化工產(chǎn)6萬(wàn)噸丙烯腈合成工段的初步設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)論文TOC\o"1-3"\h\u1丙烯腈的概論 11.1丙烯系產(chǎn)品的生產(chǎn) 11.2丙烯氨氧化生產(chǎn)丙烯腈 21.2.1丙烯腈的性質(zhì)和用途 21.2.2丙烯腈的生產(chǎn)方法 31.2.3反應(yīng)原理 31.2.4操作條件 41.2.5工藝流程 61.2.6典型設(shè)備－流化床反應(yīng)器 82總體方案工藝設(shè)計(jì) 102.1設(shè)計(jì)任務(wù) 102.2流程確定 103工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 123.1物料衡算與熱量衡算 123.1.1反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算 123.1.2廢熱鍋爐的物料衡算和熱量衡算 153.1.3空氣飽和塔物料衡算和熱量衡算 163.1.4氨中和塔物料衡算和熱量衡算 183.1.5換熱器物料衡算和熱量衡算 223.1.6水吸收塔物料衡算和熱量衡算 223.1.7空氣水飽和塔釜液槽 243.1.8丙烯蒸發(fā)器熱量衡算 253.1.9丙烯過濾器熱量衡算 253.1.10氨蒸發(fā)器熱量衡算 263.1.11氣氨過熱器 263.1.12混合器 263.1.13空氣加熱器的熱量衡算 273.2主要設(shè)備的工藝計(jì)算 283.2.1流化床合成反應(yīng)器 283.2.2空氣飽和塔 293.2.3丙烯蒸發(fā)器 324車間布置設(shè)計(jì) 344.1廠房建筑 344.2生產(chǎn)操作 344.3設(shè)備裝修 344.4安全要求 354.5車間布置說(shuō)明 355環(huán)境保護(hù)和安全措施要求 365.1丙烯腈生產(chǎn)中的三廢處理 365.2生產(chǎn)安全及防護(hù)措施 366結(jié)論 38參考文獻(xiàn) 39致謝 40附錄 41丙烯腈是一種無(wú)色、易燃易爆有刺激性臭味的液體，能自聚，在常溫、常壓下呈黃色。由于含有－CN，因此其有劇毒，空氣中最高允許濃度為45ppm。它是重要的基本有機(jī)原料之一，它與丁二烯共聚生成丁腈橡膠，是三大合成材料的重要單體。丙烯腈其用途十分廣泛。世界上大多數(shù)國(guó)家50％以上的丙烯腈用于生產(chǎn)腈綸纖維。我國(guó)用于生產(chǎn)腈綸的丙烯腈占80％以上。此外，丙烯腈還用于生產(chǎn)ABS、AS、丙烯酰胺、丁腈橡膠及丁腈膠乳、己二腈/己二胺、丙烯腈阻隔性樹脂、聚丙烯腈碳纖維等。

生產(chǎn)丙烯腈的方法主要有環(huán)氧乙烷法、乙炔法及丙烯氨氧化法。前兩種方法因?yàn)樵习嘿F，需要?jiǎng)《镜腍CN為原料，生產(chǎn)成本高，從而限制了丙烯腈生產(chǎn)的發(fā)展。而丙烯氨氧化法具有原料價(jià)廉易得，可一步合成、投資少、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。丙烯的主要來(lái)源有兩個(gè)，一是由煉油廠裂化裝置的煉廠氣回收；二是在石油烴裂解制乙烯時(shí)聯(lián)產(chǎn)所得。丙烯大部分一直來(lái)自煉油廠，近年來(lái)，由于裂解裝置建設(shè)較快，丙烯產(chǎn)量相應(yīng)提高較快。和世界市場(chǎng)一樣，近年來(lái)我國(guó)丙烯的發(fā)展速度也逐漸超過了乙烯。2000年，我國(guó)乙烯需求量478.89萬(wàn)噸，而丙烯的需求量卻達(dá)到498.85萬(wàn)噸，首次超過乙烯，之后丙烯的需求量一種保持在乙烯之上。與乙烯相似，由于丙烯分子中含有雙鍵和α-活潑氫，所以具有很高的化學(xué)反應(yīng)活性。在工業(yè)生產(chǎn)中，利用丙烯的加成反應(yīng)、氧化反應(yīng)、羧基化、烷基化及其聚合反應(yīng)等，可得一系列有價(jià)值的衍生物。丙烯是重要的有機(jī)化工原料，用于生產(chǎn)聚丙烯、異丙苯、羰基醇、丙烯腈、環(huán)氧丙烷、丙烯酸、異丙醇等。聚丙烯是我國(guó)丙烯最大的消費(fèi)衍生物。