Аналитический разбор литературы

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему: Переработка каменного угля

по дисциплине: Общая химическая технология

Пояснительная записка

Шифр проекта: КП-2068998-49-09

Направление: 240100.62 «Химическая технология и биотехнология»

Руководитель проекта                                                            

                                                                        Давидан Геннадий Михайлович

                                                                             ­­­___________________________

                                                                                                                                                         ^{(Подпись, дата)}

                                                        Разработал студент

                                                 группы ХТ-436

                                                                      Кучук Ирина Сергеевна

СОДЕРЖАНИЕ

1. Задание                                                                                      

2. Введение                                                                                             

3. Аналитический разбор литературы                                        

4. Материально-потоковый граф движения продуктов переработки          каменного угля                                                                                      

5.Расчетная часть                                                                                 

6.Вывод                                                                                                   

7.Библиографический список             

Задание.

Тема курсового проекта : переработка каменного угля

Исходные данные для проектирования: добываемый в шахте каменный уголь частично сжигают на ТЭЦ, остальное количество направляют на коксохимический завод для производства кокса. Полученный параллельно с коксом прямой коксовый газ подают на переработку, в результате которой получают каменноугольную смолу (КУС), сырой бензол (СБ) и сульфат аммония.

Из КУС выделяют пиридиновые основания, из СБ - толуол. Из обратного коксового газа (ОКГ) получают водород, используемый далее для синтеза аммиака, и метан. Метан конвертируют водяным паром и подвергают парциальному окислению воздухом для производства азотоводородной смеси (АВС), из которой синтезируют аммиак.

Требуется:

 - составить материально-потоковый граф движения продуктов переработки угля.

Рассчитать:

1. количество угля, сжигаемого на ТЭЦ за год;

2. число коксовых печей и батарей, в которые они объединены;

3. количество чугуна, выплавляемого с использованием полученного кокса;

4. количество раствора NaOH для выделения фенолов из КУС;

5. объем СО₂ для получения фенола из фенолята натрия (расчет вести на одноатомный фенол);

6. количество бензола, выделяемого из СБ;

7. количество толуола, выделяемого из СБ;

8. количество (NH₄)₂SO₄, получаемое из аммиака, извлекаемого из прямого коксового газа, взаимодействием с H₂SO₄;

9. количество аммиака, получаемого из водорода ОКГ;

10. количество метанола, получаемого из синтез-газа.

Введение.

Каменный уголь – твердое горючее, полезное ископаемое растительного

происхождения. Он представляет собой плотную породу черного, иногда темно-серого цвета с блестящей матовой поверхностью.

Содержит 75-97 % углерода, 1,5-5,7 % водорода, 1,5-15 % кислорода, 0,5-4 % серы, до 1,5 % азота, 2-45 % летучих веществ, количество влаги колеблется от 4 до 14%. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу каменного угля не менее 238 МДж/кг.

Каменный уголь образуется из продуктов разложения органических веществ высших растений, претерпевших изменения в условиях давления различных пород земной коры и под воздействием температуры. С возрастанием степени метаморфизма в горючей массе каменный уголь увеличивает содержание углерода и одновременно уменьшает количество кислорода, водорода, летучих веществ. Изменяется также теплота сгорания угля.

Характерные физические свойства каменного угля:

- содержание углерода (С,%) - 75-97;

- плотность (кг/м3) – 1,28-1,53;

- механическая прочность (кг/м2) – 4-30;

- удельная теплоемкость С (Дж/кг град) – 026-032;

- коэффициент преломления света – 1,82-2,04.

