Характеристика піролізу ацетилену із різноманітних сполук

О₂:СН₄=1,4838:2,3783=0,62

Визначаємо ступінь перетворення (конверсії) метану:

(2,3783-0,1955)/2,3783=91,7798%

Визначаємо вихід етилену на пропущений метан:

Теоретичний вихід ацетилену:

2СН₄>СН=СН + 3Н₂

х=(25759,2645·26)/(2·16)=20929,4024кг/ч

Практичний вихід ацетилену:

(6521,6112·100)/20929,4024=31,16%

Визначаємо вихід ацетилену:

(6521,6112·32·100·100)/(25759,2645·26·91,7798)=33,9509%

Розраховуємо побічні продукти, що утворилися на 1 т ацетилену:

m _С4Н2=270,7768/6,5216=41,5199 кг/т

V _С4Н2=(41,5199·22,4400)/28=33,2159 м³

m _С4Н6=81,594/6,5216=12,5113 кг/т

V _С4Н6=(12,5113·22,44)/54=5,1991 м³

m _С3Н4=96,708/6,5216=14,8289 кг/т

V _С3Н4=(14,8289·22,44)/40=8,3190 м³

m _Н2=3328,5002/6,5216=510,3809 кг/т

V _Н2=(510,3809·22,44)/2=5726,4737 м³

m _СО=21695,9954/6,5216=3326,7903 кг/т

V _СО=(3326,7903·22,44)/28=2666,1848 м³

m _сажі=338,4711/6,5216=51,9 кг/т

Таблиця 6 - Сполука побічних продуктів

Компоненти	Кількість
	кг	м3
Етилен 1,3-бутадієн Мелитацетат Діацетилен Водень Оксид вуглецю Сажа	41,5199 12,5113 14,8289 25,4868 510,3809 3326,7903 51,9	33,2159 5,1991 8,3190 11,4348 5726,4737 2666,1848 -

Розрахунок теплового балансу

Вихідні дані:

Температура в зоні розкладання метану 1500 ⁰С

Температура на виході з реактору 80 ⁰С

Температура охолоджувальної води на вході 20 ⁰С

Температура охолоджувальної води на виході 80 ⁰С

Загальне рівняння теплового балансу:

Q₁+Q₂=Q₃+Q₄ (1)

де Q₁ - кількість тепла, що вноситься з підігрітою метанокисневою сумішшю, кДжм³;

Q₂ - кількість тепла, що виділилося в результаті піролізу, кДж/м³;

Q₃ - кількість тепла, що відноситься продуктами реакції з потоком газу піролізу, кДж/м³;

Q₄ - кількість тепла, що втрачається стінками реактору в навколишнє середовище, кДж/м³.

Прибуток тепла.

Визначаємо кількість тепла, що виділилося внаслідок піролізу. Для цього, користуючись даними таблиці 5, визначаємо кількість метану, що розклався:

2,3783 - 0,1955 = 2,1828 кмоль/100м³.

Кількість кисню, що вступив до взаємодії:

1,4838 - 0,0129 = 1,4709 кмоль/100м³.

На підставі цих даних і складу газу піролізу згідно таблиці 5 сумарне рівняння реакції окислення метану записується в наступному вигляді:

2,1828 СН₄ + 1,4709 О₂ 0,3705 С₂Н₂ + 0,0143 С₂Н₄ + 0,0022 С₄Н₆+0,0036 С₃Н₄ + 0,0049 С₄Н₂ + 0,0045 С₆Н₆ + 2,4585 Н₂ + 1,1446 СО + 0,1607 СО₂ + 1,4758 Н₂О + 0,0417 С + 0,0920 (N2 + Ar)

Тепловий ефект цього рівняння при t = 20 ⁰С визначимо за законом Гесу[7]:

ДH_P = УДH_кін - ДH_поч= q₂₀ (2)

Теплота утворення сполуки розраховується за формулою:

q_c = n·ДH (3)

де n - кількість речовини, кмоль/ 100м³;

Д Н - теплота утворення сполуки, кДж/кмоль.

Розрахунок теплоти утворення компонентів газу піролізу наведений у таблиці 7.

Таблиця 7 - Розрахунок теплоти утворення

Компоненти	Кількість n, кмоль/100м3	Теплота утворення ДН, кДж/моль	Теплота утворення qc, кДж/100м3
Ацетилен	0,3705	226750	-84010,88
Етилен	0,0143	52280	-747,60
Бутадієн-1,3	0,0022	111900	-246,18
Бензол	0,0045	82930	-373,19
Окис вуглецю	1,1446	110500	126478,30
Двоокис вуглецю	0,1607	393510	63237,06
Водяна пара	1,4758	241840	356907,47
Водень	2,4585	0	0
Сажа	0,0417	0	0
Всього			461244,98
Метан	2,1828	74850	163382,58
Кисень	1,4709	0	0
Всього			163382,58

Теплоти утворення метілацетилену та діацетилену через відсутність довідкових даних приймаємо рівними теплоті утворення ацетилену:

0,3705 + 0,0036 + 0,0049 = 0,3790 кмоль/100м³.

