Проект установки получения ацетилена производительностью 15т/ч

Содержание
Введение
Литературный обзор
Обоснование выбранного способа производства.
Физико-химические основы выбранного способа производства.
Описание технологической схемы.
Реакционное устройство
Расчет материального баланса процесса пиролиза.
Расчет теплового баланса процесса пиролиза
Заключение
Литература

Из реакции (1) следует, что 1 моль ацетилена получают из 2-х молей метана, т.е. расход метана на целевые реакции составит:
15 т/ час - Х
26 - 2*16 Х = 18,46154 т/час = 18461,54 кг/ч метана
Поскольку выход ацетилена составляет 8,8 % в расчете на метан, то, следовательно, количество метана, идущее на пиролиз, принимаем за 100 %. Общее количество поступившего на установку метана рассчитываем по часовой производительности установки из соотношения:
15000 - 8,8
Х - 100 Х = 170454,55 кг/ч метана
Расход метана, идущий на реакцию образования ацетилена, составляет 0,72 от общего расхода метана.
18461,54 кг/ч - 100
Х - 72 % Х = 13292,31 кг/ч метана
Расход метана на протекание реакции 2 составит:
18461,54 – 13292,31 = 5169,23 кг/ч метана
Рассчитываем количество метана, идущее на протекание реакций 3 и 4. Это реакции окисления метана до СО, Н2 и Н2О расходуется:
170454,55 – 18461,54 = 151993 кг/ч,
причем на реакцию 3 расходуется:
151993*1/5 = 30399 кг/ч,
а на протекание реакции 4 расходуется в 4 раза больше метана:
151993 *4/5 = 121594 кг/ч,
Расход кислорода на окисление также рассчитываем по уравнениям реакций.
4*16 - 3*32
5169,23 кг/ч - Х Х = 7754 кг/ч кислорода
16 - 32
30399 - Х Х = 60797 кг/ч кислорода
2*16 - 32
121594 кг/ч - Х Х = 121594 кг/ч кислорода
Общее теоретически необходимое количество кислорода на протекание реакций:
7754+60797 + 121594 = 190145 кг/ч кислорода
Проводим расчет количества веществ, образующихся в ходе пиролиза.
Рассчитываем количество образующегося водорода
Водород образуется по реакции 1. Количество образующегося водорода
2* 16 - 3*2
13292 кг/ч - Х Х = 2492 кг/ч водорода
По реакциям 3 и 4 также происходит образование водорода. Соответственно образуется:
16 - 2
30399 - Х Х = 3800 кг/ч водорода
2*16 - 4*2
121594 кг/ч - Х Х = 30399 кг/ч водорода
Итого образуется 2492+3800+30399 = 36691 кг/ч водорода
Рассчитываем количество образующейся воды (водяного пара) по реакциям 2 и 3:
4*16 - 6*18
5169 - Х Х = 8723 кг/ч водяного пара
16 - 18
30399 - Х Х = 34198 кг/ч водяного пара
Суммарно образуется 8723+34198 = 42922 кг/ч водяного пара
Рассчитываем суммарное количество образующегося оксида углерода (реакции 3 и 4):
16 - 28
30399 - Х Х = 53198 кг/ч окиси углерода
2*16 - 2*28
121594 кг/ч - Х Х = 212790 кг/ч окиси углерода
Всего может образоваться 53198+212790 = 265988 кг/ч окиси углерода.
Таблица 3. Материальный баланс процесса пиролиза метана производительностью 15 т/ч (15000кг/ч)
Приход Расход кг/ч кг/ч метан 170455 ацетилен 15000 кислород 190145 водород 36691 водяной пар 42922 окись углерода 265988 Итого 360600 Итого 360600
Материальный баланс на газ состав газа, % (об.):
СН4 - 97,5;
С2Н6 - 0,16;
СО2 - 0,50;
N2 - 1,80;
и технического кислорода, % (об.):
кислород – 98,0;
азот - 1,0;
аргон - 1,0 представлен в таблице
Поскольку состав газов приведен в об. %, необходимо пересчитать состав на кг с учетом плотности газа при нормальных условиях по формуле:
М % = Моб*d/ΣМоб*d
Для природного газа
ΣМоб*d= 0,975*0,8036+0,0016*1,3393+0,005*1,9643+0,018*1,25 = 0,817
CH4 = 170455*0,975*0,8036/0,817 = 163468 кг
С2Н6 = 170455*0,0016 /0,817 = 334 кг
СО2 = 170455*0,005*1,9643/0,817 = 2048 кг
N2 = 170455*0,018*1,25/0,817 = 4694 кг
Для технического кислорода
ΣМоб*d=0,98*1,42857+0,01*1,250+0,01*1,7857= 1,43036
О2 = 190145*0,98*1,42857/1,43036 = 186109 кг
N2 = 190145*0,01*1,250/1,43036 = 1662 кг
Ar = 190145*0,01*1,7857/1,43036 = 2374 кг
Таблица 4.
