Химия и технология комплексной переработки органического сырья: Рабочая программа, задание на контрольную работу

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра ЭКОЛОГИИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ

Рабочая программа Задания на контрольную работу Факультет технологии веществ и материалов

Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 655000 - химическая технология органических веществ и топлива 250100 - химическая технология органических веществ

CАНКТ - ПЕТЕРБУРГ 2004

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 665 (07) Химия и технология комплексной переработки органического сырья: Рабочая программа, задание на контрольную работу. -СПб. : СЗТУ, 2004.-12 с. Рабочая программа включает материал о структуре сырьевой базы современного органического синтеза, физико-химических свойствах сырьевых материалов. Здесь рассмотрены технологии базовых процессов переработки твердых, жидких и газообразных природных ископаемых, обеспечивающих органический синтез исходными веществами, механизмы реакций. Уделено внимание особенностям перспективных технологических схем, параметров и режимов переработки сырья в продукты органического синтеза, а также создания безотходных производств и охраны окружающей среды. Рассмотрено на заседании кафедры экологии и инженерной защиты окружающей среды на химических предприятиях 19 января 2004 г., одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов 15 апреля 2004 г. Рецензенты: кафедра экологии и инженерной защиты окружающей среды (на химических предприятиях) СЗТУ (зав. кафедрой А. И. Алексеев, д-р техн. наук, проф.); кафедра технологии нефтехимических и углехимических производств Санкт-Петербургского технологического института (технического университета) зав. кафедрой В.М. Потехин, д-р хим. наук, проф.).

Составители: В. И. Левина, канд. техн. наук, доц. Л. П. Рамзаева, канд. техн. наук, доц.

@ Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004 2

ПРЕДИСЛОВИЕ К настоящему времени в мире синтезировано огромное количество органических соединений, отнесенных к продуктам основного органического и нефтехимического синтеза и обладающих ценными химическими и физикохимическими свойствами. Отличительной особенностью промышленности органического синтеза является огромное разнообразие получаемых продуктов. Многие из них являются целевыми продуктами, другие − полупродуктами при производстве различных веществ. Крупные масштабы производства требуют разработки соответствующих технологических схем, а также расширения сырьевой базы. Комплексное использование сырья, внедрение высокоэффективных методов очистки различных выбросов является неотъемлемой частью разработки современной, экономически целесообразной и экологически безопасной технологии производства продуктов органического синтеза. В объеме данной дисциплины студентам предстоит познакомиться с технологией основных и перспективных процессов переработки сырьевых материалов, научными основами организации производства и основными направлениями использования получаемых продуктов. 1. Содержание дисциплины 1.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем дисциплины 200 часов) 1.1.1. ВВЕДЕНИЕ (4 часа) [1], с. 7−27. Структура и тенденции развития сырьевой базы промышленности органического синтеза. Основные источники углеводородного сырья и требования, предъявляемые к нему. Мировые и отечественные ресурсы нефти, природных газов и твердых горючих ископаемых. Вопросы для самопроверки 1. Назовите основные источники природного многотоннажного сырья для промышленности органического синтеза. 2. Назовите уровень годовой добычи отечественной нефти, ископаемых углей, природного газа. 3. Перечислите основные тенденции развития сырьевой базы промышленности органического синтеза. 4. Какая доля добываемой нефти и природного газа используется для переработки в продукты нефтехимического синтеза.