Тепловий ефект реакції, що протікає при 20 ⁰С, розраховується згідно рівнянню (3.2) відповідно до даних таблиці 7.

q₂₀ = 461244,98 - 163382,58 =297862,4 кДж/100м³

Оскільки процес піролізу метану протікає при температурі 1500 ⁰С, то тепловий ефект реакції при цій температурі дорівнює [7]:

Q₂ = q₁₅₀₀ = q₂₀ - (? I_кін - ? I_поч), (4)

де? I_кін - сума ентальпій продуктів реакції при 1500 ⁰С по відношенню до їх стандартного стану, прийнятого за нульовий, кДж/100м³ газу піролізу;

? I_поч - сума ентальпій початкових речовин при 1500 ^0С по відношенню до їх стандартного стану, прийнятого за нульове, кДж/100м³ газу піролізу.

Для вуглеводнів значення ентальпій знаходиться як добуток теплоємності на температуру. Дані для розрахунку теплоємностей та ентальпій наведені таблицею 8.[8]

Таблиця 8 - Термодинамічні властивості простих речовин і сполук

Компоненти	, Дж/моль?К	Коэфіціенти рівняння
		a	b?103	с?106	d?109	сґ?10-5
Метан	35,79	17,45	60,46	1,117	7,20
Ацетилен	43,93	23,46	85,77	58,34	15,87
Етилен	43,63	4,196	154,59	81,09	16,82
Бутадієн-1,3	79,54	2,96	340,08	223,70	56,53
Бензол	81,63	33,90	471,87	298,34	70,84
Окис вуглецю	29,15	28,41	4,10			0,46
Двоокис вуглецю	37,13	44,14	9,04			8,53
Водень	28,83	27,28	3,26			0,502
Водяна пара	33,56	30,00	10,71			0,33
Сажа (графіт)	8,53	17,15	4,27			8,79
Кисень	29,36	31,46	3,39			3,77
Азот	29,10	27,88	4,27

Розрахуємо теплоємності [7] :

для органічних речовин:

с_р = а + bT + cT² + dT³(5)

для неорганічних речовин:

c_p = а + bT +c^ґ /T² (6)

Ацетиленс₁₅₀₀ =23,46 + 85,77?10^-3?1773 - 58,34?10^-6?1773² + 15,87?

·10^-9?1773³ = =80,59 кДж/кмоль·С

Етилен с₁₅₀₀ =4,196 + 154,59?10^-3?1773 - 81,09?10^-6?1773² + 16,82?

·10^-9 ?1773³ = =117,12 кДж/кмоль· С

Бутадієн-1,3 с₁₅₀₀ =2,96 + 340,08?10^-3?1773 - 223,70?10^-6?1773² + +56,53?10^-9?1773³= = 211,86 кДж/кмоль· С

Бензол с₁₅₀₀ =33,90 + 471,87?10^-3?1773- 298,34?10^-6?1773²+ +70,84?10^-9?1773³= = 259,71 кДж/кмоль· С

Окис вуглецюс₁₅₀₀ = 28,41 + 4,10?10^-3 ? 1773 - 0,46?10⁵ /1773² = 35,66 кДж/кмоль· С

Двоокис вуглецю с₁₅₀₀ = 44,14 + 9,04?10^-3 ?1773 -8,53?10⁵/1773² =59,90 кДж/кмоль·С

Водень с₁₅₀₀ =27,28 + 3,26?10^-3?1773 + 0,502?10⁵/1773² =33,08 кДж/кмоль·С

Водяна пара с₁₅₀₀ =30,00 + 10,71?10^-3?1773 + 0,33?10⁵/1773² =49,00 кДж/кмоль·С

Сажа с₁₅₀₀ = 17,15 + 4,27?10^-3 ?1773 - 8,79?10⁵/1773² =24,44 кДж/кмоль·С

Кисень с₁₅₀₀ = 31,46 + 3,39?10^-3 ?1773 - 3,77?10⁵/1773² =37,35 кДж/кмоль·С

Метанс₁₅₀₀=17,45 + 60,46?10^-3?1773 + 1,117?10^-6 ?1773² 7,20?·10^-9?1773³= 88,03 кДж/кмоль·С

Відповідно до температур розрахуємо ентальпії, кДж/кмоль:

Ацетилен I₂₀ = 43,93 ? 20 = 878,6 кДж/кмоль

I₁₅₀₀ = 80,59 ? 1500 = 120885 кДж/кмоль

ЕтиленI₂₀ = 43,63 ? 20 = 872,6 кДж/кмоль

I₁₅₀₀ = 117,12 ? 1500 = 175680 кДж/кмоль

Бутадієн-1,3I₂₀ = 79,54 ? 20 = 1590,8 кДж/кмоль I₁₅₀₀ = 211,86 ? 1500 = 317790 кДж/кмоль

БензолI₂₀ = 81,63 ? 20 = 1632,6 кДж/кмоль I₁₅₀₀ = 259,71 ? 1500 = 389565 кДж/кмоль

Окис вуглецюI₂₀ = 29,15 ? 20 = 583,0 кДж/кмоль I₁₅₀₀ = 35,66 ? 1500 = 53490 кДж/кмоль

