Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Технологические расчеты в про.pdf
Скачиваний:
711
Добавлен:
19.03.2016
Размер:
4 Мб
Скачать
☆

составила 60 %, масса ацетилена в продуктах пиролиза составляет

400 кг.

Уравнение реакции пиролиза:

2CH4 →C2H2 + 3H2

2 22,4 м3 26,04кг 3 2,02кг.

Решение

1. Определяем объем превращенного метана:

1500 0,6 = 900 м3.

2. Теоретически возможную массу ацетилена в расчете на превращенный метан определяют исходя из стехиометрических соотношений по пропорции:

2 22,41383 м3 СН

− 26,04кг С Н

4

 

2

2

900 м3 СН −

m кг С Н

 

4

2

2

 

m = 900 26,038 = 522,77 кг С2Н2.

2 22,41383

3. Определяем селективность процесса:

β =

400

= 0,765 или 76,5 %.

522,77

 

 

Задача 1.1

Определите годовую производительность колонны синтеза аммиака в расчете на 100 %-й аммиак, если каждый час (на новых установках) вырабатывается 30 т 99 %-го аммиака.

Задача 1.2

Колонну для окисления твердого парафина загружают 40 т парафина, который занимает 75 % объема колонны (высота 10 м, диаметр 2,5 м). Процесс окисления длится в среднем 18 ч. Рассчитайте производительность колонны окисления парафина.

Задача 1.3

Необходимо определить плотность этилена при 150 МПа и 180 °С, пользуясь диаграммой коэффициента сжимаемости. Критические параметры для этилена равны 282,4 К и 5,03 МПа.

Задача 1.4

Рассчитайте теплоту, выделяющуюся при образовании 100 кг метанола из СО и Н2. Энтальпия образования (в кДж/кмоль) составляет: СО – 110583; Н2 – 0; метанола – 201456.

31

Глава 2. Получение полиолефинов

впромышленности

Вмировой и отечественной промышленной практике полиолефины занимают первое место по объему производства и потребления среди других полимеров. Мировое производство их уже в 1974 г. превысило 13 млн.т.

Кполиолефинам относятся полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, их сополимеры, а также сополимеры некоторых

других α-олефинов. Бесспорными лидерами среди полиолефинов в настоящее время являются полиэтилен и полипропилен.

Самым дешевым из полиолефинов является полиэтилен высокого давления (ПЭВД) (полиэтилен низкой плотности – ПЭНП). Доля его в общем объеме производства полиолефинов составляет 75–78 %. ПЭВД применяют в основном (75–80 %) в производстве пленок (для укрытия теплиц, парников, для упаковки изделий легкой и пищевой промышленности и др.), в качестве электроизоляционных покрытий в электротехнической промышленности, в производстве литьевых и выдувных изделий для различных отраслей народного хозяйства, товаров широкого потребления (хозтовары, игрушки, канцтовары и др.), труб.

Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) обладает более высокими физико-механическими свойствами, чем полиэтилен низкой плотности. Получают ПЭВП при среднем и низком давлении, поэтому называют еще ПЭСД и ПЭНД, соответственно. ПЭВП пригоден для изготовления изделий повышенной прочности в радиотехнической, химической, электротехнической промышленности, строительной технике, изделий бытового назначения, в производстве труб для строительства и мелиорации, а также для изготовления крупногабаритных, прочных, стойких к удару и растрескиванию изделий (бочек, ящиков, емкостей), стабилизированной упаковочной пленки, моноволокна и листов.

Полипропилен (ПП) сопоставим по прочности с ПЭВП, но превосходит его по теплостойкости. Однако ПП уступает полиэтилену по морозостойкости и стойкости к старению.

Сополимеры этилена с пропиленом (СЭП) сочетают достоинства ПЭ и ПП и особенно ценятся за свою способность противостоять ударным нагрузкам и растрескиванию. Широкие возможности открываются при модификации свойств полиолефинов физическими и химическими методами.

32

В ближайшей перспективе полиолефины останутся самыми востребованными полимерами, т.к. обладают ценным комплексом свойств. Они безвредны, нетоксичны, химически и водостойки, одни из совершеннейших диэлектриков, легко перерабатываются в изделия высокопроизводительными методами, дешевы. Наряду с общими полезными качествами среди полиолефинов всегда можно выбрать материал с предпочтительным комплексом эксплуатационных свойств в зависимости от области назначения (например, более эластично- и морозостойкий ПЭВД – для пленок и гибких труб; более теплостойкий и прочный ПП – для медицинских шприцев или волокон; эластичный, морозоустойчивый, трещиноустойчивый и стойкий к удару СЭП – для получения эластичных изделий и т.п.).

