Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2 Технологическая часть
В силу специфики свойств винилхлорида, особенно химических, позволяющих перерабатывать его в ценнейшие химпродукты, потребляемые практически во всех областях жизнедеятельности человека, постоянно ведутся разработки новых или усовершенствование действующих промышленных методов получения этого уникального хлорсодержащего мономера [1,15]
2.1 Выбор и обоснование метода производства
Обзор литературных источников и анализ работы действующих производств по получению винилхлорида показали, что в пяти из них, занимающих наиболее прочные позиции в промышленности, три- прямое хлорирование этилена, окислительное хлорирование этилена, сбалансированный по хлору метод- включают как завершающую стадию переработку 1,2-дихлорэтана в винилхлорид.
В промышленных условиях эту операцию проводят либо обработкой дихлорэтана водным раствором сильных оснований, либо обработкой дихлорэтана термокрекингом: в присутствии катализатора (термокаталитический крекинг) или под воздействием высокой температуры (пиролиз).[22].Существует метод получения винилхлорида щелочным методом- дегидрохлорированием дихлорэтана водным раствором гидроксида натрия в присутствии катализатора [15].
К достоинствам метода относится высокий выход целевого винилхлорида, достигающий 99,5%масс.
Однако имеются и существенные недостатки. Например, низкая конверсия дихлорэтана, равная от 50 до 60%масс., если в качестве катализатора используется триэтилбензиламмонийхлорид (ТЭБАХ), растворенный в метаноле или бутаноле. Конверсию дихлорэтана можно довести до 90-95%масс, но только ценой использования в качестве растворителя катализатора дорогостоящего бензилового спирта. Во-вторых, образуется большое количество сильно минерализованных и загрязненных органикой сточных вод- 1т на 1т винилхлорида. Даже эти два недостатка характеризуют производство как экологически небезопасное и экономически нерентабельное.
Главным недостатком термокаталитического метода расщепления дихлорэтана в винилхлорид является то, что во-первых, все практически применяемые катализаторы дорогостоящие, сложны в изготовлении, недолговечны в эксплуатации за счет дезактивирования, потери физических форм счет истирания и т.д. Во вторых, способных к восстановлению своих свойств контактов требуют специальных установок, т.е. значительных капитальных затрат, затрат энергоресурсов и т.д. Все это не покрывается тем, что конверсия дихлорэтана и селективность образования сравнительно со щелочным методом значительно больше (конверсия дихлорэтана 70-80%масс, селективность образования винилхлорида достигает 99% масс.[26].
На этом фоне привлекательнее с технической и технологической стороны выглядит пиролитический метод дегидрохлорирования дихлорэтана. как показал сравнительный анализ работы промышленных установок даже при относительно меньших конверсии (50-60%масс) и селективности (до 98%масс) метод получения винилхлорида пиролизом дихлорэтана более экономически выгоден, экологически безопасен и, самое главное, рассчитан на большие (от100 и более тыс. тонн в год) мощности.
Решение приведенных выше проблем является актуальным для России. Целью проекта является усовершенствование технологии пиролиза 1,2 ДХЭ в винилхлорид с высоким выходом и уменьшение сырьевых затрат на единицу целевого винилхлорида.
Для достижения поставленной цели решаются следующие инженерно-технические задачи: испарение ДХЭ в выносном испарителе за счет тепла пиролизного газа, подбор технологического, малоотходного, экологически безопасного и экономичного метода переработки дихлорэтана в винилхлорид. Обоснование технического решения расчетами материальных и тепловых балансов, теплотехнических и технологических показателей и параметров.
Практическое значение работы в том, что в случае ее промышленной реализации существенно сократится дефицит на винилхлорид и, следовательно, увеличится выпуск поливинилхлорида (около90% всего винилхлорида перерабатывается в полимер винилхлорида), являющегося исходным сырьем в производстве ряда ценнейших химических продуктов, в том числе и товаров народного потребления.
2.2 Описание технологии производства винилхлорида термическим пиролизом 1,2- дихлорэтана
Технология получения винилхлорида расщеплением дихлорэтана под во действием тепла состоит из следующих основных стадий:
а) Термический пиролиз дихлорэтана;
б) Закалка и конденсация пиролиза пирогаза;
в) Разделение продуктов пиролиза;
г) Получение товарного винилхлорида.
Пиролиз 1,2- дихлорэтана.
Дихлорэтан из емкостей Е-501 насосом Н-501 подается в количестве от22 50 м3/ч в змеевик печи пиролиза Р-501. При снижении расхода до 22 м3/ч подается сигнал, а при 20 м3/ч- срабатывает блокировка остановки печи.
Печь пиролиза ДХЭ представляет собой вертикальную камеру. Внутри печь футерована огнеупорным материалом. В верхней части расположена дымовая труба. В печи размещен змеевик из горизонтальных труб, который по ходу дихлорэтана условно делится на зоны подогрева, испарения, перегрева паров и реакции.
В зонах подогрева и испарения дихлорэтана нагревается отходящими дымовыми газами. Для создания температуры, необходимой для проведения реакции дегидрохлорирования ДХЭ, в нижней части печи расположены в пять рядов по высоте 128 горелок.
По ходу дымовых газов печь разделена на зоны излучения, переходную и конверсии. Зона излучения находится в расширенной части печи, где расположены горелки. Вверху расширенной части находится переходная или шоковая зона, зона конвекции размещена в верхней части печи, которая заужена для увеличения скорости дымовых газов и улучшения теплообмена.
