Анализ и синтез химико-технологической системы

Необходимое количество тепла для отгонки окиси этилена подводится в куб десорбера через кипятильник (на схеме не показан).
Пары окиси этилена, двуокись углерода и другие газы, выходящие из парциального конденсатора, установленного на верху десорбера 5,сжимаются компрессором и подаются в колонну 6 для отгонки двуокиси углерода и абсорбированных газов: азота, кислорода, этилена. С газами уходит большое количество окиси этилена и для ее улавливания газы промывают в абсорбере, орошаемом водой (на схеме не показан). Из куба колонны 6 окись этилена поступает на окончательную ректификационную колонну 7, где от нее отделяются тяжелокипящие примеси(вода,ацетальдегид и этиленгликоль, который может образоваться при частичной гидратации окиси этилена).
Рециркуляция газов, т.е. многократное возвращение потока газов в технологический процесс, используется с целью регулирования производственного процесса, поддержания необходимой температуры, улучшения использования сырья.
Постоянное соотношение этилена и кислорода поддерживается следующим образом: в электронном многофункциональном приборе корректируется необходимая величина расхода кислорода, которая подается через электронный регулятор соотношения потоков свежего этилена и кислорода на клапан, регулирующий расход кислорода.
1.6. Основные параметры процесса
Годовая производительность 80000 т/год по товарному оксиду этилена.
Суммарная селективность процесса по оксиду этилена составляет..0,63;
Степень превращения этилена……………………………….....…….0,60;
Давление процесса окисления, МПа....………………………..………2,6;
Температура на входе в реактор,0С………..………………………….250;
Температура на выходе, 0С………….……………………….………..290;
В абсорбционной колонне давление составляет, МПа………………2,4;
Температура абсорбционной колонне на входе, 0С………………….25;
Температура абсорбционной колонне выходе, 0С…………………...80;









2. Анализ химико-технологической системы.
2.1 Расчет материального баланса
Годовая производительность 80000 т/год по товарному оксиду этилена.
Суммарная селективность процесса по оксиду этилена составляет..0,63;
Степень превращения этилена……………………………….....…….0,60;
Давление процесса окисления, МПа....………………………..………2,6;
Температура на входе в реактор,0С………..………………………….250;
Температура на выходе, 0С………….……………………….………..290;
В абсорбционной колонне давление составляет, МПа………………2,4;
Температура абсорбционной колонне на входе, 0С………………….25;
Температура абсорбционной колонне выходе, 0С…………………...80;
Состав циркулирующих газов, % мас. [4]:
С2Н4……………………….3,06
N2 ………………………….80,34
O2 ………………………….3,21
CO2 ………………………..13,25
ОЭ (окись этилена) ………0,005
Н2О………………………...0,135
Итого ………………………100,00
Состав технического «сухого» воздуха, % мас. [4]:
О2 ………………………23,00 (21,00% об.)
N2 ………………………77,00 (79,00% об.)
Итого ………………… 100,00
Основная реакция [1]:
С2Н4+0.5О2 →С2Н4 (20)
28 0.5×32 44
Побочные реакции:
С2Н4+3О2 →2С2Н4 + 2 Н2О (21)
28 3×32 2×44 2×18
С2Н4О + 2.5 О2 → 2 СО2 + 2 Н2О (22)
44 2,5×32 2×44 2×18


Рисунок 5- Диаграмма материальных потоков получения окиси этилена с рециркуляцией [5]: 1- реактор; 2- разделитель


