Проектирование и расчет производства этаноламинов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технологический университет

(ФГБОУ ВПО КНИТУ)

Кафедра химической технологии органических соединений азота (ХТОСА)

Курсовой проект

Тема: Проектирование и расчет производства этаноламинов

Зав. Кафедрой Гильманов Р.З.

Руководитель Никитин В.Г.

Студент Лутфуллина А.И.

Казань 2014г.

ЗАДАНИЕ

На курсовой проект студента Лутфуллиной А. И._____________

Спроектировать производство диэтаноламина производительностью 8 тыс. тонн в год. Детально разработать стадию синтеза.

Срок представления к защите проекта «1» декабря 2014г.___

Цель, задачи и исходные данные работы производительность 8 тыс. тонн в год, район строительства, материалы производственной практики. Привести расчеты материального баланса, расчет и выбор оборудования, тепловые и механические расчеты.___________________________

Консультанты Никитин В. Г.___________________________

Дата выдачи задания «19» мая 2014г.___________________

Гл. консультант ______________ (Никитин В. Г.)

Задание принял к исполнению _______ (Лутфуллина А. И.)

Реферат

Цель курсового проекта заключается в расчете и проектировании производства этаноламинов.

На базе собранных материалов в основу данного проекта положен непрерывный способ производства диэтаноламина производительностью 8000 тонн в год.

В расчетно-технической части проведены материальные расчеты, расчеты основного оборудования, механические и тепловые расчеты.

Сделан вывод о целесообразности проекта.

Перечень принятых сокращений

МЭА - моноэтаноламин

ДЭА - диэтаноламин

ТЭА - триэтаноламин

А - аммиак

ОЭ - окись этилена

Введение

ДЭА нашел широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. Его отлично применяют в парфюмерной, текстильной промышленности, в сельском хозяйстве, в изготовлении химико-фармацевтических препаратов, в производстве взрывчатых веществ и во многих других реакциях органического синтеза.

В связи с этим, вопросы технологии диэтаноламина в настоящее время остаются актуальными.

С развитием отраслей, представляющих экологическую опасность, в первую очередь химических производств, первостепенное значение приобретает проблема утилизации промышленных отходов, очистки сточных вод и атмосферных выбросов, разработка безотходных и малоотходных технологий.

Производство диэтаноламинов не является экологически чистым, и поэтому перед химиками встает задача спроектировать процесс так, чтобы защитить окружающую среду от попадания аммиака и окиси этилена в сточные воды и атмосферу.

Процесс получения ДЭА состоит из следующих основных узлов:

1. Узел синтеза (три параллельно работающих блоков)

2. Узел ректификации (три ректификационные колонны, отгонка продуктов)

3. Узел абсорбции. Он предназначен для поглощения сдувок окиси этилена и аммиака в колоннах, с последующей регенерацией с использованием в технологическом процессе в виде чистого аммиака и аммиачной воды.

Предлагается установка новых уплотнительных устройств в реакторах синтеза, так как старые уплотнения не выдерживают нужного давления, а при высоком давлении выход ДЭА выше.

Новые уплотнительные устройства, предлагаемые мной, просты, надежны и выдерживают необходимые технологические параметры производства, то есть давление и температуру.

В ректификационных колонах не предусматривается замена насадок, так как она была сделана в недавнее время, и настоящие насадки «Инжехим» обеспечивают требуемую степень разделения и обладают низким гидравлическим сопротивлением.

1. Аналитическая часть

ректификация этаноламиновый химизм реакция

1.1 Литературный обзор

Реакция между окисью этилена и аммиаком первые была описана Вюрцем в 1860 году. В последующее время она неоднократно изучалась рядом ученых, в особенности Красуским и Кнорром. Исследованиями этих ученных установлено, что совершенно сухие окись этилена и аммиак не реагируют между собой, но в присутствии хотя бы небольшого количества воды взаимодействие между ними протекает легко, в результате чего получается смесь этаноламинов (оксиэтиламинов), а именно [1]

МЭА (HOCH2CH2NH2) - Tкип = 171 оС, d = 1.022 г/см3

ДЭА (HOCH2CH2)2NH - Tкип = 270 оС, d = 1.096 г/см3

ТЭА (HOCH2CH2)3N - Tкип = 277 оС, d = 1.124 г/см3

Содержание того или иного соединения в смеси зависит от относительных количеств реагентов, а также от условий процесса. При избытке окиси этилена получается главным образом ТЭА, отделить который от остальных двух этаноламинов не представляет большого труда ввиду значительной разницы в температурах кипения.

Рассмотрим некоторые методы производства этаноламинов:

1. Окись этилена и аммиак вводят в реакцию, пропуская раствор одного из компонентов, при температуре ниже 50 оС, вдоль пористой стенки, в то время как второй компонент диффундирует через стенку и реагирует с первым.

2. По другому способу ТЭА получается с выходом от 90 до 95 процентов от теоретического, если 2600 вес.ч. окиси этилена медленно прибавлять к 3870 вес.ч. 25 процентного водного раствора аммиака при температуре 25-30 оС.

В.В. Кедринский описал способ получения триэтаноламина. По этому способу стехиометрическая смесь окиси этилена и аммиака пропускается через слой растворителя, нагретого до 60 оС. В результате реакции образуется около 75 процентов триэтаноламинов, 1,5 процента диэтаноламина и 13 процентов полимеров. Метод был испытан на полузаводской установке.

Предлагается также окись этилена обрабатывать аммиаком при повышенном давлении при нагревании [2] . Например, при нагревании до 94оС в течение одного часа 88ч. окисиэтилена с 6л. 18,3 процентного водного раствора аммиака образуется моноэтаноламин с выходом 84 процента. В конце реакции аммиак выпускают через редуктор из автоклава и вновь поглощают водой.

Для выделения отдельных этаноламинов обычно пользуются вакуумной разгонкой. П.Г. Лейбуш и Е.Д.Шорина описали учебный метод получения этаноламинов:

Через 25 процентный раствор аммиака при непрерывном перемешивании пропускают газообразную окись этилена, количество которой измеряется реометром.

