ПРОЦЕС отримання ацетилену Термоокислительная ПІРОЛІЗ
1. Товарні і визначають технологію властивості ацетилену
Ацетилен С 2 Н 2 володіє більш високою реакційною здатністю, ніж олефіни. Він є одним з найважливіших вихідних сполук для синтезу великої кількості різноманітних органічних продуктів.
Ацетилен - безбарвний газ, у якого в чистому вигляді слабким ефірним запахом; конденсується при -83,8 ° С (0,102 МПа); критична температура +35,5 ° С; критичний тиск 6,04 МПа. Він має дуже широкі межі вибуховості в суміші з повітрям [2,0-81% (об.) С 2 Н 2] і з киснем [2,8-78% (об.) С 2 Н 2]. Вибухонебезпечність ацетилену посилюється через високу екзотермічну його розкладання на прості речовини:
З 2 Н 2 → 2С + Н 2
Це розкладання йде у відсутність кисню при наявності відповідних ініціаторів (іскра, перегрів через тертя). При тиску до 0,2 МПа розкладання має місцевий характер і не є небезпечним. При більш високому тиску розкладання набуває характеру вибуху з детонаційної хвилею, що поширюється зі швидкістю понад 1000 м / с. Однак вибухонебезпечність ацетилену знижується при його розведенні інертними газами або парами, які акумулюють тепло первинного розкладання ацетилену і перешкоджають його вибухового розпаду. При цьому максимальне безпечний тиск суміші залежить від концентрації ацетилену (рис. 1). Вибухонебезпечність ацетилену сильно зростає в присутності металів, здатних до утворення ацетіленідов (наприклад, Сu 2 З 2), що треба мати на увазі при виборі конструкційних матеріалів.
Для запобігання від вибухів найчастіше обмежують тиск при виробництві ацетилену і різних синтезах безпечними межами -0,2 МПа.) При необхідності роботи під тиском розбавляють ацетилен азотом, а іноді парами реагентів. При стисненні ацетилену застосовують спеціальні ацетиленові компресори, що мають низьку швидкість переміщення рухомих частин, малий ступінь стиснення і температуру газу після кожного ступеня компресора не більше 100 ° С. При розрахунку апаратури і трубопроводів приймають підвищений запас міцності. Крім того, застосовують спеціальні запобіжні пристрої, розташовані в різних точках технологічної схеми. З них сухі затвори (у вигляді кулькового клапана) захищають тільки від поширення полум'я. Мокрі вогнеперепинювачів і гідравлічні затвори захищають попередню апаратуру від поширення вибуху. Вогнеперепинювачів представляє собою вежу з насадкою, зрошувану водою, а гідравлічним затвором служить апарат, в якому ацетилен барботируют через шар води. У всіх випадках при перевищенні встановленого тиску скидають гази в атмосферу через гідравлічні затвори або запобіжні мембрани.
Іншим технічно важливою властивістю ацетилену є його розчинність, значно вища, ніж у інших вуглеводневих газів. Так, в 1 об'ємі води при 20 ° С розчиняється близько 1 обсягу ацетилену, а при 60 ° С розчиняється 0,37 обсягу. Розчинність знижується у водних розчинах солей і Са (ОН) 2. значно вище розчинність ацетилену в органічних рідинах; при 20 ° С і атмосферному тиску вона становить (в обсягах ацетилену на 1 обсяг розчинника): у метанолі 11,2, в ацетоні 23, в диметилформаміді 32, N-метілпірролідоне 37. Розчинність ацетилену має важливе значення при його отриманні та виділення з сумішей з іншими газами, а також в ацетиленових балонах, де для підвищення їх ємності по ацетилену і зниження тиску використовують розчинник (ацетон).
Рис 1 Залежність максимально допустимого безпечного тиску від концентрації ацетилену в суміші з азотом
2. Сировинні джерела отримання ацетилену. Перспективи використання різного сировини
Карбід кальцію отримують з оксиду кальцію та коксу в електродугових печах. Реакція сильно ендотермічну і вимагає великих витрат електроенергії, що становить суттєвий елемент у собівартості виробленого ацетилену.
Початковою сировиною для отримання ацетилену можуть служити газоподібні вуглеводні парафінові (метан, етан, пропан, бутани) і рідкі нафтові фракції, наприклад прямогонні бензини.
Вибір вуглеводневої сировини залежить від багатьох факторів, в сукупності визначають економічність процесу в цілому, від наявності ресурсів сировини, витрати енергії, виходу ацетилену та його концентрації в продуктах реакції, від кількості та вартості побічних продуктів та можливості їх рентабельного використання.
