Разработка установки для производства тетрахлорэтилена мощностью 2000 т/г

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по общей химической технологии

на тему: «Разработка установки для производства тетрахлорэтилена мощностью 2000 т/г»

1. Методы синтеза тетрахлорэтилена

2. Промышленное производство тетрахлорэтилена

2.1 Исчерпывающее хлорирование углеводородов С₁-С₃

2.2 Высокотемпературное хлорирование пропана и пропилена

3. Физико-химические свойства исходных реагентов, конечных продуктов и отходов

4. Блок-схема и принципиальная схема производства тетрахлорэтилена по авторскому свидетельству № 713 860

5. Материальный баланс

6. Тепловой баланс

6.1 Тепловой эффект реакции

6.2 Входящий поток (потоки 1, 5+8)

6.3 Выходящий поток (поток 2)

7. Конструктивный расчет основного аппарата

7.1 Общие сведения

7.2 Конструктивный расчет аппарата

8. Технологический контроль производства

9. Утилизация и обезвреживание отходов

Заключение

Приложение

Тетрахлорэтилен в силу в своей растворяющей способности, относительно слабой токсичности получил наибольшее распространение среди хлорорганических растворителей, таких, как четыреххлористый углерод, метилхлороформ, трихлорэтилен и др.

Известен способ получения тетрахлорэтилена пиролизом хлорметанов — смеси четыреххлористого углерода и хлороформа при 600 — 750 °C. Способ сложен в осуществлении. Наиболее близким к авторскому свидетельству № 713 860 по технической сущности и достигаемому результату является способ получения тетрахлорэтилена путем термической обработки четыреххлористого углерода в присутствии катализатора-расплава солей хлоридов щелочноземельных металлов. Выход продукта 99%. Недостатком способа является сложность технологии (высокая температура, катализатор в виде расплава). Целью авторского свидетельства № 713 860 является упрощение технологии процесса. Он состоит в том, что четыреххлористый углерод подвергают термической обработке при 300 — 390 °C в присутствии каталитической системы, содержащей вес, %: 3−8 хлорида меди, 3−8 хлорида калия, 0,1−2 гидроокиси рубидия, — окись алюминия остальное.

Основными областями применения перхлорэтилена являются текстильная промышленность и обезжиривание металлов, сухая чистка одежды. Его применяют так же как полупродукт для производства фторуглеводородов, в частности фреона — 113.

Целью проекта является проектирование установки для производства тетрахлорэтилена мощностью 2000 т/год по технологии данного авторского свидетельства. В проекте выполнены расчеты материального и теплового балансов, конструктивный расчет основного аппарата, разработана схема технологического контроля главной стадии производства, а так же рассмотрены вопросы утилизации и обезвреживания отходов производства.

1 Методы синтеза тетрахлорэтилена

Тетрахлорэтилен в силу своей растворяющей способности, относительно слабой токсичности получил наибольшее распространение среди хлорорганических растворителей, таких как четыреххлористый углерод, метилхлороформ, трихлорэтилен и др.

Известны несколько способов получения тетрахлорэтилена:

1. Дегидрохлорирование пентахлорэтана в газовой фазе либо в жидкой фазе путем обработки его водными растворами щелочи:

2. Окислительное дегидрирование 1,1,2,2,-тетрахлорэтана:

3. Взаимодействие гексахлорэтана с ацетиленом:

4. Высокотемпературное хлорирование любого углеводорода С₁-С₃, их хлорпроизводных или их смеси в объеме или на катализаторе (одновременно получается четыреххлористый углерод либо трихлорэтилен) [3, с.190−191]:

Авторское свидетельство № 50 533

Отщепление хлористого водорода от тетраи соответственно пентахлорэтана, отличающийся тем, что означенные хлорпроизводные этана обрабатывают избытком безводного жидкого или газообразного аммиака при температуре ниже или равной 0 °C, после чего смесь хлорпроизводного этилена, аммиака и хлористого аммония разделяют известными методами.

Авторское свидетельство № 107 335

Пиролиз хлорпроизводных метана, отличающийся тем, что в целях увеличения выхода и снижения температуры пиролиза, смесь четыреххлористого углерода и хлороформа в молярном соотношении 1:1 пропускают через кварцевый реактор, наполненный инертной насадкой при температуре 600−750 °С.

Авторское свидетельство № 115 722

Способ получения тетрахлорэтилена из хлорорганических отходов С₁-С₃ и возвратного тетрахлорметана газофазной конверсией при температуре 450−600 °С в присутствии акцептора хлора и избытке хлора в реакционных газах 10−15 масс., отличающийся тем, что процесс газофазной конверсии совмещают с экзотермической реакцией исчерпывающего хлорирования метана и/или хлорметана.

Авторское свидетельство № 201 386

Пиролиз четыреххлористого углерода, отличающийся тем, что с целью интенсификации и удешевления процесса, четыреххлористый углерод пропускают через расплав хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов при температуре 600−800 °С.

Авторское свидетельство № 241 415

Способ получения тетрахлорэтилена, отличающийся тем, что смесь хлористого водорода с хлоруглеводородами и хлорпроизводными кислородосодержащих органических веществ подвергают при температуре 300−600 °С прямому хлорированию или окислительному хлорированию на носителе, содержащим хлориды металлов, например хлориды меди, железа.