2003年，我國(guó)聚丙烯的產(chǎn)量為445.5萬(wàn)噸，消耗丙烯約444.0萬(wàn)噸，約占全國(guó)丙烯總消費(fèi)量的72.1%，；2004年我國(guó)聚丙烯產(chǎn)量為474.9萬(wàn)噸，消耗丙烯約480.0萬(wàn)噸，比2003年增長(zhǎng)約8.1%；丙烯腈是我國(guó)丙烯的第二大衍生物，2003年，我國(guó)丙烯腈的產(chǎn)量約為56.0萬(wàn)噸，消費(fèi)丙烯約62.7萬(wàn)噸，約占全國(guó)丙烯總消費(fèi)量的10.2%；2004年產(chǎn)量約為58.0萬(wàn)噸，消費(fèi)丙烯約為65.0萬(wàn)噸，比2003年增長(zhǎng)約3.7%；環(huán)氧丙烷是我國(guó)丙烯的第三大消費(fèi)衍生物，2003年，全國(guó)環(huán)氧丙烷的產(chǎn)量約為39.8萬(wàn)噸，消耗丙烯約35.8萬(wàn)噸，約占全國(guó)丙烯總消費(fèi)量的5.8%；2004年產(chǎn)量約為42.0萬(wàn)噸，消耗丙烯約37.8萬(wàn)噸，比2003年增長(zhǎng)約13.1%；丁醇和辛醇也是丙烯的主要衍生物之一，2003年我國(guó)丁辛醇的產(chǎn)量合計(jì)約為45.35萬(wàn)噸,共消耗丙烯約40.7萬(wàn)噸,約占全國(guó)丙烯總消費(fèi)量的6.6%；2004年產(chǎn)量合計(jì)為44.91萬(wàn)噸，共消耗丙烯約40.3萬(wàn)噸，比2003年減少約1.0%；2003年用于生產(chǎn)其它化工產(chǎn)品如苯酚、丙酮和丙烯酸等方面的丙烯消費(fèi)量約為10.9萬(wàn)噸，約占全國(guó)丙烯總消費(fèi)量的1.8%；2004年消費(fèi)量約為11.5萬(wàn)噸。丙烯腈在常溫下是無(wú)色透明液體，味甜，微臭，沸點(diǎn)77.5℃，凝固點(diǎn)-83.3℃，閃點(diǎn)0℃，自燃點(diǎn)481℃?？扇苡谟袡C(jī)溶劑如丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和乙醇中，與水部分互溶，20℃時(shí)在水中的溶解度為7.3％(w)，水在丙烯腈中的溶解度為3.1％(w)。其蒸氣與空氣形成爆炸混合物，爆炸極限為3.05～17.5％(v)。丙烯腈和水、苯、四氯化碳、甲醇、異丙醇等會(huì)形成二元共沸混合物，和水的共沸點(diǎn)為71℃，共沸物中丙烯腈的含量為88％(w)，在有苯乙烯存在下，還能形成丙烯腈-苯乙烯-水三元共沸混合物。丙烯腈劇毒，其毒性大約為氫氰酸毒性的十分之一，能灼傷皮膚，低濃度時(shí)刺激粘膜，長(zhǎng)時(shí)間吸入其蒸氣能引起惡心，嘔吐、頭暈、疲倦等，因此在生產(chǎn)、貯存和運(yùn)輸中，應(yīng)采取嚴(yán)格的安全防護(hù)措施，工作場(chǎng)所內(nèi)丙烯腈允許濃度為0.002mg/L。丙烯腈是三大合成的重要單體，目前主要用它生產(chǎn)聚丙烯腈纖維(商品名叫“腈綸”)。其次用于生產(chǎn)ABS樹脂(丙烯腈—丁二烯—苯乙烯的共聚物)，和合成橡膠(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樹脂的單體。丙烯腈電解加氫，偶聯(lián)制得的己二腈，是生產(chǎn)尼龍—66的原料。1952年以后世界各國(guó)相繼建立了乙炔與氫氰酸合成丙烯腈的工廠。本方法比上兩法技術(shù)先進(jìn)、工藝過程簡(jiǎn)單，但丙烯腈分離提純較為困難，需大量電能生產(chǎn)電石。雖然這一方法曾被世界各國(guó)普遍采用，但生產(chǎn)發(fā)展受到地區(qū)資源的限制。由于以上生產(chǎn)方法原料貴，需用劇毒的HCN為原料引進(jìn)—CN基，生產(chǎn)成本高。限制了丙烯腈生產(chǎn)的發(fā)展。1959年開發(fā)成功了丙烯氨氧化—步合成丙烯睛的新方法，該法具有原料價(jià)廉易得、工藝流程簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少、產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低等許多優(yōu)點(diǎn)，使其1960年就在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用，很快取代了乙炔法，迅速推動(dòng)了丙烯腈生產(chǎn)的發(fā)展，成為世界各國(guó)生產(chǎn)丙烯腈的主要方法。(1)主、副反應(yīng)CH=CH-CH3+NH3+3/2O2→CH2=CH-CN+3H2OCH2=CHCH3+3NH3+3O2→3HCN+6H2O氫氰酸的生成量約占丙烯腈質(zhì)量的1/6。