курсовая расбота по нефтепереработке. КР. Курсовая работа по теме Расчет материального баланса отделения синтеза метанола под давлением 58 мпа
 Скачать 4.11 Mb.
|
|
КУРСОВАЯ РАБОТА по теме: «Расчет материального баланса отделения синтеза метанола под давлением 5-8 МПа» Содержание Задание Технологическая схема Технологические параметры процесса Функциональная схема Расчетная схема Расчеты Рекомендации по экологии Литература Задание Рассчитать материальный баланс ХТС отделения синтеза метанола при следующих условиях:
Нарисовать технологическую схему отделения синтеза метанола под давлением 5-8 МПа, дать ее функциональную, структурную, операторную и расчетную формы. Описать функционирование схемы и ее технологические параметры с учетом рассчитанного материального баланса. Задание: 1). Оценить теоретически, а затем уточнить расчетом на компьютере количество свежего газа Vo, для обеспечения заданной мощности по метанолу с точностью 0.5 %. 2). По найденной величине Vo рассчитать материальный баланс ХТС и построить зависимости мощности по метанолу Gм, количества продувочных газов Vп и объема рециркуляции Vц от доли сдувки α, значения которой проварьировать 0.3 0.2 0.05 0.02 0.01 3). Определить целесообразную величину сдувки и обсудить данные с преподавателем. 4). Для найденных Vо и выбранном α определить величины и составы всех потоков в любой точке ХТС. 5). Определить кратность циркуляции, расходный коэффициент по свежему газу, выбросы газа в сдувке ( м3/т CH3OH). Введение Исторически известно несколько способов получения метанола: 1) сухая перегонка древесины и лигнина; 2) термическое разложение формиатов; 3) синтез из метана через хлористый метил с последующим омылением; 4) неполное окисление метана на катализаторах или без таковых под давлением. синтез газ метанол циркуляция выброс С этапами изучения химии метанола связаны имена величайших химиков. Впервые метанол был обнаружен еще в середине XVII века Робертом Бойлем при изучении продуктов перегонки дерева, однако в чистом виде метиловый спирт, или древесный, получаемый этим способом, был выделен только через 200 лет: тогда впервые удалось очистить его от примесей сопутствующих веществ, прежде всего уксусной кислоты и ацетона. В 1857 году Марселен Бертло получил метанол омылением хлористого метила. Процесс сухой перегонки древесины долгое время оставался, пожалуй, единственным способом производства метанола. Сейчас он полностью вытеснен каталитическим синтезом из оксида углерода и водорода. Получение метанола из синтез-газа впервые было осуществлено в Германии в 1923 году фирмой BASF. Процесс проводился под давлением 100-300 атм на оксидных цинк-хромовых катализаторах (ZnO-Cr2O3) в интервале температур 320-400єС, производительность первой промышленной установки доходила до 20 т/сут. Интересно, что в 1927 году в США был реализован промышленный синтез метанола, основанный не только на монооксиде, но и на диоксиде углерода. В настоящее время в результате развития и усовершенствования процесса получения метанола из синтез-газа используются реакторы большой мощности с производительностью до 2000 т метанола в сутки. В настоящее время основное количество метанола производится из синтез-газа, сырьем для которого главным образом является метан. Также известны схемы использования с этой целью отходов нефтепереработки, коксующихся углей. Производство исходного газа для синтеза метанола. Сырьё для производства метанола Технологический исходный газ для синтеза метанола получается в результате конверсии (превращения) углеводородного сырья: природного газа, синтез газа после производства ацетилена, коксового газа, жидких углеводородов (нефти, мазута, легкого каталитического крекинга) и твердого топлива (угля, сланцев). Исходный газ для синтеза метанола можно получить почти из всех видов сырья, которые используют при получении водорода, например в процессах синтеза аммиака и гидрирования жиров. Поэтому производство метанола может базироваться на тех же сырьевых ресурсах, что и производство аммиака. Использование ого или иного вида сырья для синтеза метанола определяется ядом факторов, но прежде всего его запасами и себестоимостью в выбранной точке строительства. - В соответствии с реакцией образования метанола СО + 2Н2↔ CH3OH В исходном газе отношение водорода к окиси углерода должно составлять 2:1, то есть теоретически необходимо, чтобы газ содержал 66,66 объемн. % H2 и 33,34 объемн. % СО. В производственных условиях синтез метанола осуществляют по циркуляционной схеме при отношении H2 : СО в цикле выше