Авторское свидетельство № 372 198

Хлорирование смеси алифатических углеводородов С₁-С₃ и их хлорпроизводных при повышенной температуре с последующим выделением целевых продуктов известным методом, отличающийся тем, что, с целью снижения образования хлористого водорода и уменьшение расхода хлора, процесс проводят в присутствии кислородосодержащего газа.

Авторское свидетельство № 910 574

Хлорирование тетрахлорэтана хлором при повышенной температуре в присутствии катализатора — активированного угля, отличающиеся тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта, упрощение процесса и снижения отходов производства, хлорирование ведут в присутствии рециркулируемых побочных продуктов процесса, содержащих трихлорэтилен, пентахлорэтан и гексахлорэтан, в количестве 1−80 мол. % в расчете на тетрахлорэтан, при температуре подачи реагентов 180−300 °С, в адиабатическом режиме.

Авторское свидетельство № 1 817 762

Окислительное хлорирование хлорпроизводных углеводородов С₃, смеси соляной кислоты и кислорода при повышенной температуре в присутствии катализатора, содержащий хлорид меди и хлорид калия на носителе, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа, процесс ведут в присутствии катализатора, содержащий в качестве носителя цеолит типа Zsm-5 силикатным модулем 91 состава, масс.%: хлорид меди 11,3−26,0; хлорид калия 4,1−9,3; носитель остальное до 100 при температуре 236−265 °С и времени контакта 3−7 секунд.

Авторское свидетельство № 2 253 648

Конверсия четыреххлористого углерода в газовой фазе при повышенной температуре в присутствии катализатора и акцептора хлора, отличающийся тем, что использует катализатор, содержащий 0,5−5,0% масс меди, взятой в виде металлической меди или ее хлоридов (I) или (II), нанесенных на оксидный носитель, в качестве акцептора хлора берут метан и конверсию осуществляют при мольном соотношении четыреххлористого углерода и метана 1:(1−2,5) соответственно.

Лабораторный способ получения

Перхлорэтилен получают дегидрохлорированием пентахлорэтана, полученного, в свою очередь, хлорированием трихлорэтилена в присутствии 0,5−1,0% хлорного железа при 50−60 °С. В реакционную колбу загружают примерно 300 мл суспензии гидроокиси кальция и 30 г пентахлорэтана. Смесь нагревают при перемешивании до 100−105 °С. Образующийся перхлорэтилен отгоняют и собирают в приемнике. После сушки над прокаленным хлористым кальцием выход составляет более 90% [3, с.190−191].

2 Промышленное производство тетрахлорэтилена

тетрахлорэтилен синтез реагент химический

В промышленном масштабе перхлорэтилен получают (совместно с четыреххлористым углеродом) исчерпывающим хлорированием углеводородов С₁-С₃ или их хлорпроизводных.

2.1 Исчерпывающее хлорирование углеводородов С₁ — С₃

Процесс получения перхлоруглеродов С₁-С₃ состоит из следующих основных стадий:

1. хлорирование,

2. закалка и конденсация продуктов реакции,

3. абсорбция хлористого водорода и очистка соляной кислоты,

4. выделение товарных перхлорэтилена и четыреххлористого углерода.

В качестве исходного сырья в производстве используют углеводороды С₁-С₃ и их хлорпроизводные — отходы хлорорганических производств и отработанные растворители. Газообразное углеводородное сырье после осушки на цеолитах до содержания влаги 50 млн^-1 направляется непосредственно в реактор 2. Отходы испаряются в пленочном роторном испарителе 1 и подаются в реактор 2.

Хлорирование ведут в полом футерованном реакторе 2 при 560−590 °С и давлении 0,22 кПа, разогрев реактора осуществляется вольтовой дугой. Тепло реакции снимают рециркуляцией жидких продуктов (четыреххлористый углеродсырец и тетрахлорэтилен) из испарителя 4. При хлорировании поддерживается избыток хлора и отходящих газах до 10−15%.

Далее реакционные газы поступают в закалочную колонну 3, в которой происходит снижение температуры до 145 °C. Из куба колонны выводят тяжелые продукты и в этой же колонне отделяют хлористый водород, хлор, четыреххлористый углерод от тетрахлорэтилена, отбираемого с одной из промежуточных тарелок.

Тяжелые продукты поступают в испаритель 4, обогрев которого осуществляется высокотемпературным органическим теплоносителем при 280−300 °С. Отогнанные тетрахлорэтилен и четыреххлористый углерод возвращают в реактор 2, а кубовые остатки из испарителя 4 передают на стадию термического обезвреживания.

Легкокипящие продукты с верха колонны 3 (температура 95 °С) проходят систему конденсации в холодильниках (водой температурой 30−40 °С, рассолом до — 30 °С). Конденсат направляется в колонну 8, а отходящие газы (HCl и Cl₂) в колонну 5 для абсорбции хлористого водорода. В колонне 5, снабженной кипятильником, соляная кислота отделяется от хлора. Товарная соляная кислота (33%-ная), обработанная гидразингидратом, передается потребителю. Влажный хлор проходит сернокислую осушку в аппарате 6 и компрессором 7 подается в реактор.

