Проект участка синтеза высших жирных кислот производительностью 20 т/сут.
Министерство
образования и науки, молодёжи и спорта Украины
Херсонский
национальный технический университет
Кафедра
органического и биохимического синтеза
Курсовой
проект
по
дисциплине
ОСНОВЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ
ЗАПИСКА
Тема:
«Проект участка синтеза высших жирных кислот производительностью 20 т/сут»
Выполнил:Маркевич И.И. Студент гр. 5ХО
Руководитель: Логачёва Л.И. Доцент
Зав. кафедры:Повстяной М.В.
Херсон
2011
Реферат
Курсовой проект на тему «Проект участка синтеза высших жирных
кислот производительностью 20т/сут» состоит из пояснительной записки и
графической части.
Пояснительная записка содержит:
Листов - 79;
Рисунков - 4;
Таблиц - 11.
Графическая часть:
. Лист формата А1: План цеха. Компоновка оборудования;
В курсовом проекте представлен литературный обзор методов
получения высших жирных кислот, их химические и физические свойства, механизмы
реакций получения высших жирных кислот.
Рассмотрены характеристики сырья, промежуточных продуктов,
готовой продукции для получения высших жирных кислот.
Разработана технологическая схема производства высших жирных
кислот окислением парафина. Выполнены материальные и тепловые расчёты.
Предусмотрены меры по контролю производства и качества
готового продукта.
Приведена спецификация оборудования, расчёты основного
технологического оборудования, автоматизация и механизация производства.
Предусмотрены меры по безопасному ведению технологического
процесса и защите окружающей среды.
Содержание
Введение
. Организационно-технологическая
часть
1.1 Теоретическая
часть
1.1.1
Литературный обзор методов производства ВЖК
1.1.2
Физико-химические основы процесса окисления парафинов
1.2
Технологическая часть
1.2.1 Стандарты
и технические условия на сырьё, промежуточные продукты, материалы и готовую
продукцию
1.2.2
Выбор и обоснование технологической схемы производства.
1.2.3
Материальные расчёты и балансы
1.2.4 Выбор
и обоснование основного и вспомогательного производственного оборудования.
Спецификация оборудования
1.2.5 Технологические
и тепловые, энергетические расчёты основного оборудования
1.2.6
Конструктивно-механический расчёт основных аппаратов
2.
Контроль производства и качества продукции
3.
Автоматизация и механизация производства
4. Охрана труда и окружающей среды
5.
Строительная часть
Заключение
Список
литературы
Введение
Химическая
промышленность - одна из ведущих отраслей тяжелой индустрии - является
научно-технической и материальной базой химизации народного хозяйства и играет
исключительно важную роль в развитии производительных сил, укреплению
обороноспособности государства и в обеспечении жизненных потребностей общества.
Она объединяет целый комплекс отраслей производства, в которых преобладают
химические методы переработки предметов овеществленного труда (сырья,
материалов).[1]
Химическая
промышленность играет значимую роль в формировании важнейших макроэкономических
показателей страны. Уровень химизации - общепризнанный в мировой практике
критерий научно-технического прогресса. В ведущих странах мира доля отрасли в
производстве промышленной продукции достигает 10-13%.
Современный
мировой рынок химических товаров характеризуется широким ассортиментом, ростом
затрат на экологическую безопасность, усилением конкуренции за рынки сбыта,
снижением ценовой конкурентоспособности химической продукции ведущих стран мира
(прежде всего западноевропейских) относительно товаров из стран с дешевыми
трудовыми ресурсами.
Состояние производства
на предприятиях химического комплекса Украины в 2010 году в целом можно оценить
как кризисный и посткризисный с углублением разновекторных тенденций,
охвативших практически все сектора отраслевого производства, а также другие
сферы функционирования отрасли. Все же доминирующей тенденцией было падение
объемов производства и реализации товарной продукции в большинстве секторов и
товарных групп.
По результатам
работы предприятий химического комплекса в 2010 году товарное производство
химической и нефтехимической продукции сократилось по сравнению с аналогичным
периодом 2008 года на 23,2%, в частности, в химическом производстве - на 22,8%.
Падение объемов
производства в стоимостных показателях наблюдалось в химической отрасли.
Производство основной химической продукции в стоимостных показателях
сократилось на 32,1%.
