Курсовая работа: Производство тетрахлорметана и тетрахлорэтилена

Всего в хлоратор поступает метана:

4,44 + 0,0475 = 4,4875 кмоль/ч или 4,4875×16 = 71,8 кг/ч.

Остается метана (учитывая его расход на реакцию (2.30):

4,4875 – 3,11 = 1,3775 кмоль/ч или 1,3775×16 = 22,04 кг/ч.

По реакции:

6СН4 + 15Сl2 ® C6Cl6 + 24HCl       (2.31)

реагирует (по экспериментальным данным) 62% оставшегося метана, что составляет: 0,62×1,3775 = 0,85 кмоль/ч или 0,85×16 = 13,6 кг/ч.

Расходуется хлора: (15/6)×0,85 = 2,125 кмоль/ч или 2,125×71 = 150,87 кг/ч.

Образуется:

гексахлорбензола: 0,85/6 = 0,14 кмоль/ч или 0,142×285 = 40,47 кг/ч;

хлороводорода: (24/6)×0,85 = 3,4 кмоль/ч или 3,4×36,5 = 124,1 кг/ч.

Всего из хлоратора выходит гексахлорбензола:

0,23 + 0,14 = 0,37 кмоль/ч или 0,37×285 = 105,45 кг/ч.

По реакции

4СН4 + 11Сl2 ® C4Cl6 + 16HCl       (2.32)

реагирует 26,5% оставшегося метана, что составляет:

0,265×1,3775 = 0,365 кмоль/ч или 0,365×16 = 5,84 кг/ч;

расходуется хлора: (11/4)×0,365 = 1,003 кмоль/ч или 1,003×71 = 71,213 кг/ч;

Образуется:

гексахлорбутадиена: 0,365/4 = 0,09 кмоль/ч или 0,09×261 = 23,49 кг/ч;

хлороводорода: (16/4)×0,365 = 1,46 кмоль/ч или 1,46×36,5 = 53,29 кг/ч.

Всего из хлоратора выходит гексахлорбутадиена:

0,65 + 0,09 = 0,74 кмоль/ч или 0,74×261 = 193,14 кг/ч.

По реакции

2СН4 + 7Сl2 ® C2Cl6 + 8HCl        (2.33)

реагирует 11,5% оставшегося метана, что составляет:

0,115×1,3775 = 0,158 кмоль/ч или 0,158×16 = 2,528 кг/ч;

расходуется хлора: (7/2)×0,158 = 0,553 кмоль/ч или 0,553×71 = 39,263 кг/ч;

Образуется:

гексахлорэтана: 0,158/2 = 0,079 кмоль/ч или 0,079×237 = 18,723 кг/ч;

хлороводорода: (8/2)×0,158 = 0,632 кмоль/ч или 0,632×36,5 = 23,07 кг/ч.

Всего из хлоратора выходит гексахлорэтана:

1,46 + 0,079 = 1,539 кмоль/ч или 1,539×237 = 364,74 кг/ч.

Всего поступает в хлоратор этана:

0,19 + 0,0475 = 0,2375 кмоль/ч или 0,2375×30 = 7,125 кг/ч.

Тетрахлорэтилен образуется из этана через 1,1-дихлорэтан по реакции

С2Н4 + 5Сl2 ® C2Cl4 + 6HCl        (2.34)

При этом расходуется хлора:

5×0,2375 = 1,1875 кмоль/ч или 1,1875×71 = 84,31 кг/ч;

Образуется:

тетрахлорэтилена: 0,2375 кмоль/ч или 0,2375×166 = 39,43 кг/ч;

хлороводорода: 6×0,2375 = 1,425 моль/ч или 1,425×36,5 = 52,01 кг/ч.

Этилен хлорируется по основной реакции:

С2Н4 + 4Сl2 ® C2Cl4 + 4HCl        (2.35)

При этом расходуется:

этилена: 9,19 кмоль/ч или 9,19×28 = 257,32 кг/ч

хлора: 4×9,19 = 36,76 кмоль/ч или 36,76×71 = 2609,96 кг/ч;

Образуется:

тетрахлорэтилена: 9,19 кмоль/ч или 9,19×166 = 1525,54 кг/ч;

хлороводорода: 36,76 моль/ч или 36,76×36,5 = 1341,74 кг/ч.

Общий расход хлора:

0,36 + 0,18 + 57,52 + 12,44 + 2,125 + 1,003 + 0,553 + 1,1875 + 36,76 – 2,805 » 109,32 кмоль/ч;

25,56 + 12,78 + 4083,92 + 883,24 + 150,87 + 71,213 + 39,263 + 84,31 + 2609,96 – 199,19 = 7761,926 кг/ч.

