【正文】 畢業(yè)設(shè)計論文 年產(chǎn)6萬噸丙烯腈合成工段的初步設(shè)計 系 、 部： 材料與化學(xué)工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱 專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 班 級： 完成時間： 摘 要 丙烯腈是石油化學(xué)工業(yè)的重要產(chǎn)品，是合成聚丙烯腈纖維，丁腈橡膠和合成塑料的重要單體。本文采用的是原料來源豐富、操作簡單的丙烯氨氧化法生產(chǎn)丙烯腈。通過對從原料的處理到丙烯腈的合成工段的主要單元進(jìn)行物料和熱量衡算，對空氣加熱器、丙烯蒸發(fā)器、氨蒸發(fā)器的工藝計算，算出了部分設(shè)備的換熱面積，完成了對丙烯腈合成工段的初步設(shè)計。關(guān)鍵詞 丙烯腈；丙烯氨氧化法；生產(chǎn)；設(shè)計ABSTRACTAcrylonitrile is an important product for the petrochemical industry, synthetic acrylic fiber, acrylonitrilebutadiene rubber and synthetic plastics important monomers. This article is a rich source of raw materials, production of ammonia oxidation of propylene nitride. From raw materials handling to the synthesis of acrylonitrile unit39。s main unit for material and energy balance, air heaters, propylene evaporator, ammonia evaporator process calculation, worked out some of the equipment of the heat transfer area, pleted the preliminary design of the raw material process. Key words acrylonitrile。 propylene ammonia oxidation；production；design目 錄1 丙烯腈的概論 1 丙烯系產(chǎn)品的生產(chǎn) 1 丙烯氨氧化生產(chǎn)丙烯腈 2 丙烯腈的性質(zhì)和用途 2 丙烯腈的生產(chǎn)方法 3 反應(yīng)原理 3 操作條件 4 工藝流程 6 典型設(shè)備－流化床反應(yīng)器 82 總體方案工藝設(shè)計 10 設(shè)計任務(wù) 10 流程確定 103 工藝設(shè)計計算 12 物料衡算與熱量衡算 12 反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算 12 廢熱鍋爐的物料衡算和熱量衡算 15 空氣飽和塔物料衡算和熱量衡算 16 氨中和塔物料衡算和熱量衡算 18 換熱器物料衡算和熱量衡算 22 水吸收塔物料衡算和熱量衡算 22 空氣水飽和塔釜液槽 24 丙烯蒸發(fā)器熱量衡算 25 丙烯過濾器熱量衡算 25 氨蒸發(fā)器熱量衡算 26 氣氨過熱器 26 混合器 26 空氣加熱器的熱量衡算 27 主要設(shè)備的工藝計算 28 流化床合成反應(yīng)器 28 空氣飽和塔 29 丙烯蒸發(fā)器 324 車間布置設(shè)計 34 廠房建筑 34 生產(chǎn)操作 34 設(shè)備裝修 34 安全要求 35 車間布置說明 355 環(huán)境保護(hù)和安全措施要求 36 丙烯腈生產(chǎn)中的三廢處理 36 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 411 丙烯腈的概論丙烯腈是一種無色、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)國家50％以上的丙烯腈用于生產(chǎn)腈綸纖維。我國用于生產(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。前兩種方法因為原料昂貴，需要劇毒的HCN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廉易得，可一步合成、投資少、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。此次設(shè)計采用的是丙烷氨氧化法：即丙烷在催化劑的作用下與氨和氧氣（或空氣）反應(yīng)合成丙烯腈。 丙烯系產(chǎn)品的生產(chǎn)丙烯的主要來源有兩個，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聯(lián)產(chǎn)所得。丙烯大部分一直來自煉油廠，近年來，由于裂解裝置建設(shè)較快，丙烯產(chǎn)量相應(yīng)提高較快。和世界市場一樣，近年來我國丙烯的發(fā)展速度也逐漸超過了乙烯。2000年，，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，可得一系列有價值的衍生物。丙烯是重要的有機化工原料，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。聚丙烯是我國丙烯最大的消費衍生物。2003年，，%，；，%；丙烯腈是我國丙烯的第二大衍生物，2003年，，%；，%；環(huán)氧丙烷是我國丙烯的第三大消費衍生物，2003年，，%；，%；丁醇和辛醇也是丙烯的主要衍生物之一，,%；，%；2003年用于生產(chǎn)其它化工產(chǎn)品如苯酚、%；。目前我國丙烯主要衍生物的自給率還很低，需大量進(jìn)口來維持國內(nèi)的供需平衡，這給我國的丙烯生產(chǎn)提供了廣闊的發(fā)展空間。然而，這些發(fā)展空間并非國內(nèi)公司所能獨享，而將給國內(nèi)外石化公司帶來共同的發(fā)展機遇。