Теоретический анализ процесса получения этилена

Задание на курсовую работу студентке III-ХТ-2

Алексеевой  Марии Владимировне

Усовой Виктории Дмитриевне

по дисциплине

“Теория химико-технологических  процессов органического синтеза”

на тему

«Теоретический  анализ процесса получения этилена»

1. Выполнить обзор литературы по областям технического применения этилена и масштабам его производства.
2. Выполнить обзор литературы по методам получения этилена, способам его выделения из контактного газа и перспективам развития технологий.
3. Выполнить полный теоретический анализ избранного процесса получения этилена:

• Стехиометрия и материальные расчеты.

• Термохимический анализ для индивидуального превращения и для процесса в целом.
• Качественный и количественный термодинамический анализ для индивидуального превращения и для процесса в целом.
• Качественный и количественный кинетический анализ для индивидуального превращения и для процесса в целом.

4. Дать рекомендации по условиям осуществления избранного процесса получения и выделения этилена . Предложить принципиальные технологические схемы реализации избранного процесса.

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

1. Литературный обзор…………………………………………………………………………………………………………....3

1. Техническое применение этилена и масштабы его производства ..…………………………….........................................................................................3

2. Методы получения этилена, способы выделения его из реакционных масс и перспективы развития технологий…………………………………………………………………………………………...................5
3. Полный теоретический анализ процесса получения этилена пиролизом  пропана……….………....................................................................................................................16

1. Стехиометрия и материальные расчеты..…………………………………………........16
2. Термохимический анализ для индивидуального превращения и для процесса в целом……………………………………….……………………………………………………...........16
3. Полный термодинамический анализ получения этилена…………………………….…………………………..……………………………..……………..23
4. Полный кинетический анализ процесса……………………………………………………32

4. Выводы и рекомендации….………………………………………………………………………………....................................37

Список литературы……………………………………………………………………………………………………………………….38

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Техническое применение этилена и масштаб его производства.

         Этиле́н (по ИЮПАК: этен) — органическое химическое соединение, описываемое формулой С₂H₄. Является простейшим алкеном (олефином). В природе этилен практически не встречается.При нормальных условиях - бесцветный горючий газ со слабым запахом.[1] Его температура кипения -103,8˚С , а температура замерзания -169,5˚С.На воздухе он горит слегка светящимся пламенем.[2] Частично растворим в воде (25,6 мл в 100 мл воды при 0°C), этаноле (359 мл в тех же условиях). Хорошо растворяется в диэтиловом эфире и углеводородах. Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным или непредельным углеводородам. [1]

Играет чрезвычайно важную роль в промышленности, а также является фитогормоном.

Этилен-весьма важное сырье  для получения ряда синтетических  продуктов, особенно этилового спирта, этилен оксида (окиси этилена) этиленгликоля (антифриз) и др. Частично используется в автогенной сварки вместо ацетилена.[2]

 

    В Италии в  1957г было получено 100 тыс. т  этилена. Производство этилена  в Германии до ВОВ базировалось на пищевом сырье и продуктах переработки угля. В Германии в 1943 г выработано около 90 тыс. т этилена. В 1957 г в ФРГ было получено 100 тыс. т этилена. При этом намечалась тенденция перехода на нефтяное сырье. Производство этилена в Англии, составившее в 1957 г. Около 250 тыс. т, базируется на переработки нефтяного сырья. Во Франции в 1957 г. Было получено 32 тыс. т этилена; исходным сырьем являются коксовые газы и тяжелы продукты приработки нефти. В Японии в 1957 г. было выработано из нефтяного сырья около 40 тыс. т этилена.  [3]

     Общее мировое  производство этилена в 2005 году  составило 107 миллионов тонн и  продолжает расти на 4–6% в год.  Источником промышленного получения  этилена является пиролиз различного  углеводородного сырья, например, этана, пропана, бутана, содержащихся в попутных газах нефтедобычи; из жидких углеводородов — низкооктановые фракции прямой перегонки нефти. А так же общее мировое производство этилена в 2008 году составило 113 миллионов тонн и продолжает расти на 2—3 % в год.[1]

 

Таблица 1 — Крупнейшие российские компании — производители этилена и пропилена.[5]

