Производство акрилонитрила


Введение

Акрилонитрил за последние годы приобрел большое значение как полупродукт для производства синтетических высокополимерных веществ. Сополимеризацией акрилонитрила с бутадиеном получают бутадиен-нитрильные каучуки, обладающие многими ценными свойствами, в особенности маслостойкостью. Из полимеров акрилонитрила вырабатывают синтетическое волокно (нитрон), а из сополимеров акрилонитрила с хлористым винилом получают волокна, известные под названиями виньон и дайнел. Полнакрилонитрильные волокна по объему выработки занимают сейчас второе место после полиамидных волокон.

Акрилонитрил применяется для обработки хлопкового волокна, придавая ему прочность и стойкость против гниения. Он используется для производства пластических масс, пластификаторов, клеев. Сополимеризацией стирола и акрилонитрила получают ударопрочный полистирол.

Производится в промышленности несколькими способами:

— из этилена с синильной кислотой

2CH2=CH2 + 2HCN + O2 2CH2=CHCN + 2 H2O,

— из окиси этилена с синильной кислотой

H2C-CH2 + HCN HOCH2CH2CH CH2=CHCN + H2O,

O

— из ацетальдегида с синильной кислотой

H3CHCO + HCN CH3CH(OH)CN CH2=CHCN + H2O,

— из пропилена с оксидом азота

4CH2=CHCH3 + 6NO 4CH2=CHCN + N2 + 6H2O,

— окислительным аммонолизом пропилена

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

Первые четыре метода получения акрилонитрила в значительной степени утратили свое былое значение. Наиболее распространен и экономичен способ получения акрилонитрила окислительным аммонолизом пропилена. Основные преимущества этого метода: одностадийность процесса, дешевизна и доступность сырья, высокие технико-экономические показатели.

Целью данной работы является ознакомление с основным технологическим процессом получения акрилонитрила и расчет основных технологических показателей.

1. Аналитический обзор

Акрилонитрил (нитрил акриловой кислоты (НАК), 2-пропеннитрил, винилцианид (цианистый винил)) при нормальных условиях — бесцветная или желтоватая жидкость с легкоразличимым запахом горчицы,

Строение и химический состав вещества соответствует приведенной химической формуле.

Основные физико-химические свойства акрилонитрила представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Основные физико-химические свойства акрилонитрила

Физико-химические свойства

Обозначение

Единица измерения

Значение

Молекулярная масса

М

53,06

Температура затвердевания

Тзатв

°С

-83,55

Температура кипения

Ткип

°С

77,3

Температура воспламенения

Тв

°С

2

Температура самовоспламенения

Тсв

°С

370

Концентрационный предел взрываемости в смеси с воздухом

КПВ

%

3-17

Предельно-допустимая концентрация в воздухе

ПДК

0,5

Плотность при 20°С

d204

г/см3

0,8064

Вязкость при 20°С

з

мПа-с

0,40

Вязкость при 60°С

з

мПа-с

0,25

Давление пара при 20°С

Рп

кПа

11,3

Давление пара при 40°С

Рп

кПа

26,67

Давление пара при 80°С

Рп

кПа

108,7

Дипольный момент (пар)

м

Кл•м

1,29-10-29

Потенциал ионизации

эВ

10,75

Критическое давление

Ркрит

МПа

3,54

Критическая температура

Ткрит

°С

246

Теплоемкость

С0р

кДж/(кг•К)

2,09±0,12

Энтальпия образования (газ)

ДН0 обр

кДж/моль

-190

Энтальпия образования (жидк.)

ДН0 обр

кДж/моль

-152

Энтальпия испарения (0-80°С)

ДН0 исп

кДж/моль

32,6

Энтальпия сгорания

ДН0сгор

кДж/моль

1,76

Энтропия (пар)

ДS0

Дж/(моль•К)

274,1

Растворимость в воде при 20°С

Р(Н2О)

%

7,3

Акрилонитрил смешивается с большинством органических растворителей в любом соотношении, частично растворим в воде. Образует азеотропные смеси с водой (87,5% акрилонитрила; температура кипения 70,5°С), бензолом (47%; 73,3°С), метанолом (38,7%; 61,4°С), четыреххлористым углеродом (21%; 66°С) и др.

Пары акрилонитрила тяжелее воздуха, легко воспламеняются от искр и пламени и образуют с воздухом в широком диапазоне концентраций взрывоопасную смесь. Ликвидация пожара осуществляется спиртоустойчивой пеной, разбрызгиванием воды, двуокисью углерода.

