Материально-потоковый граф движения продуктов переработки угля

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему: Проект комплекса по переработке каменного угля мощностью 400 млн. т/г

по дисциплине: Общая химическая технология

Пояснительная записка

Шифр проекта: КП-2068998-49-16

Направление: 240100.62 «Химическая технология и биотехнология»

                                                           Руководитель проекта                                                            

                                                                             Давидан Геннадий Михайлович

                                                                             ­­­­­­____________________________

                                                                                                                                                         ^{(Подпись, дата)}

                                                        Разработал студент

                                                 группы ХТ-436

                                                                      Поздняков Павел Анатольевич

СОДЕРЖАНИЕ

Задание…………………………………………..………….……….………………..3

Введение.………………………………………..………….……….………………..4

1. Аналитический обзор………..……………………………………………6

2. Материально-потоковый граф движения продуктов переработки каменного угля………………………………………..……………….………….......……..7

3.Расчетная часть………………………………………...…………………….8

Вывод……………………….…………………………..………..…………………13

Библиографический список…………………………….…………………..……...14

Задание

Добываемый в шахте каменный уголь частично сжигают на ТЭЦ, а 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 фенолы, а из СБ – товарный бензол.

Обратный коксовый газ (ОКГ) направляют на получение метана и водорода, который применяют для синтеза аммиака. Метан подают на паровую и кислородную конверсию с целью получения синтез-газа, из которого синтезируют метанол.

Требуется:

- составить материально – потоковый граф движения продуктов переработки угля.

Рассчитать:

- количество угля, сжигаемого на ТЭЦ за год;

- число коксовых печей и батарей, в которые они объединены;

- количество чугуна, выплавляемое на полученном коксе;

- количество серной кислоты, необходимое для выделения пиридиновых оснований из КУС (в расчете на пиридин);

- количество толуола, извлекаемого из СБ;

- количество сульфата аммония, получаемого из аммиака, извлекаемого из прямого коксового газа, взаимодействием с серной кислотой;

- общее количество аммиака, получаемого из продуктов коксования (водорода и метана);

- объем азота, добавляемый к газу конверсии для корректировки его состава составу АВС.

Дополнительные данные для расчета приведены в табл. 1.

Таблица 1

Введение

Для оптимального использования угля необходимо знать его химическое строение. Уголь является естественным продуктом, образовавшимся преимущественно из растительного материала. Леса опускались в болота и превращались вначале (биохимическая фаза) в торф и мягкие бурые угли. Дальнейшее опускание отмерших материалов и покрытие их минеральным слоем привело к второй (геохимической) фазе обуглероживания — образовывались твердые бурые угли и, наконец, каменные угли различной степени углефикации.  

      В настоящее время считается, что в образовании угля принимали участие все растительные элементы, преимущественно целлюлоза и лигнин. Все угли состоят в основном из углерода, водорода и кислорода; присутствуют также небольшие количества азота и серы. Доля углерода увеличивается со степенью углефикации от 65% , для мягких бурых углей, до 91% для антрацитов; соответственно снижается содержание кислорода (от 30 до 2%) и водорода (от 8 до 4%). Содержание азота и серы меньше зависит от стадий углефикации и составляет 0,5 - 2% N и 0,5 - 3% S. Эти цифры относятся к органической массе угля, т. е. к высушенной и свободной от золы. Однако любой уголь, добываемый из месторождения, содержит влагу и большее или меньшее количество минеральных компонентов, которые во время углефикации взаимодействуют с органическим веществом.

      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.

      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.

      Выработка кокса до настоящего времени заметно колеблется. Соответственно увеличивается или снижается производство побочных продуктов, правда коксовые печи не предназначены специально для получения побочных продуктов - выход 1 кг смолы и сырого бензола слишком мал ( 4%). Если раньше потребность в коксе из угля (кокс использовали в черной металлургии) могла быть снижена за счет производства кокса из нефтепродуктов, теперь в связи с повышением цен на нефть эта ситуация может измениться.                                                                   

      От выработки кокса зависит выход сероводорода и аммиака из газа коксовых печей. До сих пор большую часть H₂S и NН₃ с трудом выделяют в виде сульфата аммония. Следует решить, важно ли и далее вырабатывать сульфат аммония из аммиака и водорода или лучше использовать аммиак коксового производства для получения ценных удобрений или других продуктов (в этом случае из сероводорода можно было бы получать серу и серную кислоту).