Компания	Мощность  по этилену, тыс. т/год	Мощность  по пропилену, тыс. т/год
ОАО «Нижнекамскнефтехим»	600	280
ОАО «Казаньоргсинтез»	375	60
ООО «Ставролен»	350	140
ОАО «Салаватнефтеоргсинтез»	300	140
ОАО «Ангарский завод полимеров»	300	140
ОАО «Сибур-Нефтехим»	300	140
ОАО «Томский НХЗ»	300	140
ОАО «Уфаоргсинтез»	210	185
ЗАО «Нефтехимия» (Самарская обл.)	180	40
ЗАО «Сибур-Химпром»	45	46
ОАО «Московский  НПЗ»	-	100
ОАО «Омский  каучук»	-	52
Всего	2810

 

   В промышленности  тяжелого органического синтеза получили наибольшее распространение следующие процессы химической переработки этилена: полимеризация, окисление, оксосинтез, хлорирование, нитрование, гидратация, теломеризация и алкилирование.[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Методы  получения этилена.

Этилен впервые  был получен немецким химиком  Иоганном Бехером  в 1680 году при действии купоросного масла на винный спирт. Вначале его отождествляли с "горючим  воздухом", т.е. с водородом. Позднее, в 1795 году этилен подобным же образом  получили голландские химики Дейман, Потс-ван-Труствик, Бонд и Лауеренбург и описали под названием "маслородного газа", так как обнаружили способность этилена присоединять хлор с образованием маслянистой жидкости - хлористого этилена ("масло голландских химиков").

В промышленности для получения этилена применяются разнообразные процессы: пиролиз легких и тяжелых парафиновых и нафтеновых углеводородов, гидрирование ацетилена, дегидратация этилового спирта. Кроме того, этилен получают в качестве побочного продукта при термической переработки твердого топлива, термическом и каталитического крекинга нефти и др.

 

2.1 Пиролиз предельных  углеводородов.

 

Основным промышленным методом  получения этилена является высокотемпературное  термическое расщепление (пиролиз) предельных углеводородов

В зависимости  от метода подвода тепла различают  следующие процессы: а) пиролиз в  трубчатых печах;  б) гомогенный пиролиз; в) автотермический пиролиз; г) с применим твердого теплоносителя.

 

С₂H₆↔C₂H₄+H₂ (III.1)

C₃H₈↔C₂H₄+CH₄ (III.2б)

C₄H₁₀↔2C₂H₄+H₂ (III.3б)

С₄H₁₀↔C₂H₄+C₂H₆ (III.3г)

Далее приведена таблица принципиальных схем и режимов установок пиролиза для получения этилена.[4]

2.2  Каталитическое  гидрирование ацетилена в этилен.

 

Был разработан в промышленности процесс получения этилена гидрированием ацетилена.

С₂H₂+H₂↔C₂H₄+Qп

 

Оптимальная температура  процесса 180-320° в зависимости  от активности катализатора.

Принципиальная  схема установки изображена на рис. 1

 

 

 

Ацетилен, полученный из карбида кальция (чистота 98-99%), сжимается в компрессоре 1 до 1,5-2 атм, охлаждается в холодильнике 2 и очищается твердым адсорбентом (алюмогелем) в адсорбере 3 от паров масла, так как последнее является ядом для катализатора. Водород, полученный из установки газоразделения (чистота 96-98%), сжимается в компрессоре 4, охлаждается в холодильнике 5, осушается и очищается от паров масла в адсорбере 6. Предварительный подогрев водорода и ацетилена осуществляется за счет тепла реакций либо в реакторе 7,либо в выносных теплообменниках. Оптимальная температура в реакторе поддерживается  автоматически непрерывной подачей охлаждающей воды в трубчатый теплообменник реактора.

Процесс гидрирования ведут при значительных избытка  водорода. Гидрирование ацетилена осуществляется практически полностью. В качестве катализатора используют палладий, нанесенный на силикагель. Содержание палладия в катализаторе не превышает

0,01% вес. Продолжительность  непрерывной работы катализатора  около одного года.[3]

 

 

 

3. Дегидратация этилового спирта.

 

Для получения  относительно небольших количеств этилена ( до 3000-5000 т/год) можно применять способ дегидратации этилового спирта. По этому способу в  США в 1955 г. получено около 15000 т этилена.[7]

Реакция дегидратации этанола может быть выражена уравнением:

 

В качестве катализатора используется активированная окись алюминия и алюмокремниевые соединения. Процесс осуществляется при 300-400°.

Технологическая схема установки дегидратации приведена  ранее.

