1、 1齐 齐 哈 尔 大 学毕业设计（论文）题 目 年产 8 万吨丙烯腈废水处理工段的初步设计 学 院 化学与化学工程学院 专业班级 化工 084 班 学生姓名 指导教师 成 绩 2012 年 5 月 23 日齐齐哈尔大学毕业设计（论文）I 摘 要本设计完成了年产 8 万吨丙烯腈废水处理工段的初步设计。首先，说明书简单介绍了产品丙烯腈的意义与作用以及在国内外的发展现状。近年来随着丙烯腈在国内外需求量的攀升，极大的推动了丙烯腈的生产，但是，在丙烯腈生产过程中的污染问题也在日益凸显，尤其是在丙烯腈的合成和精制车间,将会产生大量含有氢氰酸、低聚物以及氰化物的高浓度有毒物质的废水，根据废水中有毒物质的沸
2、点不同，在工艺选择上，通过查阅相关资料和文献，确定了用四效蒸发生物降解法对有毒物质进行浓缩和降解。根据以往生产资料作为车间设计的经验数据，对工艺进行了大量的计算，包括物料衡算、热量衡算；并对主要的设备进行了 Aspen 模拟和计算选型。最后用AutoCAD 绘制了带控制点的工艺流程图、主要设备图、以及用手绘制车间平立面布置图。关键词：丙烯腈；废水；有毒物质；Aspen；工艺路线 齐齐哈尔大学毕业设计（论文）II AbstractIn the design, the preliminary design of the eighty thousand tons/year acrylonitrile
3、 wastewater treatment section was completed. First of all, the significance and functions of acrylonitrile and the development of the situation at home and abroad were introduced. In recent years, acrylonitrile rise in the domestic and foreign, Promote the production of acrylonitrile. At the same ti
4、me, Pollution problems are also becoming increasingly prominent in the production of acrylonitrile process. Especially in the synthesis and purification workshop of acrylonitrile. In the process will produce a large number of toxic substances wastewater such as hydrogen cyanide and acetonitrile. Acc
5、ording to the difference of boiling point of toxic substances in the waste water. In the technology choice, Through the access relevant information and literature. Toxic substances concentrate and degradate with four-effect evaporation-the biodegradation, Based on the previous information, the plant
6、 design was designed by empirical data, he content of the process, Including material balance and heat balance. And the major equipment was simulated by Aspen and calculated selection. Last draw the main equipment figure with Auto CAD and flow chart with control point plan and the process of the wor
7、kshop layout was drawn by hand.Key words: Acrylonitrile; Wastewater; Toxic substances; Aspen; Process route 齐齐哈尔大学毕业设计（论文）III 目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 总论.11.1 概述 .11.1.1 产品的意义与作用.11.1.2 国内外的现状及发展前景.11.1.3 产品的性质和特点.21.1.4 生产方法的概述.21.1.5 处理工艺概述.31.2 设计依据 .41.3 厂址选择 .51.3.1 厂址选择的重要性.51.3.2 厂址选择的基本要求.
