РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭТАНОЛАМИНОВ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Научная статья Original article УДК 66-94

DOI 10.55186/02357801-2022-7-1-6

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭТАНОЛАМИНОВ

CALCULATION AND DESIGN OF ETHANOLAMINES PRODUCTION

Ермолаева Вера Анатольевна, к.х.н., доцент кафедры «Техносферная безопасность», Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета имени А. Г. и Н. Г. Столетовых, E-mail: ErmolaevaVA2013 @mail. ru

Шметакова Полина Павловна, студент кафедры «Техносферная безопасность», Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета имени А. Г. и Н. Г. Столетовых, E-mail: polinasmetakova@gmail.com

Ermolaeva Vera Anatolievna, Ph. D. in Chemistry, Associate Professor of the Department of Technosphere safety, Murom Institute (branch) Vladimir state University named A.G. and N.G. Stoletovs, E-mail: ErmolaevaVA2013@mail.ru Shmetakova Polina Pavlovna, student of the Department of Technosphere safety, Murom Institute (branch) Vladimir state University named A.G. and N.G. Stoletovs, E-mail: polinasmetakova@gmail.com

Аннотация: в статье были подробно изучены химико-технологические процессы синтеза этаноламинов, характеристики сырья и готового продукта.

Была построена схема технологического процесса производства этаноламинов. Были рассчитаны: материальный баланс процесса ректификации этаноламинов, тепловой баланс аппарата смешения этаноламинов. Также был проведен расчёт ректификационной колонны насадочного типа Кн-40, а именно: массовые расходы жидкости и пара в различных частях колонны, определение скорости пара и диаметра колонны и вязкость компонентов.

Abstract: the article studied in detail the chemical and technological processes of the synthesis of ethanolamines, the characteristics of the raw materials and the finished product.

A scheme of the technological process for the production of ethanolamines was built. The following were calculated: the material balance of the ethanolamine rectification process, the heat balance of the ethanolamine mixing apparatus. Also, a calculation was carried out for a distillation column of a packed type Kn-40, namely: the mass flow rates of liquid and steam in various parts of the column, the determination of the steam velocity and diameter of the column, and the viscosity of the components.

Ключевые слова: этаноламины, тепловой баланс, материальный баланс, ректификационная колонна

Key words: ethanolamines thermal balance, material balance distillation column.

Введение

На сегодняшний день индустрия этаноламинов занимает значительный сегмент мирового химического комплекса. Это весьма сложный технологический процесс, включающий большое количество аппаратов-реакторов, теплообменников, ректификационных колонн, насосов и других видов оборудования. В зависимости от спроса рынка возникает задача преимущественного синтеза моноэтаноламина (МЭА), диэтаноламина (ДЭА) или триэтаноломина (ТЭА). Основным направлением применения

этаноламинов является очистка природных и технологических газов от кислых примесей в нефтегазовой и азотной промышленности. Кроме того, их используют в металлообработке, в качестве растворителей и ПАВ, в производстве этилендиамина и гербицидов, в текстильной промышленности, при производстве цементов для интенсификации помола, пестицидов - в качестве эмульгаторов.

Физико-химические превращения Этаноламины впервые были синтезированы Вюрцем в 1860 году нагреванием этиленхлоргидрина и водного аммиака в герметичной трубе. НОСН2СН2С1 + КНз^ HOCH2CH2NH2 +НС1

Конор в 1897 году сообщил о реакции оксида этилена с аммиаком и разделении моно-, ди-, триэтаноламинов фракционной дистилляцией.

(СЩ2О + КНз ^ HOCH2CH2NH2 2HOCH2CH2NH2 + 3(СН2)20 ^ (ГОСН2-СН2)2КН +(НОСН2-СН2)зК На сегодняшний день этаноламины синтезируются по следующим химическим реакциям:

Рис.1. Основные реакции синтеза этаноламинов. Технологический процесс

Непрерывный технологический процесс получения этаноламинов состоит из следующих стадий:

подготовка и подача сырья; синтез смесей этаноламинов; отгонка аммиака;

отгонка моноэтаноламина (МЭА) возвратного; отгонка товарного МЭА; доотгонка МЭА; отгонка диэтаноламина (ДЭА); доотгонка ДЭА; отгонка триэтаноламина (ТЭА); склад готовой продукции. Технология производства этаноламинов позволяет селективно получить продукты — моноэтаноламин (МЭА) и диэтаноламин (ДЭА) в непрерывном энергосберегающем процессе.

