Получение винилхлорида газофазным методом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Физико-химическая характеристика процесса

1.1 Методы производства готового продукта и их краткая характеристика. Выбор метода, его преимущества

1.2 Основные физико-химические свойства сырья, полупродуктов и готовой продукции. Характеристика их качества согласно стандартам принятого метода

1.2.1 Ацетилен

1.2.2 Хлорид водорода

1.2.3 Винилхлорид

1.3 Теоретические основы принятого метода

2. Технологическая и эксплуатационная характеристика процесса

2.1 Подробное описание выполненной графически технологической схемы проектируемого производства или отделения

2.2 Охрана окружающей среды. Отходы производства и их использование

2.3 Техника безопасности, противопожарные мероприятия и охрана труда

3. Расчеты

3.1 Материальный расчет и таблица материального баланса проектируемого производства или отделения

3.2 Тепловой расчёт проектируемого аппарата. Таблица теплового баланса

3.3 Технологический расчёт проектируемого аппарата



1. Физико-химическая характеристика процесса

1.1 Методы производства готового продукта и их краткая характеристика. Выбор метода, его преимущества

Методы получения винилхлорида:

· Гидрохлорирование ацетилена

ь Жидкофазным методом: Температура процесса 60єС путем пропускания ацетилена и хлорид водорода через катализатор 10% раствора CuCl и хлористого аммония. Наряду с реакцией идет много побочных реакций. Продукты реакции охлаждения до - 10єС при этом отделяются побочные вещества, а также конденсат Н ₂О.

После окончания осушки твердого СаСl₂ продукты реакции охлаждаются до 20єС, при этом винилхдлорид переходит в жидкое состояние, а несконденсировавшийся ацетилен возвращается в производство.

Достоинства: малостадийность.

Недостатки: много побочных продуктов, небольшой выход.

ь Газофазным методом: Газофазный процесс проводится при температуре от 110єС до 120єС на свежем катализаторе. По мере старения катализатора температура поднимается до 180єС, чтобы обеспечить необходимую скорость процесса. В качестве катализатора используется активированный уголь, пропитанный раствором HgCl₂, катализатор берется 10% от угля.

CH=CH+HgCl =>Cl-CH=CH-HgCl

Cl-CH=CH-HgCl+CH₂=>CH₂=CHCl+HgCl

Достоинства: непрерывность процесса, простое аппаратурное оформление, высокий коэффициент использования исходных соединений.

Недостатки: относительная дороговизна процесса ацетилена по сравнению с другими исходными углеводородами.

· Из этилена через дихлорэтан может быть получен двумя способами:

ь Щелочным дегидрохлорированием в жидкой фазе: Дегидрохлорирование дихлорэтана щелочью проводят в вертикальных цилиндрических реакторах периодического или непрерывного действия. Реактор переодического действия, снабженный рубашкой и мешалкой, загружают метиловый или этиловый спирт и 42%-ную щелочь, затем постепенно приливают дихлорэтан.

Хлористый винил образуется по реакции:

CH₂Cl-CH₂Cl+NaOH=>CH₂=CHCl+NaCl+H₂O

Количество едкого натра, вводимого в реактор, на 15-20% превышают стехиометрическое.

Благодаря присутствию спирта, растворяющего как дихлорэтан, так и щелочь, дегидрохлорирование протекает в жидкой гомогенной среде.

Температуру поддерживают в пределах 85-90єС при давлении 2 ат. Продолжительность процесса 5-6 часов. Нельзя допускать избытка щелочи сверх установленного технологическим регламентом, так как это может привести к образованию ацетилена:

CH₂-CH₂Cl>CH₂=CHCl >CHCH

Недостатки: периодичность процесса при больших масштабах производства требуется установка значительного числа аппаратов. Большой расход щелочи и спирта.

ь Пиролизом в паровой фазе: При получении хлористого винила пиролизом дихлорэтана процесс протекает по схеме:



CH₂Cl-CH₂Cl=>CHCl=CH+HCl

Пары дихлорэтана при 480-500єС пропускают через кольцевые пространства реактора, образованное трубами диаметром 70 и 100 мм. Реактор обогревается газовой горелкой, расположенной в нижней части внутренней трубы.

Хорошие выходы хлористого винила получаются при использовании дихлорэтана высокой чистоты (99,9%), не содержащего оксилов и хлорид железа.

Достоинства: не требует затрат вспомогательных реагентов (спирт, щелочь)

Недостатки: необходимость использования дихлорэтана высокой чистоты.

· Высокотемпературным (аномальным) хлорированием этилена.

При аномальном хлорироании этилена образуется хлористый винил:

СH₂=CH₂+Cl₂=>CHCl=CH+HCl

Получение винилхлорида хлорированием этана при 400-600єС. Отношение объемов этана и хлора составляет 1:3 до 1,9:3. Продолжительность пребывания газов в реакционной зоне 0,5с.

Недостатки: требуется поддерживать высокую температуру, протекание нежелательных реакций в большом количестве.

Достоинства: выход винилхлорида с участием расплавленных солей составляет 65-67%.

· Комбинированным методом из этилена и ацетилена.

Комбинированный метод получения винилхлорида позволяет заменить дорогостоящий ацетилен на этилен, точнее использовать хлор (утилизировать отходы производства) и в настоящее время является самым экономичным: себестоимость его на 25-30% ниже по сравнению с методом гидрохлорирования ацетилена. Процесс получения винилхлорида их этилена по комбинированному методу состоит из шести стадий:

1. Синтез 1,2-дихлорэтана прямым жидкофазным хлорированием этилена;

2. Синтез 1,2-дихлорэтана окислительным каталитическим хлорированием этилена;

3. Промывка, осушка и ректификация 1,2-дихлорэтана;

4. Термическое дегидрохлорирование 1,2- дихлорэтана в винилхлорид;

5. Разделение продуктов дегидрохлорированя 1,2-дихлорэтана;

6. Ректификация винилхлорида.

