









































Besser lernen dank der zahlreichen Ressourcen auf Docsity
Heimse Punkte ein, indem du anderen Studierenden hilfst oder erwirb Punkte mit einem Premium-Abo
Prüfungen vorbereiten
Besser lernen dank der zahlreichen Ressourcen auf Docsity
Download-Punkte bekommen.
Heimse Punkte ein, indem du anderen Studierenden hilfst oder erwirb Punkte mit einem Premium-Abo
Уточните, пожалуйста, тему курсовой работы.
Art: Hausarbeiten
1 / 49
Diese Seite wird in der Vorschau nicht angezeigt
Lass dir nichts Wichtiges entgehen!










































Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет заочного образования Кафедра нефтегазопереработки и нефтехимии Специальность 1-48 01 02 - Химическая технология органических веществ, материалов и изделий Специализация 1—48 01 02 01 - Технология основного органического и нефтехимического синтеза»
По дисциплине «Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза» Тема «Технологический расчет и подбор оборудования установки получения формалина окислительным дегидрированием метанола производительностью по формалину 65000 т/г»
Исполнитель студент 4 курса группы ХТОМ ТНС В.Ю. Шумак И.О.Ф.
Руководитель зав. кафедрой, к.т.н., доцент Д.В. Куземкин должность, ученая степень, ученое звание подпись, дата И.О.Ф.
Курсовая работа защищена с оценкой
Руководитель подпись
Д.В. Куземкин И.О.Ф.
Минск 2025
Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет заочного образования Кафедра нефтегазопереработки и нефтехимии Специальность 1-48 01 02 - Химическая технология органических веществ, материалов и изделий Специализация 1-48 0102 01 - Технология основного органического и нефтехимического синтеза
«УТВЕРЖДАЮ» Заве/шощцй кафедрой Д-В. Кузёмкин «30» мая 2025 г.
ЗАДАНИЕ на курсовую работу по дисциплине «Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза» студенту Шумаку Владиславу Юрьевичу
Руководитель _______ /
Задание принял к исполнению Зо.ег.&ы.г 7 / *
Оглавление
Введение................................................................................................................... 5 1 Аналитический обзор ............................................................................................... 6 1.1 Физико-химические основы процесса........................................................... 6 1.2 Обзор научных журналов по теме процесса глубиной 10 лет .................. 11 1.3 Обзор патентов по теме работы глубиной 10 лет....................................... 1.4 Выводы и рекомендации по результатам аналитического обзора ........ 15 2 Технологическая часть....................................................................................... 17 2.1 Характеристика сырья и производимой продукции................................... 2.2 Описание технологической схемы установки с подробным описанием технологических параметров.................................................................................... 3 Материальный и тепловой баланс стадии контактирования ........................... 22 3.1 Материальный баланс..................................................................................... 22 3.2 Тепловой баланс............................................................................................... 4 Технологический расчет и подбор основного и вспомогательного оборудования.............................................................................................................. 30 4.1 Технологический расчет и подбор основного аппарата ........................... 30 4.2 Технологический и гидравлический расчет теплообменного оборудования.............................................................................................................. 32 4.2.1 Тепловой расчет подконтактного холодильника .............................. 32 4.2.2 Проверочный расчет поверхности теплообмена .............................. 34 4.1.3 Гидравлический расчет подконтактного холодильника .................. 4.3 Расчет и выбор насоса.................................................................................... 42 Заключение................................................................................................................. 46 Список использованной литературы.......................................................................
У^ К Р^ 0 0. 0 0^ п з Изм. Лист № докум. Подпись^ Дата Разраб. Шумак
О г л а в л е н и е
Лит. Лист Листов Пров. Кузёмкин 1 1 Консульт. Куземкин Н.Контр Кузёмкин 1 Б Г Т У^ 1 - 4 8^ 0 1^ 0 2 , 2 0 2 5 Утверд. Кузёмкин
Введение
Г“*ч
Формальдегид - бесцветный газ с резким с резким удушающим запахом. Водный раствор формальдегида (37^40 об. %) известен как формалин. Фор мальдегид является простейшим представителем класса альдегидов и обладает высокой химической активностью, что определяет его широкое использование в качестве исходного сырья в многих синтезах. Основные области применения формальдегида:
У К Р 00.00 п з Изм. Лист № докум. Подпись Дата Разраб. Шумак Лит.^ Лист^ Листов Пров. Кузёмкин 1 1 Консульт. Кузёмкин Введение Н.Контр Кузёмкин^ Ы Т У^ 1-48 01 02, 202Ь Утверд. Кузёмкин
7
акции следует быстро охлаждать после контакта с катализатором во избежа ние дальнейшего разложения формальдегида. На рисунке 1.1 представлена зависимость степени превращения мета нола от температуры процесса при различном времени контакта менее 0,15 с [2].
