Указания методические к выполнению курсовой работы. Для студентов всех специальностей ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА имени И.М. ГУБКИНА Кафедра технологии химических веществ для нефтяной и газовой промышленности имени И.М. Губкина. Серия: Методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. В.А. Трофимов, И.С. Паниди, В.А. Заворотный Производство метил-третбутилового эфира с применением реакционно-ректификационного аппарата на катализаторе сульфокатионите КУ-2/8ФПП. Под редакцией проф. М.А. Силина Методические указания к выполнению курсовой работы. Для студентов всех специальностей химико-технологического факультета. Москва - 2009 г. УДК 661.7. «Производство метил-третбутилового эфира с применением реакционно-ректификационного аппарата на катализаторе сульфокатионите КУ-2/8ФПП» (В.А. Трофимов, И.С. Паниди, В.А. Заворотный). - М.; РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина, 2009, 17 с. В методических указаниях даны варианты комплектов исходных данных процесса производства МТБЭ, необходимых для проведения расчета установки, приведена структура пояснительной записки. В методическом указании подробно изложен принцип проведения технологического расчёта, на основе которого составлены программы расчета основ­ных материальных потоков установки. Составлены программы, позволяющие провести тепловой расчёт реакционного аппарата, работающего в условиях так называемой «каталитической пе­регонки», позволяющий определить как величину интегрального значения удельного теплового эффекта, учитывающего как целевую, так и побочные реакции, так и суммарную теплоту процесса, рассчитанную с учетом произво­дительности процесса. Методические указания предназначены для студентов химико-технологического факультета. Издание подготовлено на кафедре технологии химических веществ для нефтяной и газовой промышленности. Работа одобрена и рекомендована к изданию учебно-методической комис­сией факультета химической технологии и экологии. Рецензент, профессор Ф.Г. Жагфаров. 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ по технологии нефтехимического синтеза выпол­няется в соответствии с учебным планом и имеет своей целью закреп­ление студентами знаний, полученных при изучении теоретического курса, более глубокое ознакомление с сырьевой базой и технологией конкретных нефтехимических производств, приобретение практических навыков в области расчета и проектирования технологических устано­вок и отдельных аппаратов. , выполняемая студентами специальностей 2501 и 1706, оформляется в виде пояснительной записки и технологичес­кой схемы процесса, вычерчиваемой на миллиметровой бумаге или кальке и включаемой в состав расчетно-пояснительной записки. Студенты специальности 2501 включают в состав расчетно-пояснительной записки также поточную схему нефтеперерабатывающего за­вода с кратким ее описанием и обоснованием выбора темы курсовой работы, которая должна быть основана на сырье, источником которо­го являются процессы НПЗ, спроектированного студентом в курсовом проекте по курсу "Технология переработки нефти". Требования по оформлению расчетно-пояснительной записки изложе­ны в /I/. Все расчеты следует вести с использованием международной системы единиц измерения (СИ). Технологическая схема вычерчивается с соблюдением требований, содержащихся в методических указаниях /2/. Полезная информация по графической части содержится в /3/, где даны примеры использования действующих ГОСТ системы ЕСКД. 2. СТРУКТУРА РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ 2.1. Титульный лист. 2.2. Задание на курсовое проектирование. Задание студент получает на кафедре технологии органических веществ для нефтяной и газовой промышленности у преподавателя - руководителя курсовое работы. Задание студентам специальности 2501 выдается после предъ­явления преподавателю поточной схемы НПЗ с расчетом материальных балансов, на основании которых определяются целесообразность про­ектирования данной установки и ее производительность. В задании указываются тема, производительность установки по целевому продукту, содержание изобутилена в отработанной изобутилен-содержащей фракции, номер варианта комплекса основных исходных дан­ных, необходимых для выполнения курсовой работы. 2.3. Оглавление. 