Производство диоксиэтиланилина

Производство диоксиэтиланилина

Содержание

Введение

1.       Характеристика продукта реакции

2.       Характеристика исходного сырья, материалов и полупродуктов

.        Пожаро-взрывоопасные и токсические свойства сырья, полупродуктов и готового продукта

.        Описание технологии

.        Расчет материального баланса процесса оксиэтилирования

.        Нормы технологического режима

.        Тепловой расчет процесса оксиэтилирования

.        Технологический расчет оксиэтилирования

Список используемой литературы

Введение

Практически все органические красители являются соединениями ароматического ряда или производные гетероциклических соединений. Все они производятся из небольшого количества исходных соединений. В данном случае для производства полупродукта исходным соединением является анилин. Он подвергается реакции оксиэтилирования с этиленоксидом. Этиленоксид с воздухом образует взрывоопасные смеси. Поэтому перед реакцией аппарат и все трубопроводы продувают азотом. В результате реакции оксиэтилирования получается диоксиэтиланилин, который в свою очередь является промежуточным продуктом в процессе получения красителя зеленого противоореольного ф-3.

Производство диоксиэтиланилина технического состоит из одного технологического потока. Проектная мощность производства - 18,6 т/год.

1. Характеристика продукта реакции

Наименование продукта: диоксиэтиланилин технический.

Диоксиэтиланилин технический должен соответствовать требованиям и нормам СТП 6-14-04-121-85.

Таблица 1.

Основные физико-химические свойства и константы:

Эмпирическая формула: С₁₀H₁₅О ₂N

Структурная формула:

Молярная масса: 181,234 кг/кмоль.

Внешний вид перегнанного продукта - твердая воскообразная масса, белого или желтоватого цвета.

Температура кипения 187-195°С при 1 мм.рт.ст. или 210-214°С при 8-10 мм.рт.ст.

Температура кристаллизации - 50^оС.

 Область применения: диоксиэтиланилин после дистилляции применяется для получения красителя зеленого противоореольного ф3.

Примечание: свойства, характеризующие пожаро-взрывоопасность и токсичность диоксиэтиланилина технического приведены в разделе «Основные правила безопасной эксплуатации производства».

2. Характеристика исходного сырья, материалов и полупродуктов

Таблица 2

Примечание: Свойства, характеризующие пожаро-взрывоопасность и токсичность сырья приведены в разделе «Основные правила безопасности эксплуатации производства».

3. Пожаро-взрывоопасные и токсические свойства сырья, полупродуктов и готового продукта

Таблица 3

4. Описание технологии

Основная стадия - реакция оксиэтилирования:

Побочная реакция:

Вспомогательные стадии:

1.       Поступление и подготовка сырья;

2.       Выделение основного продукта;

.        Улавливание окиси этилена.

Описание технологического процесса.

Перед началом процесса проверяют герметичность автоклава № 83 по специальной инструкции, исправность автоклава и коммуникаций. Открывают подачу воды для охлаждения сальника мешалки. Включают в работу масляную станцию для уплотнения сальника мешалки и вызывают прибориста КИПиА, который устанавливает защитные блокировки в соответствии с параметрами ведения процесса.

В чистый сухой автоклав №83 загружают с помощью вакуума взвешенное количество анилина, предварительно проанализированного на содержание влаги. Если массовая доля воды больше 0,2%, ведут обезвоживание анилина, для чего включают мешалку, создают в автоклаве вакуум, остаточное давление 0,4 кгс/см²-0,6 кгс/см² (40-60кПа).

Включают пар в рубашку автоклава № 83 и нагревают массу до температуры 105°С ± 5, при этом отгоняется вода и собирается в ловушке (б/Н), периодически воду сливают в канализацию. По прекращении конденсата в стеклянной вакуумной линии, из автоклава отбирают пробу для определения массовой доли воды. Отбор пробы производят с помощью сжатого азота в специальном шкафу, снабженном вытяжной вентиляцией; предварительно промывают стояк и линию небольшим количеством анилина, отдавливая его из автоклава в приемник, затем снова возвращают вакуумом в автоклав. Массовая доля воды должна быть не более 0,2% (к.т. 2.1).

