38427

Поліетилен та його основні хімічні властивості

Дипломная

Химия и фармакология

0 об’ємна чаcтка суми метану з етаном не більше 010 об’ємна чаcтка суми вуглеводнів С3 і С4 ррm не більше 50 об’ємна чаcтка ацетилену ррm не більше 10 об’ємна частка окису вуглецю ррm не більше 5 об’ємна частка двоокису вуглецю ррm не більше 10 об’ємна частка водню ррm не більше 10 об’ємна чаcтка загальних карбонілів в перерахунку на МЕК ррm не більше 1 об’ємна чаcтка кисню ррm не більше 3 масова чаcтка загальної сірки ррm не більше 1 масова чаcтка хлору ррm не більше 1 об’ємна чаcтка води ррm не більше 10 об’ємна чаcтка...

Украинкский

2013-09-28

193.76 KB

23 чел.

1.  Технологічна частина.

1.1. Техніко-економічне обгрунтування.

Поліетилен одержують в результаті полімеризації етилену:

                t0, каталізатор, тиск

х СH2 = CH2   ...(- СH2 - СH2 -)n...

Процес полімеризації є екзотермічним і теплота реакції становить 93*103 Дж/моль.

 Поліетилен одержують як радикальною полімеризацією (при високому тиску), так і йонною полімеризацією етилену (при низькому та середньому тиску).У наш час в світі існує чотири  промислових методи виробництва поліетилену:

  1.  Поліетилен високого тиску, який одержують полімеризацією етилену в масі за вільнорадикальним механізмом при тиску 150-350 Мпа;
  2.  Поліетилен низького тиску,який одержують полімеризацією етилену за йонно-координаційним механізмом при тиску 2-4 Мпа в суспензії, в розчині або газовій фазі.

 В залежності від способу одержання, властивості поліетилену значно змінюються. Так поліетилен, одержаний при високому тиску, характеризується нижчою температурою топлення та густиною, ніж поліетилен одержаний при низькому чи середньому тиску. Поліетилен високого тиску характеризується також великою кількістю розгалужених ланок у ланцюгу, на відміну від поліетилену, одержаного за йонним механізмом, який має лінійну будову та високу ступінь кристалічності. При цьому поліетилен низького тиску за рахунок підбору каталітичних систем, можна одержувати з широким діапазоном густини і регульованим молекулярно-масовим розподілом.

При виборі методу одержання поліетилену необхідно провести порівняння техніко-економічних показників кожного методу.                  

В кінцевому рахунку, визначальними є два фактори: капітальні затрати та собівартість продукції.

Поліетилен високого тиску

У промисловості спосіб одержання поліетилену високого тиску був реалізований у 1933-1943 роках.

 Процес проводять в адіабатичних реакторах трубчатого або автоклавного типу в присутності вільнорадикальних ініціаторів(пероксидів кисню) при тиск 150-350 Мпа і температурі 200-2800С.Одержаний поліетилен має густину 920-930 кг/м3,середню молекулярну масу 80-500 тис. Та ступінь кристалічності 50-65%

 Регулювання густини поліетилену та довжини ланцюга здійснюється за рахунок підбору умов полімеризації (тиску та температури), а також введення різноманітних добавок (водню,пропану,ізобутану.спиртів).

 Високий тиск дозволяє збільшити густину, а отже і концентрації етилену (400-500 разів у порівнянні з атмосферним тиском), що дозволяє одержувати високомолекулярний поліетилен. Реакція сильно екзотермічна –3700 кДж/кг сировини.

 При взаємодії етилену з киснем утворюються пероксидні або гідропероксидні сполуки етилену.

 В промисловості для виробництва поліетилену високого тиску застосовують два типи установок, які відрізняються між собою конструкцією реакторів для полімеризації. Реакторами є трубчаті апарати, які працюють за принципом ідеального витіснення, або вертикальні циліндричні апарати з перемішуючим пристроєм - автоклави з мішалкою, що працюють за принципом ідеального перемішування.

Поліетилен низького тиску

В промисловості поліетилен низького тиску одержують полімеризацією етилену в рідкій чи газовій фазі з використанням  металоорганічних

каталізаторів, які утворюються в результаті реакції хлоридів металів (Ті,Сr,Mo та інш.) з органічними похідними алюмінію. літію, магнію, цинку чи олова.

 Виробництво поліетилену в газовій фазі ведуть при тиску 2,4 МПа і температурі 1000С.Технологічний процес одержання поліетилену складається із наступних стадій: очистка газів, полімеризація етилену, дегазація, грануляція ,розфасовка готового продукту.

 Виробництво поліетилену в рідкй фазі проводять при температурі 70-800С , та тиску 0,3-0,5 МПа  у середовищі органічного розчинника. Полімеризація проходить у присутності каталізаторів: діетилалюміній хлориду і тетрахлориду титану.

 Технологічний процес складається з наступних стадій: приготування каталітичного комплексу, полімеризація етилену, промивка поліетилену, виділення та сушка поліетилену.

 Конверсія етилену-98%. Швидкість полімеризації регулюється концентрацією каталізатора.

Поліетилен середнього тиску

Одержують полімеризацією етилену у розчині при температурі 130-1500С та тиску 3,5- 4 МПа у присутності каталізаторів – оксидів металів різної валентності (Cr, Mo, V),які нанесені на алюмосилікат, що містить 75-90% діоксиду кремнію.

 Процес складається із наступних стадій: підготовка вихідної сировини, полімеризація етилену, концентрування розчину поліетилену, виділення і грануляція полімеру, регенерація розчинника та каталізатора.