Двоокис вуглецюI₂₀ = 37,13 ? 20 = 742,6 кДж/кмоль I₁₅₀₀ = 59,90 ? 1500 = 89850 кДж/кмоль

ВоденьI₂₀ = 28,83 ? 20 = 576,6 кДж/кмоль I₁₅₀₀ = 33,08 ? 1500 = 49620 кДж/кмоль

Водяна параI₂₀ = 33,56 ? 20 = 671,2 кДж/кмоль I₁₅₀₀ = 49,00 ? 1500 = 73500 кДж/кмоль

СажаI₂₀ = 8,53 ? 20 = 170,6 кДж/кмоль I₁₅₀₀ = 24,44 ? 1500 = 36660 кДж/кмоль

КисеньI₂₀ = 29,36 ? 20 = 587,2 кДж/кмоль I₁₅₀₀ = 37,35 ? 1500 = 56025 кДж/кмоль

МетанI₂₀ = 35,79 ? 20 = 715,8 кДж/кмоль I₁₅₀₀ = 88,03 ? 1500 = 132045 кДж/кмоль

Розрахуємо кількість тепла, кДж/100м³ за формулою[7] :

Q_i = n_i ? (I₁₅₀₀ - I₂₀) (7)

Результати розрахунків зводимо до таблиці 9.

Згідно проведеним розрахункам, кількість тепла, що утворилось внаслідок процесу піролізу дорівнює:

Q₂= 297862,4 - (353855,9- 368208,84) = 312215,34 кДж/100м³

Для визначення кількості тепла, що вноситься підігрітою метанокисневою сумішшю, використовуємо формулу[7]:

Q₁= n_CH4· I_CH4+ n_O2· I_O2+ n_іН· I_іН (8)

Таблиця 9 - Кількість тепла реакції утворення компонентів газу піролізу

Компоненти	Кількість n, кмоль/100м3	Ентальпія I1500, кДж/кмоль	Ентальпія I20, кДж/кмоль	Кількість тепла, кДж/100м3
Ацетилен	0,3705	120885	878,6	44462,37
Етилен	0,0143	175680	872,6	2499,75
Бутадіен-1,3	0,0022	317790	1590,8	695,64
Бензол	0,0045	389565	1632,6	1745,69
Окис вуглецю	1,1446	53490	583,0	60557,35
Двоокис вуглецю	0,1607	89850	742,6	14319,56
Водень	2,4585	49620	576,6	120573,19
Водяна пара	1,4758	73500	671,2	107480,74
Сажа (графіт)	0,0417	36660	170,6	1521,61
Всього				353855,9
Метан	2,1828	132045	715,8	286665,38
Кисень	1,4709	56025	587,2	81543,46
Всього				368208,84

Де n - кількість, відповідно, метану, кисню, інертів, кмоль;

I - ентальпія метану, кисню, інертів при температурі входу сировини до реактору піролізу (Т_х), кДж/кмоль.

Для визначення температури попереднього підігріву сировини (Т_х) рівняння теплового балансу розв'язується щодо Q₁:

Q₁ = Q₃ + Q₄ - Q₂

Витрата тепла

Визначаємо кількість тепла (Q₃), що відноситься продуктами реакції з потоком газу піролізу. Дана кількість тепла розраховується за формулою[7] :

Q₃ = ? n_i ? I_i , (9)

Де n_i - кількість компоненту газу піролізу, кмоль/100 м³;

I_i - ентальпія компоненту газу пиролизу за температури реакції, кДж/кмоль.

Розрахуємо для азоту ентальпію при 1500 С:

Азотс₁₅₀₀ = 27,88 + 4,27?10^-3 ? 1773 = 31,54 кДж/кмоль? С.

I₁₅₀₀ = 31,54 ? 1500 = 47310 кДж/кмоль.

Результати розрахунку кількості тепла по кожному компоненту надані таблицею .

Таблиця 10 - Кількість тепла, що відноситься компонентами

Компонент	Кількість n, кмоль/100м3	Ентальпія I1500 кДж/кмоль	Кількість тепла Q, кДж/100м3
Ацетилен	0,3705	120885	44787,89
Етилен	0,0143	175680	2512,22
Метан	0,1955	132045	25814,80
Бутадієн-1,3	0,0022	317790	699,14
Бензол	0,0045	389565	1753,04
Водень	2,4585	49620	121990,77
Окис вуглецю	1,1446	53490	61224,65
Двоокис вуглецю	0,1607	89850	14438,90
Кисень	0,0129	56025	722,72
Азот + аргон	0,0920	47310	4352,52
Водяна пара	1,4785	73500	108669,75
Сажа	0,0417	36660	1528,72
Всього			388495,12

Таким чином, кількість тепла, що відноситься продуктами реакції (включаючи кількість молей метілацетилену та діацетилену) з потоком газу піролізу, складе:

Q₃ = 388495,12 кДж/100м³ газу піролізу.

Приймаємо кількість тепла, що втрачається стінками реактору піролізу 8 % від приходу тепла.

В такому разі втрати тепла складуть:

Q₄= Q_витр - Q₃

Кількість тепла, що приносять вихідні речовини:

Q₁= Q₃ + Q₄ - Q₂

Дані теплового розрахунку реактора піролізу зводимо до таблиці 11.

