Пиролиз метана в производстве сажи

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Курсовая работа по общей химической технологии

ПИРОЛИЗ МЕТАНА В ПРОИЗВОДСТВЕ САЖИ

Выполнил: студент группы ТТУМ-14-2б

А.Ф. Абашев

Проверил: к.т.н. доц. кафедры хим. технологии

Д. В. Саулин

Пермь 2016



Введение

Сажа - аморфныйуглерод, продукт неполного сгорания илитермического разложенияуглеводородовв неконтролируемых условиях. В больших количествах её используют для приготовления чёрной краски в полиграфической и лакокрасочной промышленности. ВоФранцииво временаКарла IIс использованием сажи изготовляливаксу.

Термин «сажа» иногда неточно применяют для наименования углеродного продукта Ї технического углерода, производимого в промышленных масштабах для наполнения резин и других пластических масс.

По способу производства сажи делят на три группы: канальные, печные и термические.

Канальные (диффузионные) сажи получают при неполном сжигании природного газа или его смеси с маслом (например, антраценовым) в так называемых горелочных камерах, снабженных щелевыми горелками. Внутри камер расположены охладительные поверхности, на которых сажа осаждается из диффузионного пламени.

Печные сажи получают при неполном сжигании масла, природного газа или их смеси в факеле, создаваемом специальным устройством в реакторах (печах). Сажа в виде аэрозоля выносится из реактора продуктами сгорания, и улавливается специальными фильтрами.

Термические сажи получают в специальных реакторах при термическом разложении природного газа без доступа воздуха. [1]

В нашей курсовой работе рассматривается термическая сажа, получаемая из природного газа(содержание метана 98.18% ).



1. Выбор и обоснование сырья, энергоресурсов, географической точки строительства

В качестве сырья для производства сажи обычно применяют фракции и масла нефтяного и коксохимического происхождения, природный газ, ацетилен, коксовый газ и газы нефтепереработки. Иногда для получения сажи используются также технический нафталин и технический антрацен. Основным видом сырья для получения сажи являются жидкие продукты переработки нефти и каменноугольной смолы, из них вырабатывается свыше 80% всей сажи. Однако немаловажным сырьем является природный газ.

На сегодняшний день такое полезное ископаемое, как природный газ, добывается во всем мире из нефтегазовых месторождений, а также его можно найти в растворенном состоянии в нефти или воде. Если говорить конкретно о России, то в нашей стране его добывают из недр планеты Земля.В настоящее время основная добыча газа осуществляется в Западной Сибири, и в перспективе здесь же намечается концентрация добычи природного газа за счет Надым-Тазовского, Уренгойского, Ямбургского и Ямал-Гыданского месторождений. Создание производственной инфраструктуры (транспортных подходов в виде железных и шоссейных дорог), надежная работа морского и воздушного флота окажут существенную помощь в реализации этой программы.

По промышленным запасам природного газа Россия занимает одно из первых мест в мире, а по разведанным и добыче - первое (40%) и 30%) мировых показателей соответственно). В Европе наша страна - монополист по запасам этого вида топлива. Добыча природного газа в России с 1990 г. практически не снижалась и осталась на уровне 600 млрд м3 в год. 

Удобство применения природного газа состоит еще в том, что он одновременно является и сырьем, и топливом для пиролиза.

Выбор строительства завода по производству сажи зависит еще от ряда факторов. Сырье(природный газ) поступает при помощи газопроводов, поэтому удобно будет построить завод на пути прохождения газопровода. [2]

Также немаловажным фактором является спрос и хорошая транспортная развязка, для поставки готовой продукции (сажи) к потребителям.

Одним из важных факторов для выбора географической точки является наличие электростанций, т.к. для обеспечения работы завода требуется подвод большого количества электроэнергии. Электроэнергия требуется для освещения территории завода, функционирования различных аппаратов и компьютеров для наблюдения за ходом технологического процесса.

Кроме того для процессов охлаждения саже-газовой смеси требуется вода(хладоагент).

Вывод:

Природный газ, является наиболее удобным сырьем, т.к. он имеет высокие показатели добычи и содержание метана в нем составляет 98%.

Требуется большое количество электроэнергии для функционирования завода.

Выбор географической точки строительства будет зависеть от спроса на данную продукцию, наличие транспортной развязки и наличия спроса на трудоустройство.



2.Выбор и обоснование способа производства

Об использовании сажи известно давно. Впервые ее стали применять как красящий пигмент для изготовления чернил. Наибольшее развитие сажевая промышленность получила в начале двадцатого столетия, когда сажу стали применять в качестве усиливающего наполнителя резин.

В России сажевые заводы начали строиться только после Великой Октябрьской социалистической революции. Однако первоначально это были заводы по производству малоактивных саж. Развитие шинной и резинотехнической промышленности потребовало значительного увеличения производства саж, особенно активных и высокоактивных. В настоящее время сажевая промышленность нашей страны выделилась в самостоятельную отрасль. Сажевые заводы не только обеспечивают потребность отечественной промышленности, но и поставляют сажу в другие страны.