Переваги виробництва поліетилену низького тиску на оксидно-металічних каталізаторах: менша токсичність каталізаторів у порівнянні з металоорганічними; можливість багаторазової регенерації каталізатора.

необхідність додаткових операцій, повязаних з виділенням та очисткою полімеру.

Вибір методу виробництва.

На даний час в світі полімеризацією одержують близько ¾ полімерів як гомо так і гетеро ланцюгових. Процес протікає за ланцюговим механізмом. Ланцюговими реакціями називають такі, в яких утворення яких-небудь активних центрів призводить до того, що кожен з них викликає ланцюг послідовних реакцій.

Процес полімеризації включає наступні основні стадії: ініціювання, ріст ланцюга, обрив ланцюга. Ініціювання проходить шляхом приєднання активного центру до молекули мономеру, в результаті чого проходить гемолітичний розрив його реакційних зв’язків. Натомість виникає новий активний центр, що представляє собою вільний радикал:

R  +  CH2 = CH2    R – CH2 – CH2

Ріст ланцюга проходить шляхом приєднання молекули мономеру до новоутвореного вільного радикалу:

R – CH2 – CH2  +  nCH2 = CH2    R – [CH2 – CH2]n CH2 – CH2

Ця стадія переважно протікає швидко і супроводжується виділенням енергії.

Обрив ланцюга є результатом взаємодії двох радикалів і проходить або шляхом рекомбінації макрорадикалів, або шляхом диспропорціонування:

R – CH2 CH2  +  CH2 CH2 – R    R – CH2 CH2 CH2 CH2 – R – рекомбінація

RCH2 CH2  +  CH2 CH2R    RCH2 CH3  +  CH2 = CHR – диспропорціонування

Обрив ланцюга може проходити і в результаті реакції передачі ланцюга. Передачі ланцюга здійснюється при взаємодії ростучого макрорадикалу з молекулами мономеру або полімеру:

R – CH2 CH2  +  RH    R – CH2 CH3  + R 

Утворений активний радикал R реагує з молекулами мономеру і дає початок новому ланцюгу:

R  +  CH2 =  CH2    R – CH2 CH2

Полімеризація етилену при низькому тиску ініціюється комплексними каталізаторами Циглера-Натта і протікає по іонно-координаційному механізму. Найчастіше в якості каталізаторів використовують металоорганічні сполуки алюмінію і хлориду титану. Утворення активної металоорганічної сполуки відбувається наступним чином:

TiCl3  +  Al(C2H5)3  →  Cl2TiC2H5  +  Al(C2H5)2Cl

Ріст полімерного ланцюга здійснюється шляхом приєднання молекули мономеру по зв’язку перехідний метал-вуглець:

 Cl2Ti – CH2 CH3     Bін  Cl2Ti   CH2 CH3      nCH2=CH2

 +      →    |     |               →

  CH2 = CH2      CH2 – CH2          Bp

→  ClTi – [CH2 CH2]n – CH2 CH3

Стадії приєднання молекули мономеру передують її координації на металі із утворенням нестійкого π-комплексу.

Обрив ланцюга проходить в результаті міграції атома водню від β-атома вуглецю до металу з утворенням гідриду перехідного металу і "мертвої" полімерної молекули:       

Cl2Ti – CH2 CH2 – [CH2 CH2]n – CH2 CH3   →

 → Cl2Ti – H  +  CH2 = C – [CH2 CH2]n – CH2 CH3

           H

В деяких випадках вдається зменшити можливість протікання реакції обриву і тоді іонно-кординаційна полімеризація протікає як "жива" полімеризація. В цьому випадку, додаючи в реакцію різноманітні олефіни, одержують кристалічні блокспівполімери. Вони відрізняються за комплексом властивостей від відповідних гомополімерів.

Полімеризацію етилену в газовій фазі проводять в присутності оксихромових або оксититанових каталізаторів Циглера-Натта. Відмінність оксихромових каталізаторів від класичних каталізаторів Циглера-Натта полягає в тому, що вони полімеризують етилен при відсутності активаторів, в особливості алюміній-органічних сполук. При нанесенні на алюмосилікат або силікагель хрому в кількості, що відповідає оптимальній активності каталізатора, після активації було виявлено сполуки хрому, в яких хром мав різну ступінь окислення: Cr+6, Cr+5, Cr+3, Cr+2. невідомим залишилось, яка з цих сполук є потенційним активним центром (АЦ), тобто яка ступінь окислення хрому в активному центрі.

Кожен атом хрому, що знаходиться на поверхні носія, утворює активний центр в тому випадку, якщо кількість хрому в каталізаторі всього 0,1%. Коли в каталізаторі є 0,1% хрому, то приблизно 95% хрому припадає на ступінь окислення Cr+6.

Хром в найвищій ступені окислення може знаходитись на поверхні носія у виді силілхромату або силілдихромату.

> Si – OH    > Si – OH        O

  + H2CrO4     →      Cr  +  2H2O

> Si – OH    > Si – OH        O

або

       O          O

> Si – OH    > Si – O Cr        

  + 2H2CrO4     →            O  +  3H2O

> Si – OH    > Si – O – Cr        

       O            O

Переважно реакція йде з утворенням силілхромату.

Таким чином, потенційним активним центром є Cr+6, однак для утворення центру росту полімерної молекули з можливістю координації і приєднання мономеру по зв’язку CrC необхідно алкілувати і відновити хром, однак попереднє відновлення хрому воднем до Cr+3 або Cr+2 повністю дезактивує каталізатор. Отже, для створення комплексу хрому необхідна його відновна взаємодія з етиленом або іншим вуглевмісним відновником, наприклад СО.

