Производство 12-дихлорэтана Содержание Введение 1 Выбор и обоснование метода производства 1,2 – дихлорэтана 2 Химические и физико-химические основы производства 1,2 – дихлорэтана 3 Характеристика сырья, продуктов и вспомогательныхматериалов 3.1 Характеристика сырья 3.2 Характеристика готовой продукции 3.3 Характеристика побочной продукции 4 Описание технологической схемы получения 1,2 – дихлорэтана 5 Материальный баланс 6 Расчет теплового баланса реактора прямого хлорирования этилена 7 Технологические расчеты 7.1 Определение основных размеров реактора 7.2 Определение диаметра основных патрубков 7.3 Расчет теплообменника Т-1 8 Механические расчеты 8.1 Расчет реактора прямого хлорирования этилена 8.2 Определение толщины тепловой изоляции 8.3 Расчет теплообменника 9 Аналитический контроль процесса 10 Автоматизация 10.1 Анализ объектов управления 10.2 Спецификация на приборы и средства автоматизации 11 Безопасность жизнедеятельности 11.1 Характеристика и анализ опасных производственных и вредных факторов 11.2 Производственная санитария 11.3 Расчет освещения производственного помещения 11.4 Техника безопасности 12 Охрана природы 13 Экономика и организация производства Вывод Список литературы Введение Производство дихлорэтана тесно связано с винилхлоридом, поэтому современные варианты получения винилхлорида содержат технологические схемы получения дихлорэтана, как полупродукта для переработки в винилхлорид. Из винилхлорида получают поливинилхлорид, занимающего по объему выпуска второе место после полиэтилена среди полимерных материалов. [1] Все процессы хлорирования можно подразделить на две основные группы: жидкофазные и газофазные. Преимущества первых состоят в применении умеренных температур (до 100–1200 С) и легкости отвода тепла благодаря высоким коэффициентам теплоотдачи от жидкости к стенке. Дихлорэтан – бесцветная летучая жидкость со сладковатым запахом. Дихлорэтан смешивается во всех отношениях со спиртами, бензолом, ацетоном и другими органическими соединениями. Дихлорэтан находит широкое применение в различных областях промышленности и как растворитель: для очистки нефтепродуктов от парафинов, для экстрагирования жиров, для обезжиривания шерсти, мехов, а также для очистки металлических изделий перед хромированием или никелированием. Производство дихлорэтана является одним из важнейших факторов в производственной цепи получения полимеров, конечная цель которого получение полимерных и синтетических материалов (пластмасс), без которых нельзя представить жизнь современного общества. [1] Сырьем для получения 1,2 – дихлорэтана являются этилен и хлор. 1 .Выбор и обоснование метода производства 1,2 – дихлорэтана В промышленном масштабе 1,2 – дихлорэтан получают двумя совмещенными методами, использующие хлор: – прямое хлорирование этилена в жидкой фазе; – окислительное хлорирование этилена в газовой фазе. Реакция окислительного хлорирования идет с выделением тепла, катализатором служит хлорид меди. Процесс экзотермический, чем больше атомов хлора вводится, тем больше выделяется тепла. Реакция идет в газовой фазе, с теплоотводом справится трудно. Из – за наличия в реакционной массе паров воды при процессах окислительного хлорирования наблюдается сильная коррозия аппаратуры. Кроме обычной защиты корпуса реакторов керамическими материалами, для изготовления охлаждающих устройств, применяют специальные сплавы. [2] Недостатками этого способа является образование побочных продуктов замещения, а также трудности очистки дихлорэтана. Процесс газофазного хлорирования требует особенного требования по технике безопасности. Современная тенденция развития экономии энергетических ресурсов привела к созданию процесса прямого хлорирования этилена с использованием тепла реакции для ректификации образующегося дихлорэтана. Получение дихлорэтана основано на химической реакции взаимодействия этилена с хлором. Процесс ведут в жидкой фазе, в присутствии катализатора хлорного железа при температуре 49–650 С. Благодаря этому достигается безопасность процесса. [2] При обосновании метода отметим, что данная технологическая схема по своему процессу проста и экономически выгодна. Выбор жидкофазного метода оправдан термической нестабильностью получаемых хлорпроизводных, обусловленной отщеплением хлористого водорода (дегидрохлорированием). После окончательной промывки получаем более чистый дихлорэтан. Степень конверсии хлора близка к 100%, а степень конверсии этилена зависит от взятого избытка его и составляет 90–97%. Выход 1,2 – дихлорэтана более 99%. Выбор места производства обусловлен: – близким расположением источников сырья и энергии; – огромные запасы поваренной соли; – соседство с Восточно – Сибирской железной дорогой; – возможность поставки сырья из Ангарска; – в перспективе при освоении Ковыктинского месторождения в качестве сырья будет использоваться этилен, получаемый пиролизом этановой фракции. 