年产3.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计课程设计

年产3.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计年级专业化学工程与工艺学号姓名指导教师设计成绩完成日期年月曰

课程设计》成绩评定栏评定基元评审要素评审内涵分值评分签名栏设计说明，40%格式规范内容完整格式是否规范8评阅教师签名内容是否完整8工艺计算正确、完整和规范物料恒算8热量衡算8设备设计和选型8设计图纸，30%图纸规范标注清晰方案流程图7评阅教师签名工艺物料流程图8带控制点的工艺流程图15答辩成绩20%仪态自然语言流畅语言流畅10答辩老师签名答题正确10平时成绩，10%上课出勤上课出勤考核5指导教师签名制图出勤制图出勤考核5合计100

化工工艺设计

课程设计任务书学号学生姓名专业（班级）设计题目年产3.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计设计技术参数1•生产能力：35000吨/年2•原料：丙烯85%，丙烷15%（摩尔分率）；液氨100%3.产品：1.8%（wt）丙烯腈水溶液4•生产方法：丙烯氨氧化法5.丙烯腈损失率：3%6•设计裕量：6%7•年操作日：300天设计要求1•确定设计方案，并画出流程框图（要求见4（1））；2•物料衡算，热量衡算3•主要设备的工艺设计计算4•绘图要求：（1）流程框图（CAD或者PPT绘，截图在方案设计中）；（2）方案流程图（CAD或手绘，A3图纸）；（3）工艺物料流程图（带物料表，CAD或手绘，A3图纸）；（4）制带控制点的工艺流程图（CAD或手绘，A3图纸）；5•编写设计说明书工作量1•设计计算：1.5周2•工艺流程图与设计说明书：1周3•答辩：0.5周工作计划第一周：物料衡算、热量衡算及主要设备的工艺设计计算第二周：画图，撰写设计说明书，第三周：答辩参考资料《化工工艺设计手册》第四版（上下册），中国石化集团上海工程有限公司编，化学工业出版社，2009年《化学化工物性参数手册》，青岛化工学院等编，化学工业出版社，2002年目录TOC\o"1-5"\h\z年产3.5万吨丙烯腈合成工段工艺设计1第一部分概述11.1丙烯腈的性质1丙烯月青的物理性质11.1.2丙烯腈的化学性质及应用21.2丙烯腈的生产技术的发展31.2.1国外的发展情况31.2.2国内发展概况41.3丙烯腈生产工艺研究进展51.4丙烯氨氧化的原理61.4.1化学反应61.4.2催化剂7第二部分生产方案选择8第三部分工艺流程设计83.1丙烯月青工艺流程示意图83.2小时生产能力9第四部分物料衡算和热量衡算104.1反应器的物料衡算和热量衡算104.1.1计算依据104.1.2物料衡算104.1.3热量衡算124.2空气饱和塔的物料衡算和热量衡算144.2.1计算依据144.2.2物料衡算144.2.3热量衡算154.3氨中和塔物料衡算和热量衡算164.3.1计算依据164.3.2物料衡算174.3.3热量衡算184.4换热器物料衡算和热量衡算214.4.1计算依据214.4.2物料衡算214.4.3热量衡算224.5水吸收塔物料衡算和热量衡算234.5.1计算依据234.5.2物料衡算234.5.3热量衡算264.6空气水饱和塔釜液槽274.6.1计算依据274.6.2物料衡算284.6.3热量衡算28丙烯蒸发器热量衡算29计算依据29有关数据29热衡算求丙烯蒸发器的热负荷和冷冻盐水用量29丙烯过热器热量衡算30计算依据30热量衡算求丙烯过热器热负荷和加热蒸汽量30氨蒸发器热量衡算30计算依据30有关数据30热衡算求氨蒸发器的热负荷和加热蒸汽用量31氨气过热器31计算依据31热衡算求气氨过热器的热负荷和加热蒸汽用量31混合器31计算依据314.11.2热衡算求进口温空气的温度t32空气加热器的热量衡算32计算依据32热衡算求空气加热器的热负荷和加热蒸汽量33第五部分主要设备的工艺计算33合成反应器33计算依据33浓相段直径33浓相段高度345.1.4扩大段（此处即稀相段）直径34扩大段高度355.1.6浓相段冷却装置的换热面积355.1.7稀相段冷却装置的换热面积36空气饱和塔36计算依据36塔径的确定37填料高度39水吸收塔39计算依据39塔径的确定40填料高度415.4丙烯蒸发器43计算依据43丙烯蒸发器换热面积43循环冷却器45计算依据45计算换热面积45氨蒸发器48计算依据48计算换热面积48氨气过热器49计算依据49计算换热面积49丙烯过热器50计算依据50计算换热面积50空气加热器51计算依据51计算换热面积51循环液泵53空气压缩机53中和液贮槽53第五部分课程设计心得55第六部分附录56参考文献56附图57#500.169002.88塔顶喷淋液量160703.05kg/h，温度105°C塔底排出液量152858.73kg/h，温度78.11C塔底压力O.263MPa,塔顶压力O.243MPa入塔气温度170C，出塔气温度90C填料用①50X50X4.5陶瓷拉西环(乱堆)塔径的确定根据拉西环的泛点速度计算公式lg(a)卩0.2L二0.022-1/81.75A)式中：3f—泛点空塔气速，m/sg重力加速度，9.81m/s2—干填料因子，m-183p、p气相和液相密度，kg/m3GLL、G气相和液相流量，kg/h卩「_液体粘度，mPa•s(cP)①50x50瓷拉西环的干填料因子为177m-i(1)塔顶处61664.59p=—G273+900.10132326.16x22.4xx2730.243=2.135kg/m3p二958kg/m3L%二0.282mPa-sL二160703.05kg/hG=61664.59kg/h代入式(A)有:

