Автор работы: Пользователь скрыл имя, 09 Мая 2013 в 13:46, курсовая работа
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").
Введение…………………………………………………………………………………….5
1. Аналитический обзор……………………………………………………………………6
1.1 Теоретические сведения процесса пиролиза………………………………………….6
1.2 Способы получения этилена…………………………………………………………..10
1.2.1 Непрерывный контактный пиролиз во взвешенном слое твердого теплоносителя………………………………………………………………………………10
1.2.2 Непрерывный пиролиз в движущемся слое твердого теплоносителя……………11
1.2.3 Каталитическое гидрирование ацетилена в этилен………………………………..13
1.2.4 Окислительный пиролиз этана……………………………………………………...14
1.2.5 Пиролиз углеводородного сырья в расплавленных средах……………………….16
1.2.6 Пиролиз в присутствии гетерогенных катализаторов и гомогенных инициаторов………………………………………………………………………………..16
1.2.7 Пиролиз в трубчатых печах…………………………………………………………17
2 . Технологическая часть…………………………………………………………………20
2.1 Химизм процесса………………………………………………………………………20
2.2 Описание технологической схемы……………………………………………………20
2.3 Технико-технологические расчёты………………………………………………...…22
2.3.1 Материальный расчет………………………………………………………………..22
2.3.2 Тепловой расчет аппарата…………………………………………………………..28
Список использованных источников…………………………………………………….32
Это пар потом также подогревается в печи 3. Реакционные газы окончательно охлаждаются в насадочном скруббере 6 водой, циркулирующей через холодильник 7. Полученный конденсат отстаивается в сепараторе 8, где отделяется смола пиролиза. Вода направляется на «закалку» и в скруббер, а ее избыток выводится из системы [5].
2.3 Технико-технологический расчёт
Пиролиз этана осуществляют в трубчатых печах в среде водяного пара при температуре 830 - 900оС и давлении, близком к атмосферному.
2.3.1 Материальный расчет
Исходные данные: годовая производительность установки по этилену 150000 т; годовой фонд рабочего времени 8000 ч; состав исходной этановой фракции (φ1, %): С2Н4 – 0,73; С2Н6 – 89,80; С3Н6 – 4,69; С3Н8 – 4,70; С4Н8 – 0,08; массовое отношение водяной пар: этановая фракция = 0,4 : 1,0; температура процесса 845 °С.
Последовательность расчета:
а) определяем степень конверсии этана в этилен по целевой реакции пиролиза;
б) рассчитываем объемный расход компонентов этановой фракции на входе в трубчатую печь (основной аппарат пиролизной установки);
в) определяем изменение состава газа в процессе пиролиза и состав газа на выходе из трубчатой печи.
Кинетика основной реакции процесса пиролиза С2Н6 « С2Н4 + Н2 удовлетворительно описывается уравнением первого порядка:
К = (2,303 /τ) · Lg ·[a / (a - x)],
где К – константа скорости реакции, с-1; τ – время, прошедшее от начала реакции (оптимальная продолжительность пребывания реагентов в зоне высоких температур), с; а, х – количество реагента исходное и вступившее в реакцию соответственно, %.
Константу скорости реакции определяем по формуле:
lg К = 14,676 – 15800 / Т,
где Т – температура процесса, К; (Т = 845 + 273 = 1118 К).
lg К = 14,676 – 15800 / 1118 = 0,544; К = 3,5 с-1.
Продолжительность пребывания реагентов в зоне высоких температур определяем по формуле:
lg τ = -12,75 + 13700 / 1118 = -0,496 = 1,504; τ = 0,32 с.
Определяем степень конверсии этана:
3,5 = (2,303 / 0,32) · lg·[100 / (100 - х)]; х = 67,3%.
Следовательно, степень конверсии этана α – 0,673. Фактическая степень конверсии этана в этилен меньше за счет повышения давления до 0,5 МПа и наличия в этановой фракции более тяжелых компонентов. При температуре 845°С и времени контакта τ = 0,32 с степень конверсии этана в этилен составляет 60% (a' = 0,6).
Селективность процесса по основной реакции равна:
ß = a' / a = 0,6 / 0,673 = 0,89.
Часовая производительность установки в расчете на 100%-й этилен составит:
150 000 – 1000 / 8000 = 18750 кг/ч или 18750 / 28 = 669,64 кмоль/ч.
Расход этана, находящегося в составе поступающей на пиролиз этановой фракции:
669,64 / 0,6 = 1116,1 кмоль/ч.
Общий расход этановой фракции:
1116,1 / 0,898 = 1242,9 кмоль/ч.
Определяем состав этановой фракции на входе в трубчатую печь (таблица 2.1).
