年产3000吨丙烯氰40AN41合成工段换热器工艺设计毕业论文设计Word下载.docx

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3.1生产工艺及物料流程………………………………………………………10

3.2小时生产能力………………………………………………………………14

3.3物料衡算和热量衡算………………………………………………………14

3.3.1反应器的物料衡算和热量衡算……………………………………14

3.3.2废热锅炉的热量衡算………………………………………………17

3.3.3空气饱和塔物料衡算和热量衡算…………………………………18

3.3.4氨中和塔物料衡算和热量衡算……………………………………21

3.3.5换热器物料衡算和热量衡算………………………………………27

3.3.6丙烯蒸发器热量衡算………………………………………………32

3.3.7丙烯过热器热量衡算………………………………………………33

3.3.8氨蒸发器热量衡算…………………………………………………33

3.3.9气氨过热器…………………………………………………………34

3.3.10混合器………………………………………………………………34

3.3.11空气加热器的热量衡算……………………………………………35

3.3.12吸收水第一冷却器…………………………………………………36

3.3.13吸收水第二冷却器…………………………………………………36

四、主要设备的工艺计算………………………………………………………………37

4.1空气饱和塔…………………………………………………………………37

4.2水吸收塔……………………………………………………………………40

4.3合成反应器…………………………………………………………………43

4.4废热锅炉……………………………………………………………………45

五、环境保护要求………………………………………………………………………46

5.1丙烯腈生产中的废水和废气及废渣的处理……………………………………46

六、参考文献……………………………………………………………………………50

1设计说明

1.1概述

丙烯腈【化学式】：

CH2═CHCN，在常温下是无色透明液体，味甜，微臭，沸点77.5℃，凝固点-83.3℃，闪点0℃，自燃点481℃。

可溶于有机溶剂如丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和乙醇中，与水部分互溶，20℃时在水中的溶解度为7.3％（w），水在丙烯腈中的溶解度为3.1％（w）。

其蒸气与空气形成爆炸混合物，爆炸极限为3.05～17.5％（v）。

丙烯腈和水、苯、四氯化碳、甲醇、异丙醇等会形成二元共沸混合物，和水的共沸点为71℃，共沸物中丙烯腈的含量为88％（w），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。

丙烯腈剧毒，其毒性大约为氢氰酸毒性的十分之一，能灼伤皮肤，低浓度时刺激粘膜，长时间吸入其蒸气能引起恶心，呕吐、头晕、疲倦等，因此在生产、贮存和运输中，应采取严格的安全防护措施，工作场所内丙烯腈允许浓度为0.002mgL。

丙烯腈分子中有双键（

）和氰基（

）两种不饱和键，化学性质很活泼，能发生聚合、加成、水解、醇解等反应。

聚合反应发生在丙烯腈的C=C双键上，纯丙烯腈在光的作用下就能自行聚合，所以在成品丙烯腈中，通常要加入少量阻聚剂，如对苯二酚甲基醚（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，由此可制得各种合成纤维、合成橡胶、塑料、涂料和粘合剂等。

丙烯腈是三大合成的重要单体，目前主要用它生产聚丙烯腈纤维（商品名叫“腈纶”）。

其次用于生产ABS树脂（丙烯腈—丁二烯—苯乙烯的共聚物），和合成橡胶（丙烯腈—丁二烯共聚物）。

丙烯腈水解所得的丙烯酸是合成丙烯酸树脂的单体。

丙烯腈电解加氢，偶联制得的己二腈，是生产尼龙—66的原料。

1.2丙烯腈生产技术的发展概况

1.21国外的发展情况

自1960年Sohio公司成功地开发了丙烯氨氧化制丙烯腈工艺以来，其他合成方法均遭淘汰，丙烯氨氧化工艺成为当代工业生产丙烯腈的唯一技术。

Sohio丙烯腈工艺日趋完善，催化剂的改进已成为提高丙烯腈收率的主要因素。

西欧有2个工厂曾采用由DistillersUgine开发的固定床丙烯氨氧化制丙烯腈的工艺，于1990年关闭，墨西哥的1个工厂于1993年关闭，在东欧的少数工厂也陆续停工。

