Реферат: 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 илипсевдоожиженным 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 С12: СН4 -1: 2 образуется продукт, содержащий [п% (мол)]: СН3 С1 — 62; СН2 С12 — 30; СНС13 — 7; СС14 — 1; при соотношении С12: СН4 = 3,88: 1 образуется продукт, содержащий только 4% (мол) СНС13 и 96% (мол) СС14 .
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:
CH4 +Cl2 →CH3 Cl+HCl
CH3 Cl+Cl2 →CH2 Cl2 +HCl
CH2 Cl2 +Cl2 →CHCl2 +HCl
CHCl3 +Cl2 →CCl4 +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:
CH 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 | |
CH4 Cl2 CH3 Cl CH2 Cl2 CHCl3 CCl4 HCl прим. CH4 прим. Cl2 | 604,88 6969,9 45,53 106,14 | 37,81 98,306 | 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 |
| Σ1 = 7726,45 | Σ2 = 7726,31 |
Молярные массы веществ:
Mr (CH4 ) = 12+4=16 кг/кмоль
Mr (Cl2 ) = 35,45*2=70,9 кг/кмоль
Mr (CH3 Cl) = 12+3+35,45=50,45 кг/кмоль
Mr (CH2 Cl2 ) = 12+2+35,45*2=84,9 кг/кмоль
Mr (CHCl3 ) = 12+1+35,45*3=119,35 кг/кмоль
Mr (CCl4 ) = 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 CH4 m=32*16=512кг/ч
18 моль CH3 Clm = 18*50,45=908,1 кг/ч
25 моль CH2 Cl2 m = 25*84,9=2122,5 кг/ч
20 моль CHCl3 m = 20*119,35=2387 кг/ч
5 моль CCl4 m = 5*153,8=769 кг/ч
всего: 6698,6 кг/ч
W мас (СН4 ) = 512/6698,6*100% = 7,64%
W мас (СН3 Cl) = 908,1/6698,6*100% = 13,56%
W мас (CH2 Cl2 ) = 2122,5/6698,6*100% = 31,69%
W мас (CHCl3 ) = 2387/6698,6*100% = 35,63%
W мас (CCl4 ) = 769/6698,6*100% = 11,48%
Состав продуктов:
mост (СН4 ) =2500*0,0764=191кг/ч
m (СН3 Cl) =2500*0,1356=339кг/ч
m (CH2 Cl2 ) =2500*0,3169=792,25кг/ч
m (CHCl3 ) =2500*0,3563=890,75кг/ч
m (CCl4 ) =2500*0,1148=287кг/ч
Wост (СН4 ) =191/16=11,94кмоль/час
W (СН3 Cl) = 339/50,45=6,72кмоль/час
W (CH2 Cl2 ) = 792,25/84,9=9,33кмоль/час
W (CHCl3 ) = 890,75/119,35=7,46кмоль/час
W (CCl4 ) = 287/153,8=1,87кмоль/час
Прореагировало хлороформа: Wпр (CHCl3 ) = W (CCl4 ) = 1.87 кмоль/ч
Образовалось хлороформа: Wо (CHCl3 ) = Wпр + W = 1.87 + 7.46 = 9.33 кмоль/ч.
Прореагировало хлористого метилена: Wпр (CH2 Cl2 ) = Wо (CHCl3 ) = 9.33 кмоль/ч.
Образовалось хлористого метилена: Wо (CH2 Cl2 ) = Wпр + W = 18.66 кмоль/ч
Прореагировало хлористого метила: Wо (CH2 Cl2 ) = Wо (CH2 Cl2 ) = 18.66 кмоль/ч.
Образовалось хлористого метила: Wо (CH2 Cl2 ) = Wпр + W = 18.66 + 6.72 = 25.38 кмоль/ч.
