產(chǎn)1萬噸丙烯腈合成工段設(shè)計-心血之作

/石河子大學(xué)屆畢業(yè)論文年產(chǎn)1萬噸丙烯腈合成工段的設(shè)計學(xué)校：石河子大學(xué)學(xué)院：化學(xué)工程學(xué)院學(xué)生姓名：專業(yè)：化學(xué)工程與工藝完成時間：2013/6/3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ABSTRACTAcrylonitrileisanimportantproductforthepetrochemicalindustry,syntheticacrylicfiber,acrylonitrile-butadienerubberandsyntheticplasticsimportantmonomers.Thisarticleisarichsourceofrawmaterials,productionofammoniaoxidationofpropylenenitride.Fromrawmaterialshandlingtothesynthesisofacrylonitrileunit'smainunitformaterialandenergybalance,airheaters,propyleneevaporator,ammoniaevaporatorprocesscalculation,workedoutsomeoftheequipmentoftheheattransferarea,completedthepreliminarydesignoftherawmaterialprocess.Keywordsacrylonitrile;propyleneammoniaoxidation；production；design目錄TOC\o"1-3"\h\u314841丙烯腈的概論 1312441.1丙烯系產(chǎn)品的生產(chǎn)117831.2丙烯氨氧化生產(chǎn)丙烯腈 240541.2.1丙烯腈的性質(zhì)和用途 2154971.2.2丙烯腈的生產(chǎn)方法 376611.2.3反應(yīng)原理 3191921.2.4操作條件 4310141.2.5工藝流程 650851.2.6典型設(shè)備－流化床反應(yīng)器 8175092總體方案工藝設(shè)計 980562.1設(shè)計任務(wù) 9154022.2流程確定 10165143工藝設(shè)計計算 12142413.1物料衡算與熱量衡算 12193313.1.1反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算 12212633.1.2廢熱鍋爐的物料衡算和熱量衡算 1597293.1.3空氣飽和塔物料衡算和熱量衡算 1658473.1.4氨中和塔物料衡算和熱量衡算 18215063.1.5換熱器物料衡算和熱量衡算 21182803.1.6水吸收塔物料衡算和熱量衡算 2278593.1.7空氣水飽和塔釜液槽 24117273.1.8丙烯蒸發(fā)器熱量衡算 2513303.1.9丙烯過濾器熱量衡算 25260643.1.10氨蒸發(fā)器熱量衡算 26288843.1.11氣氨過熱器 26260193.1.12混合器 26123733.1.13空氣加熱器的熱量衡算 27217123.2主要設(shè)備的工藝計算 2866173.2.1流化床合成反應(yīng)器 28129953.2.2空氣飽和塔 29290963.2.3丙烯蒸發(fā)器 3248674車間布置設(shè)計 34256034.1廠房建筑 3492754.2生產(chǎn)操作 3447564.3設(shè)備裝修3483114.4安全要求 35312854.5車間布置說明 35307775環(huán)境保護和安全措施要求36235925.1丙烯腈生產(chǎn)中的三廢處理36223595.2生產(chǎn)安全及防護措施 36281636結(jié)論 3822985參考文獻 3928103致謝 4014279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。1.1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。20XX.我國乙烯需求量478.89萬噸.而丙烯的需求量卻達到498.85萬噸.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。20XX.我國聚丙烯的產(chǎn)量為445.5萬噸.消耗丙烯約444.0萬噸.約占全國丙烯總消費量的72.1%.；20XX我國聚丙烯產(chǎn)量為474.9萬噸.消耗丙烯約480.0萬噸.比20XX增長約8.1%；丙烯腈是我國丙烯的第二大衍生物.20XX.我國丙烯腈的產(chǎn)量約為56.0萬噸.消費丙烯約62.7萬噸.約占全國丙烯總消費量的10.2%；20XX產(chǎn)量約為58.0萬噸.消費丙烯約為65.0萬噸.比20XX增長約3.7%；環(huán)氧丙烷是我國丙烯的第三大消費衍生物.20XX.全國環(huán)氧丙烷的產(chǎn)量約為39.8萬噸.消耗丙烯約35.8萬噸.約占全國丙烯總消費量的5.8%；20XX產(chǎn)量約為42.0萬噸.消耗丙烯約37.8萬噸.比20XX增長約13.1%；丁醇和辛醇也是丙烯的主要衍生物之一.20XX我國丁辛醇的產(chǎn)量合計約為45.35萬噸,共消耗丙烯約40.7萬噸,約占全國丙烯總消費量的6.6%；20XX產(chǎn)量合計為44.91萬噸.共消耗丙烯約40.3萬噸.比20XX減少約1.0%；20XX用于生產(chǎn)其它化工產(chǎn)品如苯酚、丙酮和丙烯酸等方面的丙烯消費量約為10.9萬噸.約占全國丙烯總消費量的1.8%；20XX消費量約為11.5萬噸。目前我國丙烯主要衍生物的自給率還很低.需大量進口來維持國內(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。1.2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.沸點77.5℃.凝固點-83.3℃.閃點0℃.自燃點481℃。可溶于有機溶劑如丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和乙醇中.與水部分互溶.20℃時在水中的溶解度為7.3％<w>.水在丙烯腈中的溶解度為3.1％<w>。其蒸氣與空氣形成爆炸混合物.