3

1.1.2. ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ (23 часа) [1], с. 88−92; [3], с. 56−92, 93−121, 287−340, 342−409. Основные цели переработки твердых горючих ископаемых. Характеристика твердых горючих ископаемых. Основные физико-химические свойства ископаемых углей, горючих сланцев и процессы, протекающие при их термической переработке. Основные методы термической переработки твердых горючих ископаемых. Классификация процессов. Выбор метода термической переработки различных видов твердых топлив. Полукоксование. Характеристика и применение продуктов полукоксования. Факторы, влияющие на выход и качество продуктов полукоксования. Основные типы печей для полукоксования. Коксование каменных углей. Технология коксования. Условия проведения процессов. Летучие продукты термической переработки твердых горючих ископаемых, пути их использования. Технология синтетического жидкого и газообразного топлива из угля и сланцев. Газификация твердых горючих ископаемых. Назначение процесса, получаемые продукты. Вопросы для самопроверки 1. Из каких основных частей состоят ископаемые угли? 2. Какая доля органического углерода каустобиолитов находится в природе в виде ископаемых углей? 3. Охарактеризуйте основные группы реакций, протекающих при термической деструкции твердых горючих ископаемых. 4. По какому механизму происходит термическое разложение органической части твердых горючих ископаемых? 5. Назовите четыре основных направления химико-технологической переработки ископаемых углей. 6. Опишите основные режимы и продукты процессов коксования и полукоксования углей. 7. Опишите основные режимы и продукты процессов газификации ископаемых углей. 8. Изложите основные принципы классификации твердых топлив. 9. Какие трудности возникают при использовании и переработке смол полукоксования? 10. Укажите достоинства и недостатки низко- и высокотемпературной газификации. В каких условиях предпочтительнее использовать тот или иной процесс? 4

11. Обоснуйте необходимость разработки технологии жидких и газообразных топлив из угля. 12. Укажите критерии выбора оптимальной технологии приготовления жидких и газообразных топлив из угля. 1.1.3. ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ (52 часа) [1], с. 49−59, 63−66, 83−88, 93−100; [2], с. 5−112, 136−248; [5], с. 14−18, 58−101, 116−190; [9], 3−60, 64−73, 81−105, 120−136. Нефть. Химический состав нефти. Физические свойства нефти и нефтепродуктов. Классификация нефтей. Методы оценки качества и анализа нефтей и нефтепродуктов. Процессы переработки нефти. Первичная перегонка нефти. Характеристика и применение выделяемых фракций. Деструктивные методы переработки нефти. Термические процессы. Термический крекинг. Висбрекинг. Коксование. Научно-теоретические основы процессов. Технологические схемы. Сравнительный анализ отечественных и зарубежных установок. Термокаталитические процессы. Каталитический крекинг. Каталитический риформинг. Гидроочистка дистиллятных фракций. Гидрокрекинг. Научнотеоретические основы процессов. Катализаторы. Принципиальные технологические схемы установок. Вопросы для самопроверки 1. Сформулируйте определение понятия «нефть». 2. Приведите классификацию нефтей. 3. В чем заключается подготовка нефти к переработке? Объясните ее необходимость. 4. Перечислите основные виды жидких топлив и их главные физико-химические характеристики. 5. Какие целевые продукты могут быть получены термическими и термокаталитическими процессами нефтяной технологии? 6. Какие процессы обеспечивают получение низших алкенов, диенов и ацетилена из нефти и природного газа? 7. По какому механизму протекают процессы термического разложения соединений нефти? 8. Какие процессы приводят к получению низкокипящих изоалканов из нефти? 9. Какие процессы обеспечивают получение низших аренов из нефти и природного газа? 10. Назовите катализаторы каталитического крекинга и каталитического риформинга. В чем принципиальное различие процессов? 11. В чем сущность каталитической гидроочистки бензинов и дизельных топлив? 12. Назначение процесса висбрекинг. 5

