производства этанола прямой гидратацией этилена

(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Задание на курсовой проект «Установка производства этанола прямой гидратацией
этилена».
Выбрать и обосновать технологию получения этанола прямой гидратацией
этилена. Разработать технологическую схему установки для производства 1700 кг/ч
этанола. Составить материальный баланс производства при степени конверсии
этилена за один проход 4,6% и селективности по этанолу 96%. Катализатор —
фосфорная кислота на алюмосиликате. Соотношение водяного пара (мольное) и
этилена 0,7:1. Выполнить тепловой расчет трубчатой печи для нагрева сырья.
Графическая часть: технологическая часть и расчет реактора.
Реферат.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
В курсовом проекте рассмотрены методы получения этанола. Выбран метод
получения этанола прямой гидратацией этилена. Разработана технологическая схема
производства. В качестве катализатора используется фосфорная кислота на
алюмосиликате.
Представлены мат расчеты: расхода сырьевых компонентов, размера реактора
Курсовой проект изложен на 26 страницах, содержит 3 рисунка, 3 таблицы.
Использовано 5 литературных источников.
Графическая часть изображена на 2 листах.
Содержание.
Задание
Реферат
Введение
1. Литературный обзор
1.1 Методы получения
1.2 Выбор конструкции реактора
2. Физико-химические основы процесса и веществ. Химическая схема, механизм
реакции, выбор катализатора
3. Техническая схема
4. Расчетная часть
4.1 Материальный баланс
4.2 Тепловой баланс
4.3 Расчет аппарата
4.4 Расчет трубчатой печи
5. Графическая часть
6. Выводы
7. Библиографический список
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Введение.
Этанол принадлежит к числу многотоннажных и широко применяемых
продуктов органического синтеза. Он является хорошим, хотя и огнеопасным
растворителем; в больших количествах используется в пищевой и медицинской
промышленности, парфюмерии; служит горючим в жидкостных ракетных
двигателях, антифризом и т. д. Как промежуточный продукт органического
синтеза этанол имеет важное значение для получения сложных эфиров,
хлороформа, хлораля, диэтилового эфира, ацетальдегида. Из него получают
синтетический каучук, уксусную кислоту, красители, эссенции, фотопленку,
порох, пластмассы.
До недавнего времени производство этанола основывалось на пищевом сырье
— сбраживание крахмала из некоторых зерновых культур и картофеля с
помощью ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками. Этот способ
сохранился и до сих пор, но он связан с большими затратами пищевого сырья и
не может удовлетворить промышленность. Другой метод, также основанный на
переработке растительного сырья, заключается в гидролизе древесины
(гидролизный спирт). Древесина содержит до 50 % целлюлозы, и при ее
гидролизе водой в присутствии серной кислоты образуется глюкоза, которую
подвергают затем спиртовому брожению.
Синтетический этиловый спирт требует для своего производства гораздо
меньше трудовых затрат, он аналогичен по составу и качеству спирту,
получаемому из пищевых продуктов, и широко применяется в различных
отраслях промышленности.
Синтетический этанол получают гидратацией этилена.
Цель курсового проекта состоит в выборе технологии получения этанола
прямой гидратацией этилена и разработке технологической схемы процесса.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
1. Литературный обзор.
1.1.
Методы получения.
В России процесс производства синтетического этанола посредством
гидратации этилена осуществляется двумя способами: сернокислотной и
прямой гидратацией. Первый способ внедрен в промышленном масштабе с
1952 г., второй получил широкое распространение в последние десятилетия.
При получении синтетического этилового спирта первым способом
концентрированная серная кислота реагирует с этиленом, образуя моно- и
