【基于萃取精馏法的十二万吨年产量的丙烯腈回收工段工艺设计8200字（论文）】

基于萃取精馏法的十二万吨年产量的丙烯腈回收工段工艺设计摘要随着工业的发展，丙烯腈的重要性越发不可被替代。丙烯腈又称乙烯基腈，丙烯腈是合成纤维、合成橡胶以及合成树脂的基本且重要的原料，在工业领域和生产领域发挥着至关重要的影响。本文主要研究国内目前生产丙烯腈的过程，主要采用萃取精馏的方法，将丙烯腈与乙腈分离。从理论上进行分析，了解丙烯腈的基本性质和生产方法。然后根据相关的理论知识分析物料衡算、热量衡算，并且且对该工段的的车间设计做出了详细阐述，最后对生产过程中产生的三废该如何处理等等。关键词：丙烯腈；乙腈；物料衡算；热量衡算目录TOC\o"1-3"\h\u52671引言 引言1.1产品性质1.1.1物理性质丙烯腈又被称为乙烯基氰、2-丙烯腈、氰（代）乙烯和氰乙烯等，它是一种化学物质。这是一种液体，气味很刺鼻并且含有很高的毒性。他能在空气中形成爆炸性混合物，高温的话能分解出有毒的气体，所以他是一种非常危险的化学物质。他的化学式是C3H3N，它的溶解性较低，微溶于水，但更容易和一些有机溶剂相溶。密度仅为

0.81g/cm³,外观是透明且无色。PH值是在6-7.5之间，沸点和熔点分别是77.3℃、-83.6℃。丙烯腈不仅在工业上，而且在医药等领域发挥着至关重要的作用性。丙烯腈是一种合成纤维，比如世界上广泛应用的合成橡胶和合成树脂都离不开它，丙烯腈是合成的重要单体。所以对人类生活起着巨大的促进作用。1.1.2化学性质丙烯腈化学分子式为C3H3N，从这分子结构可以看出它的活泼性非常积极，非常容易与其他有机分子发生化学反应。比如和一些含有氢的化和物质会化学反应生成各种不同的氰物质，与氧化物也会发生强烈的氧化反应，甚至可能会发生严重的爆炸现象。丙烯氰可以与很多有机物质甚至是无机物质发生化学反应，主要原因是因为的分子结构它的摩尔折射率为15.58，等张比容为148.8，摩尔体积为66.5m3/mol等。还有从他的分子式可以看出它包含有C=C双键和-CN键，一般含有这两个键它的化学性质就会表现出非常的活跃，因此它在生活领域应用非常广泛。例如合成羊毛就是由丙烯腈制成聚丙烯腈纤维，这就是著名的腈纶，它的效果和羊毛可以完全比拟。不仅在生活领域的作用性无法替代，在工业领域同样占着很重要的成分，它是有机化物的生成原料。丙烯蜡与醇反应可产生烷氧基丙胺，烷氧基丙胺是液体染料分散剂、抗静电剂、纤维处理剂、表面活性剂、医药等原料。丙烯酸蜡主要用于生产ABS树脂、丙烯酰胺、丙烯酸纤维、己二烯和苯乙烯-己二烯树脂等。1.2丙烯腈生产方法丙烯腈的作用性具有不可替代性，因此全世界都在关注它的制造过程。现在的世界经济向着资本主义发展，更多的资本家更关心的还是降低丙烯腈的制造成本，所以西面来讲解一下它的生产方法。1.2.1丙烯氨氧化法在传统的丙烯氨氧化法主要是以丙烯、氨和水以及空气为基本原料进行生成制作。根据理论关系来按一定的比例来进行配置。随着社会科技的发展，现在最这个方法逐渐完善，主要通过沸腾床和固定床反应器来进行生产。生产的过程中需要在400-500摄氏度的温度下并添加相关的催化剂才能生成丙烯腈。由于沸腾床和固定床反应器的问世，丙烯氨氧化法生产丙烯腈的成本大大降低。1.2.2氰乙醇法丙烯腈化学性质非常活跃，所以科学家发现可以通过三甲胺和环氧乙烷以及氢氰酸的化学反应生成氰乙醇，然后通过脱水就能得到丙烯腈，但是脱水的过程是复杂的，需要在200-280摄氏度的温度下并且还要一碳酸镁作为催化剂，因此这个制作过程复杂且成本高昂，不太适合大量生产。1.2.3乙\t"/item/%E4%B8%99%E7%83%AF%E8%85%88/_blank"炔法这个方法和氰乙醇方法类似，科学家主要是通过化学反应生成丙烯腈。