Контрольная работа: Производство ацетилена

Эти реакции эндотермичны, и их равновесие смещается вправо только при 1000—1300°С. Однако при практическом осуществлении процесса с целью его ускорения требуется более высокая температура: 1500—1600°С для метана и 1200°С для жидких углеводородов.

Подобно пиролизу на олефины, реакции образования ацетилена имеют радикально-цепной механизм, причем цепь превращений метана и этана можно представить примерно так:

В полученном газе кроме низших парафинов и олефинов содержится небольшое количество бензола и ацетиленовых углеводородов — метилацетилена СН₃ —ССН, а также винилацетилена СН₂ =СН—ССН, диацетилена СНїCCH и др.

Получение ацетилена данным методом осложняется побочной реакцией его разложения на углерод и водород. Она становится заметной при 1000°С и достигает значительной скорости при 1200—1600°С, т. е. при температуре, требуемой для получения ацетилена. В результате наблюдается система последовательных реакций, при которой образующийся ацетилен разлагается на водород и углерод (сажу):

Как и в других подобных случаях, регулирование выхода промежуточного продукта может быть достигнуто уменьшением степени конверсии исходного углеводорода в результате снижения времени контакта. Найдено, что хороший выход ацетилена при небольшом образовании сажи можно получить при степени конверсии исходного углеводорода 50 % и времени его пребывания в зоне реакции 0,01 с. Во избежание дальнейшего разложения ацетилена необходима быстрая «закалка» реакционных газов (впрыскивание воды), при этом температура резко снижается до такой величины, при которой распада ацетилена не происходит.

При недостатке кислорода и высокой температуре сгорание метана происходит в основном по реакции:

СН₄ + О₂ → СО + Н₂ + Н₂ О, = 272,2 кДж/моль.

Она протекает очень быстро, и образование ацетилена (как более медленный процесс) начинается лишь в зоне, практически лишенной кислорода. Там же происходит конверсия оксида углерода

СО + Н₂ О ↔ СО₂ + Н₂ ,

причем соотношение водорода, оксидов углерода и водяных паров оказывается близким к этому равновесию водяного газа. В практических условиях около 1/3 кислорода расходуется на образование воды, 10—15 % на СО₂ и 50—55 % на СО.

Поскольку процесс протекает в автотермическом режиме, для поддержания температуры 1500°С, необходимой для разложения метана, соотношение начальных объемов СН₄ и О₂ должно составлять 100:(6065), что находится вне пределов взрываемости этих смесей. Опасные концентрации могут возникнуть лишь во время смешения, проводимого при достаточно высокой скорости и турбулентности потока газов. Само горение метана характеризуется некоторым периодом индукции, длительность которого зависит от температуры и давления. Для метано-кислородных смесей указанного выше состава при атмосферном давлении и 600 °С период индукции составляет 2с, что ограничивает время от смешения предварительно подогретых газов до их попадания в горелки, где происходит самовоспламенение смеси. Скорость течения газа в сопле горелки (100 м/с) должна быть выше скорости распространения пламени, чтобы возникшее пламя не распространялось в обратном направлении. В то же время при стабильном режиме горения скорость газа не должна быть выше скорости гашения пламени, чтобы оно не отрывалось от горелки. При турбулентном потоке устойчивому горению способствуют подвод дополнительного количества кислорода в зону горения (так называемый стабилизирующий кислород), а также многосопловые устройства со множеством факелов горения, стабилизующих друг друга.

5. Аппаратурно-технологическая схема

Технологическая схема получения ацетилена окислительным пиролизом метана изображена на рис. 2. Кислород и метан подогревают до 600—700 °С в трубчатых печах 1 и 2, имеющих топки для сжигания природного газа. В реакторе 3 протекают вышерассмотренные процессы, причем газы выходят из него после «закалки» водой при 80 °С и проходят для улавливания сажи полый водяной скруббер 4 и мокропленочный электрофильтр 5. Газы охлаждают водой в холодильнике 6 непосредственного смешения, после чего их промывают в форабсорбере 7 небольшим количеством диметилформамида или N-метилпирролидона и направляют в газгольдер 8. Вода, стекающая из гидравлического затвора реактора и из сажеулавливающих аппаратов, содержит 2—3 % сажи, а также малолетучие ароматические соединения. Она поступает в отстойник 9, с верха которого сажу и смолы собирают скребками и направляют на сжигание. Воду из отстойника возвращают в реактор как «закалочный агент», а ее избыток идет на очистку, чем создается замкнутая система водооборота без сбрасывания токсичных сточных вод.

Газ из газгольдера 8 сжимается компрессором 10 до давления 1 МПа, проходя после каждой ступени холодильники и сепараторы, не показанные на схеме. В абсорбере 11 он промывается диметилформамидом или N-метилпирролидоном, а непоглотившийся газ (Н₂ , СН₄ , СО, СО₂ ) проходит скруббер 12, где при орошении водным конденсатом улавливается унесенный им растворитель. После этого газ можно использовать в качестве синтез-газа или топлива.

Раствор в кубе абсорбера 11 содержит ацетилен и его гомологи, а также значительное количество близкого к ним по растворимости диоксида углерода с примесью других газов. Он проходит дроссельный вентиль 13 и поступает в десорбер 14 первой ступени. За счет снижения давления до 0,15 МЦа и нагревания куба до 40 °С из раствора десорбируются ацетилен и менее растворимые газы. Ацетилен при своем движении вверх вытесняет из раствора диоксид углерода, который вместе с другими газами и частью ацетилена выходит с верха десорбера, предварительно отмываясь от растворителя водным конденсатом. Эти газы возвращают на компримирование. Концентрированный ацетилен выводят из средней части десорбера 14, промывают в скруббере 15 водой и через огнепреградитель 16 выводят с установки.

Кубовую жидкость десорбера 14, содержащую некоторое количество ацетилена и его гомологов, направляют в десорбер 18 второй ступени, подогревая предварительно в теплообменнике 17. За счет нагревания куба до 100°С из раствора отгоняются все газы, причем из средней части колонны уходят гомологи ацетилена, направляемые затем на сжигание, а с верха — ацетилен с примесью его гомологов, возвращаемый в десорбер первой ступени. В растворителе постепенно накапливаются вода и полимеры, от которых его освобождают на установке регенерации, не изображенной на схеме. Полученный на установке концентрированный ацетилен содержит 99,0—99,5 % основного вещества с примесью метилацетилена, пропадиена и диоксида углерода (по 0,1—0,3%).

Рис. 2. Технологическая схема получения ацетилена окислительным пиролизом метана:

1 , 2 — трубчатые печи; 3 —реактор; 4 — скруббер-сажеуловитель; 5 — электрофильтр; 6 — холодильник; 7 — форабсорбер; 8 — газгольдер; 9 — отстойник; 10 — компрессоры; 11 — абсорбер; 12, 15 — скрубберы; 13 — дроссельный вентиль; 14, 18 — десорберы; 16 — огнепреградитель; 17 — теплообменник; 19 — кипятильники;

6. Материальный баланс процесса пиролиза природного газа

при окислительном пиролизе протекают следующие реакции:

2СН₄ ↔С₂ Н₂ +Н₂ – Q (1)

4СН₄ +3О₂ ↔2С₂ Н₂ +6Н₂ О+Q (2)

СН₄ +О₂ ↔СО+Н₂ +Н₂ О+Q (3)

2СН₄ +О₂ ↔2СО+4Н₂ +Q (4)

Данные для расчета

1) Состав технического кислорода, % (об.):

кислород – 98,0;

азот - 1,0;

аргон - 1,0.