диалкилсульфат:
С2Н4 + H2SO4 ---------> C2H5SO2OH
моноалкилсульфат
2С2Н4 + H2SO4 ---------> (C2H5O)2SO2
диалкилсульфат
В дальнейшем эти эфиры при взаимодействии с водой превращаются
этиловый спирт, выделяя серную кислоту:
C2H5SO2OH + H2O ---------> C2H5OH + H2SO4
(C2H5O)2SO2 + 2H2O ---------> 2C2H5OH + H2SO4
Второй способ —метод получения синтетического этанола путем прямой
гидратации этилена.
Прямой гидратацией этилена называется обратимый экзотермический
процесс непосредственного (без образования промежуточных продуктов)
присоединения воды к этилену в присутствии катализатора с образованием
этилового спирта:
CH2=CH2 + H2O ---------> C2H5OH + 10,5 ккал.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Способность этилена присоединять элементы воды была известна ещё в
конце ХVIII века. А.М. Бутлеров в 60-тых годах прошлого столетия
применил реакцию гидратации при помощи серной кислоты к различным
этиленовым углеводородам.
На ход реакции большое влияние оказывает концентрация этилена в
исходном газе. При уменьшении концентрации соляной кислоты, t реакции,
парционального давления этилена и интенсивности перемешивания
реагирующих веществ. С повышением концентрации кислоты скорость
поглощения этилена увеличивается (93%-ная кислота поглощает в 10раз
медленнее, чем 97,5%-ная), так как увеличивается скорость образования
диэтилсульфата. В таком же направлении действует и повышение
температуры до определённого предела.
Недостатками сернокислотного метода является большой расход серной
кислоты (на 1 кг спирта берётся 1,8-2 кг серной кислоты в пересчёте на
моногидрат) и сильная коррозия многих частей аппаратуры.
Непосредственное присоединение воды к этилену давно являлось
заманчивым делом, но на пути к осуществлению этой реакции стоял целый ряд
затруднений. Реакция является обратимой и идёт с выделением теплоты.
В результате исследований и промышленных испытаний установлены
следующие основные условия взаимодействия газообразного этилена и
водяных паров:
1. Температура 275-300С;
2. Давление при гидратации 65-75 атм;
3. Концентрация этилена в циркулирующем газе 85% (объёмных);
4. Молярное отношение воды к этилену 0,7:1;
5. Концентрация применяющейся здесь фосфорной кислоты в плёнке
катализатора не ниже 83%;
6. За 1 час проходит 1800 м3 газа через кубометр катализатора.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Для сдвига равновесия в сторону гидратации этилена необходимо понижение
температуры и повышение давления. Процесс прямой гидратации этилена
состоит из несколько непрерывно протекающих стадий:
1. Компрессия исходного этилена до давления, необходимого для
гидратации, и возвращение не прореагировавшего этилена;
2. Приготовление исходной парогазовой смеси;
3. Гидратация этилена;
4. Нейтрализация фосфорной кислоты, уносимой из зоны реакции;
5. Охлаждение парогазовой смеси и конденсация паров спирта и воды;
6. Очистка циркулирующего газа.
Парофазная каталитическая гидратация этилена является более
перспективным методом, и наша промышленность сейчас ориентируется на
этот более прогрессивный метод.
Катализатором процесса служит ортофосфорная кислота на шариковом
носителе — силикагеле.
Наряду с указанными реакциями при гидратации этилена (как сернокислотной,
так и прямой) протекают многочисленные побочные реакции, приводящие к
образованию значительного количества примесных соединений.
1.2.
Выбор конструкции реактора (достоинства и недостатки).
Реактор (гидрататор) представляет собой пустотелый цельно-кованный
цилиндрический стальной аппарат внутренним диаметром 1260 — 2200 мм и
толщиной стенки 70 мм, футерованный слоем меди толщиной 12 — 15 мм (рис.
1). В качестве усовершенствования реактор может быть изготовлен из
биметалла сталь — медь. Высота слоя катализатора 7 м. Кроме того, для
снижения уноса кислоты в нижнюю часть реактора загружают слой чистого
