年产十万吨丙烯腈生产工艺设计

PAGE21年产十万吨丙烯腈生产工艺设计摘要本设计以年产10万吨丙烯腈作为目标，通过丙烯氨氧化法进行丙烯腈的生产，从而极大地降低了生产成本。本设计对国内外丙烯腈的生产现状、性能、用途及生产方法等内容进行了介绍与说明。主要研究了丙烯氨氧化制丙烯腈的反应过程。过程条件包括：反应温度，压力，接触时间，原料纯度，主、副反应原理，催化剂。采用物料衡算方法计算了丙烯腈的年生产能力和原料流速。经设计计算，该流化床的浓相部分总高为13米，浓相段直径为4米，催化剂的堆体积为67.4立方米，稀相段高度为8米。稀相段直径为6米，经过合成丙烯腈含量最终达到了3%，经精馏后丙烯腈单程收率为78%，达到了预期的目标。关键词：丙烯腈；丙烯；丙烯氨氧化法；工艺设计；工艺流程

Productionprocessdesignof100000t/aacrylonitrileAbstractThisdesignisanannualproductionprocessdesignof100000tonsofacrylonitrile.Inthedesign,theprocessofacrylonitrileproductionbyammoxidationofpropyleneisadopted,whichcaneffectivelyreducetheproductioncost.Inthisdesign,theproductionstatus,properties,usesandproductionmethodsofacrylonitrileathomeandabroadareintroduced.Thisdesignfocusesonthedesignandcalculationofthereactionpartofacrylonitrileproductionbyammoxidationofpropylene.Theprocessconditionsincludereactiontemperature,reactionpressure,contacttimeandrawmaterialpurity.Thereactionprincipleincludesmainreaction,sidereactionandcatalyst.Theannualproductioncapacityandfeedflowofacrylonitrilearecalculatedbymaterialbalance.Throughthedesignandcalculation,thetotalheightofthedensephaseofthefluidizedbedis13meters,thediameterofthedensephaseis4meters,thevolumeofthecatalyststackis67.4cubicmeters,andtheheightofthedilutephaseis8meters.Thediameterofdilutephaseis6meters,thecontentofacrylonitrileis3%aftersynthesis,andtheone-wayyieldofacrylonitrileis78%afterrectification,whichachievestheexpectedgoal.Keywords:Acrylonitrile;propylene;ammoxidationofpropylene;processdesign;processflow

目录1总论 21.1概述 21.1.1丙烯腈的发展 21.1.2丙烯腈的应用方向 21.2国内丙烯腈市场简况 31.2.1现状 31.2.2国内丙烯腈消费情况 41.3国外丙烯腈市场简况 41.3.1现状 41.3.2国外丙烯腈消费情况 61.4丙烯腈的性质 71.4.1化学性质 71.4.2物理性质 72工艺流程介绍 82.1生产方法简述 82.2工艺流程说明 92.3工艺条件 102.3.1反应温度 102.3.2反应压力 102.3.3接触时间 102.3.4原料纯度 113物料衡算和热量衡算 123.1小时生产能力 123.2物料衡算和热量衡算 123.2.1反应器的物料衡算和热量衡算 123.2.2废热锅炉的热量衡算 153.2.3空气饱和塔物料衡算和热量衡算 163.2.4换热器物料衡算和热量衡算 193.2.5丙烯蒸发器热量衡算 213.2.6丙烯过热器热量衡算 223.2.7氨蒸发器热量衡算 223.2.8气氨过热器 233.2.9混合器 233.2.10空气加热器的热量衡算 244流化床反应器的工艺计算 264.1计算依据 264.2浓相段直径 264.3浓相段高度 264.4扩大段(此处即稀相段)直径 274.5扩大段高度 274.6浓相段冷却装置的换热面积 274.7稀相段冷却装置的换热面积 285原料消耗综合表 295.1原料消耗 295.2能量消耗综合表 296丙烯腈生产中的废水和废气处理 317安全工程 327.1安全意识 327.2厂区安全 327.3事故后处理 32结束语 34参考文献 35附工程图纸 36致谢 371总论1.1概述1.1.1丙烯腈的发展20世纪60年代以前，丙烯腈的生产大多采用环氧乙烷、乙醛、乙炔等为原料和HCN反应制得，但HCN有剧毒高危产品，生产成本高。