Реакционный сосуд находится в термостате, охлаждаемом холодной проточной водой с добавлением льда.

Количество прореагировавшей окиси этилена учитывалось по привесу раствора аммиака после реакции. Для удаления избытка аммиака и воды раствор упаривается при 110 оС. Первичную безводную смесь этаноламинов далее разгоняли при остаточном давлении в интервале 8-15мм. Первая фракция (до 110 оС) содержала от 40 до 60 процентов моноэтаноламина, остальное была вода. Вторая фракция (от 110 до 150 оС) содержала от 20 до 50 процентов диэтаноламина и от 50 до 80 процентов моноэтаноамина. Третья фракция (от 150 до 180 оС) обычно содержала - 90 процентов диэтаноламина и 10 процентов триэтаноламина. Последняя фракция (до 200оС) являлась почти чистым триэтаноламином с примесью до 10 процентов диэтаноламина и до 3 процентов высших этаноламинов.

Затем после двукратной перегонки, получаем 99 процентный ди- и триэтаноламины и 97 процентный моноэтаноламин. Данные о первичной смеси этаноламинов, полученные в различных условиях, приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Состав этаноаминов, полученных в различных условиях

Тем-ра, оС	Соотношение 25%-ного раствора аммиака и окиси этилена	Содержание этаноламина в водном растворе, %	Состав первичной безводной смеси этаноламина, %
			МЭА	ДЭА	ТЭА
20-25 12-15	2:1 4:1	40 35	7-9 30-35	42-45 40-50	47-50 15-20

Из перечисленных способов производства диэтаноламина в реальной жизни используется способ получения диэтаноламина взаимодействием окиси этилена и аммиака в присутствии воды, в качестве катализатора, как наиболее простого и экономичного метода.

Применение этаноламинов.

Этаноламины - вязкие гигроскопичные жидкости, которые смешиваются с водой и спиртами, растворимы в CH3Cl, плохо - в углеводородах и эфире. Слабые основания, поглощают CO2 из воздуха, с металлическим Na образуют алкоголяты, с минеральными и сильными органическими кислотами дают кристаллические соли: NH2CH2CH2OH*HCl, температура плавления 82-83 0С; N(CH2CH2OH)3*HCl, температура плавления 179-180 0С. С жирными кислотами образуют нейтральные аддукты в производстве эмульгаторов (H2NCH2CH2OH*HOOC17H35), моющих средств, смягчающих реагентов, косметических препаратов. Так соли пальмитиновой, стеариновой и олефиновой кислот, обладают характером мыла.

Водные растворы таких мыл имеют очень малое поверхностное натяжение, и мыла именно поэтому обладают сильнейшим эмульгирующим действием. Они почти нейтральны (pH = 8.0), хорошо растворяются в воде, бензоле, толуоле, спиртах, альдегидах, кетонах, скипидаре, причем во всех случаях получаются прозрачные растворы, кроме растворов их в тяжелых минеральных маслах. Консистенция этаноламинного мыла зависит исключительно от кислоты, стеараторы этаноламинов - твердые воскоподобные вещества, олеаты - желатино-образные.

Мыла этаноламинов предложены для приготовления губной помады в производстве косметических средств; в текстильной рпомышленности, для отделения воска от масел. ДЭА рекомендован для прибавления в водную среду, предназначенную для мытья и чистки текстильных изделий, хлопка и шерсти. Соли этаноламинов, образованные с олеиновой, рицинолевой и стеариновой кислотами, можно применять в качестве составной части рецептуры для гидравлических цементов. Так же они рекомендуются в качестве флюса при тонкой пайке и как средство борьбы с вредителями сельского хозяйства.

Техническую смесь этаноламинов предложено применять для очистки газов от сероводорода, окислов азота и т.д. Поглощение газов производится 50 процентным водным раствором этаноламина при комнатной температуре.

Преимущество этаноламиновой очистки газов перед обычной:

1. Высокая поглощаемость газов. 1 литр указанного раствора поглощает при 30-35 oC и 760 мм - 40л углекислого газа. Это дает возможность иметь более компактную установку, чем например, при щелочной очистке.

2. Упругость паров поглотительного раствора низка, что устраняет потерю растворителя.

3. Растворы этаноламинов не вызывают коррозии материала аппаратуры.

4. Образующиеся соли этаноламинов с поглощенными газами легко диссоциируют при температуре выше 50 оС, что дает возможность легко регенерировать поглптитель.

Этаноламины можно использовать при изготовлении фотографических эмульсий в качестве смачивающих средств, как ускорители и антиокислители в резиновой промышленности, в качестве антифриза для наполнения радиаторов авиационных и автомобильных двигателей как добавка к моторному топливу и смазочным маслам для стабилизации тетраэтилсвинца.

Этаноламины можно использовать также для получения некоторых химико-фармацевтических препаратов, в качестве катализаторов при конденсации формалина с фенолом. В частности ДЭА является исходным веществом в промышленном синтезе лекарственного средства таурина.

В красильной промышленности этаноламины применяются как вещества, дающие возможность получать водные растворы красителей, плохо растворимы в воде.

Прибавление этаноламинов к нефтяным погонам в количестве не более 0,02 процента сообщает им устойчивость в отношении прозрачности, отсутствия окрашенности и смолообразования и предохраняет от приобретения дурного запаха.

Этаноламины применяются также при очистке эфиров. Конкретно диэтаноламин применяется кроме вышеперечисленного в производстве сухого льда, в процессе обработки древесины.

1.2 Выбор и обоснование района строительства

Правильное расположение производства имеет первостепенное значение для его развития. Расположение производства определяется следующими принципами:

1. Приближение производства к источникам сырья, топлива, энергии и потребителям готовой продукции.

2. Также следует учесть условия транспортировки сырья, топлива, готового продукта.

