Проект установки получения этиленгликоля производительностью 1700 кг/ч

%. не менее 99,8 98,5 Массовая доля диэтиленгликоля. %. не более 0,05 1,0 Цвет в единицах Хазена, не более: в обычном состоянии 5 20 после кипячения с соляной кислотой 20 — Массовая доля остатка после прокаливания, %, не более 0,001 0,002 Массовая доля железа. %. не более 0,1 0,0005

Массовая доля воды, %, не более 0,1 0,5 Массовая доля кислот в пересчете на уксусную, %, не более 0,0006 0,005 Показатель преломления при 20° С 1,431−1,432 1,430−1,432 Пропускание в ультрафиолетовой области спектра,%, не менее, при длинах волн, нм:

220 75 ;

Расчетная часть. Материальный и тепловой балансы

Исходные данные Производительность установки по этиленгликолю 1700 кг/ч Число рабочих дней в году: 340 дней;

Концентрация этиленгликоля в весовых процентах 99,8%;

Концентрация окиси этилена в весовых процентах: 99,2%;

Избыток воды по отношению к количеству окиси этилена: 10:1;

Состав безводной реакционной смеси в весовых процентах:

— Этиленгликоль: 90%;

— Диэтиленгликоль 9%;

— Окись этилена: 1%;

— Потери окиси этилена в весовых процентах: 4%.

Материальный баланс рассчитывается на основании основных химических превращений, описываемых формулами:

— основная реакция процесса:

CH2 — CH2 + H2O → CH2OH — CH2OH (1)

побочная реакция — образование диэтиленгликоля:

CH2OH — CH2OH + CH2 — CH2 → CH2OH — CH2 — O — CH2 — CH2OH (2)

Расчеты материальных балансов технологических процессов с химическим превращением веществ, ведут, учитывая основные стехиометрические законы — закон постоянства состава и закон кратных отношений. Эти законы выражают собой взаимное отношение атомов и молекул веществ при их химическом взаимодействии друг с другом.

Производительность установки составляет 1700 кг/ч, что равно соответственно 13 872 т/год.

Если принято, что на выходе в безводной реакционной смеси содержится в весовых процентах этиленгликоля 90%, диэтиленгликоля 9% и окиси этилена 1%, найдем состав безводной реакционной среды:

1700 кг/ч — 100%

Х кг/ч — 99,8%,

следовательно, Х = 1696,6 кг/ч.

Количество диэтиленгликоля:

1696,6 кг/ч — 90%

Х кг/ч — 9%,

следовательно, Х = 169,66 кг/ч.

Количество непрореагировавшей окиси этилена:

1530 кг/ч — 90%

Х кг/ч — 1%, следовательно, Х = 18,85 кг/ч.

По уравнению химической реакции (2) находим количество окиси этилена и этиленгликоля, пошедшего на образование диэтиленгликоля:

106 кг/кмоль — 62 кг/кмоль

169,66 кг/ч — Х кг/ч, следовательно, Х = 99,23 кг/ч,

106 кг/кмоль — 44 кг/кмоль

169,66 кг/ч — Х кг/ч, следовательно Х = 70,42 кг/ч.

Здесь 106 и 62 — соответственно молярные массы диэтиленгликоля и этиленгликоля, а 44 — окиси этилена.

В уравнении химической реакции (1) этиленгликоль равен сумме производительности и количества этиленгликоля, пошедшего на побочную реакцию:

1696,6+ 99,23 = 1795,8 кг/ч.

По уравнению (1) можно найти необходимое количество окиси этилена, пошедшего на образование этиленгликоля:

62 кг/кмоль — 44 кг/кмоль

1795,8 кг/ч — Х кг/ч, следовательно, Х = 1274,46 кг/ч, Необходимое количество воды, вступающей в реакцию:

62 кг/кмоль — 18 кг/кмоль

1795,8 кг/ч — Х кг/ч, следовательно, Х = 521,37 кг/ч, где 18 — молярная масса воды.

Необходимый избыток воды по отношению к количеству окиси этилена равен:

10*521,37 = 5213,7 кг/ч, Общее количество воды, поступающей в аппарат, будет составлять:

5213,7+521,37 = 5735,07 кг/ч.

