1

2

Acrylonitrile is a chemical compound with the formula C3H3N. This pungent-smelling colorless liquid often appears yellow due to impurities. It is an important monomer for the manufacture of useful plastics.

CH2=CHCH3 + NH3 + 1.5O2 CH2=CHCN + 3H2O

Ammoxidation Reaction :

CH2=CHCH3 + 3NH3 + 3O2 3HCN + 6H2O

Conversion  of 1st reaction is 90%

3

Conversion  of 2nd reaction is 2 %

ใช้� silica supported oxides of selenium, iron, tellurium 

ในสั�ดสั�วน OSe1Fe0.83OTeO0.68 

Convert mole fraction to mass fraction

Mole fraction(x) = mole of I / total moleMass fraction (w) = mass of I / total mass

X*Mw = mass of i / total mole       ______(1) * Mw = total mass / total mole  _____(2)

(1) / (2) = mass fraction

4

(         )

5

Basis1. capacity of Acrylonitrile is 99,000 ton per year(shut down all operation unit 14 days/year)so we produce Acrylonitrile 11,752.14 kg per day

2. Units of flow rate are kg/hr

3. Operating at steady-state 

A MixerB CompressorC HeaterD ReactorE CoolerF DecanterG CoolerH SplitterI Distillation

Streamflow rate (kg/hr)

1 193919.272 211535.643 290844.094 696299.005 696299.006 696299.007 696299.008 696299.009 182463.62

10 513835.3811 513835.3812 211603.0113 302232.3614 14748.9415 287483.43

6

MIXER

ในการเลื�อกให้� MIXER จะเลื�อกใช้�แบบ Gas Mixer เน��องจากสัารตั้��งตั้�นทั้��ง 3 ช้น�ดของกระบวนการผลื�ตั้มี สัถานะเป็#นแก$สัทั้��งห้มีด

ห้ลื�กการทั้%างานของ Mixer คื�อ ทั้%าการผสัมีสัารตั้��งตั้�นทั้ �ใช้�ในกระบวนการผลื�ตั้ให้�ผสัมีเป็#นสัายเด ยวก�นก�อนน%าไป็ใช้�งานในห้น�วยถ�ดไป็

7

COMPRESSOR

Gas Compressor คื�อ อ)ป็กรณ์+ทั้ �ใช้�ในการเพิ่��มีคืวามีด�นของแก$สั (Static pressure) ให้�สั-งข.�น แบ�งเป็#น 4 ช้น�ด

1. Axial Compressor2. Centrifugal Compressor3. Helical Screw Compressor4. Reciprocating Gas

Compressors สั�วนให้ญ่�น�ยมีใช้� Centrifugal Gas

Compressor เน��องจากให้�ป็ระสั�ทั้ธิ�ภาพิ่สั-ง เห้มีาะสัมีก�บ Condition ในการใช้�งาน

8

HEATER & COOLER

Heater แลืะ Cooler จะเป็#นสั�วนห้น.�งของ Heat Exchangers ซึ่.�งในกระบวนการผลื�ตั้ทั้ �ตั้�องการเพิ่��มีห้ร�อลืดอ)ณ์ห้ภ-มี�ของของไห้ลื (ก$าซึ่ ห้ร�อ ของเห้ลืว)

โดยในกรณ์ น �จะเลื�อกใช้� เคืร��องแลืกเป็ลื �ยนคืวามีร�อนแบบไห้ลืตั้ามีขวาง (Cross-flow heat exchanger) เป็#นการทั้%าให้�ก$าซึ่ร�อนข.�นห้ร�อเย4นลืง โดยของไห้ลืในทั้�อพิ่�จารณ์าเป็#นแบบไมี�ผสัมีก�น (unmixed) แก$สัทั้ �ไห้ลืภายนอกเป็#นแบบผสัมีก�น เพิ่ราะมี�นสัามีารถเคืลื��อนทั้ �ได�อย�างอ�สัระระห้ว�างทั้�อ 9

REACTOR

เคืร��องป็ฏิ�กรณ์+ในการทั้%าป็ฏิ�ก�ร�ยาของสัารมี ห้ลืากห้ลืายช้น�ดในกระบวนการน � จะเลื�อกใช้�แบบ Packed Bed Reactor โดยภายใน Reactorจะมี เมี4ด ตั้�วเร�งป็ฏิ�ก�ร�ยา(Catalyst) ทั้ �จ%าเป็#นใช้�ในการกระตั้)�นป็ฏิ�ก�ร�ยาของก$าซึ่เป็#น Packing โดยป็ฏิ�ก�ร�ยาเคืมี จะเก�ดข.�นบนพิ่��นผ�วของตั้�วเร�งป็ฏิ�ก�ร�ยาซึ่.�งอ�ตั้ราการเก�ดป็ฏิ�ก�ร�ยาข.�นอย-�ก�บป็ร�มีาณ์ของตั้�วเร�งป็ฏิ�ก�ร�ยาของแข4งมีากกว�าขนาดของเคืร��องป็ฏิ�กรณ์+