至今，全世界的丙烯腈生产几乎都采用流化床丙烯氨氧化工艺，即在多组分固体粉末催化剂作用下，丙烯和氨气、空气在流化床中发生氨氧化反应，生成丙烯腈，并副产乙腈和氢氰酸等。

BP公司（已收购Sohio公司）拥有丙烯腈生产装置所采用的Sohio工艺，其他专利许可公司还包括日本旭化成公司、日东公司、Solutia公司和中国石油化工集团（简称中国石化）。

对于目前正在开发的丙烯腈工艺，值得密切关注的是直接以丙烷为原料的合成丙烯腈工艺。

（1）装置规模向大型化发展

近年来国外丙烯腈装置总的发展趋势是向大型化发展。

一些原设计能力为7万吨年的生产装置通过消除“瓶颈”制约，扩大了生产能力，有的达到9万吨年，有的甚至超过13万吨年。

另外一些新建或准备建设的丙烯腈装置的规模多数为13万吨年，甚至达25～35万吨年。

由于装置规模的大型化，每万吨丙烯腈的建设投资大幅度下降，装置运行中的能耗和物耗降低，使丙烯腈生产成本降低，给企业带来了明显的经济效益。

（2）新型催化剂的开发及应用

不断研究开发新一代催化剂是丙烯腈技术发展的又一趋势。

催化剂是丙烯腈生产技术的关键所在，也是丙烯腈专利的核心。

新型催化剂的开发及应用对丙烯腈工艺技术的发展和改进起着决定性的作用。

几十年来世界上从事丙烯腈研究与开发的各公司都投入了大量的人力、物力和财力，致力于新型催化剂的研究开发工作，BP、旭化成、Monsanto、中国石油化工总公司等都推出了自己的一代又一代的新催化剂。

这些新型催化剂不仅提高了丙烯腈的单程收率，而且提高了选择性，减少了副产物的生成。

从催化剂的单程收率看，70年代为70%～75%；

80年代达到80%；

90年代超过了80%。

高效新型催化剂的开发和应用为丙烯腈工艺的发展提供了坚实的技术基础，也是丙烯腈生产技术提高和发展的一个重要标志。

1.2.2国内的发展情况

20世纪60年代以来，我国不断开发了丙烯氨氧化制丙烯腈技术，并建成多套千吨级规模装置。

目前，中国石化已开发出了具有自主知识产权的丙烯腈成套技术，其中包括MB系列丙烯腈催化剂、空气分布板和丙烯-氨分布器、旋风分离器、复合萃取分离技术、负压脱氰塔、导向浮阀和气液分离器等专利或专有技术。

并且利用该成套技术分别将中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司的原产能2.5万吨年丙烯腈生产装置改造成了具有自主知识产权的4万吨年国产化示范装置；

将中国石化上海石油化工股份有限公司（简称上海石化）的原产能6.0万吨年丙烯腈装置改造至13万吨年，打破了国外的技术垄断，为国内现有装置改扩建提供了技术依据。

我国人口众多，解决14亿人口的穿衣问题十分突出。

因此，目前我国的丙烯腈主要用于生产腈纶。

从目前发展水平看，我国腈纶产量远远满足不了市场的需求。

近3年来我国腈纶的年消耗量约在125～135万吨，尽管我国的腈纶生产能力已达到140万吨年，而2005年丙烯腈的生产总量只有120万吨，只能满足腈纶生产能力需求的一半，其余需通过进口来解决。

预计到2012年我国的腈纶消耗量为180万吨年左右，国内生产能力将达到185万吨年。

另外，再加上ABS（丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚物）、SAN（苯乙烯、丙烯腈共聚物）等合成树脂、丁腈橡胶、己二腈、丙烯酰胺及其衍生物等对丙烯腈的需求，有关部门预计到2012年我国丙烯腈的需求量将超过180万吨年。

