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.



∫

GFO

GWG

GM

GGO

∫

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)2C = CH2 + CH3OH  (CH3)3COCH3



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



XS(I)

Z

PБ

АК

X(I)

yz(I)

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)2C = CH2 + HOH  (CH3)3COH                                   (9)

	2 i - C4H8  i - C8H16                                                                (10)

Исходя из стехиометрических соотношений уравнений (1, 9 и 10), определяют количества реагентов, необходимых для их образования (программа 2):

RI1 -изобутилена на образование метилтретбутилового эфира, кг/ч;

RI2 - изобутилена на образование третбутилового спирта, кг/ч;

RI3 - 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 С4Н9). 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 =  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.

Приход

Расход

компонент

кг/ч

доли масс.

компонент

кг/ч

доли масс.

у/в. поток

газ

GG(1)

GG(1)

P(1)

x(1)

GRW(1)

GRW(1)

xR(1)

y0(1)

GG(2)

GG(2)

P(2)

x(2)

GRW(2)

GRW(2)

xR(2)

y0(2)

…

…

…

…

…

…

…

…



метанол

GWM

xM

y0M

у/в.

GG0

P1N

1,0000

газ

GWM

xG

1,0000

метанол

GM

PM

-

МТБЭ

GE

xE

-

вода

GW

PW

-



сырье

SP

1,0000

-



Флегма



GF(1)

GF(1)



y0(1)



GF(2)

GF(2)



y0(2)



…

…



…



итого

GF



1,0000



Всего

G0R



-

Всего

G0R

-

-

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:

	GR =  GRO*YO(I), кг/ч,                                           (20)

	или                 GR = 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.



Приход

Расход

компонент

кг/ч

доли масс.

компонент

кг/ч

доли масс.





на сырье

на у/в. фракцию





на сырье

на у/в. фракцию

свежая у/в. фракция

отработанная у/в. фракция

изобутилен GS(1)

изобутилен GO(1)

н- бутилен GS(2)

н- бутилен GO(2)

изобутан GS(3)

изобутан GO(3)

н- бутан GS(4)

н - бутан GO(4)

Итого

GGS

1,0000

Итого

GОG

1,0000

метанол

GMS



МТБЭ

GE



вода

GW









Всего

GGS

1,0000          -

Всего

GSR

 1,0000             -



Таблица 3.

Варианты исходных данных для расчета установки производства МТБЭ

Показатели процесса

Условные обозначения

Номер варианта





1

2

3

4

5

6

1. Производительность по МТБЭ, тыс. т/год



40

45

50

55

60

65

2. Число часов работы в году, ч



7800

7848

7920

7968

7848

7920

3. Состав целевого продукта, доли масс.















- метилтретбутиловый эфир



0,983

0,978

0,980

0,975

0,982

0,980

- трет. бутанол



0,005

0,006

0,006

0,006

0,004

0,007

- диизобутилен



0,007

0,008

0,006

0,009

0,009

0,006

- метанол



0,005

0,008

0,008

0,010

0,005

0,007

4. Состав свежей у/в. фракции, доли масс.















- изобутилен



0,432

0,328

0,285

0,180

0,200

0,305

- н- бутилен



0,268

0,302

0,375

0,420

0,355

0,340

- изобутан



0,095

0,170

0,145

0,225

0,235

0,165

- н- бутан



0,205

0,200

0,195

0,175

0,210

0,190

5. Содержание изобутилена в отходящей с установки у/в. фракции, доли масс., не более



0,005

0,004

0,005

0,006

0,006

0,004

6. Конверсия изобутилена, доли



0,970

0,960

0,965

0,980

0,985

0,975

7. Температура реакции, К



70

70

70

70

70

70

8. Соотношение метанол:изобутилен на входе в реакционный блок, моль



1,05

1,10

1,07

1,08

1,06

1,09

9. Соотношение вода:у/в.- метанольная фракция в промывной колонне



0,25

0,30

0,28

0,25

0,30

0,35




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. 





18