МОДЕРНИЗАЦИЯ ОТДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА МОНОМЕРОВ ДЛЯ СИНТЕЗА ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА Часть 3

1 2 3

---

3 Технологический расчет

3.1 Материальный баланс узла хлорирования этилена

Исходные данные для расчета:

• производительность установки 180000 т/г
• число часов работы 8400
• выход 1,2-дихлорэтана 99,9%
• выход трихлорэтана 0,1%
• соотношение C2H4 : С12 1,1 : 1,0
• состав этилена С2Н4 – 99,9% об.

С2Н6 – 0,1% об.

• состав абгазного хлора С12 – 80,0% об.

О2 – 4,0% об.

Н2 – 1,2% об.

СО2 – 0,8% об.

N2 – 14,0% об.

Определим часовую производительность установки с учетом потерь

кг/ч.

При этом образуется трихлорэтана – 21,45 кг/ч.

Количество этилена, участвующего в реакциях:

С2Н4 + С12 → С2Н4С12 + 182,3 кДж/моль

С2Н4 + 2С12 → С2Н3С13 + HCI + 283,08 кДж/моль

кг/ч

м3/ч,

где 21450,02 и 21,45 – количество образовавшихся по уравнениям дихлорэтана и трихлорэтана соответственно, кг/ч; 28 – молекулярная масса этилена; 99 и 133,5 – молекулярные массы дихлорэтана и трихлорэтана.

С учетом 10% -го избытка:

.

или 6684,96 кг/ч, откуда содержание этана в этиленовой фракции – 5,35м3/ч или 7,17 кг/ч, итого расход этиленовой фракции 6692,13 кг/ч.

Количество хлора, участвующего в процессе:

где 71 — молекулярная масса хлора;

С учетом концентрации хлора объемный расход абгазного хлора составит

,

Состав абгазного хлора: С12 – 4860,53 м3/ч (15406,16 кг/ч)

N2 – 850,59 м3/ч (1063,24 кг/ч)

СО2 – 48,605 м3/ч (95,47 кг/ч)

О2 – 243,03 м3/ч (347,19 кг/ч)

Н2 – 72,91 м3/ч (6,51 кг/ч).

Количество образующегося хлористого водорода

Состав и количество отходящих газов приведены в таблице 2

Таблица 2 – Состав абгазов, отходящих из хлоратора

 

Количество отходящих газов GДХЭ, кг/ч, насыщенных дихлорэтаном, вычисляют по формуле

где Gг – количество газов, пропускаемых через ДХЭ, кг/ч; φ – коэффициент насыщения, равный 1; р – давление над жидкостью, для дихлорэтана при 40 °С 18662 Па; Р – общее давление в системе, 0,15 МПа; Мж – молекулярный вес дихлорэтана; Мг – средний молекулярный вес газовой смеси вычисляют по формуле

,

где mi – массовая доля компонентов газовой смеси; Мвi – м олекулярный вес каждого компонента.

Мвi = 0,285928 + 0,500728 + 0,163532 + 0,00312 + 0,001936,5 + 0,04544 = 29,31.

Тогда унос паров дихлорэтана с абгазами составит

Количество отводимого жидкого дихлорэтана составляет

21450,02 – 1026,76 = 20423,26 кг/ч.

Материальный баланс узла хлорирования этилена сведен в таблицу 3

Таблица 3 – Материальный баланс узла хлорирования этилена

 

3.2 Тепловой баланс узла хлорирования этилена

Тепловой баланс хлоратора вычисляют по формуле

∆Q = Qпр – Qух

где Qnp = Q1 + Qp – тепло, приносимое в хлоратор; Qyx. = Q2 + Q3 – тепло, уносимое из хлоратора, Q1 – тепло, вносимое в хлоратор материальными потоками, Qp – тепло, выделяемое при реакции, Q2 – тепло, затраченное на нагрев материальных потоков, Q3 – тепло, уносимое из хлоратора продуктами реакции.

Тепло Q1, кДж/ч, вводимое в хлоратор материальными потоками:

Q1 = ∑ mi  Cpi  Т,

где mi – мольные доли компонентов сырья, кмоль/ч; Cpi – удельная теплоемкость каждого компонента при Т = 298 К, кДж/(кмоль  К); Т – температура, К.

