丙烯腈合成工段工艺设计.doc

《化工工艺学》课程设计任务书一、设计时间2010 年 06 月 06 日－2010 年 06 月 18 日二、设计题目年产 6000 吨丙烯腈合成工段工艺设计三、设计条件（1）年生产天数 300 天（2）原料用丙烯，氨，空气为原料原料组成：液态丙烯原料含丙烯 85%（mol） ，丙烷 15%(mol)；液态氨含氨 100%3）生产方法和工艺参数 采用丙烷氨氧化法： 丙烷在催化剂的作用下与氨和氧气（或空气）反应合成丙烯腈，反应方程式： 主反应：C3H8 + NH3 +2O2 →CH2=CHCN(AN) + 4H2O（60%） C3H8 + 0.5O2 →C 3H6(PEN) + H2O C3H6 + NH3 +1.5 O2 → CH2=CHCN(AcN) + 3H2O 副反应：①生成乙腈：C3H6 + 1.5NH3 + 1.5O2 → 1.5CH3CN + 3H2O （10.5%） ②生成氢氰酸：C3H6 + 3NH3 + 3O2 → 3HCN + 6H2O （8%） ③生成CO x：C3H8+ 4O2 → 2CO+CO2 +4 H2O 13% ④生成氮气：2 NH 3 + 1.5 O2 →N 2 + 3 H2O 典型的反应条件为：温度: 850华氏度； 压力: 约1atm；接触时间: 2-6s； C3H8:NH3 :O2 :N2＝1.0:1.5:3.15:11.85 (摩尔比) 实验室中已经得到的转化率为20-80%。

当丙烷转化率达91%时，该催化剂对丙烯腈选择性可达最大65.5% 四、设计任务课程设计主要任务包括：一．1.生产能力 6000吨/年 2.产品要求 C3H3N≥99.5wt% 二、工艺计算 （1）物料衡算并绘制物料流程图；（2）对工段各设备的热量衡算；（3）主要设备选型说明；（4）填写设备一览表三，消耗与排出一览表 （1） ，工段原料消耗表 （2）,工段能量消耗表 （3） ，工段排出除物综合表四，带控制点的工艺流程图，绘制物料流程图和主要设备图六，主要管道流速表五、研究方案 （1）结合文献资料对丙烷氨氧化法制丙烯腈的工艺流程和设备进行了解；（2）对丙烷氨氧化工艺流程的反应器系统、急冷系统、吸收系统、回收塔系统、脱氰塔系统等丙烯腈生产过程进行概念设计，使用化工软件对工艺流程进行模拟优化； （3）对各个工艺过程进行优化设计与分析，找到最佳的工艺路线六，主要性质指标: 一，性状：无色或淡黄色液体，有特殊气味二，毒性：属于高毒性三，挥发性：易挥发四 ， 主 要 用 作 生 产 合 成 纤 维 、 合 成 树 脂 、 合 成 橡 胶 、 染 料 、 医 药 等 行 业 的 重 要 原 料 丙烯腈是合成纤维，合成橡胶和合成树脂的重要单体。

七、课程设计进度安排序号 设计内容 所用时间1 查阅资料 2 天2 工艺计算（物料衡算，热量衡算，设备选型） 4 天3 带控制点流程图 3 天4 填写一览表 2 天5 整理打印装订课程设计说明书有关资料 1 天合 计 12 天八、课程设计教材及主要参考资料1． 《化工设计概论》 ，侯文顺主编，北京：化学工业出版社，2005 年2． 《化工工艺设计》 ，丁浩主编，上海：上海科学技术出版社，1989 年3． 《化工工艺设计手册》 ，上海医药设计院主编，北京：化学工业出版社，1981 年4． 《化工设计概论》 ，胡庆福主编，北京：科学技术出版社，1989 年5． 《化工工艺设计概论》 ，李崇岳主编，天津：天津大学出版社，1994 年4.1.1 工艺技术方案 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 HCN 反应制得，但 HCN有剧毒，生产成本高1960 年美国 Standard 石油公司(Sohio)(现 BP 公司)开发成功丙烯氨氧化一步合成丙烯腈新工艺，又称 Sohio 法由于丙烯价廉易得，又不需剧毒的 HCN，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 Sohio 法、Snam 法、Distiners-Ugine 法、Montedison UOP和 O.S.W 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Sohio 法和 Montedison-UOP 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，Sohio 法有一定的先进性，Snam 法和 Distillers-Ugine 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Sohio 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 Sohio 技术4.2 主要设备方案 4.2.1 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 BP 的 C-49MC、日本化学公司 的 NS-733D 以及我国的 MB-93、 MB-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 MB-93 和 MB-96 催化剂，当然，也应继续开发应用其他性能优良的催化剂。

