Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Теоретические основы метода производства

1.1 Молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение полиэтилена

1.2 Примеси в полимерах и их влияние на качество полиэтилена

2. Характеристика производимой продукции и используемого сырья

2.1 Характеристика производимой продукции

2.2 Характеристика используемого сырья

3. Описание технологической схемы

4. Материальный баланс аппарата

5. Тепловой баланс аппарата

6. Механический расчет

7. Контроль производства и управления технологическим процессом

8. Техника безопасности при эксплуатации оборудования и ведении технологического процесса

8.1 Основные опасности производства

8.2 Меры безопасности при ведении технологического процесса, выполнении регламентных производственных операций

Выводы

Список используемой литературы

Приложения

Введение

В химико-технологических, технологических, машиностроительных и политехнических учебных заведений курс "Процессы и аппараты" - основная инженерная дисциплина, закладывающая фундамент общей технической подготовки будущих специалистов - технологов и механиков.

"Процессы и аппараты" - общепрофессиональная дисциплина, объединяющая знания по математике, физике, химии, экологии и другим естественно-научным предметам, которые могут быть использованы при выполнении конкретных технологических процессов и при создании (обслуживании) оборудования для их осуществления.

"Процессы и аппараты" включает в себя рассмотрение процессов и аппаратов, объединенных общими закономерностями: гидромеханическими (включая элементы гидравлики), тепловыми, массообменными и механическими.

В предмете рассматриваются наиболее характерные промышленные процессы, их кинетика, способы осуществления, основные аппараты для их проведения и методы расчета.

Размерности переменных, входящих в расчетные формулы (кроме указанных особо), соответствуют международной системе (СИ).

Необходимо отметить, что "Процессы и аппараты" - постоянно развивающаяся дисциплина, в которой находят отражение новые научные идеи отечественных и зарубежных ученых и конструкторов - разработчиков новой техники, базирующиеся на глубоком понимании окружающей нас природы и происходящих в ней процессов и явлений.

Промышленное производство характеризуется разнообразием технологических процессов - результатом целенаправленной деятельности человека для получения определенных продуктов, предметов и материалов. Аппараты - технические объекты для осуществления технологических процессов.

Курс "Процессы и аппараты" строится на основе выявления аналогии между различными стадиями того или иного процесса и функциями аппаратов для осуществления этих стадий независимо от отрасли промышленности.

Таким образом, предметом курса являются процессы и аппараты однотипных стадий производств.

Задачей курса является изучение:

- теории основных технологических процессов;

- принципов устройства и работы аппаратов и машин для осуществления технологических процессов;

- методов расчета основных характеристик аппаратов и машин;

- проблем и закономерностей перехода от лабораторных процессов и моделей к промышленным процессам и аппаратам (моделирование).

Процессы химической технологии в зависимости от способа организации делятся на периодические и непрерывные.

Периодические процессы проводятся в аппаратах, которые работают в циклическом режиме. Цикл начинается с загрузки аппарата исходными веществами.

В аппарате ведется процесс переработки, и через определенный промежуток времени, достаточный для окончания процесса, готовые продукты выгружаются из аппарата. Разгрузка аппарата является окончанием цикла, который затем повторяется. Периодические процессы характеризуются тем, что все их стадии протекают в одном месте, но в разное время.

Непрерывные процессы осуществляются в условиях непрерывной загрузки исходных материалов в аппарат и выгрузки продуктов переработки из аппарата. Все стадии непрерывного процесса протекают одновременно, но в различных частях аппарата.

В некоторых случаях используются комбинированные процессы, в которых отдельные стадии проводятся периодически, а поступление сырья и выход продуктов переработки осуществляются непрерывно.

Организация производства по непрерывно действующей схеме имеет ряд преимуществ: стабильность качества получаемого продукта, отсутствие потерь времени на загрузку и выгрузку аппаратов, компактность оборудования, снижение энергетических потерь. Кроме того, непрерывные процессы легче поддаются автоматическому контролю и управлению.

Периодические процессы применяются при небольших масштабах производства, получении отдельных опытных партий, большом ассортименте выпускаемой продукции.

Непрерывно действующие аппараты работают в одном из двух режимов: в первом случае все поступающие в аппарат частицы движутся в заданном направления без перемешивания при равномерном распределении по всему поперечному сечению аппарата. Время пребывания в аппарате одинаково для всех частиц. Движение частиц в этом режиме может быть уподоблено движению твердого поршня, поэтому аппараты называются аппаратами идеального, вытеснения. Второй вариант работы непрерывно действующего аппарата заключается в том, что поступающие в аппарат частицы материала полностью перемешиваются с находящимся там материалом, равномерно распределяясь по всему объему. Время пребывания отдельных частиц в аппарате различно. Аппараты, работающие таким образом, носят название аппаратов идеального смешения. Режимы работы реальных аппаратов занимают промежуточное положение между идеальным вытеснением и идеальным смешением, приближаясь к одному из них в большей или меньшей степени.

1. Теоретические основы метода производства

Полимеризация этилена осуществляется по радикальному и ионному механизму.

Радикальная полимеризация используется в производстве полиэтилена при высоком давлении. В качестве инициаторов полимеризации применяют перекисные органические соединения или кислород.

Процесс протекает в три стадии: инициирование - образование свободных радикалов, рост цепи и обрыв цепи.

Инициирование процесса проходит с образованием свободных радикалов за счет разложения применяемых инициаторов при условии одновременного воздействия температуры и высокого давления. Инициатор, образуя свободный радикал, реагирует с этиленом:

R + CH₂=CH₂ > R-CH₂-CH₂

Рост цепи состоит в том, что к активному радикалу последовательно присоединяются молекулы мономера, образуя растущую прямую цепь с радикалом в конце:

R-CH₂-CH₂ + n(CH₂=CH₂) > R-(CH₂-CH₂)n-CH₂-CH₂

Обрыв цепи состоит в уничтожении активных концевых групп путем рекомбинации или диспропорционирования. Рекомбинация - это соединение двух цепей:

R-(CH₂-CH₂)n-CH₂-CH₂+CH₂-CH₂-(CH₂-CH₂)m-R>

>R-(CH₂-CH₂)n+1-(CH₂-CH₂)m+1-R

Диспропорционирование заключается в переходе атома водорода с образованием двух молекул полимера с насыщенной и ненасыщенной концевой группой:

R-(CH₂-CH₂)n-CH₂-CH₂ + CH₂-CH₂-(CH₂-CH₂)m-R >

> R-(CH₂-CH₂)n-CH=CH₂ + CH₃-CH₂-(CH₂-CH₂)m-R

За счет реакции передачи цепи могут образоваться цепи с боковыми ответвлениями.

Реакция полимеризации этилена протекает с выделением большого количества тепла. Выделяющееся тепло необходимо отводить из зоны реакции, в противном случае может произойти разложение этилена до выделения углерода; разложение проходит с большой скоростью и может вызвать взрыв.

Ионная полимеризация этилена проходит при низком и среднем давлении с использованием каталитических систем (типа Циглера-Натта) и окислов металлов.

Полиэтилен, получаемый ионной полимеризацией, имеет линейное строение и высокую степень кристалличности. Процесс полимеризации этилена с участием комплексных металлорганических и окиснохромовых катализаторов, как и в других случаях полимеризации, включает три основные стадии: образование активных центров, рост полимерных цепей и обрыв цепи.

Общепринятого механизма ионной полимеризации этилена с указанными катализаторами нет, несмотря на наличие множества представлений этого процесса. Предполагают, что рост цепи происходит путем внедрения мономера по связи металл-углерод. Молекула мономера при этом принимает определенное пространственное расположение, сохраняемое в процессе роста цепи. Упрощенно механизм процесса может быть представлен следующей схемой:

Me+R + CH₂=CH₂ -> Me+CH₂-CH₂-R

Me+CH₂-CH₂-R + nCH₂=CH₂ > Me+-CH₂-CH₂-[-CH₂-CH₂-]_n-R

где Me+- металл, координационно связанный с мономером.

Обрыв цепи происходит в результате передачи иона водорода молекуле мономера или каталитическому комплексу.

Увеличение скорости полимеризации этилена приводит к снижению молекулярной массы полиэтилена.

Важное техническое значение имеют сополимеры этилена с некоторыми другими мономерами - пропиленом, бутеном, гексеном, винилацетатом.

Сополимеризацией называется процесс совместной полимеризации двух или большего числа различных мономеров. Получаемые при сополимеризации высокомолекулярные соединения называют сополимерами. В состав молекулярной цепи сополимера входят различные звенья соответственно числу исходных полимеров. При сополимеризации двух мономеров процесс в общем виде может быть описан уравнением:

nA + mB … -А-А-В-А-В-В-В-А-А-В-А-В-В- …

Применяя разные исходные компоненты и меняя их соотношение, можно изменить состав и свойства сополимеров.

Большинство сополимеров имеет нерегулярное строение; в их молекулярных цепях различные элементарные звенья расположены беспорядочно и нельзя выделить периодически повторяющийся участок цепи.

Сополимеризация находит большое практическое применение, так как позволяет в широких пределах варьировать свойства высокомолекулярных соединений.

Сополимеризация имеет очень большое значение как метод получения полимеров пространственного строения.

Процесс сополимеризации значительно осложняется участием в реакции нескольких мономеров и, соответственно, нескольких радикалов с различной реакционной способностью.

Когда константы сополимеризации не удовлетворяют условиям азеотропности, образующиеся сополимеры всегда бывают обогащены тем компонентом, константа сополимеризации которого больше.

В общем случае сополимер и исходная смесь мономеров имеют неодинаковый состав, причем концентрация мономеров в процессе полимеризации будет изменяться.

Следовательно, будет изменяться и состав сополимера. Вследствие этого наряду с обычной для полимеров неоднородностью по молекулярной массе у сополимеров появляется еще неоднородность макромолекул по составу.

Рост цепи по связи С - Сr:

Обрыв цепи за счет реакции переноса к мономеру или сомономеру:

Практически для получения сополимера с заданным соотношением мономерных звеньев пользуются различными приемами. Например, полимеризацию проводят при непрерывном давлении небольших количеств более реакционноспособного мономера (который быстрее расходуется, с тем чтобы его содержание в реакционной смеси оставалось постоянным. В некоторых случаях сополимеризацию проводят в растворителе, в котором хорошо растворим мономер, обладающий большей реакционной способностью. Тогда более реакционный мономер по мере его расходования переходит в раствор, и таким образом, соотношение регулирулирующих мономеров сохраняется постоянным.

Реакционная способность мономеров при раздельной полимеризации обычно отличается от их реакционной способности при сополимеризации.

Реакционная способность при сополимеризации мономера сильно зависит от природы второго компонента.

Некоторые непредельные соединения, не способные к раздельной сополимеризации, легко полимеризуются совместно с другими непредельными соединениями.

Сополимеризация протекает по ионному механизму, при этом получаются сополимеры как винильных, так и диеновых мономеров. Сопоставление состава сополимеров, полученных различными методами, но из одной пары мономеров, позволяет судить о механизме полимеризации. При сополимеризации этой пары в зависимости от применяемого инициатора и соответственно механизма реакции резко изменяется константа сополимеризации и, следовательно, состав сополимера.

Метод определения констант сополимеризации пары мономеров и состава полученного сополимера является очень плодотворным при исследовании механизма полимеризации с новым катализатором.

Сополимеризацией этилена с бутеном получают напорные трубы. Напорные трубы из полиэтилена используются почти в течение 50 лет. После начального применения материала для водораспределения было обнаружено, что данный материал обладает рядом преимуществ для транспортировки природного газа. Системы полиэтиленовых труб рассматриваемых в качестве варианта решения проблем с коррозией и утечками на стыках в системах из железа и стали. Непрерывное внедрение и разработка материалов со значительно улучшенными эксплуатационными характеристиками привели к быстрому росту применения этих материалов в этой отрасли, с начала 70-х годов. В настоящее время полиэтилен является основным материалом, как для водяных, так и для газовых труб во всем мире, как для новых трубопроводов, так и для заменяемых. Сведения, полученные с рынков, показывают, что полиэтилен имеет хороший потенциал роста для применения в трубных системах.

1.1 Молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение полиэтилена

Понятие о молекуле и молекулярной массе для высокомолекулярных соединений имеет ряд существенных отличий от таковых для низкомолекулярных веществ. Полимерная молекула представляет собой цепную структуру, состоящую из большого числа групп атомов, соединенных между собой химическими связями. Наличие различных конфигураций и конформаций макромолекул обуславливает различия в свойствах полимерных материалов и их поведение под действием внешних воздействий. Особенность полимеров, имеющих одинаковое стереохимическое расположение атомов, заключается в том, что они представлены широким набором полимергомологов - цепей одинакового химического строения, но различной длины. Из этого набора полиэтиленгамологов невозможно выделить молекулы точно определенной молекулярной массы.

Полимерные вещества всегда полидисперсны (полимолекулярны) - обладают распределением по ММ - ММР. Необходимо отметить, что кроме полимолекулярности полимеры характеризуются большим набором различного вида неоднородностей (полидисперсности): чередование звеньев различной природы (сочетание "голова - хвост", сомономеры), ориентация боковых групп, строение цепи - разветвленные цепи и так далее.

Однако под дисперсностью полимера понимается его полимолекулярность. Хотя полимер нельзя разделить на отдельные гомологи, тем не менее ММ является важнейшей молекулярной характеристикой образца. Именно ММ определяет способы переработки полимера, его физико - -механические свойства. При этом важно отметить, что свойства полимерного материала по-разному зависят от ММ. Например, вязкость расплава полимера определяется ММ в соответствии с формулой:

= К ₁ М^{а 1},

где К ₁,а 1 - эмпирические константы, при этом а 1 = 2,5/5.

При изменении ММ вязкость расплава может измениться в 10⁵ - 10¹⁰ раза.

Температура хрупкости полимера Тхр, определяющая возможность использования его в воде конструкционного материала, связана с ММ соответствием типа:

Тхр = А ₁ + В ₁/М,

где А ₁,В ₁ - эмпирические константы.

Приведенные соотношения показывают примеры очень сильной и слабой зависимости свойств полимерного материала от ММ. Свойства полимеров зависят от полидисперсности образца. Некоторые свойства определяются низкомолекулярными компонентами, другие - высокомолекулярными, а следовательно, в общем молекулярно - массовым распределением.

ММ и полидисперсность полимера зависят от условий проведения реакций полимеризации, аппаратурного оформления процессов, его технологических параметров. Поэтому существует ряд "обратных" кинетических задач, когда по ММ и ИИР определяют константы химических реакций, изучают наличие тех или иных реакций в процессе полимеризации. В связи с этим значимость определения ММ возрастает.

В последнее десятилетие развитие инструментальной базы представила возможности в полной мере удовлетворить запросы науки и промышленности в определении ММ м ММР.

ММР является в своеобразной форме отражением статистического характера полимеризационного процесса, особенностей температурного и гидродинамического режимов работы реакторов. Малые добавки компонентов полимеризационной системы могут существенно изменить ММР, не меняя химическую природу(свойства) полимера.

1.2 Примеси в полимерах и их влияние на качество полиэтилена

полимеризация этилен катализатор

Необходимость количественного определения примесей в полимерных материалах возникает при контроле содержания добавок, способных расходоваться в процессе полимеризации и переработки полимера, примесей, влияющих на свойства полимера и его перерабатываемость, а также диктуется санитарными нормами на допуск полимеров к применению в быту, пищевой промышленности и медицине.

Методики количественного определения необходимы также для изучения превращений добавок в полимерах с целью выбора оптимального количества добавок при разработке полимерных композиций.

Задача количественного определения добавок и примесей можно решать двумя путями: прямым анализом полимера или его раствора или с предварительным отделением добавок от полимерной части, а в сложных полимерных композициях - и от других низкомолекулярных веществ.

Наиболее распространенным методом выделения органических добавок для их количественного определения является экстракция органическим растворителем. Это обусловлено тем, что использование вакуум - термической и газовой экстракции ограничено летучестью определяемого соединения, метод ГПХ применим только к растворимым полимерам, а в методе растворения - высаждения всегда возможно захватывание низкомолекулярных веществ осаждающимся полимером, что особенно существенно при низких концентрациях определяемого соединения.

Отделенные от полимера добавки и примеси или минерализованный полимер можно анализировать непосредственно, или предварительно разделив низкомолекулярные вещества каким - либо подходящим методом. В случае органических добавок для этих целей в основном используют различные виды хроматографии.

Специальными опытами при разработке методик количественного анализа необходимо проверять стойкость добавки или примеси в процессе выделения ее из полимера, поскольку длительное температурное воздействие на этой стадии создает потенциальную возможность разложения и окисления добавок в ходе аналитического процесса. Для предотвращения возможного окисления выделение добавок и примесей иногда проводят в атмосфере инертного газа.

Технический прогресс нефтехимической и некоторых других отраслей промышленности тесно связан с применением катализа. Катализ позволяет снизить себестоимость продукции и, как правило, улучшить ее качество.

Катализом называется увеличение скорости химических реакций при воздействии катализаторов, которые участвуют в реакции, вступая в промежуточное химическое взаимодействие с реагентами, но восстанавливают свой химический состав с окончанием акта катализа.

Активность катализатора - это мера ускоряющего действия его на данную реакцию. Активность катализатора определяется различными показателями, которые применяются в зависимости от условий работы.

Кинетика каталитических процессов описывается формулами общего вида

и = kv ас

где скорость реакции и является определяемой величиной, зависящей от константы скоростиk, общего (насыпного) объема катализатораv, движущей силы процесса АС.

Следует отметить, что во многих процессах (например, при окислении воздухом, при гидратации водой) лимитирует изменение концентрации основного исходного вещества А, участвующего в реакции с большим избытком вещества В. Тогда выражение принимают в виде

Д С = (С_А~С*_А)^а

Эффективность каталитического процесса определяется как активностью катализатора, так и способом его применения. Твердые катализаторы применяют в неподвижном (фильтрующем) слое, во взвешенном (кипящем) слое, в виде слоя катализатора, движущегося сверху вниз в шахте контактного аппарата, и в виде восходящего потока дисперсного катализатора в реагирующей смеси газов.

Катализ в кипящем слое катализатора (КСК) постепенно внедряется в промышленное производство для осуществления процессов, в которых преимущества его перед неподвижным слоем наиболее проявляются, а трудности его осуществления уже преодолеваются

Сведения о некоторых реакциях, реализованных в КСК в промышленном масштабе. При этом активные компоненты катализаторов нанесены на механически прочные алюмосиликаты, оксиды алюминия или кремния, сульфаты металлов.

Первым преимуществом реакторов КСК перед адиабатическим реактором с неподвижным слоем при проведении экзотермических реакций является изотермический режим, при котором температура всего слоя равна конечной температуре Т_к продуктов реакции.

На рис.(1) дано сравнение двух возможных изотерм в кипящем слое с адиабатой неподвижного слоя. Однако преимущество изотермического процесса состоит в том, что его средневременная температура больше, чем в адиабатическом процессе в т раз.

Рис. 1

Для реактора со свободным КСК без теплообменных элементов в слое при предельно низкой температуре, соответствующей изотерме, температуру газа, поступающего в слой катализатора..

Коэффициенты теплоотдачи от КСК к теплообменной поверхности могут быть в 10-20 раз выше, чем от неподвижного слоя или от газового потока, в результате сильно уменьшаются поверхности теплообменников в КСК- Вследствие высокой теплопроводности КСК и благодаря применению мелкозернистого катализатора снимаются локальные перегревы и переохлаждения зерен, свойственные неподвижному слою. В неподвижном слое нерационально применять катализатор с размером зерен (таблеток) менее 4-5 мм из-за резкого возрастания гидравлического сопротивления АР_с. В результате наблюдается внутридиффузионное торможение в порах зерен катализатора, и степень использования внутренней поверхности зерен в ряде каталитических процессов составляет 0,5 и ниже. В КСК АР_с не зависит от размера зерна, поэтому целесообразно применять зерна такого размера, при котором достигается максимальная степень превращения.

Большим недостатком свободного КСК является образование крупных пузырей, через которые проходит большая часть газа без достаточного контакта с зернами катализатора. Этот недостаток частично преодолевается в организованном КС вследствие улучшения условий контактирования реагентов с катализатором. С целью предупреждения образования крупных пузырей непосредственно над решеткой и струйного прорыва газа через слой катализатора в контактных аппаратах КС устанавливают газораспределительные решетки со свободным сечением лишь 1,5- 2% (в аппаратах с неподвижным слоем 20-30 %), что связано со значительным гидравлическим сопротивлением решеток и соответственно повышенным расходом энергии на транспортировку газа.

С другой стороны, изотермический режим в КСК позволяет поддерживать оптимальную температуру, соответствующую наименьшей скорости протекания побочных реакций, т. е. способствует повышению селективности.

По типу конструкции, соответствующему определенному режиму работы различают: 1) однослойные и многослойные контактные аппараты; 2) аппараты, работающие с постоянным слоем катализатора, не имеющие перетоков и имеющие перетоки для непрерывного обновления катализатора.

Однослойные реакторы КС без теплообменников в слое эффективны для проведения процессов с низкими тепловыми эффектами на устойчивом катализаторе. Они применяются для необратимых реакций и таких обратимых процессов, в которых можно достичь значительных степеней превращения в одном слое. Такие реакторы наиболее просты по конструкции и используются в процессах окисления, в которых катализатор долгое время сохраняет высокую активность.

Однослойные реакторы с непрерывным обновлением катализатора используют в процессах крекинга, риформинга, дегидрирования, в которых катализатор быстро теряет активность и должен отводиться на регенерацию В некоторых случаях, когда мелкодисперсный катализатор плохо взвешивается, можно применять однослойный реактор с дополнительным механическим перемешиванием

Для проведения сильноэндотермических процессов с устойчивым катализатором возможно применение трубчатых аппаратов. Для предотвращения поршнеобразования в слое катализатора, расположенного в трубах, применяют малообъемные насадки. В межтрубном пространстве сжигается топливо или проходят горячие топочные газы для поддержания температурного режима работы катализатора. Трубчатые аппараты можно использовать и для экзотермических процессов

Для каталитических процессов могут быть использованы различные варианты реакторов со взвешенным слоем катализатора, отвечающие особенностям конкретного процесса, в том числе цилиндрическо-конические и конические аппараты, аппараты с распределительными решетками и без них, с провальными решетками, с насадками в слое, с мешалками в слое, с виброкипящим и пульсирующим слоем, со слоем, находящимся в поле центробежных сил и т.п.

Большинство усложненных конструкций реакторов КС еще мало изучено и не нашло широкого применения в промышленности.

2. Характеристика производимой продукции и используемого сырья

2.1 Характеристика производимой продукции

Полиэтилен порошок должен соответствовать требованиям и нормам технологического регламента:

- Плотность - г/смі - 0,937 - 0,941;

- ПТР, г/10 мин при 21,6 кг, - 12 - 16 ;

- ПТР 21,6/ ПТР 5 - 15-23;

- зольность % -0,045;

- насыпной вес - 0, 042 - 0,57;

- цветность не хуже - В.

Полиэтилен низкого давления (ПЭНД) инертен к действию многих химических реагентов; с увеличением молекулярной массы и плотности химической стойкости ПЭНД возрастает. Химическая стойкость также зависит от природы контактирующей среды, длительности и температуры воздействия.

Полиэтилен низкого давления (ПЭНД) не реагирует со щелочами любой концентрации, растворами нейтральных, кислых и основных солей, органическими кислотами и даже с концентрированной соляной и плавиковой кислотами.

При комнатной температуре ПЭНД не растворяется, но при температуре 115є С и выше растворяется во многих из них, особенно в алифатических и ароматических углеводородов и их галогенпроизводных. Степень набухания и растворимость увеличивается с понижением плотности ПЭНД с уменьшением его молекулярной массы.

2.2 Характеристика используемого сырья

Таблица 1. Характеристика используемого сырья

№ п/п	Наименование сырья, материалов и полупродуктов	ГОСТ, ТУ, регламент или методика на подготовку сырья	Показатели, обязательные для проверки	Регламентируемые показатели с допустимыми отклонениями
1	2	3	4	5
1.	Этилен	Технологический регламент производства полиэтилена	этилен	Не менее 99,9% об.
			водород	Не более 10 ppm об.
			ацетилен	Не более 10 pm об.
			сумма С 4	Не более 10 ppm об
			окись углерода	Не более 1 ppm об.
			соединения сернистых	Не более 1мг/мі
			кислород	Не более 1 ppm об.
			этан+метан	Не более 1000 ppm об.
			пропилен	Не более 50 pm об.
			Вода	Не более 1 ppm об.
			Аммиак	Не более 1 ppm об.
			метанол	не более 1;2 ppm об.
			двуокись углерода	Не более 5 ppm об.
2.	Бутен-1	Технологический регламент производства полиэтилена	бутен-1	не менее 96,3% об
			изобутилен	не более 0,2% об.
			бутен-2 (транс, цис)	не более 1,5% об.
			н-бутан, изобутан	не более 2,2% об.
			влага	не более 0,001% об.
			ацетиленистые (в пересчете на метилацетилен)	не более 0,001% об.
			бутадиен, пропадиен	не более 0,003% об.
			спирты	не более 0,001% об.
			тяжелые углеводороды	не более 0,1% об.
3.	Азот А-6,5	Постоянный технологический регламент производства азота, кислорода и сжатого воздуха № 115-1-03	Объемная доля азота	Не менее 99,999 %
			Объемная доля кислорода	Не более 0,0005 %
			Давление	4,5-6,5 кгс/смІ
			Точка росы	Минус 70оС
4.	Водород	Постоянный технологический регламент производства водорода № 115-2-2004	Содержание кислорода в водороде	не более 10 ппм
			Содержание воды	не более 40 ппм
			Точка росы	Не выше минус 50оС
			Содержание окиси углерода, двуокиси углерода, хлора, серы, нефтепродуктов	не более 0,0001 %
5.	Катализатор S-2	Постоянный технологический регламент производства хромового катализатора S-2 № 111-7-2007	Внешний вид	порошок светло-серого цвета
			Содержание хрома	0,25 0,05%
			Содержание алюминия	0,2-1,9 %
			Мольное отношение Al/Cr	(2,0-8,0)0,5
			Содержание летучих	не более 1,0% вес.

3. Описание технологической схемы

Полимеризация этилена протекает в реакторе с псевдоожиженным слоем порошка полиэтилена поз. 410/1301. Реактор представляет собой вертикальный аппарат объемом 539 мі, который состоит из цилиндрической части высотой 12м и диаметром 4,42м и верхней, расширенной до 7,3м. За счет увеличения площади сечения расширенной части линейная скорость циркуляционного газа снижается, что значительно уменьшает унос газом мелких частиц полимера. В нижней части реактора встроена газораспределительная решетка из углеродистой стали с отверстиями диаметром 17,06 мм, прикрытыми металлическими уголками, улучшающими распределение газа и уменьшающими попадание полимера под решетку. Степень закупорки газораспределительной решетки контролируется прибором PDRA 3008 с сигнализацией максимального перепада давления 0,6 кг/смІ. Для защиты от превышения давления реактор поз. 410/1301 снабжен предохранительным клапаном PSV 3001 с давлением срабатывания 23,06 кг/смІ. Поток циркулирующего газа непрерывно подается через распределительную решетку в реактор для создания и поддержания слоя порошка полиэтилена в псевдоожиженном состоянии и снятия выделяющегося тепла реакции. Большая часть мелких частиц смолы, увлеченных циркуляционным газом и псевдоожиженного слоя отделяется в верхней расширенной части реактора поз. 410/1301 и возвращается опять в слой. Циркуляционный газ вместе с небольшим количеством мелких частиц смолы проходит через компрессор поз. 430/1301 А, холодильник циркуляционного газа поз. Е 5301 и возвращается охлажденным в реактор.

Все отборы давления по реактору, узлы ввода катализатора, бутена, линии системы выгрузки, сдувки газа из реактора и предохранительный клапан во избежании их забивки порошком постоянно продуваются этиленом из коллектора продувочного этилена. Штуцер предохранительного клапана и линия сдувки продуваются через ограничительные шайбы.

Циркуляция газа в реакторе поз. 410/1301 осуществляется одноступенчатым центробежным компрессором поз. 430/1301. Расход циркуляционного газа измеряется и регулируется контуром автоматического регулирования.

Расход циркуляционного газа при нормальной работе поддерживается 500-650 т/час в зависимости от марки получаемого продукта, его насыпного веса. На всасе компрессора установлена решетка для предотвращения попадания в компрессор крупных агломератов полимера. Перепад на решетке измеряется дифманометром.

Из линии всаса компрессора поз. 430/1301 предусмотрена линия сброса возвратного транспортного азота, применяемая только при первоначальной загрузке реактора порошком полиэтилена через систему пневмотранспорта. Линии подачи мономера, сомономеров и сброса из циркуляционного контура описываются ниже.

Перепад давления на циркуляционном компрессоре поз. 430/1301 измеряется дифманометром. Температура нагнетания компрессора контролируется прибором TRA 1301-084 с сигнализацией максимальной температуры-113°С. На нагнетательном трубопроводе компрессора установлено три двухслойных сильфонных компенсатора, оба слоя которых имеют расчетную температуру и давление циркуляционного контура. Для защиты от высокого давления на коллекторе азота, подаваемого на продувку кольцевого пространства сильфонных компенсаторов, установлен предохранительный клапан с давлением срабатывания 9,9 кг/смІ. Часть рециклового газа с нагнетания компрессора по двум линиям подается на продувку линий выгрузки и возврата отдувки камеры продукта первой и второй систем выгрузки.

Циркуляционный газ отдает тепло полимеризации и охлаждается в холодильнике циркуляционного газа поз. Е 4531 системы охлаждения, и поступает обратно в реактор псз. 410/1301.

Состав циркуляционного газа постоянно контролируется системой анализаторов. Отбор газа на анализ осуществляется из пробоотборных точек на всасе и нагнетании компрессора поз.430/130. Циркуляционный газ анализируется на содержание: азота, водорода, этана, этилена, бутена, инертов и окиси углерода.

Этилен поступает в реакторный блок из общего для всех трех ниток коллектора этилена. На коллекторе этилена установлен отсечной клапан Расход этилена на полимеризацию измеряется диафрагмой.

Работая в каскадном режиме от регулятора будет поддерживаться постоянное, заданное давление в реакторе поз.430/1301.

При выпуске некоторых марок полиэтилена в циркуляционном контуре важно поддерживать парциальное давление этилена, что достигается работой контура каскадного регулирования:

Из линии подачи этилена предусмотрен сброс на факел, подача в линию этилена азота, азота высокой чистоты низкого давления. На линии подачи азота установлен предохранительный клапан.

В качестве сомономера в циркуляционный контур может подаваться либо бутен, поступающий в блок от отсечного клапана HCV 43012/3 на входе в отделение. Количество поступающего сомономера измеряется одним из трех параллельных приборов с учетом температуры поступающего сомономера. Каждый из трех сумматоров расхода работает от своей диафрагмы с различным диапазоном измерения.

Расход сомономера регулируется регулятором по соотношению с расходом этилена (в зависимости от подаваемого сомономера) по каскадной схеме регулирования.

В линию сомономера после клапана подается регенерированный сомономер с узла регенерацими сдувок. Подача осуществляется через отсечной клапан, связанный с логикой гашения и переключателем.

Подача сомономера производится в циркуляционный контур.

Для некоторых марок сополимеров с высоким содержанием бутена подача производится непосредственно в реактор 410/1301.

При получении некоторых марок полиэтиленов, этилен в контур подается по условию поддержания его парциального давления. В этом случае общее давление в реакторе регулируется подачей азота высокого давления от бустерной емкости азота. Подача азота регулируется контуром каскадного регулирования. Регулирующий клапан подачи азота закрывается логической схемой при гашении реакции.

В пусковой период при продувках реактора этиленом, отсутствии реакции предусмотрена линия сдувки из циркуляционного контура газа в емкость или в бункер продувки.

Для сброса давления из реактора поз.410/1301 в аварийных случаях имеется линия сброса из верхней части реактора.

Сброс давления через быстродействующий отсечной клапан HV 1301-015 производится при переводе ручного переключателя в положение "открыто" непосредственно на факел. Клапан связан с логической схемой гашения, положение клапана "открыто" сигнализируется концевым выключателем.

Сепаратор представляет собой сферический аппарат объемом 607мі, предназначенный для предотвращения перегрузки факельной системы при одновременном сбросе из 3-х реакторов. С целью безопасности сепаратор оборудован рядом блокировок с логикой гашения. Датчик давления предотвращает открытие клапана подачи этилена при давлении более 8,0 кг/смІ.

4. Материальный баланс аппарата

В основу расчета материального баланса положен закон сохранения массы вещества. Количество поступающих на переработку (УG_нач), равно количеству вещества получаемых в результате переработки (УG_кон), т.е приход равен расходу. Это можно представить в виде уравнения материально баланса.

УG_нач= УG_кон,

где УG_нач- суммарная масса исходных веществ процесса;

УG_кон- суммарная масса конечных продуктов.

Для расчета количества сырья, поступившего в реактор полимеризации принимаем на основе технологического регламента следующие расходные показатели.

На 1000кг полиэтилен порошка расходуется этилена-1035, катализатора S₂-0,22кг, бутена-1-29кг, водорода-0,56кг, азота-123,28нмі/ч

Рассчитываем необходимое количество сырья для получения полиэтилена порошка заданной производительности - 10750 кг/час:

Расход этилена

1035,00кг/т*10,75тн=11126,25кг/ч

Расход Бутена-1

29,00кг/т*10,75тн=311,75кг/ч

Расход КатализатораS2

0,22кг/т*10,75тн=2,365кг/ч

В промышленности наиболее принятой величеной выражения активности катализатора является количество продукта, получаемого с единицы объема катализатора за 1 час.

Активность в этом случае определяется по формуле:

A=G/V*T;

где- G-количество продукта, получаемого с объема катализатора V за время T,ч;

V-объем катализатора, загруженный в реактор, л;

Т- время, за которое получается количество продукта G,ч.[]

А=10750кг/2,365л*1ч=4,5454кг/ч

Расход Водорода

0,56кг/т*10,75тн=6,02кг/ч

Переведем расходную норму азота из кг/мі применим плотность в кг/ч, для чего сN₂=1,252кг/мі

123,28нмі/ч=154,34кг/ч

Расход азота

154,34кг/т*10,75=1659,15кг/ч

Циркуляционный газ в количестве 585000 кг/час[рег]следующего состава:

Этилен - 93,00 %(масс)

Азот - 0,50 %(масс)

Водород - 1,50 %(масс)

Бутен-1 -5,00 %(масс)

Рассчитываем количество компонентов, входящих в циркуляционный газ:

Этилен:

585000кг - 100%

Х кг - 93%

Х = 585000кг*93%/100% = 544050кг/час

Азот:

585000кг - 100%

Х кг - 0,50%

Х = 585000кг*0,50%/100% = 2925 кг/час

Водород:

585000кг - 100%

Х кг - 1,5%

Х = 585000кг*1,5%/100% = 8775 кг/час

Бутен-1:

585000кг - 100%

Х кг - 5%

Х = 585000кг*5%/100% = 29250кг/час

Расчет процентного содержания состава сырья в приходной части материального баланса.

Этилен

596446,385кг - 100%

11126,25кг - Х%

Х= 100%*11126,25кг/596446,385= 1,8654%

Бутен-1

596446,385кг - 100%

311,75кг - Х%

Х= 311,75 кг *100%/596446,385кг= 0,0522%

Катализатор S-2

596446,385кг - 100%

2,365 кг - Х%

Х= 2,365кг*100%/596446,385кг= 0,0003%

Водород

596446,385кг- 100%

6,02кг - Х%

Х= 6,02кг *100%/596446,385кг= 0,0010%

Азот

596446,385кг - 100%

1659,15кг - Х%

Х=1659,15кг*100%/596446,385кг=0,2781%

Циркуляционный газ:

Этилен

596446,385кг - 100%

544050кг - Х%

Х= 1659,15кг*100%/596446,385= 91,2152%

Бутен-1

596446,385кг - 100%

29250кг - Х%

Х=29250кг*100%/596446,385кг=4,9040%

Азот

596446,385кг - 100%

2925кг - Х%

Х=2925кг*100%/596446,385кг=0,4904%

Водород

596446,385кг - 100%

8775кг - Х%

Х=8775кг*100%/596446,385кг=1,4712%

За одну выгрузку полиэтилен порошка вместе с порошком из реактора выгружается 80кг циркуляционного газа.

В процессе полимеризации предусмотрен возврат части неиспользованного сырья в том числе циркуляционного газа на производство этилена в количестве 80 кг на 1 выгрузку и сдувки на факел в количестве 8, 24 на 1 сдувку.

Рассчитаем количество выгрузок:

1 выгрузка- 961,53 кг полиэтилена порошка [11,с. 84]

1750кг/961,53кг=11 выгрузок

11*80=880кг/ч

Рассчитываем количество сдувок на факел:

1 сдувка=8,24кг

11*8,24=90,64кг/ч

Расчет процентного содержания готовой продукции в расходной части материального баланса.

Циркуляционный газ

Этилен

596446,385кг - 100%

544050кг - Х%

Х= 544050кг*100%/596446,385= 91,2152%

Бутен-1

596446,385кг - 100%

29250кг - Х%

Х=29250кг*100%/596446,385кг=4,9040%

Азот

596446,385кг - 100%

2925кг - Х%

Х=2925кг*100%/596446,385кг=0,4904%

Водород

596446,385кг - 100%

8775кг - Х%

Х=8775кг*100%/596446,385кг=1,4712%

Сдувки на факел:

596446,385кг-100%

90,64кг- х%

Х=90,64кг*100%/596446,385кг=0,0152%

Возвратные отходы:

596446,385кг-100%

880кг- х%

Х=880кг*100%/596446,385кг=0,1475%

Результаты расчета материального баланса приведены в табл.2.

Таблица 2. Материальный баланс

Приход	Расход
Статья баланса	кг/ч	%	Статья баланса	кг/ч	%
1. Сырье, поступающее в реактор			1. Полиэтилен порошок,	10750,000	1,8023
Этилен	11126,250	1,8654
Бутен-1	311,750	0,0522	2. Возвратные отходы (цирк. газ на производство этилена)	880,000	0,1475
Катализатор, S-2	2,365	0,0003	3. Технологические потери (сдувка на факел)	90,640	0,0152
Водород	6,020	0,0040	4.Циркуляционный газ, всего, в том числе: -этилен; -бутен-1; -водород; -азот.	585000,000 544050,000 29250,000 8775,000 2925,000	98,0808 91,2152 4,9040 1,4712 0,4904
2. Циркуляционный газ, всего, в т.числе: -этилен; -бутен-1; -водород; -азот.	585000,000 544050,000 29250,000 8775,000 2925,000	98,0808 91,2152 4,9040 1,4712 0,4904
ИТОГО:	596446,385	100,00	ИТОГО:	637846,126	100,00

5. Тепловой баланс аппарата

Целью расчета теплового баланса является определение количества тепла необходимого для обеспечения процесса.

В основу расчета теплового баланса положен закон сохранения энергии, согласно которому количесво теплоты (УQґ),поступающей в данный процесс, если в последнем нет превращения ее в другой вид энергии, равно количеству теплоты, выделяющейся в процессе(УQґґ)

УQ ґ = УQґґ

УQ ґ- УQґґ=0

Тепловой баланс составляют в дж, кДж, Гдж на одну единицу, 100 или 100 единиц массы основного сырья, или конечного продукта, или же в форме теплового потока- в дж/сек(вт).

При составлении теплового баланса необходимо учитывать:

1) Теплоту, которую несут с собой входящие и выходящие продукты.

2) Теплоту, образующуюся за счет физических и химических превращений, если таковы имеют место в данном процессе(теплоты химической реакции, растворения, плавления, возгонки, парообразования и пр.)

3) Теплоту теряемую аппаратом в окружающую среду и т.д

В уравнение теплового баланса входят главным образом следующие величины:

Q_1-теплота входящих в аппарат продуктов

Q_2-теплота физических и химических превращений, протекающих данном аппарате

Q₃-теплота вносимая за счет посторонних продуктов, не принимающих непосредственного участия в процессе

Q₄-теплота выходящих из аппарата продуктов

Q₅- потери тепла в окружающую среду

Уравнение теплового баланса принимает вид:

Q₁+ Q₂+ Q₃ = Q₄ + Q_5,

Подсчет каждой из указанных величин является одной из главных задач расчета технологического процесса и проектирования химической аппаратуры.

Q_1-теплота входящих в аппарат продуктов подсчитывается по уравнению:

Q₁₌M_s*C_st

Расчет теплового баланса приходной части

Проводим расчет удельных теплоемкостей для используемых веществ по формулам:

Этилен

Q_{1C2H4 =} M_C2H4*C_C2H4*t[2с,.249]

T= 273+33= 306K

C_{s1 (C2H4)} = 5,72+0,1304*Т-0,0447*10^-3*Т ² кДж/кмоль*град

C_{s2 (C2H4)}=27,9+0,067*Т

C_{s1 (C2H4)} = 5,72+0,1304*306-0,0447*10^-3*306²=41,4370 кДж/кмоль*град

C_{s2 (C2H4)} =27,9+0,067*306=48,402кДж/кмоль*град

C_{s (C2H4)} =C_{s1 (C2H4)+}C_{s2 (C2H4)}=89,8400 кДж/кмоль*град

M _(C2H4) = 11126,250/28=397,3660кмоль/ч

Q_1(C2H4)=397,3660кмоль/ч*89,8400кДж/кмоль*град*306⁰=10924004,6006 кДж/ч

Бутен-1

Q_{1С 4Н 8} = M_{С 4Н 8 *}C_{С 4Н 8*}t

C_{s (С 4Н 8)} = 0,504+0,270*Т-0,0952*10^-3*Т ² кДж/кмоль*град [Бесков]

T= 273+27 = 300K

C_{s (С4Н 8)} = 0,504+0,270*300-0,0952*10^-3*300²=72,934 кДж/кмоль*град

M_(С4Н8) = 311,750/56=5,5670кмоль/ч

Q_1(С4Н8)=5,5670кмоль/ч*72,934кДж/кмоль*град*300⁰=121807,0734кДж/ч

Водород

Q_1(H2) = M_{(H2) *}C_{(H2) *}t

C_{s (H2)} = 28,8+0,00276*Т+1,17*10^-6*Т ² кДж/кмоль*град [2,с.249]

C_s(H2)=27,2+0,0038*Т

T= 273+28 = 301К

C_{s1 (H2)} = 28,8+0,000276*301+1,17*10^-6*301²=28,7770 кДж/кмоль*град

C_{s2 (H2)}=27,2+0,0038*301=28,3438 кДж/кмоль*град

C_{s (H2)} =C_{s1 (H2)+}C_{s2 (H2)}=57,1208 кДж/кмоль*град

M_(H2) = 6,020/2=3,0100кмоль/ч

Q_1(H2) = 3,0100кмоль/ч*57,1208кДж/кмоль*град*301⁰=51752,0160кДж/ч

Азот

Q_1(N2) = M_(N2)*C_(N2)*t

C_{s (N2)} = 26,4+0,00760*Т-1,445*10^-6*Т ² кДж/кмоль*град [2,с.249]

T=273+30 = 300К

C_{s (N2)} = 26,4+0,00760*300-1,445*10^-6*300²=28,5701 кДж/кмоль*град

M_(N2) = 1659,15/28=59,2553кмоль/ч

Q_1(N2)=59,2553кмоль/ч*28,5701кДж/кмоль*град*300⁰=512957,7434 кДж/ч

Катализатор S-2

Q_1(sio2)=M_(sio2)*C_(sio2)*t

SiO₂=11,92ккал/град*кмоль

1кал/г*град=4,1868кмоль/кг*град

Q_1(sio2)=2,365*4,1868*301=2980,4363 кДж/ч

Q₁-циркуляционного газа

Этилен

C_{s1 (C2H4)} = 5,72+0,1304*Т-0,0447*10^-3*Т ² [2,с.249]

Cs2 _(C2H4) =27,9+0,087*Т

T= 273+24 = 297K

Cs1 _(C2H4) = 5.27+0,1304*297-0,0447*10^-3*297²=40,0560кДж/кмоль*град

Cs2 _(C2H4)=27,9+0,087*297=53,740кДж/кмоль*град

Cs _(C2H4) = Cs1 _(C2H4) + Cs2 _(C2H4) =93,796кДж/кмоль*град

Бутен-1

C_{s (С 4Н 8)} = 0,504+0,270*Т-0,0952*10^-3*Т ² [2,с.249]

C_{s (С 4Н 8)} = 0,504+0,270*297-0,0952*10^-3*297²=72,2966 кДж/кмоль*град

M_{(С 4Н 8)} = 29250,000/56=522,3214кмоль/ч

Q_1(С4Н8)=72,2966кДж/кмоль*град*522,3214кмоль/ч*297⁰=11215332,2141кДж/ч

Водород

C_{s1 (H2)} = 28,8+0,00276*Т+1,17*10^-6*Т ² [2,с.249]

C_{s2 (H2)} =27,2+0,0038*T

C_{s1 (H2)} = 28.8+0.00276*297+1.17*10^-6*297²=29.7230кДж/кмоль*град

C_{s2 (H2)} =27,2+0,0038*297=28.3286

C_{s (H2)} = C_{s1 (H2)+}C_{s2 (H2)} =58.0516кДж/кмоль*град

M_(H2) = 8775,000/2=4387,5кмоль/ч

Q_1(H2) 58,0516*4387,5*297=75646314,315кДж/ч

Азот

C_{s (N2)} = 26,4+0,00760*Т-1,445*10^-6*Т ² [2,с.249]

C_{s (N2)} = 26,4+0,00760*297-1,445*10^-6*297²=28,5696кДж/кмоль*град

M_(N2) = 2925,000/28=104,4642кмоль/ч

Q_{1 (N2)} =28,5696*104,4642*297=886396,6212кДж/ч

Q₁=6404596,282кж/ч

Q_{1цирк.газа}=541123651,0082+11215332,2141+75646314,315+86396,6212=628871694,1585 кДж/ч

Рассчитаю физические и химические превращения протекающие в данном аппарате-Q₂-теплота экзотермической реакции полимеризации этилена:4160 кДж/кг [Бесков ]

Q₂=10750*4160=44720000кДж/ч

Расчет расходной части теплового баланса.

Рассчитаю теплоту выходящую из аппарата с продуктами реакции полиэтилена порошка Q₄

Удельная теплоемкость полиэтилена порошка равна 2,15кмоль/кДж*град

Q₄₌M*C*t [Бесков]

Порошок:

T=273+96 = 369 К

Q₄=10750*2,15*96=2218800кДж/ч

Q₄Циркуляционного газа

Этилен

C_{s1 (C2H4)} = 5,72+0,1304*Т-0,0447*10^-3*Т ² [2,с.249]

Cs_{2 (C2H4)}=27.9+0.087*T

C_{s1 (C2H4)}=5,27+0,1304*369-0,0447*10^-3*369=47,3013кДж/кмоль*град

C_{s2 (C2H4)}=27,9+0,087*369=60,003кДж/кмоль*град

C_{s (C2H4)}=C_{s1 (C2H4)}+ C_{s2 (C2H4)}=107,3043кДж/кмоль*град

M _(C2H4) = 544050,000/28=19430,3571кмоль/ч

Q_4(C2H4) = 107,3043*19430,3571*369=769350560,0580кДж/ч

Бутен-1

C_{s (С 4Н 8)} = 0,504+0,270*Т-0,0952*10^-3*Т ² [2,с.249]

C_{s (С 4Н 8)} = 0,504+0,270*369-0,0952*10^-3*369²=87,1715 кДж/кмоль*град

M_{(С 4Н 8)} = 29250,000/56=522,3214кмоль/ч

Q_{4(С 4Н 8)}=87,1715*522,3214*369=16801138,2305кДж/ч

Водород

Cs_{1 (H2)} = 28,8+0,00276*Т+1,17*10^-6*Т ² [2,с.249]

Cs_{2 (H2)} =27,2+0,0038*Т

C_{s1 (H2)} = 28,8+0,00276*369+1,17*10^-6*369²=29,6591 кДж/кмоль*град

Cs_{2 (H2)} =27,2+0,0038*369=28,6022кДж/кмоль*град

Cs _(H2) =Cs_{1 (H2)} +Cs_{2 (H2)} =58,2613кДж/кмоль*град

M_(H2) = 8775,000/2=4387,5кмоль/ч

Q_4(H2) = 58,2613*4387,5*369=94324316,4337кДж/ч

Азот

C_{s (N2)} = 26,4+0,00760*Т-1,445*10^-6*Т ² [2,с.249]

C_{s (N2)} = 26,4+0,00760*369-1,445*10^-6*369²=29,0077кДж/кмоль*град

M_(N2) = 2925,000/28=104,4642кмоль/ч

Q_{4 (N2)} =29,0077*104,4642*369=1118168,2183кДж/ч

Q_{4цырк.газа}=881594182,9405кДж/ч