年產(chǎn)20萬(wàn)噸丙烯腈概念設(shè)計(jì)

年產(chǎn)20萬(wàn)噸丙烯腈概念設(shè)計(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)人：張燦陽(yáng)王津津杜孝利指導(dǎo)老師：李秀喜研究員1報(bào)告內(nèi)容第一部分：設(shè)計(jì)任務(wù)第二部分：產(chǎn)品概述第三部分：市場(chǎng)調(diào)研第四部分：設(shè)計(jì)背景第五部分：丙烯腈概念設(shè)計(jì)第六部分：流程模擬和優(yōu)化第七部分：經(jīng)濟(jì)核算第八部分：總結(jié)2第一部分：設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)20萬(wàn)噸丙烯腈概念設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo)：產(chǎn)品名稱：丙烯腈產(chǎn)品要求：C3H3N（w%）＞99%。生產(chǎn)規(guī)模：20萬(wàn)噸/年。生產(chǎn)時(shí)間：333天/年（8000h/年）3設(shè)計(jì)任務(wù)：1、熟悉本項(xiàng)目概念設(shè)計(jì)的要求和背景，理清思路，閱讀相關(guān)的文獻(xiàn)。2、按年產(chǎn)20萬(wàn)噸丙烯腈的生產(chǎn)規(guī)模，根據(jù)最新的丙烯腈實(shí)驗(yàn)研究成果和小試提供的技術(shù)信息和所收集的技術(shù)經(jīng)濟(jì)資料，對(duì)丙烷氨氧化工藝生產(chǎn)丙烯腈進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。3、用Aspen

Plus對(duì)設(shè)計(jì)的工藝流程進(jìn)行模擬，確定設(shè)備的操作參數(shù)（溫度、壓力、采出量、回流比等），輸出技術(shù)報(bào)告。4、根據(jù)丙烯腈生產(chǎn)的特點(diǎn)，對(duì)工藝流程進(jìn)行操作優(yōu)化（比如溫度、壓力等以及工藝水和熱能綜合利用，三廢處理等等）。5、對(duì)丙烷氨氧化法生產(chǎn)丙烯腈工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算。4進(jìn)展計(jì)劃：十一月末十二月初，完成搜集最新丙烯腈實(shí)驗(yàn)研究成果和小試提供的技術(shù)信息和技術(shù)經(jīng)濟(jì)資料，對(duì)丙烷氨氧化工藝生產(chǎn)丙烯腈進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。十二月初到中旬，完成Aspen

Plus對(duì)設(shè)計(jì)的工藝流程進(jìn)行模擬，確定設(shè)備的操作參數(shù)。十二月中旬到課程結(jié)束，完成工藝流程進(jìn)行操作優(yōu)化，并對(duì)丙烷氨氧化法生產(chǎn)丙烯腈工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算。5第二部分：產(chǎn)品概述丙烯腈，CH2=CH－CN，英文名Acrylonitrile（簡(jiǎn)稱AN），1893年已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室合成成功。到1930年在工業(yè)上被用于合成耐油丁腈橡膠?，F(xiàn)在除了丁腈橡膠之外，還廣泛用于ABS塑料、AS塑料和腈綸纖維（PAN）的生產(chǎn)。此外，丙烯腈還是合成丙烯酰胺、聚丙烯酸酯等的重要原料。6物化性質(zhì)：丙烯腈是無(wú)色或淡黃色液體，有特殊氣味，分子量53.06，沸點(diǎn)77.3℃，冰點(diǎn)-83.5℃，閃點(diǎn)0℃，自燃點(diǎn)481℃，聚合熱72.4kJ/mol，劇毒，溶于丙酮、苯、四氯化碳、乙醚、乙醇等有機(jī)溶劑，微溶于水。丙烯腈由于分子結(jié)構(gòu)帶有C=C雙鍵及-CN鍵，所以化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡梢园l(fā)生加成、聚合、腈基及氫乙基化等反應(yīng)。7丙烯腈產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

