《化工过程分析和合成设计》课程设计报告 《Analysis, synthesis, and Design of Chemical Processes》Design Report年产10万吨丙烯腈生产流程概念设计林英光 喻冬秀指导教师：钱 宇 教授陆恩锡 教授专业名称：化学工程年 级：2004 博士单位名称：化工学院完成日期: 2005年3月目 录一、丙烯腈概述.......... ..................................... ........................................ (2)1.1 丙烯腈性质 (2)1.2 国内外生产现状 (3)1.3 丙烯腈生产方法 (4)1.4 项目设计背景 (4)1.5 设计目标 (4)1.6 设计任务 (4)二、合成丙烯腈技术分析 (4)2.1 反应过程分析 (4)2.2 分离过程分析....................... ....................... .. (7)三、流程叙述 (8)3.1 原料规格 (8)3.2 工艺流程 (8)四、流程模拟与优化........ . (8)4.1 工艺流程模拟 (9)4.2 冷凝塔F-101操作条件确定 (9)4.3 冷凝塔F-102操作条件确定 (10)4.4 精馏塔T-101操作条件确定 (11)4.5 精馏塔T-102操作条件确定........... .. (13)4.6 全流程模拟结果与物料衡算 (15)4.7 全流程模拟计算输出报告 (16)五、丙烷与丙烯氨氧化法对比经济分析 (16)5.1 反应过程对比经济分析 (16)5.2 投资成本对比经济分析 (17)六、总结 (18)七、建议 (18)八、参考文献 (18)九、附录:流程模拟计算输出报告 (19)一、 丙烯腈概述1.1丙烯腈的性质1.1.1 丙烯腈的物理性质丙烯腈是一种非常重要的有机化工原料，在合成纤维、树脂、橡胶急胶粘剂等领域有着广泛的应用。

丙烯腈，英文名Acrylonifrile（简称为ACN），化学分子式：CH2=CH-CN；分子量：53.1。

丙烯腈在常温下是无色或淡黄色液体，剧毒，有特殊气味；可溶于丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和乙醇等有机溶剂；与水互溶，溶解度见表1-1。

丙烯腈在室内允许浓度为0.002MG/L，在空气中的爆炸极限为3.05%~17.5%（体积），因此，在生产、贮存和运输中，必须有严格的安全防护措施。

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℃，共沸点中丙烯腈的含量为88%（质量），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。

丙烯腈的主要物理性质见表1-2。

表1-1 丙烯腈与水的相互溶解度温度水在丙烯腈中的丙烯腈在水中的温度水在丙烯腈中的丙烯腈在水中的/℃溶解度（质量）/% 溶解度（质量）/% /℃溶解度（质量）/% 溶解度（质量）/%0 2.10 7.15 50 6.15 8.4110 2.55 7.17 60 7.65 9.1020 3.08 7.30 70 9.21 9.9030 3.82 7.51 80 10.95 11.1040 4.85 7.90表1-2 丙烯腈的主要物理性质性质指标性质指标性质指标沸点(101.3KPa) 78.5℃燃点/℃ 481 蒸汽压/KPa熔点/℃—82.0 比热容/J.kg-1. K-120.92±0.03 8.7℃时 6.67相对密度(d426) 0.0806 蒸发潜热(0~77℃) 32.6kJ/mol 45.5℃时33.33粘度(25℃) 0.34 生成热(25℃) 151kJ/mol 77.3℃时 101.32折射率(n D25) 1.3888 燃烧热 1761kJ/mol 临界温度246℃闪点/℃0 聚合热(25℃) 72 kJ/mol 临界压力 3.42MPa1.1.2 丙烯腈的化学性质及应用丙烯腈由于分子结构带有C=C双键及-CN键，所以化学性质非常活泼，可以发生加成、聚合、腈基及氢乙基化等反应。

聚合反应和加成反应都发生在丙烯腈的C=C双键上，纯丙烯腈在光的作用下能自行聚合，所以在丙烯腈成品及丙烯腈生产过程中，通常要加少量阻聚剂，如对苯酚甲基醚（阻聚剂MEHQ）、对苯二酚、氯化亚铜和胺类化合物等。

除发生自聚外，丙烯腈还能与苯乙烯、丁二烯、乙酸乙烯、丙烯酰胺等发生共聚反应，由此可制得合成纤维、塑料、涂料和胶粘剂等。

丙烯腈经电解加氢偶联反应可以制得已二腈。

氰基反应包括水合反应、水解反应、醇解反应等，丙烯腈和水在铜催化剂存在下，可以水合制取丙烯酰胺。

氰乙基化反应是丙烯腈与醇、硫醇、胺、氨、酰胺、醛、酮等反应；丙烯腈和醇反应可制取烷氧基丙胺，烷氧基丙胺是液体染料的分散剂、抗静电剂、纤维处理剂、表面活性剂、医药等的原料。

丙烯腈与氨反应可制得1，3丙二胺，该产物可用作纺织溶剂、聚氨酯溶剂和催化剂。

丙烯腈主要用来生产ABS树脂，丙烯酰胺、丙烯酸纤维、己二睛和苯乙烯-己二睛树脂等，目前国内供不应求，每年需大量进口来满足市场需求，2000年进口量超过150kt。

1.2国内外生产现状1.2.1 国外情况近年来随着丙烯腈下游产品腈纶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/苯乙烯（ABS/AS）、丙烯酰胺、丁腈橡胶和丁腈胶乳、己二腈和己二胺等方面的发展，特别是下游精细化工新品的不断开发与应用，世界的丙烯腈需求量也不断增加。

