Уравнение промышленное получение этилена и

Спасибо! Ваша заявка отправлена, преподаватель свяжется с вами в ближайшее время.

Вы можете также связаться с преподавателем напрямую:

8(906)72 3-11-5 2

Скопируйте эту ссылку, чтобы разместить результат запроса » » на другом сайте.

Изображение вещества/реакции можно сохранить или скопировать, кликнув по нему правой кнопкой мыши.

Если вы считаете, что результат запроса » » содержит ошибку, нажмите на кнопку «Отправить».

Этим вы поможете сделать сайт лучше.

К сожалению, регистрация на сайте пока недоступна.

На сайте есть сноски двух типов:

Подсказки — помогают вспомнить определения терминов или поясняют информацию, которая может быть сложна для начинающего.

Дополнительная информация — такие сноски содержат примечания или уточнения, выходящие за рамки базовой школьной химии, нужны для углубленного изучения.

Здесь вы можете выбрать параметры отображения органических соединений.

Курсовая работа: Производство этилена пиролизом этана мощностью 200000 тгод

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования ”Белорусский государственный технологический университет”

Кафедра технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов

к курсовой работе

по курсу “ Технология и оборудование основного органического, нефтехимического и биохимического синтеза”

на тему “Производство этилена пиролизом этана мощностью 200000 т/год ”

студент 3 курса 1 группы

Руководитель: Юсевич А.И.

Расчётно-пояснительная записка содержит 42с., 8 рис., 6 источников,5 таблиц, 2 приложения.

ЭТИЛЕН, ЭТАН, ПИРОЛИЗ, ПРОМЫШЛЕННЫЙ СИНТЕЗ, БЕНЗИН, МЕТАНОЛ, НЕФТЬ, ПРИРОДНЫЙ ГАЗ

Цель работы – разработать технологию производства этилена пиролизом этана. Провести обзор типового и современного технологического оборудования, подобрать его по стандартам, провести проверочные, точные расчёты. Рассчитать и составить материальный баланс узла пиролиза, а также тепловой баланс закалочно-испарительного аппарата.

1. Аналитический обзор

1.1 Теоретические сведения

1.2 Способы получения этилена

1.2.1 Непрерывный контактный пиролиз во взвешенном слое твердого теплоносителя

1.2.2 Непрерывный пиролиз в движущемся слое твердого теплоносителя

1.2.3 Каталитическое гидрирование ацетилена в этилен

1.2.4 Окислительный пиролиз

1.2.5 Пиролиз в трубчатых печах

2 . Технологическая часть

2.1 Химизм процесса

2.2 Описание технологической схемы

2.3 Технико-технологические расчёты

2.3.1 Материальный расчет

2.3.2 Тепловой расчет аппарата

Этилен впервые был получен немецким химиком Иоганном Бехером в 1680 году при действии купоросного масла на винный спирт. Вначале его отождествляли с «горючим воздухом», т.е. с водородом. Позднее, в 1795 году этилен подобным же образом получили голландские химики Дейман, Потс-ван-Труствик, Бонд и Лауеренбург и описали под названием «маслородного газа», так как обнаружили способность этилена присоединять хлор с образованием маслянистой жидкости — хлористого этилена («масло голландских химиков»).

Изучение свойств этилена, его производных и гомологов началось с середины ХIХ века. Начало практическому использованию этих соединений положили классические исследования А.М. Бутлерова и его учеников в области непредельных соединений и особенно созданная Бутлеровым теория химического строения. В 1860 году он получил этилен действием меди на йодистый метилен, установив структурную формулу этилена.

Этилен представляет собой бесцветный газ, обладающий слабым, едва ощутимым запахом. Он плохо растворим в воде (при 0°С в 100 г воды растворяется 25,6 мл этилена), горит светящимся пламенем, образует с воздухом взрывчатые смеси. Термически менее устойчив, чем метан. Уже при температурах выше 350°С этилен частично разлагается на метан и ацетилен:

При температуре около 1200°С диссоциирует главным образом на ацетилен и водород:

В природных газах (за исключением вулканических) этилен не встречается. Он образуется при пирогенетическом разложении многих природных соединений, содержащих органические вещества.