爆炸極限為3.05～17.5％<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.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)格的安全防護措施.工作場所內(nèi)丙烯腈允許濃度為0.002mg/L。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、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—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=CH-CH3+NH3+3/2O2→CH2=CH-CN+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1/100CH2=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C-41、C-49及我國的MB-82、MB-86。一般認為.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α-H.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.會使催化劑活性下降<2>原料的配比合理的原料配比.是保證丙烯腈合成反應(yīng)穩(wěn)定、副反應(yīng)少、消耗定額低.以及操作安全的重要因素。因此.嚴(yán)格控制投入反應(yīng)器的各物料流量是很重要的。a.丙烯與氨的配比〔氨比在實際投料中發(fā)現(xiàn).當(dāng)氨比小于理論值1:1時.有較多的副產(chǎn)物丙烯醛生成.氨的用量至少等于理論比。但用量過多也不經(jīng)濟.既增加了氨的消耗量.又增加了硫酸的消耗量.因為過量的氨要用硫酸去中和.所以又加重了氨中和塔的負擔(dān)。因此.丙烯與氨的摩爾比.應(yīng)控制在理論值或略大于理論值.即丙烯:氨＝1:1～1.2左右。b.丙烯與空氣的配比〔氧比丙烯氨氧化所需的氧氣是由空氣帶入的。目前.工業(yè)上實際采用的丙烯與氧的摩爾比約為l:2～3〔大于理論值1:1.5.采用大于理論值的氧比.主要是為了保護催化劑.不致因催化劑缺氧而引起失活。反應(yīng)時若在短時間內(nèi)因缺氧造成催化劑活性下降.可在540℃溫度下通空氣使其再生.恢復(fù)活性。但若催化劑長期在缺氧條件下操作.雖經(jīng)再生.活性也不可能全部恢復(fù)。因此.生產(chǎn)中應(yīng)保持反應(yīng)后氣體中有2％〔按體積計的含氧量。但空氣過多也會帶來一些問題.如使丙烯濃度下降.影響反應(yīng)速度.從而降低了反應(yīng)器的生產(chǎn)能力；促使反應(yīng)產(chǎn)物離開催化劑床層后.繼續(xù)發(fā)生深度氧化反應(yīng).使選擇性下降；使動力消耗增加；使反應(yīng)器流出物中產(chǎn)物濃度下降.影響產(chǎn)物的回收。因此.c.丙烯與水蒸氣的配比〔水比丙烯氨氧化的主反應(yīng)并不需要水蒸氣參加。但根據(jù)該反應(yīng)的特點.在原料中加入一定量水蒸氣有多種好處.如可促使產(chǎn)物從催化劑表面解吸出來.從而避免丙烯腈的深度氧化；若不加入水蒸氣.原料混合氣中丙烯與空氣的比例正好處于爆炸范圍內(nèi).加入水蒸氣對保證生產(chǎn)安全有利；水蒸氣的熱容較大.又是一種很好的稀釋劑.加入水蒸氣可以帶走大量的反應(yīng)生成熱.使反應(yīng)溫度易于控制；加入水蒸氣對催化劑表面的積炭有清除作用。另一方面.水蒸氣的加入.勢必降低設(shè)備的生產(chǎn)能力.增加動力消耗。當(dāng)催化劑活性較高時.也可不加水蒸氣。因此.發(fā)展趨勢是改進催化劑性能.以便少加或不加水蒸汽。從目前工業(yè)生產(chǎn)情況來看.當(dāng)丙烯與加入水蒸氣的摩爾比為1:3時.綜合效果較好。<3>反應(yīng)溫度溫度是影響丙烯氨氧化的一個重要因素。當(dāng)溫度低于350℃時.幾乎不生成丙烯腈。要獲得丙烯腈的高收率.當(dāng)反應(yīng)溫度升高時.丙烯轉(zhuǎn)化率、丙烯腈收率都明顯地增加.而副產(chǎn)物乙腈和氫氰酸收率則有所增加。隨著溫度的升高.丙烯腈收率和乙腈收率都會出現(xiàn)一個最大值.丙烯腈收率的最大值所對應(yīng)的溫度大約在460℃左右.乙腈收率最在值所對應(yīng)的溫度大約在417℃左右。生產(chǎn)中通常采用在460℃左右進行操作。另外.在457℃以上反應(yīng)時.丙烯易于與氧作用生成大量CO2.放熱較多<4>接觸時間丙烯氨氧化反應(yīng)是氣—固相催化反應(yīng).反應(yīng)是在催化劑表面進行的。因此.原料氣和催化劑必須有一定的接觸時間.使原料氣能盡量轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物。一般說來.適當(dāng)增加接觸時間.可以提高丙烯轉(zhuǎn)化率和丙烯腈收率.而副產(chǎn)物乙腈、氫氰酸和丙烯醛的收率變化不大.這對生產(chǎn)是有利的。但是.增加接觸時間是有限度的.過長的接觸時間會使丙烯腈深度氧化的機會增大.反而使丙烯腈收率下降。同時.過長的接觸時間.還會降低設(shè)備的生產(chǎn)能力.而且由于尾氣中氧含量降低而造成催化劑活性下降.故接觸時間一般為5～l0s。<5>反應(yīng)壓力丙烯氨氧化生產(chǎn)丙烯腈是體積縮小的反應(yīng).提高壓力可增大反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率。同時.提高壓力也可增加氣體的相對密度.相應(yīng)地可增加設(shè)備的生產(chǎn)能力。但實驗表明.加壓反應(yīng)的效果不如常壓理想。這可能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。圖1-1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；3、10、11、16、22、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；9、20－塔釜液泵；12、17－分層器；13、19－油層抽出泵；14－乙腈塔；15－脫氰塔；18、24、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.進行過熱、混合.從流化床底部經(jīng)氣體分布板進入反應(yīng)器〔1.