丙烯腈（C3H3N）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)名稱優(yōu)級(jí)品一級(jí)品合格品外觀透明液體，無(wú)懸浮物含量，%≥99.5≥99.3≥98.5相對(duì)密度0.800～0.807pH值(5%水溶液)6.0～96.0～10.06.0～10.0滴定值(5%水溶液)≤2.0≤3.0≤4.0色度(Pt-Co)號(hào)≤5≤16≤20水含量，%≤0.45≤0.50≤0.70總?cè)┖?以乙醛計(jì))，%≤0.005≤0.010≤0.018總氰含量(以氫氰酸計(jì))，%≤0.0005≤0.0010≤0.0040過(guò)氧化物，%≤0.00002≤0.00003≤0.00004鐵含量，%≤0.00001≤0.00002≤0.00005乙腈含量，%≤0.020≤0.030≤0.050丙酮含量，%≤0.010≤0.020≤0.030丙烯醛含量，%≤0.0015≤0.0040≤0.00908第三部分：產(chǎn)品調(diào)研丙烯睛是一種重要的有機(jī)化工原料，在合成樹(shù)脂、合成纖維、合成橡膠等高分子材料中占有顯著的地位并有著廣闊的前景。除此之外，丙烯睛聚合物與丙烯睛衍生物也廣泛應(yīng)用國(guó)民經(jīng)濟(jì)的多個(gè)領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)供不應(yīng)求，每年需大量進(jìn)口來(lái)滿足市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)裝置建設(shè)明顯明顯加快，成為倍受關(guān)注的基礎(chǔ)有機(jī)化工原料。9國(guó)際現(xiàn)狀地區(qū)2001年2002年2003年2004年2005年2010年歐洲130130130125100100中東/非洲303030303535亞洲230250270280315340拉丁美洲202025253025北美706045454040全世界約480約490約500約510約520約55010國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀生產(chǎn)廠家產(chǎn)能/(萬(wàn)t.a-1)采用技術(shù)上海石化公司13.0BP技術(shù)大慶石化公司8.0BP技術(shù)大慶煉化公司8.0BP技術(shù)齊魯石化丙烯腈廠4.0BP技術(shù)

（齊勝化工廠為國(guó)內(nèi)技術(shù)）撫順石化腈綸廠8.0BP技術(shù)吉林石化公司21.2BP技術(shù)安慶石化腈綸廠8.0BP技術(shù)上海賽科石化公司26.0BP技術(shù)大慶油田助劑廠2.0BP技術(shù)蘭州石化公司3.1BP技術(shù)合計(jì)101.311第四部分：設(shè)計(jì)背景丙烯腈生產(chǎn)方法：目前世界各國(guó)生產(chǎn)丙烯腈的主要方法是丙烯氨氧化法和丙烷氨氧化方法，其中丙烯氨氧化工藝占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其流程大都采用索亥俄(Sohio)技術(shù)丙烯氨氧化工藝以丙烯和氨氣為原料，通過(guò)氧化生產(chǎn)丙烯腈，副產(chǎn)乙腈和氫氰酸：12丙烯氨氧化法主反應(yīng)：C3H6+NH3+1.5O2→CH2=CHCN+3H2O

△H=-512.5KJ/mol副反應(yīng)：①C3H6+1.5NH3+1.5O2→1.5CH3CN+3H2O△H=-522KJ/mol②C3H6+3NH3+3O2→3HCN+6H2O△H=-941KJ/mol③C3H6+4.5O2→3CO2+3H2O△H=-1925KJ/mol④C3H6+3O2→3CO+3H2O△H=-1925KJ/mol13丙烷氨氧化法主反應(yīng)：C3H8+NH3+2O2→CH2=CHCN(AN)+4H2OC3H8+0.5O2→C3H6(PEN)+H2OC3H6+NH3+1.5O2→CH2=CHCN(AcN)+3H2O副反應(yīng)：①C3H6+1.5NH3+1.5O2→1.5CH3CN+3H2O②C3H6+3NH3+3O2→3HCN+6H2O③C3H8+4O2→2CO+CO2+4H2O④2NH3+1.5O2→N2+3H2O14丙烷直接氨氧化法研究進(jìn)展生產(chǎn)工藝改進(jìn)：日本三菱化學(xué)公司引入了BOG公司的Petrox烴類循環(huán)工藝;BP-Amoco公司提出了未反應(yīng)氨回收工藝。近年來(lái)，隨著各國(guó)對(duì)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念的不斷提高，丙烯腈生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)也主要集中在節(jié)能降耗、環(huán)保等方面。催化劑的改進(jìn)：日本三菱化學(xué)和旭化成兩公司只要開(kāi)發(fā)鉬酸釩催化劑，目前該催化劑能夠獲得高達(dá)60%以上的丙烯腈收率；BP-Amoco主要開(kāi)發(fā)銻酸釩催化劑；第三種新型催化劑是釩鋁氧氮化物，對(duì)丙烯腈時(shí)空收率(單位催化劑每小時(shí)丙烯腈生成量)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它催化劑。15第五部分：丙烯腈概念設(shè)計(jì)綜合各方面因素，本設(shè)計(jì)采用丙烷直接氨氧化法，工藝為反應(yīng)工段、水洗工段、分離和精餾工段三部分。16反應(yīng)工段