Достоинства: применяется этилен

Недостатки: многостадийность. [1]

1.2 Основные физико-химические свойства сырья, полупродуктов и готовой продукции. Характеристика их качества согласно стандартам принятого метода

1.2.1 Ацетилен

Физические свойства

Структурная формула ацетилена: СНСН

Относительная молекулярная масса: -26,038

При нормальных условиях - бесцветный газ, малорастворим в воде, легче воздуха. Температура кипения -83,8єС. При сжатии разлагается со взрывом, хранят в баллонах, заполненных кизельгуром или активированным углем, пропитанным ацетоном. В котором ацетилен растворяется под давлением в больших количествах. Взрывоопасный. Нельзя выпускать на открытый воздух. При 0єС и 101,3 кПА (760 мм.рт.ст.) 1,173кг/м ³. В силу наличия тройной связи молекула высокоэнергетична и обладает большой удельной теплотой сгорания - 140004,19. При сгорании температура пламени достигает 3300єС

Химические свойства

Для ацетилена характерны реакции присоединения:

CHCH+Cl₂=>CHCl=CHCl

Полимеризация ацетилена с образованием винилацетилена, дивинилацетилена, тетрамера ацетилена:

СНСН+СНСН=>CHC-CH=CH₂

СНСН+2СНСН=> CH₂=C-CHC-CH=CH₂

СНСН+3СНСН=> CH₂=CH-CH=C-CHC-CH=CH₂

Хлорирование ацетилена с образованием тетрахлорэтана:

СНСН+Cl₂=>CHCl₂=CHСl₂

Гидрохлорирование ацетилена с образованием хлористого винила:

СНСН+HCl=>CHCl₂=CH₂

Гидратация ацетилена с образованием ацетальдегида и ацетона:

СНСН+H₂O=>CH₃-CHO

СНСН+H₂O +H₂O=>CH₃-CO-CH₃

Образование простых виниловых эфиров:

СНСН+ROH=>CH₂=CHOR



Образование сложных виниловых эфиров:

СНСН+RCOOH=>RCOOH=CH₂

Его применяют для получения хлоропренового каучука, винилхлорида, ацетальдегида, уксусного ангидрида, акрилонитрила, трихлорэтилена и др. Однако примерно 50% всего производимого ацетилена расходуется на сварку и резку металлов.[2]

Таблица 1. Ацетилен ГОСТ 5457-75

Наименование показателя	Норма для ацетилена
	растворенного	Газообразного ОКП 2411220300
	Марки А	Марки Б
	ОКП 241122010	Первого сорта ОКП 2411220230	Второго сорта ОКП 2411222040
1. Объемная доля ацетилена, % не менее	99,5	99,1	98,8	98,5
2. Объемная доля воздуха и др. малорастворимых в воде газов, % не более	0,5	0,8	1,0	1,4
3. Объемная доля фосфористого водорода, % не более	0,005	0,02	0,05	0,08
4. Объемная доля сероводорода, % не более	0,002	0,005	0,05	0,05
5. Массовая концентрация водных паров при температуре 20єС и давлении 101,3кПа (760 мм.рт.ст.), г/м 3 не более	0,4	0,5	0,6	Не нормируется
6. Температура насыщения, єС не выше	Минус 26	Минус 24	Минус 22

1.2.2 Хлорид водорода

Физические свойства

Структурная формула хлорид водорода: HCl

Относительная молекулярная масса: 36,4606

При нормальных условиях бесцветный термический устойчивый газ с резким запахом. На воздухе при поглощении влаги образует туман, представляющий собой мельчайшие капельки соляной кислоты.

Масса 1 литра хлорида водорода при 0єС и 0,1Мн/м² (1 кгс/см²) - 1,6391г; плотность по воздуху 1,268; плотность жидкого при -60єС -1,12 г/см³; tєпл -114,25; tєкип -85,1.

Критические константы: температура 51,4єС; давление 8,45Мн/м ² (84,5кгс/см²); плотность 0,42г/см³; удельный объем 2380г/см^3.

Хлорид водорода - стойкое соединение; при 1800єС он диссоциирует на Cl₂ и H₂ в незначительной степени. Химически в отсутствие H₂O хлорид водорода малоактивен, в газообразном состоянии не реагирует с углеродом, фосфором серой, железом. Его используют для получения соляной кислоты, синтеза органических соединений, например винилхдлорида.

Химические свойства.

Водный раствор хлристого водорода называется соляной кислотой. При растворении в воде протекают следующие процессы:

HCl_г+Н ₂O_ж=>H₃O+ж+Сl-ж

Со всеми металлами, стоящими в ряду напряжений после водорода, с основными и амфотерными оксидами, основаниями и солями, образуя соли- хлориды:

Mg+2HCl=>MgCl₂+H₂

FeO+2HCl=>FeCl₂₊H₂O

При действии сильных окислителей или при эликтролизе хлорводород проявляет восстановительные свойства:



MnO₂+4HCl=>MnCl₂+Cl₂^+2H₂O

При нагревании хлороводород окисляется кислородом (катализатор CuCl₂):

4HCl+O₂=>2H₂O+2Cl₂^

С медью, при этом образуется комплекс одновалентной меди:

2Cu+4HCl=>2H[СuCl₂]+2H₂^

Благодаря высокой концентрации хлорид-ионов в растворе металл связывается в хлоридный комплекс, что способствует его растворению:

3Pt+4HNO₃+18HCl=>3H₂[PtCl₆]+4NO^+8H₂O[3]

Присоединения к кратным связям (электрофильное присоединение):

R-CHCH₂HCl=>R-CHCl-CH₃

R-CCH+2HCl=>R-CCl₂-CH₃

Присоединяется к серному ангидриду, образуя хлорсульфоновую кислоту:

SO₃+HCl=>HSO₃Cl [2]



Таблица 2. Хлорид водорода

Наименование показателя	Норма для хлористого водорода
	АОКП 2122110100	БОКП 2122110200
1. Внешний вид		Высшего сорта ОКП 2122110220	Первого сорта ОКП 2122110230
	Прозрачная бесцветная жидкость или желтоватая	Прозрачная желтая жидкость
2. Массовая доля хлористого водорода,% не менее	35	33	31,5
3. Массовая доля Железа (Fe),% не более	0,001	0,002	0,015
4.Массовая доля остатка после прокаливания,% не более	0,010	0,015	0,100
5. Массовая доля свободного хлора, % не более	0,002	0,002	0,008
6. Массовая доля Мышьяка (As), % не Более	0,0001	0,0001	0,0002
7. Массовая доля Ртути (Hg), % не более	0,0003	0,0004	0,0005

1.2.3 Винилхлорид

Физические свойства винилхлорида

Структурная формула: CH₂CHCl

Относительная молекулярная масса: 62,5г/моль

При нормальных условиях бесцветный газ с эфирным запахом. Температура плавления -158,4єС, температура кипения-13,8єС. Хорошо растворим в обычных органических растворителях; растворимость в воде 0,25% (0єС), 0,11% (25єС), растворимость воды в винилхлориде 0,042 (0єС), 0,097% (20єС). Температура вспышки - 77,8єС (в открытом приборе), - 61,1єС (в закрытом); температура самовоспламенения 472єС; КПВ в воздухе 3,6 -33,0%, в кислороде 4,0-70,0%.

ПДК 0,1мг/м³ (рекомендуемая). Допустимое содержание примисей в винилхлориде высшего сорта (%): ацетилена - 0,0001; ацетальдегида - 0,0001, дихлорэтана - 0,0001; 1,3-бутадиена - 0,000; хлоропрена - 0,0001; прочих органических примесей - 0,026; HCl - 0,0001; железа - 0,0001; влаги - 0,02. Его используют главным образом для производства поливинилхлорида, а также различных сополимеров, винилиденхлорида и метилхлороформа.

Химические свойства

Реакции присоединения по двойной связи. Хлористый винил легко реагируем с хлором как в жидкой, так и в газовой фазе, образуя 1,1,2-трихлорэтан-реакция галогенирования:

CH₂=CHCl+Cl₂=>CH₂Cl-CHCl₂

Характерна реакция гидрогалогенирования:

CH₂=CHCl+HCl=>CH₃=CН=CHCl

Гидратации:

CH₂=CHCl+H₂O=>CH₃-CHO+HCl

Реакция полимеризации:

CH₂=CHCl+CH₂=CHCl+…Nch₂=CHCl=>-(CH₂CHCl-CH₂-CHCl)n- [2]

1.3 Теоретические основы принятого метода

Процесс газофазного гидрохлорирования ацетилена состоит из трех стадий:

1 стадия - подготовка сырья

2 стадия - получение продукта

3 стадия - очистка продукта от примесей и непрореагировавших веществ.

Первая стадия - подготовка сырья. Она включает в себя следующие операции:

a. очистка ацетилена от Ph₃, NH₃ и других вредных примесей;

b. охлаждение ацетилена до 3-5єС в холодильнике рассолом, циркулирующем в межтрубном пространстве и конденсация влаги;

c. отделение сконцентрированной влаги от ацетилена в сепараторе;

d. окончательная осушка ацетилена в аппарате, заполненном твердой щелочью;

e. смешение осушенного ацетилена с сухим хлористым водородом в смесителе;

f. приготовление катализатора и загрузка его в контактный аппарат

Вторая стадия - получение готового продукта. Реакция образования винилхлорида протекает с выделением тепла. Избыточное тепло отводиться циркулирующем в межтрубном пространстве контактного аппарата маслом или водой, которые охлаждаются до 70єС в выносном холодильнике. По мере старения катализатора температуру постепенно повышают до 180єС.

В аппарате образования винилхлорида протекает по следующей реакции:

CHCH+HCl=>CH₂=CHCl

эта реакция в некоторой степени обратима, но при умеренных температурах равновесие почти совмещено вправо.

Кроме основной реакции в аппарте протекают и побочные: присоединение хлористого водорода к ацетилену протекает с образованием несимметричного дихлорэтана:

CHCl=CH₂+HCl=>CHCl₂-CH₃

поэтому гидрохлорирование ацетилена и его гомологов проводят в присутствии селективных катализаторов, ускоряющих только первую стадию присоединения. Наиболее эффективной оказалась хлорная ртуть-сулема, кроме основной реакции эта соль ускоряет и гидратацию ацетилена с образованием ацетальдегида:

CHCH+HOH=>CH₃-CHO

Хлорную ртуть в газофазном процессе используют при 150-200єС. В результате гидрохлорирования ацетилена из контактного аппарата выходят контактные газы следующего состава: 93% (вес.) винилхлорида, 5% (вес.) хлористого водорода и 0,5% (вес.) ацетилена, 0,3% (вес.) паров несимметричного дихлорэтана и 0,3% (вес.) ацетальдегида.

Третья стадия - очистка продукта от примесей и непрореагировавших веществ.

Она состоит из следующих операций:

1. удаление хлористого водорода в насадочном скруббере, орошаемом водой;

2. удаление двуокиси углерода из контактных газов в скруббере, орошаемым 40% раствором щелочи;

3. охлаждение газов и вымораживание большей части влаги, содержащихся в ни в рассольном холодильнике (температура рассола -30єС).

4. полное очищение продукта от влаги и от большей части ацетальдегида в аппарате для осушки, заполненном твердой щелочью. Раствор щелочи, образующийся при этом, используют для промывки газов в скруббере.