t ; c а
а -0,075; б - 0,038; в - 0, 1 - х (общая степень превращения); 2 - х (СШО); 3 - х (СО 2 ); 4 - х (СО) 5 - х (Ш) Рисунок 1.1 - Зависимость конверсии метанола от температуры процесса
Из рисунка 1.1 видно, что, чем меньше степень превращения метанола в формальдегид, тем больше выход оксидов углерода и водорода. Скорость каталитической реакции синтеза формальдегида из метанола во много раз превышает скорость дегидрирования этих же веществ [ 2 ]. Для синтеза формальдегида из метанола используется ряд катализато ров: катализаторы на основе серебра, меди, оксидов ванадия, хрома, низко температурный железо-молибденовый катализатор [3]. Исследование каталитических свойств оксидов металлов показало, что их активность возрастает в ряду [4]:
М 0 О 2 < ТЮ 2 < БегОз < СГ 2 О 3 < NiO < V 2 O 5 < МП 2 О 3 < CuO < С 03 О 4
А избирательность (выход формальдегида) уменьшается в ряду [4]:
М0О2 > ТЮ2 > V2O5 > NiO > СГ2О5 > МП2О3 > РегОз > CuO > С03О
Селективность 100 % реакции окисления метанола до формальдегида может обеспечить катализатор на основе тетраоксида сурьмы [5]. Преимуще ством данного катализатора является и возможность его использования в до вольно широком диапазоне температур. Но, несмотря на описанные преиму щества, данный катализатор обладает и рядом недостатков: высокая темпера тура процесса (от 360 °С и выше) и небольшая скорость изотопного обмена кислородом.
Широко распространен процесс получения формальдегида на серебря ном катализаторе [ 6 ]. Данный катализатор чувствителен к примесям и за длительный период работы значительно меняет свои физические свойства. Основным недостатком является высокая температура продуктов на выходе из реактора, что требует быстрого их охлаждения во избежание дальнейшего разложения формальдегида. Также процесс должен осуществляться в при сутствии паров воды для уменьшения отложений кокса на катализаторе. Некоторые оксидные катализаторы - например, оксид молибдена - ха рактеризуется высокой избирательностью, но обладает малой активностью. Оксид железа, наоборот, являясь активным, имеет малую избирательность. В связи с этим именно комбинация нескольких оксидов позволяет добиться и хорошей избирательности процесса, и высокой активности катализатора. Железо-молибденовый катализатор обеспечивает окисление метанола при более низких температурах по сравнению с другими катализаторами. По сравнению с серебром данный катализатор менее чувствителен к загрязнени ям примесями метанола. Снижение активности и избирательности катализа тора наблюдается при повышении рабочей температуры до 400 °С [3]. В промышленности формальдегид получают тремя путями - неполным окислением метана и его гомологов, окислительным дегидрированием мета нола и прямым окислением метанола. На рисунке 1.2 представлена принципиальная технологическая схема установки получения формальдегида окислением метана в присутствии ок сидов азота. Метан
1 - воздуходувка; 2 - топка; 3 - ресивер; 4 - сепаратор; 5 - компрессор; 6 - контактный аппарат; 7 - подогреватель; 8 - реактор; 9 - холодильник; 1 0 - абсорбер; 11 - насос; 12 - емкость для формалина; 13 - скруббер; 14 - змеевиковый холодильник Рисунок 1.2 - Принципиальная технологическая схема установки получения формальдегида окислением метана в присутствии оксидов азота
Смесь исходного и циркулирующего природного газа компрессором 5 через сепаратор 4 после отделения водно-масляной эмульсии подают в реси вер 8. Затем газ смешивают с воздухом и оксидами азота, получаемыми в контактном аппарате 6 путем окисления аммиака на платиновом катализато ре. Соотношение исходного газа и воздуха составляет 1:2. Содержание мета
10
шийся в абсорбере раствор формальдегида (37 мае. %), содержащий для ста билизации 7-12 % метанола, охлаждается в холодильнике 8 и поступает в сборник формалина 9. Непоглощенные газы проходят санитарную башню 10 и вакуум-компрессором 11 подаются в водоотделитель 12 , после чего выбра сываются в атмосферу [ 8 ].