原料空氣經(jīng)過濾由空壓機送入反應(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.然后進入尾氣冷卻器〔3用水冷卻.再進入急冷塔〔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。因為在氨存在下.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1.5％<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入.水由塔頂加入.使它們進行逆流接觸.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×l0-5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。因為乙腈和丙烯腈沸點僅相差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物的水.這部分水再返回到回收塔〔8中作補充水用。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?；厥账猩倭恐亟M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。在擴大段中催化劑的聚集密度較小.故也稱為稀相段。圖1－2丙烯氨氧化流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖圖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；2總體方案工藝設(shè)計2.1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?！?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)60000噸丙烯腈?！?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1.8%<wt>。2.2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1.8%的丙烯腈水溶液.物料流程圖如下：圖2.1物料流程圖3工藝設(shè)計計算3.1物料衡算與熱量衡算按年工作日300天.丙烯腈損失率3.1%.設(shè)計裕量6%計算.丙烯腈小時產(chǎn)量為：10000×1000×1.06×1.031/<300×24>=1517.86kg/h3.1.1反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算 <1>計算依據(jù)a.丙烯腈產(chǎn)量1517.86kg/h.即28.63 b.原料組成〔摩爾分數(shù)含C3H685%.C3H815% c.進反應(yīng)器的原料配比〔摩爾比為C3H6：NH3：O2：H2O＝1：1.05：2.3：3 d.反應(yīng)后各產(chǎn)物的單程收率如表3-1所示表3-1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〔ACLCO2摩爾收率0.60.0650.070.0070.12 e.操作壓力進口0.203MPa.出口0.162MPa f.反應(yīng)器進口溫度110℃.反應(yīng)溫度470℃.出口氣體溫度360℃ <2>物料衡算 a.反應(yīng)器進口原料氣中各組分的流量 C3H628.63/0.6=47.72kmol/h=2004.2kg C3H8<47.72/0.85>×0.15=8.42kmol/h=370.5kg/h NH347.72×1.05=50.11kmol/h=851.87kg/hO247.72×2.3=109.76kmol/h=3512.32kg/hH2O47.72×3=143.16kmol/h=2576.88kg/hN2〔109.76/0.21×0.79=412.9kmol/h=11561.4kg/h b.反應(yīng)器出口混合氣中各組分的流量丙烯腈<AN>28.63kmol/h=1517.86kg/h乙腈<ACN>3/2×47.72×0.07=5.01kmol/h=205.4kg/h丙烯醛<ACL>47.72×0.007=0.33kmol/h=18.48kg/hCO23×47.72×0.12=17.18kmol/h=755.9kg/hHCN3×47.72×0.065=9.31kmol/h=251.2kg/hC3H88.42kmol/h=370.5kg/hN2412.9kmol/h=11561.4kg/hO2109.76-〔3/2×28.63-9.31-0.33-5.01-9/〔3×2×17.18=26.40kmol/h=844.8kg/hC3H647.72-〔1/3×9.31-0.33-〔2/3×5.01-28.63-〔1/3×17.18=6.59kmol/h=276.7kg/hNH350.11-28.63-5.01-9.31=7.16kmol/h=121.7kg/hH2O143.16+3×28.63+2×5.01+2×9.31+17.18+0.33=275.2kmol/h=4953.6kg/h c.反應(yīng)器物料平衡表如表3-2表3-2反應(yīng)器物料平衡表組分流量和組成反應(yīng)器進口反應(yīng)器出口Kmol/hKg/h%<mol>%<wt>Kmol/hKg/h%<mol>%<wt>C3H647.722004.26.1819.66.59276.70.8271.325C3H88.42370.51.0911.7758.42370.51.061.775NH350.11851.876.494.087.16121.70.8980.583O2109.763512.3214.2216.8226.40844.83.3124.046H2O412.911561.454.3855.38412.911561.457.8255.4N2143.162576.8818.5412.34275.24953.634.4923.71AN000028.631517.863.5947.271ACN00005.01205.40.62890.9843HCN00009.31251.21.1681.231ACL00000.3318.480.0420.0896CO2000017.18755.92.5163.622合計772.0720917100100797.1320877100100熱量衡算各物質(zhì)0～t℃的平均定壓比熱容如表3-3所示表3-3各物質(zhì)0～t℃的平均定壓比熱容CP/[kJ/<kg·k>]物質(zhì)C3H6C3H8NH3O2N2H2OANCNACNCLCO2CP0～1101.8412.052.3010.9411.0461.8830～3602.6783.0132.6361.0041.0882.0081.8741.3401.9331.9661.1300～4702.9293.3472.9391.0461.1092.2092.0291.7242.102.1721.213a.