Примечание: если массовая доля воды при анализе анилина из бочек меньше 0,2%, то стадия обезвоживания исключается.

При удовлетворительном результате анализа (массовая доля воды не более 0,2%) автоклав №83 вакуумируют до остаточного давления 0,4 кгс/см²-0,6 кгс/см² (40-60 кПа) (к.т. 2.2.), закрывают вентиль на вакуумной линии и продувают сжатым азотом (к.т. 2.3),, для чего создают избыточное давление азота в автоклаве 0,7-2,5 кгс/см² (70-250 кПа), выдерживают в течение 3-х минут, затем сбрасывают давление в атмосферу через систему улавливания до 0,1-0,2кгс/см² (10-20кПа). Вакуумирование автоклава проводят перед каждой продувкой его сжатым азотом. Количество продувок зависит от избыточного давления применяемого для продувки сжатого азота:

при избыточном давлении 0,7 кгс/см² (70 кПа) -6 продувок,

,0 кгс/см² (100 кПа) -5 продувок

,5 кгс/см² (150 кПа) -4 продувки

,0 кгс/см² (200 кПа) -4 продувки

,5 кгс/см² (250 кПа) -4 продувки.

После продувки автоклава №83 сжатым азотом, отбирают пробу газа из автоклава для определения объемной доли кислорода в азоте, которая не должна превышать 0,5% (к.т. 2.3.5).

Отбор пробы газа из автоклава и его анализ проводят согласно инструкции №2-130 для аппаратчика и лаборанта по отбору проб газовой фазы после продувки автоклава сжатым азотом и определения в ней объемной доли кислорода. Одновременно с продувкой автоклава сжатым азотом в рубашку автоклава №83 пропускают пар для нагрева анилина до 125 ^оС (125±5 ^оС) (к.т. 2.4).

Перед началом оксиэтилирования устанавливают длину хода плунжера насоса-дозатора № 121 (122), которая должна быть для автоклава № 83 16 мм, что соответствует максимальной скорости подачи окиси этилена на процесс 146-154 кг/час (165-175 л/час) (к.т. 2.5) и обеспечивает устойчивую работу насоса-дозатора.

А также перед началом оксиэтилирования проверяют давление сжатого азота на емкостях-хранилищах №6 (7,9), которое поддерживается автоматически на уровне 3,0±0,5 кгс/см² (300±50 кПа) (к.т. 2.6).

Не открывая вентиль у автоклава № 83 на линии подачи окиси этилена в автоклав, включают насос-дозатор № 121 (122) и создают давление в линии перед автоклавом 4-5 кгс/см² (400-500 кПа) (к.т. 2.7) во избежание образования газовой фазы окиси этилена.

Когда температура в массе достигнет 120°С начинают подачу окиси этилена в автоклав: осторожно открывают вентиль на линии подачи окиси этилена в автоклав. Окись этилена поступает по барботеру с помощью насоса-дозатора № 121 (122) со скоростью 60-80 л/час, что достигается частичным возвратом окиси этилена во всасывающий трубопровод, для чего открывают регулирующий клапан и контролируют расход окиси этилена по ротаметру.

Регулирующий клапан открывается дистанционно со щита КИПиА с помощью воздушного редуктора. Для увеличения скорости подачи окиси этилена регулирующий клапан закрывают путем поворота ручки воздушного редуктора на щите КИПиА. Максимальная скорость на процесс 100 л/час. При условии соблюдения температурного режима и давления.

Начало загрузки окиси этилена следует проводить осторожно, внимательно следя за температурой и давлением в автоклаве, при этом температура должна быть не ниже 120°С, давление - не более 4 кгс/см² (400 кПа) (к.т. 2.8).

Окись этилена поступает на насос-дозатор из емкости 6 (7,9) через змеевик охладителя № 130, в корпус которого подается рассол, через счетчик «Бопп-Рейтер» и ротаметр.