Сажа находит широкое применение в различных отраслях промышленности.

Основным потребителем сажи является шинная и резинотехническая промышленность. Сажа применяется наиболее часто в качестве активного наполнителя, особенно в резинах на основе синтетических каучуков. При введении сажи в резиновую смесь увеличивается механическая прочность резины, а также срок службы изделий из резины.Усиливающее действие сажи тем выше, чем меньше размер ее частиц.

В электротехнической промышленности сажа применяется для производства розеток, выключателей, патронов и других изделий.

В лакокрасочной промышленности сажа является важным сырьем для производства высококачественных красок и лаков.

Современная полиграфическая промышленность предъявляет все более высокие требовани к саже. Этой промышленностью потребляется в основном сажа -- с удельной геометрической поверхностью 200 м2/г и более.

Разные отрасли промышленности применяют различные типы сажи.

В мире нет единой классификации саж. В нашей стране сажа классифицируется по совокупности нескольких признаков:

по способу получения (печная П, канальная Д, термическая Т);

по сырью, из которого получается сажа -- жидкое углеводородное сырье (масла нефтепереработки или коксохимического производства -- М) и газы -- Г;

по удельной поверхности в м2/г;

по степени структурности (высокая -- В, низкая -- Н; для средней структурности индекса нет);

по усиливающему действию на каучук (высокоактивные, активные, среднеактивные, полуактивные и малоактивные).[2]

Сажу получают термическим разложением углеводородов в различных аппаратах (реакторах, печах, камерах)

При нагревании до определенной температуры. Следует отметить, что при разложении углеводородов происходит поглощение тепла или выделение его в количестве, недостаточном для поддержания реакции разложения без подвода постороннего теплового источника. Так, парафиновые и нафтеновые углеводороды поглощают тепло, а ароматические выделяют его в небольшом количестве (около 300 ккал/кг). Поэтому для нормального протекания реакции при получении сажи необходим ввод тепла; это достигается сжиганием газообразного или жидкого топлива. Изменяя количество вводимого топлива, в реакционном объеме можно создать температуру, необходимую для образования данного типа сажи. Образование сажи в реакционном объеме происходит при температуре более 1000°С. Так, для печных саж типа ПМ-50, ПМ-75 и ПМ-100 температура в зоне горения достигает от 1300 до 1550 °С.

Для полного сгорания 1 кг жидкого сырья необходимо 9-12 м3воздуха. При производстве сажи подачавоздуха ограничивается и составляет 3--5м3 на 1 кгсырья. Вследствие недостаточного доступа воздуха горение протекает только на поверхности капли сырья. Внутри капли кислород отсутствует; там происходит термическое разложение сырья (углеводородных молекул) с образованием сажи и газообразных продуктов. При этом углерод сырья превращается в сажу.

Скорость образования частиц сажи зависит от температуры в зоне vреакции, повышаясь с увеличением температуры процесса. Если при повышении температуры расход сырья не изменяется, то размер частиц уменьшится, т. е. увеличится дисперсность сажи.

Сажевые частицы находящиеся в реакционной зоне, при 900--1000 °С контактируют с парами воды, двуокисью углерода, водородом и другими газами. При этом на поверхности частиц могут происходить различные вторичные процессы, приводящие к изменению свойств сажи: срастание сажевых частиц и сажевых цепочек (повышение структурности сажи); увеличение диаметра частиц (уменьшение дисперсности); выгорание углерода на поверхности частицы, что обусловливает шероховатость поверхности сажи; взаимодействие углерода на поверхности частиц с водяным паром и двуокисью углерода, что приводит к снижению выхода сажи. Особенно сильно вторичные процессы проявляются при производстве активных и высокоактивных саж типа ПМ-75, ПМ-100, ДГ-100, ДМГ-105А. Для того чтобы прекратить протекание вторичных процессов, необходимо сократить продолжительность нахождения сажи в зоне высокой температуры. С этой целью при производстве канальных саж в зону реакции вводят охлаждающую поверхность в виде швеллера или вращающегося барабана. При производстве высокоактивных саж, чтобы предотвратить их сгорание, увеличивают скорость прохождения сажегазовой смеси через зону высокой температуры с последующим резким охлаждением водой до 900--1000 °С (первая зона охлаждения). Для увеличения скорости прохождения сажегазовой смеси в реакторе в зоне высокой температуры устанавливаются сужающие устройства, представляющие собой втулки из огнеупорного материала. Однако при очень большой скорости не весь углеводород успевает разложиться и на поверхности частиц сажи остаются частицы неразложившегося сырья, в результате чего снижается качество сажи. Поэтому для каждого типа сажи должны устанавливаться определенная скорость сажегазовой смеси и температура в. зоне сажеобразования. Так, для термической сажискорость прохождения сажегазовой смеси в зоне реакции составляет 80--140 м/с, а образование сажи происходит при 1100 °С. Для полного прекращения вторичных процессов на поверхности частиц печных высокоактивных саж и для защиты оборудования температура сажегазовой смеси снижается до 650--700°С. Для этого имеется вторая зона охлаждения в конце реакционного канала. При производстве малоактивныхи среднеактивных саж устанавливается только одна зона охлаждения (в конце реакционного канала).

