Хлорирование винилхлорида

Данные о нормах технологического режима и метрологического обеспечения приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Нормы технологического режима и метрологического обеспечения

Наименование стадий процесса, аппараты, показатели режима	Номер позиции прибор на схеме	Единицы измерения	Допускаемые пределы технологич. параметров	Требуемый класс точности измерительных приборов	Примечание
Стадия получение трихлорэтана
1. Прием испаренного хлора из цеха №30 1.1 Линия приема испаренного хлора
- объемный расход, - давление - температура	FТ 4-2 РТ 6-1 ТЕ 5-1	м3/ч МПа 0С	50-400 0,18-0,25 10-45	б= 2,0% класс точности 2,5 класс точности 4
1.2 Буфер испаренного хлора поз. 1 - температура - давление на выходе из буфера 1.2. 1ПК поз. 1, контроль целостности разрывных мембран - давление	ТЕ 5-1 РТ 6-1 РТ 32-1, РI 34	0С МПа МПа	10-45 0,18-0,25 0-0,1	класс точности 2,5 класс точности 4 класс точности 2,5
2. Прием винилхлорида 2.1 Линия приема винилхлорида - давление	РТ 60-1	МПа	не более 0,6	класс точности 2,5
2.2 Выход винилхлорида из теплообменника поз. 03 - температура	РТ 60-1	0С	минус 20-20	класс точности 4
2.3 Емкость поз. 011-3 - давление - температура - уровень	PТ 50-1,52-1 ТЕ 56-1,58-1 LТ 55-1, LТ 57-1	МПа 0С %	не более 0,60 минус 20-20 не более 80	класс точности 2,5 б =1,2% б =2,5%
3. Загрузка агидола в бачок поз. 5 - масса		кг на тонну	0,0072
4. Расходная емкость поз. 41,2 - давление - температура - уровень	PТ 2-1, РI 33 ТЕ 3-1 LТ 1-1	МПа 0С %	0,250,05 минус 20-20 не более 80	класс точности 2,5 б = 1,2% б = 2,5%
5. Дегидратор поз. 61, - давление винилхлорида на входе - давление винилхлорида на выходе	РТ 8-2 РТ 8-2, РI 37	МПа МПа	0,20,05 0,20,05	б = 2,0% б = 2,0%
6. Испарение винилхлорида поз. 7 - давление - температура: а) в аппарате б) на выходе из аппарата - уровень	РТ 14-1 ТЕ 12-1 ТЕ13-1 LТ 11-2	МПа 0С 0С %	0,12-0,25 5-15 20-35 20-80	б = 2,0% б = 1,0% б = 1,0% б = 2,5%
7. Реактор получения трихлорэтана поз. 81-3
7.1 Подача газообразного винилхлорида - объемный расход	FТ 18-2	м3/ч	50-350	б= 2,0%
7.2 Подачи испаренного хлора - объемный расход - давление - температура	FТ 17-2 PI-49 ТI - 61	м3/ч МПа 0С	50-350 0,15-0,25 10-45	б= 2,0% класс точности 2,5 б= 1,1%
7.3 Температура	ТЕ 20-1	0С	20-40	б= 1,3%
7.4 Рубашка реактора поз. 81-3 - давление - температура - уровень	РТ 49-1 ТЕ 21-1 LТ 22-1	МПа 0С %	не более 0,30 минус 10-20 75-85	класс точности 1,5 б = 1,0% б= 1,3%
8. Отмывка трихлорэтана
8.1 Приемная емкость поз. 16 - уровень  8.2 Эжектор поз. 121-4 - объемный расход трихлорэтана - объемный расход раствора едкого натра	LТ 28-1 FЕ 9-1 FЕ 10-1	%, л/ч м3/ч	не более 80 100-2500 1-10	б = 2,0% класс точности 2,5 б = 3,5%
8.3 Емкость поз. 131-4 - уровень	LТ 27-1	%	не более 80	б = 1,6%
9. Очистка абгазов, содержащих хлор и хлористый водород
9.1 Подача азота в воздушку реактора поз. 81-3, емкостей поз. 131-4, 16, сепаратора поз. 171,2
- объемный расход 9.2 Скруббер поз. 191,2 - объемный расход раствора едкого натра - давление - уровень	FI 15-1, FI 16-1, FI 24-1 FЕ 29-1 РI 62 LТ 31-1	м3/ч м3/ч МПа %	0,7-2,5 1-10 0,0008 30-80	класс точности 2,5 б = 3,5% б = 2,0% б = 2,0%
10. Коллектор пара	РТ 46-1	МПа	0,40,05	б =3,5%
11. Коллектор холода а) прямой - давление - температура б) обратный - температура	РТ40-1 ТЕ 39-1 ТI 45	МПа 0С 0С	не менее 0,3 минус 25 - минус 20 не более минус 20	б =2,0% б = 2,4% класс точности 2,5

4 Технико-технологические работы

4.1 Технологический расчет основного аппарата

Материальный баланс основной и вспомогательной стадии

Расчет материального баланса стадии синтеза

Исходные данные

Производительность по 1,1,2 - трихлорэтану техническому - 16000 т/год

Эффективный фонд времени - 8256 ч

Степень конверсии винилхлорида - 97,5%

Избыток хлора - 4% от стехиометрии по 1 реакции

Потери трихлорэтана - 1%

Таблица 4.1 - Состав исходного сырья

Наименование сырья	Содержание, %
1) Винилхлорид, в том числе	100
- винилхлорид - влага - этилхлорид	94,16 0,0444 5,7956
2) Хлор испаренный, в том числе	100
- хлор - влага	99,98 0,02

Содержание 1,1,2 - трихлорэтана в сырце - 94%

Селективность винилхлорида по:

1 реакции - 96,62%;

2 реакции - 0,04%;

3 реакции - 1,55%;

4 реакции - 1,44%;

5 реакции - 0,35%.