我国从60年代初着手丙烯腈技术的研究开发工作，70年代初在全国各地兴建了12套中小型丙烯腈生产装置，其中生产能力最大为1万吨年，多数是千吨级的工厂。

80年代开始我国丙烯腈工业发展很快，2008年底已形成的生产能力达126万吨年的规模。

到2012年我国丙烯腈生产总能力可达到185万吨年，仅次于美国和日本，居世界第三位。

如按到2010年我国丙烯腈需要量为160万吨年计，还需增加20万吨年的生产能力。

从技术发展看，用国内丙烯腈技术建设的工厂最大规模才达到1万吨年，而迄今我国大型丙烯腈装置的技术都是从国外引进。

引进一套5万吨年的丙烯腈装置，仅专利许可和催化剂费用就高达1500万美元。

因此，努力开发我国自己的丙烯腈成套技术，特别是采用国内技术兴建大型的丙烯腈装置是摆在我们面前的一项艰巨的任务。

我国丙烯腈技术的开发工作已有40多年的历史，丙烯腈生产也有30多年的经验。

这些都为发展我国自己的丙烯腈技术打下了坚实的基础。

尤其是1983年中国石油化工总公司成立以来，总公司十分重视丙烯腈技术的开发，组织了一系列丙烯腈的重大技术攻关，取得了许多重大的工业化技术成果，特别是MB-82、MB-86催化剂、UL型流化床反应器、复合萃取精馏新工艺、负压脱氰技术等，均已在国内大型丙烯腈装置上应用成功，使我国的丙烯腈生产工艺在原有基础上，在关键性的工艺技术上有了重大改进，使我国的丙烯腈总体技术达到了国际水平。

国产催化剂所以能够比较普遍地被采用，并逐步取代进口催化剂主要原因有两条:

一是国产催化剂的性能质量与进口催化剂相当，甚至优于某些牌号的进口催化剂；

二是国产催化剂在价格上比进口催化剂有较强的竞争力。

当然在推广应用国产催化剂上还有许多工作要做，我们不仅要做好国产催化剂在国内市场的推广应用，而且要努力开拓国际市场，参与国际竞争。

值得一提的是淄博石油化工厂在引进装置开车时，首装就采用了国产MB-86催化剂，而且开车结果很好。

齐鲁石化公司、上海石化研究院以及清华大学、石油大学合作完成了“丙烯腈主装置成套国产化技术开发与工业应用”项目攻关。

以MB-98丙烯腈催化剂、新型空气分布板和丙烯-氨分布器、PV型旋风分离器、复合萃取分离技术、负压脱氰塔、导向浮阀和新型气-液分离器等国内自行开发的专利或专有技术为基础，将原生产能力2.5万ta的齐鲁丙烯腈装置改造成具有自主知识产权的4万ta丙烯腈国产化示范装置，打破了国外的技术垄断。

该装置投产以来，不仅生产能力扩大了60%以上，而且生产每吨丙烯腈的丙烯单耗降到了1.077t，产品精制回收率提高了4.2%，副产品乙腈回收率提高到97.21%，也为开发10万ta以上丙烯腈成套技术和国内现有同类装置的改扩建提供了技术依据。