стехиометрического. Поэтому необходимо иметь избыток водорода в исходном газе, т. е. отношение H2: CO в нем обычно поддерживают в пределах 1,5—2,25. При содержании значительных количеств двуокиси углерода в исходном газе отношение реагирующих компонентов целесообразно выражать соотношением (H2—CO2) : (CO+CO2). Это соотношение учитывает расход водорода на реакции восстановления окиси и двуокиси углерода. В исходном газе оно должно быть несколько выше стехиометрического для обеих реакций и равно 2,15—2,25. Величина соотношения (H2—CO2) : (СО+СО2) не определяет концентрации двуокиси углерода в исходном газе. Количество СО2 может быть различным в зависимости от метода получения газа, также условий синтеза (давление, температура, состав катализатора синтеза метанола) и изменяется от 1,0 до 15,0 объемн %. Природный и попутный газы представляют наибольший интерес как с экономической точки зрения, так и с точки зрения конструктивного оформления процесса подготовки исходного газа (конверсия, очистка и компримирование). Кроме того, они содержат меньше нежелательных примесей, чем газы, полученные газификацией твердого топлива. Состав природного газа в зависимости от месторождения различен. Основным компонентом природного газа является метан; наиболее значительно меняется содержание гомологов метана (этан, пропан, бутан) и инертных газов. Большинство крупных производств метанола базируется на использовании природного газа. Для получения исходного газа, S углеводородное сырье подвергают конверсии различными окислителями — кислородом, водяным паром, двуокисью углерода и их смесями. В зависимости от используемых видов окислителей или их смесей различают следующие способы конверсии: паро-углекислотная при атмосферном или повышенном давлениях, паро-углекислотная с применением кислорода, высокотемпературная и паро-углекислородная газификация жидких или твердых топлив. Выбор окислителя или их комбинации определяется назначением получаемого исходного газа (для синтеза метанола на цинк-хромовом или медьсодержащем катализаторах) и технико-экономическими факторами. В качестве сырья для производства метанола используют также синтез-газ после производства ацетилена методом окислительного пиролиза (на 1 т ацетилена обычно образуется до 10000 м3 газа). Этот газ содержит водород и окись углерода в соотношениях, близких к стехиометрическому для реакции синтеза метанола. Остаточный, метан является нежелательной примесью, поэтому до поступления в отделение синтеза газ проходит и каталитическую конверсию. При использовании в качестве сырья для получения исходного газа твердого топлива (кокса и полукокса) последнее подвергают с газификации водяным паром. Кроме кокса, газификации могут подвергаться антрацит, сланцы, бурые угли, мазут и нефть. Процессы газификации проводят при атмосферном или при повышенном давлении. По технологическим принципам процессы газификации разделяют на циклические и непрерывные. Получение исходного газа таким способом в настоящее время устарело. Отметим лишь, что практически при любом режиме газификации отношение Н2: СО в конвертированном газе меньше теоретического. Поэтому часть газа после очистки от примесей направляют на конверсию окиси углерода водяным паром. Коксовый газ, получаемый в процессе коксования каменных углей, содержит значительное количество метана (до 19—25%), У непредельных соединений и большое количество различных прим сей. От некоторых из них (смолы, аммиак, бензол, нафталин и др.) газ очищают на коксохимических заводах. Технологическая схема процесса Функциональная форма. Основным аппаратом в синтезе метанола служит реактор — контактный аппарат, конструкция которого зависит, главным образом, от способа отвода тепла и принципа осуществления процесса синтеза. В современных технологических схемах используются реакторы трех типов: - трубчатые реакторы, в которых катализатор размещен в трубах, через которые проходит реакционная масса, охлаждаемая водным конденсатом, кипящим в межтрубном пространстве; - адиабатические реакторы, с несколькими слоями катализатора, в которых съем тепла и регулирование температуры обеспечивается подачей холодного газа между слоями катализатора; - реакторы, для синтеза в трехфазной системе, в которых тепло отводится за счет циркуляции жидкости через котел-утилизатор или с помощью встроенных в реактор теплообменников. Вследствие большого объема производства и весьма крупных капитальных затрат в производстве метанола сейчас используют все три типа технологических процессов. В последние годы получают широкое распространение