Значний інтерес як джерело сировини представляють дешеві нафтові залишки. Встановлено, що при піролізі важких вуглеводнів можна отримувати з високим виходом ацетилен, концентрація якого в продуктах реакції досягає 31 - 33%; крім ацетилену, в них міститься 54 - 58% водню і 10 - 12% олефінів, головним чином етилену. При переробці ж газоподібних вуглеводнів зміст ацетилену в продуктах реакції становить від 7 до 16%.
Проте промислова технологія переробки гудрону та інших нафтових залишків ще повністю не розроблена, через що цю сировину поки не використовується.
Енергетично найменш вигідною сировиною для отримання ацетилену є метан. Для його піролізу потрібно затратити більшу кількість тепла (91 ккал / моль), в той час як для піролізу етану і пропану потрібно відповідно 78 і 61,9 ккал / моль. Піроліз метану проводиться при більш високих температурах, ніж його гомологів. Однак метан використовується для отримання ацетилену на багатьох установках. Пояснюється це тим, що метан - найбільш доступний і дешевий з вуглеводнів; він є основним компонентом природного газу, і останній може застосовуватися для виробництва без поділу.
3.Современное промислові способи отримання ацетилену
Існують два методи виробництва ацетилену: більш старий - з карбіду кальцію і новий з вуглеводнів.
При розкладанні утворився карбіду кальцію водою по екзотермічної реакції виходить ацетилен:
З 1 кг технічного карбіду кальцію, що містить домішки коксу, оксиду кальцію та інших речовин, виходить 230-280 л ацетилену (ця величина називається літражом карбіду). Теоретично з 1 кг чистого Сас 2 повинно утворитися 380 л З 2 Н 2.
При розкладанні карбіду кальцію слід дотримуватися деяких умов для нормального перебігу процесу. Реакція є гетерогенної, і її швидкість залежить від розміру шматків карбіду, особливо сильно зростаючи при використанні карбідної дрібниці і пилу. Реакційну масу необхідно перемішувати бо інакше на шматках карбіду може утворитися шар вапна, що перешкоджає повного розкладання карбіду і приводить до місцевих перегрівів. З реакційної зони потрібно постійно відводити тепло, щоб оберегти ацетилен від можливої полімеризації і розкладання.
За способом підведення тепла для проведення високоендотермічной реакції піролізу вуглеводнів в ацетилен розрізняють чотири методи.
1). Регенеративний піроліз у печах з вогнетривкої насадкою; її спершу розігрівають топковим газами, а потім через розжарену насадку пропускають піролізуемое сировину. Ці періоди чергуються.
2). Електрокрекінг за допомогою вольтової дуги, коли вуглеводневу сировину піддають піролізу в електродугових печах при напрузі між електродами 1000 В. Витрати електроенергії доходять до 13 000 кВт-год на 1 т ацетилену, що становить головний недолік методу.
3). Гомогенний піроліз, коли сировину вводять в потік гарячого топкового газу, отриманого спалюванням метану в кисні і має температуру 2000 ° С. Цей метод можна комбінувати з іншими процесами піролізу, якщо в гарячі гази першого ступеня піролізу вводити пари рідких вуглеводнів, для розщеплення яких в ацетилен потрібна нижча температура. Можливо і спільне одержання ацетилену та етилену.
4). Окислювальний піроліз, при якому екзотермічна реакція горіння вуглеводнів та ендотермічний процес піролізу поєднані в одному апараті.
Всі ці способи піролізу вуглеводнів на ацетилен застосовують у промисловості, але найбільш економічним з них є окислювальний піроліз.
4. Фізико-хімічні основи процесу отримання ацетилену методом термоокиснення піролізу метану.
З метану та інших парафінів ацетилен отримують шляхом високотемпературного піролізу з наступним оборотним реакцій:
Ці реакції ендотермічну, і їх рівновага зміщується вправо тільки при 1000-1300 ° С. Однак при практичному здійсненні процесу з метою його прискорення потрібна вища температура: 1500-1600 ° С для метану і 1200 ° С для рідких вуглеводнів.