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
носителя (без кислоты) высотой 1 м. Линейная скорость газа 0,2 м/с; потеря
напора 0,3 — 0,4 МПа в начале цикла работы и до 0,6 МПа в конце.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
2. Физико-химические основы процесса и веществ.
Химическая схема, механизм реакции, выбор катализатора.
Этиловый спирт (этанол) С2Н5ОН — бесцветней жидкость, легко
испаряющаяся. Спирт, содержащий 4—5 % воды, называют ректификатом, а
содержащий только доли процента воды — абсолютным спиртом. Такой спирт
получают химической обработкой в присутствии водоотнимающих средств
(например, свежепрокаленного СаО).Этиловый спирт — многотоннажный
продукт химической промышленности. Получают его различными способами.
Один из них — спиртовое брожение веществ, содержащих сахаристые
вещества, в присутствии ферментов (например, зимазы — фермента дрожжей):
зимаза
C6H12O6 —зимаза C2H6OH + 2CO2
Такой
спирт
называют
пищевым
или
винным
спиртом.
Этиловый спирт можно получать из целлюлозы, которую предварительно
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
гидролизуют. Образующуюся при этом глюкозу подвергают в дальнейшем
спиртовому
брожению.
Полученный
спирт
называют
гидролизным.
Как известно, для получения этилового спирта существуют и синтетические
способы, такие, как сернокислотная или прямая гидратация этилена:
H2C==CH2 + H2 —кат. H3C—CH2OH
Себестоимость спирта, полученного таким способом, намного дешевле,
чем приготовленного из пищевых продуктов. Как у всех кислородосодержащих
соединений, химические свойства этилового спирта определяются, в первую
очередь, функциональными группами и, в известной степени, строением
радикала.
Характерной особенностью гидроксильной группы этилового спирта
является подвижность атома водорода, что объясняется электронным
строением гидроксильной группы. Отсюда способность этилового спирта к
некоторым реакциям замещения, например, щелочными металлами. С другой
стороны, имеет значение и характер связи углерода с кислородом. Вследствие
большой электроотрицательности кислорода по сравнению с углеродом, связь
углерод-кислород также в некоторой степени поляризована с частичным
положительным зарядом у атома углерода и отрицательным – у кислорода.
Однако, эта поляризация не приводит к диссоциации на ионы, спирты не
являются электролитами, а представляют собой нейтральные соединения, не
изменяющие окраску индикаторов, но они имеют определенный электрический
момент диполя .
Влияние температуры.
Реакцию прямой гидратации этилена желательно проводить при невысоких
температурах. Однако практически выбор температуры лимитируется
скоростью реакции и активностью применяемых катализаторов:с повышением
температуры, при прочих равных условиях, равновесная степень превращения
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
этилена в спирт снижается. Однако при низких температурах активность
фосфорнокислотного катализатора очень мала. Так, степень конверсии этилена
при 280—290°С достигает лишь 4—5%, а при более низких температурах она
еще меньше. На практике процесс прямой гидратации в паровой фазе в
присутствии фосфорнокислотного катализатора ведут в интервале 260—300°С.
Влияние мольного соотношения воды и этилена.
Согласно термодинамическим данным, с увеличением отношения Н2О : C2H4 с
0,5 : 1 до 1 : 1 значительно повышается степень конверсии олефина. Однако
экспериментальные данные отличаются от термодинамических: с
увеличением отношения Н2О : С2Н4 до 0,7—0,75 степень конверсии этилена
действительно возрастает, но при дальнейшем его увеличении она снижается.
Установлено также, что от соотношения Н20: С2Н4 зависит и активность
катализатора гидратации. Оптимальная концентрация фосфорной кислоты в
жидкостной пленке на пористом носителе составляет 83—85 %. Эта величина