Хоча окисно-хромовий каталізатор є однокомплектною системою (застосовується без активатора), проте реакції росту передує взаємодія з мономером або іншим компонентом реакційного середовища з утворенням зв’язку CrC. Наявність індукційного періоду, що залежить від температури і тиску, також свідчить про необхідність деякого часу для утворення активного центру:

 – Si O         O    CH2   – Si O

      O          Cr           +       →          O           Cr     +     2HCHO

– Si – O        O    CH2   – Si O

Далі полімеризація йде по загальній для іонно-координаційного механізму схемі:

 > С = С <

       +   → Lx – Me+ – C – C – R

Lx – Me – R

Координація мономеру здійснюється на вакантному місці біля хрому з низьким ступенем окислення. На кожному активному центрі утворюється багато тисяч полімерних молекул. При цьому має місце перенос β-гідрид іона:

LxMe – [CH2 CH2]nR   →   LxMeH  +  CH2 = CH – [CH2 CH2]n-1R

Підвищення температури реакції сильно її прискорює, а молекулярна маса продукту різко зменшується.

Одним з можливих способів синтезу поліетилену є полімеризація етилену в газовій фазі в присутності металоорганічних каталізаторів (алкілів металів змінної валентності). Промислове виробництво газофазного поліетилену молоде, тому на сьогоднішній день технологічних розробок процесу є дуже мало. При чому, преважна їх більшість перебуває на стадії досліджень та випробувань, а не впроваджується у промислове виробництво. Тому при виборі технологічної схеми зупинимося на технології, що розроблена американською фірмою "UNION CARBIDE CHEMICALS AND PLASTICS" і діє на калуському заводі "Поліетилен".

За цією технологією процес виробництва поліетилену газофазним методом складається із таких стадій: підготовка сировини, полімеризація, дегазація продукту, регенерація залишкового газу, система добавок в поліетилен і його грануляція, гомогенізація поліетилену і штабелювання на складах.

                                                 ПУНКТ «2»

Характеристика сировини, матеріалів і напівпродуктів.

                                                                                                                                   Таблиця

Назва сировини, матеріалів, напівпродуктів

Міждержавний, державний або галузевий стандарт. Технічні умови, регламент або методика

Показники, обов”язкові

для перевірки

(найменування і одиниця вимірювання)

Регламентовані  значення показників з допустимими відхиленнями

1

2

3

4

Етилен

Технологічний регламент цеху піролізу компримування та розділу пірогазу

об’ємна чаcтка етилену, %

не менше 99,94

тиск, бар абсол.

20.0 – 25.0

об’ємна чаcтка суми метану з етаном, %

не більше 0,10

об’ємна чаcтка суми вуглеводнів С3 і С4, ррm

не більше 50

об’ємна чаcтка ацетилену, ррm

не більше 10

об’ємна частка окису вуглецю, ррm

не більше 5

об’ємна частка двоокису  вуглецю, ррm

не більше 10

об’ємна частка водню, ррm

не більше 10

об’ємна чаcтка загальних карбонілів в перерахунку на МЕК, ррm

не більше 1

об’ємна чаcтка кисню, ррm

не більше 3

масова чаcтка загальної сірки, ррm

не більше 1

масова чаcтка хлору, ррm

не більше 1

об’ємна чаcтка води, ррm

не більше 10

об’ємна чаcтка метанолу, ррm

не більше 1 (при пуску

установки етилену до 5)

об’ємна чаcтка звязаного азоту в перерахунку на азот, ррm

не більше 5

1- Бутен

проект

об’ємна чаcтка бутену-1, %

не менше  99,0

об’ємна чаcтка суми ізобутену з транс-2-бутеном, цис-2- бутеном, п-бутаном та ізобутаном , %

не більше  1,0

об’ємна чаcтка суми 1,3-бутадієну з пропадієном, ррm

не більше  200

об’ємна чаcтка суми метану, етану і пропану, ppm

не більше 300

об’ємна чаcтка метилацетилену, ррm

не більше   10

об’ємна чаcтка двоокису вуглецю, ррm

не більше  10

об’ємна чаcтка окису вуглецю, ррm

не більше  5

об’ємна чаcтка суми карбонілів в перерахунку на МЕК, ррm

не більше  5

об’ємна чаcтка кисню, ррm об

не більше  5

масова частка сполук сірки в перерахунку на сірку, ррm

не більше  1,5

масова частка сполук хлору в перерахунку на хлор, ррm

не більше  1

об’ємна чаcтка води, ррm

не більше  20

об’ємна чаcтка метанолу, ррm

не більше  1

об’ємна чаcтка МТВЕ ррm

не більше  1

Водень

Технологічний регламент відділення очистки та осушення водню цеху СКДМ

№ С-50-96

об’ємна частка водню, %

не менше  98,5

тиск, кПа надл.

не менше 15

об’ємна частка суми азоту з аргоном, %

не більше  1,0

об’ємна частка метану, %

не більше  1,0

об’ємна частка  кисню, %

не більше  0,3

об’ємна частка  суми окису та двоокису вуглецю, ррm

не більше  5

об’ємна частка води, ррm

не більше  5

масова частка сірки та її сполук в перерахунку на сірку, ррm

не більше  1

масова частка ртуті, насиченої водою, ррm

не більше  1

Азот

Технологічний регламент цеху розділення повітря

об’ємна частка азоту, %

не менше  99,9

тиск, кПа надл.

не менше 550

об’ємна частка кисню, ррm

не більше  6

об’ємна частка окису вуглецю, ррm

не більше  1

об’ємна частка двоокису вуглецю, ррm

не більше  10

об’ємна частка води , ррm

не більше  2

об’ємна частка метану і вуглеводнів С2, ррm

не більше  2

масова частка масла

відсутн.