технологической схемы синтеза метанола на низкотемпературных катализаторах для понижения давления. Процесс проводят под давлением 5-10 МПа в основном на трехкомпонентных медьсодержащих катализаторах с циркуляцией газов турбоциркуляционными машинами. Для привода компрессора от паровой турбины используют пар, получаемый непосредственно на установке. Процесс производства метанола при низком давлении включает практически те же стадии, что и производство его при высоких давлениях. Однако имеются и некоторые особенности. Исходный газ для синтеза метанола на низкотемпературных медьсодержащих катализаторах должен быть тщательно очищен от каталитических ядов (сера, хлор). В природном газе содержится 10- 300 мг/м3 сернистых соединений, а содержание их в газе для синтеза не должно превышать 0,5 мг/м3. Содержание серы при этом в свежем газе должно быть не более 0.15 мг/м3. В связи с этим представляет большой интерес схема синтеза метанола из синтез газа, отходящего из производства ацетилена, так как сернистые соединения природного газа адсорбируются растворителем ацетилена. Схема производства метанола из синтез газа компактна и высокоэффективна. Мощность производства определяется ресурсом газа и обычно составляет 100 -110 тыс. т. в год.  Синтез – газ сжимается турбокомпрессором 1, проходит тонкую очистку от паров растворителя ацетилена в угольном фильтре 2 и смешивается с циркуляционным газом. Для регулирования соотношения реагирующих компонентов в синтез газе добавляется газ с высоким содержанием водорода (12-16 % отн.), например продувочный газ из производства метанола под высоким давлением. Циркуляция газа обеспечивается центробежным компрессором 5. Циркуляционный газ через теплообменник 6 и электроподогреватель 8 поступает в шахтный реактор синтеза 9. Отвод тепла реакции производится подачей в слой катализатора холодного газа, который распределяется с помощью специально сконструированных камер смешения. Температура газа на входе в реактор 205-225 °С, максимальная температура в слое катализатора 290 °С. Выходящий из реактора циркуляционный газ отдает тепло газу, поступающему в реактор в рекуперационных теплообменниках 6 и направляется в воздушные холодильники - конденсаторы 7. Сконденсировавшийся метанол, вода и другие побочные продукты определяются в сепараторе 3. Метанол- сырец из сборника 4 направляется на ректификацию. Циркуляционный газ из сепаратора возвращается на всасывающую линию циркуляционного компрессора 5. Данную схему можно использовать для получения метанола и из природного газа, предварительно тщательно очистив газ от серы и подвергнув его конверсии метана. Недостатком схемы является применение турбокомпрессоров с электроприводами, что приводит к расходованию электроэнергии до 800- 900 кВт*ч/т. Вследствие снижения температуры синтеза при низком давлении процесс осуществляется в условиях, близких к равновесию, что позволяет увеличить производительность агрегата. Конструкция и изготовление реакторов для проведения процесса при низком давлении проще благодаря более мягким условиям синтеза. При этом применяют реакторы как шахтные, так и трубчатые. В реакторах для синтеза при низком давлении особое внимание уделяют теплосъему, так как медьсодержащие катализаторы по сравнению с цинк-хромовыми значительно более чувствительны к колебаниям температуры. В шахтных реакторах температурный режим регулируют с помощью байпасов, холодный газ вводят через специальные распределительные устройства. В трубчатых реакторах катализатор находится в трубках, охлаждаемых кипящей водой. Температуру катализатора поддерживают постоянной по всей длине реактора с помощью регуляторов давления, причем перегревы катализатора практически исключены. Выгрузка отработанного катализатора протекает тоже достаточно просто – путем снятия колосниковых решеток. Диаметр реакторов достигает 6 м при длине 8- 16 м. Технологические параметры процесса Неоднократными исследованиями установлено, что качество метанола-сырца находится в прямой зависимости от технологических параметров процесса: отношение  в циркуляционном газе, объемной скорости и температуры. Повышение температуры синтеза как на цинк - хромовом , так и на медь содержащихся катализаторах всегда ухудшает качество метанола-сырца: увеличивается содержание спиртов  , альдегидов, некоторых эфиров и др. Увеличение соотношения в циркуляционном газе всегда сопровождается снижение содержания примесей в метанол-сырце (эфиров, альдегидов, кислот),что видно по изменению перманганатного числа. Этот показатель , хотя и не даст полной