Процесс пиролиза для получения этилена осуществляется в печах различного устройства, пропусканием газообразных углеводородов или их паров в присутствии катализаторов при температуре 760-780°С. Обычно используются печи трубчатого типа.

Этилен можно также получить дегидрированием этана:

и осторожным гидрированием ацетилена:

Для получения этилена и его гомологов методом пиролиза в качестве сырья используют этан, пропан, бутан, содержащиеся в попутных газах нефтедобычи, газах термического и каталитического крекингов, а также жидкие углеводороды: газовый бензин и низкоактановые бензино-легроиновые фракции прямой гонки нефти.

Производительность существующих печей для пиролиза углеводородов составляет 3,5-4 т перерабатываемого сырья в час. Печи новой конструкции рассчитаны на переработку 7-10т сырья в час.

Основные направления использования этилена включают производства: полиэтилена, поливинилхлорида, стирола, пропионовой кислоты, этанола, ацетальдегида, винилацетата, этиленгликоля, пропионовой альдегида. В конечной структуре потребления этилена 65-70% занимают пластические массы, 10% — производные этиленгликоля (главным образом производные, антифризы), 5% — синтетические волокна, 5% — растворители и 10-25% прочая продукция.

Структура потребления этилена в бывшем СССР характеризовалась следующими данными: полиэтилен – 38,4%, этанол – 17,4%, этилбензол – 7,6%, хлорпроизводные – 14,9%, ацетальдегид – 2,7%, этиленоксид – 13,7% и прочие – 5,3%.

Непрерывный рост потребности этилена, являющегося важнейшим нефтехимическим сырьем для производства чрезвычайно широкого ассортимента продуктов, вызывает непрерывный рост сырьевых ресурсов.

В настоящее время основная тенденция развития производства этилена сопровождается утяжелением сырья пиролиза, так как прирост экономически выгодных видов сырья, какими являются жидкие газы, значительно отстают от прироста потребных ресурсов сырья.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Теоретические сведения

Пиролиз углеводородов природного газа или жидких углеводородных фракций, выделенных из нефти, протекает при температурах свыше 700°С.В ходе технологического процесса пиролиза в основном осуществляются следующие реакции: а) дегидрогенизация, характеризующаяся разрывом химической связи С — Н;б) деструкция, характеризующаяся разрывом связи С — С;в) реакции изомеризации;г) реакции типа синтезов — полимеризация, циклизация, реакции конденсации и т. п.Процессы дегидрогенизации и деструкции являются эндотермическими первичными, а все остальные — экзотермическими вторичными реакциями [ ].

Газообразное сырье – этан и его смеси — являются наилучшим сырьем с точки зрения получения максимальных выходов этилена. Состав продуктов пиролиза этого сырья зависит от глубины конверсии (степени превращения), которая в промышленной практике определяется конкретными условиями производства: необходимостью выработки заданного объема продуктов, загруженностью узла компримирования и системы газоразделения, энергетическими затратами и др. Ниже рассмотрено изменение некоторых показателей при пиролизе этана, так как на практике степень его превращения колеблется в широких пределах.

На рисунке 1 показаны зависимости выходов этилена и метановодородной фракции, а также селективности по этилену (отношение выхода этилена к степени превращения этана) от степени превращения этана для печей одно го типа. В промышленности степень превращения этана колеблется от 0,53 до 0,73. С ее увеличением селективность падает, так как выход побочных продуктов растет быстрее, чем выход этилена. Следовательно, требуется больше сырья для получения заданного количества этилена. С уменьшением степени превращения возрастает доля возвращаемого на пиролиз этана, требуется большее число печей, увеличивается нагрузка на компрессор и систему газоразделения.

Рисунок 1 — Зависимость выхода В (1)этилена и метановодородной фракции (2) от степени превращения этана Х.

При пиролизе любого сырья непревращенный этан всегда возвращается в процесс. И в этом случае степень его превращения может определяться конкретными условиями. Так, при пиролизе бензина в режиме средней жесткости, когда необходимо обеспечить значительный выход пропилена, а компримирование является «узким местом» целесообразно повысить степень превращения этана, чтобы за счет снижения возврата его на пиролиз увеличить расход бензина [ ].