Рис. 1 Принципиальная схема получения перхлорэтилена (совместно с черыреххлористым углеродом) из углеводородов С1-С3 или их хлорпроизводных: 1, 4 — испарители; 2 — реактор; 3 — закалочная колонна; 5 — абсорбционная колонна; 6 — осушитель; 7 — компрессор; 8, 9, 11 — ректификационные колонны; 10, 12 — аппараты для нейтрализации и осушки; 13 — аппараты для стабилизации.

В колонне 8 выделяются кислые газы из смеси тетрахлорэтилена и четыреххлористого углерода. Очищенная от HCl и Cl₂ смесь подается последовательно в тарельчатые колонны 9 и 11 для выделения товарных продуктов. Выделенные продукты промываются 10%-ным раствором едкого натра и осушаются твердой щелочью и хлористым кальцием в аппаратах 10 и 12. Перед отправкой потребителю в тетрахлорэтилен дополнительно вводят стабилизатор в аппарате 13.

2.2 Высокотемпературное хлорирование пропана и пропилена

Процесс состоит из следующих стадий:

1. хлорирование,

2. закалка реакционных газов,

3. абсорбция хлористого водорода с получением товарной соляной кислоты,

4. нейтрализация и осушка смеси тетрахлорэтилена и четыреххлористого углерода,

5. ректификация смеси тетрахлорэтилена и четыреххлористого углерода с получением товарных продуктов.

Рис. 2 Принципиальная схема получения четыреххлористого углерода и перхлорэтилена из хлорпроизводных пропана и пропилена: 1, 12, 13, 14 — ректификационные колонны; 2, 6 — испарители; 3 — реактор; 4 — циклон; 5 — закалочная колонна; 7 — конденсатор; 8- аппарат для нейтрализации; 9, 10 — отпарные колонны; 11 — колонна азеоторопной осушки.

Исходным сырьем являются побочные продукты, получающиеся в производстве эпихлоргидрина — дихлорпропан — дихлорпропеновая смесь, монохлорпропены и трихлорпропан. Для отделения от высококипящих продуктов дихлорпропановая смесь и монохлорпропены подвергаются ректификации в колонне 1. После ректификации и осушки продукты проходят испаритель 2, смешиваются с хлором и поступают в реактор 3. Реактор выполнен из специальной стали и футерован термостойкой плиткой. Реакция осуществляется адиабатически при 500−540 °С в псевдоожиженном слое кварцевого песка; для съема тепла реакции часть реакционной смеси рециркулирует.

Реакционные газы, выходящие из реактора, проходят циклон 4 и поступают в закалочную колонну 5, которая орошается циркулирующим тетрахлорэтиленом-сырцом. Охлаждение до 110−145 °С происходит за счет испарения значительного количества орошающей жидкости.

Смолообразные продукты из колонны 5 сливаются в куб-испаритель 6, где производится их отпаривание острым паром. Пары хлорорганических продуктов (в основном четыреххлористый углерод и тетрахлорэтилен) после конденсации в аппарате 7 поступают на расслоение и нейтрализацию аммиаком в аппарат 8. После колонны 5 продукты поступают в колонну 9, в которой при 75−85 °С отгоняются растворенные в смеси тетрахлорэтилена и четыреххлористого углерода хлор и хлористый водород. Последние проходят графитовые теплообменники-абсорберы, орошаемые водой, откуда образовавшаяся соляная кислота идет на отпаривание от хлора и четыреххлористого углерода в колонну 10, снабженную кипятильником.

Отпаренная от кислых газов смесь нейтрализуется аммиаком в аппарате 8 и подвергается азеотропной осушке в колонне 11. Далее она поступает в колонну 12 для отделения тяжелых продуктов, а четыреххлористый углерод и тетрахлорэтилен последовательно проходят колонны 13 и 14 с выделением товарных продуктов [3, с.191−194].

3 Физико-химические свойства исходных реагентов, конечных продуктов и отходов

Четыреххлористый углерод (тетрахлорметан, фреон 10)

Бесцветная прозрачная жидкость с резким сладковатым запахом.

t_кип = 76,75 °С

t_пл. = минус 22,96 °С

Критическое давление, МПа — 4,545

Критическая температура, °С — 283,1

Критическая плотность, кг/м³ — 558

Негорюч, взрыво — пожаробезопасен.

При соприкосновении с открытым пламенем или раскаленными предметами разлагается с выделением фосгена.

Предельно допустимые концентрации: паров в воздухе рабочей зоны производственных помещений 20 мг/м³, в атмосферном воздухе населенных мест максимальная разовая — 4 мг/м³ и среднесуточная — 2 мг/м³, в воде водоемов санитарно-бытового водопользования — 0,3 мг/м³.

Ядовит. Ядовитое действие он оказывает при вдыхании паров, при попадании внутрь организма через желудочно-кишечный тракт или при всасывании через кожные покровы и слизистые оболочки [3, с. 37].

Перхлорэтилен (тетрахлорэтилен)

Бесцветная прозрачная жидкость с резким запахом.

t_кип = 121 °С

t_пл. = минус 22 °С

Критическое давление, МПа — 4,49

Критическая температура, °С — 340

Критическая плотность, кг/м³ — 573

Не горюч, не самовоспламеняется, не взрывоопасен. Оказывает токсическое действие на центральную нервную систему и печень, слабый наркотик. ПДК паров в воздухе рабочей зоны производственных помещений составляет 10 мг/м³.

