Размещено на http://www.allbest.ru/

Инженерная школа природных ресурсов

Отделение химической инженерии

18.03.01 Химическая технология

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Проект реактора окисления этилена

по дисциплине: Основы проектирования оборудования нефтегазопереработки и нефтегазохимии

Исполнитель:

студент группы З-2Д8А Валетова А.Н.

Руководитель:

доцент ОХИ Волгина Т.Н.



Оглавление

• ацетальдегид химический аппарат сырье
• Введение
• 1. Теоретическая часть
• 1.1 Физико-химические основы процесса получения
• 1.2 Выбор конструкции основного аппарата
• 2. Характеристика продукта, исходного сырья и материалов
• 3. Расчетная часть
• 3.1 Материальный расчет основного аппарата
• 3.2 Технологический расчет
• 3.2.1 Технологический расчет аппарата РТ1
• 3.3 Тепловой расчет аппарата
• 3.3.1 Тепловой расчет реактора РТ1
• 3.4 Механический расчет
• Заключение
• Приложение А Спецификация основного аппарата


Введение

В промышленной сфере ацетальдегид, занимает ведущее место в числе альдегидов, что обусловлено его существенной актуальностью в качестве переходного продукта органического синтеза.

По итогу окислительного процесса ацетальдегида на выходе получаем целый ряд веществ, таких как уксусный ангидрид, уксусную кислоту, надуксусную кислоту. При проведении реакции с различными кислотами, к примеру синильной и последующими затем реакции преобразования циангидрина, образуется ряд веществ: молочная кислота, эфиры акриловой кислоты, акрилонитрид. Также существуют другие методы переработки ацетальдегида - реакция альдольной конденсации, при котором получают кротоновый альдегид, пентаэритрит, бутандиола-1,3 и т.д.

В химической промышленности ацетальдегид извлекают:

- при каталитическом прямом окислении этилена;

- парофазной гидратацией при наличии кадмий-кальций-фосфатных катализаторов и жидкофазной гидратацией ацетилена при наличии ртутьсодержащих катализаторов;

- посредством окисления насыщенных легких углеводородов С₃ - С₄;

- при окислительном каталитическом дегидрировании этанола;

Наиболее популярным из комплекса технологий получения ацетальдегида стал процесс прямого окисления этилена при PdCl₂.



1. Теоретическая часть

1.1 Физико-химические основы процесса получения

Ацетальдегид активно применяется в нефтехимической промышленной сфере в виде полупродукта: из данного вещества извлекают уксусную кислоту, уксусный ангидрид, этилацетат, бутанол и 2-этилгексанол, на долю которых приходится 95 % выпускаемого ацетальдегида. Тем не менее, в последнее время заметна динамика изменения структуры потребления. Подобная динамика со временем будет только развиваться, поскольку значительную долю бутанола и 2-этилгексанола будут извлекать на основе оксосинтеза, в тоже время уксусную кислоту в основном за счёт карбонилирования метанола и подобными технологиями [1].

Ключевые преобразования на базе ацетальдегида представлены на рисунке 1.

С недавних пор широкое применение получил метод получения ацетальдегида из этилена. Получение ацетальдегида при реакции этилена с водным раствором хлорида палладия (PdCl₂) в первый раз было изложено еще в 1894 г. [2]. При реакции палладиевого комплекса с водой проходит окисление активированного олефина с формированием ацетальдегида и выделением Pd и НС1. Постоянный процесс синтеза ацетальдегида, при котором восстановление до металлического Pd комбинируется с постоянным его окислением кислородом воздуха, был описан в 1959 г. Я.К. Сыркиным, И. И. Моисеевым и М.Н. Варгафтиком [3,4].



Рисунок 1 Синтезы на основе ацетальдегида

Существует два типа протекания данного процесса: в одну стадию (в одном аппарате осуществляется как окисление этилена, так и образующегося палладия); в две стадии: окисление/карбонилирование олефина посредством стадии формирования активного комплекса и восстановление Pd происходит в одном аппарате, а окислительный процесс металлического Pd - во втором:

CH₂=CH₂+PdCl₂+H₂O>CH₃CHO+Pd+2HCl Pd+2HCl+0.5O₂>PdCl₂+H₂O

В одностадийном типе условия синтеза и относительные доли реагентов должны соответствовать следующим требованиям - скорости окисления этилена и Pd были идентичными (или последняя выше). На ряду с этим, скорость второй реакции существенно меньше, чем первой, следовательно, активность катализатора в одностадийном типе быстро стремительно снижается [5].

В целях увеличения скорости окисления Pd были рекомендованы промоторы, что является ключевым результатом в производственной имплементации данного процесса - соли меди или железа в среде хлороводородной кислоты, выступающие как переносчики кислорода, которые окисляя палладий, медь или железо регенерируются по следующим реакциям:

Pd+2HCl+0.5O₂>PdCl₂+H₂O

CuCl₂+2HCl+0.5O₂>2CuCl₂+H₂O

Pd+2FeCl>??₂??PdCl₂ +2FeCl

2FeCl₂+2HCl+0.5O₂>2FeCl₃+H₂O

Соли Cu₂Cl₂ и FeCl₂ легко подвержены окислению кислородом воздуха, к тому же металл преобразовывается в свое начальное высшее валентное состояние. Исходя из этого, комбинирование указанных выше процессов формирует условия для реализации в индустриальном диапазоне синтеза ацетальдегида посредством прямого окисления этилена молекулярным кислородом [6].

Впрочем, в случае протекания реакции одном аппарате, в целях предотвращения разжижения непрореагировавшего этилена окисление нужно производить чистым кислородом. Излишек этилена применяется для скорейшего вывода ацетальдегида из реакции, также и в целях формирования пропорции компонентов не во взрывоопасных концентрациях.

При двухстадийном процессе, то есть когда процесс синтеза ацетальдегида и окисления Pd протекают в одном аппарате, а окислительный процесс Сu₂Сl₂ или FeCl₂ - во втором, применим кислород воздуха, поскольку вводы этилена и воздуха отдельные. Структура метода, который был предложен И. И. Моисеевым, М.Н. Варгафтиком и др., учитывает переходное формирование палладиевого комплекса и определяется моделью на рисунке 2.