Угольные запасы рассредоточены по всему миру. Большинство промышленных стран ими не обделено. Землю опоясывают две богатые угольные зоны. Одна простирается через страны бывшего СССР, через Китай, Северную Америку до Центральной Европы. Другая, более узкая и менее богатая, идет от Южной Бразилии через Южную Африку в Восточную Австралию. Наиболее значительные залежи каменного угля находятся в странах бывшего СССР, США и Китае. Каменный уголь доминирует на западе Европы. Главные каменноугольные бассейны в Евразии: Южный Уэльс, Валансьен-Льеж, Саарско-Лотаргинский, Рурский, Астурийский, Кизеловский, Донецкий, Таймырский, Тунгусский, Южно-Якутский, Фуньшуньский; в Африке: Джерада, Абадла, Энугу, Уанки, Витбанк; в Австралии: Большая Синклиналь, Новый Южный Уэльс; в Северной Америке: Грин-Ривер, Юннта, Сан-Хуан-Ривер, Западный, Иллинойский, Аппалачский, Сабинас, Техасский, Пенсильванский; в Южной Америке: Караре, Хунин, Санта-Катарина, Консепсьон. На Украине следует отметить Львовско-Волынский бассейн и богатый месторождениями Донбасс.

Процессы переработки каменного угля являются актуальными и по сей день. Значительная часть углей подвергают высокотемпературной (пирогене-ти­ческой) химической переработке. По назначению и услови-ям процессы пирогенетической переработки углей делят на три вида: пиро­лиз, газификация, гидрирование. Цель такой переработки – производство ценных вторичных продуктов, используемых далее в качестве топлива и про­межуточных продуктов для органического синтеза. Продуктами высокотемпературного пиро­лиза (коксование) и низкотемпературного пиролиза (полукоксование) являются: сы­рье для оргсинтеза, смола (источник получения моторных топлив), раство­ри­тели, мономеры и полукокс, кокс, горючие газы. Если раньше смолу, оставшуюся при коксовании угля использовали для получения химических веществ лишь в некоторых странах (а в основном ее сжигали), то теперь химическая переработка каменноугольной смолы везде приобретает огромное значение. Это же относится и к другим побочным продуктам коксования углей.

Процессы гидрированияи газификации имеют цель получить из угля жидких продуктов, используемых как моторное топливо, и горючих газов.

Моноциклические ароматические углеводороды, такие как бензол и его гомологи, по-прежнему являются ценным химическим сырьем. Потребность в них, как в компонентах топлива, возрастает в той мере, в какой новое законодательство ограничит добавку тетраэтилсвинца. Однако этому препятствуют ограничения, связанные с расходованием кокса в производстве чугуна.

Более важным в химии является производство метанола и аммиака, которые легко можно перевести на использование синтез-газа из угля. И метан и аммиак являются крупнотоннажными продуктами химической промышленности с многообразными возможностями дальнейшей переработки; частично она уже осуществляется, а может, как показал пример синтеза уксусной кислоты из метанола, стать еще более эффективной.

Дальнейшее развитие ФТ-синтеза для производства низкомолекулярных олефинов обеспечит промышленность органической химии важнейшим алифатическим сырьем на основе угля. Кроме того, из олефинов С9—С14 путем оксосинтеза можно получать жирные спирты для производства моющих средств и пластификаторов. Это позволит высвободить существенную часть нефтяных продуктов, применяемых до настоящего времени для этих целей. Может стать возможным также прямой синтез полиметиленов, Необходимых   для получения широкого ассортимента синтетических материалов.

     При полукоксовании бурых и каменных углей можно получать дополнительное количество фенолов, а также (особенно из бурых углей) алифатические углеводороды.

Один из важнейших летучих продуктов коксования — коксовый газ — используют в качестве энергетического топлива (сжигание под котлами ТЭЦ, ПВС, ЦЭС), как технологическое топливо для мартеновских печей (наряду с природным газом), нагревательных колодцев и печей в прокатных цехах, а также в других целях.

Путем переработки в общей сложности можно получить более 400 различных продуктов, стоимость которых, по сравнению ,со стоимостью самого

угля, возрастает в 20-25 раз, а побочные продукты, получаемые на коксохимических заводах, превосходят стоимость самого кокса.

    Целью работы является изучение процесса переработки угля и количественное нахождение основных показателей процесса.