Этиловый спирт  из емкости 1 насосом 2 через теплообменник 3 подает в реакторе 4. Необходимое тепло подводится через стенку реактора даутермом или дымовыми газами. Продукты реакции, состоящие из этилена, диэтилового эфира, этанола и воды, проходят чрез теплообменник 3 и конденсатор 5, в котором конденсируется вода, этанол и диэтиловый эфир. В колонке 6 смесь делится на газовую и жидкую фазы; газовая фаза, состоящая в основном из этилена, направляется к потребителю чрез системы осушки и очистки твердыми сорбентами. Жидкость подается в колонну 7 с конденсатором орошения 8, в которой она разделяется на верхний продукт  ( смесь этанола и даэтилового эфира) и нижний ( воду). Верхний продукт подается в реакторе 4, а нижний насосом 9 – в абсорбер 6. При этом достигается практически полное превращение этанола в этилен.

Экспериментально исследован процесс получения этилена дегидратацией этанола под давлением. В опытную установку этанол подавался насосом под давлением  33 атм через реактор, заполненный активированной окисью алюминия. Повышенное давление обусловлено необходимостью увеличения температуры до 425°. Выход этилена достигал 95% при чистоте полученного продукта 99%.[3]

 

4. Получение этилена из нефтезаводских газов.

 

Газы термического и католического крекинга нефтей содержат 2 – 2,5 % этилена. Количество этилена, получающегося при термическом крекинге, не превышает 0,15% вс. на переработанное сырье и при каталитическом крекинге -  0,45%. Поэтому обычно газоразделительная установка этиленового производства работает на сырье, представляющем смесь крекинг-газа  и газов пиролиза некоторых компонентов этого же крекинг-газа (этана, пропана, пропилена, а иногда и бутана). Схема получения этилена из таких газов приведена далее на блок-схеме, б. Нефтезаводские газы проходят систему очистки и направляются на компрессию и предварительную осушку. Перед компрессией к этому потоку присоединяют газы пиролиза, содержащие до 30-35% объемн. Этилена. После компрессии, предварительного выделения тяжелых углеводородов и глубокой осушки смесь направляют на газоразделение. Целевым продуктом газоразделения является этилен, иногда пропилен и бутан-бутиленовые смеси, а предельны углеводороды- этан пропан- возвращают на установку пиролиза.

Одним их основных сырьевых источников получения этилена  являются природные газы.[3]

Блок-схема процесса получения этилена из природных газов, приведена на схеме-А:

 

 

 

 

2.5 Способы выделения из контактного газа

       

           В промышленности получили распространение  следующие методы разделения  этиленсодержащих газов: низкотемпературная  ректификация, абсорбция, адсорбция. Кроме того, для извлечения этилена из смесей углеводородных газов с другими компонентами нашла некоторое применение хемосорбция.

          Применяемые в промышленности  методы разделения отличаются  главным образом технологией  процесса извлечения. Подготовка пирогаза к разделению осуществляется в основном одними и теми же методами, но несколько изменяется в зависимости от метода получения исходного газа, его состав, метода извлечения и состава конечного продукта. Фракционирование всегда проводят методом ректификации независимо от метода извлечения. Поэтому установки разделения углеводородных газов классифицируются по методам, которыми осуществляется процесс извлечения.

           Для получения чистого продукта  необходимо многократное повторение  операции разделения, потому что этилен ни при конденсации, ни при адсорбции или абсорбции не переходит один в жидкую фазу или адсорбент, а также не остается один в газовой фазе. Сначала всегда получают концентрированную смесь, которую в дальнейшем подвергают фракционировке.

          Переработке подвергают газы  с содержанием этилена не мене 10%. При более низкой концентрации  этилена (например, коксовый газ)  применяют переработку газа без  выделения этилена из смеси  либо проводят предварительную  обработку газа с целью его обогащения абсорбционным, адсорбционным или низкотемпературными методами.

           Следует отметить, что составы  газов, являющихся сырьем для  получения этилена, чрезвычайно   разнообразны; правда, в большинстве  случаев они содержат одни  и те же компоненты: водород, легкие углеводороды от С₁ до С₅, иногда бензол, а также инертные газы N₂, СО₂, СО, но концентрация этих компонентов может изменяться в широких пределах.

          Общепринятой схемы процесса  выделения этилена не существует. Для каждого состава исходного газа при заданной чистоте конечного продукта принципиально должна быть создана своя оптимальная схема и выбраны свои оптимальные параметры. Однако в последнее время исходное сырье, методы и технологические режимы получения этиленсодержащих газов более или менее нормализованы, и поэтому приходится иметь дело с близкими по составу газами.[3]