lg9.81(2135\x177x-——0.2820.2(958丿0.022-、”(160703.05)1/41.lg9.81(2135\x177x-——0.2820.2(958丿0.022-、”(160703.05)1/41.75、61664.59丿'2.135]1/8、958丿解得①二1.76m/sF泛点率取75%，则气体空塔速度为①=1.76x0.75=1.32m/s出塔操作条件下的气量：=2326.16x22.4x273+90x2730.10130.243=28882.5m3/h=8.02m3/s塔径应为：D（2）塔底处:8.02\0.785x1.322.78m53820.271890.36x22.4x273+170x2730.10130.263二2.034kg/m3p二975kg/m3Lp=0.38mPa-sLL二152858.73kg/hG二53820.27kg/h代入式(A)有：lr®Ff2.034)0lgl—x177x0.380.2I9.81J975丿0.022-1.75152858.73)1/4f2.034)1/853820.27丿(975解得①二1.738m/sF泛点率取75%，则气体空塔速度为①=1.738x0.75=1.304m/s入塔操作条件下的气量：0.10130.263=1890.36x22.4x273+1700.10130.263273=26465.94m3/h=7.35m3/s塔径应为：I7.35\'0.785x1.304二2.68m取塔径为2.8m填料高度空气水饱和塔的填料高度确定须考虑两方面的要求:①使出塔气体中蒸汽含量达到要求②使塔顶喷淋液中的ACN等在塔内脱吸以使出塔釜液中ACN等的含量尽量低，以减少污水处理负荷并回收ACN等副产物按工厂实践经验，取填料高度11m水吸收塔计算依据（1）进塔气体流量和组成表5-5进塔气体流量和组成分C3H6C3H8H2O02N2ANACNHCNACLCO2合计流量23.029.4122.792.21442.510017.5032.511.1760.01921kmol/hkg/h9661293.62208.62950.4403905300717.5877.7765.52264057409.42）出塔气体流量和组成表5-6出塔气体流量和组成组分C3H6C3H8H2O。2N2CO2AN合计流量23.029.419.5592.21442.560.0少量1666.7Kmol/hkg/h9661293.6351.952950.4403902640少量48592随入塔气进入的凝水11532.06kg/h

