Материальны баланс. Материальный расчет получения стирола их этилбензола

• Название: Материальный расчет получения стирола их этилбензола
• Дата: 11.04.2023
• Размер: 45.62 Kb.
• Имя файла: Материальны баланс.docx
• Тип: Документы; #1054633

^{Материальный} расчет получения стирола их этилбензола
Исходные данные:

1) годовая производительность установки по стиролу-ректификату – 150000 т;

2) годовой фонд рабочего времени – 8000 ч;

3) массовая доля стирола в стироле-ректификате 99,75%;

4) состав свежего этилбензола (ω_i, %): этилбензол – 99,965, бензол – 0,035;

5) состав возвратного (циркуляционного) этилбензола (ω_i, %): этилбензол – 94; стирол – 2,70; толуол – 3,30;

6) потери на стадии ректификации, %: стирола 1,5; этилбензола 0,1;

7) суммарная степень конверсии этилбензола 0,6;

8) селективность по бензолу 0,9;

9) массовое отношение этилбензола в стирол на первой ступени дегидрирования (уточняется при тепловом расчете) 0.31.

Последовательность расчета:

a) определить расход этилбензола на процесс, состав свежего и возвратного (циркуляционного) этилбензола;

б) рассчитать расход водяного пара в испаритель и в узел смешения;

в) определить изменение состава парогазовой смеси на первой и второй ступенях катализа, состав газа после первой ступени и на выходе их реактора дегидрирования.

Часовая производительность установки:

по стиролу ректификату:



по 100%-му стиролу:



С учетом потерь на стадии ректификации в реакторе дегидрирования необходимо получить стирола:



С целью упрощения расчета принимают, что в процессе дегидрирования этилбензола протекают следующие реакции:

С₆Н₅СН₂СН₃ = С₆Н₅СНСН₂ + Н₂ (1),

С₆Н₅СНСН₂ + Н₂ = С₆Н₅СН₃ + СН₄ (2),

С₆Н₅СН₂СН₃ = С₆Н₆ + С₂Н₄ (3),

2С₆Н₅СН₂СН₃ = С₆Н₅СНСНС₆Н₅ + 2СН₄ (4).

По основной реакции расходуется этилбензола:

182,6 кмоль/ч или кг/ч.

По всем реакциям расходуется этилбензола:



Необходимо подать этилбензола с учетом его степени конверсии:



С учетом потерь на стадии ректификации в реактор дегидрирования подают этилбензола:



Потери этилбензола на стадии ректификации:



Остается непревращенного этилбензола в контактном газе:



В реактор дегидрирования поступает:

свежего этилбензола:



возвратного этилбензола:



Рассчитываем состав свежего этилбензола (поток 1):

Таблица 1 - Компонентный состав свежего этилбензола

компонент	ωi, %	mi, кг/ч	ni, кмоль/ч	xi, %
Этилбензол	99,965	21542,38	203,230	99,953
Бензол	0,035	7,542	0,097	0,047
Сумма	100	21549,922	203,327	100

Рассчитываем состав возвратного этилбензола (поток 2):

Таблица 2 - Компонентный состав возвратного этилбензола

компонент	ωi, %	mi, кг/ч	ni, кмоль/ч	xi, %
Этилбензол	94	14337,56	135,26	93,48
стирол	2,70	411,82	3,96	2,74
толуол	3,3	503,34	5,47	3,78
сумма	100	15252,72	144,69	100

Для снижения температуры кипения в жидкую этилбензольную фракцию в испарителе добавляют водяной пар. Массовую долю водяного пара в образующейся парогазовой смеси находят по формуле:



где - парциальные давления паров воды и этилбензолной фракции при температуре кипения; - молярные массы воды и этилбензольной фракции.

Так как этилбензольная фракция состоит в основном из этилбензола, молярную массу фракции принимают равной молярной массе этилбензола.

Парциальное давление паров воды при температуре кипения 155 °С составляет 0,5579 МПа парциальное давление этилбензольной фракции при общем давлении в испарителе 1,20 МПа:





Общее количество подаваемого в реактор этилбензола:



Расход водяного пара в испаритель (поток 3):



Рассчитывают по суммарному содержанию компонентов в потоках состав парогазовой смеси после испарителя (поток 4):

Таблица 3 - Состав парогазовой смеси после испарителя

компонент	ωi, %	mi, кг/ч	ni, кмоль/ч	xi, %
Этилбензол	84,96	35879,94	338,49	52,09
стирол	0,98	411,82	3,96	0,61
толуол	1,19	503,34	5,47	0,84
Бензол	0,02	7,542	0,10	0,01
Вода	12,86	5431,28	301,74	46,44
Сумма	100	42233,93	649,76	100

В сырьевой поток на входе в реактор дегидрирования вводят водяной пар для снижения парциального давления этилбензола, повышения его степени конверсии и подавления побочных реакций. Расход водяного пара определяют из уравнения теплового баланса узла смешения:



где  и  - массовый расход газовой смеси и поступающего водяного пара, кг/ч; и - энтальпия газовой смеси и водяного пара до смешения, кДж/кг; и -энтальпия газовой смеси и водяного пара после смешения, кДж/кг.