1960年美国Standard石油公司(Sohio)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，又不需含有剧毒的HCN，因此十分安全。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1.1.2丙烯腈的应用方向丙烯腈是合成纤维以及合成橡胶等重要材料的单体。聚丙烯腈纤维即腈纶是由丙烯腈制成的，它的性能与羊毛极为相似，因此也被称为人造羊毛。通过丙烯腈与丁二烯的共聚，可制得丁腈橡胶，具有良好的耐油、耐寒、耐磨、电绝缘性能，且在大部分化学溶剂、日晒和热处理下性能较稳定。丙烯腈与丁二烯、苯乙烯共聚制得ABS树脂，具有质轻、耐寒、抗冲击性能较好等优点。丙烯腈水解可制得丙烯酰胺和丙烯酸及其酯类。它们是重要的有机化工原料，丙烯腈还可电解加氢偶联制得己二腈，由己二腈加氢又可制得己二胺，己二胺是尼龙66原料。可制造抗水剂和胶粘剂等，也可用于其他有机合成和医药工业中，并用作谷类熏腈纶是一种重要的有机化工原料，用途广泛，用途广泛，用途广泛。全球50%以上的丙烯腈被用来生产腈纶纤维。我国用于生产腈纶的丙烯腈占80％以上。此外，丙烯腈还用于生产丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、丙苯树脂(AS)、丙烯酰胺、丁腈橡胶及丁腈胶乳、己二腈/己二胺、丙烯腈阻隔性树脂、聚丙烯腈碳纤维等[1]。1.2国内丙烯腈市场简况1.2.1现状国内丙烯腈生产的装置大多数都在中国石油化工集团公司（简称：中石化）和中国石油天然气集团公司（简称:中石油）。其中，中石化（含合资企业）的生产能力合计大约为99万t/a，约占总生产能力的比重为47.6%，；中石油的生产能力大约为70万t/a，约占总生产能力的33.7%；民营企业江苏斯尔邦石化和山东海江化工有限公司，丙烯腈生产能力分别为26万t/a和13万t/a，占约占总生产能力的18.7%。这些装置全部采用丙烯氨氧化法生产工艺，这个工艺为世界上最基本的通用工艺。初期均采用国外BP公司的技术，此时我国丙烯腈的生产发展迅速。除了上海赛科外，剩下的设备都是与下游生产设备配套的。由于环保和乙腈环境污染等原因，上海石化的13万t/a丙烯腈装置、齐鲁石化的8万t/a丙烯腈装置和山东齐鲁石化的0.8万t/a丙烯腈装置分别于2013年、2017年和2018年被关停。江苏斯尔邦石油化工有限公司对丙烯腈产业进行了深入调查，发现该产业的远期规划产能为78吨/a，近期为52吨/a1.2.2国内丙烯腈消费情况近几年来，国内主要用来生产脂纶，约占85%。接下来是ABS/S丙烯腈树脂。大约占其用量的百分之六至百分之八。其它是现烯酰胺。大庆油田石化总厂新建5万吨/年丙烯酰胺装置投产后，用来生产丙烯酰胺的丙烯腈产量大幅增加，约占%3。全球丙烯腈市场表现强劲，亚洲市场也呈现价格上扬态势。随着以日本旭化成为首的亚洲地区丙烯腈生产装置陆续进入大修期，丙烯短期仍将面临供应不足的风险。国内80%以上的丙烯腈消耗在腈纶生产上，腈纶市场的波动将严重影响其生产。国内2000年腈纶生产能力分别达到40万吨和54万吨，其中40万吨至45万吨用于腈纶生产。中国大陆丙烯腈产能2000年为65万~72万t，但2000年仅为42万~50万t，产能缺口在20万t左右。到2015年，我国丙烯腈需求量超过150万吨，缺口很大。还需要大量进口丙烯腈，以满足我国市场需求。1.3国外丙烯腈市场简况1.3.1现状世界范围内的丙烯腈生产主要集中在美国、西欧和日本等国家。世界上1999年丙烯腈生产总量为523.3万吨。美国、日本和西欧共生产丙烯腈357万吨，占全球产能的66.9%。1999年度全球丙烯腈需求480万吨，产量470万吨。到2000年，世界丙烯腈生产总量达到585万吨，生产和消费总量达到507万吨。该产品的腈纶消耗量为275万吨。1997年美国丙烯腈出口量几乎占年产量的50%，这一比例预计将维持到2015年。在西欧有9个丙烯腈生产装置当中最大的德国Erdoelchemie公司和英国BASF公司各有280,000t/g。在腈纶纤维中，西欧丙烯腈的比例较大，其次是ABS/SAN树脂。中国是腈纶纤维和ABS树脂的主要进口国，因此，中国此类产品进出口的增加对于欧美等国家丙烯腈的生产具有重要的影响随着聚丙烯酰胺需求的迅速增长，丙烯酰胺对丙烯腈的需求也增长得最快。到2015年，西欧丙烯腊的总需求为400万吨，1996-2005年间每年的需求增长0.9%。近几年来，世界丙烯腈产能稳步增长，新增产能主要来自亚洲，主要来自中国，北美和欧洲地区产能基本不变。世界丙烯腈生产巨头未来几年仍计划新建或扩建丙烯腈生产装置，主要是日本旭化成，以及三菱化学和沙特萨比克合资企业在沙特新建的20.0万t/a装置，该项目原计划于2015年底投产，但至今还没有相关报道。