3. Обеспеченность рабочей силой, строительными материалами.

4. Предприятие должно быть расположено с подветренной стороны господствующих ветров по отношению к жилому району.

5. Предприятие должно быть расположено в лесистой местности и ограждено.

Исходя из данных требований, выбираем район строительства проектируемого предприятия северо-западнее г.Казани в лесистой зоне. Восточнее предприятия находится железная дорога.

Республика Татарстан богата нефтью, имеет крупные залежи битума, гипса, известняка, существуют месторождения бурого угля, горючих сланцев. На базе местных ресурсов и природного сырья выросла химическая и нефтехимическая промышленность.

Казань является промышленным центром и имеет большую численность населения, чем объясняется достаток рабочей силы.

Для подготовки рабочих по специальности в городе имеются технические училища, а потребность в ИТР обеспечивает технологический университет г.Казани.

Территория предприятия расположена на возвышенной местности с низким уровнем грунтовых вод, с подветренной стороны по отношению к городу.

Электрическую энергию Татарстан получает от Казанских ТЭЦ, Заинского ТЭЦ, Куйбышевской ГЭС.

Город Казань находится в области умеренного континентального климата:

Средняя зимняя температура - минус 14оС

Средняя летняя температура - плюс 24 оС

Глубина промерзания грунта - 190 см

Средняя влажность воздуха - 75 процентов

1.3 Химизм основных и побочных реакций

Синтез этаноламинов основан на взаимодействии окиси этилена и аммиака при давлении 10 МПа (100 кгс/см2) и при температуре 115-125°С в присутствии воды в качестве катализатора (в количестве от 2 до 5 процентов)

CH2 - CH2 + NH3 > H2N - CH2 - CH2 - OH

\ / Моноэтаноламин

O

CH2 ? CH2 ? OH

/

CH2 - CH2 + H2N - CH2 - CH2 - OH > HN

\ / \

O CH2 ? CH2 ? OH

Диэтаноламин

CH2 - CH2 - OH CH2 - CH2 -OH

/ /

CH2 - CH2 + HN > N ? CH2 ? CH2 ? OH

\ / \ \

O CH2 - CH2 - OH CH2 - CH2 - OH

Триэтаноламин

Состав этаноламинов в процессе синтеза можно широко варьировать путем изменения соотношения окиси этилена и жидкого аммиака в исходной смеси.

2. Расчетно-технологическая часть

2.1 Технологическая характеристика исходного сырья и готового продукта

В производстве этаноламинов используются такие вещества как:

- окись этилена

- аммиак

Окись этилена - (С2H4O), м = 44 г/ моль, Ткип = 10,7 оС, Тпл = минус 111,7 оС, Tкр = 192 оС.

Окись этилена - бесцветный газ, с эфирным запахом, ядовита. Растворима в воде, спиртах, эфире, углеводородах, хлороформе, смешанная с воздухом, а так же в чистом состоянии при внезапно возбужденной полимеризации может очень сильно взрываться. Так как медь действует стабилизирующе, то арматуру к стальным сосудам с жидкой окисью этилена часто изготовляют из меди. Так же целесообразно оборудовать медными трубками ректификационные колонны. Свободная окись этилена используется для облагораживания хлопчатобумажных тканей, стабилизации нитроцеллюлозы и нитроглицерина, а также как инсектицид и дезинфицирующее средство.

Аммиак - (NH3), м= 17 г/ моль, Ткип = минус 33,35 оС, Тпл = минус 77,7 оС, Tкр = 132,2 оС.

Аммиак - бесцветный газ, с резким запахом, выпускается в жидком виде, либо в виде водного раствора - с содержанием 25 процента аммиака. Аммиак, поставляемый на нужды промышленности, содержит:

1. Не менее 99,96 процентов аммиака

2. До 0,04 процента воды

3. 2 мг/л машинного масла

4. 1 мг/л железа

В технике аммиак транспортируется по трубопроводу. Добавляется до 0,4 процента воды для ингибирования коррозии стали.

В производстве этаноламинов в качестве продуктов получают:

1. Моноэтаноламин технический

2. Триэтаноламин технический

3. Диэтаноламин технический

Таблица 2.1.1 - Основные физико - химические свойства этаноламинов

Наименования констант и свойств	МЭА	ДЭА	ТЭА
1. Эмпирическая формула	C2H7ON	C4H11O2N	C6H15O3N
2. Молекулярный вес	61,8	105,14	149,19
3. Удельный вес при 25 оС, (кг/м3)	1009,8	1087,1	1127,0
4.Температура кипения, оС	170-172	270	360
5. Температура затвердевания, оС	10,5	28,0	21,0
6. Теплота испарения, ккал/моль	12,1
7. Растворимость	Неограниченно растворяются в воде, эфире, хлороформе; трудно растворимы в бензоле
8. Показатель преломления П20Д	1,4539	1,4776	1,4852
9. Молекулярная рефракция	16,2	27,3	38,1
10. Константы электролитической диссоциации	pKa = 9,5	-	pKa = 7,82
11. Зависимость плотности (г/см3) безводных этаноламинов от температуры, оС	1,0353 -0,000812	1,1135 - 0,000731	1,1365 -0,000617
12. Теплота образования, ккал/моль	5Т	8Т	1Т
13. Вязкость при 20 оС

Диэтаноламин представляет собой густую вязкую жидкость или кристаллы желтого цвета. ДЭА должен соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 2.1.2.

Таблица 2.1.2 - Физико - химические показатели ДЭА

Наименование показателя	Норма
1.Внешний вид	Густая вязкая жидкость или кристаллы желтого цвета
2.Массовая доля этаноламинов в пересчете на ДЭА, %, не менее	98
3.Показатель преломления П20Д,в пределах	1,4770-1,4790
4.Температура кристаллизации, оС, не ниже	25,7
5.Растворимость в воде	Удовлетворяет испытанию

Таблица 2.1.3 - Влияние температуры на состав образования этаноламинов при давлении 150 атм.

