5000a丙烯腈合成工段的课程设计.doc

1、前言课程设计是培养学生运用理论知识进行实际设计能力的重要实践教学环节，是理论与实际结合的重要连接点。在教师指导下，课程设计可以培养我们独立思考，运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决工程实际问题的能力。本次化工设计课程设计所设计的内容为5000t/a丙烯腈合成工段的工艺设计。本设计主要包括以下内容：(1)前言； (2)目录； (3)设计任务； (4)生产方法及反应原理； (5) 物料衡算和热量衡算；（6）主要设备的工艺计算（反应器）；（7）设计结果汇总(8)鸣谢；(9)参考文献； 通过认真悉听老师课堂上讲解和任务布置，我们了解到了为完成本设计需要查找资料的方向，并进行了细心

2、的查阅，掌握了基本的理论知识。对于刚进行设计的人来说，学会收集、理解、熟悉和使用各种资料，正是设计课程需要培养的重要方面，化工设计非常强调标准规范。但是并不是限制设计的创造和发展，因此遇到与设计要求有矛盾时，经过必要的手续可以放弃标准而服从设计要求。通过设计应知道如何查取数据知道如何查找资料对丙烯腈合成工段的工艺设计有了一个全新的认识，知道如何选取相关参数，建立一个工程概念，知道工程和理论的区别。对于物料衡算和热量衡算、主要设备的工艺计算（反应器）等都有一个全新的认识和了解，知道如何使用手册和资料，认识工程。目录第一章 设计任务11.1设计任务1第2章 生产方法及反应原理12.1、丙烯腈的基本

3、性质及用途12.2丙烯腈的制取方法22.3 丙烯氨氧化法生产丙烯腈的原理2第3章 本设计的生产工艺流程示意图4第4章 物料衡算和热量衡算54.1 设计依据54.2 反应器的物料衡算54.2.1计算依据54.2.2物料衡算54.2.3 反应器物料平衡表64.3 反应器热量衡算7第5章 主要设备的工艺计算（反应器）95.1计算依据95.2主要设备的工艺参数的确定95.2.1 浓相段直径计算95.2.2 浓相段高度105.2.3 扩大段直径105.2.4 扩大段高度115.2.5 浓相段冷却装置的换热面积115.2.6 稀相段冷却装置的换热面积11第6章 设计结果汇总126.1 工艺设备一览表126

4、.2 原料消耗综合表166.3 能量消耗综合表176.4 排出物综合表186.5 工艺流程图19鸣谢20参考文献21化工设计课程设计第一章 设计任务1.1设计任务(1)设计项目名称：丙烯腈合成工段(2)生产方法： 以丙烯、氨、空气为原料，用丙烯氨氧化法合成丙烯腈(3)生产能力： 年产5000t丙烯腈(4)原料组成 ： 液态丙烯原料含丙烯85（mol)，丙烷15(mol)；液态氨原料含氨100。(5)工段产品为丙烯腈水溶液，含丙烯腈约1.8(wt) 第2章 生产方法及反应原理 2.1、丙烯腈的基本性质及用途丙烯腈是一种无色的有辛辣气味液体，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

5、燃烧，并放出有毒气体。与氧化剂、强酸、强碱、胺类、溴反应剧烈。在火场高温下，能发生聚合放热，使容器破裂。丙烯腈是合成纤维，合成橡胶和合成树脂的重要单体。由丙烯腈制得聚丙烯腈纤维即腈纶，其性能极似羊毛，因此也叫合成羊毛。丙烯腈与丁二烯共聚可制得丁腈橡胶，具有良好的耐油性，耐寒性，耐磨性和电绝缘性能，并且在大多数化学溶剂中，阳光和热作用下，性能比较稳定。丙烯腈与丁二烯、苯乙烯共聚制得ABS树脂，具有质轻、耐寒、抗冲击性能较好等优点。丙烯腈水解可制得丙烯酰胺和丙烯酸及其酯类。它们是重要的有机化工原料，丙烯腈还可电解加氢偶联制得己二腈，由己二腈加氢又可制得己二胺，己二胺是尼龙66原料。可制造抗水剂和胶