Признаком начала реакции является повышение температуры массы за счет теплоты реакции. При достижении температуры массы 125^оС закрывают подачу пара для обогрева автоклава и включают охлаждение автоклава водой, воду подают в рубашку автоклава №83 через регулирующий клапан. Давление воды в магистрали должно быть не ниже 2 кгс/см² (200 кПа), а давление воды, поступающей в рубашку автоклав не ниже 1,8 кгс/см² (180 кПа) (к.т. 2.9).

Если давление воды в магистрали ниже 2 кгс/см² (200 кПа), то автоматически включается насос № 5 подачи воды.

Температура в процессе оксиэтилирования поддерживается в пределах 120-145^оС (к.т. 2.8.4) скоростью подачи окиси этилена и охлаждением реакционной массы водой через рубашку автоклава № 83.

В процессе загрузки окиси этилена давление в автоклаве должно быть не выше 4 кгс/см² (400 кПа) (к.т. 2.8.3). Контроль за количеством окиси этилена, поступающей на реакцию, осуществляется по показаниям счётчика «Бопп-Рейтер» (к.т. 2.8.6.).

По окончании загрузки необходимого количества окиси этилена дают выдержку в течение 30 мин при температуре 120-145^оС и давлении не более 4 кгс/см² (400 кПа) (к.т. 2.10.).

Затем реакционную массу охлаждают до 75-80 ^оС (к.т. 2.11), спускают избыточное давление на систему улавливания окиси этилена.

Автоклав продувают сжатым азотом, как указано ранее (к.т. 2.13). Линию отбора проб промывают небольшим количеством (4-5 л) реакционной массы, которую принимают в приемник № 81, отбирают пробу реакционной массы и сдают в лабораторию для определения температуры кристаллизации.

С помощью вакуума возвращают массу из приёмника №81 в автоклав в случае, если проба имела положительный анализ, при отрицательном анализе массу из приёмника №81 присоединяют к следующей операции.

Температура кристаллизации должна быть не ниже 48 ^оС.

Готовый продукт сжатым азотом сливают в чистые сухие стальные бочки.

Масса продукта 395±1 кг, что составляет 99,7% от суммы загруженного сырья. Продукт из бочек сдают на анализ в ОТК (к.т. 2.14) и направляют с паспортом ОТК в цех № 4, для перегонки под вакуумом производства красителя зеленого противоореольного ф-3.

При остановке производства на выходные дни автоклав освобождают от реакционной массы и продувают сжатым азотом.

Контроль воздушной среды в автоклавном помещении осуществляется постоянно газосигнализатором СВК-ЗМ 194, отрегулированном на концентрацию окиси этилена 0,6% объёмных (20% от нижнего предела взрываемости) с подачей звукового и светового сигналов.

. Расчет материального баланса процесса оксиэтилирования

(А) C₆H₇N (В) C₂H₄O (С) C₁₀H₁₅O₂N

М= 93 кг/кмоль М= 44 кг/кмоль М= 181 кг/кмоль

Техническая масса анилина: G_А^тех=201,00 кг;

Процентное содержание анилина: Y=99,4%;

Масса чистого вщества: G_А^чист = G_А^тех×Y =201,00×0,994=199,79 кг;

Техническая масса окиси этилена: G_B^техн =195,8 кг;

Процентное содержание окиси этилена: Y=99,9%;

Масса чистого вещества: G_B^чист = G_B^тех×Y =195,8×0,999=195,60 кг;

Т.к. окись этилена в избытке, то расчёт ведётся по анилину:

G_В^реак==кг;

G_c^реак= кг;

G_В^ост=G_В^чист -G_В^реак=195,6-188,48=7,12 кг;

Примеси: G_В^прим = G_В^тех-G_В^чист= 195,80-195,60=0,20 кг.

Т.к. степень превращения 99,7%, то количество непрореагировавшего анилина:

G_А^{прореаг} = G_А^чист×η= 199,79×0,997=199,19 кг;

G_А^непрор = G_А^чист- G_А^{прореаг} = 199,79-199,19= 0,6 кг;

Примеси по анилину G_А^{примеси} = 0,81 кг.