5. очистка хлористого винила от дихлорэтана и остатков ацетальдегида в тарельчатой колонне путем дистилляции. Выходящий из колонны винилхлорид конденсируется в кожухотрубном конднсаторе, с циркулирующем в нем рассолом с температурой рассола - 35єС и самотеком поступает в аппарат для выделения газа. Здесь из винилхлорида отгоняются растворенные ацетилен и инертные газы;

6. окончательная очистка от ацетилена в насадочной отгонной колоне. Из куба колонны непрерывно вытекает винилхлорид в сборник. [2]



2. Технологическая и эксплуатационная характеристика процесса

2.1 Подробное описание выполненной графически технологической схемы проектируемого производства или отделения

Концентрированный ацетилен (97-98%), очищенный от PH₃, NH₃ и других вредных примесей, компрессором ВО вгоняется в систему под избыточным давлением 0,05 МПа и охлаждается до 3-5єС в холодильнике Т ₁ рассолом, циркулирующим в межтрубном пространстве. После отделения в сепараторе С от сконденсировавшейся влаги ацетилен поступает в осушительный аппарат АД ₁, заполненный твердой щелочью. Осушенный ацетилен смешивается с сухим хлористым водородом в смесителе СМ. Газообразная смесь поступает в трубчатый контактный аппарат Р, предварительно нагретый до температуры 110-120єС горячим маслом или водой, циркулирующим в межтрубном пространстве аппарата Р.

Контактный аппарат представляет собой вертикальный стальной трубчатый аппарат с освинцованной сферической крышкой и коническим днищем. Днище поверх свинца футеровано двумя слоями керамической плитки, во избежание коррозии под действием соляной кислоты, которая образуется в ходе пуска аппарата. В трубное пространство аппарата помещен катализатор-активированный уголь, пропитанный сулемой (10% от угля).

Реакция образования винилхлорида протекает с выделением тепла. Избыточное тепло отводиться циркулирующем в межтрубном пространстве контактного аппарата маслом или водой, который охлаждаются до 70єС в выносном холодильнике. По мере старения катализатора температуру процесса постепенно повышают до 180єС. При повышенных температурах хлорная ртуть, начинает возгоняться. Так как у входа в реактор реакция протекает наиболее интенсивно, пары сулемы вместе с исходным газом и продуктами реакции начинают перемешиваться вдоль катализаторных труб, а в менее горячей части пары сулемы конденсируются. При исчерпывании сулемы из активированного угля каталитическая активность понижается и в контактных газах появляется несвязанный ацетилен.

В контактном аппарате кроме основной реакции гидрохлорирования, протекают и побочные, в частности, образование несимметричного дихлорэтана, и в результате гидратации ацетилена образуется также некоторое количество ацетальдегида. Поэтому в контактных газах, содержащих примерно 93% (вес.) винилхлорида, 5% (вес.) хлорид водорода и 0,5% (вес.), присутствует 0,3% (вес.) паров несимметричного дихлорэтана и 0,3% (вес.) ацетальдегида. Реакционные газы, имеющие на выходе из контактного аппарата температуру 130-150єС, поступают в стальную колонну насадочного типа, футерованную изнутри поливинилхлоридом.

2.2 Охрана окружающей среды. Отходы производства и их использование

Любое химическое производство является опасным для окружающей среды.

Степень экологической опасности химических производств зависит от токсичности и количества выбрасываемых в окружающих в среду веществ.

В производстве винилхлорида образуется газообразные (ацетилен, оксид углерода, хлорводород) и жидкие (щелочь натрия, соляная кислота, дихлорэтан, ацетальдегид, винилхлорид) и сточные воды (бытовые и производственные).



На рис.1. изображена блок-схема производства винилхлорида, на которой указаны все входящие и выходящие потоки производства, система очистки отходов.

На производстве образуются бытовые и производственные (условно чистые воды) сточные воды. Условно чистые сточные воды-воды циркулирующие в межтрубном прострастве холодильников, не проходит очистку, она охлаждается в вентилируемых градирнях и разбрызгивательных бассейнах, потом она снова подается в теплообменник (вода оборотная). Все остальные воды перед сбросом в канализацию проходят очистные сооружения.

Загрязненная вода, содержащая соляную кислоту, воду, щелочь нейтрализуется смешиванием, потом воды отправляются на биологическую очистку. Вода, идущая, с промывки оборудования загрязнена кислотой, щелочью, ацетиленом растворенным, растворенным винилхлоридом, ацетиленом, дихлорэтаном. Она очищается в аэротенках биологическим способом. На производстве образуются жидкие отходы (дихлорэтан и ацетальдегид) в виде кубового остатка, они перегоняются в ректификационной колонне к потребителю.

Атмосферу производство выбрасывает загрязненный воздух из систем вентиляции (вентиляционные выбросы) содержащие неорганизованные выбросы, образующиеся из-за неплотностей, сбоев в работе оборудования и технологических, содержащих ацетилен и топочные газы. Вентиляционные выбросы содержат маленькие концентрации загрязняющих веществ, поэтому их пропускают через адсорбционные фильтры, забитые активированным углем. Технологические выбросы, содержащие ацетилен и инертные газы идут на конденсацию, где очищенный воздух отделяется от сконденсировавшихся загрязнителей. Ацетилен содержится в них в достаточно большом количестве и загрязнен лишь инертными газами, его можно выделить и использовать в данном производстве (направить на гидрохлорирование ацетилена), для очистки его направляют на абсорбцию, где абсорбент (минеральные масла и раствор NaOH) поглотят его, а инертный газ отводиться сверху колонны. Потом абсорбцией (нагревом) получается чистый ацетилен.

Топочные газы при использовании природного газа. Незначительное количество диоксида азота в этих газах содержится в пределах ПДК.