6、粘剂等，也用于其他有机合成和医药工业中，并用作谷类熏蒸剂等。此外，该品也是一种非质子型极性溶剂、作为油田泥浆助剂PAC142原料。丙烯腈是合成纤维，合成橡胶和合成树脂的重要单体，也是杀虫剂虫满腈的中间体。综上所述，丙烯腈在现代工业生产中有着重要作用。2.2丙烯腈的制取方法丙烯腈的生产方法有氰乙醇法、乙炔法和乙醛-氢氰酸法、丙烯氨化氧化法。其中氰乙醇法已淘汰，乙炔法仅少数国家沿用。氰乙醇法 环氧乙烷和氢氰酸在水和三甲胺的存在下反应得氰乙醇。然后以碳酸镁为催化剂，于200280脱水制得丙烯腈，收率约75。此法虽能制得高纯度丙烯腈，但氢氰酸毒性大，成本也较高。乙炔法 乙炔和氢氰酸在氯化亚酮-氯化钾-

7、氯化钠稀盐酸溶液的催化作用下，在8090反应得丙烯腈：C2H2+HCNCH2CHCN此法生产简单，收率良好，以氢氰酸计可达97，但副反应多，产物精制较难，毒性也大，且原料乙炔价格高于丙烯，在技术经济上落后于丙烯氨化氧化法。3.乙醛-氢氰酸法乙醛已能由乙烯大量廉价制得，生产成本比上述两法低，按理应有发展前途，但也因丙烯氨氧化法的工业化，本法在发展初期就夭折了。 丙烯氨化氧化法 丙烯氨化氧化的反应为： 丙烯氨氧化法制丙烯腈是1960年由美国索亥俄(Sohio)公司首创并工业化的，现已成为合成丙烯腈的主要方法，丙烯腈的其他生产方法则已相继被淘汰。丙烯氨氧化法的优点如下。 (1)丙烯是目前大量生产的石

8、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 (3)反应的副产物较少品纯度较高。经一步反应便可得到丙梯脯产物。副产物主要是氢氰酸和乙膀，都可以回收利用(4)丙烯氨氧化过程系放热反应，在热平伤上很有利。(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配合成法，环氧乙烷与氢氰酸合成法等比较，可以减少原料的配套设备(如乙炔发生装置和氰化氢合成装罩)的建设投资。2.3 丙烯氨氧化法生产丙烯腈的原理 主反应：该反应的反应热为 H298=512.5KJ/mol 丙烯、氨、氧在一定条件下发生反应，除生成丙烯腈外，尚有多种副产

9、物生成。副反应： 氢氰酸的生成量约占丙烯腈质量的1/6.CH2=CHCH3 +NH3 +O2 CH3CN + 3H2O 乙腈的生成量约占丙烯腈质量的1/7.CH2=CHCH3 + O2 CH2=CHCHO + H2O 丙烯醛的生成量约占丙烯腈质量的1/100CH2=CHCH3 + O2 3CO2 + 3H2O 2副产物二氧化碳的生成量约占丙烯腈质量的1/4、产量最大的副产物。上述副反应都是强放热反应，尤其是深度氧化反应。在反应过中，副产物的生成，必然降低目的产物的收率。这不仅浪费了原料，而且使产物组成复杂化，给分离和精制带来困难，并影响产品质量。为了减少副反应，提高目的产物收率，除考虑工艺流程

10、合理和设备强化外，关键在于选择适宜的催化剂，所采用的催化剂必须使主反应具有较低活化能，这样可以使反应在较低温度下进行，使热力学上更有利的深度氧化等副反应，在动力学上受到抑制。3催化剂工业上用于丙烯氨氧化反应的催化剂主要有两大类，一类是复合酸的盐类(钼系)，如磷钼酸铋，磷钨酸铋等；另一类是重金属的氧化物或是几种金属氧化物的混合物(锑系)。第三章 本设计生产工艺流程示意图第3章 本设计的生产工艺流程示意图图31 丙烯腈合成工段生产工艺流程示意目第4章 物料衡算和热量衡算4.1 设计依据按年工作日300天,丙烯腈损失率3.1,设计裕量6计算丙烯腈小时产量为4.2 反应器的物料衡算4.2.1计算依据

11、丙烯腈产量 758.9kgh即14.32kmolh 原料组成(摩尔分数) :C3H6：85;C3H8：15;液态氨原料含氨100% 进反应器的原料配比(摩尔比)为 C3H6:NH3:02:H201:1.05:2.3:3 反应后各产物的单程收率为 表4-1 反应后各产物的单程收率物质丙烯腈氰化氢乙腈丙烯醛CO2摩尔收率0.0650.070.0070.120.6操作压力：进口0.203M Pa, 出口0.162M Pa反应器进口气体温度110，反应温度470出口气体温度360。4.2.2物料衡算反应器进口原料气中各组分的流量C3H6：14.32/0.6=23.86kmol/hC3H8: (23.8

