Файл: Проект узла синтеза стирола.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт природных ресурсов
Направление подготовки: Химическая технология
Кафедра технологии органических веществ и полимерных материалов
БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА
Тема работы
Проект узла синтеза стирола
УДК 66.094.258.097:547.534.1
Студент
Группа
ФИО
Подпись
Дата
2Д2А
Захаров Александр Александрович
Руководитель
Должность
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Старший преподаватель
Троян Анна
Алексеевна
Кандидат химических наук
КОНСУЛЬТАНТЫ:
По разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»
Должность
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Доцент
Рыжакина Татьяна
Гавриловна
Кандидат экономических наук
По разделу «Социальная ответственность»
Должность
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Ассистент кафедры
Раденков Тимофей
Александрович
ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ:
Зав. кафедрой
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Профессор
Юсубов Мехман
Сулейманович доктор химических наук, профессор
Томск – 2016 г.

2
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт природных ресурсов
Направление подготовки: химическая технология
Кафедра технологии органических веществ и полимерных материалов
УТВЕРЖДАЮ:
Зав. кафедрой _____ _______ Юсубов М.С.
(Подпись) (Дата) (Ф.И.О.)
ЗАДАНИЕ
на выполнение выпускной квалификационной работы
В форме:
Бакалаврской работы
(бакалаврской работы, дипломного проекта/работы, магистерской диссертации)
Студенту:
Группа
ФИО
2Д2А
Захарову Александру Александровичу
Тема работы:
Проект узла синтеза стирола
Утверждена приказом директора (дата, номер) от 28.01.2016 № 410/C
Срок сдачи студентом выполненной работы:
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ:
Исходные данные к работе
(наименование объекта исследования или
проектирования; производительность или
нагрузка; режим работы (непрерывный,
периодический, циклический и т. д.); вид сырья
или материал изделия; требования к
продукту, изделию или процессу; особые
требования к особенностям
функционирования (эксплуатации) объекта
или изделия в плане безопасности
эксплуатации, влияния на окружающую среду,
энергозатратам; экономический анализ и т.
д.).
Объектом исследования является реактор дегидрирования этилбензола, производительность составляет 250000 тонн в год, режим работы непрерывный, сырьем является этилбензол. В результате получаем смесь продуктов, одним из которых является целевой стирол.
Перечень подлежащих исследованию,
проектированию и разработке вопросов
(аналитический обзор по литературным
источникам с целью выяснения достижений
мировой науки техники в рассматриваемой
области; постановка задачи исследования,
проектирования, конструирования;
содержание процедуры исследования,
проектирования, конструирования;
обсуждение результатов выполненной
Литературный обзор
Инженерные расчеты и их обсуждение
Финансовый менеджмент
Социальная ответственность
Заключение

3
работы; наименование дополнительных
разделов, подлежащих разработке;
заключение).
Перечень графического материала
(с точным указанием обязательных чертежей)
Технологическая схема, ректор дегидрирования
Консультанты по разделам выпускной квалификационной работы
(с указанием разделов)
Раздел
Консультант
Проект установки получения синтез –газа к.х.н., Мананкова А.А.
Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение к.э.н., Рыжакина Т.Г.
Социальная ответственность
Раденков Т. А.
Дата выдачи задания на выполнение выпускной квалификационной
работы по линейному графику
19.10.2016
Задание выдал руководитель:
Должность
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Руководитель
Троян А.А. к.х.н.
Задание принял к исполнению студент:
Группа
ФИО
Подпись
Дата
2Д2А
Захаров А.А.

4
Реферат
Выпускная квалификационная работа содержит 96 – страниц, 36 – таблиц,
8 – рисунков, 21 – литературный источник.
Ключевые слова: дегидрирование этилбензола, стирол, этилбензол, катализаторы, реактор, производительность.
Объектом исследование является проектирование узла синтеза стирола на железохромкалиевых катализаторах.
Цель данной работы – изучение физико–химических свойств, процесса и их влияния на протекание реакции, а также конструирование основного аппарата – реактора каталитического дегидрирования этилбензола.
В результате был выполнен расчет материального и теплового баланса, конструктивный и механический расчеты. На основании проведенной работы выполнен чертеж основного аппарата – реактора дегидрирования.
Выпускная квалификационная работа набрана в текстовом редакторе
MicrosoftWord 2010, чертежи начерчены в программе Компас 2014.

