【正文】 處理手冊》設(shè)計說明書概論丙烯腈是重要的有機化工產(chǎn)品，在丙烯系列產(chǎn)品中居第二位，僅次于聚丙烯。在常溫常壓下丙烯腈是無色液體，味甜，微臭，沸點℃。丙烯腈有毒，室內(nèi)允許濃度為／，在空氣中爆炸極限(體積分數(shù))為％～％，與水、苯、四氯化碳、甲醇、異丙醇等可形成二元共沸物。丙烯腈分子中含有—雙鍵和氰基，化學(xué)性質(zhì)活潑，能發(fā)生聚合、加成、氰基和氰乙基等反應(yīng)，制備出各種合成纖維、合成橡膠、塑料、涂料等。近年來，丙烷氨氧化生產(chǎn)丙烯腈的研究也取得長足進展，現(xiàn)已處于中試階段。這一方面是由于價格的因素，丙烷的價格比丙烯低得多，另一方面也為惰性的丙烷開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。但就目前的技術(shù)水平來看，固定資產(chǎn)投資大，轉(zhuǎn)化率低，選擇性不高，目前報道的丙烷的轉(zhuǎn)化率％，選擇性％，還難以和丙烯氨氧化法相競爭，但其前景看好，根據(jù)美國斯坦福研究所萬／丙烯腈概念設(shè)計，丙烷為原料生產(chǎn)丙烯腈的成本只是丙烯的％。研究開發(fā)的催化劑主要有、等。鎦詩涇艷損樓紲鯗餳類礙穡鰳責(zé)髕鵲。主要用途：丙烯腈是重要的有機原料，主要用于橡膠合成（如丁腈橡膠）、塑料合成（如，樹脂、聚丙烯酰胺等）、有機合成、制造腈綸、尼龍等膈成纖維、殺蟲劑、抗水劑、粘合劑等。櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟奧傴輥刪髖綠。設(shè)計任務(wù)（）設(shè)計項目名稱 丙烯腈合成工段。（）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（）生產(chǎn)能力 年產(chǎn)噸丙烯腈。（）原料組成 液態(tài)丙烯原料含丙烯（）,丙烷（）；液態(tài)氨原料含氨（）工段產(chǎn)品為丙烯腈水溶液，含丙烯腈() 丙烯氨氧化的原理()化學(xué)反應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)條件下,丙烯氨氧化反應(yīng)是一個非均相催化氧化反應(yīng):ＣＨ３ＣＨＣＨ２＋ＮＨ３＋３２Ｏ２→ＣＨ２ＣＨＣ＋３Ｈ２Ｏ＋ (Ｃ)與此同時,在催化劑表面還發(fā)生如下一系列副反應(yīng)。①生成乙腈()。ＣＨ３ＣＨＣＨ２＋３２ＮＨ３＋３２Ｏ２→３２ＣＨ３ＣＮ＋３Ｈ２Ｏ＋(Ｃ)轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應(yīng)頁諳絞綽髏鱉。②生成氫氰酸()。ＣＨ３ＣＨＣＨ２＋３ＮＨ３＋３Ｏ２→３ＨＣＮ＋６Ｈ２Ｏ＋ (Ｃ)③生成丙烯醛。ＣＨ３ＣＨＣＨ２＋Ｏ２→ＣＨ２ＣＨＣＨＯ＋Ｈ２Ｏ＋(Ｃ)④生成乙醛。ＣＨ３ＣＨＣＨ２＋３４Ｏ２→３２ＣＨ３ＣＨＯ＋ (Ｃ)⑤生成二氧化碳。ＣＨ３ＣＨＣＨ２＋９２Ｏ２→３ＣＯ２＋３Ｈ２Ｏ＋ (Ｃ)⑥生成一氧化碳。ＣＨ３ＣＨＣＨ２＋３Ｏ２→３ＣＯ＋３Ｈ２Ｏ＋(Ｃ)上列副反應(yīng)中,生成乙腈和氫氰酸的反應(yīng)是主要的。、和可以由丙烯直接氧化得到,也可以由丙烯腈、乙腈等再次氧化得到。除上述副反應(yīng)外,還有生成微量丙酮、丙腈、丙烯酸和乙酸等副反應(yīng)。峴揚斕滾澗輻灄興渙藺詐機憒頇驤經(jīng)。()催化劑 丙烯氨氧化所采用的催化劑主要有兩類,即系和系催化劑。系催化劑由公司開發(fā),由型已發(fā)展到第四代的、。系催化劑由英國釀酒公司首先開發(fā),在此基礎(chǔ)上,日本化學(xué)公司又相繼開發(fā)成功第三代的和第四代的。下面對這兩類催化劑作一簡單介紹。詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁靈韜鰍櫝驥鱭。系催化劑工業(yè)上最早使用的是()催化劑,其代表組成為?；钚越M分為和的作用是奪取丙烯中的氫的作用是往丙烯中引入氧或氨。因而是一個雙功能催化劑。是助催化劑,起提高催化劑選擇性的作用。這種催化劑要求的反應(yīng)溫度較高(～℃),丙烯腈收率左右。由于在原料氣中需配入大量水蒸氣,約為丙烯量的倍(),在反應(yīng)溫度下和因揮發(fā)損失嚴重,催化劑容易失活,而且不易再生,壽命較短,只在工業(yè)裝置上使用了不足年就被、等代替。則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧華縉輅贊驏紆。系催化劑系催化劑在年代中期用于工業(yè)生產(chǎn),有、和等。初期使用的催化劑活性很好,丙烯轉(zhuǎn)化率和丙烯腈收率都較高,但由于具有放射性,廢催化劑處理困難,使用幾年后已不采用。催化劑由日本化學(xué)公司開發(fā)成功,即牌號為和催化劑。據(jù)文獻報道,催化劑中比為∶()光衍射測試表明,催化劑的主體是,還有少量的。工業(yè)運轉(zhuǎn)結(jié)果表明,丙烯腈收率達左右,副產(chǎn)乙腈生成量甚少,價格也比較便宜,添加、等可改善該催化劑的耐還原性。脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻鏘詠繞敘驄驗。()反應(yīng)機理和動力學(xué)丙烯氨氧化生成丙烯腈的反應(yīng)機理,目前主要有兩種觀點?？珊唵蔚赜孟率奖硎?。兩步法該機理認為,丙烯氨氧化的中間產(chǎn)物是相應(yīng)的醛—丙烯醛、甲醛和乙醛,這些醛是經(jīng)過烯丙基型反應(yīng)中間體形成的,且這些中間體都是在同一催化劑表面活性中心上產(chǎn)生的,只是由于后續(xù)反應(yīng)不同,導(dǎo)致不同種類醛的生成。然后醛進一步與氨作用生成腈。而一氧化碳、二氧化碳可從氧化產(chǎn)物醛繼續(xù)氧化生成,也可由丙烯完全氧化直接生成。根據(jù)該機理,丙烯氧化成醛是合成腈的控制步驟。鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減萵輳慘纈騾窺。一步法該機理也可簡單地用下式表示。. 工藝條件的選擇()原料純度和配比原料丙烯由石油烴熱裂解氣或石油催化裂化所得裂化氣經(jīng)分離得到,一般純度都很高,但仍有、等雜質(zhì)存在,有時還可能存在微量硫化物。在這些雜質(zhì)中,丙烷和其他烷烴(乙烷、丁烷等)對氨氧化反應(yīng)沒有影響,只是稀釋了丙烯的濃度,但因含量甚少(約～),反應(yīng)后又能及時排出系統(tǒng),不會在系統(tǒng)中積累,因此對反應(yīng)器的生產(chǎn)能力影響不大。乙烯沒有丙烯活潑,一般情況下少量乙烯的存在對氨氧化反應(yīng)無不利影響。丁烯及高碳烯烴化學(xué)性質(zhì)比丙烯活潑,會對氨氧化反應(yīng)帶來不利影響,不僅消耗原料混合氣中的氧和氨,而且生成的少量副產(chǎn)物混入丙烯腈中,給分離過程增加難度稟虛嬪賑維嚌妝擴踴糶欏灣鯧飫驃餒。 丙烯和空氣的配比,除滿足氨氧化反應(yīng)的需要外,還應(yīng)考慮:①副反應(yīng)要消耗一些氧。②保證催化劑活性組分處于氧化態(tài)。為此,要求反應(yīng)后尾氣中有剩余氧氣存在,一般控制尾氣中氧含量～。但氧的加入量也不宜太多,過量的氧(這意味著帶入大量的)使丙烯濃度下降,影響反應(yīng)速度,并使反應(yīng)器生產(chǎn)能力下降。過量的氧能促使反應(yīng)產(chǎn)物離開催化劑床層后繼續(xù)發(fā)生氣相深度氧化反應(yīng),使反應(yīng)選擇性下降。