От режима технологического процесса зависят такие показатели качества сажи, как дисперсность, структурность, шероховатость, рН сажи.

От температурного режима проведения процесса зависит размер получаемых частиц сажи или ее дисперсность. Для повышения дисперсности сажи необходимо увеличить температуру и уменьшить продолжительность пребывания сажи в зоне реакции. Уменьшить дисперсность можно также снижением концентрации углеводорода.

Так, для получения низкодисперсной сажи применяется жидкое сырье с небольшим содержанием ароматических углеводородов или газообразное сырье.

Структурность сажи зависит от качества сырья, температурного режима протекания процесса и степени распыления сырья. С увеличением содержания ароматических углеводородов в сырье структурность сажи повышается. При увеличении температуры нагрева сырья и продолжительности пребывания частиц сажи в зоне высоких температур ее структурность снижается. Структурность сажи зависит также и от конструкции оборудования, форсунок и т. д. Так, в циклонных реакторах получается сажа меньшей структурности, чем в цилиндрических.

рН сажи уменьшается с увеличением продолжительности пребывания сажи в зоне высоких температур и увеличивается с увеличением количества солей в воде, подаваемой на охлаждение в зону закалки.[2]

Таблица 2.1 «Сопоставление основных способов производства сажи (показатели отнесены к 1т сажи)»[1]

Таблица 2.2«Зависимость физико-механических показателей резин, содержащих отечественные сажи, от свойств этих саж»[1]

Вид сажи	Удельная поверхность, м2/г	Характер структуры	Адсорбция масла, см2/г	Свойства резин с сажей на основе СКС-30
		первичная	вторичная		предел прочности при растяжении, кес/см2	относительное удлинение %	модуль при 300% удлинении кес/см2
Канальная газовая	95	Небольшие агрегаты в виде цепочек	Сильно развитая, с прочными связями	0,85	230	650	85
Антраценовая	85	То же, размер агрегатов несколько больше	То же	0,95	225	550	95
Печная активная ПМ-70	75	Цепочки более длинные, чем у канальной, имеют ответвления	Сильно развита, связи менее прочны, чем у канальной	1,00	230	450	140
Печная полуактивная ПМ-50	50	То же	То же	1,15	190	460	120
Печная газовая ПГ-33 и ПГМ-33	35	Небольшие агрегаты в виде цепочек	Средне развитая, с менее прочными связями, чем у канальной	0,65	170	650	70
ПГМ-30	35	Цепочки более длинные, чем у канальной, имеют ответвления	То же	1,10	160	640	80
Форсуночная	25	Длинные цепочки с ответвлениями	Сильно развитая, связи слабые	1,25	150	550	95
Ламповая	16	То же	То же	1,00	135	650	65
Термическая	10	Агрегаты состоят из нескольких частиц	Мало развитая, связи слабые	0,30	130	800	30

сажа производство резина

Преимуществами получения термической сажи из природного газа являются:

Отсутствие необходимости подвода дополнительного тепла(сам пиролиз происходит за счет выделения тепла побочных реакций).

Для уменьшения времени пребывания в зоне реакции, т.е. для предотвращения прохождения вторичных процессов, нет необходимости устанавливать дополнительное оборудование(шнеки, охлаждение водой). Для уменьшения вторичных процессов служит сужение в конце печи.

Данный вид сажи отлично подходит для шинно-резиновой промышленности.

Выводы:

Для производства выбирается тот тип сажи, который необходим для дальнейшего производства.

Тип сажи зависит от технологического процесса, выбора сырья и выбранных аппаратов.

Сажа, полученная из природного газа термическим разложением газа, является малоактивной и применяется в основном лакокрасочной промышленности и для покраски шин для автомобилей.



3.Обоснование оптимальных параметров технологического процесса

3.1 Термодинамический анализ

Для расчета оптимальных параметров технологического процесса мною было взято сырье в виде природного газа с месторождения «Медвежье».

Таблица 3.1 «Химический состав природного газа месторождения «Медвежье»» [3]

Вещество	Содержание, %
Метан	98.18
Этан	0.2
Пропан	0.4
Диоксид углерода	0.12
Азот	1.1

Для термодинамического анализа нам нужно продумать химизм процесса, происходящего в печи

(1.1)

(1.2)

(1.3)

(1.4)

(1.5)

(1.6)

Помимо данных реакций происходит также реакции горения(этана,пропана), реакции связанные с взаимодействием инертных газов(азот, диоксид углерода).

1,2 и 3 реакции лежат в основе процесса получения сажи, 4 и 5 реакции служат для подогрева реагирующей смеси.

