Проект узла синтеза циклогексана
 Скачать 1.06 Mb.
|
|
1 Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт природных ресурсов Направление подготовки: Химическая технология Кафедра технологии органических веществ и полимерных материалов БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА Тема работы Проект узла синтеза циклогексана УДК 661.7 Студент Группа ФИО Подпись Дата 2Д2А Федорова Татьяна Валерьевна Руководитель Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Старший преподаватель Троян Анна Алексеевна Кандидат химических наук КОНСУЛЬТАНТЫ: По разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Доцент Рыжакина Татьяна Гавриловна Кандидат экономических наук По разделу «Социальная ответственность» Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Ассистент кафедры Раденков Тимофей Александрович ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ: Зав. кафедрой ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Профессор Юсубов Мехман Сулейманович доктор химических наук, профессор 2 Томск – 2016 г. Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт природных ресурсов Направление подготовки: Химическая технология Кафедра технологии органических веществ и полимерных материалов УТВЕРЖДАЮ: Зав. кафедрой ____________ ________________ Юсубов М. С. (Подпись) (Дата) (Ф.И.О) ЗАДАНИЕ на выполнение выпускной квалификационной работы В форме: Бакалаврской работы (бакалаврской работы, дипломного проекта/работы, магистерской диссертации) Студенту: Группа ФИО 2Д2А Федоровой Татьяне Валерьевне Тема работы: Проект узла синтеза циклогексана Утверждена приказом директора (дата, номер) от 28.01.2016 № 2235/С Срок сдачи студентом выполненной работы: ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ: Исходные данные к работе (наименование объекта исследования или проектирования; производительность или нагрузка; режим работы (непрерывный, периодический, циклический и т. д.); вид сырья или материал изделия; требования к продукту, изделию или процессу; особые требования к особенностям функционирования (эксплуатации) объекта или изделия в плане безопасности эксплуатации, влияния на окружающую среду, энергозатратам; экономический анализ и т. д.). 1. Производительность по циклогексану – 60000 т/год 2. Годовой фонд рабочего времени – 8000 ч 3. Объемное отношение компонентов на входе в реактор первой ступени Н 2 :N 2 :C 6 H 6 =5.5:2.5:1.0 4. Степень конверсии бензола 90-95% Перечень подлежащих исследованию, проектированию и разработке вопросов (аналитический обзор по литературным источникам с целью выяснения достижений мировой науки техники в рассматриваемой области; постановка задачи исследования, проектирования, конструирования; содержание процедуры исследования, проектирования, конструирования; обсуждение результатов выполненной работы; наименование дополнительных разделов, подлежащих разработке; заключение по работе). 1. Литературный обзор. 2. Объекты и методы проектирования. 3. Расчеты. 4. Результаты разработки. 5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность, ресурсосбережение. 6. Социальная ответственность. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей) 1. Чертеж общего вида 2. Технологическая схема 3. Чертеж сборочных единиц Консультанты по разделам выпускной квалификационной работы 3 (с указанием разделов) Раздел Консультант Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение Рыжакина Татьяна Гавриловна Социальная ответственность Раденков Тимофей Александрович Названия разделов, которые должны быть написаны на русском и иностранном языках: Дата выдачи задания на выполнение выпускной квалификационной работы по линейному графику 09.09.2015г. Задание выдал руководитель: Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Доцент Троян А.А. к. х. н., ст.преподаватель 09.09.2015г. Задание принял к исполнению студент: Группа ФИО Подпись Дата 2Д2А Федорова Татьяна Валерьевна 09.09.2015г. 4 Реферат Выпускная квалификационная работа изложена на 98 страницах, включая 12 рисунков, 33 таблиц, 23 литературных источника. Ключевые слова: бензол, циклогексан, водород, гидрирование бензола, трубчатый реактор гидрирования, никель – хромовый катализатор. Объектом проектирования является процесс гидрирования бензола до циклогексана с использованием никель – хромового катализатора. Целью работы является определение основных способов получения циклогексана в современных условиях, их позитивные и негативные стороны и проектирование узла синтеза циклогексана. В процессе выполнения ВКР был спроектирован реактор узла гидрирования бензола до циклогексана, работающий на никель – хромовом катализаторе, а так же рассмотрены и изучены вопросы эффективности и безопасности производства. В результате исследования проведен анализ существующих способов получения циклогексана, материальный и тепловой расчёты, подобрано основное и вспомогательное оборудование, проведена оценка экономической эффективности установки и определены факторы рабочего места аппаратчика в цеху по производству циклогексана. Основные конструктивные, технологические и технико- эксплуатационные характеристики: узел гидрирования бензола до циклогексана состоит из трубчатого реактора гидрирования и колонного реактора, из колонны форконтакта, также в узле присутствуют холодильник – конденсатор, сепаратор и сборник циклогексана. Степень внедрения: результаты данной выпускной квалификационной работы могут быть использованы в качестве теоретической основы для проектирования узлов по производству циклогексана на предприятиях. 