Хлорирование метана
Министерство Образования и Науки РФ
Казанский Государственный Технологический Университет
Кафедра Общей Химической Технологии
Реферат
по курсу: Технология химических производств
на тему:
Хлорирование метана
Казань 2008
Содержание
Хлорирование метана
Технологические и технико-экономические показатели
Реклама
Список литературы
Хлорирование метана
Процесс совместного получения хлорметанов можно осуществлять в реакторе со стационарным или псевдоожиженным слоем катализатора. Вторая технология более перспективна, она включает следующие стадии: хлорирование в псевдоожиженном слое катализатора; пылеулавливание и отпаривание газов кислотного характера; абсорбция хлороводорода; нейтрализация и осушка рециркулирующего реакционного газа; компримироваиие рециркулирующих газов; ректификация хлорметанов с выделением товарных продуктов.
Хлор и метан подают в реактор в соотношении от 1: 2 до 3,88: 1 в зависимости от того, какое хлорпроизводное желательно получить. Например, при соотношении С1>2>: СН>4>-1: 2 образуется продукт, содержащий [п% (мол)]: СН>3>С1 - 62; СН>2>С1>2> - 30; СНС1>3> - 7; СС1>4> - 1; при соотношении С1>2>: СН>4> = 3,88: 1 образуется продукт, содержащий только 4% (мол) СНС1>3> и 96% (мол) СС1>4>.
Метан и хлор поступают в реактор 1 с псевдоожиженным слоем катализатора. Реактор выполнен из хромоникелевоп стали.
Хлорирование ведут; при 350 °С и атмосферном давлении, время контакта 0,1-20 с. Реакционная смесь проходит систему пылеулавливания (циклон 2) и поступает на нейтрализацию в колонну 3, где отпариваются кислые газы. После этой колонны продукты реакции промывают водой в скруббере 6; при этом получается товарная соляная кислота. Далее газы нейтрализуют раствором щелочи в скруббере 7 и осушают серной кислотой в скруббере 8.
Нейтрализованные газы, содержащие в основном метан и метилхлорид, компримируют и возвращают в реактор на хлорирование. Конденсат после отпаривания кислых газов поступает на ректификацию в колонны 10, 12 и 13, в которых последовательно выделяют метиленхлорид, хлороформ и тетрахлорид углерода.
Для удалении инертных примесей часть реакционного газа после компрессора 9 и скруббера 6 выводят в атмосферу (на схеме не показано). Расход основного сырья на 1 т готового продукта составляет 133 кг метана и 1784 кг хлора.
В процессе на 1 т хлороформа образуется 0,9 т метиленхлорида и 0,5 т тетрахлорида углерода. Кубовые остатки (в основном со стадии ректификации) в количестве 0,01 т на 1 т хлороформа направляют па установку термического обезвреживания. В процессе образуется соляная кислота (примерно 1 т па 1 т хлороформа), которую после очистки от хлорорганических примесей можно применять вместо синтетической. Отработанную серную кислоту (0,1 т на 1 т хлороформа) передают на производство сульфата натрия.
Задание:
Составить и описать технологическую схему процесса хлорирование метана
Составить материальный баланс процесса
Рассчитать технологические технико-экономические показатели
В основу расчета принять следующие реакции:
CH>4>+Cl>2>→CH>3>Cl+HCl
CH>3>Cl+Cl>2>→CH>2>Cl>2>+HCl
CH>2>Cl>2>+Cl>2>→CHCl>2>+HCl
CHCl>3>+Cl>2>→CCl>4>+HCl
Исходные данные:
|
Производительность установки по хлорсодержащим продуктам, т/сут |
60 |
|
Состав сырья,% масс природный газ с содержание метана технический хлор с содержанием примесей |
93 1.5 |
|
Состав продуктов,% моль метан хлористый метан хлористый метилен хлороформ четыреххлористый углерод |
32 18 25 20 5 |
|
Мольное соотношение хлор-метан |
2.6 |
|
Потери метана,% масс |
1.3 |
Материальный баланс. Схема потоков:
C
H>4>;
Cl>2>;
природный газ; CH>3>Cl;
CH>2>Cl>2>;
CHCl>3>;
CCl>4>; CH>4>;
примесь Cl>2 >Cl>2>; прир. газ; примесь Cl>2>; HCl
|
Приход |
Расход |
|||
|
кг/ч |
кмоль/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
|
|
CH>4> Cl>2> CH>3>Cl CH>2>Cl>2> CHCl>3> CCl>4> HCl прим. CH>4> прим. Cl>2> |
604,88 6969,9 0 0 0 0 0 45,53 106,14 |
37,81 98,306 0 0 0 0 0 |
191 + 7,76 3053,38 339 792,25 890,75 287 2013,5 45,53 106,14 |
11,94 + 0,485 43,07 6,72 9,33 7,46 1,87 55,24 |
|
Σ>1> = 7726,45 |
Σ>2> = 7726,31 |
Молярные массы веществ:
Mr (CH>4>) = 12+4=16 кг/кмоль
Mr (Cl>2>) = 35,45*2=70,9 кг/кмоль
Mr (CH>3>Cl) = 12+3+35,45=50,45 кг/кмоль
Mr (CH>2>Cl>2>) = 12+2+35,45*2=84,9 кг/кмоль
Mr (CHCl>3>) = 12+1+35,45*3=119,35 кг/кмоль
Mr (CCl>4>) = 12+35,45*4=153,8 кг/кмоль
Mr (HCl) = 1+35,45=36,45 кг/кмоль.
