Добавил:

Mendeleev Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Предмет:

Спецкурсы

Файл:

ТОХФ / 2 группа (ООНХС) / Практика / Курсовой проект - Смирнов - 2004 / курсовой проект чистовик.doc

Скачиваний:

125

Добавлен:

08.01.2014

Размер:

1.52 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 1610 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

3. Конверсия пропилена:

в НАК – 76%;
в акролеин – 1.2%;
в синильную кислоту – 7.7%;
в оксид углерода – 6.3%;
в диоксид углерода – 7.9%;
предполагаемые потери пропилена – 0.9%.

4. Состав пропиленовой фракции:

пропилена – 90%;
пропана – 9.4%;
этилена – 0.3%;
этана – 0.2%;
бутана – 0.1%.

5. Состав аммиачной фракции:

аммиака – 99.91%;
воды – 0.09%.

6. Необходимый избыток аммиака – 15%.

7. Расход НАК на побочные реакции – 3.7%.

В ходе процесса окислительного аммонолиза пропилена во взвешенном слое катализатора происходят следующие химические реакции:

Образование НАК при окислительном аммонолизе пропилена:

CH₂=CH–CH₃ + NH₃ + 1.5O₂ → CH₂=CH–CN + 3H₂O + Q₁

2. Окисление пропилена до акролеина:

CH₂=CH–CH₃ + O₂ → CH₂=CH–CHO + H₂O + Q₂

Окисление пропилена до оксида углерода:

CH₂=CH–CH₃ + 3O₂ → 3CO + 3H₂O + Q₃

Окисление пропилена до диоксида углерода:

CH₂=CH–CH₃ + 4.5O₂ → 3CO₂ + 3H₂O + Q₅

Совместное окисление пропилена и аммиака с образованием синильной кислоты:

CH₂=CH–CH₃ + NH₃ + 2O₂ → HCN + CH₄ + CO₂ + 2H₂O + Q₄

Взаимодействие НАК с аммиаком с образованием ацетонитрила:

