Производство 1, 2-дихлорэтана

1 Выбор и обоснование метода производства 1,2 — дихлорэтана

2 Химические и физико-химические основы производства

1,2 — дихлорэтана

3 Характеристика сырья, продуктов и вспомогательных материалов

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

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 100−120⁰С) 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 49−65⁰С. 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

С₂H₄ + С1₂ С₂H₄С1₂ + 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 р-комплекса.

FeC1₃ д⁺

СН₂ = СН₂ +С1 — С1 СН₂ = СН₂ CH₂ — СН₂⁺ + С1 ^- CH₂ — СН₂

С1 — С1^{д -} С1 С1 С1

р — комплекс карбоний катион Роль хлорного железа состоит в том, что оно активирует молекулы хлора, ингибирует цепочки радикалов, ускоряет стадию перехода р — комплекса в у — комплекс и образованию комплекса

FеС1₃ + С1₂ FеС1₄^- + Сl⁺

Хлорное железо играет роль не только катализатора присоединения, но и ингибитора радикальных процессов.

FеС1₃ + А 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.

СН₂С1 — СН₂С1 + 1 С1Н — СН₂С1 + НС1

С1Н — СН₂С1 + С1₂ СНС1₂ — СН₂С1 + 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 д⁺

СН₂ = СН₂ +Н — С1 СН₂ = СН₂ CH₃ — СН₂⁺ + FeС1 CH₃ — СН₂С1

Н — С1^д-

р — 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 * 6Н₂O. 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 65С происходит увеличение образования побочных продуктов, главным образом трихлорэтана, и ускоряется коррозионный износ оборудования.

3) Массовая доля катализатора FеС1₃ 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) увеличиваются его потери с дихлорэтаном-сырцом.

3 Характеристика сырья, готовых 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 103,71⁰С

— температура плавления — минус 169,5⁰С Этилен — бесцветный газ с удушливым сладковатым запахом. По степени воздействия на организм человека относится к 4_му классу опасности (ГОСТ 25 070 — 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.

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 34,05⁰С

— температура плавления — минус 101,6⁰С 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.

Таблица 3.1

3.2 Характеристика готовой продукции

Дихлорэтан СН₂СL — CН₂L

Физико-химические свойства:

— молекулярная масса — 98

— плотность — 1282 кг/м³

— растворимость в воде при н. у. — 0.91%

— температура кипения — 83.47⁰С

— температура плавления — минус 35.36⁰С 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.

Таблица 3.2

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.

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 195,8⁰С

— температура плавления — минус 209,86⁰С Азот — инертный газ без цвета и запаха. При больших концентрациях приводит к удушью, так как не поддерживает дыхание.

1,1,2 — трихлорэтан С₂Н₃СL₃

1.1.2 — трихлорэтан Физико-химические свойства:

— молекулярная масса — 135

— температура вспышки — 29⁰С

— температура самовоспламенения — 495⁰С

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

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 961 м², 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 Р₁. 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 10−40⁰С 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 Р₁ или в головную часть реактора. Объемный расход азота не более 80 м³/час поддерживается с помощью регулятора расхода FRС.

Катализатор прямого хлорирования готовится растворением хлорного железа в дихлорэтане в емкости Е₇. 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 49−65С 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 — 65^оС поддерживается с помощью регулятора температуры ТRА, регулирующий клапан которого установлен на трубопроводе подачи прямой оборотной воды в межтрубное пространство теплообменника Т₁. При понижении температуры ниже 40⁰С на АРМ срабатывает сигнализация.

Полученный дихлорэтан из реактора прямого хлорирования Р₁ с температурой не выше 65 ^оС через переливной бак Б₁ самотеком поступает в промежуточную емкость Е₂ дихлорэтана-сырца, откуда насосом (в зависимости от уровня в емкости) подается на систему отмывки.

Уровень дихлорэтана в емкости Е₂ поддерживается в пределах 30−70%. Часть потока дихлорэтана от насоса Н₁ периодически подается в емкость Е₇ для подачи катализатора в реактор Р₁.

