5000吨丙烯腈设计说明书.docx

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5000吨丙烯腈设计说明书

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化工设计说明书

5000t/a丙烯腈合成工段的课程设计

5000T/AACRYLONITRILESYNTHESISSECTIONOFTHECOURSEDESIDN

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：

丰芸

2016年5月16日

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C3H685%、C3H815%。

进反应器的原料配比（摩尔比）为C3H6∶C3H8∶O2=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）

CO2

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110℃，反应温度450℃，气体出口温度350℃。

其他设计参数查相关手册。

1.3丙烯腈的物理性质

丙烯腈在常温常压下是无色液体，熔点－82℃、密度0.80ｇ/m3、沸点77.3℃。

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

丙烯腈：

化学式CH2=CHCN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―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（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。

1.5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。

①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。

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80～90℃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

CH3CHO+HCN==CH3CH2OH→CH2=CHCN

④丙烯氨化氧化法　丙烯氨化氧化的反应为：

2C3H6+2NH3+3O2→2CH2=CHCN+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%以上的装置采用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MO、Bi、CO等数十种金属混合氧化物，反应温度为35℃，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约占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。

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。

生产上，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430～450℃、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：

2C3H6+2NH3+3O2→2CH2=CHCN+6H2

副反应:

生成氰化氢（HCN）C3H6+NH3+3O2

3HCN=6H2O

生成丙烯醛（ACL）C3H6+O2

CH=CHCHO+H2O

生成乙腈（ACN）2C3H6+3NH3+3O2

3CH3CN+6H2O

生成CO2和H2O2C3H6+9O2

6CO2+6H2O

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―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。

2.3物料衡算

2C3H6+2NH3+3O2→2CH2=CHCN+6H2

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：

=14.32kmol／h

所需丙烯量：

所需丙烷的量：

所需氨气的量：

所需氧气的量：

所需氮气的量：

所以总进料量：

F=314.57kmol/h

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

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

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：

3.丙烯腈合成工段生产工艺流程图和物料流程图

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。

出口处气体体积流量为：

取空床线速0.6m/s

浓相段直径为：

取流化床浓相段直径为2.8m。

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：

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