1. m (прод) = 60*1000/24=2500кг/ч
2. Найдем массовый процентный состав продуктов:
на 100 моль смеси:
32 моль CH>4> m=32*16=512кг/ч
18 моль CH>3>Cl m = 18*50,45=908,1 кг/ч
25 моль CH>2>Cl>2 >m = 25*84,9=2122,5 кг/ч
20 моль CHCl>3 >m = 20*119,35=2387 кг/ч
5 моль CCl>4 >m = 5*> >153,8=769 кг/ч
всего: 6698,6 кг/ч
W>мас> (СН>4>) = 512/6698,6*100% = 7,64%
W>мас> (СН>3>Cl) = 908,1/6698,6*100% = 13,56%
W>мас> (CH>2>Cl>2>) = 2122,5/6698,6*100% = 31,69%
W>мас> (CHCl>3>) = 2387/6698,6*100% = 35,63%
W>мас> (CCl>4>) = 769/6698,6*100% = 11,48%
Состав продуктов:
m>ост> (СН>4>) =2500*0,0764=191кг/ч
m (СН>3>Cl) =2500*0,1356=339кг/ч
m (CH>2>Cl>2>) =2500*0,3169=792,25кг/ч
m (CHCl>3>) =2500*0,3563=890,75кг/ч
m (CCl>4>) =2500*0,1148=287кг/ч
W>ост> (СН>4>) =191/16=11,94кмоль/час
W (СН>3>Cl) = 339/50,45=6,72кмоль/час
W (CH>2>Cl>2>) = 792,25/84,9=9,33кмоль/час
W (CHCl>3>) = 890,75/119,35=7,46кмоль/час
W (CCl>4>) = 287/153,8=1,87кмоль/час
Прореагировало хлороформа: W>пр> (CHCl>3>) = W (CCl>4>) = 1.87 кмоль/ч
Образовалось хлороформа: W>о> (CHCl>3>) = W>пр >+ W = 1.87 + 7.46 = 9.33 кмоль/ч.
Прореагировало хлористого метилена: W>пр> (CH>2>Cl>2>) = W>о> (CHCl>3>) = 9.33 кмоль/ч.
Образовалось хлористого метилена: W>о> (CH>2>Cl>2>) = W>пр >+ W = 18.66 кмоль/ч
Прореагировало хлористого метила: W>о> (CH>2>Cl>2>) = W>о> (CH>2>Cl>2>) = 18.66 кмоль/ч.
Образовалось хлористого метила: W>о> (CH>2>Cl>2>) = W>пр >+ W = 18.66 + 6.72 = 25.38 кмоль/ч.
