丙烯腈在室内承诺浓度为0.002mg/L，在空中的爆炸极限为3.05~17.5%〔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℃，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。丙烯腈的要紧物理性质见表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丙烯腈的要紧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-120.92±0.038.7℃时6.67相对密度(d426)0.0806蒸发潜热(0~77℃)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℃)72kJ/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〕，其化学性质专门爽朗，能够发生加成、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，因此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能够制得已二腈。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，能够水合制取丙烯酰胺。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。丙烯腈要紧用来生产ABS树脂，丙烯酰胺、丙烯酸纤维、己二腈和苯乙烯-己二腈树脂等，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丙烯腈的生产技术的进展1.2.1国外的进展情形自1960年Sohio公司成功地开发了丙烯氨氧化制丙烯腈工艺以来，其他合成方法均遭剔除，丙烯氨氧化工艺成为当代工业生产丙烯腈的唯独技术。Sohio丙烯腈工艺日趋完善，催化剂的改进已成为提高丙烯腈收率的要紧因素。西欧有2个工厂曾采纳由Distillers Ugine开发的固定床丙烯氨氧化制丙烯腈的工艺，于1990年关闭，墨西哥的1个工厂于1993年关闭，在东欧的少数工厂也连续停工。至今，全世界的丙烯腈生产几乎都采纳流化床丙烯氨氧化工艺，即在多组分固体粉末催化剂作用下，丙烯和氨气、空气在流化床中发生氨氧化反应，生成丙烯腈，并副产乙腈和氢氰酸等。BP公司(已收购Sohio公司)拥有丙烯腈生产装置所采纳的Sohio工艺，其他专利许可公司还包括日本旭化成公司、日东公司、Solutia公司和中国石油化工集团(简称中国石化)。关于目前正在开发的丙烯腈工艺，值得紧密关注的是直截了当以丙烷为原料的合成丙烯腈工艺。〔1〕装置规模向大型化进展 近年来国外丙烯腈装置总的进展趋势是向大型化进展。一些原设计能力为7万吨/年的生产装置通过排除〝瓶颈〞制约，扩大了生产能力，有的达到9万吨/年，有的甚至超过13万吨/年。另外一些新建或预备建设的丙烯腈装置的规模多数为13万吨/年，甚至达25～35万吨/年。由于装置规模的大型化，每万吨丙烯腈的建设投资大幅度下降，装置运行中的能耗和物耗降低，使丙烯腈生产成本降低，给企业带来了明显的经济效益。 〔2〕新型催化剂的开发及应用 不断研究开发新一代催化剂是丙烯腈技术进展的又一趋势。催化剂是丙烯腈生产技术的关键所在，也是丙烯腈专利的核心。新型催化剂的开发及应用对丙烯腈工艺技术的进展和改进起着决定性的作用。几十年来世界上从事丙烯腈研究与开发的各公司都投入了大量的人力、物力和财力，致力于新型催化剂的研究开发工作，BP、旭化成、Monsanto、中国石油化工总公司等都推出了自己的一代又一代的新催化剂。这些新型催化剂不仅提高了丙烯腈的单程收率，而且提高了选择性，减少了副产物的生成。从催化剂的单程收率看，70年代为70%～75%；80年代达到80%；90年代超过了80%。高效新型催化剂的开发和应用为丙烯腈工艺的进展提供了坚实的技术基础，也是丙烯腈生产技术提高和进展的一个重要标志。1.2.2国内进展概况20世纪60年代以来，我国不断开发了丙烯氨氧化制丙烯腈技术，并建成多套千吨级规模装置。目前，中国石化已开发出了具有自主知识产权的丙烯腈成套技术，其中包括MB系列丙烯腈催化剂、空气分布板和丙烯-氨分布器、旋风分离器、复合萃取分离技术、负压脱氰塔、导向浮阀和气液分离器等专利或专有技术。同时利用该成套技术分别将中国石油化工股份齐鲁分公司的原产能2.5万吨/年丙烯腈生产装置改造成了具有自主知识产权的4万吨/年国产化示范装置；将中国石化上海石油化工股份(简称上海石化)的原产能6.0万吨/年丙烯腈装置改造至13万吨/年，打破了国外的技术垄断，为国内现有装置改扩建提供了技术依据。 