Растворимость в воде при 25 °C равна 0,04%, а воды в перхлорэтилене 0,008%. С водой образует азеотропную смесь, температура кипения которой 87,8 °С; содержание в смеси воды 15,8%. Растворимость хлористого водорода в перхлорэтилене при 20 °C 0,535%.

Транспортируют в стальных оцинкованных железнодорожных цистернах или в цистернах из нержавеющей стали, а также в оцинкованных бочках [3, с. 187, 189, 195].

Хлор

Желто-зеленый газ с резким удушающим запахом.

Температура кипения минус 100,98 °С

Температура плавления минус 33,97 °С

Критическое давление, кПа 1,392

Критическая температура, °С 143,75

Критическая плотность, кг/м³ 573

Весьма токсичен. Содержание хлора в воздухе 0,006 мг/л оказывает раздражающее действие на дыхательные пути, 0,012 мг/л переносится с трудом, концентрация выше 0,1 мг/л опасна для жизни: дыхание становится частым, судорожным, паузы продолжительными, остановка дыхания наступает через 5−25 мин. Вдыхание хлора более высокой концентрации может привести к мгновенной смерти в результате рефлекторного торможения дыхательного центра. ПДК в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м³, в атмосфере населенных пунктов разовая 0,1 мг/м3, среднесуточная 0,03 мг/м³.

Хранят хлор в стальных баллонах зеленого цвета.

Гексахлорэтан

Бесцветные кристаллы с характерным запахом.

t_кип =185,6 °С (возгоняется)

t_пл. = 187 °С

Не горит и не взрывается. ПДК паров в воздухе рабочей зоны производственных помещений равна 10 мг/м³, ПДК в воде водоемов санитарно-бытового водопользования 0,01 мг/л.

Растворимость в воде при 22,3 °С равна 0,005%. С водой образует азеотропную смесь, температура кипения которой 99 °C, содержание в смеси гексахлорэтана 33,9%.

Технический гексахлорэтан упаковывают в пятислойные бумажные мешки с одним внутренним слоем бумаги ламинированной полиэтиленом, или в пятислойные битумированные мешки с полиэтиленовым вкладышем [3, с. 196−197, 200].

Оксид алюминия

Бесцветные кристаллы.

t_кип = 3530 °С

t_пл. = 2044 °С

Не токсичен, не взрывается.

Альфа модификация оксида алюминия встречается в природе в виде минерала корунда, который часто содержит в растворенном виде оксиды других металлов, придающих ему различную окраску. Прозрачные окрашенные кристаллы являются драгоценными камнями (сапфиры, рубины и др.) [7, c. 118].

4 Блок-схема и принципиальная схема производства тетрахлорэтилена по авторскому свидетельству № 713 860

Производство тетрахлорэтилена по авторскому свидетельству № 713 860 включает 6 технологических стадий, рис. 3. Принципиальная технологическая схема представлена на рис. 4.

Стадия 1. Синтез С₂Сl₄

В качестве исходного сырья используется жидкий четыреххлористый углерод. Исходный четыреххлористый углерод поступает со склада в расходную емкость Е25. Туда же поступает и четыреххлористый углерод со стадии 3 (поток 5). Из емкости Е25 четыреххлористый углерод подают в испаритель Т1, затем подают в испаренном виде в реактор Р2 при температуре 77 °C. Отходный четыреххлористый углерод со стадии 6 испаряется в испарителе Т4 и так же подается в реактор Р2 при температуре 77 °C.

Проверку состояния технологического оборудования, коммуникаций, запорной арматуры и исправности контрольно-измерительных приборов (КИП) аппаратчик производит визуально при обходе рабочей зоны. Контроль за технологическим процессом аппаратчик производит визуально по КИП, установленным в щитовой КИПиА, а также по месту. Регулирование технологического процесса аппаратчик производит вручную по месту или приборами в щитовой КИПиА. Отбор проб для анализа, и проведение несложных анализов производится вручную при помощи пробоотборников, ареометра и другой лабораторной посуды с химическими реактивами. Техническое обслуживание оборудования аппаратчик производит вручную при обходе (смазывает подшипники, набивает сальники, уплотняет фланцевые соединения и т. д.). Снизу к трубной решетке крепится опорная решетка для катализатора. Опорная решетка крепится к трубной решетке через 6 трубок реактора металлическими стержнями. Опорная решетка является секционной. Катализатор засыпается в трубки.

Пуск в работу, эксплуатация и остановка реактора производится в следующем порядке. Осмотреть реактор, проверить исправность приборов КИПиА, запорной арматуры. Прогреть реактор. Для этого открыть запорную арматуру на выходе теплоносителя, а затем открыть запорную арматуру на подаче теплоносителя. Когда температура в центре реактора достигнет 340 °C плавно открыть запорную арматуру на входе сырья в трубное пространство реактора и на выходе продуктов из него. Проверить герметичность фланцевых соединений трубопроводов и сальниковых уплотнений запорной арматуры. Открыть арматуру на выходе конденсата из межтрубного пространства реактора. Во время работы реактора проводить периодический осмотр фланцевых соединений и сальников на герметичность. Отключение реактора производится по распоряжению мастера смены в следующем порядке: закрыть подачу сырья в реактор; закрыть арматуру на входе теплоносителя; закрыть арматуру на выходе из реактора продуктов реакции и выходе теплоносителя из межтрубного пространства. При переходе с работающего реактора на резервный, вначале включается резервный в работу, затем отключается ранее работающий.