Рис. 2. Технологическая схема процесса синтеза этаноламинов. 1 - аппарат смешения; 2 - насосы; 3 - теплообменник; 4 - реактор вытеснения; 5 - эжектор; 6 - ректификационные колонны; 7 - емкость; 8 -

холодильник. Расчет технологических характеристик Общая производительность этаноламинов на производстве составляет 19 464,4 тыс. тонн в год: МЭА = 8606,4 тыс. т/г, ДЭА = 6554,8 тыс. т/г, ТЭА =

4303,2 тыс. т/г. Был рассчитан материальный баланс ректификации (Б = 10657,71 кг/ч) и производительность по дистилляту (Р = 6439,25 кг/ч) по формуле:

Б = Р+1№

где Б - производительность по исходной смеси; Р - Производительность по дистилляту; W - Производительность по кубовому остатку Находим производительность по кубовому остатку ^ = 4204,32 кг/ч), используя следующую формулу:

ХЕ*Б = Р* ХР + ХР *0,018 где Хб, Хр, XW - соответствующие мольные концентрации. Таблица 1. Материальный баланс процесса ректификации этаноламинов.

Компоненты Приход Расход Сдувки кг/ч

кг/ч % Дистиллят Кубовая жидкость

кг/ч % кг/ч %

1.МЭА 1736,11 16,29 - - 1736,11 41,29

2.ДЭА 1111,11 10,43 103,03 1,6 1007,81 23,97

3.ТЭА 625 5,86 - - 625 14,87

4.Вода 529,51 4,97 12,88 0,2 516,63 12,29

5.Аммиак 6427,19 60,3 6310,47 98 103 2,45

б.Сдувки МН3 - - - - - - 14,14

7.Прочие 228,76 2,15 12,88 0,2 215,88 5,13

Всего: 10657,68 100 6439,25 100 4204,32 100 14,14

Произведен тепловой расчет процесса ректификации. Находим теплоемкости по формуле:

п* С±+п* С2 ... п* Ст С= М

где С - теплоемкость элемента; п - число молей элемента; М - молекулярная масса вещества.

Теплоты, вносимые входящими в аппарат веществами, рассчитываем по формуле:

Ql=MsCst

где MS - количество веществ, входящих в процесс; ^ - средняя теплоемкость исходных веществ; t - температура исходных веществ при поступлении в процесс.

Был рассчитан общий приход теплоты, его значение Qпpих= 2224 814,76 (ккал), и общий расход теплоты, его значение Qpасх = 1 718 872,2 (ккал). Расчет стандартного теплового эффекта реакций:

ДНр, = (с * ДНС + d * ДНУ - (а * ДНА + Ь * ДН°В)

о о о о

где ДНС, ДН0 - теплота образования продуктов реакции; ДНА , ДНВ - теплота

образования реагирующих веществ, а, Ь, с, d - количество молей вещества. Таким образом, Qобщ.пpих= 2 229 268,66 (ккал); Q общ.расх = 1 727 950,1 (ккал). Таблица 2. Тепловой баланс аппарата смешения этаноламинов.

Приход Расход

Статья прихода Количество Статья расхода Количество

ккал ккал

Окись этилена 850 276,8 Аммиак возвратный 730 762,8

Аммиак свежий 132 718,5 МЭА 425 027,625

Аммиак возвратный 1 019 168,46 ДЭА 255 000

ДЭА 27 183,6 ТЭА 140 530,84

Вода 195 467,4 Вода 137 303,47

Тепловой эффект Сдувки окиси этилена в т.ч.: 26 981,465

экзотермической Сдувки аммиака в т.ч.: 3 266

реакции 4 453,9 Охлаждающий воздух 501 318,56

Тепловой эффект 9 077,9

эндотермической реакции

Всего 2 229 268,66 Всего 2 229 268,66

Расчет ректификационной колонны Кн-40

Расчет ректификационной колонны отгонки товарного моноэтаноламина Кн-40 непрерывного действия, насадочного типа, диаметром 1200мм. Насадка размещается тремя слоями 1,5м, 3м и 3,5м. Насадка регулярная рулонная.