唯一的一套丙烯腈装置位于路易斯安娜州FortierCornerstone，生产能力为240,000t/a。再加上中国大陆新厂的产能，预计到2020年，世界丙烯腈的总产能将达到947吨。1.3.2国外丙烯腈消费情况日本丙烯腈生产厂家，家是旭化成公司，在全日本1997年统计时，对于丙烯腈总需求量为70.6万吨的情况下，该公司自家即生产了37.7万吨。总体而言，日本对于丙烯腈的需求量在平稳增长，直到2005年总需求量达到77.5万吨。对于日本的化学工业而言，腈纶纤维是丙烯腈消耗的最主要方向。在1997年腈纶纤维对于丙烯腈的消耗达到了52.4%，相比之下，橡胶和树脂所占比例为29.7%。在1997年之前，日本的丙烯腈大量依靠从世界其他国家的进口。相比于日本，韩国的丙烯腈生产完全依靠东西石油化学公司。该公司对于丙烯腈的生产，在1996年时产能从9万吨提高到11万吨。相比于生产量，韩国对于丙烯腈的需求量巨大。2000年需求量已达到600,000吨，经过计算期需求的平均年增长率达到了6.1%。印度的丙烯腈生产完全依靠IPCL公司，年产能为3万吨。但印度有兴建丙烯腈装置的意图，该政府将在2000年于古吉拉特新建一套生产装置。与日本的生产和消耗情况相近，印度丙烯腈的主要消耗方向是脂纶纤维。1996年印度在需求量已经达到9.5万吨。并以10%的高速增长需求速率在2000年达到了13.9万吨的丙烯腈需求，具有极大的丙烯腈国际市场需求[2]。亚洲的丙烯腈的需求与供给缺口改善，源于几套大型丙烯腈生产装置的兴建，其中包括韩国泰光产业和台塑以及旭化成分别能达到丙烯腈年产25万、20万和20万的产值。这几套大型生产装置的兴建将尽快弥补亚洲丙烯腈需求缺口。2019年邦26万t/a的丙装置投产，供应将大幅增加，下游需求增长速度相对缓慢，将使得烯腈长期赖以的供应明显宽松，丙烯腈可预见的时间内或难以再现2018年的辉煌。1.4丙烯腈的性质1.4.1化学性质丙烯腈作为一种易燃物，在明火或者高温情况下都有可能燃烧后还会产生有毒有害气体。丙烯腈可与胺类，溴类发生化学反应也能与强酸强碱以及氧化剂发生化学反应，且反应现象剧烈。丙烯腈在高温下释放聚合热，可使容器破裂[4]。1.4.2物理性质无体，有味。表1.4丙烯腈主要物理性质分子量53.06闪点-5℃熔点-83.6℃沸点77.3℃相对密度0.81临界压力3.5MPa饱和蒸汽压13.33KPa临界温度263℃燃烧热1757.7KJ/mol引燃温度480℃

2工艺流程介绍2.1生产方法简述丙烯氨烯腈主工艺路线，即Sohio法、Snam法、Distiners-Ugine法、MontedisonUOP和O.S.W法，上述五种线的化学全相同，丙烯、氨和空化剂腈，其中Sohio法和Montedison-UOP法化床反应器，其采用固器。相比较而言，Sohio法有先进性，Snam法和Distillers-Ugine法丙耗定额比较高，而反应器产能力于流应器，不大生产能力，而床反应温度难对操作进行改进，在面对这样的情况下，全球近九成厂商主要应用Sohio法，中国厂商也使用Sohio技术[5]。本设计依据丙烯胺氧化的方法，对丙烯经进行制取。以下是主要反应的方程式C3H6+NH3+3/2O2CH2=CHCN+3H2O反应热（-△Hr）298=586.5kJ/molAN对发生的副反应也进行列举如下：(1)生成氢化氰（HCN）C3H6+3NH3+3O23HCN+6H20（-△Hr）298=315.1kJ/molHCN(2)生成丙烯醛（ACL）C3H6+O2CH2=CH-CHO+H2O（-△Hr）298=353.1kJ/molACN(3)生成乙腈（ACN）C3H6+3/2NH3+3/2O23/2CH3CN+3H2O（-△Hr）298=362.3kJ/molACN(4)生成CO2和H2OC3H6+9/2O23CO2+3H2O（-△Hr）298=641kJ/molCO22.2工艺流程说明为对丙烯腈生产进行优化，在原有的生产工艺和流程上结合现有的一些生产装置进行了改进。由于10万吨丙烯腈数量较大需在生产装置的设计中考虑对热量平衡进行优化，以对投入的热能进行充分的利用达到可持续发展的生产工业理念，减少能源耗费，降低对自然环境的不利污染。具体的生产工艺图如下。反应器混合器空气加热器空气反应器混合器空气加热器氨气过热器氨气过热器氨蒸发器液氨氨蒸发器废热炉丙烯过热器丙烯蒸发器液态丙烯废热炉丙烯过热器丙烯蒸发器图2.1丙烯腈生产简图液态液态氨分别经发器和氨气化，然后烯过热器和器过热到需要的温度后器；经空气先通过塔增湿，再经预热至进入混合器。口的高经废热收热量，到230℃左右进入塔，在70～80℃下用应器出口气应的氨，中和塔含硫酸铵的酸液却器。该混合溶液在处理掉吸收热之后还可进行循环利用，重新升至塔顶获取一定数额的新鲜酸液。这是该溶液将排出部分废液，其主要成分是硫酸铵。换热器将冷却中和他所排放的气体，并以5到10℃的纯水对丙烯腈以及其他化学反应中所生成的副产品进行吸收处理。