2.4. Введение. Во введении студент отмечает значение нефтехи­мической промышленности в народном хозяйстве страны, оценивает пу­ти и динамику развития нефтехимии в текущей пятилетке в соответст­вии с решениями партии и правительства. 2.5. Поточная схема НПЗ (для специальности 2501). Схема сопро­вождается указанием основных направлений использования в нефтехимии образующихся продуктов нефтепереработки и обоснованием проектирова­ния установки заданной производительности. 2.6. Обзор литературы. Краткий обзор литературы по промышлен­ным методам получения метилтретбутилового эфира (МТБЭ): источ­ники сырья, химизм и условия процесса, особенности технологичес­кого оформления установок по производству МТБЭ, области применения /4-7/. Экологические и экономические аспекты производства и приме­нения МТБЭ. 2.7. Технологическая схема. Физико-химические основы выбранно­го способа производства. Обоснование выбора технологической схемы процесса. Описание технологической схемы процесса с указанием тех­нологического режима и назначения отдельных аппаратов. 2.8. Расчет материальных балансов отдельных узлов и установки в целом. 2.9. Тепловой баланс и определение основных размеров реактора. 2.10. Литература. Ссылка на литературу приводится в тексте, литературные источники располагаются в порядке цитирования и при­водятся в соответствии с правилами библиографического описания произведений /I/. В методических указаниях приведены программы расчета на ЭВМ "Искра-1256" состава изобутилен содержащего у/в. потока на входе в реактор (программа I), материального баланса реакционного узла (без учета флегмы) (программа 2), теплового эффекта процесса по­лучения МТБЭ (программа 3), количества флегмового потока, посту­пающего в реакционный узел (программа 4), материального баланса промывной колонны (программа 5). 3. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА МТБЭ 3.1. Исходные данные. Варианты исходных данных приведены в приложении 2, выбор варианта определяется в задании преподавателем. 3.1.1. Для проведения расчета приняты следующие обозначения. Производительность установки по целевому продукту, тыс.т/год. Состав целевого продукта, мас. доли: - метилтретбутиловый эфир – xz (1) - третбутиловый спирт – xz (2) - диизобутилен – xz (3) - метанол – xz (4) Содержание компонентов свежей изобутиленсодержащей у.в.фракции, мас. доли: - изобутилена – x (1) - н-бутиленов – x (2) - изобутана – x (3) - н-бутана – x (4) Содержание изобутилена в отходящей с установки отработанной изобутиленсодержащей у.в.фракции, мас. доли – yz (1). Конверсия изобутилена, доли – AL . Соотношение метанол : изобутилен на входе в реактор, моль – D . Соотношение вода : у.в.-метанольная фракция (промывная колонна), мас. доли – DW . Производство метилтретбутилового эфира осуществляется в реакционном блоке, представляющем собой ректификационную колонну, в средней части которой в два слоя загружен катализатор КУ - 2 ФПП в смеси с кольцами Рашига 15x15 в соотношении 1:1 по объему. Изобутиленсодержащая у/в. фракция поступает в реакционный блок под слой катализатора, метанол - над слоем катализатора. Целевой продукт выводится из нижней части реакционного блока, а не вступившие в реакцию компоненты сырьевых потоков - в паровой фазе через его верх. На верхнюю тарелку реакционного узла возвра­щается часть у.в.-метанольной фракции в виде флегмы. Устройство и принцип работы реакторного блока приведены в работе /6/. Принципиальная блок-схема получения МТБЭ приведена на рисунке 1. Рис.1. Принципиальная блок-схема реакторного блока получения метилтретбутилового эфира: GGO - изобутиленсодержащая у/в. фракция (свежая и циркулирующая); GM - метанол (свежий и циркулирующий); GWG - пары отработанной у/в. фракции и метанола; GFO - флегма (у/в. - метанольная фракция). Производство МТБЭ основано на взаимодействии изобутилена с метанолом, протекающем в соответствии с уравнением: (CH3 )2 C = CH2 + CH3 OH (CH3 )3 COCH3 Другие компоненты, входящие в состав изобутиленсодержащей фракции С4 , используемой для этих целей, в реакцию с метанолом не вступают, в связи с чем этот процесс рассматривается как процесс извлечения изобутилена из указанных фракций. Заданием определяется содержание изобутилена в отработанной у/в. фракции yz (1) (здесь и далее индекс 1 принадлежит только изобутилену). Концентрация изобутилена в этой фракции при одно­кратном прохождении сырьевого потока через реакционный блок опре­деляется из выражения: yz (1) = , доли мас. (1) Если полученное значение (1) отвечает условиям, то оно используется в дальнейших расчетах. При достаточно высоком содержании изобутилена в у/в. сырьевом потоке концентрация его в отработанной фракции будет превышать значение, приведенное в задании. В этом случае решение задачи может быть достигнуто снижением концентрации изобутилена в у/в. потоке на входе в реакционный блок путем разбавления свежего сырья отра­ботанной у/в. фракцией. Рассмотрим расчет такой системы. 