Таблиця 11 - Тепловий баланс реактору піролізу

Приход тепла	Витрата тепла
	кДж/год	%		кДж/год	%
1 Тепло, що приносить метанокиснева суміш, Q1	110061,96	27,0	1 Тепло, що уносять компоненти газу піролізу, Q3	388495,12	92,0
2 Тепло, що утворилось в результаті реакції, Q2	312215,34	73,0	2 Тепло, що втрачає реактор в навколишнє середовище, Q4	33782,18	8,0
Всього	422277,3	100	Всього	422277,3	100

Складання таблиці теплового балансу дозволяє визначити температуру попереднього підігріву (Тх) сировини в підігрівачах. Для її розрахунку необхідно визначити тепловий потік, що вноситься компонентами сировини, використовуючи значення температур Т₁ і Т₂.

Ентальпія газів за температурою 600 С, кДж/кмоль[8]:

I_CH4= 30540; I_О2=19000; I_ІН=18966

Приймаємо температуру підігріву Т₁ = 600 С, тоді тепловий потік сировини за формулою (7) складе:

Q'₁<Q₁ - прийнятої температури недостатньо.

Приймаємо температуру підігріву Т₂ = 700 С.

Ентальпія газів за 700 С, кДж/кмоль[8]:

I_CH4= 37400; I_О2=22400; I_ИН=22421

Q''₁>Q₁ - прийнята температура вище необхідної.

Температуру попереднього підігріву знаходимо інтерполяцією отриманих значень:

Визначувана витрата охолоджувальної води на охолодження газу піролізу (“гарт”) в печі по формулі:

G_в = Q_в/(С·(Т_кон. - Т_нач.))(10)

деQ _в - кількість тепла, що знімається водою;

С - теплоємність води, кДж/кг·єС;

Т_кон. і Т_нач. - кінцева і початкова температура води, ⁰С.

Оскільки охолоджування газу піролізу проводиться в гартівній камері (від 1500⁰С до 80⁰С) необхідно визначити кількість тепла, що знімається охолоджувальною водою:

Q _в = Q₁₅₀₀ - Q₈₀(11)

деQ₁₅₀₀ = 388495,12 кДж/100 м³

Q₈₀ = ?n_i·I_i. кДж/100м³ (12)

деn_i - кількість компонентів газу піролізу, кмоль/100м³;

I_i - ентальпія компоненту газу піролізу при 80⁰С, кДж/моль.

Ентальпії компонентів газів піроліза при Т = 80⁰С розраховується аналогічно ентальпіям для температури 1500⁰С.

Розрахуємо теплоємності компонентів при 80⁰С, кДж/моль:

Ацетилен 23,46 + 85,77·10^-3·353 - 58,34·10^-6·353² + 15,87·10^-9·353³ = 47,14

Етилен 4,196 + 154,59·10^-3·353 - 81,09·10^-6·353² + 16,82·10^-9·353³=49,41

Бутадієн-1,3 -2,96+340,08·10^-3·353-223,7·10^-6·353²+56,53·10^-9·353³=91,7

Метан 17,45 + 60,46·10^-3·353 + 1,117·10^-6·353² - 7,2·10^-9·353³ = 38,57

Бензол -33,9 + 471,87·10^-3·353-299,384·10^-6·353²+70,84·10^-9·353³=98,48

Водень27,28 + 3,26·10^-3·353 + 0,502·10⁵/353² = 28,83

Окисел вуглецю28,41 + 4,1·10^-3·353 - 0,46·10⁵/353² = 30,23

Двоокис вуглецю 44,14 + 9,04·10^-3·353 - 8,53·10⁵/353² = 40,48

Кисень 31,46 + 3,39·10^-3·353 - 3,77·10⁵/353² = 29,63

Водяні пари 30 + 10,71·10^-3·353 + 0,33·10⁵/353² = 34,04

Сажа 17,15 + 4,27·10^-3·353 - 8,79·10⁵/353² = 11,61

Азот 27,88 + 4,27·10^-3·353 = 29,39

Розрахуємо ентальпії компонентів при Т = 80⁰С (кДж/кмоль):

I_C2H2 =47,14 ·80 = 3771,2I_CO =30,23 ·80 = 2418,4

I_C2H4 = 49,41·80 = 3952,8I_CO2 =40,48 ·80 =3238,4

I_C4H6 =91,7 ·80 = 7336I_O2 =29,63 ·80 = 2370,4

I_C6H6 =98,48 ·80 =7878,4 I_N =29,39 ·80 = 2351,2

I_CH4 =38,57 ·80 =3085,6I_H2O = 34,04·80 =2723,2

I_H2 =28,83 ·80 = 2306,4I_C =11,61·80 =928,8

Таблиця 12 - Тепловий потік компонентів газів піролізу при 80⁰С

Сполука	Кількість Кмоль/100м3	Ентальпія при 800С,кДж/кмоль	Кількість тепла (Cn·In) кДж/100м3
1	2	3	4
Ацетилен	0,3705	3771,2	1397,2
Етилен	0,0143	3952,8	56,5
Метан	0,1955	3085,6	603,2
Бутадін-1,3	0,0022	7336	16,1
Бензол	0,0045	7878,4	35,5
Водень	2,4585	2306,4	5670,3
СО	1,1446	2418,4	2768,1
СО2	0,1607	3238,4	520,4
О2	0,0129	2370,4	30,6
N2 + Ar	0,092	2351,2	216,3
H2O(пари)	1,4758	2723,2	4018,9
Caжa (вуглець)	0,0417	928,8	38,7
Всього			15371,8