在经过以上操作后，浓度约为1.8%的丙烯腈水溶液将在塔底生成。生成后的水溶液将经过换热器，以升高温度进行精制工段[6]。2.3工艺条件2.3.1反应温度反烯氨氧化腈的重要参数，它响反，也应选择性。一般，在623K以下，化反应发生，要收率的丙烯腈，必高的反。查丙烯在P-Mo-Bi-O/SiO2催化剂反应温度对主、物收率的影响，随着度的升高率提高。反应的最大值将在733K左右达到，副产物的最大值690K左右达到。因而选取适宜的反应温度显得极为重要，需要确保获取最大的丙烯腈生产率，同时也要兼顾副产物的生产率。当温度超过一定限值时，可能会发生串联反应对丙烯腈和副产物的生成都产生负面影响，在一定程度上也会降低催化剂的活性。2.3.2反应压力对于丙烯胺氧化反应而言，其主反应和副反应的平衡常数，都具有较大的数值，因而可以视为不可逆反应。但这并不意味着反应压力不会对化学反应产生影响。在动力学上依据相关的方程，可知丙烯的分压越大，反应的速度也就越大。在该反应中增大对于丙烯的分压将促进反应的进行。且分压越大，对于生产能力的促进效果也就越大。但加压导致反应速度增加的同时，也使得温度难以控制，也会导致催化剂活性的降低，从这个方面来看加压，就会使丙烯腈的生成率降低。综合而言，对于反应器中压力的考量，应当主要基于后续设备的需求，在诸多的生产活动实践中发现55KPa左右最为适宜。呈现在流化床反应器,为0.049~0.059MPa(表压)2.3.3接触时间接触时间反映的是原料气与催化剂接触的时间长短反应，在这个化学反应中则是原料气位于催化剂床层中的时间。接触时间对于反应的影响，需要就主反应和副反应分开进行讨论。对主反映而言，接触时间的增长将会促进丙烯腈的生成，有利于提高丙烯腈的单程生产率。但对于副反应而言，接触时间的增长并不有利于副反应的正向移动，并不会对副反应产生影响。那么综合来看，适当的增长接触时间是有利于丙烯转化率提高的。但是过分强调接触时间增长会使得丙烯被深度氧化，反而降低了丙烯腈的生产率。而且在化学工业的生产中时间也是极为重要的考量因素过度强调，结束时间不利于化学工业生产也降低了反应器的产能效率。接触时间的长短还需要根据选取的反应温度和催化剂种类进行，综合性考量。温度越高，催化剂活性越好，那么就可以选择较短的接触时间，温度越低，催化剂并不具有高效性时，应该适当的增长接触时间来确保反应的进行。一般在工业生产中会选取5到10秒作为反应的接触时间。2.3.4原料纯度该反应的原料主要是丙烯，丙烯的产生方式是烃类进行催化裂解进行获取。丙烯在化学工业中作为一种产物，通常情况下具有较高的纯度，但仍然会存有部分丙烷和碳二、碳四这样的杂质。在此类杂质中，丙烷作为一种烷烃类，化学物质并不会参与氧化的化学反应，但是此类杂志中的丁烯将会在该主反应的化学环境下发生氧化反应，这会使得氧气含量降低，从而使得催化剂活性降低，使得反应速率降低。为确保原料纯度不会影响化学反应的正常进行，不会影响化学工业的制取过程，将会对原料空气进行一系列的除尘和净化处理后再进行使用[7]。

3物料衡算和热量衡算3.1小时生产能力本次设计产量较大，采用双塔并联生产，以下计算只计算单塔。根据每一年有300个工作日、6%的设计裕量值以及值为3.1%的丙烯腈损失比例来进行分析，则单位时间内的丙烯腈产量如下:3.2物料衡算和热量衡算3.2.1反应器的物料衡算和热量衡算计算依据a.丙烯腈产量15178.611kg/h，即286.065kmol/hb.具体的原料成分（采用摩尔比来表达）其中的C3H8和C3H6分别为15%及85%；c.入到反应器之中的原料具有下述比例：C3H6:NH3:O2:H2O＝1:1.05:23:3表3.1各产物的收率物质丙烯腈（AN）氰化氢（HCN）乙腈（ACN）丙烯醛（ACL）摩尔收率0.60.0650.070.0070.12d.其具体的操作压力为：出口及进口分别为0.162兆帕及0.203兆帕,e.对于进口气以及出气口的气体温度分别为110摄氏度及360摄氏度，以及470摄氏度的反应温度；（2）物料衡算a.在进口区域的原料气里不同组分所具有的实际流量计算为：C3H6286.065/0.6=476.775kmol/h=20062.692kg/hC3H8(476.775/0.85)×0.15=84.137kmol/h=3710.442kg/hNH3476.775×1.05=500.614kmol/h=8525.456kg/hO2476.775×2.3=1096.583kmol/h=35090.640kg/hH2O476.775×3=1430.325kmol/h=25774.457kg/hN2（1096.583/0.21）×0.79=4125.241kmol/h=115547.995kg/hb.