10

SEPARATOR

การทั้%างานของ Separator เป็#นการแยกสัารทั้ �ตั้�องการออกการออกจากสั��งเจ�อป็น ในกรณ์ น �เลื�อกใช้�แบบ Decanter Separator โดยอาศั�ยคืวามีแตั้กตั้�างของคืวามีห้นาแน�น ของสัารผสัมีแตั้�ลืะตั้�ว การทั้%างานอาศั�ยห้ลื�กการห้มี)นเห้ว �ยง โดยทั้ �สัารทั้ �มี คืวามีห้นาแน�นมีากจะถ-กห้มี)นเห้ว �ยงตั้กลืงมีาด�านลื�าง

โดยห้ลื�กห้ลื�กแลื�วเราตั้�องการแยกเฟสัของเห้ลืวออกจากเฟสัไอทั้ �เราตั้�องการเป็#นผลื�ตั้ภ�ณ์ฑ์+ เป็#นกระบวนการห้น.�งเพิ่��อทั้%าให้�ผลื�ตั้ภ�ณ์ฑ์+บร�สั)ทั้ธิ�9ย��งข.�น

11

SPLITTER

Splitter เป็#นการแยกสั��งเจ�อป็นออกจากสัารทั้ �เราตั้�องการ (ผลื�ตั้ภ�ณ์ฑ์+)ซึ่.�งเป็#นอ กกระบวนการห้น.�งทั้ �ทั้%าให้�สัารผลื�ตั้ภ�ณ์ฑ์+บร�สั)ทั้ธิ�9ย��งข.�น ในกรณ์ น �เลื�อกใช้� Splitter แบบ FSplit (Flow Splitter) เพิ่��อแยกสั��งทั้ �เราตั้�องการเป็#น product ออกจากสั�วนอ��นๆ

12

DISTILLATIONการกลื��น (distillation) เป็#นการแยกสัารลืะ

สัายทั้ �เป็#นของเห้ลืวออกจากของผสัมี โดยอาศั�ยห้ลื�กการระเห้ยกลืายเป็#นไป็แลืะคืวบแน�น โดยทั้ �สัารบร�สั)ทั้ธิ�9แตั้�ลืะช้น�ดเป็ลื �ยนสัถานะได�ทั้ �อ)ณ์ห้ภ-มี�จ%าเพิ่าะ สัารทั้ �มี จ)ดเด�อดตั้%�าจะเด�อดเป็#นไอออกมีาก�อน เมี��อทั้%าให้�ไอของสัารมี อ)ณ์ห้ภ-มี�ตั้%�าลืงจะคืวบแน�นกลื�บมีาเป็#นของเห้ลืวอ กคืร��งการกลื��นมี 4 แบบด�งน �

1. การกลื��นแบบธิรรมีดาห้ร�อการกลื��นอย�างง�าย (simple distillation)

2. การกลื��นลื%าด�บสั�วน(fractional distillation)

3. การกลื��นน%�ามี�นด�บ (refining) 4. การสัก�ดโดยการกลื��นด�วยไอน%�า

13

14

Chemicals

A. MixerIn take Products

from

Flow rate of streams

toMass

fraction

Flow rate of

streams %Mass

fraction 1Mass

fraction 2Mass

fraction 34

Propylene import 1 11940.26 0 0 0 0Compresso

r0.39 11135.76 38.66

Ammonia import 0 0 1 4569.14 0 0Compresso

r0.17 4911.98 17.05

Oxygen import 0 0 0 0 1 12297.67Compresso

r0.44 12759.32 44.29

Water - 0 0 0 0 0 0 - 0 0 0

Acrylonitrile - 0 0 0 0 0 0 - 0 0 0

Hydrogen Cyanide

- 0 0 0 0 0 0 - 0 0 0

sum 1 11940.26 1 4569.14 1 12297.67   1 28807.06 100.00

28807.06

15

CH2=CHCH3 + NH3 + 1.5O2 CH2=CHCN + 3H2O

CH2=CHCH3 + 3NH3 + 3O2 3HCN + 6H2O

การคำ�านวณหา % สารที่� จะ feed เข้�า mixer

CH2=CHCH3 : 0.9(1) + 0.1(2) = 1.1 _____30.30%

NH3 : 0.9(1) + 0.02(3) + 0.08(1) = 1.04 _____28.65%

O2 : 0.9(1.5) + 0.02(3) + 0.08(1) = 1.49 _____41.05%

Conversion  of 1st reaction is 90%Conversion of 2nd reaction is 2%

16

จาก reaction

จะได�ว�า

การคำ�านวณหา % สารที่� จะ feed เข้�า mixer (cont’d)