Дихлорэтан предварительно подогретый до 1500С в теплообменнике Т-509, поступает в верхнюю часть конвекционной зоны печи, где за счет тепла отходящих дымовых газов нагревается до 2500С. По ходу змеевика, в переходной зоне, происходит испарение и перегрев продукта. В радиантных трубах, находящихся в зоне излучения при температуре 5000С происходит: дегидрохлорирование дихлорэтана до винилхлорида со степенью конверсии 50% по следующей эндотермической и необратимой реакции:
C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl – 67,8кДж/моль (2.1)
Реакционная смесь, состоящая из непрореагировавшего дихлорэтана, винилхлорида, хлористого водорода и побочных продуктов, из печи пиролиза Р-501 с температурой от 480 до 5200С направляется в колонну закалки К-501.
Температура продуктов пиролиза на выходе из печи регулируется путем изменения количества подаваемого к горелкам топлива.
Топливный газ в количестве 2306 нм3/ч и избыточное давление не более 0,14МПа подается на ряды горелок.
При падении давления до 0,05МПа или увеличении до 0,16МПа срабатывает блокировка по отсечке подачи топлива в печь. Расход топливного газа регулируется ручным регулятором расхода, по которому поступает до 90% газа и автоматическим регулятором расхода.
Дымовые газы, образовавшиеся при сжигании топлива, с содержанием кислорода не более 5 % и температурой от 230 до 330 0С через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. Температура дымовых газов концентрируется в нескольких точках по высоте печи: на перевале, в газоходах, в дымовой трубе, в камере конвекции. При повышении температуры дымовых газов в камере конвекции до 350 0С на рабочем месте оператора предусмотрена сигнализация, при достижении температуры 450 0С, срабатывает блокировка по остановке печи.
Аварийная остановка печи пиролиза включает в себя: отсечку дихлорэтана и остановку насоса Н-501; отсечку подачи топлива к горелкам печи; подачу азота низкого давления в под печи пиролиза.
Равномерность потоков дымовых газов по печи регулируется в ручную двумя шиберами, установленными на выходе из печи. Перепад давления в топочном пространстве устанавливается от 8 до 10 мм вод. ст.
К трубопроводу подачи дихлорэтана в печь пиролиза присоединены трубопроводы подачи азота высокого давления 4,0 МПа, пара высокого давления 1,2МПа, технологического воздуха 0,6 МПа, азота низкого давления 0,6 МПа.
Азот высокого давления необходим для продувки змеевика с целью его опорожнения от дихлорэтана при остановках печи пиролиза, он поступает от компрессорной азота. Опорожнение змеевика производится в колонну закалки К-501. Азот низкого давления служит для продувки змеевика печи пиролиза перед пуском и при регенерации змеевика и подается из общезаводской сети.
При регенерации змеевика печи пиролиза используется пар высокого давления и технологический воздух, потребляемые также из общезаводской сети. Во избежании попадания дихлорэтана, имеющего более высокое давление, на линиях подачи азота, пара и воздуха соответственно предусмотрены вставные катушки, которые при нормальной работе печи снимаются.
Камера сгорания печи имеет врезки для подачи азота низкого давления, технологического воздуха и пара высокого давления. Азот низкого и пар используют для тушения пожара в топочном пространстве. Воздухом печь продувается перед ремонтом.
Реакционный газ из змеевика печи пиролиза давлением от 1,4 до 24Мпа, температурой от 480 до 5200С отводится в колонну закалки К-501 для резкого ох-
лаждения с целью подавления образования побочных продуктов.
2.2.1 Прожиг печи пиролиза
В процессе эксплуатации печей пиролиза на внутренних стенках змеевика образуются отложения веществ, в основном кокса и сажи, которые накапливаясь ухудшают теплообмен и снижают теплопроизводительность печи. Этому явлению наиболее подвержены зона испарения и шоковая зона змеевика. Поэтому периодически производится его регенерация путем выжига кокса.
Регенерацию проводят по принципу попеременной подачи в змеевик пара и воздуха. С этой целью предусмотрен демонтируемый участок линии выхода реакционных газов из печи пиролиза к закалочной колонне. При проведении регенерации вставная катушка на трубопроводе выхода пиролиза из печи демонтируется и заменяется съемной соединительной трубкой к циклону позиция Ф-503.
Циклон представляет собой цилиндрический аппарат с конической нижней частью. Паровоздушная смесь, содержащая в основном водяные пары, двуокись углерода и частицы кокса, поступает тангенциально в цилиндрическую часть циклона.
Для отмывки твердых частиц и конденсации пара в верхнюю часть циклона позиции Ф-503 из общезаводских сетей подается речная вода. Вода с твердыми частицами из нижней части циклона собирается в бункер-тележку позиция Е-506 и далее после отстоя направляется в заглубленный сборник сточных вод позиция С-601. Газовая фаза через воздушку сбрасывается в атмосферу.
При остановке печи пиролиза на регенерацию проводят подготовительные операции, после чего приступают к регенерации змеевика. В змеевик подается азот низкого давления и производится розжиг горелок нижнего ряда.
При достижении температуры 250 0С на выходе из змеевика, прекращается подача азота, и в змеевик подается пар высокого давления.