3.1.1 Термодинамический расчет

Для термодинамического расчета воспользуемся стандартными термодинамическими величинами:

Таблица3.2 «Термодинамические свойства веществ»[4]

Вещество	H, кДж/моль	S, Дж/моль*к	a	b	c`	с
	-74,85	186,27	14,32	74,66	-	-17,43
C	0	5,74	16,86	4,77	-8,54	-
	0	130,52	27,28	3,26	0,5	-
	-84,67	229,49	5,75	175,11	-	-57,85
	-103,85	269,91	1,72	270,75	-	-94,48
CO	-110,53	197,55	28,41	4,1	-0,46	-
	-393,51	213,66	44,14	9,04	-8,54	-
	0	205,04	31,46	3,39	-3,77	-
	-241.81	188.72	27.28	10.71	0.33	-

Произведем расчет стандартных термодинамических величин при стандартных условиях:

Таблица3.3 «Термодинамические расчеты реакций при Т=298 К»

Реакция	?H0,	?S0, ,	?G0, ,	Q0, ,
1	74,85	80,51	50,858	-74,85
2	84,67	173,55	32,952	-84,67
3	103,85	269,39	23,571	-103,85
4	-318,66	288,43	-404,612	318,66
5	-565,96	-172.82	-514.459	565,96
6	-241.81	-44.32	-228.602	241.81

Реакции пиролиза(1,2,3) при стандартных условиях эндотермические, т.к. ?H>0.

При стандартных условиях реакции протекают в обратном направлении.

Произведем расчет стандартных термодинамических величин при различных температурах для оценки возможности протекания и выбора оптимальных условий для проведения процесса

Таблица 3.4 «Энергия Гиббса при различных температурах»

Т,K	?G0,КДж/моль
	1 реакция	2 реакция	3 реакция	4 реакция	5 реакция	6 реакция
298	50,858	32,952	23,571	-404,612	-514,459	-241,81
300	50,696	32,604	23,031	-405,191	-514,114	-228,514
500	27,349	-13,695	-45,993	-476,965	-479,113	-219,108
700	-5,309	-74,086	-132,815	-568,16	-443,900	-208,927
900	-42,849	-140,978	-227,019	-671,566	-408,789	-198,244
1100	-82,933	-210,727	-323,773	-783,349	-373,866	-187,218
1300	-124,260	-281,650	-421,049	-901,263	-339,164	-175,952
1373	-139,496	-307,69	-456,558	-945,539	-326,557	-171,794
1400	-145,143	-317,339	-469,693	-962,065	-321,902	-170,252

Рис. 3.1«график зависимости энергии Гиббса от температуры(для реакций 1,2,3)»

Рис. 3.2 «график зависимости энергии Гиббса от температуры(4,5 реакция)»

Проанализировав полученные данные, мы может сделать выводы о влиянии температуры на вероятность протекания процесса:

Для реакций пиролиза(1,2,3):

При стандартных условиях данный процесс термодинамический невозможен. Процесс возможен лишь при достижении температуры инверсии:

Для 1 реакции:

Для 2 реакции: 487,871 К

Для 3 реакции: К

Для реакции 4,5,6:

Эти реакции экзотермические на всем интервале температур T, т.к. энтальпия данных реакций отрицательна на всем промежутке. Реакции на данном промежутке температур необратимо протекают в прямом направлении, т.к. энергия Гиббса отрицательна на всем промежутке.

3.1.2 Влияние давления:

По формуле определим стандартную константу равновесия для данного процесса:

Таблица 3.5 «зависимость константы равновесия от температуры»

Реакция	(298 К)	(1373 К)
1	1,26	53398,052
2	1,674*	5,08
3	7,4*	2,34
4	7,21	9,41
5	2,51	4,94
6	1.18	3.436

Влияние давления на равновесие в системе определим по формуле, приняв, что активность чистого углерода постоянна и равна единице:

(1.7)

где

-стандартная константа равновесия.

Рассчитаем изменение моль газообразных веществ для нашего процесса:

Таблица 3.6 « Уравнения констант равновесия»

Реакция
1	1
2	2
3	3

Таблица 3.7 «Влияние давления на константу равновесия»

P, атм	1	2	3	4	5
реакция 1	5410557719	10821115437	1,62	2,16	2,71
реакция 2	1,52809	6,11237	1,38	2,44	3,82
реакция 3	8,7015	5,569E	6,3	3,6	1,4

При увеличении давления константа равновесия
во всех реакциях пиролиза(1,2,3), поэтому мы можем сделать вывод, что давление благоприятно влияет на возможность протекания прямой реакции. По принципу Ле-Шателье:

В 4 реакции понижение общего давления благоприятно сказывается на возможности протекания прямой реакции, т.к. количество моль газообразных веществ в левой части больше, чем в правой части.

В 5 реакции повышение общего давления благоприятно сказывается на возможности протекания прямой реакции, т.к. количество моль газообразных веществ в правой части больше, чем в левой части.



3.1.3 Вывод термодинамического анализа

Для смещения равновесия в сторону образования продуктов реакций 1,2,3 нам следует:

Повышать температуру выше температуры инверсии, т.к. повышение температуры способствует понижению энергии Гиббса и благоприятно сказывается на протекании процесса в прямом направлении.