Приход Расход вещество кг/ч кмоль/ч вещество кг/ч кмоль/ч метан 170455 ацетилен 15000 669,6 метан 163468 7297,7 водород 36691 1638 этилен 334 14,9 водяной пар 42922 1916 двуокись углерода 2048 91,5 окись углерода 265988 11874 азот 4694 209,6 азот 1662 74,2 кислород техн 190145 аргон 2374 106 кислород 186109 8308 азот 1662 74,2 аргон 2374 106
Расчет теплового баланса процесса пиролиза
Процесс термического разложения метана эндотермическая идет по уравнению:
2СН4 ( С2Н2 + ЗН2 - 91 ккал (380,74 кДж)
Для проведения реакции пиролиза тепло подводится путем нагрева исходных газов и в результате сжигания некоторого количества метана непосредственно в реакционном объеме. Над специальной насадкой реактора происходит сгорание смеси метана с воздухом, в результате чего температура поднимается до 1500 град. С и затем идет пиролиз метана.
Процесс термического разложения метана осуществляется в факеле, когда наряду с образованием ацетилена протекает несколько побочных реакций:
СН4 + 0,5О2 ( СО + 2Н2 + 6,1 ккал (25,5 кДж)
СН4 + 2О2 ( СО2 + 2Н2О + 212 ккал (887 кДж)
СО + Н2О ( СО2 + Н2 + 10 ккал (42 кДж)
С2Н2 ( 2С + Н2 + 18 ккал (75,3 кДж)
Кроме указанных возможно протекание реакций образования высших ацетиленовых углеводородов - диацетилена, метил ацетилена, винилацетилена и др.
Состав исходной метано-кислородной смеси влияет на тепловой баланс окислительного пиролиза метана. Сделан вывод, что в интервале значений соотношения О2:СН4 от 0,58 до 0,65 окислительный пиролиз можно осуществлять в пламени неполного горения метана, так как процесс при этих соотношениях носит аутотермический характер.
Тепловой баланс рассчитывают по равенству тепловых потоков, входящий в систему Qвх и тепловых потоков Qвых, отводимых из системы
5СН4+3О2 →С2Н2+6Н2+3СО+3Н2О
Q1=Q3-Q4 -Q2, где
Q1 - тепло, вносимое с реакционной массой; Q2 - тепловой эффект процесса; Q3 - тепло, отводимое из аппарата с реакционной массой; Q4 - потери.
При энергетических расчетах тепло вводимое и выводимое с реакционной массой определяются по формуле:
Q = ΣG*c*Т
где G - масса вещества, кг; c - теплоемкость, кДж/(кг(К); Т - температура, К, G - масса вещества, которая определяется из уравнения материального баланса.
Тепловой эффект процесса Q3 процесса рассчитывают по закону Гесса разницу теплот образования продуктов реакции и исходных веществ:
Q3 = -
где - сумма теплот образования исходных веществ, - сумма теплот образования продуктов реакции.
Тепловой эффект
СН4 + 0,5О2 ( СО + 2Н2 + 6,1 ккал (25,5 кДж)
СН4 + 2О2 ( СО2 + 2Н2О + 212 ккал (887 кДж)
СО + Н2О ( СО2 + Н2 + 10 ккал (42 кДж)
С2Н2 ( 2С + Н2 + 18 ккал (75,3 кДж)
2СН4 ( С2Н2 + ЗН2 - 91 ккал (380,74 кДж)
Теплоту реакции рассчитывают по формуле
Q = ΔН*ΔN = ΔН*(Nc2 – Nc1), где
ΔН – изменение энтальпии реакции, равное тепловому эффекту с обратным знаком. ΔН рассчитывают как разность энтальпии продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.