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：470°C,濃相段出口混合氣470°110°△H△H△H3△H125°25°25°△H△H2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=<2004.2×1.841+370.5×2.05+851.87×2.301+3512.32×0.941+11561.4×1.046+2576.88×1.883>×<25-110>=-2.266×106kJ/h△H2=-<28.63×512.5+5.01×362.3+9.31×315.1+0.33×353.1+17.18×641>×103=-3.055×107kJ/h△H3=<267.7×2.929+370.5×3.347+121.7×2.939+844.4×1.046+11561.4×1.109+4953.6×2.092+1517.86×2.209+205.4×2.10+251.2×1.724+18.48×2.172+755.9×1.213>×<470-25>=1.396×107kJ/h△H=△H1+△H2+△H3=-2.266×106-3.055×107+1.396×107=-1.886×107kJ/h若熱損失取△H的5%.則需由濃相段換熱裝置取出的熱量〔即換熱裝置的熱負荷為：Q=<1-0.05>×1.886×107=1.792×107kJ/h濃相段換熱裝置產(chǎn)生0.405MPa的飽和蒸汽〔飽和溫度143℃143℃143℃飽和水焓iH2O=601.∴產(chǎn)生的蒸汽量=1.792×107/<2736-601.2>=8394kgb.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0℃進入稀相段的氣體帶入熱為Q1=<276.7×2.929+370.5×3.347+121.7×2.939+844.8×1.046+11561×1.109+4953.6×2.092+205.4×2.209+251.2×2.10+251.2×1.724+18.48×2.172+755.9×1.213>×<470-0>=1.344×107kJ/h離開稀相段的氣體帶出熱為Q2=<276.2×2.929+370.5×3.347+121.7×2.939+844.8×1.046+11561.4×1.109+4953.6×2.092+205.4×2.209+251.2×2.10+205.4×1.724+18.48×2.172+755.9×1.213>×<360-0>=1.083×107kJ/h熱損失取4%.則稀相段換熱裝置的熱負荷為Q3=<1-0.04><Q1-Q2>=<1-0.04>×<1.344×107-1.083×107>=2.410×106kJ/h稀相段換熱裝置產(chǎn)生0.405MPa的飽和蒸汽量為G=2.410×106/<2736-601.2>=1128.9kg3.1.2廢熱鍋爐的物料衡算和熱量衡算計算依據(jù)a.入口氣和出口氣的組成與反應(yīng)器出口氣體相同b.入口氣體溫度360℃.壓力0.162MPac.出口氣體溫度180℃.壓力0.152MPad.鍋爐水側(cè)產(chǎn)生0.405MPa的飽和蒸汽<2>熱衡算以0℃氣體為衡算基準(zhǔn).表3-4各物質(zhì)0～180℃的平均比熱容物質(zhì)C3H6C3H8NH3O2N2H2OANHCNACNACLCO2CP2.0712.3432.4060.9621.0541.9251.5521.4851.6071.5861.004a.入口氣體帶入熱〔等于反應(yīng)器稀相段的氣體帶出熱Q1=1.083×107kJ/hb.出口氣體帶出熱Q2=<276.2×2.071+370.5×2.347+121.7×2.406+844.8×0.962+11561.4×1.154+4953.6×1.925+1517.86×1.552+205.4×1.607+251.2×1.482+18.48×1.586+755.9×1.004>×<180-0>=5.269×106kJ/hc.熱衡算求需要取出的熱量Q按熱損失10%計,需要取出的熱量為Q=0.9<Q1-Q2>=0.9×<1.083×107-5.269×106>=5.005×106kJ/hd.產(chǎn)生蒸汽量產(chǎn)生0.405MPa的飽和蒸汽量為G=5.005×106/<2736-601.2>=2344kg3.1.3空氣飽和塔物料衡算和熱量衡算計算依據(jù)a.入塔空氣壓力0.263MPa.出塔空氣壓力0.243MPa。b.空壓機入口空氣溫度30℃.相對濕度80%.空壓機出口氣體溫度170℃c.飽和塔氣、液比為152.4〔體積比.飽和度0.81。d.塔頂噴淋液為乙腈解吸塔釜液.溫度105℃.組成如表3-5所示：表3-5塔頂噴淋液各組成組分ANACN氰醇ACLH2O合計%<wt>0.0050.0080.00050.000299.986100e.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O2109.76kmol/h即3512.32kgN2412.9kmol/h即11561.4kgH2O143.16kmol/h即2576.88kg物料衡算a.進塔空氣量進塔干空氣量=〔109.76+412.9=522.65kmol/h=15073kg/查得30℃.相對濕度80%時空氣濕含量為0.022kg水氣/kg干空氣.因此.進塔空氣帶入的水蒸汽量為0.022×15073=331.6kg/b.進塔熱水量氣液比為151.2.故進塔噴淋液量為<109.76+2477.2>×22.4×<273+170>/273×0.1013/0.263×1/152.4=49.59m塔頂噴淋液〔105℃的密度為958kg/m349.59×958=47507kgc.出塔濕空氣量出塔氣體中的O2、N2、H2O的量與反應(yīng)器入口氣體相同.因而O2109.76kmol/h即3512.32kg/hN2412.9kmol/h即11561.4kg/hH2O143.16kmol/h即2576.88kg/hd.