1995－2000年，世界丙烯腈年均增长率约为4%。

生产能力从4750kt/a增至5800kt/a，产量由4330kt/a增至5050kt/a[1]。

表1-3 2000年世界丙烯腈生产能力 kt/a国家与地区生产能力占世界产能比例国家与地区生产能力占世界产能比例美国 1892 32.4% 中国大陆 408 7.0%日本 768 13.1% 中国台湾 380 6.5%德国 440 7.5% 韩国 370 6.3%意大利 280 3.3% 印度30 0.5%西班牙115 2.0% 巴西90 1.5%英国 280 4.8% 墨西哥 165 2.8%俄罗斯 240 4.1% 南非75 1.3%罗马尼亚80 1.4% 土尔其90 1.5%保加利亚45 0.7% 合计 5843表1-3反映出全球丙烯腈的生产与消费主要集中在美国、西欧、日本等工业发达国家与地区，他们生产能力约占全球生产能力的66.2%。

全球主要生产商：美国BP、Sterling、Monsanto、Solutia、American Cyanamid公司，和日本旭化成、三菱化成、三井化学、日东化学、昭和电工、住友化学公司，德国Erdoelchenie、BASF、PCK公司，意大利EniChem公司，荷兰的DSM公司，西班牙Repsol公司。

2000年全球丙烯腈消费结构为腈纶占54.5%，ABS/AS占25%，丁腈橡胶与胶乳占5%，其他占15.5%。

预计2000～2005年全球还将建设5～6套丙烯腈装置，将新增生产能力约1100kt/a。

1.2.2 国内生产情况 自20世纪80年代以来,我国丙烯腈工业发展较快，从国外引进8套装置，全部采用美国BP公司技术，目前总生产能力约为410kt/a。

目前,我国主要生产厂家及生产能力见表1-4。

表1-4 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齐鲁石化公司丙烯腈厂40兰州石化公司石化厂32抚顺石化公司腈纶厂50 计划扩展到70吉林石化公司化肥厂66 计划扩展到100安庆石化公司腈纶厂50合计 408近十年来我国丙烯腈飞速发展，1988年产量仅为80.5kt，2000年国内产量约为400kt，年均增长率约为14.3%。

尽管我国丙烯腈新装置不断建设，产量逐年增加，但是仍不能满足国内下游产品快速发展的需求。

目前，丙烯腈在国内市场呈现供不应求的状况，每年需大量进口来满足国内市场供应，且进口量呈逐年上升趋势，1997～2000年我国丙烯腈进口量分别为40，99，158，153kt。

1.3丙烯腈生产方法1.3.1丙烯氨氧化法 目前,全球95%以上的丙烯腈生产都采用美国BP公司(现为BP-AMOCO公司)开创并发展的丙烯氨氧化法技术（又称sohio法），该技术以丙烯和氨气为原料，通过氧化生产丙烯腈，副产乙腈和氢氰酸。

该法原料易得、工序简单、操作稳定、产品精制方便，经过近40年的发展，技术日趋成熟。

目前主要技术改进集中在催化剂、流化床反应器以及节能降耗等方面。

1.3.2 丙烷氨氧化法 以美国BP公司、日本三菱化成公司为代表的主要丙烯腈生产商开始了以丙烷为原料的生产丙烯腈的技术开发工作。

该技术主要合成工艺有两种:一是BP公司开发的丙烷直接氨氧化法，在特定的催化剂下，以纯氧为氧化剂，同时进行丙烷氧化脱氢和丙烯氨氧化法反应；二是BOC与三菱化成公司开发的独特循环工艺，主要是丙烷氧化脱氢后生成丙烯，然后再以常规氨氧化法生产丙烯腈，其主要特点是采用选择性烃的吸附分离体系的循环工艺，可将循环物流中的惰性气体和碳氧化物选择性除去，原料丙烷和丙烯100%回收，从而降低了生产成本。

尽管丙烷法较丙烯氨氧化法总投资高，但是由于丙烷价格（19.8美分/kg）比丙烯价格（39.6美分/kg）低一半，因此单从原料成本上看丙烷法比丙烯法更有前景，有关资料介绍丙烷法有望比丙烯氨氧化法降低30%的生产成本。

尽管目前尚处于研究阶段，开发高效的催化剂是关键，但是由于丙烷价格低廉、容易得到，不久的将来丙烷氨氧化法法可望工业化生产，前景乐观。

1.4 项目设计背景针对丙烯腈国内外供不应求的市场、石油涨价、丙烯紧缺的原料状况，本小组积极参与丙烯腈的技术开发，通过综述丙烷氨氧化法的最新技术信息，提出了本项目的设计方案。

1.5 设计目标1.5.1设计规模：100000吨丙烯腈/年，按照300天开工计算，即7200小时，丙烯腈产品流量13888.89Kg/hr,即261.56Kmol/h；1.5.2设计要求：丙烯腈产品纯度（质量）≥99.5%。

1.6 设计任务1.6.1 设计依据；参考国内外丙烯腈生产的最新技术，特别是催化剂设计的最新技术，对丙烷氨氧化法的工艺过程进行设计。

当前，合成丙烯腈（纯度≥99.5wt%）及其主要原料当前国内外价格：丙烯腈：81.57美元/kg；丙烯：39.6美分/kg；丙烷：19.8美分/kg；氨：19.1美分/kg。

1.6.2 设计任务；按年产100KT丙烯腈的生产规模，对丙烷氨氧化法生产丙烯腈的流程进行概念设计。

具体任务是：1）以丙烷、氨为原料，以空气中的氧为氧化剂，采用最新的高效催化剂，设计丙烷直接进行氨氧化制备丙烯腈的工艺流程；2）对分离系统结构加以调整和改进，精简结构，优化工艺，提高效率；3）用ASPEN-PLUS软件对流程进行全程模拟和优化主要操作单元工艺参数；4）与丙烯氨氧化法进行比较，分析丙烷氨氧化法的经济可行性。