Производство акрилонитрила

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.

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 25 043−87, 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 622 190, 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 = 10 136,64 кг/ч;

Расход технического пропилена с учетом степени конверсии.

= 18 757,66 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.

= 13 167,98 кг/ч, Или 22,4 = 9217,59 м³/ч;

Расход воздуха.

= 73 893,29 м³/ч, или.

кг/ч;

в том числе азота 43 586,04 кг/ч, кислорода 13 167,98 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.

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 = (1134,7−393,511−743 847−483,65)-(20,414−46,19) =.

= -791,532 кДж/моль Ф₀ = = (5 143 799•173,77+1005,31•31,375+791,535•36,2) =.

=20 785,23 кВт.

— общий приход теплоты Ф_прих = Ф₀+Ф₁+Ф₂+Ф₃=20 785,23+5620,93+1764,46+509,7=28 680,32 кВт Отводимая теплота.

— потри теплоты в окружающую среду Ф_пот = 0,05Ф_прих= 0,05•28 680,32 = 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.

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 10 500 т/ч, при среднем времени пребывания его в реакторе ф₀=480 мин. Расход воздуха в рабочих условиях 73 893,29 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=10 500•480/60=84 000 кг;

Объем неподвижного слоя катализатора:

V_k = M/с_нас = 84 000/2500 = 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 = 32 400 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=32 400+1800=34 200 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.