出塔液量塔內(nèi)水蒸發(fā)量=2576.88—331.6=2245.28kg/h∴塔液流量=47507—2245.28=45261.7kg/he.飽和塔物料如下表3-6表3-6飽和塔物料平衡表成分入塔氣出塔氣入塔噴淋液塔釜排出液kmol/hKg/h%<mol>%<wt>kmol/hKg/h%<mol>%<wt>Kg/h%<wt>Kg/h%<wt>109.763512.3220.422.88109.763512.3216.4819.900000412.911561.476.7575.32412.911561.462.0165.50000018.42331.68.851.8143.162576.8821.5114.604750099.9864525499.985AN000000002.3750.0052.3750.00525ACN000000003.8000.0083.8000.0084氰醇000000000.2380.00050.2380.00053ACL000000000.0950.00020.0950.00021合計541.0815405.32100100665.8217650.481001004750710045261100熱衡算a.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0.215.根據(jù)分壓定律.蒸汽的實際分壓為PH2O=yH2OP=0.215×0.243=0.05655MPa因飽和度為0.81.所以飽和蒸汽分壓應(yīng)為0.05655/0.81=0.0698MPa=69800Pa查飽和蒸汽表得到對應(yīng)的飽和溫度為90℃.因此須控制出塔氣體溫度為90℃.才能保證工藝要求的蒸汽量 b.入塔熱水溫度入塔水來自精制工段乙腈解吸塔塔釜.105℃ c.由熱衡算求出塔熱水溫度t熱衡算基準(zhǔn)：0℃氣態(tài)空氣.0℃ <a>170℃進塔空氣帶入熱量Q170℃蒸汽焓值為2773.3kJ/kg.干空氣在0～170 Q1=<3512.32+11561.4>×1.004×<170-0>+331.6×2773.3=3.492×106kJ/h <b>出塔濕空氣帶出熱量Q290℃蒸汽焓2660kJ/kg. Q2=<3512.32+11561.4>×1.004<90-0>+2576.88×2660=8.217×106kJ/h <c>105℃入塔噴淋液帶入熱量QQ3=47507×4.184×<105-0>=2.087×107kJ/h <d>求出塔熱水溫度t 出塔熱水帶出熱量Q4=45261×4.184t=189375t 熱損失按5%計.則Q5=0.05<3.492×106+1.983×107>=1.170×106kJ/h 熱平衡方程Q1+Q3=Q2+Q4+Q5代入數(shù)據(jù)：3.492×106+2.087×107=8.217×106+189375t+1.170×106解得t=79因此.出塔熱水溫度為79℃。3.1.4氨中和塔物料衡算和熱量衡算<1>計算依據(jù)a.入塔氣體流量和組成與反應(yīng)器出口氣體相同。b.在中和塔內(nèi)全部氨被硫酸吸收.生成硫酸銨。c.新鮮硫酸吸收劑的含量為93%〔wt。d.塔底出口液體〔即循環(huán)液的組成如表3-7：表3-7塔底出口液體的組成組分H2OANACNHCNH2SO4<NH4>SO4合計%<wt>68.530.030.020.0160.530.90100e.進塔氣溫度180℃.出塔氣溫度76℃.新鮮硫酸吸收劑溫度30℃f.塔頂壓力0.122MPa.塔頂壓力0.142MPa。<2>物料衡算排除的廢液量及其組成進塔氣中含有72.95kg/h的氨.在塔內(nèi)被硫酸吸收生成硫酸銨.2NH3+H2SO4<NH4>SO4<NH4>SO4的生成量.即需要連續(xù)排出的<NH4>SO4流量為：121.7×132/<2×17>=472.5kg塔底排出液中.<NH4>SO4的含量為30.9%〔wt.因此.排放的廢液量為：472.5/0.309=1529.1kg/h排放的廢液中.各組分的量：H2O1529.1×0.6853=1047.9kg/hAN1529.1×0.0003=0.459kg/hACN1529.1×0.0002=0.3058kg/hHCN1529.1×0.00016=0.2447kg/hH2SO41529.1×0.005=7.647kg/h<NH4>2SO41529.1×0.309=472.7kg/ha.需補充的新鮮硫酸吸收劑〔93%H2SO4的量為：<1529.1×0.005+121.7×98/34>/0.93=385.5kgb.出塔氣體中各組分的量C3H6276.7kg/hC3H8370.5kg/hO2844.8kg/hN211561.4kg/hAN1517.86-0.459=1517.401kg/hACN205.4-0.3058=205.09kg/hACL18.48kg/hHCN251.2-0.2447=250.96kg/hCO2755.9kg/hH2O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=4953.6+385.5×0.07-1047.9=3932.685kg/h出塔氣中的水=入塔氣中帶入水+新鮮吸收劑帶入水-廢液排出的水=29720+2312×0.07-6290=23592kg/h<3>熱衡算a.出塔氣體溫度塔頂氣體中實際蒸汽分壓為PH2O=yH2OP=0.2980×0.122=0.0363MPa設(shè)飽和度為0.98.則與塔氣體溫度平衡的飽和蒸汽分壓為：P○H2O=0.03636/0.98=0.03710MPa入塔噴淋液的硫酸銨含量為100×30.9/68.53=45g<NH4>2SO4/100gH2O.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p○H2O的值.內(nèi)插得到出塔氣的溫度為76℃b.入塔噴淋液的溫度入塔噴淋液溫度比氣體出口溫度低6℃,故為70c.塔釜排出液溫度表3-8硫酸銨溶液上方的飽和蒸汽壓/MPa溫度/℃<NH4>2SO4含量/g[<NH4>2SO4/gH2O]4045507080900.027960.042520.06290.027560.04190.061990.027160.041290.06109d.熱衡算求循環(huán)冷卻器的熱負荷和冷卻水用量Q1+Q3+Q4+Q5+Q6+Q8=Q7+Q2+Q9<a>入塔氣體帶出熱Q1入塔氣體帶入熱量與廢熱鍋爐出口氣體帶出熱量相同。Q1=5.269×106kJ/h<b>出塔氣體帶出熱Q2.