CH2=CHCH3+3/2NH3+3/2O2→3/2CH3CN+3H2OCH2=CHCH3+O2→CH2=CHCHO+H2O丙烯醛的生成量約占丙烯腈質(zhì)量的1/100CH2=CHCH3+9/2O2→3CO2+3H2O二氧化碳的生成量約占丙烯腈質(zhì)量的1/4，它是產(chǎn)量最大的副產(chǎn)物。(2)催化劑工業(yè)上用于丙烯氨氧化反應(yīng)的催化劑主要有兩大類，一類是復(fù)合酸的鹽類(鉬系)，如磷鉬酸鉍、磷鎢酸鉍等；另一類是重金屬的氧化物或是幾種金屬氧化物的混合物(銻系)，例如Sb、Mo、Bi、V、W、Ce、U、Fe、Co、Ni、Te的氧化物，或是Sb—Sn氧化物，Sb—U氧化物等。我國(guó)目前采用的主要是第一類催化劑。鉬系代表性的催化劑有美國(guó)Sohio公司的C-41、C-49及我國(guó)的MB-82、MB-86。一般認(rèn)為，其中Mo—Bi是主催化劑，P—Ce是助催化劑，具有提高催化劑活性和延長(zhǎng)催化劑壽命的作用。按質(zhì)量計(jì)，Mo—Bi占活性組分的大部分，單一的MoO3雖有一定的催化活性，但選擇性差，單一的Bi03對(duì)生成丙烯腈無(wú)催化活性，只有二者的組合才表現(xiàn)出較好的活性、選擇性和穩(wěn)定性。單獨(dú)使用P—Ce時(shí)，對(duì)反應(yīng)不能加速或極少加速，但當(dāng)它們和Mo—Bi配合使用時(shí)，能改進(jìn)MO—Bi催化劑的性能。一般來(lái)說(shuō)，助催化劑的用量在5％以下。載體的選擇也很重要，由于反應(yīng)是強(qiáng)放熱，所以工業(yè)生產(chǎn)中采用流化床反應(yīng)器。流化床反應(yīng)器要求催化劑強(qiáng)度高，耐磨性能好，故采用粗孔微球型硅膠作為催化劑的載體。(1)原料純度(2)原料的配比a.丙烯與氨的配比（氨比）在實(shí)際投料中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氨比小于理論值1:1時(shí)，有較多的副產(chǎn)物丙烯醛生成，氨的用量至少等于理論比。但用量過多也不經(jīng)濟(jì)，既增加了氨的消耗量，又增加了硫酸的消耗量，因?yàn)檫^量的氨要用硫酸去中和，所以又加重了氨中和塔的負(fù)擔(dān)。因此，丙烯與氨的摩爾比，應(yīng)控制在理論值或略大于理論值，即丙烯:氨＝1:1～1.2左右。b.丙烯與空氣的配比（氧比）丙烯氨氧化所需的氧氣是由空氣帶入的。目前，工業(yè)上實(shí)際采用的丙烯與氧的摩爾比約為l:2～3（大于理論值1:1.5），采用大于理論值的氧比，主要是為了保護(hù)催化劑，不致因催化劑缺氧而引起失活。反應(yīng)時(shí)若在短時(shí)間內(nèi)因缺氧造成催化劑活性下降，可在540℃溫度下通空氣使其再生，恢復(fù)活性。但若催化劑長(zhǎng)期在缺氧條件下操作，雖經(jīng)再生，活性也不可能全部恢復(fù)。因此，生產(chǎn)中應(yīng)保持反應(yīng)后氣體中有2％（按體積計(jì)）的含氧量。但空氣過多也會(huì)帶來(lái)一些問題，如使丙烯濃度下降，影響反應(yīng)速度，從而降低了反應(yīng)器的生產(chǎn)能力；促使反應(yīng)產(chǎn)物離開催化劑床層后，繼續(xù)發(fā)生深度氧化反應(yīng)，使選擇性下降；使動(dòng)力消耗增加；使反應(yīng)器流出物中產(chǎn)物濃度下降，影響產(chǎn)物的回收。因此，空氣用量應(yīng)有一適宜值。c.丙烯與水蒸氣的配比（水比）丙烯氨氧化的主反應(yīng)并不需要水蒸氣參加。但根據(jù)該反應(yīng)的特點(diǎn)，在原料中加入一定量水蒸氣有多種好處，如可促使產(chǎn)物從催化劑表面解吸出來(lái)，從而避免丙烯腈的深度氧化；若不加入水蒸氣，原料混合氣中丙烯與空氣的比例正好處于爆炸范圍內(nèi)，加入水蒸氣對(duì)保證生產(chǎn)安全有利；水蒸氣的熱容較大，又是一種很好的稀釋劑，加入水蒸氣可以帶走大量的反應(yīng)生成熱，使反應(yīng)溫度易于控制；加入水蒸氣對(duì)催化劑表面的積炭有清除作用。另一方面，水蒸氣的加入，勢(shì)必降低設(shè)備的生產(chǎn)能力，增加動(dòng)力消耗。當(dāng)催化劑活性較高時(shí)，也可不加水蒸氣。因此，發(fā)展趨勢(shì)是改進(jìn)催化劑性能，以便少加或不加水蒸汽。從目前工業(yè)生產(chǎn)情況來(lái)看，當(dāng)丙烯與加入水蒸氣的摩爾比為1:3時(shí)，綜合效果較好。(3)反應(yīng)溫度溫度是影響丙烯氨氧化的一個(gè)重要因素。