2. Химизм, механизм, кинетика процесса Получение 1,2 – дихлорэтана методом прямого хлорирования этилена основано на реакции взаимодействия испаренного хлора и этилена в жидкой фазе. Эта реакция является каталитической и экзотермической. Поскольку экзотермическая реакция синтеза дихлорэтана в объеме газовой фазы протекает с взрывом, процесс ведут в жидкой фазе дихлорэтана. Скорость процесса жидкофазного хлорирования этилена увеличивается с ростом температуры. [3] Получение 1,2 – дихлорэтана методом прямого хлорирования этилена основано на реакции [3]: FeCl3 С2 H 4 + С12 С2 H4 С12 + 220 кДж/моль Катализатором является хлорное железо (FeC13 ), растворенное в дихлорэтане. Механизм реакции образования 1,2 – ДХЭ при взаимодействии этилена и хлора в присутствии катализатора состоит в электрофильном присоединении с промежуточным образованием π-комплекса. FeC13 δ+ СН2 = СН2 +С1 – С1 СН2 = СН2 CH2 – СН2 + + С1 – CH2 – СН2 С1 – С1δ – С1 С1 С1 π – комплекс карбоний катион Роль хлорного железа состоит в том, что оно активирует молекулы хлора, ингибирует цепочки радикалов, ускоряет стадию перехода π – комплекса в σ – комплекс и образованию комплекса FеС13 + С12 FеС14 - + Сl+ Хлорное железо играет роль не только катализатора присоединения, но и ингибитора радикальных процессов. FеС13 + Ŕ FеС12 + RС1 FеС12 + 1 2 С12 FеС13 В качестве катализатора используют безводные хлориды железа при температуре от 0 °С до температуры кипения 1,2 – ДХЭ при давлении 0,05–0,2 МПа . Наряду с основной реакцией получения 1,2 – ДХЭ протекают реакции заместительного хлорирования, которые ведут к образованию побочных продуктов, таких как 1,1,2 – трихлорэтан, винилхлорид и т.д. Образование других примесей, также связано со свободнорадикальными процессами. Механизм побочных реакций следующий, сначала образуется радикал хлора. С12 2 1 Свободный радикал хлора взаимодействует с молекулой 1,2 – ДХЭ с образованием 1,1,2 – трихлорэтана и хлористого водорода. СН2 С1 – СН2 С1 + 1 С1 Н – СН2 С1 + НС1 С1 Н – СН2 С1 + С12 СНС12 – СН2 С1 + 1 Так же свободный радикал хлора может вступить в реакцию с молекулой этилена с образованием винильного радикала. СН2 = СН2 + 1 Н = СН2 + НС1 Образование винилхлорида в результате взаимодействия хлорного и винильного радикалов. Н = СН2 + 1 С1СН = СН2 Образование этилхлорида происходит в результате взаимодействия этилена с хлористым водородом в присутствии хлорного железа. FeC13 δ+ СН2 = СН2 +Н – С1 СН2 = СН2 CH3 – СН2 + + FeС1 CH3 – СН2 С1 Н – С1δ- π – комплекс Для снижения активности радикалов в газовой фазе в реакционную зону подают кислород на уровне 1% объемного. Избыток этилена (2 – 5%), также препятствует выходу хлора в газовую фазу и следовательно снижает долю побочных свободно – радикальных процессов. Основными параметрами, определяющими чистоту получаемого продукта, являются: 1. Соотношение этилен: хлор. 2. Наличие посторонних примесей в исходном сырье. 3. Температура процесса. 4. Концентрация катализатора. Соотношение, между вступившими в реакцию этиленом и хлором, поддерживается 1:1. Избыток хлора ведет к увеличению образования побочных продуктов. Избыток этилена ведет к увеличению объема абгазов и дезактивации катализатора. 1) Примеси в сырье инертных газов или насыщенных углеводородов не оказывают влияния на химизм процесса, но заметно увеличивают потери продукта с абгазами. Объемная доля влаги более 0,002% дезактивирует катализатор, так как хлорное железо является гидрофильным веществом, которое образует с водой нереакционноспособный комплекс FеС13 * 6Н2 O. Наличие кислорода в небольшом количестве способствует реакции присоединительного хлорирования, так как кислород подавляет образование свободных радикалов хлора. 2) Температуру в реакторе прямого хлорирования следует поддерживать в пределах 49–65 °С. При температуре ниже 49 °С увеличиваются потери хлора и этилена с абгазами из-за неполного взаимодействия. При температуре более 65°С происходит увеличение образования побочных продуктов, главным образом трихлорэтан а, и ускоряется коррозионный износ оборудования. 3) Массовая доля катализатора F еС13 в дихлорэтане должна поддерживаться в пределах 0,005 – 0,03 % (50–300 ppm). При массовой доле катализатора в дихлорэтане менее 0,005% (50 ppm) скорость реакции присоединительного хлорирования уменьшается. При массовой доле катализатора более 0,03% (300 ppm)у величиваются его потери с дихлорэтаном-сырцом. 