目前，丙烯腈成套工业技术已在大庆石化、安庆石化、吉化公司、上海石化等4套丙烯腈装置上推广应用，取得了显著的经济效益。

几年来，齐鲁石化丙烯腈装置平均每年新增利润4000万元，大庆石化、安庆石化等4家装置每年新增利润4100万元。

据粗略计算，国产丙烯腈成套工业技术如在国内全面推广应用，预计年新增效益可达6亿元。

1.3世界范围内产品的生产厂家、产量

2010年全球主要丙烯腈生产企业及产能统计

产能排序

生产厂家

国家和地区

生产能力（万t.a-1）

1

英力士集团

德国，美国

104.3

2

Asccend性能材料公司

美国

52.2

3

旭化成

日本

50.0

4

台塑

中国台湾省

32.0

5

巴斯夫

英国

28.0

6

东西石化公司

韩国

27.3

7

上海赛科

上海市

26.0

8

帝斯曼

荷兰

25.9

9

TaeKwang工业

25.0

10

氰特工业

22.7

11

吉林石化公司

吉林市

21.0

12

Dia-NitrixCoLtd

20.5

13

台湾石化

19.0

14

LUKOII

俄罗斯

18.5

15

MitsubishiRayon

13.3

16

BP

13.0

17

其他

78.8

合计

619.5

1.4世界范围内生产该产品的所有工艺及其分析

1.4.1环氧乙烷法

由环氧乙烷和氢氰酸制得氰乙醇，然后以碳酸镁为催化剂，于200-220℃脱水制得丙烯腈。

此法生产的丙烯腈原料昂贵，且氢氰酸毒性大，已被淘汰。

1.4.2乙炔法

由乙炔与氢氰酸作用而得，反应为常压，温度80-90℃，用氯化亚铜和氯化铵为催化剂。

该法特点是：

生产过程简单，但副产物种类较多，不易分离。

1960年以前，该法是世界各国生产丙烯腈的主要方法，现基本淘汰。

1.4.3丙烯氨氧化法

以丙烯、氨氧和空气中的氧为原料制得，主要副产物为氢氰酸、乙腈、丙烯醛、CO2和CO。

C3H6+NH3+1.5O2→CH2=CHCN+3H2O

典型的生产过程为，原料气体以丙烯I氨I空气=1.0I1.15I10.5（mol）的比例从底部进入流化床反应器，反应温度440C，压力63.74kPa。

反应热用软水循环回收，发生高压蒸汽。

反应气体冷却后，洗涤、吸收、精馏后得到高纯度产品.

该方法具有原料易得、工艺过程简单、产品成本低等优点。

该方法是目前国内外主要生产方法。

1.5设计任务

1　设计项目名称年产3000吨丙烯腈合成工段换热器工艺设计

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　生产能力年生产天数300天，产量3000ta丙烯腈。

4　原料组成液态丙烯原料含丙烯85%（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）。

2生产方案

2.1工艺技术方案及原理

20世纪60年代以前，丙烯腈的生产采用环氧乙烷、乙醛、乙炔等为原料和HCN反应制得，但HCN有剧毒，生产成本高。

1960年美国Standard石油公司（Sohio）（现BP公司）开发成功丙烯氨氧化一步合成丙烯腈新工艺，又称Sohio法。

由于丙烯价廉易得，又不需剧毒的HCN，从此丙烯腈的生产发生了根本的变化。

迄今为止，丙烯腈的工业生产都以此方法进行。

丙烯氨氧化制丙烯腈主要有五种工艺路线，即Sohio法、Snam法、Distiners-Ugine法、MontedisonUOP和O.S.W法，上述五种工艺路线的化学反应完全相同，丙烯、氨和空气通过催化剂生成丙烯腈，其中Sohio法和Montedison-UOP法采用流化床反应器，其他方法采用固定床反应器。

相比较而言，Sohio法有一定的先进性，Snam法和Distillers-Ugine法丙烯的消耗定额比较高，而固定床反应器的单台生产能力远小于流化床反应器，不利于扩大生产能力，而且固定床反应温度难以实现最优化操作，因此，目前Sohio法应用比较普遍，约占全球总生产能力的90％。