характеристики качества продукта (оценивает только содержание примесей, которые способны окисляться  ) , позволяет предсказать концентрацию основных органических примесей в метанол-сырце. Влияние параметров процесса на содержание примесей в метаноле – сырце при низкотемпературном синтезе под давлением 5 МПа изучалось на опытно-промышленном агрегате (объем катализатора 1.7  ) и на опытной установке с однорядным изотермическом реактором ( объем катализатора 20  . Данные получены для периода работы катализатора, характеризующегося наименьшей скоростью снижения активности. Сырьем служил газ, получаемый парокислородной конверсией природного пара после моноэтаноламиновой очистки. Состав газа корректировали введением в него диоксида углерода и технического водорода. Увеличение соотношения способствует снижению содержания в метаноле-сырце всех рассматриваемых примесей.( рис 3.24 давление 5 МПа, температура 260 °С, содержание  7 %, инертных компонентов 20 % об.) Значительное влияние на содержание примесей оказывает температура. При ее повышении резко увеличивается содержание в метанол-сырце пропанола-1, пентанола -3,2- метилпропанола.  При повышении температуры и давления всегда снижается содержание основного продукта – метанола, а при повышении соотношения в циркуляционном газе, напротив, улучшается качество метанола- сырца и уменьшается общее содержание примесей. Такая же закономерность отмечается и для индивидуальных компонентов, например высших спиртов и других кислородсодержащих примесей. Функциональная схема  Технологический процесс получения метанола из оксида углерода и водорода включает ряд операций, обязательных для любой технологической схемы синтеза. Газ предварительно очищается от карбинола железа, сернистых соединений, подогревается до температуры начала реакции и поступает в реактор синтеза метанола. По выходе из зоны катализа из газов выделяется образовавшийся метанол, что достигается охлаждением смеси, которая затем сжимается до давления синтеза и возвращается в процесс. Технологические схемы различают аппаратурным оформлением главным образом стадии синтеза, включающей основной аппарат- колонну синтеза и теплообменник. Расчетная схема Для расчета материального баланса ХТС надо привести технологическую схему производства к расчетной схеме. Это делается в два этапа. 1)Не все элементы изменяют состав потока и его величину, например, теплообменник, насос и др. Для расчета материального баланса ХТС такие элементы можно исключить и будет получен сокращенный вариант ХТС, предназначенный для расчета материального баланса. На рис представлена сокращенная технологическая схема. 2) Технологические аппараты представим в виде расчетных элементов ХТС. Четыре типа расчетных элементов позволяют рассчитать материальный баланс любой ХТС. Смеситель СМ смешивает два потока. Это происходит при соединении трубопроводов, в смесителях, в аппаратах для приготовления растворов, в адсорберах при полном поглощении компонентов одного из потоков. Смеситель имеет два входа и один выход. Делитель из одного потока образует два потока. Это происходит при разветвлении трубопровода, в ректификационных колоннах, экстракторах, кристаллизаторах, фильтрах, сепараторах, и т.д. Делитель имеет один вход и два выхода. Различают два вида делителей – простые и линейные. Делитель простой ДП производит разветвление потока на два, при этом составы поток не изменяются. Один из выходящих из делителя потоков составляет долю α от входного потока, другой, соответственно, долю (1- α) . Делитель линейный ДЛ делит поток на два, но для него определен коэффициент разделения каждого компонента  – доля количества i-го вещества, выходящего с одним из потоков. Например, ректификационная колонна производит разделение компонентов сложной смеси и поэтому ее можно представить как линейный делитель.Реактор Р изменяет химический состав потока за счет протекания химической реакции. Элемент (реактор) имеет один вход и один выход. Для реактора задаются стехиометрическое уравнение реакции и степень превращения ключевого (которое в недостатке) вещества. В нашем случае реактор разделяем на два по числу протекающих реакций.    Также расчетная схема ХТС может быть представлена в виде таблицы. Для этого пронумеруем все расчетные элементы. Для каждого расчетного элемента укажем номера элементов, из которых потоки входят в данный расчетный элемент, и номера элементов, в которые направляются потоки, выходящие из данного расчетного элемента. В каждой строчке таблицы укажем номер и наименование элемента и его связи.
