产15万吨丙烯腈生产工艺终改详解

（2015届）

本科毕业设计（论文）资料

2015届

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第一部分  毕业论文

（2015届）

本科毕业论文

湖南工业大学

本科毕业论文（设计）诚信声明

本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目《年产15万吨丙烯腈生产工艺设计》是本人在指导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文章以明确方式注明。除此之外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明应承担的责任。

作者签名：（签名和日期都用手写）

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摘要

丙烯腈是石油化学工业的重要产品，是有机化工常用的基本原料，广泛应用于三大合成工业。本文采用的生产丙烯腈的方法为丙烯氨氧化法，此方法使用的原料价格比较低廉、来源广泛，且反应简单易于操作。依照世界各国生产厂家积累的经验，选取具有较高效能的催化剂，以此建一15万吨/年的丙烯腈生产车间，使车间的综合性能在原有的基础上明显提高，生产效率进一步提升，工艺控制更加优化，明显的降低了生产成本。通过对丙烯氨氧化法制丙烯腈进行技术分析，确定合适的工艺流程并绘制出工艺流程图，对从原料的处理到丙烯腈的合成工段的一系列设备进行设计，对氨蒸发器、丙烯过热器、废热锅炉和流化床反应器等设备的进行衡算，在衡算的基础上进一步核算对流化床反应器、换热器以及废热锅炉等设备做出了选型，对合成丙烯腈工艺设备进行了初步的设计。

关键词：丙烯腈；丙烯氨氧化法；生产；工艺设计

ABSTRACT

Acrylonitrile is an important product of petrochemical industry, is an important basic organic chemical raw materials, widely used three major industrial synthesis.This article USES is the abundant raw material sources, simple operation of propylene ammonia oxidation production of acrylonitrile.Draw lessons from the domestic and foreign advanced experience, choose efficient catalyst, in order to build a 150000 tons/year acrylonitrile production workshop, the workshop of the comprehensive performance on the basis of the original, to further improve the production efficiency, process control more optimization, significantly reduced the production cost.By propylene ammoxidation to acrylonitrile technology analysis of legal system, determine the right process and draw out the process flow diagram, from the processing of raw materials to the synthesis of acrylonitrile section to design a series of equipment, the ammonia evaporator, propylene, waste heat boiler superheater and the fluidized bed reactor and other equipment for the material and heat balance, through the calculation of the fluidized bed reactor, heat exchanger, and made a selection, waste heat boiler equipment completed the preliminary design of the synthetic process of acrylonitrile.

Keywords: acrylonitrile; propylene ammonia oxidation; production; process design

第1章 产品概述

1.1 丙烯腈的概述

丙烯腈是重要的基本有机化工原料[1]。分子式（CH2=CH-C≡N），分子量53.06。在合成纤维、合成橡胶以及合成树脂三大合成工业方面得到广泛应用，因此丙烯腈的需求量非常大，2008年，中国国内的丙烯腈总生产能力达到了1205kt/a[2]。在丙烯系列产品中仅次于位居第一位的聚丙烯。

1.2 丙烯系产品的生产

丙烯来自石油，石油提炼厂提炼石油时蒸出的烯烃，经过再次提炼后得到丙烯，大部分丙烯由此而来；还有少部分丙烯来自于石油提炼出重油催化裂化。在裂解装置的进一步发展的带动下，丙烯产量也越来越大。近年来世界市场丙烯产量的增长速度慢慢的赶超了乙烯，国内行情与之基本相同。自21世纪以来，丙烯消耗量首次超过乙烯之后，从此居高不下。

因为丙烯含有碳碳双键和极易反应的α-氢，因此丙烯的化学反应活性很强。在实际生产中，丙烯通过氧化、加成等一系列反应，可制得众多极具价值的衍生产物。作为有机化工中非常重要的原料，丙烯常用于生产聚丙烯、丙烯腈以及丙烯酸等。作为我国消耗丙烯量最多的化合物，聚丙烯具有许多优良特性，如相对密度小、良好的力学性能、具有较高的耐热性、化学性能好、电绝缘性好、质地纯净、无毒性等，因此广泛应用于家用电器、管材、薄膜以及高透材料等领域。在国内，丙烯腈在丙烯的衍生物中排第二，在合成纤维、合成橡胶以及合成树脂三大合成工业方面得到广泛应用。用丙烯腈可以制得效果很像羊毛的腈纶，也可以称作合成羊毛。丁腈橡胶可以通过由丙烯腈同丁二烯的聚合来生产，丁腈橡胶具有很好的防油、耐磨、耐寒以及良好的电绝缘的效果。ABS树脂是由AN与联乙烯和C8H8共聚生产出来的，具有材质轻、耐寒、有良好的抗冲击力等优点。环氧丙烷常用于聚醚、丙二醇等的生产，对丙烯需求量排第三位，它在有机合成中很重要的不可或缺的作用。它的衍生物已经被人们广泛用到我们日常生活中的各行各业。由它参与生产的产品种类繁多，由此不难想象它在有机合成乃至我们的日常生活中占有多么重要的地位。