1.1.4. ПРОЦЕССЫ ПИРОЛИЗА УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ ( 15 часов) [1], с. 44−47, 49−61, 66−70. Пиролиз. Назначение процесса, сырье для пиролизных установок. Научнотеоретические основы процесса. Основные способы пиролиза. Технология процессов пиролиза в трубчатых печах, в агрегатах с твердым теплоносителем, автотермический (окислительный), адиабатический с водяным паром. Разделение и очистка продуктов пиролиза. Использование пиролизной смолы. Вопросы для самопроверки 1. Перечислите реакции, протекающие при пиролизе углеводородного сырья. 2. Какие факторы влияют на выход продуктов пиролиза? 3. От чего зависит состав газов, образующихся при проведении термических процессов? 4. Как изменяется состав газов при повышении температуры пиролиза? 5. Перечислите основные способы пиролиза. 6. При пиролизе какого сырья образуется значительное количество пиролизной смолы? 1.1.5. ПРИРОДНЫЕ И ПОПУТНЫЕ ГАЗЫ В СЫРЬЕВОМ БАЛАНСЕ ОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА (25 часов) [1], с. 31−35, [9], с. 158−167. Классификация газов. Химический состав природных и попутных газов. Подготовка газов к переработке. Методы очистки и осушки газов. Параметры и технология процессов. Разделение газовых смесей методами низкотемпературной ректификации (ГФУ), технологическая схема и параметры процесса. Вопросы для самопроверки 1. Перечислите и опишите основные направления переработки природных и попутных газов. 2. В чем заключается подготовка газов к переработке? 3. В чем сущность метода разделения газов низкотемпературной ректификацией? Назовите технологические параметры проведения процесса. 4. Каковы основные блоки газофракционирующих установок?

6

1.1.6. ОЧИСТКА НЕФТЕПРОДУКТОВ. УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ОЧИСТКИ (23 часа) [1], с. 35−40, 93−95; [6], с. 35−40 [9], с. 560−582. Химические методы очистки нефтепродуктов. Очистка нефтяных фракций при помощи растворителей. Депарафинизация нефтяных продуктов. Адсорбционная очистка. Каталитическая очистка от сернистых соединений. Эксплуатация очистных установок. Утилизация отходов очистки. Кислые гудроны. Щелочные отходы. Отходы от очистки масел избирательным и растворителями и депарафинизации. Очистка сточных вод. Очистка газовых выбросов. Вопросы для самопроверки 1. Перечислите основные группы углеводородов и их производных, входящих в состав фракций нефти, из которых вырабатываются минеральные масла. 2. Назовите основные химические методы очистки нефтепродуктов. 3. На чем основан метод очистки нефтяных фракций при помощи растворителей? 4. Охарактеризуйте процесс депарафинизации нефтяных продуктов. 5. Укажите достоинства и недостатки карбамидной депарафинизации нефтепродуктов. 6. В чем заключается обработка осадков сточных вод и твердых отходов? 1.2. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНО- ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ ( 20 часов) 1. Структура и тенденции развития сырьевой базы промышленности органического синтеза. Производство углеводородного сырья для нефтехимии (2 часа). 2. Твердые горючие ископаемые. Процессы полукоксования и коксования каменных углей и горючих сланцев (2 часа). 3. Нефть. Технология первичной переработки нефти (2 часа). 4. Деструктивные методы переработки нефти. Термический и каталитический крекинг нефтепродуктов (2 часа). 5. Каталитический риформинг нефтепродуктов (2 часа). 6. Процессы пиролиза углеводородов (2 часа). 7. Природные и попутные газы в сырьевом балансе органического синтеза (2 часа). 8. Технология очистки нефтепродуктов (4 часа). 9. Утилизация отходов очистки (2 часа).

7

1.3. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ ( 8 часов) 1. Физико-химические свойства нефти и нефтепродуктов. Методы определения. Расчетные формулы. Решение задач (2 часа). 2. Деструктивные методы переработки нефти. Материальные балансы. Примеры составления материальных балансов (2 часа). 3. Переработка нефтяных газов. Мольные и массовые доли. Расчет абсорбции многокомпонентных углеводородных газов (2 часа). 4. Отходы нефтеперерабатывающих производств. Нормирование загрязнений окружающей среды (2 часа). 1.4. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ( 30 часов) 1. Анализ твердого топлива. Определение плотности, содержания воды, золы, летучих веществ (6 часов). 2. Анализ нефти и нефтепродуктов (6 часов). 3. Получение карбоновых кислот окислением нефтяного парафина (6 часов). 4. Каталитический крекинг (6 часов). 5. Получение алканов. Выделение алканов нормального строения методом экстрактивной кристаллизации с карбамидом (2 часа). 2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. − М.: Химия, 1988. −588 с. 2. Химия нефти и газа / А. И. Богомолов, А. А. Гайле, В. В. Громова и др.- СПб: Химия, 1995. −448 с. 3. Химическая технология твердых горючих ископаемых: Учебник для вузов/Под ред. Г. Н. Макарова и Г. Д. Харламповича. - М.: Химия. 1986. - 496 с. Дополнительный: 4. Гоголева Т. Я., Шустиков В. И. Химия и технология переработки каменноугольной смолы.- М.: Металлургия, 1992. −257 с. 5. Банов П. Г. Процессы переработки нефти, Т1. − М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2000. − 224 с. 6. Банов П. Г. Процессы переработки нефти, Т2.− М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2001. − 415 с. 7. Справочник по химии и технологии твердых горючих ископаемых / А. Н. Чистяков, Д. А. Розенталь, Н. Д. Русьянова и др. - СПб: «ИК Синтез», 1996. − 362 с. 8. Эмирджанов Р. Т., Лемберанский Р. А. Основы технологических 8

