Первым абсорбентом, применявшимся в промышленности для выделения ацетилена, являлась вода. При этом получается ацетилен 97 %-ной чистоты. Однако ввиду малой растворяющей способности воды по отношению к ацетилену требуется очень большой ее расход. Кроме того, необходима специальная отмывка газа от диоксида углерода и сероводорода, а также промывка маслом или растворителями для удаления тяжелых углеводородов. В связи с этим применение воды в качестве абсорбента не получило широкого распространения.
Абсорбция ацетилена может проводиться при положительных или при низких температурах. Для абсорбции при положительных температурах применяются малолетучие абсорбенты (диметилформамид, N-метилпирролидон, γ-бутиролактон); для абсорбции при низких температурах — летучие абсорбенты с низкой температурой плавления. В качестве растворителей для низкотемпературной .абсорбции ацетилена получили распространение аммиак, метанол, ацетон. Метод основан на увеличении растворимости ацетилена с понижением температуры, причем растворимость достигает максимума при температуре плавления раствора.
Повышение растворимости ацетилена позволяет снизить расход абсорбента, а применение более летучих растворителей — температурный уровень перегонки, вследствие чего уменьшается расход тепла на регенерацию абсорбента. Наряду с этим появляются дополнительные расходы на охлаждение до низких температур, но эти расходы значительно меньше, чем экономия на регенерацию абсорбента. Наиболее распространенным абсорбентом является метанол.
В связи с тем, что около 70 % эксплуатационных расходов и капитальных затрат в производстве ацетилена из углеводородного сырья падает на процесс выделения, экономическая эффективность этой стадии производства имеет большое практическое значение.
3 .Технологическая схема (описание).
Технологическая схема получения ацетилена окислительным пиролизом метана изображена на рис. 2. Кислород и метан подогревают до 600—700 °С в трубчатых печах 1 и 2, имеющих топки для сжигания природного газа. В реакторе 3 протекают вышерассмотренные процессы, причем газы выходят из него после «закалки» водой при 80°С и проходят для улавливания сажи полый водяной скруббер 4 и мокропленочный электрофильтр 5. Газы охлаждают водой в холодильнике 6 непосредственного смешения, после чего их промывают в форабсорбере 7 небольшим количеством диметилформамида или N-метилпирро-лидона и направляют в газгольдер 8. Вода, стекающая из гидравлического затвора реактора и из сажеулавливающих аппаратов, содержит 2—3 % сажи, а также малолетучие ароматические соединения. Она поступает в отстойник 9, с верха которого сажу и смолы собирают скребками и направляют на сжигание. Воду из отстойника возвращают в реактор как «закалочный агент», а ее избыток идет на очистку, чем создается замкнутая система водооборота без сбрасывания токсичных сточных вод. Газ из газгольдера 8 сжимается компрессором 10 до давления ~ 1 МПа, проходя после каждой ступени холодильники и сепараторы, не показанные на схеме. В абсорбере 11 он промывается диметилформамидом или N-метилпирролидоном, а непоглотившийся газ (Н2, СН4, СО, СО2) проходит скруббер 12, где при орошении водным конденсатом улавливается унесенный им растворитель. После этого газ можно использовать в качестве синтез-газа или топлива. Раствор в кубе абсорбера 11 содержит ацетилен и его гомологи, а также значительное количество близкого к ним по растворимости диоксида углерода с примесью других газов. Он проходит дроссельный вентиль 13 и поступает в десорбер 14 первой ступени. За счет снижения давления до ~0,15 МПа и
нагревания куба до 40 °С из раствора десорбируются ацетилен и менее растворимые газы. Ацетилен при своем движении вверх вытесняет из раствора диоксид углерода, который вместе с другими газами и частью ацетилена выходит с верха десорбера, предварительно отмываясь от растворителя водным
конденсатом. Эти газы возвращают на компримирование. Концентрированный ацетилен выводят из средней части десорбера 14, промывают в скруббере 15 водой и через огнепреградитель 16 выводят с установки.
Кубовую жидкость десорбера 14, содержащую некоторое количество ацетилена и его гомологов, направляют в десорбер 18 второй ступени, подогревая предварительно в теплообменнике 17. За счет нагревания куба до 100°С из раствора отгоняются все газы, причем из средней части колонны уходят гомологи ацетилена, направляемые затем на сжигание, а с верха — ацетилен с примесью его гомологов, возвращаемый в десорбер первой ступени. В растворителе постепенно накапливаются вода и полимеры, от которых его освобождают на установке регенерации, не изображенной на схеме.