塔顶喷淋液量271806.68kg/h,含AN0.005%(wt)，温度5°C塔底排出液量294853.33kg/h，温度15.32C塔底压力112kPa,塔顶压力lOlkPa入塔气温度40C，出塔气温度10C出塔气体中AN含量不大于0.055%(wt)填料用250Y型塑料孔板波纹填料塔径的确定塑料孔板渡纹填料的泛点气速计算公式为:lgo2(algo2(a)F1—亿I卩0.2g乜3丿lpl丿L(L)1/40.291-1.563-\G丿1/8A)式中式中：®f—泛点空塔气速，m/sg重力加速度，9.81m/s2冷冷干填料因子，m-1a=240m2/m3e=0.97DD、p气相和液相密度，kg/m3GLL、G气相和液相流量，kg/h%—液体粘度，mPa•s(cP)按塔底情况计算3F57409.41921x22.4x57409.41921x22.4x273+40273101.3112=1.29kg/m3p二997kgp二997kg/m3LU二1.154mPa-sLL=271806.68kg/hG=57409.4kg/h把数据代人(A)式lgo2(240—lgo2(240—9.81(0.973(朋11540.2I997丿(0.291-1.563271806.6857409.4]1/4(1.29]1/8解得①=2.33m/sF空塔气速为(泛点率取70%)①=2.33x0.7=1.63m/s气体在操作条件下的流量为273+401013V=1921x22.4xx=44621.94m3/h=12.39m3/s273112■'-12.39\'0.785x1.63■'-12.39\'0.785x1.63二3.11mD取塔径为3.2m填料高度271806.68/999.8液体的喷淋密度U=.一1——二=33.82m3/(m2•h)0.785x3.22塑料孔板液纹填料250Y的液相传质单元高度HOl当U二20m3/(m2•h)时，25°C下的HOL为0.187mU二40m3/(m2•h)时，25C下的HOL为0.225m内插得到U二33.82m3/(m2・h)时,25C下的HOL为0.213m又(H)二(H)i•e0.0234(t-25)OL25°COLHOL0.206/e0.0234(10.16-25)二0.292m液相传质单元数计算式如下NOLX-X1—(X*-X)-(X*-X)1122—X*-X

lg11X*-X22①塔底100X=116145—100=0.00623E1=810kPa所以：P=112kPa②塔顶X*10.052x1128100.00720.00721-0.0072=0.007240.005/53(100—0.005)/18=1.698x10-5E1=506.6kPaP=101.3kPa出口气体中含有不小于0.055％(wt)，因此所以代入数据求得：Nol=PAN二5・5x10-4x101.3二0.055X*2X*20.055506.6—1.0951.095x10-4-X12—*2x10-4(X*-X)-(X*-X)1122—nX*-Xlg11X*-X220.00623y1.698x10-5\6.00724—0.00623)-095x10-4—1.698x10-5丿0.00724-0.00623lg1.095x10-4-1.698x10-516.19故，填料高度Z=NoLXHoL=16.19X0.292=4.73m取填料高度为7m丙烯蒸发器计算依据丙烯在管外蒸发，蒸发压力0.405MPa,蒸发温度-13°C，管内用0°C的冷冻盐水(17.5%NaOH水溶液)与丙烯换热，冷冻盐水出口温度-2°C丙烯蒸发量1002.3kg/h，冷冻盐水用量532308.23kg/h丙烯蒸发器热负荷Q=3694219.1kJ/h丙烯蒸发器换热面积(1)总传热系数①管内给热系数a1蒸发器内安装①38X3.5的U型钢管80根冷冻盐水平均温度-1°C.此温度下的有关物性数据如下：卩=2.485x10-3kg/(m-s)九=0.545W/(m-K)=0.545J/(m-K-s)Cp=3.473kJ/(kg•K)=3473J/(kg•K)p=1130.8kg/m3冷冻盐水流速为：532308.23jlx=fv=2.17m/sRe=2.485x10-31130.8x3600x80x0.785x0.038-2x0.0035Vf0.038-2x0.0035vx2.17x1130.8Re=2.485x10-3Pr=3473x2.485x10-Pr=0.545=15.80.545所以

廿omdLP"廿omdLP"46X105Re1.8=0.023XX318050.8x15.80.4(1-6X1050.038318051.8=3960.5W/(m2•K)②管外液态丙烯沸腾给热系数取13617.2总传热系数冷冻盐水方污垢热阻取0.264X10-3m2・K/W；丙烯蒸发侧污垢热阻取0.176X10-3m2・K/W；钢管导热系数45W/(m・K)—=1+1+0.0035+0.264X10-3+0.176X10-3K3960.513617.245K=1185.3W/(m2・K)传热平均温差热端温差0—(-13)=13°C，冷端温差-2-(-13)=11°C传热平均温差为AtAt13+11=12°C换热面积热负荷Q=3694219.1kJ/h=1026172J/s换热面积为:1185.3X12取安全系数1.2，则换热面积为87m2