3.2. Расчет состава углеводородного потока на входе в реакционный блок Рис.2. Схема потоков у/в. фракции С4 с применением рециркуляции: РБ - реакционный блок; АК - абсорбционная колонна; z - степень разбавления - отношение количества циркулирую­щего потока к свежему; x ( I ) - концентрация компонента потока на входе в реакционный блок, доли мас. С учетом обозначений потоков на рисунке 2 выражение (1) принимает вид: yz (1) = , доли мас. (2) Отсюда после преобразований получаем выражение для определения величины концентрации изобутилена на входе в реакционный блок: x (1) = , доли мас. (3) С другой стороны: x (1) = , доли мас. (4) Откуда после преобразований получаем выражение для определения степени разбавления: z = , доли мас. (5) Содержание остальных компонентов у/в. потока на входе в реактор вычисляют по формуле: x ( I ) = , доли мас. (6) Расчеты проводятся с применением программы (приложение 1), составленной на языке "Фортран-4". Полученные результаты используются в дальнейших расчетах. 3.3. Расчет материального баланса реакционного блока (без учета флегмы). Производительность установки по целевому продукту (GE , кг/ч) вычисляется с учетом числа рабочих дней в году (L ), приведенных в задании. Расчет материального баланса процесса производства МТБЭ осуществляется с применением программы для работы на ЭВМ (см. приложение 2). Сущность программы заключается в следующем: Вычисляется состав целевого продукта: метилтретбутиловый эфир GEK (1) = GE * xz (1) (7) Содержание компонентов целевого продукта вычисляется как GEK ( I ) = GE * xz ( I ) (8) Образование основного компонента целевого продукта, протекающее в соответствии с уравнением (1), сопровождается побочными реакциями: (CH3 )2 C = CH2 + HOH (CH3 )3 COH (9) 2 i - C 4 H 8 i - C 8 H 16 (10) Исходя из стехиометрических соотношений уравнений (1, 9 и 10), опре­деляют количества реагентов, необходимых для их образования (программа 2): RI 1 -изобутилена на образование метилтретбутилового эфира, кг/ч; RI 2 - изобутилена на образование третбутилового спирта, кг/ч; RI 3 - изобутилена на образование диизобутилена, кг/ч. Отсюда общее количество конвертированного изобутилена составит: SRI = RI1 + RI2 + RI3, кг / ч . (11) RME - количество метанола, расходуемого в данном процессе, кг/ч; GW - количество воды, пошедшее на образование третбути­лового спирта, кг/ч. Количество изобутилена, поступающего в реакционный блок, вычисляется как: GG(1) = SRI / AL, кг / ч , отсюда общее количество у/в. фракции составляет GGO = GG (1) / x (1), кг/ч. (12) Поскольку состав у/в. фракции, поступающей в реакционный блок, известен (см.программу 1), определяем содержание инертных компонен­тов ее с помощью соотношения GG ( I ) = GGO * x ( I ) (13) С учетом соотношения метанол: изобутилен (D , моль) на входе в реакционный блок определяем GM - количество метанола, поступающе­го в реактор, кг/ч. Количество изобутилена в газовой фазе на выходе из реактора GR (1) , кг/ч вычисляется как разность между его количеством на входе в реакционный блок GG (1), кг/ч и общим количеством конвертирован­ного изобутилена. Аналогично вычисляется содержание метанола в газовой фазе ( GMR , кг/ч). Отсюда общее количество у/в.-метанольной смеси, уходящей через верх реакционного блока, вычисляется как сумма количеств инертов, содержащихся в у/в. потоке на входе в реакционный блок, непрореагировавших изобутилена ( GG (1), кг/ч) и метанола ( GMR , кг/ч). Результат расчета материального баланса распечатывается в виде таблицы. 