中国引进的也是Sohio技术。

丙烯氨氧化的原理：

化学反应在工业生产条件下，对于丙烯氨氧化法，主反应生成丙烯腈，是一个非均相反应；

与此同时，在催化剂表面还发生一系列副反应

主反应：

该反应的反应热为：

（-△Hr）=512.5KJmol

主要的副反应和相应的反应热数据如下：

（1）生成氢化氰（HCN）

C3H6+3NH3+3O23HCN+6H20

（-△Hr）298=315.1kJmol

（2）生成丙烯醛（ACL）

C3H6+O2CH2=CH-CHO+H2O

（-△Hr）298=353.1kJmol

（3）生成乙腈（ACN）

C3H6+32NH3+32O232CH3CN+3H2O

（-△Hr）298=362.3kJmol

（4）生成CO2和H2O

C3H6+92O23CO2+3H2O

（-△Hr）298=641kJmol

上述副反应中，生成乙腈和氢氰酸是主要的，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。

反应过程也副产少量的丙烯醛、丙烯酸、乙醛、丙腈以及高聚物等，因此，工业产条件下的丙烯氨氧过程十分复杂。

主、副产物的相对生成量，取决于催化剂本身性。

2.2主要设备方案

2.2.1催化设备 

众所周知，在丙烯腈生产中，催化剂起着十分重要的作用。

催化剂正在不断地更新换代，实践证明，居世界领先水平的催化剂有美国BP的C-49MC、日本化学公司 

的NS-733D以及我国的MB-93、 

MB-96等。

这些催化剂的应用都可为丙烯腈的生产带来显著的经济效益。

从催化剂的国产化方面考虑，结合扩能改造，应逐步采用效能 

更为优异的MB-93和MB-96催化剂，当然，也应继续开发应用其他性能优良的催化剂。

其余的车间工段装置，在相应的车间工段设立控制室，进行监视控制操作。

锅炉房电站生产装置的运行控制方式，采用炉机集中控制。

（包括炉、机、除氧给水系统）。

将炉机控制室设在装置建筑物内，以利于对机组进行监视控制。

2.2.2控制系统

选用一套中心DCS系统，分别对仪表进行控制。

对连锁较多的装置还采用PLC系统。

DCS及PLC系统考虑进口。

在线自动分析仪表，基本上采用国内引进技术生产的红外线自动分析器和紫外线自动分析器，在线质谱仪考虑进口，在线色谱仪选用国内引进技术生产的或者进口。

本系统也考虑了能联结全厂生产调度，操作管理站即生产总调度站，以及电气控制站及其马达控制中心和马达的驱动装置，从而实现生产过程综合自动化。

合成丙烯腈生产过程中，为了达到最佳的合成效果，H2N2必须进行严格控制，由于工艺过程对H2N2配比干扰因素较多，应迅速检测出氢氮比，为此选用采集周期短的质谱仪测出氢氮比，从而能实现多变量预估控制，并使合成塔入口的氢氮比，波动最小，得到最佳氢氮比，产生最好的经济效益。

3物料衡酸和热量衡算

3.1生产工艺及物料流程

丙烯氨氧化生产丙烯腈的工艺流程主要分三部分：

反应部分、回收部分和精制部分。

其工艺过程可简单表示如下：

生产工艺流程图如下：

流程简介如下：

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。

混合气出口的高温气体先经废热锅炉回收热量，气体冷却到230℃左右进入氨中和塔，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。

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。

主要设备装配图：

流化床反应器

1.空气分布板;

2.丙烯和氨分配管；

3.U形冷却管;

4.旋风分离

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，丙烯腈小时产量为

=455.36kg=2736kJkg

143℃饱和水焓iH2O=601.2kJkg

∴产生的蒸汽量为

G=

=246.39kg

30℃循环液的比热容为3.368kJ（kg·

K），循环液与新鲜吸收液混合后的喷淋液比热容为3.364kJ（kg·

K）。

设循环液流量为mkg×

3.368t+5172.56=（m+124.36）×

3.364×

70

（1）

对循环冷却器列热平衡方程得：

m×

3.347×

81-m×

3.368t=

（2）

联立

（1）和

（2），解得

m=54375.917kgs；

g——重力加速度，9.81m

;

_____干填料因子，m-1；

——气相和液相密度，

；

L，G——液相和气相流量；

kgs

泛点率取75%，则气体空塔速度为：

W=0.75

1.743=1.307ms

出塔操作条件下的气量；

塔径应为

塔底处：

=975kgm3

L=13563.05kgs

气体空塔速度为·

W=0.75

=0.75×

1.768=1.291ms

入塔气在操作条件下的气量：

塔径为

取塔径为0.9m

（3）填料高度

空气水饱和塔的填料高度确定必须考虑两方面的要求

a．使出塔气体中蒸汽含量达到要求。

b．使塔顶喷淋液中ACN等在塔内脱吸以使出塔釜液中ACN等的含量尽量低，以减少污水处理负荷并回收ACN等副产物。

c．按工厂实际经验，取填料高度11m

4.2水吸收塔

（1）计算依据

a.进塔气体流量和组成

组分

C3H6

C3H8

O2

N2

H2O

AN

ACN

ACL

HCN

CO2

Kmolh

2.05

2.52

7.88

123.73

10.525

8.597

1.498

0.10

2.787

5.15

164.838

Kgh

86.10

110.88

252.16

3464.44

189.45

455.21

61.46

5.60

75.25

226.6

4927.15

b.出塔气体流量和组成

1.734

少量

143.064

31.21

4171.39

随入塔气进入的凝水为966.