Учебное пособие: Методические указания 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

Курсовая работа 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.

Курсовая работа, 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.

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.

Таблица 3 .

Варианты исходных данных для расчета установки производства МТБЭ

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.