Акрилонитрил обладает раздражающим действием, легко всасывается через неповрежденную кожу. Токсическое действие подобно цианидам (вызвано образованием цианида в организме). При горении образуются ядовитые газы. Воздействие акрилонитрила вызывает у человека раздражение глаз, покраснение и жжение кожи, головную боль, тошноту, слабость, одышку, потливость, сердцебиение, понижение температуры тела, ослабление пульса, судороги, потерю сознания, Тяжелое отравление может привести к асфиксии и смерти.

Для акрилонитрила, как химического соединения, наиболее характерны реакции по связи С=С, в том числе полимеризация с образованием полиакрилонитрила и сополимеризация с бутадиеном, стиролом, винилхлоридом и др. Под действием концентрированной серной кислоты акрилонитрил превращается в акриламид (CH2=CHC(O)NH2) и акриловую кислоту (СН2=СНСООН).

Учитывая вышесказанное, хранить акрилонитрил следует защищенным от огня, в темноте, отдельно от сильных окислителей, оснований, пищевых продуктов и кормов, только в стабилизированном состоянии.

1.1 Области применения акрилонитрила

Акрилонитрил используют при производстве карбоцепных синтетических волокон, причем основным волокнообразующим полимером является не полиакрилонитрил, а его сополимеры, содержащие небольшие количества (5-10%) второго мономера или двух других мономеров. В промышленности волокно из чистого полиакрилонитрила почти не вырабатывают ввиду его низкой эластичности, плохой окрашиваемости и недостаточной устойчивости к истиранию.

Сополимеризацией акрилонитрила с бутадиеном получают бутадиен-нитрильные каучуки, обладающие многими ценными свойствами, в особенности маслостойкостью. Из полимеров акрилонитрила вырабатывают синтетическое волокно (нитрон), а из сополимеров акрилонитрила с хлористым винилом получают волокна, известные под названиями виньон и дайнел. Полнакрилонитрильные волокна по объему выработки занимают сейчас второе место после полиамидных волокон.

Кроме этого, акрилонитрил используют в производстве акрилонитрил бутадиен стирола (АВС-пластиков), стирола акрилонитрила (САН-пластика), бутадиен-нитрильного каучука, цианэтилцеллюлозы, акриламида, метилакрилата, глутаминовой кислоты и адиподинитрила.

Несмотря на то, что акрилонитрил запрещен для использования при производстве продуктов питания, его продолжают применять в качестве ядохимиката при выращивании зерновых, фруктов, табака; в качестве «точечного инсектицида» на мельницах и в хлебопекарнях для уничтожения насекомых в муке.

Акрилонитрил применяется для обработки хлопкового волокна придавая ему прочность и стойкость против гниения. Он используется для производства пластических масс, пластификаторов, клеев. Сополимеризацией стирола и акрилонитрила получают ударопрочный полистирол.

При омылении акрилонитрила водным раствором серной кислоты образуется соль акриламида.

Поскольку акрилонитрил является одним из важнейших мономеров, используемых в химической промышленности, то он производится в больших объемах.

1.2 Основные виды сырья для получения акрилонитрила

Поскольку в промышленности для получения акрилонитрила используется метод окислительного аммонолиза пропилена, то основными видами сырья соответственно являются пропилен и аммиак.

Пропилен (пропен) CH2=CHCH3 — бесцветный газ со слабым запахом. Основным источником пропилена является пиролиз (процесс глубокого расщепления углеводородного сырья под действием высоких температур). Готовый продукт должен соответствовать ГОСТу 25043-87, согласно которому объемная доля пропилена должна составлять не менее 99,8% в продукте высшего сорта и 99,0% — первого сорта. Кроме того, ГОСТ предусматривает отсутствие в продукте свободной воды.

Пропилен транспортируется по трубопроводу и в предназначенных для сжиженных газов железнодорожных и автомобильных цистернах. Баллоны с пропиленом перевозят железнодорожным и автомобильным транспортом в крытых транспортных средствах. Транспортировку производят в соответствии с правилами перевозки опасных грузов, действующими на данном виде транспорта.

Для синтеза акрилонитрила методом окислительного аммонолиза пропилена применяется 90-92%-ный пропилен, который не должен содержать сернистых соединений, отравляющих катализатор, а также метан и непредельные углеводороды (поскольку метан способствует образованию синильной кислоты, олефины образуют другие нитрилы).

Аммиак по химическому составу отвечает формуле NH3. В обычных условиях представляет собой бесцветный газ с резким запахом.

