Проверочный расчет установки пиролиза этана
Содержание
Введение …………………………………………………………………………..
1 Аналитический обзор …………………………………………………………10
1.1 Пиролиз ключевой процесс нефтехимии ……………………………….....10
1.2 Исторические аспекты развития пиролиза …………………………….….13
1.3 Физико-химические основы пиролиза ……………………………….........14
1.4 Технологические параметры процесса ……………………………….…....17
1.5 Новые варианты осуществления пиролиза …………………………..........19
2 Характеристика исходного сырья, вспомогательных
материалов и готовой продукции ……………………………………………………………….……….
2.1 Характеристика сырья, материалов и полуфабрикатов……………...……24
2.2Характеристика
3 Описание технологического процесса производства …………………........31
3.1 Пиролиз этана в трубчатых печах ………………………………………….31
3.2 Узел водной промывки пирогаза ...…………………………………...........33
3.3 Узел щелочной очистки пирогаза ………………………………………….36
3.4 Узел осушки пирогаза ………………………………………………………38
4 Технико-технологические расчеты ………………………………………......39
4.1 Расчет материального баланса печи ….…………………………………...39
4.2 Расчет печи пиролиза этана ………………………………………………...45
4.2.1 Расчет процесса горения ………………………………………………….46
4.2.2 Состав сырья и пирогаза ………………………………………………….51
4.2.3 Конечная температура реакции …………………………………..............55
4.2.4 Тепловая нагрузка печи, ее КПД и расход топлива …………………….57
4.2.5 Определение температуры дымовых
газов, покидающих радиантную камеру ……………………………………………………………………………
4.2.6 Поверхность нагрева реакционного змеевика (экранных труб)………..64
4.2.7 Время пребывания парогазовой смеси в реакционном змеевике………65
4.2.8 Потери напора в реакционном змеевике печи …………………………..67
4.2.9 Расчет необходимого числа печей для обеспечения заданной производительности установки…………………………………………………70
4.2.10 Расчет конвекционной камеры…………………………………………70
5 Автоматизация и автоматические системы
управления технологическим процессом………………………………………………………
5.1 Цель и назначение системы управления …………………………………..76
5.1.1 Анализ статических и динамических
свойств объекта регулирования ……………………...…………………………………………………
5.1.2 Обоснование выбора средств контроля и автоматики ………………….77
5.1.3 Автоматический контроль производства ……………………………… 79
5.1.4 Спецификация приборов и средств автоматизации ……………….........80
5.2 Аналитический контроль производства …………………………………...88
6 Безопасность и экологичность технологического процесса ……………….93
6.1 Характеристика проектируемого объекта………………………………….93
6.2 Основные физико-химические, токсические, взрыво- и пожароопасные характеристики веществ и материалов, обращающихся в производстве …...95
6.3 Категорирование производственных помещений и наружных установок98
6.4 Безопасность технологического процесса и оборудования ……………...98
6.5 Средства индивидуальной защиты …….. ………………………………..100
6.6 Микроклимат ………………………………………………………………100
6.7 Вентиляция и отопление….………………
6.8 Освещение ………………………………………………………………….101
6.9 Шум и вибрация …………………………………………………………...102
6.10 Электробезопасность ..…………………………………………………...103
6.11 Защита от статического электричества ………………………………....105
6.12 Молниезащита ………………………………………………………..…..106
6.13 Пожарная профилактика, методы и средства для пожаротушения……106
6.14 Экологичесность объекта ………………………………………….........107
7 Экономическое обоснование проекта ……………………………………...107
7.1 Расчет капитальных затрат на здания и сооружения ……………………111
7.2 Расчет капитальных затрат на оборудование ……………………………111
7.3 Расчет численности персонала ……………………………………………113
7.4 Расчет фонда заработной платы производственных рабочих ………......114
7.5 Расчет заработной платы вспомогательных рабочих …………………...116
7.6 Расчет расхода электроэнергии …………………………………………...117
7.7 Расчет калькуляции 1тонны пирогаза ……………………………………118
7.8 Технико-экономические показатели производства ……………………..120
8 Стандартизация ………………………………………………………………122
Заключение …………………………………………………
Приложение А. Библиография………………………………………………
Приложение Б Спецификация к чертежам……………………..…………….128
Реферат
Курсовой проект содержит с., рисунков, таблиц, источников, прил.