Принимают следующие значения температуры, °С: парогазовой смеси после перегревателя -550; водяного пара, поступающего из промежуточного теплообменника - 655; парогазовой смеси на входе в реактор - 610.

Расчет средней энтальпии парогазовой смеси представлен в таблице 4.

Таблица 4 - Расчет средней энтальпии парогазовой смеси

		Т=550+273=823К		Т=610+273=883К
компонент	ωi, %	hi', кДж/кг	(ωi*hi')/100, кДж/кг	hi", кДж/кг	(ωi*hi")/100, кДж/кг
Этилбензол	84,96	1294,2	1099,49	1458	1238,65
стирол	0,98	1223,2	11,93	1375,8	13,42
толуол	1,19	1224,3	14,59	1381,2	16,46
Бензол	0,02	1211,7	0,22	1363,3	0,24
Вода	12,86	3594,6	462,27	3725,8	479,14
Сумма	100,00		1588,49		1747,91

Предварительно определяют парциальное давление паров воды в парогазовой смеси:



где 0,45 - давление парогазовой смеси, МПа; 0,4644 - молярная доля паров воды в смеси.

Энтальпия водяного пара (р=0,9 МПа): до смешения (Т=655 °С):

h_п' = 3821,0 КДж/кг; после смешения (Т=610°С): h_п" = З720,4 кДж/кг.

Определяют расход водяного пара в узел смешения (поток 5):





Количество водяного пара на входе в реактор дегидрирования:



Массовое отношение водяной пар : этилбензол:



что соответствует оптимальному технологическому режиму.

Суммируя содержание компонентов в потоках 4 и 5, определяем состав парогазовой смеси на входе в реактор дегидрирования (поток 6):

Таблица 5 - Состав парогазовой смеси на входе в реактор дегидрирования

компонент	ωi, %	mi, кг/ч	ni, кмоль/ч	xi, %
Этилбензол	32,87	35879,94	338,49	7,749
стирол	0,38	411,82	3,96	0,091
толуол	0,46	503,34	5,47	0,125
Бензол	0,01	7,542	0,10	0,002
Вода	66,29	72359,03	4019,95	92,033
Сумма	100,00	109161,68	4367,96	100,000

Для упрощения расчета принимают, что на первой ступени протекает только основная (целевая) реакция конверсии этилбензола, при этом расходуется этилбензола:



где 0,31 -степень конверсии этилбензола в стирол на первой ступени дегидрирования.

Образуется:

стирола:

водорода:

В парогазовой смеси после первой ступени содержится:

стирола:



непрореагировавшего этилбензола:



Рассчитывают состав парогазовой смеси после первой ступени катализа:

Таблица 2.6. Состав парогазовой смеси после первой ступени катализа

компонент	ωi, %	mi, кг/ч	ni, кмоль/ч	xi, %
Этилбензол	22,68	24757,36	233,56	5,222
стирол	10,37	11324,56	108,89	2,434
толуол	0,46	503,34	5,47	0,122
Бензол	0,01	7,54	0,10	0,002
Вода	66,29	72359,03	4019,95	89,873
Водород	0,19	209,86	104,93	2,346
Сумма	100,00	109161,69	4472,89	100,000

Массовая доля стирола в контактном газе (в расчете на органические соединения):



что соответствует нормам оптимального технологического режима (30-32%).

На второй ступени дегидрирования по основной реакции реагирует этилбензола:



Образуется:

стирола: кмоль/ч или 8077,68 кг/ч;

водорода: кмоль/ч или 155,34 кг/ч.

Количество стирола на выходе из реактора дегидрирования:



Расход этилбензола по реакциям 1-4 составляет 202,89 кмоль/ч, следовательно, по реакциям 2-4 расходуется этилбензола:



По реакции 2 реагирует 60% этилбензола, что составляет:



расходуется водорода: кмоль/ч или 24,348 кг/ч;

Образуется:

толуола: кмоль/ч или 1120,008 кг/ч;

метана: кмоль/ч или 194,784 кг/ч.