Следует повышать общее давление реакционной смеси. При повышении давления константа равновесия будет возрастать и следовательно реакция будет смещаться в сторону образования продуктов.

Следует увеличивать количество исходных веществ в реакционной смеси и удалять продукты реакции.

3.2 Кинетический анализ

Процесс пиролиза метана относится к гетерогенным процессам. В нашем процессе лимитирующей стадией является образование зародышевых частиц углерода.

Кинетическое уравнение для нашего процесса будет иметь следующий вид:

(1.8)

где WА - скорость реакции,

S - удельная поверхность сажевых частиц в момент времени t;

г - удельный вес смеси;

, n - константа скорости и порядок реакции торможения водородом;

-концентрация углеводорода в реакция пиролиза.[5]

Оценим влияние различных факторов для нашего процесса:

3.2.1 Влияние температуры:

Для оценки влияния температуры на скорость процесса используем значения энергии активации. Предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениуса в реакциях пиролиза одинаков и равняется А . Значения энергии активации принимает следующие значения:

Для пиролиза метана

Для пиролиза этана

Для пиролиза пропана

Теперь мы можем по уравнению Аррениуса оценить влияние температуры на константу скорости

, (1.9)

А- предэкспоненциальный множитель;

R-универсальная газовая постоянная [;

Т-температура, [K]

Таблица 3.8 «Влияние температуры на константу скорости»

T	1	2	3
298	152665,2	1719817	43431515
300	177493,2	1967489	48627986
500	1,41	5,98E	4,09
700	6,62	1,86	7,34
900	5,62	1,25	3,65
1100	2,19	4,22	1,01
1300	5,62	9,79	2,05
1373	7,4	1,25	2,52
1400	8,14	1,36	2,71

3.2.2Влияние давления:

В кинетическом уравнении мы можем заменить концентрацию углеводорода [A] парциальным давлением углеводорода :

(1.10)

В таком случае, увеличение общего давления в системе будет благоприятно влиять на скорость протекания пиролиза.

Влияние удельной поверхности сажевых частиц:

По кинетическому уравнению увеличение удельной поверхности сажевых частиц способствует уменьшению площади сажевых частиц и сокращает время пребывания частиц в печи, что благоприятно сказывается на скорости реакции.

3.2.4 Выводы кинетического анализа:

Ключевое влияние на процесс оказывает температура. С увеличением температуры скорость реакции возрастает.

Для ускорения реакции следует повышать общее давление системы.

Для повышения скорости реакции нам следует увеличивать концентрацию исходных реагентов, и понижать концентрацию конечных продуктов.

Повышение удельной поверхности сажевых частиц способствует увеличению скорости реакций пиролиза.

3.3 Оптимальные параметры технологического процесса

Для проведения процесса нужно поддерживать высокую температуру, т.к. при температурах ниже 930К, термодинамическая вероятность и скорость процесса пиролиза снижаются. Оптимальной температурой для протекания процесса является Т=1373К, т.к. при более высокой температуре уменьшается выход продукта.

Давление следует повышать, т.к. повышение давления увеличивает вероятность протекания реакций в прямом направлении, а также увеличивает скорость протекания процесса.

Нам следует постоянно увеличивать количество подаваемого углеводорода(исходного реагента) и отводить водород с сажей(продукты реакции) для увеличения выхода продукта и увеличения скорости реакции.

Для увеличения удельной поверхности сажи нам следует сокращать время пребывания сажевых частиц в печи. Это способствует увеличению скорости протекания процесса.



4. Синтез и анализ ХТС (химическая, структурная, операторная, технологическая схемы)

4.1 Химическая схема

Основные реакции:

Побочные реакции:



4.2 Структурная схема

Рис 4.1 «Структурная схема»

1 - пиролиз природного газа; 2 - охлаждение сажи водой; 3 - отделение сажи от газов; 4-гранулирование сажи.

4.3 Технологическая схема.

Рис 4.2 «Технологическая схема»

1-печь; 2-воздуходувка; 3-трубопровод саже-газовой смеси; 4-холодильник; 5- электрофильтр; 6-шнек; 7-элеватор; 8- сепаратор для отвеивания сажи; 9-барабан для гранулирования.

Очищенный от механических примесей, воды, нефти и сероводорода природный газ поступает в печь / (реактор), куда воздуходувкой 2 подают воздух. Сажа вместе с газами, образовавшимися при горении, по трубопроводу 3, называемому «активатором», направляется в холодильник 4, где саже-газовая смесь охлаждается в результате испарения воды, впрыскиваемой форсунками. Из холодильника сажа и газы поступают в электрофильтр 5 для выделения сажи. Затем сажа шнеком 6 и элеватором 7 направляется в сепаратор 8 цеха обработки, где из нее удаляются посторонние включения, и далее на гранулирование в барабан 9.[2]

4.4 Операторная схема

Рис 4.3 «Операторная схема»

1 - оператор смешения природного газа и воздуха; 2 - оператор химического превращения (пиролиз); 3 - оператор смешения продуктов реакции и воды; 4 - оператор изменения агрегатного состояния воды (жидкость-пар), охлаждающей смесь продуктов; 5 - оператор разделения продукции на два потока.