低空比溫度適410℃鉬酸釩催化劑0.1Mpa17水洗工段急冷塔采用BP公司開(kāi)發(fā)新工藝氨中和塔、水洗塔和再生塔18分離精制工段共沸精餾塔、油水分層器、乙腈塔、脫HCN塔、丙烯腈精制塔19生產(chǎn)中廢水廢氣處理急冷塔廢水：主要含有催化劑聚合物渣滓和丙烯酸，以及少量的ACN和AN等，這股廢水首先要經(jīng)催化劑沉降槽，分離出催化劑后，可進(jìn)焚燒爐處理。產(chǎn)生的能量可以供前面使用。萃取塔廢水：其內(nèi)部主要含聚合物渣滓和輕有機(jī)物?？梢杂谜舭l(fā)器處理，大部分凈水可回收使用，少部分用汽提塔脫除輕組分后，用生化方法處理廢水。工藝廢氣：量較少，部分CO2，可以用堿液吸收，其他氣體含量足夠小，但考慮到其毒性，應(yīng)進(jìn)行焚燒20第六部分：流程模擬和優(yōu)化模擬流程圖：21反應(yīng)工段水－丙烯腈水－乙腈丙烯腈－乙腈Aij＝1125.1350Aij＝581.1809Aij＝-104.8214Aji＝1601.3070Aji＝1313.6823Aji＝216.3372Bij＝-5.9440Bij＝0Bij＝0Bji＝702030Cij＝0.3000Bji＝0Cij＝0.4347Bji＝0Cij＝0.3100熱力學(xué)方法選擇時(shí)，Aspen不自帶水、丙烯腈和乙腈的相互作用參數(shù)，需根據(jù)卓越公司提供的數(shù)據(jù)自己輸入，如左圖。

22根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果輸入反應(yīng)工段反應(yīng)器出口物流模擬結(jié)果：

組分摩爾流量（Kmol/h）摩爾百分含量（%）NH3369.002.8534O2816.746.3157N28405.5664.9991C3H8 63.730.4928C3H3N422.743.2690WATER(H2O)2375.7218.3711C2H3N39.300.3039CHN19.120.1478CO2115.420.8925CO230.841.7851C3H6-2 73.640.5695Total12931.81100T(℃)410P(atm)123水洗工段冷凝器溫度對(duì)NH3含量的影響冷凝器溫度對(duì)AN含量的影響24氨中和塔中涉及反應(yīng)，模擬采用一個(gè)反應(yīng)器和一個(gè)冷凝器T201B代替，冷凝器溫度過(guò)低產(chǎn)品被急冷液帶走量大，溫度過(guò)高，氣體中氨含量過(guò)高，對(duì)其做靈敏度分析如上兩圖分別所示,綜合考慮冷凝器溫度定在85℃25組分摩爾流量（Kmol/h）摩爾百分含量（%）NH30.040.0003O2816.685.5523N28405.3157.1440C3H863.570.4322C3H3N405.342.7557WATER4541.9730.8789C2H3N37.470.2547CHN18.970.1290CO2115.340.7841CO230.841.5694C3H6-273.480.4995Total14708.99100T(℃)85P(atm)1對(duì)于水洗塔，理論塔板數(shù)20，水塔頂進(jìn)料，經(jīng)中和后的氣體塔底進(jìn)料。在此模擬中，水用量是關(guān)鍵，既要保證能把丙烯腈、乙腈和氫氰酸盡可能的回收，又不能太大，以免為后面分離造成困難。經(jīng)模擬及靈敏度分析，最終選擇用水量為4600kmol/hr。水量的選擇氨中和塔出口物流組成(物流13)26水洗塔塔頂出口物流組成（物流17）組分摩爾流量（Kmol/h）摩爾百分含量（%）

NH30.000.0000

O2815.948.4221

N28399.2986.6979

C3H856.210.5802

C3H3N0.000.0000

WATER119.381.2323

C2H3N0.000.0000

CHN0.000.0000

CO20.000.0000

CO230.662.3809

C3H6-266.520.6866Total9688.00100.0000T(℃)63.1P(atm)127分離精致工段塔T301板數(shù)14回流比2.8進(jìn)料位置物流W1物流274物流342物流382側(cè)線采出位置9分離精致工段的模擬，主要是對(duì)共沸蒸餾塔T301,脫HCN塔T303，丙烯腈精致塔T304，脫乙腈塔T305各個(gè)工藝條件進(jìn)行確定。首先，用簡(jiǎn)捷算法設(shè)定每個(gè)塔所分離產(chǎn)品收率在90%以上，計(jì)算理論塔板數(shù)和回流比，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，用嚴(yán)格算法計(jì)算，并進(jìn)行塔板數(shù)、回流比以及進(jìn)料位置的靈敏度分析，最終得到最優(yōu)結(jié)果如下表所示。共沸蒸餾塔參數(shù)：

