第十届全国大学生化工设计竞赛丙烷的综合利用讲解
目录
一、概论与设计任务 (2)
二、生产方案 (2)
2.1 工艺技术方案与原理 (2)
2.2 设备方案 (3)
2.3 工程方案 (3)
三、物料衡算和热量衡算 (3)
3.1 生产工艺与物料流程 (3)
3.2 小时生产能力 (4)
3.3 物料衡算和热量衡算 (4)
3.3.1 反应器的物料衡算和热量衡算 (4)
3.3.2 废热锅炉的热量衡算 (7)
3.3.3 空气饱和塔物料衡算和热量衡算 (8)
3.3.4 氨中和塔物料衡算和热量衡算 (10)
3.3.4 换热器物料衡算和热量衡算 (13)
3.3.6 水吸收塔物料衡算和热量衡算 (14)
3.3.7 空气水饱和塔釜液槽 (18)
3.3.8 丙烯蒸发器热量衡算 (19)
3.3.9 丙烯过热器热量衡算 (19)
3.3.10 氨蒸发器热量衡算 (20)
3.3.11 气氨过热器 (20)
3.3.12 混合器 (20)
3.3.13 空气加热器的热量衡算 (21)
3.3.14 吸收水第一冷却器 (21)
3.3.14 吸收水第二冷却器 (22)
3.3.16 吸收水第三冷却器 (22)
四、主要设备的工艺计算 (22)
4.1 空气饱和塔 (22)
4.2 水吸收塔 (24)
4.3 合成反应器 (26)
4.4 废热锅炉 (27)
4.4 丙烯蒸发器 (29)
4.6 循环冷却器 (30)
4.7 吸收水第一冷却器 (31)
4.8 吸收水第二冷却器 (32)
4.9 吸收水第三冷却器 (33)
4.10 氨蒸发器 (34)
4.11 气氨过热器 (34)
4.12 丙烯过热器 (34)
4.13 空气加热器 (34)
4.14 循环液泵 (36)
4.14 空气压缩机 (36)
4.16 中和液贮槽 (37)
五、工艺设备一览表 (37)
六、原料消耗综合表 (39)
七、能量消耗综合表 (40)
八、排出物综合表 (41)
九、主要管道流速表 (41)
十、环境保护和安全措施 (44)
10.1丙烯腈生产中的废水和废气与废渣的处理 (44)
10.2生产安全与防护措施 (44)
1、概论与设计任务
概论
丙烯腈是重要的有机化工产品，在丙烯系列产品中居第二位，仅次于聚丙烯。在常温常压下丙烯腈是无色液体，味甜，微臭，沸点77.3℃。丙烯腈有毒，室内允许浓度为0.002／L，在空气中爆炸极限(体积分数)为3.04％～17.4％，与水、苯、四氯化碳、甲醇、异丙醇等可形成二元共沸物。丙烯腈分子中含有C—C双键和氰基，化学性质活泼，能发生聚合、加成、氰基和氰乙基等反应，制备出各种合成纤维、合成橡胶、塑料、涂料等。
近年来，丙烷氨氧化生产丙烯腈的研究也取得长足进展，现已处于中试阶段。这一方面是由于价格的因素，丙烷的价格比丙烯低得多，另一方面也为惰性的丙烷开拓了新的应用领域。但就目前的技术水平来看，固定资产投资大，转化率低，选择性不高，目前报道的丙烷的转化率67％，选择性60％，还难以和丙烯氨氧化法相竞争，但其前景看好，根据美国斯坦福研究所18万t／a丙烯腈概念设计，丙烷为原料生产丙烯腈的成本只是丙烯的64％。研究开发的催化剂主要有、、1、等。
丙烯腈是重要的有机原料，主要用于橡胶合成（如丁腈橡胶）、塑料合成（如，树脂、聚丙烯酰胺等）、有机合成、制造腈纶、尼龙66等膈成纤维、杀虫剂、抗水剂、粘合剂等。
设计任务
①设计项目名称丙烯腈合成工段
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10000丙烯腈。
④原料组成液态丙烯原料含丙烯84%（）；液态氨原料含氨100%。
⑤工段产品为丙烯腈水溶液，含丙烯腈约1.8%（）。
2、生产方案
2.1 工艺技术方案与原理
20世纪60年代以前，丙烯腈的生产采用环氧乙烷、乙醛、乙炔等为原料和反应制得，但有剧毒，生产成本高。1960年美国石油公司()(现公司)开发成功丙烯氨氧化一步合成丙烯腈新工艺，又称法。由于丙烯价廉易得，又不需剧毒的，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，即法、法、法、和法，上述五种工艺路线的化学反应完全相同，丙烯、氨和空气通过催化剂生成丙烯腈，其中法和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，法有一定的先进性，法和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％。中国引进的也是技术。
本工程采用丙烯氨氧化的原理，丙烯氨氧化法制丙烯腈（）生产过程的主反应为
C3H63+3/2O2 23H2O
该反应的反应热为（-△）298=486.4
主要的副反应和相应的反应热数据如下：
(1)生成氢化氰（）
C3H6 + 33 +3O2 3 + 6H20
（-△）298=314.1
(2)生成丙烯醛（）
C3H6 + O2 2 + H2O
（-△）298=343.1
(3)生成乙腈（）
C3H6 + 3/23 + 3/2O2 3/23 + 3H2O
（-△）298=362.3
(4)生成2和H2O
C3H6 + 9/2O2 32 + 3H2O
（-△）298=641 2
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的49、日本化学公司的733D以与我国的93、96等。这些催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93和96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
全厂选用一套中心系统，分别对仪表进行控制。对连锁较多的装置还采用系统。与系统考虑进口。
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，以与电气控制站与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，H22必须进行严格控制，由于工艺过程对H22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。
2.3程方案
土建工程方案选择与原则确定
1)建筑结构设计符合技术先进、经济合理、安全适用
2)在满足工艺生产的前提下，厂房布置尽量一体化，设备尽可能露天设置或采用敞开
式，半敞开式。
3)尽量采用普与或放式通难度不大的建筑物配件。
4)充分利用地方建材
3、物料衡算和热量衡算
3.1、生产工艺与物料流程
生产工艺流程示意图如下：
流程简介如下：
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气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进入混合器。混合气出口的高温气体先经废热锅炉回收热量，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铵的酸液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铵的废液。中和塔出口气体经换热器冷却后进入水吸收塔，用4～10℃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。
物料流程图示意如下：
3.2、小时生产能力
按年工作日300天，丙烯腈损失率3.1%、设计裕量6%计算，丙烯腈小时产量为
h kg /86.151724
300031
.106.1100010000=????