Технология производства аммиака включает в себя переработку природного газа. При этом продукт выпускается в соответствии с ГОСТ 622190, предусматривающем получение марок А, Б и Ак. Первая из них используется в медицине и химической промышленности (в качестве сырья для выпуска азотной кислоты, азотсодержащих солей, синильной кислоты), а также как хладагент и растворитель значительного класса соединений, содержащих азот. Аммиак марки Б находит применение при выпуске азотных удобрений, а также в качестве самостоятельного удобрения. Марка Ак используется для поставок продукта на экспорт, а также для его транспортирования по магистральному трубопроводу.

Транспортировка аммиака производится аналогично транспортировке пропилена.

Исходная смесь для получения акрилонитрила содержит 5-8% C3H6, 5-9% NH3, 0-30% водяного пара (остальное — воздух).

2. Технологическая часть

2.1 Физико-химические основы процесса производства нитрила акриловой кислоты

Катализаторы окислительного аммонолиза пропилена подобны применяемым при окислении пропилена в акролеин. Первоначальные разработки основывались на молибдате висмута (Вi2О3: МоО3 = 1: 2), к которому затем добавили промотор — P2O5 (висмут-фосфор-молибденовые катализаторы). Хорошие результаты дают также ванадий-молибдаты висмута, оксидный уран-сурьмяный катализатор и др. Имеются и более многокомпонентные катализаторы с добавками оксидов Со, Ni, Fe, As, W, Те и других металлов и редкоземельных элементов. Эти катализаторы используют в чистом виде или нанесенными на SiO2, Аl2О3 и кизельгур.

Все эти катализаторы работают по окислительно-восстановительному механизму, и скорость реакции зависит только от парциального давления пропилена, что свидетельствует о лимитирующей стадии взаимодействия пропилена с окисленным активным центром катализатора, где образуется хемосорбированный алкильный радикал. В свою очередь, на другом активном центре сорбируется аммиак, вероятно, в виде аминного радикала:NH. Взаимодействие их друг с другом с участием кислорода решетки и дает акрилонитрил.

Побочными продуктами окислительного аммонолиза пропилена являются HCN, СН3СN, небольшие количества НСНО и СН3СНО (образуются за счет окислительной деструкции пропилена), а также СО2 (в основном образуется за счет окисления пропилена). Доказано, что альдегиды и нитрилы получаются главным образом параллельно.

Метод получения акрилонитрила совместным окислением пропилена и аммиака кислородом воздуха разработан фирмой «Sohio» и реализован в 1960 г. в США. По технологии этой фирмы работают заводы в Японии, Германии, Англии, Франции, Италии и других странах. Некоторые фирмы — «Bayer», «SNAM Progetti», «Distillers», «Ugine» — разработали собственную технологию в присутствии новых модификаций стационарных катализаторов.

Процесс окислительного аммонолиза пропилена вначале проводили в трубчатых реакторах со стационарным слоем катализатора, но теперь используют аппараты с псевдоожиженным слоем. Это позволило лучше регулировать температуру, сняло ограничения по взрывоопасности исходной смеси и исключило необходимость разбавления ее водяным паром. Окисление ведут воздухом, поддерживая объемное отношение С3Н6: NH3: О2 в пределах 1: (0,9-1,1): (1,8-2,4). Важно, чтобы в отходящей из реактора смеси находился непревращенный аммиак, т. к. в противном случае растет выход альдегидов и СО2. Необходим и некоторый избыток кислорода, который вместе с пропиленом и аммиаком обеспечивает окислительно-восстановительные свойства среды, благоприятные для повышения активности и селективности катализатора.

На разных установках и катализаторах процесс окислительного аммонолиза пропилена осуществляют при 370-500°С и 0,2-1,4 МПа, большей частью при 420-470°С и давлении 0,2 МПа. Время контакта 6 с обеспечивает степень конверсии пропилена до 80% (в одном из новых процессов даже 95%). При этом пропиленовая фракция может содержать 5-40% пропана, что снижает ее стоимость. Селективность процесса по акрилонитрилу при описанных условиях составляет 80-85%, причем побочно образующиеся синильная кислота и ацетонитрил выпускают как товарные продукты, что снижает себестоимость акрилонитрила. На разных установках выход HCN и ацетонитрила составляет соответственно 50-200 и 25-100 кг на 1 т акрилонитрила; на 1 т акрилонитрила расходуется 0,96 т пропилена.

В новейших схемах производства акрилонитрила реализована эффективная система утилизации тепла с получением пара (высокого и среднего давления), обеспечивающего все потребности самой установки (привод компрессора для воздуха, разделение смесей и др.).