1 - напорный бак метанола; 2 - испаритель; 3 - брызгоуловитель; 4 - перегреватель; 5 - реактор; 6 - холодильник реактора; 7 - абсорбер; 8 - холодильник; 9 - сборник формалина; 10 - санитарная башня; 11 - вакуум-компрессор; 12 - водоотделитель Рисунок 1.3 - Принципиальна технологическая схема установки получения формальдегида окислительным дегидрированием метанола
На рисунке 1.4 представлена принципиальная технологическая схема установки производства формальдегида прямым окислением метанола.
1 , 3 - теплообменники; 2 - турбокомпрессор; 4 - реактор; 5 - котел-утилизатор; 6 - абсорбер; 7 —выносные теплообменники; 8 - сборник формалина Рисунок 1.4 - Принципиальна технологическая схема установки получения формальдегида прямым окислением метанола
Метанол испаряется в теплообменнике 1, обогреваемом реакционной смесью, смешивается с воздухом, нагнетаемым турбокомпрессором 2 и через теплообменник 3 подается в реактор 4. Съем тепла и тепловой режим в реак торе обеспечивается хладагентом, циркулирующим через котел-утилизатор 5. Реакционная смесь, выходящая из реактора 4, охлаждается в теплообменни ках 3 и 1 и поступает в абсорбер 6 , орошаемый водой. Тепло абсорбции отво дится и утилизируется в выносных теплообменниках 7, подогревающих обессоленную воду, подаваемую на абсорбцию и питающую котел-
Формалин
11 Ощтхиеодя газы
11
утилизатор 5, вырабатывающий технологический пар. Образующийся фор малин выводится из нижней части абсорбера и поступает в сборник 8. Часть отходящих из верхней части абсорбера 6 газов смешивается с воздухом перед входом его в реактор для снижения взрывоопасности смеси воздуха с парами метанола, а остальное количество их направляется в печь для дожигания (на схеме не указана) и выбрасывается в атмосферу. Производство формальдеги да по этой схеме работает по замкнутому циклу и в нем отсутствуют отходы, сточные воды и вредные газовые выбросы [ 8 ].
1.2 Обзор научных журналов по теме процесса глубиной 10 лет
В работе [9] исследован процесс получения формальдегида окисления метанола кислородом воздуха с применением промышленного (серебро на пемзе) и опытного (совмещенный серебро на пемзе и чистое серебро 5 : 1 ) катализаторов при различных температурах, с помощью метода определения альдегидных группировок изучена зависимость конверсий от количества по даваемого окислителя при фиксированной температуре. Использование опытного катализатора при температуре 300 °С и при мольном соотношении кислород : метанол 0,15 : 1 лучшие результаты хими ко-технологические показателей процесса, чем при использовании при тех же условиях промышленного катализатора. Результаты показали возможность практического применения совме щенного катализатора серебро на пемзе и чистое серебро. Химико-технологически показатели процесса с использованием опыт ного катализатора немного ниже производственных показателей, однако, температура опытного процесса в два раза ниже - это позволит не только со кратить энергетические затраты, но и увеличить срок службы катализатора и затраты на его регенерацию. Также при меньших температурах процесса в атмосферу выделяются намного меньше вредных веществ, то есть процесс окислительного дегидрирования метанола становится экологичным. В работе [10] выполнено сопоставление двух фундаментальных вари антов конверсии метанола в формальдегид - на металлических (серебряных) и оксидных (железо-молибденовых) катализаторах. Преимущества процесса получения формальдегида на серебряном ка тализаторе:
7 - практически нет ограничений по мощности единичной установки;
13
ра ухудшит отвод тепла, что приведет к увеличению выхода побочных реак ций. Кроме того, следует отметить, что при увеличении размеров реактора увеличивается возможность, и соответственно мощность взрыва, что недопу стимо. Следовательно, при необходимости увеличения единичной мощности установки следует принципиально менять конструкцию реактора. Однако при увеличении скорости и расхода газового потока после реактора действу ющий абсорбер становится неработоспособным, так как достигнута макси мальная пропускная способность на настоящий момент [ 12 ]. В статье [12] были проанализированы закономерности процесса аб сорбции формальдегида. Было установлено, что лимитирующей стадией аб сорбции формальдегида является диффузия в жидкости. Молекулы формаль дегида и его гидратов просто не успевают раствориться в объёме жидкости, создавая тем самым локальное пересыщение по формальдегиду на поверхно сти контакта фаз. Кроме того, за счет того, что процесс абсорбции формаль дегида водой сопровождается выделением тепла, поверхность жидкости при контакте с газом перегревалась, что также снижало движущую силу процесса абсорбции. Следовательно, для эффективной абсорбции формальдегида необходимо обеспечивать достаточный теплоотвод и увеличивать обновле ние поверхности контакта фаз. Для ликвидации брызгоуноса предлагается после стадии абсорбции установить брызготуманоловушку с волокнистыми