Абгазы из реактора прямого хлорирования Р₁, с температурой не выше 65^оС поступают в трубное пространство конденсатора Х₂, где охлаждаются водой. Охлажденные абгазы разделяются на жидкую и газообразную фракции в фазоразделителе Ф₂. Газообразная фракция направляется на санитарную колонну К₁₁₀, а сконденсировавшийся дихлорэтан стекает в емкость Е₂.

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 65⁰С и давлением не более 0,72 МПА насосом Н₁ через смесительное сопло С₁ подается на первую ступень щелочной отмывки в емкость Е₂. В смесительном сопле С₁ происходит смешение дихлорэтана-сырца и циркуляционной воды, подаваемой насосом Н₂.

В процессе смешения хлористый водород и хлорное железо растворяются в воде. Водно-дихлорэтановая смесь из форсунки поступает в разделительную емкость Е₂, где происходит разделение слоев за счет разности плотностей жидкостей. Верхний водный слой, содержащий хлорное железо и хлористый водород, из емкости Е₂ подается насосом Н₂ на смесительное сопло С₁, а часть потока отводится в емкость нейтрализации сточных вод Е₁₀₉ с помощью регулятора уровня LRCА, чем достигается регулирование уровня раздела фаз в емкости Е₂ в пределах 30−70%. Уменьшение уровня менее 30% и увеличение более 70%, на АРМ срабатывает сигнализация.

Для нейтрализации НСI, СI, FeCI3 в емкость Е₂ подается 20%-ая щелочь со стадии 100 из емкости V₁₀₈.

НС1 + NаОН NаС1 + Н₂О

С1₂ + 2NаОН NаОС1 + NaС1 + Н₂О

FеС1₃ + 3NаОН Fе (ОН)₃ + 3NаС1

Узел водной отмывки дихлорэтана — сырца

Нижний слой дихлорэтана-сырца, содержащий щелочь и растворимые в воде соли из емкости Е₂, через смесительное сопло С₂ подается на водную отмывку в емкость Е₃ В смесительном сопле С₂ происходит смешение дихлорэтана-сырца, циркуляционной воды, подаваемой насосом Н₃, свежей технологической воды, подаваемой насосом Н₄ из сборника V₂₁₅.

В процессе смешения щелочь и соли растворяются в воде. Водно-дихлорэтановая смесь из форсунки поступает в разделительную емкость Е₃, где происходит разделение слоев за счет разности плотностей жидкостей. Верхний водный слой из емкости Е₃ насосом Н₃, подается на смесительное сопло С₂, а часть этого потока с помощью регулятора уровня LRCA_25 306 отводится на стадию отпарки сточных вод в емкость V₁₀₉. Таким образом, происходит регулирование уровня в емкости Е₃ 30 — 70%. Нижний слой отмытого от примесей дихлорэтана-сырца подается на промежуточный склад в танки дихлорэтана-сырца Т₃₀₂ или на колонну обезвоживания дихлорэтана С₃₀₁.

Объемный расход дихлорэтана-сырца из емкости Е₃ в пределах 6 — 30 м³/ч, контролируется по прибору FR_24 210.

Кубовый продукт колонны обезвоживания С₃₀₁ 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 120 000 т/год Число рабочих часов в году 8040 часов Общие потери 2,2%

Температура в реакторе 55 ^оС 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.

С₂Н₄ + 2Cl₂ C₂H₄Cl₂

2. Образование 1,1,2 — трихлорэтана С₂Н₄ + Cl₂ C₂H₃Cl₃ + HCl

3. Образование винилхлорида С₂H₄ + Cl₂ C₂H₃Cl + HCl

4. Образование хлористого этила

C₂H₄ + HCl C₂H₅Cl

При этом образуется:

ДХЭ — 15 565 * 0,98 = 15 254 кг/ч ТХЭ — 15 565 * 0,02 = 311,3 кг/ч ВХ — 15 565 * 0,1/100 = 15,56 кг/ч ХЭ — 15 565 * 0,1/100 = 15,56 кг/ч Определение количества хлора и этилена, идущих на образование ДХЭ — сырца.