ЭТАН, ПИРОЛИЗ, ЭТИЛЕН, РАСЧЕТ.
Объектом проектирования является установка пиролиза этановой фракции.
Цель проекта - провести проверочный расчет установки пиролиза этана.
В процессе проектирования были проведен расчет печи, разработана схема автоматического регулирования параметров работы печи, проведены мероприятия по обеспечению охраны труда, техники безопасности и окружающей среды; проведено технико-экономическое обоснование проекта.
Введение
В настоящее время в промышленности только два способа получения этилена. Первый - пиролиз углеводородов водяным паром в трубчатой печи (99%) и второй - метагезис, где пропилен и бутаны превращаются в этилен. Установка, реализующая первый способ, является основной в мировой нефтехимической промышленности.
Среднегодовой мировой прирост спроса на этилен составлял 4,9% в 1992-1997 годах и не ниже 3,6% в 1997-2005 годах. В результате к 2000 году его выпуск возрос до 90 млн. т в год, а к 2005 году - возрос до 103 млн. т в год, что позволяет поддерживать коэффициент загрузки установок на уровне 90-95%. Для пропилена (на пиролиз приходится больше 60% его мирового выпуска, остальное количество пропилена извлекают из газов каталитического крекинга), показатель прироста несколько выше (5,9% в 1992-1997 годах и 4,1% в 1997-2005 годах), а рубеж в 50 млн. т/год, достигнут к 2000 году. Рост спроса на бензол (выделяют примерно в одинаковом количестве из бензинов пиролиза и риформинга) в аналогичные указанные выше периоды соответственно 4,0 и 3,1%. Его мировое потребление с 23 млн. т в 1983 году возросло до ~ 31 млн. т в 2000 году и, возрастает до 35 млн. т в год.
В промышленности разработаны и внедрены новые конструкционные материалы, позволяющие осуществлять реакцию при более высокой температуре и обеспечивающие существенное ингибирование процесса коксообразования.
Идея повышения температуры в реакционной зоне печи, за счет резерва жаропрочности конструкционного материала, и соответственно, увеличения выхода этилена, была положена в основу проектирования настоящей установки.
Для ускоренного развития в нашей стране химической промышленности, в частности производства синтетических материалов, нужны огромные ресурсы исходного сырья. В качестве сырья используются не только первичные его виды - нефть, уголь и др., но и многочисленные химические полупродукты - этилен, пропилен, бутадиен, бутилен и изобутилен, для получения которых необходимы большие производственные мощности. Среди указанных полупродуктов первое место по масштабам потребления занимают этилен (используемый для синтеза полиэтилена, окиси этилена, стирола, этилового спирта).
При строительстве крупных нефтехимических комплексов и предприятий предусматривается одновременное производство этилена, пропилена и иногда бутадиена путём пиролиза нефтяных фракций. На этих предприятиях установка пиролиза является основной частью технологической схемы, включающей также системы промывок и очистки газа пиролиза, цеха компримирования газов и газоразделения.
Основным методом пиролиза нефтяных фракций является термический пиролиз в змеевике-реакторе трубчатой печи. Также широко ведутся работы по освоению новых методов пиролиза нефтяных фракций. К таким методам относятся контактный пиролиз в нисходящем потоке теплоносителя, в кипящем слое и в восходящем потоке теплоносителя, гомогенный пиролиз в токе перегретого пара или газообразного теплоносителя, окислительный пиролиз и др. В результате этих работ предложен ряд процессов, при проведении которых на опытно-промышленных установках получены высокие показатели по выходу целевых продуктов (олефинов).
Однако метод пиролиза
в трубчатых печах будет
1 Аналитический обзор
- Пиролиз – ключевой процесс нефтехимии
Нефтехимическая промышленность включает огромное количество процессов. Основным процессом нефтехимии несомненно является пиролиз, уровень развития которого во многом определяет возможности всей отрасли. В реферате дано краткое описание химизма и технологии процесса, его роли в производстве базовых продуктов нефтехимии, отражены исторические аспекты появления и возможные перспективы развития.