В реакторе Р2 происходят процессы:

Целевая реакция:

.

И побочная реакция:

.

Процесс ведут при температурах 300 — 390 °C, предпочтительной является температура в 340 °C, и избыточном давлении 50 кПа. При отклонении от рабочих диапазонов производят регулировку поступления сырья в реактор. При повышении или понижения температуры проводят регулировку подачи теплоносителя. При отклонении от заданных параметров качества синтезируемой продукции при заданных температуре и давлении производят замену катализатора.

Расход сырья контролируется прибором для измерения расхода, с устройством для выдачи сигнала после прохождения заданного количества вещества, установленный по месту. Температура реагента контролируется приборами для измерения температуры, установленными и по месту, и на щите. Четыреххлористый углерод проходит по трубкам с катализатором. На выходе из реактора температура и давление смеси веществ контролируется соответствующими приборами, установленными по месту и на щите.

Стадия 2. Сепарация

Реакционные газы проходят через испаритель Т4, где частично снимается тепло реакции и испаряется отходный четыреххлористый углерод. Затем газы поступают в закалочную колонну К3, в которой происходит снижение температуры до 145 °C. Из куба колонны К3 выводят тяжелые продукты, которые направляют на стадию 6. В этой же колонне отделяют хлор от четыреххлористого и тетрахлорэтилена. Колонну орошают флегмой и возвратным четыреххлористым углеродом со стадии 3. Температуру на выходе из колонны поддерживают в пределах 90−121 °С. Смесь четыреххлористого углерода и тетрахлорэтилена поступает в емкость Е6 при температуре 40 -45 °С, откуда часть смеси возвращают в колонну К3 в виде флегмы, а остальное количество направляют на стадию 3. Сырой хлор проходит через теплообменник Т 11, где происходит конденсация паров четыреххлористого углерода и перхлорэтилена. Затем сырой хлор подают на стадию 5, а конденсат возвращают в емкость Е6.

Стадия 3. Ректификация

Смесь четыреххлористого углерода и перхлорэтилена подают в колонну К8, в котором перхлорэтилен отделяют от четыреххлористого углерода. Часть четыреххлористого углерода рециклом подают в реактор Р2, а другую его часть направляют в колонну К3 для снятия тепла реакции. Перхлорэтилен подают в колонну К9, где он подвергается более глубокой очистке. Чистый перхлорэтилен подают на стадию 4.

Стадия 4. Стабилизация перхлорэтилена

Тетрахлорэтилен со стадии 3 непрерывно поступает в каскад аппаратов Р10_1-n, куда дополнительно вводят стабилизатор. После проведения операции перхлорэтилен направляют на склад готовой продукции.

Стадия 5. Сернокислая осушка

Сырой хлор со стадии 3 подают в колонну К7, в которой проходит сернокислотная осушка хлора от паров и капелек четыреххлористого углерода. Осушенный хлор подают на стадию хлорирования. Отработанный абсорбент направляют на стадию регенерации.

Рис. 3 Блок-схема производства тетрахлорэтилена по авторскому свидетельству № 713 860

Рис. 4 Принципиальная схема производства тетрахлорэтилена по авторскому свидетельству № 713 860 Т1, Т4 — испарители; Р2 — трубчатый реактор; К3 — закалочная колонна; Ф5 — фильтрующая центрифуга; Е6, Е12, Е13 — делитель флегмы; К7 — осушитель; К8, К9 — ректификационная колонна; Р10_1-n — стабилизатор; Т11, Т15, Т16, Т17, Т18, Т19 — теплообменник; Е14 — емкость для сбора теплоносителя и его нагрева; Н20_{1- 6} — лопастной центробежный насос; Е25 — расходная емкость [5, c15−19].

Стадия 6. Фильтрование

В фильтрующую центрифугу Ф5 подают все кубовые остатки из аппаратов Т1, Р2, Т4, К3, К8, К9. После фильтрования светлую часть испаряют в испарителе Т4 и возвращают в реактор Р2. Отходы в виде смеси гексахлорэтана и смолообразных продуктов направляют на стадию обезвреживания отходов или очищают гексахлорэтан от смол и направляют на сырьевой склад. Смолообразные продукты сжигаются.

5 Материальный баланс

Материальный баланс химических процессов составляют для определения количеств перерабатываемых и получаемых веществ. Вычисляемые количества веществ могут быть отнесены к единице времени (кг/сутки; кг/ч; кг/с) или к единице массы получаемого продукта. В последнем случае материальный баланс не изменяется с изменением мощности производства.