В табл. 1 даны выходы продуктов пиролиза этана в промышленных печах при различных степенях его превращения. Как следует из таблицы, с увеличением степени превращения выход водорода меняется незначительно. То же относится и к пропилену, в то же время выход метана резко увеличивается. Выход жидких продуктов из этана составляет 2-3%: большая часть из них представляет собой ароматические углеводороды: бензол -1,3%, толуол — 0,2%, углеводороды С₈ — С₉ -0,6% и тяжелая смола – 0,3% [ ].

Параметры процесса и их значение для оптимального ведения пиролиза

К числу основных параметров в наибольшей степени влияющих на процесс пиролиза, относятся температура, время пребывания сырья в реакторе и парциальное давление взаимодействующих углеводородов. Применяемые в промышленной практике величины этих важнейших параметров устанавливаются в соответствии с известными зависимостями термодинамики и кинетики реакций углеводородов при пиролизе.

Используют также в качестве показателя жесткости отношение выходов пропилена к этилену, которое снижается по мере увеличения жесткости, либо в некоторых случаях выход этилена. Но всем указанным показателям свойственен недостаток: их величины зависят от типа и состава сырья, поэтому дается лишь относительное представление о жесткости процесса [ ].

Таблица 1.Условия процесса и выход продуктов при пиролизе этана в промышленных печах различного типа.

Тип змеевика печи

Температура в змеевике, °С

Время реакции, с

Степень превращения этана,%

Параметры, влияющие на жесткость пиролиза.

Важнейший параметр процесса – температура – определяет степень превращения исходных веществ по реакциям, протекающим при пиролизе. Так как первичные реакции термического разложения исходных веществ можно рассматривать как реакции первого кинетического порядка, скорости их протекания линейно зависят от концентрации исходных веществ, а степень разложения не зависит от их концентрации, но зависит от температуры. От температуры зависит также и доля (из общего количества) образовавшихся на первой стадии различных радикалов, подлежащих распаду и, следовательно, выходы различных низших олефинов. Таким образом, температура процесса – фактор, определяющий как степень разложения исходного вещества (степень превращения), так и распределение продуктов пиролиза. С увеличением температуры в результате первичной реакции повышаются выходы низших олефинов, метана и водорода и снижается выход алканов.

Другим важным параметром пиролиза является время пребывания пиролизуемых веществ в зоне реакции, называемое иногда временем контакта. Под временем пребывания понимают промежуток времени, в течение которого поток реагирующего вещества находится в реакционном змеевике при таких температурах, когда реакция пиролиза протекает со значительной скоростью. Выход ряда продуктов (в том числе этилена и других олефинов) в зависимости от времени пребывания проходит через максимумы для каждой температуры; эти зависимости характерны для любых исходных нефтяных фракций. Выходы водорода и метана с увеличением времени пребывания непрерывно возрастают.

Таким образом, увеличение температуры пиролиза с одновременным соответствующим сокращением времени пребывания ( часто, но не совсем точно эти изменения называют увеличением жесткости процесса) способствует достижению более высоких выходов целевых продуктов, том числе этилена.

Параметры, влияющие на селективность пиролиза. При пиролизе газообразных продуктов селективность рекомендуется определять как отношение образовавшегося этилена к количеству превращенного сырья, которое в данном случае легко может быть найдено. Однако, при пиролизе жидких видов сырья практическое определение степени превращения компонентов исходного сырья трудоемко и недостаточно точно. В этом случае целесообразно принять за меру селективности отношение выхода метана, как количественно преобладающего побочного продукта, к выходу этилена (или алкенов С₂ — С₄ ). Повышению селективности пиролиза способствует подавление вторичных реакций разложения целевых продуктов – олефинов – при достаточной степени осуществления первичных реакций, ведущих к их получению. Для этого требуется уменьшить время пребывания сырья в зоне реакции и понизить парциальное давление углеводородов.

Важным фактором, влияющим на селективность пиролиза, является давление в зоне реакции, точнее – парциальное давление углеводородной части реагирующего потока. Этилен и другие низшие олефины образуются в результате первичных реакций первого кинетического порядка, степень превращения сырья по этим реакциям от давления не зависит, но олефины реагируют дальше, превращаясь в продукты полимеризации или конденсации и степень их превращения по этим направлениям пропорциональна парциальному давлению. Парциальное давление углеводородной части реагирующей смеси определяется суммарным давлением в реакторе и разбавлением сырья водяным паром.

