丙烷直接氨氧化法制取丙烯腈過程設(shè)計

黃楷楠 盧飛 張攀 林志森

摘 要：丙烷直接氨氧化法制取丙烯腈是一條潛在的具有巨大經(jīng)濟(jì)效益的丙烯腈生產(chǎn)路線。本文概述了丙烷在鉬酸鹽催化劑的作用下，發(fā)生丙烷氧化脫氫反應(yīng)、丙烯氨氧化反應(yīng)的過程，對原料及產(chǎn)物進(jìn)行歸納，介紹了三種催化劑以及催化劑之間的差別，對催化劑的反應(yīng)性能的關(guān)系等問題進(jìn)行了比較，并選擇一種催化劑進(jìn)行催化。

關(guān)鍵詞：丙烷；丙烯腈；氨氧化；催化劑；機(jī)理

丙烯腈是三大合成材料的重要化工原料，主要用來生產(chǎn)聚丙烯腈纖維（腈綸），丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料等。直到今天，工業(yè)上基本上是以丙烯為原料來制取丙烯腈，產(chǎn)率能達(dá)到80%以上。但是，丙烯的價格卻是丙烷的4、5倍，并且地球上存在著豐富的烷烴資源，所以最近幾年使用丙烷取代丙烯作為原材料來生產(chǎn)丙烯腈成為火熱的研究方向。丙烷氨氧化法生產(chǎn)丙烯腈有一段法和二段法兩種，由于一段法比二段法工藝成本低約15%～20%，因此本文主要對一段法的過程進(jìn)行介紹。

1 原料

1.1 丙烷

丙烷在常溫常壓下為無色無味無毒的氣體。它能與空氣形成爆炸性混合物，燃燒時發(fā)黑煙?；瘜W(xué)活性低，脫氫后變成丙烯，可被空氣氧化成甲醛。微溶于水，能溶于乙醇和醚。

1.2 氨

純凈的液氨化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可以長期貯存。在空氣中不燃燒，但在氧氣中能燃燒生成氮氣和氫氣，在催化劑存在下生成氧化氮。液氨與Cu、Cr、Ni、Co、鉑族金屬化合物生成加成化合物，與離子配位而形成絡(luò)鹽。絡(luò)鹽溶解于水呈堿性。液氨在水中以NH4OH分子或離解成離子存在。

1.3 氧

除了氟以外，氧的電負(fù)性和非金屬性是最強(qiáng)的，大多數(shù)元素能與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，除了幾種稀有氣體。我們都知道，大部分非金屬氧化物的水溶液呈酸性，而金屬氧化物在水中與水發(fā)生反應(yīng)生成堿。此外，基本上大部分的有機(jī)化合物，都能在燃燒的條件下與氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成CO2與水蒸氣，如酒精，甲烷。部分有機(jī)物不可燃，但也能和氧氣等氧化劑發(fā)生氧化反應(yīng)。

2 產(chǎn)物

2.1 丙烯腈

丙烯腈（Acrylonifrile，簡稱ACN），化學(xué)分子式：CH2=CH-CN，常溫下是無色或淡黃色液體，化學(xué)性質(zhì)活潑，能發(fā)生雙鍵加成反應(yīng)，與相應(yīng)的含有活潑氫的無機(jī)或有機(jī)化合物反應(yīng)制成一系列氰乙基化產(chǎn)物，是一種非常重要的有機(jī)化工原料。在缺氧或暴露在可見光情況下易聚合，在濃堿存在下能強(qiáng)烈聚合。與還原劑發(fā)生激烈反應(yīng)，放出有毒氣體。見光、遇熱、久貯易聚合，有燃燒爆炸危險。

丙烯腈極具毒性，附著于皮膚上也易經(jīng)皮膚中毒，對溫血動物的毒性約為氰化氫的三十分之一。

2.2 乙腈

乙腈又名甲基氰，液態(tài)，無色，易揮發(fā)，具有類似于醚的氣味和優(yōu)良的溶劑性能，除了無機(jī)物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)外，還能溶解氣體。除了有一定毒性，還能與水和醇無限互溶。

3 催化劑

丙烷直接氨氧化法中，催化劑是反應(yīng)的關(guān)鍵，選擇合適的催化劑可以提高丙烷的轉(zhuǎn)化率和丙烯腈的生成率。

目前，世界上丙烷氨氧化制丙烯腈催化劑大致可分為三類：

鉬酸鹽催化劑，銻酸鹽催化劑，釩鋁氧氮化物（VAION）。

其通式為VAlxOyNzHn。

本項目采用第一類鉬酸鹽催化劑，通式為Mo1.0V0.33Te0.22Nb0.11Ox，從表1可得知，其在丙烷一步氨氧化反應(yīng)中有比較好的催化作用，丙烷的轉(zhuǎn)化率和丙烯腈的收率分別為89%和62%。

反應(yīng)過程：

該反應(yīng)式如下：

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