Считаем, что в реактор поступает смесь с температурой 650°С, потери тепла в окружающую среду составляют 3 % от теплоты, поступающей с потоком исходных веществ.
Вещество Ср 298°С, Дж/(моль*К) ΔН при 298°С
Дж/моль СН4 35,79 74,85 О2 29,4 0 Н2 28,83 0 С2Н2 43,93 226,75 Н2О 33,56 -241,8 CO 29,15 -110.5 CO2 37,13 393,5
Определяем теплоту, соответствующую теплоте потока сырья
Q1= Срсн4*N*T = 35.79*(7297,7)*(650+273) = 2,4 108 кДж/ч
Q2= СрO2*N*T = 29,4*(8308)*(650+273) = 2,25 108 кДж/ч
Q = Q1 + Q2 = 4,66 108 кДж/ч
Теплота потерь
Q = 0.03*Q = 0,14 108 кДж/ч
Определяем теплоту реакции пиролиза метана, которая идет с поглощением тепла
ΔН = ΔНк – ΔНн = 226,75-0-74,85 = 151,9 кДж/моль
Теплота реакции пиролиза метана составляет
Qпир = 43,93*669,6*1273= 0,3745 кДж/ч
Тепло, которое уходит с потоком уходящих продуктов реакции с учетом нагрева
Qуход г =ΣNc*N*Тк=1638*28,83*973+1916*33,56*973+11874*29,15*973=
=4,45 108 кДж/ч
Общее уравнение теплового баланса при том, что все участники процесса являются газообразными веществами
Q = Qп –Qхр-Qух г = 0
Приход Расход вещество кг/ч кмоль/ч вещество кг/ч кмоль/ч метан 170455 ацетилен 15000 669,6 метан 163468 7297,7 водород 36691 1638 этилен 334 14,9 водяной пар 42922 1916 двуокись углерода 2048 91,5 окись углерода 265988 11874 азот 4694 209,6 высшие углеводороды кислород техн 190145 кислород 186109 8308 азот 1662 74,2 аргон 2374 106 Итого 360600 Итого 360600
Заключение
Анализ свойств ацетилена показывает, что он является необходимым материалом для современной промышленности. На его основе можно получать новые химические соединения и материалы. Кроме того ацетилен необходим в производствах, где требуется проводить сварные работы стальных изделий. В связи с этим производство ацетилена в настоящее время должно только расширяться. Одним из эффективных методов получения ацетилена является его синтез методом окислительного автотермического пиролиза, предполагающего проведение процесса с предварительным сжиганием исходного газа, содержащего метан, для создания условий протекания реакции получения ацетилена из метана.
В настоящее время метод окислительного пиролиза широко используют. Метод окислительного пиролиза метана представляет особенный интерес также с точки зрения возможности использования больших запасов природного метана.
Литература
1. Ацетилен // Химическая энциклопедия / Главный редактор И. Л. Кнунянц. — М.: «Советская энциклопедия», 1988. — Т. 1. — С. 428-431
2. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. Учебник для технических ВУЗов. – М.: «Высшая школа», 1990. – 512 с.
3 Темкин О.Н., Шестаков Г.К., Трегер Ю.А. Ацетилен: Химия. Механизмы реакций. Технология. —М.: «Химия», 1991. — 416 с. 
4. Миллер С. Ацетилен, его свойства, получение и применение / Пер. с английского. — М.: «Наука», 1969. — 680 с.
5. Нейланд О. Я. Органическая химия: Учеб. для хим. вузов. — М.: «Высшая школа», 1990. — 750 с. 
6. Паушкин Я.М., Адельсон С.В., Вишнякова Т.П. Технология нефтехимического синтеза, в двух частях. Ч. I. Углеводородное сырье и продукты его окисления. М.: «Химия», 1973. – 448 с.
7. Общая химическая технология: Учеб. для химико-техн. спец. вузов. В 2-х т./под ред. проф. И.П.Мухленова. – М.: Высш. шк., 1984. – 263 с.
8. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза: Учебник для вузов. – М. Химия, 1988. – 592 с.
9. Ацетилен // Химическая энциклопедия / Главный редактор И. Л. Кнунянц. — М.: «Советская энциклопедия», 1988. - Т. 1. - С. 428-431
3
30