Промислова вода

проект

тиск, кПа абс.

не менше 400

температура, 0С

не більше 28

коефіцієнт забруднення, м2 К/Вт

не більше 0,00034

Каталізатор М-1

ліцензія

масова частка титану, %

від 1,0 до 1,4

масова частка магнію, %

від 1,5 до 2,1

Каталізатор S-2

ліцензія

масова частка алюмінію, %

0,31- 0,43

масова частка хрому, %

0,20-0,28

  Фізико-хімічні властивості поліетилену        Таблиця

Назва властивості (константи) та одиниця

вимірювання

Значення фізичної величини з граничними відхиленнями

Джерело інформації

Зовнішній вигляд

гранули білого кольору діаметром 3 - 5 мм

Ліцензія Union Carbide Chemicals and Plastics Company Inc. № 29  

Густина, кг/м3

від 915 до  965

Ліцензія Union Carbide Chemicals and Plastics Company Inc. № 29  

Насипна вага, кг/м3

не менше 480

Ліцензія Union Carbide Chemicals and Plastics Company Inc. № 29  

Кут насипного конуса, 0

від 20 до 25

Ліцензія Union Carbide Chemicals and Plastics Company Inc. № 29  

Індекс плавкості

0,1 - 100

Ліцензія Union Carbide Chemicals and Plastics Company Inc. № 29  

Температура самозаймання, 0 С

250

Ліцензія Union Carbide Chemicals and Plastics Company Inc. № 29  

4.Опис технологічної схеми

4.1. Підготовка сировини.

4.1.1. Очистка етилену

Система очистки етилену розрахована на те, щоб видалити із нього шкідливі забруднення, такі як ацетилен, окис вуглецю і кисень, двоокис вуглецю, воду і метанол. При цьому необхідно дотримуватися послідовності цих п’яти очисних операцій.

Видалення ацетилену.

Етилен поступає в адсорбер 11, в якому ацетилен гідрується з допомогою водню. В якості каталізатора служить паладій, який працює при 30°С.

Видалення окису вуглецю і кисню.

Для видалення СО і О2 етилен підігрівається в проти точному теплообміннику 21, гарячим етиленом з видаленням кисню або сконденсованою парою з конденсатора 3. В реакторі видалення окису вуглецю 12 окис і двоокис вуглецю окислюється з допомогою зниження подачі каталізатора – окису міді. Етилен, що виходить з видалення СО, йде напряму на видалення О2 в адсорбер 13. Адсорбер 13 заповнений вільним металічно редукованим мідним каталізатором, здатний окислятися.

Видалення двоокису вуглецю.

Видалення СО2 з етилену реалізується в двох ємкостях 41 і 42, які підключені послідовно і перехресно. СО2 вступає в реакцію із засипкою з сухого каустика NaOH і перетворюється в карбонат натрію і воду. При цьому можливе захоплення пилу із шару сухого лугу. Захоплений пил відділяється від потоку етилену фільтром 5.

Сушка етилену.

Після видалення СО2 етилен подається через один із двох осушувачів етилену 61 і 62 на видалення слідів води і метанолу.

Очищений етилен подається на реакцію полімеризації поршневим компресором 71.

4.1.2. Очистка і компресія азоту.

Перед тим, як контактувати з каталізатором полімеризації або вводитись в цикл реакції, азот повинен бути додатково очищений. Для цього він підігрівається парою в підігрівачі 22 в поступає в адсорбер 14 через засипку каталізатора для видалення з нього кисню. Потім азот охолоджується зворотною водою в холодильнику 81 і пропускається через осушувач азоту 63.очищений таким чином азот використовується в реакційній частині. Каталізатор знекиснення азоту 14 треба регенерувати перед першим пуском, а потім регенерувати періодично. Частина очищеного азоту потрібна для підживки каталізатора в поліетиленовий реактор і цикли реакцій. Для цього від стискається в трьохступінчатому поршневому компресорі 72 і подається в буферну ємкість 91.

4.1.3. Очистка і компресія водню.

Водень стискається чотирьохступінчатим поршневим компресором 73 з проміжним холодильником 82 і водними сепараторами 101 і 102. Стиснений водень подається безпосередньо без охолодження через шар каталізатора в абсорбер 15 при 135-170°С на видалення кисню. Далі водень підігрівається в електричному підігрівачі 11 до 350°С і через реактор метанізації 12 подається на видалення СО і СО2. В підключеному після нього холодильнику 84 гарячий водень охолоджується зворотною водою і пропускається через осушувачі водню 64 і 65. Очищений водень поступає в цикл полімеризації.

4.1.4. Очистка і компресія гексену.

З ємкості 13 насосом 141 гексен подають в колону дегазації 15. колона дегазації оснащена клапанними тарілками і зв’язана з головним конденсаторам і буферною ємкістю 92 з вставним пучком кип’ятильника 16. Колона працює при різних тисках, щоб досягнути конденсації верхніх газів із зворотною водою.

Гексен закипає з допомогою пари. Пара, що закипає, проходить через колону дегазації 15. В колоні проходить обмін парів, що піднімаються із стікаючим вниз конденсатом. Через верх колони виводяться на факел легкі, неконденсовані складові. Нагнітальними насосами 142 і 143 качають гексен через осушувачі в систему реакції. Осушувачі 8 і 9 працюють перемінно. Вони видаляють воду, метанол та інші полярні забрудники.

4.2. Полімеризація.

Система реакції складається з реактора 18, холодильника циркуляційного газу 20, компресора циркуляційного газу 19 і насоса циркуляційної води 144.