Далее температуру на выходе из змеевика поднимают до 650 0С. Скорость подъема температуры не должна превышать 50 0С/ч, что достигается розжигом дополнительных горелок второго ряда. В период разогрева через каждые 10-15 минут объемный расход пара кратковременно увеличивается до 5000 кг/ч для создания паровых толчков, способствующих выносу отколовшихся кусков кокса из змеевика.
При достижении температуры 650 0С, ее выдерживают в течении 10 часов для полного удаления горючих хлорорганических продуктов, затем температура постепенно понижается до 580 0С со скоростью 15 с/ч частичным отключением горелок второго ряда.
При температуре 580 0С массовый расход пара снижается до 1500 кг/ч, и начинается подача в змеевик печи воздуха в течении не более 5 минут в количестве 25 м3/ч.
С началом подачи воздуха каждые 30 минут проводят анализ на объемное содержание СО2 в регенерационном газе. Отбор проб ведется после охлаждения газа в холодильнике позиция Т-507. Устанавливается режим прожига. После каждой
При дегидрохлорировании дихлорэтана в печи пиролиза Р-501 на внутренних стенках змеевика происходит отложение кокса и сажи, которые накапливаясь ухудшают теплообмен и снижают производительность печи, происходит также уменьшение сечения труб змеевика и следовательно увеличение гидравлического сопротивления. Поэтому периодически при перепаде давлений на входе ДХЭ в змеевик и выходе его из печи, равный от 1,0 до 1,2Мпа, производится очистка змеевика путем выжига из него кокса.
При остановке печи пиролиза на регенерацию необходимо прекратить подачу дихлорэтана, освободить змеевик путем выдавливания его в колонну закалки К-501 азотом высокого давления до полного удаления продукта. Затем стравливается давление и осуществляется опорожнение колонны К-501. После этого демонтируется участок линии выхода реакционных газов из змеевика к закалочной колонне и подсоединяется съемный отвод от выхода змеевика к циклону Ф-503. В змеевик подается азот низкого давления расходом от 400 до 450 нм3/ч. Производится розжиг нижнего ряда горелок и подъем температуры в топке до 200-2500С. При достижении этой температуры прекращается подача азота и в змеевики подается пар по возможности высоким, так как высокая скорость вызывает быстрое удаление кокса. Розжигом дополнительного количества горелок температура на выходе из змеевика достигается 600-6500С.
Полное удаление кокса осуществляется путем сгорания его с воздухом. При достигнутой температуре, не прекращая подачи пара, кратковременно ( в течении нескольких минут) подается технологический воздух в количестве 25 нм3/ч. При достижении температуры стенки свыше 6500С подача воздуха немедленно прекращается и увеличивается подача пара. С момента подачи воздуха через определенные промежутки времени устанавливается контроль за содержанием СО2 в регенерационном газе на выходе из печи. С замедлением роста температуры в змеевике печи производится постепенное увеличение количества и продолжительности подачи воздуха. При достижении температуры 6200С и содержании СО2 в продуктах сгорания 2%, подача воздуха становится непрерывной и достигает 120 нм3/ч. Регенерация считается законченной при содержании СО2 в регенерационном газе менее 0,03% об.
Пар и продукты сгорания от прожига змеевика направляются в циклон Ф-503. В верхнюю часть циклона подается вода с помощью которой из газов прожига отбираются несгоревшие частички кокса, которые собираются на промсвалку.
Закалка реакционного газа. Реакционные газы из печи пиролиза с температурой не более 5200С поступают в нижнюю часть закалочной колонны поз. К-501, где барбатируют через слой жидкости для быстрого охлаждения до температуры 180-2000С.
Паровая смесь подвергается очистке от механически унесенных капель закалочной жидкости из барботажной зоны на провальных тарелках и далее подвергается ректификации в головной части колонны за счет контакта со стекающим сверху потоком флегмы.
Колонна поз. 501 снабжена пятнадцатью ситчатыми тарелками. Давление верха колонны контролируется и составляет от 1,2 до 2,3 МПа. При падении давления до 1,2 МПа и увеличение его до 2,3 МПа на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация.
Температура верха закалочной колонны составляет от 155 до 1900С. При повышении температуры до 1900С на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация.
Уровень в кубе колонны составляет от 60 до 80%. При падении уровня до 60% и повышения его до 80% на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация.
Для стабилизации уровня в колонне поз. К-501 предусмотрена подача флегмы из фазоразделителя поз. С-500А в куб. колонны поз. К-501, или подача дихлорэтана от насоса поз. Н-501Д1-3.
Выходящая сверху колонны поз. К-501 парогазовая смесь, не содержащая продуктов осмола и кокса поступает в аппараты воздушного охлаждения поз. Т-500 А, Б, В1,2, где охлаждается до температуры 800С и частично конденсируется.
Парожидкостная смесь из аппаратов воздушного охлаждения направляется в фазоразделитель поз. С-500А, где происходит разделение жидкой и газообразной сред. Уровень жидкости в аппаратах контролируется в пределах от 20 до 80%. Жидкая фаза из фазоразделитедя поз. С-500А в количестве не более 80м3/ч поступает в головную часть колонны поз. К-501 в качестве флегмы, а оставшаяся часть жидкости в количестве 40м3/ч, направляется на разделение в колонну поз. К-601.
Расход флегмы в колонну поз. К-501 регулируется отбором жидкости в ко-
лонну поз. К-601 с коррекцией по уровню в закалочной колонне.
Газожидкостная смесь по трубопроводу перелива с поз. С-500А через гидрозатвор поступает в фазоразделитель поз. С-500Б, вместимостью 6,3м3.