Подача питающей жидкости производится через распределительную тарелку на средний слой насадки.

Усредненное значение массовых расходов по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений, их значения = 6,3 кг/ с; ¿н = 5,5 кг/с:

= РДМВ/МР;

_ РАМ,, РМ„, н Мр ;

Где MP и М£- - мольные массы дистиллята и исходной смеси; Мв и Мн - средние мольные массы жидкостей в верхней и нижней частях колонны. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны вычисляют по формулам, их значения Мв = 50,9 кг/кмоль; Мн = 30,8 кг/ кмоль:

Мв = МРхСр.в. + Мв(1 - хСр.в.); Мн МрХСр.н. + Мв(1 ^ср.н.) ; Где, Мв и Мн - мольные массы дистиллята и воды;

Средние массовые потоки пара в верхней Gв и нижней Gн частях колонны соответственно равны £в = 5,4 кг/с ; £н = 6,9 кг/с.

Св = Р(К + 1)*^;

с" = р(й + 1)*1=г;

Здесь М'в и М'н - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны, их значения М'в = 35 кг/кмоль; М'н = 45 кг/кмоль.

М'в = МнУср.в.+Мв(1-Уср.в.) ; М'н = МнУср.н. + Мв(1 - Уср.н.) ;

Средняя температура паров в колонне согласно данным: Вверху колонны при уср.в.=0,79; tв=110 оС; Внизу колонны при уср.н.=0,31; tн=150 оС.

Отсюда получим плотности пара рув, рун в верхней и нижней частях колонны, кг/м3 - рув = 1,1 кг/м3; рун = 1,3 кг/м3.

Рув

Рун

М'в*273 _ 22,4*(273+Св);

М'н*273

22,4*(273 + СН)

Примем в соответствии с доп. материалами рхв =483 кг/м3, рхн = 445 кг/м3.

Вязкости паров в верхней и нижней части колонны рассчитываются по уравнениям, их значения дув = 2,5 * 10-6 Па * с; дун = 4,4 * 10-6 Па * с:

М'в

Дув

Мун

Уср.в.

М'н

Уср.в.

Примем динамические коэффициенты вязкости этаноламинов, интерполируя представленные значения в равными = 894 ■ 10-8 Пас, и = 845 ■ 10-8 Пас для верхней части колонны (1:в=110 оС), для нижней части колонны ц,'н = 935 10-8 Пас, и ^'в = 883 10-8 Пас (^=150 оС).

Вязкости жидкости в верхней и нижней частях колонны находим по уравнениям, их значения дхв = 2,5 мПа * с; дхн = 1 мПа * с:

^Мхв ^срв^^Мн + (1 ^срв)^Дв;

^Мхн ^срН^Д Н + (1 в;

Произведем расчет допустимой скорости паров по уравнению, его значение &>в = 1,05 м/с; &>н = 0,9 м/с:

ш = 0,05 * ;

Таблица 3. Основные параметры тарелки КН-40.

Свободное сечение колонны, м2 Рабочее сечение тарелки S-г, м2 Относительное свободное сечение тарелки Fc, % Сечение перелива, Fсл, м2 Относительная площадь перелива Fсл / F^100% Lсл, м Масса, кг

655 390 5 117 18 210 20 000

Примем диаметр отверстий равным 234 мм, шаг между отверстиями 780 мм, т.е. ёотв=0,234 м, 1=0,78 м.

Произведем расчет скорости пара в рабочем сечении тарелки, = 0,0023 м/с:

й2

&>т = ^ * 0,785 * —

Контроль качества и производства этаноламинов.