3.4. Расчет теплового эффекта реакции Расчет теплового эффекта процесса производства МТБЭ проводит­ся с применением программы для работы на ЭВМ (приложение 3). В основе расчета - методики, изложенные в работах /10, 11/. Величины стандартных теплот образования кислородсодержащих соединений (метилтретбутилового эфира, метилтретбутилового спирта, метанола) приведены в работах /8, 12/, а углеводородов - в работах /10, 13/. В результате расчета определяется как общее количество тепла, выделяющееся в процессе ( QR , кДж/ч) i ,так и удельные его значения ( QUG , кДж/кг и QUM , кДж/моль С4 Н9 ) . Последние срав­ниваются с соответствующими величинами, опубликованными в работах /6, 8/. Общее значение количества тепла, выделяющегося в данном процессе ( QR ) , используется в дальнейших расчетах. 3.5. Расчет количества флегмового потока и общего количества газа, выходящего из реакционного блока В технологической схеме производства МТБЭ предусмотрена подача в реакционный блок в виде флегмы углеводород - метанольной фракции после ее конденсации в конденсаторе - холодильнике. При ее испарении снимается тепло, выделяющееся в результате протекания основной и побочных реакций данного процесса. Расчет проводится на ЭВМ (приложение 4). Принцип расчета заключается в следующем. Теплоту испарения флегмы, подаваемой в реакционный блок TG , определяют по закону аддитивности, исходя из содержания ее ком­понентов в смеси ( YO ( I ) доли мас.) , вычисленного с применением программы 2, по соотношению TG = S TR(I)*YMO(I), кДж / моль , (14) где YMO - содержание компонентов, мольн. доли, TR ( I ) кДж/моль - величины теплот испарения компонентов флегмового потока, приведен­ные в работах /10, 12, 13/. Отсюда количество флегмового потока, подаваемого в реакционный блок, составляет: GF = , (15) где QR - общее количество тепла, выделяющегося в данном процессе. MG - средняя молекулярная масса флегмового потока. Общее количество газа, уходящего через верх реакционного блока, определяется так: GWG = GRO + GF, кг / ч , (16) где GRO , кг/ч (программа 2). Флегмовое число ( RF ) вычисляется как отношение RF = GF / GRO . (17) 3.6. Материальный баланс реакционного блока с учетом флегмы Материальный баланс составляется с использованием данных, полученных в расчетах при работе на ЭВМ с применением программ 2 и 4. Полученные при этом данные заносятся в таблицу 1. Таблица 1. Приход Расход компонент кг/ч доли масс. компонент кг/ч доли масс. у/в. поток газ GG(1) GG(1) P(1) x(1) GRW(1) GRW(1) xR(1) y0(1) GG(2) GG(2) P(2) x(2) GRW(2) GRW(2) xR(2) y0(2) … … … … … … … … метанол GWM xM y0M у/в. GG0 P1N 1,0000 газ GWM xG 1,0000 метанол GM PM - МТБЭ GE xE - вода GW PW - сырье SP 1,0000 - Флегма GF(1) GF(1) y0(1) GF(2) GF(2) y0(2) … … … итого GF 1,0000 Всего G0R - Всего G0R - - 4. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОМЫВНОЙ КОЛОННЫ И КОЛОННЫ РЕГЕНЕРАЦИИ МЕТАНОЛА В технологической схеме предусматривается промывка отрабо­танной у/в-метанольной фракции водой для извлечения содержаще­гося в ней метанола. Расчет проводится с применением программы на ЭВМ (программа 5). Принцип расчета заключается в следующем. На промывку поступает у/в.- метанольная фракция, количество которой ( GRO , кг/ч) и состав ( YO ( I ), YOM , доли масс.) получены при работе с программой 2. С учетом соотношения вода : у/в.- метанольная фракция ( DW ) количество воды, подаваемой в промывную колонну, составляет: GW = GRO*YOM, кг/ч. (18) Отсюда количество водного метанола, выводимого через низ промывной колонны, составляет: GK = GK + GRO*YOM, кг/ч. (19) Количество у/в. фракции, выходящей через верх колонны, составляет: G R = S GRO*YO(I), кг/ч, (20) или G R = GRO*(1 - YOM), кг/ч, (21) Отсюда вычисляется состав отработанной у/в. фракции (доли масс.), который следует сравнить с результатами, полученными в результате расчетов, проведенных по программе 1. Состав водного метанола (доли масс.) определяется исходя из отношений: YW = GW / GK и YM = . (22) Исходя из состава водного метанола, выводимого из промывной колонны, составляется материальный баланс регенерации метанола. Потери компонентов смеси в расчете не учитываются. 