3 Характеристика сырья, го товых продуктов и вспомогательных материалов 3.1 Характеристика сырья Этилен СН2 = СН2 Физико-химические свойства: – молекулярная масса -28 – плотность – 1,261 кг/м3 – растворимость в воде при н. у. – 0,281г/дм3 – температура кипения – минус 103,710 С – температура плавления – минус 169,50 С Этилен – бесцветный газ с удушливым сладковатым запахом. По степени воздействия на организм человека относится к 4‑му классу опасности (ГОСТ 25070 – 87). Предельно – допустимая концентрация этилена 100 мг/м3 . При превышении предельно – допустимой концентрации этилен оказывает наркотическое действие, может вызвать головную боль, головокружение, ослабление дыхания, нарушение кровообращения, потерю сознания. Этилен – горючий газ, способный к взрывному разложению при повышенном давлении, высокой температуре или при воздействии открытого огня в присутствии кислорода. Концентрированные пределы воспламенения в воздухе: нижний – не менее 3,11% объемных, верхний – не более 32% объемных [4]. Хлор СL2 Физико-химические свойства: – молекулярная масса -35 – плотность – 3,214 кг/м3 – растворимость в воде при н. у. – 7,4г/дм3 – температура кипения – минус 34,050 С – температура плавления – минус 101,60 С Хлор – негорючий, удушливый газ с резким запахом, желто – зеленого цвета, который в 2,5 раза тяжелее воздуха. Вызывает раздражение верхних дыхательных путей и слизистых оболочек, вызывает отек легких. Воздействуя на кожу, вызывает химический ожог. Класс опасности – 2 (вещество высоко – опасное). С водородом образует взрывоопасные смеси. Предельно – допустимая концентрация хлора 1 мг/м3 [4]. Таблица 3.1 Наименование сырья, материалов, продуктов ГОСТ, ТУ. Показатели обязательные для проверки Регламентные показатели, допустимые отклонения Этилен (C2 H4 ) ГОСТ 25070–87 1) объемная доля этилена, % 2) объемная доля пропилена, % 3) объемная доля метана и этана в сумме, % 4) объемная доля ацетилена, % не менее 99,9 не более 0,005 не более 0,1 не более 0,001 Хлор (С12 ) ГОСТ 6718 – 93 5) объемная доля хлора, % 6) объемная доля воды, % 7) объемная доля кислорода, % не менее 97,6 не более 0,01 не более 2,0 3.2 Характеристика готовой продукции Дихлорэтан СН2 СL – CН2 L Физико-химические свойства: – молекулярная масса – 98 – плотность – 1282 кг/м3 – растворимость в воде при н. у. – 0.91% – температура кипения – 83.470 С – температура плавления – минус 35.360 С Дихлорэтан – бесцветная жидкость с характерным запахом, легко растворяется в обычных растворителях и сам является хорошим растворителем. В смеси с воздухом пары дихлорэтана образуют взрывоопасные смеси. Концентрированные пределы воспламенения смеси с воздухом: нижний – не менее 6,2, % объемных, верхний – не более 16,0% объемных. Дихлорэтан токсичен. При вдыхании паров и проникновении через кожу вызывает дистрофические изменения в печени, почках. Класс опасности – 2 (вещество высоко – опасное). Предельно – допустимая концентрация дихлорэтана 10 мг/ м3 [4]. Таблица 3.2 Наименование сырья, материалов, продуктов ГОСТ, ТУ. Показатели обязательные для проверки Регламентные показатели, допустимые отклонения 1,2 – дихлорэтан – ректификат (С2 Н4 С12 ) ГОСТ 1942–86 1) массовая доля 1.2 – дихлорэтана, % 2) массовая доля воды, % 3) массовая доля хлора, % 4) массовая доля железа, % 5) массовая доля суммы легкокипящих, % 6) массовая доля суммы высококипящих, % не менее 99,1 не более 0,0015 не более 0,0002 не более 0,0007 не более 0,5 не более 0,4 3.3 Характеристика побочных продуктов Хлорное железо в обычных условиях – кристаллы фиолетового цвета с темно – зеленым оттенком. Хлорное железо при погрузо – разгрузочных работах пылит, пыль его вызывает раздражение слизистых оболочек органов дыхания и зрения, при попадании в пищеварительный тракт может вызвать рвоту. Относится к 2 классу опасности (вещество высоко – опасное). Предельно – допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны производственных помещений – 1 мг/м3 [4]. Азот N2 Физико-химические свойства: – молекулярная масса – 14 – плотность – 1,251 кг/м3 – растворимость в воде при н. у. – 0,024 г./дм3 – температура кипения – минус 195,80 С – температура плавления – минус 209,860 С Азот – инертный газ без цвета и запаха. При больших концентрациях приводит к удушью, так как не поддерживает дыхание [4]. 1,1,2 – трихлорэтан С2 Н3 СL3 1.1.2 – трихлорэтан Физико-химические свойства: – молекулярная масса – 135 – температура вспышки – 290 С – температура самовоспламенения – 4950 С 1,1,2 – трихлорэтан – бесцветная летучая жидкость со сладковатым запахом. Проникает в организм через неповрежденную кожу и при вдыхании паров. Присутствие трихлоэтана во вдыхаемом воздухе вызывает резкую одышку, кашель, боль в легких. Поражает нервную систему, печень. Обладает сильным наркотическим действием. Таблица 3.3 Наименование сырья, материалов, продуктов ГОСТ, ТУ. Показатели обязательные для проверки Регламентные показатели, допустимые отклонения Хлорное железо (FeC13 ) ТУ‑6–00–5763450–129–91 по сертификату поставщика содержание хлорного железа, % не менее 95,0 Азот (N2 ) ТУ‑6–02–1129–91 1) объемная доля азота, % 2) объемная доля кислорода, % 3) массовая концентрация водяных паров в газообразном азоте при 20 °С и 101,13 кПа, г/м3 не менее 99,999 не более 0,005 не более 0,005 1,1,2 – трихлорэтан (С2 Н3 С13 ) ТУ‑6–01–1130–92 1) внешний вид цвет 2) содержание 1,1,2 – трихлорэтана, % 3) содержание примесей, % в том числе: 1,1 и 1,2 дихлорэтана, % тетрахлорэтана, % перхлорэтилена, % 4) содержание воды, % 5) рН водной вытяжки бесцветная подвижная жидкость не менее 92,0 не более 8,0 не более 3,0 не более 1,5 не более 3,5 не более 0,05 4,5 – 7,0 4. Описание технологической