Визначаємо кількість тепла що знімається охолоджувальною водою :

Q_в =388495,12 -15371,8 = 373123,32 кДж/100м³

Приймаємо температуру води на вході Т_нач = 20⁰С, а на виході 80⁰С.

Витрата води на охолодження 100 м³ піролізного газу:

G_в =373123,32/(4,19·(80 - 20))= 1484,18 кг/100м³

де 4,19 кДж/кг·єС - теплоємність води при її середній температурі:

= 50 ^оС

При годинній кількості газів піролізу, рівній 90790,61 м³/годин кількість, води, необхідна для гарту складає:

W = (1484,18·90790,61)/(100·1000)) = 1347,496 м³/годин

де 1000 кг/м³ - густина води при її середній температурі 50єС.

6. ВИБІР І РОЗРАХУНОК ОСНОВНОГО АПАРАТУ

Реактор призначений для отримання ацетилену термоокислювальним піролізом метану.

Реактор - циліндровий вертикальний апарат, складається із змішувача, дифузора, горілочного блоку і корпусу.

Корпуси змішувача і дифузора футеровані шамотною крихтою з жароміцним бетоном.

Змішувач складається з двох роз'ємних основних частин - верхньої частини подачі кисню і нижньої частини змішення кисню з метаном.

Дифузор є конусом. Верхня частина конуса закінчується циліндровою трубкою, куди вмонтовується змішувач.

Відповідно до прийнятого нового технічного рішення для організації відводу тепла предпламенних реакцій у дифузор також подається частина непідігрітого метану з рівномірним розподілом його по перетині апарата за допомогою розподільного пристрою. Для забезпечення гомогенізації суміші у дифузорі розташовані турбулезатори, а для рівномірного розподілу потоку використана гавфрирована насадка.

Горілочний блок є багатоканальним реакційним пальником з 49 трубкою. Ці трубки вставляються в охолоджувану трубну дошку.

Реакційний канал є шестигранником. Трубна дошка і реакційний канал охолоджується паровим конденсатом замкнутого циклу.

Горіння в реакційному каналі підтримується за рахунок подачі стабілізуючого кисню, як по периферії, так і усередині трубної дошки. Стабілізуючий кисень подається через трубки, внутрішній діаметр яких 5,5 - 4,5 мм.

Верхня частина горілочного блоку футеруєтся. Решта частини заливається бетоном, що складається з шамотної крихти з цементом.

Для запобігання термічного розкладання ацетилену і охолоджування газу в реакторі є зона гарту. Зона гарту складається з 40 форсунок тонкого распилу і 40 форсунок грубого распилу. Між цими форсунками встановлюється 10 форсунок для відсічення полум'я. На форсунки тонкого распилу подається гаряча вода з температурою 70°С. На форсунки грубого распилу подається холодна вода.

Під час роботи реактора при розкладанні ацетилену в реакційному каналі і на трубній дошці відкладається грит, який погіршує процес отримання ацетилену.

Для видалення грита є шуровочний лом, яким періодично збивають грит, що утворився.

Змішувач і дифузор виготовляються з неіржавіючої сталі 12Х18Н10Т. Для корпусу реактора, вибираємо сталь Ст3сп3 по ГОСТ 380-94, для патрубків, штуцерів, шуровочного і запального пристроїв, труб гартівного пристрою, апаратних фланців і фланців люків приймаємо сталь 20 по ГОСТ 1050-88; блок виконуємо із сталі 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72, кріпильні вироби для арматурних і апаратних фланців - сталь 35 і сталь 25 по ГОСТ 1050-88, матеріал опори і цапф для строповки - Ст3сп5 по ГОСТ 14637-79. Матеріал штанги шуровочного лому і верхнього прутка - сталь 12Х18Н10Т.[6]

Для розрахунку приймаємо наступні дані:

- період індукції 9сек, при тиску 0,6МПа період індукції дорівнює 9/6=1,5 сек, ф<1,5 сек, приймаємо ф = 0,15 сек;

- оптимальний час реакції t = 0,001 сек;

- лінійна швидкість розповсюдження полум'я - 110 м/сек.

Дані з матеріального балансу:

- прихід: 60045,061 м³/ч;

- витрата: 90790,61 м³/ч.

Розрахунок ведемо на півпотужності.

Кількість реакторів: n = 2.

Перехід до робочих умов:

- витрата суміші у дифузорі:

G₁ = =16001,019 м³/ч;

- витрата суміші у реакційній зоні:

G₂ = = 49136,676 м³/ч.

Розраховуємо об'єм реакційної зони:

V_р.з. = G₂·t ==0,0136 м³,

де t - оптимальний час реакції.