При хлорировании винилхлорида протекаю следующие реакции

1) СН₂ = СНС1+ С1₂ > СН₂С1 - СНС1₂

62,5 71 133,5

2) СН₂ = СНС1+ 2С1₂ > СН₂С1 - СС1₃ + НС1

62,5 142 168 36,5

3) СН₂ = СНС1+ 2С1₂ > СНС1₂ - СНС1₂ + НС1

62,5 142 168 36,5

4) СН₂ = СНС1+ НС1> СН₃ - СНС1₂

62,5 36,5 99

5) СН₂ = СНС1+ С1₂ > СНС1= СНС1 + НС1

62,5 71 97 36,5

Выход цис - 1,2 - дихлорэтилена - 37,74%

Выход транс - 1,2 - дихлорэтилена - 62,26%

6) 4Н₂О + СаС1₂ > СаС1₂ * 4Н₂ О

18 111 183

7) Н₂О + С1₂ > НOCl + НС1

18 71 52,5 36,5

Расчет

Определяем часовую производительность

16000000/8256 = 1937,98 кг/ч

Определяем производительность с учетом потерь

1937,98 * 1,01 = 1957,36 кг/ч

Определяем количество потерь

1957,36 - 1937,98 = 19,38 кг/ч

Определяем производительность по 94% 1,1,2 - ТХЭ - сырцу

1957,36 * 94/100 = 2082,29 кг/ч

Определяем количество примесей в сырце

2082,29 - 1957,36 = 124,93 кг/ч

Определяем количество ВХ вступившего в 1-реакции

1957,36 * 62,5/133,5 = 916,36 кг/ч

Определяем количество винилхлорида с учетом селективности 96,62% по 1-реакции 916,36/0,9662 = 948,42 кг/ч

Определяем количество ВХ вступившего во 2 - реакцию

948,42 * 0,04/100 = 0,38 кг/ч

Определяем количество ВХ вступившего в 3-реакцию

948,42 * 1,55/100 = 14,70 кг/ч

Определяем количество ВХ вступившего в 4-реакцию

948,42 * 1,44/100 = 13,62 кг/ч

Определяем количество ВХ вступившего в 5-реакцию

948,42 * 0,35/100 = 3,36 кг/ч

Определяем количество ВХ с учетом его степени конверсии

948,42/0,975 = 972,74 кг/ч

Определяем количество не прореагировавшего ВХ

972,74 - 948,42 = 24,32 кг/ч

Определяем количество ВХ с учетом его степени чистоты

972,74* 94,16/100 = 1033,07 кг/ч

Определяем количество влаги в ВХ

1033,07 * 0,0444/100 = 0,45 кг/ч

Определяем количество этилхлорида в ВХ

1033,07 - 972,74 - 0,45 = 59,88 кг/ч

Определяем количество хлора вступившего в 1-реакцию

916,36 * 71/62,5 = 1041,00 кг/ч

Определяем количество хлора с учетом избытка

1041,00 * 1,04 = 1082,64 кг/ч

Определяем избыток хлора

1082,64 -1041,00 = 41,64 кг/ч

Определяем количество хлора вступившего во 2-реакцию

0,38 * 142/62,5 = 0,86 кг/ч

Определяем количество хлора вступившего в 3-реакцию

14,70 * 142/62,5 = 33,40 кг/ч

Определяем количество хлора вступившего в 5-реакцию

3,36 * 71/62,5 = 3,82 кг/ч

Определяем количество хлора с учетом его чистоты

1082,64 * 99,98/100 = 1082,85 кг/ч

Определяем количество влаги в хлоре

1082,85 - 1082,64 = 0,21 кг/ч

Определяем количество 1,1,1,2 - тетрахлорэтана в сырце

0,38 * 168/62,5 = 1,02 кг/ч

Определяем количество 1,1,2,2 - тетрахлорэтана в сырце

14,70 * 168/62,5 = 39,51 кг/ч

Определяем количество 1,1 - дихлорэтана в сырце

13,62 * 99/62,5 = 21,57 кг/ч

Определяем количество 1,2 - дихлорэтилена

3,36 * 97/62,5 = 5,21 кг/ч, из них

Цис - дихлорэтилена 5,21* 37,5/100 = 1,95 кг/ч

Транс - дихлорэтилена 5,21 * 62,5 /100 = 3,26 кг/ч

Определяем количество образовавшегося хлористого водорода по 2-реакции

0,38 * 36,5/62,5 = 0,22 кг/ч

Определяем количество образовавшегося хлористого водорода по 3-реакции

14,70 *36,5/62,5 = 8,59 кг/ч

Определяем количество образовавшегося хлористого водорода по 5-реакции

3,36 * 36,5/62,5 = 1,97 кг/ч

Определяем количество хлористого водорода прореагировавшего по 4-реакции

13,62 * 36,5/62,5 = 7,95 кг/ч

Определяем количество необходимого хлористого кальция для осушки ВХ от влаги 0,45 * 111/72 = 0,69 кг/ч

Определяем количество отработанного хлористого кальция

0,45 * 183/72 = 1,14 кг/ч

Определяем количество хлора прореагировавшего по 7-реакции

0,21 * 71/18 = 0,83 кг/ч

Определяем количество образовавшегося хлорноватистого водорода по 7-реакции 0,21 * 52,5/18 = 0,61 кг/ч

Определяем количество образовавшегося хлористого водорода по 7-реакции

0,21 * 36,5/18 = 0,43 кг/ч

Определяем общее количество не прореагировавшего хлора

41,64 - 0,86 - 33,40 - 3,82 - 0,83 = 2,73 кг/ч

Определяем общее количество выделившегося хлористого водорода

0,22 + 8,59 + 1,97 + 0,43 - 7,95 = 3,26 кг/ч

Определяем содержание компонентов в абгазах:

а) хлора - 0,31% от не прореагировавшего количества

0,31/100 * 2,73 = 00,1 кг/ч

б) хлористого водорода - 65,2% от оставшегося количества

65,2/100 * 3,26 = 2,12 кг/ч

в) винилхлорида - 14,24% от не прореагировавшего количества

14,24/100 * 24,32 = 3,46 кг/ч

г) 1,1 - дихлорэтана 2,56% от количества образовавшегося по 4-реакции

2,56/100 * 21,57 = 0,55 кг/ч

Определяем потери 1,1,2 - трихлорэтана на стадии синтеза. Количество потерь составляет 15% от общего количества потерь

