Курсовая работа по курсу

“ Технология производств отрасли ”

Задание № 123

Изучить физико-химические основы, описать химико-технологический процесс термоокислительного крекинга метана техническим кислородом. При крекинге получено сажи

4.2 г на 1 мн³ сухого газа. Составить материальный и тепловой балансы печи крекинга; подсчитать температуру, соотношение метана и кислорода, поступающих на крекинг; определить расход воды на охлаждение крекинг газа, если температура крекинга 1500 градусов Цельсия, крекинг - газа на выходе из печи 650 градусов Цельсия, охлаждающей воды на входе в печь 15 градусов Цельсия, а на выходе 75 градусов Цельсия, теплопотери через стенки крекинговой печи 6%. Остальные исходные данные взять их примера, иллюстрирующего методику расчета.

Изобразить в среде AutoCAD схему материальных потоков и тепловых потоков.

Литература

Бесков С.Д. Технохимические расчеты М, : Высшая школа, 1966. - С. 401.

Технологическая характеристика процесса.

Окислительный крекинг осуществляется при следующих характерных условиях:

1. Процесс идет непрерывно. Непрерывный поток нефтяных паров, предварительно нагретый до необходимой для реакции температуры, и непрерывный поток воздуха поступают как смесь в реакционную зону. Эта смесь составляется в строго определенных количествах воздуха нефтяных паров. Поступающий в реакционную зону продукт задерживается в течение необходимого для окончания реакции промежутка времени, подвергается действию высоких температур и выводится непрерывным потоком из реакционной зоны. Далее смесь охлаждается, конденсируется и выводится как окончательные продукты.

2. Процесс происходит при постоянной реакционной температуре. Температурный фактор является важнейшим фактором крекинг – процесса, поэтому возможность проведения реакции при строго постоянных температурах должна являться решающим моментом. Действие постоянной реакционной температуры при окислительном крекинге происходит с исключительной быстротой, почти мгновенно, так что фактически во всех точках реакционного пространства устанавливается одна и та же постоянная температура.

3. Процесс происходит в исключительно паровой фазе. Здесь главная особенность процесса заключается в том, что необходимое для реакции количество теплоты сообщается не путем наружного нагревания нефтяных паров через стенки металлических труб, а непосредственно путем внутреннего нагревания, путем одновременного введения необходимого для создания реакционной температуры количества воздуха в реакционное пространство. С введением воздуха одновременно происходят два процесса: а) выделение реакционной теплоты при самом процессе окисления и б) усиленное испарение разбавленных нефтяных паров благодаря присутствию нейтральных газов – азота воздуха и продуктов горения.

4. Самой характерной особенностью окислительного крекинга являются, те реакции, которые непосредственно связаны одним новым фактором – введением кислорода воздуха в реакционное пространство. В результате этого создается совершенно новый, еще неизученный термический процесс.

Характерным признаком неполного сгорания служит красное, сильно коптящее пламя, а также преимущественное образование в результате реакции СО вместо СО₂, при окислительном крекинге отсутствует.

Среди продуктов окисления образуются, главным образом, углекислота и вода, но могут, в зависимости от глубины процесса, образовываться и кислородсодержащие органические соединения, хотя, по желанию, мы можем установить и такой режим, что они могут и не получаться.

Теоретические основы окислительного крекинга.

Окислительный крекинг – процесс, является сложным комплексным процессом, при котором, с одной стороны, под влиянием высоких температур происходит распад углеводородных молекул на отдельные осколки и простые радикалы с последующей перегруппировкой этих осколков с образованием новых молекул, с другой стороны, все эти реакции происходят в присутствии и под влиянием химического воздействия кислорода.

Теплоустойчивость углеводородных молекул не является беспредельной. Все углеводородные соединения могут принимать извне тепло только до определенного предельного состояния, которое и свойственно каждому молекулярно – структурному образованию. Сообщается это тепло в условиях высокой температуры среды при соответствующей продолжительности действия высоких температур. Как только эта предельная температура и время превзойдены, подводимое тепло становится для данной молекулы уже настолько выше предельного, что молекула при данной своей структурной конфигурации воспринимать или поглощать такое количество теплоты уже не в состоянии, вследствие чего должно происходить структурное изменение всей молекулярной конфигурации, разрыв молекулы, образование радикалов, которые вновь могут соединяться между собой до тех пор, пока не создадутся новые образования, которые по своей структуре в состоянии воспринимать и поглощать данное повышенное количество теплоты. При окислительном крекинге процесса распада и преобразования углеводородных молекул происходит изотермически в том смысле, что при постоянной температуре, в момент образования возникшие новые молекулярные структуры обладают суммарно таким же запасом тепловой энергии, каким обладали суммарно молекулы в первоначальном их состоянии, и что определенным температурным ступеням соответствуют определенные ступени распада.