Три важнейших параметра пиролиза – температура, время пребывания и парциальное давление углеводородов – для оценки выходов продуктов и выбора оптимальных условий пиролиза были объединены в фактор, называемый параметром молекулярных столкновений (µ), который определяется выражением:

где p- парциальное давление углеводородов, кПа; Т- температура в абсолютной шкале Ренкина; τ_нач — время пребывания в радиантной секции змеевика к моменту, когда степень превращения сырья составит 1%, С; τ_вых — время пребывания к моменту выхода сырья из реакционного змеевика, С.

В процессе пиролиза образуется и большей частью откладывается на стенках трубчатого реактора твердый коксообразный продукт (пиролизный кокс), состоящий почти целиком из углерода. Наблюдающаяся в промышленных печах глубина превращения исходных углеводородов в кокс невелика: выход кокса составляет менее 0,01% для сырья – прямогонного бензина, но неблагоприятное воздействие пленки кокса, отлагающегося в трубах, на результаты пиролиза, значительно. Отложение кокса затрудняет теплопередачу через стенку реактора, способствует ускорению науглероживания, коррозии и износа материала труб, что ведет к снижению срока службы труб, уменьшению длительности межремонтных периодов эксплуатации печей. Вследствие большого практического значения коксообразования и отложения кокса на стенках реакторов пиролиза влияние параметров процесса на отложение кокса, рассматривается специально.

Получившейся при промышленном пиролизе кокс неоднороден и образует в зависимости от условий процесса ряд коксообразных продуктов, различных по строению и физическим свойствам [ ].

1.2 Способы получения этилена

1.2.1 Непрерывный контактный пиролиз во взвешенном слое твердого теплоносителя

Высокая эффективность процессов тепло- и массообмена во взвешенном слое обусловили развитие работ по созданию установок пиролиза по этому принципу. В настоящее время существует установка получения этилена в одном агрегате (свыше 20000 т/год этилена). Схема установки приведена на рисунке 2. Установка предназначена для переработки газообразных и жидких, включая и сырую нефть. В качестве теплоносителя используется кварцевый песок, разделенный на фракции. Процесс осуществляется при разбавлении водяным паром. Установка работает следующим образом.

Сырье испаряется и подогревается до 400°С в огневом подогревателе 1 и в смеси с перегретым до такой же температуры водяным паром подается в реактор 2, во взвешенный слой песка, температура которого равна 700 — 850°С (в зависимости от вида сырья). В результате контакта сырья и песка-теплоносителя происходит пиролиз углеводородов. Пирогаз из реактора 2 направляется в циклон 3. В циклоне отделяется песок, унесенный потоком газа из реактора. Пирогаз охлаждается в котле-утилизаторе 4, а затем в холодильнике 5 и вентилятором 6 подается в электрофильтр 7. В электрофильтре выделяются жидкие и твердые продукты пиролиза, используемые в дальнейшем как топливо. Пирогаз из электрофильтра через концевой холодильник 8 и сепаратор 9 направляется на газоразделение. Так как время контакта достаточно велико и рассчитано на наиболее полное превращение исходного сырья, то при пиролизе образуется кокс, обволакивающий пленкой частицы песка-теплоносителя. Песок непрерывно выводится из реактора и направляется на регенерацию. Регенерацию, выжигание кокса и нагрев теплоносителя осуществляют в газлифте 10, куда подают предварительно подогретый воздух и некоторое количество жидких продуктов пиролиза, выделившихся в электрофильтре. Продукты сгорания отделяются от песка-теплоносителя в бункере 11 и через циклон 12, пароперегреватель 13, воздухоподогреватель 14 и циклон 15 выбрасываются в атмосферу.