Рисунок 2 Механизм процесса, предложенный И. И. Моисеевым, М.Н. Варгафтиком с промежуточным образованием палладиевого комплекса [7]

Окислительный процесс в любом случае происходит путем наименьшего гидрогенизированного атома углерода у двойной связи, в результате которого лишь из этилена получается ацетальдегид, тогда как из остальных непредельных углеводородов - кетоны. Реакционная способность олефинов в настоящем процессе варьируется в порядке, типичной для катализа комплексами металлов [8]:

СН₂=СН₂>СН₂-СН=СН₂>СH₃-СН₂-СН = СН₂

1,00 0,33 0,25

Совокупный процесс получения ацетальдегида дополняется образованием существенного количества тепла:

СН₂ - СН₂ +0,5O₂>СН₃СНО, ?Н =-221,5 кДж/моль

Скорость отдельно взятых реакций и, таким образом, скорость синтеза сопутствующих продуктов взаимосвязана с условиями протекания реакций. На скорость совокупности реакций, избирательность процесса и образование ацетальдегида значительное влияние оказывает структура катализаторного раствора (содержание PdCl₂; CuCl₂ и FeCl₂), кислотность среды, давление, температура, пропорции этилена и окисляющего агента.

Необходимо чтобы пропорция совокупного содержания металлов окислительно-восстановительной системы (Си, Fe или смеси) и Pd были больше 15:1. В практической реализации применяется пропорция (25:1)-(50:1). Подобный профицит меди или железа объясняется высокой стоимостью Pd.

Преобразование олефина взаимосвязано с мольной пропорцией меди (железа) и галогена в катализаторе; соотношение сохраняется в маленьком интервале (1:1,4-1:1,8). Следовательно, вводимый во время реакции галоген в форме хлорида или этилхлорида, надлежит точному дозированию, поскольку если пропорция будет меньше, чем 1:1, уменьшается преобразование этилена, а в пропорциях 1:2 и выше процесс притормаживает. При таких случаях вводят ацетат меди [8].

Реакцию необходимо производить в кислой (рH=0,8-3,0) или нейтральной среде (рН=6,0-7,5), поскольку при увеличении кислотности из катализаторного раствора образуется хлорид меди (I), что вызывает уменьшение образования ацетальдегида и закупоривания отверстий газораспределительного аппарата. Растворимость хлорида Сu(I) повышается путем введения в катализаторный раствор муравьиной, уксусной, а наиболее эффективно - трихлоруксусной кислоты. Тем не менее, эти кислоты необходимо вводить в несущественных объёмах, в частности, уксусную кислоту, поскольку карбоновые кислоты формируют с Cu малоактивные соли. На ряду с этим, уксусная кислота растворяет продукты реакции, что вызывает формирование сопутствующих хлорированных продуктов.

Растворимость солей в водной среде имеет предел, по этой причине получаются разжиженные растворы катализатора, приводящий к незначительной удельной эффективности. Исходя из этого, целесообразнее использовать катализатор, который находится в форме суспензии в воде или в разжиженной уксусной кислоте (шламовый катализатор). Использование такого катализатора даёт возможность комбинировать высокую концентрацию катализатора с существенным отводом тепла; формировать устойчивою пену, со своей стороны приводящий к качественному диспергированию газа [9,10].

Процедура непосредственного окисления этилена в ацетальдегид допускается проводить с применением жидкого катализаторного раствора (гомогенно-каталитический процесс) или твердого катализатора (гетерогенно-каталитический процесс). В ходе гомогенного процесса качественные продукты синтезируются при использовании водного раствора, который содержит 0,3-0,5 %, PdCl₂ 12-33 % СиС1₂*Н₂О, 2- 3 % Си(СН₃СОО)₂ Н₂O. В некоторых случаях допускается добавление незначительной дозы уксусной кислоты.

Гетерогенный процесс допускается производить в присутствии катализатора, являющийся смесью хлоридов Pd и Си на носителе (оксид алюминия, силикагель, пемза, активированный уголь), к примеру, допустимо применить катализатор такого состава: 2 % PdCl₂ и 10 % CuCl₂ нанесенные на активированный уголь. Данную процедуру также допускается проводить в присутствии катализатора со статичным слоем (в трубчатом аппарате и в колонном аппарате с катализатором на полках), также и при наличии катализатора в псевдоожиженной фазе. Эта технология сопровождается сложностями отвода тепла, выделяющегося в ходе реакции, тем не менее, они устранимы. А именно, одним из методов отвода тепла может послужить ввод водного конденсата между слоями катализатора, с его последующим испарением. С другой стороны, данная методика создаёт альтернативную сложность - очистка загрязненной воды. По этой причине целесообразнее выводить тепло в стандартном трубчатом устройстве, который параллельно выполняет функцию котла-утилизатора [11,12].

Ключевая разница между двумя вышеописанными технологиями, заключается в том, что преобразование этилена за один цикл при двухстадийном методе почти достигает 100 % и, как следствие, нет необходимости проведения дополнительных циклов; к тому же двухстадийном варианте допускается применение менее чистого этилена, чем в одностадийном. Однако, в первом случае условия технике безопасности более мягкие и двухстадийный способ требует существенных финансовых затрат.

Таким образом, сравнив показатели двух технологических схем, можно сделать вывод о том, что однореакторная схема обладает существенными преимуществами перед двухреакторным вариантом и в отношении капитальных вложений, и по себестоимости ацетальдегида.

1.2 Выбор конструкции основного аппарата

Степень эффективности технологического процесса тесно связан с актуальностью выбора реактора и его достоинств [13].

Самым популярным типом конструкции является змеевиковый реактор, (рисунок 3) состоящий из ряда вертикальных труб, последовательно соединенных калачами. В нижней части трубы установлен газожидкостный смеситель. Последняя труба соединяется с сепаратором, где осуществляется отделение газа от жидкости [14].