^^стать^![13] выполнен анализ закономерностей механизма и кинетики абсорбции формальдегида для перспективного увеличения производительно сти, который показал, что на стадии абсорбции все ступени контакта фаз должны быть не.насадочными, а вихревыми. Необходимы вихревые устрой ства с нисходящим способом взаимодействия фаз, обеспечивающие высокую производительность. При этом по-прежнему необходима мощная циркуляция жидкости с помощью насосов через теплообменники. По-прежнему нужна эффективная брызготуманоловушка. Однако, в действующем насадочном аб сорбере применена брызголовушка, которая по эффективности является са мой плохой из числа известных. Анализ закономерностей процесса абсорб ции формальдегида показал, что работа действующего абсорбера сопровож дается не только большим брызгоуносом, но и интенсивным образованием в газовой фазе тумана формальдегида. При этом концентрация формальдегида в частицах тумана может быть даже больше концентрации формальдегида в продукционном метанолформальдегидном растворе, выходящем из абсорбе ра. Известно, что мелкодисперсный туман в насадочных абсорберах практи чески не улавливается при любой плотности орошения. Для эффективного улова тумана формальдегида из отходящих газов и полной ликвидации брызгоуноса жидкости из абсорбера должна быть установлена брызготума ноловушка с рукавными фильтрующими элементами.
14
1.3 Обзор патентов по теме процесса глубиной 10 лет
В патенте [14] описан способ получения формалина, который включает загрузку воды, загрузку метанола, нагрев полученной водно-спиртовой смеси и признак того, что соответственно общее количество загружаемых компо нентов воду загружают в количестве 53,6-57,1 мае. %, метанол загружают в количестве 4,1-5,6 мае. %, нагрев полученной водно-спиртовой смеси прово дят до температуры 70 °С при смешивании. Затем загружают параформаль дегид в количестве 38,7-38,8 мае. %, нагревают полученную смесь до темпе ратуры 80-85 °С и проводят выдержку смеси 3-5 часов при температуре 80- 85 °С. Техническим изобретением является упрощение и ускорение техноло гического процесса при обеспечении высокого качества целевого продукта. В патенте [15] описан способ получения формальдегида, включающий: окисление метанола воздухом на установке получения формальдегида, полу чение в результате формальдегидсодержащего потока; определение выявлен ного потока формальдегидсодержащего на продуктах потока формальдегида и потока формальдегидного сбросного газа; процесс сброса газа, необяза тельно после обработки установки, фильтрации сброса газа, выполняется на одной или более следующих стадиях: получение синтез-газа, удаление диок сида ^ л е щ р , синтез метанола или синтез мочевины. ^УпатентД [ 16] описан способ получения катализатора окисления мета нола до формальдегида, содержащего смесь, состоящую из Рег(Мо 04 )з/МоОз при атомном отношении молибден : железо 2,5 : 1 и глины или бемита в ко личестве до 15 мае. %, включающий стадии формования зерен катализатора и их последующую термообработку, отличающийся тем, что к Рег(Мо 04 )з/МоОз добавляют сухую глину или бемит, в полученную смесь добавляют воду с получением формовочной пасты с влажностью от 10 до 20 %, формование з.еррн катализатора осуществляют методом экструзии. В^атенг<г^Т7] описан катализатор для окисления метанола до фор мальдегида, содержащий каталитические смеси Ре 2 (Мо 04 )з/МоОз, в которых атомное отношение молибден : железо находится в пределах от 1,5 до 5, а со единение церия, молибдена и кислорода, в количестве от 0,1 до 10 мае. %, по отношен^щ,к чистому церию. В пйёнФе''[18] описан корковый катализатор для окисления метанола в формальдегид, содержащий на инертном непористом носителе по меньшей мере один слой покрытия, которое перед удалением органических составля ющих компонентов содержит оксиды или переводимые в соответствующие оксиды предшествующие соединения молибдена и железа, причем молярное соотношение молибден : железо находится в интервале от 1 : 1 до 5 : 1, а также, в случае необходимости, другие металлические или металлооксидные составляющие или переводимые в соответствующие оксиды предшествую щие соединения; по меньшей мере одно органическое связующее вещество; по меньшей мере один другой компонент, выбранный из группы, состоящей из золя Si 02 или его предшественника, золя А1 2 0з или его предшественника, золя Z r0 2 или его предшественника, золя ТЮз или его предшественника,
16
Таким образом процесс получения формальдегида на серебряном ката
лизаторе является высокоэффективной, отработанной технологией, опти мальной для производства концентрированного формальдегида с высоким выходом.