5 Область применения: предприятия по производству циклогексана и производных на его основе. Экономическая эффективность/значимость работы: производство циклогексана является коммерчески привлекательным проектом, потому что данный продукт востребован рынком, а технология производства циклогексана отвечает современным требованиям в области ресурсоэффективности и ресурсосбережения. После детальной проработки и дополнительных расчетов планируется предоставить разработанный проект конструкторским организациям. 6 Оглавление Введение ....................................................................................................................... 8 1. Теоретическая часть .............................................................................................. 10 1.1 Технико–экономическое обоснование процесса ............................................. 10 1.2 Характеристика продукта, исходного сырья, материалов и полупродуктов 12 1.2.1 Химические свойства ....................................................................................... 13 1.2.2 Свойства сырья ................................................................................................. 13 1.2.3Российские производители бензола ................................................................ 15 1.3 Физико-химические основы технологического процесса ............................... 16 1.3.1 Катализаторы гидрирования бензола ............................................................ 17 1.3.2 Обработка, хранение и транспортировка циклогексана ............................. 19 1.5 Выбор технологической схемы процесса ......................................................... 22 2.Финансовый менеджмент, ресурсоэффективности и ресурсосбережение ...... 26 2.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения ............. 26 2.1.1 Потенциальные потребители циклогексана .................................................. 26 2.1.2 Анализ конкурентных технических решений ............................................... 28 2.1.3 SWOT-анализ .................................................................................................... 29 2.2 Планирование научно-исследовательских работ ............................................. 34 2.2.1 Структура работ в рамках научного исследования ...................................... 34 2.2.2 Разработка графика проектирования узла ..................................................... 36 2.3 Бюджет проектируемого узла ............................................................................ 39 2.3.1 Расчет материальных затрат ............................................................................ 39 2.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для проектирования узла гидрирования бензола ............................................................................................... 41 7 2.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы ........................................... 41 2.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ................. 44 2.4 Формирование бюджета затрат проекта ........................................................... 45 2.4.1 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования .............................. 46 Заключение ................................................................................................................. 50 8 Введение Нефтехимическое производство играет важную роль в нашем обществе, продукция этого производства нужна каждому современному человеку в нашем мире, тысячам заводов и предприятий в различных отраслях промышленности. Это такое производство как: растворители, полимеры, лаки, краски, моющие и косметические средства, лекарственные препараты и многое другое. Циклогексан представляет собой основное исходное вещество для получения найлоновых изделий, и потребность в нем как таковом остается значительной. Циклогексан впервые был получен путем прямой фракционной перегонки соответствующих продуктов переработки сырой нефти. Сейчас способ получения циклогексана основывается на процессе гидрирования бензола. Циклогексан используется как сырье в производстве изомеров для химических волокон и используется в качестве растворителя. Согласно современным данным, мировые масштабы производства циклогексана составляют около 220 тыс. тонн и ежегодно они возрастают. Следовательно стоит задача разработать методы и пути интенсификации получения циклогексана и улучшить качество продукта, уменьшая затраты на ее производство в химической промышленности. Актуальность темы заключается в том, что потребность в циклогексане с каждым годом возрастает, поэтому необходимо изучить способы получения циклогексана, пути интенсификации данного процесса с учетом того, что необходимо одновременно улучшить качество и уменьшить затраты на производство данного продукта. Целью работы является определение основных способов получения циклогексана в современных условиях, их позитивные и негативные стороны и проектирование узла синтезациклогексана. 9 Объектом данного исследования является процесс гидрирования бензола до циклогексана с использованием никель-хромового катализатора. Предметом исследования является разработка узла синтеза циклогексана. Результаты данной выпускной квалификационной работы могут быть использованы в качестве теоретической основы для проектирования узлов по производству циклогексана на предприятиях. 