當(dāng)溫度低于350℃時(shí)，幾乎不生成丙烯腈。要獲得丙烯腈的高收率，必須控制較高的反應(yīng)溫度。溫度的變化對(duì)丙烯的轉(zhuǎn)化率、丙烯腈的收率、副產(chǎn)物氫氰酸和乙腈的收率以及催化劑的空時(shí)收率都有影響。當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí)，丙烯轉(zhuǎn)化率、丙烯腈收率都明顯地增加，而副產(chǎn)物乙腈和氫氰酸收率則有所增加。隨著溫度的升高，丙烯腈收率和乙腈收率都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值，丙烯腈收率的最大值所對(duì)應(yīng)的溫度大約在460℃左右，乙腈收率最在值所對(duì)應(yīng)的溫度大約在417℃左右。生產(chǎn)中通常采用在460℃左右進(jìn)行操作。另外，在457℃以上反應(yīng)時(shí)，丙烯易于與氧作用生成大量CO2，放熱較多，反應(yīng)溫度不易控制。再者，過高的溫度也會(huì)使催化劑的穩(wěn)定性降低。(4)接觸時(shí)間丙烯氨氧化反應(yīng)是氣—固相催化反應(yīng)，反應(yīng)是在催化劑表面進(jìn)行的。因此，原料氣和催化劑必須有一定的接觸時(shí)間，使原料氣能盡量轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物。一般說(shuō)來(lái)，適當(dāng)增加接觸時(shí)間，可以提高丙烯轉(zhuǎn)化率和丙烯腈收率，而副產(chǎn)物乙腈、氫氰酸和丙烯醛的收率變化不大，這對(duì)生產(chǎn)是有利的。但是，增加接觸時(shí)間是有限度的，過長(zhǎng)的接觸時(shí)間會(huì)使丙烯腈深度氧化的機(jī)會(huì)增大，反而使丙烯腈收率下降。同時(shí)，過長(zhǎng)的接觸時(shí)間，還會(huì)降低設(shè)備的生產(chǎn)能力，而且由于尾氣中氧含量降低而造成催化劑活性下降，故接觸時(shí)間一般為5～l0s。(5)反應(yīng)壓力丙烯氨氧化生產(chǎn)丙烯腈的工藝流程如圖1—1所示。原料丙烯經(jīng)蒸發(fā)器（29）蒸發(fā)，氨經(jīng)蒸發(fā)器（28）蒸發(fā)后，進(jìn)行過熱、混合，從流化床底部經(jīng)氣體分布板進(jìn)入反應(yīng)器（1），原料空氣經(jīng)過濾由空壓機(jī)送入反應(yīng)器（1）錐底，原料在催化劑作用下，在流化床反應(yīng)器中進(jìn)行氨氧化反應(yīng)。反應(yīng)尾氣經(jīng)過旋風(fēng)分離器（2）捕集生成氣夾帶的催化劑顆粒，然后進(jìn)入尾氣冷卻器（3）用水冷卻，再進(jìn)入急冷塔（4）。氨氧化反應(yīng)放出大量的熱，為了保持床層溫度穩(wěn)定，反應(yīng)器中設(shè)置了一定數(shù)量的U型冷卻管，通入高壓熱水，借水的汽化潛熱移走反應(yīng)熱。經(jīng)反應(yīng)后的氣體進(jìn)入急冷塔（4），通過高密度噴淋的循環(huán)水將氣體冷卻降溫。反應(yīng)器流出物料中尚有少量未反應(yīng)的氨，這些氨必須除去。因?yàn)樵诎贝嬖谙?，堿性介質(zhì)中會(huì)發(fā)生一些不希望發(fā)生的反應(yīng)，如氫氰酸的聚合、丙烯醛的聚合、氫氰酸與丙烯醛加成為氰醇、氫氰酸與丙烯腈加成為丁二腈，以及氨與丙烯腈反應(yīng)生成氨基丙腈等。生成的聚合物會(huì)堵塞管道，而各種加成反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物丙烯腈和副產(chǎn)物氫氰酸的損失。因此，冷卻的同時(shí)需向塔中加入硫酸以中和未反應(yīng)的氨。工業(yè)上采用硫酸濃度為1.5％(w)左右，中和過程也是反應(yīng)物料的冷卻過程，故急冷塔也叫氨中和塔。反應(yīng)物料經(jīng)急冷塔除去未反應(yīng)的氨并冷至40℃左右后，進(jìn)入水吸收塔（5），利用合成氣體中的丙烯腈、氫氰酸和乙腈等產(chǎn)物，與其它氣體在水中溶解度相差很大的原理，用水作吸收劑回收合成產(chǎn)物。通常合成氣體由塔釜進(jìn)入，水由塔頂加入，使它們進(jìn)行逆流接觸，以提高吸收效率。吸收產(chǎn)物后的吸收液應(yīng)不呈堿性，含有氰化物和其它有機(jī)物的吸收液由吸收塔釜泵送至回收塔（8）。其它氣體自塔頂排出，所排出的氣體中要求丙烯腈和氫氰酸含量均小于2×l0-5。