Окись этилена на входе равна сумме окиси этилена, пошедшей на образование этиленгликоля, диэтиленгликоля, окиси этилена, оставшейся непрореагировавшей в безводной реакционной смеси:

1274,46 + 70,42 + 18,85 =1363,73 кг/ч.

При этом потери окиси этилена составляют:

1363,73 кг/ч — 100%

Х кг/ч — 1%, следовательно, Х = 13,64 кг/ч.

Примеси в окиси этилена составляют:

1363,73 кг/ч — 99,2%

Х кг/ч — 0,8%, следовательно, Х = 10,998 кг/ч, Здесь 1284,385 кг/ч соответствует массе окиси этилена на входе в аппарат с учетом потерь.

Тогда масса потока окиси этилена, которая поступает в аппарат с учетом всех потерь и примесей, будет составлять:

1363,73 + 13,64 + 10,998 = 1388,37 кг/ч.

На входе:

1) окись этилена — 1388,37 кг/ч,

2) вода — 5735,07 кг/ч.

На выходе из аппарата :

1) этиленгликоль — 1696,6 кг/ч,

2) избыток воды — 5213,73 кг/ч,

3) потери окиси этилена — 13,64 кг/ч,

4) Диэтиленгликоль — 169,66 кг/ч,

5) примеси окиси этилена — 10,998 кг/ч,

6) непрореагировавшая окись этилена — 18,85 кг/ч.

Все данные по расчету материального баланса приведены в таблице 3.

Таблица 3. Материальный баланс процесса гидратации окиси этилена Приход Расход Статьи прихода Размерность, кг/час Статьи расхода Размерность, кг/час Окись этилена 1388,37 Этиленгликоль Этиленгл Этиленгликоль 1696,6 Вода 5735,07 Избыток воды 5213,73 Потери окиси этилена 13,64 Диэтиленгликоль 169,66 Примеси окиси этилена 10,99 Непрореагировавшая окись этилена 18,85 ИТОГО: 7123,44 ИТОГО: 7123,44

Далее для оценки эффективности процесса синтеза этиленгликоля проводим расчет основных технических показателей, которые определяют качество процессов данной технологии.

Расходный коэффициент показывает количество затраченного сырья или материалов, или энергии на производство единицы продуктов.

Теоретический расходный коэффициент равен отношению массы затраченного сырья к массе полученного продукта, которое можно теоретически получить из этого сырья.

Практический расходный коэффициент учитывает производственные потери и примеси и равен отношению фактической массы сырья, затраченной на производство с учетом потерь, к массе полученного продукта.

В качестве сырья при синтезе этиленгликоля используют два продукта, для которых определяют теоретические и практические расчетные коэффициенты, отдельно по каждому из исходных продуктов.

Коэффициенты расхода для окиси этилена Крпр = 1696,6/1696,6 = 0,818 кгс/кгп;

Кртеор = 1204,58/1696,6 = 0,71 кгс/кгп;

Кртеор = Мокиси этилена/Мэтиленгликоля = 44/62 = 0,71 кгс/кгп.

Коэффициенты расхода для воды Крпр = 5735,07/1696,6 = 3,38 кгс/кгп;

Кртеор = 521,3/1696,6 = 0,307 кгс/кгп;

Кртеор = 18/62 = 0,29 кгс/кгп.

Поскольку расходный коэффициент показывает количественно затраты на производство продукта, но не отражает при этом эффективности использования, то введен коэффициент выхода продуктов синтеза. Эффективность использования технологии определяется показателем, который называется выход продукта. Выход продукта рассчитывают как отношение реально получаемого количества продукта из использованного сырья к максимальному количеству, которое теоретически можно получить из того же количества сырья. Выход продукта является безразмерным показателем, или его рассчитывают в процентах.

Реальный выход продукта в нашем случае для этиленгликоля составляет:

1388,37 кг окиси этилена — 1696,6 кг этиленгликоля,

5735,07 кг воды — 1696,6 кг этиленгликоля.

Теоретический выход продукта составляет по окиси этилена:

1388,37 кг/час — Х кг/час

44 кг/кмоль — 62 кг/кмоль, следовательно Х = 1956,34 кг/час.