5
Essay
Final qualifying work contains 96 pages, 36 tables, 8 pictures and 21 literary sources.
Keywords: dehydrogenation of ethylbenzene, styrene, ethylbenzene, catalysts, reactor productivity.
The object of this work is to design the reactor of styrene synthesis at ferrum- chrome-potassium catalysts.
The purpose of the work is the research of physical and chemical properties, processes and their influence on the reaction, as well as the construction of the main unit - reactor of catalytic dehydrogenation of ethylbenzene.
By this work were made calculations of the material and heat balance, structural and mechanical calculations. On the basis of the work carried out drawing of the main unit - dehydrogenation reactor.
Final qualifying work is typed in a text editor Microsoft Word 2010; all drawings drawn in 2014 Compass program.

6
Оглавление
Введение ................................................................................................................... 7 1.Теоритическая часть ............................................................................................ 8 1.1 Технико-экономическое обоснование ............................................................ 8 1.2 Характеристика продукта, исходного сырья, материалов и полупродук- тов ........................................................................................................................... 10 1.3 Физико-химические особенности процессов ............................................... 11 1.4 Выбор и обоснование конструкции основного аппарата ............................ 13 1.5 Выбор и обоснование технологической схемы производства ................... 16 2. Расчетная часть .................................................................................................. 20 2.1 Материальный расчет стадии синтеза стирола ............................................ 20 2.2 Тепловой расчет .............................................................................................. 32 2.2.1 Тепловой расчет первой ступени катализа ................................................ 32 2.2.2 Тепловой расчет межступенчатого теплообменника ............................... 34 2.2.3 Тепловой расчет второй ступени катализа ................................................ 35 2.2.4 Расчет реактора первой ступени ................................................................. 37 2.2.5 Расчет времени пребывания в зоне катализа ............................................ 38 2.2.6 Расчет межступенчатого теплообменника ................................................ 38 2.3 Технологический расчет реактора ................................................................. 43 2.3.1 Назначение , устройство и основныеразмеры. Расчет числа реакторов 43 2.3.2 Конструктивно – механический расчет ..................................................... 44
2.3.3 Расчет обечайки, работающей под внутренним избыточным давлением
................................................................................................................................. 45 2.3.4 Расчет и подбор штуцеров .......................................................................... 46 2.3.5 Выбор крышки и днища .............................................................................. 47

7 2.3.6 Расчет опоры ................................................................................................. 48 2.3.7 Гидравлический расчет ................................................................................ 49 3 Контроль производства ..................................................................................... 50 3.1 Аналитический контроль ............................................................................... 50 3.2 Автоматическое управление основными параметрами .............................. 52 4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ... 54 4.1 Сегментирование ............................................................................................. 55 4.2 Анализ конкурентно-технических решений ................................................ 56 4.3 SWOT - анализ ................................................................................................. 58 4.4 Планирование научно-исследовательских работ ......................................... 60 4.4.1 Структура работ в рамках научного исследования .................................. 60 4.4.2 Определение трудоемкости выполнения работы ..................................... 61 4.4.3 Разработка графика проведения исследования ......................................... 65 4.5 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) ................................... 69 4.5.1 Расчет материальных затрат (НТИ) ........................................................... 69 4.5.2 Расчет затрат на специальное оборудованиедля научных работ ............ 71 4.5.3 Основная заработная плата исполнительной системы и отчисления во внебюджетные фонды ........................................................................................... 72 4.5.4 Накладные расходы ...................................................................................... 73 4.5.5 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта ... 73 4.6 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования ................................................... 74 5 Социальная ответственность ............................................................................ 78 5.1 Описание рабочего места ............................................................................... 78 5.1.2 Законодательные и нормативные документы ........................................... 79

8 5.2 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой производственной среды ....................................................................................................................... 80 5.2.1 Физико-химическая природа вредных веществ ........................................ 80 5.2.2 Шум и вибрация ........................................................................................... 82 5.2.3 Освещение ..................................................................................................... 84 5.2.4 Метероусловия ............................................................................................. 85 5.3 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой производственной среды ....................................................................................................................... 85 5.3.1 Электробезопасность ................................................................................... 85 5.3.2 Пожарная безопасность ............................................................................... 86 5.4 Охрана окружающей среды ........................................................................... 88 5.4.1 Защита селитебной зоны ............................................................................. 88 5.4.2 Анализ действия объекта на атмосферу .................................................... 88 5.4.3 Анализ воздействия объекта на гидросферу ............................................. 89 5.4.4 Анализ воздействия объекта на литосферу ............................................... 89 5.5 Защита в чрезвычайных ситуациях ............................................................... 90 5.5.1 Перечень возможных чрезвычайных ситуаций на объекте ..................... 90 5.5.2 Выбор наиболее типичной ЧС .................................................................... 90 5.5.3 Разработка превентивных мер по предупреждению ЧС .......................... 90 5.5.4 Разработка действий в результате возникшей ЧС и мер по ликвидации их последствий............................................................................................................ 91 5.6 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ......... 92
Список использованных источников .................................................................. 95