В индустриально развитых странах нефтехимическая промышленность, как правило, является ключевой отраслью, причем темпы ее развития превышают показатели роста экономики в целом. В США продукция нефтехимических и зависящих от них производств составляет четверть валового оборота страны, их экспорт превышает импорт на 12 млрд долларов, и это при общей численности работающих чуть больше миллиона человек /1/
Мировой объем выпускаемых органических продуктов в мире увеличился за последние 45 лет в 100 раз, превысив 300 млн т. Все области человеческой деятельности в той или иной степени связаны с нефтехимией, и в настоящий момент именно она оказывает наибольшее влияние на повседневную жизнь современного человека.
Промышленная органическая химии прошла длинный и сложный путь развития, в ходе которого ее сырьевая база изменилась кардинальным образом. Начав с переработки растительного и животного сырья, она затем трансформировалась в угле- или коксохимию (утилизирующую отходы коксования угля), чтобы в конечном итоге превратиться в современную нефтехимию /2/ , которая уже давно не довольствуется только отходами нефтепереработки.
Для успешного и независимого функционирования ее основной отрасли - тяжелого, то есть крупномасштабного, органического синтеза /3/ был разработан процесс пиролиза /4/, вокруг которого и базируются современные олефиновые нефтехимические комплексы. В основном они получают, а затем и перерабатывают низшие олефины и диолефины. Сырьевая база пиролиза может меняться от попутных газов до нафты, газойля и даже сырой нефти. Предназначавшийся вначале лишь для производства этилена, этот процесс теперь является также крупнотоннажным поставщиком пропилена, бутадиена, бензола и других продуктов.
Кроме олефиновых выделяют еще два типа химических комплексов. Ареновые, которые в значительной степени зависят от нефтепереработки, группируясь вокруг установок риформинга прямогонного бензина. Поскольку повышение качества бензина происходит в основном за счет реакций дегидрирования циклических парафинов (нафтенов) и дегидроциклизации линейных парафинов в арены, протекающих на платиновом катализаторе, этот процесс нефтепереработки также называют платформингом. Из полученного высокооктанового бензина с повышенным содержанием аренов на комплексах этого типа выделяют индивидуальные арены, в основном бензол, толуол, ксилолы, и производят продукты их последующей переработки. Основными продуктами химических комплексов, получающих и перерабатывающих синтез-газ /5/ , являются аммиак, водород, оксид углерода, азотсодержащие соединения, а также метанол, формальдегид и термореактивные смолы. Они группируются вокруг установок паровой и / или окислительной переработки (конверсии) углеводородов, сырьем которых могут служить как природный газ, так и тяжелые фракции нефти (газойль, мазут). На основе синтезгаза можно производить также уксусную кислоту и другие органические продукты.
Из всех рассмотренных последний тип комплексов менее остальных зависит от нефти. В неотвратимо приближающийся период "очень дорогой нефти" синтез-газ может стать реальной альтернативой нефтяному сырью /5/, а химические комплексы по его переработке - занять ключевую позицию поставщиков сырья для промышленной органической химии.
Однако в настоящее время и по объему и по ассортименту выпускаемой продукции вне конкуренции находятся олефиновые нефтехимические комплексы, основой которых является процесс пиролиза - деструктивного превращения исходных углеводородов при температуре выше 650-700 оС, как правило, в присутствии водяного пара. Если из попутных газов получают в основном этилен, то пиролиз нефтяных фракций позволяет дополнительно к С2Н4 получать ценнейший набор углеводородов (пропилен, бензол, бутадиен, изопрен, изобутилен, бутены, изоамилены, ацетилен). Наличие в их составе трех базовых и самых крупнотоннажных соединений - этилена, пропилена и бензола - еще раз подчеркивает уникальность пиролиза. Уже 40 лет именно эти продукты являются основой сырьевой базы нефтехимической промышленности, и в настоящее время их годовой выпуск - один из основных показателей потенциала промышленного развития.