2.2 Технологическая схема получения акрилонитрила

1, 2 — испарители; 3 — реактор; 4 — котел-утилизатор; 5, 6 — абсорберы;

7 — холодильник; 8 — теплообменник; 9 — отпарная колонна;

10, 15 — ректификационные колонны; 11 — колонна экстрактивной дистилляции; 12, 14 — сепараторы; 13 — колонна азеотропной сушки

Рисунок 1 — Технологическая схема получения акрилонитрила

Жидкие аммиак и пропиленовую фракцию испаряют в аппаратах 1 и 2 при помощи смеси этиленгликоля (ЭГ) с водой; смесь при этом охлаждается до низких температур, а ее холод утилизируется (в том числе для конденсации синильной кислоты). Газообразные аммиак, пропиленовая фракция и воздух в ранее рассмотренных соотношениях поступают в реактор 3 с псевдоожиженным слоем катализатора. Реактор охлаждается кипящим водным конденсатом. За счет реакционного тепла генерируется пар высокого давления, который служит для привода воздушного турбокомпрессора, а выходящий из компрессора «мятый» пар используется на стадии разделения продуктов. Горячие газы по выходе из реактора проходят котел-утилизатор 4, где генерируется пар среднего давления. Частично охлажденные реакционные газы прежде всего очищают от аммиака в абсорбере 5 с помощью циркулирующего раствора сульфата аммония, содержащего серную кислоту. Отработанный в абсорбере раствор сульфата аммония выпаривают и кристаллизуют, получая 400 кг (NH4)2SO4 на 1 т акрилонитрила. Далее из газа в абсорбере 6 водой поглощают акрилонитрил, синильную кислоту и ацетонитрил, а отходящий газ, в зависимости от состава, сбрасывают в атмосферу или дожигают в печи с получением пара.

Водный раствор продуктов с низа абсорбера 6 подогревают в теплообменнике 8 оборотной водой и подают в отпарную колонну 9 с кипятильником и дефлегматором, где от воды отгоняют синильную кислоту, акрилонитрил и ацетонитрил. Воду через теплообменник 8 и холодильник 7 возвращают в абсорбер 6, а смесь продуктов направляют на разделение.

Обычно из смеси в первую очередь отгоняют наиболее летучую синильную кислоту в ректификационной колонне 10 с кипятильником и дефлегматором при небольшом вакууме (чтобы избежать попадания высокотоксичной HCN в атмосферу). Из кубовой жидкости в колонне 11 с водой в качестве третьего компонента отгоняют более летучую азеотропную смесь акрилонитрила, оставляя в кубе водный раствор ацетонитрила с примесью менее летучих соединений (циангидрины формальдегида и ацетальдегида, образовавшиеся из этих альдегидов и HCN). Из раствора затем выделяют ацетонитрил (на схеме не показано). Дистиллят разделяют в сепараторе 12 на водный и органический слои, возвращая воду в колонну 11.

Водный акрилонитрил подвергают азеотропной осушке в колонне 13, снабженной кипятильником, дефлегматором и сепаратором 14, где разделяются водный и акрилонитрильный слои. Первый возвращают в колонну 11, т. к. он содержит растворенный акрилонитрил, а второй служит орошением колонны 13. Сухой акрилонитрил собирают в кубе колонны 13 и после окончательной ректификации в колонне 15 получают в виде дистиллята нужной чистоты. На стадии разделения продуктов во избежание полимеризации акрилонитрила к смеси добавляют ингибиторы.

В стационарном слое катализатора процесс ведут в реакторах трубчатого типа, в которых катализатор находится в трубах, а межтрубное пространство заполнено высокотемпературным теплоносителем — нитрит-нитратной смесью. Стационарный слой катализатора должен быть очень прочным и термостойким, способным проработать несколько тысяч часов без заметного пыления, чтобы предотвратить рост сопротивления потоку газа в трубках.

При синтезе акрилонитрила выделяется большое количество тепла. Поэтому, во избежание сильных перегревов, диаметр трубки реактора не должен превышать 32 мм. В связи с этим при использовании реактора трубчатого типа достичь большой мощности единичного аппарата не удается.

В реакторах с псевдоожиженным слоем катализатора этот недостаток устраняется. Выделяющееся в процессе синтеза тепло отводится за счет испарения воды в змеевиках, расположенных в зоне реакции. Основным недостатком реакторов этого типа является истирание катализатора и унос мелких частиц его потоком газа, что приводит к потере дорогостоящих молибденовых и висмутовых солей и ухудшению экономических показателей процесса.

Широкое применение получили реакторы с кипящим слоем катализатора, в которых можно обеспечить изотермичность процесса и наиболее рациональный отвод теплоты.

Наряду с основной, сильно экзотермичной реакцией (ДН = -515 кДж/моль), происходит образование HCN, ацетонитрила (CH3CN), CO и CО2. Для уменьшения образования таких побочных продуктов, как акролеин, ацетальдегид и ацетон, затрудняющих очистку акрилонитрила, аммиак обычно подают в небольшом избытке.