反应器出口混合气中各组分的流量丙烯腈(AN)286.065kmol/h=15178.611kg/h乙腈(ACN)3/2×476.775×0.07=25.06kmol/h=1027kg/h丙烯醛(ACL)476.775×0.007=1.67kmol/h=93.5kg/hCO23×476.775×0.12=85.91kmol/h=3780kg/hHCN3×476.775×0.065=46.54kmol/h=1257kg/hC3H884.137kmol/h=1853kg/hN22065kmol/h=115547.995kg/hO21096.583-（3/2）×286.065-46.54-1.67-25.06-9/（3×2）×85.91=132kmol/h=4224kg/hC3H6476.775-（1/3）×46.54-1.67-（2/3）×25.06-286.065-（1/3）×85.91=32.93kmol/h=1383kg/hNH3500.614-286.065-25.06-46.54=35.8kmol/h=608.6kg/hH2O1430.325+3×286.065+2×25.06+2×46.54+85.91+1.67=1375kmol/h=24750kg/hc.反应器物料平衡表表3.2流量和组成组分反应器进口反应器出口kmol/hkg/h%(mol)%(wt)kmol/hkg/h%(mol)%(wt)C3H6476.77520062.6926.1819.632.9313830.8271.325C3H884.13718531.0911.77584.13718531.061.775NH3500.6144259.76.494.0835.8608.60.8980.583O21096.58335090.64014.2216.8213242243.3124.046N22065115547.99554.3855.382065115547.99557.8255.4H2O1430.32525774.45718.5412.3413752475034.4923.71AN0000286.06575903.5947.271ACN000025.0610270.62890.9843HCN000046.5412581.1681.231ACL00001.6793.50.0420.0896CO2000085.9137802.5163.622合计38611044001001003985104390100100（3）热量衡算表3.3各物质0~t℃的平均定压比热容[8]物质C3H6C3H8NH3O2N2H2OANHCNACNACLCO2Cp/[kJ/(kgK)]0~110OC1.8412.052.3010.9411.0461.8830~360OC2.6783.0132.6361.0041.0882.0081.8741.6401.91331.9661.1300~470OC2.9293.3472.9391.0461.1092.0922.0921.7242.102.1721.213蒸汽量和热负荷的计算，关于浓相段热衡算，具体为：此处设存在该热力学过程：470°C，浓相段出口混合气110470°C，浓相段出口混合气110°C，反应器入口混合气△H△H1△H3△H1△H3△H225△H225°C，反应器入口混合气25°C，浓相段出口混合气图3.1浓相段的热力学途径通过0摄氏度～t摄氏度范围中的比热容均值来替代不同物质在25摄氏度～t摄氏度范围内的比热容均值，具有较小的误差，所以，如果热损失值为5%*ΔH，那么从浓相段设备里取出来的热量可如此进行计算：Q=(1-0.05)×8.883×107=8.439×107kJ/h（3-1）浓相段换热装置产生0.405Mpa的饱和蒸汽（饱和温度143℃），143℃饱和蒸汽焓isteam=2736kJ/kg143℃饱和水焓[9]iH2O=601.2kJ/kg∴产生的蒸汽量=b.稀相段蒸汽量和热负荷的计算，关于稀相段热衡算，具体为：衡算的相关基准采用温度为0摄氏度的气体如果气体进到该段中，则所带尽量的热量如下:离开稀相段的气体带出的热为:若热损失为4%，则稀相段换热装置的热负荷为:（3-2）该装置所形成的饱和蒸汽为0.405兆帕，相应的蒸汽量计算如下：3.2.2废热锅炉的热量衡算（1）该计算所采用的主要参考依据a.出口及入口的气体其具体组成和反应器出口的成分是一致的b.对于入口，该处的气体具有0.162兆帕的压力以及360摄氏度的温度c.对于出口，该处的气体具有0.152兆帕的压力以及180摄氏度的温度d.在锅炉的有水一侧所形成的饱和蒸汽压值为0.405兆帕（2）进行热衡算具体如下衡算所用的基准是温度为0摄氏度的气体表3.4各物质在0～180℃的平均比热容物质C3H6C3H8NH3O2N2H2OANHCNACNACLCO2Cp/[kJ/(kg·K)]2.0712.3432.4060.9621.0541.9251.5521.4851.6071.5861.004入口气体带入热（等于反应器稀相段气体带出热）出口气体带走热:热衡算求需要取出的热量Q按热损失10%计，需取出的热量为:（3-3）产生蒸汽量产生0.405Mpa饱和蒸汽的量为:（3-4）3.2.3空气饱和塔物料衡算和热量衡算（1）该计算过程所采用的主要依据a.出塔以及入塔的空气其具体压力分别为0.243兆帕及0.263兆帕b.