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1、 石河子大学 届毕业论文 年产1万吨丙烯腈合成工段的设计 学 校：石河子大学 学 院： 化学工程学院 学生姓名： 专 业： 化学工程与工艺 完成时间： 2013/6/3 摘 要 丙烯腈是石油化学工业的重要产品，是合成聚丙烯腈纤维，丁腈橡胶和合成塑料的重要单体。本文采用的是原料来源丰富、操作简单的丙烯氨氧化法生产丙烯腈。通过对从原料的处理到丙烯腈的合成工段的主要单元进行物料和热量衡算，对空气加热器、丙烯蒸发器、氨蒸发器的工艺计算，算出了部分设备的换热面积，完成了对丙烯腈合成工段的初步设计。关键词 丙烯腈；丙烯氨氧化法；生产；设计ABSTRACTAcrylonitrile is an import
2、ant product for the petrochemical industry, synthetic acrylic fiber, acrylonitrile-butadiene rubber and synthetic plastics important monomers. This article is a rich source of raw materials, production of ammonia oxidation of propylene nitride. From raw materials handling to the synthesis of acrylon
3、itrile units main unit for material and energy balance, air heaters, propylene evaporator, ammonia evaporator process calculation, worked out some of the equipment of the heat transfer area, completed the preliminary design of the raw material process. Key words acrylonitrile; propylene ammonia oxid
4、ation；production；design目 录1 丙烯腈的概论11.1 丙烯系产品的生产11.2 丙烯氨氧化生产丙烯腈21.2.1 丙烯腈的性质和用途21.2.2 丙烯腈的生产方法31.2.3 反应原理31.2.4 操作条件41.2.5 工艺流程61.2.6 典型设备流化床反应器82 总体方案工艺设计92.1 设计任务92.2 流程确定103 工艺设计计算123.1 物料衡算与热量衡算123.1.1 反应器的物料衡算和热量衡算123.1.2 废热锅炉的物料衡算和热量衡算153.1.3 空气饱和塔物料衡算和热量衡算163.1.4 氨中和塔物料衡算和热量衡算183.1.5 换热器物料衡算和热
5、量衡算213.1.6 水吸收塔物料衡算和热量衡算223.1.7 空气水饱和塔釜液槽243.1.8 丙烯蒸发器热量衡算253.1.9 丙烯过滤器热量衡算253.1.10 氨蒸发器热量衡算263.1.11 气氨过热器263.1.12 混合器263.1.13 空气加热器的热量衡算273.2 主要设备的工艺计算283.2.1 流化床合成反应器283.2.2 空气饱和塔293.2.3 丙烯蒸发器324 车间布置设计344.1 厂房建筑344.2 生产操作344.3 设备装修344.4 安全要求354.5 车间布置说明355 环境保护和安全措施要求365.1 丙烯腈生产中的三废处理365.2 生产安全及防
6、护措施366 结论38参考文献39致 谢40附 录411 丙烯腈的概论丙烯腈是一种无色、易燃易爆有刺激性臭味的液体，能自聚，在常温、常压下呈黄色。由于含有CN，因此其有剧毒，空气中最高允许浓度为45ppm。它是重要的基本有机原料之一，它与丁二烯共聚生成丁腈橡胶，是三大合成材料的重要单体。丙烯腈其用途十分广泛。世界上大多数国家50以上的丙烯腈用于生产腈纶纤维。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ABS、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。 生产丙烯腈的方法主要有环氧乙烷法、乙炔法及丙烯氨氧化法。前两种方法因为原料昂贵，需要
7、剧毒的HCN为原料，生产成本高，从而限制了丙烯腈生产的发展。而丙烯氨氧化法具有原料价廉易得，可一步合成、投资少、生产成本低等优点得到广泛应用。此次设计采用的是丙烷氨氧化法：即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。1.1 丙烯系产品的生产丙烯的主要来源有两个，一是由炼油厂裂化装置的炼厂气回收；二是在石油烃裂解制乙烯时联产所得。丙烯大部分一直来自炼油厂，近年来，由于裂解装置建设较快，丙烯产量相应提高较快。和世界市场一样，近年来我国丙烯的发展速度也逐渐超过了乙烯。2000年，我国乙烯需求量478.89万吨，而丙烯的需求量却达到498.85万吨，首次超过乙烯，之后丙烯的需求量一种保持