Прореагировало метана: Wпр (СН4 ) = 25.38 кмоль/ч
Всего подано на реакцию: W (СН4 ) = Wпр + Wо = 25.38 + 11.94 = 37.32
mо (СН4 ) = 37.32 * 16 = 597.12
Всего подано метана с учетом потерь: mвсего (СН4 ) — 100%,
597.12 — 98.7%
mвсего (СН4 ) = 597.12 * 100/ 98.7 = 604.88 кг/ч
W (СН4 ) = 604.88/16 = 37.81 кмоь/ч
mп (СН4 ) = 604.88 — 597.12 = 7.76 кг/ч
W (СН4 ) = 7.76,16 = 0.485 кмоь/ч
Количество превращенного кислорода и образовавшегося HCl:
1 р — я:
W1 (Cl2 ) = W1 (HCl) = Wо (СН3 Cl) = 25.38 кмоль/ч
2 р — я:
W2 (Cl2 ) = W2 (HCl) = Wо (CH2 Cl2 ) = 18.66 кмоль/ч, 3 р — я:
W3 (Cl2 ) = W3 (HCl) = Wо (CHCl3 ) = 9.33 кмоль, 4 р — я:
W4 (Cl2 ) = W4 (HCl) = W (CCl4 ) = 1.87 кмоь/ч
Wо (Cl2 ) = W3 (HCl) = 55.24 кмоль/ч
mо (Cl2 ) =55.24 * 70.9 = 3916.52 кг/ч
mо (HCl) = 55.24 * 36.45 = 2013.5 кг/ч
Хлор с учетом избытка:
Wвсего (Cl2 ) = 2.6 * Wвсего (СН4 ) = 98.306 кмоль/ч
mвсего (Cl2 ) = 98.306 * 70.9 = 6969.9 кг/ч
Избыток:
mизб (Cl2 ) = mвсего (Cl2 ) — mо (О2 ) = 6969.9 — 3916.52 = 3053.38 кг/ч
Wизб (Cl2 ) = 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 = mприм (Cl2 ) = 6969.9 * 1.5/98.5 = 106.14
Технологические и технико-экономические показатели
Пропускная способность установки:
m (CH4 ) + m (Cl2 ) + m (прим Cl2 ) + (прим CH4 ) = 7726,45 кг/ч
Конверсия или степень превращения метана:
= M (CH4 ) подано — M (CH4 ) непрореагировало / M (CH4 ) подано * 100%
= 604,88 — 198,76/604,88* 100% = 67%
Теоретические расходные коэффициенты:
по СН4 :
sтСН4 = Mr (CH4 ) / Mr (CH3 Cl) = 16/50,45 = 0,317 кг/кг;
sтСН4 = Mr (CH4 ) / Mr (CH2 Cl2 ) = 16/84,9 = 0,188 кг/кг;
sтСН4 = Mr (CH4 ) / Mr (CHCl3 ) = 16/119,35 = 0,134 кг/кг;
sтСН4 = Mr (CH4 ) / Mr (CCl4 ) = 16/153,8 = 0,104 кг/кг;
по Cl2 :
sт Cl2 = Mr (Cl2 ) / Mr (CH3 Cl) = 70,9/50,45 = 1,405 кг/кг.
sт Cl2 = Mr (Cl2 ) / Mr (CH2 Cl2 ) = 70,9/84,9 = 0,835 кг/кг.
sт Cl2 = Mr (Cl2 ) / Mr (CHCl3 ) = 70,9/119,35 = 0,594 кг/кг.
sт Cl2 = Mr (Cl2 ) / Mr (CCl4 ) = 70,9/153,8 = 0,461 кг/кг.
Фактические расходные коэффициенты:
по СН4 :
sфСН4 = m (CH4 ) / m (CH3 Cl) = 604,88/339 = 1,78 кг/кг;
sфСН4 = m (CH4 ) / m (CH2 Cl2 ) = 604,88/792,25 = 0,764 кг/кг;
sфСН4 = m (CH4 ) / m (CHCl3 ) = 604,88/890,75 = 0,679 кг/кг;
sфСН4 = m (CH4 ) / m (CCl4 ) = 604,88/287 = 2,108 кг/кг;
по Cl2 :
sфCl2 = m (Cl2 ) / m (CH3 Cl) = 6969,9/339 = 20.56 кг/кг.
sфCl2 = m (Cl2 ) / m (CH2 Cl2 ) = 6969,9/792,25 = 8,798 кг/кг.
sфCl2 = m (Cl2 ) / m (CHCl3 ) = 6969,9/890,75 = 7,825 кг/кг.
sфCl2 = m (Cl2 ) / m (CCl4 ) = 6969,9/287 = 24,285 кг/кг.
Выход на поданное сырье:
Фактический выход CCl4 :
QФ = m (CCl4 ) = 287 кг;
Теоретический выход CCl4 :
Mr (СН4 ) ¾ Mr (CCl4 ), 16 ¾153,8,m (СН4 ) ¾ QТ; 604,88 ¾QТ;
QТ = (604,88 * 153,8) / 16 = 5814,409 кг;
Выход CCl4 :
bCCl4 = QФ / QТ * 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.