10 1. Теоретическая часть 1.1 Технико–экономическое обоснование процесса Циклогексан имеет широкое применение в современной промышленности. Циклогексан представляет собой основное исходное вещество для получения найлоновых изделий, и потребность в нем как таковом остается значительной. Циклогексан впервые был получен путем прямой фракционной перегонки соответствующих продуктов переработки сырой нефти. Производство циклогексана из бензола в настоящие время основано в основном на процессе гидрирования. Он используется как сырье для производства различных изомеров, которые используются для химических волокон, а так же циклогексан используется в качестве растворителя. Производственный процесс основан на гидрировании бензола до циклогексана в присутствии никель – хромового катализатора. Существует несколько технологий для производства циклогексана. В основном в промышленности 95 % циклогексана производят гидрированием бензола. Гидрирование протекает в паровой фазе, так как оно имеет энергетическое преимущество над гидрированием в жидкой фазе [7]. Рассмотрим два основных способа производства циклогексана: выделение его из узких бензиновых фракций, богатых нафтеновыми углеводородами, и гидрирование бензола. На долю гидрирования приходится примерно 95 % общего объема производства циклогексана [1]. 1.) Извлечение циклогексана из узких бензиновых фракций По этому способу получают незначительную часть циклогексана. В зависимости от состава и соотношения в сырье пяти- и шестичленных нафтенов можно выделить только циклогексан, содержащийся в сырье, или подвергать изомеризации метилциклопентан и затем из смеси выделять 11 циклогексан. Последний вариант более сложен, но выход циклогексана получается больше. Циклогексан содержится в бензиновых фракциях некоторых нефтей, которые содержат довольно большое количество нафтенов. Путем экстрактивной перегонки и ректификации целесообразно извлекать достаточно большое содержание этих углеводородов из нефти. Таблице 1 содержит данные некоторых нефтей России (в масс. % от бензина) по содержанию циклогексана в бензиновых фракциях (конец кипения 150 0 С). Таблица 1 - Содержание циклогексана в бензиновых фракциях [4] Показатели Циклогексан Нефти старых месторождений: Сyрaхaнскaя отборнaя 7,37 Тyймaзинская 1,21 Эмбeнскaя 4,64 Нeбитдaгaнская 1,97 Нефти нoвых местoрoждений: Зaпaднo-Тебукская 2,47 Каратайская 6,40 Усть-Балыкская 2,72 Общее количество циклогексана не превышает 5 – 6 % в нефтях восточных районов. Промышленный интерес как источник производства циклогексана представляют лишь каратайская и сураханская нефти. Из бензиновых фракций нефти получение циклогексана в промышленности применяется мало, в основном используют такой метод как гидрирование бензола до циклогексана. 2) Получение циклогексана гидрированием бензола Производство циклогексана гидрированием бензола проходит по реакции: При гидрировании бензола происходит три последовательных присоединения водорода: C 6 H 6 + 3H 2 = C 6 H 12 12 Реакция проходит с большим количеством выделения тепла, реакция обратима. При проведении промышленного процесса возможны трудности связанные со съемом возникающего в процессе реакции тепла. Тепло выделяющееся в трубном пространстве снимается водяным паром, образующимся в межтрубном пространстве. Также бензол должен быть очищен от соединений серы, являющихся контактными ядами для катализаторов из благородных металлов [1] Мощность производства циклогексана увеличивается с каждым годом, это связано с тем, что растет спрос на получение продуктов из него. Из циклогексана получают главным образом такие продукты как адипиновую кислоту и капролактам. 1.2 Характеристика продукта, исходного сырья, материалов и полупродуктов Циклогексан (С 6 H 12 ) - это цикл, состоящий из шести атомов углерода, у каждого из которых находится по 2 атома водорода. Циклогексан схож своим строением с бензолом, но в нем отсутствуют двойные связи. Циклогексан бесцветная и некоррозионная жидкость, нерастворимая в воде, имеющая острый запах. Как получаемый продукт из нефти циклогексан горючий, его транспортировка проходит в автоцистернах, в металлических бочках с красной меткой для горючих жидкостей. Циклогексан в промышленности выпускается марки технический (чистота 95% или 99%) и циклогексан-растворитель (чистота не менее 85%) [7]. Циклогексан легковоспламеняющаяся жидкость, не растворимо в воде, при смешивании с ней образуются азеотропные смеси. Циклогексан имеет следующие свойства: 1 2 3 13 Температуру замерзания 6,5 °С Температуру кипения 80,7 °С Относительную плотность 0,7786 г/см 3 Температура самовоспламенения - 260°С Критическая температура – 278°С Избыточное критическое давление – 4,98 Мпа Температура вспышки – минус 18°С [8]. 1.2.1 Химические свойства Циклогексан — циклический насыщенный углеводород, по химическим свойствам близкий к предельным углеводородам. Путем каталитического риформинга в нефтехимической промышленности источником получения различных ароматических углеводородов являются нафтены. Большое промышленное значение имеет циклогексан, который используется для синтеза таких продуктов как капролактама, адипиновой кислоты и других соединений, используемых в производстве синтетического волокна. Углеводороды, имеющие общую формулу С n H 2n относятся к циклоалканам. Характерные виды изомеризации для циклоалканов: 1. Изомеризация углеродного скелета. 2. Пространственная изомеризация. 3. Межклассовая изомеризация. У циклоалканов все атомы в молекулах имеют sp3-гибридизацию[8]. |