3.3 物料衡算和热量衡算
3.3.1反应器的物料衡算和热量衡算 (1)计算依据
a. 丙烯腈产量 1417.86,即28.63
b.原料组成（摩尔分数） 含C 3H 6 843H 8 14%
c.进反应器的原料配比（摩尔分数）为 C 3H 6 : 3 : O 2 : H 2O ＝1:1.04:23:3
e. 操作压力 进口0.203, 出口0.162
f.反应器进口气体温度110℃，反应温度470℃，出口气体温度360℃
g.化学参数如表
（2）物料衡算
a. 反应器进口原料气中各组分的流量
C 3H 6 28.63/0.6=47.72 2004.2
C 3H 8 (47.72/0.84)×0.14= 8.42 =370.4
3
47.72×1.04=40.11 = 841.87 O 2 47.72×2.3=109.76 3412.32 H 2O 47.72×3=143.16 2476.88
N 2 （109.76/0.21）×0.79=412.9 11461.4 b. 反应器出口混合气中各组分的流量 丙烯腈() 28.63 1417.86
乙腈() 3/2 ×47.72×0.07=4.01 204.4 丙烯醛() 47.72×0.007=0.33 18.48
2 3×47.72×0.12=17.18 744.9 3×47.72×0.064=9.31 241.2 C 3H 8 8.42 =370.4 N 2 412.9 11461.4
O 2 109.76-（3/2）×28.63-9.31-0.33-4.01-9/（3×2）×17.18 =26.40844.8
C 3H 6 47.72-（1/3）×9.31-0.33-（2/3）×4.01-28.63-（1/3）×17.18=6.49 =276.7
3 40.11-28.63-4.01-9.31=7.16 121.7
H 2O 143.16+3×28.63+2×4.01+2×9.31+17.18+0.33 =274.2 4943.6
c.反应器物料平衡表
（3）热量衡算
各物质0℃的平均定压比热容如下
浓相段热衡算求浓相段换热装置的热负荷与产生蒸汽量
～t h
kJ H /10266.2)11025)(883.188.2576046.14.11561941.032.3512301.287.85105.25.370841.12.2004(61?-=-?+?+?+?+?+?=?△H △H 2 △H 1
△H 3
h
kJ H /10055.310)64118.171.35333.01.31531.93.36201.55.51263.28(7
3
2?-=??+?+?+?+?-=?
h
kJ H /10396.1)25470)(213.19.755172.248.18724.12.25110.24.205029.286.1517092.26.4953109.14.11561046.18.844929.27.121347.35.370929.27.276(73?=-?+?+?+?+?+?+?+?+?+?+?=?h kJ H H H H /10886.110396.110055.310266.27776321?-=?+?-?-=?+?+?=? 若热损失取ΔH 的4%，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：
(1-0.04)×1.886×107=1.792×107
浓相段换热装置产生0.404的饱和蒸汽（饱和温度143℃）， 143℃饱和蒸汽焓2736 143℃饱和水焓2601.2
∴ 产生的蒸汽量=h kg /83942
.601273610792.17
=-?
b.稀相段热衡算求稀相段换热装置的热负荷与产生蒸汽量 以0℃气体为衡算基准
进入稀相段的气体带入热为
h
kJ Q /10334.1)0470)(213.19.755172.248.18724.12.25110.24.205092.26.4953109.14.11561046.18.844939.27.121347.35.370929.27.276(71?=-?+?+?+?+?+?+?+?+?+?= 离开稀相段的气体带出的热为
h
kJ Q /10083.1)0360)(130.19.755966.148.18640.12.251933.14.205874.186.1517008
.26.4953088.14.11561004.18.844636.27.121013.35.370678.27.276(72?=-?+?+?+?+?+?+?+?+?+?+?= 若热损失为4%，则稀相段换热装置的热负荷为
6
772110410.2)10083.110334.1)(04.01()
)(04.01(?=?-?-=--=Q Q Q
稀相段换热装置产生0.404的饱和蒸汽，产生的蒸汽量为
h kg G /9.11282
.601273610410.26
=-?=
3.3.2废热锅炉的热量衡算
（1）计算依据
a.入口气体和出口气体的组成与反应器出口气体相同
b.入口气体温度360℃，压力0.162
c.出口气体温度180℃，压力0.142
d.锅炉水侧产生0.404的饱和蒸汽 （2）热衡算
以0℃气体为衡算基准