В результате очистки получили нормативно очищенную воду и воздух, которые можно выбрасывать в атмосферу. [6]



Условные обозначения:

QI-подача свежей воды;

QII -отведение бытовых сточных вод;

QIII- отведение загрязненных производственных сточных вод;

QIV-отведение не загрязненных сточных вод;

Q - оборотная вода после охладительных установок;

О.С.- очистные сооружения;

О.У. -охладительные установки;

Qсбр.- вода, сбрасываемая в водоем;

Qшл- вода удаляемая со шламом;

Qсуш.- вода теряемая при сушке. [6]



2.3 Техника безопасности, противопожарные мероприятия и охрана труда

винилхлорид ацетилен хлорид газофазный

Производство винилхлорида состоит из четырех стадий: стадия подготовки сырья, компрессия и осушка, синтез винилхлорида в контактном аппарате, промывка и осушка реакционного газа, ректификация строго винилхлорида.

Это производство особо вредное. Стадия подготовки сырья относиться к категории "А" вследствие наличия газообразных ацетилена и хлористого водорода. Помещение относиться к классу В-I, так как газовая смесь может образовать взрывоопасные смеси. Газы и пары на данной стадии относятся к классу Т₂. Ацетилен очень токсичен и является слабым наркотиком. В смеси с воздухом вызывает удушье. Предел допустимой концентрации 0,5 мг/литр. Температура самовоспламенения 300єС, температура вспышки - 50єС. Нижний предел взрываемости 2,8%, верхний - 65%. Хлористый водород токсичен и вызывает раздражение верхних дыхательных путей, слизистой оболочки, действует на аминокислоты в крови. Предельно допустимая концентрация 30мг/м³. Температура воспламенения-200єС, температура вспышки равна 17єС.

Стадия синтеза винилхлорида относиться к категории "А" с помещением класса В-II, газы и пары относятся к классу Т₃. Сам винилхлорид токсичен, оказывает наркотическое воздействие, поражает нервную систему. Предельно допустимая концентрация равна 30 мг/м³. Температура воспламенения 200єС, температура вспышки 210єС.

Стадия промывки, осушки реакционного газа и стадия ректификации строго винилхлорида относится, а категории "А", помещения класса В-IIа, газы и пары к классу Т₃.

Средства защиты: защитные очки, перчатки, обувь, противогаз, спецодежда. Противогазы используются фильтрующие, марки А, Е, В, БКФ. При тушении пожаров используют огнетушители: пенный ОП-5, воздушнопенный ОВП-Ю, порошковый ПС-1, а так же в цехах предусмотрены внутрипожарные краны.[10]



3. Расчеты

3.1 Материальный расчет и таблица материального баланса проектируемого производства или отделения

Исходные данные:

Производительность установки винилхлорида: 27000т/год

Состав контактных газов (в масс.%):

Винилхлорид 93%

Несимметричный ДХЭ 2%

Ацетальдегид 3%

Диацетилен 2%

Потери винилхлорида 3%

Избыток хлорида водорода от стехеометрического

количества получения винилхлорида 7%

Выход винилхлорида по ацетилену 94%

Содержание основного вещества в хлориде водорода 99%

Содержание основного вещества в ацетилене 98%

· Остановки на текущий ремонт. По справочнику ППР находим время простоя оборудования (испарителя) на текущий ремонт:

Т_р=8640/32

Определяем время простоя оборудования на текущий ремонт в году (ч/год): X₁=365*24*32/8640=32,44

· Остановки на капитальный ремонт. По справочнику ППР находим время простоя оборудования (испарителя) на капитальный ремонт:

К_р=34560/200

Определяем время простоя оборудования на капитальный ремонт в году (ч/год):

Х ₂=365*24* 200/34560=50,69



· Определяем время общего простоя оборудования (ч/год):

X₃=X₁+X₂=32,44+50,69=83,13

· Время работы оборудования без простоев (ч/год):

Х₄=365-24-X₃=365*24- 83,13=8676,87

· Часовая производительность без учёта потерь (кг/ч):

Х₅=27000*1000/8676,87=3111,72

· Часовая производительность с учётом потерь (кг/ч). Потери - 3%

Х₆=3111,72/0,97=3207,96

· Потери (кг/ч):

Х₇=3207,96-3111,72=96,24

· Количество реакционной смеси (кг/ч):

X₈=3207,96/0,93=3449,41 [8,с 262]

· Количество несимметричного дихлорэтана в продукте реакции (кг/ч):

Х ₉=3449,41*0,02=68,98

· Количество ацетальдегида в продукте реакции (кг/ч):

Х₁₀=3449,41*0,03=103,48

· Количество диацетилена в продукте реакции (кг/ч):

Х₁₁=3449,41*0,02=68,98

Проверка: 3207,96+68,98+103,48+68,98=3449,39

Уравнения реакции:

1.Образование винилхлорида:

СН?СН + НС 1 => СН ₂=СНС 1



2.Образование дихлорэтана несимметричного:

СН?СН + 2НС 1=>CHCl₂-CH₃

3.Образование ацетальдегида:

CH?CH+H₂O=> CH₃-СНO

4.Образование диацетилена:

2CH?CH=> CH?C-CH?CH₂

Определяем сколько ацетилена затрачивается теоретически на 1 реакцию, кг/ч:

Х₁₂=26*3207,96/62,5=1334,50

Сколько расходуется ацетилена с учетом выхода, кг/ч:

Х₁₃=1334,50/0,94=1419,68

Сколько ацетилена не прореагирует, кг/ч:

Х ₁₄=1419,68-1334,50=85,18

Сколько ацетилена расходуется на побочные реакции, кг/ч:

1) на образование дихлорэтана несимметричного, кг/ч: 26*68,98/99=18,11

2) на образование ацтальдегида, кг/ч: 26*103,48/44=61,14

3) на образование диацетилена, кг/ч: 52*68,98/52=68,98

Общий расход ацетилена, кг/ч:

1419,68+18,11+61,14+68,98=1567,91

Определяем технический расход ацетилена, кг/ч:

1567,91/0,98=1599,90

Сколько ацетилен технический содержит примесей-0,02%

1599,90-1567,91=31,99

1) Кислород- 0,005%

31,99*0,005/0,02=7,99

2) Азот-0,005%

31,99*0,005/0,02=7,99

3) РН ₃-0,004%

31,99*0,004/0,02=6,39

4) Н ₂S- 0,006%

31,99*0,006/0,02=9,59

Расход воды на ацетальдегид, кг/ч:

18*103,48/44=42,33

Определяем расход хлорид водорода, кг/ч:

1) на основную реакцию:

3207,96*36,5/62=1873,44

2) на побочную реакцию:

73*68,98/99=50,86

Определяем общий расход хлорид водорода, кг/ч:

1873,44+50,86=1924,3

Определяем избыток хлорид водорода, кг/ч:

1924,3*1,07=2059,00

2059,0-1924,3=134,7

Определяем технический расход хлорид водорода, кг/ч:

2059,0/0,99=2079,79

Определяем примеси в хлорид водороде, кг/ч:

2079,79-2059,0=20,79

Таблица 4. Материальный баланс

Приход	Кг/ч	Расход	Кг/ч
1. Ацетилен тех.	1599,90	1. Винилхлорид	3207,95
1.1 Ацетилен на 1 реакцию	1334,50	2. ДХЭ не сем.	68,98
1.2 Ацетилен 2 реакцию	18,11	3. Ацетальдегид	103,48
1.3 На образование ацетальдегида	61,14	4. Диацетилен	68,98
1.4 На диацетилен	68,98	5. Ацетилен непр.	85,18
1.5 Ацетилен непр.	85,18	6. Примеси ацетилена (H2S)	31,99
1.6 Примеси ацетилена (H2S)	31,99	7. Избыток хлорид водорода	134,7
2. Хлорид водорода тех.	2079,79
2.1 Хлорид водорода на 1 реакцию	1873,44
2.2 Хлорид водорода на 2 реакцию	50,86
2.3 Избыток хлорид водорода	134,7
2.4 Примеси хлорид водорода (N2)	20.79
3. H2O	42.33
Итого:	3722,02	Итого:	3722,05

3.2 Тепловой расет проектируемого аппарата. Таблица теплового баланса

В приход тепла включается тепло вносимое с сырьем и тепловые эффекты реакции.

Тепло вносимое в аппарат с сырьем, кДж/ч

Q₁ = m₁*c₁*t₁+m₂*c₂*t₁…….

где t1=160°C, пересчитываем 273+160=433К

m₁ - масса ацетилена, кг/ч;

m₁ = 1334,50+18,11

m₂- масса примеси, кг/ч;

m₂= 31,99

m₃ - масса примеси воды, кг/ч;

m₃ = 42,33 [из табл. материального баланса]

m₄- масса не прореагировавшего ацетилена, кг/ч;

m₄ = 85,18

m₅- масса НС 1, кг/ч;

m₅= 1873,44+50,86 = 1924,3

m₆ - масса избытка хлористого водорода кг/ч;

m₆ = 134,7

m₇ - масса примеси азота, кг/ч;

m₇=20,79

С₁, С₂, С₃, С₄, С₅, С_6,С₇ - теплоемкость данного вещества, кДж*К;

Теплоемкость органических веществ определяем по формуле:

Ср° = a+b*T+c*T²

Теплоемкость неорганических веществ определяем по формуле:

Ср' = а+ b*Т+с/Т ₂;

Теплоемкости:

1) С₁ - теплоемкость ацетилена, кДж/моль*К [4, с 83]

С_CH?_CH = a+b*T+c*T²;

A=26.44, b=66,65*10^-3, с=-26,48*10^-6

С_CH=_CH=23,46+66,65^-3*433+(-26,48*10^-6)*= 26,44+28,86-4,96 = 50,34 кДж/моль*К;

Срє=50,96/26 = 1,93 кДж/кг*К

2) С₂ - теплоемкость примеси ацетилена, кДж/моль*К

А=29,37, b=15,40*10^-3, с= -

C₂(H₂S) = 29,37+15,40*10^-3*433= 29,37+6,66=36,03 кДж/моль*К

Срє=36,03/34=1,06 кДж/кг*К

3) С₃ - теплоемкость Н ₂0, кДж/моль*К

A=30,00, b=10,71*10^-3, с=0,33*10^-5

С₃(Н₂О)=30,00+10,73*10^-3*433*0,33*10^-5/433² = 34,64 + 0,17 = 34,81 кДж/моль*К

Срє=34,81/18=1,93 кДж/кг*К

4)С₄ - теплоемкость НСl, кДж/моль*К

А=26,53, b=4,60*10^-3, с=1,09*10^-5

С₄(HCl)=26,53+4,60*10^-3*433+1,09*10^-5/433²=28,52+0,58=29,1 кДж/моль*К

Срє=29,1/36,5=0,8 кДж/кг*К

5)С₅ - теплоемкость N_2,кДж/моль*К [ 4, с 73 ]

A=27.88, b=4.27*10^-3, с= -

С ₅(N₂)=27,88+4,27*10^-3*433=27,88+1,84=29,72 кДж/моль*К

Срє=29,72/28=1,06 кДж/кг*К

Q₁=1352,61*1,93*160+31,99*1,06*160+42,33*1,93*160+85,18*1,93*160+1924,3*0,8*

160+134,7*0,8*160+20,79*1,06*160=760444,52

Тепло образующееся в ходе химической реакции. По закону Гесса находим тепловой эффект основной и побочной реакции:

Q_эф=?Q_{обр.кон.}- ?Q_{обр.нач}

СН?СН + НС 1 => СН ₂=СНС 1(1)

