《20萬噸年產量的丙烯腈合成工藝設計》22000字

四川文理學院本科畢業(yè)論文120萬噸年產量的丙烯腈合成工藝設計目錄摘要 則反應器直徑5DTV-氣體的體積流量，DT反應器直徑，T,p-反應器的絕對溫度（K）和絕對壓力（Pa）u-流化床操作氣速，m/sn-進料氣體總摩爾流量DT反應器內徑可取DT1=9.5m。e．稀相段床層直徑的確定本設計取稀相段流化數為950，能有效抑制副化學反應，防止催化劑快速結焦，利于計算過程如下：U0=950Umf=0.693m/s即流化床反應器稀相段直徑為DT2=4×V（2）反應器床層高度a.濃相段催化劑的需求量為234.57t由催化劑的裝填密度為900kg/m3，所以靜床高度的確定H流化比公式由經驗公式確定：R=則濃相段高度QUOTEH1=R×Hmf=1.9×3.68=6.992mb.稀相段（沉降分離高度TDH)由徑與沉降分離度的關系，本反應細顆粒催化劑粒子，在操作速度為0.8m/s時，由經驗關系式：H2=1.2×圖4-2徑與沉降分離度的關系c.擴大段高度擴大段高度取擴大段直徑的三分之一H3=Dd.反應段和擴大段的過渡部分過度角為120℃，過渡段高度：H4=(DT2?DT1)錐形段取錐底角為90°，則錐高為：H5=0.5D=4.75mm∴H=H1+H2+H3+H4+H5=26.845m。反應器總高為26.9m4.1.4機械強度的計算與校核（1）流化床壁厚操作溫度為450℃，操作壓力1.1個大氣壓，設計溫度為470℃，設計壓力為0.162MPa，選擇0Cr18Ni9材料，因為該反應溫度不易控制，非常高。材料在設計溫度下的許用應力為100.8MPa，取流化床體焊接接頭系數為φ=1，壁厚的附加量取c=2mm。流化床壁厚：t留點余量給其他外在負荷，所以取反應器的設計壁厚為22mm流化床體的有效厚度為te=tn-c1-c2=19.1m。筒體的應力按下式進行計算σ許用應力[σ]tφ=100.8×1=100.8MPa>94.39MPa,應力校核合格。對于擴大段:t選取擴大段壁厚為21錐形段階段其壁厚也選取為21mm。（2）橢圓封頭由于反應器壓力較低，封頭承壓不大，故選用應用最為廣泛的橢圓形封頭。形狀系數為K=1.0由標準橢圓封Di=4×h則hi=DiDi為稀相段直徑由GB/T25198-2010查得其標準橢圓封頭直邊高度h0=40mm封頭總高度為H=hi+h0=2.55+0.04=2.59m封頭厚度按下式進行計算：t故選取封頭厚度為23mm。（3）裙座圓柱形裙座是最適合本設計的，因為該反應器高徑沒有超過30。（4）水壓試驗及其強度校核水壓試驗的試驗壓力有Pt=p+0.1=0.262MPa,Pt=1.25p=0.2025MPa，取兩者中最大值，即Pt=0.262MPa。水壓試驗時壁內應力：σσ已知0Cr18Ni9材料在常溫下的屈服強度為σs=221MPa計算0.9σs=198.9MPa可以知道水壓試驗時筒體壁內應力小于0.9σs，水壓試驗安全，所以上述設計滿足要求。4.1.5濃相段及稀相段冷去裝置的換熱面積（1）濃相段冷卻裝置的換熱面積換熱裝置用套管式，總差傳熱系數取233換熱裝置的熱負荷已由熱衡算求出Q=6.53×108kJ/?=1.81×1換熱面積為F=1.81×取30%的設計裕量，則換熱面積為3088.3m（2）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，產生0.405MPa（143℃）蒸汽?？