我国人口众多，解决13亿人口的穿衣问题十分突出。因此，目前我国的丙烯腈要紧用于生产腈纶。从目前进展水平看，我国腈纶产量远远满足不了市场的需求。近3年来我国腈纶的年消耗量约在125～135万吨，尽管我国的腈纶生产能力已达到140万吨/年，而2005年丙烯腈的生产总量只有120万吨，只能满足腈纶生产能力需求的一半，其余需通过进口来解决。从技术进展看，用国内丙烯腈技术建设的工厂最大规模才达到1万吨/年，而迄今我国大型丙烯腈装置的技术差不多上从国外引进。引进一套5万吨/年的丙烯腈装置，仅专利许可和催化剂费用就高达1500万美元。因此，努力开发我国自己的丙烯腈成套技术，专门是采纳国内技术兴建大型的丙烯腈装置是摆在我们面前的一项艰巨的任务。我国丙烯腈技术的开发工作已有40多年的历史，丙烯腈生产也有30多年的体会。这些都为进展我国自己的丙烯腈技术打下了坚实的基础。专门是1983年中国石油化工总公司成立以来，总公司十分重视丙烯腈技术的开发，组织了一系列丙烯腈的重大技术攻关，取得了许多重大的工业化技术成果，专门是MB-82、MB-86催化剂、UL型流化床反应器、复合萃取精馏新工艺、负压脱氰技术等，均已在国内大型丙烯腈装置上应用成功，使我国的丙烯腈生产工艺在原有基础上，在关键性的工艺技术上有了重大改进，使我国的丙烯腈总体技术达到了国际水平。为了进展我国的丙烯腈工业，中国石油化工总公司组织上海石油化工研究院等单位采纳了我国自行开发成功的11项专利技术和专有技术，编制了中国石油化工总公司自己的5万吨/年丙烯腈装置的工艺包，命名为S-ANT。SANT所采纳的技术及可达到的能耗、物耗等各项指标都表达了它的先进性和可靠性，为我国丙烯腈工业的进展，为采纳国内技术建设自己的丙烯腈装置，奠定了坚实的基础。继1989年大庆石油化工总厂化纤厂采纳国产MB-86催化剂后，1992年5月淄博石油化工厂2.5万吨/年丙烯腈装置以及1994年9月大庆石油化工总厂化工二厂5万吨/年丙烯腈装置均采纳了国产的MB-86催化剂，获得了成功，为国产MB-86催化剂的进一步推广应用打开了新的局面。目前，正在运行的9套丙烯腈装置已有7套采纳了国产MB-82和MB-86催化剂，其余装置也将连续更换国产催化剂。国产催化剂因此能够比较普遍地被采纳，并逐步取代进口催化剂要紧缘故有两条:一是国产催化剂的性能质量与进口催化剂相当，甚至优于某些牌号的进口催化剂；二是国产催化剂在价格上比进口催化剂有较强的竞争力。因此在推广应用国产催化剂上还有许多工作要做，我们不仅要做好国产催化剂在国内市场的推广应用，而且要努力开拓国际市场，参与国际竞争。值得一提的是淄博石油化工厂在引进装置开车时，首装就采纳了国产MB-86催化剂，而且开车结果专门好。齐鲁石化公司、上海石化研究院以及清华大学、石油大学合作完成了〝丙烯腈主装置成套国产化技术开发与工业应用〞项目攻关。以MB-98丙烯腈催化剂、新型空气分布板和丙烯-氨分布器、PV型旋风分离器、复合萃取分离技术、负压脱氰塔、导向浮阀和新型气-液分离器等国内自行开发的专利或专有技术为基础，将原生产能力2.5万t/a的齐鲁丙烯腈装置改造成具有自主知识产权的4万t/a丙烯腈国产化示范装置，打破了国外的技术垄断。该装置投产以来，不仅生产能力扩大了60%以上，而且生产每吨丙烯腈的丙烯单耗降到了1.077t，产品精制回收率提高了4.2%，副产品乙腈回收率提高到97.21%，也为开发10万t/a以上丙烯腈成套技术和国内现有同类装置的改扩建提供了技术依据。目前，丙烯腈成套工业技术已在大庆石化、安庆石化、吉化公司、上海石化等4套丙烯腈装置上推广应用，取得了显著的经济效益。几年来，齐鲁石化丙烯腈装置平均每年新增利润4000万元，大庆石化、安庆石化等4家装置每年新增利润4100万元。据粗略运算，国产丙烯腈成套工业技术如在国内全面推广应用，估量年新增效益可达6亿元。1.3丙烯腈生产工艺研究进展目前，世界上先进的生产工艺以美国BP公司的Sohio法为代表，用此法生产的丙烯腈占总产量的90%。Sohio法工业化50多年来，已日趋成熟，工艺上差不多没有重大改变，研究的重点要紧在开发新型的催化剂，开展以节能、降耗为目标的工艺技术改造，提高工艺收率，减少三废，排除环境污染等方面。此外，由于丙烷比丙烯价格低廉，人们便研究丙烷氨氧化法生产丙烯腈。BP公司已将该法运行成功，并称该法的生产成本比丙烯法降低20%。随着环保要求的逐步严格，丙烯腈生产装置尾气难以通过高烟囱直截了当放空，需要焚烧炉焚烧等处理。中国石油大庆石化分公司研究院开发了流向变换催化燃烧技术治理丙烯腈尾气。在完成燃烧催化剂选择、评判基础上，利用先进的流向变换技术，处理丙烯腈尾气，尾气中的挥发性有机物去除率达98%以上，处理后的尾气可直截了当排放。该技术具有工艺可靠、方法简单、处理成效好等特点。上海石化院开发了适用于硫铵回收的提高丙烯腈精制回收率的第一代、第二代技术。