схемы получения 1,2 – дихлорэтана Реакция прямого хлорирования этилена протекает в реакторе, совмещенном с теплообменником в жидкой фазе при поглощении газообразного этилена и хлора жидким дихлорэтаном в присутствии катализатора – хлорного железа (FеС13 ) , растворенного в дихлорэтане. Реактор прямого хлорирования Р- 1 представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с внутренним диаметром 1400 мм. и высотой 9700 мм., в нижней части которого установлены два распределительных устройства для подачи этилена, хлора. Для исключения проскока свободного хлора, хлорный барботер расположен ниже этиленового. Для снятия тепла реакции реактор Р- 1 своими нижними и верхними частями соединен линиями перетока с трубной частью вертикального кожухотрубного теплообменника Т – 1, с площадью теплообмена 961м2 , диаметр кожуха 1200 мм, диаметр труб 20*2 мм, количество труб 1701, длина труб 9 м. В трубопровод прямой оборотной воды периодически, для удаления отложений на трубном пучке, подается технологический воздух. Испаренный хлор по трубопроводу подается в нижнее распределительное устройство реактора прямого хлорирования Р‑1. Объемная доля воды в испаренном хлоре не более 0,007% контролируется по прибору МRCА, при увеличении объемной доли воды более 0,007% на АРМ срабатывает сигнализация. Объемный расход хлора в пределах 1200 – 3400нм3 /ч контролируется с помощью регулятора расхода FRСА. Давление испаренного хлора контролируется по прибору РRА в пределах 0,3–0,6 МПа. При уменьшении давления менее 0,3МПа на АРМ срабатывает сигнализация. Температура испаренного хлора в пределах 10–400 С контролируется по прибору ТR. Газообразный этилен по трубопроводу поступает с установки этиленохранилища газового производства с давлением 0,6–1,1МПа. Объемная доля воды в этилене не более 0,001%. Вместе с этиленом и хлором в систему подаются инерты, что повышает вероятность образования взрывоопасной газовой смеси. Для исключения этого предусмотрена подача азота (с АРМ оператора) в трубопровод этилена перед реактором прямого хлорирования Р‑1 или в головную часть реактора. Объемный расход азота не более 80м3 /час поддерживается с помощью регулятора расхода FRС. Катализатор прямого хлорирования готовится растворением хлорного железа в дихлорэтане в емкости Е‑7. Хлорное железо (порошок) загружается через люк в предварительно подготовленную емкость из бочек вручную. Подача катализатора в реактор обеспечивается циркуляцией дихлорэтана между реактором и емкостью насосом. Самоциркуляция дихлорэтана между реактором и теплообменником осуществляется за счет термосифонного эффекта и барботирования этилена и хлора в потоке дихлорэтана. В результате экзотермической реакции прямого хлорирования, дихлорэтан нагревается до температуры 49–65°С и через верхнюю циркуляционную трубу поступает в трубное пространство теплообменника, проходит его сверху вниз, охлаждаясь при этом до температуры 40 – 56 °С и по нижней циркуляционной трубе возвращается в нижнюю часть реактора. Температура дихлорэтана вверху реактора в пределах 49 – 65о С поддерживается с помощью регулятора температуры ТRА, регулирующий клапан которого установлен на трубопроводе подачи прямой оборотной воды в межтрубное пространство теплообменника Т‑1. При понижении температуры ниже 400 С на АРМ срабатывает сигнализация. Полученный дихлорэтан из реактора прямого хлорирования Р‑1 с температурой не выше 65 о С через переливной бак Б‑1 самотеком поступает в промежуточную емкость Е‑2 дихлорэтана-сырца, откуда насосом (в зависимости от уровня в емкости) подается на систему отмывки. Уровень дихлорэтана в емкости Е‑2 поддерживается в пределах 30–70%. Часть потока дихлорэтана от насоса Н‑1 периодически подается в емкость Е‑7 для подачи катализатора в реактор Р‑1. Абгазы из реактора прямого хлорирования Р‑1, с температурой не выше 65о С поступают в трубное пространство конденсатора Х‑2, где охлаждаются водой. Охлажденные абгазы разделяются на жидкую и газообразную фракции в фазоразделителе Ф‑2. Газообразная фракция направляется на санитарную колонну К‑110, а сконденсировавшийся дихлорэтан стекает в емкость Е‑2. Полученный методом прямого хлорирования дихлорэтан-сырец содержит в себе непрореагировавший хлор, хлорное железо, хлористый водород, для удаления, которых он подвергается кислотной, щелочной и водной отмывке. Узел щелочной отмывки дихлорэтана – сырца Для удаления хлора, хлористого водорода и хлорного железа дихлорэтан-сырец с объемным расходом 3–30м3 /час, температурой не выше 650 С и давлением не более 0,72 МПА насосом Н‑1 через смесительное сопло С‑1 подается на первую ступень щелочной отмывки в емкость Е‑2. В смесительном сопле С‑1 происходит смешение дихлорэтана-сырца и циркуляционной воды, подаваемой насосом Н‑2. В процессе смешения хлористый водород и хлорное железо растворяются в воде. Водно-дихлорэтановая смесь из форсунки поступает в разделительную емкость Е‑2, где происходит разделение слоев за счет разности плотностей жидкостей. Верхний