年产20万吨丙烯腈概念设计
年产10万吨丙烯腈生产流程概念设计
《化工过程分析和合成设计》课程设计报告 《Analysis, synthesis, and Design of Chemical Processes》Design Report年产10万吨丙烯腈生产流程概念设计林英光 喻冬秀指导教师：钱 宇 教授陆恩锡 教授专业名称：化学工程年 级：2004 博士单位名称：化工学院完成日期: 2005年3月目 录一、丙烯腈概述.......... ..................................... ........................................ (2)1.1 丙烯腈性质 (2)1.2 国内外生产现状 (3)1.3 丙烯腈生产方法 (4)1.4 项目设计背景 (4)1.5 设计目标 (4)1.6 设计任务 (4)二、合成丙烯腈技术分析 (4)2.1 反应过程分析 (4)2.2 分离过程分析....................... ....................... .. (7)三、流程叙述 (8)3.1 原料规格 (8)3.2 工艺流程 (8)四、流程模拟与优化........ . (8)4.1 工艺流程模拟 (9)4.2 冷凝塔F-101操作条件确定 (9)4.3 冷凝塔F-102操作条件确定 (10)4.4 精馏塔T-101操作条件确定 (11)4.5 精馏塔T-102操作条件确定........... .. (13)4.6 全流程模拟结果与物料衡算 (15)4.7 全流程模拟计算输出报告 (16)五、丙烷与丙烯氨氧化法对比经济分析 (16)5.1 反应过程对比经济分析 (16)5.2 投资成本对比经济分析 (17)六、总结 (18)七、建议 (18)八、参考文献 (18)九、附录:流程模拟计算输出报告 (19)一、 丙烯腈概述1.1丙烯腈的性质1.1.1 丙烯腈的物理性质丙烯腈是一种非常重要的有机化工原料，在合成纤维、树脂、橡胶急胶粘剂等领域有着广泛的应用。
丙烯腈生产概念设计方案
三、技 术 分 析---分离系统结构设计
反应气
反应产物 冷 凝 塔
CO2、CO、原料气 HCN
冷
精
凝
馏
塔
塔
氨、水
丙烯腈
精 馏 塔
乙腈
四、流程模拟与优化---工艺流程图
Aspen plus 模拟流程图
四、流程模拟与优化--冷凝塔F-101操作条件确定
冷凝塔F-101温度对分离效果的影响
四、流程模拟与优化--冷凝塔F-101操作条件确定
五、 经济分析--反应过程对比经济分析
收率为60% 时丙烷法与丙烯法反应器参数对比
项目
丙烷氨氧化法 (A)
反应器热负荷 MMkcal/hr
-53.664016
反应出料物流体积流量 106027.352 Cum/hr
丙烯氨氧化法 A/B (B)
-45.26637
1.19
98368.434
1.08
产物丙烯腈流量 (纯度99.5%)
2 25 1 1 440 0 0 0 0 0 0 0 0 440 7493.5 0.6927 17.031
5 70 1 1 440 0 0 0 0 0 0 0 0 440 7493.5 0.6002 31.999
7 410 1.2
1 55.5808 98.0035
325.6 8.5536 50.2656 1597.38 90.3936 25.7664 53.2224 2304.8 58895 0.5407 25.553
三、技 术 分 析---反应过程分析
丙烷 氧气 氨
C3H8 + NH3 +1.5 O2 → CH2 =CHCN + 3 H2O C3H8 + 1.5NH3 + 2O2 → 1.5CH3CN + 4H2O C3H8 + 3NH3 + 3.5O2 → 3HCN + 7H2O C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O C3H8 + 3.5O2 → 3CO + 4H2O
年产10万吨丙烯腈概念设计-PPT课件
第3部分 系统设计优化
27
• 对于整个丙烷氨氧化法制丙烯腈系统而言，由于 生产工艺已经较为成熟，且各个设备都是在必需 够用的基础上进行选择的，并且在分步模拟中已 经自觉地采取了优化措施，使用的操作参数对整 个系统的节能、降低生产成本都有很大裨益，因 此，很难在设计好的流程中再进行优化设计 • 在设计模拟过程中，丙烯腈精制塔是控制产品质 量的关键单元操作，由于采用的操作参数与最初 通过Winn-Underwood-Gilliland方法（间接计 算法）计算的操作参数有较大出入，现简单介绍 在设计过程中的优化思路