利用回收塔（8）對(duì)吸收液中的丙烯腈和乙腈進(jìn)行分離，由回收塔側(cè)線氣相抽出的含乙腈和水蒸氣的混合物送至乙腈塔（14）釜，以回收副產(chǎn)品乙腈；乙腈塔頂蒸出的乙腈水混合蒸汽經(jīng)冷凝、冷卻后送至乙腈回收系統(tǒng)回收或者燒掉。乙腈塔釜液經(jīng)提純可得含少量有機(jī)物的水，這部分水再返回到回收塔（8）中作補(bǔ)充水用。從回收塔頂蒸出的丙烯腈、氫氰酸、水等混合物經(jīng)冷凝、冷卻進(jìn)入分層器（12）中。依靠密度差將上述混合物分為油相和水相，水相中含有一部分丙烯腈、氫氰酸等物質(zhì)，由泵送至脫氰塔（14）以脫除氫氰酸。回收塔釜含有少量重組分的水送至廢水處理系統(tǒng)。含有丙烯腈、氫氰酸、水等物質(zhì)的物料進(jìn)入脫氰塔（15）中，通過再沸器加熱，使輕組分氫氰酸從塔頂蒸出，經(jīng)冷凝、冷卻后送去再加工。由脫氰塔側(cè)線抽出的丙烯腈、水和少量氫氰酸混合物料在分層器（17）中分層，富水相送往急冷塔或回收塔回收氰化物，富丙烯腈相再由泵送回本塔進(jìn)一步脫水，塔釜純度較高的丙烯腈料液由泵送到成品塔（21）。由成品塔頂蒸出的蒸汽經(jīng)冷凝后進(jìn)入塔頂作回流，由成品塔釜抽出的含有重組分的丙烯腈料液送入急冷塔中回收丙烯腈，由成品塔側(cè)線液相抽出成品丙烯腈經(jīng)冷卻后送往成品中間罐。丙烯氨氧化的反應(yīng)裝置多采用流化床反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)如圖1—2所示。流化床反應(yīng)器按其外形和作用分為三個(gè)部分，即床底段、反應(yīng)段和擴(kuò)大段。反應(yīng)段是反應(yīng)器中間的圓筒部分，其作用是為化學(xué)反應(yīng)提供足夠的反應(yīng)空間，使化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行完全。催化劑受氣體的吹動(dòng)而呈流化狀，主要集中在這一部分，催化劑粒子的聚集密度最大，故又稱濃相段。為排出反應(yīng)放出的熱量，在濃相段設(shè)置一定數(shù)量的垂直U形管，管中通入高壓軟水，利用水的汽化帶出反應(yīng)熱，產(chǎn)生的蒸汽可作能源。擴(kuò)大段是指反應(yīng)器上部比反應(yīng)段直徑稍大的部分，其中安裝了串聯(lián)成二級(jí)或三級(jí)的旋風(fēng)分離器，它的主要作用是回收氣體離開反應(yīng)段時(shí)帶出的一部分催化劑。在擴(kuò)大段中催化劑的聚集密度較小，故也稱為稀相段。2.1設(shè)計(jì)任務(wù)（2）生產(chǎn)方法以丙烯、氨、空氣為原料，用丙烯氨氧化法合成丙烯腈。（3）生產(chǎn)能力年產(chǎn)60000噸丙烯腈。（4）原料組成液態(tài)丙烯原料含丙烯85%（mol）,丙烷15%（mol）；液態(tài)氨原料含氨100%。（5）工段產(chǎn)品為丙烯腈水溶液，含丙烯腈1.8%(wt)。2.2流程確定液態(tài)丙烯和液態(tài)氨分別經(jīng)丙烯蒸發(fā)器和氨蒸發(fā)器氣化，然后分別在丙烯過熱器和氨氣過熱過熱到需要的溫度后進(jìn)入混合器：經(jīng)過壓縮后的空氣先通過空氣飽和塔增濕，經(jīng)過空氣加熱器預(yù)熱到一定的溫度再進(jìn)入混合器?；旌蠚獬隹诘母邷貧怏w經(jīng)過廢熱鍋爐回收熱量，氣體冷卻到230℃左右進(jìn)入氨中和塔，在70~80℃下用硫酸吸收反應(yīng)器出口氣體中未反應(yīng)的氨，中和塔塔底的含硫酸銨的酸液經(jīng)過循法冷卻器除去吸熱再返回塔頂循環(huán)使用,同時(shí)補(bǔ)充部分新鮮的酸液，并從塔釜排放一部分含硫酸銨的廢液，中和塔出口氣體經(jīng)換熱器冷卻后進(jìn)入水吸收塔，用5~10℃的水吸收丙烯腈和其他副產(chǎn)物，水吸收塔塔底得到含丙烯腈約1.8%的丙烯腈水溶液，經(jīng)換熱器與氨中和塔出口氣體換熱，溫度升高后去精制工段。3.1.1反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算3kg/hkg/h3.1.2廢熱鍋爐的物料衡算和熱量衡算3.1.3空氣飽和塔物料衡算和熱量衡算0.022×90420=1990kg3.1.4氨中和塔物料衡算和熱量衡算(3)熱衡算d.