乙\t"/item/%E4%B8%99%E7%83%AF%E8%85%88/_blank"炔法是通过乙\t"/item/%E4%B8%99%E7%83%AF%E8%85%88/_blank"炔和氢氰酸发生化学反应，但是这个化学反应必须在\t"/item/%E4%B8%99%E7%83%AF%E8%85%88/_blank"氯化亚铜、\t"/item/%E4%B8%99%E7%83%AF%E8%85%88/_blank"氯化钾、\t"/item/%E4%B8%99%E7%83%AF%E8%85%88/_blank"氯化钠以及稀盐酸混合溶液的作用下并且温度要求是在80-90摄氏度下反映生成丙烯腈。其实这个方法是比较简单而且最开始时也是以这个生产方法最为主流，但由于乙炔的成本加高导致这个生产成本增加，也就慢慢发展其他替代方法。1.3国内外发展现状和发展前景随着世界科技的飞速发展，也极大促进世界工业以及生产业的发展。丙烯腈的作用区域非常广泛，不仅生活领域离不开他，而且在工业领域上无可替代。它是合成纤维以及合成橡胶的主要合成原料，而且它还能合成人造纤维。所以它的需求量在世界范围内急剧增加。越来越多的国家都把注意力放到这一块吗，对生产丙烯腈的原材料都严格控制，进出口收取的关税也是水涨船高。搜集相关资料和数据，从2010年到2019年，世界对丙烯腈的消耗量逐步增加，年均增长率约为4%。生产能力也逐步提高，产能从4750kt/a增加到5800kt/a，产量从4330kt/a增加到5050kt/a。下图1-1是世界对丙烯腈的需求量：表1-1世界丙烯腈需求及预测（万吨）地区2015年2016年2017年2018年2019年欧洲250260270275295中东4561728090亚洲240280285320412拉丁美洲4060758490北美7495105115120全世界约587约615约712约750约812由于改革开放后，我国工业逐渐的开始发展，刚开始阶段不断的向西方先进国家学习并引进先进的生产设备。所以我国对丙烯腈的需求量也是出处于稳步上升的姿态，下图1-2是我国对丙烯腈主要生产厂商与生产能力的数据：表1-2我国丙烯腈主要生产厂商与生产能力(kt/a)生产厂商生产能力备注上海石化股份有限公司50实际可达70大庆石化总厂60大庆油田聚合厂60齐鲁石化公司丙烯青厂40兰州石化公司石化厂32抚顺石化公司青纶厂50计划扩展到70吉林石化公司化肥厂66计划扩展到100安庆石化公司青纶厂50总计408自改革开放近三十余年，我国经济的飞速发展，对丙烯腈的需求量的急剧增加，所以导致对丙烯腈生产量也大大增加。每年大概以百分之二十多增长率的速度增加。目前国内市场还是供不应求，很大一部分还是需要去国外进口，也是对世界丙烯腈的发展起了很大的促进作用。2工艺设计与计算2.1工艺原理随着世界经济的发展，丙烯腈的工艺也逐渐得到完善。现在的主要工艺是利用丙烯蜡和乙基蜡相溶后，然后通过的沸点加入萃取剂来进行蒸馏，最后通过相关技术就可以得到丙烯腈。下图2-1就是整个回收工段流程示意图：图2-1整个回收工段流程示意图2.2主要的工艺指标表2-1主要工艺指标指标名称指标回收塔溶剂水温度（C）40〜48回收塔进料温度（C）66±2回收塔灵敏点温度（C）82〜94回收塔顶部温度（C）69±2回收塔底温度（C）114±2回收塔溶剂水温度（C）40〜48回收塔进料温度（C）66±2回收塔顶部压力（MPa）0.001〜0.020T-9104塔底液位(%)20〜80V-9111水相界面液位(%)40〜70V-9111油相液位(%)20〜802.3工艺流程简述2.3.1回收塔工序首先介绍的是回收塔工序，这个过程主要是将吸收塔中的液体回收到塔中，这是通过高温加热将液体升华为气体，最后通过蒸馏方式进行萃取。由于液体中含有很多其他物质，比如其他氧化物或者酸化物。这就大大增加萃取的难度性。这时就需要加入水，原理是以水为溶剂可以增加这些杂质的相对挥发性，这样操作更有利于将进行分离。2.3.2乙腈塔工序下面来介绍一下乙腈塔工序，乙腈塔和回收塔是两个独立的流程，但这两者的工作原理是相似的。从上面介绍的回收塔工艺，乙腈是在回收塔底，所以需要从7#塔板中进行提取。然后还是通过高温的方式蒸馏，腈丙烯腈从乙腈塔中分离出来。将那些杂志返还给回流槽。这就是乙腈塔的工序，随着科技的发展，这工艺也得到了完善，丙烯腈的纯度也得到了保障。