通过急冷过程丙烯腈聚合动力学和扩散动力学的理论研究，以新型内构件改变急冷塔气、液流场分布、抑制丙烯腈的聚合反应，并在急冷塔下段补加水以操纵塔釜液中重组分浓度，将酸直截了当加入到塔釜中以操纵塔釜液pH值以及降低外循环喷淋液温度，从而有效降低了丙烯腈聚合缺失。该技术通过了千吨级、万吨级工业试验，丙烯腈精制回收率已从原先的90%提高到94%，可为丙烯腈生产企业增加可观的经济效益，3个月就可收回全部投资，已在我国丙烯腈生产装置上得到了全面推广应用。在此基础上，通过冷、热模研究和千吨级工业试验，研究了气液传热和流场分布，开发了丙烯腈急冷塔气相段新型内构件，并优化了急冷塔工艺参数，进一步提高了急冷塔的气液传热效率，增强了急冷成效，有效降低了急冷塔内丙烯腈在气相中的聚合缺失。万吨级工业试验结果说明，丙烯腈精制回收率达到了96.1%，且装置运行平稳，产品质量稳固，外排污水中聚合物总量减少。上海石化院成功地开发了提高丙烯腈精制回收率的第二代技术，有效地增产了丙烯腈产品，具有显著的经济效益和社会效益，为我国丙烯腈新建装置、老装置改造技术出口提供了有力的技术支撑。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要紧的副反应。〔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要紧的。CO2、CO和H2O能够由丙烯直截了当氧化得到,也能够由丙烯腈、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纳的催化剂要紧有两类,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(460～490℃),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因挥发缺失严峻,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催化剂活性专门好,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,使用几年后已不采纳。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1∶1(mol),X光衍射测试说明,催化剂的主体是FeSbO4,还有少量的Sb2O4。工业运转结果说明,丙烯腈收率达75%左右,副产乙腈生成量甚少,价格也比较廉价,添加V、Mo、W等可改善该催化剂的耐还原性。第二部分生产方案选择本次设计选用丙烯氨氧化法制丙烯腈，其优点如下：(1)丙烯是目前大量生产的石油化学工业的产品，氨是合成氨工业的产品，这两种原料均来源丰富且价格低廉。(2)工艺流程比较简单．经一步反应便可得到丙烯腈产物。(3)反应的副产物较少，副产物要紧是氢氰酸和乙腈，都能够回收利用，而且丙烯腈成品纯度较高。(4)丙烯氨氧化过程系放热反应，在热平稳上专门有利。(5)反应在常压或低压下进行，对设备无加压要求。(6)与其他生产方法如乙炔与氢氰酸合成法，环氧乙烷与氢氰酸合成法等比较，能够减少原料的配套设备(如乙炔发生装置和氰化氢合成装置)的建设投资。第三部分工艺流程设计液态丙烯和液态氨分别经丙烯蒸发器和氨蒸发器蒸发，然后分别在丙烯过热器和氨气过热器过热到需要的温度后进入混合器；经压缩后的空气先通过空气饱和塔增湿，再经空气加热器预热至一定温度进入混合器。混合器出口气体进入反应器，在反应器内进行丙烯的氨氧化反应。反应器出口的高温气体先经废热锅炉回收热量，气体冷却到230℃左右进入氨中和塔，在70～80℃下用硫酸吸取反应器出口气体中未反应的氨，氨中和塔塔底的含硫酸铵的酸液经循环冷却器除去吸取热后，返回塔顶循环使用。同时补充部分新奇酸液，并从塔釜排放一部分含硫酸铵的废液。氨中和塔出口气体经换热器冷却后进入水吸取塔，用5～10℃的水吸取丙烯腈和其他副产物，水吸取塔塔底得到含丙烯腈约1.8％的丙烯腈水溶液，经换热器与氨中和塔出口气体换热，温度升高后去精制工段。3.1丙烯腈工艺流程示意图液氨液态丙烯氨蒸发器丙烯蒸发器氨过热器丙烯过热器混合器压缩机空气饱和塔空气加热器反应器废热锅炉氨中和塔循环冷却器水吸取塔图13.2小时生产能力按年工作日300天，丙烯腈缺失率3%，设计裕量为6%，年产量为3.5万吨运算，那么每天每小时产量：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运算依据〔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表4-1反应后各产物的单程收率为：物质丙烯腈〔AN〕氰化氢乙腈〔CAN〕丙烯醛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360℃4.1.2