водный слой, содержащий хлорное железо и хлористый водород, из емкости Е‑2 подается насосом Н‑2 на смесительное сопло С‑1, а часть потока отводится в емкость нейтрализации сточных вод Е‑109 с помощью регулятора уровня LRCА, чем достигается регулирование уровня раздела фаз в емкости Е‑2 в пределах 30–70%. Уменьшение уровня менее 30% и увеличение более 70%, на АРМ срабатывает сигнализация. Для нейтрализации НСI, СI, FeCI3 в емкость Е‑2 подается 20%-ая щелочь со стадии 100 из емкости V‑108. НС1 + N аОН - N аС1 + Н2 О С12 + 2NаОН - N аОС1 + Na С1 + Н2 О F еС13 + 3 N аОН - F е (ОН)3 + 3 N аС1 Узел водной отмывки дихлорэтана – сырца Нижний слой дихлорэтана-сырца, содержащий щелочь и растворимые в воде соли из емкости Е‑2, через смесительное сопло С‑2 подается на водную отмывку в емкость Е‑3 В смесительном сопле С‑2 происходит смешение дихлорэтана-сырца, циркуляционной воды, подаваемой насосом Н‑3, свежей технологической воды, подаваемой насосом Н‑4 из сборника V‑215. В процессе смешения щелочь и соли растворяются в воде. Водно-дихлорэтановая смесь из форсунки поступает в разделительную емкость Е‑3, где происходит разделение слоев за счет разности плотностей жидкостей. Верхний водный слой из емкости Е‑3 насосом Н‑3, подается на смесительное сопло С‑2, а часть этого потока с помощью регулятора уровня LRCA‑25306 отводится на стадию отпарки сточных вод в емкость V‑109. Таким образом, происходит регулирование уровня в емкости Е‑3 30 – 70%. Нижний слой отмытого от примесей дихлорэтана-сырца подается на промежуточный склад в танки дихлорэтана-сырца Т‑302 или на колонну обезвоживания дихлорэтана С‑301. Объемный расход дихлорэтана-сырца из емкости Е‑3 в пределах 6 – 30 м3 /ч, контролируется по прибору FR‑24210. Кубовый продукт колонны обезвоживания С‑301 с массовой долей дихлорэтана не менее 99,1%, с массовой долей влаги не более 10-3 % (10 ppm) и массовой долей четыреххлористого углерода не более 0,25%. Далее высушенный дихлорэтан поступает на ректификацию, а затем на стадию пиролиза. 5. Материальный баланс Химическое превращение сырья осуществляется в реакционных аппаратах, или реакторах. Процессы, протекающие в них, обеспечивают получение различных продуктов реакции и улучшение их качества. Конструкция реактора должна отвечать требованиям данного химического процесса. Исходные данные: Производительность по товарному ДХЭ 120000 т/год Число рабочих часов в году 8040 часов Общие потери 2,2% Температура в реакторе 55 о С Давление в реакторе 0,18 МПа Продукты прямого хлорирования этилена, % масс.: 1,2 – дихлорэтан – 98 1,1,2 – трихлорэтан – 1,8 Винилхлорид – 0,1 Хлористый этил – 0,1 Состав сырья: Технический хлор, % об.: Хлор – 98 Вода – 0,001 Кислород – 2 Технический этилен, % об.: Этилен – 99,9 Метан – 0, 048 Этан – 0, 048 Пропилен – 0,005 5.1 Расчет материального баланса установки Производительность установки с учетом потерь Рассчитываем часовую производительность установки С учетом состава технического ДХЭ В реакторе протекают следующие реакции: 1. Образование 1,2 – дихлорэтана. С2 Н4 + 2Cl2 C2 H4 Cl2 2. Образование 1,1,2 – трихлорэтана С2 Н4 + Cl2 C2 H3 Cl3 + HCl 3. Образование винилхлорида С2 H4 + Cl2 C2 H3 Cl+ HCl 4. Образование хлористого этила C2 H4 + HClC2 H5 Cl При этом образуется: ДХЭ – 15565 • 0,98 = 15254 кг/ч ТХЭ – 15565 • 0,02 = 311,3 кг/ч ВХ – 15565 • 0,1/100 = 15,56 кг/ч ХЭ – 15565 • 0,1/100 = 15,56 кг/ч Определение количества хлора и этилена, идущих на образование ДХЭ – сырца. На образование ДХЭ (100%-ого): X1 X2 15254 CH2 =CH2 + Cl2 C2 H4 Cl2 28 71 99 М (С2 Н4 ) = 28 кг/кмоль М (Сl2 ) = 71 кг/кмоль М (С2 Н4 Cl2 ) = 99 кг/кмоль X1 (C2 H4 ) = 28•15254/99 = 4402,2 кг/ч Х2 (Сl2 ) = 71•15254/99 = 10939,7 кг/ч На образование ТХЭ: Х1 Х2 311,3 Х3 С2 Н4 + 2Cl2 С2 Н3 Cl3 + НCl 28 142 133,5 36,5 M(HCl) = 36,5 кг/кмоль М(С2 H3 Cl3 ) = 133,5 кг/кмоль Х1 (С2 Н4 ) = 28•∙311,3/133,5 = 65,3 кг/кмоль Х2 (Cl2 ) = 142•311,3/133,5 = 331,2 кг/кмоль Х3 (НCl) = 65,3•36,5/28 = 85,1 кг/ч На образование ВХ: Х1 X2 15,56 X3 С2 H4 + Сl2 C2 H3 Cl+ HCl 28 71 62,5 36,5 M(C2 H3 Cl) = 62,5 кг/кмоль Х1 (C2 H4 ) = 28•15,56/62,5 = 6,97 кг/ч Х2 (Сl2 ) = 71•15,56/62,5 = 17,27 кг/ч Х3 (НCl) = 6,97•36,5/28 = 9,1 кг/ч На образование ХЭ: Х1 X3 15,56 С2 Н4 + НClC2 H5 Сl 28 36,5 64,5 M(C2 H5 Cl) = 64,5 кг/кмоль Х1 (С2 Н4 ) =28•15,56/64,5 = 6,7 кг/ч В данном случае идет утилизация хлористого водорода, образовавшегося в предыдущих реакциях. Х3 (HCl) = 15,56•36,5/64,5=8,8 кг/ч Определяем суммарное количество образовавшегося хлористого водорода: На реакцию образования этилхлорида расходуется хлористого водорода – 10,1 кг/ч. остальное количество 94,2 – 8,8 = 85,4 кг/ч растворяется в дихлорэтане сырце. Общий расход этилена. Расход технического этилена. Состав технического этилена, % об.: Этилен (С2 Н4 ) – 99,9 Метан (СН4 ) – 0,048 Этан (С2 Н6 ) – 0,048 Пропилен (С3 Н6 ) – 0,005 Плотность при нормальных условиях [5] где М – молекулярная масса газа, кг/кмоль – плотность газа при н.