Подібно піролізу на олефіни, реакції утворення ацетилену мають радикально-ланцюговий механізм, причому ланцюг перетворень метану і етану можна представити приблизно так:
В отриманому газі крім нижчих парафінів і олефінів міститься невелика кількість бензолу і ацетиленових вуглеводнів - метилацетилену СН 3-С
Отримання ацетилену даним методом ускладнюється побічною реакцією його розкладання на вуглець і водень. Вона стає помітною при 1000 ° С і досягає значної швидкості при 1200-1600 ° С, тобто при температурі, необхідної для отримання ацетилену. У результаті спостерігається система послідовних реакцій, при якій утворюється ацетилен розкладається на водень і вуглець (сажу):
Як і в інших подібних випадках, регулювання виходу проміжного продукту може бути досягнуто зменшенням ступеня конверсії вихідного вуглеводню в результаті зниження часу контакту. Знайдено, що гарний вихід ацетилену при невеликому освіту сажі можна отримати при ступені конверсії вихідного вуглеводнів 50% і часу його перебування в зоні реакції 0,01 с. Щоб уникнути подальшого розкладання ацетилену необхідна швидка «гарт» реакційних газів (впорскування води), при цьому температура різко знижується до такої величини, при якій розпаду ацетилену не відбувається.
При нестачі кисню і високої температури згорання метану відбувається в основному за реакцією:
СН 4 + О 2 → СО + Н 2 + Н 2 О,
Вона протікає дуже швидко, і освіту ацетилену (як більш повільний процес) починається лише в зоні, практично позбавленій кисню. Там же відбувається конверсія оксиду вуглецю
СО + Н 2 О ↔ СО 2 + Н 2,
причому співвідношення водню, оксидів вуглецю і водяної пари виявляється близьким до цієї рівноваги водяного газу. У практичних умовах близько 1 / 3 кисню витрачається на освіту води, 10-15% на СО 2 і 50-55% на СО.
Оскільки процес протікає в автотермічний режимі, для підтримки температури
5. Апаратурно-технологічна схема
Технологічна схема одержання ацетилену окислювальним піролізом метану зображена на рис. 2. Кисень і метан підігрівають до 600-700 ° С в трубчастих печах 1 і 2, що мають топки для спалювання природного газу. У реакторі 3 протікають вишерассмотренние процеси, причому гази виходять з нього після «гарту» водою при 80 ° С і проходять для уловлювання сажі порожнистий водяний скрубер 4 і мокропленочний електрофільтр 5. Гази охолоджують водою в холодильнику 6 безпосереднього змішування, після чого їх промивають у форабсорбере 7 невеликою кількістю диметилформаміду або N-метілпірролідона і направляють у газгольдер 8. Вода, що стікає з гідравлічного затвора реактора і з сажеулавлівающіх апаратів, містить 2-3% сажі, а також малолетучие ароматичні з'єднання. Вона надходить у відстійник 9, з верху якого сажу і смоли збирають шкребками і направляють на спалювання. Воду з відстійника повертають в реактор як «гартівних агент», а її надлишок йде на очищення, чим створюється замкнута система водообігу без скидання токсичних стічних вод.
Газ з газгольдера 8 стискається компресором 10 до тиску
Розчин в кубі абсорбера 11 містить ацетилен і його гомологи, а також значну кількість близького до них по розчинності діоксиду вуглецю з домішкою інших газів. Він проходить дросельний вентиль 13 і надходить у десорбер 14 першого ступеня. За рахунок зниження тиску до
Кубову рідина десорбера 14, що містить деяку кількість ацетилену та його гомологів, направляють в десорбер 18 другого ступеня, підігріваючи попередньо в теплообміннику 17. За рахунок нагрівання куба до 100 ° С з розчину відганяються всі гази, причому із середньої частини колони йдуть гомологи ацетилену, що направляються потім на спалювання, а з верху - ацетилен з домішкою його гомологів, що повертається в десорбер першого ступеня. У розчиннику поступово накопичуються вода і полімери, від яких його звільняють на установці регенерації, не зображеної на схемі. Отриманий на установці концентрований ацетилен містить 99,0-99,5% основної речовини з домішкою метилацетилену, пропадієну і діоксиду вуглецю (по 0,1-0,3%).
1. Товарні і визначають технологію властивості ацетилену
Ацетилен С 2 Н 2 володіє більш високою реакційною здатністю, ніж олефіни. Він є одним з найважливіших вихідних сполук для синтезу великої кількості різноманітних органічних продуктів.