5. СВОДНЫЙ МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС УСТАНОВКИ ПРОИЗВОДСТВА МТБЭ При составлении сводного материального баланса установки, в которой не применяется рециркуляция отработанной у/в. фракции, в табл.2 вносятся данные, полученные в расчетах в разделах 3 и 4. Следует при этом учесть, что расход свежего метанола определяется как разность между количествами его, поступающего в реакционный блок и возвращаемого в процесс после регенерации (см. поз. 27). При использовании в технологической схеме рециркуляции отработанной у/в. фракции следует произвести предварительные расчеты. Количество свежей у/в. фракции, поступающей на установку, составляет: GGS = GGO / (1 + z), кг / ч . (23) Количества компонентов свежего потока у/в. фракции: GS ( I ) = GGS * y ( I ), кг / ч . (24) Количество циркулирующей у/в. фракции составляет: GGZ = GGO – GGS, кг/ч. (25) Количество свежего метанола, поступающего на установку, со­ставляет GMS = GM – GMR, кг/ч. (26) Количество отработанной у/в. фракции, уходящей с установки, составляет: GOG = GR – GGZ, кг/ч. (27) Количества компонентов отработанной углеводородной фракции, уходящей с установки: GO ( I ) = GOG * yz ( I ), кг / ч . (28) Общий приход на установку: GSS = GGS + GMS + GW, кг/ч. (29) Общий расход с установки: GSR = GOG + GE, кг / ч . (30) Полученные результаты расчета заносятся в табл. 2. Расходные показатели процесса производства МТБЭ составляют: - по у/в. фракции: URG = , кг/т МТБЭ (31) - по метанолу: URG = , кг / т МТБЭ (32) Таблица 2. Приход Расход компонент кг/ч доли масс. компонент кг/ч доли масс. на сырье на у/в. фракцию на сырье на у/в. фракцию свежая у/в. фракция отработанная у/в. фракция изобутилен GS(1) изобутилен GO(1) н- бутилен GS(2) н- бутилен GO(2) изобутан GS(3) изобутан GO(3) н- бутан GS(4) н - бутан GO(4) Итого GGS 1,0000 Итого G О G 1,0000 метанол GMS МТБЭ GE вода GW Всего GGS 1,0000 - Всего GSR 1,0000 - Таблица 3 . Варианты исходных данных для расчета установки производства МТБЭ Показатели процесса Условные обозначения Номер варианта 1 2 3 4 5 6 1. Производительность по МТБЭ, тыс. т/год 40 45 50 55 60 65 2. Число часов работы в году, ч 7800 7848 7920 7968 7848 7920 3. Состав целевого продукта, доли масс. - метилтретбутиловый эфир 0,983 0,978 0,980 0,975 0,982 0,980 - трет. бутанол 0,005 0,006 0,006 0,006 0,004 0,007 - диизобутилен 0,007 0,008 0,006 0,009 0,009 0,006 - метанол 0,005 0,008 0,008 0,010 0,005 0,007 4. Состав свежей у/в. фракции, доли масс. - изобутилен 0,432 0,328 0,285 0,180 0,200 0,305 - н- бутилен 0,268 0,302 0,375 0,420 0,355 0,340 - изобутан 0,095 0,170 0,145 0,225 0,235 0,165 - н- бутан 0,205 0,200 0,195 0,175 0,210 0,190 5. Содержание изобутилена в отходящей с установки у/в. фракции, доли масс., не более 0,005 0,004 0,005 0,006 0,006 0,004 6. Конверсия изобутилена, доли 0,970 0,960 0,965 0,980 0,985 0,975 7. Температура реакции, К 70 70 70 70 70 70 8. Соотношение метанол:изобутилен на входе в реакционный блок, моль 1,05 1,10 1,07 1,08 1,06 1,09 9. Соотношение вода:у/в.- метанольная фракция в промывной колонне 0,25 0,30 0,28 0,25 0,30 0,35 ЛИТЕРАТУРА 1. Белов П.С., Крылов И.Ф. Методические указания по оформлению курсовых и дипломных проектов. - М.: Химия, 1985, - 60 с. 2. Белов П.С., Крылов И.Ф., Тонконогов Б.П. Методические указания по выполнению графической части курсовых и дипломных проектов. – М.: МИНГ, 1987. - 70 с. 3. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1983. - 272 с. 4. Адельсон С.В., Вишнякова Т.П., Паушкин Я.М. Технология нефтехимического синтеза. - М.: Химия, - 1985. - 337 с. 5. Переработка нефти и нефтехимия. Экспресс-информация ЦНИИТЭнефте-хим. - М., 1987, № 30, с. 19. 6. Переработка нефти и нефтехимия//Экспресс-информация ЦНИИТЭнефте-хим. - М., 1987.- № 19. - с.27. 7. Минскер К.С., Сангалов Ю.А. Изобутилен и его полимеры. - М.: Химия, 1986. - 224 с. 8. Чаплин Д.Н. и др. Выделение изобутилена и изоамиленов из углеводородных фракций//ЦНИИТЭнефтехим, Тематический обзор. Сер. "Промышленность синтетического каучука".- М., 1981. - 35 с. 9. Иванов В.Н., Ерохов В.И. Экономия топлива на автомобильном транспорте. - М.: Транспорт, 1984. - 302 с. 10. Казанская А.С., Скобло В.А. Расчеты химических равновесий. Сб. примеров и задач. - М.: Высшая школа, 1974. - 288 с. 11. Адельсон С.В., Белов П.С. Примеры и задачи по технологии нефтехимического синтеза. Учебное пособие для вузов. - М.: Химия, 1987. - 192 с. 12. Васильев И.А., Петров В.М. Термодинамические свойства кислородсодержащих органических соединений. - М.: Химия, 1984. - 240 с. 13. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972. - 720 с. 14. Вукалова М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. - М.: Изд-во стандар­тов, 1969. – 408с.