Температура	Время контакта, мин	Состав образующихся этаноламинов, %
Т1 вход	Т2 среда	Т3 выход		МЭА	ДЭА	ТЭА
120 118 118	120 124 126	116 124 126	60 60 60	59,8 60,5 59,2	26,9 25,8 25,9	13,3 13,7 15,6

Вывод: Данные таблицы показывают, что изменение температуры в реакционной зоне в пределах от 6 до 10 оС существенно не влияет на состав образующихся этаноламинов.

Таблица 2.1.4 - Влияние времени контакта на состав образующихся этаноламинов при давлении 150атм и температуры от 120 до 126 оС.

Подача смеси	Время контакта, мин.	Состав образующихся этаноламинов, %
		МЭА	ДЭА	ТЭА
1060 1060 530 530	30 60 60 30	59,8 62,2 59,2 59,0	26,9 24,2 25,2 25,9	13,3 13,6 15,7 15,7

Вывод: Время контакта не оказывает существенного влияния на состав образования этаноламинов.

Таблица 2.1.5 - Влияние избытка аммиака в реакционной смеси на состав при давлении 150 атм и температуре 120 оС.

Молярное сооьношение	Состав этаноламинов
	МЭА	ДЭА	ТЭА
4 : 1 5,5 : 1 6 : 1 9 : 1 12 : 1 15 : 1 25 : 1 35 : 1	32,1 34,6 36,5 47,0 53,6 59,2 63,4 69,1	27,0 29,7 32,6 28,4 27,5 25,2 28,4 22,4	40,9 35,7 38,9 24,4 18,9 15,7 8,2 8,6

Вывод: избыток аммиака в реакционной смеси на выход ДЭА существенно не влияет.

2.2 Описание технологического процесса

Производство этаноламинов непрерывного действия состоит из одной технологической нитки.

Узел синтеза включает два параллельно работающих блока. Синтез этаноламинов основан на взаимодействии окиси этилена и аммиака при температуре 115-125 оС, давлении 110-120 кгс/ см2 в присутствии воды, в качестве катализатора. Окись этилена и аммиак подаются в смеситель №1, после чего эта смесь подается в емкость №2. Сюда же в качестве катализатора подается аммиачная вода или паровой конденсат. Для поддерживания давления в емкости №2 предусмотрена подача газообразного аммиака. Смесь исходных продуктов подается насосом №3. Описание синтеза ведется для одной системы ввиду их подобия.

Перед поступлением в реактор, исходная смесь нагревается до рабочей температуры в двух последовательно установленных теплообменниках №4 и №5. Первый по ходу продукта теплообменник №4 предусмотрен для регенерации тепла, уносимого реакционной массой со стадии синтеза, из холодильника №4а. Холодная смесь поступает в трубное пространство, с которого подается вода обратного цикла или паровой конденсат, предварительно прогретый до температуры +85 оС реакционной массой. В результате теплообмена холодная исходная смесь подогревается до температуры +75 оС, а вода при этом охлаждается до 40 оС и сбрасывается в линию оборотной воды, паровой конденсат возвращается в узел парового конденсата. После предварительного подогрева, из аппарата №4 и исходная смесь подается в пусковой подогреватель №5, обогреваемый паром. Нагретая до +85 оС подается в три последовательно установленных реактора №6, представляющие собой кожухотрубчатые аппараты.

Режим работы реакторов №6.

Давление в аппарате не более 120 кгс/. Температура в аппарате 115-125 оС. Время пребывания в реакторе - 23 мин. Синтез этаноламинов сопровождается с выделением тепла. Для отвода тепла реакции и термостатирования процесса в межтрубном пространстве находится кипящая вода (паровой конденсат), пары которого по мере образования их поступают с сепаратор №7а, а затем в конденсатор №7, охлаждаемый оборотной водой.

Конденсат из аппарата №7, вновь возвращается в реактор. Каждый реактор оборудован системой охлаждения, что дает возможность в случае необходимости снизить температурный режим в любом из реакторов. Из последнего по ходу продукта реактора горячая реакционная смесь направляется в холодильник №4а, охлаждаемой водой. В результате теплообмена вода нагревается до +85 оС, а уносимое тепло используют для предварительного подогрева исходной смеси в аппарате №4. Охлаждаемая до температуры +45 оС, реакционная смесь, объединяется с потоком, выходящим со II системы синтеза, и направляется на ректификацию. Отделение ректификации состоит из трех ректификационных колонн. Каждая колонна оборудована кипятильником, обогреваемым паром, конденсатором и хвостовым конденсатором, охлаждаемые оборотной водой. В колонне №8 производится отгонка избыточного аммиака. Пары, выходящие из верхней части колонны №8 поступают в конденсатор №10. Несконденсированные пары аммиака из конденсатора №10 поступают в хвостовой конденсатор №11. Остатки паров от хвостового конденсатора направляются в скруббер №41 на поглощение. Кубовая жидкость из колонны №8 поступает через холодильник №13 в ректификационную колонну №15, где производится отгонка воды и остаточного аммиака. Конденсат из конденсатора №22 стекает в емкость №26 отделения абсорбции. Кубовая жидкость из колонны №15, содержащая обезвоженную смесь поступает в емкость №23. Далее насосом подается в ректификационную колонну №21, где и производится отгонка моноэтаноламина. Товарный моноэтаноламин из нижней части колонны направляется в емкость №23. Через час после начала циркуляции отбирается проба продукта на анализ. Затем, товарный моноэтаноламин откачивается насосом на склад готовой продукции.

Отделение абсорбции.