зависит от парциального давления водяного пара, которое определяется общим
давлением в системе и мольным отношением вода: этилен. Оптимальная
концентрация Н3РО4 наблюдается при соотношении Н20 : С2Н4 = 0,75 : 1. С
дальнейшим ростом этого соотношения возрастает количество воды в пленке,
уменьшается концентрация кислоты и снижается степень конверсии этилена.
Поэтому в промышленных условиях принято мольное соотношение Н20 : С2Н4
— (0,6—0,7): 1.
Влияние давления.
Повышение давления благоприятствует реакции гидратации, причем
оптимальное давление составляет 6,7—8 МПа. Это давление связано с
процессом абсорбции этилена фосфорной кислотой. Оптимальное парциальное
давлений водяных паров равно 2,7—3 МПа; оно и определяет мольное
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
соотношение водяных паров и этилена. Оптимальное парциальное давление
этилена составляет 3,5—3,7 МПа. Общее давление складывается из
парциальных давлений воды, этилена и примесей. При концентрации этилена в
циркулирующем газе 80—85 % общее давление системы получается равным
7—8 МПа.
Влияние времени контакта. С увеличением времени контакта степень
конверсии этилена возрастает, а производительность единицы реакционного
объема снижается. Оптимальное время контакта 17—19 с, что соответствует
объемной скорости 1800—2000 ч-1.
В оптимальных условиях степень конверсии этилена не превышает 4,2—4,5 %,
а селективность превращения этилена в спирт достигает 95 %-.
Основной особенностью процесса прямой гидратации этилена является малая
степень конверсии этилена за один проход — не выше 4,5%. Этим обусловлена
необходимость рециркуляции значительных его количеств.
Ввиду высокой кратности циркуляции этилена в системе возможно накопление
инертных примесей, поэтому содержание их в исходном этилене не должно
превышать 2—5%. Эти примеси представляют собой метан и этан. В результате
циркуляции непревращенного этилена концентрация примесей в
циркулирующем этилене возрастает, а концентрация этилена снижается.
Заданную концентрацию этилена в циркуляционном газе поддерживают путем
отдувки части циркулирующего газа в систему газофракционирования.
Поскольку в циркулирующем этилене инертных примесей, больше, чем в
свежем, при отдувке можно вывести из системы все поступающие туда
инертные примеси.
В производстве этанола прямой гидратацией этилена наиболее широкое
применение получил фосфорнокислотный катализатор на твердом носителе.
Катализаторы прямой гидратации не должны разрушаться под действием влаги,
поэтому такой катализатор, как фосфорная кислота на кизельгуре, неприменим
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
— он не имеет скелета и легко разрушается. В качестве носителя для
фосфорной кислоты применяют силикагель, алюмосиликат, цеолиты,
инфузорную землю, монтморрилонит. Чаще всего используют шариковый
широкопористый силикагель, обработанный водяным паром с целью снижения
удельной поверхности и подавления побочных реакций уплотнения.
Носитель пропитывают 65%-ной фосфорной кислотой и сушат при 100 °С.
Готовый катализатор содержит 35—40% НзРО4.
В условиях реакции фосфорная кислота, осажденная на носителе, растворена в
пленке воды, адсорбированной на поверхности пор, и- реакция фактически
протекает в жидкой пленке фосфорной кислоты. Кислотный катализ, таким
образом, сводится к гомогенному катализу в жидкостной пленке катализатора
Существенными недостатками фосфорнокислотного катализатора являются его
коррозионная агрессивность и постепенный унос кислоты с поверхности
носителя. Эти недостатки могут быть полностью устранены при использовании
нейтральных катализаторов — вольфрамовых и кремневольфрамовых.
Разработаны процессы гидратации этилена на нейтральном катализаторе в
жидкой фазе при 250 — 300 °С и 30 МПа и при 300 °С и 14 МПа. В этих
случаях процесс ведут в колонне высокого давления, где на тарелках помещен