2.4物料衡算2.4.1回收塔物料衡算根据理论知识，这部分主要来计算回收塔是否遵循物料守恒原则。我国每年大概年产丙烯腈是12万吨，这次主要对回收装置出料平衡的介绍：表2-2回收装置出料平衡组份分子量kg/hkmol/h%(kmol)%(wt)丙烯腈53.0611665.75219.861.333.81乙腈41.05382.209.310.060.12氢氰酸27.031272.7047.080.280.42水18.00292700.8616261.698.3395.65乙腈41.05382.209.310.060.12合计139.14306021.5116537.41100100表2-3回收塔出料中的百分比例(kg/h)组份去脱氰塔(D1)去乙腈塔(D2)回收塔釜液(去贫水W1)丙烯腈78%0.6%— —乙腈—11%— —氢氰酸86%0.4%— —水13.4%88%128389.09kg/h图2-2回收塔物料图对整个回收塔进行物料衡算，全塔物料衡算根据公式:F=D+W（2-1）FF=DD+WW（2-2）设：丙烯腈的的百分比为X我国年产丙烯腈12万吨，将一年转化成小时，一年三千小时计算，所以就可以得出丙烯腈的的进料量F=306021,51kg/h，D1为去分层器丙烯腈含量，W2为去乙腈塔丙烯腈的含量，D3为去层器溶剂水的含量，D4为去乙腈塔溶剂水的含量，W2为上一工段去回收塔的溶剂水的含量。W3为下一工段从脱氰塔的溶剂水的含量。根据物质守恒原则就可以得出：F=W2（2-3）F=3水1+D4X2+W2+3（2-4）将一直数据代入得：×78﹪＋W1×0.6﹪（2-5）306021.51=D1×13.4﹪＋D2×88﹪＋128389.09＋15927.69（2-6）由(2-5)和(2-6)公式联立：可求得：D1=14631.5kg/h；D2=3504.9kg/h总和=D1+D2+W1+W2=14631.5+3504.9+128389.09+15927.67=306021.51kg/h所以F=D1+D2+W1+W2回收塔塔物料守恒。2.4.2乙腈塔物料衡算乙腈塔物料守恒是对丙烯腈的生产至关重要，毕竟这是资本经济，无论生产任何产品都要计算生产成本，所以这一步需要重点讲解。下图是乙腈塔出料平衡表的介绍：表2-4乙腈塔出料平衡表组份分子量kg/hkmol/h%(kmol)%(wt)丙烯腈53.0621.60.410.620.23乙腈41.05382.20 9.3110.905.12382.20 9.31氢氰酸27.0310.20 0.380.290.2110.20 0.38水18.003090.90171.729094.44合计139.143504.93504.90100100表2-5出料中的百分比例（﹪）组份塔顶塔釜丙烯腈30.01乙腈500.75氢氰酸1.40.01图2-3乙腈工段物料表设丙烯腈的组份分数为X，设水的组份分数位YFF=DD+WW（2-6）FYF=DYD+WYW(2-7)D为乙腈塔塔顶丙烯腈的含量，W为乙腈塔塔釜丙烯腈的含量。各个物质的含量百分比为查化工手册得到：3504.9×5.12=D×50﹪+W×0.75﹪ (2-8)3504.9×90﹪=D×45.6﹪+W×99.23﹪ (2-9)根据(2-8)和(2-9)联立解得：D=577.92kg/h；W=2782.4kg/h总和=D+W=577.92+2782.4=3054.9kg/h所以F=D+W乙腈塔物料平衡。2.4.3回收塔分成器物料衡算从上表可以得知总数据：F=389.15丙烯腈的含量60％，氢氰酸的含量13.2％，溶剂水的百分含量31.5％AN=F×60％=11814.62kg/h=222.82kmol/hHCN=F×12.5％=1333.20kg/h=49.32kmol/hH2O=F×29.5％=2080.28kg/h=115.57kmol/h表2-6分层器物料衡算平衡表组份进口进口丙烯腈222.82kmol/h222.82kmol/h氢氰酸49.32kmol/h49.32kmol/h水115.57kmol/h115.57kmol/h所以根据物料守恒，进料量等于出料量，所以分层器的物料守恒。