   Примитивная добыча ископаемых углей известна с древнейших времён (Китай, Греция). Существенную роль в качестве топлива уголь стал играть в Англии в 17 веке. Становление угольной промышленности связано с использованием углей, как кокса при выплавке чугуна. Начиная с 19 века крупный потребитель угля – транспорт. Еще в конце прошлого - начале нынешнего века большинство продуктов органической химии производилось из каменных углей. По мере увеличения добычи нефти химические вещества угольного происхождения начали вытесняться продуктами нефтехимического синтеза, производимыми более простыми и менее энергоемкими методами. Однако оценка разведанных мировых запасов различных видов ископаемого органического сырья приводит к выводу о том, что месторождения нефти и газа будут в значительной степени исчерпаны уже в первые десятилетия XXI века. Запасов же угля должно хватить на ближайшие несколько сот лет. Вывод о необходимости постоянного увеличения масштабов использования угля в энергетике и промышленности подтверждается данными по сопоставлению запасов нефти, газа, угля и сложившейся в настоящее время структурой их мирового потребления.

Аналитический разбор литературы

Проблема эффективной переработки каменного угля широко освещена в литературе. Уголь выступает в качестве "моста в будущее" мировой цивилизации (по терминологии К.Л. Уилсона [1]), обеспечивая плавный переход от ископаемого органического сырья к новым источникам энергии - солнечной, ядерной и другими недоступными пока человечеству принципиально новым видам энергии.

 До начала XX века пиролизом и коксованием каменного угля получали большинство химических продуктов. Эти процессы основаны на нагревании углей без доступа воздуха с целью их термической деструкции [2]

Основными недостатками известных технологий химической переработки углей по сравнению с технологиями нефтепереработки и нефтехимии являются относительно низкая производительность и жесткие условия их осуществления (высокие температура и давление). Для устранения указанных недостатков в углепереработке все шире применяются катализаторы и новые каталитические процессы, позволяющие получать из угля разнообразные продукты топливного и химического назначения [3]. К настоящему времени предложены разнообразные способы применения катализаторов в процессах превращения углей отраженные Кузнецовым Б.Н. в книге "Катализ химических превращений угля и биомассы"[4].

Как видно из приведенного литературного обзора переработка  каменного угля постоянно совершенствуется, что говорит об огромной важности этого процесса

Расчетная часть

1. Найдем массу сухого угля добываемого за год:

m_{сух.угля}- масса сухого угля добываемого за год, т/г,

m_в- масса воды в угле, т/г,

m_з –масса золы в угле, т/г,

N_г- мощность шахты в год, т/г.

2. Найдем мощность ТЭЦ (тепловая, электрическая энергии) за год:

;

переведем КВт в КДж: 1КВт= КДж;

КДж;

N_ТЭЦ-мощность ТЭЦ в год, МВт,

N_эл- количество электроэнергии в год, МВт,

η- коэффициент полезного действия, %.

3. Найдем массу угля сжигаемого на ТЭЦ за год:

Q=33900С+125550Н+10880(S-O)

Q= КДж/кг;

Q- количество теплоты, выделяемого при сжигании 1кг угля, КДж/ч;

m_угля- масса угля сжигаемого на ТЭЦ.

4. Масса угля направляемое на КЗ:

4. Масса угля направляемое на КЗ:

5. Найдем объем сухой шихты:

ρ_{сух.шихты}- насыпная плотность сухой шихты, кг/м³.

6. Найдем количество печей:

z- количество циклов в году,

V₁₆- объем сухой шихты за 1цикл,

η_v- полезный объем коксовой печи, м³,

n₁- количество печей,шт,

Т- количество часов в году,

t – количество часов в 1 цикле.

7. Найдем количество батарей:

n₃- число коксовых печей в 1-ой батарее.

8. Рассчитываем массу чугуна, полученного из кокса за 1 цикл:

;

m_{сух.шихты.16}- масса сухой шихты за 1 цикл, кг/₁₆,

m_{кокса.16}- масса кокса за 1 цикл, кг/₁₆,

ω- выход кокса из сухой шихты, %,

q- расход кокса на тонну чугуна, кг.

