Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

Цель работы

Бутадиен-1,3 или дивинил является главным мономером для синтеза каучуков общего и специального назначения. С помощью него получают полибутадиеновые каучуки. Дивинил является промежуточным продуктом в получении адиподинитрила, хлоропрена, бутиленгликоля, циклододекатриена, 1,4-гексадиена.

Бутадиеновые каучуки —  результат полимеризации бутадиена. Котел-утилизатор - это паровой котел, не имеющий собственной топки и использующий тепло отводящих газов промышленной или энергетической установки.

Цель работы заключается в изучении технологического процесса производства бутадиена-1,3 путем дегидрирования н-бутана. При анализе производства необходимо охарактеризовать:

1. целевой продукт
2. исходное сырье
3. рассмотреть и дать описание технологического процесса получения бутадиена-1,3
4. дать описание основного технологического оборудования
5. дать основную характеристику технологического оборудования: котла-утилизатора
6. рассчитать тепловой и материальный балансы данного процесса
7. рассчитать паропроизводительность котла-утилизатора
8. изучить вопросы охраны труда и окружающей среды, проблемы утилизации и обезвреживания отходов [1,2].
9. изучить технику безопасности при эксплуатации котла-утилизатора

Характеристика целевого продукта

В проведенной работе дана характеристика процесса производства бутадиена-1,3 дегидрированием н-бутана. Произведена характеристика целевого продукта. Бутадиен — газ, не имеющий цвета, со специфическим запахом.

• Температура кипения −4,5 °C
• температура плавления −108,9 °C
• температура вспышки −40 °C
• предельно допустимая концентрация в воздухе (ПДК) 0,1 г/м³
• плотность 0,650 г/см³ при −6 °C
• Практически не растворим в воде.

Дивинил хорошо растворяется в бензоле, эфире, хлороформе, плохо растворим в метаноле и этаноле. Растворимость дивинила в воде при нормальных условиях 0,09 % по массе. С некоторыми растворителями образует азеотропные смеси.

Критическая температура бутадиена-1,3 152^оС. С воздухом дивинил образует взрывчатые смеси с пределами воспламеняемости 2 и 11,5% об. Температура вспышки бутадиена составляет –40^оС, а температура самовоспламенения 420^оС.

Бутадиен применяется, как правило, при производстве каучуков. Бутадиеновые каучуки получают полимеризацией бутадиена-1,3 на стереоскопических катализаторах. Бутадиеновый каучук относится к каучукам общего назначения. Обладает высокой износостойкостью и морозостойкостью. Устойчив к множественным деформациям. В сочетании с другими различными каучуками его применяют в шинном производстве, а также в производстве обуви и других изделий [3].

Бутадиен-стирольные каучуки получают, совместной полимеризацией бутадиена и стирола. Эти каучуки, безусловно, отличаются большой прочностью и применяются для изготовления протекторов автомобильных шин, кабелей, а также в обувной промышленности. Недостатком этого каучука является нестойкость к маслам и органическим растворителям.

Полимеризацией бутадиена также получают бутадиен-нитрильные каучуки, изопреновые каучуки и хлоропреновые каучуки [3].

Характеристика технологического процесса

Рассмотрено и описано основное технологическое оборудование и технологический процесс получения бутадиена-1,3 путем  дегидрирования н-бутана:

Н-C₄H₁₀ → 2H₂+C₄H₆                                                                                      

Через подогреватель н-бутан направляется в печь , где происходит нагревание до 700—730ºС и далее следует в один из реакторов, работающий на дегидрирование. Из реактора контактный газ, пройдя для «закалки» аппарат, поступает в скруббер, в котором охлаждается холодным маслом, циркулирующим через холодильник. Охлажденный в скруббере газ сжимается в турбокомпрессоре до давления 1,3 МПа и следует в абсорбер. Из верхней части абсорбера выходит водородсодержащий топливный газ, а раствор углеводородов в абсорбенте идет на подачу в десорбер. Из верхней части десорбера отделяется отгонкой фракция С₃ — С₄, а абсорбент через холодильник возвращается на орошение абсорбера. В качестве абсорбента используется высококипящая углеводородная фракция С₅. Фракция С3 — C4 из верхней части десорбера поступает в колонну (депропанизатор), где из нее отгоняется пропан C₃H₈. Оставшаяся фракция С₄ с содержанием бутадиена-1,3 (дивинил) от 11 до 13% массовых направляется на выделение бутадиена, а бутан-бутиленовая фракция возвращается в виде рецикла на дегидрирование, присоединяясь к свежему н-бутану. По окончании цикла дегидрирования поток углеводородного сырья направляется на другой реактор, а первый продувается сначала водяным паром для удаления сорбированных катализатором углеводородов, а затем для регенерации катализатора топочными газами с небольшим содержанием кислорода из топки. Теплота газообразных продуктов регенерации катализатора используется для производства технологического пара в котле утилизаторе [4].