Рисунок 3 Реактор змеевикового типа

Относительная лёгкость дизайна барботажных колонн (рисунок 4) даёт возможность разрабатывать их на промышленные объемы, также позволяет монтаж антикоррозионной футеровки и обеспечивает высокую надежность в использовании. Для барботажной колонны характерна неорганизованное и низкое обращение жидкости, исходя из этого при исследовании гидродинамики этого аппарата, как правило, принимают за фактор то, что газ барботирует через жидкость, которая не имеет конкретного направления движения. Низкая циркуляция не даёт перерабатывать в таком реакторе гетерогенные жидкости (суспензии, эмульсии), состоящие из нескольких фаз со значительными отличиями в плотности [15].



Рисунок 4 Реактор барботажный колонный

Газлифтный реактор, представленный на рисунке 5, имеет конструкционные отличия от типичных барботажных колонн, и состоит из корпуса 1, в который встроена одна или несколько барботажных труб 2, в которые посредством газораспределителя 3 вводится газ. При введении газа в аппарат, наполненный жидкостью, в барботажных трубах формируется газожидкостный раствор, чья плотность меньше плотности гомогенной жидкости в межтрубном пространстве, благодаря этому в реакторе появляется циркуляция жидкости с восходящим потоком.

Рисунок 5 Реактор барботажный газлифтный

Таким образом, из базовых видов реакторов, которые применяются в синтезе ацетальдегида, и принимая во внимание легкость реализации, высокую надежность в процессе и значительный потенциал многотоннажного производства, нами было выбрано реактор змеевикового типа.



2. Характеристика продукта, исходного сырья и материалов

Характеристика целевого (готового) продукта.

Характеристика ацетилена по ГОСТ 5457-75 [17] приведена в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика марок ацетилена по ГОСТ 5457-75

Наименование показателя	Норма для ацетилена
	растворенного	газообразного ОКП 2411220800
	марки А	марки Б
	ОКП 2411220100	первого сорта ОКП 2411220230	второго сорта ОКП 2411220240
1. Объемная доля ацетилена, %, не менее	99,5	99,1	98,8	98,5
2. Объемная доля воздуха и других малорастворимых в воде газов, %, не более	0,5	0,8	1,0	1,4
3. Объемная доля фосфористого водорода, %, не более	0,005	0,02	0,05	0,08
4. Объемная доля сероводорода, %, не более	0,002	0,005	0,05	0,05
5. Массовая концентрация водяных паров при температуре 20°С и давлении 101,3 кПа (760 мм рт.ст.), г/м3, не более	0,4	0,5	0,6	Не нормируется
что соответствует температуре насыщения, °С, не выше	Минус 26	Минус 24	Минус 22



Таблица 2

Характеристика готового ацетальдегида

Молярная масса	44,0526 ± 0,0022 г/моль
Плотность	0,784 г/смі
Динамическая вязкость	~0,215 при 20 °C
Температура - плавления - кипения - вспышки - воспламенения - самовоспламенения	?123,37 °C 20,2 °C ?36 ± 1 °F 234,15 K (?39 °C) °C 458,15 K (185 °C) °C

Таблица 3

Физические свойства реагентов и продуктов реакции

Вещество	Фазовое состояние	Плотность, кг/м3	Ткип /Тпл, °С	Примечание
Ацетальдегид	жидкость	773	20,8 / -123,5	Токсичен, ПДК составляет 5 мг/м3. Неограниченно растворим в воде.
Этилен	газ	1,26	-103,7/-169,15
Кислород	газ	1,43	-182,98/-218,7



3. Расчетная часть

3.1 Материальный расчет основного аппарата

Процесс окисления ацетальдегида в ацетилен протекает согласно следующему уравнению химической реакции:

СН₂ = СН₂ + 0,5О₂> СН₃СНО

Исходные данные:

Годовая производительность установки по ацетальдегиду 92 000т;

Годовой фонд рабочего времени 8000 ч;

Состав технического этилена, [ц_i(x_i),%]:

- этилен - 99,90;

- этан - 0,10;

- степень конверсии этилена 0,98.

Доля этилена, расходуемого на образование продуктов окисления, [ц_i(x_i), %]:

- ацетальдегид - 93;

- уксусная кислота - 1;

- диоксид углерода - 2,5;

- щавелевая кислота - 0,6;

- кротоновый альдегид - 0,3;

- высокомолекулярные и полимерные продукты - 0,9;

- этилхлорид - 0,08;

- монохлорацетальдегид - 1,03;

- дихлормеацетальдегид - 0,3;

- трихлорацетальдегид - 0,15;

- трихлорметан - 0,07;

- дихлорметан - 0,07.

Потери, (%):

- ацетальдегида на стадии ректификации - 2,0;

- этилена на стадии синтеза - 2,1;

Объемная доля кислорода в отработанном воздухе - 0,04.

В расчетах используем схему потоков стадии синтеза (рисунок 6).

Рисунок 6 Схема потоков стадии синтеза ацетальдегида: 1, 16 - этилен, 2, 13, 15 - окисленный катализаторный раствор, 3 - газожидкостная смесь, 4, 5 - продукты реакции, 6 - кубовая жидкость со стадии ректификации, 7 - ацетальдегид-сырец, 8 - катализаторный раствор на окисление, 9 - воздух, 10 - конденсат, 11 - активированный катализаторный раствор, 12 - катализаторно-воздушная смесь, 14 - отработанный воздух. РТ1, РТ2 - реакторы, КЛ1 - отпарная колонна, С1 - сепаратор

Часовая производительность установки по ацетальдегиду:

Пч= (Пгод/ Тэф) •1000 (1)

где Пгод - производительность в год, кг/ч;

Тэф - время эффективное, ч;

Пч = 11500 кг/ч или 11500/44 = 261,363 кмоль/ч.

С учетом 2 % потерь на стадии ректификации необходимо получить ацетальдегида на стадии синтеза:

П Пч 100/(100-) (2)

П= 261,363•100/(100-2) = 266,70 кмоль/ч или 11479,5 кг/ч.

Расходуется этилена на получение ацетальдегила:

П_{1 4 э} П^п_ч/ц (3)

П_{1 4 э}=266,70/0,93 = 286,77 кмоль/ч.