Газоподібні та інертні компоненти поступають на реакцію полімеризації попередньо очищеними і циркулюють з допомогою компресора 19 через киплячий шар порошку, який містить незначну кількість каталізатора. Теплота полімеризації переноситься на циркуляційний газ і від нього відводиться на окремий холодильник циркуляційного газу 20. Холодильник 20 представляє собою теплообмінник з приварним трубним пучком з трубним виходом для циркуляційного газу і охолоджуючої води зі сторони кожуха. Для холодильника передбачено систему зворотної води з насосом циркуляційної води 144.

Компресор циркуляційного газу 19 – це одноступінчатий компресор з постійною кількістю обертів. Реактор 18 являє собою циліндричну ємність з розширеною верхньою секцією, яка повинна запобігати або знижувати виніс твердих речовин з газового потоку. Розподільча плита з отворами в нижній частині реактора рівномірно розподіляє в реакторі вхідний газ і підтримує порошковий шар.

Властивості продукту контролюються шляхом регулювання умов реакції. Індекс текучості розплаву і густина полімеру регулюються за допомогою співвідношень водень/етилен або спів мономер/етилен. Тиск в системі (24-70 кПа надлишкового тиску) регулюється установкою витрат етилену. Температура в реакторі 80÷115°С. розподіл молекулярної маси може змінюватись з широкого на вузький шляхом заміни каталізатора.

Подачі каталізатора в реактор здійснюється за допомогою двох живильників 171 і 172.

Реактор має дві система відбору продукту. Кожна система відбору складається з ємності відбору продукту 211 і 212 та ємності подачі продукту 221 і 222. При роботі зі змінною послідовністю газ подається між системами відбору зворотно поступальним ходом, щоб витрати мономеру звести до мінімуму.

Шляхом подачі сировини і каталізатора в реактор отримують поліетилен, який накопичується в киплячому шарі і піднімається вверх. Коли рівень шару досягне заданої висоти, автоматично спрацьовує система відбору продукту. Отриманий поліетилен подається на дегазацію для очистки від газу-носія, після чого продукт дегазації гранулюється і пакетується.

5. Матеріальні розрахунки.

Згідно даних калуського заводу "Поліетилен" витрати матеріалів при потужності реактора 100 000 т/рік становить:

- етилен      Ge = 12275 кг/год

- гексен - 1     Gг = 387,5 кг/год

- водень      Gв = 0,3 кг/год

- азот      Gа = 662,5 кг/год

- каталізатор S-2    Gк = 3,125 кг/год

Потужність проектованого виробництва 100 000 т/рік.

Річний фонд робочого часу – 334 дні.

Виробництво неперервне

Вихід по стадіях процесу:

- очистка газів    η1 = 0,998

- полімеризація     η2 = 0,999

- дегазація      η3 = 0,994

- грануляція     η4 = 0,996

- зберігання і гомогенізація   η5 = 1

- упаковка      η6 = 1

ηзаг = η1·η2·η3·η4·η5·η6 = 0,998·0,999·0,994·0,996·1·1 = 0,987

переведемо потужність з т/рік в кг/год:

 кг/год

Щоб забезпечити необхідну продуктивність потрібно один апарат:

 

Рівняння матеріального балансу має вигляд:

Ge + Gг + Gв + Gа + Gк = GПЕ + GВГ , де

Ge , Gг , Gв , Gа , Gк , GПЕ , GВГ – відповідно витрати етилену, гексену, водню, азоту, каталізатора, поліетилену, відпрацьованих газів, кг/год.

Матеріальний баланс по стадіях.

1. Очистка газів.   η1 = 0,998

Завантажено:

  1.  етилен   – 12275 кг
  2.  гексен - 1  – 387,5 кг
  3.  водень   – 0,3 кг
  4.  азот   – 662,5 кг

Одержано:

  1.  етилен очищений

Gе.о. = Gе· η1 = 12275 · 0,998 = 12250,45 кг

  1.  втрати етилену

Gв.е. = GеGе.о. = 12275 – 12250,45 = 24,55 кг

  1.  гексен очищений

Gг.о. = Gг · η1 = 387,5 · 0,998 = 386,73 кг

  1.  втрати гексену

Gв.г. = GгGг.о. = 387,5 – 386,73 = 0,77 кг

  1.  водень очищений

Gв.о. = Gв · η1 = 0,3 · 0,998 = 0,29 кг

  1.  втрати водню

Gв.в. = Gв.Gв.о. = 0,3 – 0,29 = 0,01 кг

  1.  азот очищений

Gа.о. = Gа · η1 = 662,5 · 0,998 = 661,17 кг

  1.  втрати азоту

Gв.а. = Gа.Gа.о. = 662,5 – 661,17 = 1,33 кг

Завантажено вихідної сировини

Найменування продукту

Вміст продукту, %

Густина, кг/м3

Маса, кг

Об’єм, м3

Етилен

Гексен

Водень

Азот

99,85

98,5

98,0

99,9

1,26

673

0,09

1,25

12275

387,50

0,30

662,50

9742,06

0,57

3,33

529,74

Всього

13325,30

10275,71

Одержано чистої сировини

Найменування продукту

Маса, кг

Густина, кг/м3

Об’єм, м3

Етилен очищений

Гексен очищений

Водень очищений

Азот очищений

Втрати етилену

Втрати гексену

Втрати водню

Втрати азоту

12250,45

386,73

0,29

661,17

24,55

0,77

0,01

1,33

1,26

673

0,09

1,25

1,26

673

0,09

1,25

9722,58

0,57

3,32

528,69

19,48

0,001

0,11

1,05

Всього

13325,30

10275,71

2. Полімеризація   η2 = 0,999

Завантажено:

  1.  етилен очищений  – 12250,45 кг
  2.  гексен очищений  – 386,73 кг
  3.  водень очищений  – 0,29 кг
  4.  азот очищений  – 661,17 кг
  5.  каталізатор S-2   – 3,12 кг

Одержано:

  1.  поліетилен

GПЕ = (Gе.о. + Gг.о. + Gв.о. + Gк) · η2

GПЕ = (12250,45 + 386,73 + 0,29 + 3,12) · 0,999 = 12627,96 кг

  1.  відпрацьовані гази

GВГ = (Gе.о. + Gг.о. + Gв.о. + Gк) – GПЕ

GВГ = (12250,45 + 386,73 + 0,29 + 3,12) – 12627,96 = 673,82 кг

Завантажено чистої сировини

Найменування продукту

Вміст продукту, %

Густина, кг/м3

Маса, кг

Об’єм, м3

Етилен очищений

Гексен очищений

Водень очищений

Азот очищений

Каталізатор S-2

99,99

98,55

98,2

99,9

1,26

673

0,09

1,25

232-350*

12250,45

386,73

0,29

661,17

3,12

9722,58

0,57

3,32

528,69

Всього

13301,78

* - насипна густина.

Одержано продукту

Найменування продукту

Маса, кг

Густина, кг/м3

Об’єм, м3

Поліетилен порошкоподібний

Відпрацьовані гази

12627,96

673,82

940

1,26

13,43

634,78

Всього

13301,78

Норми витрат сировини

Матеріал

Витрати

кг/год

кг/добу

т/місяць

т/рік

1. Етилен

2. Гексен

3. Водень

4. Азот

5. Каталізатор

12275

387,5

0,3

662,5

3,12

294600

9300

7,2

15900

75

8838

279

0,216

477

2,25

106056

3348

2,59

5724

27

Технологічні та гідравлічні розрахунки.

Проектована потужність виробництва – 100 000 т/рік.

Продуктивність реактора - полімеризатора по готовому продукту (згідно даних заводу "Поліетилен", м. Калуш) складає 100 000 т/рік.

Кількість реакторів, яка необхідна для забезпечення запроектованої потужності рівна:

   

Відповідно кількість холодильників і компресорів циркуляційного газу також рівна 1.

Розрахунок реактора.

Об’єм реакційної зони Vp знаходимо з виразу:

   , м3

де  τ – час, необхідний для проведення процесу (час реакції), с;

τ = 51,86 с [5]

 Vcоб’ємна продуктивність реактора по сировині, м3/с.

Об’ємна продуктивність по сировині Vc є сумою продуктивності по кожному з компонентів реакції:

G, кг/год

ρ, кг/м3

V, м3/год

- етилен

12275

1,26

9742,1

- гексен

387,5

673

0,6

- водень

0,3

0,09

3,3

- азот

662,5

1,2506

529,7

Vc = 9742,1 + 0,6 + 3,3 + 529,7 = 10275,7 м3/год = 10275,7 / 3600 = 2,85 м3

Звідси об’єм реакційної зони буде рівний:

  Vp = 2,85 · 51,86 = 147,78 м3

Площу поперечного січення апарату визначимо з рівняння витрат:

  , м2

де  w – лінійна швидкість газу, м/с.

Розрахунок лінійної швидкості газу проводимо згідно [6].

Фіктивна швидкість початку псевдо зрідження визначається:

   

де   - критерій Рейнольдса.

- критерій Архімеда.

- в’язкість газу при середній температурі.

- еквівалентний діаметр полідисперсних частинок поліетилену;

- кількість фракцій;

- вміст і-тої фракції, мас долях;

- середній розмір і-тої фракції, м.

Вміст фракцій частинок в матеріалі діаметром від 2,0 до 1,5 мм – 25%, діаметром від 1,5 до 1,0 мм – 75% [5].

Тоді:

 м

Критерій Архімеда рівний:

 

де   - середня густина газу, кг/м3

  - густина частинки поліетилену, кг/м3

Критерій Рейнольдса рівний:

 

Отже, швидкість початку псевдо зрідження буде рівна:

 м/с

Верхня межа допустимої швидкості газу в псевдо зрідженому шарі визначається швидкістю вільного виносу полімерних частинок. Цю швидкість визначають з рівняння:

 , [6]

Критерій Архімеда для частинок поліетилену діаметром 1 мм рівний:

 

Тоді швидкість вільного виносу буде рівна:

  м/с

Робочу швидкість w реакційного газу вибирають в межах від wnc до wв.в. Ця швидкість залежить від граничного числа псевдозрідження:

  

Якщо Кгр > 40 ÷ 50, то робоче число псевдозрідження Кгр = Кw = w / wnc рекомендується вибирати в інтервалі від 3 до 7, а при Кгр < 25 ÷ 30 Kw = 1,5 - 3

  

Отже, Кw вибираємо рівне 2.

Тоді w = Kw · wnc = 2·0,155 = 0,31 м/с

Підставивши значення швидкості газу в рівняння витрат знайдемо площу поперечного січення апарату:

  м2

Мінімальний діаметр апарату визначається:

  м

Висота робочої частини апарату рівна:

  м

Гідравлічний розрахунок.

Гідравлічний розрахунок проводиться за методикою [6].

Прорахуємо гідравлічний опір реактора киплячого шару.

Основну частку загального гідравлічного опору реактора ΔР складає гідравлічний опір псевдозрідженого шару ΔРпс і решітки ΔРр.

  

Величину ΔРпс знаходимо з рівняння:

  

де  Н – висота псевдозрідженого шару, м (Н = 16,079 м [5])

ε – пористість шару (ε = 0,486 м33 [5])

Звідси:

   Па

Для задовільного розприділення газового потоку необхідно зберігати повне січення між гідравлічними опорами шару і решітки. Мінімально допустиме значення гідравлічного опору решітки можна знайти за формулою:

  

Пористість нерухомого шару εо для кулеподібних частинок приймаємо рівною 0,4 [6].

