Хлорирование метана

Процесс совместного получения хлорметанов можно осуществлять в реакторе со стационарным или псевдоожиженным слоем катализатора. Вторая технология более перспективна, она включает следующие стадии: хлорирование в псевдоожиженном слое катализатора; пылеулавливание и отпаривание газов кислотного характера; абсорбция хлороводорода; нейтрализация и осушка рециркулирующего реакционного газа; компримироваиие рециркулирующих газов; ректификация хлорметанов с выделением товарных продуктов.

Хлор и метан подают в реактор в соотношении от 1: 2 до 3,88: 1 в зависимости от того, какое хлорпроизводное желательно получить. Например, при соотношении С1₂: СН₄-1: 2 образуется продукт, содержащий [п% (мол)]: СН₃С1 - 62; СН₂С1₂ - 30; СНС1₃ - 7; СС1₄ - 1; при соотношении С1₂: СН₄ = 3,88: 1 образуется продукт, содержащий только 4% (мол) СНС1₃ и 96% (мол) СС1₄.

Метан и хлор поступают в реактор 1 с псевдоожиженным слоем катализатора. Реактор выполнен из хромоникелевоп стали.

Хлорирование ведут; при 350 °С и атмосферном давлении, время контакта 0,1-20 с. Реакционная смесь проходит систему пылеулавливания (циклон 2) и поступает на нейтрализацию в колонну 3, где отпариваются кислые газы. После этой колонны продукты реакции промывают водой в скруббере 6; при этом получается товарная соляная кислота. Далее газы нейтрализуют раствором щелочи в скруббере 7 и осушают серной кислотой в скруббере 8.

Нейтрализованные газы, содержащие в основном метан и метилхлорид, компримируют и возвращают в реактор на хлорирование. Конденсат после отпаривания кислых газов поступает на ректификацию в колонны 10, 12 и 13, в которых последовательно выделяют метиленхлорид, хлороформ и тетрахлорид углерода.

Для удалении инертных примесей часть реакционного газа после компрессора 9 и скруббера 6 выводят в атмосферу (на схеме не показано). Расход основного сырья на 1 т готового продукта составляет 133 кг метана и 1784 кг хлора.

В процессе на 1 т хлороформа образуется 0,9 т метиленхлорида и 0,5 т тетрахлорида углерода. Кубовые остатки (в основном со стадии ректификации) в количестве 0,01 т на 1 т хлороформа направляют па установку термического обезвреживания. В процессе образуется соляная кислота (примерно 1 т па 1 т хлороформа), которую после очистки от хлорорганических примесей можно применять вместо синтетической. Отработанную серную кислоту (0,1 т на 1 т хлороформа) передают на производство сульфата натрия.

Задание:

Составить и описать технологическую схему процесса хлорирование метана

Составить материальный баланс процесса

Рассчитать технологические технико-экономические показатели

В основу расчета принять следующие реакции:

CH₄+Cl₂>CH₃Cl+HCl

CH₃Cl+Cl₂>CH₂Cl₂+HCl

CH₂Cl₂+Cl₂>CHCl₂+HCl

CHCl₃+Cl₂>CCl₄+HCl

Исходные данные:

Материальный баланс. Схема потоков:

CH₄; Cl₂; природный газ; CH₃Cl; CH₂Cl₂; CHCl₃; CCl₄; CH₄;

примесь Cl₂ Cl₂; прир. газ; примесь Cl₂; HCl

Молярные массы веществ:

Mr (CH₄) = 12+4=16 кг/кмоль

Mr (Cl₂) = 35,45*2=70,9 кг/кмоль

Mr (CH₃Cl) = 12+3+35,45=50,45 кг/кмоль

Mr (CH₂Cl₂) = 12+2+35,45*2=84,9 кг/кмоль

Mr (CHCl₃) = 12+1+35,45*3=119,35 кг/кмоль

Mr (CCl₄) = 12+35,45*4=153,8 кг/кмоль

Mr (HCl) = 1+35,45=36,45 кг/кмоль.