Сдувки окиси этилена и аммиака со всего отделения (синтеза, ректификации) направляются в отделение абсорбции для поглощения их с последующей их регенерацией. Пары окиси этилена из блока синтеза улавливаются в скруббере №31. Из нижней части скруббера непрерывно стекает водный раствор содержащий окись этилена, и поступает в сборник №32, а затем через холодильник №33, охлаждаемый оборотной водой, насосом №34 подается на орошение скруббера №31. Емкость №35 предназначена для сбора дистиллята с ректификационной колонны №15. По мере насыщения абсорбента до 6 процентов окисью этилена, абсорбент отводится в химически загрязненную канализацию. Если же концентрация более 6 процентов, то насосом №39 подается на орошение скруббера №31. Емкости №35, 37 оборудованны встроенными змеевиками, обогреваемые паром. Сдувки, содержащие аммиак, направляются в скруббер №41. В верхнюю часть скруббера вода подается из емкости №38 насосом №39 через холодильник №40. Из кубовой части абсорбера водный раствор стекает в емкость №42, затем через холодильник №43 насосом №44 подается на орошение насадки скруббера №41. Часть, по мере насыщения раствора выводится в емкость №45. Содержимое емкости №45 передавливается азотом и подается в куб колонны №47. После заполнение куба колонны №47 раствор подвергается разгонке на дистилляционной колонне №47. Эта колонна насадочного типа. Колонна оборудована конденсатором №48, охлаждаемый оборотной водой. На колонну подается от 20 - 25 процентов раствора аммиачной воды. Колонна работает периодически. Пары из колонны поступают в конденсатор.

Часть дистиллята конденсируется в нем и стекает в колонну в качестве флегмы, из колонны отгоняется две фракции:

I фракция - чистый аммиак

II фракция - 3 процентный раствор аммиака

II фракция через холодильник №49, охлаждаемый оборотной водой, поступает в емкость №32. II фракция отгоняется тогда, когда в системе абсорбции имеется избыток абсорбента и его надо отвести в хим. Загрязненную канализацию. После отгонки II фракции, кубовая жидкость из куба №47 с незначительной примесью аминов (140 мг/л) сливается в хим.загрязненную канализацию. Очистка от вентиляционных выбросов, а также сдувок скруббера №41 производится в скоростном скруббере №50, орошаемом водой. Для предотвращения замерзания воды зимой, в скруббере встроен змеевик, обогреваемый паром. Для создания необходимой плотности установлен насос №51.

2.3 Материальный баланс

Общая производительность этаноламинов на производстве составляет 19,364 тыс. тонн в год:

МЭА = 8606,4 тыс. т/г - 1 1

ДЭА = 6554,8 тыс. т/г - 0,75 3/4

ТЭА = 4303,2 тыс. т/г - 0,5 1/2

По проекту необходимая общая годовая производительность 24000 тонн в год. Тогда годовая производительность по ДЭА составит из соотношения относительных выходов после стадии отгонки:

МЭА : ДЭА : ТЭА = 1 : 0,75 : 0,5 = 10667 : 8000 : 5333

Производительность 8000 тонн в год (по диэтаноламину).

Годовой фонд рабочего времени: 365 дней в году = 8760 час.

25 дней (капитальный ремонт) = 600 час.

От 7 до 9 дней (текущее обслуживание) = 160 час.

Таким образом, оборудование работает 8000 часов в году

8760 - 600 -160 = 8000

Часовая производительность: 8000 / 8000 = 1000 кг/ч

Материальный баланс узла синтеза:

Основные реакции:

I р. CH2 - CH2 + NH3 > H2N - CH2 - CH2 - OH

\ / Моноэтаноламин

O

II р. CH2 ? CH2 ? OH

/

CH2 - CH2 + H2N - CH2 - CH2 - OH > HN

\ / \

O CH2 ? CH2 ? OH

Диэтаноламин

III р. CH2 - CH2 - OH CH2 - CH2 -OH

/ /

CH2 - CH2 + HN > N ? CH2 ? CH2 ? OH

\ / \ \

O CH2 - CH2 - OH CH2 - CH2 - OH

Триэтаноламин

Расчет ведем на 1 тонну ДЭА:

М(С2H7NO) = 61 г/моль

М(С4H11O2N) = 105 г/моль

М(С2H11O2N) = 149 г/моль

Выход МЭА - ДЭА - ТЭА в соотношении:

50 : 32 : 18

На 1000 кг. ДЭА образуется:

МЭА - 1567,5

ДЭА - 1000

ТЭА - 562,5

Из уравнения III на получение:

105(ДЭА) - 149(ТЭА) Х = 399 кг

Х кг - 562,5 кг

Для получения 562,5 кг. ТЭА потребуется 396 кг. ДЭА.

Из уравнения II на получение:

1396(396+1000)кг.(ДЭА) - Х кг. (МЭА)

105 - 61

Х = 811 кг.

Для получения 1396 кг. ДЭА потребуется 811 кг. МЭА

Из уравнения I на получение:

2373,5(1562,5+811)кг.(МЭА) - Х кг. (окиси этилена)

61 - 44

Х = 1712 кг.

Для получения 2373,5 кг. МЭА потребуется 1712 кг. окиси этилена.

Из уравнения III на получение:

562,5 кг. (ТЭА) - Х кг. окиси этилена

149 - 44

Х = 166 кг. окиси этилена

Для получения 562,5 кг. ТЭА потребуется 166 окиси этилена.

Всего окиси этилена по трем реакциям расходуется:

1712 + 585 + 166 = 2463 кг.

На эти реакции расходуется аммиака по I - му уравнению:

17 (NH3) - 105 (ДЭА)

Х кг. - 1396 кг.

Х = 226 кг.

По заводским данным, с учетом избытка свежего аммиака составляющего 28,25 кг., на синтез всего подается 254,25 кг. свежего аммиака. Помимо свежего аммиака в блок синтеза поступает возвратный аммиак (со стадии отгонки аммиака). По заводским данным:

Возвратный аммиак/ свежий аммиак = 8,62

Тогда возвратного аммиака поступает:

226 * 8,62 = 1948,12

Наряду с возвратным аммиаком поступает:

3,868 процентов от возвратного аммиака составляет ДЭА:

(3,868*1948,12)/100 = 75,35

0,203 процента от возвратного аммиака составляет вода:

(0,203 * 1948,12)/100 = 3.95

Вода поступает на синтез в качестве катализатора, в количетсве 476,5 кг. и столько же выводится.

