丙烯腈车间工艺设计课程设计

丙烯腈车间工艺设计课程设计
目录
第一部分分生产方法 (3)
第二部分设计技术参数 (4)
第三部分物料衡算和热量衡算 (4)
3.1 丙烯腈工艺流程示意图 (4)
3.2 小时生产能力 (5)
3.3 反应器的物料衡算和热量街算 (5)
3.4 空气饱和塔物料衡算和热量衡算 (8)
3.5 氨中和塔物料衡算和热量衡算 (10)
3.6 换热器物料衡算和热量衡算 (15)
3.7 水吸收塔物料衡算和热量衡算 (17)
3.8 空气水饱和塔釜液槽 (21)
3.9 丙烯蒸发器热量衡算 (23)
3.10 丙烯过热器热量衡算 (23)
3.11 氨蒸发器热量衡算 (24)
3.12 氨气过热器 (24)
3.13 混合器 (24)
3.14 空气加热器的热量衡算 (25)
第四部分主要设备的工艺计算 (26)
4.1 空气饱和塔 (26)
4.2 水吸收塔 (28)
4.3 丙烯蒸发器 (30)
4.4 循环冷却器 (32)
4.5 氨蒸发器 (34)
4.6 氨气过热器 (35)
4.7 丙烯过热器 (35)
4.8 空气加热器 (36)
4.9 循环液泵 (37)
4.10 空气压缩机 (38)
4.11中和液贮槽 (38)
第五部分附录 (39)
5.1附表 (39)
5.2 参考文献 (41)
第六部分课程设计心得 (42)
丙烯腈车间工艺设计
摘要：设计丙烯腈的生产工艺流程，通过对原料，产品的要求和物性参数的确定及对主
要尺寸的计算，工艺设计和附属设备结果选型设计，完成对丙烯腈的工艺设计任务。

第一部分生产方法
丙烯腈，别名，氰基乙烯；为无色易燃液体，剧毒、有刺激味，微溶于水，易溶于一般有机溶剂；遇火种、高温、氧化剂有燃烧爆炸的危险，其蒸汽与空气混合物能成为爆炸性混合物，爆炸极限为3.1%-17% （体积百分比）；沸点为77.3℃ ，闪点 -5℃ ，自燃点为481℃ 。

丙烯腈是石油化学工业的重要产品，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(丙烯腈水解产物)。

另外，丙烯腈醇解可制得丙烯酸酯等。

丙烯腈在引发剂(过氧甲酰)作用下可聚合成一线型高分子化合物——聚丙烯腈。

聚丙烯腈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，应用十分广泛。

丙烯氨氧化法的优点如下
(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，副产物主要是氢氰酸和乙腈，都可以回收利用．而且丙烯腈成品纯度较高。

(4)丙烯氨氧化过程系放热反应，在热平衡上很有利。

(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酸合成法，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茸)的建设投资。

丙烯氨氧化法制丙烯腈（AN ）生产过程的主反应为
3632223=32
C H NH O CH CHCN H O ++→+ 该反应的反应热为298()512.5r H kJ mol -=V AN
主要的副反应和相应的反应热数据如下：
（1）生成氰化氢（HCN ）
363223336C H NH O HCN H O ++→+ 298()315.1r H kJ mol -=V HCN
（2）生成丙烯醛（ACL ）
36222C H O CH CH CHO H O +→=-+ ()298353.1Hr kJ mol -=V ACL
（3）生成乙腈（ACN ） 3632323333222
C H NH O CH CN H O ++→+ 298()362.3r H kJ mol -=V ACN
（4）生成CO 2和H 2O 362229332
C H O CO H O +→+ 298()641r H kJ mol -=V CO 2
第二部分设计技术参数
1.生产能力：3900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：3.1%
6.设计裕量：6%
7.年操作日300天
第三部分物料衡算和热量核算
3.1 丙烯腈工艺流程示意图
液态丙烯和液态氨分别经丙蒸发器气烯蒸发器和氨化，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。

温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℃左右进人氨中和塔，在70～80℃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铵的酸液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铵的废液。