Жидкая фаза из емкости поз. С-500Б подается в ректификационную колонну поз. К-601. Предусмотрен вывод жидкой фазы в емкость поз. Е-119 или в линию «ДВ» (при предпусковой сушке).
Уровень в фазоразделителе поз. С-500Б контролируется, при падении уровня до 20% и повышении его до 80% на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация. Несконденсировавшиеся газы из фазоразделитедя поз. С-500А, Б через клапан отсекатель Н-5601 поступает далее на охлаждение в конденсатор поз. Т-502 А, Б. Расход жидкой фазы из поз. С-500Б контролируется, уровень регулируется клапаном на выводе жидкой фазы в колонну поз.К-601.
Кубовый продукт из емкости поз. Е-510 объемом 10м3 с помощью насоса поз. Н-510А, Б через фильтр поз. Ф-510А, Б циркулирует через скоростной испаритель поз. Т-510 типа «труба в трубе», где происходит перегрев циркуляционной смеси с дальнейшим отделением испаренного дихлорэтана в емкости поз. Е-510. Подогрев осуществляется греющим паром с давлением 1,2МПа.
Температура циркулирующей смеси не более 1650С регулируется на выходе из скоростного испарителя. Верхний температурный предел свидетельствует о высокой концентрации в циркулирующей смеси смолистых. При этом часть продукта выводится из системы циркуляции насосом поз. Н-510А, Б на сжигание.
Давление на нагнетании насоса поз.Н-510А, Б составляет 0,5МПа. При понижении давления нагнетания до0,45МПа на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация и отключается электродвигатель насоса. Температура в корпусе насоса поз. Н-510А, Б должна быть не более 700С. При повышении температуры более 700С на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация, а при повышении до 750С отключается электродвигатель насоса.
Парожидкостная смесь из скоростного испарителя поз. Т-510 возвращается в емкость поз. Е-510, где в расширителе, установленном над емкостью происходит отделение газовой фазы от жидкой.
Уровень емкости поз. Е-510 в пределах от 20 до 80% контролируется. При повышении уровня до 80% и снижении его до 20% и на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация, а при снижении до 10% происходит отключение электродвигателя насоса поз. Н-510А, Б.
Из емкости поз. Е-510 паровая фаза через фазоразделитель направляется для дальнейшей ректификации в колонну поз. К-521 на 9 тарелку.
Колонна поз.К-521 оборудована двадцатью ситчатыми тарелками и предназначена для выделения высококипящих из выделившегося дихлорэтана.
Количество паровой фазы, поступающего в колонну поз. К-521 составляет не более 1500нм3/ч. При повышении расхода до 1500нм3/ч и снижении его менее 200нм3/ч на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация.
Давление в системе выделения высококипящих должно быть не более 0,03МПа. При повышении давления более 0,07МПа и при разгерметизации системы, о чем свидетельствует падение давления до 0,015МПа на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация.
Температура в головной части колонны поз. К-521 составляет не более 900С. Температура на 4 тарелке колонны поз. К-521 составляет от 85 до 950С.
Колонна поз. К-521 снабжена скоростным испарителем поз. Т-522А, Б (один рабочий, один резервный) типа «труба в трубе». Температура продукта на выходе из скоростного испарителя поз. Т-522А, Б составляет не более 1650С. Уровень в колонне поз. К-521 составляет от 20 до 80%. При повышении уровня до 80% и снижении его до 20% и на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация, а при снижении до 10% происходит отключение электродвигателя насоса поз. Н-530А, Б.
Температура куба колонны поз. К-521 поддерживается не более 1650С изменением вывода высококипящих от насоса поз. Н-530А, Б в сборник высококипящих от насоса поз. Н-530 А, Б в сборник высококипящих поз. Е-701Б, контроль за расходом не более 0,2м3/ч. При повышении температуры в корпусе насоса поз. Н-530А, Б до 700С на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация.
Давление нагнетания насосов поз. Н-530А, Б должно быть не менее 0,5МПа, при снижении давления до 0,45МПа срабатывает сигнализация и отключается электродвигатель насоса. Температура в корпусе насоса поз. Н-530А, Б должна быть не более 700С. При повышении температуры до 700С на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация, а при температуре 750С отключается электродвигатель насоса.
Газообразный продукт из верхней части колонны поз. К-521 конденсируется и охлаждается в двух последовательно работающих теплообменниках поз. Т-523 и Т-524, охлаждаемые соответственно оборотной водой и хладоносителем с температурой плюс 10С. Температура на выходе из теплообменника поз. Т-524 составляет не более 200С.
Далее продукт поступает в емкость поз. Е-525, откуда пары дихлорэтана с примесями хлористого водорода и винилхлорида направляются в систему санитарной колонны поз. К-110, либо на эжектор поз. Э-401, который подает абгазы на сжигание в цех №16.
Дистиллат из емкости поз.Е-525 насосом поз. Н-525А, Б с расходом не более 1,8м3/ч подается на флегмирование колонны поз.К-521. Давление на нагнетании насоса поз. 525А, Б составляет 0,5МПа.
При снижении давления до ) 0,45МПа на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация и отключается электродвигатель насоса.
Давление на мембранном блоке насоса поз. Н-526А, Б, В должно быть не менее 0,015МПа и не более 0,7МПа. При понижении давления менее ,015МПа и при повышении более 0,7МПа на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация, и отключается электродвигатель насоса поз. Н-526А, Б, В.