       Превращение синтез-газа в метан представляет для химической промышленности только ограниченный интерес, однако этот процесс будет иметь намного большее значение в энергетике. 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.

      Как поставщик химического сырья, заслуживает внимания опробованный процесс синтеза углеводородов по Фишеру—Тропшу. Это особенно может иметь значение в том случае, если бы в результате поисковых научно-исследовательских работ удалось научиться управлять составом продуктов синтеза, направляя процесс на получение этилена и пропилена. 

       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.

Аналитический обзор

Переработкой природных топлив (главным образом каменного угля) в кокс и др. ценные продукты занимается коксохимия.Основными коксохимическими продуктами (помимо кокса) являются коксовый газ, продукты переработки сырого бензола, каменноугольной смолы и аммиака (аммиачные удобрения); их полный ассортимент включает около 80 наименований (около 160 сортов). Ряд продуктов, подобных коксохимическим, получают также на нефтехимических предприятиях.

Коксование осуществляется в высокопроизводительных коксовых печах, обогреваемых низкокалорийным (доменным) или высококалорийным (коксовым и др.) газом. Сырьём для коксования служат специальные сорта каменных углей, способные спекаться. Однако ввиду дефицитности таких углей перед коксованием обычно составляют смесь углей разных сортов (шихту). В шихту могут вводиться значительные количества самостоятельно не коксующихся углей, однако с таким расчетом, чтобы суммарные свойства шихты обеспечивали нормальный процесс коксования. Основным свойством, определяющим пригодность шихты для коксования, является ее способность образовывать при нагреве пластический слой достаточной толщины, вязкости и с требуемым ходом термического разложения. Проверка качества углей выполняется в лаборатории. Показателями служат толщина пластического слоя и усадка угля при коксовании. Последняя необходима для обеспечения выдачи "коксового пирога" из печи. Кроме того, состав шихты регламентируется по содержанию золы, серы, влаги и ряда других примесей. Для удаления из компонентов шихты нежелательных примесей угли предварительно обогащают и затем (для придания шихте однородности) тщательно смешивают, дробят (содержание фракции 3 мм в измельченной шихте должно быть около 95%).

Образующийся при коксовании сырой газ несёт с собой (в г/нм³): паров воды 250—450, паров смолы 100—120, бензольных углеводородов 30—40, аммиака — 8—13, сероводорода 5—30. Горячий (800 °С) газ охлаждают в газосборнике путём распыления в нём воды и затем в холодильниках (до 30—35 °С). Конденсат разделяют на аммиачную воду и каменноугольную смолу. Охлажденный газ засасывается мощными газодувками и нагнетается в систему улавливания и очистки. Здесь из газа улавливают пары сырого бензола, оставшуюся в газе большую часть аммиака, сероводород и цианистые соединения. Сырой бензол, каменноугольную смолу и аммиачную воду перерабатывают на товарные продукты.

Очищенный коксовый газ, называется обратным; используется как топливо, а также в качестве сырья для синтеза аммиака.

Сопутствующий коксовому газу и являющийся вредной примесью сероводород превращают в элементарную серу или серную кислоту, цианистые соединения можно использовать для получения солей роданистоводородной кислоты и др. продуктов.

Аммиак (выход 0,3% от массы шихты), частично растворяющийся в водном конденсате и образующий аммиачную воду, а частично остающийся в коксовом газе, отгоняют из воды, возвращая в газ, после чего улавливают из газа и используют для получения главным образом сульфата аммония — азотного удобрения, содержащего 25,8% NH₃. Для связывания аммиака также применяют фосфорную кислоту и получают аммиачно-фосфорные удобрения. Как жидкое удобрение применяют и водные растворы аммиака, к которым добавляют соли калия и др. компоненты.

Сырой бензол представляет собой выкипающую до 180 °С смесь ароматических углеводородов. Кроме того, в сыром бензоле присутствует ряд непредельных соединений неароматического характера (например, циклопентадиен). Из коксового газа углеводороды извлекают промывкой в скрубберах жидким поглотительным маслом. После отгонки от масла, разгонки на фракции, очистки и повторной ректификации получают чистые товарные продукты, главные из которых - бензол, толуол и ксилолы (содержание в сыром бензоле соответственно 65 - 70, 13 - 15 и 2,5 - 4%). Углеводороды, выкипающие выше 145 °С, выпускаются под общим названием "сольвенты" (растворители). Из них получают также индивидуальные соединения, используемые при синтезе красителей и др. веществ. Из непредельных соединений, содержащихся в сыром бензоле, получают кумароновые смолы, используемые для производства лаков и красок, линолеума, а также в резиновой промышленности. Перспективным сырьём для органического синтеза является также циклопентадиен.