Тоді:

   Па

Гідравлічний опір решітки знаходимо з рівняння:

  ,

де Fcдоля живого січення решітки, яка лежить в межах від 0,02 до 0,1 [6];

ξ – коефіцієнт опору решітки; ξ = 1,75 [6];

   Па

Загальний гідравлічний опір реактора рівний:

   Па

Знаючи загальний гідравлічний опір реактора киплячого шару вибираємо компресор циркуляційного газу: тип компресора – відцентровий одноступінчатий, продуктивністю Q = 24984 м3/год.

7. Теплові розрахунки основного апарату.

Тепловий розрахунок полягає у визначенні кількості тепла, яке необхідно підвести або відвести для здійснення процесу, в обчисленні поверхні теплообміну, а також витрати теплоносіїв і холодоагентів.

Запишемо рівняння теплового балансу у вигляді:

  Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6

де  Q1тепло, що вноситься в апарат з вхідними речовинами, кДж;

 Q2  тепло, що підводиться теплоносіями або відводиться холодоагентами, кДж;

 Q3тепло, що тепловий ефект процесу, кДж;

 Q4тепло, що виноситься з продуктами реакції, кДж;

Q5тепло, що витрачається на нагрів апарату, кДж;

Q6теплові втрати в навколишнє середовище, кДж.

Тг.г – температура гарячого газу, °С;

Тх.г – температура холодного газу, °С;

Тг.в – температура гарячої води, °С;

Тх.в – температура холодної води, °С;

 

Тг.г = 85°С [5]

Тх.г = 27°С [5]

Тг.в = 16°С [5]

Тх.в = 24°С [5]

Рис. Схема руху теплових потоків.

1. Кількість теплоти, що вноситься в апарат з речовинами, що переробляються рівна:

де  Gе, Gг, Gв, Gа, Gк – відповідно маса етилену, гексену, водню, азоту і каталізатора, кг;

Теплоємності етилену, водню і  азоту беремо з таблиці, а теплоємність каталізатора і гексену шукаємо за формулою Коппа:

   

де  Са – атомна теплоємність елементів, що входять в склад молекули:

nчисло однойменних атомів у молекулі;

М – молекулярна маса сполуки.

Каталізатор на 96% вкладається з кремнезему. Тому його теплоємність приблизно рівна теплоємності кремнезему:

   

де   і – атомні теплоємності кремнію і кисню відповідно.

М – молекулярна маса.

  кДж/кг·°С

Теплоємність гексену рівна:

 

Звідси:

2. Тепловий ефект реакції визначається за формулою:

   Q3 = Qp · Ge, кДж

де  Qp – теплота реакції полімеризації етилену

 Qp = 3450 Кдж/кг

 Geмаса етилену, кг.

Звідси:

   Q3 = 3450 · 12275 = 42348750 кДж

3. Теплота, що виноситься з апарату з продуктами реакції рахується за формулою:

    кДж

де  Giмаса і-го продукту, кг;

Сі – теплоємність і-го продукту, кДж/кг·°С

 tiтемпература і-го продукту, °С.

Серед продуктів реакції є поліетилен і відпрацьовані гази, що на 95% складаються з азоту, тому

  кДж

4. Теплота, що витрачається на нагрів апарату.

Виробництво є неперервних, тому теплота, що йде на нагрів апарату витрачається тільки при запуску установки. В стаціонарному режимі роботи апарату ця теплота рівна нулю (Q5 = 0), на стадії запуску:

  , кДж

де  G – маса частин апарату, кг (G = 170000 кг [5]);

С – теплоємність частин апарату, кДж/кг·°С (С = 1,71 кДж/кг·°С [5]);

 t2ст – середня кінцева температура стінки апарату, °С;

 t1ст  середня початкова температура стінки апарату, що рівна температурі зовнішнього середовища, °С.

 t1ст = 18°C

 t2ст = (tгар + tхол) / 2

де  tгар – температура гарячого теплоносія, °С (tгар = 85°С [5]);

 tхол – температура реакційної маси, °С (tхол = 27°С [5]);

 t2ст = (85 + 27) / 2 = 56°С

Звідси:

  кДж

5. Теплові втрати в навколишнє середовище визначаємо за формулою:

   , кДж

де  Fповерхня апарату, що витрачає тепло, м2;

β – коефіцієнт тепловіддачі від стінки апарату в довкілля, Вт/м2·°С

 tз – температура зовнішніх поверхонь стінки апарату, °С;

 tз = 25 °С [5];

 tд – температура довкілля, °С;

 tд = 18 °С [5];

Поверхня апарату рівна:

  , м2

де  Fц – поверхня циліндричної частини апарату, м2;

 Fс.в – поверхня верхньої сферичної частини, м2;

 Fс.д – поверхня сферичного днища, м2;

 Fк – поверхня конічної частини, м2;

Поверхня циліндричної частини апарату рівна:

   

де  Dдіаметр циліндричної частини, м;

 D = 3,454 м

Н – висота циліндричної частини, м;

Н = 16,079 м [5]

  м2

Поверхня конічної частини апарату рівна:

 м2

Поверхня сферичного днищ апарату рівна:

 м2

Поверхня верхньої сферичної частини апарату рівна:

 м2

Тоді, повна поверхня апарату буде рівна:

 м2

Коефіцієнт тепловіддачі рівний:

  

де   - коефіцієнти тепловіддачі конвекцією і випромінюванням відповідно;

Оскільки температура стінок Тст < 200°С, то ми нехтуємо [6].