3热量衡算3.1回收塔的热量计算上面介绍的是乙腈塔物料衡算，这一节主要是对回收塔的热量进行计算。热量衡算也要遵循物质守恒原则，所以此工艺把控非常严格，各种因素都会造成相应的影响，比如温度，压强、酸碱度等。这个过程不仅经历化学反应，有时候也会伴随一些物理反应。下图为乙腈塔热量平衡图和各组分不同温度下定压比热容图：图3-1乙腈塔热量平衡图表3-1各组分不同温度下定压比热容（J/(mol·k)）组份丙稀腈乙腈氢氰酸水125.90110.38121.9575.42125.39———130.75113.74180.9975.9669.94—79.0635.0675.5759.68120.4337.2176.23———76.30对回收塔进行热量衡算，根据热量守恒，可以按下面公式计算：Q=mCP△t(3-1)根据热量守恒：进入的热量等于出去的热量。进入的热量为主料、贫水、成品塔、乙腈塔釜液。带出的热量为塔顶成品、去乙腈塔、设备损失。溶剂水带入的热量(溶剂水)：Q1=C1m1△t1=75.258××(48-0)=18574308.57kJ/h进料带入的热量（含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、溶剂水）：Q2=Cm△t2=（125.896×+110.382×+121.949×+75.42××（69.2-0）=59502326.67kJ/h乙腈塔釜液带入的热量（含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、溶剂水）：Q3=Cm△t3=（130.746×+75.96×）×（102.7-0）=1202774.95kJ/h来自成品塔带入的热量（含有丙烯腈）：Q4=Cm△t4=125.389××(65.3-0)=104246.83kJ/h塔顶带出的热量（含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、溶剂水）：Q5=Cm△t5=（69.94×+79.062×+121.949×+35.064×）×（70.9-0）=1598271.829kJ/h乙腈塔进料带出的热量（含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、溶剂水）：Q6=Cm△t6=（74.513×+59.683×+121.949×+120.432×+37.206×）×（108-0）=758200.82kJ/h装置本身损失的热量：Q损=15﹪Q进=79279410.19×15﹪=11891911.53kJ/hQ进=Q1+Q2+Q3+Q4=18574308.57+59502326.67+1202774.95+104246.83=79279410.19kJ/hQ带=Q5+Q6+Q损=1598271.829+758200.82+79279410.19×15﹪=76574303.01kJ/h所以Q进≈Q带，从而回收塔热量守恒，根据热量守恒回收塔符合热量守恒定律。3.2乙腈塔的热量计算图3-2乙腈塔热量平衡图表3-2各组分不同温度下定压比热容（J/(mol·k)）温度丙烯腈乙腈氢氰酸水108℃74.57359.683120.43237.20641.0℃122.515108.17572.25375.22692.7℃72.60558.288102.59136.144102.7℃130.746113.738180.98675.960对回收塔进行热量衡算，计算过程和上述一致。