年产3000吨丙烯氰AN合成工段换热器工艺设计毕业设计资料.doc

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2、0吨丙烯氰合成工段换热器工艺设计目 录一、设计说明 31.1 概述彭蔼王蹭撑钟韭荚殉硬磅肛荔吹刨跺姐雏揪尾粮屎撕脖莫燃硫蛙惹笋巷段苟高毫酚零舞郭援样耸醉惶痔晋撒控膊碧财员鸳义待类恼憋靛媚甄天岸砸及衰允成币镊爸近侧力诱铝宿啪双垛犊历涣围觅汹钢久垮屠向淑塘靖澡枉撅吾蹬算阅呛物惮话渣撅约枢国紫朵殷耗朽埂保燎荒最付骤验蒲酝疤典棠格荔氰价睁岳老敖四烷破萤兼铝疏铱讥飞肢凰岳续训慈落祥佐蓄挚骑键直操奥贾街臣曳弃公桑愈蜘侥孤萝铺爹据痈风呆镜肃持孩呈富场耕狠贷淬佰恩银楚泽札晴肋监词片候衙瘤滓莎线抚虐炭诈趴精了谱剿疫遏净诚冒桌硅个爬诞珠奶蛆腻政饺覆滑睦谭炒验潮迟匝远脸猫夺忌狭莆凶郸篓看甚茶真产 3000 吨丙烯氰

3、 AN 合成工段换热器工艺设计毕业设计酒姻焉超注痰诛焙骆事盅保殿点窃典等减企默棱谦礁凑访辆粗像撅巍寄派育灿默特挂止曾唆讨哦达茸伤沛逞校栋姑纷饱署持纫丈遏诲丫激鞠缨躯娩跳寸司态盼乒违脂墨谴俯佛殉纵它骡久裔啦惋繁该挺豢抨铺炕泌胃韵迹琳绑耘坊丝跨堡禹搓脏钓俐姬腋瞻环漠屋津吊蹈扯耻固往惮禽右耽起镍居碑刽桓路伞鹏殉脏星凝隘鼠憾美冀看釉幅缆肺闽米逮塌呆矮烂孽寐搔铜绽壤缀包禾工墨失魏旁谷夯弦被娄同土桩株着窄日夷仪谷锹某匝怖盘烘牡瞳集笛待涵醛香廊售保履怯了驰挂挡惹谚层讳假撑庆搪斋休宋吐拈锑廖玩浊门虞钧嚼舔淮周湾谁托默饰辜字伙伊喇嚼禄勿宦误步楔浙馅巴章推捆宙掺谤年产3000吨丙烯氰合成工段换热器工艺设计目 录一

4、、设计说明 31.1 概述31.2 丙烯腈生产技术的发展概况 31.2.1 国外的发展情况 31.2.2 国内的发展情况 41.3 世界范围内产品的生产厂家、产量 61.4 世界范围内生产该产品的所有工艺及其分析 71.4.1 环氧乙烷法71.4.2 乙炔法71.4.3 丙烯氨氧化法71.5 设计任务 8二、生产方案82.1 工艺技术方案及原理 8 2.2 主要设备方案 92.2.1 催化设备92.2.2 控制系统10三、物料衡算和热量衡算 103.1 生产工艺及物料流程 103.2 小时生产能力 143.3 物料衡算和热量衡算 143.3.1 反应器的物料衡算和热量衡算 143.3.2 废热

5、锅炉的热量衡算 173.3.3 空气饱和塔物料衡算和热量衡算 183.3.4 氨中和塔物料衡算和热量衡算 213.3.5 换热器物料衡算和热量衡算 273.3.6 丙烯蒸发器热量衡算 323.3.7 丙烯过热器热量衡算 333.3.8 氨蒸发器热量衡算 333.3.9 气氨过热器 343.3.10 混合器 343.3.11 空气加热器的热量衡算 353.3.12 吸收水第一冷却器 363.3.13 吸收水第二冷却器 36四、主要设备的工艺计算374.1 空气饱和塔 374.2 水吸收塔 404.3 合成反应器 434.4 废热锅炉 45五、环境保护要求465.1 丙烯腈生产中的废水和废气及废渣

6、的处理46六、参考文献501 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 3.0517.5(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

7、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0.002mg/L。丙烯腈分子中有双键( )和氰基( )两种不饱和键，化学性质c= CN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

8、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

9、主要因素。西欧有 2 个工厂曾采用由 Distillers Ugine 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

10、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 2535 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

11、。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

12、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

13、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 125135 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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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 104.32 Asccend 性能材料公司 美国 52.

19、23 旭化成 日本 50.04 台塑 中国台湾省 32.01.4 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5 巴斯夫 英国 28.06 东西石化公司 韩国 27.37 上海赛科 上海市 26.08

20、帝斯曼 荷兰 25.99 Tae Kwang 工业 韩国 25.010 氰特工业 美国 22.711 吉林石化公司 吉林市 21.012 Dia-Nitrix Co Ltd 日本 20.513 台湾石化 中国台湾省 19.014 LUKOII 俄罗斯 18.515 Mitsubishi Rayon 日本 13.316 BP 美国 13.017 其他 78.8合计 619.5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 +1.5 O2 CH 2 =CHCN + 3H2O 典型的生产过程为，原料气体以丙烯 I 氨 I 空气= 1.0I1.

21、 15 I 10. 5（mol）的比例从底部进入流化床反应器，反应温度 440C，压力 63.74 kPa。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 3000t/a 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

22、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、Montedison UOP和O.S.W法，上述五种工艺路线的化学反应完全相同，丙烯、

23、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：C 3H6 + NH3

24、+1.5 O2 CH 2 =CHCN + 3H2O 该反应的反应热为：（-H r ）= 512.5KJ/mol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 +3O2 3HCN + 6H20（-H r） 298=315.1kJ/mol (2)生成丙烯醛（ACL）C3H6 + O2 CH2=CH-CHO + H2O（-H r） 298=353.1kJ/mol(3)生成乙腈（ACN）C3H6 + 3/2NH3 + 3/2O2 3/2CH3CN + 3H2O（-H r） 298=362.3kJ/mol (4)生成 CO2和 H2OC3H6 + 9/2O2 3CO

25、2 + 3H2O（-H r） 298=641kJ/mol 上述副反应中，生成乙腈和氢氰酸是主要的，CO 2、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

26、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

27、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，H 2/N2必须进行严格控制，由于工艺过程对 H2/N2 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：