3
• 溶于水、乙醚、乙醇、丙酮、苯和四氯化 碳，与水形成共沸物，易挥发，有腐蚀性 • 易燃，遇火种、高温、氧化剂有燃烧爆炸 的危险，其蒸气与空气形成爆炸性混合物， 毒性极强 • 丙烯腈是一种重要的有机化工原料，在合 成树脂、合成纤维、合成橡胶等高分子材 料中占有显著的地位并有着广阔的前景 • 丙烯腈也是重要的有机合成原料，丙烯腈 聚合物与丙烯腈衍生物也广泛应用于国民 经济的多个领域。产品主要用于制作家用 电器和家用电子设备的零部件
11
中国丙烯腈消费结构及预测（万吨/年）
12
中国大陆丙烯腈消费结构(2019年)
13
中国丙烯腈拟建或改造情况—2019年（万吨/年）
14
第2部分 丙烷氨氧化生产丙烯 腈的原理和工艺流程设计
15
2.1 丙烯腈生产装置、工艺特点
• 丙烯腈装置具有高温、高压、剧毒、易燃易爆、 强腐蚀等特点，属于典型的石油化工装置。装置 工艺复杂、自动化程度高，属于典型的现代化生 产装置。生产的产品具有较高的质量，指标高于 国家优级品，其中产品中过氧化物、醛类指标明 显低于其他丙烯腈产品。设备种类齐全，拥有： 流化床反应器；新型急冷塔、填料式吸收塔、精 馏塔等塔器；离心式透平空气压缩机、离心式透 平制冷机；离心泵、屏蔽泵、真空泵、计量泵等 各种机泵；以及各类储罐、过、收益核算
年产20万吨丙烯腈概念设计
丙烷直接氨氧化法研究进展
生产工艺改进：日本三菱化学公司引入了BOG公 司的Petrox烃类循环工艺;BP-Amoco公司提出了 未反应氨回收工艺。近年来，随着各国对环保和 可持续发展理念的不断提高，丙烯腈生产技术的 改进也主要集中在节能降耗、环保等方面。
催化剂的改进：日本三菱化学和旭化成两公司只 要开发钼酸钒催化剂，目前该催化剂能够获得高 达60%以上的丙烯腈收率；BP-Amoco主要开发锑 酸钒催化剂；第三种新型催化剂是钒铝氧氮化物， 对丙烯腈时空收率(单位催化剂每小时丙烯腈生 成量)远远高于其它催化剂。
Aji＝1601.3070 Aji＝1313.6823 Aji＝216.3372
Bij＝-5.9440
Bij＝0
Bij＝0
Bji＝702030 Cij＝0.3000
Bji＝0 Cij＝0.4347
Bji＝0 Cij＝0.3100
热力学方法选 择时，Aspen 不自带水、丙 烯腈和乙腈的 相互作用参数， 需根据卓越公 司提供的数据 自己输入，如 左图。
10
国际现状
地区 欧洲
2001年 130
2002年 130
2003年 130
2004年 125
2005年 100
2010年 100
中东/非洲
30
30
30
30
35
35
亚洲
230
250
270
280
315
340
拉丁美洲
20
20
25
25
30
25
北美
70
60
45
45
40
40
全世界
约480 约490 约500 约510 约520 约550
年产20万吨丙烯烃项目初步设计说明书 精品
集团年产20万吨丙烯烃项目初步设计说明书目录第一章总论 (1)1.1 项目概况 (2)1.2 设计依据 (2)1.3 设计思想及原则 (2)1.4 工艺特点 (3)1.5 产品方案 (3)1.6 辅助设计软件的应用 (4)第二章厂址选择 (5)2.1 选择原则 (5)2.2厂址选定 (6)2.3地理位置 (7)2.4 原料和市场 (7)2.5自然概况 (9)第三章工艺设计方案 (11)3.1设计目标 (11)3.1.1概述 (11)3.1.2生产规模 (11)3.2 工艺方案选择 (11)3.2.1流程模拟说明 (11)3.2.2 生产任务 (12)3.2.3合成工段的模拟 (12)3.3 Aspen Plus 11.1流程模拟 (14)3.3.1合成工段物料衡算 (14)3.3.2预分离工段物料衡算 (16)3.3.3分离工段物料衡算 (18)3.3.4脱丙烷塔操作参数的优化 (21)3.3.5乙烯塔操作参数的优化 (29)3.3.6丙烯精馏塔操作参数的优化 (33)3.3.7精馏工段各塔操作参数总结 (38)3.4 全流程模拟 (38)第四章自动控制及仪表 (40)3.1 设计依据 (40)3.2 自动控制要求 (40)3.3 设备的自动控制 (41)第五章供电与通信 (41)5.1 设计说明 (41)5.1.1 设计范围 (41)5.3.2 总降压变电所设计 (44)5.4 照明系统 (45)5.5 接地防雷系统 (45)5.5.1 接地系统 (45)5.5.2 防雷保护系统 (46)5.6 电信工程 (48)第六章供热 (49)6.1 概述 (49)6.2 标准与规范 (50)6.3 供热方案 (50)6.4 锅炉给水系统 (51)6.4.1 水质要求 (51)6.4.2 蒸汽冷凝水的处理方法 (51)6.4.3 本分厂的锅炉给水系统 (52)6.5 供热系统配套设施 (52)6.5.1 蒸汽管道 (52)6.5.2 阻汽排水阀 (53)6.5.3 汽-水分离器 (53)第七章环境保护 (53)7.1 设计依据 (53)7.2 环保治理措施 (54)7.2.1 废气 (54)7.2.2 废水 (54)7.2.3 废渣 (55)7.2.4 噪声 (55)7.3 场内绿化 (55)毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