1.3 丙烯氨氧化生产丙烯腈

1.3.1 丙烯腈的生产方法    

目前，我国主要采用磷钼酸铋作为催化剂的丙烯氨氧化法生产丙烯腈。丙烯腈合成工艺主要有环氧乙烷法、乙醛法、乙炔法、丙烯氨氧化法和丙烷氨氧化法[3]。

1) 环氧乙烷法

2) 乙醛法

3) 乙炔法

4) 丙烯氨氧化法

近年来在裂解装置的进一步发展的带动下，丙烯产量随之增加，该反应简洁，大大降低了丙烯腈的生产成本，并且不使用具有危险性的氢氰酸，增加了生产过程中的安全性因此，由于效果远优于前面三种方法，此法受到各国生产厂家的广泛欢迎，成为丙烯腈生产厂家选用最多的方法。

5) 丙烷氨氧化法

丙烷氨氧化法已经开始受到重视，比丙烯更加低廉的价格成为了它极具竞争力的条件，但是由于生产技术尚不成熟，还在继续研发摸索当中，就当下而言此项技术还不具备作为丙烯腈主要生产技术的能力。

1.3.2 丙烯氨氧化法的反应原理

工业生产中，在催化剂作用下，丙烯、NH3以及O2进行氧化反应，在生成AN的同时还生成ACN、HCN、CO2以及深度氧化产物噁唑等副产物。

1) 主、副反应

生成AN的主反应：

生成HCN的副反应：

生成ACN的副反应：

生成ACL的副反应：

生成丙烯酸的副反应：

丙烯不完全燃烧反应：

丙烯完全燃烧反应：

自1960年美国Sohio化学公司（Standard Oil Co. Ohio）用丙烯氨氧化法制丙烯腈投入生产以来,发展很快[4]。由于该方法很大幅度的节约了生产成本，所以被其他厂家迅速引进技术。目前，世界上先进的生产工艺以美国BP公司的Sohio法为代表,用此法生产的丙烯腈占总产量的90%[5]。美国BP公司将此生产技术申请了专利。由于我国的丙烯腈生产厂家技术基本引进于美国BP公司，所以国内丙烯腈大型丙烯腈生产公司基本使用丙烯氨氧化法生产丙烯腈。

2) 催化剂

作为决定着整个丙烯氨氧化工艺的经济性的重要因素，选取合理的催化剂非常重要。就目前而言，Mo-Bi、Sb-Fe这两种催化剂占据着主导地位。目前居于世界先进水平的催化剂有美国INEOS/BP公司C-49MC、旭化成工业公司的S-催化剂、Solutia公司的MAC-3 及上海石油化工研究院（SRIPT）的MB-98、SAC-2000等[6]。复合酸的盐类（钼系）以及重金属的氧化物或是几种金属氧化物的混合物（锑系）是工业上常用的两大类丙烯氨氧化法的催化剂。

目前我国主要用的是Mo-Bi催化剂。美国Sohio公司的C-49、C-41以及我国的MB-86、MB-82是具有代表性的钼系催化剂。其中主催化剂通常是Mo-Bi，助催化剂则是P-Ce，它们能够为催化剂提高活性和延长寿命。从质量角度看，活性组分的主要部分是Mo-Bi，虽然MoO3也可以单独用作催化，但由于其选择性不好，对生成丙烯腈并无催化活性，当二者的组合能表现出比较好的活性、选择性以及稳定性。P-Ce和Mo-Bi一起使用能使MO-Bi的效果得到极大的改善，然而单独使用P-Ce对反应影响甚微。通常，主催化剂应占催化剂总量的95%以上。由于反应属于强放热反应，因此工业生产中反应器采用易于控制温度的流化床。用于流化床的催化剂必须具备强度好，不易磨损的特点，故催化剂载体可以用粗孔微球型硅胶。

(1) Mo-Bi系催化剂

Mo-Bi系催化剂作为丙烯氨氧化法中常用的两大类催化剂之一，主要由日本旭化成和美国标准石油公司开发，其中催化剂A-122由旭化成成功研发，此类催化剂包括我国自主研发的MB系列催化剂，有MB-98、MB-96等。美国标准石油推广了被广泛使用的C系列催化剂包括C-49、C-41等。

国产MB-86催化剂在当时明显优于国外催化剂，反应温度、反应压力和氨与丙烯的单耗比国外催化剂还低，而且原有设备无需改造[7]。前几年，上海石油化工研究院开发出了最新的SANC-08型催化剂，该种催化剂性能优良、清洁环保，催化效率以及丙烯腈精制回收率处于当时国内领先水平[8]。

(2) Sb-Fe系催化剂

半数的Sohio工艺采用日本化学公司开发的Sb-Fe系催化剂。公司在20世纪60年代末研发出NS-691，它是Sb-Fe系列的首代催化剂，随之又先后推出了一系列NS催化剂。