28脫HCN塔、丙烯腈精致塔、脫乙腈塔工藝參數(shù)：塔T303T304T305板數(shù)102212進(jìn)料位置492塔頂壓力/atm1.21.31.2塔壓降/atm0.20.30.2回流比4.277.324.929模擬結(jié)果產(chǎn)物和副產(chǎn)物：產(chǎn)品mol流量Kmol/h質(zhì)量流量Kg/h質(zhì)量分?jǐn)?shù)%回收率%年產(chǎn)量萬(wàn)噸/年丙烯腈AN377.9320090.5499.789.416.07乙腈ACN35.961597.3392.391.51.28氫氰酸18.24497.479995.40.4030第七部分：經(jīng)濟(jì)衡算項(xiàng)目丙烷氨氧化法消耗量（萬(wàn)噸/年）單價(jià)（千元/噸）費(fèi)用（千萬(wàn)元）丙烷27.5781.8049.641NH312.7681.811823.122氮?dú)?3.08————氧氣207.648————合計(jì)311.074——72.763原料成本：

31產(chǎn)品：AN：20.09噸/小時(shí)質(zhì)量純度：99.7%

回收率：89.4%AN年產(chǎn)量：20.09×8000=16.07萬(wàn)噸

單價(jià)：12500元/噸AcN年產(chǎn)量：1.6×8000=1.28萬(wàn)噸

單價(jià)：8050元/噸產(chǎn)品丙烯腈乙腈純度99.7%92.3%回收率89.4%91.5%產(chǎn)量（t/h）20.091.60總產(chǎn)量（萬(wàn)噸/年）16.071.28單價(jià)（元/噸）125008050毛收入（千萬(wàn)元/年）200.87510.304產(chǎn)品利潤(rùn)：32年消耗和銷售收入：

項(xiàng)目單位消耗/生產(chǎn)量單價(jià)金額/千萬(wàn)元年消耗丙烷萬(wàn)噸27.5781800元/噸49.641氨萬(wàn)噸12.7681811元/噸23.122電千瓦時(shí)16450000.6元/千瓦時(shí)0.0987水萬(wàn)噸1000.6元/噸0.060蒸汽量萬(wàn)噸70300元/噸21冷量萬(wàn)噸40280元/噸11.2合計(jì)105.1117千萬(wàn)元年收入AN萬(wàn)噸16.0712500元/噸200.875AcN萬(wàn)噸1.288050元/噸10.304合計(jì)211.179千萬(wàn)元33年消耗和銷售收入：名稱單位消耗/生產(chǎn)量單價(jià)金額/千萬(wàn)元年消耗丙烷萬(wàn)噸27.5781800元/噸49.641氨萬(wàn)噸12.768

1811元/噸23.122電千瓦時(shí)16450000.6千瓦時(shí)0.0987水萬(wàn)噸1000.6元/噸0.0603蒸汽量萬(wàn)噸70300元/噸21冷量萬(wàn)噸40280元/噸11.2合計(jì)105.1117

年收入AN萬(wàn)噸16.0712500元/噸200.875AcN萬(wàn)噸1.288050元/噸10.304合計(jì)211.17934設(shè)備成本估算：設(shè)備規(guī)格成本/萬(wàn)元合計(jì)/萬(wàn)元反應(yīng)器直徑高度

1188R-10112.0m35m

1188塔直徑有效高度塔高度

1962氨中和塔T-201615221000水洗塔T-2022.8810150再生塔3810192共沸塔T-3013.51315208乙氰塔T-3052.71215187脫HCN塔T-30322228150AN精制塔T-3042.7101575閥門

4040控制儀表

5050管道

353535換熱器殼程直徑長(zhǎng)度換熱面積萬(wàn)元

1221.22E-102A0.4m3.0m16.8m212.74E-102B0.9m3.0m89.2m229.6E-102C3.1m7.0m2668.0m2252.84E-201A,B,C,D3.1m7.0m2808.0m2260.82E-3018.6m10.0m7204.0m2441.00E-302A,B,C,D3m8.0m2472.0m2214.22E-303A,B,C,D0.4m2.0m4.0m210.00泵揚(yáng)程功率

3.3P-201A,B,C,D60m2kw

1.5P-202A,B,C,D100m4kw

1.8壓縮機(jī)進(jìn)口流量

4P-1015000m3/h

4閃蒸器直徑高度

8E-101A,B1.83

8過(guò)濾器S-1011.83.5

23分相器S-30123

33總合計(jì)4517.52千萬(wàn)元36成本利潤(rùn)分析：總操作費(fèi)用是有直接操作費(fèi)用、固定操作費(fèi)用和管理費(fèi)用三部分組成的。FixedCapitalInvestment(FCI)：11195.75萬(wàn)元/年(設(shè)備投資與廠房基建等費(fèi)用)CostofOperatingLabor(COL)：3000萬(wàn)元/年CostofUtilities(CUT)：1500萬(wàn)元/年CostofWasteTreatment(CWT)：800萬(wàn)元/年CostofRawMaterials(CRM)：105111.7萬(wàn)元/年COM=0