丙烷直接氨氧化法制取丙烯腈過程設計

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、丙烯氨氧化反應的過程，對原料及產(chǎn)物進行歸納，介紹了三種催化劑以及催化劑之間的差別，對催化劑的反應性能的關系等問題進行了比較，并選擇一種催化劑進行催化。

關鍵詞：丙烷；丙烯腈；氨氧化；催化劑；機理

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。化學活性低，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鹽。絡鹽溶解于水呈堿性。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，氧的電負性和非金屬性是最強的，大多數(shù)元素能與氧發(fā)生化學反應，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)生反應生成堿。此外，基本上大部分的有機化合物，都能在燃燒的條件下與氧氣產(chǎn)生化學反應生成CO2與水蒸氣，如酒精，甲烷。部分有機物不可燃，但也能和氧氣等氧化劑發(fā)生氧化反應。

2 產(chǎn)物

2.1 丙烯腈

丙烯腈（Acrylonifrile，簡稱ACN），化學分子式：CH2=CH-CN，常溫下是無色或淡黃色液體，化學性質(zhì)活潑，能發(fā)生雙鍵加成反應，與相應的含有活潑氫的無機或有機化合物反應制成一系列氰乙基化產(chǎn)物，是一種非常重要的有機化工原料。在缺氧或暴露在可見光情況下易聚合，在濃堿存在下能強烈聚合。與還原劑發(fā)生激烈反應，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，除了無機物質(zhì)和有機物質(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，催化劑是反應的關鍵，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%。

反應過程：

該反應式如下：

參考文獻：

[1] 肖春梅，張帆，張力明，等.丙烯腈生產(chǎn)工藝及催化劑研究進展[J].石油化工設計，2009，26（2）：66-68.

[2] 張惠民，趙震，徐春明，等.丙烷氨氧化制丙烯腈反應機理及催化劑研究進展[C].全國化學工藝年會，2005.

[3] 王鳳榮，尤麗梅，張志翔.丙烷氨氧化制丙烯腈工藝以及催化劑研究進展[J].化工中間體，2008，4（8）：1-3.

[4] 洪璋傳.丙烯腈生產(chǎn)工藝進展及開發(fā)對策[J].現(xiàn)代化工，1990（4）：27-31.

[5] 侯昭胤，戴擎鐮，吳肖群，等.人工神經(jīng)元網(wǎng)絡輔助丙烷氨氧化催化劑設計[J].催化學報，1997（2）：152-156.

[6] 楊杏生.丙烷氨氧化催化劑的現(xiàn)狀[J].石油化工，1995（2）.

[7] 錢伯章.丙烯腈產(chǎn)能分析與技術進展[J].上海化工，2004，29（3）：45-47.

[8] 郭大為，匡洞庭，舒靜，等.丙烷氨氧化制丙烯腈改性Al-V-Sb-Ox催化劑的結構特征[J].東北石油大學學報，2000，24（2）：23-27.