Полученный на установке концентрированный ацетилен содержит 99,0—99,5 % основного вещества с примесью метилацетилена, пропадиена и диоксида углерода (по 0,1—0,3%).
4. Расчетная часть.
Целевая реакция описывается уравнением
2CH4 → C2H2+ 3Н2
Расход метана рассчитываем исходя из селективности и стехиометрических уравнений реакции.
Общий расход метана (кг/ч)
А=Gа 2Mм*100/(Ма С)= Gа*2*16*100/26С=4990 кг/ч
с учетом конверсии Gм= А*100/К=5454 кг/ч
Количество кислорода, подаваемого в реактор:
число кмоль:
метана Nм=340,88 кмоль/ч;
кислорода NО2=340,88*0,6=204,53 кмоль/ч
G О2.= 204,53*32=6545кг/ч
4.1 Материальный баланс.
Основой материального баланса является закон сохранения материи, согласно которому количество материала, поступающего в процесс (приходные статьи материального баланса), равняется количеству продуктов, получаемых в результате процесса (расходные статьи материального баланса). Материальный баланс должен составляться как для всего технологического процесса, так и для отдельных его элементов. Материальный баланс составляют за единицу времени — час, сутки, год — или за цикл работы на единицу исходного сырья или готовой продукции, т. е. за тот отрезок времени, в течение которого перерабатывается определенное количество сырья или получается определенное количество продукта. Материальный баланс может быть рассчитан в весовых, мольных или объемных единицах. Материальный баланс процесса представлен в таблице 1.
Таб.1 Материальный баланс
| Материальный поток | Количество | |
| кг/ч | кмоль/ч | |
| Приход | ||
| Метан | 5454 | 340,88 |
| Кислород | 6545 | 204,53 |
| Всего | 11999 | 545,41 |
| Расход | ||
| Ацетилен | 1200 | 46,15 |
| Метан | 464 | 29 |
| Кислород | 66 | 2,0 |
| СО | 5968 | 206 |
| СО2 | 3459 | 60,43 |
| Н2 | 840 | 420 |
| Всего | 11999 | 763,58 |
4.2 Тепловой баланс.
Тепловой баланс отражает основное содержание закона сохранения энергии, согласно которому количество тепла, введенной в процесс (приходные статьи баланса), равно количеству тепла, получаемой в результате процесса (расходные статьи баланса).
Так же как и материальный баланс, тепловой баланс можно составлять для всего производственного процесса или для отдельных его стадий. тепловой баланс может быть составлен для единицы времени (час, сутки), для цикла работы, а также на единицу исходного сырья или готовой продукции.
Таб.2. Тепловой баланс
| Наименование | G, кг/ч | Q, МДж/ч |
| Приход тепла | ||
| Метан | 5454 | 10338 |
| Кислород | 6545 | 4225 |
| Всего | 11999 | 14563 |
| Расход тепла | ||
| Ацетилен | 1200 | 1740 |
| Метан | 464 | 879 |
| Кислород | 66 | 43 |
| СО | 5968 | 3223 |
| СО2 | 3459 | 2158 |
| Н2 | 840 | 6520 |
| Всего | 11999 | 14563 |
4.3 Расчет аппарата.
Расчет основных размеров реактора
Vг=(Gс/Мс+Gп./Мп.)*22,4*Т*0,101/273*Р=
=(1308,99/2)*22,4*0,101*1723/273*0,11=84958,3 м3/ч
Примем среднюю фиктивную скорость 14 м/с, тогда
S=84958,3/(14*3600)=1,68 м2
D=√S/0,785=√1,68/0,785=1,46 м
Vр=Vг*τ, где τ — среднее фиктивное время пребывания паров реакционной смеси в реакторе. Принимаем τ= 0,005 с, тогда
Vр=84958,3*0,005/3600=1,17м3
Длина реактора l= Vр/ S=1,24 м
4.4 Расчет трубчатой печи для нагрева сырья.
Исходные данные по 1 нагреваемому компоненту – метан:
- массовый расход метан Gн = 5454 кг/час;
- температура входа в печь Т1н = 20 °С;
- температура выхода из печи Т2н = 700 °С;
- давление на выходе из змеевика печи pвн = 0,11МПа.