у., кг/м3 22,4 м3 – объем, занимаемый 1 кмоль газа. (С2 Н4 ) = 28/22,4 = 1,250 кг/м3 (СН4 ) = 16/22,4 = 0,714 кг/м3 (С2 Н6 ) = 30/22,4 = 1,339 кг/м3 (С3 Н6 ) = 42/22,4 = 1,875 кг/м3 (С2 Н2 ) = 26/22,4 = 1,161 кг/м3 Объем при нормальных условиях [5] где – объем, занимаемый газом при н.у., м3 m–масса газа, кг - плотность газа при н.у., кг/м3 Объемный расход чистого 100%-ого этилена для получения дихлорэтана. Общий объемный расход этиленовой фракции составит: Расход остальных газов: Пропилен или Метан или Этан или Общий массовый расход технического этилена составит: Состав этилена в массовых процентах : [5] Этилен Пропилен Метан Этан Общий расход хлора G = 11288,6 кг/ч – расход чистого 100%-ого хлора пошедшего на реакцию получения 1,2 – дихлорэтана и побочные реакции. Определим состав технического хлора в массовых процентах. Определим плотность газов, входящих в состав технического хлора. (Cl2 ) = 71/22,4 = 3,17 кг/м3 (Н2 O)= 18/22,4 = 0,8 кг/м3 (O2 )= 32/22,4 = 1,43 кг/м3 Объемный расход чистого 100%-ого хлора составит: Объемный расход технического хлора: Остальные компоненты: Вода или Кислород или Массовый расход технического хлора. (вода) где – массовый расход технического хлора mi (хлор) – массовый расход 100%-ого (чистого) хлора mi (кислород) – массовый расход 100%-ого (чистого) кислорода mi (вода) – массовый расход 100%-ого (чистого) водяного пара Определим состав технического хлора в массовых процентах. [5] хлор вода кислород Таблица 5.1. Материальный баланс стадии прямого хлорирование этилена Приход Расход Компоненты % Компоненты % Технический этилен в том числе: Этилен Пропилен Метан Этан Технический хлор, в том числе: Хлор Вода кислород 4484,77 4481,2 0,3 1,23 2,3 11392,6 11288,6 0,033 104 160,17 160,04 0,007 0,07 0,07 160,46 159 0,002 3,25 27,88 72,12 ДХЭ-товарный Побочные, в том числе: ТХЭ ВХ ХЭ Отходящие газы, в том числе: Хлористый водород Пропилен Метан Этан Вода Кислород Потери ДХЭ 14943 342,4 311,3 15,56 15,56 193,3 85,4 0,2 1,23 2,3 0,033 104 395 151 2,85 3,17 0,24 0,24 5,85 1,2 0,007 0,07 0,07 0,002 3,25 4 94,73 1,98 1,17 2,2 ИТОГО: 15873,7 100 ИТОГО: 15873,7 100 Таблица 5.2. Материальный баланс реактора прямого хлорирование этилена Приход Расход Компоненты % Компоненты % Технический этилен, в том числе: Этилен Пропилен Метан Этан Технический хлор, в том числе Хлор Вода Кислород 4484,77 4481,2 0,3 1,23 2,3 11392,6 11288,6 0,033 104 160,17 160,04 0,007 0,07 0,07 160,46 159 0,002 3,25 27,88 72,12 ДХЭ-сырец, в том числе: ДХЭ ТХЭ ВХ ХЭ Остальные, в том числе: Хлористый водород Пропилен Метан Этан Вода Кислород 15565 15254 311,3 15,56 15,56 193,3 85,4 0,3 1,23 2,3 0,033 104 157,2 154,1 3,2 0,24 0,24 5,85 1,2 0,007 0,07 0,07 0,002 3,25 94,73 1,17 ИТОГО: 15873,7 100 ИТОГО: 15873,7 100 6. Тепловой баланс Уравнение теплового баланса в общем виде: Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 + Q 6 + Q пот ., [6] где Q1 , Q2 , Q3, Q4 – тепловые потоки технического этилена, технического хлора азота и продуктов реакции соответственно, кВт; Q5 – теплота экзотермических реакций; Q6 – теплота, отводимая кипящим конденсатом, кВт; Q пот. – теплопотери в окружающую среду, кВт Исходные данные: Материальные потоки (из таблицы материального баланса реактора) Технический этилен: Технический хлор: Продукты реакции (ДХЭ – сырец): Остальные: Для расчета тепловых расчетов технического хлора, технического этилена, продуктов реакции рассчитаем средние молярные теплоемкости: [6] технического хлора при температуре: Т1 =25+273=298К технического этилена при температуре: Т2 =25+273=298К продуктов реакции при температуре: Т3 =55+273=328К остальных при температуре: Т4 =55+273=328К Средние молярные теплоемкости Наименование Технический этилен: Этилен Пропилен Метан Этан Итого: Технический хлор: Хлор Вода Кислород Итого: Остальные газы + продукты реакции: ДХЭ ТХЭ ВХ ХЭ Хлористый водород Пропилен Метан Этан Вода Кислород 99,9 0,006 0,027 0,05 100 99,1 0,0003 0,9 100 97,3 1,28 0,004 0,004 1,34 0,001 0,01 0,038 0,0012 0,009 43,56 63,89 35,71 52,64 33,93 75,42 29,37 79,63 148,50 53,68 12,76 29,0 76,08 39,74 63,02 34,23 30,02 43,52 0,004 0,009 0,026 43,56 33,62 0,00023 0,264 33,88 77,48 1,90 0,002 0,004 0,39 0,0001 0,0004 0,024 0,0004 0,0027 ИТОГО: 100 79,8 Тепловые потоки: Технического этилена [6] где GM – материальный поток, кмоль/с t – температура, 0 С – средняя молярная теплоемкость, Дж/(моль·К) Технического этилена: Q1 =0,04·43,56·25 = 43,56 кВт Технического хлора: Q2 =0,04·33,88·25 = 33,88 кВт Продукты реакции +остальные: Q3 =(0,043+0,002)·79,8·55 = 197,5 кВт Рассчитаем теплоты реакции. Теплоты образования веществ (кДж/моль) С2 Н4 52,28 [5] Cl2 0 HCl -92,31 C2 H4 Cl2 -130,02 C2 H3 Cl3 -138,49 C2 H3 Cl 31,37 C2 H5 Cl -105,0 [5] где - теплота химической реакции - теплота продуктов реакции - теплота исходных веществ 1. С2 Н4 +Сl2 →C2 H4 Cl2 = -130,02 – (0+52,28) = -182,3 кДж/моль 2. С2 Н4 +2Сl2 →C2 H3 Cl3 +НCl = -138,49+(-92,31) – 52,28 = -283,08 кДж/моль 3. С2 Н4 +Сl2 →C2 H3 Cl+НCl = 31,37+(-92,31) – 52,28= -113,22 кДж/моль 4. С2 Н4 +НСl→C2 H5 Cl = -105,0 – (-92,31+52,28) = -64,97 кДж/моль Теплота экзотермических реакций. Qреак =[1000/3600] (17,89·182,3+2,4·283,08+0,28·113,22·0,27·64,97) = 9109,27 кВт Общий приход тепла. Qприх =Qреак +Q1 +Q2 [6] где Qприх – общий приход тепла Q1 – тепловой поток технического этилена Q2 – тепловой поток технического хлора Qприх = 9109,27+43,56+33,88 = 9186,44 кВт Потери тепла в окружающую среду принимаем равными – 5% от общего прихода тепла. Qпотерь = 9186,44·0,05=459,32 кВт Определим количество тепла, отводимое из реактора дихлорэтаном. Qсжим = Qприх – Qпотерь - Qпрод.