Выход акрилонитрила составляет 75-80% по пропилену.

2.3 Расчет материального баланса

В процессе протекают следующие реакции:

— основная

СН3—СН=СН2 + NH3 + 1,5О2 СН2=СН—CN + 3H2O, (1)

— побочные

СН3—СН=СН2 + NH3 + 2,5О2 СН3CN + СО2 + 3H2О, (2)

СН3—СН=СН2 + NH3 + 2О2 НCN + СО2 + СН4 + 3H2O. (3)

Часовая производительность по акрилонитрилу с учетом потерь составляет:

= 9209,86 кг/ч.

Расход пропилена

по реакции (1) = 7298,38 кг/ч;

по реакции (2) = 1317,76 кг/ч;

по реакции (3) =1520,50 кг/ч;

Суммарный расход пропилена по реакциям

7298,38+1317,76+1520,50 = 10136,64 кг/ч;

Расход технического пропилена с учетом степени конверсии

= 18757,66 кг/ч,

В том числе

пропилена кг/ч,

пропана кг/ч;

Расход аммиака на все реакции

4102,93 кг/ч;

Расход технического аммиака

= 4229,28 кг/ч,

в том числе:

аммиака кг/ч,

примесей = 21,15 кг/ч;

Расход кислорода на все реакции

= 13167,98 кг/ч,

Или 22,4 = 9217,59 м3/ч;

Расход воздуха

= 73893,29 м3/ч,

или

кг/ч;

в том числе

азота 43586,04 кг/ч,

кислорода 13167,98 кг/ч;

Рассчитывают массовое количество образовавшихся продуктов:

Вода по реакции (1) 9383,63 кг/ч,

Ацетонитрил по реакции (2) 1286,38 кг/ч,

Диоксид углерода по реакции (2) 1380,51 кг/ч,

Вода по реакции (2) 1694,26 кг/ч,

Синильная кислота по реакции (3) 977,46 кг/ч,

Диоксид углерода по реакции (3) 1592,9 кг/ч,

Вода по реакции (3) 1303,29 кг/ч,

Метан по реакции (3) 579,24 кг/ч.

Материальный баланс производства нитрила акриловой кислоты окислительным аммонолизом пропилена приведен в таблице 2.

Таблица 2 — Материальный баланс производства нитрила акриловой кислоты

Подается

кг/ч

Образуется

кг/ч

Пропиленовая фракция:

пропан

пропилен

18757,66

656,52

18101,14

Нитрил акриловой кислоты

9209,86

Ацетонитрил

1286,38

Синильная кислота

977,46

Аммиак технический:

аммиак

примеси

4229,28

4208,13

21,15

Вода

12381,18

Пропилен

7964,5

Пропан

656,52

Воздух:

кислород

азот

56754,02

13167,98

43586,04

Аммиак

105,20

Примеси в аммиаке

21,15

Азот

43586,04

Метан

579,24

Диоксид углерода

2973,41

Всего

79740,96

Всего

79740,96

2.4 Расчет теплового баланса

Уравнение теплового баланса

Ф0+Ф1+Ф2+Ф3=Ф4+Ф5+Ф6+Ф7+Ф8+Фпот+Фотв,

где Ф0 — теплота реакций,

Ф1 — пропан-пропиленовая фракция,

Ф2 — аммиак,

Ф3 — кислород,

Ф4 — остаток фракции,

Ф5 — не прореагировавший аммиак,

Ф6 — акрилонитрил,

Ф7 — ацетонитрил,

Ф8 — синильная кислота,

Фпот — теплопотери,

Фотв — отводимая теплота.

Здесь Ф0, Ф1, Ф2, Ф3 — входящие тепловые потоки (Фприх); Ф4, Ф5,Ф6, Ф7, Ф8, Фпот, Фотв — отводимые тепловые потоки.

Температура процесса 723 К.

Уравнение теплового потока

Ф = ,

где Ci — удельная теплоемкость, Дж/(моль?К);

Xi — содержание компонента, масс. д.,%;

GMi — молярный расход, кмоль/с:

G = ,

где Р — расход, кг/ч;

М — молекулярная масса.