Приймаємо висоту реакційної зони - 0,1 м. Тоді діаметр реакційної зони дорівнює:

D = ==0,416 м,

де V _р.з.- об'єм реакційної зони, h- висота реакційної зони.

R = 0,208 м.

Діаметр реакційної зони дорівнює нижній підставі конусу дифузора і дорівнює діаметру розподільної плити.

Розраховуємо об'єм дифузору:

V_диф.= G₁ ·ф = 16001,019 · 0,15=0,666 м³,

де ф-час прибуття метано-кисневої суміші у дифузорі.

Приймаємо діаметр верхньої підстави конусу: d = 0,208 м, r = 0,104 м.

Розраховуємо висоту дифузору:

V_диф.= *h_диф*( R² + r² + R*r),

де R,r- нижня і верхня підстави конусу, h _диф- висота дифузору.

0,666 = *h_диф*(0,208²+0,104²+0,208*0,104)

h _диф = 8,441 м.

Розрахунок розподільної плити.

Розраховуємо площу вільного перетину плити:

S = G₁/W = =0,0236 м³,

де W- лінійна швидкість розповсюдження полум'я.

Розраховуємо загальну площу плити:

S_пл. = (р·D²)/4 = = 0,135 м²,

де D- діаметр розподільної плити.

Доля вільного перетину:

д = 0,0236/0,135 = 0,175.

Приймаємо діаметр отвору : d _отв.=0,025 м

Площа вільного перетину отвору:

S_отв. = (3,14 · 0,025²)/4=0,00049 м²

Кількість отворів: n = 0,0236/0,00049 ? 49 шт.

Розрахунок штуцерів входу метану й кисню

Вхід метану:36062,97 / 2=18031,485 м³/ч;

Вхід кисню:22500,434 / 2=11250,217 м³/ч.

Перехід до робочих умов:

- витрата метану: G_м == 9610,19 м³/ч;

- витрата кисню: G_к ==5995,99 м³/ч;

Площа вільного перетину:

- штуцеру входу метану: =0,1068 м²

- штуцеру входу кисню: =0,0668 м²

де 25м/с - швидкість руху газів.

Розрахунок діаметрів штуцерів:

- входу метану: d_м ==0,369 м

- входу кисню: d_к ==0,292 м

Приймаємо стандартні штуцери:

- входу метану: d_м = 426Ч11 мм

- входу кисню: d_к = 325Ч10 мм.

Розрахунок штуцеру входу непідігрітого метану

Самозапалювання неможливо, якщо: температура передвибухового розігрівання не перевищує величини характеристичного інтервалу (критичне зниження температури), що розраховується за залежністю [4]:

?T=1,37*R*T₀²/Е=1,37*8,31*873²/135800=63,89К

?T=0,5*63,89=31,9К

873К-100%

32К- Х%

Х=3,67%

Таким чином, для запобігання самозапалювання метано-кисневої суміші необхідно подавати у змішувач непідігрітий метан у кількості 3,67% від вихідної суміші.

Кількість непідігрітого метану складе: 180031,485*3,67/100 = 661,76 м³/ч.

Перехід до робочих умов: 109,27 м³/ч.

Так як подача непідігрітого метану здійснюється з двох сторін, то кількість метану, що проходить через штуцер: = 0,015 м³/с.

Площа поперечного перетину складе: S = 0,015/27=0,00056 м²

де 27м/с - швидкість руху непідігрітого метану.

Діаметр штуцеру непідігрітого метану:

D= =0,027м.

Приймаємо стандартний штуцер: 32Ч3мм.

Розрахунок розподільника природнього газу для зняття тепла предпламенних реакцій

Приймаємо кількість труб - 6 шт.

Площа поперечного перетину обох штуцерів входу непідігрітого метану:

S = 0,03/27=0,0011 м²,

де 27м/с - швидкість руху непідігрітого метану.

Площа поперечного перетину однієї труби:

S _тр= 0,0011/6=0,00018 м²

Діаметр трубки:

d _тр ==0,015м

Приймаємо найближчий стандартний діаметр трубки: d _тр= 16Ч2 мм.

Загальна довжина труб: L= 1446 мм ? 1,446м

Загальна поверхня труб:

F= р* d _тр*L=3,14*0,016*1,87 = 0,094 м²

Діаметр дифузору у місці розташування розподільного пристрою: 0,38м.

Площа поперечного перетину дифузору у місці розташування розподільного пристрою:

S_диф = 3,14*0,38²/4=0,113 м²

Витрата суміші у дифузорі:G₁= 16001,019 м³/ч

Швидкість суміші у дифузорі:

х = G₁/ S_диф = 16001,019/(0,113*3600)=39,3 м/с

х*5=39,3*5=196,5м/с.

G_{непідігр.метану} = S_отв*х

Загальна площа отворів:

S_отв= G_{непідігр.метану} / х

S_отв=0,03/196,5=0,00015 м²

Площа одного отвору:

S_отв1=р*d²_отв /4=3,14*0,002²/4= 0,00000314 м²

d_отв- діаметр отвару, приймаємо 0,002м.