8、51.3.3 本次厂址选择.61.4 设计规模与生产制度 .71.4.1 设计规模.71.4.2 生产制度.71.5 原料及产品规格 .81.5.1 主要原料规格及技术指标.81.5.2 产品规格.81.6 经济核算表 .8第 2 章 工艺设计与计算.102.1 工艺原理 .102.2 工艺路线的选择 .102.3 工艺流程简述 .112.3.1 工艺流程示意图.122.3.2 工艺流程简述.12齐齐哈尔大学毕业设计（论文）IV 2.4 工艺参数 .122.5 物料衡算 .132.5.1 物料衡算的意义与作用.132.5.2 物料衡算的方法与步骤.132.5.3 物料衡算.142.5.3 物料
9、衡算表.222.6 热量衡算 .222.6.1 热量衡算的意义.222.6.2 热量衡算及所需媒介的量.232.6.3 蒸发器的传热面积.242.6.4 热量衡算表.252.7 Aspen 模拟 .26第 3 章 设备选型.313.1 选型的 原则 .313.1.1 技术性评价原则.313.1.2 经济性评价原则.313.2 关键设备 .323.2.1 加热室.323.2.2 分离室直径与高度的确定.343.2.3 蒸发器接管设计.353.3 其它设备的选型 .40第 4 章 设备一览表.46第 5 章 车间设备布置设计.485.1 车间布置设计的原则 .485.1.1 车间设备布置的原则.4
10、85.1.2 车间设备平面布置原则.495.1.3 车间设备立面布置原则.495.2 车间设备布置 .49第 6 章 自动控制.516.1 主要的控制原理 .516.2 自控水平与控制点 .51第 7 章 安全和环境保护.53齐齐哈尔大学毕业设计（论文）V 7.1 三废产生情况 .537.2 三废处理原则 .53第 8 章 公用工程.558.1 供水 .558.2 供电 .558.3 供暖 .568.4 通风 .56结束语.57参考文献.58致 谢.60齐齐哈尔大学毕业设计（论文）1 第 1 章 总 论1.1 概述1.1.1 产品的意义与作用丙烯腈( AN) 为无色有毒液体，并且还是重要的有机
11、化工原料，广泛应用于合成化学、合成纤维和合成橡胶等许多工业领域 1。所以丙烯腈在人民经济生活和有机合成工业中用途特别广泛，它能与水部分互溶，空气和其蒸气极易形成爆炸性混合物。除此之外，丙烯腈还具有良好的耐寒性、耐油性、耐磨性。并且在大多数化学溶剂中，在热和阳光的作用下，性能比较稳定。目前在我国丙烯腈的生产能力约为106万吨年，但是需求量却已经突破百万吨，虽然在全国范围内丙烯腈产量在不断上升，但是今年国内供应丙烯腈仍然存在缺口。但是在丙烯腈的生产过程中，将会产生大量的有毒物质，这些有毒物质是石化行业中最常见的环境污染物，曾有报道指出在香烟、饮水和部分食品包装过程中检查出丙烯腈 2。由于丙烯腈废水
12、本身有毒有害并且还具有难降解的特性, 所以很难用传统的生物方法和物化方法将其进行合理有效的处理。目前含腈(或氰)废水的处理在国内外已经倍受关注。主要作用：首先丙烯腈可用来生产纤维腈纶（即合成聚丙烯纤维） 、丁二烯、苯乙烯塑料（ABS） 、丙烯腈和丙烯酰胺（即丙烯腈水解产物） 。其次丙烯腈醇解能制得丙烯酸酯等。再次丙烯腈在过氧甲酰（引发剂）的作用下还可以聚合生成高分子有机化合物聚丙烯腈。然后由聚丙烯腈制成的纤维腈纶质地比较柔软，与羊毛相类似，所以可称为“ 人造羊毛 ”，它具有强度高、保温性好、比重轻、耐酸、耐日光和耐大多数溶剂。丙烯腈还能与丁二烯共聚，合成的丁腈橡胶具有优良的耐寒、耐油、耐溶剂等