氨中和塔出口气体经换热器冷却后进入水吸收塔，用5～10℃的水吸收丙烯腈和其他副产物．水吸收塔塔底得到古丙烯腈约
1.8％的丙烯腈水溶液，经换热器与氨中和塔出口气体换热，湿度升高后去精制工段。

图1 丙烯腈合成工段生产工艺流程示意图
3.2 小时生产能力
按年工作日300天，丙烯腈损失率3.1％、设计裕量6％计算，年产量为3900吨/年，则每天每小时产量为：39001000 1.06 1.031591.97/30024
kg h =? 3.3 反应器的物料衡算和热量街算
(1)计算依据
A ．丙烯腈产量591.97/kg h ，即11.17/kmol h
B. 原料组成(摩尔分数) 丙烯85%，丙烷15%
C ．进反应器的原料配比(摩尔比)为
34322:::1:1.05:23:3C H NH O H O ??
→ D. 反应后各产物的单程收率为物质
丙烯腈（AN ）氰化氢（HCN ）乙腈(ACN) 丙烯醛(ACL) 二氧化碳摩尔收率 0.6 0.065 0.07 0.007 0.12
表1 反应后各产物的单程收率
E. 操作压力进口0.203MPa ，出口0.162MPa
F ．反应器进口气体温度ll0℃，反应温度470℃，出口气体温度360℃
(2)物料衡算
A ．反应器进口原科气中各组分的流量
36C H 11.17/0.618.62/782/kmol h kg h ==
38C H 18.620.15 3.29/144.58/0.85
kmol h kg h ?== 3NH 18.62 1.0519.55/332.37/kmol h kg h ?==
2O 18.62 2.342.83/1370.43/kmol h kg h ?==
2H O 18.62355.86/1005.48/kmol h kg h ?==
2N 42.830.79161.12/4511.43/0.21
kmol h kg h ?== B ．反应器出口混合气中各组分的流量
丙烯腈 11.17/kmol h =591.97/kg h
乙腈 318.620.07 1.955/80.16/2
kmol h kg h ??== 丙烯醛18.620.0070.13/7.30/kmol h kg h ?==
2CO 318.620.12 6.70/294.94/kmol h kg h ??==
HCN 318.620.065 3.63/98.03/kmol h kg h ??==
38C H 3.29/144.58/kmol h kg h =
2N 161.12/4511.43/kmol h kg h =
2O 3942.83-11.17-3.63-0.13-1.955- 6.70232
=10.31/329.92/kmol h kg h =
36C H 12118.62- 3.63-0.13- 1.933-11.17- 6.70333
=2.59/108.70/kmol h kg h =
3NH 19.55-3.63-1.955-11.17=2.80/47.60/kmol h kg h =
2O H 55.86+311.17+2 3.63+2 1.955+6.70+0.13
=107.37/1932.66/kmol h kg h =
(3)热量衡算
查阅相关资料获得各物质各物质0～110℃、0～360℃、0～470℃的平均定压比热容
表2 各物质0~t ℃平均定压比热容
A ．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：
各物质25～t℃的平均比热容用o ～t ℃的平均比热容代替，误差不大，因此，15H =(782 1.841+144.58 2.05+332.37 2.301+1370.430.941+4511.43 1.046+1005.48 1.883)(25-110)=-8.8410kJ /h
7333323H =-(11.1710512.5 1.95510362.3 3.6310315.10.1310353.1 6.7010641) 1.1910kJ /h +??+??+??
+??=-?
36H =(108.70 2.929+144.58 3.347+47.60 2.939+329.92
1.046+4511.43 1.109+193
2.66 2.092+591.97 2.029+80.16
2.10+98.03 1.724+
7.30 2.172+294.94 1.213)(470-25)=5.4510kJ /h
5766123H=H H H 8.8410 1.1910 5.45107.3310kJ /h ??+?+?=-?-?+?=-? 若热损失取H ?的5%，则需有浓相段换热装置取出的热量（即换热装置的热负荷）为：66(10.05)7.3310 6.9610kJ /Q h =-??=?
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：2736/steam i kJ kg =
143℃饱和水焓：2601.2/H O i kJ kg =
∴ 6
6.96103261.90/2736601.2