进入物料带入的热量(含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、溶剂水）：Q1=C1m1△t1=7582200.82kJ/h塔顶物料带走的热量（含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、溶剂水）：Q2=C2m△t2=91447.826kJ/h塔顶冷凝器去除的热量(含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、溶剂水)：Q3=C3m△t3=24547.83kJ/h塔底釜液带走的热量(含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、溶剂水)：Q4=C4m△t4=573466.18kJ/h塔底再沸器带进的热量(含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、溶剂水)：Q5=C5m△t5=1443368.173kJ/h装置的热损失:Q损=10﹪Q进Q损=772568.99×10﹪=77256.90kJ/hQ总进=Q1+Q4=772568.99kJ/hQ总出=Q2+Q3+Q5=766718.17kJ/h故而Q进≈Q带所以乙腈塔热量守恒，根据热量守恒乙腈塔符合热量守恒定律。3.3回收塔分层器的热量计算在回收塔进行回收过程中，各化学物质之间会发生各种化学反应以及物理反应，根据质量守恒原则可以知道，总体物质的质量和能量是不会发生变化。可以利用能量传递和转化的规律，通过平衡计算求得，这样的化工计算成为能量衡算。图2-7分层器热量平衡图回收塔塔顶气体带入的热量:Q1=1598271.83kJ/h回收塔分层器水槽带出的热量(含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、溶剂水)：Q2=C2m△t2=（122.433×+755.22×）×（40.2-0）=223642.09kJ/h回收塔分层器去脱氰塔进料带出的热量:(含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、溶剂水)：Q3=C3m△t3=（122.4×+70.491×+75.227×）×（40-0）=1288701.68kJ/hQ总进=Q1+Q4=1598271.83kJ/hQ总出=Q2+Q3=1512343.77kJ/h因而Q进≈Q带，所以分层器热量守恒。根据热量守恒分层器符合热量守恒定律4设备的选型4.1选择原则由于科技的发展，每个公司研究的方向也不一致，所以每个公司研发生产丙烯腈的设备也将不同，但是总体方向是一致的。所以在生产丙烯腈的过程中塔是重要的化工设备。所以这个设备需求量是大量增加，但是客户对塔设备的要求比较严格，产品质量，效率以及后期维护等各种考虑，客户也会谨小慎微。首先考虑的就是产品生产效率，为了满足工业生产的需要，各厂家都必须考虑以下各种需求：产能力大。在同种人力物力情况下以及较大的气液流速情况下，不能发生各种液体泄漏以及能量流失的问题，一定要保证各物质尽量按照理论计算的发生化学反应。操作稳定、弹性大。当设备正在进行各种化学反应时，里面的反应偶尔会有较大的剧烈，这时在保证效率的同时还需要保证产品的稳定性，毕竟厂家是需要长时间生产的，这样才能保证产能。（3）流体流动的阻力小，这个设备对压强要求很严格，即流体通过塔设备的压力降小。这可以降低设备对电量的消耗，减少产家的生产成本。（4）结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。一般这些设备都需要从生产厂商通过长途运输到自己的工厂，只有体积小的情况下才更方便运输。同样体积小，工作原理简单，它的耐用性也会增加，更好的帮助厂家减少后期的维护费用。4.2关键设备的选型4.2.1回收塔塔径、塔高和孔径的计算在计算过程需要用的数据，在100℃的前提下，其表面的张力σ=11.2N∕m，连续相粘度µc=0.3×10-3Pa·s，孔径选0.0015m，孔间距一般是孔径的2.5-3.5倍，故取孔间距t=0.00375m。