Побочная реакция:

(В) C₂H₄O (D) Н₂О (Е) C₂H₆O₂

М=44 кг/кмоль М=18 кг/кмоль М=62 кг/кмоль

Т.к. вода, вносимая с анилином, в недостатке, считаем по ней.

Принимаем, что Х_а=1.

G_B^реакц= кг;

G_В^ост=7,12-0,98=6,14 кг;

G_Е^реак= кг.

Материальный баланс Таблица 4

6. Нормы технологического режима

Таблица 5

И Т О ГО: 8 50± 1 час 25 мин.

. Тепловой расчет процесса оксиэтилирования

Тепловой баланс: Q₁+Q₂+Q₃=Q₄+Q₅+Q_{6 ,} где

Q₁ - теплосодержание веществ в аппарате в начале зоны теплообмена;

Q₂ - тепло, отдаваемое теплоносителем перерабатываемым веществам и аппарату или отдаваемое от них хладагенту;

Q₃ - тепловой эффект процесса;

Q₄ - теплосодержание веществ в аппарате в конце стадии теплообмена;

Q₅ - тепло, расходуемое на нагрев отдельных деталей аппарата или отнимаемое от них хладагентом;

Q₆ - тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду или получаемое им из неё.

Температурный график:

Область 1:

·   Осмотр автоклава, установка блокировок, охлаждение сальника;

·        Загрузка анилина в автоклав.

Область 2:

·   Включение вакуума и нагрев;

·        Отгонка воды из автоклава.

·   Отбор пробы и анализ;

·        Вакуумирование и продувка сжатым азотом;

·        Отбор пробы газа из автоклава и анализ на содержание кислорода;

·        Нагрев реакционной массы перед подачей окиси этилена.

Область 3:

·   Загрузка окиси этилена (реакция оксиэтилирования).

Область 4:

·   Выдержка;

Область 5:

·   Охлаждение;

Область 6:

·   Спуск давления через систему улавливания;

·        Продувка сжатым азотом;

·        Отбор пробы и анализ реакционной массы;

·   Выгрузка и взвешивание готового продукта.

Тепловой расчёт области 2.

Q₁=∑G_н×C_Pн×Т_н=(G_А× C_РА +G_воды ×C_Рводы +G_{примеси} ×C_{Рпримеси})×T_н ;

Т_н=293К;

C_РА=0,498 ккал/кг×град=2,086 кДж/кг×К; C_Рводы=1 ккал/кг×град=4,19 кДж/кг×К;

C_{Рпримеси}≈ C_РА=0,498 ккал/кг×град=2,086 кДж/кг×К.

Q₁=(199,79×2,086+0,40×4,19+0,81×2,086)×293=123097,39 кДж;

Q₃=0, т.к. нет химической реакции;

Q₄=∑G_к×C_Pк×Т_к=(G_А×C_Ра+G_воды×C_Рводы+G_{примеси}×C_{Рпримеси})×T_к;

Т_к=393 К;

Q₄=(199,79×2,305+0,40×4,19+0,81×2,305)×393=182375,19 кДж;

Q₅=G_апп×С_Рапп×ΔТ;

ΔТ=Т_к-Т_н=393-293=100 град;

G_апп=1825 кг; С_Рапп=0,12;

Q₅=1825×0,5×100=91250 кДж;

Из теплового баланса

Q₂=Q₄+Q₅-Q₁

Q₂=182375,19+91250-123097,39=150527,80 кДж;

 Q₂=К_тп×ΔТ_ср×S_т×τ_оп; S_т=

ΔТ_ср= град

τ=145 мин =8700 с

К_тп=250  

S_т= S_т=

S_Тспр=2,9 м²; S_Тспр>S_т

Тепловой расчёт области 3.

Q₁=∑G_н×C_Pн×Т_н=(G_А×C_Ра +G_воды ×C_Рводы +G_{примеси} ×C_{Рпримеси} +G_В×C_РВ)×T_н ;

Т_н=393К; С_РА=2,305  С_Рводы =4,19

С_РВ=; С_а- атомная теплоемкость атомов.