В реакторе 2 проходит реакцияCO2 + 3H2 = CH3OH + H20. В реакторе 3 проходит реакция CO + H20 = CO2 + H2. Расчет Пересчитаем мощность по метанолу из т/год в кг/час. Получим: Пм = 1000 т/сут = 41’666,67 кг/час. Попробуем приблизительно оценить расход свежих газов. Для этого найдем мольный расход метанола: Nм = Пм/M, где Nм-мольный расход, Пм – мощность по метанолу, M – молярная масса метанола. Nм = 41’666,67/32 = 1’302,08 кмоль/ч. Принимаем долю метанола в метаноле-сырце 84% масс. Тогда массовый расход по метанолу-сырцу будет равен: Gм.с = Пм/ω = 41’666,67/0,84 = 49’603,2 кг/ч. Доля воды ω = 16%, значит расход воды в метаноле-сырце: GН2О = Gм.сЧω = 49’603,2Ч0,16 = 7’936,5 кг/ч или N = 440,92 кмоль/ч. В делитель 6 поступает только 80% воды, поступившей в делитель 4. Тогда в делитель 4 поступило: NД4 = 440,92/0,8 = 551,15 кмоль/ч. В реакторе 3 степень превращения воды принята равной 0,9. Значит в реактор 3 поступило: NP3 = 551,15/(1-0,9) = 5’511.5 кмоль/ч воды. В реакторе 2 степень превращения CO2 X= 0,85. Поскольку из 1 моля углекислого газа образуется 1 моль воды, следовательно можем найти число моль CO2, поступившее в реактор 2: NP2 = 5’511,5/0,85 = 6’484.12 кмоль/ч CO2. Не учитывая приход рециркуляционных газов, рассчитываем общую сумму молей всех газов в смесителе 1, при ССО2 = 7,52 или 0,0752: No = 6’484,12/0,0752 = 86’225 kмоль/ч или No = 86’225’000 моль/ч. Затем, по закону Менделеева-Клапейрона пересчитываем мольный расход в объемный расход (принимаем температуру, равной 300 оС, давление 7*106 Па). PVO = NORT , где P = 7*106 Па, T = 573,15 K, R = 8,31 Дж/(моль•К) VO = NORT/P = (86,225*106*8,31*573,15)/(7*106) = 58’668,4 м3/ч. Получаем примерную оценку Vо = 58,67 тыс м3/час. Примерный расчет: Используя программу для расчета ХТС, проводим следующие манипуляции: 1) Вводим все присутствующие в системе вещества из базы данных: азот, метанол, вода, метан, оксид углерода, диоксид углерода, водород. 2) Вводим реакции в том же виде, в котором они написаны выше. 3) Входим во вкладку «схема». Набираем аппараты, указанные в таблице выше. Заполняем связи аппаратов так, как указано в таблице. Выбираем масштаб производства промышленный. 4) Входим во вкладку «аппараты». Корректируем все аппараты, вводя требуемые данные, большая часть которых была получена в задании. Другую часть (Vo) мы примерно оценили. Стоит уточнить только несколько вводимых величин: Для смесителя: P = 70 ата. Vo = 58.7 тыс м3/час. Для реактора 2: принята степень превращения 0.85 Для реактора 3: принята степень превращения 0.90 Для делителя простого: доля сдувки 0,02 (позже ее будем варьировать) Рассчитываем систему. Получаем следующие данные (для удобства приведен только важный аппарат):  Как видно из таблицы, мы довольно сильно ошиблись в оценке Vo, поскольку выданная производительность по метанолу (17.811 т/ч) явно меньше, чем требуется (требуется 41.667 т/ч). Приближения Vo будем выполнять позже, определив сначала оптимальную величину сдувки, просчитав схему при величине сдувки 0.3, 0.2, 0.05, 0.02, 0.01. Приведем только таблицу со значениями производительности метанола Gм, его потерь Vп и объема рециркуляции Vц в зависимости от величины сдувки α:
Заметно, что большая доля сдувки приводит к значительным потерям (что следственно, выбросам) и низкой производительности метанола. Однако, выбор невысокой доли сдувки приводит к накоплению газов в системе Объем рециркуляции при малых значениях сдувки меняется очень сильно. Изобразим данные на графике: Из графика, составленного по данным из выше указанной таблицы Критической долей сдувки (как видно из графика) является доля 0,2, после которой начинается резкий рост объема рециркуляции. Примем долю сдувки равную 0,02 (минимальная возможная по заданию) и будем подбирать Vo. Методом подбора, получаем вводимое значение Vo = 137.3 тыс.м3/ч.  Все величины и составы потоков, рассчитанные программой на компьютере: Расход продувочных газов и объем рециркуляции получился, маловат, но увеличить его не удается, даже принимая минимально возможные степени превращения в реакторах. Поэтому оставляем все как есть.  Как видно из таблицы материального баланса, заданное нами Vo верно и дает результат с необходимой точностью: Требуется 41.667 т/ч метанола, получаем 41.661 т/ч. Погрешность составляет: Δ = {(41.667-41.661)/41.667}*100=0.014% < 0.5% (заданная погрешность в задании) Расходный коэффициент по свежему газу: ηг =  Или ηг =  Кратность рециркуляции:  Выбросы газа в сдувке:  Или:  Рекомендации по экологии Метанол является сильнейшим ЯДОМ. И представляет собой летучую бесцветную жидкость с температурой кипения 65 градусов Цельсия, с запахом подобным запаху обычного питьевого спирта. Легко воспламеняется. Пары его образуют взрывоопасные смеси. Смешивается во всех соотношениях с водой в любых пропорциях и многими органическими жидкостями. По запаху, цвету и вкусу метанол имеет сходство с этиловым спиртом, что увеличивает опасность этого яда. 30 мл выпитого метанола смертельны, известны случаи отравления с тяжелыми последствиями всего лишь 5-10 мл. метанола. Метанол является сильным и опасным для человека ядом. Он может проникнуть в организм через воду, при вздыхании воздуха, насыщенного его парами, через кожу, при мытье рук и смачивании одежды. Газовые выбросы в производстве метанола подразделяют на постоянные и периодические. К постоянным относятся отходящие газы и пары, выделяющиеся из метанола-сырца на стадии дистилляции, а так же продувочные газы из емкостей. Основными выбросами в атмосферу являются периодические, которые возникаю при остановках агрегатов, отдельных машин, аппаратов, узлов технологической линии. Из оставленных систем выбрасываются при продувке оставшиеся в них пары и газы. Основным направлением уменьшения периодических выбросов газов в окружающий бассейн является повышение надежности всех узлов системы, сведение количества остановок и пусков агрегатов до минимума, удлинение пробегов между ремонтами. Источником загрязнения биосферы в производстве метанола являются сточные воды. В них содержится до 0,3 % метанола и других кислородосодержащих соединений углерода. В основном это воды от промывки шламов и емкостей вместе с отходами со стадии очистки метанола. Практически полная очистка сточных вод достигается только при их биологической обработке. Биологическое окисление проводят в аэростенках с активным илом. Предельно допустимая концентрация метанола в сточных водах, поступающих на биохимическую очистку, до 200 мг/л. Как правило, до поступления на биологические очистные сооружения сточные воды производства метанола многократно разбавляются сточными водами других производств и хозяйственно-бытовыми водами. Литература 1. М.М. Караваев, В.Е. Леонов, И.Г. Попов, Е.Т. Шепелев, «Производство синтетического метанола», 1984. 2. А.М. Кутепов, Т.И.Бондарев, М.Г. Беренгартен, «Общая химическая технология», 1990. 3. Методическое пособие №4604 : В.С. Бесков, В.И. Ванчурин. –М. : РХТУ им. Д. И. Менделеева, « Рекомендации по оформлению самостоятельных работ по ОХТ», 2009. |
1.