На образование ДХЭ (100%-ого):

X₁ X₂ 15 254

CH₂=CH₂ + Cl₂ C₂H₄Cl₂

28 71 99

М (С₂Н₄) = 28 кг/кмоль М (Сl₂) = 71 кг/кмоль М (С₂Н₄Cl₂) = 99 кг/кмоль

X₁ (C₂H₄) = 28*15 254/99 = 4402,2 кг/ч Х₂ (Сl₂) = 71*15 254/99 = 10 939,7 кг/ч На образование ТХЭ:

Х₁ Х₂ 311,3 Х₃

С₂Н₄ + 2Cl₂ С₂Н₃Cl₃ + НCl

28 142 133,5 36,5

M (HCl) = 36,5 кг/кмоль М (С₂H₃Cl₃) = 133,5 кг/кмоль Х₁ (С₂Н₄) = 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

С₂H₄ + Сl₂ C₂H₃Cl + HCl

28 71 62,5 36,5

M (C₂H₃Cl) = 62,5 кг/кмоль Х₁(C₂H₄) = 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

С₂Н₄ + НCl C₂H₅Сl

28 36,5 64,5

M (C₂H₅Cl) = 64,5 кг/кмоль Х₁(С₂Н₄) =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 (С₂Н₄) — 99,9

Метан (СН₄) — 0,048

Этан (С₂Н₆) — 0,048

Пропилен (С₃Н₆) — 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.

(С₂Н₄) = 28/22,4 = 1,250 кг/м³

(СН₄) = 16/22,4 = 0,714 кг/м³

(С₂Н₆) = 30/22,4 = 1,339 кг/м³

(С₃Н₆) = 42/22,4 = 1,875 кг/м³

(С₂Н₂) = 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 = 11 288,6 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

(Н₂O) = 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

m_i (хлор) — массовый расход 100%-ого (чистого) хлора

m_i (кислород) — массовый расход 100%-ого (чистого) кислорода

m_i (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

Таблица 5.2. Материальный баланс реактора прямого хлорирование этилена

6. Тепловой баланс

Уравнение теплового баланса в общем виде:

Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ +Q₆+ Q_пот., [6]

где Q₁, Q₂, Q_3, 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

Тепловые потоки:

Технического этилена

[6]

где G_M — материальный поток, кмоль/с

t — температура, ⁰С

— 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) С₂Н₄ 52,28 [5]

Cl₂ 0

HCl -92,31

C₂H₄Cl₂ -130,02

C₂H₃Cl₃ -138,49

C₂H₃Cl 31,37

C₂H₅Cl -105,0

[5]

где — теплота химической реакции

— теплота продуктов реакции

— теплота исходных веществ

1. С₂Н₄+Сl₂>C₂H₄Cl₂

= -130,02 — (0+52,28) = -182,3 кДж/моль

2. С₂Н₄+2Сl₂>C₂H₃Cl₃+НCl

= -138,49+(-92,31) — 52,28 = -283,08 кДж/моль

3. С₂Н₄+Сl₂>C₂H₃Cl+НCl

= 31,37+(-92,31) — 52,28= -113,22 кДж/моль

4. С₂Н₄+НСl>C₂H₅Cl

= -105,0 — (-92,31+52,28) = -64,97 кДж/моль Теплота экзотермических реакций.

Q_реак=[1000/3600] (17,89· 182,3+2,4·283,08+0,28·113,22·0,27·64,97) = 9109,27 кВт Общий приход тепла.

Q_прих=Q_реак+Q₁+Q₂ [6]

где Q_прих — общий приход тепла

Q₁ — тепловой поток технического этилена

Q₂ — тепловой поток технического хлора

Q_прих = 9109,27+43,56+33,88 = 9186,44 кВт Потери тепла в окружающую среду принимаем равными — 5% от общего прихода тепла.

Q_потерь= 9186,44· 0,05=459,32 кВт Определим количество тепла, отводимое из реактора дихлорэтаном.

Q_сжим = Q_{прих —} Q_потерь — Q_{прод.реак}

Q_сжим = 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

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) = 11 392,63 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 ⁰С, = 0,18 МПа [7]

(этилен) = 4,69 кг/м³ при t = 25 ⁰С, = 0,3 МПа [7]

(хлор) = 11,64 кг/м³ при t = 25 ⁰С, = 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 = 8 524 050 Вт ДХЭ охлаждается от 60С до 45С оборотной водой с начальной температурой 25С и конечной температурой 35С.