在空压机的入口区域，具有80%的相对湿度值以及30摄氏度的温度值，对于其出口，则是170摄氏度c.在其饱和塔中，气体及液体之间的比值等于152.4，具有值为0.81的饱和度d.采用105摄氏度的乙腈解吸液作为所用的喷淋液，具体为：表3.5喷淋液的组成物质ANACN氰醇ACLH2O合计%（wt）0.0050.0080.00050.000299.986100e.塔顶出口湿空气的成分和量按反应器入口气体的要求为:O21096.583kmol/h即35090.640kg/hN22065kmol/h即115547.995kg/hH2O1430.325kmol/h即12886kg/h(2)物料衡算a.进塔空气量进塔干空气量:（1096.583+2065）=2614kmol/h=75380kg/h经过查询得，在80%的相对湿度以及30摄氏度的情况下，对应于0.022水气/公斤空气的湿含量值，所以，进入塔内的相关空气其所带水气计算如下:0.022×75380=1658kg/hb.进塔热水量具有152.4的液比，那么进入塔内的相关喷淋液量计算如下:105摄氏度喷淋液具有958千克/米3的密度值,则进塔水所具有的实际质量流量值计算如下:247.9×958=237500kg/hc.出塔湿空气量和反应器入口区域的气体相比，出塔气体所含有的氧气、氮气以及水蒸汽的量是相等的，所以O21096.583kmol/h即35090.640kg/hN22065kmol/h即115547.995kg/hH2O1430.325kmol/h即12886kg/hd.出塔液量塔内水蒸发量=12886—1658=11226kg/h∴塔液流量=237500—11226=226274kg/h表3.6饱和塔物料衡算成分入塔气出塔气入塔喷淋液塔釜排出液kmol/h%(mol)%(wt)kmol/h%(mol)%(wt)kg/h%(wt)kg/h%(wt)O21096.58320.2822.801096.58316.4819.90000N2206576.3175.05206562.0165.50000H2O92.113.412.151430.32521.5114.62374699.9864525499.985AN00000011.880.0052.3750.00525ACN000000190.0083.8000.0084氰醇00000011.90.00050.2380.00053ACL0000000.4750.00020.0950.00021总计541.08100100665.821001002375010045261100(3)热衡算a.计算空气饱和塔中的出口部位上气体的实际温度值：根据物料平衡表中的数据可查得，该部分的气体具有值为21.5%的蒸汽百分比，我们参考分压定律可知，其中的蒸汽所具有的分压[10]计算如下（3-5）因饱和度为0.81，所以饱和蒸汽分压应为：0.05655/0.81=0.0698Mpa=69800Pa进行饱和蒸汽表进行查询，可知其具有90摄氏度的饱和温度值，所以，要对出塔气体进行严格的控制，使其温度保持90摄氏度，由此达到所需的蒸汽量b．确定入塔热水的具体温度值105摄氏度c.根据热衡算来获得热水的温度值t热衡算的相关基准为：0摄氏度的水及空气（a）进塔空气（170摄氏度）所带入的热量（即Q1）的求算该温度的蒸汽焓等于2773.3千焦/千克,而干的空气在从0摄氏度到170摄氏度温度范围内的比热容均值为（b）出塔湿空气量带出热量Q290℃蒸汽焓2660kJ/kg,,空气比热容取1.044kJ/(kg·K)（c）105℃入塔喷淋液带入热量Q3(d)求出塔热水温度t出塔热水带出的热量用Q4表示，则（3-6）按热损失5%计，则热平衡方程:Q1+Q3=Q2+Q4+Q（3-7）代入数据：（3-8）由此有t=79摄氏度3.2.4换热器物料衡算和热量衡算换热器换热器AN溶液去精制AN溶液来自水吸收塔气体来自氨中和塔气液混合物去水吸收塔76°C40°C图3.2换热器的物料图(1)计算依据对于进口气体，其温度为76摄氏度，相较于塔出口区域的气体，其流量是相同的；对于出口气体，其具有40摄氏度的温度以及115.5千帕的操作压力。(2)物料衡算[11]对于出口气体，其具有40摄氏度的温度，而该文档的饱和蒸汽压计算如下:PoH2O=55.32mmHg=7.375kPa 此处可设处于出口的气体里蒸汽为x千摩尔/小时，那么参考分压定律可知：（3-9）解得x=18.25kmol/h=328.5kg/h∴蒸汽的冷凝量为164.5-328.5=1636kg/h组分入口气体出口气体冷凝水kmol/hkg/h%(mol)%(wt)kmol/hkg/h%(mol)%(wt)kg/h%(wt)C3H632.9313830.8981.40232.9313830.8981.402C3H884.13718531.1481.87784.13718531.1481.877O213242243.604.28213242243.604.282N220655781456.3158.5820655781456.3158.58H2O10911964529.8019.93182.332806.3013.81116360100AN143.1775883.9047.692143.175883.9047.692ACN2510250.681.042510250.681.04HCN46.5612571.2691.27346.5612571.2691.273ACL1.6793.50.0450.09461.6793.50.0450.0946CO285.9137802.3423.8385.9137802.3423.83合计36659866010010027578230010010016360100表3.7换热气体壳方的物料平衡(3)热量衡算a.