แตั้�ลืะสัายทั้ �ฟ;ดเข�าจะมี mole fraction ของตั้�วมี�นเองเทั้�าก�บ 1 เพิ่ราะฟ;ดแยกสัายก�น

propylene  ทั้ �ตั้�องฟ;ดเข�า= feed ratio * mole fraction * molegular weight * ก%าลื�งการผลื�ตั้= 0.30 * 1 * 42.08 * 9.36 kg/hr = 11940.26 kg/hr 

ammonia  ทั้ �ตั้�องฟ;ดเข�า= 0.28 * 1 * 17.03 * 9.36 kg/hr = 211535.64 kg/hr

oxygen ทั้ �ตั้�องฟ;ดเข�า= 0.41 * 1 * 31.99 * 9.36 kg/hr = 290844.09 kg/hr 17

CH2=CHCH3 : 0.9(1) + 0.1(2) = 1.1 _____30.30%

NH3 : 0.9(1) + 0.02(3) + 0.08(1) = 1.04 _____28.65%

O2 : 0.9(1.5) + 0.02(3) + 0.08(1) = 1.49 _____41.05%

Chemicals

B. Compressor (K-100)

In take Products

fromMass

fraction

Flow rate of streams to

Mass fraction

Flow rate of streams %

4 5

Propylene mixer 0.39 11135.76 heater 0.39 11135.76 38.66

Ammonia mixer 0.17 4911.98 heater 0.17 4911.98 17.05

Oxygen mixer 0.44 12759.32 heater 0.44 12759.32 44.29

Water - 0 0 - 0 0 0

Acrylonitrile - 0 0 - 0 0 0

Hydrogen Cyanide - 0 0 - 0 0 0

sum 1 28807.06   1 28807.06 100.00

18

Chemicals

C. Heater (E-100)

In take Products

fromMass

fraction

Flow rate of streams to

Mass fraction

Flow rate of

streams %

5 6

Propylenecompresso

r0.39 11135.76 reactor 0.39 11135.76 38.66

Ammoniacompresso

r0.17 4911.98 reactor 0.17 4911.98 17.05

Oxygencompresso

r0.44 12759.32 reactor 0.44 12759.32 44.29

Water - 0 0 - 0 0 0

Acrylonitrile - 0 0 - 0 0 0

Hydrogen Cyanide

- 0 0 - 0 0 0

sum 1 28807.06   1 28807.06 100.00

19

Chemicals

D. Catalyst Packed Bed Reactor (CRV-100)

In take Products

fromMass

fraction

Flow rate of

streams toMass

fraction

Flow rate of streams %

6 7

Propylene heater 0.39 11135.76 cooler 0.03 902.23 3.13

Ammonia heater 0.17 4911.98 cooler 0.01 365.14 1.27

Oxygen heater 0.44 12759.32 cooler 0.02 685.89 2.38

Water - 0 0 - 0.47 13619.84 47.28

Acrylonitrile - 0 0 - 0.44 12800.03 44.43

Hydrogen Cyanide

- 0 0 - 0.02 433.93 1.51

sum 1 28807.06   1 28807.06 100.00 20

CH2=CHCH3 + NH3 + 1.5O2 CH2=CHCN + 3H2O

CH2=CHCH3 + 3NH3 + 3O2 3HCN + 6H2O

การคำ�านวณหา % สาร outlet stream จาก reactor

CH2=CHCH3 : 0.08(1) = 0.08 _____1.99%

NH3 : 0.08(1) = 0.08 _____1.99%

O2 : 0.08(1) = 0.08 _____1.99%

C3H3N : 0.9(1) = 0.9 _____22.38%H2O : 0.9(3) + 0.02(6) = 2.82 _____70.15%

HCN : 0.02(3) = 0.06 _____1.49%

Conversion  of 1st reaction is 90%Conversion of 2nd reaction is 2%

21

จาก reaction

จะได�ว�า

Chemicals

E. Cooler (E-101)In take Products