7.3.1 Cредняя разность температур при противотоке

3525

=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/(кгК) С=4190 Дж/(кгК) [8]

G м³/с

=1000 кг/м [8]

7.3.5 Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена

По т. 4.8. K800 Вт/(мК) [8]

[8]

7.3.6 Выбираем по ГОСТ 15 120-79 теплообменник [8]

F = 961 м Д = 1200 мм

= 20×2 мм

= 1701 шт.

одноходовой

= 9,0 м

S _{между перег.}=18,710^-2 м²

S _{сечения одного хода по трубам} = 34,210^-2 м²

Проведём уточненный расчет

7.3.7 Межтрубное пространство (вода)

Критерий Рейнольдса где — эквивалентный диаметр, м

— вязкость воды при средней температуре

=996 кг/м [8]

=804Пас [8]

При 10 000 Критерий Нуссельта

(Рr/Pr_ст) ^0,25 [8]

Критерий Прандтля

Рr =, [8]

где — коэффициент теплопроводности, Вт/(мк).

= 0,601 Вт/(мк)

Р_r = ,

Поправкой (Рr/Рr_ст)^0,25 можно пренебречь, т. к. разность температур невелика (Рr/Рr_ст)^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

_ДХЭ = 0,5 м/с

Re = =

_ДХЭ = 1207 кг/м₃ при средней температуре

_ДХЭ = 574 10^-6 Паc

(по программе физико-химические свойства веществ FIS-HIM).

Рr =

л _ДХЭ = 0,121 Вт/(мК) С_ДХЭ = 1323 Дж/(кгК) (по программе FIS-HIM).

При Re = 10 ⁴ — 5 10⁶; Рr = 0,6 — 100

Критерий Нуссельта

Nu = 0,023 Re ^0,8 Pr ^0,4 (Pr/Pr_ст)^0,25 [8]

Nu = 0,023 16 822 ^0,8 6,3 ^0,4 = 115

Поправкой (Pr/Pr_ст)^0,25 1 можно пренебречь Коэффициент теплоотдачи для ДХЭ

7.3.9 Тепловая проводимость стенки и загрязнений

по таблице ХХХI r_в, r_ДХЭ [8]

= 46,5 Вт/(мк) по таблице [8]

r_в = 5800 Вт/м² к)

r_ДХЭ = 2900 Вт/м² к)

= 0,002 мм Коэффициент теплоотдачи

[8]

7.3.10 Вт/(м²К)

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, Д_кожуха-1200 мм, d _трубы = 20 Ч 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, Р_р = 6 кгс/см² (0,6 МПа)

2. Давление испытания, Р_шп = 7,8 кгс/см² (0,78 МПа)

3. Расчетная температура, t = 55 ⁰С

4. Допускаемое напряжение металла, G = 1600 кгс/см²

5. Коэффициент прочности сварного шва, ц_р = 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 — 19 828 — 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. Р_р=13 кгс/см²

Толщина стенки

S? S_R + C

где S_R — расчетная толщина

S_R = [11]

S_R=

S=0,27+0,2 = 0,47 см или 4,7 мм Исполнительная толщина

S_испол = 0,5 см или 5 мм Допускаемое внутреннее избыточное давление

[11]

8.1.2 Расчет эллиптического днища (крышки)

Толщина стенки:

S_I = S_IR + C

где S_IR — расчетная толщина.

S_IR=

S_IR=см или 2,7 мм

S_I = 0,27+0,2 = 0,47 см или 4,7 мм Исполнительная толщина:

S_испол= 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

S_IR=см или 0,3 мм.

Расчетная длина внешней части штуцера.

L_IR=min 1,25

L_IR=1,25=2,45 см или 24,5 мм.

Расчетная длина внутренней части штуцера.

L_SR=min 0,5

L_SR=0,5 =0,56 см или 5,6 мм.

Расчетная ширина зоны укрепления в стенке днища (крышки)

L_R=min;

L_R==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.