2.1. Получение полиэтилена

Полиэтилен (ПЭ) представляет собой карбоцепной полимер непредельного углеводорода олефинового ряда – этилена:

n CH2 =CH2 →[CH2 −CH2 ]n .

Для получения полиэтилена в промышленности используют разные методы.

Полимеризация этилена при высоком давлении – 150...350 МПа и температуре 200...300 °С в конденсированной газовой фазе в присутствии инициаторов (кислорода, органических пероксидов) протекает по радикально-цепному механизму. Радикальные процессы полимеризации всегда сопровождаются реакциями передачи цепи, приводящими к разветвлению полимерной цепи. Поэтому полиэтилен, полученный при высоком давлении (ПЭВД), имеет низкую плотность 916...930 кг/м3, а потому является полиэтиленом низкой плотности – ПЭНП.

Полимеризация этилена при среднем давлении (3...4 МПа) и температуре 150 °С в растворе в присутствии оксидов металлов в качестве катализаторов (например, оксида хрома) протекает по ионрадикальному механизму. Получаемый при среднем давлении полиэтилен (ПЭСД) имеет плотность 960...970 кг/м3 и является, по сути, полиэтиленом высокой плотности.

Полимеризация этилена при низком давлении (0,2...0,5 МПа) и температуре около 80 °С в суспензии (в среде органического растворителя, нерастворяющего образующийся полимер) в присутствии металлоорганических катализаторов протекает по ионнокоординационному механизму. Полиэтилен, полученный при низком

33

давлении, имеет плотность 955...960 кг/м3, т.е. также является ПЭВП. В настоящее время освоен в промышленной практике процесс получения ПЭНД полимеризацией этилена в газовой фазе (без растворителя) в присутствии хромоценовых катализаторов при давлении 2,2 МПа и

температуре 90...105 °С. Такой полиэтилен называют полиэтиленом низкого давления (ПЭНД), а также полиэтиленом высокой плотности (ПЭВП), т.к. получаемый полиэтилен имеет плотность 950...966 кг/м3.

Каждый из перечисленных методов получения ПЭ имеет свои достоинства и недостатки. Однако, при выборе метода производства следует руководствоваться прежде всего назначением полиэтилена и предъявляемым к нему комплексом свойств, т.к. ПЭ, полученный разными методами, отличается по свойствам.

2.2. Полиэтилен высокого давления

Самым химически чистым, эластичным и дешевым является ПЭНП (ПЭВД), а потому он и является наиболее востребованным.

Применяемые в производстве ПЭВД (ПЭНП) технологические схемы установок мало отличаются друг от друга.

Для полимеризации этилена на этих установках применяются реакционные устройства двух типов: трубчатый реактор и автоклавный.

Реактор автоклавного типа относится к типу аппаратов идеального перемешивания. Это вертикальный цилиндрический аппарат

с внутренним

диаметром

0,3...0,4 м и отн

ошением

длины к

диаметру 15...20.

Аппарат

снабжен

трехлопастной

мешалкой

специальной конструкции

с частотой

вращения 16...25 об/с. Для

обеспечения надежной герметизации автоклавного реактора привод перемешивающего устройства встроен в крышку. Инициируют полимеризацию перекиси и пероксиэфиры, которые в виде растворов в маслах дозирующими плунжерными насосами подают в автоклав. Реакция полимеризации протекает с выделением большого количества тепла (96,4 кДж/моль), которого достаточно для нагревания поступающего свежего этилена до температуры реакции. Температура подаваемого этилена 35...40 °С, температура реакции 150...280 °С. Обогрев автоклава в период пуска осуществляется горячим воздухом через секционные рубашки, а в установившемся режиме обогрев отключают и аппарат работает в автотермическом режиме. Понижая температуру входящего газа (в определенных пределах), можно увеличить степень превращения этилена в полиэтилен (α):

α = 0,07 (T2 −T1 ),

34

где Т2 – температура в реакторе, а Т1 – температура свежего этилена. Автоклавные реакторы имеют единичную мощность

15...25 тыс. т/год, конверсия этилена в них составляет 14...16 %. Организация потоков в автоклав может осуществляться по однозонной

имногозонной (чаще всего – двухзонной) схеме.