Q1 = (238,75  43,63 + 0,24  52,70 + 216,99  33,84 + 10,85  29,36 + 3,26  28,83 + 2,17  37,13 + 37,97  29,10)  298 = 5772347 кДж/ч,

Тепло Q2, кДж/ч , необходимое для нагрева сырья от 25 °С до 90 °С:

Q2 = (238,75  43,63 + 0,24  52,70 + 216,99  33,84 + 10,85  29,36 + 3,26  28,83 + 2,17  37,13 + 37,97  29,10)  65 = 1259069 кДж/ч

Тепло Q3, кДж/ч, уносимое продуктами реакции при температуре процесса 90°С, в т.ч. с абгазами:

Q3a = (21,68  49,63 + 0,24  60,79 + 0,11  29,03 + 10,85  29,83 + 3,26  28,84

+ 2,17  40,95 + 37,97  29,42 + 10,37  93,16)  363 = 1337090 кДж/ч;

сырым дихлорэтаном:

Q3ДХЭ = (206,30  93,16 + 0,16  95,29)  363 = 6981998 кДж/ч;

Тепло Qp, кДж/ч, выделяемое при реакциях:

Qp = (206,30  182,3 + 0,16  283,08)  103 = 37653783 кДж/ч.

Таким образом, количество тепла, которое необходимо снять:

Q = 5772347 + 37653783 – (1259069 + 1337090 + 6981998) = 33847973 кДж/ч.

С учетом потерь (5%) – 32155574 кДж/ч.

Тепло QДХЭ, отводимое возвратным (абгазным) дихлорэтаном m = 1026,76 кг/ч:

QДХЭ = m (cpж ΔT1 + λ + cpг ΔT2) ,

где срж – удельная теплоемкость жидкого дихлорэтана 1,307 кДж/(кг  К), λ – удельная теплота испарения дихлорэтана 344,3 кДж/кг, где срг – удельная теплоемкость газообразного дихлорэтана 1,379 кДж/(кг  К), ΔT1 – интервал нагрева жидкого дихлорэтана 43,5 °С, ΔT2 – интервал нагрева газзобразного дихлорэтана 6,5 °С.

QДХЭ = 1026,76  (1,307 43,5  + 344,3 + 1,379 6,5) = 421093 кДж/ч

Таким образом, тепловая нагрузка на холодильник Qх составит:

Qх = 32155574 – 421093 = 31734481 кДж/ч

3.3 Определение основных размеров реактора

Рисунок 5 – Реактор прямого жидкофазного хлорирования этилена

Основные размеры проектируемого реактора рассчитываем исходя из соотношения действующего реактора

Из расчета материального баланса следует, что объём отводимого жидкого дихлорэтана составляет 16,30 м3/ч при плотности дихлорэтана ρ = 1253 кг/м3

Принимаем коэффициент заполнения реактора 0,7, тогда для поддержания постоянного уровня в хлораторе необходимо:

м3

Определим внутренний диаметр проектируемого аппарата:

 

; , тогда , откуда

м.

 

Высота реактора: м

 

Определение диаметра основных патрубков

Расчет диаметра ведем по формуле

где d – внутренний диаметр патрубка, м; G – массовый расход вещества, кг/ч; W – скорость среды, м/с; – плотность среды, кг/м3

Расходы из материального баланса:

G (дихлорэтан) = 20423,26 кг/ч

G (этилен) = 6692,13 кг/ч

G (хлор-газ) = 16918,57 кг/ч

Скорости потоков:

W (дихлорэтан) = 1 м/с

W (этилен) = 20 м/с

W (хлор) = 20 м/с

Плотности:

(дихлорэтан) = 1253 кг/м3

(этилен) = 4,69 кг/м3

(хлор) = 11,64 кг/м3.

d (дихлорэтан)=

Принимаем стандартный диаметр равный 80 мм.

d (этилен) =

Принимаем стандартный диаметр равный 160 мм.

d (хлор) =

Принимаем стандартный диаметр равный 170 мм.

 

4 Безопасность жизнедеятельности

4.1 Основные опасности производства

Производство 1,2-дихлорэтана является взрывопожароопасным и токсичным в связи с применением продуктов, обладающих низкой температурой вспышки, низкими пределами взрываемости и низкими предельно-допустимыми концентрациями.