Количество водяного пара на входе в трубчатую печь (поток 2):
38812 · 0,4 = 15525 кг/ч или 862,5 кмоль/ч.
Таблица 2.1 – Состав этановой фракции (поток 1)
Компонент |
φi(xi), % |
nτ, кмоль/ч |
Vτ, м3/ч |
mτ, кг/ч |
Wi, % |
С2Н4 С2Н6 С3Н6 С3Н8 С4Н8 |
0,73 89,80 4,69 4,70 0,08 |
9,1 1116,1 58,3 58,4 0,99 |
204 25001 1306 1308 22 |
255 33483 2449 2570 55 |
0,65 86,27 6,31 6,62 0,15 |
сумма |
100,00 |
1242,91 |
27841 |
38812 |
100,00 |
Количество парогазовой смеси на входе в трубчатую печь (поток 3):
38812 + 15525 = 54337 кг/ч.
По основной реакции:
расход этана составляет 669,64 кмоль/ч или 20089 кг/ч.
Образуется:
этилена: 669,64 кмоль/ч или 18750 кг/ч;
водорода: 669,64 кмоль/ч или 1339 кг/ч.
Всего конвертируется этана:
1116,1 · 0,673 = 751,1 кмоль/ч.
По реакции образования метана
Расходуется:
этана: 751,1 - 669,64 = 81,46 кмоль/ч или 2444 кг/ч;
водорода: 81,46 кмоль/ч или 163 кг/ч.
Образуется метана: 81,46 · 2 = 162,92 кмоль/ч или 2607 кг/ч.
Остается этана в составе пирогаза:
1116,1 - 751,1 = 365 кмоль/ч или 10950 кг/ч.
Пропилен в составе этановой фракции конвертируется по двум реакциям:
По реакции 2.3, согласно экспериментальным данным, расходуется 8,5% пропилена, что составляет:
58,3 · 0,085 = 5 кмоль/ч или 220 кг/ч.
Образуется:
ацетилена: 5 кмоль/ч или 130 кг/ч;
метана: 5 кмоль/ч или 80 кг/ч.
По реакции 2.4 расходуется 26% пропилена, что составляет:
58,3 · 0,260 = 15,2 кмоль/ч или 638 кг/ч.
Образуется метана: 15,2 · 3 = 45,6 кмоль/ч или 730 кг/ч.
Расход водорода составляет 45,6 кмоль/ч или 91 кг/ч. Остается пропилена в составе пирогаза:
58,3 - 5 - 15,2 = 38,1 кмоль/ч или 1600 кг/ч.
Пропан в составе этановой фракции конвертируется по следующим реакциям:
2С3Н8 = С4Н6
+ 2СН4 + Н2
2С3Н8 = С4Н10 +
С2Н4 + Н2
По реакции 2.5 расходуется 55,0% пропана, что составляет:
58,4 · 0,55 = 32,12 кмоль/ч или 1413 кг/ч.
Образуется:
бутадиена: 32,12 / 2 = 16,06 кмоль/ч или 707 кг/ч;
метана: 32,12 кмоль/ч или 514 кг/ч;
водорода: 16,06 кмоль/ч или 32 кг/ч.
По реакции 2.6 расходуется 6,0% пропана, что составляет:
58,4 · 0,06 = 3,504 кмоль/ч или 154 кг/ч.
Образуется:
бутиленов: 3,504 / 2=1,752 кмоль/ч или 102 кг/ч;
метана: 3,504 кмоль/ч или 56 кг/ч.
Всего содержится бутиленов в пирогазе:
1,752 + 0,99 = 2,742 кмоль/ч или 153 кг/ч.
По реакции 2.7 расходуется 8,5% пропана, что составляет:
58,4 · 0,085 = 4,964 кмоль/ч или 218 кг/ч.
Образуется:
пентенов: 4,964 / 2=2,482 кмоль/ч или 174 кг/ч;
метана: 2,482 кмоль/ч или 40 кг/ч;
водорода: 2,482 кмоль/ч или 5 кг/ч.
По реакции 2.8 расходуется 10% пропана, что составляет:
58,4 · 0,1 = 5,84 кмоль/ч или 257 кг/ч.
Образуется:
бутана: 5,84 / 2 = 2,92 кмоль/ч или 169 кг/ч;
этилена: 2,92 кмоль/ч или 82 кг/ч;
водорода: 2,92 кмоль/ч или 6 кг/ч.
По реакции 2.9 расходуется 17,5% пропана, что составляет:
58,4 · 0,175 = 10,22 кмоль/ч или 450 кг/ч.
Расход водорода составляет:
10,22 · 2 = 20,44 кмоль/ч или 41 кг/ч.