Расходуется этилена с учетом степени конверсии:

286,77/0,98 = 292,62 кмоль/ч.

Содержание этилена в продуктах реакции:

292,62 -286,77 = 5,85 кмоль/ч.

Расходуется этилена с учетом потерь на стадии синтеза:

292,62•100/(100,0 - 2,1) =298,89 кмоль/ч или

298,90•28 = 8187,3 кг/ч.

Потери этилена (поток 16):

298,89 - 292,62 = 6,141 кмоль/ч или 171,9 кг/ч.

Расходуется технического этилена:

292,402/0,999 = 292,694 кмоль/ч.

Количество этана, содержащегося в техническом этилене:

292,402 - 292,694 = 0,292 кмоль/ч или 8,8 кг/ч.

Выполняем материальный расчет системы из двух реакторов (условно принимаем, что окисление этилена происходит воздухом и хлороводородом).

По основной реакции С₂Н₄ + 0,5О₂ > СН₃СНО

- расходуется:

этилена:

260,899 кмоль/ч или 7305,1 кг/ч;

кислорода:

0,5•260,899 = 130,45 кмоль/ч или 4174,38 кг/ч;

- образуется ацетальдегида: 260,899 кмоль/ч или 11479,5 кг/ч.

По реакции С₂Н₄ + О₂ > СН₃ ? СООН

- расходуется:

этилена: 0,01 • 280,537 = 2,805 кмоль/ч или 78,48 кг/ч;

кислорода: 2,805 кмоль/ч или 95,6 кг/ч.

- образуется: уксусной кислоты: 2,805 кмоль/ч или 168,3 кг/ч.

По реакции С₂Н₄ + 3О₂ > 2СО₂ + 2Н₂О

- расходуется: этилена:

0,025 • 280,537 = 7,013 кмоль/ч или 196,3 кг/ч;

кислорода: 3•7,013 = 21,039 кмоль/ч или 673,2 кг/ч.

- образуется:

диоксида углерода:

2•7,013 = 14,026 кмоль/ч или 617,0 кг/ч;

водяного пара:

14,026 кмоль/ч или 252,5 кг/ч.

По реакции С₂Н4 + 2,5О₂ > Н₂С₂О₄ + Н₂О

- расходуется: этилена:

0,006 • 280,537 = 1,683 кмоль/ч или 47,2 кг/ч;

кислорода: 2,5•1,683 = 4,208 кмоль/ч или 134,6 кг/ч.

- образуется:

щавелевой кислоты: 1,683 кмоль/ч или 151,56 кг/ч;

водяного пар: 1,683 кмоль/ч или 30,2 кг/ч.

По реакции 2С₂Н₄ + О₂ > СН₃ ? СН = СН ? СНО + Н₂О

- расходуется:

этилена:

0,003 • 280,537 = 0,842 кмоль/ч или 23,6 кг/ч;

кислорода: 0,5•0,842 = 0,421 кмоль/ч или 13,5 кг/ч.

- образуется:

кротонового альдегида:

0,421 кмоль/ч или 29,5 кг/ч;

водяного пара:

0,421 кмоль/ч или 7,5 кг/ч.

По реакции ??С₂Н₄ + 0,5??О₂ > [?C₂Н₄O?]??

- расходуется: этилена:

0,009 • 280,537 = 2,525 кмоль/ч или 70,7 кг/ч;

кислорода:

0,5•2,525 = 1,263 кмоль/ч или 40,5 кг/ч.

- образуется:

высокомолекулярных и полимерных продуктов (массовых расход определяем по сумме расходов этилена и кислорода):

2,525 кмоль/ч или 111,2 кг/ч.

По реакции С₂Н₄ + HCl > C₂H₅Cl

- расходуется:

этилена:

0,0008 • 280,537= 0,225 кмоль/ч или 6,3 кг/ч;

хлороводорода:

0,225 кмоль/ч или 8,1 кг/ч.

- образуется:

этилхлорида: 0,225 кмоль/ч или 14,5 кг/ч.

По реакции С₂Н₄ + О₂ + HCl > ClCН₂СНО + Н₂О

расходуется:

этилена:

0,0103 • 280,537 = 2,889 кмоль/ч или 80,8 кг/ч;

кислорода:

2,889 кмоль/ч или 92,5 кг/ч;

хлороводорода:

2,889 кмоль/ч или 105,5 кг/ч.

Образуется:

монохлорацетальдегида:

2,889 кмоль/ч или 226,6 кг/ч;

водяного пара:

2,889 кмоль/ч или 52,0 кг/ч.

По реакции С₂Н₄ + 1,5О₂ + 2HCl > СНCl₂ ? СНО + 2Н₂О

расходуется:

этилена:

0,003 • 280,537 = 0,842 кмоль/ч или 23,6 кг/ч;

кислорода:

1,5•0,842 =0,702 кмоль/ч или 40,5 кг/ч;

хлороводорода:

2•0,842 = 0,936 кмоль/ч или 59,8 кг/ч.

Образуется:

дихлорацетальдегида:

0,842 кмоль/ч или 95,2 кг/ч;

водяного пару: 1,684 кмоль/ч или 30,2 кг/ч.

По реакции С₂Н₄ + 2О₂ + 3HCl > СCl₃ ? СНО + 3Н₂О

расходуется:

20 этилена:

0,0015 • 280,537 = 0,421 кмоль/ч или 11,7 кг/ч;

кислорода: 2•0,421 =0,468 кмоль/ч или 26,8 кг/ч;

хлороводорода:

3•0,421 = 0,702 кмоль/ч или 46,1 кг/ч.

Образуется:

трихлорацетальдегида:

0,421 кмоль/ч или 62,1 кг/ч;

водяного пару:

1,263 кмоль/ч или 22,6 кг/ч.

По реакции С₂Н₄ + 2О₂ + 6HCl > 2СНCl₃ + 4Н₂О

расходуется:

этилена:

0,0007 • 280,537 = 0,196 кмоль/ч или 5,6 кг/ч;

кислорода:

2•0,196 = 0,392 кмоль/ч или 12,4 кг/ч;

хлороводорода:

6•0,196 = 1,177 кмоль/ч или 43,0 кг/ч.