Структурное сопротивление, оказываемое углеводородными соединениями термическому разложению, возрастает во-первых; с уменьшением числа простых радикалов входящих в состав молекулярной структуры, во-вторых, с уменьшением степени насыщения водородом, в-третьих с развитием наиболее симметричной структуры самой молекулы. Таким образом наиболее высоко установившимися ступенями распада среди всех углеводородных соединений до их окончательного распада на водород и углерод являются:

a) Метан, как простейший углеводород, состоящий из единственной элементарной тетраэдрической системы.

b) Ацетилен, как простейший, ненасыщенный углеводород.

c) Бензол, как самый прочный высокомолекулярный углеводород.

Эти три самые устойчивые углеводороды сохраняют свою термическую устойчивость до 1000 градусов Цельсия. При этом распад метана на элементы хотя и начинается при 1000 С и быстро прогрессирует выше 1000 С, но полный его распад происходит только при 1250 С.

При окислительном крекинге одновременно с процессами термического распада происходит и действие нового фактора – кислорода, глубоко влияющего на весь ход реакции. Под воздействием кислорода изменяются:

a) Термическая устойчивость углеводородных молекул

b) Происходит реакции: отнятие водорода, отщепление воды, разрыв цепей и другие.

c) Кислород вступает в химическую связь с углеводородами – образуются кислородсодержащие органические соединения.

В основном процесс окисления углеводородов является химической реакцией, заключающейся или в присоединении к углеводороду кислорода, или в замене водорода кислородом, или же в отнятии от окисляющего тела водорода.

В начальной стадии процесса окисления при низких температурах скорость окисления углеводородов чрезвычайна низка. Даже у углеводородов с большой теплотой сгорания реакция протекает очень медленно. Происходит это потому, что выделение реакций теплоты при процессе окисления компенсируется тепловыми потерями в окружающее пространство. Когда возрастающие температуры достигли уже определенного предела, при котором углеводороды теряют свою устойчивость, наступает воспламенение и скорость реакции сильно увеличивается: окисление переходит в горение. Благодаря присутствию обильного количества воздуха вся масса углеводородов при сильном экзотермическом процессе с быстротой переходит из области окисления в область горения и взрыва. Область окисления, горения и взрыва уже хорошо известны и основательно изучены, важнейшая же область окислительного крекинга не только не изучена, но даже неизвестна. При высоких температурах и в присутствии обильного кислорода мы не имеем возможности контролировать процесс горения. Нет возможности ни увеличивать, ни уменьшать скорость процесса, мы не можем повлиять ни на выделение реакционной теплоты, ни на температуру реакции, ни на глубину всего процесса.

Чтобы практически осуществить термическую реакцию в области окислительного крекинга, для этого необходимо создать определенные условия: во-первых, необходимо создать в реакционном пространстве необходимую реакционную температуру, без этой температуры не может начаться реакция: во-вторых, необходимо сильно ограничить количество кислорода до такой степени, чтобы выделяемая во время процесса реакционная теплота была только достаточна на поддержание постоянной температуры в реакционной зоне.

При окислительном крекинге одновременно происходят два сложных процесса: термический распад и окисление.

Скорость реакции окислительного крекинга является, прежде всего, функцией температуры. Окислительный крекинг углеводородов является термохимической реакцией, которая состоит из непрерывной цепи аддитивных химических превращений при постоянной температуре и при постоянной скорости реакции. Таким образом, при реакции невозможны: стихийное выделение реакционной теплоты, воспламенение, переход в стадию горения и все возрастающая скорость реакции, которая заканчивалась бы мгновенной реакцией – взрывом.

Расчет материального и теплового баланса печи крекинга

(Данный расчет выполнен в среде Excel (файл в формате Excel 2000(.xls)). Схема печи выполнена в среде AutoCAD (файл в формате AutoCAD 2000)(.dwg)).