При понижении уровня до 10% в емкости поз. Е-525 на рабочем месте оператора срабатывает световая и звуковая сигнализация и отключается электродвигатель насоса поз. Н-526А, Б, В при снижении до5% срабатывает блокировка и отключается электродвигатель насоса поз. Н-525А, Б.
Уровень в емкости поз. Е-525 в пределах от 20 до 80% за счет отбора дистиллята насосом поз. Н-526А, Б, В колонну поз. К-501 (тарелка№7)
Для исключения вибрации трубопроводов на нагнетании мембранных насосов поз. Н-526А, Б, В установлены депульсаторы. Для контроля целостности мембран на мембранных насосах поз. Н-526А, Б, В установлены блокировки превышения давления в мембранном блоке (маслосистемы), при повышении давления более 0,7МПа срабатывает блокировка и останавливается насос поз. Н-526А, Б, В на рабочем месте оператора срабатывает сигнализация разрыва мембраны.
2.3 Техническая характеристика сырья, реагентов и товарной продукции
|
Наименование сырья и вспомогательных материалов |
Государственный стандарт, технические условия, СТП, регламент |
Регламентируемые показатели по ГОСТ или ТУ |
Примечание |
|
Хлористый водород с пиролиза дихлорэтана |
– |
хлорид водорода-99,63%масс ацетилен- 0,22%масс инерты- 0,15%масс |
|
|
Натр едкий технический (жидкий) |
ГОСТ 2263-79 |
Массовая доля едкого натра, 42%масс |
|
|
Метанол |
ГОСТ 2222-78 |
Плотность =790кг/м3 |
|
|
Гидрохинон |
ГОСТ 19637-74 |
Содержание гидрохинона 99,5%масс |
|
|
Едкий натр технический марки ТР твердый ртутный (чешуированный) |
ГОСТ 2263-79 |
NаОН-98,5%; Nа2СО3-0,8%; NaCl-0,05%; оксиды: железа, алюминия, магния-0,2% |
Продолжение таблицы 2.1
|
Наименование сырья и вспомогательных материалов |
Государственный стандарт, технические условия, СТП, регламент |
Регламентируемые показатели по ГОСТ или ТУ |
Примечание |
|
Винилхлорид технический |
ТУ6-01-14-90 сорт высший |
Примеси,%массю (н/б) дихлорэтан 0,02, 1,2-бутадиен-0,001, ацетальдегид-0,0006, ацетилен-0,0001, хлорид водорода 0,0001, железо- 0,0001, влага-0,02, фенол-0,0005. |
2.4 Расчет материальных потоков
2.4.1 Материальный баланс печи пиролиза 1,2- дихлорэтана
Данные для расчета материального баланса приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.2- Исходные данные
|
Наименование показателей |
Значение показателей |
|
Мощность печи по винилхлориду, т/г Время работы печи в году, ч Конверсия 1,2-дихлорэтана, %масс Селективность образования винилхлорида, %масс Выход винилхлорида, %масс Технологические потери, %масс Состав сырья, %масс: 1,2-дихлорэтан легкокипящие бензол |
135000 8000 50 98,58 49,30 0,05 99,33 0,004 0,65 |
Продолжение таблицы 2.2
|
Наименование показателей |
Значение показателей |
|
1,1,2-трихлорэтан высококипящие Состав газов пиролиза, %масс: инерты хлорид водорода ацетилен метилхлорид винилхлорид легкокипящие бензол 1,2- дихлорэтан 1,1,2-трихлорэтан высококипящие |
0,001 0,02 0,03 18,14 0,04 0,003 30,95 0,20 0,72 49,58 0,01 0,33 |
Примечание. Перечисление компонентов сырья и пирогаза приведено в порядке соответствующему их хромотограмме.
Производительность печи пиролиза составляет
по винилхлориду
Находим количество дихлорэтана, необходимое для обеспечения этой производительности
ClH2C-CH2Cl H2C=CHCl + HCl
99,0 62,5 36,5
99,0кг/ч 62,5кг/ч
GДХЭ 16975кг/ч
С учетом конверсии сырья, селективности образования винилхлорида, расход дихлорэтана составит
С учетом примесей, количество дихлорэтана, подаваемого на пиролиз, составляет
54230кг/ч 99,33%
GДХЭ 100%
GДХЭ=54597кг/ч
Рассчитываем количество примесей, поступающих в печь с дихлорэтаном согласно приведенному выше составу (см. исходные данные).
Количество легкокипящих составляет
54597кг/ч 100%
GЛК 0,04%
Количество бензола составляет
54597кг/ч 100%
0,65%
Количество 1,1,2- трихлорэтана составляет
54597кг/ч 100%
0,001%
Количество высококипящих составляет
54597кг/ч 100%
0,016%
Количество технологических потерь составляет
54597кг/ч 100%
0,05%
Рассчитываем количественный состав газов пиролиза согласно количественному составу (см. исходные данные). Расчет проводим на количество газов за вычетом их количества на технологические потери
54597кг/ч-29кг/ч=54568кг/ч
Количество винилхлорида в отходящих газах пиролиза составляет
54568кг/ч 100%
30,95%
Количество хлорида водорода в отходящих газах пиролиза составляет
54568кг/ч 100%
18,14%
Остальные компоненты газов пиролиза находим аналогичными вычислениями.
Полученные результаты по расчету материального баланса пиролиза 1,2-дихлорэтана сводим в таблицу 2.3.