實際上，目前我國周邊主要的丙烯生產(chǎn)國和地區(qū)都處于丙烯及其衍生物的凈出口地位，大量向我國出口。中東地區(qū)新增丙烯生產(chǎn)能力的很大一部分也瞄準(zhǔn)我國市場，因此未來國內(nèi)市場面臨激烈的競爭。 丙烯氨氧化生產(chǎn)丙烯腈 丙烯腈的性質(zhì)和用途丙烯腈在常溫下是無色透明液體，味甜，微臭，℃，℃，閃點0℃，自燃點481℃?？扇苡谟袡C溶劑如丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和乙醇中，與水部分互溶，20℃％(w)，％(w)。其蒸氣與空氣形成爆炸混合物，～％(v)。丙烯腈和水、苯、四氯化碳、甲醇、異丙醇等會形成二元共沸混合物，和水的共沸點為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，低濃度時刺激粘膜，長時間吸入其蒸氣能引起惡心，嘔吐、頭暈、疲倦等，因此在生產(chǎn)、貯存和運輸中，應(yīng)采取嚴(yán)格的安全防護(hù)措施。丙烯腈分子中有雙鍵()和氰基()兩種不飽和鍵，化學(xué)性質(zhì)很活潑， 能發(fā)生聚合、加成、水解、醇解等反應(yīng)。聚合反應(yīng)發(fā)生在丙烯腈的C=C雙鍵上，純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劑，如對苯二酚甲基醚(阻聚劑MEHQ)、對苯二酚、氯化亞銅和胺類化合物等。除自聚外，丙烯腈還能與苯乙烯、丁二烯、乙酸乙烯、氯乙烯、丙烯酰胺等中的一種或幾種發(fā)生共聚反應(yīng)，由此可制得各種合成纖維、合成橡膠、塑料、涂料和粘合劑等。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。 丙烯腈的生產(chǎn)方法1960年以前，丙烯腈的生產(chǎn)方法有三種。(1)環(huán)氧乙烷法 以環(huán)氧乙烷與氫氰酸為原料，經(jīng)兩步反應(yīng)合成丙烯腈。 (2)乙醛法(3)乙炔法1952年以后世界各國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，該法具有原料價廉易得、工藝流程簡單、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，使其1960年就在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用，很快取代了乙炔法，迅速推動了丙烯腈生產(chǎn)的發(fā)展，成為世界各國生產(chǎn)丙烯腈的主要方法。 反應(yīng)原理(1)主、副反應(yīng)主反應(yīng) ： CH=CHCH3 + NH3 +3/2O2 → CH2=CHCN + 3H2O 丙烯、氨、氧在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，除生成丙烯腈外，尚有多種副產(chǎn)物生成。副反應(yīng)：CH2=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 + 3H2O 乙腈的生成量約占丙烯腈質(zhì)量的1/7。CH2=CHCH3 + O2 → CH2=CHCHO + H2O 丙烯醛的生成量約占丙烯腈質(zhì)量的1/100 CH2=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。上述副反應(yīng)都是強放熱反應(yīng)，尤其是深度氧化反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，副產(chǎn)物的生成，必然降低目的產(chǎn)物的收率。這不僅浪費了原料，而且使產(chǎn)物組成復(fù)雜化，給分離和精制帶來困難，并影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了減少副反應(yīng)，提高目的產(chǎn)物收率，除考慮工藝流程合理和設(shè)備強化外，關(guān)鍵在于選擇適宜的催化劑，所采用的催化劑必須使主反應(yīng)具有較低活化能，這樣可以使反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行，使熱力學(xué)上更有利的深度氧化等副反應(yīng)，在動力學(xué)上受到抑制。(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Sohio 公司的C4C49及我國的MB8MB86。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催化劑壽命的作用。按質(zhì)量計，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對生成丙烯腈無催化活性，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。單獨使用P—Ce時，對反應(yīng)不能加速或極少加速，但當(dāng)它們和Mo—Bi配合使用時，能改進(jìn)MO—Bi催化劑的性能。一般來說，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。 操作條件(1)原料純度 原料丙烯是從烴類裂解氣或催化裂化氣分離得到，其中可能含有的雜質(zhì)是碳二、丙烷和碳四，也可能有硫化物存在。丙烷和其它烷烴對反應(yīng)沒有影響，它們的存在只是稀釋了濃度，實際上含丙烯50％的丙烯—丙烷餾分也可作原料使用。乙烯在氨氧化反應(yīng)中不如丙烯活潑，因其沒有活潑的αH，一般情況下，少量乙烯存在對反應(yīng)無不利影響。但丁烯或更高級烯烴存在會給反應(yīng)帶來不利，因為丁烯或更高級烯烴比丙烯易氧化，會消耗原料中的氧，甚至造成缺氧，而使催化劑活性下降；正丁烯氧化生成甲基乙烯酮（沸點80℃），異丁烯氨氧化生成甲基丙烯腈（沸點90℃），它們的沸點與丙烯腈沸點接近，會給丙烯腈的精制帶來困難。因此，丙烯中丁烯或更高級烯烴含量必須控制。硫化物的存在，會使催化