Ацетилен - безбарвний газ, у якого в чистому вигляді слабким ефірним запахом; конденсується при -83,8 ° С (0,102 МПа); критична температура +35,5 ° С; критичний тиск 6,04 МПа. Він має дуже широкі межі вибуховості в суміші з повітрям [2,0-81% (об.) С 2 Н 2] і з киснем [2,8-78% (об.) С 2 Н 2]. Вибухонебезпечність ацетилену посилюється через високу екзотермічну його розкладання на прості речовини:
З 2 Н 2 → 2С + Н 2
Це розкладання йде у відсутність кисню при наявності відповідних ініціаторів (іскра, перегрів через тертя). При тиску до 0,2 МПа розкладання має місцевий характер і не є небезпечним. При більш високому тиску розкладання набуває характеру вибуху з детонаційної хвилею, що поширюється зі швидкістю понад 1000 м / с. Однак вибухонебезпечність ацетилену знижується при його розведенні інертними газами або парами, які акумулюють тепло первинного розкладання ацетилену і перешкоджають його вибухового розпаду. При цьому максимальне безпечний тиск суміші залежить від концентрації ацетилену (рис. 1). Вибухонебезпечність ацетилену сильно зростає в присутності металів, здатних до утворення ацетіленідов (наприклад, Сu 2 З 2), що треба мати на увазі при виборі конструкційних матеріалів.
Для запобігання від вибухів найчастіше обмежують тиск при виробництві ацетилену і різних синтезах безпечними межами -0,2 МПа.) При необхідності роботи під тиском розбавляють ацетилен азотом, а іноді парами реагентів. При стисненні ацетилену застосовують спеціальні ацетиленові компресори, що мають низьку швидкість переміщення рухомих частин, малий ступінь стиснення і температуру газу після кожного ступеня компресора не більше 100 ° С. При розрахунку апаратури і трубопроводів приймають підвищений запас міцності. Крім того, застосовують спеціальні запобіжні пристрої, розташовані в різних точках технологічної схеми. З них сухі затвори (у вигляді кулькового клапана) захищають тільки від поширення полум'я. Мокрі вогнеперепинювачів і гідравлічні затвори захищають попередню апаратуру від поширення вибуху. Вогнеперепинювачів представляє собою вежу з насадкою, зрошувану водою, а гідравлічним затвором служить апарат, в якому ацетилен барботируют через шар води. У всіх випадках при перевищенні встановленого тиску скидають гази в атмосферу через гідравлічні затвори або запобіжні мембрани.
Іншим технічно важливою властивістю ацетилену є його розчинність, значно вища, ніж у інших вуглеводневих газів. Так, в 1 об'ємі води при 20 ° С розчиняється близько 1 обсягу ацетилену, а при 60 ° С розчиняється 0,37 обсягу. Розчинність знижується у водних розчинах солей і Са (ОН) 2. значно вище розчинність ацетилену в органічних рідинах; при 20 ° С і атмосферному тиску вона становить (в обсягах ацетилену на 1 обсяг розчинника): у метанолі 11,2, в ацетоні 23, в диметилформаміді 32, N-метілпірролідоне 37. Розчинність ацетилену має важливе значення при його отриманні та виділення з сумішей з іншими газами, а також в ацетиленових балонах, де для підвищення їх ємності по ацетилену і зниження тиску використовують розчинник (ацетон).
Рис 1 Залежність максимально допустимого безпечного тиску від концентрації ацетилену в суміші з азотом
2. Сировинні джерела отримання ацетилену. Перспективи використання різного сировини
Карбід кальцію отримують з оксиду кальцію та коксу в електродугових печах. Реакція сильно ендотермічну і вимагає великих витрат електроенергії, що становить суттєвий елемент у собівартості виробленого ацетилену.
Початковою сировиною для отримання ацетилену можуть служити газоподібні вуглеводні парафінові (метан, етан, пропан, бутани) і рідкі нафтові фракції, наприклад прямогонні бензини.
Вибір вуглеводневої сировини залежить від багатьох факторів, в сукупності визначають економічність процесу в цілому, від наявності ресурсів сировини, витрати енергії, виходу ацетилену та його концентрації в продуктах реакції, від кількості та вартості побічних продуктів та можливості їх рентабельного використання.
Значний інтерес як джерело сировини представляють дешеві нафтові залишки. Встановлено, що при піролізі важких вуглеводнів можна отримувати з високим виходом ацетилен, концентрація якого в продуктах реакції досягає 31 - 33%; крім ацетилену, в них міститься 54 - 58% водню і 10 - 12% олефінів, головним чином етилену. При переробці ж газоподібних вуглеводнів зміст ацетилену в продуктах реакції становить від 7 до 16%.
Проте промислова технологія переробки гудрону та інших нафтових залишків ще повністю не розроблена, через що цю сировину поки не використовується.
Енергетично найменш вигідною сировиною для отримання ацетилену є метан. Для його піролізу потрібно затратити більшу кількість тепла (91 ккал / моль), в той час як для піролізу етану і пропану потрібно відповідно 78 і 61,9 ккал / моль. Піроліз метану проводиться при більш високих температурах, ніж його гомологів. Однак метан використовується для отримання ацетилену на багатьох установках. Пояснюється це тим, що метан - найбільш доступний і дешевий з вуглеводнів; він є основним компонентом природного газу, і останній може застосовуватися для виробництва без поділу.