Внастоящее время основной выпуск ПЭВД осуществляют в высокопроизводительных трубчатых реакторах. Современные промышленные трубчатые реакторы – полимеризаторы – представляют собой последовательно соединенные теплообменники типа «труба в трубе». Трубки реактора имеют переменный диаметр (от 34 до 75 мм). Отдельные звенья трубчатки (прямые отрезки труб) соединяют массивными полыми плитами – ретурбентами или калачами. Трубы и калачи снабжены рубашками, последовательно соединенными между собой. В качестве теплоносителя для подогрева этилена и отвода избыточного тепла применяют перегретую воду с температурой

190...230 °С, которая поступает в рубашку трубчатого реактора противотоком к этилену и к потоку реакционной массы. Общая длина реакционной зоны может достигать 350...1500 м, а отношение длины труб к диаметру составляет 10000...12000.

Для поддержания температурного режима в реакторе и обеспечения эффективного теплосъема проводится дополнительный ввод этилена и инициатора в различные зоны по длине реактора. Многозонный реактор более производителен. Однозонный реактор при максимальной температуре реакции (300 °С) обеспечивает 15...17 % превращения за один проход. В друхзонном реакторе при той же температуре достигается 21...24 % превращения, а в трехзонном реакторе при двух боковых вводах (в первую зону подается 50 % газа, а во вторую и третью по 25 %) степень превращения может увеличиться до 26...30 %. Производительность четырехзонного аппарата (1-я зона – 50 % газа, 2-я и 3-я зоны по 15 % и 4-я зона – 20 %) по сравнению с трехзонным увеличивается незначительно, а потому практически не используется.

Трубчатые реакторы – аппараты «идеального вытеснения», т.е. в них реакционная масса движется в одном направлении, обратное движение массы практически исключается. Единичная мощность полимеризационных агрегатов трубчатого типа достигла в настоящее время 75000 т/год и продолжает увеличиваться. В качестве инициатора полимеризации используют кислород в концентрации

0,002...0,008 % масс. от этилена.

35

P=235 МПа Т=80 °С

Этилен – 18,18 кг/с Пропан – 0,757 кг/с 50 % масс.

25 % масс.

36

25 % масс.

 

P=3,2 МПа

 

 

P=5,5 МПа

 

Т=190 °С

 

 

Т=220 °С

 

 

Т=170 °С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P=3,2 МПа Т=190 °С

P=5,5 МПа

P=5,5 МПа

Т=220

°С

Т=190 °С

 

 

Т=260 °С

P=5,5 МПа Т=220 °С

Т=170 °С

Т=220 °С

 

 

P=5,5 МПа

 

 

 

P=5,5 МПа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т=205 °С

 

 

Т=220 °С

Т=280

°С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P=3,2 МПа

 

 

 

P=5,5 МПа

 

 

 

 

 

Т=190 °С

 

 

 

Т=205 °С

 

 

 

Т=170 °С

 

 

 

 

 

Т=300 °С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P=3,2 МПа

 

 

 

 

P=5,5 МПа

 

 

 

 

 

 

 

 

Т=220 °С

 

 

 

 

Т=190 °С

 

 

 

 

 

 

P=3,0 МПа Т=170 °С

P=3,0 МПа

Т=150 °С

Т=280 °С

P=3,0 МПа

Т=150 °С

P=3,0 МПа Т=130 °С

Т=260 °С

Рис.2.1. Температурный режим в реакторном блоке ПЭВД

36

В качестве одного из вариантов получения ПЭВД в трубчатом агрегате далее приведены:

1). температурный режим в трехзонном реакторном блоке;

2). конверсия по зонам;

3). характеристика реакторных блоков; 4). свойства этилена и теплоносителя (воды).

С, %

18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ, сек

Рис.2.2. Распределение степени конверсии по зонам реактора

27,5

40

95

147

159

43

60

146

297

395

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

 

 

 

а

б

Рис.2.3. Характеристика реакторных блоков: а – 1-й блок; б – 2-й блок

37

 

Теплофизические свойства воды

Таблица 2.1

 

 

 

 

 

 

 

Температура, К

 

Давление, МПа

 

Удельная теплоемкость,

 

 

кДж/(кг град)

 

 

 

 

403

 

3

 

4,25876

423

 

3

 

4,304

443

 

3

 

4,36475

463

 

3,2

 

4,4388

463

 

5,5

 

4,4315

478

 

5,5

 

4,56081

493

 

3,2

 

4,595

493

 

5,5

 

4,58976

Температура, К

 

Давление, МПа

 

Теплопроводность,

 

 

Вт/(м град)

 

 

 

 

413

 

3

 

0,6895

433

 

3

 

0,686

473

 

5,5

 

0,66775

483

 

5,5

 

0,6605

478

 

3,2

 

0,6622

478

 

5,5

 

0,6641

Температура, К

 

Давление, МПа

 

Вязкость, 10-7 Па с

413

 

3

 

1955

433

 

3

 

1696

473

 

5,5

 

1347

483

 

5,5

 

1281

478

 

5,5

 

1314

478

 

3,2

 

1309

Температура, К

 

Давление, МПа

 

Плотность, кг/м3

413

 

3

 

827

478

 

5,5

 

768

478

 

3,2

 

813

 

 

 

 

Таблица 2.2

 

Теплофизические свойства этилена

 

 

 

 

 

Температура, К

 

Давление, МПа

 

Удельная теплоемкость,

 

 

кДж/(кг град)

 

 

 

 

353

 

235

 

2,3488

443

 

235

 

2,4492

Температура, °С

 

Давление, ата

 

Теплопроводность,

 

 

Вт/(м град)

 

 

 

 

≥227

 

>1500

 

0,147

Температура, °С

 

Давление, ата

 

Вязкость, 10-7 Па с

>150

 

>800

 

636

Температура, °C

 

Давление, ата

 

Плотность, кг/м3

≥150

 

2500

 

550,66

38

Теплофизические свойства реакционной массы:

СР = const = 2,5 кДж/(кг K);

λ = сonst = 0,147 Вт/(м K);

ρсм = 561,672 кг/м3 (I зона реактора); ρсм = 569,292 кг/м3 (II зона реактора); ρсм = 577,522 кг/м3 (III зона реактора).

µсм = µэт (1−ϕυ )−3 ,

где ϕυ – объемная доля полиэтилена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕυ

=

Gп/э ρп/э

=

Gэт хρп/э

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

ρ

см

G

ρ

см

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р.м.

 

р.м.

 

 

 

 

где х – конверсия этилена, Gр.м. – массовый расход реакционной массы.

 

 

µсм в I зоне = 636 10−7 (1−ϕυ )−3 = 636 10−7 (1−0,092)−3 =848,82 10−7

Па с,

 

 

µсм в II зоне

=1026 10−7 Па с и µсм в III зоне =1254 10−7

Па с.

 

 

 

 

 

 

1

=

хэт

 

+

хп/э

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

см

ρ

эт

 

 

ρ

п/э

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

х –

массовая

доля компонента,

ρ

–

 

плотность компонента

ρэт=550,66 кг/м3(P=250 МПа,

Т≥150 °С),

ρп/э=750 кг/м3

(P>100 МПа,

Т≥200 °С).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Состав материальных потоков в производстве ПЭВД (трубчатый реактор)

Номер потока в схеме потоков

 

 

 

Этилен, кг/ч

 

 

 

 

Пропан, кг/ч

 

 

 

Полиэтилен, кг/ч

 

Кислород, кг/ч

 

Инициатор, кг/ч

 

 

Масло компрессорное, кг/ч

 

Масло инициаторное, кг/ч

Всего, кг/ч

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1а

 

1109,33

 

 

 

–

 

 

 

–

 

–

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

1109,33

1

 

870,17

 

 

 

–

 

 

 

–

 

–

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

870,17

2

 

239,16

 

 

 

–

 

 

 

–

 

–

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

239,16

3

 

 

 

–

 

 

 

 

–

 

 

 

–

 

0,2

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

0,2

4

 

 

 

–

 

 

 

4,87

 

 

–

 

–

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

4,87

5

 

577,78

 

 

22,22

 

 

–

 

–

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

600

6

 

 

 

1,7

 

 

 

0,1

 

 

–

 

–

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

1,8

7

 

576,08

 

 

22,12

 

 

–

 

–

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

598,2

8

 

1497,62

 

 

24,63

 

 

–

 

0,2

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

1522,45

9

 

 

 

7,45

 

 

 

0,12

 

 

–

 

–

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

4,57

10

 

1489,7

 

 

24,5

 

 

–

 

0,2

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

1514,4

11

 

6583

 

 

 

275,7

 

 

–

 

0,2

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

6858,3

12

 

127,1

 

 

 

6,3

 

 

–

 

–

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

133,4

13

 

6404,4

 

 

266,85

 

 

–

 

0,2

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

6671,45

14

 

 

 

–

 

 

 

 

–

 

 

 

–

 

–

 

0,6

 

 

 

 

 

–

 

5,0

 

5,6

15

 

6404,4

 

 

266,85

 

 

–

 

0,2

 

0,6

 

 

 

 

 

–

 

5,0

 

6677,05

16

 

 

 

0,7

 

 

 

 

–

 

 

 

–

 

–

 

 

–

 

 

 

 

–

 

–

 

0,7

17

 

5401,25

 

 

267,08

 

 

1003

 

–

 

 

–

 

 

 

 

–

 

5,0

 

6676,35

39