熱衡算求循環(huán)冷卻器的熱負(fù)荷和冷卻水用量Q1+Q3+Q4+Q5+Q6+Q8=Q7+Q2+Q9換熱器換熱器AN溶液去精制AN溶液來(lái)自水吸收塔氣體來(lái)自氨中和塔氣液混合物去水吸收塔76°C40°C(1)計(jì)算依據(jù)進(jìn)口氣體76℃，組成和流量與氨中和塔出口氣相同出口氣體溫度40℃，操作壓力115.5kPa(2)物料衡算出口氣體溫度40℃，40℃飽和蒸汽壓力為=55.32mmHg=7.375kPa設(shè)出口氣體中含有xkmol/h的蒸汽，根據(jù)分壓定律有：解得x=21.9kmol/h=394.2kg/h蒸汽的冷凝量為2357.4-394.2=1963kg/ha.換熱器入口氣體帶入熱Q1=9.46×105kJ/hb.蒸汽冷凝放熱Q2Q2=19630×2401.1=47.14×106kJ/hc.冷凝液帶出熱Q3=19630×4.184（40-0）=32.85×105kJ/hd.出口氣體帶出熱Q4出口氣體各組分在0~40℃的平均比熱容如下：Q4=44.58×105kJ/he.熱衡算求換熱器的熱負(fù)荷熱平衡方程：Q1+Q2=Q3+Q4+Q5解得Q5=50.75×106kJ/h3.1.6水吸收塔物料衡算和熱量衡算(1)計(jì)算依據(jù)a.入塔氣流量和組成與換熱器出口氣相同b.入塔氣溫度40℃,壓力112kPa。出塔氣溫度10℃，壓力101kPac.入塔吸收液溫度5℃d.出塔AN溶液中含AN1.8%（wt）（2）物料衡算a.進(jìn)塔物流流量和組成與換熱器出口相同b.出塔氣量和組成設(shè)入塔氣中的AN、HCN、ACL、CAN等組分全部被水吸收，，，，，等組分不溶于水，則出塔氣中含有水蒸氣的量：出塔氣總量為：1659.6+2223+5069+69362+4532+625=83496kg/hc.塔頂加入的吸收水量（a）出塔AN溶液總量9429.6/0.018=505867kg/h（b）塔頂加入的吸收水量作水吸收塔的總質(zhì)量衡算得：入塔吸收液量=塔底AN溶液量+出塔氣體總量-入塔氣量-凝水量=505867+83496-98760-19630=470970kg/hd.塔底AN溶液的組成和量=470970+3940+19630-625=493920kg/hQ1=44.03×105kJ/hQ2=19630×4.184(40-0)=32.85×105kJ/hc出塔氣帶出熱Q3Q3=88.61×105kJ/hd吸收水帶入熱Q4Q4=98.53×105kJ/he.出塔AN溶液帶出熱Q5Q5=2094442tf.水冷凝放熱Q6Q6=22560×3311.1=74.7×105kJ/hg.AN、ACN、ACL、HCN等氣體的溶解放熱Q7溶解熱=冷凝熱AN、ACN、ACL、HCN的冷凝熱表3-11AN、ACN、ACL、HCN的冷凝熱Q7=9106×610.9+1230×765.7+11.22×493.7+1508×937.2=7.974×109kJ/h熱平衡方程Q1+Q2+Q3+Q4+Q6+Q7=Q3+Q5t=15.33℃（1）空氣飽和塔液體進(jìn)出口流量和液體的溫度由空氣飽和塔物料和熱衡算確定；去水吸收塔的液體流量由水吸收塔物料衡算的確定，排污量按乙腈解析塔來(lái)的塔釜液量的15%考慮；乙腈解析塔塔釜液量和去萃取解析塔的液體量由精致系統(tǒng)的物料衡算確定。（2）物料衡算進(jìn)料：a.乙腈解析塔釜液入槽量=679800-285000=394800kg/hb.空氣飽和塔塔低液入槽量=271529-102000=169529kg/hc.入槽軟水量xkg/h出料：a.去水吸收塔液體量470980kg/hb.去萃取解析塔液體量180000kg/h做液體釜的總質(zhì)量平衡得39480+16952.9+x=47098+180000解得x=86651kg/h（3）熱量衡算a.入槽乙腈解析塔釜液帶入熱Q1Q1=394800×4.184（105-0）=1.734×108KJ/hb.入槽軟水帶入熱Q2Q2=86651×4.184（30-0）=1.088×107KJ/hc.空氣飽和塔底液帶入熱Q3Q3=169529×4.184（79-0）=5.604×107KJ/hd.去吸收塔液體帶出熱Q4Q4=470980×4.184（t-0）=1970580tKJ/he.去萃取解析塔帶出熱Q5Q5=180000×4.184（t-0）=753120tKJ/hf.熱衡算求槽出口液體溫度t熱損失按5%算，熱平衡方程為0.95（Q1+Q2+Q3）=Q4+Q5代入數(shù)據(jù)：0.95×（1.734×10+1.088×10+5.604×10）=（1970580+753120）t解得t=83.82℃計(jì)算依據(jù)蒸發(fā)壓力0.405Mpa；加熱劑用0℃的冷鹽水，出口溫度-2℃；丙烯蒸發(fā)量12028kg/h（2）有關(guān)資料a.0.405Mpa下丙烯的沸點(diǎn)為-13℃，汽化熱410KJ/kgb.0.405Mpa下丙烷的沸點(diǎn)為-5℃，汽化熱376.6KJ/kg（3）熱衡算秋丙烯蒸發(fā)器的熱負(fù)荷和冷凍鹽水用量a.