9. Находим КУС, СБ, NH₃  за год:

m_кус.- масса КУС, кг,

m_сб.- масса СБ, кг,

m_NH3- масса NH₃, кг,

ω_кус, ω_сб, ω_амм- выходы продуктов из сухой шихты(КУС, СБ, аммиак).

10. Найдем объем водорода и метана из ОКГ за год:

11. Найдем выход фракций из КУС:

m_фенол- масса фенольной фракции, кг,

m_поглот- масса поглотительной фракции, кг,

m_{нафталин}- масса нафталиновой фракции, кг,

ω_фенол,ω_поглот,ω_{нафталин}- выходы фракций из КУС (фенольной, поглотительной, нафталиновой).

12. Находим массу пиридиновых оснований во фракциях:

- поглотительной    

- нафталиновой    

13. Найдем массовый выход аренов из СБ:

ω_бензол, ω_толуол – выход аренов из СБ.

14. Находим объем метана при паровой конверсии и парциальном окислении:

ω_CH4 – доля метана из ОКГ, подвергающаяся паровой конверсии,

ω_конв.CH4 – доля метана, образовавшийся при паровой конверсии,

V_{парц.окисл.} – объем метана, подвергающийся парциальному окислению.

15. Определим выход аммиака по водороду:

ω_NH3 – выход аммиака по водороду.

16. Находим количество (NH₄)₂SO₄ получаемое из аммиака, извлекаемого из прямого коксового газа, взаимодействием с серной кислотой:

                                     256858560 198556544     X

2NH₃+H₂SO₄          (NH₄)₂SO₄

       98                 132

так как серной кислоты меньше, то расчет ведем по ней:

17. Найдем количество серной кислоты, необходимое для выделения пиридиновых оснований из КУС (в расчете на пиридин):

так как серная кислота подается с концентрацией 21%, то общее количество серной кислоты составит:

Вывод

В ходе проектирования курсового проекта была проделана следующая работа:

o Изучены  теоретические аспекты процесса переработки каменного угля

o Был составлен материально-потоковый граф движения продуктов переработки угля.

o Произведены следующие расчеты:

1. количество угля, сжигаемого на ТЭЦ за год;

2. число коксовых печей и батарей, в которые они объединены;

3. количество чугуна, выплавляемого с использованием полученного кокса;

4. количество раствора NaOH для выделения фенолов из КУС;

5. объем СО₂ для получения фенола из фенолята натрия (расчет вести на одноатомный фенол);

6. количество бензола, выделяемого из СБ;

7. количество толуола, выделяемого из СБ;

8. количество (NH₄)₂SO₄, получаемое из аммиака, извлекаемого из прямого коксового газа, взаимодействием с H₂SO₄;

9. количество аммиака, получаемого из водорода ОКГ;

10. количество метанола, получаемого из синтез-газа.

Библиографический список.

1. Уилсон К.Л. Уголь - "мост в будущее". М.: Недра, 1985.

2. Кусумано Дж., Делла-Бетта Р., Леви Р. Каталитические процессы переработки угля. М.: Химия, 1984.

3. Фальбе Ю.М. Химические вещества из угля. М.: Химия, 1984.

Новосибирск: Наука, 1990.

4. Кузнецов Б.Н. Катализ химических превращений угля и биомассы.

5. Давидан Г.М. Общая химическая технология: практикум / Давидан Г.М.– Омск: Изд-во ОмГТУ,2009.– 76 с.

6. Давидан Г.М. Общая химическая технология: курс лекций/ Давидан Г.М.– Омск: Изд-во ОмГТУ,2003.–100 с.

7. Технология производства кокса/ Иванов Е.Б., Мучник Д.А.-Изд-во “Высш. шк.”, 1976.-232 с.

8. Химические вещества из угля/ под ред. И. В. Калечица – М.: Химия, 1980. – 616 с.

9. Глущенко И.М. Теоретические основы технологии горючих ископаемых/ уч. для вузов. – М.: Металлургия, 1990. – 296 с.