此外,過量的氧不僅增加空氣凈化的負荷,而且稀釋了產(chǎn)物,給產(chǎn)物的回收增加難度。初期的催化劑∶空氣∶()。對,空氣用量較低∶空氣∶～()。陽簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋錟麗鮑軫溈騫硨。丙烯與氨用量比的影響丙烯和水蒸氣的配比。其用量為水蒸氣∶丙烯～∶()。()反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度對丙烯的轉(zhuǎn)化率、生成丙烯腈的選擇性和催化劑的活性都有明顯影響,在初期的催化劑上的研究表明,丙烯氨氧化反應(yīng)在℃就開始進行,但轉(zhuǎn)化率甚低,隨著反應(yīng)溫度的遞增,丙烯轉(zhuǎn)化率相應(yīng)地增高溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應(yīng)釵藹紼較騮額。()反應(yīng)壓力丙烯氨氧化的主、副反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)的數(shù)值都很大,故可將這些反應(yīng)看作不可逆反應(yīng)。此時,反應(yīng)壓力的變化對反應(yīng)的影響僅表現(xiàn)在動力學(xué)上。由前述的動力學(xué)方程可知,反應(yīng)速度與丙烯的分壓成正比,故提高丙烯分壓,對反應(yīng)是有利的,而且還可提高反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。但在加快反應(yīng)速度的同時,反應(yīng)熱也在激增,過高的丙烯分壓使反應(yīng)溫度難以控制。實驗又表明,增加反應(yīng)壓力,催化劑的選擇性會降低,從而使丙烯腈的收率下降,故丙烯氨氧化反應(yīng)不宜在加壓下進行。對固定床反應(yīng)器,為了克服管道和催化劑阻力,反應(yīng)進口氣體壓力為～(表壓),對于流化床反應(yīng)器,為～(表壓)。鋇嵐縣緱虜榮產(chǎn)濤團藺締崳惲囂驁瘋。()接觸時間和空速丙烯氨氧化反應(yīng)是氣固相催化反應(yīng),反應(yīng)在催化劑表面進行,不可能瞬間完成,因此,保證反應(yīng)原料氣在催化劑表面停留一定時間是很必要的,該時間與反應(yīng)原料氣在催化劑床層中的停留時間有關(guān),停留時間愈長,原料氣在催化劑表面停留的時間也愈長。因此,確定一個適宜的停留時間是很重要的。原料氣在催化劑床層中的停留時間常稱接觸時間,它可用下式計算:懨俠劑鈍觸樂鷴燼觶騮揚銥鯊臘騖韋。接觸時間() 反應(yīng)器中催化劑層的靜止高度()反應(yīng)條件下氣體流經(jīng)反應(yīng)器的線速度適宜的接觸時間與催化劑的活性、選擇性以及反應(yīng)溫度有關(guān),對于活性高、選擇性好的催化劑,適宜的接觸時間應(yīng)短一些,反之則應(yīng)長一些。反應(yīng)溫度高時,適宜的接觸時間應(yīng)短一些,反之則應(yīng)長一點。一般生產(chǎn)上選用的接觸時間,流化床為～ (以原料氣通過催化劑層靜止高度所需的時間表示),固定床為～ 。謾飽兗爭詣繚鮐癩別瀘鯽礎(chǔ)輪駭騷獅。工藝計算.小時生產(chǎn)能力按年工作日天，丙烯腈損失率、設(shè)計裕量計算，丙烯腈小時產(chǎn)量為 .物料衡算和熱量衡算反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算()計算依據(jù). 丙烯腈產(chǎn)量 ,即.原料組成（摩爾分數(shù)）含.進反應(yīng)器的原料配比（摩爾分數(shù)）為.反應(yīng)后各產(chǎn)物的單程收率為物質(zhì)丙烯腈（）氰化氫（）乙腈（）丙烯醛（）摩爾收率. 