【文章內(nèi)容簡介】 是由于加壓對副反應(yīng)更有利，反而降低了丙烯腈的收率。因此，一船采用常壓操作，適當(dāng)加壓只是為了克服后部設(shè)備及管線的阻力。 工藝流程 丙烯氨氧化生產(chǎn)丙烯腈的工藝流程如圖 1— 1 所示。 7 圖 11 丙烯氨氧化法合成丙烯腈工藝流程圖 1－反應(yīng)器； 2－旋風(fēng)分離器； 1 1 2 25－塔頂氣體冷凝器； 4－急冷塔； 5－水吸收塔； 6－急冷塔釜液泵； 7－急冷塔上部循環(huán)泵； 8－回收塔； 20－塔釜液泵； 117－分層器； 1 19－油層抽出泵； 14－乙腈塔； 15－脫氰塔 ； 1 2 30－塔底再沸器；21－成品塔； 23－成品塔側(cè)線抽出冷卻器； 26－吸收塔側(cè)線采出泵； 27－吸收塔側(cè)線冷卻器；28－氨蒸發(fā)器； 29－丙烯蒸發(fā)器 原料丙烯經(jīng)蒸發(fā)器（ 29）蒸發(fā)，氨經(jīng)蒸發(fā)器（ 28）蒸發(fā)后，進(jìn)行過熱、混合，從流化床底部經(jīng)氣體分布板進(jìn)入反應(yīng)器（ 1），原料空氣經(jīng)過濾由空壓機(jī)送入反應(yīng)器（ 1）錐底，原料在催化劑作用下，在流化床反應(yīng)器中進(jìn)行氨氧化反應(yīng)。反應(yīng)尾氣經(jīng)過旋風(fēng)分離器（ 2）捕集生成氣夾帶的催化劑顆粒，然后進(jìn)入尾氣冷卻器（ 3）用水冷卻，再進(jìn)入急冷塔（ 4）。氨氧化反應(yīng)放出大量的熱，為了保持床層 溫度穩(wěn)定，反應(yīng)器中設(shè)置了一定數(shù)量的 U型冷卻管，通入高壓熱水，借水的汽化潛熱移走反應(yīng)熱。 經(jīng)反應(yīng)后的氣體進(jìn)入急冷塔（ 4），通過高密度噴淋的循環(huán)水將氣體冷卻降溫。反應(yīng)器流出物料中尚有少量未反應(yīng)的氨，這些氨必須除去。因?yàn)樵诎贝嬖谙?，堿性介質(zhì)中會發(fā)生一些不希望發(fā)生的反應(yīng)，如氫氰酸的聚合、丙烯醛的聚合、氫氰酸與丙烯醛加成為氰醇、氫氰酸與丙烯腈加成為丁二腈，以及氨與丙烯腈反應(yīng)生成氨基丙腈等。生成的聚合物會堵塞管道，而各種加成反應(yīng)會導(dǎo)致產(chǎn)物丙烯腈和副產(chǎn)物氫氰酸的損失。因此，冷卻的同時需向塔中加入硫酸以中和未反應(yīng)的氨。工業(yè) 上采用硫酸濃度為 ％ (w)左右，中和過程也是反應(yīng)物料的冷卻過程，故急冷塔也叫氨中和塔。反應(yīng)物料經(jīng)急冷塔除去未反應(yīng)的氨并冷至 40℃左右后，進(jìn)入水吸收塔（ 5），利用合成氣體中的丙烯腈、氫氰酸和乙腈等產(chǎn)物，與其它氣體在水中溶解度相差很大的原理，用水作吸收劑回收合成產(chǎn)物。通常合成氣體由塔釜進(jìn)入，水由塔頂加入，使它們進(jìn)行逆流接觸，以提高吸收效率。吸收產(chǎn)物后的吸收液應(yīng)不呈堿性，含有氰化物和其它有機(jī)物的吸收液由吸收塔釜泵送至回收塔（ 8）。其它氣體自塔頂排出，所排出的氣體中要求丙烯腈和氫氰酸含量均小于 2 l05。 丙烯腈的水溶液含有多種副產(chǎn)物，其中包括少量的乙腈、氫氰酸和微量丙烯醛、丙腈等。在眾多雜質(zhì)中，乙腈和丙烯腈的分離最困難。因?yàn)橐译婧捅╇娣悬c(diǎn)僅相差 4℃，若采用一般的精餾法，據(jù)估算精餾塔要有 150 塊以上的塔板，這樣高的塔設(shè)備不宜用于工業(yè)生產(chǎn)中。目前在工業(yè)生產(chǎn)中，一般采用共沸精餾。在塔頂?shù)帽╇媾c水的共沸物，塔底則為乙腈和大量的水。 利用回收塔（ 8）對吸收液中的丙烯腈和乙腈進(jìn)行分離，由回收塔側(cè)線氣相抽出的含乙腈和水蒸氣的混合物送至乙腈塔（ 14）釜，以回收副產(chǎn)品乙腈；乙腈塔 8 頂蒸出的乙腈水混合蒸汽經(jīng)冷凝、冷卻后送至乙 腈回收系統(tǒng)回收或者燒掉。乙腈塔釜液經(jīng)提純可得含少量有機(jī)物的水，這部分水再返回到回收塔（ 8）中作補(bǔ)充水用。從回收塔頂蒸出的丙烯腈、氫氰酸、水等混合物經(jīng)冷凝、冷卻進(jìn)入分層器（ 12）中。依靠密度差將上述混合物分為油相和水相，水相中含有一部分丙烯腈、氫氰酸等物質(zhì)，由泵送至脫氰塔（ 14）以脫除氫氰酸。回收塔釜含有少量重組分的水送至廢水處理系統(tǒng)。 