Расположение всего технологического оборудования внутри помещений может повлечь за собой создание повышенной взрывоопасности, концентрации паров продуктов в производственных помещениях, превышающих предельно-допустимые нормы.

Проведение процесса полимеризации при высоких температурах вызывает опасность ожога.

Использование аппаратов с мешалками, насосов, воздуходувок, гранулирующих устройств может привести к механическим травмам. Поражение электротоком или термическому ожогу.

Наиболее опасными местами производства являются:

• отделение приготовления раствора стирола с добавками: опасность заключается в том, что увеличивается возможность загазованности помещения парами стирола при отборе проб, загрузке вручную инициатора;
• отделение полимеризации опасно наличием оборудования с вращающимися механизмами, что может привести к травмированию рабочих из-за захвата одежды вращающимися механизмами;
• отделение гранулирования опасно наличием высокой температуры, что может привести к термическим ожогам, а также возможностью получения механических травм при обслуживании гранулирующих устройств;
• технологические аппараты, колодцы, приямки, лотки и емкости оборудования при осмотре, чистке и ремонте.

Эксплуатация установки связана со следующими опасностями:

• наличие больших количеств вредных и токсичных легковоспламеняющихся жидкостей и газов;
• насосы могут быть источниками загазованности при нарушении уплотнений и изоляции, а также привести к отравлению обслуживающего персонала;
• применение тока высокого напряжения для питания электродвигателей может привести к электрическим травмам, ударам и ожогам рабочих установки в случае неисправности заземления токоведущих частей электрооборудования или пробоя электроизоляции;
• переполнение емкостей может привести к разливам продукта, и, в свою очередь, к отравлению персонала, загазованности помещений, возгоранию и загрязнению окружающей среды;
• наличие вращающихся частей электродвигателей, насосов может привести к несчастным случаям на установке;
• возможен ожог масляным теплоносителем водяным паром или конденсатом;
• возможно получение травм в результате падения при обслуживании аппаратуры, расположенной на высоте;
• вращающиеся детали вентиляторов и насосов являются источниками шума, который возникает в результате вибрации кожуха вентилятора или в результате неуравновешенности ротора насоса.

Всё выше перечисленное не представляет опасности для обслуживающего персонала установки при выполнении требований технологического регламента и инструкций по технике безопасности, а при выявлении подобных факторов опасности их действие уменьшено выполнением ряда мероприятий по обеспечению безопасных и здоровых условий труда, предусмотренных проектом установки.

Вредные и опасные факторы производства представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Вредные и опасные факторы производства

4.2 Производственная санитария

По санитарной классификации 1,2-дихлорэтана, с точки зрения выделения производственных вредностей в окружающую среду относится к классу I с минимальной защитной зоной 100 метров [17].

В качестве основной меры защиты работающих от воздействия вредных веществ является дистанционное управление технологическим процессом, а также применение средств индивидуальной защиты. (спец. одежда, противогаз с фильтрующей коробкой марки БКФ)

Все лица, занятые на производстве и имеющие контакт с вредными веществами, должны в обязательном порядке проходить предварительный и периодический медицинский осмотр, знать методы оказания неотложной помощи пострадавшим при отравлении.

Контроль за содержанием вредных веществ в воздухе в рабочей зоне осуществляется с помощью системы контроля воздушной среды производственных помещений На установке предусматривается наличие газоанализаторов, работающих на определение нижнего предела взрывоопасности взрывоопасных газов или паров легковоспламеняющихся жидкостей (применяемых на производстве) сблокированные с аварийными вентиляционными системами при достижении 20% от нижнего предела взрываемости.

Все санитарно-бытовые помещения расположены в отдельно стоящих административно-бытовых зданиях.

Для локализации выделяющихся вредных веществ в производственных помещениях, установлена местная и общеобменная вентиляция, обеспечивающая 8-ми кратный воздухообмен по всему объему помещения. Кроме того установлена аварийная вентиляция, сблокированная с газоанализатором.

Приточные вентиляционные установки совмещены с системой воздушного отопления. Все вентиляторы, применяемые на производстве, должны быть взрывозащищенного исполнения.