15/100 * 19,38 = 2,91 кг/ч

Таблица -4.2. Материальный баланс получения 1,1,2 - трихлорэтана

Приход	кг/ч	%	Расход	кг/ч	%
1. Винилхлорид, в том числе: - винилхлорид - вода - этилхлорид	1033,07 972,74 0,45 59,88	100 94,16 0,0444 5,7956	1. Трихлорэтан, в том числе: - 1,1,2 трихлорэтан - транс 1,2 дихлорэтилен - цис 1,2 дихлорэтилен - 1,1 дихлорэтан - 1,1,1,2 тетрахлорэтан -1,1,2,2 тетрахлоэтан - хлор - хлористый водород - хлорноватистый водород - винилхлорид - этилхлорид	2082,29 1954,45 1,95 3,26 21,01 1,02 39,51 2,72 1,14 0,61 20,86 35,75	100 93,86 0,09 0,15 1,00 0,05 1,90 0,13 0,05 0,03 1,00 1,74
2. Хлор испаренный, в том числе - хлор - вода	1082,85 1082,64 0,21	100 99,98 0,02	2. Хлористый кальций, в том числе: - хлористый кальций - влага	1,14 0,69 0,45	100 60,52 39,48
3. Хлористый кальций	0,69	100	3. Абгазы, в том числе: - этилхлорид - хлор - винилхлорид - хлористый водород -1,1 дихлорэтан	30,27 24,13 0,01 3,46 2,12 0,55	100 79,71 0,03 11,43 7,00 1,83
			4. Потери 1,1,2 - трихлорэтана	2,91	100
Итого	2116,61		Итого	2116,61

Расчет материального баланса вспомогательной стадии

(промывки 1,1,2 - трихлорэтана, очистки абгазов и нейтрализации сточных вод)

Исходные данные

Концентрация щелочи (NаОН) - 1,5%;

Концентрация гидросульфида натрия - 24%;

Избыток щелочи 4-х кратный на основные реакции (1,2,3 реакция)

Избыток гидросульфида натрия - 1,6% от стехиометрии

Омылению подвергается:

а) 69,7% - 1,1,2 - трихлорэтана, от количества потерь;

б) 6,9% - 1,1,1,2 - тетрахлорэтана, от количества образовавшегося;

в) 6,9% - 1,1,2,2 - тетрахлорэтана, от количества образовавшегося.

Протекающие реакции

1) NaOH + НС1 > NaCl + H₂О

40 36,5 58,5 18

2) С1₂ + 2NaOH > NaCl + NaOCl + H₂О

71 80 58,5 74,5 18

3) НОС1 + NaOH > NaOCl + H₂О

52,5 40 74,5 18

4) СН₂С1 - СНС1₂ + NaOH > СН₂ = СС1₂ + NаСl + H₂О

133,5 40 97 58,5 18

5) СН₂С1 - СС1₃ + NaOH > СНС1= СС1₂ + NаСl + H₂О

168 40 131,5 58,5 18

6) СНС1₂ - СНС1₂ + NaOH > СНС1= СС1₂ + NаСl + H₂О

168 40 131,5 58,5 18

7) 4NaOCl + NaНS+ NaOH > 4NаСl + Nа₂ SО₄ + H₂О

298 56 40 234 142 18

Расчет

Определяем количество едкого натра пошедшего на:

1 реакцию 3,26 * 40/36,2 = 3,57 кг/ч

2 реакцию 2,73* 80/71 = 3,06 кг/ч

3 реакцию 0,61 * 40/52,5 = 0,46 кг/ч

Определяем количество щелочи на основные реакции

3,57 + 3,06 + 0,46 = 7,09 кг/ч

Определяем количество щелочи с учетом избытка

7,09 * 4 = 28,36 кг/ч

Определяем избыток щелочи

28,36 - 7,09 = 21,27 кг/ч

Определяем количество 1,5% раствора щелочи

28,36 * 1,5/100 = 1890,66 кг/ч

Определяем количество воды для приготовления 1,5% раствора щелочи

1890,66 -28,36 = 1862,3 кг/ч

Определяем потерю щелочи на:

4 реакцию 19,38 * 0,697 * 40/133,5 = 4,04 кг/ч

5 реакцию 39,51 * 0,069 *40/168 = 0,65 кг/ч

6 реакцию 1,02 * 0,069 * 40/168 = 0,01 кг/ч

Определяем количество образовавшегося винилиденхлорида

13,50 * 97/133,5 = 9,81 кг/ч

Определяем количество образовавшегося трихлорэтилена по:

5 реакции 2,72 *131,5/168 = 2,13 кг/ч

6 реакции 0,07 * 131,5/168 = 0,05 кг/ч

Определяем общее количество образовавшего трихлорэтилена

2,13 + 0,05 = 2,18 кг/ч

Определяем количество получившегося хлористого натрия по:

1 реакции 3,26 * 58,5/36,5 = 5,22 кг/ч

2 реакции 2,72 *58,5/71 = 2,24 кг/ч

4 реакции 13,50 * 58,5/133,5 = 5,91 кг/ч

5 реакции 2,72 * 58,5/168 = 0,94 кг/ч

6 реакции 0,07 * 58,5/168 = 0,02 кг/ч

Определяем количество образующегося гипохлорида натрия по:

2 реакции 2,72 * 74,5/71 = 2,85 кг/ч

3 реакции 0,61 * 74,5/52,5 = 0,86 кг/ч

Определяем общее количество гипохлоридов натрия

2,85 + 0,86 = 3,71

Определяем количество образующейся воды по:

1 реакции 3,26 * 18/36,5 = 1,61 кг/ч

2 реакции 2,72 * 18/71 = 0,69 кг/ч

3 реакции 0,61 * 18/52,5 = 0,21 кг/ч

4 реакции 13,50 * 18/133,5 = 1,82 кг/ч

5 реакции 2,72 * 18/168 = 0,3 кг/ч

6 реакции 0,07 * 18/168 = 0,01 кг/ч

7 реакции 3,71 * 18/298 = 0,23

Определяем потерю щелочи на 7-реакцию

3,71 * 40/298 = 0,5 кг/ч

Определяем общее количество щелочи в сточной воде

28,36 - 7,09 - 4,04 - 0,65 - 0,01 - 0,5 = 16,07 кг/ч

Определяем количество гидросульфида натрия необходимого для разложения гипохлоридов 3,71 * 56/298 = 0,7 кг/ч