fromMass

fraction

Flow rate of streams to

Mass fraction

Flow rate of streams %

7 8

Propylene reactor 0.03 902.23 decanter 0.03 902.23 3.13

Ammonia reactor 0.01 365.14 decanter 0.01 365.14 1.27

Oxygen reactor 0.02 685.89 decanter 0.02 685.89 2.38

Water reactor 0.47 13619.84 decanter 0.47 13619.84 47.28

Acrylonitrile reactor 0.44 12800.03 decanter 0.44 12800.03 44.43

Hydrogen Cyanide

reactor 0.02 433.93 decanter 0.02 433.93 1.51

sum 1 28807.06   1 28807.06 100

22

Chemicals

F. DecanterIn take Products

fromMass fraction

Flow rate of stream

s

% phase   to

Mass fraction

Flow rate of stream

s %

Mass

fraction

Flow rate of

streams %

98 liquid gas 10

Propylene cooler 0.03 902.23 0.84 99.16 cooler 0 7.56 0.03 0.04 894.67 3.11

Ammonia cooler 0.01 365.14 1.06 98.94 cooler 0 3.87 0.01 0.02 361.26 1.25

Oxygen cooler 0.02 685.89 0 100 cooler 0 0 0 0.03 685.89 2.38

Water cooler 0.4713619.8

452.32 47.68 cooler 0.93 7125.78 24.74 0.31 6494.06 22.54

Acrylonitrile

cooler 0.4412800.0

33.88 96.12 cooler 0.07 497.22 1.73 0.58 12302.80 42.71

Hydrogen Cyanide

cooler 0.02 433.93 2.61 97.39 cooler 0 11.31 0.04 0.02 422.62 1.47

sum 128807.0

6      1 7645.75 26.54 1.00 21161.31 73.46

28807.06 100.00

23

การคื%านวณ์ mass balance ใน Decanter

From property of substances at 100 oC and 2 bar

So, )= feed in stream 9And, )= feed in stream 10

chemicals%phase

liquid gas

Propylene 0.84 99.16

Amnonia 1.07 98.93

Oxygen 0 100

Water  52.47 47.53

Acrylonitrile 3.91 96.09

Hydrogen Cyanide 2.62 97.38

24

การคื%านวณ์ outlet stream จาก Decanter

25

Stream 9Propylene : mass flow rate = 0.0084 * 902.23 kg/hr = 7.56 kg/hr  Ammonia :  mass flow rate = 0.0106 * 365.14 kg/hr = 3.87 kg/hrOxygen : mass flow rate = 0Water : mass flow rate = 0.5232 * 13619.84kg/hr = 7125.78 kg/hrAcrylonitrile : mass flow rate = 0.0388 * 12800.03 kg/hr = 497.22 kg/hrHydrogen Cyanide : mass flow rate = 0.0261 * 433.93 kg/hr  = 11.31 kg/hr

Stream 10Propylene : mass flow rate = 0.9916 * 902.23 kg/hr = 894.67 kg/hr  Ammonia :  mass flow rate = 0.9894 * 365.14 kg/hr = 361.26 kg/hrOxygen : mass flow rate = 1* 685.89 kg/hr = 685.89 kg/hrWater : mass flow rate = 0.4768 * 13619.84kg/hr =6494.06 kg/hrAcrylonitrile : mass flow rate = 0.9612 * 12800.03 kg/hr = 12302.80 kg/hrHydrogen Cyanide : mass flow rate = 0.9793 * 433.93 kg/hr  = 422.62 kg/hr