年产20万吨丙烯腈项目—四效蒸发工段工艺设计
本文以20万吨/年丙烯睛生产装置中的回收和精制过程为主要研究对象。首先应用化工过程模拟软件PRO/ II模拟计算生产装置中的回收和精制过程，其中包括:适合该体系热力学方程的选取，软件中适合该过程的模块的选用和对过程的模拟，模拟结果与工业数据间的对比以进行可靠性验证。然后，应用该模拟程序考察分析影响回收和精制过程的主要工艺参数，以提高丙烯睛的回收率和更加合理的利用能量为目标，对相关的工艺参数进行分析，在保证丙烯睛收率的前提下，向消耗低的方向努力。本文的研究对于工厂的实际生产操作具有方向性和指导性意义。
5、2017年5月至6月完成设计说明书，准备答辩．
特色或创新之处
1、本论文在文献工作和充分调研的基础上，对扩能改造各种工艺路线及研究现状进行分析对比。
2、对国外20万吨/年丙烯睛装置运行现状进行分析，结合装置自身情况提出改造方案并对具体实施情况进行了描述。
3、对原装置存在的生产瓶颈问题提出解决办法。
尚需解决的问题：
1、具体流程的参数（包括物料的种类、流量，各过程的温度、压力，能源的种类、数量等）要由反应及过程的具体需要来确定；
2、设备的化工计算及选型也尚需在衡算结果上方可进行．
指导教师意见
指导教师（签名）：年月日
系意见
系主任（签名）：年月日
可行性分析：
通过查阅文献，并结合之前所学知识和企业实习所学经验，可以论证工艺方案和流程的可行性，此设计符合现实车间的生产工艺．
研究计划及预期成果
1、2017年1月收集整理文献，拟定课题；
2、2017年2月查阅翻译翻译文献，拟写开题报告；
3、2017年3月进行全生产工艺过程的物料、热量衡算；
4、2017年4月进行磺化工段典型非标设备的设计计算及定型设备的选型；
年产10万吨丙烯腈概念设计
丙烯腈精制塔优化设计输出结果图（3）
31
丙烯腈精制塔优化设计灵敏度分析图
32
第4部分 系统经济评价
33
4.1 收益核算
原料成本表
产品销售收益表
34
4.2 设备投资核算
主 要 设 备 投 资 表Leabharlann 354.3 综合投资、收益核算
• 厂房、地皮计划投资9000万，70年回收此项投资， 合128.57万元/年
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中国丙烯腈消费结构及预测（万吨/年）
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中国大陆丙烯腈消费结构(2007年)
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中国丙烯腈拟建或改造情况—2015年（万吨/年）
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第2部分 丙烷氨氧化生产丙烯 腈的原理和工艺流程设计
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2.1 丙烯腈生产装置、工艺特点
• 丙烯腈装置具有高温、高压、剧毒、易燃易爆、 强腐蚀等特点，属于典型的石油化工装置。装置 工艺复杂、自动化程度高，属于典型的现代化生 产装置。生产的产品具有较高的质量，指标高于 国家优级品，其中产品中过氧化物、醛类指标明 显低于其他丙烯腈产品。设备种类齐全，拥有： 流化床反应器；新型急冷塔、填料式吸收塔、精 馏塔等塔器；离心式透平空气压缩机、离心式透 平制冷机；离心泵、屏蔽泵、真空泵、计量泵等 各种机泵；以及各类储罐、过滤器；开工炉、焚 烧炉等工业炉。
• 由分层器出来的油相组分进入脱氰塔，精馏，塔底出来的 纯度接近成品要求的丙烯腈产品，塔顶为粗的HCN副产品
• 从脱氰塔塔底出来的丙烯腈纯度还没达到产品要求，因此， 进一步对丙烯腈溶液进行精馏，直至达到产品要求
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第3部分 系统设计优化