CH₂=CH–CN + NH₃ → CH₂=NH + CH₃–CN

1.7.1.1. Расчет материального баланса отделения синтеза

Определение часовой производительности двух реакторов синтеза НАК:
170000/7400=22972.97 кг/ч
Количество НАК, вступающего в побочные реакции:
22972.97 кг/ч	-	96.3%	Х=882.66 кг/ч.
Х	-	3.7%
Общее количество синтезируемого НАК:
22972.97+882.66=23855.63 кг/ч.
Количество пропилена, необходимое для синтеза НАК:
23855.63 кг/ч	-	53 г/моль	Х=18904.46 кг/ч.
Х	-	42 г/моль
Количество пропилена, расходуемое на побочную реакцию получения акролеина:
18904.46 кг/ч	-	76%	Х=298.49 кг/ч.
Х	-	1.2%
Количество пропилена, идущее на образование оксида углерода:
18904.46 кг/ч	-	76%	Х=1567.08 кг/ч.
Х	-	6.3%
Количество пропилена, идущее на образование диоксида углерода:
18904.46 кг/ч	-	76%	Х=1965.07 кг/ч.
Х	-	7.9%
Количество пропилена, расходуемое на образование синильной кислоты:
18904.46 кг/ч	-	76%	Х=1915.32 кг/ч.
Х	-	7.7%
Предполагаемые потери пропилена:
18904.46 кг/ч	-	76%	Х=223.87 кг/ч.
Х	-	0.9%
Общее количество пропилена, необходимое для синтеза НАК:
223.87+1915.32+1965.07+1567.08+298.49+18904.46=24874.29 кг/ч.
Количество пропиленовой фракции:
24874.29 кг/ч	-	90%	Х=27638.1 кг/ч.
Х	-	100%
Количество пропана в смеси пропиленовой фракции:
27638.1 кг/ч	-	100%	Х=2597.98 кг/ч.
Х	-	9.4%
Количество этана в смеси пропиленовой фракции:
27638.1 кг/ч	-	100%	Х=55.28 кг/ч
Х	-	0.2%
Количество этилена в смеси пропиленовой фракции:
27638.1 кг/ч	-	100%	Х=82.91 кг/ч.
Х	-	0.3%
Количество бутана в смеси пропиленовой фракции:
27638.1 кг/ч	-	100%	Х=27.64 кг/ч.
Х	-	0.1%
Количество аммиака, необходимое для синтеза НАК:
23855.63 кг/ч	-	53 г/моль	Х=7651.80 кг/ч.
Х	-	17 г/моль
Количество аммиака с учетом необходимого избытка, который составляет 15%:
7651.8 кг/ч	-	100%	Х=8799.57 кг/ч.
Х	-	115%
Избыток аммиака составит:
8799.57-7651.8=1147.77 кг/ч.
Количество аммиачной фракции:
8799.57 кг/ч	-	99.91%	Х=8807.5 кг/ч.
Х	-	100%
Количество воды в аммиачной фракции:
8807.5 кг/ч	-	100%	Х=7.93 кг/ч.
Х	-	0.09%
Количество кислорода, необходимое для синтеза НАК:
23855.63 кг/ч	-	53 г/моль	Х=21605.1 кг/ч.
Х	-	48 г/моль
Количество кислорода, расходуемое на побочную реакцию получения акролеина:
298.49 кг/ч	-	42 г/моль	Х=227.42 кг/ч.
Х	-	32 г/моль
Количество кислорода, расходуемое на побочную реакцию образования оксида углерода:
1567.08 кг/ч	-	42 г/моль	Х=3581.9 кг/ч.
Х	-	96 г/моль
Количество кислорода, расходуемое на побочную реакцию образования диоксида углерода:
1965.07 кг/ч	-	42 г/моль	Х=6737.38 кг/ч.
Х	-	144 г/моль
Количество кислорода, расходуемое на побочную реакцию образования синильной кислоты:
1915.32 кг/ч	-	42 г/моль	Х=2918.58 кг/ч.
Х	-	64 г/моль
Общее количество кислорода, участвующее в процессе синтеза:
21605.1+227.42+3581.9+6737.38+2918.58=35070.38 кг/ч.
Количество кислорода, которое необходимо подать в реактор:
35070.38 кг/ч	-	22.7%	Х=154495.06 кг/ч.
Х	-	100%
Количество азота, содержащегося в реакционном воздухе:
154495.06 кг/ч	-	100%	Х=115515.95 кг/ч.
Х	-	74.77%
Количество водорода, содержащегося в реакционном воздухе:
154495.06 кг/ч	-	100%	Х=3908.72 кг/ч.
Х	-	2.53%
Количество воды, выделяющееся при синтезе НАК:
23855.63 кг/ч	-	53 г/моль	Х=24305.73 кг/ч.
Х	-	54 г/моль
Количество воды, выделяющееся в результате образования акролеина:
298.49 кг/ч	-	42 г/моль	Х=127.92 кг/ч.
Х	-	18 г/моль
Количество воды, выделяющееся в результате образования оксида углерода:
1567.08 кг/ч	-	42 г/моль	Х=2014.82 кг/ч.
Х	-	54 г/моль
Количество воды, выделяющееся в результате образования диоксида углерода:
1965.07 кг/ч	-	42 г/моль	Х=2526.52 кг/ч.
Х	-	54 г/моль
Количество воды, выделяющееся в результате образования синильной кислоты:
1915.32 кг/ч	-	42 г/моль	Х=1641.7 кг/ч.
Х	-	36 г/моль
Общее количество воды, выделяющееся в процессе синтеза НАК:
1641.7+2526.52+2014.82+127.92+24305.73=30616.69 кг/ч.
Общее количество воды на выходе из реактора синтеза:
30616.69+7.93=30624.62 кг/ч.
Количество образующегося акролеина:
298.49 кг/ч	-	42 г/моль	Х=398.01 кг/ч.
Х	-	56 г/моль
Количество образующегося оксида углерода:
1567.08 кг/ч	-	42 г/моль	Х=3134.16 кг/ч.
Х	-	84 г/моль
Количество образующегося диоксида углерода:
1965.07 кг/ч	-	42 г/моль	Х=6175.93 кг/ч.
Х	-	132 г/моль
Количество аммиака, необходимое для синтеза синильной кислоты:
1915.32 кг/ч	-	42 г/моль	Х=775.25 кг/ч.
Х	-	17 г/моль
Количество аммиака, необходимое для синтеза ацетонитрила:
882.66 кг/ч	-	53 г/моль	Х=283.12 кг/ч.
Х	-	17 г/моль
Общее количество аммиака, вступающего в реакции:
7651.8+283.12+775.25=8710.17 кг/ч.
Количество непрореагировавшего аммиака:
8799.57-8710.17=89.4 кг/ч.
Количество синильной кислоты, полученной в процессе синтеза:
1915.32 кг/ч	-	42 г/моль	Х=1231.28 кг/ч.
Х	-	27 г/моль
Количество метана, полученного в процессе синтеза:
1915.32 кг/ч	-	42 г/моль	Х=729.64 кг/ч.
Х	-	16 г/моль
Количество диоксида углерода, выделившееся в процессе образования синильной кислоты:
1915.32 кг/ч	-	42 г/моль	Х=2006.52 кг/ч.
Х	-	44 г/моль
Общее количество образовавшегося диоксида углерода:
6175.93+2006.52=8182.45 кг/ч.
Количество образовавшегося ацетонитрила:
882.66 кг/ч	-	53 г/моль	Х=662.82 кг/ч.
Х	-	41 г/моль
Количество образовавшегося формальдимина:
882.66 кг/ч	-	53 г/моль	Х=482.96 кг/ч.
Х	-	29 г/моль