Природный газ смешивается с воздухом в операторе 1, и затем поступает воператор химического превращения 2, где происходит процесс пиролиза метана. Полученные продукты реакции смешиваются в операторе 3 с водой, поступающей на охлаждении саже-газовой смеси. В результате охлаждения продуктов реакции вода изменяет своё агрегатное состояние в операторе 4. Полученные охлажденные продукты выводятся из производства, предварительно разделившись в операторе 5



5. Выбор и обоснование конструкции основного аппарата

Рис. 5.1 «Эскиз основного аппарата»

1-канал сырьевой форсунки; 2-камера реакции;3-стальной кожух; 4- боров;5-огнеупорный кирпич; 6-подвижная платформа; 7-неподвижная платформа; 8- изоляционный кирпич

Печные сажи из природного газа вырабатывают в цилиндрических горизонтальных реакторах, футерованных огнеупорным кирпичом. В камере горения создаются вращающиеся потоки горящего при недостатке воздуха природного газа. Полученные в процессе сажа и газообразные продукты через сужениепереходит в боров 4, откуда подается в установки охлаждения и улавливания.Корпус реактора металлический. Реактор футеруют несколькими слоями огнеупорного кирпича и облицовывают легковесным изоляционным кирпичом. Сама печь установлена на подвижной платформе 6, для простоты очистки печи и ремонта, т.к. печь будет проще убрать от технологического процесса и направить на очистку, либо ремонт. Сажегазовый трубопровод устанавливается и крепится к неподвижной платформе, для предотвращения изгибов канала.

Вывод:оптимальный аппарат для процесса пиролиза - печь, изображенная на рисунке5.1. Она способна выдерживать высокие температуры. Соотношение размеров отдельных его частей оптимально для процесса сажеобразования и предусматривает особенности процесса. Кроме того данная конструкция упрощает процесс чистки печи и ремонта.



6.Расчет материального и энергетического балансов

Для балансовых расчетов, количество вносимого в систему этана и пропана прибавим к объёму метана, т.к. их количество очень мало.

Основное уравнение реакции:

(6.1)

Побочные реакции:

(6.2)

(6.3)

(6.4)

Для расчета было взято приход природного газа =1000 и воздуха = 5400.

Все расчеты предоставлены в документе «Microsoftexcel».

6.1 Расчет материального баланса

Таблица 6.1 «Значения полученные в МБ»

Компоненты	Состав, %мольн	Приход, нм3	Приход, моль/ч	Выход из реактора, моль/ч	Состав на выходе, %мольн	Состав на выходе газа, нм3/ч	Состав на выходе сухого газа, % мольн
CH4	15,43%	987,8	44098,214	2204,910714	0,6%	49,39	0,82%
C	0,00%	0	0	19403,21429	5,5%		0,00%
H2	0,00%	0	0	36656,64063	10,5%	821,10875	13,67%
CO	0,00%	0	0	22490,08929	6,4%	503,778	8,39%
CO2	0,02%	1,2	53,571429	15796,63393	4,5%	353,8446	5,89%
O2	17,72%	1134	50625	88,44642857	0,0%	1,9812	0,03%
H2O	0,00%	0	0	62839,95536	17,9%	1407,615	0,00%
Инерты	66,83%	4277	190937,50	190937,50	54,5%	4277	71,20%
Итого	100,00%	6400	285714,29	350417,3906	100,0%	7414,71755	100,00%

Коэфицент увеличения составил 1,158549617.

Таблица 6.2 «Степени превращения веществ, полученные в ходе расчета МБ»

Реакция	Вещество	Степень превращения
1		0,44
2		0,51
3	CO	0,7
4		0,75

Таблица 6.3 «Балансовые расчеты»

Пошло CH4 в хим.Реакцию 1 , моль/ч=	19403,214
По 1 реакции образовалось:
С, моль=	19403,214	<=1 моль на 1 моль израсходованного Ch4
H2, моль/ч=	38806,429	<=2 моли на 1 моль израсходованного Ch4
Израсходовалось СH4 вo 2 реакции, моль/ч=	22490,089	<= от всего, что было и пришло по 1 реакции
По 2 реакции израсходовалось:
O2, моль/ч=	11245,045	<=1/2 моль на 1 моль израсходованного СH4
По 2 реакции образовалось:
CO, моль/ч=	22490,089	<=1 моль на 1 моль израсходованного СH4
H2, моль/ч=	44980,179	<=2 моль на 1 моль израсходованного Сh4
Израсходовалось СO в 3 реакции, моль/ч=	15743,063	<= от всего, что было и пришло по 2 реакции
По 3 реакции израсходовалось:
O2, моль/ч=	7871,5313	<=1/2 моль на 1 моль израсходованного СO
По 3 реакции образовалось:
CO2, моль/ч=	15743,063	<=1 моль на 1 моль израсходованного СO
Пошло H2 в хим. реакцию 4, моль/ч=	62839,955
По 4 реакции израсходовалось:
O2, моль/ч=	31419,978	<=1/2 моль на 1 моль израсходованного H2
По 4 реакции образовалось:
H2O, моль=	62839,955	<=1 моль на 1 моль израсходованного H2