13、特性，并且丁腈橡胶还是现代工业最重要的橡胶，它的应用十分广泛。最后丙烯腈还是医药、染料等行业的重要有机原料。1.1.2 国内外的现状及发展前景目前世界上丙烯腈的生产主要集中在西欧、美国以及日本等地区。近年来丙烯腈的世界产能和需求量在不断增加。现阶段丙烯腈在我国的主要消费领域是腈纶纤维，约占整个需求量的55%；其次是丙烯酰胺、ABS / SAN 树脂和丁腈橡胶。表1-1 列出中国历年丙烯腈供需状况。由表可知目前我国丙烯腈的需求与现有生产能力之间仍有一定的差距，所以丙烯腈在我国仍有较大的需求。齐齐哈尔大学毕业设计（论文）2 表1-1 中国历年丙烯腈供需状况项目 2003 2004 2005 200
14、6 2011产能 48.7 64.6 73.4 80.0 101.3产量 42.0 51.8 60.4 71.2 93.1净进口 26.0 31.0 38.1 31.8 31.6表观消费量 68.0 81.2 98.5 103.0 124.7进口依存度 % 38.2 37.4 38.7 30.9 25.3目前就国外丙烯腈的消费情况来看，西欧和美国的丙烯腈市场发展相对缓慢，亚洲（不含日本）丙烯腈总消费量的比例是增长最快的地区，受当地需求的拉动，这一地区丙烯腈的产量也在迅速增长，预计未来几年丙烯腈装置开工率状态将会一直持续到新能源的投用。在这样的情况下，生产丙烯腈企业的最大难题是如何除去高浓度、剧
15、毒的有机废水，并且可将废水中的物质可以循环使用，对环境不能造成污染。经计算可知，在丙烯腈的生产过程中，几乎每生成 1t 丙烯腈就将会产生约 1.5t 废水。所以丙烯腈废水的处理已经引起了国内外学者的高度关注 3。1.1.3 产品的性质和特点丙烯腈为辛辣气味且极易挥发的的无色透明液体，微臭、味甜 4。能溶于水、乙醇、乙醚、苯、四氯化碳、和丙酮等有机溶剂，与水能形成共沸混合物。有腐蚀性、易挥发。在氧存在下，遇光和热能进行聚合并且易燃，遇高温、火种、氧化剂等有燃烧和爆炸的危险，纯品极易自聚，尤其是暴露在可见光或缺氧的情况下，更易聚合，并且在浓碱的存在下能完全聚合。空气与其蒸气容易形成爆炸性混合物，遇
16、高热、明火容易引起燃烧，并产生有毒气体。与强酸、强碱、氧化剂、溴、胺类剧烈反应。在高温的火场下，能发生聚合并且放热，可使容器破裂。丙烯腈别名：氰基乙烯，分子量：53.06，化学式：C3H3N，密度：0.806g/cm3，沸点：77.3，熔点：-82，自燃点：48l，闪点： -1.1（开杯） ，折射率：1.388，爆炸极限（25）为 3.05%17.0%0.5%（体积） 。蒸气压（20）为 11.07kPa。粘度（25）为 0.34mPas。1.1.4 生产方法的概述以氨氧、丙烯和空气中的氧为原料合成丙烯腈，主要副产物为氢氰酸、丙烯醛、乙腈、CO 和 CO2。2C3H3+2NH3+3O22C 3
17、H3N+2H2O 生产过程为，原料气体以氨丙烯空气=1.151.010.5(mol)的比例从底部进入流化床反应器，此时需要的压力为 63.74kPa，反应的温度 440。反应用钒铝氧氮化物为催化剂，反应过程中用软水循环进行回收，产生高压蒸汽。反应后的气体经冷却后，齐齐哈尔大学毕业设计（论文）3 洗涤、吸收、分离、精制后得到高纯度产品，这种方法具有原料易得、产品成本低、工艺过程简单等优点。目前该方法是国内外主要的生产丙烯腈方法。但现在存在一个全国范围内丙烯腈原料紧缺的问题 5。1.1.5 处理工艺概述根据现有各种工艺进行比较。目前，对于处理丙烯腈废水极为重要的一点是选择一条既节能减排，又减少经济