Объемы
реализованной химической и нефтехимической продукции в целом по химическому
комплексу Украины, по предварительным данным, составили в 2009 году в
химическом производстве - 30,6 млрд грн.[2]
Нефть является основным сырьём для нефтехимической
промышленности. Однако, в последнее время в мире, имеет место тенденция
подорожания нефти. Это ставит перед химической технологией сложную задачу -
оптимизация существующих производств, использующих в качестве сырья нефть, с
целью уменьшить себестоимость выпускаемого продукта. В том числе и производство
ВЖК на данный момент тоже развивается для регулирования более точного и
полноценного выхода целевого продукта. В этом производстве будет наиболее важно
уметь регулировать выход целевых фракций от 10 до 20-ти атомов углерода.
1. Организационно-технологическая часть
.1 Теоретическая часть
1.1.1 Литературный
обзор методов производства ВЖК
Высшие жирные кислоты (ВЖК) - техническое
название смесей карбоновых кислот алифатического ряда природного или
синтетического происхождения с числом углеродных атомов в молекуле от 6 до 24.
Природные ВЖК содержатся в маслах и жирах
в виде их глицеридов и в восках в виде эфиров высокомолекулярных спиртов. Они
имеют нормальное строение и четное число атомов углерода в цепи.
Синтетические ВЖК - это смеси насыщенных
монокарбоновых кислот нормального и изостроения с четным и нечетным числом
углеродных атомов в цепи. В дальнейшем под термином «ВЖК» понимаются
исключительно синтетические кислоты (СЖК). Технический продукт под таким
названием выпускается в виде фракций различного состава в зависимости от
назначения. Свойства фракций, в том числе температуры их плавления, зависят от
молярной массы входящих в них кислот.
Существуют несколько методов производства ВЖК. Ниже приведен
обзор наиболее целесообразных методов.
СН3-…СН2…-СН3
+ 3О2 → СН3-…СН2…-СООН +Н2О
|
|
Степень превращения парафина составляла 30-35%. Продукты
окисления нейтрализовали при 90-95ºС 20%-ным раствором Na2CO3
и омыляли 30%-ным раствором NaOH; из полученных мыл кислоты выделяли обработкой
H2SO4 и фракционировали. Неомыляемые продукты удаляли
термической обработкой в автоклаве при 160-180°С и 2,0 МПа, а затем в
термической печи при 320-340°С.
В СССР производство ВЖК осуществлялось на ряде предприятий.
Эти предприятия имели существенные недостатки: невысокий выход целевой фракции
С10-С20 (около 50% на сырье), низкое качество кислот,
обусловленное присутствием до 3% побочных продуктов (дикарбоновых, кето- и
гидроксикарбоновых кислот и др.), большой объем сточных вод (до 8 м3
на 1 т кислот), загрязненных Na2SO4 и низкомолекулярными
кислотами.
На рис. 1 приведена принципиальная схема производства ВЖК
окислением парафинов кислородом воздуха.
Преимущества: относительно доступное сырьё, простота синтеза.
Недостатки: Низкая степень конверсии.
Рис. 1 Принципиальная схема производства ВЖК окислением
парафинов кислородом воздуха
Производство ВЖК
окислением альдегидов
Окисление альдегидов можно проводить кислородом или
кислородом воздуха
· Окисление кислородом
-Этилгексановую кислоту и фракцию кислот С8-С10
получают окислением соответствующих альдегидов оксосинтеза кислородом или
кислородсодержащим газом при 40-90°С и 0,1-1,0 МПа (катализаторы - металлы I,
II или VIII группы). ВЖК фракций С12-С15, С16-С18
синтезируют окислением оксоспиртов, например в водных щелочных растворах при
70-120 °С в присутствии металлов платиновой группы или расплавленной щелочью
при 170-280°С и давлении, необходимом для поддержания продуктов в жидкой фазе.
Получаемые кислоты содержат меньше побочных продуктов, чем кислоты,
синтезируемые из парафинов.
Однако, окисление альдегидов кислородом имеет существенный
недостаток: низкий выход целевых фракций С10-С20 и
высокая температура проведения процесса
· Кислородом воздуха [5]
Окисление кислородом воздуха проводят при 55-70ºС в течение 11-14 часов при скорости подачи воздуха 15 л/час.
Выход карбоновых кислот составляет 92-94%. Синтез кислот осуществлялся в одну
стадию без применения дорогостоящих катализаторов.
Недостатком этого способа окисления альдегидов, как и в
предыдущих методах, является низкий выход целевых кислот С10-С20.