丙烯蒸發(fā)吸收的熱Q1Q1=12028×410=4.931×10KJ/hb.丙烷蒸發(fā)吸收的熱Q2Q2=2224×376.6=8.376×10KJ/hc.丙烯蒸發(fā)器的熱負(fù)荷Q冷損失按10%考慮Q=1.1（4.931×10+8.376×10）=6.345×10KJ/h冷凍鹽水用量平均溫度（-1℃）下，冷凍鹽水比熱容3.47KJ/(kg.K)冷凍鹽水用量為W==914270kg/h（1）計(jì)算依據(jù)丙烯進(jìn)口溫度-13℃，出口溫度65℃，用0.405Mpa蒸汽為加熱劑。（2）熱衡算求丙烯過熱器熱負(fù)荷和加熱蒸汽量丙烯氣的比熱容為1.464KJ/(kg.K)，丙烷氣比熱容1.715KJ/(kg.K)，熱損失按10%考慮，需要加熱蒸汽提供的熱量為Q=1.1（120200×1.464+22240×1.715）[65-(-13)]=1.837×10KJ/h加熱蒸汽量為W==8590kg/h上式中2138KJ/kg是0.405Mpa蒸汽的冷凝熱（1）計(jì)算依據(jù)a.蒸發(fā)壓力0.405Mpa。b.加熱劑用0.405Mpa飽和蒸汽，冷凝熱為2138KJ/h（2）有關(guān)資料0.405Mpa下氨的蒸發(fā)溫度為-7℃，汽化熱為1276KJ/kg（3）熱衡算求氨蒸發(fā)器的熱負(fù)荷和加熱蒸汽用量冷損失按10%考慮，氨蒸發(fā)器的熱負(fù)荷QQ=5110×1276×1.1=71.72×10KJ/h加熱蒸汽量W==3350kg/h（1）計(jì)算依據(jù)a.氣氨進(jìn)口溫度-7℃，出口溫度65℃b.用0.405Mpa蒸汽為加熱劑。c.氣氨流量511kg/h熱衡算求其氣氨過熱器的熱負(fù)荷和加熱蒸汽用量氨氣的比熱容為2.218KJ/(kg.K)，冷損失按10%算。氣氨過熱器的熱負(fù)荷為Q=5110×2.218{65-（-7）}×1.1=8.977×10KJ/h加熱蒸汽用量為（1）計(jì)算依據(jù)氣氨進(jìn)口溫度65℃，流量511kg/h丙烯氣進(jìn)口溫度65℃，流量1202.8kg/h，丙烷氣進(jìn)口溫度65℃，流量222.4kg/h出口混合氣溫度110℃。濕空氣來(lái)自空氣加熱器（2）熱衡算求進(jìn)口濕空氣的溫度t以0℃為熱衡算基準(zhǔn)。在0~65℃的平均比熱容表3-12氣態(tài)丙烯丙烷帶入熱Q1Q1Q1=（12028×1.569+2224×1.82）（65-0）=1.489×10KJ/hb.氣氨帶入熱Q2××Q30~1361.046KJ/(kg.K)1.84KJ/(kg.K)1.925KJ/(kg.K)Q3=（6936.2×1.046+2107.1×1.841+1546.1*1.925）×10（t-0）=141140tKJ/he.混合器出口氣體帶出熱Q4Q4=（1202.8×1.569+222.4×1.829+511×2.197+6936.2×1.046+2107.1×1.841+1546.1×1.925）×10（110-0）=1.928×10KJ/hf.熱衡算求進(jìn)口濕空氣的溫度t熱損失按10%考慮熱衡算方程：0.9(Q1+Q2+Q3)=Q4代入數(shù)據(jù)得0.9（1.489×10+7.301×10+141140t）=1.928×10解得t=136℃a.入口空氣溫度90℃，出口空氣溫度136℃.b.空氣的流量和組成表3-13空氣的流量和組成（2）熱衡算求空氣加熱器的熱負(fù)荷和加熱蒸汽量和蒸汽90~136℃的平均比熱容分別為1.046KJ/(kg.K)，1.84KJ/(kg.K)，1.925KJ/(kg.K)。Q=（69362×1.046+21071×1.841+15461×1.925）（136-90）×1.1=7.141×10KJ/h用0.608Mpa蒸汽為加熱劑，其飽和溫度為164.2℃，冷凝熱為2066KJ/kg，加熱蒸汽用量為W==3460kg/h（1）計(jì)算依據(jù)a.出口氣體流量4780kmol/h；入口氣體流量4633kmol/h。b.氣體進(jìn)口壓力0.203mPa；出口壓力0.162mPa。c.反應(yīng)溫度470℃，氣體離開稀相段的溫度為360℃流化床內(nèi)的換熱裝置以水為冷卻劑，產(chǎn)生0.405Mpa（143℃）的飽和蒸汽。e.