Кількість отворів:

N= S_отв/ S_отв1=0,00015/0,00000314? 48 отворів

Відстань між отворами: L/n=1446 мм / 48= 30,125мм.

Розрахунок товщини футеровки реакційного апарату

Футеровочний матеріал - шамотний кирпич

Середня температура контактних газів в дифузорі 650єС

Температура поверхні ізоляції не більше 50 єС

Коефіцієнт теплопередачі від контактних газів до стінки апарату л _с=20 Вт/м²*єС

Апарат розташован на відкритому повітрі, температура повітря 5 єС, швидкість вітру 5м/с.[9]

Приймаємо температуру поверхні ізоляції 40 єС

Коефіцієнт тепловіддачі л _п=21 Вт/м²* єС (у відповідності зі швидкістю вітру 5м/с).

Визначаємо питомий тепловий потік: q=21*(40-5)=735 Вт/м²

При середній температурі ізоляції 345 єС л _із=0,32 Вт/м*єС

Підставив знайдені значення у рівняння теплопередачі, знаходимо д_із:

735=

д_із=0,25 м

Таким чином товщина футеровки реакційного апарату дорівнює 0,25 м.

7. ВИБІР ДОПОМІЖНОГО ОБЛАДНАННЯ

Таблиця1 [10]

Позначення апарата	Найменування обладнання	Технічна характеристика	Кількість
АТ1	Підігрівач кисню	Четирьохзахідний, радіаційно-конвективний, змійовикового типу Д=1800 мм, Н=5500 мм, F=31,6 м2 Дзмійовика=75 мм, Ррасч.=0,9 МПа (9,0 кгс/см2) Трасч.=900 оС Середа - кисень	3
АТ2	Підігрівач метану	Четирьохзахідний, радіаційно-конвективний, змійовикового типу Д=1800 мм, Н=8000 мм, F=57,8 м2 Дзмійовика=75 мм, Ррасч.=0,9 МПа (9,0 кгс/см2), Трасч.=900 оС Середа - природній газ	3
РТ1	Реактор піролізу метану багатоканального типу	Д=850/1000 мм, Н=12343 мм, Горілочний блок: Д= 850 мм, Дтрубок=25х2 мм Дифузор: L=8441мм Середа - кисень, метан, гази піролиза, вода	3
АР1	Скрубер-холодильник	Д=1600 мм, Н=12200 мм, Ррасч.=0,06 МПа (0,6 кгс/см2) Трасч.=900 оС Середа - гази піролиза, вода	3
Ф3	Електрофільтр, сажевий, пластинчатий, мокрий СПМ-8	Н=13340 мм, I=250 А, Е=3875 мм, L=4530 мм, F осадітельных електродів=108 м2 Q по газу=до 15000 м3/ч U живлячій мережі=380 В U випрямлене=80000 В Кіл-ть осадітельних електродів 12 шт. Кіл-ть коронирующих електродів 182 шт. Середа - газ піроліза, хімочищена вода	3
ХЛ1	Холодильник газів піролізу Циліндричний апарат з 11 сітчатими тарілками	Д=2200 мм, Н=10340 мм, Середа - гази піроліза, вода замкнутого оборотного цикла	1

8. ВИКОРИСТАННЯ ПК У ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТІ

У дипломному проекті використані наступні програми для розрахунку формул:

- Microsoft Exsel;

- Microsoft Equation 3.0.

Графічна частина проекту (креслення технологічної схеми, основного апарату, допоміжного обладнання) виконана за допомогою програми Auto CAD.

9. РЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ ТА ОХОРОНА НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

Характеристики сполук, що застосовуються та виробляються на виробництві ацетилену окиснювальним піролізом метану наведені у таблицях 1-2

Таблиця 1 - Основні фізико-хімічні властивості речовин

Назва сполуки	Емпірична формула	Агрегатний Стан за н. у.	Температура плавлення, 0С	Температура кипіння, 0С	Примітка
Ацетилен	С2Н2	газ	- 84,1	- 83,6
Метан	СН4	газ	- 182,5	- 161,5
N-метилпіролідон	C3H6CNCH3 II O	рідина	- 24,2	206
Окис вуглецю	СО	газ	- 205	-192
Двоокис вуглецю	СО2	газ	-	- 78,5
Водень	Н2	газ	- 259,4	- 252,7

Таблиця 2 - Характеристика токсичності речовин

Сполука	Клас шкідливості	Характер дії на організм людини	ГДК робочої зони, мг/м3	Засоби індивідуального захисту
Ацетилен	4	Безбарвний газ зі слабким запахом ефіру; наркотична дія, високі концентрації викликають тяжке отруєння з втратою свідомості	500	Фільтруючий протигаз мазкі „М”
Метан	4	Безбарвний газ без запаху; великі концентрації викликають наркотичну дію	300	Фільтруючий протигаз мазкі „А”
N-метилпіролідон		Майже безбарвна рідина з характерним запах-ом; на шкіру та слизові оболонки діє подразнююче	100	Фільтруючий протигаз мазкі „А”
Окис вуглецю	4	Безбарвний газ; має загальну токсичну дію яка характеризується судомами, задухою, головною біллю, блюванням, втратою свідомості	20	Фільтруючий протигаз мазкі „М”, ізолюючий протигаз КИП-7, КИП-8
Двоокис вуглецю	4	Безбарвний газ; має загальну токсичну дію яка характеризується судомами, задухою, головною біллю, блюванням, втратою свідомості	30000	Фільтруючий протигаз мазкі „М”, ізолюючий протигаз КИП-7, КИП-8
Водень		Горючий газ без кольору та запаху; фізіологічно інертний газ		Фільтруючий протигаз мазкі „М”, шланговий протигаз ПШ-1, ПШ-2

Екологізація хімічного виробництва

1. Газові відходи

Синтез-газ.