катализатор — оксиды вольфрама на силикагеле (15 — 20 % WO3). Этилен и
воду подают в верхнюю часть колонны, а снизу отводят 10%-ный спирт. В этом
процессе не требуется расходовать большое количество тепла на испарение
воды и перегрев водяного пара.
В Советском Союзе были разработаны другие активные вольфрамовые
катализаторы, содержащие 40 — 60 % триоксида вольфрама на
широкопористом силикагеле типа Si02*12W03*7H2O с добавкой борной
кислоты. Катализаторы этого типа готовят, пропитывая силикагель раствором
вольфрамата аммония и прокаливая затем при 400 °С. Они не нуждаются в
последующем восстановлении. Добавление в состав катализатора 5 — 10 %
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
борной кислоты сущетвенно повышает его активность. Наиболее активный
катализатор, содержащий 60 % W03 и 5 % В203 на силикагеле, применяется в .
интервале 200—240°С и 1,5—2,5 МП а, т. е. в более мягких условиях — при
конверсии 5,5 %.
Вольфрамовые катализаторы более активны, чем фосфорнокис-лотные, и могут
работать в более мягких условиях. Однако они значительно дороже, ибо
вольфрам — дефицитный материал, поэтому пока такие катализаторы не нашли
широкого промышленного применения.
Сравнительная оценка себестоимости синтетического этанола, полученного
сернокислотной и прямой гидратацией этилена, показывает, что в случае
сернокислотной гидратации основной статьей расхода является сырье и
вспомогательные материалы, что связано с применением серной кислоты и с
меньшей селективностью процесса, протекающего с образованием
значительных количеств побочных продуктов. Себестоимость спирта,
полученного сернокислотной гидратацией, на 20% выше, чем при прямой
гидратации.
3. Технологическая схема (описание).
Схема процесса получения этанола прямой гидратацией этилена изображена на
рис. 2.
Свежий и рециркулирующий этилен сжимают до 8 МПа в компрессоре 1 и
циркуляционном компрессоре 2, смешивают с рециркулирующим водным
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
конденсатом и нагревают в теплообменнике 4 горячими реакционными газами.
Затем смесь дополнительно нагревают до 280—330 °С в трубчатой печи 3 и
подают в реактор 5. Реакционные газы содержат пары фосфорной кислоты, и их
прежде всего нейтрализуют, впрыскивая водный раствор NaOH. Образующиеся
фосфаты отделяют в солеотделителе 6. Тепло газов утилизируют в
теплообменнике 4 и после дополнительного охлаждения в водяном
холодильнике 7 разделяют жидкую и газовую фазы в сепараторе 8 высокого
давления.
Газы еще содержат пары спирта, которые улавливают водой в абсорбере 9.
Освобожденный от спирта газ рециркулируют с помощью компрессора 2, но
часть его сбрасывают в линию топливного газа, чтобы избежать чрезмерного
накопления инертных примесей. Водный конденсат после сепаратора 8 и
жидкость из абсорбера 9 дросселируют и в сепараторе 10 низкого давления
отделяют от растворенных газов, которые используют как топливо. Из
сепаратора 10 вытекает 15%-й водный раствор этанола, содержащий
диэтиловый эфир, ацетальдегид и низкомолекулярные полимеры этилена. Этот
раствор подвергают ректификации в колоннах 11 и 12. В первой отгоняют
наиболее летучие диэтиловый эфир и ацетальдегид, а во второй — этанол (в
виде азеотропной смеси, содержащей 95 % спирта и 5 % воды), причем обогрев
осуществляют острым паром. В кубе колонны 12 остается вода, которую
очищают на ионообменной установке 13 от солей и возвращают на смешение с
этиленом и гидратацию, организуя замкнутый водооборот технологической
воды.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
4. Расчетная часть.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Прямая гидратация этилена протекает по реакции
C2H4 + H2O → C2H5OH
Расход этилена рассчитываем исходя из селективности и
стехиометрических уравнений реакции.
Общий расход этилена (кг/ч)