kg h ?=-产生的蒸汽量= B ．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：
16=(108.70 2.929+144.58 3.347+47.60 2.939+329.92 1.046+4511.43 1.109+1932.66 2.092+80.16 2.10+98.03 1.724+
7.30 2.172+294.94 1.213)(470-0)=5.1110kJ /Q h
离开稀相段的气体带出热为：26=(108.70 2.678+144.58 3.013+47.60 2.636+329.92 1.004+4511.43 1.088+
1932.66 2.088+591.97 1.874+80.16 1.933+98.03 1.64+7.30 1.966+
294.94 1.130)(360-0)=4.3810kJ /Q h
热损失取4%，则稀相段换热装置的热负荷为：
12665(10.04)()
(10.04)(5.1910 4.3810)7.7810kJ /Q Q Q h =--=-?-?=?
稀相段换热装置产生0.405MPa 的饱和蒸汽，产生的蒸汽量为：5
7.7810364.25/2736601.2
G kg h ?==- 3.4 空气饱和塔物料衡算和热量衡算
(1)计算依据
A ．入塔空气压力0.263MPa ，出塔空气压力0.243MPa
B ．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℃
C ．饱和塔气、液比为152.4(体积比)，饱和度0.81
表3 塔顶喷淋液的组成
E ．塔顶出口湿空气的成分和量按反应器入口气体的要求为
22 2O 42.83kmol/h 1370.43kg/h
N 161.12kmol/h 4511.43kg/h H O 55.86kmol/h 1005.48kg/h 即即即
(2)物料衡算
A ．进塔空气量
(42.83161.12)204.52/5898.16/mol h kg h =+==进塔干空气量
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：0.0225898.16129.76/kg h ?=
B ．进塔热水量
气、液比为152.4，故进塔喷淋液量为：
32731700.10131204.5222.418.79/2730.263152.4
m h += 塔顶喷淋液105℃的密度为3958kg/m ，因此进塔水的质量流量为：
18.7995817999.45/kg h ?=
C ．出塔湿空气量
出塔气体中的2 2 2O N H O 、、
的量与反应器人口气体相同，因而22 2O 42.83kmol/h 1370.43kg/h
N 161.12kmol/h 4511.43kg/h H O 55.86kmol/h 1005.48kg/h 即即即
D ．出塔液量
1005.48129.76875.72/11999.45875.7217123.73/kg h
kg h
=-=∴=-=塔内水蒸发量出塔液流量
(3)热量衡算
A ．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：
55.86100%21.50%55.86161.1242.83
=++ 根据分压定律．蒸汽的实际分压为：
220.2150.2430.05225H O H O p y p MPa ==?=
因饱和度为0.81，．所以饱和蒸汽分压应为：
0.05225/0.810.064564500MPa Pa ==
查饱和蒸汽表得到对应的饱和温度为90℃，因此，须控制出塔气
体温度为90℃．才能保证工艺要求的蒸汽量。

B ．入塔热水温度入塔水来自精制工段乙腈解吸塔塔釜，l05℃。

C ．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。

(a)170℃进塔空气带人热量1Q ，
170℃蒸汽焓值为2773.3/kJ kg ，干空气在0~l70℃的平均比热容 1.004kJ/(kg K)p c =?
61(1370.434511.43) 1.004(1700)(129.762773.3) 1.3610/Q kJ h =+?-+?=? (b)出塔湿空气带出热量2Q
90℃蒸汽焓2660/kJ kg ，空气比热容取 1.004kJ/(kg K)p c =?
62(1370.434511.43) 1.004(900)(1005.482660) 3.2110/Q kJ h =+?-+?=?
(c)105℃入塔喷淋液带入热量3Q
6317999.45 4.184(1050)7.9110/Q kJ h =?-=?
(d)求出塔热水温度t 出塔热水带出热量用4Q 表示，则
417123.73 4.18471645.69Q t t =?=
热损失按5%，则6660.05(1.36107.9110) 4.6410/Q kJ h =?+?=?损
热平衡方程1324Q Q Q Q Q +=++损。