各組分在0～76℃表3-9各組分在0～76℃的平均比熱容的值物質(zhì)C3H6C3H8O2N2H2OANHCNACNACLCO2CP1.7151.9660.94141.0461.8831.3471.3931.4061.3430.921Q2=<1659×2.929+2223×3.347+7295×2.939+5066×1.046+69362×1.109+29720×2.092+9105.4×2.209+1233×2.10+1507×1.724+112.2×2.172+4530×1.213>×<76-0>=1.892×106kJ/h<c>蒸汽在塔內(nèi)冷凝放熱Q3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==4953.6-3932.685=1020.9kg/h蒸汽的冷凝熱為2246.6kJ/kgQ3=1020.9×2246.6=2.294×106kJ/h<d>有機物冷凝放熱Q4AN的冷凝量0.0.459kg/h.其冷凝熱為615kJ/kg<e>氨氣和放熱Q5每生成1mol硫酸銨放熱273.8kJQ5=472.7×1000/132×273.8=9.801×105kJ/h<f>硫酸稀釋放熱Q6硫酸的稀釋熱為749kJ/kg∴Q6=358.515×749=2.685×105kJ/h<g>塔釜排放的廢液帶出熱量Q7根據(jù)塔釜排放的廢液中H2O與<NH4>2SO4的摩爾比.查氮肥設(shè)計手冊得此組分的硫酸銨水溶液比熱容為3.347kJ/〔kg·K∴Q7=1529.1×3.347×〔81-0=4.145×105kJ/h<h>新鮮吸收劑帶入熱Q830℃、93%H2SO4的比熱容為1.603∴Q8=385.5×1.603×〔30-0=18539kJ/h<i>求循環(huán)冷卻器熱負荷Q9 因操作溫度不高.忽略熱損失。把數(shù)據(jù)代入平衡方程：解得Q9=6.524×106kJ/h<j>循環(huán)冷卻器的冷卻水用量W 設(shè)循環(huán)冷卻器循環(huán)水上水溫度32℃.排水溫度36℃W=6.524×106/[4.184<36-32>]=3.898×105e.求循環(huán)液量m30℃循環(huán)液的比熱容為3.368kJ/〔kg·K.循環(huán)液與新鮮吸收液混合后的噴淋液比熱容為3.設(shè)循環(huán)液流量為mkg/h.循環(huán)冷卻器出口循環(huán)液溫度t℃。對新鮮吸收劑與循環(huán)液匯合處列熱平衡方程得：m×3.368t+18539=<m+395.5>×3.364×70<3-1>對循環(huán)冷卻器列熱平衡方程得：m×3.347×81-m×3.368t=Q9=6.524×10<3-2>解析〔3-1和〔3-2得m=183051kg/ht=70.04換熱器物料衡算和熱量衡算換熱器換熱器AN溶液去精制AN溶液來自水吸收塔氣體來自氨中和塔氣液混合物去水吸收塔7640<1>計算依據(jù)進口氣體76℃.組成和流量與氨中和塔出口氣相同出口氣體溫度40℃.操作壓力115.5kPa<2>物料衡算出口氣體溫度40℃.40℃飽和蒸汽壓力為=55.32mmHg=7.375kPa設(shè)出口氣體中含有xkmol/h的蒸汽.根據(jù)分壓定律有：解得x=35.10kmol/h=631.8kg/蒸汽的冷凝量為3932.685-631.8=3300.885kg<3>熱量衡算a.換熱器入口氣體帶入熱Q1=1.892×106kJ/hb.蒸汽冷凝放熱Q2c.冷凝液帶出熱Q3d.出口氣體帶出熱Q4表3-10出口氣體各組分在0～40℃的平均摩爾熱容物質(zhì)C3H6C3H8O2N2H2OANACNHCNACLCO2CP61.9272.3829.4629.2936.7563.3552.0962.7665.6138.66出口氣體各組分在0~40℃Q4=7.410×105kJ/he.熱衡算求換熱器的熱負荷熱平衡方程：Q1+Q2=Q3+Q4+Q5解得Q5=8.534×106kJ/h水吸收塔物料衡算和熱量衡算<1>計算依據(jù)a.入塔氣流量和組成與換熱器出口氣相同b.入塔氣溫度40℃,壓力112kPa。出塔氣溫度10℃.c.入塔吸收液溫度5d.出塔AN溶液中含AN1.8%〔wt〔2物料衡算a.進塔物流流量和組成與換熱器出口相同b.出塔氣量和組成設(shè)入塔氣中的AN、HCN、ACL、CAN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：出塔氣總量為：1659.6+2223+5069+69362+4532+625=83496kg/hc.塔頂加入的吸收水量〔a出塔AN溶液總量1517.86/0.018=84325.6kg/〔b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AN溶液量+出塔氣體總量-入塔氣量-凝水量=84325.6+13913.42-16555.2-3300.885=78383kg/d.塔底AN溶液的組成和量AN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==78383+631.8+3300.885-104.12=82211.56kg<3>熱量衡算AN溶液中各組分的液體摩爾熱容如下：組分H2OANACNHCNACLCP/[kJ/<kmol·k>]75.3121.1107.371.55123.8a.入塔氣帶入熱Q1Q1=7.315×105kJ/hb.入塔凝水帶入熱Q2Q2=3300.85×4.184<40-0>=5.524×105kJ/hc.出塔氣帶出熱Q3Q3=1.438×105kJ/hd.吸收水帶入熱Q4Q4=1.640×105kJ/he.出塔AN溶液帶出熱Q5Q5=348626ttf.水冷凝放熱Q6水冷凝量=631.8-104.12=527.68kg/h水的冷凝熱為2256kJ/kgg.∴Q6=527.68×2256=1.19×106AN、ACN、ACL、HCN等氣體的溶解放熱Q7溶解熱=冷凝熱AN、ACN、ACL、HCN的冷凝熱表3-11AN、ACN、ACL、HCN的冷凝熱組分ANACNACLHCN冷凝熱<kJ/kg>610.9765.7493.7937.2Q7=1517.86×610.9+205.09×765.7+18.48×493.7+250.96×937.2=1.329×106kJ/hh.熱衡算求出塔液溫度熱平衡方程Q1+Q2+Q3+Q4+Q6+Q7=Q3+Q5代入數(shù)據(jù)解得t=15.空氣水飽和塔釜液槽〔1空氣飽和塔液體進出口流量和液體的溫度由空氣飽和塔物料和熱衡算確定；去水吸收塔的液體流量由水吸收塔物料衡算的確定.排污量按乙腈解析塔來的塔釜液量的15%考慮；乙腈解析塔塔釜液量和去萃取解析塔的液體量由精致系統(tǒng)的物料衡算確定?！?