Одержання етилену з етану

Одержання етилену з етану

Піроліз етану  здійснюється  в трубчатих печах  в середовищі водяної пари, при  температурі 830-900°C і тиску близького  до атмосферного.

 

 

Схема потоків вузла піролізу приведена на мал. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Матеріальний баланс

Вихідні дані:

річна продуктивність установки по етилену 280000 т;

річний  фонд робочого часу 8000 год.

склад вихідної етанової фракції (φ_і, %): С₂Н₄ – 0,73; С₂Н₆ – 89,80; С₃Н₆ – 4,69; С₃Н₈ – 4,70; С₄Н₈- 0,08; масове співвідношення водяної пари : етанова фракція =0,4:1,0; температура процесу 845°C.

Послідовність розрахунку

а) визначають ступінь конверсії етану в  етилен по цільовій реакції піролізу;  
б) розраховують об'ємну витрата компонентів етановой фракції на вході в трубчату піч  (основний апарат піролізної утановки); 
в) визначають зміну складу газу в процесі піролізу і склад газу на виході з трубчастої печі.  
Годинна продуктивність установки в розрахунку на 100%- й етилен становить:

280000  1000/8000 = 35000 кг/год. або 35000/28 = 1250 кмоль/год.

Витрата етану, що знаходиться у складі надходить  на піроліз етанової фракції:

1250/0,6 = 2083,333  кмоль/год.

Загальна  витрата етанової фракції:

2083,333/0,898 =2319,97 кмоль/год.

Визначають  склад етанової фракції на вході в трубчату піч.

Кількість водяної пари на вході в трубчату піч (потік 2):

72444 0,4 = 28977,6 кг/год. або 1609,867  кмоль/год.

Склад етанової фракції (потік 1)

 

                                                                             Таблиця 1

Компоненти	φ і,%	nτ  кмоль/год.	Vτ, м3/год.	mτ , кг/год.	ωі, %
С2Н4	0,73	16,936	379	473	0,65
С2Н6	89,90	2083,333	46667	62500	86,27
С3Н6	4,69	108,807	2437	4569	6,31
С3Н8	4,70	109,039	2442	4797	6,62
С4Н8	0,08	1,856	42	105	0,15
Σ	100,00	2319,971	51967	72444	100,00

 

Кількість парогазової  суміші на вході в трубчасту піч (потік 3):

72444+ 28977,6 = 101421,6 кг/год.

По основній реакції:

С₂Н_{6 С2}Н₄ + Н₂

Витрата етану  становить 1250 кмоль/год. або 37500 кг/год.; утворюється:

етилену: 1250 кмоль/год. або 35000 кг/год.

водню: 1250 кмоль/год. або 2500 кг/год. 
Всього конвертується етану:

2319,971  0,673 = 1561,34 кмоль/год.

По реакції  утворення метану:

С₂Н₆ + Н_2СН4

Витрачається:

етану: 1561,34- 1250 = 311,34 кмоль/год.  або 9340,2 кг/год.

водню: 311,34 кмоль/год.  або 622,68 кг/год.

утворюється метан:

311,34  2 = 622,68 кмоль/год. або 9962,88 кг/год.

Залишається етану в складі пірогаза:

2319,971-1561,34 = 758,631 кмоль/год. або 22758,93 кг/год.

Пропілен  в складі етанової фракції конвертується за двома реакцій:

С₃Н₆ С₂Н₂ + СН₄

С₃Н₆ +3Н_2СН4

По реакції 3, згідно експериментальним даним, витрачається 8,5% пропілену, що становить:

108,807  0,085 = 9,249 кмоль/год. або 388,458кг/год.

утворюється:

ацетилен: 9,249 кмоль/год. або 240,474 кг/год.

метан: 9,249 кмоль/год. або 147,984 кг/год.

За реакції 4 витрачається 26% пропілену, що становить:  
                      108,807  0,26 = 28,29 кмоль/год. або 1188,18 кг/год.

утворюється метану :

28,29 3=84,87 кмоль/год. або 1357,92 кг/год.

Витрата водню  становить 84,87 або 169,74 кг/год. Залишається  пропілену в складі пірогаза:  
            108,807  - 9,249- 28,29 = 71,268 кмоль/год. або 2993,256 кг/год.

Пропан у  складі етанової фракції конвертується за таких реакцій:

2С₃Н₈ С₄Н₆ +2СН₄ + Н₂

2С₃Н₈ С₄Н₈ + 2СН₄

2С₃Н_{8 С5}Н₁₀ + 2СН₄ + Н₂

2С₃Н₈ С₄Н₁₀ + С₂Н₄ +Н₂

С₃Н₈ +2Н₂ 3СН₄

За реакції 5 витрачається 55,0% пропану, що становить:

109,039 0,55 = 59,971 кмоль/год. або 2638,724 кг/год.

утворюється:

бутадієн: 59,971/2 = 29,986 кмоль/год. або 1619,244 кг/год.

метан: 59,971 кмоль/год. або 959,536 кг/год.

водень: 29,986 кмоль/год. або 59,972 кг/год.

По реакції 6 витрачається 6,0% пропану, що становить:

109,039 0,06 = 6,542 кмоль/год. або 287,848 кг/год.

утворюється:

бутилен: 6,542/2 = 3,271 кмоль/год. або 183,176 кг/год.

метан: 6,542 кмоль/год. або 104,672 кг/год.

Всього міститься  бутилену в пірогазі:

                         3,271 +1,856 = 5,127 кмоль/год. або 287,112 кг/год.

За реакції 7 витрачається 8,5% пропану, що становить: 
                          109,039  0,085 = 9,268 кмоль/год. або 407,792 кг/год.