极限空塔气速最大流速umaxumax上=c=1.015m/s（4-1）umax下=c=0.802m/s（4-2）根据u=（0.6～0.8）umax，取安全系数为0.8umax上=0.8umax=0.8×1.015=0.81m/sumax下=0.8umax=0.8×0.802=0.64m/s因为：VS上=3.86m3/s，VS下=2.73m3/s求塔径：D上=2.26mD下=2.93m表4-1浮阀塔板间距的参考值塔径m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.42.4-2.8板间距mm200-300300-350350-450450-500500-600600-700由上表得：HT上=500m，HT下=700mm，所以HT=600mm=0.6m4.2.2塔高和塔厚计算（1）塔高板间距根据经验取为0.4则L=（n－1）HT=（60－1）×0.4=23.6m塔的切线高度H=23.6+1.7+4.3+0.6×3=31.4m（2）塔厚∂=PcDi2塔体材料为16MnR，查得：[σ]t=170由Di=2.600，Pc=1.0MPa，焊缝采用双面对接焊，局部无损伤故φ=0.85，取腐蚀裕量C2=2mm根据数据可得∂=9.03mm设计厚度为：δd=δ+C2=9.03+2=11.03mm查（化工原理）钢板厚度负偏差表知C1=0.8mm。则名义厚度为δn=δd+C1+Δ=11.3+0.8+1.9=14mm（圆整植Δ=1.9）则有效厚度为δe=δn－C1－C2=14－0.8－1.2=12mm4.2.3换热器的选择计算热负荷：Q1=m1CpΔt1=23425×4.152×(35－28)=684451KW计算流体平均温度差：△t=18℃传热面积:通过以上的数据，根据管壳式换热器中的总传热系数K的经验值,K=400w∕m·℃则估算的面积为：A===95m2,考虑到估算性质的影响，故实际传热面积为估算的1.05倍，那么实际的传热面积为:A0=1.05×95=100m25车间设备布置与设计5.1车间布置设计原则车间布置设计的原则如：(1)车间布置一定要符合生产操作要求，首先保证生产安全。(2)根据生产设备商家的指定安装方法，以免生产过程中出现不稳定现象。最大限度的满足工艺生产包括设备安装、检修的要求；(3)尽量有效的利用车间的建筑面积和空间，以免面积过小导致生产过程中出现不必要的失误；(4)一定要满足车间的技术经济指标符合生产的要求；（5）考虑其它专业对本车间布置的要求，力求本车间与其他车间输送管线最短，联系最方便5.2车间设备平面布置车间设备平面布置一定要具有科学性，严格按照、设备布置手册进行安装与布置。装置设备主要包括设计道路，安全通道、电梯、防火装置、栅栏、场坪、休息区、货物运输通道等构筑物装置布置。道路设计分为建筑物区，设备区，中间罐区，设置贯通式道路，6m宽路面和4m宽路面各一条，使装置内各分区均能与装置外相通，便于施工、消防和检修。图5-1车间0.00平面布置图图5-2车间6.00平面布置图5.3车间设备立面布置车间设备立面布置更为严格，主要采用单层与多层相结合的形式。在露天工作的区域一定要布置围栏，严禁非工作人员的闲杂人等进入。中间罐区需要用砖砌防火墙，这样有利于达到消防的标准。所有的边界线全部按照要求用砖铺砌。铺砌面积大概为：12270m2。场地竖向设计需要根据场地找相关的人员进行设计，地面坡度一般为5～25％，由于夏季雨水偏多，以免造成洪涝影响生产。多层区高为6m，每层楼板上设置泄爆孔。车间A-A平面剖视图车间B-B平面剖视图6安全和环境保护6.1环境保护现在国家提倡绿色环保，减少环境污染，各地政府也越来越严格要求绿色发展，因此采取如下等措施：（1）对生产车间各设备进行严格检查纺织设备中液体有渗漏或者溢出等现象，尽量选用屏蔽泵输送溶剂和芳烃等液体。（2）严格按照设备指导说明进行生产，以防错误操作导致事故的发生。通过冷凝操作回收液体进行循环使用，一些危害气体一定要按照求进行处理，严格保证环境的安全。（3）各个设备（塔、泵、换热器、容器等）排出的废液集中到地下罐，再根据废液的组分定期用泵输送回湿溶剂罐或原料容器进行循环使用，不排出废液。6.2三废产生危害当前政府一直在坚持可持续发展，对工业上的三废排放越来越严重。三废”主要是指废气、废水、废渣。随着社会的发展，很多国家都出现了因三废没有按照要求排放