3.Современное промислові способи отримання ацетилену
Існують два методи виробництва ацетилену: більш старий - з карбіду кальцію і новий з вуглеводнів.
При розкладанні утворився карбіду кальцію водою по екзотермічної реакції виходить ацетилен:
З 1 кг технічного карбіду кальцію, що містить домішки коксу, оксиду кальцію та інших речовин, виходить 230-280 л ацетилену (ця величина називається літражом карбіду). Теоретично з 1 кг чистого Сас 2 повинно утворитися 380 л З 2 Н 2.
При розкладанні карбіду кальцію слід дотримуватися деяких умов для нормального перебігу процесу. Реакція є гетерогенної, і її швидкість залежить від розміру шматків карбіду, особливо сильно зростаючи при використанні карбідної дрібниці і пилу. Реакційну масу необхідно перемішувати бо інакше на шматках карбіду може утворитися шар вапна, що перешкоджає повного розкладання карбіду і приводить до місцевих перегрівів. З реакційної зони потрібно постійно відводити тепло, щоб оберегти ацетилен від можливої полімеризації і розкладання.
За способом підведення тепла для проведення високоендотермічной реакції піролізу вуглеводнів в ацетилен розрізняють чотири методи.
1). Регенеративний піроліз у печах з вогнетривкої насадкою; її спершу розігрівають топковим газами, а потім через розжарену насадку пропускають піролізуемое сировину. Ці періоди чергуються.
2). Електрокрекінг за допомогою вольтової дуги, коли вуглеводневу сировину піддають піролізу в електродугових печах при напрузі між електродами 1000 В. Витрати електроенергії доходять до 13 000 кВт-год на 1 т ацетилену, що становить головний недолік методу.
3). Гомогенний піроліз, коли сировину вводять в потік гарячого топкового газу, отриманого спалюванням метану в кисні і має температуру 2000 ° С. Цей метод можна комбінувати з іншими процесами піролізу, якщо в гарячі гази першого ступеня піролізу вводити пари рідких вуглеводнів, для розщеплення яких в ацетилен потрібна нижча температура. Можливо і спільне одержання ацетилену та етилену.
4). Окислювальний піроліз, при якому екзотермічна реакція горіння вуглеводнів та ендотермічний процес піролізу поєднані в одному апараті.
Всі ці способи піролізу вуглеводнів на ацетилен застосовують у промисловості, але найбільш економічним з них є окислювальний піроліз.
4. Фізико-хімічні основи процесу отримання ацетилену методом термоокиснення піролізу метану.
З метану та інших парафінів ацетилен отримують шляхом високотемпературного піролізу з наступним оборотним реакцій:
Ці реакції ендотермічну, і їх рівновага зміщується вправо тільки при 1000-1300 ° С. Однак при практичному здійсненні процесу з метою його прискорення потрібна вища температура: 1500-1600 ° С для метану і 1200 ° С для рідких вуглеводнів.
Подібно піролізу на олефіни, реакції утворення ацетилену мають радикально-ланцюговий механізм, причому ланцюг перетворень метану і етану можна представити приблизно так:
В отриманому газі крім нижчих парафінів і олефінів міститься невелика кількість бензолу і ацетиленових вуглеводнів - метилацетилену СН 3-С
Отримання ацетилену даним методом ускладнюється побічною реакцією його розкладання на вуглець і водень. Вона стає помітною при 1000 ° С і досягає значної швидкості при 1200-1600 ° С, тобто при температурі, необхідної для отримання ацетилену. У результаті спостерігається система послідовних реакцій, при якій утворюється ацетилен розкладається на водень і вуглець (сажу):
Як і в інших подібних випадках, регулювання виходу проміжного продукту може бути досягнуто зменшенням ступеня конверсії вихідного вуглеводню в результаті зниження часу контакту. Знайдено, що гарний вихід ацетилену при невеликому освіту сажі можна отримати при ступені конверсії вихідного вуглеводнів 50% і часу його перебування в зоні реакції 0,01 с. Щоб уникнути подальшого розкладання ацетилену необхідна швидка «гарт» реакційних газів (впорскування води), при цьому температура різко знижується до такої величини, при якій розпаду ацетилену не відбувається.