А=Gc Mэ*100/(Мс С)= Gc*28*100/46С=1078 кг/ч
с учетом конверсии Gэ= А*100/К=23435 кг/ч
Количество водяного пара, подаваемого в гидратор:
число кмоль:
этилена Nэ=836,96 кмоль/ч;
водяного пара Nв.п.=836,96*0,7=585,87 кмоль/ч
Gв.п.= 585,87*18=10545кг/ч
4.1.
Материальный баланс.
Основой материального баланса является закон сохранения материи,
согласно которому количество материала, поступающего в процесс (приходные
статьи материального баланса), равняется количеству продуктов, получаемых в
результате процесса (расходные статьи материального баланса). Материальный
баланс должен составляться как для всего технологического процесса, так и для
отдельных его элементов. Материальный баланс составляют за единицу
времени — час, сутки, год — или за цикл работы на единицу исходного сырья
или готовой продукции, т. е. за тот отрезок времени, в течение которого
перерабатывается
определенное
количество
сырья
или
получается
определенное количество продукта. Материальный баланс может быть
рассчитан в весовых, мольных или объемных единицах. Материальный баланс
процесса представлен в таблице 1.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Таб.1 Материальный баланс
Количество
Материальный поток
кг/ч
кмоль/ч
Этилен
23435
836,96
Водяной пар
10545
585,87
Всего
33980
1422,83
Этанол
1700
36,96
Этилен
22357
798,46
Водяной пар
9923
551,28
Всего
33980
1386,7
Приход
Расход
4.2.
Тепловой баланс.
Тепловой баланс отражает основное содержание закона сохранения
энергии, согласно которому количество тепла, введенной в процесс (приходные
статьи баланса), равно количеству тепла, получаемой в результате процесса
(расходные статьи баланса).
Так же как и материальный баланс, тепловой баланс можно составлять
для всего производственного процесса или для отдельных его стадий. тепловой
баланс может быть составлен для единицы времени (час, сутки), для цикла
работы, а также на единицу исходного сырья или готовой продукции . Тепловой
баланс процесса представлен в таблице 2.
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Таб.2. Тепловой баланс
Наименование
G, кг/ч
Q, МДж/ч
Приход тепла
Этилен
23435
10757
Водяной пар
10545
6327
Всего
33980
17084
Этанол
1700
870
Этилен
22357
10261
Водяной пар
9923
5953
Всего
33980
17084
Расход
4.3.
Расчет аппарата.
Расчет основных размеров реактора
Объем газообразного сырья
Vг=(Gс/Мс+Gп./Мп.)*22,4*Т*0,101/273*Р=
=1404,8*22,4*0,101*573/273*7=953 м3/ч
Примем среднюю фиктивную скорость 0,2 м/с, тогда
S=953/(0,2*3600)=1,32 м2
D=√S/0,785=√1,32/0,785=1,3 м
Vр=Vг*τ, где τ — среднее фиктивное время пребывания паров реакционной
смеси в реакторе. Принимаем τ= 19 с, тогда
Vр=953*19/3600=5м3
Длина реактора l= Vр/ S=3,8 м
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
4.4 Расчет трубчатой печи для нагрева сырья.
Исходные данные по 1 нагреваемому компоненту – этилен:
 массовый расход этилен Gн = 23435 кг/час;
 температура входа в печь Т1н = 80 С;
 температура выхода из печи Т2н = 300 С;
 давление на выходе из змеевика печи вн = 7МПа.
Исходные данные по 2 компоненту – водяной пар
 массовый расход водяной пар Gн = 10545 кг/час;
 температура входа в печь Т1м = 80 С;
 температура выхода из печи Т2м = 300 С;
давление на выходе из змеевика печи вн = 7МПа
Сжигаемое топливо газ с газоперерабатывающего завода:
293
 плотность при 20 С  Г = 0,760 кг/м3;
 компонентный состав газа табл. 20.
Таблица 3.Компонентный состав газа.
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Компонент
N2
CO2
CH4
C2H6
C3H8
и-C4H10
н-C4H10
Итого:
Массовая
доля gi100,
(масс. %)
0,46
1,78
64,97
7,06
12,42
8,83
4,48
100
Мольная
(объемная)
доля ri
0,0028
0,0083
0,8352
0,0484
0,0581
0,0313
0,0159
1
Молекулярная
масса, Мi
Miri
34
44
16
30
44
58
58
0,0952
0,3652
13,3632
1,452
2,5564
1,8154
0,9222
MГ20,57
1.Расчет процесса горения
Определим низшую теплоту сгорания топлива по формуле:
н
Q