Определяем количество гидросульфида натрия с учетом избытка

0,7 * 1,016 = 0,71 кг/ч

Избыток гидросульфида натрия составит

0,71 -0,7 = 0,01 кг/ч

В пересчете на 24% раствор гидросульфида натрия, его количество составит

0,71 /0,24 = 2,96 кг/ч

Определяем количество воды в растворе гидросульфида натрия

2,96 - 0,71 = 2,25 кг/ч

Определяем количество хлорида натрия образующегося по 7-реакции

3,71 * 234/298 = 2,91 кг/ч

Определяем общее количество хлорида натрия в сточной воде

5,22 + 2,24 + 5,91 + 0,94 + 0,02 + 2,91 = 17,24 кг/ч

Определяем общее количество воды

1862,3 + 1,61 + 0,69 + 0,21 + 1,82 + 0,3 + 0,01 + 0,23 + 2,25 = 1869,42 кг/ч

Определяем содержание компонентов в сточной воде:

а) трихлорэтилена - 2,25% от общего количества образовавшегося

2,25/100 * 2,18 = 0,05 кг/ч

б) 1,1,2 - трихлорэтана - 0,3% от количества потерь

0,3/100 * 19,38 = 0,06 кг/ч

в) воды - 99,944 от общего количества

1869,42 * 99,944/100 =1868,37 кг/ч

г) винилхлорида - 0,38% от количества в ТХЭ-сырце

0,38/100 * 20,86 = 0,08 кг/ч

д) винилиденхлорид - 0,5% от количества образовавшегося

0,5/100 * 9,81 = 0,05 кг/ч

Определяем содержание компонентов в абгазах:

а) винилхлорида - 28,48% от не прореагировавшего количества

28,48/100 * 24,32 = 6,92 кг/ч

б) винилиденхлорида - 5,06% от количества образовавшегося

5,06/100 * 9,81 = 0,5 кг/ч

в) трихлорэтилена - 17,5% от количества образовавшегося

17,5/100 * 2,18 = 0,38 кг/ч

Определяем общее количество потерь 1,1,2 - трихлорэтана. Количество потерь составляет 30% от общего количества потерь

30/100 * 19,38 = 5,82 кг/ч

Таблица -4.3 Материальный баланс промывки 1,1,2 - трихлорэтана, очистки абгазов и нейтрализации сточных вод

Приход	кг/ч	%	Расход	кг/ч	%
1. Трихлорэтан, в том числе: - 1,1,2 трихлорэтан - транс 1,2 дихлорэтилен - цис 1,2 дихлорэтилен - 1,1 дихлорэтан - 1,1,1,2 тетрахлорэтан -1,1,2,2 тетрахлоэтан - хлор - хлористый водород - хлорноватистый водород - винилхлорид - этилхлорид	2082,29 1954,45 1,95 3,26 21,01 1,02 39,51 2,72 1,14 0,61 20,86 35,75	100 93,86 0,09 0,15 1,00 0,05 1,90 0,13 0,05 0,03 1,00 1,74	1. Трихлорэтан, в том числе: - 1,1,2 трихлорэтан - транс 1,2 дихлорэтилен - цис 1,2 дихлорэтилен - 1,1 дихлорэтан - 1,1,1,2 тетрахлорэтан -1,1,2,2 тетрахлоэтан - винилхлорид - винилиденхлорид - трихлорэтилен - вода - этилхлорид	2061,68 1937,98 1,95 3,26 21,01 0,95 36,79 17,32 9,26 1,75 1,05 30,36	100 94,00 0,09 0,15 1,02 0,04 1,78 0,84 0,45 0,08 0,05 1,50
2. Абгазы, в том числе: - этилхлорид - хлор - винилхлорид - хлористый водород -1,1 дихлорэтан	30,27 24,13 0,01 3,46 2,12 0,55	100 79,71 0,03 11,43 7,00 1,83	2. Сточная вода, в том числе: - гидроксид натрия - хлорид натрия - гидросульфид натрия - сульфат натрия - вода - винилхлорид - винилиденхлорид - 1,1,2 - трихлорэтан - трихлорэтилен	1903,70 16,07 17,24 0,01 1,77 1868,37 0,08 0,05 0,06 0,05	100 0,84 0,90 0,0005 0,09 98,14 0,004 0,0026 0,0031 0,0026
3. Раствор едкого натра, в том числе: - гидроксид натрия - вода	1890,66 28,36 1862,30	100 1,5 98,5	3. Абгазы, в том числе: - этилхлорид - винилхлорид - винилиденхлорид -1,1 дихлорэтан - трихлорэтилен	37,87 29,52 6,92 0,5 0,55 0,38	100 77,95 18,27 1,32 1,45 1,01
4. Раствор гидросульфида натрия, в том числе - гидросульфид натрия - вода	2,96 0,71 2,25	100 24 76	4. Потери 1,1,2 - трихлорэтана	5,82	100
5. Потери 1,1,2 - трихлорэтана	2,91	100
Итого	4009,09		Итого	4009,09

Расчет объема

Режим работы - непрерывный

Температура реакционной смеси - 30 °С

Давление - атмосферное

Реактор представляет собой цилиндрический аппарат с двухъярусной мешалкой.

Определяем реакционный объем

? = Vp/?[42]

где Vp - реакционный объем, м³;

? - объемная скорость, м³/с;

т - эффективное время пребывания (40-48 часов)

Объемная скорость определяется по объему продукта выходящего из реактора в единицу времени.

? = Q/?

где р - плотность реакционной смеси, кг/м³;

Q - выход продукта, кг/ч.

? =2082,29/1424 = 1,5 м³/ч

V = ? * ?

V = 48 * 1,5 = 72 м³

Принимаем к установке реактор, аналогично действующему на производстве с следующими характеристиками:

- полным объемом 37,1 м³,

- реакционный объем 32,1 м³.

Рассчитаем количество реакторов

n = V/V_р

n = 72/32,1 = 2,3

Принимаем к установке 3 реактора.

Расчет поверхности теплообмена реактора

Определяем критерий Прандтля

Рr = ?_ТХЭ * С_ТХЭ / ?_ТХЭ

где ? - вязкость ТХЭ, Па * с;

С - удельная теплоемкость ТХЭ, Дж/кг * К;

?_с - коэффициент теплопроводности ТХЭ, Вт/м * К.