Таблица 6.4 «Балансовые расчеты по массе»

Вещество	Приход, кг/ч	Выход, кг/ч
CH4	839,63	41,98
C	0,00	232,84
H2	0,00	73,31
CO	0,00	554,16
CO2	1,50	442,31
O2	1620,00	2,83
H2O	0,00	1113,70
Инерты	5346,25	5346,25
	7807,38	7807,38
	Дебаланс, кг/ч=	0,000

В ходе технологического процесса из 1000 сырья образуется 232,84 сажи. Расчетный коэффициент получился равным

Вывод: Большая часть природного газа идет на горение, поэтому выход сажи незначительный и на 1 т сажи требуется 3606,06 кг природного газа.

6.2 Расчет теплового баланса

Расчет теплового баланса ведется по формуле

(6.5)

6.2.1 Расчет физической теплоты с входящим потоком.

Расчет ведется по формуле:

(6.6)

- изобарная теплоемкость потока газа на входе, Дж/(моль*К)

-температура входящего потока, гр.К

Расчет изобарной теплоемкости потока газа для температуры входящего потока (Твх) рассчитывается по правилу аддитивности.

Температура на входе Твх=298 К.

Таблица 6.5 «Расчет теплоемкости на входе»

Компоненты	Состав, %мольн	Приход, моль/ч	Выход из реактора, моль/ч	Состав на выходе, %мольн	Cp 298
CH4	0,1543438	44098,21429	2204,910714	0,006292241	35,02083
C	0	0	19403,21429	0,055371722	8,664776
H2	0	0	36656,64063	0,104608509	28,81452
CO	0	0	6747,026786	0,064180859	29,11381
CO2	0,0001875	53,57142857	15796,63393	0,045079481	37,21724
O2	0,1771875	50625	88,44642857	0,000252403	28,22492
H2O	0	0	62839,95536	0,179328872	33,563
Инерты	0,6682813	190937,5	190937,5	0,544885914	29,15246
Итого	1	285714,2857	350417,3906	1

Физическая теплота с входящим потоком получилась равной 2,372 кВт.

6.2.2 Теплота химических реакций.

Расчет теплоты химических реакций ведется по формуле:

(6.7)

, Дж/моль

n- количество ключевого компонента пошедшего в реакцию, моль/сек

Таблица 6.6 «Расчет теплоты химических реакций»

Реакция	,КДж/моль	, кВт
1	-141,825	-764,4058
2	-18,199	-113,6936
3	281,693	1231,864
4	250,176	4366,958

Теплота химических реакций получилась равной 4720,723 кВт.

6.2.3 Теплота потерь.

Потери тепла составляют 4% и рассчитываются по формуле:

(6.8)

6.2.4 Расчет температуры выходного потока.

Расчет температуры выходного потока производится исходя рассчитанной величины:

(6.9)

При помощи функции подбора решений в «Microsoftexcel» с учетом правила аддитивности и зависимостью от температуры была рассчитана температура выхода=1341,52 К.

Таблица 6.7 «Тепловой баланс»

Qвх, кВт	Qпотерь, кВт	Q, x.p., кВт	Qвых, кВт
2,372648298	188,92381	4720,722549	4534,171389

Вывод:Процесс происходящий в печи автономен и не требует подвода дополнительного тепла. Основная часть тепла выделяется при горении метана, окислении оксида углерода и при образовании воды. Теплота на входе очень мала. Всей выделенной теплоты хватает на реакцию пиролиза.

6.3 Пути использования вторичных энергоресурсов

В ходе технологического процесса в отходящем газе присутствуют метан и водород, которые в дальнейшем можно использовать, как топливо для подогрева.



7. Экологическая оценка производства, отходы производства,их утилизация, ПДК

Так как отходящие газы сажевых производств содержат горючие вещества (окись углерода, водород, метан), более целесообразно вместо постройки высоких дымовых труб сжигать газы. При сжигании сероводорода получается значительно менее вредный газ -- двуокись серы, которую можно выбрасывать в атмосферу через обычные дымовые трубы высотой 40-60 м. Отходящие газы сажевого производства сжигают в «свечах», специальных дожигательных установках и под паровыми котлами.

«Свеча» для сжигания газов. Наиболее простым сооружением для сжигания отходящих газов является так называемая свеча, представляющая собой металлическую трубу диаметром 1,2 м и высотой 40 м с расположенными в верхней части горелками для сжигания газов с низкой теплотворной способностью. Газы подводятся к нижней части свечи, проходят к горелкам и там сжигаются.