Обозначим материальные потоки:
N c-1 -свежий этилен;
N1c-1 – свежий воздух;
N2-1 – рециркулирующие газы;
N2-n – окись этилена;
N1 2-n – сдувка;
N2 2-n – сброс.
Так как количества веществ превышают 1000 кг, расчеты ведем с точностью до 0,1 кг [5].
Часовая производительность установки:
80000∙1000/8280 = 9662 кг/ч,
где Т=(365∙24)-(20∙24)=8240 – время работы оборудования в году, ч.
По реакции (20) расход этилена:
28∙9662/44 = 6148,5 кг/ч
По реакции (20) расход кислорода:
0,5∙32∙9662/44 = 3513,4 кг/ч
Общий расход этилена при селективности 0,63:
6148, 5/0,63 = 9759,5 кг/ч
По реакции (21) расходуется этилена:
9759,5– 6148,5 = 3611 кг/ч
По реакции (21) расходуется кислорода:
3611∙3∙32/28 = 12380,6 кг/ч
По реакции (21) образуется СО2:
3611∙2∙44/28 = 11348,8 кг/ч
По реакции (21) образуется H2O:
3611∙2∙18/28 = 4642,7 кг/ч
Общее количество кислорода, требуемое по (20) и (21) реакциям:
3513,4 + 12380,6 = 15894 кг/ч
Общее количество этилена с учетом степени превращения 0,6:
9759, 5/0,6 = 16265,8 кг/ч
Расход свежего сухого воздуха:
15894/0,23 = 69104,4 кг/ч
Количество азота в свежем воздухе:
69104,4 – 15894,0 = 53210,4 кг/ч
Количество этилена в рециркулирующих газах:
16265,8 – 9759, 5 = 6506,3 кг/ч
Количество рециркулирующих газов:
6506,3∙100/3,06 = 212624,2 кг/ч
Таблица 9- Состав и количество рециркулирующих газов
% масс. Кг/ч С2Н4 3.06 6506,3 N2 80.34 170822,3 O2 3.21 6825,2 CO2 13.25 28172,7 С2Н4О 0.005 10,6 H2O 0.135 287,1 Итого 100 212624,2 Исходная смесь состоит из этилена (Nc-1), воздуха (N1 c-1) и рециркулирующих газов (N2-1)[5]:
9759, 5 + 69104,4 + 212624,2 = 291488,1 кг/ч, состав которой:
C2H4: 9759, 5 + 6506,3 = 16265,8 кг/ч;
O2: 6825, 2 + 15894 = 22719,2 кг/ч;
N2: 53210,4 + 170822,3 = 224032,7 кг/ч;
CO2: 28172,7 кг/ч;
H2O: 287,1 кг/ч;
С2Н4О: 10,6 кг/ч
Расходы составляют:
этилен: 16265,8 – 9759, 5 = 6506,3 кг/ч;
С2Н4О: 9662 + 10,6 = 9672,6 кг/ч;
CO2: 11348,8 + 28172,7 = 39521, 5 кг/ч;
Н2О: 287,1 + 4642,7 = 4942,8 кг/ч.
Введем обозначения[5]:
G1 – количество свежего газа (О2 + N2),подаваемого в цикл, кг/ч;
G2 – количество газа, сдуваемого во время процесса, кг/ч;
G3 – количество газа, сбрасываемого по окончании процесса, кг/ч;
Gp – количество О2, вступающего в реакцию, кг/ч.
Доля инертов (азота) в газе составляет:
(х1) в свежем газе – 77 %,
(х2) в циркулирующем (сдуваемом) газе – 89 %,
(х3) в сбрасываемом газе – 98 %.
G1 = Gp /0.23+G2 + G3
15894 + G2 + G3 = 246752
G2 + G3 = 177647.6
Так как инертные примеси не расходуются, следовательно можно записать уравнение материального баланса[5]:
G1∙x1 = G2∙x2 + G3∙x3
(Gp+ G2 + G3)∙0.77 = 0.89G2 + 0.98G3
Решим уравнение относительно G3:
246751,9∙0,77 = 0,89∙(177647,6 – G2) + 0,98G2
G3 = 141854,8 кг/ч
G2 = 89003.2 кг/ч
Сдувается технического воздуха во время синтеза – 89003,2 кг/ч, в том числе,
кислорода: 89003,2∙0,22 = 19580,7 кг/ч
азота: 89003,2∙0,78 = 69422, 5 кг/ч
Сбрасывается технического воздуха после синтеза – 141854,8 кг/ч, в том числе, кислорода: 141854,8∙0,15 = 21278,2 кг/ч
азота: 141854,8∙0,85 = 120576,6 кг/ч.




