Прореагировало метана: W>пр> (СН>4>) = 25.38 кмоль/ч
Всего подано на реакцию: W (СН>4>) = W>пр >+ W>о >= 25.38 + 11.94 = 37.32
m>о> (СН>4>) = 37.32 * 16 = 597.12
Всего подано метана с учетом потерь: m>всего> (СН>4>) - 100%,
597.12 - 98.7%
m>всего> (СН>4>) = 597.12 * 100/ 98.7 = 604.88 кг/ч
W (СН>4>) = 604.88/16 = 37.81 кмоь/ч
m>п> (СН>4>) = 604.88 - 597.12 = 7.76 кг/ч
W (СН>4>) = 7.76,16 = 0.485 кмоь/ч
Количество превращенного кислорода и образовавшегося HCl:
1 р - я:
W>1> (Cl>2>) = W>1> (HCl) = W>о> (СН>3>Cl) = 25.38 кмоль/ч
2 р - я:
W>2> (Cl>2>) = W>2> (HCl) = W>о> (CH>2>Cl>2>) = 18.66 кмоль/ч, 3 р - я:
W>3> (Cl>2>) = W>3> (HCl) = W>о> (CHCl>3>) = 9.33 кмоль, 4 р - я:
W>4> (Cl>2>) = W>4> (HCl) = W (CCl>4>) = 1.87 кмоь/ч
W>о> (Cl>2>) = W>3> (HCl) = 55.24 кмоль/ч
m> о> (Cl>2>) =55.24 * 70.9 = 3916.52 кг/ч
m> о> (HCl) = 55.24 * 36.45 = 2013.5 кг/ч
Хлор с учетом избытка:
W>всего> (Cl>2>) = 2.6 * W>всего> (СН>4>) = 98.306 кмоль/ч
m>всего> (Cl>2>) = 98.306 * 70.9 = 6969.9 кг/ч
Избыток:
m>изб> (Cl>2>) = m>всего> (Cl>2>) - m>о> (О>2>) = 6969.9 - 3916.52 = 3053.38 кг/ч
W>изб> (Cl>2>) = 3053.38/70.9 = 43.07 кмоль/ч
Подано природного газа (примесь метана):
604.88 - 93%
х - 7%
х = m> (пр. газ) >= 604.88 * 7/93 = 45.53 кг/ч
Подано примесей хлора:
6969.9 - 98.5%
х - 1.5%
х = m>прим> (Cl>2>) = 6969.9 * 1.5/98.5 = 106.14
Технологические и технико-экономические показатели
Пропускная способность установки:
m (CH>4>) + m (Cl>2>) + m (прим Cl>2>) + (прим CH>4>) = 7726,45 кг/ч
Конверсия или степень превращения метана:
= M (CH>4>)
подано - M (CH>4>)
непрореагировало / M (CH>4>)
подано * 100%
= 604,88 - 198,76/604,88* 100% = 67%
Теоретические расходные коэффициенты:
по СН>4>:
т>СН>>4 >= Mr (CH>4>) / Mr (CH>3>Cl) = 16/50,45 = 0,317 кг/кг;
т>СН>>4 >= Mr (CH>4>) / Mr (CH>2>Cl>2>) = 16/84,9 = 0,188 кг/кг;
т>СН>>4 >= Mr (CH>4>) / Mr (CHCl>3>) = 16/119,35 = 0,134 кг/кг;
т>СН>>4 >= Mr (CH>4>) / Mr (CCl>4>) = 16/153,8 = 0,104 кг/кг;
по Cl>2>:
т Cl>2 >= Mr (Cl>2>) / Mr (CH>3>Cl) = 70,9/50,45 = 1,405 кг/кг.
т Cl>2 >= Mr (Cl>2>) / Mr (CH>2>Cl>2>) = 70,9/84,9 = 0,835 кг/кг.
т Cl>2 >= Mr (Cl>2>) / Mr (CHCl>3>) = 70,9/119,35 = 0,594 кг/кг.
т Cl>2 >= Mr (Cl>2>) / Mr (CCl>4>) = 70,9/153,8 = 0,461 кг/кг.
Фактические расходные коэффициенты:
по СН>4>:
ф>СН4 >= m (CH>4>) / m (CH>3>Cl) = 604,88/339 = 1,78 кг/кг;
ф>СН4 >= m (CH>4>) / m (CH>2>Cl>2>) = 604,88/792,25 = 0,764 кг/кг;
ф>СН4 >= m (CH>4>) / m (CHCl>3>) = 604,88/890,75 = 0,679 кг/кг;
ф>СН4 >= m (CH>4>) / m (CCl>4>) = 604,88/287 = 2,108 кг/кг;
по Cl>2>:
ф>Cl>>2>= m (Cl>2>) / m (CH>3>Cl) = 6969,9/339 = 20.56 кг/кг.
ф>Cl>>2>= m (Cl>2>) / m (CH>2>Cl>2>) = 6969,9/792,25 = 8,798 кг/кг.
ф>Cl>>2>= m (Cl>2>) / m (CHCl>3>) = 6969,9/890,75 = 7,825 кг/кг.
ф>Cl>>2>= m (Cl>2>) / m (CCl>4>) = 6969,9/287 = 24,285 кг/кг.
Выход на поданное сырье:
Фактический выход CCl>4>:
Q>Ф> = m (CCl>4>) = 287 кг;
Теоретический выход CCl>4>:
Mr (СН>4>) Mr (CCl>4>), 16 153,8,m (СН>4>) Q>Т>; 604,88 Q>Т>>;>
Q>Т> = (604,88 * 153,8) / 16 = 5814,409 кг;
Выход CCl>4>:
>CCl>>4> = Q>Ф >/ Q>Т >* 100%> >= 287 кг / 5814,409 кг * 100% = 4,936%.
Список литературы
1. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. Изд. 2-е, пер. М., "Химия", 2005, 736 с.
2. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. М.: "Химия", 2008, 846 с.
3. Расчеты химико-технологических процессов / Под ред. И.П. Мухленова. Л.: Химия, 2008, 300 с.