86
,
06

CH

141

C
H

150
,
9

C
H

207
,
5

C
H

218
,
25

C
H

р
4
2
4
2
6
3
6
3
8

261

изо

C
H

285
,
4

н

C
H

273
,
7

C
H

348
,
75

C
H

60

H
S
4
10
4
10
4
8
5
12
2
где СН4, С2Н4 и т.д. – содержание компонентов в топливе в объемн. %.
н
3
Q

86
,
06

83
,
52

150
,
9

4
,
84

218
,
25

5
,
81

261

3
,
13

285
,
4

1
,
59

972
кк
м
р
,
5
н 9726
3
Q


12798
ккал
м
р
0
,
760
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Определим элементный состав топлива в массовых процентах.
Содержание углерода в любом i-ом компоненте топлива находим по
соотношению:
g 12
ni
Ci  i
Mi
где ni – число атомов углерода в данном компоненте топлива.
Содержание углерода:
C
H
H
4
10C
4
10
g

12
n
,
78

12

1
64
,
97

12

1
7
,
06

12

2
12
,
42

12

3
i
i 1
С

C







i 
M
44
163044
CO
CO
i
2
2
(
8
,
83

4
,
48
)

12

4


76
,
04
%
58
Содержание водорода:
g

m
64
,
97

4
7
,
06

6
12
,
42

8
(
8
,
83

4
,
48
)

10
H

C






22
,
2
%


M
16
30
44
58
C
H
C
H
4
10
4
10
ii
i
CH
4 CH
4i
где m – число атомов водорода в данном компоненте топлива.
Содержание кислорода:
g

16
P
1
,
78

16

2
CO
O
2


1
,
29
%
M
44
CO
2
где Р – число атомов кислорода.
g

14
K
0
,
46

14

2
N
2
N



0
,
47
%
M
28
N
2
где К – число атомов азота.
Проверка:
C

H

O

N

76
,
04

22
,
2

1
,
29

0
,
47

100
%
Определим теоретическое количество воздуха, необходимого для
сжигания 1 кг газа, по формуле:
0
,
0267
С

0
,
08
Н

0
,
01
(
S

O
)
L


0
0
,
23
0
,
0267

76
,
04

0
,
08

22
,
2

0
,
01

1
,
29

16
,
49
кг
/
кг
0
,
23
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Найдем действительное количество воздуха, которое требуется для
сжигания 1 кг газа.
Для печей с излучающими стенками коэффициент избытка воздуха
=1,031,07. Принимаем =1,06. Тогда действительное количество воздуха:

L


L

1
,
06

16
,
49

17
,
48
кг
/
кг
Д
0
или
L
,
48 3
Д 17
V
 
12
,
52
м
/
кг
Д
,
293
в 1

где в = 1,293 кг/м3 – плотность воздуха при нормальных условиях (0 С
и 760 мм. рт. ст.).
Определим количество
сжигании 1 кг топлива:
продуктов
сгорания,
образующихся
при
m

0
,
0367

С

0
,
0367

76
,
04

2
,
79
кг
кг
CO
2
m

0
,
09

H

0
,
09

22
,
2

2
,
0
кг
кг
H
O
2

m

0
,
77

L


N

0
,
77

16
,
49

1
,
06

0
,
47

13
,
93
кг
кг
m

0
,
23

L
(
1
)

0
,
23

16
,
49

(
1
,
06

1
)

0
,
23
кг
кг
O
0
2
N
2
0
Суммарное количество продуктов сгорания:
m

2
,
79

2
,
0

0
,
23

13
,
93

18
,
95
кг
кг

i
Проверка:
m

1


L

1

1
,
06

16
,
49

18
,
9

i
0
Содержанием влаги в воздухе пренебрегаем.
Найдем объемное количество продуктов сгорания в м3 на 1 кг топлива
(при нормальных условиях):
m
22
,4 2,79
22
,4
CO
3
2
VCO


1
,42м
кг
2
M
44
CO
2
m
,4 2,022
,4
HO22
3
VH2O  2

2,49м
кг
M
18
H
2O
m
,4 0
,23
22
,4
O 22
3
V
 2

0
,16м
кг
O
2
M
32
O
2
m

22
,
4
13
,
93

22
,
4
N
3
2
V



11
,
14
м
кг
N
2
M
28
N
2
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Суммарный объем продуктов сгорания:
V