Среднегодовой мировой прирост спроса на этилен составлял 4,9% в 1992-1997 годах и ожидается не ниже 3,6% в 1997-2005 годах. В результате к 2000 году его выпуск возрастет до 90 млн т в год, а к 2005 году - до 103 млн т в год, что позволит поддерживать коэффициент загрузки установок на уровне 90-95%. Для пропилена (на пиролиз приходится больше 60% его мирового выпуска, остальное количество С3Н6 извлекают из газов каталитического крекинга) показатель прироста несколько выше (5,9% в 1992-1997 годах и 4,1% в 1997-2005 годах), а рубеж в 50 млн т/год, по-видимому, будет достигнут к 2000 году. Рост спроса на бензол (выделяют примерно в одинаковом количестве из бензинов пиролиза и риформинга) в аналогичные указанные выше периоды соответственно 4,0 и 3,1%. Его мировое потребление с 23 млн т в 1983 году возрастет до ~ 31 млн т в 2000 году и 35 млн т в 2005 году.
1.2 Исторические аспекты развития пиролиза
Основу сырьевой базы современной нефтехимии - этилен получали сначала из коксового газа, дегидратацией этанола и даже гидрированием ацетилена. Такая ситуация сохранялась во многих странах до конца второй мировой войны. Однако, по мере того как потребность в этилене росла, его производство стало все больше определяться пиролизом нефтяных фракций (легкого бензина, нафты, газойля) и попутного газа. Первые промышленные установки появились сначала в США. В 1920 году "Union Carbide" и "Carbon Co" построили пилотную установку пиролиза этана и пропана, они же впоследствии разработали и пиролиз газойля.
В Западной Европе и Японии пиролиз получил заметное развитие лишь после окончания второй мировой войны, хотя еще в 1942 году "British Celanese" соорудила первую западноевропейскую установку пиролиза газойля мощностью 6000 т этилена в год. В 1946 году "Shell Chemical" закончила строительство первого нефтехимического комбината в Станлоу, где в качестве сырья пиролиза использовали газы стабилизации нефти. К 1950 году средняя мощность строящихся установок пиролиза возросла от 10 до 50 тыс. т этилена в год, к 1982 году - до 450 тыс. т /11/
В СССР многотоннажное производство этилена начали осваивать в конце 40-х годов, но резкий рост мощностей произошел в период 1965-1976 годов. Его логическим завершением явился пуск комбинированной установки "Этилен-450" в Нижнекамске (выпускающей также 200 тыс. т пропилена, 180 тыс. т бензола и 54 тыс. т бутадиена в год).
Достижения химического машиностроения, металлургии, прогресс инженерной и химической мысли позволяют достигать мощности 750 тыс. т этилена в год и выше с одной установки. Но, как правило, при выборе этого показателя большое влияние оказывают такие конъюнктурные соображения, как размеры потенциального рынка сбыта, природа сырья и стоимость его транспортировки, колебания спроса и т.д. Так, среди установок, введенных в строй за последнее время, кроме гигантов по 680 тыс. т в год (обе в Техасе) или 600 тыс. т в год (Антверпен и Ишихара), почти у половины мощность не превышает 350 тыс. т.
1.3 Физико-химические основы пиролиза
Ненасыщенные углеводороды - целевые продукты пиролиза - только при достижении достаточно высокой температуры становятся термодинамически более стабильными, чем соответствующие им парафины. Для этилена, например, эта величина составляет 750 С. Сравним термодинамику возможных маршрутов образования олефинов. В первом случае при расщеплении (крекинге) молекулы исходного парафина:
C(m+n)H2(m+n)+2 CmH2m + CnH2n+2=75 200-142T (кДж/моль) (1.1)
и во втором при дегидрировании:
CpH2p+2CpH2p+H2,=125 400-142T (кДж/моль) (1.2)
Обе реакции эндотермичны и протекают с увеличением объема. Чтобы сместить равновесие в сторону расщепления сырья и образования олефинов, необходимо увеличить температуру и снизить давление. Но если крекинг углеводородов происходит с заметной скоростью уже при температуре 700 oС, то вклад реакции дегидрирования в образование продуктов пиролиза становится ощутимым лишь начиная с 800-850 oС. По экономическим соображениям для снижения давления углеводородов применяют не вакуум, а разбавление исходной смеси водяным паром. Последнее приводит к некоторым последствиям. Положительные связаны:
1) со снижением удельного
2) с некоторым снижением коксообразования в ходе реакции
С+Н2О=СО+Н2,
не играющим, однако, определяющей роли при температурах порядка 1000 С./8/
К отрицательным последствиям относятся затраты энергии на нагрев до температуры реакции, рост инвестиций, связанных с необходимостью увеличения размеров печи и усложнения системы разделения продуктов пиролиза. Необходимое количество вводимого пара зависит в основном от молекулярной массы исходных углеводородов и лежит в интервале 0,25-1 т на тонну сырья соответственно для этана и тяжелых нефтяных фракций.