倐鳠嵯禂等?0W/(m2.k)，換熱裝置Q=6.62×107kJ/h=1.839×107又Δtm換熱面積為F=1.839×107取30%設計裕量，則換熱面積為4477m4.2空氣飽和塔4.2.1計算依據進塔空氣的組成和流量表4.1進塔空氣組成和流量組分O2N2H2O合計Kmol/hkg/h2193.5170192.328251.78231049.84178.1423206.5610623.432304448.72出塔空氣的組成和流量表4.2出塔空氣組成和流量組分O2N2H2O合計Kmol/hkg/h2193.5170192.328251.78231049.842861.151499.813306.39352741.96c.塔頂噴淋液量444847.3kg/h，溫度105℃d.塔底排出液量217004.02kg/h，溫度79℃。e.塔頂壓力0.243MPa，塔底壓力0.263MPa。f.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）。4.2.2塔徑確定拉西環(huán)的泛點速度計算公式為lgωFg?E式中——泛點空塔氣速，m/s；g——重力加速度，9.81m/s2_____干填料因子，m?1；——氣相和液相密度，kg/m3L，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177m?1a.塔頂處=352741.9613306.39×22.4×=958kg/mL=444847.3kg/hG=352741.96kg/h=0.282MPa?s把數據帶入（3-3）式：lg解得=1.743m/s泛點率取75%，則氣體空塔速度為：W=0.75×1.743=1.307m/s出塔操作條件下的氣量：V=13306.39×22.4×273+90273×0.10130.243=165217.26塔徑應為d=45.900.785×1.307=6.603b.塔底處ρG=ρL=975L=217004.02kg/hG=304448.72kg/h=0.38MPa?s把數據帶入1式lg解得ωF=1.723氣體空塔速度為w=0.75ωF=0.75×1.723=入塔氣在操作條件下的氣量：V=10623.432×22.4273+170273×0.10130.263=148733塔徑為d=41.3150.785×1.29225=取塔徑為6.5m4.2.3填料高度 空氣水飽和塔在填料高程上的確定時必須綜合考慮兩個方面的因素a.出塔氣體中蒸汽含量達到要求。b.按照工廠的實際生產經驗,取得的填料高6m。4.3丙烯蒸發(fā)器4.3.1計算依據a.丙烯在室內管外設備進行低溫蒸發(fā),蒸發(fā)時的實際壓力大約為0.405MPa，蒸發(fā)時的實際溫度-13℃,管內設備用0℃的乙醇低溫水將冷凍后的鹽水(17.5%NaOH的乙醇水溶液)與剩余丙烯液體進行低溫換熱,冷凍后的低溫鹽水低于進入丙烯出口時的實際溫度-2℃。b.乙醇和丙烯的蒸發(fā)溫度為40055.4kg/h，冷凍時的鹽水使用量為3.86×106kg/h。c.丙烯蒸發(fā)器熱負荷2.1131×107kJ/h。4.3.2丙烯蒸發(fā)器換熱面積a.蒸發(fā)器內安裝的U型鋼管100根,尺寸為38×3.5-1℃為冷凍鹽水平均溫度，此溫度下有關物性數據如下。μ=2.485×λ=0.545Wρ=1130.8kg/冷凍鹽水流速為u=3.86×106Re=(0.038?2×0.0035)×12.57×11302.485×10?3pτ==0.023=15690.3W/b.管外液體丙烯沸騰給熱系數=2326W/m2c.總傳熱系數冷凍鹽水方污垢熱阻取0.264×10?30.17610-3W/m2.k，鋼管導熱系數45K=845W/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Δtd.