1
,
42

2
,
49

0
,
16

11
,
14

15
,
21
кг
кг

i
Плотность продуктов сгорания при 0 С и 760 мм. рт. ст.
m
18
,
95


 
1
,
246
кг
м
V15
,
21
i
0
3

i
Определим содержание продуктов сгорания при различных температура
по уравнению:
q

t
(
m
c

m
c

m
c

m
c
)
t
CO
CO
H
O
H
O
O
O
N
N
2
2
2
2
2
2
2
2
где t – температура продуктов сгорания (дымовых газов), С; с – средние
массовые теплоемкости компонентов дымовых газов, определяемые из таблицы
[38, стр. 491]
Найдем для примера q200:
q

200
(
2
,
79

0
,
218

2
,
49

0
,
451

0
,
16

0
,
224

11
,
14

0
,
250
)

910
кка
кг
200
Результаты расчетов сведены в табл. 4
Таблица 4
t, C
qt, ккал/кг
0
0
200
910
400
1820
800
3640
1000
4550
1400
6370
2000
9100
Температура
2500
2000
1500
1000
500
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
Теплосодержание
Рис. 3. График зависимости теплосодержания от
температуры.
По данным этой таблицы строим график q-t (рис. 3).
КПД печи и расход топлива
КПД (коэффициент полезного действия) печи найдем по формуле:
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
q
q 
р
Q
Q
р
ух
.
.
 пот


1

 н
 н

q пот .
где Q н
р
- потери тепла в окружающую среду, в долях от низшей
q ух .
теплоты сгорания топлива;
Q рн
- потери тепла с уходящими дымовыми
газами, в долях от низшей теплоты сгорания топлива.
qпот
.
Примем, что Qн 0,07и что температура дымовых газов, покидающих
р
конвекционную камеру печи, на 240 С выше температуры t1п пара
поступающего в печь:
t
t


t

160

240

400
ух
.
1
п
С
При
tух.  400С
найдем по графику q-t (см. рис. 40) потерю тепла с
уходящими дымовыми газами:
q
1820
ккал
кг
ух
.
или в долях от низшей теплоты сгорания топлива:
q
1820
ух
.


0
,
142
н
12798
Q
р
Подставив числовые значения величин, получим, что КПД печи


1

(
0
,
07

0
,
142
)

0
,
788
Полную тепловую нагрузку печи, или теплопроизводительность газовых
горелок при КПД печи равному 0,823 найдем из формулы:
Qт=Qполез/η
где
Q полезн .
- полезное тепло печи,.
Полезное тепло печи рассчитываем по формуле:
Qпол=L(hk-hn)
Qэ=23435*275=6444625
Qв.п=10545*88=927960
(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения
работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...)
Подставляя в формулу заданные и найденные величины, получим:
Qт=7372585/0,788=9356
Часовой расход топлива:
Вэт=639 кг/ч
В в.п.=92 кг\ч
5. Графическая часть.
Графическая часть представлена двумя чертежами: технологическая схема и
чертеж реактора формата АЗ
6. Выводы.
6.1. На основании литературного обзора выбран метод получения этанола
прямой гидратацией этилена с использованием катализатора — фосфорная
кислота на алюмосиликате.
6.2. Обоснование выбора реакционного устройства. В качестве реактора
выбран гидратор, который представляет собой пустотелый цельно-кованный
цилиндрический стальной аппарат.
6.3. Составлен материальный баланс процесса получения этанола прямой
гидратацией этилена.
7. Библиографический список.
1. Валакин В.П. "Получение синтетического этилового спирта"
Москва, "Химия" 1976г.
2.Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и
нефтехимического синтеза.-М. «Химия», 1988.
3.Эмирджанов Р.Т., Лемберанский Р.А. Основы технологических расчетов в
нефтепереработке и нефтехимии. М. «Химия», 1988.
4. Адельсон С.В. Технология нефтехимического синтеза. М. «Химия», 1985.
5. Справочник нефтехимика. Л. «Химия», 1978.
2
5