Всего содержится толуола в контактном газе:



По реакции 3 реагирует 37% этилбензола, что составляет:



Образуется:

бензола: кмоль/ч или 585,546 кг/ч;

этилена: кмоль/ч или 210,196 кг/ч.

Всего содержится бензола в контактном газе:



По реакции 4 реагирует 3% этилбензола, что составляет:



Образуется:

дибензилидена: / 2 = 0,3045 кмоль/ч или 40,803 кг/ч;

метана: кмоль/ч или 9,744 кг/ч.

Образовавшийся при дегидрировании этилен разлагается по реакции:

С₂Н₄ = СН₄ + С (5).

При степени разложения этилена 0,95 его расход составит:



Остается этилена в контактном газе:



Образуется:

метана: кмоль/ч или 114,112 кг/ч;

углерода: кмоль/ч или 85,584 кг/ч.

Образовавшийся углерод конвертируют водяным паром по реакции:

С + Н₂О = СО + Н₂ (6).

Расходуется водяного пара: кмоль/ч или 128,376 кг/ч;

Образуется:

оксида углерода: кмоль/ч или 199,696 кг/ч;

водорода: кмоль/ч или 14,264 кг/ч.

Всего образуется метана по реакциям 2, 4, 5:



Метан конвертируют водяным паром по реакции:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ (7).

При степени конверсии метана 0,8 расходуется:

метана:

водяного пара: кмоль/ч или 286,776 кг/ч;

Образуется:

оксида углерода: кмоль/ч или 446,096 кг/ч;

водорода: 3 = 47,796 кмоль/ч или 95,592 кг/ч.

Остается метана в контактном газе:



Всего образуется оксида углерода по реакциям 6 и 7:



Оксид углерода конвертируют водяным паром по реакции:

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂ (8).

При степени конверсии оксида углерода 0,99 расходуется:

оксида углерода:

водяного пара: кмоль/ч или 410,994 кг/ч;

Образуется:

диоксида углерода: кмоль/ч или 1004,652 кг/ч;

водорода: кмоль/ч или 45,666 кг/ч.

Остается оксида углерода в контактном газе:



Общий расход водяного пара по реакциям 6-8:



Остается водяного пара в контактном газе:



Образуется водорода по реакциям 1, 6-8:



Расходуется водорода по реакции 2: кмоль/ч или 24,348 кг/ч.

Остается водорода в контактном газе:



Рассчитывают состав контактного газа на выходе из реактора дегидрирования (поток 7):

Таблица 7 - Состав контактного газа на выходе из реактора дегидрирования

компонент	ωi, %	mi, кг/ч	ni, кмоль/ч	xi, %
Этилбензол	13,170	14373,600	135,600	2,950
Стирол	17,777	19402,240	186,560	4,058
Толуол	1,487	1623,248	17,644	0,384
Бензол	0,537	586,326	7,517	0,164
Этилен	0,010	10,500	0,375	0,008
Метан	0,058	63,728	3,983	0,087
Диоксид углерода	0,921	1004,652	22,833	0,497
Оксид углерода	0,006	6,468	0,231	0,005
Вода	65,542	71532,954	3974,053	86,443
Водород	0,455	496,374	248,187	5,399
Дибензилиден	0,037	40,803	0,305	0,007
Сумма	100,000	109140,893	4597,288	100,000

Материальный баланс сводим в таблицу 8.

Таблица 8 - Материальный баланс реактора дегидрирования

Приход	кмоль/ч	кг/ч	Расход	кмоль/ч	кг/ч
Свежий этилбензол, в т.ч.:	21549,92	203,33	Продуктовая смесь:	109161,68	4597,29
Этилбензол	21542,38	203,23	Этилбензол	14373,60	135,60
Бензол	7,54	0,10	Стирол	19402,24	186,56
			Толуол	1623,25	17,64
Возвратный этилбензол:	15252,72	144,69	Бензол	586,33	7,52
Этилбензол	14337,56	135,26	Этилен	10,50	0,38
Стирол	411,82	3,96	Метан	63,73	3,98
Толуол	503,34	5,47	Диоксид углерода	1004,65	22,83
			Оксид углерода	6,47	0,23
Водяной пар	72359,03	4019,95	Вода	71553,74	3974,05
			Водород	496,37	248,19
			Дибензилиден	40,80	0,30
Всего	109161,68	4367,97	Всего	109161,68	4597,29