18、投入、能够提高效率的工艺路线。通过各个方面进行比较，综合考虑工艺路线的经济性和环保性，我们选择了四效蒸发和生物降解处理法相结合的工艺路线。一方面能在浓缩废水的同时提高分离洁净水的纯度，另一方面还能避免因焚烧法所带来的种种不利。根据丙烯腈的性质和特点，我们采用多效蒸发。多效蒸发是蒸发的一种：在生产的过程中，蒸发大量的水分必然需要消耗更多的加热蒸汽。在多效蒸发过程中可将前一效产生的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽，这样可以节省热源的消耗。同样蒸发时要求后一效的溶液的沸点和操作压强均较前一效的低，因此引入前一效的二次蒸汽可作为后一效的加热介质，以上就是多效蒸发的操作原理 6。对于蒸发器主要是从效数、顺逆
19、流和循环方式这三方面进行选择。（1）效数从理论上来讲，蒸发器的效数越多，蒸汽被循环利用的次数也就越多，如果蒸汽的消耗量越低，那么产品的成本将会下降，生产运转费也将降低。但如果反过来，蒸发器的效数越多，随着蒸发器的增加，投资费用也会相应增加，从而提高了产品成本与折旧费。通过查阅化工原理第三版下册附录 3.2，所以理论上消耗蒸汽用量与效数的关系见表 2-4。表 1-1 蒸发单位水量所需消耗的蒸汽量效数 单效 双效 三效 四效 五效(D： W)/min 1.1 0.57 0.4 0.3 0.27注：(D 为加热蒸发消耗量(kg)，W 为蒸发水量(kg)沸点升高越大，则有效温差越小，所以采用的效数也就
20、相应的减少。查阅有关数据可知，丙烯腈废水的主要成分有丙烯腈、丙烯醛、乙腈等，它们的沸点都低于 100（77.3、53、81.5） ，因此选择了四效蒸发器。（2）流程顺流操作时，后一效蒸发室的压强比前一效低，废水在效间通过小功率的泵进行输送。后效蒸发室的温度较效低，当前效溶液进入后效，会闪蒸出一部分蒸汽，所以将消耗少量的生蒸汽。但是顺流流程时后效的温度低、浓度高、传热速率小、粘度增高。逆操作时与顺流操作恰好相反，后效温度低、浓度高，从而各效的传热速率比较齐齐哈尔大学毕业设计（论文）4 接近，但所需蒸汽消耗多，离心泵的功率大，并且逆流对材质要求比较高 7。通过以上比较，所以本次工艺采用顺流路线。（
21、3）循环方式I、II、III、IV 分别是一效、二效、三效、四效的二次蒸汽图1-1 四效顺流式蒸发器由于丙烯腈的密度：0.806g/cm3，氢氰酸的密度0 .69 g/cm3，乙腈的密度为0.79 g/cm3，所以根据溶液的密度不同，本次工艺采用中央循环管式蒸发器。根据以上三个方面的考虑，本文采用了四效顺流式中央循环管式蒸发器(图1-1)。在运行过程中严格遵守蒸汽温度和蒸汽压力等工艺参数。物料、二次蒸汽、蒸汽以及冷凝水相接触的部件都采用不锈钢进行生产。该设备主要有第一、二、三、四效蒸发器、真空泵、冷凝器还有储罐所组成。主要技术参数：蒸发温度：第一效1252，第二效1122，第三效902 ，第四
22、效602；压力：第一效为0.137MPa ，第二效为0.062MPa ；第三效为-0.013MPa；第四效为-0.088MPa。最后通过第四效蒸发器蒸出的水蒸气冷却后进行检测，然后进行中和处理，当PH在68之间可排入净化水池进行循环使用，最后浓缩后的废水通入生物降解池。1.2 设计依据本次设计以齐齐哈尔大学化学与化学工程学院化学工程与工艺专业下达的具体任务书为依据，根据开题报告，提出设计的方案，确定本工段的设计原理，同时根据合理的除杂方法、确定工艺流程、对该工段进行物料衡算和热量衡算以及蒸发器的计算和选型、对车间的设备进行合理的布置，最后对整个工段进行供电、供水、供暖、通风和环境保护的初步设计等。本设计的题目为年产 8 万吨丙烯腈废水处理工段的初步设计，除去丙烯腈废水中杂质的主要产品符合 GB338-92 的标准，年产时间为 330 天，