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• 对于整个丙烷氨氧化法制丙烯腈系统而言，由于 生产工艺已经较为成熟，且各个设备都是在必需 够用的基础上进行选择的，并且在分步模拟中已 经自觉地采取了优化措施，使用的操作参数对整 个系统的节能、降低生产成本都有很大裨益，因 此，很难在设计好的流程中再进行优化设计
产万吨丙烯腈生产概念设计
国内表观需求量120万吨/年，生产能力只有76万吨/年。
通过市场调研我们发现随着石油价格的节节攀升，丙烯腈 的价格随之上涨，而且丙烯腈的制备工艺在我国还有待发
展，做好这个项目模拟有很广阔的市场前景。
2019/2/25
8
来源：
3.目标与任务
该项目来源于卓越化学公司(Excellent Chemicals)。
目标：
设计规模：年产20万吨（4亿磅）的生产设计模拟
与优化
产品要求：丙烯腈的最小质量纯度达到99.0%
2019/2/25 9
设计任务
根据生产要求和工艺条件设计出年产20万吨丙烯腈的生产流 程 用Aspen plus 对流程进行模拟，确定设备的操作参数（温度， 压力，采出量，回流比等），输出设计报告 根据各单元操作的工艺特点优化操作参数，降低操作的难度， 从而节约成本 对模拟流程进行经济核算
CN基：水解反应，水合反应，醇解反应等 CH2=CHCN+H2O CH2=CHCNH2
∥
2019/2/25
O
4
产品规格
序号 1 2 外观 色度（Pt－CO），号 指标名称
产品标准（GB7717.1－94）
指标 优等品 < 5 一等品 透明液体、无悬浮物 5 10 合格品
3
4 5 6 7 8
酸度
密度（20℃）/（g/cm3） PH值（5％水溶液） 滴定值（5％的水溶液）/ml 水分/%(质) 总醛（以乙醛计）/%(质)
<
0.0020
0.0035
0.800～0.807 6.0～9.0
－
< < <
2.0 0.45 0.05
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≥99.3
0.800～0.807
6.0～9
6.0～10.0
≤2.0
≤3.0
≤5
≤16
≤0.45
≤0.50
≤0.005
≤0.010
≤0.0005
≤0.0010
≤0.00002
≤0.00003
≤0.00001
≤0.00002
≤0.020
≤0.030
≤0.010
≤0.020
≤0.0015
≤0.0040
合格品
7
物化性质：
丙烯腈是无色或淡黄色液体，有特殊气味， 分子量 53.06，沸 点 77.3℃， 冰 点 -83.5 ℃，闪 点 0℃，自燃点 481℃，聚合热 72.4 kJ/mol，剧毒 ，溶 于丙酮、苯、四氯化碳、乙醚、乙醇等有 机溶剂，微溶于水 。
丙烯腈由于分子结构带有C=C 双键及-CN 键，所以化学性质非常活泼，可以发生加 成、聚合、腈基及氢乙基化等反应。
△H = -1925KJ/mol
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丙烷氨氧化法
主反应： C3H8 + NH3 +2 O2 → CH2 =CHCN(AN) + 4 H2O C3H8 + 0.5O2 →C3H6 (PEN) + H2O C3H6 + NH3 +1.5 O2 → CH2 =CHCN(AcN) + 3 H2O
副反应： ①C3H6 + 1.5NH3 + 1.5O2 → 1.5CH3CN + 3H2O ②C3H6 + 3NH3 + 3O2 → 3HCN + 6H2O ③C3H8+ 4O2 → 2CO+CO2 +4 H2O ④2NH3 + 1.5 O2 →N2 + 3 H2O
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1
年产20万吨丙烯腈概念设计
项目设计人： 张灿阳 王津津 杜孝利
指导老师： 李秀喜研究员
2
报告内容
第一部分：设计任务 第二部分：产品概述 第三部分：市场调研 第四部分：设计背景 第五部分：丙烯腈概念设计 第六部分：流程模拟和优化 第七部分：经济核算 第八部分：总结
3
第一部分：设计任务
≥98.5
6.0～10.0 ≤4.0 ≤20 ≤0.70
≤0.018 ≤0.0040 ≤0.00004 ≤0.00005 ≤0.050 ≤0.030 ≤0.0090 9
第三部分：产品调研
