Расчет материального баланса ХТС

 

Оглавление 
 
 
 

1. Характеристика исходного сырья……………………………………………..2 

2. Характеристика целевого продукта…………………………………………...2 

3. Физико-химическое обоснование основных процессов производства этилового спирта…………………………………………………………………..3

3.1. Сернокислая  гидратация этилена……………………………………………4

3.2. Парофазная гидратация этилена…………………………………………….6 

4. Описание технологической схемы процесса производства этилового спирта……………………………………………………………………………..11

4.1. Структурная схема процесса……………………………………………….13

4.1. Операторская схема процесса……………………………………………...13 

5. Расчет материального баланса ХТС…………………………………………14

5.1. Блок-схема…………………………………………………………………...14

5.2. Пересчет  единиц…………………………………………………………….14

5.3. Условная постоянная информация………………………………………...15

     5.4. Балансовая математическая модель………………………………………..16

5.5. Соответствие переменных потокам………………………………………..17

   5.6. Упорядочение переменных………………………………………………...18

     5.7. Материальный баланс ХТС производства этанола на 7900 кг этиленэтановой фракции…….19

          5.8. Расчет основных технологических показателей процесса……………….20

     5.9. Поточная диаграмма………………………………………………………...21

 

Список используемой литературы……………………………………………...22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Характеристика исходного сырья 

     В качестве исходного сырья в производстве этилового спирта используется этилен. В настоящее время основным способом его получения является пиролиз (высокотемпературный крекинг) углеводородов. Пиролизу подвергают фракции прямой перегонки нефти, состоящие из алканов, циклоалканов, аренов, природные и попутные нефтяные газы, содержащие алканы.

     Этилен  образуется в результате реакций  распада тяжелых алканов и  дегидрирования низкомолекулярных  алканов. Потенциальный выход этилена  зависит от вида исходного сырья. Виды сырья, используемые в мировом производстве этилена, и их доля в общем балансе производства следующие: 

 

     Лучшим сырьем являются парафины, поскольку с повышением содержания водорода в исходных углеводородах выход алкенов возрастает. 

     2. Характеристика целевого продукта 

     Этанол  C₂H₅OH (метилкарбинол, этиловый спирт) – бесцветная подвижная жидкость с жгучим вкусом и характерным запахом, температура кипения 78,39^°С, температура плавления –114,15^°С, плотность 0,794 т/м³. Этанол смешивается во всех отношениях с водой, спиртами, глицерином, диэтиловым эфиром и другими органическими растворителями. С некоторыми из них (водой, бензолом, этилацетатом, хлороформом) он образует азеотропные смеси различного состава. С водой дает азеотропную смесь, содержащую 95,6% спирта и, кипящую при температуре 78,1^°С. В виде такого ректификата этиловый спирт обычно и употребляют в технике.

     Этанол  образует алкоголяты с солями кальция  и магния, например: CaCl₂*4C₂H₅OH и MgCl₂*6C₂H₅OH.

     Температура самовоспламенения этанола составляет 422,8^°С. С воздухом образует взрывоопасные смеси в пределах концентраций 20% (по объему). Температура вспышки 13,0^°С.

     Этанол  обладает наркотическим действием, ПДК этанола – 1000 мг/м³. Длительное воздействие этанола на организм вызывает тяжелые органические заболевания нервной системы, пищеварительного тракта и печени, сердечно-сосудистой системы. 

     3. Физико-химическое обоснование основных процессов производства этилового спирта 

     До  недавнего времени производство этилового спирта основывалось на пищевом сырье – сбраживание крахмала из некоторых зерновых культур и картофеля с помощью ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками. Этот способ сохранился и до сих пор, но он связан с большими затратами пищевого сырья и не может удовлетворить промышленность. Другой метод, также основанный на переработке растительного сырья, заключается в переработке древесины (гидролизный спирт). Древесина содержит до 50% целлюлозы, и при ее гидролизе водой в присутствии серной кислоты образуется глюкоза, которую подвергают затем спиртовому брожению:

     (C₆H₁₀O₅)_x + xH₂O à xC₆H₁₂O₆,

     C₆H₁₂O₆ à 2C₂H₅OH + 2CO₂.

     Синтетический этиловый спирт получают гидратацией  этилена. Она осуществляется двумя методами: при помощи серной кислоты (сернокислая гидратация) и непосредственным взаимодействием этилена с водяным паром в присутствии катализатора (парофазная каталитическая гидратация). 
 

     3.1. Сернокислая гидратация  этилена 

     Сернокислый способ, предложенный А.М. Бутлеровым, получил промышленное осуществление только в послевоенные годы. Он состоит из следующих четырех стадий:

     1) абсорбция этилена серной кислотой с образованием сернокислых эфиров;

     2) гидролиз эфиров;

     3) выделение спирта и его ректификация;

     4) концентрирование серной кислоты.