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/hF=100.03kmol/h乙腈：丙烯醛：CO2：HCN：C3H8：N2：O2：C3H6：NH3：H2O：〔3〕：反应器物料平稳表表4-2反应器物料平稳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/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0000100.035307.363.597.28乙腈000017.51717.770.630.98氰化氢000032.51877.781.171.20丙烯醛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0~110℃、0~360℃、0~470℃的平均定压热容如下：表4-3各物质的平均定压比热容物质C3H6C3H8NH3O2N2H2OkJ/(kg·K)0~110℃1.8412.052.3010.9411.0461.8830~360℃2.6783.0132.6361.0041.0882.0080~470℃2.9293.3472.9391.0461.1092.092物质ANHCNACNACLCO2kJ/(kg·K)0~110℃0~360℃1.8741.6401.9331.9661.1300~470℃2.0291.7242.102.1721.213〔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假设如下热力学途径：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℃，浓相段出口混合气各物质25~t℃平均比热容用0~t℃的平均比热容代替，误差不大因此:假设热缺失取的5%，那么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℃饱和水焓：因此：〔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：热缺失取4%，那么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运算依据(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：表4-4塔顶喷淋液的组成组分ANACN氰醇ACL水合计%〔Wt〕0.0050.0080.00050.000299.986100(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/hN2：1442.54kmol/h，即40391.12kg/hH2O：500.16kmol/h，即9002.88kg/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/hN2：1442.54kmol/h，即40391.12kg/hH2O：500.16kmol/h，即9002.88kg/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空气饱和塔出口气体中，蒸汽的摩尔分数为：依照分压定律，蒸汽的实际分压为：饱和度为0.81，．因此饱和蒸汽分压应为：查饱和蒸汽表得到对应的饱和温度为90℃，因此，须操纵出塔气体温度为90℃．才能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℃〔3〕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①170℃进塔空气带入的热量Q1：170℃蒸汽焓值为2773.3kJ/kg，干空气在0~l70℃的平均比热容②出塔湿空气带出热量Q290℃蒸汽焓2660kJ/kg，空气比热容取③105℃入塔喷淋液带入热量Q3④求出塔热水温度t出塔热水带出热量:热缺失按5%者，那么热平稳方程Q1+Q3=Q2+Q4+Q损即12202135.11+70600063.93=28706172.92+639560.93t+4140069.95解得t=78.11℃故，出塔热水温度为78.11℃4.3氨中和塔物料衡算和热量衡算4.3.1运算依据〔1〕入塔气体流量和组成与反应器出口气体相同〔2〕在中和塔内全部氨被硫酸吸取，生成硫酸铵〔3〕新奇硫酸吸取剂的含量为93％(wt)〔4〕塔底出口液体(即循环液)的组成如下表4-5循环液组成组分水ANACNHCN硫酸硫酸铵合计%〔wt〕68.530.030.020.0160.530.90100〔5〕进塔气温度l80℃，出塔气温度76℃，新奇硫酸吸取剂温度30℃〔6〕塔顶压力0.122MPa，