реак Qсжим = 9186,44 – 459,32 – 197,5 = 8529,62 кВт Данные расчета теплового баланса заносим в таблицу. Таблица 6.2. Тепловой баланс реактора прямого хлорирования этилена Приход Расход кВт % кВт % 1. Тепловой поток технического этилена. 2. Тепловой поток технического хлора. 3. Тепловой поток экзотермических реакций. 43,56 33,88 9109,27 0,59 0,47 98,94 1. Тепловой поток: продукты реакции + остальные 2. Потери в окружающую среду. 3. Тепло, снимаемое в холодильнике 197,5 459,32 8529,62 2,48 5,0 92,55 ИТОГО: 9286,44 100 ИТОГО: 9286,44 100 На основании теплового расчета определяем количество дихлорэтана, циркулирующее в холодильнике. Формула: [6] где G – количество дихлорэтана – сырца, кг/ч Q – тепло, снимаемое в выносном холодильнике, кВт С– теплоемкость ДХЭ – сырца, кДж/кг∙К tн, tк – начальная и конечная температура ДХЭ – сырца. 7. Технологические расчеты 7.1 Определение основных размеров реактора Основные размеры проектируемого реактора рассчитываем исходя из соотношения действующего реактора [7] Высоту реакционной зоны реактора принимаем 8500 мм на основании литературных и практических данных. Объемная производительность реактора синтеза ДХЭ 0,72 При производительности реактора 15.25 т/ч, объем реакционной зоны составит: 15.25 • 0,72 = 10.98 м3 Для определения внутреннего диметра проектируемого аппарата воспользуемся системой уравнений ; [7] Решим уравнение относительно = Высота: 7.2 Определение диаметра основных патрубков Расчет диаметра ведем по формуле: [7] где d– внутренний диаметр патрубка, м G – массовый расход вещества, кг/ч W – скорость среды, м/с – плотность среды, кг/м3 Расходы: G (ДХЭ) = 7414 кг/ч G (этилен) = 4484,77 кг/ч G (хлор) = 11392,63 кг/ч Скорости: W (ДХЭ-пар) = 30 м/с [7] W (этилен) = 25 м/с W (хлор) = 25 м/с Плотности: (ДХЭ-пар) = 1200 кг/м3 при t = 55 0 С, = 0,18 МПа [7] (этилен) = 4,69 кг/м3 при t = 25 0 С, = 0,3 МПа [7] (хлор) = 11,64 кг/м3 при t = 25 0 С, = 0,3 МПа [7] d (ДХЭ-пар)= – принимаем стандартный диаметр равный 80 мм. D (этилен) = – принимаем стандартный диаметр равный 125 мм D (хлор) = – принимаем стандартный диаметр равный 125 мм. 7.3 Расчёт теплообменника Исходные данные: Тепловая нагрузка Q = 8524050 Вт ДХЭ охлаждается от 60°С до 45°С оборотной водой с начальной температурой 25°С и конечной температурой 35°С. 7.3.1 C редняя разность температур при противотоке 60 45 35 25 =25 [8] 7.3.2 Средняя температура воды 7.3.3 Средняя температура ДХЭ [8] 7.3.4 Определим расход воды где с – теплоёмкость воды, Дж/(кг×К) С =4190 Дж/(кг×К) [8] G м3 /с =1000 кг/м [8] 7.3.5 Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена По т. 4.8. K 800 Вт/(м ×К) [8] [8] 7.3.6 Выбираем по ГОСТ 15120–79 теплообменник [8] F = 961 м Д = 1200 мм = 20х2 мм = 1701 шт. одноходовой = 9,0 м Sмежду перег. =18,7×10-2 м2 Sсечения одного хода по трубам = 34,2×10-2 м2 Проведём уточненный расчет 7.3.7 Межтрубное пространство (вода) Критерий Рейнольдса где – эквивалентный диаметр, м m – вязкость воды при средней температуре m=996 кг/м [8] r=804 Па×с [8] При 10000 Критерий Нуссельта (Рr/Prст ) 0,25 [8] Критерий Прандтля Рr = , [8] где – коэффициент теплопроводности, Вт/(м×к). = 0,601 Вт/(м×к) Рr = , Поправкой (Рr/Рrст )0,25 можно пренебречь, т. к. разность температур невелика (Рr/Рrст )0,25 » 1. = 245 Коэффициент теплоотдачи для воды [8] 7.3.8 Коэффициент теплоотдачи для ДХЭ Трубное пространство Примем скорость ДХЭ в трубах 0,5 м/с wДХЭ = 0,5 м/с Re = = rДХЭ = 1207 кг/м3 при средней температуре mДХЭ = 574 10-6 Па×c (по программе физико-химические свойства веществ FIS-HIM). Рr = λДХЭ = 0,121 Вт/(м×К) СДХЭ = 1323 Дж/(кг×К) (по программе FIS-HIM). При Re = 10 4 – 5 ×106 ; Рr = 0,6 – 100 Критерий Нуссельта Nu= 0,023×Re0,8 ×Pr0,4 × (Pr/Prст )0,25 [8] Nu= 0,023× 16822 0,8 ×6,3 0,4 = 115 Поправкой (Pr/Prст )0,25 » 1 можно пренебречь Коэффициент теплоотдачи для ДХЭ 7.3.9 Тепловая проводимость стенки и загрязнений по таблице ХХХIrв , rДХЭ [8] = 46,5 Вт/(м×к) по таблице [8] rв = 5800 Вт/м2 ×к) rДХЭ = 2900 Вт/м2 ×к) s= 0,002 мм Коэффициент теплоотдачи [8] 7.3.10 Вт/(м2 ×К) 7.3.11 Расчетная площадь поверхности теплообменника = 7.3.12. Определим запас площади поверхности теплообмена. Запас площади поверхности теплообмена достаточен. Окончательные параметры аппарата принимаем: Одноходовой кожухотрубный теплообменник с поверхностью теплообмена F = 961 м2 , Дкожуха -1200 мм, dтрубы = 20 × 2 мм, количество