Материальный баланс двух реакторов синтеза НАК

Расход			Приход
Вещество	кг/ч	На 1 т НАК, кг	Вещество	кг/ч	На 1 т НАК, кг
1	2	3	4	5	6
НАК	22972.97	1000	Пропилен	27638.1	1203.22
акролеин	398.01	17.33	- пропилен	24874.29	1082.9
оксид углерода	3134.16	136.44	- пропан	2597.98	113.10
диоксид углерода	8182.45	356.22	- этилен	82.91	3.57
синильная кислота	1231.28	53.7	- этан	55.28	2.41
метан	729.64	31.76	- бутан	27.64	1.2
ацетонит-рил	682.82	29.82	Аммиак	8807.5	383.43
формальд-имин	482.96	21.02	- аммиак	8799.57	383.09
аммиак	89.4	3.89	- вода	7.93	0.34
азот	115515.95	5028.99	Воздух	154495.06	6725.96
водород	3908.72	170.17	- кислород	35070.38	1526.79
пропан	2597.98	113.10	- азот	115515.95	5028.99
этан	55.28	2.41	- водород	3908.72	170.17
этилен	82.91	3.57
бутан	27.64	1.2
потери пропилена	223.87	9.75
вода	30624.62	1333.24
Итого	190940.66	8312.61	Итого	190940.66	8312.61

Энергетический баланс

В реакторе происходят экзотермические реакции с выделением тепла:

CH₂=CH–CH₃ + NH₃ + 1.5O₂ → CH₂=CH–CN + 3H₂O + Q₁;

CH₂=CH–CH₃ + O₂ → CH₂=CH–CHO + H₂O + Q₂;

CH₂=CH–CH₃ + 3O₂ → 3CO + 3H₂O + Q₃;

CH₂=CH–CH₃ + NH₃ + 2O₂ → HCN + CH₄ + CO₂ + 2H₂O + Q₄;

CH₂=CH–CH₃ + 4.5O₂ → 3CO₂ + 3H₂O + Q₅.

Q₁=131.7 ккал/моль;

Q₂=56 ккал/моль;

Q₃=247 ккал/моль;

Q₄=225 ккал/моль;

Q₅=450.7 ккал/моль.

Теплота реакции:

Q_p=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅.

Из материального баланса берется количество пропилена, израсходованного на образование веществ:

НАК – 18904.46 кг/ч;
акролеина – 298.49 кг/ч;
оксида углерода – 1567.08 кг/ч;
диоксида углерода – 1965.07 кг/ч;
синильной кислоты – 1915.32 кг/ч.

Q_p=(18904.46·131.7+298.49·56+1915.32·225+1567.08·247+1965.07·450.7)/0.042=100240610.26 ккал/ч;

Q_p=100240610.26·1.163=116579829.7 Вт,

где М=0.042 кг/моль – молекулярная масса пропилена на два реактора.