9
Введение
Процесс производства стирола является важнейшим звеном в современном нефтехимическом синтезе. Стирол является главным сырьем для получения полистирола, одного из основных полимеров для производства каучуков и пластиков.Конечные варианты применения стирола: одноразовая посуда, упаковка для электронного оборудования, компоненты автомобильных салонов. Так же стирол входит в состав напалма. Исходным сырьем для производства стирола является этилбензол. Более 90 % всего производимого этилбензола перерабатывается в стирол. Крупнейшими производителями стирола в мире считаются: США, Япония и Китай. Мировое производство стирола составляет свыше 32,7 миллионов в год [1].
В настоящее время основными методами получения стирола являются каталитическое газофазное дегидрирование этилбензола и эпоксидирование пропилена гидропероксидом этилбензола. По технико-экономическим показателям производство стирола каталитическим газофазным дегидрированием этилбензола более выгодно и на сегодняшний день считается самым используемым. Дегидрирование этилбензола, осуществляется в адиабатическом двухступенчатом реакторе (со встроенным межступенчатым теплообменником).
Процесс осуществляется с использованием железохромкалиевых катализаторов [1].
По последним экономическим прогнозам, производство стирола в последующие годы будет только расти, что связано прежде всего с ростом потребности человечества в полистироле.
Целью данной работы является проектирование узла синтеза стирола на железохромкалиевом катализаторе.

10
1.Теоритическая часть
1.1 Технико-экономическое обоснование
Стирол является важным мономером, используемым для получения полимеров. Существует множество полимеров на основе стирола среди них: полистирол, пенопласт, каучуки и латексы, содержащие стирол, различные пластики, например, такие как АБС и САН, стирол используется, как один из компонентов напалма. Стружка полистирола, растворенная в стироле, образует идеальный клей для полистирола.
На сегодня производство стирола является крупнотоннажным. Средняя производительность составляет 150-280 тысяч тонн в год.
Стирол получают в виде бесцветной жидкости, которая имеет слабый запах. Стирол с достаточной легкостью подвергается окислению, присоединяет галогены и полимеризуется, образуя полистирол. Промышленное получение стирола возможно несколькими способами. Одним из получивших наиболее промышленное применение, является метод совместного производства стирола и пропиленоксида. Данный процесс состоит из трех основных стадий:
Первая стадия заключается в синтезе гидропероксида этилбензола окислением этилбензола воздухом, окисление ведется до получения 10% гидропероксида.
На второй стадии происходит жидкофазное эпоксидирование пропилена в присутствии гомогенного, либо гетерогенного катализатора, при температуре
365 К и давлении 1,6 – 6,5 МПа. В результате эпоксидирования получается фенилметилкарбинол. В качестве катализатора используется нафтенат молибдена.
Последняя стадия заключается в образовании фенилметилкарбинола в стирол [2].Еще один метод, который встречается для производства стирола, это его получение метатезисом этилена со стильбеном.
Процесс проводится в две стадии. На первой стадии происходит окисление толуола в присутствии PbO
2 .
Получение стирола метатезисом этилена со стильбеном. Процесс проводят в две стадии. На первой стадии получают стильбен окислением толуола в присутствии, при температуре приблизительно

11 873 К. Вторая стадия образования стирола в результате взаимодействия этилена со стильбеном в присутствии WO
3
при температуре 723 К[3].
Классический вариант промышленного получения стирола основывается на реакции дегидрирования, на железохромкалиевом катализаторе, процесс проходит при относительно небольшом давлении равном менее 0,5 МПа, при температуре 580 – 610 0
С.
В отличие от других методов получения, где применяются высокое значение давления, которое влияет на цену продукта, в методе каталитического дегидрирования, значение давления близко к атмосферному, а значение температуры, можно считать относительно невысоким. Также стоит отметить более высокий выход продукта, обусловленный оптимальным подбором условий процесса и как следствие, высокой степени превращения этилбензола.
Поэтому наиболее оптимальным способом производства является каталитическое дегидрирование. Каталитическое дегидрирование этилбензола, заключается в прохождении реакционной смеси, через слои катализаторов, в результате контакта с которыми образуется продукт, который поступает на сепарацию, а затем на ректификацию.
Мировое производство стирола составляет свыше 32,7 миллионов в год
[1]. Крупнейшими производителями стирола в мире считаются: США, Япония и Китай.
Таблица – 1.1 Крупнейшие производители стирола в России[1].
Предприятие
Город
Метод получения
Мощность, тонн/год.
ОАО
«Нижнекамскнефтехим»
Нижнекамск
Дегидрирование этилбензола
200 000
ОАО
«Салаватнефтеоргсинтез»
Уфа
Дегидрирование этилбензола
147 000
ЗАО «Сибур-химпром»
Пермь
Дегидрирование
76