Образуется:

трихлорметана:

0,392 кмоль/ч или 46,8 кг/ч;

водяного пару:

4•0,196 = 0,784 кмоль/ч или 14,0 кг/ч.

По реакции С₂Н₄ + О₂ + 4HCl > 2СН₂Cl₂ + 2Н₂О

расходуется:

этилена:

0,0007 • 280,537 = 0,196 кмоль/ч или 5,6 кг/ч;

кислорода: 0,196 кмоль/ч или 6,3 кг/ч;

хлороводорода: 4•0,196= 0,784 кмоль/ч или 28,6 кг/ч.

Образуется:

дихлорметана:

2•0,196 = 0,392 кмоль/ч или 33,3 кг/ч;

водяного пару:

0,392 кмоль/ч или 7,0 кг/ч.

Всего расходуется кислорода по реакциям:

130,450 + 2,804 + 21,038 + 4,208 + 0,421 + 1,264 + 2,889 + 1,264 + 0,842 + 0,392 + 0,196 = 165,769 кмоль/ч или 5304,6 кг/ч.

Всего расходуется хлороводорода:

0,225 + 2,889 + 1,685 + 1,264 + 1,178 + 0,785 = 8,024 кмоль/ч или 292,8 кг/ч.

Всего образуется водяного пара: 14,026 + 1,683 + 0,421 + 2,889 + 1,264 + 1,685 + 0,785 + 0,392 = 23,144 кмоль/ч или 416,5 кг/ч.

Расход воздуха на окисление находим из уравнения

209 • ???? ? ????² • (???? ? ????₂ ) = ????₂ (4)

где ???? ? расход воздуха,м³/ч;

0,209 - объемная доля кислорода в воздухе, доли ед.;

????² - объемная доля кислорода в отработанном воздухе, доли ед.;

????₂ - расход кислорода на окисление этилена, м³/ч.

Расход кислорода на окисление этилена:

????₂ = 165,769 • 22,4 = 3713,2 м³/ч.

Расход воздуха:

0,209 • ???? ? 0,04 • (???? ? 3713,2) = 3713,2 21 ???? = 22850,5 м³/ч.

Рассчитываем состав воздуха: кислород:

0,209•22850,5 = 4775,8 м³/ч или 213,203 кмоль/ч или 6822,5 кг/ч.

азот: 22850,5-4775,8 = 18074,7 м³/ч или 806,906 кмоль/ч или 22593,4 кг/ч.

Содержится кислорода в продуктах реакции:

213,203 - 165,769 = 47,434 кмоль/ч или 1517,9 кг/ч.

Количество отработанного воздуха (поток 2):

47,434+806,906 = 854,339 кмоль/ч или 24111,0 кг/ч.

Составляем таблицу 4 материального баланса стадии синтеза.

Так как в действительности в реакторе РТ1 окисление этилена осуществляется катализаторным раствором, допускаем, что расход последнего равен расходу кислорода и хлороводорода на образование продуктов реакции.

Определяем расход катализаторного раствора:

11479,5/6,0 = 1913,4 м³/ч,

где 11479,5 - производительность установки по ацетальдегиду, кг/ч;

6,0 - производительность катализаторного раствора по ацетальдегиду, кг/м³ катализаторного раствора. Принимаем, что плотность катализаторного раствора равна 1100 кг/м³, тогда его расход составит 1913,4•1100 = 2104574 кг/ч. Рассчитываем состав катализаторного раствора, который представлен в табл. 5.



Таблица 4

Материального баланса стадии синтеза

Приход	кг/ч	кмоль/ч	Расход	кг/ч	кмоль/ч
Этилен технический:			Продукты реакции: СН3СНО СН3СООН Н2С2О4 СН3СНСНСНО СН2СlCHO CHCl2CHO CCl3CHO CH3CH2Cl CH2Cl2 CHCl3 H2O С2Н4 полимеры С2Н6 O2 N2 CO2	11479,5 168,3 151,5 29,5 226,6 95,2 62,1 14,6 33,3 46,8 416,5 160,4 111,2 8,8 1517,9 22593,6 617,0	260,899 2,804 1,683 0,421 2,889 0,842 0,421 0,225 0,392 0,392 23,144 5,726 2,525 0,292 47,434 2731,837 14,026
С2Н4
С2Н6	8187,3	292,401
	8,8	0,292
Воздух:	6822,5	213,203
O2	22593,4	806,906
N2
Хлороводород	292,8	8,024
			Потери этилена	171,9	6,140
	37904,9	1320,826	Всего	37904,9	1177,155

Таблица 5

Состав катализаторного раствора

	PdCl2	CuCl2	CH3COOH	HCl	H2O	?
щi, %	0,2	12,2	3,3	1,5	82,8	100,0
mф, кг/ч	4208	256757	69451	31568	1742689	2104574

Допускают, что количество катализаторного раствора на выходе из реактора уменьшиться за счет прореагировавших воды и хлороводорода:

2104574 - (292,8 + 5304,6) = 2098976,5 кг/ч,

где 5304 - расход кислорода на образование продуктов реакции, кг/ч.

Составляем таблицу материального баланса по реактору РТ1 (таблица 6).