Из блока синтеза отводятся сдувки:

Окиси этилена - по заводским данным составляет 4,69 процента от содержания поступившей на синтез окиси этилена: (4,69 * 2463)/100 = 115,51

Тогда окиси этилена на синтез потребуется: 2463 + 115,51 = 2578,51

Аммиака - по заводским данным составляет 3,9 процента от содержания свежего: (3,9 * 226)/100 = 8,814

Таблица 2.3.1 - Материальный баланс на 1 тонну ДЭА

Компоненты	Приход	Расход
	кг.	%	кг.	%
1. Окись этилена 2. Аммиак а) свежий	2578,51 254,25	45,22 4,46
б) возвратный 3. МЭА 4. ДЭА 5. ТЭА 6. Вода 7. Сдувки в т.ч.: а) окиси этилена б) аммиака 8. Прочие Всего:	1948,12 - 75,35 - 480,5 - - 364,46 5701,19	34,17 - 1,32 - 8,42 - - 6,41 100	1976,37 1562 1000 562,5 476,5 115,51 8,814 - 5701,19	34,66 27,39 17,54 9,86 8,35 2,02 0,17 - 100

Материальный баланс на 1 тонну ДЭА и есть материальный баланс на заданную производительность.

Материальный баланс процесса отгонки воды.

Расчет материального баланса ректификации производят по формуле:

F = P+W (1)

где F - производительность по исходной смеси

P - Производительность по дистилляту

W - Производительность по кубовому остатку

F (2)

где , , - соответствующие мольные концентрации.

F = 10814,73 - (28,66 + 128,36)=10657,71 (кг/ч)

=0,60 ; =0,98 ; =0,018

По заводским данным 0,22 процента от содержания аммиака, поступающего на ректификацию, на выходе сдувки будут составлять

Это количество при разделении не учитывается:

F = 10657,71 - 14,14 = 10643,57 кг/ч

F*0,60 = P*0,98 + W*0,018

= 10643,57 *() = 4204,32

P = F - W

P = 10643,57 - 4204,32 = 6439,25 кг/ч

Состав дистиллята:

1. Состав аммиака в дистилляте 98 процентов возвращается в блок синтеза, в качестве возвратного аммиака.

2. 1,6 процента приходится на ДЭА:

3. 0,2 процента приходится на воду:

4. 0,2 процента приходится на примеси:

Состав куба:

1. 2,45 процента приходится на содержание аммиака:

2. Количество ДЭА в кубовой жидкости:

1111,11 - 103,03 = 1007,81 кг/ч

3. Количество воды в кубовой жидкости:

529,51 - 12,88=516,63 кг/ч

4. Количество примесей в кубовой жидкости:

228,76 - 12,88 = 215,88 кг/ч

Таблица 2.3.2 - Материальный баланс узла откачки аммиака

Компоненты	Приход	Расход	Сдувки,Кг/ч
	Кг/ч	%	Дистиллят	Кубовая жидкость
			Кг/ч	%	Кг/ч	%
1.МЭА 2.ДЭА 3.ТЭА 4.Вода 5.Аммиак 6.Сдувки NН3 7.Прочие Всего :	1736,11 1111,11 625 529,51 6427,19 - 228,76 7675,22	16,29 10,43 5,86 4,97 60,3 - 2,15 100	- 103,03 - 12,88 6310,47 - 12,88 6439,25	- 1,6 - 0,2 98 - 0,2 100	1736,11 1007,81 625 516,63 103 - 215,88 4204,32	41,29 23,97 14,87 12,29 2,45 - 5,13 100	14,14 14,14

Материальный баланс процесса отгонки воды и остаточного аммиака.

Расчет ведем по формуле:

F = P + W

F = 4204,32 кг/ч

По заводским данным 14,99 процентов от всего содержания аммиака, поступившего на ректификацию, приходится на долю сдувок (на выходе из колоны):

Это количество при расчете не учитывается:

F = 4204,32 - 15,44 = 4188,88 кг/ч

= 0,0186;=0,45; =0

F * = P * + W * > F * = P *> P =

P = F - W = 4188,88 - 173,14 = 4015,74 кг/ч

Содержание аммиака в дистилляте:

Содержание воды в дистилляте:

Содержание воды в кубовой жидкости:

516,63 - 85,55 = 431,08 кг/ч

Содержание остальных компонентов в кубовой жидкости остается неизменным.

Таблица 2.3.3 - Материальный баланс процесса отгонки воды и остаточного аммиака

Компоненты	Приход	Расход	Сдувк,Кг/ч
	Кг/ч	%	Дистиллят	Кубовая жидкость
			Кг/ч	%	Кг/ч	%
1.МЭА 2.ДЭА 3.ТЭА 4.Вода 5.Аммиак 6.Сдувки NН3 7.Прочие Всего :	1736,11 1007,81 625 516,63 103 - 215,88 4204,32	41,29 23,97 14,87 12,29 2,45 - 5,13 100	- - - 85,55 87,59 - - 173,14	- - - 49,41 50,59 - - 100	1736,11 1007,81 625 431,08 - - 215,88 4015,74	43,23 25,10 15,56 10,73 - - 5,38 100	15,44 15,44

2.4 Тепловой расчет

С = ? */М (1)

где: - число одноименных атомов в молекуле

- атомная теплоемкость элемента “Краткий справочник физико-химических величин“

7,53 дж/моль.к (твердые вещества)

9,62 дж/моль.к

= 11,30 дж/моль.к

= 16,74 дж/моль.к

Для жидких веществ:

11,72 дж/моль.к

17,99 дж/моль.к

= 20 дж/моль.к

= 25,1 дж/моль.к

Находим теплоемкости:

Состав смеси, поступающей в реактор №6.