Производство ВЖК
гидрокарбоксилированием олефинов
RCH=СН2
+ СО + Н2О → RCH2CH2COOH;
|
(2)
|
· Гидрокарбоксилирование олефинов можно
проводить в присутствии карбонила кобальта Со2(СО)8 (2,3)
и в присутствии кислот. гидрокарбоксилирование при температуре 145-165 °С и
давлении 5-30 МПа:
· гидрокарбоалкоксилирование при температуре
165-175 °С и давлении 5-15 МПа с последующим гидролизом образующегося эфира:
|
(3)
ВЖК синтезируют также гидрокарбоксилированием олефинов в
присутствии кислот, например H2SO4, HF, BF3,
при температуре 50-100°С, давлении 5-15 МПа (процесс Коха). При использовании
сокатализаторов (карбонилов меди и серебра) реакцию можно вести при 0-30°С и
0,1 МПа. Получают в основном смеси кислот изостроения. Они отличаются низкими
температурами плавления и кипения, высокой вязкостью, хорошей растворимостью.
Недостатком метода является высокоагрессивная среда, дорогие
катализаторы.
Производство ВЖК
окислением α-олефинов
Разработка технологии производства синтетических жирных
кислот из олефинов, которые могли бы использоваться для получения пластичных
смазок и эмульсолов, не требующих применения чистых кислот (целью являлось
получение достаточно простой, малозатратной технологии, которая бы не требовала
крупных капиталовложений и основывалась на дешевом сырье).[7]
Перспективным альтернативным сырьем для получения ВЖК могли
бы стать дешёвые фракции α-олефинов - С20-26;
С28 и выше, т.к. линейные α-олефины являются
крупнотоннажным продуктом.
Проведенные лабораторные исследования жидкофазного окисления α-олефинов фракций С20-26 и С28 и
выше кислородом воздуха при условиях окисления, аналогичных окислению
парафинов, применявшимся для получения жирных кислот. Реакцию осуществляли в
лабораторном реакторе колонного типа, барботируя через фракцию олефинов воздух
со скоростью 3-4 л/мин при нормальном давлении в интервале температур 80-130ºС в присутствии катализаторов (0,03-0,3%).В качестве катализаторов
использовали стеарат кобальта, а также смесь калиевых, натриевых и марганцевых
мыл, полученных из ВЖК С7-9, натуральных жирных кислот,
олеина технического и оксидата - продукта окисления олефинов. Изменяя
температуру, время реакции, количество и порядок добавления (вместе с олефином
или порционно в процессе окисления) катализатора, было установлено, что ниже
температуры 110ºС окисление практически
не идет. Окисление при использовании в качестве катализатора смеси калиевых и
марганцевых мыл идет лучше, чем при использовании только марганцевых
соединений. Каталитическая активность стеарата кобальта сопоставима с
соединениями марганца. Строение органического радикала солей марганца не
оказывает существенно влияния на выход кислот. Максимальное кислотное число 69
было достигнуто при проведении процесса с использованием калий-марганцевых мыл (0,2%
в пересчете на марганец) при температуре 115ºС в течение 36 часов.
Большое значение числа омыления (124,3) свидетельствует о присутствии
значительного количества побочных продуктов (эфиров, окисей, перекисей и др.).
Увеличение времени реакции не является целесообразным, т.к. идет значительное
замедление скорости процесса, кислотное число увеличивается незначительно, но
увеличивается количество побочных продуктов и продуктов разложения.
Также были исследованы окисление олефинов воздухом в
присутствии фталоцианинов меди и кобальта, промышленно доступных соединений. На
фталоцианине кобальта (содержание в реакционной смеси 0,01%) при пропускании
воздуха через олефины в течение 32 часов при 115-120ºС был получен оксидат с кислотным числом 32 и числом омыления 81.
Фталоцианин меди оказался менее эффективным, был получен оксидат с кислотным
числом 14 через 25 часов окисления.
Процесс окисления олефинов кислородом воздуха требует
дальнейших исследований в плане интенсификации, увеличения селективности,
поиска новых катализаторов при соблюдении условия технологичности с одной
стороны и низкой себестоимости получаемых СЖК - с другой.