8、在乙烯之上。与乙烯相似，由于丙烯分子中含有双键和-活泼氢，所以具有很高的化学反应活性。在工业生产中，利用丙烯的加成反应、氧化反应、羧基化、烷基化及其聚合反应等，可得一系列有价值的衍生物。丙烯是重要的有机化工原料，用于生产聚丙烯、异丙苯、羰基醇、丙烯腈、环氧丙烷、丙烯酸、异丙醇等。聚丙烯是我国丙烯最大的消费衍生物。2003年，我国聚丙烯的产量为445.5万吨，消耗丙烯约444.0万吨，约占全国丙烯总消费量的72.1%，；2004年我国聚丙烯产量为474.9万吨，消耗丙烯约480.0万吨，比2003年增长约8.1%；丙烯腈是我国丙烯的第二大衍生物，2003年，我国丙烯腈的产量约为56.0万吨，消费
9、丙烯约62.7万吨，约占全国丙烯总消费量的10.2%；2004年产量约为58.0万吨，消费丙烯约为65.0万吨，比2003年增长约3.7%；环氧丙烷是我国丙烯的第三大消费衍生物，2003年，全国环氧丙烷的产量约为39.8万吨，消耗丙烯约35.8万吨，约占全国丙烯总消费量的5.8%；2004年产量约为42.0万吨，消耗丙烯约37.8万吨，比2003年增长约13.1%；丁醇和辛醇也是丙烯的主要衍生物之一，2003年我国丁辛醇的产量合计约为45.35万吨,共消耗丙烯约40.7万吨,约占全国丙烯总消费量的6.6%；2004年产量合计为44.91万吨，共消耗丙烯约40.3万吨，比2003年减少约1.0%
10、；2003年用于生产其它化工产品如苯酚、丙酮和丙烯酸等方面的丙烯消费量约为10.9万吨，约占全国丙烯总消费量的1.8%；2004年消费量约为11.5万吨。目前我国丙烯主要衍生物的自给率还很低，需大量进口来维持国内的供需平衡，这给我国的丙烯生产提供了广阔的发展空间。然而，这些发展空间并非国内公司所能独享，而将给国内外石化公司带来共同的发展机遇。实际上，目前我国周边主要的丙烯生产国和地区都处于丙烯及其衍生物的净出口地位，大量向我国出口。中东地区新增丙烯生产能力的很大一部分也瞄准我国市场，因此未来国内市场面临激烈的竞争。1.2 丙烯氨氧化生产丙烯腈1.2.1 丙烯腈的性质和用途丙烯腈在常温下是无色透
11、明液体，味甜，微臭，沸点77.5，凝固点-83.3，闪点0，自燃点481。可溶于有机溶剂如丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和乙醇中，与水部分互溶，20时在水中的溶解度为7.3(w)，水在丙烯腈中的溶解度为3.1(w)。其蒸气与空气形成爆炸混合物，爆炸极限为3.0517.5(v)。丙烯腈和水、苯、四氯化碳、甲醇、异丙醇等会形成二元共沸混合物，和水的共沸点为71，共沸物中丙烯腈的含量为88(w)，在有苯乙烯存在下，还能形成丙烯腈-苯乙烯-水三元共沸混合物。丙烯腈剧毒，其毒性大约为氢氰酸毒性的十分之一，能灼伤皮肤，低浓度时刺激粘膜，长时间吸入其蒸气能引起恶心，呕吐、头晕、疲倦等，因此在生产、贮存和运输中，应
12、采取严格的安全防护措施，工作场所内丙烯腈允许浓度为0.002mg/L。丙烯腈分子中有双键()和氰基()两种不饱和键，化学性质很活泼， 能发生聚合、加成、水解、醇解等反应。聚合反应发生在丙烯腈的C=C双键上，纯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剂，如对苯二酚甲基醚(阻聚剂MEHQ)、对苯二酚、氯化亚铜和胺类化合物等。除自聚外，丙烯腈还能与苯乙烯、丁二烯、乙酸乙烯、氯乙烯、丙烯酰胺等中的一种或几种发生共聚反应，由此可制得各种合成纤维、合成橡胶、塑料、涂料和粘合剂等。丙烯腈是三大合成的重要单体，目前主要用它生产聚丙烯腈纤维(商品名叫“腈纶”)。其次用于生产ABS树
13、脂(丙烯腈丁二烯苯乙烯的共聚物)，和合成橡胶(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树脂的单体。丙烯腈电解加氢，偶联制得的己二腈，是生产尼龙66的原料。1.2.2 丙烯腈的生产方法1960年以前，丙烯腈的生产方法有三种。(1)环氧乙烷法 以环氧乙烷与氢氰酸为原料，经两步反应合成丙烯腈。 (2)乙醛法(3)乙炔法1952年以后世界各国相继建立了乙炔与氢氰酸合成丙烯腈的工厂。本方法比上两法技术先进、工艺过程简单，但丙烯腈分离提纯较为困难，需大量电能生产电石。虽然这一方法曾被世界各国普遍采用，但生产发展受到地区资源的限制。由于以上生产方法原料贵，需用剧毒的HCN为原料引进CN基，生
14、产成本高。限制了丙烯腈生产的发展。1959年开发成功了丙烯氨氧化步合成丙烯睛的新方法，该法具有原料价廉易得、工艺流程简单、设备投资少、产品质量高、生产成本低等许多优点，使其1960年就在工业生产上应用，很快取代了乙炔法，迅速推动了丙烯腈生产的发展，成为世界各国生产丙烯腈的主要方法。1.2.3 反应原理(1)主、副反应主反应 ： CH=CH-CH3 + NH3 +3/2O2 CH2=CH-CN + 3H2O 丙烯、氨、氧在一定条件下发生反应，除生成丙烯腈外，尚有多种副产物生成。副反应：CH2=CHCH3 + 3NH3 + 3O2 3HCN + 6H2O 氢氰酸的生成量约占丙烯腈质量的1/6。CH2=CHCH3 +3/2NH3 +3/2O2 3/2CH3CN + 3H2O 乙腈的生成量约占丙烯腈质量的1/7。CH2=CHCH3 + O2 CH2=CHCHO + H2O 丙烯醛的生成量约占丙烯腈质量的1/100 CH2=CHCH3 + 9/2O2 3CO2 + 3H2O 二氧化碳的生成量约占丙烯腈质量的1/4，它是产量最大的副产物。上述副反应都是强放热反应，尤其是深度氧化反应。在反应过程中，副产物的生成，必然降低目的产物的收率。这不仅浪费了原料，而且使产物组成复杂化，给分离和精制带来困难，并影响产品质量。为了减少副反应，提高目的产物收率，除考虑工艺流程合理