D_ot=0,4?=0,4?=3,53 см или 35,3 мм где D_R — внутренний диаметр штуцера

D — внутренний диаметр аппарата где S — толщина стенки

D — внутренний диаметр аппарата.

Расчетный диаметр укрепленного эллиптического днища при Н=0,2D

D_R=2D [11]

где D_R — расчетный диаметр укрепленного эллиптического днища

x — расстояние от центра закрепленного отверстия до оси эллиптического днища

(х=0) — в нашем случае

D_R = 2?130=260 см или 2600 мм.

Расчетный диаметр отверстия в стенке эллиптического днища (крышки)

d_R= d+2C_S

где d_R — расчетный диаметр отверстия в стенке эллиптического днища (крышки)

d — внутренний диаметр штуцера

d_R=12,5+2?0,2=12,9 си или 129 мм.

Расчетная толщина стенки штуцера, нагруженного внутренним давлением

S_IR=

Расчетный диаметр отверстия не требующего дополнительного укрепления

d_OR=2 (

d_OR=2 (=3,53 см или 35,3 мм условие, при котором не требуется укрепление отверстия d_R?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 t_пар — коэффициент теплоотдачи от верхней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м²к)

t_пар — температура изоляции со стороны окружающей среды, исходя из требований техники безопасности не должна превышать 95 ⁰С.

t_пар принимаем равной 40 ⁰С

t_ст1 — температура изоляции со стороны аппарата, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции t_ст1 принимаем равной температуре среды в аппарате в нашем случае t_ст1= 55 ⁰С

t_в — температура окружающей среды (воздуха), ⁰С. Принимаем t_в=17,2 ⁰С

— 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 = 279 160 Вт Абгазы охлаждается от 65С до 40С водой с начальной температурой 25С и конечной температурой 35С.

8.3.1 Cредняя разность температур при противотоке

=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/(кгК) С=4190 Дж/(кгК) [8]

G м³/с

=1000 кг/м [8]

8.3.5 Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена

По т. 4.8. K120 Вт/(мК) [8]

[8]

8.3.6 Выбираем по ГОСТ 15 120-79 теплообменник [8]

F = 49 м Д = 600 мм

= 20×2 мм

= 389 шт.

одноходовой

= 2,0 м Действующее число Re равно:

= 2079

Рr =, [8]

где — коэффициент теплопроводности, Вт/(мк).

= 0,142 Вт/(мк)

Р_r =

Поправкой (Рr/Рr_ст)^0,25 можно пренебречь, т. к. разность температур невелика (Рr/Рr_ст)^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 ХХХI r_в, r_абгаз. [8]

= 46,5 Вт/(мк) по таблице [8]

r_в = 5800 (Вт/м² к)

= 0,002 мм

8.3.9 Коэффициент теплоотдачи

[8]

Вт/(м²К)

8.3.10 Расчетная площадь поверхности теплообменника

=

7.3.11 Определим запас площади поверхности теплообмена.

Запас площади поверхности теплообмена достаточен.

Окончательные параметры аппарата принимаем:

Одноходовой кожухотрубный теплообменник с поверхностью теплообмена

F = 49 м², Д_кожуха-600 мм, d _трубы = 20 Ч 2 мм, количество труб n = 389, высота труб Н = 2,0 м.

9 Аналитический контроль процесса

Таблица 9.1

10. Автоматизация производства

Широкое развитие всех отраслей народного хозяйства не возможно без интенсификации производства, совершенствования технических процессов и роста производительности труда. Одним из решающих факторов в деле выполнения поставленных задач является автоматизация, как средство обеспечения контроля, надёжности, экономичности и безопасности работы технического оборудования. Практически все существующие промышленные объекты оснащены средствами автоматизации. Наиболее сложные объекты нефтепереработки, химии и нефтехимии, чёрной металлургии, энергетики оснащены системами комплексной автоматизации. На основе последних достижений фундаментальных и прикладных наук, теории автоматического регулирования и развития на базе вновь разрабатываемых приборов и регуляторов создаются системы автоматизации. Такие системы позволяют выполнять следующие функции: контроль параметров технологических процессов, обработку информации, автоматическое регулирование параметров, обеспечение безопасной эксплуатации технологического оборудования, оптимизацию технологических процессов.