12、6/0.85)0.15=4.21kmol/hNH3: 23.861.05=25.06kmol/hO2 : 23.862.3=54.89kmol/hH2O: 23.863=71.59Kmol/h N2: (54.89/0.21)0.79=206.48kmol/h 反应器出口混合气中各组分的流量丙烯腈 : 14.32kmol/h=758.9kg/h乙腈 ：(3/2)23.860.07=2.506kmol/h=102.7kg/h丙烯醛 ：23.860.007=0.167kmol/h=9.35kg/hCO2 : 23.86830.12=8.591kmol/hHCN : 23.86830.065=4.6

13、54kmol/hC3H8: 4.211kmol/h=185.3kg/hN2 : 206.5kmol/h=5781.5kmol/hO2 : 54.89-3/214.32-4.654-0.167-2.506-9/(32)8.591=13.20kmol/h=422.4kg/h丙烯: 23.86-1/34.654-0.167-2/32.506-14.32-1/38.591=3.293kmol/h=138.3kg/hNH3：25.06-14.32-2.506-4.654=3.58kmol/h=60.86kg/hH2O: 71.59+314.32+22.506+24.654+8.591+0.167=137

14、kmol/h=2475kg/h4.2.3 反应器物料平衡表 表4-2 反应器物料平衡表组分 流量和组成 反应器进口反应器出口kmol/hkg/h%(mol)%(wt)kmol/hkg/h%(mol)%(wt)C3H6 C3H8 NH3 O2 N2 H2O ANACNHCNACLCO223.864.2125.0654.89206.571.591002.3185.3425.971756.45781.51288.7000006.1811.0916.49014.2253.4818.54000009.601.7754.0816.8255.3812.34000003.2934.2113.5813.2020

15、6.5137.514.3222.5064.6540.1678.591138.3185.360.86422.45781.52475759102.7125.89.353780.8271.060.8983.31257.8234.493.5940.62891.1640.0422.1561.3251.7750.5834.04655.4023.717.2710.98431.2310.08913.622合计386.110440100100398.5104391001004.3 反应器热量衡算表4-3各物质0t的平均定压比热容如下：温度比热容物质C3H6C3H8NH3O2N2H2OANHCNACNACLCO2

16、CP/KJ/(kgK)0110 0360 04701.8412.052.3010.9411.0461.8832.6783.0132.6361.0041.0882.0081.8741.6401.9331.9661.1302.9293.3472.9391.0461.1092.0922.0291.7242.102.1721.213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：470，浓相段出口混合气110，反应器入口混合气 H H1 H325，反应器入口混合气25，浓相段出口混合气 H2注：H1为进料的温变热量；H2为反应热；H3为出口物的温变热量；各物质25t的平均比热容用0

17、t的平均比热容代替误差不大。因此： 若热损失取H的5%，则需由浓相段换热装置取出的热量（即换热装置的热负荷）为：浓相段换热装置生产0.405MPa的饱和蒸汽（饱和温度143），143饱和蒸汽焓：143饱和水焓：产生的蒸汽量.稀相段热衡算求稀相段换热器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0.405MPa的饱和蒸汽，产生的蒸汽量为： 图41 氨中和塔的热量横算 1氨中和塔 2冷却器第5章 主要设备的工艺计算（反应器）5.1计算依据A出口气体流量398.5Kmol/h，入口气体流

18、量386.1Kmol/h。B气体进口压力0.203MPa，出口压力0.163MPa。C反应温度470，气体离开稀相段的温度为360。D流化床内的换热装置以水为冷却剂，产生0.405MPa（143的饱和蒸汽）。E接触时间10s浓相段取空床线速0.6m/s膨胀比R=2催化剂堆密度640kg/m3扩大段（此处即稀相段）扩大段气速0.3m/s浓相段换热面积换热装置用套管式，总传热系数233W/(m2.K)设计裕量30%稀相段换热面积总传热系数取20W/(m2.K)5.2主要设备的工艺参数的确定5.2.1 浓相段直径计算因为反应过程总物质的量增加，所以按出口处计算塔径比较安全。出口处气体体积流量为：取空