Удельные теплоемкости:

Спропилен = 63,89 Дж/(моль•К);

Спропан = 73,51 Дж/(моль•К);

Саммиак = 35,65 Дж/(моль•К);

Скислород = 29,37 Дж/(моль•К);

Сакрилонитрил = 72,398 Дж/(моль•К);

Сацетонитрил = 52,208 Дж/(моль•К);

СHCN = 35,864 Дж/(моль•К);

Приход теплоты:

- приход теплоты с пропилен-пропановой фракцией:

Мфр= У 42.07

Gфр = 0,124 кмоль/с

Ф1=•723•0,124 = 5757,71 кВт

- приход теплоты с аммиаком

G = 0,0688 кмоль/с

Ф2 = •723•0,0688 = 1764,46 кВт

- приход теплоты с кислородом

G = = 0,1143 кмоль/с

Ф3 = •723•0,1143 = 509,7 кВт

- приход теплоты вместе с химическими реакциями

ДН0298 = УДН0298(прод)-УДН0298(исх)

По реакции (1)

ДН0298 = (184,9-725,475)-(20,414-46,19)= -514,799 кДж/моль

По реакции (2)

ДН0298 = (87,9-393,511-725,475)-(20,414-46,19)= -1005,31 кДж/моль

По реакции(3)

ДН0298 = (1134,7-393,511-743847-483,65)-(20,414-46,19) =

= -791,532 кДж/моль

Ф0 = = (5143799•173,77+1005,31•31,375+791,535•36,2) =

=20785,23 кВт

- общий приход теплоты

Фприх = Ф0+Ф1+Ф2+Ф3=20785,23+5620,93+1764,46+509,7=28680,32 кВт

Отводимая теплота

- потри теплоты в окружающую среду

Фпот = 0,05Фприх= 0,05•28680,32 = 1434,02 кВт

- теплота отводимая с остатком фракции

G’фр = 0,057 кмоль/с

Ф4 = •723•0,057 = 2646,57 кВт

- теплота отводимая с остатком аммиака

G = = 0,0017 кмоль/с

Ф5 = •723•0,0017 = 43,60 кВт

- теплота, отводимая с целевым продуктом — акрилонитрилом

G = = 0,048 кмоль/с

Ф5 = •723•0,048 = 2016,78 кВт

- теплота отводимая с побочным продуктом — ацетонитрилом

G = = 0,0087 кмоль/с

Ф5 = •723•0,0087 = 36,81 кВт

- теплота отводимая с побочным продуктом — синильной кислотой

G = = 0,01 кмоль/с

Ф5 =•723•0,01 = 22,09 кВт.

Тепловой баланс представлен в таблице 3.

Таблица 3 — Тепловой баланс производства нитрила акриловой кислоты

Приход

кВт

%

Отвод

кВт

%

Ф0-теплота реакций;

20785,23

72,13

Ф4 — остаток фракции

2646,57

9,18

Ф1-пропан-пропиленовая фракция

5757,71

19,98

Ф5 — не прореагировавший аммиак

43,60

0,15

Ф2 — аммиак

1764,46

6,12

Ф6 — акрилонитрил

2016,78

7,00

Ф3- кислород

509,7

1,77

Ф7 — ацетонитрил

36,81

0,13

Ф8 — синильная кислота

22,09

0,08

Фпот — теплопотери

1434,02

4,98

Фотв — отводимая теплота

22587,12

78,48

Всего

28817,10

100

Всего

28817,10

100

2.5 Расчет реактора

Насыпная плотность катализатора снас = 2500 кг/м3, плотность частиц с=4700 кг/м3, Эквивалентный диаметр частиц dэ=1 мм. Температура воздуха 450 0С. Число псевдоожижения Кщ=1.6. Производительность катализатора 10500 т/ч, при среднем времени пребывания его в реакторе ф0=480 мин. Расход воздуха в рабочих условиях 73893,29 м3/ч. Живое сечение решетки 0,015, диаметр отверстий 0,8 мм, толщина решетки 2 мм.

Динамический коэффициент вязкости воздуха при 450 0С: м=0,034•10-3 Па•с.

Плотность воздуха

с = 1,293= 0,488 кг/м3;

следовательно,

Ar = = = 1,946•;

Значению Ar=1,946• соответствует Lyкр=4•. Отсюда

щкр = = = 0,505 м/с;

Определяем рабочую скорость воздуха:

щ = Кщ•щкр=1,6•0,505=0,808 м/с;

Найдем порозность взвешенного слоя. При Кщ=1,6

Ly = =1,63•0,04=0,16;

По приложению при Ly=1,6•10-1 и Ar=1,946•104 имеем е=0,47.