物料衡算進料：乙腈解析塔釜液入槽量=113300-47507=65793kg空氣飽和塔塔低液入槽量=45255-17000=28255kg入槽軟水量xkg/h出料：a.去水吸收塔液體量78496kgb.去萃取解析塔液體量30000kg做液體釜的總質(zhì)量平衡得65793+28255+x=78496+30000解得x=14448kg〔3熱量衡算a.入槽乙腈解析塔釜液帶入熱Q1b.入槽軟水帶入熱Q2c.空氣飽和塔底液帶入熱Q3d.去吸收塔液體帶出熱Q4e.去萃取解析塔帶出熱Q5f.熱衡算求槽出口液體溫度t熱損失按5%算.熱平衡方程為0.95〔Q1+Q2+Q3=Q4+Q5代入數(shù)據(jù)：解得t=83.23丙烯蒸發(fā)器熱量衡算計算依據(jù)蒸發(fā)壓力0.405Mpa；加熱劑用0℃的冷鹽水.-2℃；丙烯蒸發(fā)量12028kg〔2有關(guān)資料a.0.405Mpa下丙烯的沸點為-13℃.汽化熱410KJ/kgb.0.405Mpa下丙烷的沸點為-5℃.汽化熱376.6KJ/kg〔3熱衡算秋丙烯蒸發(fā)器的熱負荷和冷凍鹽水用量a.丙烯蒸發(fā)吸收的熱Q1b.丙烷蒸發(fā)吸收的熱Q2c.丙烯蒸發(fā)器的熱負荷Q冷損失按10%考慮冷凍鹽水用量平均溫度〔-1℃下.冷凍鹽水用量為丙烯過濾器熱量衡算〔1計算依據(jù)丙烯進口溫度-13℃.出口溫度65℃.用0.405Mpa蒸汽為加熱劑。〔2熱衡算求丙烯過熱器熱負荷和加熱蒸汽量丙烯氣的比熱容為1.464KJ/<kg.K>.丙烷氣比熱容1.715KJ/<kg.K>.熱損失按10%考慮.需要加熱蒸汽提供的熱量為加熱蒸汽量為上式中2138KJ/kg是0.405Mpa蒸汽的冷凝熱氨蒸發(fā)器熱量衡算〔1計算依據(jù)a.蒸發(fā)壓力0.405Mpa。b.加熱劑用0.405Mpa飽和蒸汽.冷凝熱為2138KJ/h〔2有關(guān)資料0.405Mpa下氨的蒸發(fā)溫度為-7℃.汽化熱為1276KJ/kg〔3熱衡算求氨蒸發(fā)器的熱負荷和加熱蒸汽用量冷損失按10%考慮.氨蒸發(fā)器的熱負荷Q加熱蒸汽量W==559.25kg/h氣氨過熱器〔1計算依據(jù)a.氣氨進口溫度-7℃.出口溫度65b.用0.405Mpa蒸汽為加熱劑。c.氣氨流量511kg/h熱衡算求其氣氨過熱器的熱負荷和加熱蒸汽用量氨氣的比熱容為2.218KJ/<kg.K>.冷損失按10%算。氣氨過熱器的熱負荷為加熱蒸汽用量為W==70kg/h混合器〔1計算依據(jù)氣氨進口溫度65℃.流量511kg/h丙烯氣進口溫度65℃.流量1202.8kg/h.丙烷氣進口溫度65℃.流量222.4kg/h出口混合氣溫度110℃〔2熱衡算求進口濕空氣的溫度t以0℃在0~65℃的平均比熱容表3-12氣態(tài)丙烯丙烷帶入熱Q1物質(zhì)C3H6C3H8NH4cP/[kJ/<kg·k>]1.5691.822.197a.氣態(tài)丙烯丙烷帶入熱Q1b.氣氨帶入熱Q2c.濕空氣帶入熱Q3和蒸汽0~136℃的平均比熱容分別為1.046KJ/<kg.K>1.84KJ/<kg.K>1.925KJ/<kg.K>e.混合器出口氣體帶出熱Q4Q4=〔2004.2×1.569+370.5×1.829+851.871×2.197+11561.4×1.046+3512.32×1.841+2756.88×1.925×10〔110-0=3.213×10kJ/hf.熱衡算求進口濕空氣的溫度t熱損失按10%考慮熱衡算方程：0.9<Q1+Q2+Q3>=Q4代入數(shù)據(jù)得解得t=136空氣加熱器的熱量衡算〔1計算依據(jù)a.入口空氣溫度90℃.出口空氣溫度136℃b.空氣的流量和組成表3-13空氣的流量和組成組分合計Kg/h3512.3211561.42576.8817650.6〔2熱衡算求空氣加熱器的熱負荷和加熱蒸汽量和蒸汽90~136℃的平均比熱容分別為1.046KJ/<kg.K>.1.84KJ/<kg.K>.1.925KJ/<kg.K>。熱損失按10%考慮.空氣加熱器的熱負荷為Q=〔11561.4×1.046+3512.32×1.841+2576.88×1.925〔136-90×1.1=1.190×10KJ/h用0.608Mpa蒸汽為加熱劑.其飽和溫度為164.2℃.冷凝熱為2066KJ/kg.加熱蒸汽用量為W==575.99kg/h3.2主要設(shè)備的工藝計算流化床合成反應(yīng)器〔1計算依據(jù)a.出口氣體流量797.13kmol/h；入口氣體流量772.07kmol/h。b.氣體進口壓力0.203mPa；出口壓力0.162mPa。c.反應(yīng)溫度470℃.氣體離開稀相段的溫度為360流化床內(nèi)的換熱裝置以水為冷卻劑.產(chǎn)生0.405Mpa〔143℃的飽e.接觸時間10s〔2濃相段直徑因反應(yīng)過程總物質(zhì)的量增加.故按出口處計算塔徑比較安全出口處氣體體積流量為取空床線速0.6m濃相段直徑為=3.78m取流化床濃相段直徑為3.8〔3濃相段高度按接觸時間10s算.推化劑的堆體積為靜床高m取膨脹比為2.則濃相段高度為=11.9m≈12m取濃相段高13校核推化劑的堆密度為640推化劑的品質(zhì)W=67.4×640=43136kg=43.14t推化劑負荷為=1.106mol實驗裝置的推化劑負荷可達到1.77mol.本設(shè)計的值小于實驗值.是可靠的。〔4擴大段〔此處即稀相段直徑取擴大段氣速為操作氣速的一半即u=0.3氣體流量為擴大段直徑為d==5.49m取5.5擴大段高度根據(jù)流化床直徑3.8m.空塔氣速0.6m/s.查圖得/D=2稀相段高度2D=2×3.8=7.6m取8濃相段冷去裝置的換熱面積換熱裝置用套管式.總差傳熱系數(shù)取233換熱裝置的熱負荷已由熱衡算求出Q=1.013×=2.813×換熱面積為取30%的設(shè)計裕量.則換熱面積為85〔7稀相段冷卻裝置的換熱面積用套管式換熱裝置.水為冷卻劑.產(chǎn)生0.405Mpa〔143℃總傳熱系數(shù)取20.換熱裝置熱負荷為Q=2.410×106kJ/h=6.69×105J/s又=267℃換熱面積為取30%設(shè)計裕量.則換熱面積為160空氣飽和塔〔1計算依據(jù)a.進塔空氣的組成和流量