С_РВ = =1,59;

Q₁=(199,79×2,305+0,40×4,19+0,81×2,305+195,80×1,59)×393=304724,73 кДж;

Q₃=Q_p+Q_ф.х.п. ; Q_ф.х.п.=0;

Q_p=; G_c=389,07 кг; М_с=181 ;

q_p= q- q×- q ×;

q^о_в-ва=∑n×q-q;

Анилин: C₆H₇N: ∑n×q=6×94,38+7×34,19+1×0=805,61 ккал/кг×ат;

q=26,05×m_эл+∑Δξ

m_эл =4×6+7×1=31;

q=26,05×31+6,5=814,05 ккал/моль;

q^о_в-ва=∑n×q-q=805,61-814,05= -8,44 ккал/моль;

Окись этилена:

 C₂H₄O: q=-ΔН_f=52,63

Диоксиэтиланилин: C₁₀H₁₅O₂N: ∑n×q=10×94,38+15×34,19=1456,65 ккал/кг×ат;

q=26,05×m_эл+∑Δξ

m_эл =4×6+5×1+2×(4+3+4)=51;

q=26,05×51+13+19,5=1310,05 ккал/моль;

q^о_в-ва=∑n×q-q=1456,65-1310,05=146,6 ккал/моль;

q_p= q- q×- q ×= 146,6+8,44-2×12,59= 129,86 ккал/моль=544,11 кДж/моль;

Q_p==

Q₃=1169596,01 кДж;

Q₄=∑G_к×C_Pк×Т_к=(G_С×Ср_с+G_А^непрор×Ср_А+∑G_{примеси}×Ср_{примеси}+G_В^ост*×Ср_В)×Тк;

Тк=418К; Ср_С=

Ср_Е=

Q₄=(387,66×1,55+0,60×2,35+0,81×2,35+6,15×1,59+0,20×1,59+1,38×1,72)×418=257762,46 кДж;

Q₅=G_апп×С_Рапп×ΔТ;

ΔТ=Т_к-Т_н=443-403=40 град;

G_апп=1825 кг; С_Рапп=0,12

Q₅=1825×0,5×25=22812,5 кДж;

Q₆=0,05×Q₂;

Из теплового баланса Q₂=Q₄+Q₅-Q₃-Q₁=257762,46+22812,5-1169596,01-304724,73=

=-1193745,78 кДж;

Q₂= -1193745,78 кДж;

Q₂=К_тп×ΔТ_ср×S_т×τ_оп; S_т= К_тп=400 ; τ_оп=3 ч=10800 сек;

Прямоток

 Противоток

. 

S_т=S_т=

S_Тспр=2,9 м²; S_Тспр>S_т

Тепловой расчёт области 5.

Q₁=Q₄^’, где Q₄’- теплосодержание веществ в аппарате в конце стадии теплообмена области 3. Следовательно, Q₁=257762,46 кДж;

Q₃=0, т.к. нет химической реакции (физико-химических превращений);

Q₄=∑G_к×C_Pк×Т_к=(G_С×Ср_с+G_А^непрор×Ср_А+∑G_{примеси}×Ср_{примеси}+G_В^ост×Ср_В)×Тк

С_РА=0,52 = 2,179 С_РВ=1,6

Q₄=(387,66×1,55+1,41×2,179+6,15×1,6+0,20×1,6+1,38×1,72)×348=214534,69 кДж.