Таблица 6

Материальный баланс реактора РТ1

Приход	кг/ч	%	Расход	кг/ч	%
1	2	3	4	5	6
Этилен			Продукты реакции:
технический:			СН3СНО
С2Н4	8196,1	99,9	СН3СООН	11479,5	84,3
С2Н6	8,8	0,1	Н2С2О4	168,3	1,2
				151,5	1,1
Катализатор-ный			СН3СНСНСНО	29,5	0,2
раствор:			СН2СlCHO	226,6	1,7
PdCl2	4208	0,2	CHCl2CHO	95,2	0,7
CuCl2	256757	12,2	CCl3CHO	62,1	0,5
CH3COOH	69451	3,3	CH3CH2Cl	14,6	0,1
HCl	31568	1,5	CH2Cl2	33,3	0,3
H2O	1742589	82,8	CHCl3	46,8	0,3
			H2O	416,5	3,1
			С2Н4	160,4	1,2
			полимеры	111,2	0,8
			С2Н6	8,8	-
			CO2	617,0	4,5
			Потери этилена	171,9	100
			Катализаторный
			раствор:
			PdCl2	7575,1	0,2
			CuCl2	256757	12,2
			CH3COOH	69451	3,3
			HCl	31275	1,5
			H2O	1737284	82,8
Всего	2112770,5	-	Всего	2112770,5	-

3.2 Технологический расчет

3.2.1 Технологический расчет аппарата РТ1

Реактор РТ1 предназначен для окисления этилена в ацетальдегид катализаторным раствором. Для расчета выбран вертикальный змеевиковый реактор, состоящий из U-образных труб.

Количество ацетальдегида, переходящего в газовую фазу:

11479,5•0,957 = 10985,9 кг/ч

Расходуется кубовой жидкости из отделения ректификации:

1,9•11479,5 = 21811,1 кг/ч.

Выполняем материальный расчет реактора РТ1 (таблица 7).

Расход катализаторного раствора, поступающего на окисление таблице 5: 2098976,9 кг.

Расход конденсата:

0,2•11479,5 = 2295,9 кг/ч.

где 0,2 - удельный расход конденсата, тонн на одну тону ацетальдегида. Расход активированного катализаторного раствора:

1,85•11479,5 = 21237,075 кг/ч.

где 1,85 - удельный расход катализаторного раствора, тонн на одну тонну ацетальдегида.

Таблица 7

Материальный баланс реактора РТ1

Приход	кг/ч	Расход	кг/ч
Воздух: кислород азот	6822,4 22593,0	Катализаторный раствор: в реактор РТ1 на активацию	2104593,3 23885,6
Окисленный катализаторный раствор Конденсат Активированный катализаторный раствор	2099640,8 2295,9 21237,5	Отработанный воздух: кислород азот	1517,8 22593,0
Всего	2152589,6	Всего	2152589,6

Рассчитывают количество катализаторного раствора, подаваемого на активацию:

(29415,9 + 2098976,9 + 2295,9 + 21237,075)- (2104574,4 + 24111,0) = 23885,41 кг/ч.

где 2104574,4 - расход катализаторного раствора в реактор РТ1, кг/ч; 24111,0 - количество отработанного воздуха, кг/ч.

Потери катализаторного раствора при активации:

100 - (21237,075/24111)•100 = 11,1 %, что соответствует оптимальному технологическому режиму.

Расчет основных расходных коэффициентов:

С учетом 2 % потерь на стадии ректификации получаем ацетальдегида на стадии синтеза:

255,7•100/(100-2) = 260,9 кмоль/ч или 11479,5 кг/ч.

Основные расходные коэффициенты (в кг/кг) рассчитываются по данным таблицы 4:

по этилену: 8187,3 / 11479,5 = 0,7132;

по техническому этилену: 8196,7 / 11479,5 = 0,7139;

по воздуху: 29415,9 / 11479,5 = 2,56;

по хлороводороду: 292,9 / 11479,5 = 0,0255.

Объемный расход катализаторного раствора, рассчитанный ранее, составляет:

(5)

Определяют вместимость реактора, принимая время пребывания веществ в зоне реактора ф = 65 с.

???? = ????•?? = 0,2953•65 = 19,2 м³. (6)

Рассчитывают внутренний диаметр реактора при скорости движения жидкости щ = 4,4 м/с (такая скорость обеспечивает пузырьковый режим движения катализаторного раствора):

(7)

Принимаем внутренний диаметр реактора d_p = 250 мм, тогда общая длина реактора составит:

(8)

Для обеспечения заданной производительности достаточно установить один титановый реактор.

Технические характеристика реактора РТ1:

- диаметр внутренний - 250 мм;

- толщина стенки - 10 мм;

- высота общая (с учетом ретурбентов) - 750 мм;

- длина общая - 390 м;

- число U - образных труб (секций) - 8;

- вместимость - 19,2 м³;

- площадь поверхности пусковой рубашки - 40 м²;

- давление в рубашке - 0,6 МПа.

3.3 Тепловой расчет аппарата

3.3.1 Тепловой расчет реактора РТ1

Исходные данные: составы материальных потоков представлены в таблице 7, температура: катализаторного раствора на входе в реактор 108 єС; на выходе из реактора 112 єС.

Цель расчета - определение температуры поступающего этилена. Уравнение теплового баланса в общем виде:

Ф₁+Ф₂+Ф₃ = Ф₄+Ф₅+Ф_пот, (12)

где Ф₁, Ф₂, Ф₄, Ф₅ - тепловые потоки этилена, катализаторного раствора на входе в реактор, продуктов реакции, катализаторного раствора на выходе из реактора соответственно, кВт;

Ф₃ - теплота экзотермических реакций, кВт;

Ф_пот - теплопотери в окружающую среду, кВт.

Тепловой поток этилена определяют из уравнения теплового баланса:

Ф₁ = (Ф₄ +Ф₅+Ф_пот) - (Ф₂+ Ф₃). (13)

Среднюю удельную теплоемкость катализаторного раствора рассчитывают при температуре Т = 108 + 273 = 381 К (хлорид палладия, хлорид меди и хлороводород объединяют в один поток «хлорид меди»). Удельные теплоемкости компонентов рассчитывают по значениям молярных теплоемкостей, определенных по справочнику [18].

с_к.р.=0,555•0,1390+2,057•0,033+4,248•0,8280=3,662кДж/(кг•К).

Ф₂ = (1169218,5/3600) • 3,662•108 = 128450,3 кВт.

Определяют теплоту целевой реакции. Значения энтальпий образования находят по справочнику [18].

. (14)

Рассчитываем теплоту экзотермической реакции Ф₃. С целью упрощения расчета вводим коэффициент, учитывающий увеличение теплоты за счет побочных реакций на 6,5 %:

Ф₃ = [6377,5 • 1000/(44 • 3600)] • 218,3 • 1,065 = 9360,5 кВт.