Аммиак - 72,2

Окись этилена - 23,40 100%

МЭА - 0,5

Вода - 3,9

Теплоемкость смеси, поступающей в реактор:

(2)

где: ,, - содержание компонентов, входящих в состав раствора в процентах.

- теплоемкости компонентов.

Состав, выходящий из реактора реакционной смеси:

МЭА - 14,0

ДЭА - 9,1

ТЭА - 6,8 100%

- 66,2

O - 3,9

кдж/кг.моль

Q = C*G -) (3)

где: G - вес поступающего или уходящего материала

C - теплоемкость материала

- температура начальная и конечная

= 3,85*17303,54*(120-85) = 2331652,02 вт

= 3,93*17303,54*(120-85) = 2380101,93 вт

= - = 48449,91

(4)

где n - число однотипных аппаратов

Из формулы Q = kFT (5)

Рассчитываем поверхность теплообмена

F = Q/kt (6)

(7)

T - температура реакции получения этаноламинов;

- температура охлаждающей воды на входе в теплообменник;

- температура охлаждающей воды на выходе из теплообменника.

Коэффициента теплопередачи:

(8)

где - коэффициент теплоотдачи от первичного теплоносителя к разделяющей стенке;

- коэффициент теплоотдачи от стенки к теплоносителю;

б - толщина стенки;

б = 6 мм (из механического расчета)

? - коэффициент теплопроводности материала к стенки.

Материал корпуса аппарата - сталь марки Ст.3

? = 52 Вт/м. определяем

(9)

D = 0,7м

? = 0,48 Вт/м. - теплопроводность реакционной смеси.

(10)

(11)

(12)

? = j / q; dw = 0,056м (56мм)

=0,049

µw=0,019* Па*с; µf = 0,016* Па*с

Определяем :

(13)

где: = 0,056м

= 1000 г/; = 0,016* Па*с

? = 0,019 м/с

Движение турбулентное.

(14)

Длина теплообменника

L = F/p* (15)

Количество необходимого теплоносителя:

(16)

Расход воды на охлаждение:

G*C*(-) =W(-)

Т.к. по опыту работы большое количество тепла выделилось во II реакторе, то вместо аппарата №6 II используют аппарат №3.

Реакционные объемы:

*n*1 = 0,785**61*7 = 0,67

где: n = 61 - количество трубок;

l = 7 - длина трубок.

Размеры трубок: 57 x 6.

*151*7=1,69

Объем аппарата №3 составляет 55 процентов от общего объема.

Принимаем выделение тепла во II-м реакторе 60 процентов от общего количества тепла.

= 2380101,93 * 0,6=1428061,16 Вт

Тепло реакции отводится конденсатом, имеющим температуру 110 .

Необходимая поверхность II-го реактора:

К = 250 ккал/.град.час (на две нитки)

(на одной нитке) = 103

Установлен аппарат F = 165

Количество тепла, выделяемое в I-м и II-м реакторах на одной нитке, суммарно:

Вместе в I-м и III-м реакторах:

Установлен аппарат F = 70

2.5 Поверочный расчет основного оборудования

Аппарат №4

Теплообменник для нагрева исходной смеси F = 70 .

Нагрев производится водой, выходящей из межтрубного пространства холодильника 4а.

= 85 = 35

Нагрев исходной смеси производится от 20 до 50 .

85 > 35

50 < 20 =25

35 15

Необходимая поверхность нагрева:

(1)

Количество исходной смеси на одну систему:

Q = б*с ( + )

где с = 1,1 ккал/кг. град

Q = 5404, 37 - 1,1 *(50-20) = 178859,03 ккал/час

Аппарат №4а.

Холодильник.

Реакционная смесь охлаждается от =120 до = 50 водой, которая нагревается от = 35 до = 85.

120 > 50 ? =25

85 < 35

35 15

Количество реакционной смеси:

Этаноламины: 1736,11 + 1111,11 + 625 = 3472,22 кг/час

Аммиак: 6427,19кг/час

Вода: 529,51 кг/час

Итого: 10428,92 кг/час

На одну систему 5214,46 кг/час

(2)

Q=5214,46 *1,1*70=401513,42 кг/час

Установлен аппарат F = 165

Расход воды определяем по формуле:

(3)

Аппарат №5.

Подогреватель исходной смеси.

Нагрев производится паром 7 атм.

Сt = 169 от =50 до =120

50 > 120

169 > 169 =84

119 49

Q = 4866,63* 1,1 * 70 = 374730,51

Устанавливаем аппарат F = 32

2.6 Расчет производительности и количества основного оборудования по заданной фазе

Исходя из заданной производительности проектируемого производства и времени на ремонт оборудования, определяют его суточную и часовую производительность.

Для определения полного объема аппарата:

1. Рассчитывают объем компонентов, поступающих в реактор за час:

(1)

где: = удельный вес i-компонента (т/);

- расход i-компонента компонента на тонну готового продукта;

- часовая производительность

2. Определяем рабочий объем реактора:

(2)

где: - время пребывания компонента в реакционной зоне, мин.

= + 0,1 = 1,1 * = 1,1 *0,8 = 0,88

Полный объем реактора с учетом коэффициента заполнения аппарата:

= 0,75 до 0,8 принимаем = 0,77

 (3)

Объем одного аппарата - 0,67

Определение количества аппаратов:

Принимаем количество аппаратов равным 3 (n=3).

2.7 Механический расчет

Аппарат - теплообменник

1. Расчет толщины обечайки:

Толщина стенки:

(1)

где P = 3 кгс/ рабочее давление в корпусе аппарата;

= 700мм - внутренний диаметр корпуса аппарата;

У = 0,9 - коэффициент прочности сварочного шва в продольном на правлении, выполненный двухсторонней ручной сваркой;

С = 2мм - прибавка на коррозию.

- допускаемое напряжение при расчете по предельным нагрузкам сосудов и аппаратов определяются:

 (2)

где = 38 кгс/ - расчетный предел прочности сталь марки В ст3 при = 20

= 3,75 - запас прочности по пределу прочности.