Для реакции (1):

ДН°₂₉₈(С ₂Н ₂) = 226,75 кДж/моль

Q_oбP(C₂H₂) = -226,75-10³ кДж/кг*моль

ДН ⁰₂₉₈(НС 1) = -92,30 кДж/моль

Q_o6P(HCl) = 92,30*10³ кДж/кг*моль

Теплоту образования винилхлорида рассчитываем по энергии разрыва связи, кДж/моль:

Н-СН=СН-СНСl

С=С =1*613*10³кДж/кмоль

С-Н = 3*412*10³=1236*10³кДж/кмоль

С-Cl = 1*327*10³=327*10³кДж/кмоль

?Q_{обр. кон}=2176*10³ кДж/кмоль

Q_эф=2176*10³-(-226 * 10³ + 92,31 * 10³) = 2176 * 10³ 319,06 * 10³ = 1876,94 * 10³кДж/кмоль

Тепловой эффект реакции на 1 кг продукта, кДж/кг

Q=Q_эф/м=1876,94*10³/62,5=29,71*10³

Тепловой эффект реакции на часовую производительность, кДж/ч

Q=29.71*10³*3207.95=95308194.5

Определить тепловой эффект образования дихлорэтана несеммитричного:

СН?СН+2НСl=>СН ₂-СН ₃

Для реакции (2): [5, с. 23]

ДН°₂₉₈(С ₂Н ₂) = 226,75 кДж/моль

Q_oбP(C₂H₂) = -226,75-10³ кДж/кг*моль

ДН ⁰₂₉₈(НС 1) = -92,30 кДж/моль [5, с. 23]

Q_o6P(HCl) = 92,30*10³ кДж/кг*моль

С-С= 1*339*10³ кДж/кмоль [5, с. 24]

С-Сl=1*327*10³кДж/кмоль

С-Н=5*412*10³кДж/кмоль

?Q_{обр. кон}=2726*10³кДж/кмоль

Q_эф=2726*10³-(-226,75 * 10³ + 184,62 * 10³) = 2726 * 10³ + 42,13 * 10³ = 2768,88 *10³кДж/кмоль

Тепловой эффект реакции на 1 кг продукта, кДж/кг

Q=Q_эф/М=2768*10³/99=27,96*10³



Тепловой эффект реакции на часовую производительность, кДж/ч

Q=27.96*10³*68.98=1928680.8

Тепловой эффект образования ацетальдегида:

СН?СН+Н ₂О=>СН ₃-СНО

Для реакции (3):

ДН°₂₉₈(С ₂Н ₂) = 226,75 кДж/моль [5, с. 23]

Q_oбP(C₂H₂) = -226,75-10³ кДж/к*моль

ДН°₂₉₈(н ₂о)=-241,81кДж/моль [5, с. 23]

Q_обр=(Н ₂о)=241,81*10³ кДж/кмоль

ДН°₂₉₈ (С ₂Н ₄О)=-166,0кДж/моль

Q_обр=(С ₂Н ₄О)=166,0*10³кДж/кмоль [5, с. 24]

Q_эф = 166,0 * 10³ -(-226,75 * 10³ + 241,81 * 10³) = 166,0 * 10³ -15,06 * 10³ = 150,94*10³ кДж/кмоль

Тепловой эффект реакции на 1 кг продукта, кДж/кг

Q=Q_эф/М=150,94*10³/44=3,43*10³

Тепловой эффект реакции на часовую производительность, кДж/ч

Q=3,43*10³*10,48=354936,4

Тепловой эффект образования диацетилена:

2СН?СН=>СН?С-Н=СН ₂

Для реакции (4):

ДН°₂₉₈(С ₂Н ₂) = 226,75 кДж/моль

Q_oбP(C₂H₂) = -226,75-10³ кДж/к*моль

С?С=1*837*10³кДж/кмоль

С=С=1*613*10³кДж/кмоль

С-С=1*339*10³кДж/кмоль

С-Н=4*412*10³кДж/кмоль

?Q_{обр. кон}=3437*10³кДж/кмоль

Q_эф=3437*10³-(-453,5*10³)=3890,5*10³кДж/кмоль

Тепловой эффект реакции на 1 кг продукта, кДж/кг

Q=Q_эф/М=3890,5*10³/52=74,81*10³

Тепловой эффект реакции на часовую производительность, кДж/ч

Q=74.81*10³*68.98=5160393.8

Определяем приход тепла основной и побочных реакций, кДж/ч

Q_{прихода}=Q₁+?Q_эф

Q_{прихода}=760444,52+(95308194,5+1928680,8+354936,4+5160393,8)=

=760444,52+102752205,1=103512649,6

Расход тепла

Теплоемкости, Дж/кмоль

С ₁-винилхлорида (эмпирическим путем) СН ₂?СНСl

Ср=?Сi*n_i/М [4, с 108]

С=2*11,72=23,44

Н=3*17,99=53,97

Cl=1*33,93=33,93

С ₁=111,34; n_i=6; М=62,5;

С ₁=111,34*6/62,5=10,68 кДж/кг*К

С ₂-дихлорэтана не сем. СН ₂Сl-СН ₃

С=2*11,72=23,4 [5, с. 32]

Н=5*17,99=89,95

Сl=1*33,93=33,93

С ₂=147,32; n_i=8; М=99;

С ₂=147,32*8/99=11,90 кДж/кг*К

С ₃-ацетальдегида СН ₃-СНО

Ср=a+bt+ct²

Ср=13,00+153,5*10^-3*513+(-53,7*10^-6)=13,00+78,34-14,13=77,21 Дж/моль*К

С ₃=77,21/44=1,75 кДж/кг*К

С ₄-диацетилена (эмпирическим путем) С ₄Н ₄

С=4*11,72=46,88

Н=4*17,99=71,96

С ₄=118,84; n_i=8; M=52;

С ₄=118,84*8/52=18,28 кДж/кг*К

С ₅-ацетилен не пр.