Рr = 1,01 * 10^-3 * 1,113 * 10³ / 0,135 = 8,32

Определяем число Рейнольдса

Rе = ? * d² * ?_ТХЭ /?_ТХЭ

где ? - окружная скорость мешалки ? = 4 м/с;

d - диаметр лопастей мешалки, м;

? - плотность ТХЭ, кг/м³;

? - вязкость ТХЭ, Па * с.

Rе = 4 * 1² * 1424/1,01 * 10^-3 = 5,64 * 10⁶

Определяем критерий Нуссельта, при перемешивании реакционной массы мешалкой

Nu = 0,021 * Rе_м^0.8 * Pr^0.43* p_r /p_ст

Расчёт коэффициента теплоотдачи ведется без учёта влияния направления теплового потока, т.е. пренебрегаем отношением p_r /p_ст

Nu = 0,021 * (5,64 * 10⁶)^0.8 * 8,32^0.43 = 13149,087

Определяем коэффициент теплоотдачи от реакционной массы к стенке аппарата

?_ТХЭ = Nu ? ?_ТХЭ /D

где D - диаметр реактора, м.

?_ТХЭ = 13149,087 * 0,135/2,8 = 634,00 Вт/м² ? К

Определяем критерий Прандтля

Рr = ?_ВХ * С_ВХ / ?_ВХ

где ? - вязкость ВХ, Па * с;

С - удельная теплоемкость ВХ, Дж/кг * К;

?_с - коэффициент теплопроводности ВХ, Вт/м * К.

Рr = 0,278 * 10^-3 * 1,146 * 10³ / 0,138 = 2,3

Определяем число Рейнольдса

Rе = ? * d² * ?_ВХ /?_ВХ

где ? - линейная скорость движения ? = 0,5 м/с;

d - эквивалентный диаметр рубашки, м.

Rе = 0,5 * 0,372 * 983 / 0,278 * 10^-3 = 657,7 * 10³

Определяем критерий Нуссельта

Nu = 0,021 * Rе^0.8 * Pr^0.43

Nu = 0,021 * (657,7 * 10³) ^0.8 * 2,3^0.43 = 1355,77

Определяем коэффициент теплоотдачи от винилхлорида к стенке аппарата

?_ВХ = Nu * ?_ВХ /D

где D - диаметр рубашки, м.

?_ВХ = 1355,77 * 0,138/3,2 = 584,6 Вт/м² ? К

Определяем коэффициент теплопередачи

где r₁ - тепловое сопротивление загрязнений со стороны реакционной массы, Вт/м² ? К;

? - толщина стенки корпуса, м;

? - коэффициент теплопроводности стенки реактора, Вт/м ? К;

r₂ - тепловое сопротивление загрязнений со стороны охлаждающего ВХ,

Вт/м² ? К.

= 237,65 Вт/м² ? К

Тепловую нагрузку реактора берем из теплового баланса.

Определяем поверхность теплообмена

F = Q/K?t_ср

где Q - тепловая нагрузка на реактор, кДж/час;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/м² * К;

t_ср - средняя разность температур между хладоагентом омывающим стенки аппарата и реакционной зоной, С^о.

F = 3022808,14 * 1000/237,65 * 47,5 * 3600 = 74,3м²

Принимаем к установке действующие реактора на данном производстве т.е. 3 реактора с площадью теплообмена 40 м² каждый.

4.2 Конструктивно-механический расчет основного аппарата

Расчёт мешалки

Для перемешивания реакционной смеси применяется турбинная открытая двухъярусная мешалка с различными диаметрами.

Расчет турбинной открытой мешалки

D_м = 900 мм

h = 0,2 Dм = 180 мм

l = 0,25 Dм = 225 мм

D_д = 0,75 Dм = 675 мм

Принимаем окружную скорость мешалки ? = 4 м/с

Частота вращения мешалки определяется по формуле

n = ?/? * D_М

n = 4/3,14 * 0,9 = 1,14 сек^-1

Принимаем частоту вращения мешалки

n = 2 сек^-1 = 120 об/мин

Центробежный критерий Рейнольдса определяем по формуле

Re_Ц = ?_С * n * Dм²/ µ_С

где ?_С - плотность смеси, кг/м³;

n - частота вращения мешалки, с^-1;

Dм - диаметр мешалки, м;

µ_С - вязкость перемешиваемой смеси, Па*с.

Критерий мощности K_N зависит от критерия Re_М. При данном Re_М, критерии K_N = 3. Определяем мощность, требуемую на перемешивание реакционной смеси

N = K_N * ?_С * n³ * Dм⁵

N = 3 * 1424 *2³ * 0,9⁵ = 20,2 кВт

К установке принимаем мешалку по МН 5874-66 [43]

Dм = 900 мм,

? = 6,4 м/с

n=2,25 с^-1

N = 37,8 кВт

Расчет турбинной открытой мешалки

D_м = 1000 мм

h = 0,2 Dм = 200 мм

l = 0,25 Dм = 250 мм

D_д = 0,75 Dм = 750 мм

Принимаем окружную скорость мешалки ? = 4 м/с

Частота вращения мешалки определяется по формуле

n = ?/? * D_М

n = 4/3,14 * 1 = 1,27 сек^-1

Принимаем частоту вращения мешалки

n = 2 сек^-1 = 120 об/мин

Центробежный критерий Рейнольдса определяем по формуле

Re_Ц = ?_С * n * Dм²/ µ_С

где ?_С - плотность смеси, кг/м³;

n - частота вращения мешалки, с^-1;

Dм - диаметр мешалки, м;

µ_С - вязкость перемешиваемой смеси, Па*с.

Re_Ц = 1424 * 2 * 1²/1,01 * 10^-3 = 2,8 * 10⁶

Критерий мощности K_N зависит от критерия Re_М. При данном Re_М, критерии K_N = 3. Определяем мощность, требуемую на перемешивание реакционной смеси

N = K_N * ?_С * n³ * Dм⁵

N = 3 * 1424 *2³ * 1⁵ = 34,1 кВт

К установке принимаем мешалку по МН 5874-66

Dм = 1000 мм,

? = 7,1 м/с

n=2,25 с^-1

N = 63,0 кВт

Т.к. мешалка двухъярусная, то по МН 5874-66 принимаем мощность N = 93,8 кВт.

