Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение      высшего профессионального образования

«Ухтинский государственный технический университет»

Кафедра нефтехимии и химической технологии

 

 

РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА  ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ ПИРОЛИЗОМ МЕТАНА

 

Курсовая работа

по дисциплине «Химический процесс»

 

 

 

 

Студент гр. БТБ-13-02 Руководитель канд.техн.наук

Гайнанова Э.Н. Михайленко Н.В.

 

 

Уфа 2015

 

 

 

 

 

 

 

         Введение

         Промышленность органического синтеза базируется на переработке таких видов ископаемого сырья, как нефть и природный газ. В процессах их физического разделения, термического или каталитического расщепления (крекинг, пиролиз, конверсия и т.д.) получают пять главных групп исходных веществ для синтеза многих тысяч других соединений. Одним из этих веществ и является ацетилен.                                                                                                                    В начале XX века ацетилен использовали как горючий газ для освещения (уличные фонари, автомобильные фары, маяки), для сварки и резки металлов и для получения различных сортов сажи. Вместе с тем появление доступного ацетилена дало начало промышленному органическому синтезу, который развивался в первой половине века главным образом на основе ацетилена как углехимический синтез . Первыми промышленными продуктами были тетрахлорэтан, ацетальдегид, уксусная кислота, ацетон, этиловый спирт. Затем были разработаны методы получения таких важнейших мономеров, как изопрен, винилхлорид, винилацетат, акрилонитрил, хлоропрен и акрилаты. Возникновение промышленной химии ацетилена связано с именами М.Г. Кучерова, А.Е. Фаворского, Ф. Клаттэ, Ю. Ньюленда, У. Карозерса, В. Реппе, А.Л. Клебанского и многих других исследователей. За последние годы ацетилен находит все более широкое применение как исходное сырье при производстве различных химических продуктов: мономеров для хлоропренового каучука, некоторых пластических масс (поливинилхлорида, поливинилацетата), химических волокон, а также растворителей (трихлорэтилена, перхлорэтилена), ацетальдегида и др.      Окислительный пиролиз является самым распространенным процессом получения ацетилена из углеводородного сырья. Главные достоинства окислительного пиролиза  значительно меньшее потребление энергии, чем при карбидном способе, и использование дешевого и широко распространенного природного газа.

        

         1 Принципиальная схема и описание процесса

         Процесс окислительного пиролиза метана заключается в неполном сгора­нии смеси метана с кислородом при температуре 1450 1500 °С и атмосферном или по­вышенном давлении (4 6 ат). Указанная температура достигается при со­отношении кислорода к метану, равном 0,58 0,62.                                           Избыточный метан при этой температуре разлагается с образованием ацети­лена и ряда других продуктов (газы пиролиза). Ацетилен при температуре 1500 °С термодинамически неустойчив и в течение короткого времени может разложиться на углерод (сажу) и водород. Во избежании разложения образо­вавшегося ацетилена время пребывания газов пиролиза в реакционной зоне не должно превышать 0,01сек.  Продукты реакции быстро охлаждают до темпера­туры 80-200 °С («за­калка»), при которой реакция разложения ацетилена практически прекращается.                                                                                                   Технологическая схема получения ацетилена окислительным пиролизом ме­тана изображена на рисунке 1. Кислород и метан подогревают до 600 700 °С в П1 и П2, имеющих топки для сжигания природного газа. В Р1 протекают вышерассмотренные процессы, причем газы выходят из него после «закалки» водой при 80°С и проходят для улавливания сажи полый водя­ной Цф1 и мокропле­ночный ЭФ1. Газы охлаждают водой в Х1 непосредствен­ного смешения, после чего их промывают в К1 небольшим количест­вом диметилформамида (ДФМА) или N-ме­тилпирролидона и направляют в Е1. Вода, стекающая из гидравличес­кого затвора реактора и из сажеулавливаю­щих аппаратов, содержит 2—3 % сажи, а также малолетучие ароматические соеди­нения. Она поступает в О1, с верха которого сажу и смолы собирают скребками и направляют на сжигание. Воду из сажеотстойника возвращают в реак­тор как «закалочный агент», а ее избыток идет на очистку, чем создается замкнутая система водо­оборота без сбрасывания токсичных сточных вод. Газ из Е1 сжимается Н1 до давления 1 МПа, проходя по­сле каждой ступени холодильники и сепараторы, не показанные на схеме. В К2 он промывается диметилформамидом или  N-метилпирро­лидоном, а непоглотившийся газ (Н2, СН4, СО, СO2) проходит Цф2, где при орошении водным конденсатом улавливается унесенный им растворитель.  После этого газ можно использовать в качестве синтез-газа или топлива.           Раствор в кубе К2 содержит ацетилен и его гомологи, а также значи­тельное количество близкого к ним по растворимости диоксида углерода с приме­сью других газов. Он проходит дроссельный В1 и поступает в К3 первой ступени. За счет снижения давления до 0,15МПа и нагрева­ния куба до 40 °С из раствора десорбируются ацетилен и менее растворимые газы. Ацетилен при своем движении вверх вытесняет из раствора диоксид углерода, который вместе с другими газами и частью ацетилена выходит с верха десорбера, предварительно от­мываясь от растворителя водным конденсатом. Эти газы возвращают на комприми­рование. Концентрированный ацетилен выводят из средней части К3, промывают в Цф3 водой и через ОП1 выводят с установки.           Кубовую жидкость К3, содержащую некоторое количество ацети­лена и его гомологов, направляют в К4 второй ступени, подогревая предва­рительно в Т1. За счет нагревания куба до 100 °С из раствора отго­няются все газы, причем из средней части колонны уходят гомологи ацетилена, на­правляемые затем на сжигание, а с верха  ацетилен с примесью его гомологов, возвращаемый в десорбер первой ступени. В растворителе постепенно накаплива­ются вода и полимеры, от которых его освобождают на установке регенерации.          Полученный на установке концентрированный ацетилен содержит           99,0 99,5% основного вещества с примесью метилацетилена, пропадиена и диок­сида углерода (по 0,1 0,3 %).