2.5 Расчет тепловых потоков
2.5.1 Тепловой баланс печи пиролиза дихлорэтана
, (2.1)
где QН.С.- тепло, необходимое для нагрева сырья от 200 до 5000С
QН.С. (2.2)
где СР.С.'- теплоемкость сырья при температуре t=5000С.
Таблица 2.3- Материальный баланс печи пиролиза дихлорэтана
Приход |
Расход |
||||
Компоненты |
% масс |
Компоненты |
% масс |
||
|
сырье, в том числе 1,2-дихлорэтан легкокипящие бензол 1,1,2-трихлорэтан высококипящие |
54597,0 54230,0 2,0 355,5 0,5 9,0 |
100 99,33 0,004 0,65 0,001 0,02 |
Газы пиролиза, в том числе, винилхлорид, хлорид водорода, ацетилен метилхлорид легкокипящие бензол 1,2- дихлорэтан 1,1,2-трихлорэтан высококипящие инерты |
54568,0 16880,0 9900,0 22,0 1,5 110,5 393,0 27050,0 5,5 181,5 15,0 |
100 30,95 18,14 0,04 0,003 0,02 0,72 49,58 0,01 0,33 0,03 |
Итого |
54597,0 |
100 |
Итого |
54568,0 |
100 |
Технологические потери |
29,0 |
||||
Всего |
54597,0 |
100 |
54597,0 |
100 |
(2.6)
где Ср.i.'- удельная теплоемкость компонента при t=5000С.
хi- массовая доля компонентов сырья
(2.7)
QН.С.
Q- тепло, поглощенное при протекании эндотермической реакции
С2Н4СCl2 С2Н3Сl + НСl (2.8)
Количество тепла, которое потребуется для получения 16880 кг винилхлорида равно
Qр=
Qн.n.n- тепло, уносимое из раствора продуктами синтеза при температуре t=5000C.
Qн.n.n= (2.9)
где Ср.n.n.- теплоемкость продукта пиролиза
(2.10)
++ (2.11)
=0,3095·1,475+0,1814·0,834+0,0004·1,860+0,0002·1,395+0,0001·1,823+
+0,0001+0,817+0,0072·2,572+0,4958·1,278+0,0001·1,032=1,259 кДж/кг·град
=54568·1,259·773К=53105959кДж
Тепло Qд.ч., кДж, уносимое с дымовыми газами, при температуре t=2500С, вычисляют по формуле
Qд.ч.-= (2.12)
=+ (2.13)
=2,143·0,0004+2,992·0,00002+0,666·0,0001=0,0009836 кДж/кг·град
Qд.ч.=54568·0,0009836·523=28071,02 кДж
Количество тепла Qпр.,кДж вносимое в печь вычисляют по формуле
Qпр=Qc+Qт.ч.+Qвозд. (2.14)
где Qе- тепло, вносимое в печь пиролиза сырьем
Qе.= (2.15)
t=2000C- температура сырья
Теплоемкость сырья при 2000С, Cр.с., кДж/(кг·град), вычисляют по формуле
(2.16)
=
(2.17)
=0,9933·1,006+0,0065·1,676+0,00003·0,9507+0,00002·1,345+
+0,00002·0,620=1,0102 кДж/кг·град
QC=54597·1,0102·473=26087789 кДж
Тепло вносимое воздухом, Qвозд., кДж вычисляют по формуле
Qвозд.= (2.18)
где- Ср=1,094 кДж/кг·град,
t=2000С
Qвозд.=
Тепло, вносимое топливным газом, Qт.г. кДж, рассчитывают по формуле
Qт.г= (2.19)
где- t=2000С
-1,550 кДж/кг·град
Qт..г.=78628,1·1,550·473=57646212 кДж
Qпр.=26087789+28251872=111985873 кДж
Расчет теплового баланса сведен в таблицу 2.4
Таблица 2.4 - Тепловой баланс печи пиролиза дихлорэтана
|
Приход тепла |
кДж/(кг·К) |
Расход тепла |
кДж/(кг·К) |
|
Тепло, вносимое сырьем, (Qc) Тепло от сгорания топливного газа (Qт..г) Тепло воздуха |
26087789 57646212 28251872 |
Нагрев сырья (Qн.с.) Тепло реакции (Qр.) Тепло продуктов пиролиза (Qн.n.n) Тепло дымовых газов (Qд.г.) Тепловые потери |
40184401 18332590 53105959 28071 334952 |
|
Итого |
1119858873 |
Итого |
1119858873 |
2.6 Технологический расчет основного оборудования
Технологический расчет печи пиролиза
Исходные данные:
|
Производительность по сырью, кг/ч Плотность сырья, кг/м3 Температура, К: на входе в печь на выходе из печи Давление, мПа: на входе в печь на выходе из печи Доля отгона на выходе из печи Состав газообразного топлива, %масс: углерод водород сера Температура окружающего воздуха, К Температура продуктов сгорания на выходе из печи, К |
54597 1228 423 773 3,0 2,0 0,74 75 21 4 293 538 |
2.6.1 Тепловая мощность печи.
Количество тепла, Qn, кВт передаваемого продукта в печи определяется по формуле
Qn= (2.20)
где G- производительность печи по сырью, кг/ч
g2n- теплосодержание паровой фазы сырья на выходе из печи при Тк, g2n=1533,16 кДж/кг;
g2ж- теплосодержание жидкой фазы на выходе из печи при Тк, g2ж=1372,98 кДж/кг;
g12- теплосодержание сырья на входе в печь при Тн, g12=217,25 кДж/кг;
Qn=
2.6.2 Расчет процесса горения.
