РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ ПИРОЛИЗОМ МЕТАНА

0

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: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ  

Категория: Курсовые / Курсовые по химии

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.