Этаноламин принимают партиями. Партией считают гомогенный по качеству продукт, разом представляемый на приемку, сопровождаемый одним документом о качестве, не более 60 т. на пробу качества продукта на соответствие запросам настоящих технических условий от партии отбирают 5 % упаковочных единиц, однако не менее 3-х единиц при малых партиях. Этаноламин подвергают приемосдаточным испытаниям на соответствие требованиям. При получении неудовлетворительных результатов анализа хотя бы по одному из показателей, проводят повторный анализ по данному показателю на удвоенной выборке от той же партии.

итоги повторного анализа распространяются на всю партию. Всего в процессе синтеза этаноламинов применяется до 45 измерителей температуры, уровня, расхода, давления.

Заключение

В ходе выполнения работы были рассмотрены: технологический процесс синтеза этаноламинов, ректификационные колонны, их принцип и классификация, рассчитан тепловой и материальный баланс производства этаноламинов. Также были изложены материалы по получению, применению этаноламинов и актуальность их производства на данный период времени. При написании работы была изучена специальная литература по теме исследования, включающая научные статьи по ректификационным колоннам, учебники, в которых рассматривают химико-физические процессы синтеза этаноламинов и различные виды ректификационных колонн.

Литература

1. Малиновский М.С Окиси олефинов и их производные. -М. : Госхимиздат, 1961 - 551с.

2. Азингер Ф, Химия и технология моноолефинов. ЧМ. : Гос. научно -технич. изд. нефтяной литературы, 1960 - 365с.

3. Шенфельд Н. Поверхностно - активные вещества на основе оксида этилена. -М. : Химия, 1982 - 752с.

4. Пакен А.М. Эпоксидные соединения и эпоксидные смолы. - Л., ленинградское отделение Госхимиздата, 1962 - 963с.

5. Зимаков П.В. Окись этилена. -М. : Гос. Научно - техническое издание химической литературы, 1946 - 240с.

6. Вейганд П. Методы эксперимента в органической химии. - М. : Химия, 1969 - 791с.

7. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М. : Химия, 1987 - 575с.

8. Лощинский А.Л., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчеты химической аппаратуры. - Л. : Машиностроение, 1970 - 752с.

9. Кошарский В.Д. Автоматические приборы, регуляторы и вспомогательные системы. - Л. : Машиностроение, 1976 - 484с.

10. Макаров Г.В. Охрана труда в химической промышленности. -М. : Химия, 1989 - 496с.

11. Производство этаноламинов: технологический регламент «Оргсинтез». : - Казань, 1990 - 310с.

References

1. Malinovsky M.S. Oxides of olefins and their derivatives. -M.: Goshimizdat, 1961 - 551с.

2. Azinger F, Chemistry and technology of monoolefins. World Cup: State. scientific - technical. ed. oil literature, 1960 - 365с.

3. Shenfeld N. Surfactants based on ethylene oxide. - Moscow: Chemistry, 1982 - 752c.

4. Paken A.M. Epoxy compounds and epoxy resins. - L., Leningrad branch of Goshimizdat, 1962 - 963c.

5. Zimakov P.V. Ethylene oxide. -M. : State. Scientific and technical edition of chemical literature, 1946 - 240c.

6. Weigand P. Methods of experiment in organic chemistry. - M.: Chemistry, 1969 - 791c.

7. Pavlov K.F., Romankov P.G., Noskov A.A. Examples and tasks in the course of processes and apparatuses of chemical technology. - M.: Chemistry, 1987 -575c.

8. Loschinsky A.L., Tolchinsky A.R. Fundamentals of design and calculations of chemical equipment. - L .: Mechanical engineering, 1970 - 752c.

9. Kosharsky V.D. Automatic devices, regulators and auxiliary systems. - L .: Mechanical engineering, 1976 - 484c.

10. Makarov G.V. Occupational safety in the chemical industry. -M. : Chemistry,

1989 - 496c.

11. Production of ethanolamines: technological regulations "Orgsintez". : - Kazan,

1990 - 310c.

© Ермолаева В.А., Шметакова П.П., 2022. Международный журнал прикладных науки и технологий "'Integral" №1/2022.

Для цитирования: Ермолаева В.А., Шметакова П.П. Расчет и проектирование производства этаноламинов // Международный журнал прикладных наук и технологий "Integral" №1/2022