Представляет интерес схема непрерывного пиролиза в аппарате с вращающимся ротором. Установка состоит из керамического (или жаропрочного металла) ротора, вращающегося вокруг оси. Ротор вращается в камере, разделенной уплотнительными перегородками на две части; одна из этих частей используется в качестве топочного объема, а вторая в качестве пиролизного. В топочный объем подается смесь топлива с предварительно подогретым воздухом в стехиометрических количествах. Выделяющееся при сгорании тепло передается вращающемуся барабану в результате излучения раскаленной керамической насадки и теплоотдачи от продуктов сгорания. При вращении барабана тепло переносится в пиролизную камеру, где и затрачивается на процесс пиролиза и предварительный подогрев сырья. Регенерация тепла продуктов сгорания и пирогаза осуществляется во внешних теплообменных аппаратах [ ].

Рисунок 2 — Схема установки контактного пиролиза с твердым теплоносителем во взвешенном слое.

1 – подогреватель; 2 – реактор; 3, 12, 15 – циклон; 4 – котел-утилизатор; 5, 8 – холодильник; 6 – вентилятор; 7 – электрофильтр; 9 – сепаратор; 10 – газлифт; 11 – бункер; 13 – пароподогреватель; 14 – воздухоподогреватель;

1.2.2 Непрерывный пиролиз в движущемся слое твердого теплоносителя

Недостатки периодически действующего регенеративного реактора обусловили разработку аппарата, в котором непрерывно, противотоком к потоку газа, движется теплоноситель, используемый для подогрева и пиролиза углеводородов. Как показали расчеты и эксперименты в промышленном масштабе, при такой схеме можно увеличить выход целевых продуктов (этилен) путем применения более высоких температур, меньшего времени контакта и более низких средних давлений по сравнению с используемыми в трубчатых печах. Схема промышленной установки с твердым движущемся теплоносителем изображена на рисунке 4. Основными элементами установки являются два аппарата: подогреватель 1, в котором теплоноситель, двигаясь сверху вниз, нагревается до 950°С при непосредственном контакте с топочными газами, и реактор 2, в котором при температуре около 900°С происходит пиролиз поднимающегося углеводородного сырья при соприкосновении с опускающимся теплоносителем. Подогреватель соединен с реактором изолированной перепускной трубой. Охлажденный в реакторе теплоноситель подается через дозатор 3

в газлифт 4; воздух в газлифт нагнетается вентилятором 5 и через воздухоподогреватель 6. Дозатор регулирует скорость перемещения теплоносителя в системе. Из газлифта теплоноситель поступает в основной сепаратор 7 для отделения пыли, откуда самотеком направляется в подогреватель. Теплоноситель нагревается в результате прямого контакта в подогревателе продуктами сгорания природного газа, полученными в специальной круговой топке 8. Топка работает под давлением до 0,35, поддерживаемым вентиляторами 9, 10. Мелочь теплоносителя отделяется в сепараторе 11.

Подлежащие нагреву и крекингу пары сырья вводятся в нижнюю часть реактора через круговой распределитель, обеспечивающий равномерное распределение сырья по сечению. Продукты пиролиза на выходе из ректора попадают в аппарат первичной закалки 12, где температура их снижается до 250-400°С. В дальнейшем пирогаз охлаждается до 50-60°С в оросительном скруббере. На перепускной трубе, связывающей подогреватель с реактором. Для предупреждения смешения продуктов сгорания с пирогазом создается затвор подачей водяного пара. Аналогичный затвор создается между дозатором и реактором для того, чтобы не допустить смешения сырья с газлифтным воздухом.

Рисунок 3 – Схема установки пиролиза с движущимся твердым теплоносителем 1 – подогреватель; 2 – реактор; 3 – дозатор; 4 – газлифт; 5, 9, 10 – вентилятор; 6 – воздухоподогреватель; 7 – сепаратор; 8 – круговая топка; 12 – аппарат первичной закалки;

При сравнении реактора с движущимся теплоносителем с трубчатой печью видно, что при пиролизе на этилен в реакторе можно поддерживать более высокую температуру и меньшее время контакта, чем в трубчатой печи; выход целевых продуктов – этилена. Либо этилена и ацетилена, за проход больше на 20-45% в зависимости от сырья; реактор работает при небольших перепадах давления и без рециркуляции в системе пиролиз-газоразделение.