Основной аппарат технологической схемы — реактор дегидрирования (контактный аппарат). Это стальной цилиндр диаметром 6 м и длиной 12—14 м расположенный горизонтально и футерованный внутри огнеупорным материалом. Внутри реактора расположены решетки из керамических плит, на которых размещены слои катализатора.

Основная характеристика технологического оборудования: котла-утилизатора.

Котел-утилизатор – это паровой или водонагревательный котел, который не имеет собственной топки и который обогревается отходящими газами какой-либо промышленной или энергетической конструкции. Чаще всего применяются водотрубные котлы-утилизаторы с неоднократной принудительной циркуляцией, реже – с естественной циркуляцией и прямоточные. В зависимости от температуры отходящих газов различают низкотемпературные (около 350–400ºС) и высокотемпературные (свыше 1000ºС) котлы-утилизаторы. Их паропроизводительность составляет от 2 до 40 т/ч при давлении пара до 3,9 МПа.

Котлы-утилизаторы предназначены:

1. для охлаждения технологических газов с целью конденсации паров серы и получения насыщенного пара;
2. для использования теплоты технологических и отходящих газов в химической, нефтехимической, металлургической и других отраслях промышленности;
3. для использования теплоты отходящих газов после нагревательных, мартеновских и других технологических печей.

Применение котлов - утилизаторов, которые устанавливаются за большими печами или технологическим оборудованием для использования теплоты отходящих газов, спопобствует вырабатывать значительное количество пара. Все же необходимо считаться со значительно большей металлоемкостью котлов – утилизаторов, если сравнивать с паровыми котлами которые используются сейчас. Более того, котлы - утилизаторы требуют значительных площадей для их расположения. Поэтому эффективность их применения рассматривается в каждом конкретном случае с учетом дополнительных капиталовложений и стоимости сэкономленного топлива

Произвели практический расчет материального баланса производства по следующим исходным данным: производительность 1,3-бутадиена G = 38000 т/год; масса бутана по уравнению реакции-58кг; масса 1,3-бутадиена по уравнению реакции-54 кг; выход 1,3-бутадиена-87%

Рассчитали:

• массовую производительность 1,3-бутадиена, которая составила 8760 часов
• произвели расчеты по уравнению реакции
• практический расход бутана с учетом выхода 1,3-бутадиена составляющий 87%,
• массу н-бутана не вступившего в реакцию, равна-696,21.

Примеры расчета материального баланса:

Определяем массовую производительность 1,3-бутадиена

Т_эф = 365 ^. 24 = 8760 часов

Производительность по бутадиену- 1,3

G_час = 38000 ^.1000/8760 = 4337,9 кг/ч.

По уравнению реакции рассчитываем производительность бутана (х₁) и водорода (х₂)

х₂ = (4 ^. 4337,9)/54 =338,24 кг/ч.

Определяем практический расход бутана с учетом выхода 1,3-бутадиена составляющий 87%

G_C4H10(1) = 4659,23/0,87 = 5355,44 кг/ч.

Определяем массу бутана, не вступившего в реакцию

G_C4H10 = 5355,44 - 4659,23 = 696,21 кг/ч.

Результаты расчета сводим в таблицу 1.

Таблица 1. Материальный баланс.

Произвели расчет теплового баланса производства по следующим исходным данным: Температура на входе; температура на выходе; тепловой эффект реакции, и некоторые табличные данные.

Рассчитали:

• Температуру на входе в реактор, она составила 1003К
• Тепло, вносимое и уходящее с каждым компонентом смеси
• Тепловые потери в окружающую среду
• Определим тепло, отводимое теплоносителем

Примеры расчета теплового баланса:

Определяем температуру на входе в реактор

Т_вх = 730+273 =1003 К

Тепло, вносимое и уходящее с каждым компонентом смеси, определяется по формуле:

Q₁ = (5355,44 ^. 3,694) ^. 1003/3600 = 5938,36 кДж

Определим тепло экзотермических реакций, Q₂, кДж.

Q₂ = 247 ^. (4337,9 ^. 1000/(54 ^. 3600)) = 5511,63 кДж.

