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课程设计说明书

题目:

5000t/a丙烯腈合成工段的课程设计

院（部）：

化学工程学院

专业班级：

化工09—4班

学号：

2009301803

学生姓名：

瞿新川

指导教师：

丰芸

2012年11月15日

安徽理工大学课程设计（论文）任务书

化学工程学院（部）化工教研室

学号

2009301803

学生姓名

瞿新川

专业（班级）

化工09—4班

题目

5000t/a丙烯腈合成工段的课程设计

设计

技术

参数

年产5000t丙烯腈

液态丙烯原料含丙烯85％（mol）

丙烷15％（mol）

液态氨原料含氨100％

设计

要求

以丙烯、氨、空气为原料，用丙烯氨氧化法合成丙烯腈

工段产品为丙烯腈水溶液，含丙烯腈约1.8％（wt）

工

作

量

本设计要求完成20-30页的设计过程

工作

计划

计划先通过学校的数据库资源查阅相关的资料，以便完成设计；然后通过初步的计算，完成相应的设计要求；最后确定设计过程完成设计。

参考

资料

【1】吴指南.《基本有机化工工艺学》.化学工业出版社.2010年4月

【2】杨学萍.《丙烯腈生产技术进展》.上海化工出版社.2000年6月

【3】孙玉声.《丙烯腈生产及副产品综合利用技术

指导教师签字

教研室主任签字

2012年11月15日

安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表

学生姓名：

瞿新川学号：

2009301803专业班级：

化工09—4班

课程设计题目：

5000t/a丙烯腈合成工段的工艺设计

指导教师评语：

成绩：

指导教师：

年月日

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。

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200～280℃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-氯化钠稀盐酸溶液的催化作用下，在80～90℃反应得丙烯腈：

C2H2+HCN─→CH2＝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，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1/100

CH2=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3—1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

①丙烯腈产量758.9kg／h．即14.32kmol／h

②原料组成（摩尔分数）:

C3H6：

85％;C3H8：

15％;液态氨原料含氨100%

③进反应器的原料配比（摩尔比）为

C3H6:

NH3:

02:

H20＝1:

1.05:

2.3:

3

④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

0.065

0.07

0.007

0.12

0.6

⑤操作压力：

进口0.203MPa,出口0.162MPa

⑥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/h

C3H8:

（23.86/0.85）×0.15=4.21kmol/h

NH3:

23.86×1.05=25.06kmol/h

O2:

23.86×2.3=54.89kmol/h

H2O:

23.86×3=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）×23.86×0.07=2.506kmol/h=102.7kg/h

丙烯醛：

23.86×0.007=0.167kmol/h=9.35kg/h

CO2:

23.868×3×0.12=8.591kmol/h

HCN:

23.868×3×0.065=4.654kmol/h

C3H8:

4.211kmol/h=185.3kg/h

N2:

206.5kmol/h=5781.5kmol/h

O2:

54.89-3/2×14.32-4.654-0.167-2.506-9/（3×2）×8.591

=13.20kmol/h=422.4kg/h

丙烯:

23.86-1/3×4.654-0.167-2/3×2.506-14.32-1/3×8.591

=3.293kmol/h=138.3kg/h

NH3：

25.06-14.32-2.506-4.654=3.58kmol/h=60.86kg/h

H2O:

71.59+3×14.32+2×2.506+2×4.654+8.591+0.167

=137kmol/h=2475kg/h

4.2.3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/h

kg/h

%（mol）

%（wt）

kmol/h

kg/h

%（mol）

%（wt）

C3H6

C3H8

NH3

O2

N2

H2O

AN

ACN

HCN

ACL

CO2

23.86

4.21

25.06

54.89

206.5

71.59

1002.3

185.3

425.97

1756.4

5781.5

1288.7

0

0

0

0

0

6.181

1.091

6.490

14.22

53.48

18.54

0

0

0

0

0

9.60

1.775

4.08

16.82

55.38

12.34

0

0

0

0

0

3.293

4.211

3.58

13.20

206.5

137.5

14.3222.506

4.654

0.167

8.591

138.3

185.3

60.86

422.4

5781.5

2475

759

102.7

125.8

9.35

378

0.827

1.06

0.898

3.312

57.82

34.49

3.594

0.6289

1.164

0.042

2.156

1.325

1.775

0.583

4.046

55.40

23.71

7.271

0.9843

1.231

0.0891

3.622

合计

386.1

10440

100

100

398.5

10439

100

100

4.3反应器热量衡算

表4-3各物质0～t℃的平均定压比热容如下：

温度

比热容

物质

C3H6

C3H8

NH3

O2

N2

H2O

AN

HCN

ACN

ACL

CO2

CP/

[KJ/（kg·K）]

0~110℃

0~360℃

0~470℃

1.841

2.05

2.301

0.941

1.046

1.883

2.678

3.013

2.636

1.004

1.088

2.008

1.874

1.640

1.933

1.966

1.130

2.929

3.347

2.939

1.046

1.109

2.092

2.029

1.724

2.10

2.172

1.213

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：

△H

△H1△H3

△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25~t℃的平均比热容用0～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

②.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4—1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/（h·kg），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=6m

5.2.5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）

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/（m2·K）,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

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

R-1

合成反应器

流化床反应器.依箱胶直径Φ800mm,

高Φ12000mm稀相段直径Φ4000mm,高

6000mm.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

1

2

T-1

空气饱和塔

填料塔.塔径Φ1200mm，内装Φ50x

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—再分布器

台

1

3

T-2

水吸收塔

填料塔。

塔径Φ1300mm.内装250Y型塑料孔板波纹填料7m

台

1

4

T-3

氨中和塔

穿流板塔.塔径Φ1800mm,塔饭数20,板间距440mm,塔板孔径8mm,孔数6220

台

1

5

E-1

废热锅炉

壳管式，内有230根Φ2X3.5mm、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

1

6

E-2

丙烯蒸发器

圆筒式，内有Φ38X2.5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

1

7

E-3

丙烯过热器

浮头式换热器，壳体直径426mm.内

有Φ2.5X2.5mm、长4.5m的换热管74根，换热面积25.6m2。

双管程，单壳层

BFT426

台

1

8

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.Om2

台

1

9

E-5

氨气过热器

浮头式热交换器，壳体直径325mm.

内有价Φ19X2mm、长3m的换热管60根。

换热面积10.5m2.双管程、单壳程

BFT325

台

1

10

E-6

空气加热器

浮头式换热器。

壳体直径700mm.内

有Φ25X2.5mm、长3m的抉热管268

根，换热面积80.4m2，双壳层、单壳程

BFT700

台

1

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根，换热面积105m2

GH90-1051

台

1

石墨

12

E-8

换热器

浮头式换热器.壳体直径1000mm,内

有Φ25X2.5mm、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

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.换热面积123.7m2，公称压力1.OMPa

　JB/T4723-92

台

1

不锈钢

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

JB/T4723-92

台

1

不锈钢

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

JB/T4723-92

台

1

不锈钢

16

B-1

循环液泵

耐腐蚀离心泵.流量5Om3/h,扬程30m、电机功率7.5kw

80FVZ-30

台

3

17

C-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250kw

5L-55/3.5

台

4

18

V-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2600m

JB1428-74

1

19

V-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2600mm

JB1428-74

台

1

20

V-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2600mm

JB1426-74

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

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

0.5613

0.426

10.22

3067

3

硫酸

93%

t

0.2361

0.2539

0.1927

4.625

1387.4

4

原料水

100%

t

9.515

9.515

7.221

173.3

51991

6.3能量消耗综合表

（1）0.405MPa蒸汽产生量

a.浓相段换热装皿3953kg/h

b.稀相段换热装里879kg/h

c.废热锅护1217kg/h

（2）0.405MPa加热蒸汽消耗量

a.丙烯过热器71.6kg/h

b.氮燕发器280kg/h

c.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/h

b.吸收水第一冷却器214.88t/h

c.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