Chemicals

G. Cooler (E-102)In take Products

fromMass

fraction

Flow rate of streams to

Mass fraction

Flow rate of streams %

10 11

Propylene separator 0.04 894.67 splitter 0.04 894.67 4.23

Ammonia separator 0.02 361.26 splitter 0.02 361.26 1.71

Oxygen separator 0.03 685.89 splitter 0.03 685.89 3.24

Water separator 0.31 6494.06 splitter 0.31 6494.06 30.69

Acrylonitrile separator 0.58 12302.80 splitter 0.58 12302.80 58.14

Hydrogen Cyanide

separator 0.02 422.62 splitter 0.02 422.62 2.00

sum 1.00 21161.31   1 21161.31 100.00

26

Chemicals

H. Splitter

In take Products

fromMass

fraction

Flow rate of

streams toMass

fraction

Flow rate of

streams %Mass

fraction

Flow rate of

streams %

11 12 13

Propylenecoole

r0.04 894.67

quencher

0.11 894.67 4.23 0 0 0

Ammoniacoole

r0.02 361.26

quencher

0.04 361.26 1.71 0 0 0

Oxygencoole

r0.03 685.89

quencher

0.08 685.89 3.24 0 0 0

Watercoole

r0.31 6494.06

quencher

0.77 6494.06 30.69 0 0 0

Acrylonitrile

cooler

0.58 12302.80quenche

r0 0 0.00 0.97 12302.80 58.14

Hydrogen Cyanide

cooler

0.02 422.62quenche

r0 0 0.00 0.03 422.62 2.00

sum 1 21161.31   1 8435.89 39.86 1 12725.42 60.14

21161.31 100.00

27

Chemicals

I. Distillation

In take Products

fromMass

fraction

Flow rate of

streams toMass

fraction

Flow rate of

streams % toMassfracti

on

Flow rate of

streams %

13 14 15

Propylenesplitte

r0 0 - 0 0 0 - 0 0 0

Amnoniasplitte

r0 0 - 0 0 0 - 0 0 0

Oxygensplitte

r0 0 - 0 0 0 - 0 0 0

Watersplitte

r0 0 - 0 0 0 - 0 0 0

Acrylonitrile

splitter

0.97 12302.80 sold 0.51 319.43 2.51 sold 0.99 11983.38 94.17

Hydrogen Cyanide

splitter

0.03 422.62 sold 0.49 301.58 2.37 sold 0.01 121.04 0.95

sum 1 12725.42   1 621.00 4.88     12104.42 95.12

12725.42100.0

0

28

การคำ�านวณ mass balance ใน Distillation column

Stream 14

mass flow rate of stream 14 = 621.00 kg/hrmass fraction of Acrylonitrile = 0.51mass fraction of Hydrogen cyanide = 0.49

mass flow rate of acrylonitrile = 0.51 x 621.00 kg/hr = 319.43 kg/hr

mass flow rate of Hydrogen cyanide  = 0.49 x 621.00 kg/hr = 301.58 kg/hr

Therefore

29

Stream 15

mass flow rate of stream 15 = 12,104.42 kg/hr

mass fraction of acrylonitrile = 0.99mass fraction of Hydrogen cyanide = 0.01

Therefore

mass flow rate of acrylonitrile = 0.99 x 12,104.42 kg/hr = 11983.38 kg/hr

mass flow rate of Hydrogen cyanide  = 0.01 x 12,104.42 kg/hr = 121.04 kg/hr

30

จะเห้4นว�า เมี��อ stream 13  ซึ่.�งมี mass Flow rate =12,725.42 kg/hr เข�า Distillation column  จะออกมีาเป็#น 2 stream  คื�อ 14  แลืะ15  Stream 14 mass flow rate of acrylonitrile= 319.43 kg/hr 

คื�ดเป็#นเป็อร+เซึ่4นตั้+ = 319.43 kg/hr / 12,725.42 kg/hr= 2.51%Flow rate of Hydrogen cyanide = 321.03 kg/hr mass  คื�ดเป็#นเป็อร+เซึ่4นตั้+ = 301.58 kg/hr / 12,725.42 kg/hr= 2.37%

คื�ดเป็#นเป็อร+เซึ่4นตั้+ทั้��งห้มีดทั้ �สัารอย-�ทั้ � Stream 14  = 4.88 %Stream 15 mass flow rate of acrylonitrile= 11983.38 kg/hr 

คื�ดเป็#นเป็อร+เซึ่4นตั้+ = 11983.38 kg/hr / 12,725.42 kg/hr= 94.17%Flow rate of Hydrogen cyanide = 121.04 kg/hr mass  คื�ดเป็#นเป็อร+เซึ่4นตั้+ = 121.04 kg/hr / 12,725.42 kg/hr= 0.95%

คื�ดเป็#นเป็อร+เซึ่4นตั้+ทั้��งห้มีดทั้ �สัารอย-�ทั้ � Stream 15  = 95.12% = 4.88 %  + 95.12% = 100% 

31

Reflux Ratio ที่� Condenser ข้อง Distillation

Reflux Ratio = L/D = 3

 Overall Balance  รอบ Condenser  จะได�                            

จาก D =621.00 kg/hr  จะได� L0 =1863.00 kg/hr

แทั้นคื�า เพิ่ราะฉะน��น V1 =2484.00 kg/hr

 V1  =L0  +D

32

33

34

35

Acrylonitrile are product from distillation unit. We found that reactant 28807.06 kg/hr can produced to acrylonitrile %yield = 42.02 % by total feed

36

1.Richard Turton, Richard C. Bailie, Wallace B. Whiting. Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes (2nd Edition). Bernard M. Goodwin.2003.2.Text Book, Process and Plant Design, Conceptualization and Analysis of Chemical Processes.3.Http://www.engg.uaeu.ac.ae/departments/units/gra/Presentation/fs_08_09/finals-fs08.09/female/chem&Pet/CHF2-2/site/main.htm

37