Итак, основная реакция пиролиза (особенно в случае использования в качестве сырья нефтяных фракций) - крекинг углеводородной цепи с образованием олефина и парафина. Ее первичные продукты могут претерпевать дальнейшее расщепление (вторичный крекинг). В конечном итоге получается смесь легких углеводородов, богатая олефинами. Дегидрирование соответствующих олефинов приводит к образованию ацетилена и его производных, а также бутадиена и других диеновых углеводородов, обладающих высокой реакционной способностью. Последние в условиях пиролиза вступают в реакции циклизации или Дильса-Альдера. При дегидрировании из циклоолефинов получаются арены, в частности бензол, являющиеся, в свою очередь, предшественниками полициклических углеводородов и кокса. Протеканию последних реакций (значит, и увеличению отложения кокса) благоприятствует повышение температуры до 900-1000 oС.
Другой нежелательный процесс - полимеризация ненасыщенных углеводородов в условиях пиролиза практически не протекает. Это реакция экзотермична и начинается лишь при понижении температуры. Быстрое преодоление температурной области, где она уже возможна, и скорость ее еще высока - основная задача стадии охлаждения газов пиролиза.
С увеличением времени пребывания сырья в зоне высоких температур увеличивается вклад нежелательных последовательных превращений целевых продуктов. Поэтому для повышения избирательности (селективности) пиролиза надо уменьшать время контакта. При этом, однако, снижается степень переработки сырья за проход, а значит, и выход продуктов, увеличиваются расходы на рецикл. Оптимизация условий процесса с учетом экономических факторов оставила последнее слово за избирательностью. В печах USC фирмы "Stone and Webster", последних вариантов GK фирмы KTI время пребывания не превышает 0,2-0,3 с, в печах "Millisecond" фирмы "Kellog" - 0,1 с. Не только выход продуктов пиролиза, но и их состав являются функцией многих параметров, в первую очередь природы сырья и условий осуществления процесса. Создание модели, позволяющей рассчитать изменение и качественных и количественных показателей пиролиза нафты во времени, остается актуальной задачей.
Радикально-цепной характер основных реакций пиролиза был доказан достаточно давно. Начальное зарождение цепи происходит под влиянием температуры при гомолитическом разрыве наиболее слабой связи С-С с образованием свободных радикалов. Последние способны оторвать атом водорода от молекулы исходного углеводорода, образуя новый свободный радикал:
CH3+R-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-
=CH4+R-CH2-CH2-CH2-CH2-CH-CH3
или
C2H5-CH2=CH2 + H,
Н + парафин Н2 + свободный радикал.
В общем случае образующиеся первичные радикалы с длинной цепью неустойчивы. Их стабилизация происходит в основном за счет расщепления связи С-С, находящейся в β-положении к радикальному центру, что отвечает общему принципу наименьшего изменения структуры:
R-CH2-CH2-CH2β-CH2a-CH-CH2
-CH3 =
R-CH2-CH2-CH2 + CH2=CH-CH2-CH3
Эта реакция β-распада повторяется до тех пор, пока не образуется сравнительно устойчивый радикал - метильный или этильный, который, в свою очередь, становится источником зарождения новой цепи. Вероятность образования тех или иных радикалов на стадии продолжения цепи зависит от строения атакуемой молекулы углеводорода. Отрыв атома водорода от третичного атома углерода происходит легче, чем от вторичного и тем более первичного атома. В общем случае выход увеличивается с ростом содержания парафинов в сырье, то есть зависит и от химического состава нафты. Термическая стабильность углеводородов возрастает в ряду парафины < нафтены < арены и уменьшается с ростом длины цепи.