Альтернативным окислению кислородом воздуха в присутствии
катализаторов является метод озонирования высших α-олефинов озонно-кислородной
смесью. Применение озона в химической технологии в последние годы увеличивается
быстрыми темпами. К числу действующих относятся производства азелаиновой
кислоты из олеиновой кислоты или соевого масла, гормональных препаратов и
стероидов и др. Озон, необходимый для процесса, получают при действии на
кислород или воздух тихого электрического разряда в специальных генераторах.
Озоновые генераторы различной производительности выпускаются отечественной
промышленностью, например, озонатор П-850-200 1МК производства ТД
«Курганхиммаш-Озон», с производительностью по озону 25,8 кг/ч. Озонаторы
обеспечивают образование газовой смеси с содержанием озона до 10% вес. Эти
смеси и используются для озонирования олефинов и других непредельных
соединений.
При гидролизе или термолизе озонидов конечными продуктами в
основном являются альдегиды и кислоты. Поскольку альдегиды легко окисляются, их
нетрудно количественно превратить в кислоты. [7]
В качестве сырья для озонирования могут быть использованы
индивидуальные олефины и технические фракции с определенными пределами
выкипания (например, 140-180ºС, 180-240ºС, 200-240ºС), содержащие олефины С6-С8,
С8-С10, С10-С14, С10-С16
и т.п. Изомерный состав олефинового сырья желательно иметь максимально
однородный. Концентрация олефинов в сырье может колебаться от 10 до 100%,
ароматических углеводородов и циклоолефинов не должно быть, а присутствие
парафинов не влияет существенно на процесс, ибо в условиях озонирования они
являются инертными до тех пор, пока олефин не превратится полностью в кислоты.
Озонирование олефинов осуществляется при атмосферном давлении и умеренных
температурах путем барботажа озонсодержащего газа через жидкие олефины или
смеси олефинов с парафинами, при температурах от -40 до +13ºС. Поскольку реакция высокоэкзотермична, возникает вопрос об
отводе реакционного тепла и выборе хладагента. При использовании водяного
охлаждения наиболее предпочтительны температуры 10-35ºС. Озонирование можно проводить как периодическим, так и
непрерывным процессом.
Предлагаемые технологии достаточно сложны и дорогостоящи.
Так, карбоновые кислоты и кетоны получают озонированием и окислением олефинов в
присутствии ОН-содержащего растворителя (вода, уксусная кислота или третичный
спирт) при -78÷56ºС, окисляя озониды
раствором хромовой кислоты в разбавленной серной кислоте.
В итоге, был сделан вывод, что технологии, основанные на
озонировании α-олефинов либо на их окислении кислородом
воздуха, несомненно могут стать достаточно перспективными способами получения
недорогих высших синтетических жирных кислот, которые найдут прежде всего
широкое применение в производстве пластичных смазок и смазочно-охлаждающих
жидкостей. Однако эти процессы требуют серьезного изучения и поиска методов их
интенсификации (например, применение роторно-пульсационных аппаратов,
УФ-облучения, ультразвука и т.п.).
Более перспективным является метод жидкофазного окисления
Метод жидкофазного окисления технической фракции α-олефинов на однотарельчатой сетчатой колонне 40×900мм в присутствии стеарата кобальта, при температуре 130ºС, времени - 2,5ч , количестве катализатора - 0,07%, скорость
воздуха - 2,5 л/мин, даёт возможность получать смесь кислородсодержащих
соединений со средним молекулярным весом 536, содержащая карбонильные,
гидроксильные и карбоксильные группы. Высокие йодные числа полученного оксидата
указывают на наличие непредельных веществ. Для выделения кислот из оксидата
предлагается экстракция водным раствором карбоната натрия с последующим
подкислением щелочной фазы. Другой метод получения карбоновых кислот окислением
олефинов кислородом воздуха включает использование в качестве инициирующей
добавки органических перекисей. Смесь высших α-олефинов окисляют
кислородом воздуха при 75-110ºС в присутствии 1%
перекиси третбутила до 20%-ной конверсии, затем добавляют 1% стеарата марганца
и продолжают окисление. Длительность процесса - 8-12 часов. Кислоты
экстрагируют раствором карбоната натрия. (Конверсия - 75%). Карбоновые кислоты
получали также при окислении α-олефинов С4-С20
кислородом воздуха при 100-160ºС в присутствии нитрата
кобальта Cо(NO3)3 и азотной кислоты. В качестве
растворителя использовали низкомолекулярные жирные кислоты. Выход кислот
составляет не более 75%.
Похожие работы на - Проект участка синтеза высших жирных кислот производительностью 20 т/сут.
|