При нестачі кисню і високої температури згорання метану відбувається в основному за реакцією:
СН 4 + О 2 → СО + Н 2 + Н 2 О,
Вона протікає дуже швидко, і освіту ацетилену (як більш повільний процес) починається лише в зоні, практично позбавленій кисню. Там же відбувається конверсія оксиду вуглецю
СО + Н 2 О ↔ СО 2 + Н 2,
причому співвідношення водню, оксидів вуглецю і водяної пари виявляється близьким до цієї рівноваги водяного газу. У практичних умовах близько 1 / 3 кисню витрачається на освіту води, 10-15% на СО 2 і 50-55% на СО.
Оскільки процес протікає в автотермічний режимі, для підтримки температури
5. Апаратурно-технологічна схема
Технологічна схема одержання ацетилену окислювальним піролізом метану зображена на рис. 2. Кисень і метан підігрівають до 600-700 ° С в трубчастих печах 1 і 2, що мають топки для спалювання природного газу. У реакторі 3 протікають вишерассмотренние процеси, причому гази виходять з нього після «гарту» водою при 80 ° С і проходять для уловлювання сажі порожнистий водяний скрубер 4 і мокропленочний електрофільтр 5. Гази охолоджують водою в холодильнику 6 безпосереднього змішування, після чого їх промивають у форабсорбере 7 невеликою кількістю диметилформаміду або N-метілпірролідона і направляють у газгольдер 8. Вода, що стікає з гідравлічного затвора реактора і з сажеулавлівающіх апаратів, містить 2-3% сажі, а також малолетучие ароматичні з'єднання. Вона надходить у відстійник 9, з верху якого сажу і смоли збирають шкребками і направляють на спалювання. Воду з відстійника повертають в реактор як «гартівних агент», а її надлишок йде на очищення, чим створюється замкнута система водообігу без скидання токсичних стічних вод.
Газ з газгольдера 8 стискається компресором 10 до тиску
Розчин в кубі абсорбера 11 містить ацетилен і його гомологи, а також значну кількість близького до них по розчинності діоксиду вуглецю з домішкою інших газів. Він проходить дросельний вентиль 13 і надходить у десорбер 14 першого ступеня. За рахунок зниження тиску до
Кубову рідина десорбера 14, що містить деяку кількість ацетилену та його гомологів, направляють в десорбер 18 другого ступеня, підігріваючи попередньо в теплообміннику 17. За рахунок нагрівання куба до 100 ° С з розчину відганяються всі гази, причому із середньої частини колони йдуть гомологи ацетилену, що направляються потім на спалювання, а з верху - ацетилен з домішкою його гомологів, що повертається в десорбер першого ступеня. У розчиннику поступово накопичуються вода і полімери, від яких його звільняють на установці регенерації, не зображеної на схемі. Отриманий на установці концентрований ацетилен містить 99,0-99,5% основної речовини з домішкою метилацетилену, пропадієну і діоксиду вуглецю (по 0,1-0,3%).
Рис. 2. Технологічна схема отримання ацетилену окислювальним піролізом метану:
1, 2 - трубчасті печі; 3-реактор, 4 - скрубер-сажеуловітель; 5 - електрофільтр; 6 - холодильник; 7 - форабсорбер; 8 - газгольдер; 9 - відстійник; 10 - компресори; 11 - абсорбер; 12, 15 - скрубери ; 13 - дросельний вентиль; 14, 18 - десорбера; 16 - вогнеперепинювачів; 17 - теплообмінник; 19 - кип'ятильники;
6. Матеріальний баланс процесу піролізу природного газу
при окислювальному піролізі протікають такі реакції:
2СН 4 ↔ С 2 Н 2 + Н 2 - Q (1)
4СН 4 +3 О 2 ↔ 2С 2 Н 2 +6 Н 2 О + Q (2)
СН 4 + О 2 ↔ СО + Н 2 + Н 2 О + Q (3)
2СН 4 + О 2 ↔ 2СО +4 Н 2 + Q (4)
Дані для розрахунку
1) Склад технічного кисню,% (об.):
кисень - 98,0;
азот - 1,0;
аргон - 1,0.
2) Кількість днів відводяться на ремонт - 15.
3) Склад природного газу,% (об.):
СН 4 - 97,5;
З 2 Н 6 - 0,16;
СО 2 - 0,50;
N 2 - 1,80;
вищі вуглеводні - 0,04.
4) Потужність установки по С 2 Н 2, тис.т / рік 200;
при окислювальному піролізі протікають такі реакції:
2СН 4 ↔ С 2 Н 2 + Н 2 - Q (1)
4СН 4 +3 О 2 ↔ 2С 2 Н 2 +6 Н 2 О + Q (2)
СН 4 + О 2 ↔ СО + Н 2 + Н 2 О + Q (3)
2СН 4 + О 2 ↔ 2СО +4 Н 2 + Q (4)
Дані для розрахунку
1) Склад технічного кисню,% (об.):
кисень - 98,0;
азот - 1,0;
аргон - 1,0.