1.3.3 操作条件

1) 原料纯度

丙烯大部分是通过石油分离出的烯烃二次提炼获得，剩下的部分主要来自于重油的催化裂化。因此会掺杂有丙烷、硫化物等杂质存在，影响其纯度。由于丙烷和其它烷烃只是对浓度有所影响，因此对丙烷和其它烷烃可以不做处理。而乙烯由于没有活泼的α-H，与氨发生氧化反应比丙烯要难，因此含有少量的乙烯并不影响反应的正常进行。然而丁烯和更高级烯烃不同，丁烯或者更高级烯烃相较于丙烯更易于氧化，容易造成缺氧，从而降低催化剂的活性；而且正丁烯发生氧化反应生成甲乙酮，其沸点在80℃左右，与丙烯腈相近，甲乙酮的存在将会加大丙烯腈精制的难度并使副产物增加。因此，严格控制丙烯原料气中丁烯的占比尤为重要。另外，对催化剂的活性有影响的硫化物也需要预先脱除。反应对于氨气的要求达到一定纯度即可。空气在参与反应前往往要进行净化处理，出去粉尘等。

2) 原料的配比

在丙烯氨氧化反应中，合理的原料配比是作为保证合成反应正常进行、副反应产物减少的重要因素，所以，加强反应器进口物料流率的控制显得至关重要。

(1) 丙烯与氨的配比（氨比）

由于反应对于氨为零级，可以得出丙烯与氨的比例一般为1:1。然而在实际生产中，当氨比比理论值1:1小时，副产物丙烯醛的产量增大，由此得出结论反应对氨的需求应不小于1:1。但是，氨也不能过量太多，首先过量的氨将会加大氨的使用量，这是不经济的，其次过量的氨在中和塔处需用硫酸进行处理，氨的过量将使得中和塔的能耗过高。由此可以得出结论，氨比应不小于理论值，氨比应该取1:1～1.2。

(2) 丙烯与空气的配比（氧比）

反应需要大量的氧气，在工业上，出于经济考虑直用空气代替氧气参加反应，理论氧比为1:1.5，但在实际工业中为了不使催化剂缺氧失活，氧比约为1:2～1:3.催化剂因缺氧而引起的活性下降分为两种，一种是短期缺氧引起的失活，在高温下添加空气可以使催化剂恢复活性；另一种是长期缺氧引起的失活，活性不可全部恢复。因此，氧比的控制也是至关重要的。

(3) 丙烯与水蒸气的配比（水比）

由反应原理得知，丙烯氨氧化中的主反应并没有用到水蒸汽。但是在实际生产中，在丙烯氨氧化中添加水蒸汽可以加快产物和催化剂的分离，使AN不会深度氧化；水蒸汽的加入还可以改变反应器中丙烯和空气的比例，避免发生爆炸使工艺更加安全；水蒸汽还可作为稀释剂，因为其比热容比较大，能将设备内部的热量带出，使设备内部的温度更容易处于正常范围内。考虑到加入水蒸汽会使设备的产能降低，能量消耗加大，因此如果催化剂具有比较好的活性时，不用水蒸汽亦可。因此，为了减少水蒸气的用量，优化催化剂成为了今后的发展趋势。根据实际工业生产，摩尔流量C3H6:H2O=1:3时效果最优。

3) 反应温度

反应温度对丙烯氨氧化反应具有比较明显的影响。一般在420～510℃。实际生产表明，一旦温度降到350℃以下，获得产物为丙烯腈的反应将停止进行。要想获得较高收率的丙烯腈，控制反应温度是关键。随着温度的变化，AN的收率、HCN和ACN的收率都会有显著变化。

随着反应温度的增高丙烯的转化率也会随之增加，从而导致AN的产率增多，ACN、HCN的产率也随之加大。当温度上升到一定程度，丙烯腈收率会出现一个最大值，同样，乙腈产率也有这么一个值存在。研究表明，459℃左右的反应温度会使丙烯腈产率达到峰值，而420℃左右的温度会使乙腈产率达到峰值。因此工业生产中采用的操作温度通常为460℃。另外，当反应温度为457℃时，丙烯比较容易和与氧气发生氧化反应放出大量的热并产生较多的二氧化碳，不利于反应温度的控制。再者，温度的选择也要考虑催化剂是否被影响活性，反应温度的增高有利于AN收率的提升，但不能过高，否则会让催化剂变的不稳定，并且对反应器材质也将是巨大的考验。

4) 接触时间

丙烯氨氧化反应属于气-固相催化反应，研究表明，气-固相催化反应是化工生产中及其常用反应过程，占催化反应过程的90%左右。气-固相催化反应的关键在于反应的场所在催化剂的表面活性中心上。由于反应速度不是很快，控制反应的停留时间很重要，停留时间越长，反应越充分，由此可以增大AN的产率，并且对副反应的影响不大，由此可以得出结论，接触时间加长对主反应有利，但是过犹不及，过长停留时间会使AN氧化程度加深，并使得产生的二氧化碳大量增加，降低AN收率。同样，过长的停留时间使反应的速率下降，导致反应器单位时间内的产量下降，不利于工业生产。所以通常物料停留时间为5～15秒。

5) 反应压力

由于丙烯氨氧化法生产AN的反应中K值较大，所以能把反应视为不可逆。总体来看，反应是体积缩小的反应，而且可以由动力学方程得知，提高丙烯的分压促进反应进行，所以可以通过提高压力来增加反应的转化率，以提高反应器的产量。但是压力太高会导致反应温度不好把握。通过实际操作得知，提升压力会对催化剂的活性产生影响，因此，反应压力一般选用常压。