Таблица 10-.Материальный баланс получения окиси этилена мощностью 80000 тонн в год[5]
Приход Расход Поток Наименование Кг/ч % мас. Поток Наименование Кг/ч % мас. Nc-1 Воздух,в том числе:     N2-n Окись этилена, в том числе     Азот 53210 77 Окись этилена 9662 38 Кислород 15894 23 Углекислый газ 11349 44 Всего 69104 100 Вода 4643 18 N1c-1 Этилен 16265 3,35   Всего 25654 100 N2-1 Рециркулят, в том числе     N12-n Воздух сдуваемый     Этилен 6506,3 3,06 Азот 17195 84 Азот 170822,3 80,34 Кислород 3275 11 Кислород 6825,2 3,21   Всего: 20470 100 Углекислый газ 28172,7 13,25 N22-n Воздух сбрасываемый     Окись этилена 10,6 0,005 Азот 30342 93 Вода 287,1 0,135 Кислород 2284 15 Всего 212624,2 100   Всего: 32626 100   Итого 297993,2   N2-1 Рециркулят, в том числе:     Этилен 6506,3 3,06 Азот 170822,3 80,34 Кислород 6825,2 3,21 Углекислый газ 28172,7 13,25 Окись этилена 10,6 0,005 Вода 287,1 0,135 Всего 212624,2 100 Итого: 291374,2   Абсолютная погрешность- 6619 кг/ч; Относительная погрешность-0,02%.


Заключение
Окись этилена — важнейшее сырьё, которое используется при производстве крупнотоннажной химической продукции, являющейся основной для большого числа разнообразных товаров народного потребления во всех промышленно развитых странах:
Этиленгликоли используются в качестве антифризов, в производстве полиэстера, полиэтилентерефталата (ПЭТ — сырьё для пластиковых бутылок), агентов для осушения газов, жидких теплоносителей, растворителей и пр.;
этаноламины применяются в производстве мыла и моющих средств, очистки природного газа и аппретирования тканей;
полиэтиленгликоли используются в производстве парфюмерии и косметики, фармацевтических препаратов, лубрикантов, растворителей для красок и пластификаторов;
эфиры этиленгликоля входят в состав тормозных жидкостей, моющих средств, растворителей лаков и красок;
Были рассмотрены три способа получения окиси этилена: гомогенное газофазное окисление этилена, гипохлорирование этилена и каталитическое
окисление этилена воздухом. Более распространен последний способ. В последующее время этот метод неоднократно изучался, модифицировался и получал различные вариации для использования в промышленности.









Список используемой литературы
Зимаков П. В., Дымент О. Н. Окись этилена. – М.: Химия, 1967. – 320 с.
Мищенко К. П., Равдель А. А. (ред). Краткий справочник физико-химических величин — 7-е изд. – Л.: Химия, 1974. - 200 с.
Иоффе, Б. С., Бабаян, Е. Л. Производство окиси этилена за рубежом.- Москва : НИИТЭхим, 1979. - 40 с.
Оксид этилена и его производные: учебное пособие / С. Х. Нуртдинов [и др.]. – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2007. – 92 с.
Масленников И. Г. Основы проектирования производств органического синтеза: учебное пособие/ И. Г. Масленников. В. И. Крутиков, К. И. Еремин. — Спб: СПбГТИ(ТУ), 2015. — 132 с.
Кутепов А.М. Общая химическая технология: учеб. для вузов./ А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. 3.- изд., перераб. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003.-528 с.









3