Действительная скорость воздуха в свободном сечении слоя:

щд = = = 1,719 м/с;

Секундный расход воздуха:

V = = 20,526 м3/с;

Площадь сечения аппарата:

S = = = 25,403 м2;

Диаметр реактора:

D = = = 5,689 м;

Определяем высоту слоя в реакторе. Масса катализатора в реакторе:

М=L•ф0=10500•480/60=84000 кг;

Объем неподвижного слоя катализатора:

Vk = M/снас = 84000/2500 = 32,6 м2;

Высота неподвижного слоя:

h0 = Vk/S = 32,6/25,403 = 1,323 м;

Порозность неподвижного слоя:

е0 = 1- = 1- = 0,47;

Высота взвешенного слоя при Кщ=1,6:

h = = 1,323 = 1.323 м;

Общая высота реактора:

Н = 5h = 5•1.323=6,615 м;

Рассчитаем гидравлическое сопротивление реактора. Сопротивление слоя:

Дрсл = с(1-е0)gh0 = 4700(1-0,47)9,81•1,323 = 32400 Па;

Скорость воздуха в отверстиях решетки при живом сечении ц=0,015:

щ0 = щ/ц = 0,808/0,015 = 53,87 м/с;

Диаметр отверстий решетки d0= 0,0008 м, толщина решетки д=0,002 м. При d0/д=0.4 по приложению находим С=0,63.

Сопротивление решетки:

Дрреш = 0,503щ02сс = 0,503•53,872•0,488• = 1800 Па;

Сопротивление реактора:

Др=Дрсл+Дрреш=32400+1800=34200 Па.

3. Экологическая часть

3.1 Источники поступления

Природных источников акрилонитрила не существует. Акрилонитрил используется в производстве искусственных волокон, полимеров и резины, а также в промышленности органического синтеза. Может поступать в окружающую среду при производстве, переработке, использовании, хранении, транспортировке и захоронении отходов. Кроме непосредственных эмиссий в атмосферу при производстве и промышленном использовании, возможны потери вследствие аварий, сбоях в работе оборудования и несоблюдении технологии и правил работы.

Атмосфера. Распределение акрилонитрила в атмосфере тесно связано с розой ветров; самые высокие концентрации обнаруживаются в непосредственной близости от заводов (до нескольких сотен мг/м3), особенно с подветренной стороны, и быстро убывают с расстоянием (менее 10 мкг/м3 на расстоянии 1 км). Процессы разложения акрилонитрила в атмосфере преимущественно химические; время полуразложения в атмосфере 9-32 ч. По оценкам, среднее содержание в воздухе Нидерландов около 0,01 мкг/м3, что ниже предела обнаружения для существующих методов определения акрилонитрила (0,3 мкг/м3). В других странах эта концентрация еще более низкая.

Вода. Поступление с осадками незначительно. Время полуразложения в воде 5-7 дней, однако аварийное поступление акрилонитрила в грунтовые воды может повлечь за собой многолетнее их загрязнение, несмотря на принимаемые меры по очистке.

Почва. Разлагается преимущественно микроорганизмами.

3.2 Обезвреживание отходящих газов в производстве акрилонитрила

Каталитическое окисление является наиболее рациональным методом обезвреживания отходящих газов промышленности от СО однако в ряду с СО в зависимости от условий конкретного производства в газах могут содержаться и другие токсичные компоненты: SO2, NOx, пары углеводородов. Кроме того в них присутствуют СО2, N2, Н2О(пар) и механические примеси виде различных пылей. Некоторые из этих примесей могут быть ядами для катализаторов. В зависимости от состава отходящих газов в промышленности применяются различные технологические схемы очистки. На рисунке 6 представлены схема установки каталитического обезвреживания отходящих газов в производстве акрилонитрила.

реактор акрилонитрил высокополимерный кислота

1 — воздуходувка; 2 — топка-подогреватель; 3 — реактор;

4 — котел-утилизатор; 5 — дымосос; 6 — труба

Рисунок 2 — Схема установки каталитического обезвреживания отходящих газов производства акрилонитрила

При синтезе акрилонитрила на основе аммиака и пропилена технологические газы отмываются от нее водой. Поступающие со стадии адсорбции отходящие газы содержат (об.%): СО — 2,3; пропилена — 0,5; пропан — 0,04; О2 — до 3; инертные газы — остальное.

Для очистки их подают в топку-подогреватель 2 где нагревается до температуры 200 — 250 0С в зависимости от типа используемого катализатора. Путем сжигания вводимого в топку топливного газа в воздухе нагнетаемом воздуходувкой 1. Расход воздуха рассчитывается не только на сжигание топливного газа, но и на последующее каталитическое окисление находящихся в газах оксида углерода и углеводородов. Смесь топочных и отходящих газов с воздухом направляется в работающий в адиабатических условиях реактор 3. Используемый шариковый катализатор (ШПК — 2) содержит 0,2% платины нанесенной на оксид алюминия. Степень очистки достигает 98 — 99%. Происходящие на катализаторе окислительные реакции экзотермичны, что приводит к сильному разогреву продуктов катализа. Конвертированные газы при температуре 400 0С передаются в котел — утилизатор 4, обеспечивающий производство перегретого пара до 380 0С водяного пара под давлением 4 МПа. Выходящие из котла-утилизатора 4 обезвреженные газы при 200 0С дымососом 5 через дымовую трубу 6 выбрасываются в атмосферу.