接觸時(shí)間10s（2）濃相段直徑因反應(yīng)過程總物質(zhì)的量增加，故按出口處計(jì)算塔徑比較安全出口處氣體體積流量為V=4780×22.4×=145480=40.41取空床線速1.2m/s濃相段直徑為=6.55m取流化床濃相段直徑為7m（3）濃相段高度按接觸時(shí)間10s算，推化劑的堆體積為=404.1靜床高=25.21m取膨脹比為2，則濃相段高度為=50.42m取濃相段高51m校核推化劑的堆密度為640推化劑的品質(zhì)W=404.1×640=258620kg=258.6t推化劑負(fù)荷為=0.923mol實(shí)驗(yàn)裝置的推化劑負(fù)荷可達(dá)到1.77mol，本設(shè)計(jì)的值小于實(shí)驗(yàn)值，是可靠的。（4）擴(kuò)大段（此處即稀相段）直徑取擴(kuò)大段氣速為操作氣速的一半即u=0.4m/s氣體流量為=155300=43.1擴(kuò)大段直徑為d==11.71m取12m擴(kuò)大段高度根據(jù)流化床直徑12m，空塔氣速1.2m/s，查圖得/D=0.6稀相段高度2D=0.6×12=7.2m取7.5m濃相段冷去裝置的換熱面積換熱裝置用套管式，總差傳熱系數(shù)取233換熱裝置的熱負(fù)荷已由熱衡算求出Q=1.013×=2.813×換熱面積為F=（7）稀相段冷卻裝置的換熱面積用套管式換熱裝置，水為冷卻劑，產(chǎn)生0.405Mpa（143℃）蒸汽。總傳熱系數(shù)取20，換熱裝置熱負(fù)荷為Q=2.252×=6.256×又=267℃換熱面積為=1171.7取30%設(shè)計(jì)裕量，則換熱面積為1500（1）計(jì)算依據(jù)a.進(jìn)塔空氣的組成和流量

表3-14進(jìn)塔空氣的組成和流量b.出塔空氣的組成和流量表3-15出塔空氣的組成和流量c.塔頂噴淋液量285000kg/h，溫度105℃d.塔底排出液量271529kg/h，溫度79℃.e.塔底壓力0.263Mpa，塔頂壓力0.243Mpaf.入塔氣溫度170℃，出塔氣溫度90℃.g.填料用50×50×4.5陶瓷拉西環(huán)（亂堆）塔徑的確定拉西環(huán)的泛點(diǎn)速度計(jì)算公式為=0.022-1.75式中——泛點(diǎn)空塔氣速，m/s；g——重力加速度，9.81m/；_____干填料因子，；——?dú)庀嗪鸵合嗝芏龋?；L，G——?dú)庀嗪鸵合嗔髁浚琸g/h；——液體的粘度，mPa.(cP)。50×50瓷拉西環(huán)的干填料因子為177。=958L=28500kg/hG=10591.8kg/h=0.282mPa.s把數(shù)據(jù)帶入（3-3）式：解得=1.743m/s泛點(diǎn)率取75%，則氣體空塔速度為：W=0.75×13743=1.307m/s出塔操作條件下的氣量；49580=13.77d=1.16×3.67m=975L=27152.9kg/hG=9244.4kg/h=0.38mPa.s把數(shù)據(jù)帶入（3-3）式解得=1.721m/sw=0.75=0.75×1.721=1.291m/sV=3247×22.445470=12.6d==1.12×=3.54m取塔徑為3.8ma.丙烯在管外蒸發(fā)，蒸發(fā)壓力為0.405Mpa，蒸發(fā)溫度-13℃，管內(nèi)用0℃的冷凍鹽水（17.5%NaOH水溶液）與丙烯換熱，冷凍鹽水出口溫度-2℃。b.丙烯蒸發(fā)量12026kg/h，冷凍鹽水用量913460kg/h。c.丙烯蒸發(fā)器熱負(fù)荷6.344×。a.管內(nèi)給熱系數(shù)蒸發(fā)器內(nèi)安裝38×3.5的U型鋼管100根1u=>湍流=118.66b.管外液體丙烯沸騰給熱系數(shù)=2326。冷凍鹽水方污垢熱阻取0.264×，丙烯蒸發(fā)側(cè)污垢熱阻取0.176×，鋼管導(dǎo)熱系數(shù)45w/(m.k).傳熱平均溫差熱端溫差0-（-13）=13℃，冷端溫差-2-（-13）=11℃，傳熱平均溫差℃熱負(fù)荷Q=6.344×=1.762×換熱面積為A==123取安全系數(shù)1.2，則換熱面積1504.1廠房建筑4.2生產(chǎn)操作4.3設(shè)備裝修要4.5車間布置說(shuō)明丙烯腈裝置的廢水來(lái)源主要是反應(yīng)生成水和工藝過程用水。因反應(yīng)條件和采用的催化劑不同,各主、副反應(yīng)物的單程收率不會(huì)一樣,生成水量也會(huì)有所差別。工藝過程用水包括分離合成產(chǎn)物過程用的吸收水和萃取水,反應(yīng)器用的稀釋蒸氣(有些催化劑不用),和蒸餾塔用的直接蒸氣(最終冷凝成水)。在提純丙烯腈、乙腈、氫氰酸的加工過程中需將水分離、排放。這些排放水中有含氰毒物、聚合物、無(wú)機(jī)物(硫酸銨、催化劑粉塵等),在排放前都需要經(jīng)過處理。例如,氨中和塔釜液經(jīng)廢水塔處理后,含丙烯腈100～300mg/l,乙腈100～200mg/l,氫氰酸1000～1500mg/l,化學(xué)需氧量20000～30000mg/l