Устойчивое горение газов будет достигнуто, если они первоначально будут зажигаться в горелках с помощью газа, имеющего высокую теплотворную способность, например природного газа, который подводят к горелкам по отдельной трубе. Если к сажевому заводу не подведён природный газ, то при розжиге свечи к этому трубопроводу присоединяют баллон с сжиженным пропаном или бутаном.

Для устойчивого горения газов в свече необходимо, чтобы теплотворная способность их была не менее 650 ккал/м3 (при нормальных условиях). Поэтому до направления в свечу газы пропускают через скруббер или пенный уловитель, чтобы сконденсировать большую часть содержащихся в них паров воды.

Дожигательная установка. Вместо сжигания в свече отходящие газы можно сжигать в специальных горизонтальных топках, оборудованных горелками беспламенного сжигания газов. Необходимый для горения воздух подают дутьевым вентилятором, преимуществом такого способа сжигания является возможность использования для первоначального зажигания газов не только горючих газов с высокой теплотворной способностью, но и жидкого топлива. Для сжигания отходящих газов в дожигательных топках не требуется предварительного отделения их от паров воды, чтобы повысить теплотворную способность. При подаче в горелку небольшого количества газов с высокой теплотворной способностью или сжигании в топке некоторого количества жидкого топлива в дожигательных топках устойчиво горят отходящие газы с теплотворной способностью 400-450 ккал/м3, содержащие до 40 объемн. % водяного пара.

Продукты сгорания отходящих газов разбавляют для охлаждения воздухом и выбрасывают в атмосферу через дымовую трубу дожигательной установки.

Сжигание отходящих газов под паровыми котлами. Отходящие газы сажевого производства имеют теплотворную способность 650-800 ккал/м3 (при малом содержании водяных паров) и 400-450 ккал/м3 (при содержании паров воды 40 объемн. %). Такие газы можно сжигать под паровыми котлами в качестве топлива и, следовательно, получать пар, используя химическое тепло отходящих газов производства. В сажевой промышленности используется несколько вариантов утилизации отходящих газов для выработки пара. Наиболее простой из них - сжигание газов в собственной котельной и в топках сушилок в установках мокрого гранулирования сажи.

Если вблизи сажевого производства (на расстоянии до 3 км) находятся другие потребители пара, то на сажевом заводе строят котельную, обеспечивающую паром этих потребителей.

Котельную следует располагать как можно ближе к установкам для производства сажи, так как передача отходящих газов на расстояние более 300 м связана со значительными затратами электроэнергии. Кроме того, в газопроводах возможна конденсация паров воды, что также вызывает трудности при эксплуатации газопровода.

Отходящие газы с теплотворной способностью 650-800 ккал/м3 сжигают в паровых котлах общего назначения в горелках беспламенного сжигания газов. Для сжигания влажных отходящих газов имеются специальные паровые котлы, которые помещают в непосредственной близости к установкам по получению сажи.[4]

Особенно важно исключить проникновение в рабочие помещения ядовитых и взрывоопасных веществ. В воздухе рабочей зоны содержание «вредных газов и паров не должно превышать следующие нормы (в мг/л), приведенные в таблице:

Таблица 7.1 «ПДК вредных веществ в производственной зоне»

Вещество	г/м3
Окись углерода	0,02
Окислы азота (в пересчете на N2O5)	0,005
Пары жидкого и твердого сырья	0,3

Вывод:

Во время производства нужно соблюдать правила пожарной безопасности, т.к. производство сажи происходит при больших температурах, используется газ и вероятность взрыва очень высока.

Нужно тщательно очищать сырье и отходящие газы в соответствии с ПДК от различных вредных примесей.

Следует выдавать рабочим респираторы, т.к. возможно отравление газом и мелкодисперсной сажей.

Заключение

Производство сажи пиролизом метана из природного газа до недавнего времени являлся единственным способом получения сажи.

Сажа добываемая, рассмотренным в курсовой работе, способом отлично подходит для шинно-резиновой промышленности, т.к. она обеспечивает хорошее относительное удлинение(800%) по сравнению с другими видами саж.

Выбранный технологический режим в данной работе, позволяет обеспечить производство сажи без подвода тепла, вся затрачиваемая энергия на пиролиз выделяется в ходе протекания побочных реакций.

Данная технология не является экологически безопасной, т.к. мелкодисперсная сажа может вызвать отравление органов дыхания, но при выполнении всех мер предосторожности и соблюдении технологического режима можно достичь нормальной экологичности производства.



Список литературы

И.Г. Борозняк Производство сажи. Москва. ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ» -1975

Зуев В.П., Михайлов В.В. Производство сажи. Москва, изд-во "Химия". 1965

Фримантл М. Химия в действии. В 2-х ч. Ч. 2: Пер. с англ. -- М.: Мир, 1998 - 620 с.

Седьмое издание: «Краткий справочникфизико-химическихвеличин» под редакцией К.П.Мищенко и А.А. Равделя, Л.: Химия, 1974 г. - 200 стр.

Э.И. Молодых, В.И. Булгаков, Н.Н.Васильева. К кинетике выделения сажи УДК 541.1.124/128 - 2012

Размещено на Allbest.ru

...