操作壓力進口, 出口.反應(yīng)器進口氣體溫度℃，反應(yīng)溫度℃，出口氣體溫度℃（）物料衡算. 反應(yīng)器進口原料氣中各組分的流量 . 反應(yīng)器出口混合氣中各組分的流量丙烯腈乙腈丙烯醛 .反應(yīng)器物料平衡表流量和組成組分反應(yīng)器進口反應(yīng)器出口()()()()合計（）熱量衡算各物質(zhì)℃的平均定壓比熱容如下物質(zhì)℃℃℃濃相段熱衡算求濃相段換熱裝置的熱負荷及產(chǎn)生蒸汽量假設(shè)如下熱力學(xué)途徑：各物質(zhì)℃平均比熱容用℃的平均比熱容代替，誤差不大，因此，若熱損失取Δ的，則需由濃相段換熱裝置取出的熱量（即換熱裝置的熱負荷）為：()濃相段換熱裝置產(chǎn)生的飽和蒸汽（飽和溫度℃），℃飽和蒸汽焓℃飽和水焓∴產(chǎn)生的蒸汽量.稀相段熱衡算求稀相段換熱裝置的熱負荷及產(chǎn)生蒸汽量以℃氣體為衡算基準進入稀相段的氣體帶入熱為離開稀相段的氣體帶出的熱為若熱損失為，則稀相段換熱裝置的熱負荷為（）（） 稀相段換熱裝置產(chǎn)生的飽和蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽量為廢熱鍋爐的熱量衡算 （）計算依據(jù).入口氣體和出口氣體的組成與反應(yīng)器出口氣體相同.入口氣體溫度℃，壓力.出口氣體溫度℃，壓力.鍋爐水側(cè)產(chǎn)生的飽和蒸汽（）熱衡算以℃氣體為衡算基準各物質(zhì)在℃的平均比熱容為物質(zhì)入口氣體帶入熱（等于反應(yīng)器稀相段氣體帶出熱）出口氣體帶出熱熱衡算求需要取出的熱量按熱損失計，需取出的熱量為.產(chǎn)生蒸汽量產(chǎn)生飽和蒸汽的量為空氣飽和塔物料衡算和熱量衡算（）計算依據(jù).入塔空氣壓力,出塔空氣壓力 .空壓機入口空氣溫度℃，相對濕度，空壓機出口氣體溫度℃.飽和塔氣、液比為（體積比），飽和度.塔頂噴淋液為乙腈解吸塔釜液，溫度℃，組成如下：物質(zhì)氰醇合計（）.塔頂出口濕空氣的成分和量按反應(yīng)器入口氣體的要求為 即 即 即()物料衡算.進塔空氣量進塔干空氣量等于（）查得℃，相對濕度時空氣濕含量為水氣、干空氣，因此，進塔空氣帶入的水蒸氣量為 咼鉉們歟謙鴣餃競蕩賺趲為練濺騙閻。.進塔熱水量液比為，故進塔噴淋液量為塔頂噴淋液（℃）的密度為,因此進塔水的質(zhì)量流量為出塔濕空氣量出塔氣體中的、的量與反應(yīng)器入口氣體相同，因此 即 即 即.出塔液量塔內(nèi)水蒸發(fā)量—∴塔液流量—. 飽和塔物料衡算表成分入塔氣出塔氣入塔噴淋液塔釜排出液()()()()()()氰醇合計()熱衡算.空氣飽和塔出口氣體溫度從物料平衡表得知，空氣飽和塔出口氣體中，蒸汽的摩爾分數(shù)為，根據(jù)分壓定律，蒸汽的實際分壓為瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴減籩諏戀鄰驂灝。因飽和度為，所以飽和蒸汽分壓應(yīng)為：查飽和蒸汽表，得到對應(yīng)的飽和溫度為℃，因此，必須控制出塔氣體溫度在℃，才能保證工藝要求的蒸汽量麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶爾攤鱘嫗騅鐳。．入塔熱水溫度入塔水來自精制段乙腈解吸塔塔釜，℃.由熱衡算求出熱水溫度 熱衡算基準：℃氣態(tài)空氣，℃液態(tài)水（）℃進塔空氣帶入熱量℃蒸汽焓值為,干空氣在℃的平均比熱容（）出塔濕空氣量帶出熱量℃蒸汽焓,空氣比熱容取()（）℃入塔噴淋液帶入熱量()求出塔熱水溫度 出塔熱水帶出的熱量用表示，則按熱損失計，則（熱平衡方程代入數(shù)據(jù)：解得 ℃氨中和塔物料衡算和熱量衡算（）計算依據(jù). 