Ср=a+bt+ct²

A=26.44, b=66,65*10^-3 с=-26,48*10^-6

Ср=26,44+66,65*10^-3*513+(-26,48*10^-6)*513²=26,44+34,19-6,96=53,67 Дж/моль*К

С ₅=53,67/26=2,06 кДж/кг*К

Тепло выносимое из аппарата с продуктами реакции, кДж/ч

Q₂=(3207,95*10,68)+68,98*11,90)+(103,48*1,75)+(68,98*18,28)+(85,18*2,06)+(31,99*1,06)+(134,7*0,8)+(20,79*1,06)=(34260,9+820,86+181,09+1260,95+175,47+33,9+107,76+22,03)*240=36862*240=8847110,04

Тепловые потери, кДж/ч Q_пот=6%



Q_пот=Q_приход-Q_пот

103512649,6*0,06=6210758,97

Тепловая нагрузка, кДж/ч

ДQ=Q_{прихода}-(Q_{расхода}+Q_потери)

103512649,6-(8847110,04+620758,97)=103512649,6-15057869,01 = =88454780,59

Таблица 5. Тепловой баланс

Приход тепла	кДж/ч	Расход тепла	кДж/ч
Тепло вносимое в аппарат с сырьем	760444,52	Тепло выносимое с сырьем из аппарата	8847110,04
Теплота эффекта реакций	102752205,01	Тепловые потери	6210758,97
Итог:	103512649,6	Тепловая нагрузка	88454780,59
		Итог:103512649,6

Расчет поверхности теплообмена

Расчет температурных потерь, ⁰С

Дt₁= (t_{Kl -} t_H2) = 240-3=237°С - max

Дt₂ = (t_H1 -tк ₂)= 160-100=60°C - min

Max/min=237/60=3,9

Дt_cp = 237-60/ 2,3*lg237/60 = 23,75°C

Определяем коэффициент теплоотдачи для межтрубного пространства, Вт/м ²К

Re = w-d_3KB-p/n,

где

d_3KB = 4S/П = (р _BH² - р _H²)/ р (рd_вн - рd_н) = d_BH - рd_H= 3,14-l,75²/4 - 3,14*0,04²/4 / 3,14(1,75+ 0,04) = 1,71

За скорость принимаем w = 1 м/с = 1000 кг/м ²

µ _{дифен.эфир} ⁼ 0,51*10^-3*0,265 =0,135*10^-3Па*с

µ _{дифенила}=0,83*10^-3*735 = 0,61 * 10^-3 Па*с

µ дифениловой смеси = 0,6*10^-3+0,135*10^-3 = 0,745*10^-3 = 0,745*10^-3 Па*с

Р _{дифениловой смеси} =14,5 Кг/м ³

Re= 1000*1,71 *14,5/0,745*10^-3= 33281879,19

Pr = µ*с/л,

где с - теплоемкость дифениловой смеси

с = 1,95 кДж/кг-град

Л= 0,08 Вт/м-град - теплопроводность дифениловой смеси

µ =0,745-10^-3 Па*с

Рг = 0,745*10^-3*1,95*10^-3/0,08 = 1,82

Nu= 0,023*Re^0,8*Pr^0,4

Nu = 0,023*33281879,19^0,8*18,2^0,4 = 76433,7

б₁ = Nu* л/ б _экв = 76433,7*0,08/1,71 = 3575,8 Вт/м ²-град

Расчет коэффициента теплоотдачи б ₂ для трубного пространства

Re = w*d_BH*с/ µ,

где W = 2м/с = 2000 кг/м ²*сек d_BH= 0,0365 м

d_смеси ⁼ 1,46 кг/м ³

с _смеси ⁼ 0,015*10 Па*с

Re = 2000*0,0365*1,46/0,015*10^-3 = 7105333,3

Pr = µ*с/л,

где С-0,27*4190 Дж/кг-град - теплоемкость смеси: ацетилен + хлористый водород

Л - 0,0057 Вт/м-град - теплопроводность смеси

Рг = 0,015*10^-3*0,27*4190/0,0057 = 2,98

Nu=0,023*Re°^,8*Pr^0,4=0,023-7105333,3°'⁸*2,98⁰'⁴=10449,3

б₂=Nu-л/б_вн= 10449,3*0,0057/0,0365=1631,8 Вт/м ²*град

Расчет коэффициента теплопередачи К и поверхности теплообмена

К = 1/ l/ б₁+у / б _CT+l/б ₂,

где о - 3,5 мм толщина стенки трубок

а_ст - теплопроводность стали - 45 Вт/м ²

Коэффициент теплопередачи Вт/м ²-К

К = 1/ 1/3575,8 + 0,0035/45 + 1/1631,8 = 1030,9

Поверхность теплообмена, м ²

F=ДQ/K*Дt_cp=88454780,59*1000/1030,9*23,75*3600=884547880590/88141950=1003,5

Расход воды, кг/ч;

т= ДQ/c-(t₂-t₁),

где с - теплоемкость воды 4,19 кДж/кг*К

t₂ - температура воды 100°С

t1 - температура воды 3°С;

т = 88454780,59/4,19*(100-3) = 217638,4

3.3 Технологический расчёт проектируемого аппарата

Определяем объем катализатора, м

V_кат ⁼ р*d² /4 *h*n,

где h - высота трубки, м

n - количество трубок

V_кат=3,14*0,028²/4*3,13*120=3,8м ³

Производительность реактора кг/ч

Пр =V_Кат 172 = 3,8*172 = 653,6

Количество реакторов:

К = производительность винилхлорида / производительность реактора

К = 3207,95/653,6 = 5 реакторов

Размещено на Allbest.ru

...