Для защиты работающих от шума и вибрации предусмотрены следующие мероприятия

– изоляция источников шума и вибрации средствами звуко- и виброизоляции, звуко- и вибропоглощения;

– рациональное размещение технологического оборудования, машин, механизмов, акустическая обработка помещений.

Для нормализации освещения производственных помещений предусмотрено: естественное освещение – боковое в производственных зданиях, искусственное освещение – общее (все производственные помещения освещаются однотипными светильниками). Для искусственного освещения помещений используем дуговые люминесцентные ртутные лампы высокого давления (ДРЛ)

Для освещения наружной установки применяются ДРЛ лампы. Все светильники, применяемые на установке производства 1,2-дихлорэтана, должны быть взрывозащищенного исполнения. Также предусматриваем аварийное освещение. Для этой цели применяются лампы накаливания.

4.3 Коллективные и индивидуальные средства защиты

Индивидуальными средствами защиты для предупреждения профессиональных заболеваний и отравлений на установке являются:

• хлопчатобумажная спецодежда: брюки, куртка, рукавицы;
• ботинки кожаные;
• рукавицы прорезиненные;
• очки защитные, респиратор, каски;
• индивидуальные фильтрующие противогазы марки БКФ;
• респираторы марки РПГ-67.

Защитная спецодежда, спецобувь, индивидуальные защитные средства не должны иметь металлических деталей, дающих искру. Все детали (пряжки, пуговицы, соединительные муфты, кольца и т.п.) должны изготавливаться из пластических масс, не искрящих металлов или сплавов.

Работа в закрытой аппаратуре и в колодцах должна производиться в шланговых противогазах, по наряду-допуску, с дублером и в присутствии руководителя работ из числа руководителей и специалистов цеха.

Средствами коллективной защиты работающих от воздействия опасных и вредных производственных факторов на установке являются:

• приточная и вытяжная вентиляция в производственных помещениях;
• дефлекторы, установленные на крыше помещений для создания естественной вытяжки воздуха из производственного помещения;
• во избежание ожогов обслуживающего персонала все поверхности горячих трубопроводов изолированы.

На установке предусмотрена световая и звуковая сигнализация для оповещения обслуживающего персонала об отклонениях параметров технологического режима от заданных значений. Во взрывоопасных помещениях установлены датчики для определения состояния воздушной среды, звуковая и световая сигнализация, центральный щит КИП и А. В производственных помещениях, в целях контроля над поддержанием чистоты воздуха, организован периодический отбор проб воздуха работниками газоспасательной службы.

4.4 Пожарная безопасность

На предприятиях нефтехимической промышленности пожары и взрывы возникают, как правило, в результате образования горючей и взрывоопасной среды как внутри аппаратов, так и в производственном помещении.

Для предотвращения образования горючих и взрывоопасных смесей при подготовке установки к ремонту аппараты и трубопроводы пропариваются, а перед пуском продуваются азотом. Кроме этого, постоянно осуществляется контроль состояния воздушной среды в помещениях установки, процесс ведется в герметически закрытых аппаратах, в помещениях, где возможно образование горючей и взрывоопасной смеси, предусмотрено применение рабочей и аварийной вентиляции. В этих же целях ограничивается количество горючих веществ на складах, организуется безопасный способ их хранения, а также проводится максимальная механизация и автоматизация процессов.

Одним из условий обеспечения пожаро- и взрывобезопасности технологического процесса является ликвидация возможных источников воспламенения. Источниками воспламенения могут быть: открытый огонь, раскаленные или нагретые стенки аппаратов и оборудования, искры электрооборудования, статическое электричество, искры в результате удара и трения деталей машин и оборудования. Источники воспламенения могут возникнуть и в результате нарушения параметров технологического процесса.

Кроме этого особым образом регламентируется порядок проведения огневых работ, а при проведении ремонтных работ используются инструменты не дающие искры (обмедненные или смазанные солидолом). Огневые работы могут производится только при наличии наряда-допуска на производство огневых работ, выданного начальником цеха (заместителем) с разработкой и осуществлением дополнительных мероприятий по обеспечению пожарной безопасности. О месте и времени проведения огневых работ по телефону ставится в известность пожарная охрана, ВГСЧ и служба техники безопасности завода.