     Взаимодействие между этиленом и серной кислотой состоит из двух этапов: первый – физическое растворение этилена в серной кислоте и второй  - гомогенное взаимодействие обоих компонентов с образованием алкилсульфатов по уравнениям:

     C₂H₄ + H₂SO₄ = C₂H₅OSO₃H

     C₂H₅OSO₃H + C₂H₄ = (C₂H₅O)₂SO_2.

     Поглощение (абсорбция) этилена серной кислотой – процесс обратимый, экзотермический (DH=-50232 кДж/моль), протекает с уменьшением объема.

     Применение для абсорбции этилена олеума нецелесообразно, т.к. при этом снижается выход этанола из-за образования побочных продуктов – сульфосоединений и повышенного образования полимеров.

     С ростом температуры и парциального давления при прочих равных условиях скорость абсорбции этилена увеличивается с ростом температуры и парциального давления, однако, при температуре выше 90⁰С начинается интенсивное образование полимеров. Увеличение парциального давления этилена выше 2 МПа становится малоэффективным.

     Фактором, ускоряющим процесс абсорбции, является наличие в исходной серной кислоте этилсульфатов, которые, обладая свойствами эмульгаторов, увеличивают поверхность контакта вследствие пенообразования, и тем самым способствуют более быстрому и полному растворению этилена.

     В настоящее время в промышленных установках приняты следующие условия абсорбции этилена:

• концентрация серной кислоты 97-98%,
• температура 80-85⁰С,
• парциальное давление этилена на входе в абсорбер 1-1,5МПа,
• содержание пропилена и высших олефинов в исходной этилен-этановой фракции <0,1%.

     В ходе второй стадии идет гидролиз этил - и диэтилсульфата по уравнениям:

     C₂H₅OSO₃H + H₂O à C₂H₅OH + H₂SO₄,

     (C₂H₅O)₂SO₂ + 2H₂O à 2 C₂H₅OH + H₂SO₄

     Эта стадия также обратима, для обеспечения ее протекания необходим избыток воды, и, по возможности, быстрое удаление спирта из зоны реакции, т.к. кроме основной реакции идет образование диэтилового эфира:

     (C₂H₅O)₂SO₂ + C₂H₅OH à C₂H₅OC₂H₅ + C₂H₅OSO₃H,

     (C₂H₅O)₂SO₂ + H₂O à C₂H₅OC₂H₅ + H₂SO_4.

     Главным преимуществом сернокислой гидратации по сравнению с прямой гидратацией является возможность применения неконцентрированного этилена, т.к. его концентрирование связано с большими капитальными и эксплуатационными затратами.

     Однако метод сернокислой гидратации имеет ряд недостатков. Среди них можно отметить следующие:

• применение сложных и громоздких конструкций;
• малоэффективное удаление полимеров однократным экстрагированием. При принятом методе экстрагирования в экстракт переходит 70-75% полимеров, значит, до 30% полимеров остается в разбавленной кислоте;
• концентрирование отработанной серной кислоты. Эта часть технологического процесса является самым слабым звеном во всем методе сернокислой гидратации. Во-первых, концентрировать кислоту удается лишь до 88-90%, а, во-вторых, такой процесс концентрирования из-за высокой температуры топочных газов приводит к ощутимым потерям серной кислоты от раскисления, сопровождающегося выбросом вредного SO₂ в атмосферу;
• неиспользованные возможности экономии энергетических средств.

 

     3.2. Парофазная гидратация этилена 

     Наиболее разработанным применительно к имеющимся промышленным установкам в настоящее время является процесс газофазной гидратации:

     CH₂=CH_2(г.) + H₂O_(г.) = C₂H₅OH_(г.) + 41868Дж/моль.

     Механизм:

     CH₂=CH₂ + Н⁺ « СН₃-СН₂⁺,

     СН₃-СН₂⁺ + Н₂О « СН₃-СН₂-ОН₂⁺,

     СН₃-СН₂-ОН₂⁺ « СН₃-СН₂-ОН + Н⁺.

      Наряду с основной реакцией идут параллельные и последовательные побочные реакции: 

• дегидратация этанола до:

                     -  диэтилового эфира:   2C₂H₅OH  = (C₂H₅)₂O + H₂O,

           - этилена:  C₂H₅OH = CH₂=CH₂ + H₂O,

• дегидрирование до ацетальдегида:  C₂H₅OH  = CH₃CHO +H₂, а также реакции образования олигомеров различного состава.

     Таким образом, процесс сложный, обратимый, несмещенный, экзотермический, протекает с уменьшением объема.