循环冷却器计算依据管内循环液流量193942.26kg/h，进口温度81°C，出口温度70°C管外冷却剂为循环水，进口温度32C，出口温度36C，循环水流量为410384.08kg/h热负荷为Q=6868188.01kJ/h计算换热面积初选GH90-105I型石墨换热器，换热面积为105m2,设备壳体内径D=880mm,内有外径32mm、内径22mm、长3m的石墨管417根。换热管为正三角形排列，相邻两管的中心距t=40mm总传热系数①管内循环液侧的给热系数a平均流体温度t=+70b2=75QC，该温度循环液的物性数据如下卩=0.85x10-3kg/(m-s)九=0.547W/(m•K)=0.547J/(m•K•s)Cp=3.305kJ/(kg•K)=3305J/(kg•K)p=1140kg/m3管内流体的流速为：298m/sRe=0.85x298m/sRe=0.85x10-33305x0.85x10-3Pr=0.547=5.136所以a=0.023-Reo.8Pro.411-6x1051d乂Rei.8丿=0.023x°^47x88010.8X5.136。.4(1-6x105)0.02288011.8=1499.6W/(m2•K)②壳程(循环水侧)的给热系数循环水平均温度(32+36)/2=34°C,34°C水的物性数据为卩二0.7371x10-3kg/(m•s)九二0.621W/(m•K)Pr二5.18p二994kg/m3正三角形排列时，当量直径de的计算公式为eA^3亠兀」4—12—一d2240d=—-e兀d0管外流体的流速根据流体流过的最大截面积S来计算，S的计算公式为S=hD(1-d0/t)已知t=40mm，d0=32mm，h=374mm，D=888mm代人数据得彳屮3丄兀」4——12—一d2240二―0.02316m兀d0S=hD(l-d0/t)=O.374X0.888(1-0.032/0.04)=0.0664m2管外流体的流速为410384.08994x3600x0.0664=1.727m/s所以Redup—e-0.02316x1.727x9940.7371x10-3Re值在2000〜1000000范围内可用下式计算给热系数九J)0-14a二0.36—Reo.55Pro.33——2d削丿eW代入数据得a=0.360.621(53942.62)0.55(5.136)0.33Cig).1420.02316=8350.85W/m2•K总传热系数石墨的导热系数入=38.4W/(m•K),石墨管壁厚5mm,循环冷却水侧污垢热阻0.6X10-3m2・K/W,循环液侧污垢热阻0.2X10-3m2・K/W代入数据求K：1+1X22+0.005X22+0.6X10-3+0.2X10-31499.68350.853238.427K=604.1W/(m2・K)对数平均温差“(81-36)-(70-32)At=m[81-36ln70-32换热面积热负荷Q=6868188.01kJ/h=1907830J/s换热面积为1907830604.11907830604.1x41.4=76.28m2取安全系数1.2则换热面积为92m2,因此，选GH90—105-1型石墨换热器,其换热面积已足够

氨蒸发器计算依据氨蒸发压力0.405MPa,蒸发温度-7°C加热剂为0.405MPa蒸汽，温度143C热负荷4177043.42kJ/h计算换热面积(1)总传热系数蒸汽冷凝时的给热系数取8000W/(m2・K),液氨沸腾的给热系数取2000W/(m2・K),不锈钢导热系数45W/(m・K),管壁厚4mm,两侧污垢热阻取0.2X10-3m2・K/W代人数据求K:8000+2000+0.004+°'2x10-3+°'2x10-3K=898W/(m2・K)(2)平均温度差At二143-(—7)二150°Cm3)换热面积氨蒸发器热负荷Q=4177043.42kJ/h=1160290J/s换热面积为1160290898x1160290898x150=8.61m2取换热面积为9m2氨气过热器计算依据进口气氯温度-7°C.出口气氨温度65°C加热剂为0.405MPa蒸汽，温度143C热负荷Q=522772.04kJ/h计算换热面积(1)总传热系数管壳式换热器用作加热器时，一方为蒸汽冷凝、一方为气体情况下，K值的推荐范围是28〜250W/(m・K),取230W/(m・K)(2)平均温度差冷端温差为143-(-7)=150C，热端温差为143-65=78CAtm110QAtm110QC1150ln—783)换热面积热负荷为Q=522772.04kJ/h=145214.5J/s换热面积为145214.5230145214.5230x110=5.74m2取安全系数1.2，则换热面积为6.9m2，选浮头式热交换器BFT325-4.0-10-3/19-2I型，换热面积10.5m2，符合要求