19、床线速0.6m/s（参阅表6.42）浓相段直径为：取流化床浓相段直径为2.8m。5.2.2 浓相段高度按接触时间为10s计算，催化剂的堆体积应为：净床高 取浓相段高为12m。催化剂的堆密度为640kg/m3催化剂质量 所以 催化剂负荷为：试验装置的催化剂负荷可达到1.77mol/（hkg），本设计的值小于实验值，是可靠地。5.2.3 扩大段直径取扩大段气速为操作气速的一半，即 u=0.3m/s气体流量为： 扩大段直径为：故取扩大段直径为4m。5.2.4 扩大段高度根据流化床直径2.8m，空塔气速 0.6m/s，查图得故稀相段高度 取H2=6m5.2.5 浓相段冷却装置的换热面积换热装置用套管式

20、，总传热系数取233W/(m2K）换热装置的热负荷已由热衡算求出：换热面积为：取30%的设计裕量，则换热面积为40m2。5.2.6 稀相段冷却装置的换热面积用套管式换热装置，水为冷却剂，产生0.405MPa（143）蒸汽。总传热系数取20W/(m2K),换热装置热负荷为：又换热面积为：取30%设计裕量，则换热面积为130m2。第6章 设计结果汇总6.1 工艺设备一览表表6-1 工艺设备一览表序号设备位号 设备名称及规格设备图号、型号或标准图号单位数量材料单重总重备注123456789101R-1 合成反应器 流化床反应器.依箱胶直径800mm,高12000mm 稀相段直径4000mm,高600

21、0mm.浓相段内有换热面积为40的套管式换热装置，稀相段内有换热面积为130的套管换热装置 台12T-1空气饱和塔 填料塔.塔径1200mm，内装50x50X4.5的陶瓷拉西环11m.填料共分两层，两层填科间设液体分布再分布器台13T-2水吸收塔 填料塔。塔径1300mm.内装250Y型塑料孔板波纹填料7m 台14T-3 氨中和塔 穿流板塔.塔径1800mm,塔饭数20,板间距440mm,塔板孔径8mm,孔数6220台15E-1 废热锅炉 壳管式，内有230根2X3.5mm、长6m的冷却管，总换热西积150m2,管外为水的蒸发空间.产生0.4O5MPa的饱和蒸汽台16E-2丙烯蒸发器 圆筒式，

22、内有38X2.5的U型钢管, 内走冷冻盐水，管外是丙烯蒸发空间，换热面积36台17E-3丙烯过热器 浮头式换热器，壳体直径426mm.内有2.5X2.5mm、长4.5m的换热管74根，换热面积25.6m2 。双管程，单壳层 BFT426台18E-4 氨蒸发器 圆筒式，内有换热蛇管，管内走加热蒸汽，管外为液氨蒸发空间。换热面积2.Om2台19E-5 氨气过热器 浮头式热交换器，壳体直径325mm.内有价19X2mm、长3m的换热管60根。换热面积10.5m2.双管程、单壳程 BFT325台110E-6 空气加热器 浮头式换热器。壳体直径700mm.内有25X2.5mm、长3m的抉热管268根，换

23、热面积80.4m2，双壳层、单壳程BFT700台111E-7 循环冷却器 列管式石墨换热器，壳体直径900mm，内有内径22mm、长3m的衣换热管417根，换热面积105m2GH90-105 1台1石墨12E-8换热器 浮头式换热器.壳体直径1000mm,内有25X2.5mm、长4.5m的换热器甘606根.换热面积206.6m2，双管程.单壳程AFT1000台1不锈钢13E-9吸收水第一冷却器 螺旋板换热器，外径1600mm,板1.2m，板厚4mm,通过间距14mm.换热面积123. 7m2，公称压力1.OMPaJB/T4723-92台1不锈钢14E-10吸收水第二冷却器 规格、型号与吸收水第

24、一冷却器相同JB/T4723-92台1不锈钢15E-11吸收水第三冷却器 规格、型号与吸收水第一冷却器相同JB/T4723-92台1不锈钢16B-1循环液泵 耐腐蚀离心泵.流量5Om3/h,扬程30m、电机功率7.5kw80FVZ-30台317C-1空气压缩机活塞式空气压缩机，排气量55m2/Min，排气压力0.35MPa.电机功率250kw5L-55/3.5台418V-1 中和液贮槽 卧式椭圆封头容器.工作压0.25MPa.公称容积6m3，直径1600mm.长2600mJB1428-74119V-2空气饱和塔釜液槽卧式椭圆封头容器.工作压力0.25MPa，公称容积6m3,直径1600mm,长

25、2600mm JB1428-74台120V-3混合器 立式椭圆封头容器，工作压0.25MPa.公称容积6m3,宜径1600mm,高2600mmJB1426-74台1管口按工艺条件修改6.2 原料消耗综合表表6-2 原料消耗综合表序号物料名称成分单位每吨产品的消耗量100%每吨产品的消耗量工业纯度每小时消耗量工业纯度每昼夜消耗量工业纯度每年消耗量工业纯度1234567891丙烯85%t1.331.5651.18828.585502氨100%t0.56130.56130.42610.2230673硫酸93%t0.23610.25390.19274.6251387.44原料水100%t9.5159.

26、5157.221173.3519916.3 能量消耗综合表(1) 0.405MPa蒸汽产生量a.浓相段换热装皿 3953kg/hb.稀相段换热装里 879kg/hc.废热锅护 1217kg/h(2) 0.405MPa加热蒸汽消耗量a.丙烯过热器 71. 6kg/hb.氮燕发器 280kg/hc.氮过热器 35kg/h(3) 0.608MPa加热蒸汽消耗量空气加热器 288kg/h(4)循环水用皿a.循环冷却器 188. 65t/hb.吸收水第一冷却器 214. 88t/hc.空气压缩机冷却水 9. 6t/h(5)深井水吸收水第二冷却器 196. 2t/h(6)冷冻盐水 a. 0。0C冷冻盐水

27、76.122t/h(丙烯蒸发器用) b. -51。0C冷冻盐水，94.566t/h(吸收水第三冷却器用)由上面所列数据可以得到加热蒸汽、循环水、深井水和冷冻盐水的用量的计算值，再在深井水、循环水和加热蒸汽量的计算值乘以1.3的安全系数，冷冻盐水用量按计算值乘以1.2的安全系效，就得到能量消耗综合表。往意表中第7栏是工段产生的蒸汽,而非消耗量。表 6-3 消耗综合表序号名称单位规格每吨产品的消耗量每小时的消耗量每昼夜的消耗量每年的消耗量备注1234567深井水循环水加热蒸汽加热蒸汽冷冻盐水冷冻盐水产生蒸汽量ttttttt0.405MPa0.608MPa050.405MPa3366920.6590

28、.501118.6151.56.052555250.50.38901156.05612012600129.1221602760145.21836000378000036002736648000828000435606.4 排出物综合表表6-4 排出物综合表序号名称特性和成分单位每吨产品排出量每小时排出量每年排出量备注123中和塔废液水吸收塔尾气空气饱和塔塔底排污其中含AN 0.03%(质量分数，下同)ACN 0.153%HCN 0.5%(NH4)SO4 30.9%H2O 68.53%温度 81其中含C3H6 1.38%(质量分数，下同)C2H6 1.764%O2 5.53%N2 86.52%C

29、O2 1.212%水蒸气 3.599%温度 10其中含AN 0.00525%(质量分数，下同)AN 0.0084%氰醇 0.00053%ACL 0.00021%H2O 99.985%温度 79tm3(STP)t1008704611.20.764653478.555053.85107612006.5 工艺流程图 1:空气饱和塔;2:氨蒸发器;3:氨过热器;4:丙烯蒸发器;5:丙烯过热器;6:空气加热器7:混合器;8:合成反应器;9:废热锅炉;10:锅炉给水器;11:氨中和塔;12:循环泠却器;13:中和液贮槽;14:中和液循环泵;15:换热器;16:水吸收塔;17:吸收水第一泠却器;18:吸收水

30、第二泠却器;19:吸收水第三泠却器;20:空气饱和塔釜液槽;21:吸收水泵鸣谢本次课程设计得到化工设计授课老师丰老师的亲自指导，在其亲自指导下本人的设计任务顺利完成！由于其细心、耐心、负责的指导下，本人化工设计设计过程中有问题能够得到准确解决，建立了很好的工程概念，对于设计手册能够较好的查阅，对相关参数选择有一定工程基础！总而言之，本次课程设计收获很大！在此衷心感谢丰老师的认真指导！谢谢！参考文献1化工设计概论，侯文顺主编，北京：化学工业出版社，2005年2化工工艺设计，丁浩主编，上海：上海科学技术出版社，1989年3化工工艺设计手册，上海医药设计院主编，北京：化学工业出版社，1981年4化工设计概论，胡庆福主编，北京：科学技术出版社，1989年5化工工艺设计概论，李崇岳主编，天津：天津大学出版社，1994年 .23