Каменноугольная смола - сырьё для получения нафталина и др. индивидуальных ароматических соединений, масел специального назначения (поглотительное, шпалопропиточное и др.) и пека, из которого вырабатывают, в частности, электродный пековый кокс.

Важными продуктами являются также пиридиновые основания и фенолы. Наиболее легкокипящая часть пиридиновых оснований улавливается с аммиаком, а фенолов — с сырым бензолом. Высококипящие фракции оснований и фенолов переходят в смолу. Пиридиновые основания состоят в основном из пиридина и его гомологов; их общий выход 70 - 80 г на 1 кг шихты. После выделения и разгонки они широко используются для синтеза органических соединений, в частности в фармацевтической промышленности. Выход фенолов — около 700 г на 1 т шихты. После извлечения щелочью и разделения на индивидуальные соединения или группы изомеров их используют для получения фенолоформальдегидных смол и др. полимеров, на их основе синтезируют красители, лекарственные и парфюмерные препараты, пестициды и т.д.

Материально-потоковый граф движения продуктов переработки угля

Расчетная часть

1. Найдем массу сухого угля добываемого за год:

где 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:

При сжигании 1 кг угля – 9,224 КВт;

При сжигании Х кг угля – 43·10⁶ КВт;

;

переведем КВт в КДж: 1КВт= КДж;

КДж;

 где 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/ч;

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

m_угля - масса угля сжигаемого на ТЭЦ.

4. Масса угля направляемое на КЗ:

5. Найдем объем сухой шихты:

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

6. Найдем количество печей:

цикла;

 шт;

 где z - количество циклов в году,

V₁₅ - 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:

где n₃ - число коксовых печей в 1-ой батарее.

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

;

где m_{сух.шихты.15} - масса сухой шихты за 1 цикл, кг/₁₅,

m_{кокса.15} - масса кокса за 1 цикл, кг/₁₅,

ω - выход кокса из сухой шихты, %,

q - расход кокса на тонну чугуна, кг.

9. Находим КУС, СБ, NH₃ за 1 цикл:

 где m_кус.15- масса КУС за 1 цикл, кг,

m_сб.15- масса СБ за 1 цикл, кг,

m_NH3- масса NH₃ за 1 цикл, кг,

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

10. Найдем объем водорода и метана из ОКГ за 1 цикл:

11. Найдем выход фракций из КУС:

где m_фенол - масса фенольной фракции за 1 цикл, кг,

m_поглот - масса поглотительной фракции за 1 цикл, кг,

m_{нафталин} - масса нафталиновой фракции за 1 цикл, кг,

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

12. Находим массу пиридиновых оснований во фракциях:

- поглотительной    

- нафталиновой       

где ω_{пирид.осн.}- доля пиридиновых оснований во фракциях.

13. Найдем массовый выход аренов из СБ:

где ω_бензол, ω_толуол – выход аренов из СБ.

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

 где 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:

где ω_NH3 – выход аммиака по водороду.

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

                                 1073530 536765                      X

2NH₃+H₂SO₄          (NH₄)₂SO₄

                                 34    98            132

ВЫВОД

В данном курсовом проекте я подробно изучил технологию переработки каменного угля, а также составил материально – потоковый граф движения продуктов переработки угля.

В данной работе были рассчитаны:

ü Количество угля сжигаемого на ТЭЦ за год

ü Число коксовых печей  шт;

ü Число батарей

ü Количество чугуна, выплавляемое на полученном коксе

ü Количество толуола извлекаемого из СБ

ü Количество серной кислоты, необходимое для выделения пиридиновых оснований из КУС (в расчете на пиридин) m = 536765 кг;

ü Количество сульфата аммония полученного из аммиака, извлекаемого из прямого коксового газа, взаимодействием с серной кислотой

ü Общее количество аммиака, получаемого из продуктов коксования (водорода и метана)

 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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

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

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

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

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