Теоретический выход продукта составляет по воде:

5735,07 кг/час — Х кг/час

18 кг/кмоль — 62 кг/кмоль, следовательно,

Х = 19 754,13 кг/час.

Следовательно, выход продукта по окиси этилена:

1696,6/1956,34 *100% = 86,7%.

Выход этиленгликоля по окиси этилена достаточно высокий.

Если считать по воде, то очевидно, что в данном производстве вода используется не полностью и выход продукта по окиси этилена значительно выше, чем по воде. Действительно вода для проведения процесса берется в избытке, поскольку необходимо учитывать потери воды при повышении температуры процесса гидролиза и то, что для выделения сопутствующих продуктов (дии триэтиленгликолей) проводится фракционная перегонка из растворов.

Расчет теплового баланса реакции синтеза этиленгликоля

CH2 — CH2 + H2O → HOCH2 — CH2OH

Гидратацию окиси этилена проводят в жидкой фазе либо при 50−100 °С в присутствии катализатора (следы кислоты). Гидратация окиси этилена происходит с большим выделением тепла.

Расчет теплового баланса проводим по основным компонентам процесса. Потери тепла составят около 3%, тепло, уходящее с потоком продуктов реакции оцениваем по их мольному содержанию в продуктах реакции (ориентировочно).

М.м М/ч Ср 298 °C, Дж/(моль*К) ΔН при 298 °C Дж/моль Окись этилена С2Н4О 1388,37 44 31,55 48,5 -51,0 Вода 5735,07 18 318,6 33,56 -241,8 Этиленгликоль С2Н6О2 1696,6 62 27,36 151 -454,9 Избыток воды 5213,73 Потери окиси этилена 13,64 Диэтиленгликоль 169,66 Примеси окиси этилена 10,99 Непрореагировавшая окись этилена 18,85

Определяем теплоту, соответствующую теплоте потока сырья

Q1= Срс2н4о*N*T = 48,5*(31,55)*(100+273) = 0,69 106 кДж/ч

Q2= Срн2о*N*T = 33,56*(318,6)*(100+273) = 4,84 106 кДж/ч

Q = Q1 + Q2 = 4,56 106 кДж/ч Определяем теплоту реакции гидратации окиси этилена, которая идет с выделением тепла

ΔН = ΔНк — ΔНн = -454,9-(-51 +(-241,8) = -162,1 кДж/моль Теплота реакции гидратации составляет

Qгидр = 151*27,36*293= 1,1 106 кДж/ч Теплота потерь Qп = 0.05*Q = 0,06 106 кДж/ч Тепло, которое уходит с потоком уходящих продуктов реакции с учетом нагрева

Qуход г =ΣNc*N*Тк=289,65*33,56*373+0,74*48,5*373+1,24*250*373=

=3,6 106 кДж/ч Общее уравнение теплового баланса гидратации окиси этилена в присутствии катализатора

Qс — QпQхр-Qух г = 0

4,56 106 + 0,13 106 -1,12 106 -3,6 106 = 0

Таким образом, тепло, выделяемое в ходе реакции гидратации, расходуется на нагрев.

Заключение

Технологическая схема процесса некаталитического синтеза этиленгликоля достаточно проста, но отличается большим расходом воды из-за необходимости снижения потерь. Применение катализаторов серной или ортофосфорной кислоты при гидратации окиси этилена с одновременным повышением давления и температуры позволяет достичь выхода этиленгликоля до 90%.

1. Тимофеев, В. С. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза: учеб. пособие для вузов/В.С. Тимофеев, С. А. Серафимов. — М.: Высш. шк., 2003. — 536 с.

2. Потехин, В. М. Основы теории химических процессов технологии органических веществ и нефтепереработки./ В. М. Потехин, В. В. Потехин — СПб.: Химиздат, 2005. — 911 с.

3. Юкельсон И. И. «Технология основного органического синтеза». — М.: Химик, 1968. 846 с. (стр. 566)

4. Дымент О. Н., Казанский К. С., Мирошников A.M., Гликоли и другие производные окисей этилена и пропилена, M., 1976. — 274 с.