труб n = 1701, высота труб Н = 9 м. 8. Механические расчеты 8.1 Расчет реактора прямого хлорирования этилена Исходные данные для механического расчета аппарата приняты на основании технического паспорта действующего реактора: 1. Расчетное давление, Рр = 6 кгс/см2 (0,6 МПа) 2. Давление испытания, Ршп = 7,8 кгс/см2 (0,78 МПа) 3. Расчетная температура, t = 55 0 С 4. Допускаемое напряжение металла, G = 1600 кгс/см2 5. Коэффициент прочности сварного шва, φр = 0,9 6. Прибавка к расчетным толщинам, С = 0,2; С3 = 0,2 7. Внутренний диаметр аппарата и днища, D = 130 см 8. Материал обечайки; сталь 15Х СНД ГОСТ – 19828 – 79 9. Материал днища: сталь 09Г2С ФВ ГОСТ – 5520 – 79 10. Радиус кривизны в вершине днища: R= 130 см. 8.1.1 Расчет обечайки нагруженной внутренним давлением. Рр =13 кгс/см2 Толщина стенки S ≥ SR + C где SR – расчетная толщина SR = [11] SR = S=0,27+0,2 = 0,47 см или 4,7 мм Исполнительная толщина Sиспол = 0,5 см или 5 мм Допускаемое внутреннее избыточное давление [11] 8.1.2 Расчет эллиптического днища (крышки) Толщина стенки: SI = SIR + C где SIR – расчетная толщина. SIR = SIR = см или 2,7 мм SI = 0,27+0,2 = 0,47 см или 4,7 мм Исполнительная толщина: Sиспол = 0,5 см или 5 мм 2. Допускаемое внутреннее избыточное давление. [11] кгс/см2 8.1.3 Расчет укрепления отверстия в эллиптическом днище (крышке) аппарата 1 Условия применения расчетных формул SIR = см или 0,3 мм. Расчетная длина внешней части штуцера. LIR =min 1,25 LIR =1,25 =2,45 см или 24,5 мм. Расчетная длина внутренней части штуцера. LSR =min 0,5 LSR =0,5 =0,56 см или 5,6 мм. Расчетная ширина зоны укрепления в стенке днища (крышки) LR =min ; LR = =8,8 см или 88 мм. Отношение допускаемых напряжений. Х1 = min ; Для внешней части Х1 = Х2 = min ; Для внутренней части Х2 = Расчетный диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления при отсутствии избыточной толщины стенки днища. Dot =0,4· =0,4· =3,53 см или 35,3 мм где DR – внутренний диаметр штуцера D – внутренний диаметр аппарата где S – толщина стенки D – внутренний диаметр аппарата. Расчетный диаметр укрепленного эллиптического днища при Н=0,2D DR =2D [11] где DR – расчетный диаметр укрепленного эллиптического днища x – расстояние от центра закрепленного отверстия до оси эллиптического днища (х=0) – в нашем случае DR = 2·130 =260 см или 2600 мм. Расчетный диаметр отверстия в стенке эллиптического днища (крышки) dR = d+2CS где dR – расчетный диаметр отверстия в стенке эллиптического днища (крышки) d – внутренний диаметр штуцера dR =12,5+2·0,2=12,9 си или 129 мм. Расчетная толщина стенки штуцера, нагруженного внутренним давлением SIR = Расчетный диаметр отверстия не требующего дополнительного укрепления dOR =2 ( dOR =2 ( =3,53 см или 35,3 мм условие, при котором не требуется укрепление отверстия dR ≤d0 35,3≤129 - условие выполняется 8.2 Расчет толщины тепловой изоляции Толщину тепловой изоляции, находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции в окружающую среду. [14] где =9,3+0,058 tпар – коэффициент теплоотдачи от верхней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м2 к) tпар – температура изоляции со стороны окружающей среды, исходя из требований техники безопасности не должна превышать 95 0 С. tпар принимаем равной 40 0 С tст1 – температура изоляции со стороны аппарата, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции tст1 принимаем равной температуре среды в аппарате в нашем случае tст1 = 55 0 С tв – температура окружающей среды (воздуха), 0 С. Принимаем tв =17,2 0 С – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м∙к) В качестве материала для тепловой изоляции выбираем совелит, имеющий коэффициент теплопроводности =0,09 Вт/(м∙к) =9,3+0,058∙90=14,52 Вт/(м2 ∙к) Толщина изоляционного материала 8.3 Расчет теплообменника Исходные данные: Тепловая нагрузка Q = 279160 Вт Абгазы охлаждается от 65°С до 40°С водой с начальной температурой 25°С и конечной температурой 35°С. 8.3.1 C редняя разность температур при противотоке 65 40 35 25 =30 [8] 8.3.2 Средняя температура воды 8.3.3 Средняя температура абгазов [8] 8.3.4 Определим расход воды где с – теплоёмкость воды, Дж/(кг×К) С =4190 Дж/(кг×К) [8] G м3 /с =1000 кг/м [8] 8.3.5 Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена По т. 4.8. K 120 Вт/(м ×К) [8] [8] 8.3.6 Выбираем по ГОСТ 15120–79 теплообменник [8] F = 49 м Д = 600 мм = 20х2 мм = 389 шт. одноходовой = 2,0 м Действующее число Re равно: = 2079 Рr = , [8] где – коэффициент теплопроводности, Вт/(м×к). = 0,142 Вт/(м×к) Рr = Поправкой (Рr/Рrст )0,25 можно пренебречь, т. к. разность температур невелика (Рr/Рrст )0,25 » 1. = 4,05 Коэффициент теплоотдачи для воды [8] 8.3.7 Коэффициент теплоотдачи для абгазов Трубное пространство Примем скорость абгазов в трубах 0,5 м/с 8.3.8 Тепловая проводимость стенки и загрязнений по таблице ХХХIrв , rабгаз. [8] = 46,5 Вт/(м×к) по таблице [8] rв = 5800 (Вт/м2 ×к) s= 0,002 мм 8.3.9 Коэффициент теплоотдачи [8] Вт/(м2 ×К) 8.3.10 Расчетная площадь поверхности теплообменника =