Q₅=G_апп×С_Рапп×ΔТ;

ΔТ=Т_к-Т_н=418-348=70 град;

G_апп=1825 кг; С_Рапп=0,12

Q₅=1825×0,5×70=63875 кДж; т.к. реакционная смесь охлаждается, то Q₅=-63875 кДж

Q₆=0, т.к. температура среды в аппарате понижается до 75⁰С;

Из теплового баланса

Q₂=Q₄+Q₅ -Q₁=214534,69+(-63875)-257762,46= -107102,77 кДж;

Q₂=К_тп×ΔТ_ср×S_т×τ_оп; S_т=  К_тп=200 τ_оп=115 мин=6900 сек;

Прямоток

Противоток

S_т=S_т=

S_Тспр=2,9 м²; S_Тспр>S_т

. Технологический расчёт оксиэтилирования

В ходе расчетов определяется производительность, размеры и число единиц оборудования, устанавливаемого на каждой стадии процесса, для обеспечения заданной проектной мощности цеха по производству диоксиэтиланилина технического.

Мощность производства диоксиэтиланилина - 18 т/год.

С учетом затрат времени на капитальный ремонт оборудования принимается продолжительность работы оборудования равная 330 суткам в течение года.       При расчете принимаются следующие условные обозначения:

G - годовая мощность производства, т/год;(i) - требуемое число аппаратов на стадии;

G_c - суточная мощность производства т/сут;

z(i) - запас производительности аппарата;_c(i) - суточная производительность одного аппарата, т/сут ;_p(i) - рабочий объем аппарата, л;_т(i) - удельный объем реакционной массы, приходящийся на тонну продукта, л/т;_c(i) - суточный объем реакционной массы на стадии, л/сут;_a(i) - объем аппарата, л;

t(i) - продолжительность операции, ч;

j(i) - степень заполнения емкостного аппарата;

a(i) - число операций, проводимых на данной стадии в сутки;

R_a - расходный коэффициент, т/т;

b(i) - число операций ,проводимых в одном аппарате i - той стадии в сутки.

Т.к. расчёт ведётся по одной стадии, то i=1.

Суточная производительность диокситиланилина определяется по формуле:

 G_с=

Расходный коэффициент:

R_a=

где -коэффициенты соответствующие веществам А и С;

М_а, М_с- мольные массы соответствующие веществам А и С;

η - степень превращения.

R_a==515,36 кг в-ва /т пр-та;

Коэффициент заполнения емкостных аппаратов зависит от особенностей процесса:

·        для периодических процессов:

- если нет вспенивания и кипения φ=0,7÷0,85;

если есть вспенивание и кипение φ=0,3÷0,5;

·        для непрерывного процесса φ=1.

Для реакции оксиэтилирования принимается φ=0,6, тогда рабочий объём реактора составит: V_p=V_a×φ=0,63×0,6=0,378 м³;

Удельный объём реакционной массы, приходящийся на тонну продукта, составит:

V_т=, где G_a=201 кг - техническая масса анилина,

V_т=м³/т;

Суточный объём реакционной массы:

V_cут=G_cут×V_т=0,055×0,97=0,053 м³/cут;

Необходимое число аппаратов на стадии процесса оксиэтилирования для выполнения заданной мощности по готовому продукту определяется уравнением

n=, где запас производительности аппарата z(i)=0,1;

Для емкостных реакционных аппаратов значение G_сут рассчитывается из соотношения

G_cут=а q_c-по уравнению: q_c=

диоксиэтиланилина сырье полупродукт оксиэтилирование

В итоге уравнение для расчёта числа единиц оборудования преобразуется к виду:

n=

При этом вводятся обозначения: β-число операций в одном аппарате и α-число операций на стадии в сутки:

Таким образом, расчёт числа единиц оборудования сводится к виду:

n=

Объём аппарата, который необходимо установить на стадии оксиэтилирования, определяется по формуле:

V_ann=

Принимается для стадии оксиэтилирования один аппарат объёмом 0,63 м³.

Список используемой литературы

1.       В.П. Перевалов, Г.И. Колдобский «Основы проектирования и оборудование производств тонкого органического синтеза».

2.       Д.А. Гуревия, А.Н. Плановский «Аппаратура промышленности органических полупродуктов и красителей».

.        Ю.И. Дытнерский «Основные процессы и аппараты химической технологии; Пособие по проектированию».

.        К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу процессов иаппаратов химической технологии».

.        А.А. Равдель, А.М. Пономарева «Краткий справочник физико-химических величин».