При термоокислительном крекинге метана (см. рисунок) техническим кислородом получен крекинг – газ следующего состава:

Наименование	%	Кмоль/100*нм^3
Водород Н2	54,2	2,4196
Окись углерода СО	26	1,1607
Двуокись углерода СО2	4,2	0,1875
Метан СН4	4,3	0,192
Этилен С2Н4	0,3	0,0134
Ацетилен С2Н2	8,2	0,3661
Метил ацетилен СН3 – С =СН	0,1	0,0045
Диацетилен НС=С – С=СН	0,1	0,0045
Бензол (С6Н6) и другие высшие углеводороды	0,1	0,0045
Кислород О2	0,3	0,0134
Азот N2	1,6	0,0714
Аргон Ar	0,6	0,0268
Итого	100	4,4644

Кроме того, при крекинге получено сажи 4,2 г на 1 мн³ сухого газа. На основании этих данных составить материальный и тепловой балансы печи крекинга; подсчитать температуру, соотношение метана и кислорода, поступающих на крекинг; определить расход воды на охлаждение крекинг газа, если температура крекинга 1500 градусов Цельсия, крекинг - газа на выходе из печи 650 градусов Цельсия, охлаждающей воды на входе в печь 15 градусов Цельсия, а на выходе 75 градусов Цельсия, теплопотери через стенки крекинговой печи 6%.

Решение. Расчет ведем на 100 нм³ сухого газа крекинга.

A. Материальный баланс.

1. На образование 2,4196 кмоль Н₂ израсходовано кг-атом водорода.

2. На образование 1,1607 кмоль СО израсходовано 1,1607 кг-атом углерода и 1,1607 кг-атом кислорода.

На образование 0,1875 кмоль СО₂ потребовалось 0,1875 кг-атом углерода и 0,3750 кг-атом кислорода.

Подсчитывая аналогичным путем потребность углерода, водорода и кислорода на образование каждого из компонентов сухого газа, получим следующие результаты:

Состав сухого газа	Содержание в 100 нм^3, кмоль	Требуется отдельных элементов для образования данного количества газа, кг-атом
		С	Н	О	(N2+Ar), кмоль
Н2	2,4196	-	4,8392	-	-
СО	1,1607	1,1607	-	1,1607	-
СО2	0,1875	0,1875	-	0,375	-
СН4	0,192	0,192	0,768	-	-
С2Н4	0,0134	0,0268	0,0536	-	-
С2Н2	0,3661	0,7322	0,7322	-	-
СН3 – С=СН	0,0045	0,0135	0,018	-	-
НС=С – С=СН	0,0045	0,018	0,009	-	-
С6Н6	0,0045	0,027	0,027	-	-
О2	0,0134	-	-	0,0268	-
N2+Ar	0,0982	-	-	-	0,0982
Сажа (элементарный углерод)	0,035	0,035	-	-	-
Итого	4,4994	2,3927	6,447	1,5625	0,0982

Из данных таблицы следует, что на образование всех углерод содержащих продуктов крекинга требуется 2,3927 кг-атом углерода, или, что то же, 2,3927 кмоль метана. В составе этого количества метана содержится кг-атом водорода, из коих при крекинге израсходовано 6,4470 кг-атом на образование углеводородов, остальные кг-атом на образование воды. При этом получено кмоль Н₂О, на что потребовалось 1,5625 кг-атом кислорода.

Таким образом, общий приход кислорода в печь крекинга составит:

кмоль

Отсюда соотношение СН₄:О₂ , поступающих в печь крекинга, будет

СН₄:О₂=2,6357:1,8052=1:0,6849

Что согласуется с практикой термоокислительного крекинга.

Соотношение технических продуктов определяется:

или СН₄(техн):О₂(техн)=1:0,677

Таким образом, материальный баланс печи крекинга можно представить в виде следующей таблицы (на 100 нм³ сухого крекинга):

Приход			Расход
Статья прихода	Кмоль	Нм^3	Статья расхода	Кмоль	Нм^3
Метан	2,3927	53,53	Водород	2,4196	54,2
			Окись углерода	1,1607	26
			Двуокись углерода	0,1875	4,2
			Метан	0,192	4,3
Кислород	1,5622	34,94	Этилен	0,0134	0,3
			Ацетилен	0,3661	8,2
			Другие углероды (по 0,1%)	0,0135	0,3
			Кислород	0,0134	0,3
Азот +аргон	0,0982	2,2	Азот +аргон	0,0982	2,2
Итого	4,0531	90,67	Итого	4,4644	100
			Водяной пар	1,5619	33,4
			Сажа	0,035	-

B. Тепловой баланс.

Приход тепла в крекинговую печь составится из:

1. теплового эффекта реакции крекинга

2. теплового потока входящего в печь метана и кислорода

Расход тепла 1) С тепловым потоком газа крекинга 2) Тепловые потери через стенки печи