1.3.4 工艺流程简图

液氨经过加热变成氨气，液态丙烯通过加热后变成气态丙烯，氨气经过氨过热器加热，丙烯经过丙烯过热器加热，和经过废热锅炉加热的空气混合后进入流化床反应器参加反应，反应器出口气体经过废热锅炉以及换热器后进入氨中和塔（急冷塔），氨中和塔塔顶加入硫酸溶液吸收混合气中未反应的氨气，塔底出料为硫酸铵废液，水吸收塔进料气体来自氨中和塔，水吸收塔塔顶进料为冷却水，塔底得到丙烯腈等物质与水的混合液，混合液经泵加压送至乙腈分离塔，通过萃取精馏乙腈从塔顶蒸出，丙烯腈和氢氰酸的混合液从塔底出来经泵加压送至氢氰酸分离塔，由于HCN和AN沸点差异明显，通过普通蒸馏即可将氢氰酸分离出来，塔底丙烯腈溶液经过加压换热送至丙烯腈成品塔精制。

图1.1 物料流程图

1.3.5 典型设备－流化床反应器

流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，发生气-固或者气-液反应的设备。Sohio的反应常采用流化床反应器，结构如图1.2所示。依照外形和作用可以将流化床反应器分为3个部分，分别为床底段、浓相段以及稀相段。

床底段位于流化床反应器的下面部分，包括用于气体进料所需的管道、使气体分布恰当的分布板（7）等。因形似椎体，所以又叫做锥形体。床底段的作用是对进入反应器的气体进行分配，气体分布板主要作用在于催化剂盛放以及使气体分配合理。

流化床反应器中间位置叫反应段，反应段具有比较大的空间，足够的空间使反应能够充分进行。在反应段，由于气体吹动使得固体催化剂处于悬浮运动状态，该处的固体催化剂颗粒密度大，所以又被称为浓相段。在浓相段设置部分U形管，可以通过水蒸汽带出多余的热量，为反应器降温并且有效的利用废热。

扩大段又称稀相段，处于流化床反应器的上部，其中设有旋风分离器，可以有效的起到回收由气体带出的部分催化剂。而后通过料腿将其送回反应器底部的分布版。

1－一级旋风；2－二级旋风；3－三级旋风；4－料腿； 7－分布板

图1.2 丙烯氨氧化流化床反应器结构图

第2章 总体方案工艺设计

2.1 设计任务

(1) 设计项目名称  年产15万吨丙烯腈生产工艺设计。

(2) 生产方式  丙烯、氨、空气用丙烯氨氧化法在流化床反应器中合成AN。

(3) 工厂产能  年产15万吨AN。

(4) 原料组成  液态丙烯原料含丙烯和丙烷的摩尔比为0.85：0.25；原料液氨纯度100%。

(5) 出口要求  AN水溶液中AN质量分数为1.8%。

2.2 流程确定

详细工艺流程如图2.1所示：

 E1-废热锅炉；E2-氨过热器；E3-丙烯过热器；R-流化床反应器E4-换热器T1-氨中和塔；

T2-水吸收塔；P1-泵；T3-乙腈分离塔；P2-泵；T4-氢氰酸分离塔；P3-泵；E5-换热器；T5-丙烯腈成品塔

图2.１ 丙烯氨氧化法生产丙烯腈工艺流程图

原料液氨、液态丙烯分别经过氨蒸发器、丙烯蒸发器蒸发后，氨气经过氨过热器（E2）加热，丙烯经过丙烯过热器（E3）加热，和经过废热锅炉（E1）加热的空气混合后进入流化床反应器（R）参加反应，反应器出口气体经过废热锅炉以及换热器（E4）后进入氨中和塔（T1），氨中和塔塔顶加入硫酸溶液吸收混合气中未反应的氨气，塔底出料为硫酸铵废液，氨中和塔出口气体进入水吸收塔（T2），水吸收塔塔顶进料为5℃的水，塔底得到丙烯腈的水溶液，丙烯腈溶液经泵（P1）加压送至乙腈分离塔（T3），通过萃取精馏乙腈从塔顶蒸出，丙烯腈和氢氰酸的混合液从塔底出来经泵（P2）加压送至氢氰酸分离塔（T4），由于HCN和AN沸点差异明显，通过普通蒸馏即可将氢氰酸从塔顶蒸出，塔底丙烯腈溶液经过加压换热送至丙烯腈成品塔（T5）精制。

第3章 工艺设计计算

3.1 物料衡算及热量衡算

每年开工天数为300天，丙烯腈损失率设定为3.1%，设计裕量为6%，丙烯腈小时产量为:

3.1.1 反应器的物料衡算

1) 计算依据

丙烯腈产量22767.92kg/h，即429.58kmol/h；原料组成摩尔比丙烯：丙烷=0.85:0.25；进反应器的原料配比（摩尔比）为：反应器的操作压力：进口0.203MPa，出口0.162MPa；进料温度110℃，反应器内部470℃，出料温度360℃。