Теплоемкость компонентов газовой смеси, поступающей в реактор:

С_{пропилена}=0.6·4190=2514 Дж/(кг·°С), при температуре 65 °С;

С_{аммиака}=0.654·4190=2740.26 Дж/(кг·°С), при температуре 65 °С;

С_{воздуха}=0.255·4190=1068.5 Дж/(кг·°С), при температуре 200 °С.

Количество тепла, пришедшее с газовой смесью:

, где

G_i – расход газа, кг/ч;

С_i – теплоемкость газа, Дж/(кг·°С);

t_i – температура газа, °С.

Q_г=27638.1/7200·2514·65+8807.5/7200·2740.26·65+154495/7200·1068.5·200=

=5412840.9 Вт.

Всего поступает тепла:

Q_п=Q_p+Q_г,

Q_пр=58289914.9+5412840.9=63702755.8 (на два реактора).

Определение тепла, уносимого реакционными газами:

Q_расх=∑G_i·C_i·t_i.

Теплоемкости компонентов

Компоненты	Теплоемкость, Дж/(кг·°С)
НАК	2095
Оксид углерода	1106.16
Диоксид углерода	1944.16
Акролеин	1969.3
Синильная кислота	1696.95
Метан	3771
Пропилен	2514
Пар	2053.1
Ацетонитрил	2095
Водород	14246
Пропан	3142.5
Этан	3184.4
Бутан	3142.5
Аммиак	2740.26
Этилен	2765.4
Азот	1093.6
Формальдимин	1843.6

Q_расх=22972.97/7200·2095·425+398.01/7200·1969.3·425+3134.16/7200·1106.16·

·425+8182.45/7200·1944.16·425+1231.28/7200·1696.95·425+729.64/7200·3771·

·425+682.82/7200·2095·425+482.96/7200·1843.6·425+89.4/7200·2740.26·425+

+115515.95/7200·1093.6·425+3908.72/7200·14246·425+2597.98/7200·3142.5·

·425+55.28/7200·3184.4·425+82.91/7200·2765.4·425+27.64/7200·3142.5·425+

+223.87/7200·2514·425+30624.62/7200·2053.1·425=19467374.2 Вт.

Количество тепла, которое необходимо отвести от реакторов [17]:

Q=Q_пр-Q_расх

Q=63702755.8-19467374.2=44235381.6 Вт.

Тепловая нагрузка на один реактор:

Q₁=44235381.6/2= 22117690,8 Вт.

Определение поверхности теплообмена змеевиков, устанавливаемых в реакторе для снятия теплоты реакции.

В змеевики, состоящие из трех и шести витков, подается котловая вода, которая превращается в насыщенный, а затем и перегретый пар. Давление пара, получаемого в змеевиках реактора Р=392 МПа, температура – 251 °С.

Поверхность теплообмена определяется по формуле:

Q=K·F·Δt;

F=Q/(K·Δt), где

К – коэффициент теплопередачи, который принимается равным 250 Вт/(м²·°С).

Δt – средняя разность температур, °С.

Δt=429-251=178°С.

F=44235281.6/(250·178)=1016.9 м².

Таким образом, для отвода тепла от реактора необходимая поверхность теплообмена составит 1016.9 м².

Змеевики предлагаем изготовить из труб 114*8.56, аналогичных действующим. Длина одного витка составит l=5.8·2=11.6 м.

Поверхность теплообмена одного змеевика составит:

F₁=π·d_n·l·n=3.14·0.114·11.6·6=24.91 м².

Необходимое количество змеевиков насыщенного пара составит:

n_н=F/F₁=1016.9/24.91=40.82, значит принимаем 41 шестиходовый змеевик насыщенного пара.

Необходимое количество змеевиков перегретого пара составит:

n_п=n_н/3=41/3=13.7, значит принимаем 14 трехходовых змеевиков перегретого пара.

Поверхность теплообмена шестиходовых змеевиков составит:

F=41·24.91=1021.31 м².

Поверхность теплообмена трехходовых змеевиков составит:

F=3.14·14·0.114·11.6·3=174.4 м².

Общая поверхность теплообмена составит:

F_общ=1021.31+174.4=1195.71 м².

Запас поверхности теплообмена составит:

(1195.71-1016.9)/1195.71=0.1495·100%=14.95%, что полностью удовлетворяет требованиям существующих проектных документов.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 1610 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>