5000吨丙烯腈设计说明书分解.docx
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5000吨丙烯腈设计说明书分解
©安鼠理工大嚳
ANHUIUNIVERSITYOFSCIKNCE&TECHNOLOGY
5000t/a丙烯腈合成工段的课程设计
5000T/AACRYLONITRILESYNTHESISSECTIONOFTHE
COURSEDESIDN
学院（部）
化学工程学院
专业班级:
化工13-3
学生姓名:
王庆松
指导教师:
-H-
云
2016
年5月16日
5000t/a丙烯腈合成工段的课程设计
摘要
丙烯在引发剂（过氧甲酰）作用下可聚合成一线型高分子化合物一聚丙烯腈。
聚丙烯制成的腈纶质地柔软，类似羊毛俗称人造羊毛，它强度高，比重轻、保温性好、耐日光、耐酸和耐大多数溶剂。
丙烯腈与丁二烯共聚生产的丁腈橡胶具有良好的耐油、耐寒、耐溶剂等性能是现代工业最重要的橡胶、应用广泛。
关键词：
丙烯腈，强度，广泛，重要
5000t/a丙烯腈合成工段的课程设计
摘要.
1.绪论
2.物料衡算与热量衡算
2.1发生的主反应和副反应.
2.2生产工艺流程.
2.3物料衡算.
5.设计结果汇总
5.1
工艺设备一览表
16
5.2
原料消耗综合表
21
5.3
能量消耗综合表
21
5.4
排出物综合表
23
6.环境保护和安全措施要求
24
6.1安全防护措施.
24
参考文献.
28
致谢.
29
1.绪论
1.1引言
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
PAC142原料。
水剂和胶粘剂等，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。
1.2设计任务
年产5000t/a丙烯腈合成段设计（aspen模拟）
按工作日300天，丙烯腈损失率3.1%，设计裕量6%计算丙烯腈小时生产量原料组成：
（摩尔分数）含C3H385%、C3h815%
进反应器的原料配比（摩尔比）为QH3：
Ch8：
02=1:
1.05:
2.3
反应后各产物单程收率见下表:
物质
丙烯腈（AN）
氰化氢（HCN
乙腈（ACN
丙烯醛（ACL）
CQ
摩尔收率
0.6
0.065
0.7
0.007
0.12
操作压力0.203MPa，出口压力0.162MPa，反应器进口温度110C，反应温度450C，气体出口温度350C。
其他设计参数查相关手册。
1.3丙烯腈的物理性质
3
丙烯腈在常温常压下是无色液体，熔点—82r、密度0.80g/m、沸点77.3C。
味甜具有刺激性的微臭味、有毒。
室内允许浓度为0.002mg/L,爆炸极限为3.05%—17.5%。
能溶于许多有机溶剂中，与水部分互溶。
丙烯腈可与苯、四氯化碳、甲醇形成二元共沸物能与水形成最低共沸物。
1.4丙烯腈的化学性质
（过氧甲酰）作聚丙烯制成的腈纶质地柔软，类似羊毛耐日光、耐酸和耐大多数溶剂。
丙烯腈耐寒、耐溶剂等性能是现代工业最重要
丙烯腈：
化学式CH2=CHCr含有双键和氰基其化学性质活泼，易聚合.也易与其他发生加成反应。
是三大合成材料一合成纤维、合成橡胶、塑料的基本且重要的原料。
是用来生产聚丙烯纤维（即合成纤维腈纶）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）、苯乙烯塑料和丙烯酰胺。
其用途分配：
合成纤维约占40%^60%树脂和橡胶约占15%^28%此外还有丙烯酰胺等有机产品。
另外丙烯腈可制得丙烯酸酯等。
丙烯在引发剂用下可聚合成一线型高分子化合物一聚丙烯腈。
俗称人造羊毛，它强度高，比重轻、保温性好、与丁二烯共聚生产的丁腈橡胶具有良好的耐油、的橡胶、应用广泛。
1.5丙烯腈的制取方法
乙炔法仅少数国家沿用。
“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，
①氰乙醇法
酸镁为催化剂，于
烯腈，但氢氰酸毒性大，成本也较高。
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
200〜280r脱水制得丙烯腈，收率约75%。
此法虽能制得高纯度丙
②乙炔法乙炔和氢氰酸在氯化亚酮-氯化钾-氯化钠稀盐酸溶液的催化作用下，
在80〜90r反应得丙烯腈：
C2h2+HCN-—CH=CHCN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
CH3CH0+HCN==CHCHOH—CH2=CHCN
2
④丙烯氨化氧化法丙烯氨化氧化的反应为：
2QH3+2NH+3Of2CH2=CHCI+6H2O
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。
工艺流程比较简单，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，都可以回收利用。
1.6丙烯腈的发展简史及展望
第二次世界大战前夕，发现丙烯腈的共聚物可极大改善合成橡胶的耐油和耐溶剂性，丙腈烯因而开始受到重视。
战争期间，德国开发了环氧乙烷和氢氰酸合成丙烯腈的氰乙醇法工艺。
后来，德国法本公司又开发了乙炔和氢氰酸直接合成丙烯腈的乙炔法。
在1960
年以前，此法是丙烯腈的主要生产方法。
其后，丙烯腈在合成纤维、树脂等方面的新应用，又促进了丙烯腈新生产方法的研究及其产量激增。
1960年，美国俄亥俄标准油公司
采用流化床反应器开发丙烯氨化氧化一步合成丙烯腈工艺并投入工业生产，引起丙烯腈
生产工艺的巨大变革。
1983年，世界丙烯腈年产量已达3Mt，几乎全部采用丙烯氨化氧化法生产。
目前全球95%^上的装置采用BP公司开发的丙烯氨氧化法技术，催化剂是丙烯腈合成的关键，用MOBi、CO等数十种金属混合氧化物，反应温度为35°C，丙烯转化率达到96.4%，丙烯腈转化率为80.2%。
近年来丙烷氨化氧化法生产丙烯腈的研究已经取得了长足性的进展，现处于中试阶段，就一方面由于价格的因素，丙烷的价格比丙烯低的多，但另一方面也为惰性的丙烷开拓新的领域，就目前的技术水平看，投资大、转化率低、选择性不高等多方面弱点,所以在目前还不能和丙烯氨化氧化法相媲美，所以丙烯氨化氧化法至今经久不衰。
1.7市场分析
我国丙烯腈主要用作腈纶，2000年我国丙烯腈产量约为400kt,消费量约为550kt，消费结构与腈纶占85%ABS/AS勺占7%丙烯酰胺约占3%其他为5%,由于国内供应不足，国内近期有多家企业计划扩建丙烯腈装置。
近十年来我国发展迅速，1988年产量为80.5kt，2000年约为400kt，年增长率约为14.3%,丙烯腈的生产与消费主要集中在美国，西欧，日本与工业发达国家和地区,他们生产能力约占全球生产能力的66.2%。
2.物料衡算与热量衡算
2.1发生的主反应和副反应
主要采用丙烯氨化氧化法。
生产上,
丙烯氨化氧化法：
反应的主要副产物为氢氰酸、乙腈和二氧化碳、水等。
原料气中丙烯、氨、空气之体积比为1：
（1〜1.2）:
（9.5〜11.5）。
原料气从底部通入流化床反应器，反应温度430〜450r、压力0.16〜0.18MPa（绝对压力），反应热用软水循环回收，发生高压蒸汽。
反应后气体经洗涤、吸收、精馏等可得到高纯度丙烯腈。
由于氢氰酸为剧毒物质，可就近与氢氧化钠溶液制成氰化钠，或与丙酮反应制成丙酮氰醇，用作合成甲基丙烯酸的原料。
乙腈提纯后，虽可用作选择性溶剂及中间体，但用量不大，因此许多工厂常常把它烧掉，此法原料便宜，成本低，目前已是丙烯腈最主要的生产方法。
主反应：
2C3H3+2NH+3QT2CH2=CHCN+6H
副反应:
生成氰化氢（HCN）C3H3+NH+3QT3HCN=6HO
生成丙烯醛（ACLC3H3+QTCH=CHCHO+HI
生成乙腈（ACN2C3H3+3NH+3Qt3CH3CN+6HO
生成CO和h2O2C3H3+9QT6CO+6HO
2.2生产工艺流程
液态丙烯和液态氨分别经丙烯蒸发器和氨蒸发器气化，然后分别在丙烯过热器和氨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后进入混合器。
混合器出口气体混合物进入反应器，在反应器内进行丙烯的氨氧化反应。
反应出口的高温气体先经过废热锅炉回收热量，气体冷却到
230r左右进入氨中和塔，在70—80C下用硫酸吸收反应器出口气体中未反应的氨，中
和塔塔底的含硫酸氨的酸经循环冷却器除去吸收热后，返回塔顶循环使用，同时补充部分新鲜酸液，并从塔釜排放一部分含硫酸氨的废液。
氨中和塔出口气体经换热器冷却后进水吸收塔，用5—10C的水吸收丙烯腈和其他副产物。
水吸收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。
2.3物料衡算
2QH3+2NH+3Q—2CH2=CHCN+6H
已知条件：
液态丙烯原料含丙烯85%，丙烷15%，液态氨原料含氨100%
丙烯腈损失率3.1%设计裕量6%
工段产品为丙烯腈水溶液，含丙烯腈约1.8%（wt）
丙烯腈的实际摩尔流量：
5000X1000X1.06咒1=14.32589kg/h
300咒24
所需丙烯量：
14.32-0.6=23.87kmol/h
所需丙烷的量:
所需氮气的量:
54.90咒空=206.53kmol/h
21
23.87-0.85咒0.15=4.21kmol/h
各物质0〜tC的平均定压比热容如下:
温度比热容
物质
C3H3
C3H8
NHb
Q
N2
H2O
AN
HCN
ACN
ACL
CQ
0~110C
1.841
2.05
2.3
0.94
1.04
1.88
01
1
6
3
CP/
2.678
3.01
2.6
1.00
1.08
2.00
1.87
1.64
1.93
1.96
1.13
[KJ/（kg
0~360
3
36
4
8
8
4
0
3
6
0
•K）]
C
2.929
3.34
2.9
1.04
1.10
2.09
2.02
1.72
2.10
2.17
1.21
7
39
6
9
2
9
4
2
3
0~470C
假设如下热力学途径:
△H
110r反应器入口混合气
470r,浓相段出口混合气
△Hl
r
△H3
1
25r,反应器入口混合气
△H,
25r，浓相段出口混合气
一P-一―卄
各物质25~tC的平均比热容用0〜tC的平均比热容代替误差不大。
因此:
也Hi=（10023%1.841+1853X2.05+4262301+1756恥0.941+57815
1.046+12887咒1.883咒（25T10=T.1331（fKJ/h
AH2=-（14.32^103%512.5+2.506^103%362.3+4.654沢103%315.1
+0.167<103>^35^V8.59MC^>^641^=-1.4731C7KJ/h
的3=（138.3x2.929+185.3x3.347+60.86咒2.929+4224x1.046+5781.5x1.109
+2475X2.092+759X2.092+102.7x2.10+125.8x1.724+9.35x2.172+378X1.21护（470—25）=6.98x106KJ/h
AH=阳1+也H2+阳3=-1.13^10^1.47^10^6.9^10"
=-8.883咒106kJ/h
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:
Q=（1-0.05r8.883106=8.43莎106kJ/h
浓相段换热装置生产0.405MPa的饱和蒸汽（饱和温度143C）
143C饱和水焓:
143C饱和蒸汽焓：
istea^2736kJ/kg
iH2。
=601.2kJ/kg
产生的蒸汽量二
27S-^^3953kg/h
稀相段热衡算求稀相段换热器的热负荷及产生蒸汽量
以0C气体为衡算基准，进入稀相段的气体带入热为:
Q,=（138.3^2.929+185加3.347+60.86^2.929+422.^1.046+5781.5天1.109
+2475咒2.029+102.7X2.1+125.8X1.724+9.35咒2.172+378X1.213）
咒（470-0）=7.372x106kJ/h
离开稀相段的气体带出热为:
Q2=（138.3X2.678+185.3X3.013+60.86咒2.636+422.4X1.004+5781.5X1.088
+2475X2.008+759咒1.874+102.7咒1.933+125.8咒1.64+9.3^1.966+378
x1.130）x（360-0）=5.417"06kJ/h
热损失取4%则稀相段换热装置的热负荷为:
Q=（1-0.04）%（Q1-Q2）
=（1-0.04）咒（7.372咒106-5.417天106）=1.877r06kJ/h
稀相段换热装置产生0.405MPa的饱和蒸汽，产生的蒸汽量为:
1.877X106
G==879kg/h
2736-601.2
3.丙烯腈合成工段生产工艺流程图和物料流程图
自晤
来取
0
QEK
At
U
0
4.主要设备的工艺计算
4.1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。
273+4700.10133
出口处气体体积流量为：
V=398.5XX=12123m3/s
2730.162
=3.60m3/s
取空床线速0.6m/s
浓相段直径为:
3.368
V0.785咒0.6
取流化床浓相段直径为2.8m。
-2.67m
4.2浓相段高度
按接触时间为10s计算，催化剂的堆体积应为:
W=33.68X640=21555kg=21.56t
Vr=3.368r0=33.68m3
净床高H0=33.68/0.785咒2.82=5.47m
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：
23.861000
21555
=1.107mol/（hkg）
试验装置的催化剂负荷可达到1.77mol/
（h・kg），本设计的值小于实验值，是可靠地。
4.3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：
V=398.^22.^27^36^0.1013
273
0.162=12942m3/h
扩大段直径为:
故取扩大段直径为
‘3.60Cn.
d=J=3.91m
V0.785X0.3
4m
4.4扩大段高度
根据流化床直径2.8m，空塔气速0.6m/s，查图得H2/D=2
故稀相段高度H2=2D=2%2.8=5.6m
取H2=6m
4.5浓相段冷却装置的换热面积
换热装置用套管式，总传热系数取233W/（m2-K
Q=8.439r06kJ/h=2.344^106J/s
换热装置的热负荷已由热衡算求出：
换热面积为:
2.344106
F233^（470-143）30'8m
取30%勺设计裕量，则换热面积为4om。
4.6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（143C）蒸汽。
总传热系数取20W/（m•K）,换热装置热负荷为:
Q=1.877106kJ/h=5.214105J/s
=267C
（470-143）-（360-143）
.470-143
In
360-143
换热面积为:
5.214沢10
20X267
2
97.64m
取30%设计裕量,
则换热面积为130吊。
5.设计结果汇总
5.1工艺设备一览表
序号
设备
设备名称及规格
设备图
位号
号、型
号或标
准图号
R-1
T-1
T-2
10
合成反应器
流化床反应器.依
箱胶直径①800mm,
高①12000mm稀相段直径①4000mm高
6000mm浓相段内有换热面积为40rf
的套管式换热装置，稀相段内有换热面积为130rf的套管换热装置
空气饱和塔
填料塔.塔径①
1200mm内装①50x
50X4.5的陶瓷拉西
环11m.填料共分两层，两层填科间设液体分布一再分布器
水吸收塔
填料塔。
塔径①1300mm内装250Y型塑料孔板波纹填料7m
T-3
氨中和塔
穿流板塔.塔径①
1800mm塔饭数20,板间距440mm塔板孔径8mm孔数6220
E-1
废热锅炉
壳管式，内有230根①2X3.5mm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
E-2
丙烯蒸发器
圆筒式，内有①
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36rf
E-3
丙烯过热器
浮头式换热器,体直径426mm内
有①2.5X2.5mm4.5m的换热管根，换热面
2
25.6m。
双管程,
壳层
BFT426
长
74
积
E-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
2.0m
E-5
氨气过热器
浮头式热交换器,壳体直径325mm.
内有价①19X2mm长
3m的换热管60根。
2
换热面积10.5m.双
管程、单壳程
10
E-6
空气加热器
浮头式换热器。
壳
体直径700mm内
有①25X2.5mm长3m
的抉热管268
根，换热面积
2
80.4m，双壳层、单
壳程
11
E-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
2根，换热面积105m
BFT325
BFT700
GH90-1
051
12
E-8
换热器
浮头式换热器.壳
体直径1000mm内
有①25X2.5mm长4.5m的换热器甘606根.换热面积206.6m2，双管程.单
壳程
13
E-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.
2
换热面积123.7m，
公称压力1.OMPa
14
E-10
吸收水第二冷却器
规格、型号与吸收水第一冷却器相同
15
E-11
吸收水第三冷却器
规格、型号与吸收水第一冷却器相同
16
B-1
循环液泵
耐腐蚀离心泵.流
3
量50nYh,扬程30m
电机功率7.5kw
17
C-1
空气压缩机
活塞式空气压缩机，
2
排气量55m/Min,排
气压力0.35MPa.电机功率250kw
AFT100
JB/T47
23-92
JB/T47
23-92
JB/T47
23-92
80FVZ-
30
5L-55/
3.5
5.2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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
丙烯
85%
t
1.33
1.565
1.188
28.5
8550
2
氨
100%
t
0.5613
0.561
3
0.426
10.22
3067
3
硫酸
93%
t
0.2361
0.253
9
0.192
7
4.625
1387.4
4
原料水
100%
t
9.515
9.515
7.221
173.3
51991
5.3能量消耗综合表
（1）0.405MPa蒸汽产生量
3953kg/h
a.浓相段换热装皿
（4）循环水用皿
a.循环冷却器
188.65t/h
b.吸收水第一冷却器
c.空气压缩机冷却水
（5）深井水
吸收水第二冷却器
（6）冷冻盐水
a.0。
0C冷冻盐水
214.88t/h
9.6t/h
196.2t/h
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）
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
1
深井水
t
336
255
6120
1836000
2
循环水
t
692
525
1260
3780000
3
加热蒸汽
t
0.405MPa
0.659
0.5
0
3600
4
加热蒸汽
t
0.608MPa
0.501
0.38
12
2736
5
冷冻盐水
t
0
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