入塔氣體流量和組成與反應(yīng)器出口氣體相同.在中和塔內(nèi)全部氨硫酸吸收，生成硫酸銨.新鮮硫酸吸收劑的含量為（）.塔底出口液體的組成如下：組分合計（）ｅ．進塔溫度℃，出塔溫度℃，新鮮硫酸吸收劑溫度℃ｆ．塔頂壓力ＭＰａ，塔底壓力ＭＰａ（２）物料衡算.排出的廢液量及其組成進塔其中含有的氨，在塔內(nèi)被硫酸吸收生成硫酸銨，氨和硫酸反應(yīng)的方程式如下：納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲錟顫階躦萵騍潤。硫酸銨的生成量，即需要連續(xù)排出的的流量為塔底排出液中，的含量為（），因此，排放的廢液量為排放的廢液中，各組分的量： . 需補充的新鮮吸收劑（硫酸）的量為：.出塔氣體中各組分的量 出塔氣中的水入塔氣中帶入的水新鮮吸收劑帶入水廢液排出的水 . 氨中和塔循環(huán)系統(tǒng)物料平衡表略（）熱衡算.出塔氣體溫度塔頂氣體中實際氣體分壓為設(shè)飽和度為，則與出塔氣體溫度平衡的飽和蒸汽分壓為入塔噴淋液的硫酸銨含量為，已知硫酸銨溶液上方的飽和蒸汽壓如下表根據(jù)入塔噴淋液的硫酸銨含量和的值，內(nèi)插得到出塔氣的溫度為℃.入塔噴淋液溫度入塔噴淋液溫度比氣體出口溫度低℃，故為℃.塔釜排出液溫度 ℃硫酸銨溶液上方的飽和蒸汽壓溫度℃熱衡算求循環(huán)冷卻器的熱負荷和冷卻水用量() 入塔氣體帶入熱入塔氣體帶入熱量與廢熱鍋爐出口氣體帶出熱量相同， ()出塔氣體帶出熱各組分在℃的平均比熱容的值如下：組分（）蒸汽在塔內(nèi)冷凝放熱蒸汽在塔內(nèi)的冷凝量進塔氣體帶入蒸汽—出口氣帶出蒸汽 —蒸汽的冷凝熱為∴ ()有機物冷凝放熱（）氨中和放熱（）硫酸稀釋放熱() 塔釜排出的廢液帶出的熱量() 新鮮吸收劑帶入熱（） （）循環(huán)冷卻器熱負荷（）循環(huán)冷卻器的冷卻水用量 設(shè)循環(huán)冷卻器冷卻水上水溫度為℃，排水溫度為℃，則冷卻水用量為風(fēng)攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟誑繃紙鯉騏鍔。 求循環(huán)液量 液量受入塔噴淋液溫度的限制℃循環(huán)液的比熱容為，循環(huán)液與新鮮吸收液混合后的噴淋液比熱容為設(shè)循環(huán)液量為 , 循環(huán)冷卻器出口循環(huán)液溫度℃對循環(huán)液與新鮮吸收液匯合處列熱平衡方程得： () （）對循環(huán)冷卻器列熱平衡方程得：— （）聯(lián)立（）（），解得 ℃換熱器物料衡算和熱量衡算（）計算依據(jù)進口氣體℃，組成和流量與氨中和塔出口氣相同出口氣體溫度℃，操作壓力()物料衡算出口氣體溫度℃，℃飽和蒸汽壓力為設(shè)出口氣體中含有的蒸汽，根據(jù)分壓定律有：解得 ∴蒸汽的冷凝量為 ()熱量衡算.換熱器入口氣體帶入熱. 蒸汽冷凝放熱.冷凝液帶出熱（）.出口氣體帶出熱出口氣體各組分在℃的平均比熱容如下：組分.熱衡算求換熱器的熱負荷熱平衡方程：解得 水吸收塔物料衡算和熱量衡算()計算依據(jù).入塔氣流量和組成與換熱器出口氣相同. 入塔氣溫度℃,壓力。出塔氣溫度℃，壓力 ．入塔吸收液溫度℃．出塔溶液中含（）（）物料衡算.進塔物流流量和組成與換熱器出口相同.出塔氣量和組成設(shè)入塔氣中的、等組分全部被水吸收，，，等組分不溶于水，則出塔氣中含有水蒸氣的量：滅噯駭諗鋅獵輛覯餿藹猙廚憮犧駿灃。出塔氣總量為： ．塔頂加入的吸收水量（）出塔溶液總量 （）塔頂加入的吸收水量作水吸收塔的總質(zhì)量衡算得：入塔吸收液量塔底溶液量出塔氣體總量入塔氣量凝水量 ．塔底溶液的組成和量溶液中的水塔頂加入的水進塔氣液混合物中帶入的水出塔氣中帶出的水 ()熱量衡算.入塔氣帶入熱. 入塔凝水帶入熱()．出塔氣帶出熱．吸收水帶入熱. 出塔溶液帶出熱.水冷凝放熱、