При степени использования хлора 0,85 расход хлора в хлоратор (поток 1) составляет: 109,32/0,85 = 128,61 кмоль/ч или 128,61×71 = 9131,31 кг/ч. Остается хлора в продуктах реакции:

128,61 – 109,32 = 19,29 кмоль/ч или 19,29×71 = 1369,59 кг/ч.

Всего образуется хлороводорода:

0,12 + 0,18 + 57,52 + 12,44 + 3,4 + 1,46 + 0,632 + 1,425 + 36,76 = 113,937 кмоль/ч;

4,38 + 6,57 + 2099,48 + 454,06 + 124,1 + 53,29 + 23,07 + 52,01 + 1341,74 = 4158,7 кг/ч.

Количество хлороводорода на выходе из хлоратора:

113,937 + 2,36 = 116,297 кмоль/ч или 116,297×36,5 = 4244,84 кг/ч.

Количество диоксида углерода на выходе из хлоратора (состав потоков 2 и 3): 0,01 + 0,0475 = 0,0575 кмоль/ч или 0,0575×44 = 2,53 кг/ч.

Количество азота на выходе из хлоратора:

0,08 + 0,0475 = 0,1275 кмоль/ч или 0,1275×28 = 3,57 кг/ч.

Количество тетрахлорэтилена на выходе из хлоратора:

12,01 + 16,62 = 28,63 кмоль/ч или 28,63×166 = 4752,58 кг/ч.

где 12,01 – количество тетрахлорэтилена на входе в хлоратор (рассчитано по составам потоков 4, 5), кмоль/ч; 16,62 – количество образовавшегося тетрахлорэтилена, кмоль/ч.

Количество тетрахлорметана на выходе из хлоратора (рассчитано с учетом составов потоков 4-7 и образующегося тетрахлорметана): 9,6 + 17,91 = 27,51 кмоль/ч или 27,51×154 = 4236,54 кг/ч.

Составляем материальный баланс хлоратора (табл. 2.1).

Таблица 2.1.

Материальный баланс хлоратора

·     для расчета состава потока 8 используют данные о составе потоков 1-7

2.3.2 Расчет закалочной колонны КЛ1

Исходные данные:

степень использования хлора 0,85;

количество кубового продукта, подаваемого из колонны выделения тетрахлорэтилена, 85 кг на 1 т перхлоруглеводородов;

состав кубового продукта (wi, %): С2Cl4 – 90,0; С2Сl6 – 7,0; C4Cl6 – 2,2; C6Cl6 – 0,8;

количество флегмовой жидкости, подаваемой в закалочную колоннуиз емкости сырого тетрахлорметана, 4400 кг на 1 тонну перхлоруглеводородов;

состав флегмовой жидкости (wi, %): ССl4 – 60,0; C2Cl4 – 36,0; С2Сl6 – 0,42; C4Cl6 – 0,15; С6Сl6 – 0,05; Cl2 – 2,5; HCl – 0,88.

Количество кубового продукта, подаваемого в закалочную колонну из колонны выделения тетрахлорэтилена: 85×5517,24/1000 = 468,96 кг/ч.

Состав кубового продукта на входе в закалочную колонну (поток 17):

Количество флегмовой жидкости, подаваемой в закалочную колонну из емкости сырого тетрахлорметана: 4400×5517,24/1000 = 24275,86 кг/ч.

Состав флегмовой жидкости на входе в закалочную колонну (поток 18):

Состав подаваемых в закалочную колонну продуктов реакции рассчитывают по составам потоков 9, 17 и 18 (табл. 2.2).

Таблица 2.1.

Состав продуктов реакции на входе в закалочную колонну

В газовую фазу на выходе из закалочной колонны переходит:

практически весь хлор, кроме возвращаемого в хлоратор (поток 5):

27,84 – 0,025 = 27,815 кмоль/ч или 1976,48 – 1,81 = 1974,67 кг/ч;

весь азот и диоксид углерода;

практически весь хлороводород, кроме возвращаемого в хлоратор (потока 5):

122,147 – 0,05 = 122,097 кмоль/ч или 4458,48 – 1,81 = 4456,67 кг/ч;

94% тетрахлорметана:

0,94×122,09 = 114,76 кмоль/ч или 114,76×154 = 17673,04 кг/ч;

82% тетрахлорэтилена:

0,82×83,823 = 68,73 кмоль/ч или 68,73×166 = 11409,18 кг/ч;

20% гексахлорэтана:

0,2×2,108 = 0,42 кмоль/ч или 0,42×237 = 99,54 кг/ч;

12% гексахлорбутадиена:

0,12×0,919 = 0,11 кмоль/ч или 0,11×261 = 28,71 кг/ч;

10% гексахлорбензола:

0,1×0,553 = 0,06 кмоль/ч или 0,06×285 = 17,1 кг/ч;

Доля отгоняемых продуктов реакции (94, 82, 20, 12 и 10%) принята с учетом их температур кипения и молярного состава потока.