Для тушения пожара предусмотрены следующие способы:

• перекрытие задвижек;
• разобщение реагирующих веществ песком, кошмой;
• тушение паром;
• автоматическая система пожаротушения.

Для обеспечения пожаро- и взрывозащиты технологического процесса используются следующие способы:

• конструкции объектов установки спланированы с заданными пределами огнестойкости и горючести в зависимости от категории производства;
• применяются пассивные методы подавления взрыва: предохранительные клапаны и дыхательная арматура на аппаратах, работающих под давлением;
• для пожаротушения в отделении гранулирования предусмотрена система паротушения;
• применяются первичные средства пожаротушения: огнетушители пенные, песок, войлочная кошма, углекислотный порошковый огнетушитель ОПУ-5, лопаты, носилки, асбестовое полотно.

Для предотвращения такой возможности на установке предусмотрены следующие мероприятия: на стадии проектирования, в зависимости от свойств и состава среды используемой и получаемой на установке, выбрано электрооборудование, исключающее возможность возникновения искр и пламени. На установке имеются устройства молниезащиты, защиты от статического электричества.

От прямых ударов молнии сооружения защищаются специально установленными молниеотводами через металлическую кровлю здания, или путем покрытия неметаллической кровли молниеприёмной сеткой.

4.5 Электробезопасность и защита от статического электричества

Для защиты от поражения электрическим током всё электрооборудование оснащено заземляющими устройствами. Размещение всех токоведущих частей спланировано в местах, недоступных для человека; установлено сплошное ограждение и предупреждающие знаки.

Для защиты от статического электричества используется заземляющее устройство, которое объединено с заземляющим устройством для всего электрооборудования установки. Кроме этого для ослабления генерирования зарядов статического электричества легковоспламеняющиеся жидкости транспортируют по трубопроводам и в резервуары с безопасными скоростями. Ограничения для скорости транспортирования принимаются в зависимости от свойств жидкости, диаметра и длины трубопровода, размера резервуара и степени его заполнения. Трубы для заполнения резервуаров, емкостей и аппаратов опускают почти до дна, под уровень имеющейся жидкости, для предотвращения образования падающей струи и накопления зарядов статического электричества. Предусматривается защита технологических установок, производственных зданий и сооружений от электрической и электромагнитной индукции и заноса высоких потенциалов через надземные и подземные металлические коммуникации.

На установке предусмотрены защитные средства для работы в условиях возможного поражения электрическим током: диэлектрические перчатки, коврики, изолирующие подставки, защитные очки.

Заключение

Как показывает анализ рынка поливинилхлорида – основного продукта, вырабатываемого из 1,2-дихлорэтана, потребность в нем остается неизменно высокой. В то же время в России поливинилхлорид является дефицитным продуктом на рынке. В 2019 году общее производство ПВХ составило 933 тыс. т, тогда как потребление – 976 тыс. т. При условии сохранения объемов производства в реальном секторе спрос на качественное и недорогое сырье для выпуска базовых полимеров, к которым относится поливинилхлорид, в ближайшие годы будет расти. Для удовлетворения этого спроса мощностей и ассортимента действующих производств явно недостаточно. Кроме того, необходимо учитывать, что возникает вопрос о закрытии или модификации устаревших производств, которые отработали уже более 35 лет. Таким образом, дефицит будет покрываться за счет расширения действующих и создания новых производств.

В настоящем проекте рассмотрена возможность расширения производства 1,2-дихлорэтана – исходного сырья для производства поливинилхлорида.

По результатам работы сделаны следующие выводы:

1 выбрана технология производства 1,2–дихлорэтана, отвечающих всем современным требованиям безопасности и энергоэффективности, а именно высокотемпературное жидкофазное хлорирование этилена на железохлорном катализаторе;

2 проведен расчет материального, теплового балансов и габаритных размеров хлоратора с учетом увеличенной до 180тыс. т/г мощности производства 1,2-дихлорэтана

3 показано, что при выбранной технологии выделяющееся в ходе реакции тепло расходуется на испарение и ректификацию продуктов, сточные воды отсутствуют, катализатор образуется непосредственно в реакторе.

---

1 2 3