2) Кількість днів відводяться на ремонт - 15.
3) Склад природного газу,% (об.):
СН 4 - 97,5;
З 2 Н 6 - 0,16;
СО 2 - 0,50;
N 2 - 1,80;
вищі вуглеводні - 0,04.
4) Потужність установки по С 2 Н 2, тис.т / рік 200;
5) Вихід С 2 Н 2 на непрореагіровавшіх метан,% 8,8;
6) Частка СН 4 на реакцію (1) 0,72;
7) Розподіл СН 4 на реакції (3): (4) 1: 4.
Годинна продуктивність установки
З реакцій (1) і (2) випливає, що 1 моль С 2 Н 2 отримують з 2-х молей СН 4, тобто витрата метану на цільові реакції складе
За завданням - вихід ацетилену складає 8,8% на метан, отже, кількість надходження на установку метану:
Склад газу в% (мас.):
Для перерахунку об'ємного складу в масовий і назад необхідно знати густину r i кожного компонента:
Маса будь-якого газу при нормальних умовах дорівнює його молярної маси, поділеної на обсяг, займаний одним молем, тобто
Виходячи з того, що витрата метану, що йде на цільові реакції 29305кг / год, і частка метану на реакцію (1) становить 0,72 витрата метану на реакції складе:
(1)
(2)
Кількість метану на реакції (3) і (4)
(3)
(4)
Матеріальний баланс процесу
По реакції (1)
З 2 моль СН 4 - 1моль С 2 Н 2 і 3 моль Н 2;
Для ацетилену -
Для водню -
По реакції (2)
З 4 моль СН 4 і 3 моль О 2 - 2 моль С 2 Н 2 і 6 моль Н 2 О;
Для ацетилену -
Для води -
Для кисню -
По реакції (3)
З 1 моль СН 4 і 1 моль О 2 - 1 моль СО, 1моль Н 2 О і 1 моль Н 2;
Для окису вуглецю -
Для води -
Для водню -
Для кисню -
По реакції (4)
З 2 моль СН 4 і 1моль О 2 - 2 моль СО і 4 моль Н 2;
Для окису вуглецю -
Для водню -
Для кисню -
Витрата кисню (на технічний кисень)
Витрата чистого кисню
Витрата домішок:
G техн.кісл.
Матеріальний баланс процесу піролізу метану
Кількість метану і кисню позначаю G з, кількість ацетилену - G п. Тоді конверсію сировини у відсотках виражається наступним рівнянням:
На метан
На кисень
Селективність знаходжу як відношення готового продукту G п до сировини G c (на метан)
Вихід цільового продукту.
Витратні коефіцієнти на отримання 1 тонни продукту:
1. За метану стехіометричний коефіцієнт на 1 т ацетилену:
Витратний коефіцієнт з урахуванням селективності
К р = К з /
2. По кисню стехиометричний витратний коефіцієнт на 1 т ацетилену:
Витратний коефіцієнт з урахуванням селективності
К р = К з /
ЛІТЕРАТУРА
1. Кутєпов А.М., Бондарева Т.І., Беренгартен М.Г. Загальна хімічна технологія. Підручник для технічних ВНЗ. - М.: «Вища школа», 1990. - 512 с.
2. Паушкін Я.М., Адельсон С.В., Вишнякова Т.П. Технологія нафтохімічного синтезу, у двох частинах. Ч. I. Вуглеводневу сировину та продукти його окислення. М.: «Хімія», 1973. - 448 с.
3. Загальна хімічна технологія: Учеб. для хіміко-техн. спец. вузів. У 2-х т. / під ред. проф. І. П. Мухленова. - М.: Вищ. шк., 1984. - 263 с.
4. Лебедєв М.М. Хімія і технологія основного органічного і нафтохімічного синтезу: Підручник для вузів. - М. Хімія, 1988. - 592 с.
6) Частка СН 4 на реакцію (1) 0,72;
7) Розподіл СН 4 на реакції (3): (4) 1: 4.