丙烯睛是一种重要的有机化工原料，在合 成树脂、合成纤维、合成橡胶等高分子材 料中占有显著的地位并有着广阔的前景。 除此之外，丙烯睛聚合物与丙烯睛衍生物 也广泛应用国民经济的多个领域。目前国 内供不应求，每年需大量进口来满足市场 需求，国内生产装置建设明显明显加快， 成为倍受关注的基础有机化工原料。
合计
101.3
12Biblioteka 第四部分：设计背景丙烯腈生产方法： 目前世界各国生产丙烯腈的主要方法
是丙烯氨氧化法和丙烷氨氧化方法，其中 丙烯氨氧化工艺占绝对优势，其流程大都 采用索亥俄(Sohio)技术
丙烯氨氧化工艺以丙烯和氨气为原料， 通过氧化生产丙烯腈，副产乙腈和氢氰 酸：
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丙烯氨氧化法
主反应：C3H6 + NH3 +1.5 O2 → CH2 =CHCN + 3 H2O △H = -512.5KJ/mol
十二月初到中旬，完成Aspen Plus对设计 的工艺流程进行模拟，确定设备的操作参 数。
十二月中旬到课程结束，完成工艺流程进 行操作优化，并对丙烷氨氧化法生产丙烯 腈工艺进行经济核算。
6
第二部分：产品概述
丙烯腈，CH2=CH－CN，英文名 Acrylonitrile（简称AN），1893 年已经在 实验室合成成功。到1930 年在工业上被 用于合成耐油丁腈橡胶。现在除了丁腈橡 胶之外，还广泛用于ABS 塑料、AS 塑料 和腈纶纤维（PAN）的生产。此外，丙烯 腈还是合成丙烯酰胺、聚丙烯酸酯等的重 要原料。
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国际现状
地区 欧洲
2001年 130
2002年 130
2003年 130
2004年 125
2005年 100
2010年 100
中东/非洲
30
30
30
30
35
35
亚洲
230
250
270
280
315
340
拉丁美洲
20
20
25
25
30
25
北美
70
60
45
45
40
40
全世界
约480 约490 约500 约510 约520 约550
设计题目：年产20万吨丙烯腈概念设计 设计目标： 产品名称：丙烯腈 产品要求：C3H3N（w%）＞99%。 生产规模：20万吨/年。 生产时间：333天/年（8000h/年）
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设计任务：
1、熟悉本项目概念设计的要求和背景，理清思路，阅读 相关的文献。
2、按年产20万吨丙烯腈的生产规模，根据最新的丙烯腈 实验研究成果和小试提供的技术信息和所收集的技术经 济资料，对丙烷氨氧化工艺生产丙烯腈进行概念设计。
副反应： ①C3H6 + 1.5NH3 + 1.5O2 → 1.5CH3CN + 3H2O
△H = -522KJ/mol ②C3H6 + 3NH3 + 3O2 → 3HCN + 6H2O
△H = -941KJ/mol ③C3H6 + 4.5O2 → 3CO2 +3 H2O
△H = -1925KJ/mol ④C3H6 + 3O2 → 3CO + 3H2O
11
国内现状
生产厂家 上海石化公司 大庆石化公司 大庆炼化公司
齐鲁石化丙烯腈厂
抚顺石化腈纶厂 吉林石化公司 安庆石化腈纶厂 上海赛科石化公司 大庆油田助剂厂 兰州石化公司
产能/(万t.a-1) 13.0 8.0 8.0
4.0
8.0 21.2 8.0 26.0 2.0 3.1
采用技术 BP技术 BP技术 BP技术 BP技术 （齐胜化工厂为国 内技术） BP技术 BP技术 BP技术 BP技术 BP技术 BP技术
3、用Aspen Plus对设计的工艺流程进行模拟，确定设备的 操作参数（温度、压力、采出量、回流比等），输出技 术报告。
4、根据丙烯腈生产的特点，对工艺流程进行操作优化 （比如温度、压力等以及工艺水和热能综合利用，三废 处理等等）。
5、对丙烷氨氧化法生产丙烯腈工艺进行经济核算。
5
进展计划：
十一月末十二月初，完成搜集最新丙烯腈 实验研究成果和小试提供的技术信息和技 术经济资料，对丙烷氨氧化工艺生产丙烯 腈进行概念设计。
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丙烯腈产品质量标准
指标名称
外观 含量，%
相对密度
pH值(5%水溶液)
滴定值(5%水溶液)
质
色度(Pt-Co)号
量
水含量，%
标
准 总醛含量(以乙醛计)，%
总氰含量(以氢氰酸计)，%
过氧化物，%
铁含量，%
乙腈含量，% 丙酮含量，%
丙烯醛含量，%
丙烯腈（C3H3N） 优级品
一级品
透明液体，无悬浮物
≥99.5