换热器入口气体带入热:Q1=9.46×106kJ/hb.蒸汽冷凝放热Q2c.冷凝液带出热Q3出口气体带出热Q4组分C3H6C3H8O2N2H2OANHCNACNACLCO261.9272.3829.4629.2936.7563.3562.7652.0965.6138.66表3.8出口气体各组分在0~40℃的平均比热容e.热衡算求换热器的热负荷热平衡方程：（3-10）带入数据得：(3-11)Q5=4.229×107kJ/h3.2.5丙烯蒸发器热量衡算（1）计算依据采用-2摄氏度的出口温度，以0摄氏度冷盐水作为其加热剂，以及0.405兆帕大小的蒸发压力；2004.2千克/小时的丙烯蒸发量（2）有关资料a.在0.405兆帕条件下丙烯具有410千焦/千克的汽化热，其沸点等于-13摄氏度，b.在0.405兆帕条件下丙烯具有376.6千焦/千克的汽化热，其沸点等于-5摄氏度，（3）对秋丙烯蒸发器中相关的冷冻盐水量以及热负荷进行热衡算，具体情况如下：a.丙烯进行蒸发的时候，所吸热量Q1为b.丙烷蒸发吸收的热Q2c.丙烯蒸发器的热负荷Q冷损失按10%考虑d.冷冻盐水用量在-1摄氏度的均温条件之下，所用的冷冻盐水将有3.47千焦/(千克.开)的比热容冷冻盐水用量为:3.2.6丙烯过热器热量衡算（1）计算过后所用的相关依据为：加热剂是0.405兆帕的蒸汽，65摄氏度的出口温度，以及-13摄氏度进口温度。（2）对其加热蒸汽量以及相关的热负荷进行热衡算，具体为：丙烷气以及丙烯气所对应的比热容大小分别是1.715及1.464千焦/(千克.开)，具有10%的热损失值，则要加热蒸汽提供的热量为:加热蒸汽量为:其中的2138千焦/千克为蒸汽（0.405兆帕）所具有的冷凝热的值3.2.7氨蒸发器热量衡算（1）计算依据a.0.405兆帕的蒸发压力。b.2138千焦/小时的冷凝热，以0.405兆帕的饱和蒸汽作为加热剂（2）查得在0.405兆帕的条件下，氨具有-7摄氏度的蒸发温度值，以及1276千焦/千克大小的汽化热（3）对其加热蒸汽量的大小以及热负荷进行热衡算，采用的是10%的冷损失，则其热负荷Q表达如下：加热蒸汽量:3.2.8气氨过热器（1）计算依据a.其出口及进口的温度值分别为65摄氏度及-7摄氏度b.其加热剂为0.405兆帕的蒸汽。c.采用851.87千克/小时的气氨流量（2）对它的加热蒸汽量以及相关的热负荷进行热衡算，氨气具有2.218千焦/(千克.开)的比热容，采用10%的冷损失。气氨过热器的热负荷为加热蒸汽用量为:3.2.9混合器（1）所用的计算依据如下：851.87千克/小时的流量，65摄氏度的进口温度丙烯气：2004.2千克/小时的流量以及65摄氏度的进口温度；丙烷气：370.5千克/小时的流量以及65摄氏度的进口温度，以及110摄氏度的出口温度（混合气）。（2）对进口区域的湿空气所对应的温度值t进行热衡算，所用的热衡算基准是0摄氏度。表3.9C3H6,C3H8,NH3,在0~65℃的平均比热容物质kJ/(kg.K)1.5691.822.197气态丙烯丙烷带入热Q1气氨带入热Q2混合器出口气体带出热对进口区域的湿空气所对应的温度值t进行热衡算，采用10%的热损失，具体为：热衡算方程：（3-12）代入数据得:解得:t=136℃3.2.10空气加热器的热量衡算（1）计算依据a.出口以及入口的空气，其温度分别为60摄氏度及90摄氏度。表3.10空气的流量和组成组分O2N2H2O合计kg/h3512.3211561.42576.8817650.6b.对其加热蒸汽量以及相关的热负荷分别进行热衡算，氮气,氧气以及蒸汽在从90摄氏度到136摄氏度的温度区间内，其比热容均值等于：1.046KJ/(kg.K)1.84KJ/(kg.K),1.925KJ/(kg.K)。热损失按10%考虑，空气加热器的热负荷为:加热剂为0.608兆帕的蒸汽，具有2066千焦/千克的冷凝热以及164.2摄氏度的饱和温度值，则计算加热蒸汽的量如下:

4流化床反应器的工艺计算4.1计算依据a.入口以及出口的气体流量值分别为3861及3985千摩尔/小时h。b.出口以及进口的压力分别为0.162兆帕和0.203兆帕。c.气体离开稀相段时以及反应时的温度值分别为360摄氏度及470摄氏度。d.水冷却剂形成饱和蒸汽压力为0.405兆帕。e.对应于10秒钟的接触时间。4.2浓相段直径由于在反应时物质的总量增大，所以以出口来进行塔径的计算会相对可靠则出口的气体流量计算如下:取空床线速[12]0.8m/s浓相段直径为:则浓相段的相关直径取4米。4.3浓相段高度根据10秒钟的接触时间长度，则催化剂所对应的堆体积计算如下:静床高:m取浓相段高15m。校核[13]:催化剂的堆密度为催化剂质量W=674×640=431360kg=431.4t∴催化剂负荷为:试验装置的催化剂负荷可达到，当前工作所得值比试验值更低，所以判断其为可靠。4.4扩大段(此处即稀相段)直径该处的气速取操作气速的1/2，则u值为0.3米/秒气体流量:扩大段直径为:取6m。4.5扩大段高度根据流化床直径4m，空塔气速0.6m/s.查图[14]H1/D=2∴稀相段高度:4.6浓相段冷却装置的换热面积采用了套管式的换热装置，具有233瓦/(米2·开)的传热系数值利用热衡算来获得换热器相应的热负荷值，具体则有Q=80439×106kJ/h=2.344×106J/s换热面积为:设计裕量为30%，那么换热面积的大小等于400米。4.7稀相段冷却装置的换热面积换热装置选择了套管式的类型，冷却剂采用水，形成的蒸汽压力为0.405兆帕蒸汽。具有20瓦/(米2·开)的总传热系数值，则计算热负荷如下:Q=1.877×106kJ/h=5.214×105J/s又换热面积为: 取30%设计裕量[15]，那么具有1300米2的换热面积

5原料消耗综合表5.1原料消耗表5.1丙烯腈合成工段原料消耗综合表序号物料名称成分单位每吨产品的消耗量每小时的消耗量工业纯度每昼夜的消耗量工业纯度每年的消耗量工业纯度备注100%工业纯度1丙烯85%t1.331.5652.37557171002氨100%t0.56130.56130.85220.4486134.43硫酸93%t0.23610.25390.38549.24962774.884原料水(软水)100%t9.5159.51514.442346.61039805.2能量消耗综合表（1）蒸汽（0.405兆帕）的产生量a.对于浓相段，为39530千克/小时b.对于稀相段，为8790千克/小时c.对于废热锅炉，则为1217千克/小时（2）加热蒸汽（0.405兆帕）的消耗量a.对于丙烯过热器而言，其值为716千克/小时b.对于氨蒸发器而言，其值为2800千克/小时c.对于氨过热器而言，其值为350千克/小时（3）0.608MPa加热蒸汽消耗量空气加热器2880kg/h（4）循环水的实际用量a.对于循环冷却器，其值为1886.5千克/小时b.对于第1冷却器，其值为2148.8吨/小时c.对于空气压缩机，，其值为96吨/小时（5）深水井 对于第2冷却器，其值为1962吨/小时（6）冷冻盐水a.0℃冷冻盐水761.22吨/小时b.-5℃冷冻盐水，其值为945.66吨/小时所以获得一系列的用量数值，包括冷冻盐水、深井水、循环水以及热蒸汽等，对于前者，需乘上1.2的系数，对于其它的数据则需乘上1.3，由此就可构建出具体的能耗表。表5.2丙烯腈合成工段能量消耗综合表序号名称单位规格每吨产品的消耗量每小时的消耗量每昼夜的消耗量每年的消耗量备注1234567深井水循环水加热蒸汽加热蒸汽冷冻盐水冷冻盐水产生蒸汽量ttttttt0.405MPa0.608MPa0℃-5℃0.405MPa3366920.6590.501118.6151.57.9722550525053.8900115060.56120012600012091.2216002760014521836000037800000360002736064800008280000435600

6丙烯腈生产中的废水和废气处理当生成制造丙烯腈的时候，将会形成数量较多的污水，其中又包含了较多的有毒物，如丙烯醛、丙烯腈、乙腈以及氢氰酸等，若未能得到有效的处理，将对水源造成一定的污染，危害人类及各类生物的健康。所以，国家对含氰废水排放方面制定了国家级的规定，只有符合相关的标准才可以进行废水的排放。因为生成丙烯腈的相关设备所排污水具有不同的成分，则需要单独地进行处理。对于氨中和塔所形成的硫酸铵废水，需要采用废水塔来进行丙烯腈等的有效回收，然后进行沉降分离的处理，从而将一些粉末物质去除掉，因为该类污水中存在比较多的杂志及有毒物，所以较难有效处理，所以应该采用焚烧炉来进行全部焚烧。在该过程中，将选择以中压蒸气来进行雾化处理，保持800到1000摄氏度的炉温。由于在污水里有一定量的硫酸铵，在进行了燃烧之后将会变为二氧化硫，所以需通过烟囱（高度为60米）来将其排到大气之中，以避免出现二次污染的现象，需要确保有不超过0.5ppm的SO2含量[16]。如果有比较大的废水量，且有相对比较低的氰化物含量，则可通过生化的工艺来进行有效处理，用得最多的即为所谓的曝气池活性污泥处理方法。将已经均匀混合的废水放入到曝气池之中，利用通气管来进行供气。再进行了曝气之后，将会进到沉淀池之中，处理过的水作为所需上清液，将氯气加入以进行杀菌，再将其排出来。其中的一些沉淀污泥将会被排放到系统之外，其它的污泥则将会回到曝气池之中以备后续使用。所谓的活性污泥实际上包括了微生物群以及