При обезвреживании 60 тыс. м3/ч отходящих газов расход электроэнергии составляет 500 кВ и производительность пара 26,5 т/ч.

Пути поступления в организм. Основное значение поступление акрилонитрила с воздухом имеет на производстве, при этом дополнительная доза, получаемая при проживании в непосредственной близости от соответствующих предприятий является несущественной. В непроизводственных условиях значительным источником поступления акрилонитрила является курение. Данных по содержанию акрилонитрила в питьевой воде нет, но, поскольку основным источником его поступления в воду являются аварии, питьевая вода вряд ли может рассматриваться как серьезный источник поступления акрилонитрила в организм. В пищевые продукты (особенно масло, маргарин) акрилонитрил может поступать из полимерных контейнеров и упаковочных материалов, состоящих из сополимеров акрилонитрила. Легко всасывается через неповрежденную кожу.

Острое отравление. Запах акрилонитрила ощущается при 0,008-0,04 мг/дм3, но к нему быстро наступает привыкание. Вдыхание 0,3-0,5 мг/дм3 в течение 5-10 мин вызывает жжение слизистых верхних дыхательных путей и слезотечение. При концентрациях 0,035-0,22 мг/дм3 в течение 20-45 мин — тупая головная боль, стеснение в груди, возбуждение и чувство страха, кожный зуд.

Превращения в организме и выделение. Абсорбция в дыхательных путях человека независимо от экспозиции составила 48%. Гидролиз с отщеплением CN — протекает в печени под влиянием фермента роданезы с образованием роданидов. Частично акрилонитрил выделяется с выдыхаемым воздухом в неизмененном виде.

Предельно допустимая концентрация 0,5 мг/м3.

Заключение

Был рассмотрен процесс получения акрилонитрила окислительным аммонолизом пропилена. Другие методы получения акрилонитрила в значительной степени утратили свое былое значение, т. к. при их использовании не достигается нужный выход акрилонитрила, следовательно они экономически менее целесообразны.

Поскольку в промышленности для получения акрилонитрила используется метод окислительного аммонолиза пропилена, то основными видами сырья соответственно являются пропилен и аммиак.

Были рассчитаны материальный баланс, который показал высокую степень конверсии исходных продуктов; тепловой баланс, который показал, что процесс протекает с большим выделением тепла, которое обеспечивает все потребности самой установки (привод компрессора для воздуха, разделение смесей и др.). Были рассчитаны основные показатели реактора получения акрилонитрила.

Список использованных источников

1. Филимонова, О. Н. Технологические расчеты производственных процессов [Текст]: учеб. пособие / О. Н. Филимонова, М. В. Енютина. — Воронеж. гос. технол. акад., — Воронеж, 2005. — 120 с.

2. Родионов, А. И. Техника защиты окружающей среды [Текст]: учебник для вузов / А. И. Родионов, В. Н. Клушин, Н. С. Торочешников. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1989. — 512 с.

3. Павлов, К. Ф., Романков, П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст]: учебное пособие для вузов; под ред. Чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова. — 10-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1987. — 576 с., ил.

4. Расчеты аппаратов кипящего слоя: Справочник [Текст]; под ред. И. П. Мухленова, Б. С. Сажина, В. Ф. Фролова. — Л.: Химия, 1986. — 352 с.

5. Справочник нефтехимика. В 2 т. Т. 2; под ред. С. К. Огородникова. — Л.: Химия, 1978. — 592 с., ил.

6. Справочник химика Т.1; под ред. Б. Н. Никольский. — Л.: Химия, 1966. — 1072 с.

7. Справочник химика Т.2; под ред. Б. Н. Никольский. — Л.: Химия, 1971. — 1168 с.

8. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. [Текст]: под ред. засл. деят. науки проф. Н. В. Лазарева и док. мед. наук Э. Н. Левиной. изд. — 7-е, пер. и доп. В трех томах. Т.2; — Л.: Химия, 1979. — 624 с.

Если вы думаете скопировать часть этой работы в свою, то имейте ввиду, что этим вы только снизите уникальность своей работы! Если вы хотите получить уникальную курсовую работу, то вам нужно либо написать её своими словами, либо заказать её написание опытному автору:
УЗНАТЬ СТОИМОСТЬ ИЛИ ЗАКАЗАТЬ »