Рассчитываем состав газовой фазы на выходе из закалочной колонны (табл. 2.3).

Таблица 2.3.

Состав газовой фазы на выходе из закалочной колонны (поток 10)

Состав кубовой жидкости, отбираемой из закалочной колонны в емкость сырого тетрахлорэтилена, определяют по разности составов потоков на входе в закалочную колонну (табл. 2.2) и газовой фазы на выходе из нее (табл. 2.3).

Состав кубовой жидкости на выходе из закалочной колонны (поток 13):

Газовая фаза из закалочной колонны охлаждается и разделяется в сепараторе С1. В газовую фазу на выходе из сепаратора (поток 11) переходит:

весь азот и диоксид углерода;

59% хлора из потолка 10 (табл. 2.3):

0,59×27,815 = 16,41 кмоль/ч или 16,41×71 = 1165,11 кг/ч;

93,5% хлороводорода:

0,935×122,097 = 114,16 кмоль/ч или 114,16×36,5 = 4166,87 кг/ч;

тетрахлорметана (см. состав потока 7): 0,48 кмоль/ч или 74,48 кг/ч.

С целью очитски отходящего хлороводорода в реакторе РТ2 проводят жидкофазное хлорирование этилена хлором, содержащимся в газовой фазе из сепаратора.

На улавливание хлора по реакции:

С2Н4 +Сl2 ® C2H4Cl2         (2.37)

расходуется хлора: 16,41 кмоль/ч или 1165,11 кг/ч.

При степени хлорирования этилена 82% (по экспериментальным данным) в реактор необходимо подать этилена:

16,41/0,82 = 20,012 кмоль/ч или 20,012×28 = 560,336 кг/ч.

Состав технического этилена на входе в реактор РТ2 (поток 12):

Остается этилена: 19,612 16,41 = 3,202 кмоль/ч или 3,202×28 = 89,656 кг/ч.

Образуется 1,2-дихлорэтана: 16,41 кмоль/ч или 16,41×99 = 1624,59 кг/ч.

Подают в хлоратор 1,2-дихлорэтана (см. состав потока 7): 14,11 кмоль/ч или 1397,23 кг/ч.

Поступает 1,2-дихлорэтана в абсорбер хлороводорода:

16,41 – 14,11 = 2,3 кмоль/ч или 227,36 кг/ч.

В жидком 1,2-дихлорэтане, поступающем в хлоратор:

растворено хлороводорода: 0,49 кмоль/ч или 17,88 кг/ч;

уходит в абсорбер хлороводорода:

114,16 – 0,49 = 113,67 кмоль/ ч или 4166,87 – 17,88 = 4148,99 кг/ч.

Составляют Материальный баланс реактора РТ2 (табл. 2.4).

Определяем состав жидкой фазы из сепаратора С1 (поток 14), поступающей в емкость сырого тетрахлорметана, по разности составов потоков 10 и 11.

Состав жидкой фазы из сепаратора С1 (поток 14):

Состав сырца перхлоруглеводородов, поступающего из емкостей для хранения сырых перхлоруглеводородов в колонну отпарки сырца (поток 19) определяют по разности составов поступающих потоков 13 и 14 и выходящих потоков 5 и 18.

Таблица 2.4.

Материальный баланс реактора РТ2

Состав сырца перхлоруглеводородов на входе в колонну отпарки (поток 19):

Состав сырца, передаваемого из колонны отпарки на стадию выделения чистых перхлоруглеводородов, определяют по разности составов потоков 19 и 6.

Состав сырца перхлоруглеводородов, передаваемого на стадию выделения чистых перхлоруглеводородов (поток 20):

В закалочной колонне КЛ1 в результате резкого охлаждения выходящих из реактора РТ1 продуктов реакции хлор и хлороводород полностью переходят в газовую фазу. Содержание этих веществ в сырце перхлоруглеводородов после его отпаривания в колонне КЛ2 зависит от степени конденсации газовой фазы в холодильнике-конденсаторе и степени разделения газожидкостиой смеси в сепараторе С1. Массовые доли хлора и хлороводорода в сырце перхлоруглеводородов не должны превышать 0,10-0,15%. В противном случае необходимо повысить температуру конденсации и увеличить степень отдувки хлора и хлороводорода в сепараторе С1.