面積（用于熱交換）熱負荷Q=2.1131×107KJ/h=5.87×107J/s換熱面積為A=5.87×10615690.3取安全系數1.2，則換熱面積37.5m2，查管式換熱器基本參數表，可以知道設計的換熱器應該選用管數為100根，的單程管換熱器。其換熱的直徑為400毫米，換熱面積可以達到45.4m2的管殼式換熱器。4.3.3選型通過對丙烯蒸發(fā)器的換熱面積及熱負荷的計算我們可以，對于一些有結晶產生的，且是非熱敏性物料的反應應該用強制循環(huán)蒸發(fā)器。此設計的物料都是熱敏物料，且需要控制的溫度要比較準確，要求比較高，所以此設計的物料并不是非熱敏材料所以選擇普通多效蒸發(fā)器，查表可知采用的是型號為BEM400-0.405/0.6-45.4-6000/25-4

I的管殼式換熱器。5車間布置及三廢處理5.2車間布置（1）廠房建筑a.廠房平面盡量簡化，方便施工。b.柱間距一般不超過12m。c.層的高度取決于設備安裝的高度和位置。通常，每層的高度為4?6m，最小值-不小于3.2m，凈高度-不小于2.6m。d.盡可能接受露天設備和戶外設計，這不僅節(jié)省了投資，而且有利于通風，照明，防爆等的安全性。e.在不影響流程情況下,較高設備集中布置。f.地面應布置一些較笨重的設備和有震動的設備等。g.設備穿孔避開主梁。h.要用心規(guī)劃好廠區(qū)出入口、樓梯、通道等。（2）生產操作a.采用的設備應布置好，以避免交叉運輸；位差送料是最先考慮的方式，通常從上到下一層布置測量罐、設備、通道、重型設備和振動設備。b.在保證公共通道不受阻的情況下有相互關系的設備放在一起比較好。c.為了方便公用工程的供應問題，一樣的設備可以集中布置。d.考慮進出料、取樣、觀察等方便。（3）設備裝修a.不僅要考慮安裝室內和室外設備，還要考慮對單個設備進行更換和維護，以確保有足夠的空間和通道。b.設備位于二樓以上時，需要在底層創(chuàng)建一個吊孔，封閉企業(yè)中的大型專用設備可以先安裝設備，然后再筑墻。c.為了保證高處作業(yè)的安全性，要安裝吊架，塔頂，橫梁等裝置。（4）安全要求a.工作環(huán)境要有良好的光線，不要讓高大的設備遮住光線而發(fā)生安全事故。b.車間做好通風的處理，不能密閉，車間應盡量保證容易引起安全事故的工作環(huán)境露天，比如具有易燃易爆特性的地方，應保持通風，能采取機械通風是更好不過的選擇。c.下風場所應安排有毒物料設備等占用。對于劇毒設備，要設立專門的通風裝置，避免中毒事故。d.應當設立消防措施及設備，防火防爆，壓力容器設置泄壓孔。5.5三廢處理在丙烯腈生產中的,會產生三種最基本的廢物，即廢渣，廢氣，廢液。而廢渣的組成是反應器內反應結束以后，已經沒有作用的催化劑渣籽等,還有一些容器內的沉淀物質等。這些廢渣沒有毒性，通常是進行集中回收填埋處理。廢氣含有合成塔內產生的氫氰酸、乙腈、氮氣等，這些尾氣量不大，但是含有有毒物質，對環(huán)境的影響大，一般會把送去焚燒爐焚燒。若廢氣中的丙烯濃度高，烴類物質含量少,則可以將其中的廢氣直接帶到大氣中。廢水的來源主要是反應生產水以及工藝過程水，工藝過程水包括吸收水，反應器用的水蒸汽和換熱器用的水蒸汽等。在對生化廢水處理各種式的技術設計方法中本文的設計分別選擇了生化廢水處理技術方法中廢水曝氣池式以及活性污泥廢水處理的方法及廢水轉盤式。當活性廢水廢氣排放量大，氰化物和氮含量相對明顯減少時，則可以采用室內曝氣池或者室外活性污泥混合處理的方法，在活性廢水排入存儲池的貯池中先將混合處理均勻后的活性廢水再運送至室外曝氣池，由池內通風排水管激烈地進行供氣。經過了曝氣池之后污水即可直接進入污水沉淀池，其中的上部污水清夜后即可作為已經污水處理的沉淀污水池并加強利用氯氣處理殺菌后再進行排放。