расчетов в нефтепереработке и нефтехимии: Учеб. пособие для вузов. −М.: Химия, 1989. −192 с. 9. Справочник нефтепереработчика: Справочник/Под ред. Г.А. Ластовкина, Е.Д. Радченко, М.Г. Рудина. - Л.: Химия, 1986. - 648 с. 10. Гайле А.А., Сомов В.Е., Варшавский В.М. Ароматические углеводороды: Выделение, применение, рынок: Справочник. -СПб: Химиздат, 2000. -544 с.

3. ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ Варианты контрольного задания выбираются в соответствии с последней цифрой шифра студента. Контрольная работа выполняется в тетради и представляется на кафедру для рецензирования в намеченные учебным графиком сроки. Текст ответов, уравнения химических реакций записываются полностью. Произвольные сокращения не допускаются. При ответе приводятся технологические схемы процессов с их описанием. После проверки преподавателем выполненной работы и исправления замечаний работа защищается. Вариант 1 1. Термический и каталитический крекинг. Дайте характеристику процессам. Объясните необходимость применения методов в переработке нефти. 2. Чем обусловлена необходимость обессеривания нефтяных фракций. Дайте характеристику процессу каталитической гидроочистки. 3. Газовая смесь состоит из следующих компонентов, % об.: Н2-0,6; СН4-15,9; С2Н4-19,8; С2Н6-14,9; С3Н6-22,4; С3Н8-4,7; С4Н8-16,9; С4Н6-2,6; С4Н10-2,2. Определить массовый состав и плотность смеси при 200 °С и давлении 0,5 МПа. Вариант 2 1. Перечислите основные виды жидких топлив и их главные физикохимические характеристики. 2. Перечислите и опишите основные направления переработки природных и попутных газов. 3. Определите среднюю молекулярную массу и плотность смеси газов при температуре 150 °С и давлении 0,3 МПа. Состав газовой смеси (мольные доли): метан- 0,950; этан-0,025; пропан-0,012; бутан-0,009; пентан-0,004.

9

Вариант 3 1. Какие процессы обеспечивают получение простейших ароматических соединений из нефти, природного газа? Дайте их характеристику. 2. Опишите основные режимы и продукты процессов газификации ископаемых углей. 3. При крекинге бутана объемом 3,36 л (нормальные условия) образуются этан и этилен. Рассчитайте массу бромной воды (массовая доля Br2 1,6%), которую могут обесцветить продукты крекинга. Вариант 4 1. В чем заключается диспропорционирование и трансалкилирование метилбензолов? Назначение процессов. Приведите технологическую схему установки. 2. Перечислите методы извлечения из газов нефтеперерабатывающих заводов оксида углерода. Укажите их достоинства и недостатки. 3. Вычислите элементный состав газового топлива, содержащего [% (об)]: СН4 94,20; С2Н6-2,58; С3Н8-1,02; СО2-2,16; Н2S-0,04. Вариант 5 1. Перечислите методы выделения и очистки аренов, получаемых при коксовании каменного угля. Дайте их сравнительную характеристику. 2. Назовите продукты первичной перегонки нефти. Чем определяется выбор технологической схемы и режима проведения процесса ? Приведите принципиальную технологическую схему. 3. Чему равна плотность по воздуху смеси газов, образовавшихся при крекинге октана, если принять, что крекинг происходит количественно? Вариант 6 1. Назовите источники и методы получения циклоалканов. Приведите и опишите технологическую схему одного из методов получения циклогексана. 2. Охарактеризуйте состав газов, получаемых в результате различных процессов деструктивной переработки нефтяного сырья. Назовите основные направления их использования. 3. Смесь пропана, метана и оксида углерода (IV) занимает объем 6,165 м3. После сжигания смеси в избытке кислорода получается 11,565 м3 оксида углерода (IV). Определите содержание пропана в смеси (%, об.), если объемы газов измерены при одинаковых условиях. 10