Тоді:

  

   температура зовнішніх стінок поверхонь апарату, °С;

= 25°С

температура довкілля, °С;

  = 18°С.

 Вт/м2·град

Звідси:

 кДж

6. Теплота, що відводиться холодоагентом рівна:

  

а) на стадії запуску:

б) в стаціонарному режимі:

Для відвожу 36148568 кДж теплоти використовуємо кожухотрубний теплообмінник з використанням в якості холодоагента води.

Розрахунок теплообмінника.

Вихідні дані згідно [5].

  1.  витрати циркуляційного газу – 13325,3 кг/год
  2.  температура гарячого газу – Тг.г = 85°С
  3.  температура холодного газу – Тх.г = 27°С
  4.  температура гарячої води – Тг.в = 24°С
  5.  температура холодної води – Тх.в = 16°С
  6.  кількість теплоти, яка необхідна для відведення від реакційної суміші – Q2 = 36148568 кДж

Переведемо витрату газу з кг/год на кг/с

  G1 = 13325,3 кг/год  = 13325,3 / 3600 = 3,7 кг/с

Середня температура охолоджуючої води:

 t2 = (16+24) / 2 = 20°C

Середня температура газу:

 t1 = t2 + Δtcep

    газ

85°C    →   27°С

   вода

24°С    ←    16°С

Δtб = 61°С  Δtм = 11°С  

Тоді:

 t1 = 02 + 29,2 = 49,2°С

Витрату охолоджуючої води визначаємо:

 м/с

де  С2 – питома теплоємність води при середній температурі, t2 = 20°C.

 t2к, t2п – кінцева і початкова температури охолоджуючої води, °С.

об’ємні витрати газу і води визначаємо:

   

де   – густина газу, кг/м3.

  

  кг/м3

   м3

   

де   – густина води, кг/м3.

   м3

Орієнтовна площа теплообміну, припустивши, що, Кор = 16 Вт/м2·н []

   м2

Вибираємо апарат з турбулентним режимом течії для забезпечення інтенсивного теплообміну. Газ направляємо в трубний простір, а воду – в міжтрубний.

В теплообмінниках з трубами Ø 25х2 мм швидкість подачі газу повинна бути рівною:

  , при Re > 10000

де   – динамічна в’язкість газу, Па·с

  – внутрішній діаметр труби, м.

  м/с

Прохідне січення трубного простору при цьому повинно бути менше

  м2

Поверхня труби буде рівна:

  м2

Мінімальна кількість труб в теплообміннику

  

Вибираємо стандартний теплообмінник з кількістю труб . Поверхня теплообміну при цьому буде рівна:

  м2.

Фактична поверхня теплообміну більша від розрахункової

Fф = 813,7 м2 > Fop = 805,4м2.

Отже, даний холодильник забезпечуватиме нормальне охолодження циркуляційного газу.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13090. Правила школьной жизни. Классный час для первокласников 34 KB
  Классный час для первоклассников Правила школьной жизни Проходя сложный путь социализации ребенок подвергается частым воздействиям окружающей действительности которая выступает как стрессор длительного действия истощающий запас адаптационной энергии. Пробл...
13091. Классный час «Что такое толерантность» 39 KB
  Классный час Что такое толерантность /15 классы/ Классный час проводится волонтёрами-старшеклассниками. Цель: Знакомство и работа с понятием толерантная личность. Здравствуйте дети Меня зовут. Сегодня я пришла пришёл к вам чтобы рассказать вам о дружбе
13092. Классный час «Дружба» 50 KB
  Классный час по теме Дружба 1 класс . ТЕМА: Трудно одному на свете жить. ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ: сердечки из бумаги с правилами дружбы доверяй прощай уважай будь внимателен будь верным береги и одно пустое 7 шт.; белые звёздочки; цветные фл
13093. Классный час «Интернет: да или нет» 91 KB
  Классный час Интернет: да или нет Цели: Формирование информационной культуры школьников представления о плюсах и минусах Интернета на основе игрового диспута. Развитие познавательного интереса творческой активности учащихся. Воспитание уважени...
13094. Классный час «А ну-ка, мальчики!» 70.5 KB
  Классный час к 23 Февраля А нука мальчики Цель: Создать атмосферу праздника в игресоревновании. Задачи: Познакомить детей с родами войск. Развитие памяти внимания организованности самостоятельности умений согласовывать интересы в процессе преодолен...
13095. Классный час «Сталинградская битва в военных фотографиях» 54.5 KB
  Классный час на тему Сталинградская битва в военных фотографиях Цели: Познакомить обучающихся с основными этапами Сталинградской битвы. Подвести обучающихся к пониманию значения героической обороны Сталинграда. Оборудование: проектор экр...
13096. Сталинградская битва. Ты хочешь мира? Помни о войне!. Сталинградская битва 24.89 KB
  Литературно-исторический вечер Ты хочешь мира Помни о войне. Сталинградская битва Цели: углубить знания учащихся о ходе Сталинградской битвы; развивать чувство гордости и сопричастности к прошлому своего народа своей страны; воспитывать патриотические ч
13097. Современный этикет. Классный час 58 KB
  Классный час на тему Современный этикет Цели усвоить основные этические требования в поведении и общении с людьми овладеть навыками культурного поведения. Сегодня мы поговори...
13098. Дружба и отношения между мальчиками и девочками. Классный час 32.5 KB
  Классный час на тему Дружба и отношения между мальчиками и девочками Цель: создавать условия для эмоционального роста детей; углубить представления о гендерном равенстве. Задачи: раскрыть значение понятий мужское дело и женское дело; развивать кул