Определим мощность производства:

Целевая реакция:

(5.1)

Побочная реакция:

(5.2)

Температура реакции, К 613

Время контакта, с 7

Селективность, % 44,5

Конверсия за проход, % 42,1

Состав реакционной массы по примеру авторского свидетельства № 713 860:

Подано: четыреххлористый углерод, г (моль) = 16 (0,104);

Получено: четыреххлористый углерод, г (моль) = 9,2 (0,059);

перхлорэтилен, г (моль) = 3,6 (0,022);

гексахлорэтан, г = 0,1;

хлор, г (моль) = 3,1 (0,043).

Найдем теоретическую массу перхлорэтилена по реакции (5.1), моль:

2 1

0,104 х

Найдем выход продукта:

Ф = 0,022моль/0,052моль*100% = 42,3%

Найдем, сколько расходуется четыреххлористого углерода для получения 277,8 кг/ч перхлорэтилена:

308 г 166г

Х кг/ч 278 кг/ч

Определим, сколько четыреххлористого углерода расходуется на образование побочного продукта по примеру, г:

308 237

у 0,1

Определим образование побочного продукта, гексахлорэтана:

; ;

По реакции 5.2 найдем сколько расходуется четыреххлористого углерода на образование z кг/ч побочного продукта:

308 237

v 7,72

Найдем количество четыреххлористого углерода, которое поступает в реактор потоками 1+5+8:

где 42,1% - конверсия, а (515,8+10,03) кг/ч — необходимое количество четыреххлористого углерода, расходуемое на целевую и побочную реакцию.

Найдем количество четыреххлористого углерода, которое не вступило в реакцию:

Безвозвратные потери четыреххлористого углерода определяются по формуле:

Из которых: теряется на стадии сернокислой осушки, кг/ч = 0,23 кг/ч, уходит вместе с кубовыми остатками, кг/ч = 7,00 кг/ч.

Итого: возвратный четыреххлористый углерод, кг/ч = 715,67.

Примечание: вышеприведенные расчеты являются приближенными. Более точные расчеты представлены в таблице 2 (см. Приложение 1). В реактор потоки 1 и 5+8 поступают общим потоком, поэтому в таблице 2 общий поток разделен так, что поток 1 (Х+v = 515,8+10,03 кг/ч) реагирует полностью, а поток 5+8 рециркулирует. Поток 5+8 без учета потерь, т. е. в таблице 2 поток 5+8 определяется как + =715,67+7,23 кг/ч.

Таким образом, в реактор поступает 715,67 кг/ч четыреххлористого углерода с рециклом (поток 5+8), и 533,33 кг/ч — исходный четыреххлористый углерод (поток 1). Общий поток четыреххлористого углерода (поток 1+5+8) составляет 1249 кг/ч.

6 Тепловой баланс

Все промышленные химические процессы должны проводится при строго определенных заданных температурных условиях и в большинстве случаев требуют подвода или отвода тепла. Целью расчета является определение количества подводимой или отводимой теплоты.

6.1 Тепловой эффект реакции

(6.1)

где: — теплота образования, при стандартных условиях, кДж/кг;

— удельная теплоемкость вещества, кДж/кг.

[3, c. 38]

[3, c. 189]

[3, c. 37]

[3, c. 188]

[1, c. 295]

Найдем тепловой эффект целевой реакции по закону Гесса:

(6.2)

где N_p — тепловой поток реакции, кВт;

— массовый расход перхлорэтилена, кг/ч.

6.2 Входящий поток (потоки 1, 5+8)

Найдем тепловой поток, приносимый в реактор реагентами:

(6.3)

где N₁ — тепловой поток, приносимый потоком 1, кВт;

N₅₊₈ — тепловой поток приносимый потоком 5+8, кВт.

(6.4)

где i — удельная тепловая энтальпия сырья, кДж/кг.

(6.5)

где с_ж = 0,862 кДж/кг — удельная теплоемкость четыреххлористого углерода, [3, c. 37]

52 К = 350К — 298К =

r = 194,7 кДж/кг — теплота испарения четыреххлористого углерода [3, c. 38],

6.3 Выходящий поток (поток 2)

Тепловой поток, уносимый продуктами реакции, определяется по формуле:

(6.6)

Удельную тепловую энтальпию для хлора рассчитаем по формуле:

(6.7 а)

Удельную тепловую энтальпию для четыреххлористого углерода и перхлорэтилена рассчитаем по формуле:

(6.7 б)

где с_ж = 0,862 — удельная теплоемкость жидкого четыреххлористого углерода; с_г = 0,636 — удельная теплоемкость газообразного четыреххлористого углерода [3, с. 37]; с_ж = 0,858 — удельная теплоемкость жидкого перхлорэтилена; с_г = 0,648 — удельная теплоемкость газообразного перхлорэтилена.

По формуле 6.4 найдем тепловые потоки продуктов реакции:

По формуле (6.6) находим тепловой поток, уносимый продуктами реакции:

Потери количества теплоты определяются по формуле:

Определим необходимый поток подводимой теплоты:

7 Конструктивный расчет основного аппарата

7.1 Общие сведения

Реакции в присутствии твердой фазы широко распространены в химической и нефтехимической промышленности. В большинстве — это гетерогенно каталитические процессы, часто применяемые в органическом синтезе.