含有丙烯腈、氫氰酸、水等物質(zhì)的物料進(jìn)入脫氰塔（ 15）中，通過再沸器加熱，使輕組分氫氰酸從塔頂蒸出，經(jīng)冷凝、冷卻后送去再加工。由脫氰塔側(cè)線抽出的丙烯腈、水和少量氫氰酸混合物料在 分層器（ 17）中分層，富水相送往急冷塔或回收塔回收氰化物，富丙烯腈相再由泵送回本塔進(jìn)一步脫水，塔釜純度較高的丙烯腈料液由泵送到成品塔（ 21）。 由成品塔頂蒸出的蒸汽經(jīng)冷凝后進(jìn)入塔頂作回流，由成品塔釜抽出的含有重組分的丙烯腈料液送入急冷塔中回收丙烯腈，由成品塔側(cè)線液相抽出成品丙烯腈經(jīng)冷卻后送往成品中間罐。 典型設(shè)備－流化床反應(yīng)器 丙烯氨氧化的反應(yīng)裝置多采用流化床反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)如圖 1— 2 所示。流化床反應(yīng)器按其外形和作用分為三個部分，即床底段、反應(yīng)段和擴(kuò)大段。 床底段為反應(yīng)器的下部，許多流化床的底部呈 錐形，故又稱錐形體，此部分有氣體進(jìn)料管、防爆孔、催化劑放出管和氣體分布板等部件。床底段主要起原料氣預(yù)分配的作用，氣體分布板除使氣體均勻分布外，還承載催化劑的堆積。 反應(yīng)段是反應(yīng)器中間的圓筒部分，其作用是為化學(xué)反應(yīng)提供足夠的反應(yīng)空間，使化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行完全。催化劑受氣體的吹動而呈流化狀，主要集中在這一部分，催化劑粒子的聚集密度最大，故又稱濃相段。為排出反應(yīng)放出的熱量，在濃相段設(shè)置一定數(shù)量的垂直 U形管，管中通入高壓軟水，利用水的汽化帶出反應(yīng)熱，產(chǎn)生的蒸汽可作能源。 擴(kuò)大段是指反應(yīng)器上部比反應(yīng)段直徑稍大的部分，其 中安裝了串聯(lián)成二級或三級的旋風(fēng)分離器， 它的主要作用是回收氣體離開反應(yīng)段時帶出的 一部分催化劑。在擴(kuò)大段中催化劑的聚集密度 較小，故也稱為稀相段。 9 2 總 體方案 工藝設(shè)計 設(shè)計任務(wù) （ 1）設(shè)計項目名稱 丙烯腈合成工段初步設(shè)計。 （ 2）生產(chǎn)方法 以丙烯、氨、空氣為原料，用丙烯氨氧化法合成丙烯腈。 （ 3）生產(chǎn)能力 年產(chǎn) 60000 噸丙烯腈。 （ 4）原料組成 液態(tài)丙烯原料含丙烯 85%（ mol） ,丙烷 15%（ mol）；液態(tài)氨原料含氨 100%。 （ 5）工段產(chǎn)品為丙烯腈水溶液，含丙烯腈 %(wt)。 圖 1－ 2 丙烯氨氧化流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖 1－第一級旋風(fēng)分離器； 2－第二級旋風(fēng)分離器； 3－第三級旋風(fēng)分離器； 4－三級料腿； 5－ 二級料腿； 6－一級料腿； 7－氣體分布板； 10 流程確定 液態(tài)丙烯和液態(tài)氨分別經(jīng)丙烯蒸發(fā)器和氨蒸發(fā)器氣化，然后分別在丙烯過熱器和氨氣過熱過熱到需要的溫度后進(jìn)入混合器：經(jīng)過壓縮后的空氣先通過空氣飽和塔增濕，經(jīng)過空氣加熱器預(yù)熱到一定的溫度再進(jìn)入混合器。混合氣出口的高溫氣體經(jīng)過廢熱鍋爐回收熱量，氣體冷卻到 230℃左右進(jìn)入氨中和塔，在 70~80℃下用硫酸吸收反應(yīng)器出口氣體中未反應(yīng)的氨，中和塔塔底的含硫酸銨的酸液經(jīng)過循法冷卻器除去吸熱再返回塔頂循環(huán)使用 ,同時補(bǔ)充部分新鮮的酸液，并從塔釜排放一部 分含硫酸銨的廢液，中和塔出口氣體經(jīng)換熱器冷卻后進(jìn)入水吸收塔，用5~10℃的水吸收丙烯腈和其他副產(chǎn)物，水吸收塔塔底得到含丙烯腈約 %的丙烯腈水溶液，經(jīng)換熱器與氨中和塔出口氣體換熱，溫度升高后去精制工段。 物料流程圖如下： 圖 物料流程圖 11 12 3 工藝設(shè)計計算 物料衡算與熱量衡算 按年工作日 300 天，丙烯腈損失率 %，設(shè)計裕量 6%計算，丙烯腈小時產(chǎn)量為： 600001000(30024)= 。 