Годинна продуктивність установки
З реакцій (1) і (2) випливає, що 1 моль С 2 Н 2 отримують з 2-х молей СН 4, тобто витрата метану на цільові реакції складе
За завданням - вихід ацетилену складає 8,8% на метан, отже, кількість надходження на установку метану:
Склад газу в% (мас.):
Для перерахунку об'ємного складу в масовий і назад необхідно знати густину r i кожного компонента:
Маса будь-якого газу при нормальних умовах дорівнює його молярної маси, поділеної на обсяг, займаний одним молем, тобто
Виходячи з того, що витрата метану, що йде на цільові реакції 29305кг / год, і частка метану на реакцію (1) становить 0,72 витрата метану на реакції складе:
(1)
(2)
Кількість метану на реакції (3) і (4)
(3)
(4)
Матеріальний баланс процесу
По реакції (1)
З 2 моль СН 4 - 1моль С 2 Н 2 і 3 моль Н 2;
Для ацетилену -
Для водню -
По реакції (2)
З 4 моль СН 4 і 3 моль О 2 - 2 моль С 2 Н 2 і 6 моль Н 2 О;
Для ацетилену -
Для води -
Для кисню -
По реакції (3)
З 1 моль СН 4 і 1 моль О 2 - 1 моль СО, 1моль Н 2 О і 1 моль Н 2;
Для окису вуглецю -
Для води - 
Для водню - 
Для кисню - 
По реакції (4) З 2 моль СН 4 і 1моль О 2 - 2 моль СО і 4 моль Н 2;
Для окису вуглецю -
Для водню - 
Для кисню - 
Витрата кисню (на технічний кисень) Витрата чистого кисню
Витрата домішок:
G техн.кісл.
Матеріальний баланс процесу піролізу метану
П Р И Х О Д | ||||
| кг / год | % (Мас.) | Нм 3 / год | % (Об.) | |
| Газ | 282460 | 47,81 | 176215 | 44,98 |
| У тому числі: | ||||
| метан | 270568 | 45,80 | 336695 | 85,95 |
| етан | 734 | 0,12 | 548 | 0,14 |
| двоокис вуглецю | 3390 | 0,57 | 1726 | 0,44 |
| азот | 7768 | 1,31 | 6214 | 1,59 |
| Кисень технічний | 308298 | 52,19 | 215528 | 55,02 |
| У тому числі: | ||||
| кисень | 301824 | 51,09 | 211273 | 53,93 |
| азот | 2621 | 0,44 | 2097 | 0,54 |
| аргон | 3853 | 0,65 | 2158 | 0,55 |
| РАЗОМ: | 590758 | 100,00 | 391743 | 100,00 |
Р О З Х О Д | ||||
| кг / год | % (Мас.) | Нм 3 / год | % (Об.) | |
| ацетилен | 23810 | 4,03 | 20513 | 1,88 |
| Побічні продукти | ||||
| окис вуглецю | 422211 | 71,47 | 337769 | 30,93 |
| водень | 58240 | 9,86 | 652288 | 59,73 |
| водяний пар | 68131 | 11,53 | 68131 | 6,24 |
| Транзитний | ||||
| етан | 734 | 0,12 | 548 | 0,05 |
| двоокис вуглецю | 3390 | 0,57 | 1726 | 0,16 |
| азот | 10389 | 1,76 | 8311 | 0,76 |
| Домішки | 3853 | 0,65 | 2757 | 0,25 |
| РАЗОМ: | 590758 | 99,99 | 1092043 | 100,00 |
Основні технологічні показники
Конверсія вихідної сировини.Кількість метану і кисню позначаю G з, кількість ацетилену - G п. Тоді конверсію сировини у відсотках виражається наступним рівнянням:
На метан
На кисень
Селективність знаходжу як відношення готового продукту G п до сировини G c (на метан)
Вихід цільового продукту.
Витратні коефіцієнти на отримання 1 тонни продукту:
1. За метану стехіометричний коефіцієнт на 1 т ацетилену:
Витратний коефіцієнт з урахуванням селективності
К р = К з /
2. По кисню стехиометричний витратний коефіцієнт на 1 т ацетилену:
Витратний коефіцієнт з урахуванням селективності
К р = К з /
ЛІТЕРАТУРА
1. Кутєпов А.М., Бондарева Т.І., Беренгартен М.Г. Загальна хімічна технологія. Підручник для технічних ВНЗ. - М.: «Вища школа», 1990. - 512 с.
2. Паушкін Я.М., Адельсон С.В., Вишнякова Т.П. Технологія нафтохімічного синтезу, у двох частинах. Ч. I. Вуглеводневу сировину та продукти його окислення. М.: «Хімія», 1973. - 448 с.
3. Загальна хімічна технологія: Учеб. для хіміко-техн. спец. вузів. У 2-х т. / під ред. проф. І. П. Мухленова. - М.: Вищ. шк., 1984. - 263 с.
4. Лебедєв М.М. Хімія і технологія основного органічного і нафтохімічного синтезу: Підручник для вузів. - М. Хімія, 1988. - 592 с.