Составляем материальный баланс стадии получения перхлоруглеводородов (табл. 2.5).

Таблица 2.5.

Материальный баланс стадии получения перхлоруглеводородов

Расчет основных расходных коэффициентов. Для получения 5517,24 кг/ч перхлоруглеводородов (отношение ССl4:C2Cl4 = 1:1) необходимо: 9131,31 кг/ч хлора; 832,261 кг/ч технического этилена; 79,42 кг/ч природного газа (см. табл. 2.5).

Расходные коэффициенты составят:

по хлору: 9131,31/5517,24 = 1,655 т/т;

по техническому этилену: 832,261×1000/5517,24 = 150,85 кг/т;

по природному газу: 79,42×1000/5517,24 = 14,39 кг/т.

2.3.3 Тепловой расчет хлоратора

Исходные данные:

материальные потоки (см. состав потоков 2-7): хлор – 128,61/(2×3600) = = 0,0179 кмоль/с; природный газ – 4,72/(2×3600) = 0,0007 кмоль/с; технический этилен - 9,38/(2×3600) = 0,0013 кмоль/с; жидкие хлоруглеводороды - 386,21/(2×3600) = = 0,0536 кг/с; жидкие рециркулирующие перхлорутлеводороды из емкостей сырого продукта 3613,64/(2×3600) = 0,502 кг/с; продукты отпарки сырца перхлоруглеводородов - 4,93/(2×3600) = 0,0007 кмоль/с; жидкий 1,2-дихлорэтан 1489,59/(2×3600) = = 0,2069 кг/с; температура потоков, °С: хлор, природный газ, технический этилен - 25; хлоруглеводороды и рецикл (сырой продукт) - 20; продукты отпаркп сырца перхлоругдеводородов - 30; продукты реакции - 585.

Цель расчета - определение количества теплоты, отводимой охлаждающей водой.

Уравнение теплового баланса хлоратора в общем виде:

Ф1 + Ф2 + Ф3 + Ф4 + Ф5 + Ф6 = Ф7 + Ф8 + Ф9 + Фпот,    (2.38)

где Ф1, Ф2, Ф3, Ф4, Ф8 – тепловые потоки газообразного сырья (хлор, природный газ, технический этилен), жидких хлоруглеводородов, жидких рециркулирующих перхлоруглеводородов, жидкого техническго 1,2-дихлорэтана и продуктов реакции соответственно, кВт;

Ф6 – теплота экзотемической реакции, кВт;

Ф7 – теплота, расходуемая на испарение жидких компонентов сырьевой смеси, кВт;

Ф9 – теплота, отводимая охлаждающей водой, кВт;

Фпот теплопотери в окружающую среду, кВт.

Определяем тепловые потоки сырья и продуктов. Значения теплоемкостей находим по /7/ (Приложения, табл. 2-4).

Тепловой поток газообразного сырья (потоки 1-3):

Ф1 =(0,0179×33,93 + 0,0007×35,71 + 0,0013×43,56)×25 = 17,22 кВт.

Тепловой поток жидких хлоруглеводородов (поток 4):

Ф2 = (0,0536/100)×(1,289×7,0 + 0,962×4,2 + 0,858×6,0 + 0,950×5,5 + 0,862×77,3)×20 = = 0,97 кВт.

Тепловой поток жидких рециркулирующих перхлоруглеводородов (поток 5):

Ф3 = (0,502/100)×(0,858×70,8 + 0,862×29,2)×20 = 8,63 кВт.

Тепловой поток продуктов отпарки сырца перхлоруглеводородов (поток 6):

Ф4 = (0,0007/100)×(0,545×154×6,75 + 34,13×55,75 + 29,11×37,5)×30 = 0,75 кВт.

где 0,545 – удельная теплоемкость паров тетрахлорметана, кДж/(кг×К);

154 – молярная масса тетрахлорметана, г/моль.

Для упрощения расчета все компоненты, присутствующие в потоке 7, объединены в поток «дихлорэтан». Тепловой поток жидкого 1,2-дихлорэтана (поток 7):

Ф5 = 0,2069×1,289×20 = 5,334 кВт.

Рассчитываем теплоты реакций (в кДж/моль):

Теплота экзотермических реакций (теплота реакции образования гексахлорбутадиена принята равной теплоте реакции образования гексахлорбензола):

Ф6 = [1000/(2×3600)]×[285,62×0,12 + 91,48×0,18 + 694,98×7,19 + 394,81×3,11 + + 1996,3×(0,14 + 0,09) + 730,2×0,079 + 484,25×0,2375 + 436,6×9,19] = = [1000/(2×3600)]×10919,69 = 1516,52 кВт.