反应后各产物的单程收率如表3.1所示

表3.1 反应后各产物的单程收率

表3.2 化学参数表

(1) 进口物料的计算

主反应为：

副反应有：

根据表3.1中反应后各产物的单程收率以及丙烯腈的生产速率计算出反应器进口原料气中各组分的流量如下：

丙烯进料量：

丙烷进料量：

氨气进料量：

氧气进料量：

水的进料量：

氮气进料量：

(2) 通过Aspen对反应器进行计算

建立模型如图3.1所示

图3.1 Aspen模拟反应器

输入进口物料以及操作条件如图3.2所示：

图3.2 进口物料及操作条件

得到的反应器物料进出平衡如表3.3所示：

表3.3 反应器物料平衡表

根据3.1.1中的计算依据，通过Aspen模拟可算得反应器热量如图3.3所示：

图3.3 反应器的热量衡算

3.1.3 换热器的物料衡算

1) 计算依据

换热器入口物料为温度76℃的氨中和塔出口气体，出口处的温度降至40℃，压力为115.5kPa，进口液体为来自水吸收塔的丙烯腈溶液。

2) Aspen模拟计算

建立换热器模型如图3.4所示

图3.4 Aspen模拟换热器

换热器气体进料组成和条件如图3.5所示：

图3.5 换热器气体进料组成和参数

换热器冷流体进口组成和条件如图3.6所示：

图3.6 冷流体进口组成和参数

模拟得到物料平衡如图表3.4所示

表3.4 换热器物料平衡表

根据3.1.3的基础上对换热器进行热量衡算，得到换热结果如图3.7所示

图3.7 换热结果

换热器换热面积如图3.8所示

图3.8 换热器面积参数

换热器的热量衡算表如表3.5所示：

表3.5 换热器热量衡算表

1) 基础数据

入塔物料为换热器出口气体，温度和压力分别为40℃，112kPa；出塔物料温度和压力分别为10℃，101kPa。入塔吸收液温度5℃；出塔AN溶液中AN的质量分数为1.8%。

2) Aspen模拟计算

建立模型如图所示

图3.9 Aspen模拟水吸收塔

气体进料来自氨中和塔，组成与操作条件如图所示

图3.10 气体进料组成和参数

吸收液为水，用量与相关参数如图所示

图3.11 水的流量和参数

塔板上的温度、压力分布

3) 灵敏度分析

影响水吸收塔效果的主要因素为水的流量、理论板数等，故对这些因素进行模拟,找出最优组合,确定最佳工艺参数。首先确定理论板数为15块，考察不同流量的水对吸收效果的影响，如图:

图3.12 吸收剂用量对吸收效果的影响

由图得出，当吸收剂的摩尔流量增加到40000kmol/h时，塔底丙烯腈的摩尔流率达到最大。当吸收剂的摩尔流量继续增加时，塔底丙烯腈摩尔流量增加十分缓慢。故可确定吸收剂最佳摩尔流量为40000kmol/h，吸收剂用量过小，液体填料塔内容易分布不均，影响效果，吸收剂用量过大，则会增加塔底的含水量，进而加大了后续精制工段能耗，所以吸收剂的用量需选择适量即可。当选择吸收剂质量流量为40000kmol/h时，经程模拟得出出塔AN溶液中含AN质量分数为2.2%，符合要求。

以吸收剂摩尔流量为40000kmol/h为例，考察不同理论板数分别在5、10、15、20、25块理论板下,对塔底丙稀腈摩尔流量的影响如图3.5所示：

图3.13 塔板数量对吸收效果的影响

由图可知，随着塔板数的增加，塔顶气相所含丙稀腈的量越少。吸收塔的最佳理论板数应选择10，当理论板小于10时，理论板数太少，气液接触时间短，不利于吸收，塔顶丙烯腈损失较多。当理论板数超过10时,塔底丙烯腈摩尔流量随塔板数的增加变化不大,而在实际生产中，塔板数越少则设备成本越低，出于对设备成本的考虑，塔板数选择在符合要的前提下越少越好。

故吸收塔的最佳工艺条件是理论板数为10,吸收剂进料位置为塔顶进入，吸收剂的摩尔流量为40000kmol/h，原料气进料位置为塔底。优化结果如表3.5所示：

表3.6 水吸收塔优化模拟结果

1) 基础数据

废热锅炉的进出物料的组成与反应器的出口物料相同；进料温度360℃，压力0.162Mpa；出料温度180℃，压力0.152Mpa；锅炉水侧产生0.405Mpa的饱和蒸汽。

2) Aspen模拟计算

建立模型如图所示

图3.14 Aspen模拟废热锅炉

用Aspen模拟得表3.7如下：

表3.7 废热锅炉的模拟结果

(1) 计算依据

丙烯进口温度-13℃，出口温度65℃，用0.405Mpa蒸汽为加热剂。

(2) 热衡算求丙烯过热器热负荷和加热蒸汽量

丙烯气的比热容为1.4kJ/（kg.K），丙烷气比热容1.715kJ/（kg.K），热损失按10%考虑，则可以计算得到需要从加热蒸汽获得热量:

加热蒸汽量为:

上式中2138kJ/kg是0.405Mpa蒸汽的冷凝热

3.1.8 气氨过热器

(1) 计算依据

氨气进口温度-7℃，出口温度65℃；用0.405Mpa蒸汽为加热剂；气氨流量12780.1kg/h。

(2) 热衡算求其气氨过热器的热负荷和加热蒸汽用量

氨气的比热容为2.218kJ/(kg.K)，冷损失按10%算。

气氨过热器的热负荷为:

加热蒸汽用量为:

3.1.9 氨蒸发器热量衡算

(1) 计算依据

蒸发压力0.405Mpa；加热剂用0.405Mpa饱和蒸汽，冷凝热为2138kJ/h。有关资料 0.405Mpa下氨的蒸发温度为-7℃，汽化热为1276kJ/kg

(2) 热衡算求氨蒸发器的热负荷和加热蒸汽用量

冷损失按10%考虑，求得氨蒸发器的热负荷Q:

加热蒸汽量为:

第4章 设备的工艺设计

4.1 流化床反应器

(1) 计算依据

出口气体流量11959.4653kmol/h；入口气体流量11583.581kmol/h；气体进口压力0.203MPa；出口压力0.162MPa；反应温度470℃，气体离开稀相段的温度为360℃；流化床内的换热装置以水为冷却剂，产生0.405Mpa（143℃）的饱和蒸汽。接触时间15s。

(2) 浓相段直径

因反应过程总物质的量增加，故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1.2m/s，浓相段直径为:

取流化床浓相段直径为8m。

(3) 浓相段高度

按接触时间15s算，催化剂的堆体积为：

静床高：

取膨胀比为2，则浓相段高度为：

取浓相段高32m。

催化剂的堆密度为0kg/m3，可以计算出催化剂的品质：

催化剂负荷为：

实验催化剂的负荷能够达到，计算结果小于实验值，设计可靠。

(4) 扩大段（此处即稀相段）直径

取扩大段气速为操作气速的一半即u=0.4m/s

气体流量为：

扩大段直径为：

取扩大段直径为19m，流化床的扩大段高度可根据经验选取大致等于扩大段直径约为19m。

(5) 浓相段冷去装置的换热面积

换热装置用套管式，总差传热系数取，换热装置的热负荷已由热衡算求出：

换热面积为：

取30%的设计裕量，则换热面积为1199.5m2。

(6) 稀相段冷却装置的换热面积

采用套管式换热器，冷却剂用水，出口为0.405Mpa（143℃）的水蒸汽。总传热系数取20W/(m2﹒k)，换热装置热负荷为:

又

换热面积为:

取30%设计裕量，则换热面积为3815m2。

4.2 废热锅炉的校核

在3.1.7的基础上进行废热锅炉的校核，由3.1.7可以得到进出物料温度、压强以及换热器的热负荷如下图4.1所示：

图4.1 废热锅炉的模拟结果

根据模拟结果可以得到换热器的详细结果如图4.2所示：

图4.2 换热器的详细信息

换热器壳程选型如图4.3所示：

图4.3 废热锅炉壳程选择

换热器管子的选择如图4.4所示：

图4.4 废热锅炉换热管的规格

折流板的相关参数如图4.5所示：

图4.5 换热器折流板的选定

根据模拟所得结果选取换热面积为133.9m2，公称直径为900mm，管间距为32mm，管子数量为588，管长为3000mm，管子内径为21mm，外径25mm，管壁厚度2mm，折流板14块，板间距为200mm的管壳式换热器。

4.3 氨蒸发器

1) 计算依据

氨蒸发压力0.405MPa,蒸发温度-7℃；加热剂为0.405MPa蒸汽，温度143℃；热负荷。

2) 计算换热面积

(1) 总传热系数

蒸汽冷凝时的给热系数取8000W/(m2·K),液氛沸腾的给热系数取2000W/(m2·K)，不锈钢导热系数45W/(m·K),管壁厚4mm，两侧污垢热阻取0.2×10-3m2·K/W。代入数据求K:

算得结果为：

(2) 对数平均温差

(3) 换热面积

氨蒸发器热负荷为4983333J/s，换热面积为:

取1.2的安全系数，则换热面积为44.4m2，选用管壳式换热器，换热面积为46.6m2，公称直径为450mm,管长4500mm，单管程，管数135。

4.4 氨气过热器

1) 计算依据

进口气氨温度-7℃，出口气氨温度65℃；加热剂为0.405MPa蒸汽，温度143℃；热负荷为623617.8J/s。

2) 计算换热面积

(1) 总传热系数

管壳式换热器用作加热器时，一方为蒸汽冷凝、一方为气体情况下，K值的推荐范围是28～250W/(m·K)，取35W/(m·K)。

(2) 对数平均温差

冷端温差为143-(-7)=150℃，热端温差为143-65=78℃。

(3) 换热面积

热负荷为623617.8J/s，换热面积为：

取安全系数1.2，则换热面积为195m2，选用管壳式换热器，换热面积为203.1m2，公称直径为900mm，管长4500mm，双管程，管数588。

4.5 水吸收塔的选型与校核

在3.1.5的基础上对水吸收塔进行选型，设备选用填料塔，选型参数如图4.6所示

图4.6 填料塔的参数

选型的结果如图4.7所示

图4.7 选型结果

在选型的基础上进行校核，填料塔校核的参数设计如图4.8所示

图4.8 校核的参数设计

填料塔校核结果如图4.9所示

图4.9 校核结果

各塔板上液泛率的分布如图4.10所示

图4.10 塔板上液泛率的分布

各塔板上的压降分布如图4.11所示

图4.11 塔板上压降的分布

各塔板上持液量的分布如图4.12所示

图4.12 塔板上持液量的分布

第5章 车间布置

化工工业生产车间不仅生产工艺复杂，生产物为易燃、易爆，或有毒液体、或高压气体，其防火、防爆等级高，而且结构布置复杂、错层、平面和竖向布置不规则，结构跨度较大、层高较高、设备重的特点[9]。因此车间布置在实际生产中占有很重要的地位，不恰当的车间布置往往给生产操作带来诸多不便甚至会存在安全隐患。车间布置主要包括厂房建设和设备位置的布置。车间设计在保证安全的前提下要尽可能节省能源、方便操作与生产。

5.1 厂房建设注意事项

厂房的建设需要注意以下事项：①厂房平面力求简单化，以利建筑定型化和施工机械化；②柱间距一般不超过12m；③层高与设备的高低、安装位置有关，一般每层4～6m，最低不低于3.2m，净高度不低于2.6m；在可能条件下采用露天和敞开式设计，既节省投资，又利于通风、采光、防爆等安全需要；在不影响流程情况下，较高设备集中布置；⑥笨重设备和震动设备尽量布置在底楼地面；⑦设备穿孔避开主梁；⑧厂房出入口、交通道、楼梯等需精心安排；⑨化工厂通常生产易燃易爆或者有毒物质，因此建筑的抗震等级非常重要；⑩尽可能露天布置，减少建设成本，方便后期改建扩建。

5.2 设备布置注意事项

厂房的设备布置需要注意以下事项：①不仅要考虑安装时设备的进出，而且要考虑各单个设备的更换和检修，保证足够的空间和通道；②二层楼以上的设备，需在下层设吊孔，对庞大特殊设备在封闭式厂房中可先安装设备后砌墙；③要考虑起吊装置，如塔顶、房梁等，设永久吊架；为了方便设备进出车间，大门应比车间里的最大设备还要宽0.5m左右。

5.3 生产操作

在进行生产操作时要避免以下几点：①为了避免交叉甚至往返输送物料，在车间设置时尽量根据工艺流程来进行设备的布置，为了节约能耗，物料输送尽可能采用从高位往低位输送；②相互有联系的设备尽量靠近，但要考虑操作、行人通道、送料及半成品堆放等空地；③相同、相似设备尽可能对称集中，有利于操作管理及水、电、气等供应；考虑进出料、取样、观察等方便。

5.4 安全要求

为了厂房的安全，建设中应具有以下要求：①采光要好，尽量避光操作，高大设备避免靠窗挡光；②通风要好，高温、有毒、易燃、易爆车间尽可能取敞开式，以利通风散热。机械通风效果要好；③有毒物质设备放置下风，操作位置应在上风。剧毒设备要隔离操作，单独排风；防爆车间需设为单层厂房，当不得已采用多层厂房时，防爆车间应设在房顶；设备与车间应达到抗震设防标准。

第6章 环保与安全

6.1 丙烯腈生产中三废的处理

在丙烯腈的实际工业生产中，三废经过处理达到国家标准后方可排放。其中最重要的是废水的处理，因为该工艺废水产量极大，其中含有AN、HCN、ACN以及ACL等有毒物质，如果不作处理或者处理不达标，排放出来的废水会对水源造成污染，危害动植物乃至人体。因此，国家对含腈废水处理要求非常严格，治理不达标则不允排放。

丙烯腈的制备工艺废水主要来自两段急冷塔和脱氰组分塔的废水[10]。由于使用的催化剂和反应条件的差别，导致主反应和副反应产物的收率不同。在AN、ACN、HCN的精制过程中需要将溶液中的水进行分离、排放。精制过程所排放的水中含有一定的氰毒物、硫化物以及粉尘等，所以需要经过处理后才能得到排放。工业生产中最具有代表性的有焚烧法、加压水解-生化处理法、湿式氧化法[10]。所谓焚烧法顾名思义指的是通过焚烧处理有机物含量较高的废水，使有机物发生氧化反应而分解，生成水、CO2、N2等无害物质，从而降低废水中的污染物，以达到排放的标准。在温度较高的情况下加压可以使废水中的丙烯腈被碱分解，这种方法叫做加压水解。在以往的湿式氧化的前提下添加催化剂，通过催化剂加快废水里面氧化剂同有机废物的反应，使得废水中含有的氮、硫等的有毒物质被氧化成二氧化碳、氮气、二氧化硫以及水，并进行除臭、脱色等一系列净化处理的方法叫做湿式催化氧化。

丙烯腈的生产工艺中产生的废渣主要是失去活性的催化剂，因为国内目前还没有可以将其回收的装置，所以需要做填埋处理。

丙烯腈生产中产生的废气主要来自吸收塔出口直接放空气，只要原料中丙烯具有较高的纯度，含烃量少，可以不作处理直接排放。但是当尾气不能达到排放标准时，通常采用高温燃烧法处理达标后再进行排放。

6.2 生产安全及防护措施

在化学工业生产中产品和原料大多数具有易燃、易爆以及具有毒性的特点，且化工生产环节众多，在相互影响之下容易产生较多的危险因素，如果发生危险，后果简直不堪设想。因此做好安全防护以及预防措施非常重要。

6.2.1 安全防护设施

化工厂内易燃易爆物质较多，消防工作应当作为安全防护的重中之重，车间内适当位置应装有灭火器、消火栓、破拆工具、火灾报警器等消防器材，大型工厂还可以专门建立消防部门提高消防能力。

除了消防器材，由于部分化工原料或者产物具有毒性以及操作的危险性，适当的安全防护用品必不可少，常用的安全防护用品有安全帽、防毒面具、防护服、手套、安全鞋、防护袖套、安全带等。

6.2.2 提高安全管理水平

提高工厂的安全管理水平有以下几种方法：①定期的检测生产设备是否正常是工艺生产能否正常进行的保证，也是化工安全的重中之重；②组织员工认真学习消防设备以及安全防护用品以及设施的正确使用方法；③成立安全部门不定期检查厂区内部各区域是否存在安全隐患以及员工操作是否依照安全规定；定期对员工进行安全教育，普及安全知识以及对突发事件的正确处理方法；制定安全生产管理制度，并督促员工严格执行。

结论

丙烯腈是重要的有机化工原料，作为石油化工中的重要产品，在合成纤维、合成橡胶以及合成树脂三大合成工业方面得到广泛应用，因此丙烯腈的需求量非常大。随着经济的发展，丙烯腈的需求还在继续增加，本设计采用了原料来源丰富、操作简单的丙烯氨氧化法生产丙烯腈。借鉴国内外的先进经验，选择高效催化剂，通过对丙烯氨氧化法制丙烯腈进行技术分析，确定合适的工艺流程并绘制出工艺流程图，对从原料的处理到丙烯腈的合成工段的一系列设备进行设计，对氨蒸发器、丙烯过热器、废热锅炉和流化床反应器等设备进行无聊和热量衡算，通过核算对流化床反应器、换热器以及废热锅炉等设备做出选型，完成丙烯腈合成工段的初步设计。以此为基础建一15万吨/年的丙烯腈生产车间，使车间的综合性能在原有的基础上明显改善，生产效率进一步提升，工艺控制更加优化，明显的降低生产成本。

作为决定丙烯氨氧化法经济性的重要因素，高效能催化剂选取很重要。它不仅增加了单位时间内丙烯腈的产率，还能起到降低能耗以及缩减开支的效果，大大提高了丙烯腈的核心竞争力，也为提高了企业在同行业的竞争力。通过对水吸收塔水的流量以及塔板数的分析模拟选取了最优的吸收剂用量以及塔板数，获得了比丙烯腈含量较高的吸收液，节约了工艺成本的同时还减少了工艺废水的产出。

本设计采用Sohio法这种比较成熟的工艺，通过模拟与优化选取更为科学的生产条件，降低产品成本，减少了三废排放，有利于丙烯腈工业发展。

参考文献

[1]沈菊华．丙烯腈生产技术发展新动向[J]．中国科技成果，2004,8:25-28,54．

[2]肖春梅．丙烯腈生产工艺及催化剂研究进展[J] ．石油化工设计，2009,26(2): 66-68．

[3]刘志富，纪立春．丙烯腈技术进展和发展前景[J]．精细化工原料及中间体，2006(2):18-19．

[4]关兴亚，金启玲．丙烯氨氧化法制丙烯腈的进展[J]．化学世界，1965,09(1):385-391． 

[5]关兴亚．中国丙烯腈生产技术国产化发展过程[J]．合成纤维工业，1992,15(1):41-48．

[6]吴粮华．丙烯腈生产技术进展[J]．化工进展，2007,26(10):1369-1370．

[7]陈欣．MB-86型丙烯腈催化剂的工业应用[J]．石油化工，1993,2:121-125． 

[8]吴玉栋．SANC-08丙烯腈催化剂的工业应用[J]．内蒙古石油化工，2012,3:11-15． 

[9]杨文武．化工生产车间结构设计探讨[J]．福建建设科技，2013,1:16-19．

[10]彭鸽威，闫光绪，郭绍辉，等．丙烯腈生产废水处理技术研究进展[J]．合成纤维，2008,2:9-13．

致谢

本设计是在罗婕老师的亲切关怀和悉心指导以及同组同学的配合、帮助下完成的。罗老师严谨的治学态度、精益求精的工作作风以及对学生认真耐心的指导给我留下了深刻的印象，使我在学习知识、设计水平及思考问题方面受益匪浅。特此对罗老师表示我最诚挚的谢意。

转眼毕业在即，回想在大学求学的四年，心中充满无限感激和留恋之情。感谢母校为我提供的良好学习环境，使我能够在此专心学习，陶冶情操。再者，感谢四年来在学习和生活中所有给予我关心、支持和帮助的老师和同学们。最后，感谢我的爸爸妈妈，感谢您们赐予我生命，感谢您们二十多年来对我的养育之恩，更感谢您们不管多苦多难对我学业始终如一的理解与支持。

学生签名：（签名和日期用手写）

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