年产3.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计

年产3.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计年级2013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2016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，50%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10设计图纸，40%图纸规范标注清晰方案流程图10评阅教师签名工艺物料流程图10带控制点的工艺流程图20平时成绩，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.丙烯腈损失率：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.主要设备的工艺设计计算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）制带控制点的工艺流程图（CAD或手绘，A3图纸）；5.编写设计说明书工作量1.设计计算：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、热量衡算及主要设备的工艺设计计算第二周：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有限公司编，化学工业出版社，2009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，英文名Acrylonifrile（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，有特殊气味；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。丙烯腈在室内允许浓度为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。丙烯腈的主要物理性质见表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丙烯腈的主要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），其化学性质非常活泼，可以发生加成、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，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。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-己二睛树脂等，目前国内供不应求，每年需大量进口来满足市场需求，2000年进口量超过150kt。1.2丙烯腈的生产状况1.2.1世界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。全世界1999年丙烯腈总生产能力为，523.3万t(见表1-3)。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66.9％。1999年世界丙烯腈需求量为480万t，产量470万t。预计到2000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。其中用于腈纶的消费量为275万t，用于ABS、AS为126万t，其它106万t(见表1-4)。今年台塑公司4月和年末各有10万t/a装置投产、美国Solutia公司8月25万t/a装置建成，还会增加45万t生产能力。2000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1-31999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产能力美国164.2土耳其9.0德国44巴西9.0意大利19南非7.5荷兰18.5印度3.0西班牙11.5罗马尼亚8.0英国28.0保加利亚4.5墨西哥16.5日本71.8韩国37俄罗斯24中国(总计)38.8中国台湾省18.0合计532.3表1-4世界丙烯腈消费结构(万t)年份19951996199719982000生产能力463508533545585产量415437451469507消费量415437451469507腈纶231244251260275ABS/AS100107110115126其它84869094106开工率(％)90868586871.2.2国内生产概况我国内烯腈生产起步于1968年。八十年代开始，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59.3万t。正在计划建设的生产装置有上海石化公司25万t／a，金陵石化公司6.6万t／a。另外，有不少装置也准备将其生产能力扩大。到2000年，我国丙烯腈总生产能力可达80多万t，其中中国大陆丙烯腈生产能力可达42万～45万t/a，台湾省丙烯脂生产能力为38万t/a。这样，我国2000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1-5。表1-5我国丙烯腈生产能力(万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5BP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6BP技术齐鲁石化公司丙烯腈厂4BP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5BP技术计划扩展7吉化公司化肥厂6.6BP技术安庆石化公司腈纶厂5BP技术台湾CPDC公司18BP技术合计59.31.3我国丙烯腈发展方向1.4丙烯氨氧化的原理1.4.1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:OHCHCNCHONHCHCHCH222323323molkJH/5.512与此同时,（1）生成乙腈(ACN)：OHCNCHONHCHCHCH2323233232323molkJH/3.362（2）生成氢氰酸(HCN)OHHCNONHCHCHCH223236333molkJH/5.315（3）OHCHCHOCHOCHCHCH22223molkJH/1.353(4)OHCOOCHCHCH222233329molkJH/641上述副反应中,生成乙腈和氢氰酸的反应是主要的。CO2、CO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。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用的催化剂主要有两类,即Mo系和Sb系催化剂。（1）MoP-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10年就被C-21、C-41等代替。（2）SbSb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催化剂活性很好,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,使用几年后已不采用。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光衍射测试表明,催化剂的主体是FeSbO4,还有少量的Sb2O4。工业运转结果表明,丙烯腈收率达75%左右,副产乙腈生成量甚少,价格也比较便宜,添加V、Mo、W等可改善该催化剂的耐还原性。1.4.3丙烯氨氧化生成丙烯腈的反应机理,目前主要有两种观点。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3.2小时生产能力按年工作日300天，丙烯腈损失率3%，设计裕量为6%，年产量为3.5万吨计算，则每天每小时产量：hkg/36.53072430003.106.1100035000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计算依据（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反应后各产物的单程收率为：物质丙烯腈（AN）氰化氢（HCN）乙腈（CAN）丙烯醛（ACL）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C3H6:7002.1kg/h=/h166.72kmol=100.03/0.6C3H8：hkghkmol/53.1294/42.2915.085.072.166NH3：hkghkmol/95.2975/06.17505.172.166O2：hkghkmol/59.12270/46.3833.272.166H2O：hkghkmol/88.9002/16.500372.166N2：hkghkmol/12.40391/54.144279.021.046.383（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：hkghkmol/77.7