Производство акрилонитрила

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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+Ф_пот+Ф_отв,

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,

Ф_пот - теплопотери,

Ф_отв - отводимая теплота.

Здесь Ф₀, Ф₁, Ф₂, Ф₃ - входящие тепловые потоки (Ф_прих); Ф₄, Ф_5,Ф_6, Ф_7, Ф₈, Ф_пот, Ф_отв - отводимые тепловые потоки.

Температура процесса 723 К.

Уравнение теплового потока

Ф = ,

где C_i - удельная теплоемкость, Дж/(моль?К);

X_i - содержание компонента, масс.д.,%;

G_Mi - молярный расход, кмоль/с:

G = ,

где Р - расход, кг/ч;

М - молекулярная масса.

Удельные теплоемкости:

С_{пропилен} = 63,89 Дж/(моль•К);

С_пропан = 73,51 Дж/(моль•К);

С_аммиак = 35,65 Дж/(моль•К);

С_{кислород} = 29,37 Дж/(моль•К);

С_{акрилонитрил} = 72,398 Дж/(моль•К);

С_{ацетонитрил} = 52,208 Дж/(моль•К);

С_HCN = 35,864 Дж/(моль•К);

Приход теплоты:

- приход теплоты с пропилен-пропановой фракцией:

М_фр= У 42.07

G_фр = 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 = УДН⁰_{298(прод)}-УДН⁰_298(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

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

Отводимая теплота

- потри теплоты в окружающую среду

Ф_пот = 0,05Ф_прих= 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 с_нас = 2500 кг/м³, плотность частиц с=4700 кг/м³, Эквивалентный диаметр частиц d_э=1 мм. Температура воздуха 450 ⁰С. Число псевдоожижения К_щ=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 Ly_кр=4•. Отсюда

щ_кр = = = 0,505 м/с;

Определяем рабочую скорость воздуха:

щ = К_щ•щ_кр=1,6•0,505=0,808 м/с;

Найдем порозность взвешенного слоя. При К_щ=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:

щ_д = = = 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:

V_k = M/с_нас = 84000/2500 = 32,6 м²;

Высота неподвижного слоя:

h₀ = V_k/S = 32,6/25,403 = 1,323 м;



Порозность неподвижного слоя:

е₀ = 1- = 1- = 0,47;

Высота взвешенного слоя при К_щ=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:

Др_сл = 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:

Др_реш = 0,503щ₀²с_с = 0,503•53,87²•0,488• = 1800 Па;



Сопротивление реактора:

Др=Др_сл+Др_реш=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, NO_x, 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.

Размещено на Allbest.ru