Приход

Подверглось окислительному крекингу

2,3927-0,1920=2,2007 кмоль СН₄

вступило при этом в окислительно - восстановительную реакцию

1,5622-0,0134=1,5488 кмоль О₂

На основании этих данных и состава крекинг газа окисление СН₄ можно представить в виде следующего стехиометрического уравнения:

2,4437СН₄+1,7918О₂=2,4196Н₂+1,1607СО+0,1875СО₂+0,0134С₂Н₄+0,3661С₂Н₂+0,0045С₃Н₄+

+0,0045С₄Н₂+0,0045С₆Н₆+0,035С+1,5585Н₂О+q

1. Тепловой эффект этой реакции определится ( по закону Гесса )

или

Теплоты образования соответствующих компонентов крекинг – газа и метана определяется так: (в кдж )

Н2	0	0	0
СО	1,1607	109800	127445
СО2	0,1875	395000	74063
С2Н4	0,0134	-87510	-1173
С4Н2+С3Н4+С2Н2	0,3751	-229400	-86048
С6Н6	0,0045	-54500	-245
Н2О	1,5619	242200	378292
Сгрфит – Саморф	0,035	-14660	-513
Итого			491821
СН4	2,2007	77870	171369
О2	0	0	0
Итого			171369

Следовательно, тепловой эффект реакций, протекающих при крекинге, составит ( при 20 С )

q=491821 – 171369 = 320452 кдж на 100 нм³ крекинг – газа.

Крекинг протекает при 1500 С. Тепловой эффект реакций крекинга при этой температуре определится так: ( в кдж )

iH2	2,4196	45220	109414
iCO	1,1607	48624	56438
iCO2	0,1875	70760	13268
iC2H4	0,0134	161140	2159
iCnHm+C	0,4129	98044	40482
iH2O	1,5619	61036	95332
Итого			317093
iCH4	2,2007	103068	226822
iO2	1,5488	50403,4	78065
Итого			304887

Количество тепла, выделившегося в реакции крекинга, составит ( на 100 нм³ газа крекинга ):

q₁ = 320452 – ( 317093 – 304887 ) = 308245 кдж

2. Тепловой поток с метаном и кислородом, входящими в крекинговую печь, составит:

i = 2,4437 i_CH4 + 1,7918 i_O2

где i_O2 и i_CH4 – теплосодержание кислорода и метана при температуре входа их в печь.

Для определения этой температуры необходимо подсчитать значение q2 по уравнению

Q_прих = Q_расх или q₂ + 319688 = q₃ + q_потери

Где q₃ – тепловой поток крекинг – газа.

Расход. Q_расх = q₃ + q_потери

1. Газы на выходе из зоны крекинга имеют t=1500 С. Тепловой поток их q₃ определится так:

iH2	2,4196	45800	110818
iCO	1,1607	49200	57106
iCO2	0,1875	78600	14738
iCH4	0,192	103800	19930
iCnHm	0,393	162000	63666
iO2	0,0134	51000	683
iN2+Ar	0,0982	48600	4773
iH2O	1,5619	61700	96369
iC	0,3996	1500	599
Итого		q3=	368682

2. Теплопотери стенками печи составляют 6 % от прихода, а следовательно, и от общего расхода. Получаем

Q_расх = 368682 + 0,06Q_расх

Откуда

Q_расх = 368682/0,94 = 392215 кдж

3. Находим значение q₂:

q₂ = 392215 – 308245 = 83970 кдж

Это количество тепла должны нести с собой входящие в печь метан, кислород и примеси к ним – азот и аргон ( количество их смотри таблицу материального баланса печи ). Примем температуру этих газов 650 С. Тогда тепловой поток их составит ( в кдж ):

iCH4	2,3927	33970
iО2	1,5622	20700
iN2+Ar	0,0982	19750
Итого	q2'=	74420

Получено q₂’ > q₂. Примем t = 800 С. Тогда будем иметь ( в кдж )

iCH4	2,3927	44800
iО2	1,5622	25860
iN2+Ar	0,0982	24820
Итого	q2''=	95480

Получено q₂’’ < q₂. Отсюда интерполяцией находим температуру метана и кислорода, до которой они должны быть нагреты перед входом в крекинговую печь:

Расход воды на охлаждение газа в крекинг – печи. Предварительное охлаждение крекинг – газа производится ( на выходе его из контактной зоны ) путем обрызгивания через сопла холодной водой. При этом газ охлаждается до 700 – 800 С, и тепловой поток его составит примерно 160000 кдж. Принимая температуру воды при входе в печь 15 С, а на выходе 75 С, получим расход воды на охлаждение ( из расчета на 100 нм³ сухого газа )

кг.