Среднюю удельную теплоемкость продуктов реакции определяем, сделав следующие допущения:

- в поток «ацетальдегид» объединены все кислород содержащие органические соединения;

- в поток «трихлорметан» объедены все хлорорганические соединения; в поток «этилен» объединены этилен и полимеры.

с _пр= 1,458 • 0,851 + 0,973 • 0,033 + 1,882 • 0,040 + 4,187 • 0,03 + 0,951 • 0,046 = 1,518 кДж/(кг • К)

Ф₄ = (7663,2/3600) •1,518•112 = 361,9 кВт.

Рассчитываем Ф₅ (допуская, что средняя удельная теплоемкость катализаторного раствора практически не изменяется в ходе процесса):

Ф₅ = (1166098,3/3600)•3,662•1132 = 132853,5 кВт.

Принимаем, что теплопотери составляют 3,5 % от общего расхода теплоты, тогда общий расход теплоты равен:

Ф_расх = (361,9+132853,5)•100/(100-3,5) = 138047,0 кВт.

Определяем теплопотери в окружающую среду:

Ф_пот = 138047,0 - (361,9+132853,3) = 4831,6 кВт.

Рассчитываем тепловой поток этилена:

Ф₁ = 138047,0 - (128450,3+ 9360,5) = 236,2 кВт.

Определяем температуру подогрева этилена методом линейной интерполяции. Принимаем температуру подогрев t'_x = 90 єC, тогда теплоемкость этилена при Т = 90 + 273 = 363 К составит:

С⁰_р = 50,607 Дж/(моль•К) или с = 1807,17 Дж/(кг•К).

Рассчитываем тепловой поток этилена:

Ф^?₁ = (4553,4/3600)•1807,17•90 = 205,7 кВт.

Так как Ф^?₁ меньше Ф₁, принятая температура подогрева недостаточна.

Принимаем температуру подогрева t'^?= 120 єC, тогда теплоемкость этилена при Т=120+273= 393 К составит с = 1,908 Дж/(кг•К), а тепловой поток этилена:

^??= (4553,4/3600)•1,908•120 = 289,6 кВт.

Так как Ф^?? больше Ф, принятая температура подогрева слишком высокая.

Необходимое значение температуры находим интерполяцией:

t_x = 90 +[(236,2-205,7)/(289,6 - 205,7)]•(120-90) = 100,9 єC.

Такое значение температуры соответствует оптимальному технологическому режиму.

Составляем таблицу теплового баланса реактора РТ1, таблица 8.

Таблица 8

Тепловой баланс РТ1

Приход	кВт	%	Расход	кВт	%
Тепловой поток этилена Тепловой приход катализаторного раствора Теплота экзотермических реакций	236,2 128450,3 9360,5	0,2 93,0 6,8	Тепловой поток продуктов реакции Тепловой поток катализаторного раствора Теплопотери в окружающую среду	361,9 132853,5 4831,6	0,3 96,2 3,5
Всего	138047	100,0	Всего	138047	100,0

3.4 Механический расчет

Конструктивное оформление оборудования, применяемого в химической и нефтехимической промышленности, определяется технологическими параметрами протекающих процессов. Основными расчетными параметрами для выбора конструкционного материала и расчета элементов материала на прочность являются температура и давление рабочего процесса.

Современные аппараты химической промышленности изготовляют из отдельных элементов методом сварки. В соответствии с ГОСТ 14249-80 значения коэффициента прочности сварных швов аппаратов представлены в справочниках [19,20].

Значение коэффициента запаса прочности для различных материалов приведены в [19,20].

Основной частью любого химического аппарата является обечайка, размеры которой определяют объем аппарата, а значит и его производительность. Толщина стенки аппарата должна быть малой в сравнении с ее внутренним диаметром [20].

1) Расчет диаметра штуцеров [21]:

Диаметр трубопровода рассчитано = 0,25м

Штуцер для выхода газов:

(15)

где d_o - расчётный диаметр штуцера, м;

V - объёмный расход потока, м³/с;

w_доп - допустимая (рекомендованная) скорость потока в штуцере.

примем

Штуцер выхода газов:

примем

Вход этилена технического:

примем

Вход катализаторного раствора:

примем

2) Расчет фланцевых соединений патрубков:

Высота втулки фланца



, (16)

где s - исполнительная толщина стенки, 10 мм;

D - внутренний диаметр аппарата, 250 мм;

с - нормативный параметр, 1,6

Принимаем h_вф = 25 мм.

Диаметр окружности расположения шпилек фланцев

, (17)

где d₆ - наружный диаметр шпилек, для проектируемого фланца рекомендуемый диаметр шпилек составляет 6 мм;

u - нормативный зазор между гайкой и втулкой, 10 мм.

Наружный диаметр фланца

, (18)

где а - конструктивная добавка для размещения гаек по периметру, 8 мм.

Наружный диаметр прокладки

, (19)

где e - нормативный параметр, зависящий от типа прокладки, для плоских прокладок и d6 = 6 мм e = 15 мм.

Средний диаметр прокладки

, (20)

где b - ширина прокладки, мм. Для плоских металлических прокладок b = 50 мм.

Количество шпилек, необходимое для обеспечения герметичности соединения

, (21)

где [4].

Принимаем значение, кратное четырем n6 = 40 шт.

За данными расчетами выбираем фланец по ГОСТ 1255-67, который используется при Р = 1,4 МПа и агрессивной среде [19].

Рассчитываем расчетное и допускаемое в рабочем состоянии давление в аппарате.

Исполнительная толщина стенки определяется по формуле:

, (22)

где s - толщина стенки аппарата, 10 мм;

D - внутренний диаметр аппарата, 250 мм;

[у] - допускаемое напряжение в материале стенки аппарата, 1,4 МПа;

ц - коэффициент прочности сварного шва, 1;

c - суммарная прибавка к расчетной толщине обечайке, 0,5 м;

рр и [р] соответственно расчетное и допускаемое в рабочем состоянии в аппарате, МПа.