1. m (прод) = 60*1000/24=2500кг/ч

2. Найдем массовый процентный состав продуктов:

на 100 моль смеси:

32 моль CH₄ m=32*16=512кг/ч

18 моль CH₃Cl m = 18*50,45=908,1 кг/ч

25 моль CH₂Cl₂ m = 25*84,9=2122,5 кг/ч

20 моль CHCl₃ m = 20*119,35=2387 кг/ч

5 моль CCl₄ m = 5* 153,8=769 кг/ч

всего: 6698,6 кг/ч

W_мас (СН₄) = 512/6698,6*100% = 7,64%

W_мас (СН₃Cl) = 908,1/6698,6*100% = 13,56%

W_мас (CH₂Cl₂) = 2122,5/6698,6*100% = 31,69%

W_мас (CHCl₃) = 2387/6698,6*100% = 35,63%

W_мас (CCl₄) = 769/6698,6*100% = 11,48%

Состав продуктов:

m_ост (СН₄) =2500*0,0764=191кг/ч

m (СН₃Cl) =2500*0,1356=339кг/ч

m (CH₂Cl₂) =2500*0,3169=792,25кг/ч

m (CHCl₃) =2500*0,3563=890,75кг/ч

m (CCl₄) =2500*0,1148=287кг/ч

W_ост (СН₄) =191/16=11,94кмоль/час

W (СН₃Cl) = 339/50,45=6,72кмоль/час

W (CH₂Cl₂) = 792,25/84,9=9,33кмоль/час

W (CHCl₃) = 890,75/119,35=7,46кмоль/час

W (CCl₄) = 287/153,8=1,87кмоль/час

Прореагировало хлороформа: W_пр (CHCl₃) = W (CCl₄) = 1.87 кмоль/ч

Образовалось хлороформа: W_о (CHCl₃) = W_пр + W = 1.87 + 7.46 = 9.33 кмоль/ч.

Прореагировало хлористого метилена: W_пр (CH₂Cl₂) = W_о (CHCl₃) = 9.33 кмоль/ч.

Образовалось хлористого метилена: W_о (CH₂Cl₂) = W_пр + W = 18.66 кмоль/ч

Прореагировало хлористого метила: W_о (CH₂Cl₂) = W_о (CH₂Cl₂) = 18.66 кмоль/ч.

Образовалось хлористого метила: W_о (CH₂Cl₂) = W_пр + W = 18.66 + 6.72 = 25.38 кмоль/ч.

Прореагировало метана: W_пр (СН₄) = 25.38 кмоль/ч

Всего подано на реакцию: W (СН₄) = W_пр + W_о = 25.38 + 11.94 = 37.32

m_о (СН₄) = 37.32 * 16 = 597.12

Всего подано метана с учетом потерь: m_всего (СН₄) - 100%,

597.12 - 98.7%

m_всего (СН₄) = 597.12 * 100/ 98.7 = 604.88 кг/ч

W (СН₄) = 604.88/16 = 37.81 кмоь/ч

m_п (СН₄) = 604.88 - 597.12 = 7.76 кг/ч

W (СН₄) = 7.76,16 = 0.485 кмоь/ч

Количество превращенного кислорода и образовавшегося HCl:

1 р - я:

W₁ (Cl₂) = W₁ (HCl) = W_о (СН₃Cl) = 25.38 кмоль/ч

2 р - я:

W₂ (Cl₂) = W₂ (HCl) = W_о (CH₂Cl₂) = 18.66 кмоль/ч, 3 р - я:

W₃ (Cl₂) = W₃ (HCl) = W_о (CHCl₃) = 9.33 кмоль, 4 р - я:

W₄ (Cl₂) = W₄ (HCl) = W (CCl₄) = 1.87 кмоь/ч

W_о (Cl₂) = W₃ (HCl) = 55.24 кмоль/ч

m _о (Cl₂) =55.24 * 70.9 = 3916.52 кг/ч

m _о (HCl) = 55.24 * 36.45 = 2013.5 кг/ч

Хлор с учетом избытка:

W_всего (Cl₂) = 2.6 * W_всего (СН₄) = 98.306 кмоль/ч

m_всего (Cl₂) = 98.306 * 70.9 = 6969.9 кг/ч

Избыток:

m_изб (Cl₂) = m_всего (Cl₂) - m_о (О₂) = 6969.9 - 3916.52 = 3053.38 кг/ч

W_изб (Cl₂) = 3053.38/70.9 = 43.07 кмоль/ч

Подано природного газа (примесь метана):

604.88 - 93%

х - 7%

х = m _{(пр. газ)} = 604.88 * 7/93 = 45.53 кг/ч

Подано примесей хлора:

6969.9 - 98.5%

х - 1.5%

х = m_прим (Cl₂) = 6969.9 * 1.5/98.5 = 106.14

Технологические и технико-экономические показатели