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4.3.2物料衡算〔1〕排出的废液量及其组成进塔气中含有425.17kg/h的氨，在塔内被硫酸吸取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〕，因此，排放的废液量为:排放的废液中各组分的量：H2O：AN：CAN：HCN：H2SO4：(NH4)2SO4：〔2〕需补充的新奇吸取剂〔93%的H2SO4〕的量为：〔3〕出塔气体中各组分的量C3H6：966.98kg/h=23.02kmol/hC3H8:1294.53kg/h=29.42kmol/hO2：2950.40kg/h=92.20kmol/hN2：40391.12kg/h=1442.54kmol/hAN：5307.36-0.12=5307.24kg/h=100.02kmol/hACN：717.77-0.08=717.69kg/h=17.50kmol/hACL：65.53kg/h=1.17kmol/hHCN：877.78-0.06=877.72kg/h=32.51kmol/hCO2：2640.84kg/h=60.02kmol/hH2O：17306.64+1346.45×0.07-3660.83=13740.06kg/h=763.34kmol/h4.3.3热量衡算〔1〕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，那么与出塔气体温度平稳的饱和蒸汽分压为：入塔喷淋液的硫酸铵含量为：表4-6硫酸铵上方的饱和蒸汽压：含量温度404550700.027960.027560.02716800.042520.04190.04129900.06290.061990.06109依照入塔喷淋液的硫酸铵含量和PH2O的值，内插得到出：塔气的温度为76.7℃〔2〕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70℃〔3〕塔釜排出液温度yH2O=0.3452入塔气水蒸汽分压：PH2O=yH2OP=0.3452×0.142=0.049MPa在釜液(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，用内插法从表中得到，饱和温度为83.53℃，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，80℃时．每100g水能溶解95.3g硫酸铵，而釜液的硫酸铵含量为()，因此釜液温度操纵81℃可不能有硫酸铵结晶析出。〔4〕热衡算求循环冷却器的热负荷和冷却水用量图3氨中和塔的热量衡算1—氨中和塔；2—循环冷却器作图的虚线方框列热平稳方程得Q1+Q3+Q4+Q5+Q6+Q8=Q2+Q7+Q9①入塔气体带入热入塔气体带入热量Q1=2.53×106kJ/h②出塔气体带出热表4-7各组分在0～76.7℃的平均比热容组分C3H6C3H802N2H2OANHCNACNACLCO21.7151.9660.94141.0461.8831.3471.3931.4061.3430.921Q2=(966.98×1.715+1294.53×1.966+2950.4×0.9414+40391.12×1.046+13740.06×1.883+1.347×5307.24+1.393×877.72+1.406×717.69+1.343×65.53+0.921×2640.84)×(76.7-0)=87003.38×76.7=6673159kJ/h③蒸汽在塔内冷凝放热蒸汽在塔内的冷凝量=进塔气体带入蒸汽-出口气带出蒸汽=17306.64-13740.06=3566.58kg/h蒸汽的冷凝热为2246.6kJ/kgQ3=3566.58×2246.6=8012678.63kJ/h④有机物冷凝放热AN的冷凝量1.60kg/h，其冷凝热为615kJ/kgACN的冷凝量1.07kg/h，其冷凝热为728kJ/kgHCN的冷凝量0.85kg/h，其冷凝热为878.6kJ/kgQ4=1.6×615+1.07×728+0.85×878.6=2509.77kg/h⑤氨中和放热每生成1mol硫酸铵放热273.8kJ⑥硫酸稀开释热硫酸的稀释热为749kJ/kgQ6=0.93×1346.45×749=937896.68kJ/h⑦塔釜排放的废液带出热量塔釜排放的废液中，H2O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)=1430357.85kJ/h⑧新奇吸取剂带入热的比热容为Q8=1346.45×1.603×(30-0)=64750.78kJ/h⑨循环冷却器热负荷因操作温度不高，忽略热缺失把有关数据代入热平稳方程解得：⑩循环冷却器的冷却水用量设循环冷却器循环水上水