Газовый поток проходит сквозь слой твердых зерен катализатора. Производительность процесса зависит от поверхности контакта, которая по возможности должна быть максимальной. Благодаря соответствующей механической прочности катализатор не измельчается, что могло бы повысить гидравлическое сопротивление. Промышленный катализ, как правило, ведут на пористых зернах (гранулах), что значительно увеличивает активную поверхность контакта [8, с. 172].

Основным аппаратом в технологической схеме является реактор Р2. Реакторы могут иметь различные конструкции, среди которых для данного процесса могут быть использованы реакторы с неподвижным слоем катализатора или реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора.

В целях упрощения эксплуатации реактора выбираем реактор с неподвижным слоем катализатора. Целесообразно указать следующие типы реакторов с неподвижным слоем катализатора.

1. Емкостные контактные реакторы — для процессов с небольшим тепловым эффектом, не очень чувствительных к изменению температуры и с малой степенью превращения за один проход. Это металлические цилиндры с катализатором в виде различных гранул, насыпанных на решетку в нижней части аппарата. Газ проходит сквозь слой катализатора сверху или снизу.

2. Полочные контактные реакторы — для проведения реакций с заметным тепловым эффектом. В них катализатор находится небольшими слоями на нескольких, расположенных одна под другой полках (металлические листы, сетки, колпачковые тарелки). Тепло реакции, уносимое газовым потоком с нижележащей полки, до входа потока на следующую полку отнимается в специальном теплообменнике, расположенном либо между полками в самом аппарате, либо вне его. Конструкция этих аппаратов при небольшом числе полок сравнительно проста; при небольшой высоте слоев катализатора гидравлические сопротивления незначительны, но в то же время это затрудняет равномерное распределение потока газа по сечению аппарата. Расположение теплообменников позволяет применять высокотемпературные теплоносители и осуществлять интенсивный теплообмен.

3. Трубчатые реакторы — для проведения гетерогенно — каталитических процессов со значительным тепловым эффектом. Катализатор находится в трубках. Теплоносителями служат газы, расплавленные металлы и соли, высококипящие органические теплоносители (ВОТ). Схемы таких реакторов варьируют в зависимости от методов организации теплообмена.

Таким образом, выбираем трубчатую конструкцию реактора (рис.5), т.к., исходя из теплового баланса в реакторе должен осуществляться интенсивный теплообмен, а также конструкция аппарата способствует более равномерному распределению скорости газового потока по сечению аппарата. Особенностью конструкции является опорная решетка, которая крепится через 6 труб стальным прутом к трубной решетке. Опорная решетка является секционной. Сверху на решетку накладывается стальная сетка, предохраняющая высыпание катализатора.

Рис.5 Схема конструкции трубчатого реактора:

1 — кожух; 2 — трубки с катализатором; 3 — крышки, верхняя и нижняя; 4 — предохраняющая высыпание катализатора сетка; 5 — опорная решетка.

7.2 Конструктивный расчет аппарата

Рассчитаем мольную массу выходящего потока:

Найдем среднюю плотность смеси по уравнению Менделеева-Клаперона:

где

р = р₀+р_изб

р_изб = 375 мм.рт.ст

Определим секундный объемный расход:

(7.1)

Средняя динамическая вязкость среды:

где G₁ и µ₁ — расход и динамическая вязкость хлора [1, с. 295]; G₂ и µ₂ — расход и динамическая вязкость четыреххлористого углерода [3, с. 38]; G₃ и µ₃ — расход и динамическая вязкость перхлорэтилена [3, с. 188]; G — общий расход.

Примем, что катализатор имеет форму сферических частиц, диаметром 5 мм. Катализатор является высоко пористым, поэтому его плотность определяется по формуле:

где = 3990 кг/м³ [7, с. 118]

Скорость потока, при которой сопротивление слоя становится равным весу слоя, приходящегося на единицу площади поперечного сечения, и при которой частицы неподвижного слоя переходят во взвешенное состояние, называется критической скоростью или скорость псевдоожижения. Критическая скорость для слоя сферических частиц определяется из уравнения (3.49) [2, с. 102]:

(7.2)

Это уравнение справедливо при средней порозности неподвижного слоя, равной 0,4 и дает погрешность 20%.

(7.3)

Подставим значение Ar в формулу 7.2, найдем критическое значение критерия Рейнольдса:

Найдем значение критической скорости:

Рабочая скорость определяется по уравнению:

Далее определим суммарное сечение всех трубок в аппарате:

Количество трубок определяется по формуле:

Зная рабочую скорость и время контакта, определим рабочую высоту трубок:

Доля полезного сечения всех трубок от общей площади аппарата f = 0,25

Необходимая площадь поперечного сечения реактора:

S = S_тр /f = 0,2/0,25=0,8 м²

Следовательно, диаметр кожуха определяется:

где f — отношение площади сечения трубного пространства к площади сечения всего аппарата, равное 0,25. Полученное значение округлим до ближайшего числа, отвечающего общепринятым государственным стандартам.

Таким образом, диаметр кожуха D =1000 мм. Длина труб l = 4000 мм. Общая высота аппарата Н₁ = 5920 мм.