Низшую теплотворную способность топлива , кДж/кг, определяют по формуле
(2.21)
где С, Н, S, О, W-содержание различных элементов и влаги в топливе, %масс;
Теоретическое количество воздуха для сгорания 1кг топлива;
(2.22)
Объемное количество воздуха V0, кг/м3 определяют по формуле
(2.23)
где 1,293 – плотность воздуха, кг/м3;
Количества продуктов сгорания одного килограмма топлива определяют по формуле:
трехатомных газов
, (2.24)
. (2.25)
двухатомных газов: в топке
, (2.26)
, (2.27)
. (2.28)
в борове
, (2.29)
, (2.30)
. (2.31)
где 1 2- коэффициент избытка воздуха в топке и в борове печи;
1=1,1; 2=1,21;
количество молей СО2; SO2; N2+O2, образующихся при сгорании
одного килограмма топлива;
М0; МS; - молекулярная масса газов.
Суммарное количество продуктов сгорания одного килограмма топлива , определяют по формулам:
в топке,
, (2.32)
. (2.33)
в борове
, (2.34)
. (2.35)
Получают:
Плотность дымовых газов при нормальных условиях, 0, кг/м3 определяют по формуле
(2.36)
2.6.3 Коэффициент полезного действия печи и топки. Расход топлива.
Температура отходящих дымовых газов Тух , К, определяют по формуле
(2.37)
Принимаем Тух=513 К
Величины теплопотерь с отходящими дымовыми газами Qух, кДж/кг, определяют по формуле
, (2.38)
где - средние молекулярные теплоемкости газов, кДж/моль·К
или
Определение потерь тепла в окружающую среду.
Принимаем величину потерь в камере радиации ( в топке) равной 4% [10], а в камере конвекции 1% от низшей теплотворной способности топлива, т.е.
КПД печи,п и расход топлива, ,кг/с вычисляют по формулам [10]
Теплопроводность газовых горелок, Qгаз, кВт, вычисляют по формуле [10]
, (2.39)
КПД топки, вычисляют по формуле [10]
=, (2.40)
=.
2.6.4. Выбор конструкции печи
В радиантной камере печи происходит испарение сырья, что приводит к увеличению объема продукта, повышению скорости, в трубах , соответственно, и потери напора в трубном змеевике возрастают.
В связи с этим радиантные трубы желательно выбирать больше, чем(печей пиролиза) конвекционные трубы. Максимальное рабочее давление в змеевике для печей пиролиза не превышает 3,0МПа, поэтому пользуясь указаниями [10] при толщине стенки труб 0,006м принимаем трубы:
для радиантной камеры печи 102х6 длиной 12,1м;
для конвекционной камеры печи 89х6 длиной 12.1м.
Материал труб сталь 15х5М ГОСТ20072-74 применяется при работе до температуры 873К и давлении без ограничений.
Расстояние между осями труб принимают: для труб камеры радиации p=0,172м; для труб камеры конвекции р=0,150м; для экрана двустороннего облучения р=0,203м. Расстояние между рядами труб 2-стороннего обслуживания принимают равным [10]
(2.41)
Для подогрева сырья в процессе пиролиза примем печь ББ-2 с беспламенным сжиганием топлива и излучающими стенами, собранными из нескольких рядов беспламенных горелок, расположение труб горизонтальное с двумя камерами. регулировка количества топлива, сжигаемого в горелках каждого ряда, независимая, что позволяет в некоторых пределах регулировать теплоотдачу радиантных труб по длине змеевика.
Скорость сырья , W,м/с, принимают по скорости подачи в печь [ ]
, (2.42)
где dвн- внутренний диаметр конвекционных труб, dвн=0,077м;
- плотность сырья при Тн, =848кг/м3
N-число потоков ввода сырья, N=2
Длину боковых стен печи lлоп., м, определяют длиной труб по уравнению [10]
lлоп=l-0,5=12-0,5=11,5м
Исходя из размеров стандартных горелок, находим число горелок, выбираем стандартную горелку с габаритными размерами 0,5х0,5х0,23м, суммарным живым сечением трубок 0,002827м и их размещению по квадрату. Тепло производительность горелки-99кВт. Общее количество горелок 176штук. Общую производительность горелок Qгор, кВт, определяют по формуле
Qгор=n·gгор (2.43)
Qгор=176·99=17424 кВт
2.6.5 Расчет радиантной камеры
Задаемся теплонапряжением поверхности нагрева радиантных труб gкр=45кВт/м2 и ориентировочно принимаем температуру дымовых газов на перевале, Тп=1070К [ ].