Технічна характеристика:

Водень	мол%	59 - 61
Окис вуглецю	мол%	25 - 29
Метан	мол%	4 - 7
Етилен	мол%	0,5 (макс)
Ацетилен	мол%	0,2 (макс)
Двоокис вуглецю	мол%	3 - 4.5
Азот	мол%	1,5 - 2.5
Кисень	мол%	0,6 (макс)
Тиск	МПа	0,9 (макс)
Температура	С	20 (мін)

Подається за межі установки по трубопроводу. Може бути використаний для синтезу метанолу, аміаку та інших продуктів.

Суміш вищих гомологів ацетилену.

Технічна характеристика:

Ацетилен	мол%	12 - 20
Діацетилен	мол%	30 (около)
Інші вищі ацетилени, бензол	мол%	Інше
Тиск	МПа	0,02
Температура	С	40

Видається з відділення концентрації по трубопроводу. Для безпечного використовування розбавляється у відділенні синтез-газом або іншим газом в співвідношенні 3:1. Може бути використаний для синтезів на основі діацетілену. Вихід діацетілену складає близько 35 кг/т ацетилену.

За відсутності споживача суміш використовується як паливо. Передбачено таке використовування суміші гомологів ацетилену у відділенні виділення і спалювання сажі.

Димові гази. Постійно утворюються від підігрівачів кисню та природного газу, виводяться через димові труби висотою 35м.

Технічна характеристика:

Водяна пара	мол%	14
Азот	мол%	70
Окис вуглецю	мол%	не більш 0,5
Двоокис вуглецю	мол%	10
Кисень	мол%	5
Сумарний об'єм	м3/год	1000
Температура	С	300 - 380

Димові гази що постійно утворюються від чергових пальників реакторів повністю згоряють.

При пусках, зупинках стадії скидні гази через регулятор витрати (при автоматичних аварійних продуваннях системи через електрозасувку, ОПК і вогнеперешкоджувач скидаються на факельну установку цеху. Для безпечного транспортування в колектор скидних газів дистанційно подається азот чистий

2. Рідкі відходи

Конденсат пари - повернення конденсату.

Технічна характеристика:

Тиск МПа0,5 - 0,6

Темпера С 95 - 100

Якість: відповідає якості пари, не містить продуктів виробництва.

Видається за межі установки по трубопроводу.

3. Тверді відходи

Сажовий шлам. Утворюється в процесі термічного розкладання метану. Містить мінеральні солі, смолисті речовини, гази.

Вихід - 1324 кг/год.

Піддається спалюванню у відділенні виділення і спалювання сажі.

Склад димових газів:

Водяна пара	мол%	10
Азот	мол%	73
Окис вуглецю	мол%	не більш 0,5
Двоокис вуглецю	мол%	5
Кисень	мол%	12

Полімери. Утворюються за рахунок полімеризації вищих ацетиленів у відділенні концентрації.

Вихід - близько 6.6 кг/т.

Піддаються спалюванню у відділенні виділення та спалювання сажі.

Кокс утворюється в реакторах відділення піролізу.

Кількість коксу складає близько 9 т/год по сухій речовині.

Кокс виводиться в накопичувач твердих відходів заводу.

Важка сажа витягується при чистці сажеотстійників і споруд локального циклу охолоджуючої води.

Її склад - вуглець до 98%, інше - смоли, окалина. Насипна вага дорівнює 0,2 г/см³.

Кількість сажі від резервуарів «брудної води» становить не більше 25 т/рік. Утворюється вона 1 раз на рік при чищенні резервуарів.

Кількість сажі від коксонакопичувачів та сітки фільтру становить не більше 15 т/рік. Утворюється вона 2 рази на рік при чищенні обладнання.

Вся важка сажа виводиться в накопичувач твердих відходів заводу.

Стічні води. Утворюються періодично при промиванні обладнання і змиві підлоги у відділенні концентрації.

Кількість стічних вод:

При промиванні теплообмінників		1 - 4 м3/доба
При змиві підлоги		до 3 м3/доба
При промиванні пластин теплообмінників		до 10 м3/доба
Під час зупинки для ремонту 1 разів на рік протягом 10-15 діб		до 50 м3/доба

Стічні води забруднені N-метілпірролідоном.

Вміст N-метілпірролідону в стічній воді становить до 1500 мг/дм³.

Стічні води подаються по трубопроводу для очищення на загальнозаводські очисні споруди, що знаходяться за межами установки ацетилену.[6,11,12]

Размещено на Allbest.ru

...