8 Технологический контроль производства

Четыреххлористый углерод — поток 1 и поток 5+8 подают в реактор единым потоком при температуре 77 °C в испаренном виде. Расход компонента контролируется прибором для измерения расхода, с устройством для выдачи сигнала после прохождения заданного количества вещества, установленный по месту. Температура реагента контролируется приборами для измерения температуры, установленными и по месту, и на щите. Четыреххлористый углерод проходит по трубкам с катализатором. На выходе из реактора температура и давление смеси веществ контролируется соответствующими приборами, установленными по месту и на щите. Далее смесь веществ подается в межтрубное пространство испарителя Т4, где в трубном пространстве испаряется поток циркулирующего четыреххлористого углерода, а затем продукты реакции поступают в сепарационную колонну К3.

Годность катализатора проверяют по готовому продукту. Пробу для анализа берут из емкости Е6. Анализ проводят хроматографическим методом.

Сложность управления трубчатым реактором заключается в том, что необходимо управлять распределением температуры по длине реактора [4, c. 77−78]. В качестве переменной, по которой ведется стабилизация температуры в реакторе, выбираем ее максимальное значение, равное 390 °C. В систему регулирования включаем специальный блок выбора максимума, обеспечивающий автоматическое подключение к стабилизирующему регулятору датчика максимальной температуры в реакторе, подключаем к регулятору температурные датчики (чувствительные элементы), установленные по длине реактора. В зоне, где обычно достигается максимальная температура установлен прибор для измерения температуры, показывающий (Рис 6.).

Подача теплоносителя контролируется регулирующим прибором для соотношения расходов теплоносителя к расходу четыреххлористого углерода, установленном на щите. Так же контролируется температура теплоносителя на входе и выходе межтрубного пространства реактора.

Рис. 6 Схема автоматизации и точки технологического контроля и управления реактором.

9 Утилизация и обезвреживание отходов

Образующиеся промышленные выбросы представляет собой гетерогенную систему, содержащая твердые и жидкие органические вещества. Образующийся в процессе гексахлорэтан отфильтровывается в фильтрующей центрифуге Е5 и выводится как товарный продукт. Светлая часть (жидкий четыреххлористый углерод) подается в испаритель Т4 и возвращается в реактор Р2.

Образующийся в процессе хлор подают на стадию хлорирования хлорметанов или его используют для других целей, например для получения хлорноватистой кислоты.

Образующиеся смолообразные продукты сжигают.

Заключение

В курсовом проекте разработана установка по производству перхлорэтилена по авторскому свидетельству № 713 860. Составлена блок-схема и принципиальная схема производства. Составлены материальный баланс на требуемую мощность производства, а так же тепловой баланс основного процесса. Рассмотрены возможные конструкции основного аппарата и выполнен предварительный расчет основных размеров реактора.

1. Процесс состоит из 6 стадий. Технологическая схема включает 25 единиц оборудования.

2. Для установки непрерывного действия по производству перхлорэтилена производительностью 2000 т в год требуется трубчатый реактор с неподвижным слоем катализатора. Важнейшие конструктивные параметры реактора: D = 1000 мм. Длина труб l = 4000 мм. Общая высота аппарата Н₁ = 5920 мм. Особенностью конструкции является опорная решетка, которая крепится через 6 труб стальным прутом к трубной решетке. Опорная решетка является секционной. Сверху на решетку накладывается стальная сетка, предохраняющая высыпание катализатора.

3. В реактор поступает 715,67 кг/ч четыреххлористого углерода с рециклом (поток 5+8), и 533,33 кг/ч — исходный четыреххлористый углерод (поток 1). Общий поток четыреххлористого углерода (поток 1+5+8) составляет 1249 кг/ч. Для производства 277,8 кг/ч перхлорэтилена требуется 515 кг/ч четыреххлористого углерода.

4. Для организации подвода тепла в реактор требуется установка мощностью 195 кВт и больше.

5. Рассмотрены вопросы по автоматизации и технологического контроля основного аппарата.

6. Образующийся в процессе гексахлорэтан (8,1 кг/ч) выводится как товарный продукт. Образующийся в процессе хлор (240 кг/ч) подают на стадию хлорирования хлорметанов.

1. Расчеты химико-технологических процессов. Под общей редакцией проф. Мухленова И. П. — Л.: Химия, 1976. 300с.

2. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — 10-е изд., доп. и перераб. -Л.: Химия, 1987. 576с.

3. Промышленные хлорорганические продукты. Справочник / под ред. Л. А. Ошина. — М.: Химия, 1978. — 656 с.

4. Основы автоматизации процессов химической технологии и защиты окружающей среды: учеб. пособие/ А. И. Козлов, П. М. Лукин и др. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2006.178с.

5. Основные правила разработки курсовых проектов по процессам и аппаратам химической технологии и защиты окружающей среды: метод. указан. / сост. А. И. Козлов, П. М. Лукин, Н. И. Савельев, П. Н. Эндюськин; Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2005.-32с.

6. Химическая энциклопедия. В 5 томах. Том 5 — М.: «Советская энциклопедия», 1988. — 625с.

7. Химическая энциклопедия. В 5 томах. Том 1 — М.: «Советская энциклопедия», 1988. — 625с.

8. Брайнес Я. М.

Введение

в теорию и расчеты химических и нефтехимических реакторов. — Изд. 2-е, перераб. И доп. — М.: Химия, 1976. — 232с.