Среднюю теплоемкость продуктов горения 1кг топлива ,, определяют по формуле [ ]
=++. (2.44)
где ,,- теплоемкость газов при Тп, ,
=46,25, =36,7, =30,3
=0,0638·46,25+0,105·36,7+0,548·30,24=23,41
Количества тепла, переданного сырью в радиантной камере Qр, кВт, вычисляют по формуле [ ]
. (2.45)
Количество тепла, переданного сырью в конвекционной камере, Qк, кВт, вычисляют по формуле
. (2.46)
Температуру продукта на входе в радиантные трубы с учетом теплосодержания продукта на выходе из камеры конвекции определяют по формуле
. (2.47)
Температура на входе в радиантные трубы Тр=552К, принимая во внимание, что в конвекционной камере испарения не происходит и сырье находится в жидкой фазе. Температуру наружной поверхности радиантных труб Q, К, вычисляют по формуле [10]
. (2.48)
Коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам , Вт/м2·К, вычисляют по формуле [10]
=. (2.49)
= Вт/м2·К
Количество тепла, отданного свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам, Qск, кВт, вычисляют по формуле [10]
Qск=. (2.50)
где Нр- поверхность радиантных труб, м2
. (2.51)
Qск=
Число труб в радиантной камере Пр, шт.,определяют по формуле [10]
. (2.53)
Принимаем Пр=50
Поверхность взаимного излучения излучающей стенки и экрана для всей радиантной камеры ПRH, м2, вычисляют по формуле
ПRH=2 (++) (2.54)
где , , - расчетные поверхности взаимного излучения между излучающей стенкой и экранами 2-стороннего излучения (потолочным и подовым);
, , -коэффициенты, учитывающие замену трубного экрана сплошной поверхностью.
Поверхность взаимного излучения между излучающей стенкой и экраном 2-стороннего излучения рассчитывают по формуле [10]
. (2.55)
=
Поверхность взаимного излучения между излучающей стенкой и потолочным экраном ,м2, рассчитывают по формуле
. (2.56)
=
Поверхность взаимного излучения между излучающей стенкой и подовым экраном рассчитывают по формуле [10]
. (2.57)
Определение коэффициентов, учитывающих замену трубного экрана сплошной поверхностью.
Коэффициенты зависят от расстояния между трубами и числа рядов труб в экране [10]
; ;
Поверхность взаимного излучения кладки и экрана для всей топки, м2, рассчитывают по формуле [10]
(2.58)
где F, F1- индексы поверхности боковой и торцевой стенки;
- коэффициенты, учитывающие замену экрана сплошной поверхностью.
(2.59)
где - индексы поверхностей боковых стен, расположенных соответственно над и под излучающей поверхностью;
Н1-индекс плоской поверхности экрана 20стороннего излучения.
Взаимное облучение между боковой кладкой, потолочным и подовым экранами не будем учитывать, т.к. взаимная их видимость мала.
(2.60)
. (2.61)
. (2.62)
где hТ- средняя высота торцевой стены кладки, hТ=3,94м.
Среднее значение коэффициента для половины топки печи [10]
Расчет взаимного излучения кладки и излучающей стенки [10]
Примем, что излучение между боковой кладкой и стенкой отсутствует. Для половины топки
. (2.63)
где hср.- средняя высота излучающей стенки и кладки, hср.=2,97
Получают
Поверхности взаимного излучения газов и кладок , м2, определяют [10]
(2.64)
где F- поверхность неэкранированной кладки, F=4,04м2.
Поверхности взаимного излучения газов и экрана, определяют [10]
(2.65)
где - степень эффективности облучения трубного экрана газовым
слоем, =0,6
Степень черности поглощающей среды определяют по формуле [10]
(2.66)
где - коэффициент прозрачности газовой среды, =0,6994,
Определение эквивалентной абсолютно черной поверхности излучения газового слоя [10]
(2.67)
где - степень черности экрана;
- степень черности отражающих стен;
- степень черности излучающих стен, =0,9
Эквивалентную абсолютно черную поверхность излучения ,определяют по формуле
(2.68)
Уточнение значения температуры газов, покидающих топку [10]
(2.69)
Расчетное значение температуры Тn незначительно отличается от принятого первоначально, поэтому нет необходимости уточнять расчет.
Количество тепла, переданное радиантными трубами , определяют
(2.70)
Определение теплонапряженности радиантных труб [10]
(2.71)
2.6.6 Расчет конвекционной камеры
Тепловая нагрузка камеры конвекции, кВт,
Теплосодержание продукта на выходе из камеры конвекции 690,59 кДж/кг
Предварительное значение поверхности конвекционных труб определяют по формуле
(2.72)
Количество труб в конвекционной камере вычисляют [10]
Конструирование камеры конвекции: ширина 1.2м, число труб в ряду [10]
Определение числа рядов в пучке, [10]
примем n2=11, тогда nК=88.
Высоту камеры конвекции hК, м, определяют по формуле [10]
(2.73)
где S2- расстояние между осями труб в вертикальном ряду, м S2=0,13м
Свободное сечение для прохода дымовых газов f, м2, вычисляют по формуле [10]
(2.74)
Свободное сечение для прохода дымовых газов в свободном сечении камеры U, кг/м2·с, определяют по формуле [10]
. (2.75)
кг/м2·с
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенке труб определяют по формуле [10]
(2.76)
где - табличное значение поправки, =0,255; n=0,6
Е- зависит от средней температуры в конвекционной камере Е=21,5
Коэффициент теплоотдачи излучением тепловых газов , определяют по формуле [10]
Коэффициент теплопередачи в конвекционной камере, К, вычисляют по формуле [26]
(2.77)
Определение среднетемпературного напора в конвекционной камере. Определяют по схеме противотока.
Тn=1110К дымовые газы Тух=513К
Тр=562К Тн=383К
Необходимую поверхность нагрева Нк, м2, определяют по формуле
. (2.78)
Теплонапряженность поверхности нагрева конвекционных труб gнn, кВт/м2 уточняют по формуле [10]
Количество труб в камере конвекции ПК, шт., уточняют
шт.