Определяем  тепловой поток, уносимый продуктами, Q₄, кДж.

Q₄ = (4337,9 ^. 3,014 + 696,21 ^. 3,694 + 321,33 ^.14,925) ^. 979,9/3600 = 5990,43 кДж

Тепловые потери в окружающую среду Q_5, кДж/ч, принимаем 2% и вычисляем по формуле:

Q₅ = (5938,36 + 5511,63) ^. 0,05 = 572,5 кДж.

Определим тепло, отводимое теплоносителем Q_3, кДж.

Q₃ = 5938,36 + 5511,63 - (5564,23 + 572,5) = 5313,26 кДж.

Результаты расчета сводим в таблицу 2.

Таблица 2. Тепловой баланс.

Произвели расчет паропроизводительности котла-утилизатора по следующим данным: Расход газов через котел-утилизатор, давление пара, температура пара, температура газов перед котлом, температура питательной воды, температура газов на выходе из котла, теплоемкость газов при температуре, коэффициент сохранения тепла, некоторые табличные данные.

Рассчитали:

• теплоемкость газов на входе в котел
• теплоемкость газов на выходе из котла
• энтальпию газов при входе в котел
• энтальпию газов на выходе из котла
• энтальпию перегретого пара по таблице свойств воды и водяного пара
• давление пара в барабане
• температуру пара в барабане по таблице свойств воды и водяного пара
• энтальпию пара в барабане по таблице свойств воды и водяного пара
• энтальпию кипящей воды в барабане по таблице свойств воды и водяного пара
• энтальпию питательной воды
• расход дымовых газов
• теплоту, отданную дымовыми газами
• паропроизводительность котла-утилизатора

Пример расчета паропроизводительности:

1. Определяем теплоемкость газов на входе в котел

Ср_вх = 1,3971 ^. 0,75  + 1,4775 ^. 0,02 + 2,2055 ^. 0,09 + 1,7229 ^. 0,1 + 1,4126 ^. 0,02 + 1,2998 ^. 0,02 = 1,5024кДж/м^{3 .} К

2. Находим теплоемкость газов на выходе из котла [5]

Ср_вых = 1,3167 ^. 0,02 + 1,8627 ^. 0,09 + 1,3109 ^. 0,75 +1,3561 ^. 0,02 + 1,5424 ^. 0,1+1,2861+ 0,02 = 1,3842 кДж/м^{3 .} К

3. Находим энтальпию газов при входе в котел

Н_вх = 1,5024 ^. 979,9 = 1472,2 кДж/м³

4. Находим энтальпию газов на выходе из котла:

Н_вых=1,3842 ^. 300 = 415,26

5. Находим энтальпию перегретого пара по таблице свойств воды и водяного пара:

Н_пп = 2749 кДж/кг

6. Определяем давление пара в барабане:

Р_б = 0,6 мПа

7. Определяем температуру пара в барабане по таблице свойств воды и водяного пара:

T_пб = 151,8ºC

8. Вычисляем энтальпию пара в барабане по таблице свойств воды и водяного пара:

Нпб = 2749 кДж/кг

9. Вычисляем энтальпию кипящей воды в барабане по таблице свойств воды и водяного пара:

Hкв = 640 кДж/кг

10. Находим энтальпию питательной воды:

Н_пв = 4,19 ^. 100 = 419 кДж/кг

11. Вычисляем расход дымовых газов

G = 7123/3600 = 1,9786 м³/с

12. Вычисляем теплоту, отданную дымовыми газами

Q_г = 0,96 ^. 1,9786 ^. (1472,2-415,26) = 2007,611 кВт

13. Вычисляем паропроизводительность котла-утилизатора

D_пп = 2007,611/[(2749-419) + 0,05 ^. (640-419)] = 0,078кг/с

Контроль производства и охрана труда

В производстве бутадиена-1,3 из н-бутана контролируются:

• Температура в нагревателе сырья, происходит подача исходного вещества, где вещество подогревается,
• Температура перед подачей в печь, где происходит дальнейшее нагревание до 730^оС.
• далее н-бутан попадает в реактор, производится измерение температуры и давления.
• в “закалочном” аппарате, контролируется температура, так как происходит охлаждение продуктов.
• в скруббере измеряется температура, в турбокомпрессоре - давление.
• в стабилизирующей колонне измеряем конечную концентрацию продуктов дегидрирования.
• В котле-утилизаторе измеряется температура на входе и на выходе