утворюється:

пентан: 9,268/2 = 4,634 кмоль/год. або 324,38 кг/год.

метан: 4,634 кмоль/год. або 74,144 кг/год.

водень: 4,634 кмоль/год. або 9,268 кг/год.

По реакції 8 витрачається 10% пропану, що становить:

109,039  0,1 = 10,904 кмоль/год. або 479,776 кг/год.

утворюється:

бутан: 10,904/2 = 5,452 кмоль/год. або 316,216 кг/год.

етилен: 5,452 кмоль/год. або 152,656 кг/год.

водень: 5,452 кмоль/год. або 10,904 кг/год.

По реакції 9 витрачається 17,5% пропану, що становить:

109,039  0,175 = 19,082 кмоль/год. або 839,608 кг/год.

Витрата водню становить:

19,082 2 = 38,164 кмоль/год. або 76,328 кг/год.

Утворюється метану:

19,082 3= 57,246 кмоль/год. або 114,492 кг/год.

Залишається пропану в пірогазі:

109,039 – (59,971+6,542+9,268+10,904+19,082) = 3,272 кмоль/год. або 143,968 кг/год.

Бутадієн  взаємодіє з етиленом по реакції

С₄Н₆+С₂Н_4С6Н₆ +2Н₂

В цю реакцію  вступає 23,5% утворився бутадієн,  що становить:

29,986 0,235 = 7,047 кмоль/год. або 380,538 кг/год.

Витрата етилену складає: 7,047 кмоль/год. або 197,316 кг/год.

утворюється:

бензол: 7,047 кмоль/год. або 549,666 кг/год.

водень: 7,047 2 = 14,094 кмоль/год. або 28,188 кг/год.

Залишається бутадієну:

29,986-7,047 = 22,939 кмоль/год. або 1238,706 кг/год.

Всього  утворюється метану по реакціях 2 - 7,9:

622,68+9,249+84,87+59,971+6,542+4,634+57,246 = 845,192 кмоль/год. або 13523,072 кг/год.

По реакції

СН₄ + Н₂О _{СО +3Н2}

Конвертується 2,6% метану, що становить:

                            845,192 0,026 = 21,975 кмоль/год. або 351,6 кг/год.

Витрата водяної пари: 21,975 кмоль/год. або 395,55 кг/год.

утворюється:

оксид вуглецю: 21,975 кмоль/год. або 615,3 кг/год.

водень: 21,975 3 = 65,925 кмоль/год. або 131,85 кг/год.

Залишається:

метану: 845,192-21,975 =823,217 кмоль/год. або 13171,472 кг/год.

водяна  пара: 1437,444-21,975 = 1415,469 кмоль/год. або 25478,442 кг/год.

Утворюється водень по реакціях 1,5,7,8,10,11:

1250+29,986+4,634+5,452+14,094+65,925 =1370,091 кмоль/год. або 2740,182 кг/год.

Утворюється водню по реакціях 2,4,9:

311,34+84,87+38,164 = 434,374 кмоль/год. або 868,748 кг/год.

Залишається водню в пірогазі:

                      1370,091-434,374 = 935,717 кмоль/год. або 1871,434 кг/год.

Етилену в  складі етанової фракції міститься 16,936 кмоль/год.  , утворюється по реакції 8  5,452 кмоль/год.  , витрачається по реакції 10  7,047 кмоль/год. 

Залишок 16,936+5,452- 7,047 = 15,341 кмоль/год.  являє собою  втрати на стадії виділення етилену  з пірога за. В складі пірогаза (на виході з трубчатої печі) міститься етилену:  
                           1250+15,341 = 1265,341 кмоль/год. або 35429,548 кг/год.

Втрати етилену  складають:

15,341 100/1265,341= 1,2%

що відповідає оптимальному технологічному режиму. Коксо утворення в процесі піролізу нехтують.

По результатах  розрахунку складаємо таблицю 2

Компоненти	nτ  кмоль/год.	Xі ,%	Vτ, м3/год.	mτ , кг/год.	ωі, %
Сухий газ:
Метан	823,217	20,93	18440	13171	27,4
Ацетилен	9,249	0,24	207	240	0,50
Етилен	1265,341	32,17	2844	3555	7,39
Етан	758,631	19,28	16993	22758	47,34
Пропілен	71,268	1,81	1596	2993	6,23
Пропан	3,272	0,08	73	143	0,30
Бутадієн-1,3	22,939	0,58	514	1239	2,58
Бутилен	5,127	0,13	115	288	0,60
Бутан	5,452	0,14	122	316	0,66
Пентан	4,634	0,12	104	334	0,68
Бензол	7,047	0,18	159	554	1,15
Водень	935,717	23,78	20960	1871	3,89
Оксид вуглецю	21,975	0,56	492	615	1,28
Σ	3933,869	100,00	62619	48077	100,00
Водяна пара	1415,469	-	31707	25479	-
Всього	5349,338	-	94326	73556	-

 
 

Розрахунок  основних вихідних коефіцієнтів. Для  отримання 35000 кг/год. 100% етилену витрачається 72444 кг/год.  етанової фракції і 28977,6 кг/год. водяної пари.

Розрахунок  вихідних коефіцієнтів:

 по етановій  фракції: 72444/35000 = 2,07 кг/кг.

 по водяній  парі: 28977,6/35000 =0,828 кг/кг.

Що відповідає показникам експлуатації промислових  установок.  
Утворюється додатково на 1 т етилену, кг: 
пропілен : 2993,256/35,0 = 85,5;

Бутадієн  – 1,3: 1238,706/35,0 = 35,4;

Бензол: 549,666/35,0 = 15,7.