一部分已經沉積的系統(tǒng)污泥除了是被作為系統(tǒng)殘渣的污泥剩余部分污泥被再次排除到曝氣系統(tǒng)外，剩余的則是被作為系統(tǒng)回流物的污泥再一次返回回流到系統(tǒng)曝氣池?；钚晕勰嗄z團是各種細菌微生物學的組織群和被各種細菌氧化吸附的各種細菌有機物、無機物及其組織的氧化綜合作用總稱，在這里各種細菌微生物學的組織團和群體之間連接形成一個細菌廢水膠團，它將這些廢水全部成分包過在內，進行各種細菌和微生物學的氧化吸附和細菌抗氧化綜合作用，繼而通過推動這些廢水通過進-步地分解發(fā)生生物氧化和細菌分解化并產生活性CO２。因為菌膠團很容易就會產生廢水沉降，所以便為了能夠在較短的使用時間內有效處理這些廢水[16]。這種燃燒方法的主要一個優(yōu)缺點之一是那就是它在曝氣的燃燒過程中，易發(fā)生燃燒的水和氰化物很有可能同時會直接伴隨著新鮮空氣的快速逸出，造成空氣二次污染。除了上述的方法用于設計外，以及生物轉盤法，它的結構是由圓盤組成，圓盤為方形，這些小方圓盤不是活動的而是固定在直軸上同一個點，固定的方向一般分為縱向和橫向，這些組成了轉盤，可以準確區(qū)分其等為幾級，把這個盤子放入一個特別大的池內，這個池子就是一個裝污水的槽，圓盤不是全部都在污水中，其實50%的是裸露的，和空氣直接接觸。有一個圓形的大盤子，豎著向著中心軸向下運動，運動時伴隨著旋轉，這個大盤子上面有一個用來過濾污水的生物薄膜，污水不斷地從這個污水氧化槽底部直接流出進入這個污水氧化槽，污水生物膜用來吸附污水中的有機物，當污水轉移進入到污水大氣中，被生物盤片所轉動帶起的空氣污水生物薄膜，沿著污水微生物的薄膜向下快速流淌[17]。空氣污水中的大量氧不斷地直接融入分解到了污水生物膜中，大量氧在微生物膜中吸收分解，在氧化酶的快速催化下，有機物就會發(fā)生快速氧化并被污水分解。這種處理方式的最大優(yōu)勢之處之一是不能對其環(huán)境造成任何大的二次污染。對于少部分特別毒的廢水,含有的有機物質很多時一般都是讓它直接在燃燒爐里面燃燒,直到廢水達到國家排放標準為止?，F階段雖然處理技術方法繁多，但大部分都是一些研究型報告，未能廣泛地運用到工業(yè)上[18]。今后關于丙烯腈三廢處理技術的研究內容應該主要側重于從來源頭進行治理，在丙烯腈三廢生產的過程中可以降低污染物排放。6經濟核算6.1計算依據（1）項目總投資項目總投資包括很多部分，有一些固定的支出，還有一些用于經濟流通的資金，還有就是在自己的錢不夠用的時候向銀行的借貸這類[19]?？偣潭ㄙY產投資采用費用系數估算方法，以一個項目的設備和投資作為主要評價依據，分別使用不同的系數進行估算，例如建筑工程費、安裝工具費、技術管理費以及其它的費用。的計算公式表示如下：K固定=[K設備（1+R1+R2+R3+R4）]×1.15R1、R2、R3、R4上述費用順序對應的系數。對于設備成本，一般是估算，估算一些重要的設備的投資額，再與其他小設備的費用[20]系數乘起來就得到了設備投資額。K設備=K主設備×1.2總投資等于全部固定裝置費用、流動的資金和與銀行借貸額的總和K流動=K總投資×0.2K貸款=K總投資×0.12K總=K固定×（1+0.2+0.12）項目成本主要是用于生產的直接投入的錢，以及用于設備維護保養(yǎng)的錢。（2）項目成本分析a.直接生產成本原材料及輔助材料費由反應需要的原料，比如丙烯和氨等、一些做輔助作用的材料(其中主要材料包括化學催化劑、溶液、包裝以及物品等)所需要消耗的整體能源量進行相加后綜合計算而成所得。公用工程費根據公用工程消耗能源(如水、電、蒸氣、冷制劑等)所乘以的單價確定。b.設備折舊成本設備的定期折舊主要含義是用于指對一個設備進行連續(xù)使用周期時間管理中的逐年性消耗和設備磨損的定期補償。