反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算 (1) 計算依據(jù) 9107kg/h，即 （摩爾分?jǐn)?shù)） 含 C3H685%， C3H815% （摩爾比）為 C3H6 ： NH3 ： O2 ： H2O ＝ 1 ： ： ： 3 如表 31 所示 表 31 反應(yīng)后各產(chǎn)物的單程收率 物質(zhì) 丙烯腈（ AN） 氰化氫（ HCN） 乙腈（ ACN） 丙烯醛（ ACL） CO2 摩爾收率 進(jìn)口 ，出口 110℃ ，反應(yīng)溫度 470℃ ，出口氣體溫度 360℃ 。 (2) 物料衡算 C3H6 C3H8 = NH3 = O2 = H2O 3= N2 = 丙烯腈 乙腈 3/2 = 丙烯醛 =2kmol/h= CO2 30 .12= HCN 3= 13 C3H8 N2 O2 2 9/(32) = C3H6 2/3 = NH3 ,83 = H2O +3+2+2++2 =1651kmol/h=29720kg/h 32 表 32 反應(yīng)器物料平衡表 （ 3） 熱量衡算 各物質(zhì) 0～ t℃的平均定壓比熱容如表 33 所示 組分 流量和組成 反應(yīng)器進(jìn)口 反應(yīng)器出口 Kmol /h Kg /h % (mol) % (wt) Kmol /h Kg /h % (mol) % (wt) C3H6 12026 1659 C3H8 2223 2223 NH3 5110 O2 21072 5066 H2O 1651 29720 N2 69362 69362 AN 0 0 0 0 ACN 0 0 0 0 1233 HCN 0 0 0 0 1507 ACL 0 0 0 0 2 CO2 0 0 0 0 4530 合計 15440 417500 100 100 4782 125240 100 100 14 表 33 各物質(zhì) 0～ t℃ 的平均定壓比熱容 CP/[kJ/(kgk)] 假設(shè)如下熱力學(xué)途徑： 各物質(zhì) 25～ t℃ 的平均比熱容用 0～ t℃ 的平均比熱容代替，誤差不大，因此， △H1=(12026+2223+5110+21072+69362+ 154602)(25110)=107kJ/h △H2=(103+103+103+2103 +103641)= 108kJ/h △H3=(+2223++5066+693621 .109+ 29720++1233+1507++4530) (47025)=107kJ/h △H =△H1+△H2+△H3 = 108+107= 108kJ/h 若熱損失取 △H 的 5%，則需由濃相段換熱裝置取出的熱量（即換熱裝置的熱負(fù)荷）為： Q=()108= 108kJ/h 濃相段換熱裝置產(chǎn)生 的飽和蒸汽（飽和溫度 143℃ ）， 143℃ 飽和蒸汽焓 i=2736kJ/kg 物質(zhì) C3H6 C3H8 NH3 O2 N2 H2O AN CN ACN CL CO2 CP 0～110℃ 1 1 1 6 3 0～360℃ 8 3 6 4 8 8 4 0 3 0 0～470℃ 9 7 9 6 9 9 9 4 3 110176。 C，反應(yīng)器入口混合氣 470176。 C，濃相段出口混合氣 25176。 C，濃相段出口混合氣 25176。 C，反應(yīng)器入口混合氣 △ H1 △ H2 △ H3 △ H 15 143℃ 飽和水焓 iH2O=∴ 產(chǎn)生的蒸汽量 =108/()=47450 kg/h 以 0℃ 氣體為衡算基準(zhǔn)。 進(jìn)入稀相段的氣體帶入熱為 Q1=(1659+2223+7295+5066+69362+ 29720++1233+1507++4530) (4700)=107kJ/h 離開稀相段的氣體帶出熱為 Q2=(1659+2223+7295+5066+69362+ 29720++1233+1507++4530)(3600)=107kJ/h 熱損失取 4%，則稀相段換熱裝置的熱負(fù)荷為 Q3=() (Q1Q2)=( )(107)=107kJ/h 稀相段換熱裝置產(chǎn)生 的飽和蒸汽量為 G=107/()=10550kg/h 廢熱鍋爐的 物料衡算和 熱量衡算 (1) 計算依據(jù) 360℃ ，壓力 180℃ ，壓力 MPa MPa 的飽和蒸汽 (2) 熱衡算 以 0℃ 氣體為衡算基準(zhǔn) ，各物質(zhì)的平均比熱容為表 34 所示。 表 34 各物質(zhì) 0～ 180℃ 的平均比熱容 （等于反應(yīng)器 稀相段的氣體帶出熱） Q1=107kJ/h Q2=(1659+2223+7295+5066+69362+