丙烯过热器计算依据进口气体温度-13°C，出口气体温度65°C加热剂为0.405MPa蒸汽，温度143C热负荷Q=1070028.39kJ/h计算换热面积(1)总传热系数管壳式换热器用作加热器时，一方为蒸汽冷凝、一方为气体情况下，K值的推荐范围是28〜250W/(m・K),取230W/(m・K)(2)平均温度差冷端温差为143-(-7)=150°C，热端温差为143-65=78CAtm110QAtm110QC1150ln—783)换热面积热负荷为Q=1070028.39kJ/h=297230.1J/s换热面积为297230.1230297230.1230x110=11.75m2取安全系数1.2，则换热面积为14.1m2，选浮头式热交换器BFT426-4.0-20-4.5/2.5-2I型，换热面积25.6m2，符合要求空气加热器计算依据(1)空气走管内，加热蒸汽走管间进口气体温度90°C，出口气体温度136°C，气体进口压力0.243MPa,气体的流量和组成如下：表5-7进口气体的流量和组成组分O?N?h2o合计kg/h1756.45781.51288.68826.5kmol/h54.89206.4871.59332.96（3）加热蒸汽为0.608MPa（对应的饱和温度为164.2C）,流量为288.06kg/h4）热负荷Q=595133.74kJ/h=165314.93J/s计算换热面积初选BFT700-1.6-800-3/25-2II浮头式换热器一台，换热器有①25X3.5的管子268根(1)总传热系数管内(空气一侧)的给热系数管内气体的平均温度为(90+136)/2=113C,113C空气的物性数据为卩=2.255x10-5kg/(m-s)九=3.29x10-2W/(m-K)Pr=0.693空气的密度：

8826.5273+113332.96x22.4x0.1013x0.243=2.01kg/m3Re0.1013x0.243=2.01kg/m3Re273+113332.96x22.4x2730.10130.24314.51m/s3600x268x0.785x0.022dUP=002x14.51x2007=25830.44〉100002.255x10-50.023—Reo.8Pro.4二110.63W/m2•Kd管外蒸汽冷凝侧给热系数取a2=8000W/m2•K总传热系数钢导热系数45W/(m・K),空气侧污垢热阻0.4X10-3m2・K/W,蒸汽冷凝侧污垢热阻0.2X10-3m2•K/W1+1+0.0025+0.4X10-3+0.2X10-3110.63800045K=101.83W/(m2・K)(2)对数平均温度差Atm(164.2-90)-(164.2-136)'164.2-90Atm164.2-1363)换热面积165314.93101.83165314.93101.83x47.55二34.14m2安全系数取1.2,则换热面积应为40.97m2，所选换热面积80.4m2,符合要求循环液泵循环液质量流量90271.70kg/h，循环液密度为1140kg/m3.因此循环液的体积流量为193942.26二193942.26二170.12m3/hH二H二AZ+竺pgAZ=15m+工h二AZ+工h

AZ=15m工h=8mf所以，H=23m液柱=23X1.14=26mH2O选用80FVZ-30的耐腐蚀泵三台，正常使用两台，备用一台。80FVZ-0泵的流量为50m3/h，扬程30m。空气压缩机在产品样本上，活塞式空气压缩机的排气量指是后一级排出的空气，换算为第一级进气条件时气体的体积藏量。现第一级进气条件为常压，温度按30°C计，排出气体的摩尔流量为270.6kmol/h，则排气量（换算为第一级进气条件）为273+30Q=270.6x22.4x-=6728m3/h=112m3/min273因工艺要求排出压力为0.263MPa,故选用排气量为55m3/min,排气压力0为0.35MPa的5L-55/3.5型空气压缩机三台，正常操作用两台，备用一台中和液贮槽按停车时中和塔塔板上的吸收液流入贮槽所需要的容积确定贮槽的容积，中和塔塔径1.8m,20块塔板，板上液层高度0.082m，这些液体若全部流入贮槽，总体积为:V=20X0.785X1.82X0.082=4.2m3考虑到停车检修时，原存于塔底的一定高度的液体，亦需排入中和液贮槽存放，则该贮槽舶装料系数取0.8，故可选贮槽容积应大于4.2m3中和塔的操作压力为0.263MPa,在国家标准容器系列JB142874（卧式椭圆封头容器，工作压力0.25〜4MPa）中选用工作压力0.25MPa,公称容器6m3的型号，此容器的直径为1600mm，长度为2600mm第五部分课程设计心得本次化工设计历时1.5周，是学习化工设计以来第一次独立的课程设计。化工设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程图等。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。在短短的1.5周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。在实际计算过程中，我还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，浪费了大量时间。在一些应用问题上，我直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具体设备的选型。如果有更充分的时间，我想可以进一步再完善一下的。通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。我还要感谢我的指导老师对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持。限于我们的水平，设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师批评指正。第六部分附录参考文献陈英男、刘玉兰•常用华工单元设备的设计[M].上海：华东理工大学出版社，2005贾绍义、柴诚敬.化工原理课程设计[M].天津：天津大学出版社，2002路秀林、王者相•塔设备[M].北京：化学工业出版社，2004王明辉.化工单元过程课程设计[M].北京：化学工业出版社，200