2 Технологическая часть
2.1 Характеристика сырья и производимой продукции
Характеристика сырья, реагентов, материалов и производимой продук ции установки получения формалина представлена в таблице 2. 1.
Таблица 2.1 - Характеристика сырья, реагентов, материалов и производимой продукции установки получения формалина ______________ _______________ Наименование сырья, реагентов, материалов и производимой продукции
Нормативный документ
Наименование показателей, обязательных для проверки
Технические показатели
1 2 3 4
Технический метанол ГОСТ 2222
Внешний вид (^) зрачная жидкостьБесцветная про Состав, мае. %:
99, 0, Плотность при 20 °С, г/см3 0,791-0, Смешиваемость с водой Без следов помутнения Температурные пределы:
64,0-65, 0,
Массовая доля свободных кислот в пересчете на муравьиную кис лоту, %, не более
0,
Массовая доля альдегидов и кето- нов в пересчете на ацетон, %, не более
0,
Массовая доля летучих соедине ний железа в пересчете на железо, %, не более
0,
Испытание с перманганатом ка лия, мин, не менее 60 Массовая доля хлора, %, не более 0, Массовая доля серы, %, не более 0, Массовая доля нелетучего остатка после испарения, %, не боле 0, Удельная электрическая прово димость, См/м, не более 0,
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Разраб. Шумак
Технологическая часть
Лит. Лист Листов Пров. Кузёмкин 1 5 Консульт. Кузёмкин Н. Контр Кузёмкин^ БГТУ 1-48 01 02, 2025 Утверд. Кузёмкин
Вода
Рисунок 2.1 - Технологическая схема установки получения формалина окислительным дегидрированием метанола
20
Образование формальдегида из метанола происходит в контактном ап парате К-1 при прохождении спирто-водно-воздушной смеси через слой ка тализатора (серебро на алюмосиликатном пористом носителе) при темпера туре 620-670 °С и давлении 0,16 МПа. Контактный аппарат представляет со бой цилиндрический сосуд диаметром 2 м. Катализатор помещен на свобод но лежащую решетку, покрытую двумя слоями платиновой сетки. Разогрев катализатора до 350 °С осуществляют с помощью электронагревателя. Даль нейшее нагревание до 620-700 °С происходит за счет выделяющегося тепла. Для равномерного распределения потока спирто-водно-воздушной сме си в аппарате предусмотрено распределительное устройство в виде эксцен трического (к оси аппарата) кольца, имеющего 24 прорези, размером 250x45 мм, расположенные равномерно по окружности обечайки аппарата, через которые исходная смесь поступает в пространство над катализатором. Смесь вводится в наиболее широкую часть кольца. Контактный аппарат смонтирован на подконтактном холодильнике. Горячие контактные газы (формальдегид, водород, диоксид углерода, метан, азот, пары воды и непрореагировавший метанол) быстро охлаждаются (подвергаются «закалке») в подконтактном холодильнике Х-1 с 620 до 143 °С за счет нагревания спирто-водной смеси в межтрубном пространстве. Температурный режим контактного аппарата регулируют с помощью регу лировочного теплообменника Т-1. Контактные газы после охлаждения в подконтактном холодильнике по ступают в абсорбционную систему, состоящую из трех барботажных холо дильников Х-2/3/4 и абсорбера А-1. Сначала газы поступают в верхнюю ка меру барботажного холодильника первой ступени Х-2. При барботировании газов через охлаждаемый формалин происходит охлаждение паров, конден сация основной части воды и спирта и поглощение значительной части фор мальдегида. Верхняя камера барботажного холодильника разделена на две части перегородкой. Формалин при температуре 20 °С из верхней камеры холодильника че рез гидравлический затвор поступает в сборник Е-1, откуда его откачивают на склад. Не сконденсировавшиеся пары и газы поступают в барботажные холодильники второй ступени Х-3 и третьей ступени Х-4. Охлаждающий агент - вода, последовательно проходящая все холодильники. Отходящие га зы, охлажденные до 25 °С и содержащие следы формальдегида, поступают в колонный абсорбер А-1, орошаемый обессоленной водой. Колонна имеет диаметр 1,4 м и заполнена кольцами Рашига. Кубовая жидкость через узел регулирования подается на смешение с метанолом (на схеме не показано), а часть ее поступает в барботажный холодильник третьей ступени Х -4 на разбавление. Перелив жидкости из холодильника третьей ступени в холодильник второй ступени и далее осуществляется через гидрав лические затворы. Отходящие газы направляют на станцию приготовления инертных газов или в котельную на сжигание.