表3-14進塔空氣的組成和流量組分合計Kmol/hkg/h109.763512.32412.911561.418.42331.6541.0815405.32b.出塔空氣的組成和流量表3-15出塔空氣的組成和流量組分合計Kmol/hkg/h109.763512.32412.911561.4143.162576.88665.8217650.48c.塔頂噴淋液量47507kg/h.溫度105d.塔底排出液量45261.7kg/h.溫度79e.塔底壓力0.263Mpa.塔頂壓力0.243Mpaf.入塔氣溫度170℃.出塔氣溫度90℃g.填料用50×50×4.5陶瓷拉西環(huán)〔亂堆塔徑的確定拉西環(huán)的泛點速度計算公式為lg<3-3>式中——泛點空塔氣速.m/s；g——重力加速度.9.81m/；_____干填料因子.；——氣相和液相密度.；L.G——氣相和液相流量.kg/h；——液體的粘度.mPa.<cP>。50×50瓷拉西環(huán)的干填料因子為177。塔頂處==958L=47507kgG=17650.48kg把數(shù)據(jù)帶入〔3-3式：解得=1.743m/s泛點率取75%.則氣體空塔速度為：W=0.75×13743=1.307m/s出塔操作條件下的氣量；塔徑應(yīng)為b.塔底處=975L=45261.7kgG=15405.32kg把數(shù)據(jù)帶入〔3-3式解得=1.721m/s氣體空塔速度為w=0.75=0.75×1.721=1.291m/s入塔氣在操作條件下的氣量：塔徑為取塔徑為1.5填料高度空氣水飽和塔的填料高度確定必須考慮兩方面的要求a.式出塔氣體中蒸汽含量達到要求。b.式塔頂噴淋液中CAN等在塔內(nèi)脫吸以使出塔釜液中CAN等的含量盡量低.以減少污水處理負荷并回收CAN等副產(chǎn)物。c.按工廠實際經(jīng)驗.取填料高度11m。丙烯蒸發(fā)器〔1計算依據(jù)a.丙烯在管外蒸發(fā).蒸發(fā)壓力為0.405Mpa.蒸發(fā)溫度-13℃.管內(nèi)用0℃的冷凍鹽水〔17.5%NaOH水溶液與丙烯換熱.冷凍鹽水出口溫度-2b.丙烯蒸發(fā)量12026kg/h.冷凍鹽水用量913460kg/h。c.丙烯蒸發(fā)器熱負荷6.344×?！?丙烯蒸發(fā)器換熱面積a.管內(nèi)給熱系數(shù)蒸發(fā)器內(nèi)安裝38×3.5的U型鋼管100根冷凍鹽水平均溫度-1℃.次溫度下有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下。μ=2.485×10-3kg/<m?s>λ=0.545W/<m?K>Cp=3.473kJ/<kg?K>ρ=1130.8kg/m3冷凍鹽水流速為u==0.62m/s=8240﹤10000.過度湍流=15.8==127.8b.管外液體丙烯沸騰給熱系數(shù)=2326。c.總傳熱系數(shù)冷凍鹽水方污垢熱阻取0.264×.丙烯蒸發(fā)側(cè)污垢熱阻取0.176×.鋼管導(dǎo)熱系數(shù)45w/<m.k>.K=578傳熱平均溫差熱端溫差0-〔-13=13℃.冷端溫差-2-〔-13=11℃.傳熱平均溫差℃d.換熱面積熱負荷Q=1.057×106kJ/h=2.936×105J/s換熱面積為A=70472.2/<532×45>=39.68m2取安全系數(shù)1.2.則換熱面積504車間布置設(shè)計車間布置不當(dāng)往往會給生產(chǎn)操作中造成人流、物流的紊亂.不利設(shè)備的安裝和維修還會延長物料輸送管路、增加設(shè)備費用及造成不良通風(fēng)、采光.甚至無法生產(chǎn)和造成事故發(fā)生.因此設(shè)計前必須成分準(zhǔn)備有關(guān)資料.如總平面布置、工藝流程圖、物料衡算等各階段的資料.設(shè)計過程中深入研究領(lǐng)會應(yīng)用各方面的原則及要求。車間布置涉及面較廣.但大致可歸納為以下的幾個方面。4.1廠房建筑1．廠房平面力求簡單化.以利建筑定型化和施工機械化。2．柱間距一般不超過12m。3．層高與設(shè)備的高低、安裝位置有關(guān).一般每層4～6m.最低不低于3.2m.凈高度不低于2.6m。4．在可能條件下采用露天和敞開式設(shè)計.既節(jié)省投資.又利于通風(fēng)、采光、防爆等安全需要。5．在不影響流程情況下.較高設(shè)備集中布置。6．笨重設(shè)備和震動設(shè)備盡量布置在底樓地面。7．設(shè)備穿孔避開主梁。8．廠房出入口、交通道、樓梯等需精心安排。4.2生產(chǎn)操作1．設(shè)備布置盡量和工藝流程一致.避免交叉往返運料；盡量采用位差送料.一般從高層到低層布置為計量槽、應(yīng)設(shè)備、槽、重型設(shè)備和震動設(shè)備。2．相互有聯(lián)系的設(shè)備盡量靠近.但要考慮操作、行人通道、送料及半成品堆放等空地。3．相同、相似設(shè)備盡可能對稱集中.以利操作管理及水、電、氣等供應(yīng)。4．考慮進出料、取樣、觀察等方便。4.3設(shè)備裝修1．不僅要考慮安裝時設(shè)備的進出.而且要考慮各單個設(shè)備的更換和檢修.保證足夠的空間和通道。2．二層樓以上的設(shè)備.需在下層設(shè)吊孔.對龐大特殊設(shè)備在封閉式廠房中可先安裝設(shè)備后砌墻。3．要考慮起吊裝置.如塔頂、房梁等.設(shè)永久吊架。4.4安全要求1．采光要好.盡量避光操作.高大設(shè)備避免靠窗擋光。2．通風(fēng)要好.高溫、有毒、易燃、易爆車間盡可能取敞開式.以利通風(fēng)散熱。機械通風(fēng)效果要好。3．有毒物質(zhì)設(shè)備放置下風(fēng).操作位置應(yīng)在上風(fēng)。劇毒設(shè)備要隔離操作.單獨排風(fēng)。4．防爆車間盡可能采用單層廠房.避免車間有死角.多層的樓板要有泄壓孔.設(shè)計防火、防爆墻.設(shè)計雙斗門.門窗朝外開。二樓以上考慮緊急疏散措施.考慮消防措施及設(shè)備。4.5車間布置說明車間設(shè)計本著方便、安全、節(jié)省能源的原則.特進行了設(shè)計。配電室、控制室、倉庫等在設(shè)計時都是在"安全第一、方便快捷"的原則上設(shè)計的。5環(huán)境保護和安全措施要求5.1丙烯腈生產(chǎn)中的三廢處理在丙烯腈生產(chǎn)中,有大量的工業(yè)污水產(chǎn)生,這些污水中含有氫氰酸、乙腈、丙烯腈和丙烯醛等有毒物質(zhì),如不經(jīng)處理直接排放,會污染水源,對人體和動、植物造成危害。因此,國家對含氰廢水的排放有嚴(yán)格的規(guī)定,一定要將它們治理達到標(biāo)準(zhǔn)后,才準(zhǔn)予排放。丙烯腈裝置的廢水來源主要是反應(yīng)生成水和工藝過程用水。因反應(yīng)條件和采用的催化劑不同,各主、副反應(yīng)物的單程收率不會一樣,生成水量也會有所差別。工藝過程用水包括分離合成產(chǎn)物過程用的吸收水和萃取水,反應(yīng)器用的稀釋蒸氣<有些催化劑不用>,和蒸餾塔用的直接蒸氣<最終冷