4.3 Тепловой баланс реактора

Исходные данные:

В реактор поступает винилхлорид и хлор с температурой:

1. ВХ -35 °С

2. С1₂ -35 °С

Тепловой эффект реакции - 50 ккал / моль

Температура реакции - 30 ^оС

Q_Прих = Q_Расх.

Q_ВХ + Q_Хлор + Q_ЭФ = Q_{ТХЭсырец} + Q_{Абгазов} + Q_{Тепл.нагр.}+ Q_Потерь

Определяем количество тепла, поступающего с хлором

Q_Хлор = G_Хлор * t * С_Хлор

где G_Хлор - количество поступающего хлора, кг/ч;

t - температура поступающего хлора, ^оС;

С_Хлор - теплоемкость хлора, ккал/кг * ^оС.

Q_Хлор = 1082,85 * 40 * 0,116 * 4,19 = 21052,33 кДж/час

Определяем количество тепла, поступающего с винилхлоридом

Q_ВХ = G_ВХ * t * С_ВХ

где G_ВХ - количество поступающего винилхлорида, кг/ч;

t - температура поступающего винилхлорида, ^оС;

С_ВХ - средняя теплоемкость винилхлорида, ккал/кг * ^оС.

Q_ВХ = 1033,07 * 35 * 0,210 * 4,19 = 31814,94 кДж/час

Определяем количество теплоты, выделяющейся в результате химической реакции

Q_ЭФ = 1957,36 * 1000 * 50 * 4,19/133,5 = 3071662,32 кДж/час

Определяем общее количество Q_Прих

Q_Прих = 21052,33 + 31814,94 + 3071662,32 = 3124529,59 кДж/час

Определяем количество тепла уносимого с ТХЭ - сырцом

Q_{ТХЭсырец} = G_{ТХЭсырец} * t * С_{ТХЭсырец}

где G_{ТХЭсырца} - количество выходящего ТХЭ-сырца, кг/ч;

t - температура выходящего ТХЭ-сырца, ^оС;

С_{ТХЭсырец} - теплоемкость ТХЭ-сырца, ккал/кг * ^оС.

Q_{ТХЭсырец} = 2082,29 * 30 * 0,266 * 4,19 = 69623,86 кДж/час

Определяем количество тепла уходящее с абгазами

Q_{Абгазов} = G_{Абгазов} * t * С_{Абгазов}

где G_{Абгазов} - количество уходящих абгазов, кг/ч;

t - температура уходящих абгазов, ^оС;

С_{Абгазов} - средняя теплоемкость абгазов, ккал/кг * ^оС.

Q_{Абгазов} = 30,27 * 30 * 0,224 * 4,19 = 852,3 кДж/час

Определяем количество теряемого тепла в окружающую среду. Примем количество теряемого тепла в окружающую среду равное 1% от общего количества прихода

Q_Потерь = 3124529,59 * 0,01 = 31245,29 кДж

Из уравнения теплового баланса определяем тепловую нагрузку реактора

Q_{Тепл.нагр} = 3124529,59 - 69623,86 - 852,3 - 31245,29 = 3022808,14 кДж

Таблица 4.1 - Тепловой баланс реактора

Приход	кДж/час	%	Расход	кДж/час	%
1. Тепло приходящее с хлором	21052,33	0,67	1. Тепло уходящее с ТХЭ-сырцом	69623,86	2,23
2. Тепло приходящее с ВХ	31814,94	1,02	2. Тепло уносимое абгазами	852,3	0,03
3. Тепло химической реакции	3071662,32	98,31	3. Тепловая нагрузка реактора	3022808,14	96,74
			4. Тепло теряемое	31245,29	1,0
Итого	3124529,59	100	Итого	3124529,59	100

4.4 Расчет и подбор оборудования вспомогательной стадии

Расчет вспомогательного оборудования

Расчет насоса

Насос поз. 14_1,2 предназначен для подачи трихлорэтана в реактор омыления

Расход ТХЭ = 5 м³/час = 0,00138 м³/сек.

Геометрическая высота подъема - 9 м.

Длина трубопровода на линии нагнетания - 19 м.

Длина трубопровода на линии всасывания - 11 м.

На линии нагнетания имеются 6 отводов под углом 90^о с радиусом поворота, равным 6 диаметрам трубы и 2 нормальных вентиля. На всасывающем участке трубопровода установлено 2 прямоточных вентиля, 4 отвода отводов под углом 90^о с радиусом поворота, равным 6 диаметрам трубы.

а) Выбор трубопровода

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения трихлорэтана - 2 м/с. Тогда диаметр трубопровода равен

d =

где Q - расход ТХЭ, м³/с;

? - скорость течения ТХЭ в трубе, м/с.

d = = 0,03 м

б) Определение потерь на трение и местные сопротивления.

Находим критерий Рейнольдса

Re = ? *d*p/µ

где p - плотность ТХЭ, кг/м³;

µ - вязкость ТХЭ, Па ? с.

Re = 2 * 0,03 * 1424/1,01*10 ^-3 = 84594,06

Режим движения турбулентный.

Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем ? = 0,002 мм, тогда относительна шероховатость трубы

е =?/d = 0,002/0,03 = 0,066

Далее получим

1/е = 15,15

560 * 1/е = 8484

10 * 1/е = 151,5

Re > 560 * 1/е

Таким образом, в трубопроводе имеет место, зона автомодельная по отношению к Rе и расчет коэффициента трения ? следует проводить по следующей формуле

? = 0,11е^0,25

? = 0,11 * 0,066^0,25 = 0,0557

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений отдельно для всасывающей и нагнетательной линии.