 

        

 

 

 

 

                                                           Вода                                          Вода                  Вода                                

                                                                                                           

                                                                                  Цф1                                                  Х1                    К1                                            

                                                                                                          ЭФ1                         

                                                            Вода                                               Вода

                                               Р1 

     П1               П2

дфма

                                                                                                                                                                                           Е1

            О₂                             СН₄                                                                                                                                  О1

                                                                                                                                        Сажа

                                                                                                                                                                                   

         ДМФА                         Н₂,СН₄,СО                   Вода                                               Вода                    С₂Н₂

                К2                                                        К3                                              ОП1                   К4

                                                                                            Цф3

                                                         Вода                                               Вода                                             Гомологи

                                                         Цф2                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

Н1                                                                                     Пар                                                                                 Пар                                                 

 

 

 

                                                                                                                                            Т1                                                               

                                                   В1                                                                                        

 

 

 

 

Рисунок 1 – Принципиальная схема процесса получения ацетилена окислительным пиролизом метана

Таблица 1.1 – Перечень аппаратов и оборудования  

Поз. обозначение	Наименование	Количество	Примечание
П1, П2	Трубчатые печи	2
Р1	Реактор	1
Цф1, Цф2, Цф3	Скрубберы	3
ЭФ1	Электрофильтр	1
Х1	Холодильник	1
К1	Форабсорбер	1
Е1	Газгольдер	1
О1	Сажеотстойник	1
Н1	Компрессор	1
К2	Абсорбер	1
К3, К4	Десорберы	2
ОП1	Огнепреградитель	1
В1	Вентиль	1
Т1	Теплообменник	1

 

 

 

 

        

         2 Механизм реакции

         Окислительный пиролиз метана можно представить как процесс, состоящий из трех этапов: горения метана, образования ацетилена и разложения ацетилена.

                    СН₄ + О₂  СО + Н₂O + H₂    

                    СН₄ + 2О₂  СО₂ + 2Н₂О          

                    2СH₄  C₂H₂ + 3H₂                           

                   C₂H₂  2C + H₂                        

         В отличие от чисто термического пиролиза, где реакция крекинга метана лими­тируется стадией зарождения первичных радикалов, при окислительном пиро­лизе возможно образование метиленовых  CH₂  и метильных CH₃  радикалов при горении части метана. Поэтому процесс может протекать по двум направлениям:

1. СН₄ + O    CH₂  + H₂O     

                        CH₂   + O₂ → HCHO + O

                     HCHO → CO + H₂

1.   CH₄ +  OH → CH₃  + H₂O

                      CH₃  + O₂ → HCHO +  OH

                       HCHO → CO + H₂

В обоих случаях процесс горения части метана можно выразить общим уравнением:

                   CH₄ + O₂ → CO + H₂O + H₂

 

        

 

        

         3 Стехиометрические уравнения реакции

         Расчет теплового и материального балансов осуществляется по следующим уравнениям:

                   2СH₄  C₂H₂ + 3H₂                                                          (3.1)

                   СН₄ + 2О₂  СО₂ + 2Н₂О                                                (3.2)

                   СH₄ → C + 2H₂                                                            (3.3)

 

        

 

         4 Расчет материального баланса

                                                                                                    вода    

           кислород                                                                                       реакц.

                 метан                                                                                       смесь

 

Рисунок 2 – Операторная схема материального баланса

Определим расходную и приходную части материального баланса (таблица 4.1).

Таблица 4.1 – Материальный баланс процесса получения ацетилена окислительным пиролизом метана (пропускная способность по метану – 50 тыс.м³/год)

Приход					Расход
	Компонент	м3, тыс.	кг/ч	% масс.		Компонент	кг/ч	% масс.
1	CH4(техн.) в том числе:		4,6952	42,3	1	C2H2	1,1448	10,3
	- CH4(чист.)	50	4,376	39,4	2	H2	0,5471	4,9
	- N2 (примесь 1)		0,3192	2,9	3	CO2	4,0844	36,8
2	O2(техн.) в том числе:		6,4048	57,7	4	H2O	3,3418	30,1
	- O2(чист.)		6,1248	55,2	5	C	0,8488	7,6
	- N2 (примесь 2)		0,28	2,5	6	CH4	0,3501	3,2
					7	O2	0,1838	1,7
					8	N2	0,5992	5,4
	Итого		11,1	100		Итого	11,1	100

 

         Поскольку число рабочих дней  в году - 340, то часовая производительность установки по чистому метану: 50·10³/(340·24) = 6,1274 м³/ч, следовательно:

Скачать: kr.rar