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 4.2.2 仪表类型的确定 全厂选用一套中心 DCS 系统，分别对仪表进行控制对连 锁较多的装置还采用 PLC 系统DCS 及 PLC 系统考虑进口 现场用的检测各类参数的变送器，采用技术性能先进可靠的全 电子式变送器（智能的与非智能的） 调节阀采用技术先进，牢固可靠耐用的气动执行机构的调节阀 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，质谱仪考虑进口，色谱 仪选用国内引进技术生产的或者进口 4.2.3 主要关键仪表选择 基于概述中的理由确定全厂采用一套中心 DCS 控制系统这 一套 DCS 系统的操作站及控制站分布在净化合成控制室 在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，以及电气控制站及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，H2/H2 必须进行 严格控制，由于工艺过程对 H2/H2 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。

物料流程图带控制点的工艺流程图主要设备装配图流化床反应器1.空气分布板;2.丙烯和氨分配管；3.U 形冷却管;4.旋风分离器　参考文献〔1〕北京天龙水处理技术公司《工业水处理实用手册》1991.12〔幻龙荷云编著《循环冷却水处理》江苏科学技术出版社 1991.8〔3〕吕人豪等‘应用季胺盐控制炼油厂循环水中菌藻危害的研究》1980.12〔4〕王业俊等译，许保玖总校，德格雷蒙公司编著《水处理手册》1983.12设计说明书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 0.002mg／L，在空气中爆炸极限(体积分数)为 3.05％～17.5％，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 V-Sb-Al-O、V-Sb-W-Al-O、Ga-Sb-A1-O、V-Bi-Mo-O等主要用途：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 ABS，AS 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 年产 6000 吨丙烯腈4）原料组成 液态丙烯原料含丙烯 85%（mol）,丙烷 15%（mol） ；液态氨原料含氨 100%（5）工段产品为丙烯腈水溶液，含丙烯腈 1.8%(wt) 丙烯氨氧化的原理(1)化学反应 在工业生产条件下,丙烯氨氧化反应是一个非均相催化氧化反应:ＣＨ ３ ＣＨ=ＣＨ ２ ＋ＮＨ ３ ＋３/２Ｏ ２ →ＣＨ ２ =ＣＨＣN＋３Ｈ ２ Ｏ＋519 kJ/mol(Ｃ 3=)与此同时,在催化剂表面还发生如下一系列副反应①生成乙腈(ACN)ＣＨ ３ ＣＨ=ＣＨ２＋３/２ＮＨ ３ ＋３/２Ｏ ２ →３/２ＣＨ ３ ＣＮ＋３Ｈ ２ Ｏ＋522kJ/mol( Ｃ 3=)②生成氢氰酸(HCN)。

ＣＨ ３ ＣＨ=ＣＨ ２ ＋３ＮＨ ３ ＋３Ｏ ２ →３ＨＣＮ＋６Ｈ ２ Ｏ＋941 kJ/mol(Ｃ 3=)③生成丙烯醛ＣＨ ３ ＣＨ=ＣＨ ２ ＋Ｏ ２ →ＣＨ ２ =ＣＨＣＨＯ＋Ｈ ２ Ｏ＋351kJ/mol(Ｃ 3=)④生成乙醛ＣＨ ３ ＣＨ=ＣＨ ２ ＋３/４Ｏ ２ →３/２ＣＨ ３ ＣＨＯ＋268 kJ/mol(Ｃ 3=)⑤生成二氧化碳ＣＨ ３ ＣＨ=ＣＨ ２ ＋９/２Ｏ ２ →３ＣＯ ２ ＋３Ｈ ２ Ｏ＋1925 kJ/mol(Ｃ 3=)⑥生成一氧化碳ＣＨ ３ ＣＨ=ＣＨ ２ ＋３Ｏ ２ →３ＣＯ＋３Ｈ ２ Ｏ＋1067kJ/mol(Ｃ 3=)上列副反应中,生成乙腈和氢氰酸的反应是主要的CO 2、CO 和 H2O 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应外,还有生成微量丙酮、丙腈、丙烯酸和乙酸等副反应2)催化剂 丙烯氨氧化所采用的催化剂主要有两类,即 Mo 系和 Sb 系催化剂Mo 系催化剂由 Sohio 公司开发,由 C-A 型已发展到第四代的 C-49、C-89Sb 系催化剂由英国酿酒公司首先开发,在此基础上,日本化学公司又相继开发成功第三代的 NS-733A 和第四代的 NS-733B。

下面对这两类催化剂作一简单介绍AMo 系催化剂 工业上最早使用的是 P-Mo-Bi-O(C-A)催化剂,其代表组成为 PBi9Mo12O52活性组分为 MoO3和 Bi2O3.Bi 的作用是夺取丙烯中的氢,Mo 的作用是往丙烯中引入氧或氨因而是一个双功能催化剂P 是助催化剂,起提高催化剂选择性的作用这种催化剂要求的反应温度较高(460～490℃),丙烯腈收率 60%左右由于在原料气中需配入大量水蒸气,约为丙烯量的 3 倍(mol),在反应温度下 Mo 和 Bi 因挥发损失严重,催化剂容易失活,而且不易再生,寿命较短,只在工业装置上使用了不足 10 年就被 C-21、C-41 等代替BSb 系催化剂Sb 系催化剂在 60 年代中期用于工业生产,有 Sb-U-O、Sb-Sn-O 和 Sb-Fe-O 等初期使用的 Sb-U-O 催化剂活性很好,丙烯转化率和丙。