Вариант 7 1. Назовите методы выделения аренов из продуктов каталитического риформинга. Чем определяется выбор метода? Приведите поточную схему производства аренов. 2. Объясните необходимость очистки газов от сернистых соединений. На чем основан процесс очистки газов этаноламином? 3. Какая масса оксида марганца (IV) потребуется для получения хлора, необходимого для превращения 10 л бензола (плотность 0,8 г/мл) в гексахлорциклогексан? Вариант 8 1. В каких случаях необходима осушка газов? Методы удаления влаги. Приведите принципиальную схему осушки газа твердыми адсорбентами. 2. По какому механизму развиваются реакции каталитического и термического крекинга? Бензины каталитического или термического крекинга являются более высокооктановыми и почему? 3. Смесь бензола, циклогексена и циклогексана при обработке бромной водой присоединяет 16 г брома; при каталитическом дегидрировании исходной смеси образуется 39 г бензола и водород, объем которого в два раз меньше объема водорода, необходимого для полного гидрирования исходной смеси углеводородов. Определите состав исходной смеси (%,об). Вариант 9 1. Назовите и охарактеризуйте методы получения бензинов с повышенным октановым числом. 2. Перечислите методы получения ацетилена, укажите их достоинства и недостатки. Приведите технологическую схему получения ацетилена термоокислительным крекингом природного газа. 3. На нейтрализацию 26,6 кг смеси уксусной кислоты, ацетальдегида и этанола израсходовано 44, 8 кг 25% раствора гидроксида калия. При взаимодействии такого же количества смеси с избытком натрия выделилось 3,36 м3 газа (н. у.). Вычислите массовые доли веществ в исходной смеси. Вариант 10 1. Приведите технологическую схему процесса платформинга. Почему процессы платформинга обычно проводят при повышенном давлении водорода? Как это сказывается на равновесии основных реакций? 2. Перечислите методы по обработке и утилизации осадков сточных вод и твердых отходов нефтеперерабатывающих заводов. Приведите технологическую схему установки предлагаемого вами метода. 11

3. Определите массу карбида кальция, содержащего 79% основного вещества, необходимого для получения 5 500 м3 ацетилена. Степень конверсии карбида 97%. Газ выходит из генератора при температуре 50°С и давлении 0,15 МПа.

12

Содержание Предисловие.................................................................................... ...3 1. Содержание дисциплины...................................................... .........3 1.1. Рабочая программа ......................................................................3 1.1.1. Введение.....................................................................................3 1.1.2. Процессы переработки твердых горючих ископаемых..... ..4. 1.1.3. Процессы переработки нефти..................................................5 1.1.4. Процессы пиролиза углеводородного сырья.........................5 1.1.5. Природные и попутные газы в сырьевом балансе органического синтеза..............................................................6 1.1.6. Очистка нефтепродуктов. Утилизация отходов очистки......6 1.2. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения............................................................................7 1.3. Темы практических занятий........................................................7 1.4. Перечень лабораторных работ....................................................7 2. Библиографический список 8 3. Задания на контрольную работу....................................................9

Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 2003 г. Подписано в печать

. Формат 60х84 1/16.

Б. кн.-журн. П. л. 2.0 Тираж

. Б.л. 4.0 . РТП РИО СЗПУ экз. Заказ

.

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5

13