Допустимое наружное давление рассчитывается по формуле:

, (23)

где допускаемое давление [р]_р из условия прочности определяется по формуле:

. (24)

Допускаемое давление при условии устойчивости для длинных обечаек (lp >lo) определяется по формуле:

, (25)

где n_y - коэффициент запаса устойчивости материала для рабочих условий, принимаем равным 2,4;

E - модуль упругости материала при заданной температуре, 7,8 МПа.

.

Следовательно, допустимое давление в реакторе 1,43 МПа.



Заключение

Для проектируемой установки использован новый катализатор. Применение нового катализатора и кислорода в процессе окисления этилена в ацетальдегид позволяет значительно увеличить производительность реакционного узла и обеспечить съем ацетальдегида 15-16 г/л катализаторного раствора против 5-7 г/л при существующем методе. Это достигается одновременным проведением реакций образования ацетальдегида и окисления катализаторного раствора в одном трубчатом реакторе, что позволяет несколько раз за проход повторить реакции восстановления и окисления ионов меди и тем самым повысить производительность катализаторного раствора.

При одинаковых габаритах основного оборудования производительность установки получения ацетальдегида одностадийным методом более чем в два раза превышает производительность установок по двухстадийной схеме.



Список использованных источников

1. Соколов Р.С. Химическая технология в 2-х т.: Учебное пособие для вузов Т.2: Металлургические процессы. Переработкам химического топлива. Производство органических веществ и полимерных материалов. М. «Владос», 2000. 447 с.

2. Химическая энциклопедия: в 5 т., Т.1 под ред. Кнукянц И.Л., М: Советская энциклопедия, 1988. 623 с.

3. Тимофеев В.С., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза: Учеб. Пособие для вузов. 2-е изд., перераб. М.: Высш. шк., 2003. 536 с.

4. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического синтеза. М. Химия, 1988. 582 с.

5. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. М. Химия, 1968. 848 с.

6. Паушкин Я.Н., Адельсон С.В., Вишнякова Т.П. Технология нефтехимического синтеза. В 2-х ч. Ч.1 Углеводородное сырьё и продукты его окисления. М.: «Химия», 1973. 352 с.

7. Грязнов И.А., Дигуров Н.Г., Кафаров В.В., Макаров М.Г. Проектирование и расчет аппаратов основного и нефтехимического синтеза. М. Химия, 1995. 256 с.

8. Реферативный журнал «Химия», 1999. №9 Патент 5679870 США МПК6 С07С45/00 Tustin Gerald Charles, Depew Leslie Sharon; Eastman Chemical Co. № 619385; Заявл 21.3.96.;Опубл. 21.10.97; НПК 568/489.

9. Реферативный журнал «Химия», 2000. №13 Патент 23981 Украина МПК6 С07С47/06 Осiйський Едуард Йосипович, Гомонал Василь Iванович: Ужгород, держ. цн-т - № 961124485. Заявл. от 02.12.1996. Опубл. 31.08.1998 Бюл. №20.

10. Реферативный журнал «Химия», 2003. №24. Превращение этиленгликоля до ацетальдегида - дегидратация или согласованный механизм. Ethyleneglycol to acetaldehyde - dehydration or a concered mechanism. Smith William B. (Department of Chemistry, Texas) Texas Christian University, Fort Worth, TX, 76129 USA Tetrahedron, 2002, 58 №11, с. 2091-2094.

11. Реферативный журнал «Химия», 2003 №19 Селективное гидрирование уксусной кислоты в ацетальдегид на нанесённых на SBA-15 оксидах железа. Zhang Xue-Zheng, Yue Ying-Hong, GaoZiGaodengxuexiao huahxunxuebao=Chem J. Chin. Univ. 2003 24, № 1, с 121-124.

12. Реферативный журнал «Химия», 1998 №7 Влияние концентрации кислорода на выход ацетальдегида при окислении этанола в присутствии оксидов кальция и алюминия. Oxidation of concentration on acetaldehyde yield/Karafyllis J. Phillipponlos C. Grigoroponlon H.//Chem and Biochem. Eng., Quart. 1997. 11, №3. с. 121-125.

13. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия: Учебник для ВУЗов.//Под ред. Стадничука М.Д. 5-е изд., перераб. и доп. СПб.: «Иван Фёдоров», 2002. 624 с.

14. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. Равделя А.А., Пономарёвой А. М. СПб.: «Иван Федоров», 1999.

15. Попов Ю.В., Но Б.И. Инженерная химия: Учебное пособие / Волгоградский Государственный Технический Университет, Волгоград, 2003.

16. ГОСТ 1460-2013 Карбид кальция. Технические условия.

17. ГОСТ 5457-75 Ацетилен растворенный и газообразный технический Технические условия.

18. Краткий справочник физико-химических величин под ред. К.П. Мищенко и А.А. Равделя. Л.: Химия, 1974. 200 с.

19. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учеб. пособие для студентов втузов, обучающихся по специальности «Машины и аппараты химических производств» под ред. В.Н. Соколова. Л.: Машиностроение,1982.

20. Гутник С.П. Расчеты технологии органического синтеза / Гутник С.П., Сосонко В.Е., Гутман В.Д.. Изд-во: «Москва». 1988. С. 152-168.

21. Косинцев В. И. Основы проектирования химических производств / Косинцев В. И., Михайличенко А. И., Крашенинникова Н. С., Миронов В. М., Сутягин В. М. Учебное пособие: Томский Политехнический университет. Изд-во: ИКЦ «Академкнига». Москва, 2010. С.257 - 260.



Приложение А Спецификация основного аппарата

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
				Экспликация штуцеров
		А		Вход исходного продукта	1	Dу=40
		Б		Вход греющего агента	1	Dу=50
		В		Выход греющего агента	1	Dу=50
				Детали аппарата
		1		Болт М22Ч100
				ГОСТ7798-70	1
		2		Гайка М22 H
				ГОСТ 5915-70	1
		3		Крышка	1
		4		Фланец	3	Dу=50
		5		Фланец	1	Dу=40
		6		Шайба М22Н
				ГОСТ 6402-70	1

Размещено на Allbest.ru

...