Многообразие протекающих вторичных реакций затрудняет моделирование процесса, особенно при усложнении природы сырья и увеличении степени конверсии. До сих пор при проектировании печей опыт, эмпирические зависимости и экспериментальная проверка играют очень важную роль.
1.4 Технологические параметры процесса
Термодинамика и кинетика
диктуют следующие условия
- быстрый подвод значительного количества тепла,
- снижение парциального давления углеводородов,
- минимальное время контакта,
- минимальное время охлаждения газов пиролиза, выходящих из реактора, для предотвращения нежелательной полимеризации олефинов.
На практике для их
осуществления применяют
Для достижения максимальных выходов по этилену (выше 30% в случае нафты) обычно применяют температуру ~ 850 oC, время контакта 0,2-0,3 с и массовое соотношение Н2О / сырье ~ 0,5-0,6. Развитие процесса в последние десятилетия направлено в сторону увеличения его жесткости, то есть поиска возможных путей роста температурной нагрузки и сокращения времени пребывания.
1.5 Новые варианты осуществления пиролиза
К настоящему времени единственным освоенным и широко распространенным промышленным методом является пиролиз в трубчатых печах. Его качественное развитие направлено пока в основном по пути совершенствования существующей технологии. Однако, несмотря на достигнутый прогресс, связанный с изменением конструкции змеевика и конвекционной зоны печи, использованием современных закалочно-испарительных аппаратов (ЗИА), возможности этого процесса ограничены, особенно при использовании сырья, склонного к повышенному коксообразованию. Необходимость расширения сырьевой базы, сокращения удельного расхода сырья, а также энергетических и материальных затрат заставляет вести поиск новых модификаций процесса, в основном рассчитанных на пиролиз тяжелых видов углеводородного сырья (мазут, вакуумный газойль, нефть). При этом предлагаются и принципиально новые методы осуществления пиролиза. К их числу относятся каталитический, инициированный, окислительный и гидропиролиз, а также термоконтактные варианты этого процесса.
В ходе разработки каталитического пиролиза исследовано влияние большого числа гетерогенных и гомогенных катализаторов. В условиях гетерогенно-каталитического пиролиза, как было показано советскими исследователями /4/ , происходит увеличение селективности процесса и степени превращения сырья (выхода этилена). Результаты многочисленных работ, выполненных ими, позволили выявить каталитическую активность ряда соединений: оксидов металлов переменной валентности, оксидов и алюминатов щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов, а также некоторых алюмосиликатов. Обычно их наносят на носители, в качестве которых применяют пемзу, модификации оксидов алюминия и циркония, корунд, аморфные и кристаллические цеолиты. Из множества проверенных катализаторов пиролиза лучшие результаты получены при использовании метаванадата калия, оксидов индия, кальция и магния, некоторых цеолитов. Так, например, применение ванадата калия на синтетическом корунде, оксидов индия и калия на пемзе позволяет почти на 10% увеличить выход этилена по сравнению с результатами термического пиролиза высокой жесткости при сохранении выхода пропилена на прежнем уровне. Варьируя состав катализатора, возможно значительно изменять выход бутадиена. На отдельных катализаторах было исследовано влияние природы сырья, а при пиролизе индивидуальных олефинов высказаны предположения о возможных вариантах механизма каталитического пиролиза. Установлена специфическая роль водяного пара, взаимодействующего с поверхностью катализаторов. На опытных установках проведено исследование влияния коксообразования на каталитическую активность и отработаны условия регенерации катализатора, способного работать до 200 ч (количество водяного пара около 75% по массе). Расчеты показали высокую эффективность каталитического пиролиза, приводящего к снижению на 10-12% себестоимости низших олефинов./10/
В настоящее время центр
В качестве гомогенных инициаторов первичных реакций пиролиза был исследован широкий круг соединений. Целью их применения являлось снижение жесткости процесса при сохранении (увеличении) селективности и выхода по этилену. По различным причинам одни из самых активных инициаторов - пероксид водорода (высокая стоимость добавки) и хлороводородная кислота (проблемы коррозии) не получили практического применения. Отмечено положительное влияние некоторых кислородсодержащих органических соединений (кислоты, спирты, отходы различных производств, содержащие смеси этих и других окисленных углеводородов) на выход этилена, возрастающее с "утяжелением" исходного сырья.