Принимаем = 6 мм

2. Расчет толщины днища теплообменника.

Материал - сталь X18Н10Т

Толщина днища теплообменника:

(3)

где: = 125 кгс/ - рабочее давление в трубном пространстве;

= 700 мм - внутренний диаметр днища;

= 175 мм - высота внутренней эмпирической части днища;

- допускаемое напряжение на изгиб для стали XРазмещено на http://www.allbest.ru/

18Н10Т при t = 260, рассчитывается:

=? *,

где: - номинальное допускаемое напряжение на растяжение.

= 22 кгс/ - предел текучести стали X18Н10Т при t = 20;

n = 1,65 - запас прочности по пределу текучести;

? = 1,05 - поправочный коэффициент к нормальному, допускаемому напряжению;

с = 0 - прибавка на коррозию и вытяжку при штамповке

Принимаем лист из стали X18Н10Т толщиной S = 40 мм.

3. Расчет трубной решетки.

Материал - Ст. 20.

Трубную решетку считаем как заглушку, ослабленную отверстием

Толщина трубной решетки:

(4)

где = 810 мм - средний диаметр прокладки;

= 125 кгс/ - рабочее давление в трубном пространстве;

- допускаемое напряжение на изгиб для стали марки ст.20 при

t < 250;

где =44 расчетный предел прочности для стали 20 при t= 20;

n = 2,9 - запас прочности на изгиб по пределу прочности при расчете трубной решетки.

(5)

где n = 9 - количество трубок в наиболее ослабленном, диаметрическом сечении трубной решетки.

= 57 - диаметр отверстий в трубной решетке под трубки

У = (810 - 9 * 57) / 810 = 0,356

Коэффициент, учитывающий крепление решетки к фланцу крышки.

(6)

(7)

где = 900 мм - диаметр болтовой окружности.

= + (8)

где - усилие, действующее на шпильки.

- усилие, действующее на шпильки от гидростатического давления среды.

(9)

 = 125 * 0,785 * = 644125 кгс.

= g * п * (10)

где g - удельное давление на прокладку, обеспечивающее плотность соединения.

g = m * (11)

где m = 6,5 - прокладочный коэффициент для стали X18H10T.

g = 6,5 * 125 = 812,5 кгс/

= 812,5 * 3,14 * 810 = 206757 кгс

= 644125 + 206757 = 850882 кгс

Принимаем толщину трубной решетки 280 мм без учета наплавки (с учетом наплавленного слоя толщина трубной решетки S = 290 мм)

4. Проверка толщины трубной решетки.

а) по надежности вальцовочного крепления труб:

где = 56 мм - наружный диаметр трубки в месте крепления в трубной решетке;

S = 60 мм - глубина развальцовки трубок

б) по минимальному сечению мостика между двумя трубами.

(12)

где: = 260 мм - минимальное сечение мостика между трубами;

t = 70 мм - шаг между трубками.

260 < (70 - 58) * 60 ; 260 < 720

в) Проверка на выравнивание концов трубки.

(13)

Где g - нагрузка на 1 мм длины окружности трубы;

= 700 мм - внутренний диаметр сальниковой камеры;

n = 61 - число труб в трубной решетке;

= 44 мм - внутренний диаметр труб.

Осевое усилие от давления среды, воспринимаемое трубками:

(14)

Q = 18863 кгс

г) Проверка на изгиб.

(15)

где = 15,17 кгс/ - допускаемое напряжение на изгиб для стали 20 при t < 250;

l - среднелогарифмическая величина из сторон прямоугольника, определяемого четырьмя трубками;

(16)

S = 280 мм - толщина трубной решетки.

5. Расчет толщины трубок.

(17)

где =125 кгс/ - рабочее давление в трубках;

= 2,2 см - внутренний радиус трубки;

- допускаемое напряжение для стали X18H10T;

= 2000 кгс/ - расчетный предел текучести при t < 20;

= 2 - запас прочности по пределу текучести;

У = 1 - коэффициент прочности трубки;

С = 3 - прибавка на двухстороннюю коррозию.



Принимаем толщину трубок S = 6 мм

Заключение

В данном курсовом проекте изложены материалы по получению, применению этаноламинов и актуальность их производства на данный период времени.

Рассчитан материальный баланс производства этаноламинов на заданную производительность.

Выполненными технологическими расчетами обосновано необходимое оборудование для выпуска диэтаноламина в количестве 8 тысяч тонн в год, скомпонована технологическая схема производства.

В производстве этаноламинов твердые отходы отсутствуют.

Список использованных источников

1. Малиновский М.С Окиси олефинов и их производные. -М. : Госхимиздат, 1961 - 551с.

2. Азингер Ф, Химия и технология моноолефинов. ЧМ. : Гос. научно - технич. изд. нефтяной литературы, 1960 - 365с.

3. Шенфельд Н. Поверхностно - активные вещества на основе оксида этилена. -М. : Химия, 1982 - 752с.

4. Пакен А.М. Эпоксидные соединения и эпоксидные смолы. - Л., ленинградское отделение Госхимиздата, 1962 - 963с.

5. Зимаков П.В. Окись этилена. -М. : Гос. Научно - техническое издание химической литературы, 1946 - 24 Ос.

6. Вейганд П. Методы эксперимента в органической химии. - М. : Химия, 1969 - 791с.

7. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М. : Химия, 1987 - 575с.

8. Лощинский А.Л., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчеты химической аппаратуры. - Л. : Машиностроение, 1970 - 752с.

9. Кошарский В.Д. Автоматические приборы, регуляторы и вспомогательные системы. - Л. : Машиностроение, 1976 - 484с.

10. Макаров Г.В. Охрана труда в химической промышленности. -М. : Химия, 1989 - 496с.

11. Производство этаноламинов: технологический регламент «Оргсинтез». : - Казань, 1990 - 310с.

Размещено на Allbest.ur

...