С другой стороны, на реактор требуется большие капитальные затраты, расход технологического пара выше, необходима периодическая очистка системы от кокса, износ твердого теплоносителя повышенный и в связи с этим увеличенные эксплуатационные расходы [ ].

1.2.3 Каталитическое гидрирование ацетилена в этилен

В Германии был разработан и осуществлен в промышленности процесс получения этилена гидрированием ацетилена.

Оптимальная температура процесса 180-320 °С в зависимости от активности катализатора.

Ацетилен, полученный из карбида кальция (чистота 98-99%), сжимается в компрессоре 1 до 1,5-2, охлаждается в холодильнике 2 и очищается твердым адсорбентом (алюмогелем) в адсорбере 3 от паров масла, так как последнее является ядом для катализатора. Водород, полученный из установки газоразделения (чистота 96-98%), сжимается в компрессоре 4, охлаждается в холодильнике 5, осушается и очищается от паров масла в адсорбере 6. Предварительный подогрев водорода и ацетилена осуществляется за счет тепла реакции либо в реакторе 7, либо в выносных теплообменниках. Оптимальная температура в реакторе поддерживается автоматически непрерывной подачей охлаждающей воды в трубчатый теплообменник реактора

Фирмой «Бадише анилин унд сода фабрик» (ФРГ) разработан способ пиролиза сырой нефти в аппарате с кипящим слоем порошкообразного нефтяного кокса; в этот же аппарат подают кислород и водяной пар (рис 5). Количество вводимого в реактор кислорода регулируется, исходя из условия обеспечения автотермического процесса пиролиза. Перерабатываемое сырье вводится в кипящий слой на 500 мм выше решетки с целью отделения кислородной зоны от зоны пиролиза углеводородов. Высота кислородной зоны составляет 100 мм.

Установлено, что максимальный выход непредельных углеводородов С₂ —С₄ при времени контакта 1 сек. наблюдается при температуре 720 — 730°С, в то время как для выхода этилена оптимальная температура равна

800°С. Рабочая температура процесса принята равной 720°С, т.е несколько ниже, чем при пиролизе по другим методам. Выбор такой температуры обусловлен тем, что в определенном температурном интервале показатели пиролиза при пониженной температуре и повышенном времени контакта аналогичны показателям при повышенной температуре и меньшем времени контакта.

Расход кислорода составляет около 300 нм 3 на 1 т сырой нефти. Кислород реагирует преимущественно с наиболее тяжелыми продуктами пиролиза, которые подаются в реактор из промывной колонны, а также с коксом, образующимся из этих продуктов на поверхности частиц теплоносителя. Количество рециркулирующих тяжелых продуктов при переработке парафинистой и асфальтеновой нефтей составляет соответственно 250 кг и 750 кг.

На показатели процесса большое влияние оказывает время пребывания газа пиролиза в зоне высоких температур после выхода из кипящего слоя, т. е. в надслойном объеме аппарата. Количество выделяющейся сажи увеличивается с 10 до 40 — 80 г при увеличении времени контакта с 0,3 до 1 — 5 сек. Сажеобразование может быть уменьшено путем увеличения добавки водяного пара. Например, при температуре пиролиза 720 °С, времени пребывания газа в надслойном объеме 0,3 сек., скорости газа 0,7 м/сек увеличение весового отношения пар/сырье с 0,5 до 2,5 приводит к снижению выхода сажи с 13 до 2,5 г на. I кг свежего сырья [ ].

1.2.4 Окислительный пиролиз

Окислительным пиролизом называется такой, при котором углеводород пиролизуется в результате нагрева при сгорании части этого же углеводорода в кислороде воздуха. Окислительный пиролиз применяется при производстве ацетилена из метана, а также для разложения этана в этилен. При этом параллельно идут следующие процессы:

В результате перечисленных реакций получают СН₄ , Н₂ , парафиновые и олефиновые углеводороды С₂ , С₃ , С₄ и т. д.

При термоокислительном пиролизе из 100 м 3 этана, 30 м 3 кислорода и 2 м 3 азота при 850°С и абсолютном давлении 410 мм рт. ст. образуется 170 м 3 пирогаза с содержанием этилена около 30% объемы. Примерный состав (в % вес.) пирогаза после предварительной промывки водой: