Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Дихлоретан (хлористий етилен) CH ₂ Cl-CH ₂ Cl - безбарвна летюча рідина зі специфічним запахом, що нагадує запах хлороформу. З водою утворює азеотропну суміш (80,5% дихлоретану), киплячу при 72^о С. Дихлоретан спалахує і горить зеленим полум'ям, при горінні виділяється хлористий водень. Палаючий дихлоретан може бути легко погашений водою. Пари дихлоретану утворюють з повітрям вибухонебезпечні суміші з межами вибуховості 4,8-15,9%.

Дихлоретан змішується у всіх відношеннях зі спиртами, бензолом, ацетоном і багатьма іншими органічними сполуками; добре розчиняє масла, жири, смоли, віск, каучук, алкалоїди, а також деякі неорганічні речовини, наприклад, сірку, жовтий фосфор, йод та ін.

Дихлоретан отруйний і володіє наркотичною дією, тому при роботі з ним треба бути обережним. Вдихання парів дихлоретану викликає головні болі, подразнення дихальних шляхів, кашель і може призвести до смерті. Гранично допустима концентрація парів дихлоретану в повітрі виробничих приміщень 10 мг / м ^3.

Дихлоретан застосовується як розчинник у самих різних областях: для екстрагування жирів, для очищення нафтопродуктів від парафіну, для знежирення вовни, хутра, а також металевих виробів перед хромуванням або нікелюванням, для витягання восків з бурого вугілля і т. д. Він є також напівпродуктом для багатьох промислових синтезів. Значні кількості дихлоретану витрачаються на отримання хлористого вінілу.

1,2 дихлоретан добре розчиняє пластмаси, каучуки, гуму, жири та олії, віск і смоли. Його використовують для склеювання деталей корпусної пластмаси, при роботі з облицюванням будівельних конструкцій, з текстилем; для ремонту деталей з полістиролу (оргскла), видалення з їх поверхні тріщин і сколів. Не можна склеювати дихлоретаном посуд для харчових продуктів.

Існують декілька способів отримання дихлоретану з етилену:

1) взаємодія етилену з хлором в середовищі рідкого дихлоретану при 20-30 ° С;

2) пропускання етилену через рідкий хлор при підвищеному тиску і температурі не вище 0 ° С;

3) взаємодія етилену з хлором при підвищених температурах (до 120 ° С) над різними каталізаторами: (CuCl _2, FeCl _3, SbCl _5, тощо);

4) взаємодія етилену, хлористого водню і кисню над мідним каталізатором при 300 ° С : CH ₂ = CH ₂ +2 HCl +0,5 О ₂ > СН ₂ Сl-СН ₂ Сl + Н ₂ О;

У промисловості поширений головним чином перший спосіб, розроблений А. Ф. Добрянським зі співробітниками. Вони довели можливість використання для одержання дихлоретану не тільки чистого етилену, але і етиленової фракції газів піролізу нафтової сировини і етиленової фракції коксового газу. При другому способі для досягнення високого виходу дихлоретану потрібні висококонцентрований етилен і рідкий хлор. Крім того, реакція утворення дихлоретану, в цьому випадку, протікає при надлишку хлору, що призводить до утворення не тільки дихлоретану, але й інших продуктів хлорування етилену. Недоліками інших способів є невисокий вихід дихлоретану внаслідок утворення побічних продуктів заміщення, а також труднощі очищення дихлоретану [1].

Реакція протікає фактично в рідкій фазі. Завдяки цьому досягається безпека процесу (суміш газоподібних хлору і етилену вибухонебезпечна) і покращуються умови теплопередачі від реакційної маси до охолоджувального агенту. Відведення реакційного тепла значно полегшується, і повністю усувається можливість місцевих перегрівів. Крім того, в середовищі дихлоретану процес протікає аутокаталітично та швидкість реакцій значно вище, ніж при взаємодії газоподібних етилену і хлору.

Склад одержуваних продуктів різко змінюється, якщо в реакційне середовище вводити вільний кисень. При цьому утворення продуктів заміщення сповільнюється і навіть припиняється. Пояснюється це тим, що ланцюгова реакція заміщення в присутності кисню обривається. Ця обставина значно спрощує технологію виробництва дихлоретану. Тому при додаванні кисню можна проводити взаємодію етилену з хлором при 20-30 ° С і відводити тепло реакції холодною водою без охолодження розсолом, який необхідний при температурі нижче 0 ° С. Завдяки цьому спрощується апаратне оформлення процесу і знижується собівартість дихлоретану.

Виходячи з цього в даній роботі буде розглянутий метод отримання 1,2-дихлолетану взаємодією етилену з хлором в середовищі рідкого дихлоретану при 20-30 ° С.



1. Опис технологічної схеми

У промислових умовах хлорування етилену для отримання дихлоретану проводять в вертикальних циліндричних хлораторах; тепло реакції відводиться холодною водою, що циркулює в змійовиках і сорочці апарату. Хлоратор вщент заповнений дихлоретаном, через який барботуючи реагують гази - етилен і хлор. Гази повинні бути попередньо ретельно осушені, так як вологий хлор, частково гідролізує, створює корозійну дію на сталеву апаратуру. При достатньо повному осушенні вихідних газів всю реакційну апаратуру і трубопроводи можна виготовляти з звичайної вуглецевої сталі.

Етилен надходить з розподільних установок глибокого охолодження досить осушеним і додаткової осушки йому не потрібно. З етилену, що виділяється іншими способами, наприклад гіперсорбціею, волога повинна бути вилучена твердими поглиначами або виморожуванням. Для осушення хлору застосовують концентровану сірчану кислоту, але зазвичай хлор надходить з хлорного заводу вже осушеним. При роботі з недостатньо осушеними вихідними газами потрібно покривати свинцем внутрішні стінки хлоратора, охолоджуючих змійовиків і мішалок.

Технологічна схема промислового виробництва 1,2-дихлоретану показана, на рис. 1. У газовій суміші, що надходить в хлоратор 1, повинен міститися надлишок етилену (5-10% від стехіометричної кількості), необхідний для повного зв'язування хлору. Присутність хлору в реакційних газах неприпустима, тому що взаємодія хлору з вуглеводнями в неохолодженому трубопроводі може привести до підвищення температури і спалахування вуглеводнів. Хлор, що подається в хлоратор, розбавляють повітрям (8-10% від обсягу реагуючих газів), це дає можливість проводити хлорування етилену при 20-30 ° С. Для кращого контакту між реагуючими газами та більш повного розчинення їх у дихлоретані в хлоратор встановлена ??пропелерна мішалка.

Рисунок 1 - Схема виробництва дихлоретану з етилену і хлору:

1 - реактор(хлоратор); 2 -конденсатор змішування; 3 - збірник дихлоретану-сирцю; 4 - насос; 5 - промивний апарат; 6, 9 - ректифікаційні колони; 7, 10 - дефлегматори; 8, 11 - кип'ятильники;

Утворений дихлоретан-сирець з хлоратора самопливом безупинно перетікає до збірки 3.

Гази, що відходять з хлоратора, захоплюють значну кількість парів дихлоретану і частину хлористого водню, що утворюється в результаті реакцій заміщення. Тому з газів, що відходять, виділяють дихлоретан або абсорбцією, або конденсацією, як показано на схемі. У верхню частину конденсатора зміщування подають із холодильника охолоджений до - 20 ^оС дихлоретан для зрошення насадки. Дихлоретан, що зконденсувався збирається в нижній частині конденсатора і поступає в збірник дихлоретану-сирцю 3 . Гази, що відходять із верхньої частини конденсатора зміщування, ідуть в атмосферу.

Далі зі збірника частина конденсату повертається в реактор для підтримки потрібної температури і рівня рідини, а решту конденсату для звільнення від солей заліза направляють на триступінчату промивку кислотою, лугом і водою в апарат 4, де відбувається нейтралізація розчиненого в дихлоретані хлористого водню 5--10%-вим розчином їдкого натру.

Промитий 1,2-дихлоретан-сирець йде на ректифікацію. Осушка дихлоретану проводится в ректифікаційній колоні 6, у нижній частині якої підтримується температура 75--85 °С. З колони відганяється азеотропна суміш дихлоретану з водою, що конденсується в дефлегматорі 7 і частково повертається на зрошення колони 6. З кубової частини колони 6 стікає збезводнений дихлоретан, що надходить далі в ректифікаційну колону 9, де дихлоретан-дистиллят відділяється від трихлоретана й поліхлоридів (кубова рідина). Ступінь конверсії хлора близький до 100%, ступінь конверсії етилену складає 90-97%. Вихід 1,2-дихлоретану більше 90% [2].

Отже, процес отримання дихлоретану протікає згідно основних реакцій:

(1)

(2)

(3)

(4)

та реакції нейтралізації хлороводню:

(5)

Вхідні дані

Таблиця 1.1 Компоненти ХТС для одержання 1, 2 - дихлоретану

№ п/п	Назва компоненту	Хімічна формула
1	хлор	Cl2
2	етилен	C2H4
3	1,2 - дихлоретан	C2H4Cl2
4	трихлоретан	C2H3Cl3
4	тетрахлоретан	C2H2Cl4
5	пентахлоретан	C2HCl5
6	хлороводень	HCl
7	їдкий натр	NaOH
5	вода	H2О

Таблиця 1.2 Вхідні потоки схеми

Апарат	Вхідні потоки	Параметри потоку
		T, C	P, кПА	Молярні витрати кмоль/год	Масові витрати, кг/год
Реактор	C2H4	25	46	33,06	925,8
	Cl2	25	46	49,93	3545
	4'	25	46	10,28	288,3
Конденсатор	1	25	46	26,47	1877
	2	25	46	102,77	2883
Зірник	3	25	46	102,77	2883
Нейтралізатор	5	25,06	196	36,6	2595
	Нейтралізатор	30	196	10,7	300,1
Ректифікаційна колона	7	23	100	36,5	2588
Загальна сума всіх витрат (прихід):	409,08	17885,2



2. Аналіз структури ХТС

Перед розрахунком ХТС декомпозиційним методом необхідно розв'язати такі задачі:

- Визначити наявність у ХТС груп апаратів, які розраховуються разом (комплекси), та виділити ці комплекси;

- Визначити попередню послідовність розрахунку комплексів та апаратів, які не входять у комплекси;

- Для кожного комплексу визначити оптимальну множину розірваних потоків та послідовність розрахунку комплексу;

- Визначити кінцеву послідовність розрахунку всієї ХТС.

Цей перелік операцій об'єднують в задачу аналізу структури ХТС [3].

Розпочнемо структурний аналіз процесу одержання 1,2-дихлоретану зі складання принципової схеми, що наведена на рис. 2.1. Вона включає в себе 12 основних блоків та 5 рециклів.

Рисунок 2.1 - Принципова схема

1. Складаємо матрицю суміжності А.



2. За допомогою Matlab знаходимо кількість комплексів:

C = A | A^2| A^3| A^4| A^5| A^6| A^7| A^8| A^9| A^10| A^11| A^12

D=C' & C

З матриці D видно, що в нашій схемі присутні 3 комплекса і 2 елемента, які входять в комплекси.

3. Попередня послідовність розрахунку схеми виглядає наступним чином:

ППРС = (K1, 5, 6, К2, К3), де K1 = (1, 2, 3, 4); К2 = (7, 8, 9); К3 = (10, 11, 12).

4. Для комплексів:

4.1. Формуємо список суміжності для комплексів.

Таблиця 2.1 - Список суміжності для комплексів

І		ІІ	ІІІ		IV	V
1	2	3	4		7	8	7	9		10	11	10	12
2	3	4	1		8	7	9	7		11	10	12	10

4.2. Будуємо прадерево для комплексів (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 - Прадерево комплексів

4.3. Комплекси складається з 5-и контурів:

- I = 1-2-3-4-1.

- II = 7-8-7.

- III = 7-9-7.

- IV = 10-11-10.

- V = 10-12-10.

4.4. Складемо матрицю контурів:

Таблиця 2.2 - Матриця контурів

	1-й комплекс
	1-2	2-3	3-4	4-1
І	1	1	1	1
f	1	1	1	1
p	1	1	1	1
	2-й комплекс
	7-8	8-7	7-9	9-7
II	1	1	0	0
III	0	0	1	1
f	1	1	1	1
p	1	1	1	1
	3-й комплекс
	10-11	11-10	10-12	12-10
IV	1	1	0	0
V	0	0	1	1
f	1	1	1	1
p	1	1	1	1

4.5. Визначаємо оптимальну множину розриваємих дужок (ОРМД).

Будемо вважати, що проміжні потоки схеми мають однакову параметричність.

Так як в нас присутні 5 контурів, що не мають спільних дуг, то розірвемо по одній дузі в кожному контурі: (4-1), (8-7), (9-7), (11-10), та (12-10).

Оптимальна множина розриваючих дужок буде:

ОМДР = (4-1); (8-7); (9-7); (11-10); (12-10).

5. Визначимо послідовність розрахунку схеми (ОПРС).

ОПСР = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12.

Наступним кроком при розрахунку ХТС для отримання 1,2- дихлоретану буде моделювання схеми за допомогою програми ChemCad.

дихлоретан технологія реакція баланс

3. Розрахунок ХТС із використанням програмного середовища СhemСad

Для збирання схеми використовуємо програму ChemCad, так як, це програма для моделювання та розрахунку технологічних схем з рециклічними потоками (органічних і неорганічних речовин і безперервних сумішей), а також енергетичних потоків [4].

Для складання відповідної схеми нам необхідно: реактор - 1, сепаратор - 1, ректифікаційні колони - 2, міксер -1 , дільник - 1. Необхідні апарати ми можемо обрати з бібліотеки апаратів, що зображена на рис. 3.1:

Рисунок 3.1 - Бібліотека апаратів

Обираємо необхідні нам апарати та створюємо відповідну схему, яка зображена на рис. 3.2. Об'єднати обрані апарати можливо за допомогою піктограми stream (потік) , а позначити вхідні потоки - та вихідні потоки - .

Рисунок 3.2 - Схема отримання 1,2-дихлоретану

Далі потрібно налаштувати кожен апарат в схемі та вхідні потоки, зокрема, потрібно задати речовини, які присутні: температуру, тиск та ін. параметри, що впливають на процес. Приклад задання вхідного потоку зображений на рис. 3.3:

Рисунок 3.3 - Задання вхідного потоку



В реакторі потрібно задати наступні характеристики, що зображенні на рис. 3.4:

Рисунок 3.4 - Налаштування реактора

Зі схеми видно, що в реакторі протікає 4 реакції, які також необхідно задати при налаштуванні реактора (рис 3.5 - 3.8):

Рисунок 3.5 - Перша реакція, що протікає в реакторі



Рисунок 3.5 - Друга реакція, що протікає в реакторі

Рисунок 3.5 - Третя реакція, що протікає в реакторі



Рисунок 3.5 - Четверта реакція, що протікає в реакторі

Ректифікаційні колони слугують для того щоб відділити похідні речовини від необхідного нам - 1,2 - дихлоретан (рис. 3.9 - для першої колони та рис. 3.10 - для другої):

Рисунок 3.9 - Налаштування першої ректифікаційної колони



Рисунок 3.10 - Налаштування другої ректифікаційної колони

Після виконання всіх вище вказаних дій, наша схема вважається змодельованою і ми можемо її запустити за допомогою піктограми на панелі керування.

Після розрахунку схеми, можна розглянути отримані результати із використанням численних можливостей в меню Report (звіти) по даній схемі.

Далі наведено частину із цих звітів.