Образуется метана:
10,22 ·3 = 30,66 кмоль/ч или 491 кг/ч.
Остается пропана в пирогазе:
58,4 - (32,12 + 3,504 + 4,964 + 5,84 + 10,22) = 1,752 кмоль/ч или 77 кг/ч.
Бутадиен взаимодействует с этиленом по реакции
В эту реакцию вступает 23,5% образовавшегося бутадиена, что составляет:
16,06 · 0,235 = 3,774 кмоль/ч или 204 кг/ч.
Расход этилена составляет: 3,774 кмоль/ч или 106 кг/ч.
Образуется:
бензола: 3,774 кмоль/ч или 294 кг/ч;
водорода: 3,774 · 2 = 7,548 кмоль/ч или 15 кг/ч.
Остается бутадиена:
16,06 - 3,774 = 12,286 кмоль/ч или 663 кг/ч.
Всего образуется метана по реакциям 2.2 – 2.7, 2.9:
162,92 + 5 + 45,6 + 32,12 + 3,504 + 2,482 + 30,66 = 282,286 кмоль/ч или 4517 кг/ч.
По реакции
конвертируется 2,6% метана, что составляет:
282,286 · 0,026 =7,339 кмоль/ч или 117 кг/ч.
Расход водяного пара: 7,339 кмоль/ч или 132 кг/ч.
Образуется:
оксида углерода: 7,339 кмоль/ч или 220 кг/ч;
водорода: 7,339 · 3 = 22,017 кмоль/ч или 44 кг/ч.
Остается:
метана: 282,286 - 7,339 = 274,947 кмоль/ч или 4399 кг/ч;
водяного пара: 862,5 - 7,339 = 855,161 кмоль/ч или 15393 кг/ч,
где 862,5 – молярный поток водяного пара на входе в трубчатую печь (поток 2), кмоль/ч.
Образуется водорода по реакциям 2.1, 2.5, 2.7, 2.8, 2.10, 2.11:
669,64 + 16,06 + 2,482 + 2,92 + 7,548 + 22,017 = 720,667 кмоль/ч или 1441 кг/ч.
Расход водорода по реакциям 2.2, 2.4, 2.9:
81,46 + 45,6 + 20,44 = 147,5 кмоль/ч или 295 кг/ч.
Остается водорода в пирогазе:
720,667 - 147,5 = 573,167 кмоль/ч или 1146 кг/ч.
Этилена в составе этановой фракции содержится 9,1 кмоль/ч (см. таблицу 2.1), образуется по реакции 2.8: 2,92 кмоль/ч, расходуется по реакции 2.10: 3,774 кмоль/ч.
Остаток 9,1 + 2,92 - 3,774 = 8,246 кмоль/ч представляет собой потери на стадии выделения этилена из пирогаза. В составе пирогаза (на выходе из трубчатой печи) содержится этилена:
669,64 + 8,246 = 677,886 кмоль/ч или 18981 кг/ч.
Потери этилена составляют: 8,246 · 100 / 677,886 = 1,2%, что соответствует оптимальному технологическому режиму.
Коксообразованием в процессе пиролиза пренебрегаем.
По результатам расчета составляем таблицу 2.2.
Таблица 2.2 – Состав пирогаза (поток 6)
Компонент |
nτ, кмоль/ч |
Хi, % |
Vτ , м3/ч |
mτ, кг/ч |
Wi, % |
Сухой газ: |
|||||
Метан |
274,947 |
13,97 |
6159 |
4399 |
11,29 |
Ацетилен |
5 |
0,25 |
112 |
130 |
0,33 |
Этилен |
677,866 |
34,46 |
15184 |
18981 |
48,74 |
Этан |
365 |
18,55 |
8198 |
10950 |
28,11 |
Пропилен |
38,1 |
1,94 |
853 |
1600 |
4,12 |
Пропан |
1,752 |
0,09 |
39 |
77 |
0,2 |
бутадиен-1,3 |
12,286 |
0,62 |
275 |
663 |
1,7 |
Бутилены |
2,742 |
0,14 |
61 |
153 |
0,39 |
Бутан |
2,92 |
0,15 |
65 |
169 |
0,44 |
Пентены |
2,482 |
0,13 |
56 |
174 |
0,45 |
Бензол |
3,774 |
0,19 |
85 |
294 |
0,76 |
Водород |
573,167 |
29,14 |
12839 |
1146 |
2,94 |
оксид углерода |
7,339 |
0,37 |
164 |
220 |
0,53 |
Сумма |
1967,375 |
100 |
44090 |
38956 |
100 |
Водяной пар |
855,161 |
|
19156 |
15393 |
|
Всего |
2822,536 |
63246 |
54349 |