對于大型石油化工設備企業(yè)而言，一般建議采取總費為設備制造費10%。（3）項目經濟效益評價項目的經濟性通常是用投資和回收期為基礎進行評價，就是項目所需要花多少錢，收回這些投資的錢需要多少年。投資回收期（年）=總投資/年凈利潤已知毛利潤，要求得年凈利潤就要再減去要繳納的稅費[21]，由毛利潤減去其他稅費收入計算而來,稅率通常每年可以只收取25%。毛利潤一般是賣出去的總產品的錢再拋除投資的成本就得到了毛利潤。6.2核算（1）原料成本及產品收入丙烯的進料量為40055.4kg/h=40.0554噸/h;丙烷的進料量為7405.2kg/h=7.4052噸/h；氨氣的進料量為17023.63kg/h=17.022363噸/h；水的量為51499.8kg/h=51.4998噸/h；原料C3H6C3H8NH3H2O丙烯腈乙腈單價(元/噸)8241.67456525001.7144008000數量(噸/h)40.05547.405217.0236351.499830.327784.10574金額(元/h)330123.38833804.73842559.07587.54966436720.03232845.92表6.1原料成本及產品收入匯總所以產品年利潤為：=（436720.032+32845.92-330123.388-33804.738-42559.075-87.54966）×24×300=453,536,649.648元/年=45353.6649648萬/年（2）設備成本表6.2設備成本設備名稱數量設備成本/萬人民幣流化床反應器1453.9430反應水冷卻器326*3廢熱鍋爐177.8氨中和塔147.34空氣飽和塔151.87丙烯蒸發(fā)器135氨蒸發(fā)器139水吸收塔155換熱器1129混合器119.5循環(huán)泵219.5*2冷凝器及其他附件165合計1090.45其他設備投資（15%主要設備投資）166.54（3）綜合投資修筑工廠廠房費用：買地和建設廠房需要1000萬；設備投資：總為1256.99萬；操作費用：雇傭66人，合402.06萬/年；維修費：取總設備成本的10%，為125.699萬/年；水電氣和汽：90萬/年；其他消耗：500萬/年毛利潤：45353.6649648-100-1256.99-402.06-125.699-90-500=42,878.92萬/年稅率取25%，年凈利潤：42,878.92-42,878.92×0.25=32159.19萬/年總投資為：(330123.388+33804.738+42559.075+87.54966)×24×300÷10000+1000+1256.99+402.06+125.699+90+500=296108.57元所以計算可得，投資回收期（年）=總投資/年凈利潤=296108.57/32159.19≈9.2年7結論丙烯腈在化工各種橡膠，塑料的生產中是非常重要的一種有機物質。在本次年產20萬噸丙烯腈的合成工藝及工廠設計中，進行了丙烯腈的合成、設備和設備布置的設計，得出以下結論：本次設計用丙烯氨氧化法生產丙烯腈[22]。計劃年產量為20萬噸，年工作日為300天，結合反應時間確定丙烯腈小時產量為：30327.78kg在論文的第三章進行了物料衡算，由此知道各原材料的需求量。通過熱量衡算確定所需物料的用量和進出設備的溫度及某些設備的熱負荷。經過分析,都能夠完全滿足要求。主要設備設計結果，詳見第4章。參考文獻[1]錢伯章,朱建芳．丙烯腈生產的國內外市場分析[J]．江蘇化工．2007,35(1)：56-59[2]羅保軍，等，丙烯腈的生產現狀與發(fā)展前景，化工科技市場，2003，10:11-14[3]楊錦宗編著，工業(yè)有機合成基礎，北京：中國石化出版社，1998，5