- Структура схеми (Топологія)

Equipment Label Stream Numbers

1 MIXE 1 5 -2

2 EREA 2 -3

3 DIVI 3 -4 -5

4 CSEP 4 -6 -7

5 FLAS 7 -8 -9

6 FLAS 9 -10 -11

Stream Connections

Stream Equipment Stream Equipment Stream Equipment

From To From To From To

1 1 5 3 1 9 5 6

2 1 2 6 4 10 6

3 2 3 7 4 5 11 6

4 3 4 8 5

- Термодинамічні властивості

COMPONENTS

ID # Name Formula

1 22 Ethylene C2H4

2 105 Chlorine Cl2

3 127 1,2-DiCl-Ethane C2H4Cl2

4 124 1,1,2-3Cl-Ethane C2H3Cl3

5 478 1122-4Cl-Ethane C2H2Cl4

6 655 Pentachloroethan C2HCl5

7 104 Hydrogen Chlorid HCl

THERMODYNAMICS

K-value model : UNIFAC

No correction for vapor fugacity

Enthalpy model : Latent Heat

Liquid density : Library

Std vapor rate reference temperature is 0 C.

Atmospheric pressure is 101.3250 kPa.

UNIF Group Interaction Parameters:

Formula: Xij = Aij + Bij * T + Cij * T * T ( T in deg K)

Grpi Grpj Aij Aji Bij Bji Cij Cji

CCL CCL2 108.30 -84.53 0.0000 0.0000 0.00000 0.00000

CCL CCL3 249.20 -157.10 0.0000 0.0000 0.00000 0.00000

* Component ID 22 does not have UNIFAC subgroups.

* Component ID 105 does not have UNIFAC subgroups.

* Component ID 104 does not have UNIFAC subgroups.

* UNIFAC main groups CCL2 and CCL3, No interaction parameters.

Далі наводимо звіт із матеріальних та енергетичних балансів:

- Матеріальний баланс

Overall Mass Balance kmol/h kg/h

Input Output Input Output

Ethylene 33.001 0.000 925.800 0.000

Chlorine 49.996 4.785 3545.000 339.278

1,2-DiCl-Ethane 0.000 25.080 0.000 2481.940

1,1,2-3Cl-Ethane 0.000 4.620 0.000 616.338

1122-4Cl-Ethane 0.000 2.310 0.000 387.739

Pentachloroethan 0.000 0.990 0.000 200.274

Hydrogen Chlorid 0.000 12.210 0.000 445.197

Total 82.996 49.996 4470.800 4470.766

- Енергетичний баланс

Overall Energy Balance MJ/h

Input Output

Feed Streams 1732.46

Product Streams -5664.37

Total Heating 1070.98

Total Cooling -8467.8 8467.8

Power Added 0

Power Generated 0

Total -5664.37 -5664.37

Складемо таблицю матеріального балансу (табл. 3.1):

Таблиця 3.1 - Матеріальний баланс процесу

Загальний матеріальний баланс	кмоль/год	кг/год
	Вхід	Вихід	Вхід	Вихід
Етилен	33,001	0,000	925,800	0,000
Хлор	49,996	4,785	3545,000	339,278
1,2-дихлоретан	0,000	25,080	0,000	2481,940
1,1,2-трихлоретан	0,000	4,620	0,000	616,338
1,1,2,2-тетрахлоретан	0,000	2,310	0,000	387,739
Пентахлоретан	0,000	0,990	0,000	200,274
Гідроген хлорид	0,000	12,210	0,000	445,197
Всього	82,996	49,996	4470,800	4470,766

Як можна бачити із останніх звітів матеріальний та енергетичний баланси зійшлися.



Висновок

В результаті виконання даної курсової роботи було досліджено процес отримання 1,2-дихлоретану методом взаємодії етилену з хлором в середовищі рідкого дихлоретану при температурі 20-30 ° С .

Зокрема, було вивчено роботу технологічної схеми отримання 1,2-дихлоретану. Виконано структурний аналіз схеми. Створено модель процесу у моделюючій програмі Chemcad. Виконано комп'ютерний розрахунок схеми.

Матеріальний баланс зійшовся з похибкою 7,6*10^-4 %.

В результаті розрахунків було визначено, що вихід 1,2-дихлоретану становить 90%, з чого можна зробити висновок, що дана схема є досить ефективною.

Размещено на Allbest.ru