Для всасывающей линии

1) Вход в трубу ?₁ = 0,5

2) Прямоточные вентили для:

d = 0,025 м ? = 1,04

d = 0,038 м ? = 0,85

d = 0,03 м ? = 0,96

Умножим на поправочный коэффициент: ? = 0,902, получим ?₂ = 0,866

3) Отводы: коэффициент А = 1, коэффициент В = 0,09, ?₃ = 0,09

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии

?? = ?₁ + 2?₂ + 6?₃

?? = 0,5 + 2*0,866 + 6* 0,09 = 2,772

Находим потерянный напор во всасывающей линии

h_п.вс = (?*l/d + ??)* ?²/2g

h_п.вс = (0,0557 * 11/0,03 + 2,772) 2²/2*9,81 = 4,73 м

Для нагнетательной линии

1) Вход в трубу ?₁ = 1

2) Нормальные вентили для:

d = 0,02 м ? = 8

d = 0,04 м ? = 4,9

d = 0,03 м ? = 6,45

3) Отводы: коэффициент А = 1, коэффициент В = 0,09, ?₃ = 0,09

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии

?? = ?₁ + 2?₂ + 4?₃

?? = 1 + 2 * 6,45 + 6 * 0,09 = 14,44

Находим потерянный напор во всасывающей линии

h_п.наг = (?*l/d + ??)* ?²/2g

h_п.наг = (0,0557 * 19/0,03 + 14,44) 2²/2*9,81=10,13 м

Общие потери напора

h_п = h_п..наг + h_п.вс

h_п = 10,13 + 4,73 = 14,86 м

Выбор насоса

Находим напор насоса по формуле:

Н = (р₁ - р₂)/рg + Н_г + h_п

где р₁ - давление в аппарате, из которого перекачивается ТХЭ, МПа;

р₂ - давление в аппарате, в который подается ТХЭ, МПа;

Н_г - геометрическая высота подъема ТХЭ, м.

Н= 0,05 * 10⁶/1424 * 9,81 + 9 + 14,86 = 27,4 м. вод. ст.

Подобный напор при заданной производительности обеспечивается центробежным насосом. Определяем полезную мощность

N_п= p*q*Q*H

N_п =1424*9,81*0,00138*27,4 = 530 Вт = 0,53 кВт

Принимаем ?_пер = 1, ?_н = 0,5 и находим мощность на валу двигателя

N = N_п /(?_пер * ?_н)

где ?_пер и ?_н - коэффициенты полезного действия насоса и передачи от электродвигателя к насосу.

N = 0,53/(1*0,5) = 1,06 кВт

Заданной подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки Х8/30, для которого в оптимальных условиях работы

Q = 2,4*10^-3 м/c, Н = 30 м. вод. ст., ?_н = 0,5. Насос обеспечен электродвигателем ВАО-32-2 номинальной мощность N_н = 4,0 кВт, ?_дв = 0,83, частота вращения вала n = 48,3с^-1. [44]

Расчет дегидратора поз. 6_1,2

Аппарат предназначен для осушки винилхлорида хлористым кальцием. Замена хлористого кальция происходит через 10 дней работы.

Насыпная плотность р_СаСl = 400 кг/см².

По данным материального баланса в винилхлориде содержится и поступает в дегидратор 0,45 кг/час воды, при сушке этого количества расходуется 0,69 кг/час СаСl₂.

Расход СаС1₂ на 10 дней составит

0,69 *10 * 24 = 165,6 кг

Учитывая 90% содержание СаСl₂ в исходном продукте, его расход составит:

165,5/0,9 = 183,88 кг

В процессе работы СаСl₂ используется на 48%

194,82/0,48 = 399,74 кг/час

Объем дегидратора с учетом у = 0,8, составит:

V = Q / р * у = 170,6 / 400*0,8 = 0,533 м³

По ГОСТу 9931-69 принимаем вертикальный аппарат:

V = 0,8 м³

Д = 800 мм

Материал изготовления СтХ18Н10Т

Количество - 2 шт.

Расчет испарителя поз. 7_1,2

Испаритель предназначен для испарения винилхлорида перед подачей его в реактор синтеза трихлорэтана.

Температура ВХ на входе в испаритель - минус 10 ^оС

Температура ВХ на выходе из испарителя - 35 °С

Температура пара - 143 °С

Температура конденсата - 85 °С

Давление пара - 4 кгс/см²

Определяем количество тепла, необходимого для испарения винилхлорида

Q_ВХ = G_ВХ * r_ВХ

где r_ВХ - теплота испарения ВХ, кДж/кг;

G_ВХ - количество поступающего ВХ в реактор, кг/ч.

Q = 1033,07 * 289,52 = 299094,42 кДж/ч

Определяем количество пара, необходимое для испарения винилхлорида

G_П = Q_ВХ / r_П

где r_П - теплота испарения пара, кДж.

G_П = 299094,42/2132,71 = 140,24 кг

Среднеарифметическая разность температур составит - 100 ^оС

Определяем поверхность теплообмена

F= Q/K*?tcp

К=1/1?_П + ?r_ст+ 1/?_ВХ

Определяем коэффициент теплоотдачи для испаренного винилхлорида

?_ВХ = 3,78?

где ? - коэффициент теплопроводности ВХ, Вт/м*К;

p - плотность ВХ, кг/м³;

n - число труб, шт.;

µ - вязкость ВХ, Па*с;

Для определения n 25*2 принимаем Re = 15000 и находим

n =G_ВХ /0,785 * Re*d* µ

n = 1033,07 /(0,785* 15000*0,025*0,256*10^-3) = 342 шт.

Принимаем одноходовой кожухотрубный испаритель с числом труб 362 шт.

Определяем коэффициент теплоотдачи для конденсирующего пара

?_П = 2,02е?

где е - коэффициент, зависящий от числа труб.

?_ВХ=3,78*0,138=1642,5 Вт/м²*К

?_П = 2,02*0,52* 0,686 = 1720,4 Вт/м²*К

Определяем коэффициент теплопередачи

Определяем поверхность теплообмена

F = Q/K?t_ср

F = 299094,42/326,78*100 = 9,17 м²

Подбор вспомогательного оборудования

В соответствии с ГОСТ 15181-79 подбираем кожухотрубчатый теплообменник

Конденсатор поз. 03

Д кожуха = 800 мм

d труб = (25*2) мм

число ходов - 1

Общее число труб - 465 шт.

L труб = 2 м

F=73м²

Конденсатор поз. 05

Д кожуха = 800 мм

d труб = (25*2) мм

число ходов - 1

Общее число труб - 465 шт.

L труб = 3 м

F=109 м²

Конденсатор поз. 9_1-3

Д кожуха = 800 мм

d труб = (25*2) мм

число ходов - 1

Общее число труб - 465 шт.

L труб = 3 м

F=109 м²

Теплообменник поз. 22

Д кожуха = 400 мм

d труб = (25*2) мм

число ходов -2

Общее число труб -100 шт.