Общий приход теплоты:

Фприх = 17,22 + 0,97 + 8,63 + 0,75 + 5,334 + 1516,52 = 1549,424 кВт.

Количество веществ испаряющихся в хлораторе (кг/ч): тетрахлорметан - 298,54 + 1055,18 + 74,48 = 1428,2; тетрахлорэтилен – 23,17 + 1971,24 = 1994,41; гексахлорэтан – 346,91; гексахлорбуталдиен 169,84; гексахлорбензол – 66,85; трихлорэтилен – 16,23; трихлорметан – 21,24; 1,2-дихлорэтан – 27,03 + 1397,23 = 1424,26.

Определяем теплоту, расходуемую на испарение жидких компонентов. Значения теплот испарения компонентов по /7/ (Приложения, табл. 9) теплоты испарения гексахлорбутадиена и гексахлорбензола приняты равными теплоте испарения гексахлорэтана:

Ф7 = [1/(2×3600)]×[1428,2×194,7 + 1994,41×209,2 + (346,91 + 169,84 + 66,85)×215,5 + + 16,23×239,3 + 21,24×248,3 + 1424×323,4] = 1164980,4/(2×3600) = 161,8 кВт

Тепловой поток продуктов реакций (поток 9; с целью упрощения расчета в поток «тетрахлорэтилен» включены гексахлорбензол, гексахлорбутадиен, гексахлорэтан, а в поток «хлор» - азот, диоксид углерода и хлороводород):

Ф8 = [1/(2×3600)]×[(4752,58 + 105,45 + 193,14 + 364,74)×0,693 + 4236,54×0,656 + + (1369,59 + 3,57 + 2,53)×(37,21/71) + 4244,84/(30,63/36,5)]×585 = [10815,55/(2×3600)]× ×585 = 878,76 кВт.

Принимаем, что теплопотери в окружающую среду составляют 5% от общего прихода теплоты:

Фпот = 0,05×1549,424 = 77,47кВт.

Количество теплоты, отводимое охлаждающей водой, находят из уравнения теплового баланса хлоратора:

Ф9 = Фприх Ф7 – Ф8 – Фпот = 1549,424 – 161,8 – 878,76 77,47 = 431,394 кВт

или 431394 Вт.

Рассчитывают расход воды на охлаждение наружной стенки хлоратора. Принимают начальную температуру воды tH = 20°С и считают, что в процессе теплообмена температура повысилась на 20°С, тогда расход воды составит:

mB = Ф9/(сВ×Δt×η) = 431394/(4187×20×0,9) = 5,7239 кг/с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Изучены способы и технологии получения тетрахлорметана и тетрахлорэтилена, области их применении, используемая реакционная аппаратура и рассмотрены материалы, которые целесообразно использовать в процессах хлорирования.

2. Рассмотрен химизм получения тетрахлорметана и тетрахлорэтилена.

3. Разработана и описана технологическая схема процесса совместного получения тетрахлорметана и тетрахлорэтилена.

4. Выполнены материальные расчеты стадии получения тетрахлорметана и тетрахлорэтилена и Теловой расчет хлоратора.

Расходные коэффициенты на годовую производительность по перхлоруглеводородам составляют:

по хлору: 9131,31/5517,24 = 1,655 т/т;

по техническому этилену: 832,261×1000/5517,24 = 150,85 кг/т;

по природному газу: 79,42×1000/5517,24 = 14,39 кг/т.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1981.

2.  Адельсон С.В., Вишнякова Т.П., Паушкин Я.М. Технология нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1985.

3.  Справочник нефтехимия / Под ред. С.К. Огородникова. В 2-х т. – Л.: Химия, 1978.

4.  Капкин В.Д., Савинецкая Г.А., Чапурин В.И. Технология органического синтеза. – М.: Химия, 1988.

5.  Трегер Ю.А., Гужновская Т.Д. Интенсификация хлорорганических производств. Высокоэффективные каталитические системы. – М.: Химия, 1989.

6.  Муганлинский Ф.Ф., Трегер Ю.А., Люшин М.М. Химия и технология галогенорганических соединений. – М.: Химия, 1993.

7.  Гутник С.П., Сосонко В.Е., Гутман В.Д. Расчеты по технологии органического синтеза. – М.: Химия, 1988.

8.  СТП 001-2002 Стандарты предприятия. Проекты (работы) дипломные. Требования и порядок подготовки, представления к защите и защиты. – Мн.: БГТУ, 2002.