L труб = 2 м

F=16м²

В соответствии с ГОСТ 13372-78 подбираем емкостное оборудование[45]

В соответствии с ГОСТ 22247 - 76Е подбираем насосное оборудование

Насос поз. 11

Марка Х8/30

Q = 2,4*10^-3 м/c

Н = 30 м. вод. ст.

n = 48,3 с^-1

?_н = 0,5

Электродвигатель ВАО-32-2

N_н = 4,0 кВт

?_дв = 0,83

Насос поз. 15_1-3, 21_1,2, 24, 26_1,2.

Марка Х20/31

Q = 5,5 *10^-3 м/c

Н = 31 м. вод. ст.

n = 48,3 с^-1

?_н = 0,55

Электродвигатель ВАО-41-2

N_н = 5,5 кВт

?_дв = 0,84

Выводы

В данной курсовой работе предлагается использовать в качестве дополнительного источника исходного сырья, винилхлорид - абгазный. Применение дополнительного источника сырья в виде винилхлорида абгазного позволит увеличить мощность по производству 1,1,2-трихлорэтана. Одновременно с увеличением мощности по производству 1,1,2-трихлорэтана, происходит и улучшение экологической обстановки на промышленной площадке ОАО «Каустик». Это связано с утилизацией винилхлорида абгазного, который до этого утилизировался методом сжигания на факельной установке и продукты горения выбрасывались в атмосферу.

В разделе «Технологическая часть» был произведен расчет материального баланса стадии синтеза и стадии отмывки 1,1,2-трихлорэтана, рассчитан реактор синтез трихлорэтана, рассчитано и подобрано вспомогательное оборудование.

Список использованных литературных источников

1. Справочник «Промышленные хлорорганические продукты». Под ред. Ошина Л.А. М:, Химия. 1978 г.

2. Патент РФ. №207887. Опубликован: 01.01.1968 г.

3. Патент РФ. №222350. Опубликован: 01.01.1970 г.

4. Патент РФ. №277760. Опубликован: 01.01.1970 г.

5. Патент РФ. №404219. Опубликован: 01.01.1973 г.

6. Патент РФ. №742421. Заявлен 13.10.1978 г. Опубликован: 25.06.1980 г.

7. Постоянный технологический регламент №4-18/2007 по производству винилиденхлорида-сырца.

8. Патент РФ. №910573. Заявлен 22.05.1980 г. Опубликован: 07.03.1982 г.

9. Патент РФ. №1785523. Заявлен 07.12.1990 г. Опубликован: 30.12.1992 г.

10. Патент РФ. №2057107. Заявлен 25.03.1992 г. Опубликован: 27.03.1996 г.

11. Журнал органической химии, 1968 г., 4, №12,2078-2086

12. Патент ФРГ 976461 (1963 г.); РЖХим, 1964 г., 22н8.

13. Патент США. 3173963 (1963 г.); РЖХим, 1966 г., 15н21.

14. Патент Франция, №2057605. Заявлен 29.08.1969 г. Опубликован 21.05.1971 г.

15. Патент ФРГ. №1943615. Заявлен 27.08.1969 г. Опубликован 05.08.1971 г.

16. Патент США. №3173963. Заявлен 29.08.1960 г. Опубликован 16.03.1963 г.

17. Патент РФ. №1832672. Заявлен 23.11.1988 г. Опубликован 27.07.1996 г.

18. РЖХим. 15н21п, 1964 г.

19. Патент Англии. №10565226. Заявлен 31.03.1964 г. Опубликован 25.01.1961 г.

20. Патент Англии. №057681. Заявлен 31.03.1964 г. Опубликован 08.02.1967 г.

21. Патент Франции. №1470943. Заявлен 10.03.1966 г. Опубликован 16.01.1967 г.

22. Семёнов П.И., Поляков К.К. «Зарубежные полимеры и компоненты». М.: А.Н.СССР.1963 г.

23. Патент РФ. №1061419. Заявлен 30.07.1979 г. Опубликован 27.12.1999 г.

24. Патент РФ. №2152254. Заявлен 29.09.1997 г. Опубликован 10.07.2000 г.

25. Патент РФ. №2008132523. Заявлен 06.08.2008 г. Опубликован 20.02.2010 г.

26. Патент РФ. №2153394. Заявлен 05.02.1999 г. Опубликован 27.07.2000 г.

27. Патент РФ. №2367511. Заявлен 26.06.2007. Опубликован 10.01.2009 г.

28. Патент РФ. №2004131405. Заявлен 27.10.2004 г. Опубликован 10.04.2006 г.

29. Патент РФ. №2303483. Заявлен 27.10.2004 г. Опубликован 27.07.2007 г.

30. Патент РФ. №2002116667. Заявлен 16.11.2000 г. Опубликован 27.12.2003 г.

31. Патент РФ. №2348450. Заявлен 21.03.2007 г. Опубликован 27.09.2009.г.

32. Патент РФ. №2153497. Заявлен 27.08.1998 г. Опубликован 27.07.2000 г.

33. Патент РФ. №2006123886. Заявлен 03.07.2006 г. Опубликован 10.01.2008 г.

34. Отчет ОИ и РП ПВХ ОАО «Пласткард» по получению винилиденхлорида из абгазного винилхлорида. 07.10.2009 г.

35. Патент РФ. №2288909. Заявлен 05.07.2005 г. Опубликован 10.12.2006 г.

36. «Ind. End. Сhem». 31,1530, (1939 г.).

37. «Ind. End. Chem». 31,1431, (1939 г.).

38. Stewart T.D., Weidenbaum B.J., Am. Chem. Soc. 57.2036 (1935 г.).

39 Семёнов H.H. «О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной кинетики» Изд. 2-е, - М.: А.Н.СССР, 1958.

40. Sherman AJ. Chem. Phys., 4,732, (1934 г.).

41. Лебедев Н.Н. «Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза». - М.: Химия, 1988 г.

42. Судаков Е.Н. «Расчёты основных процессов и аппаратов нефтепереработки». - М.: Химия, 1979 г.

43. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. «Основы конструирования и расчетов химической аппаратуры». - Л.: Машиностроение, 1970.

44. Дытнерский Ю.И. «Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию». - М.: Химия, 1983.

45. Альперт В.А. «Основы проектирования химических установок». - М.: Высшая школа, 1989.