Каталитическое дегидрирование этилбензола в стирол

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Тепловой баланс реактора дегидрирования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рисунке 5.1 представлена принципиальная схема потоков контактного аппарата.

1 – камера смешения; 2 – реакционная зона;

gm – количество ЭБ шихты подаваемой в камеру смешения, кг/ч;

gвпП – количество водяного пара, подаваемого в камеру смешения из пароперегревательной печи, кг/ч;

gвп.ш. - количество водяного пара, подаваемого с ЭБ шихтой, кг/ч;

gкг – количество контактного газа на выходе из реактора, кг/ч;

Тш – температура шихты на входе в камеру смешения, К;

Твп – температура водяного пара после перегревательной печи, К;

Твх – температура на входе в реакционную зону, К;

Твых – температура на выходе из реакционной зоны, К;

 

2.1. Количество контактных аппаратов

N=Gст пр/(gст*τ)= 10502,3/(1000*0,95)=11,0

Примем количество контактных аппаратов равным 11.

2.2. Материальный баланс одного  контактного аппарата.

Таблица 11. Материальный баланс одного контактного аппарата

Компоненты	Количество, кг/ч
	Всего	На 1 аппарат
Приход:
Этилбензольная шихта	26950,7	2450,1
Водяной пар с шихтой*	13475,3	1225,0
Водяной пар в узел смешения	59291,4	5390,1
Итого:	99717,4	9065,2
Расход:
Контактный газ	99611,4	9055,2
Кокс на катализаторе	106,0	9,6
Итого:	99717,4	9065,2

 

*С этилбензольной шихтой  подается водяной пар в количестве 50% масс. от количества шихты.

 

 

 

 

 

2.3. Определение  температуры водяного пара, поступающего  в камеру смешения реактора  из пароперегревательной печи.

Определяется из теплового баланса камеры смешения:

Qш + Qвп. ш + Qвп. ПП = Qш’ + Qвп’

2.3.1. Приход  тепла, Вт:

2.3.1.1. С  этилбензольной шихтой

Qш = 0,278 * gш * ΔHш (при Тш)

 Значения теплосодержаний  при различных температурах.

Таблица 12. Значения теплосодержаний при различных температурах

Энтальпия	Бензол	Толуол	Этилбензол	Стирол	O2	N2	В.п.
ΔН500, ккал/моль	5,36	6,71	8,17	7,68	1,45	1,41	1,66
ΔН600, ккал/моль	8,89	11,13	13,47	12,59	2,21	2,13	2,52
ΔН700, ккал/моль	12,87	16,12	19,42	18,07	2,99	2,85	3,40
ΔН793, ккал/моль	16,92	21,19	25,44	23,58	3,73	3,54	4,31
ΔН800, ккал/моль	17,22	21,57	25,89	24,00	3,79	3,59	4,31
ΔН900, ккал/моль	21,86	27,41	32,82	30,32	4,60	4,36	5,25
ΔН908, ккал/моль	22,25	27,91	33,40	30,85	4,67	4,42	5,66
ΔН1000, ккал/моль	26,77	33,60	40,13	36,97	5,43	5,13	6,22

 

Расчет энтальпии компонентов этилбензольной шихты ведем по формуле: ΔНiT= ΔНT*4,187*1000/Mi  

Здесь в и дальнейшем 4,187 - коэффициент перевода кал. в Дж.

ΔН793Б= 16,92*4187/78=908,02 кДж/кг;   ΔН908Б= 22,25*4187/78=1194,52 кДж/кг 

ΔН793Т=21,19*4187/92=964,31 кДж/кг;     ΔН908Т=27,91*4187/92=1269,99 кДж/кг

ΔН793ЭБ=25,44*4187/106=1004,7кДж/кг;ΔН908ЭБ=33,40*4187/106=1319,49 кДж/кг

ΔН793Ст=23,58*4187/104=949,52кДж/кг; ΔН908Ст=30,85*4187/104=1242,09 кДж/кг

ΔН793О2=3,73*4187/32=488,57 кДж/кг; ΔН908О2=4,67*4187/32=610,57 кДж/кг

ΔН793N2=3,54*4187/28=529,09 кДж/кг;  ΔН908N2=4,42*4187/28=661,19 кДж/кг

Таблица 13. Значения теплосодержаний при 793К и 908К

№	Компоненты	% масс	ΔН793, КДж/кг	ΔН908, КДж/кг
1	Бензол	0,29	908,02	1194,52
2	Толуол	0,94	964,31	1269,99
3	Этилбензол	97,76	1004,77	1319,49
4	Стирол	0,61	949,52	1242,09
5	Раствор O2	0,09	488,57	610,57
6	Раствор N2	0,31	529,09	661,19
7	Итого	100	1001,73	1315,51

 

Н793ш=(908,02*0,29+964,31*0,94+1004,77*97,76+949,52*0,61+488,57*0,09+529,09*0,31)/100% = 1001,83 кДж/кг.

Н908ш=(1194,52*0,29+1269,99*0,94+1319,49*97,76+1242,09*0,61+  +610,57*0,09+661,19*0,31)/100%=1315,51 кДж/кг.

QШ=0,278*gш*iTшш=0,278*2450,1*1001,83 = 682374,3 Вт

 

 

 

 

2.3.1.2. С  водяным паром, поступающим в  камеру смешения с этилбензольной шихтой

Qвпш = 0,278 * gвпш *ΔHвп788= 0,278* 1225*987,74=336374,8  Вт

2.3.1.3. С водяным паром, поступающим в камеру смешения из пароперегревательной печи

QвпП = 0,278 * gвпП * ΔHвп Твп .

2.3.2. Расход тепла, Вт: с этилбензольной шихтой

Qш’ = 0,278 * gш * ΔHш908 = 0,278*2450,1*1315,51=896030,4 Вт

2.3.2.2. С водяным паром

Qвп’ = 0,278 * (gвпш + gвпп) * ΔHвп908=0,278*(1225+5390,1)*1239,26=                        .                =2 278 996,41 Вт

Из условия теплового баланса:

Qвпп = Qвп’ + Qш’ - Qвпш - Qш

ΔHвпТвп = (Qвп’ + Qш’ - Qвпш - Qш) / (0,278 * gвпп) =

= (2 278 996,41 + 896030,4 - 336374,8 -682374,3) / (0,278*5390,1) =1439 Дж/ч.

Следовательно, Твп 996= К или 723°С.

 

2.4. Определение  температуры контактного газа  на выходе из реакционной зоны

Определяется из теплового баланса реакционной зоны:

Qпр = Qр + Qп + Qк.г.

2.4.1 Приход тепла, Вт

Qпр = 0,278* [gш * ΔHш908+ (gвпш + gвпп) * ΔHвп908] = =0,278*[2450,1*1315,51 +(1225+5390,1)*1239,26]= 3175026,8 Вт.

2.4.2 Расход  тепла, Вт

2.4.2.1 Теплота  реакции дегидрирования

Qр = 0,278 * gэбр * qр

gэбр - количество разлагающегося ЭБ в реакторе

gэбр = Gэбр/N =11773,8/11=1070,34 кг/ч.

qр - тепловой эффект реакции

qр= 1198,88 Дж/кг

Qр = 0,278 *1198,88 *1070,34 = 356732,16 Вт.

2.4.2.2. Потери тепла в окружающую среду

Qп берем 0,5% от общего прихода тепла

Qп = 3175026,8 * 0,5/100 = 15875,13 Вт

2.4.2.3. С контактным газом

Qкг = 0,278 * gкг * ΔHкгТвых;

ΔHкг Твых = (Qпр - Qр - Qп) / (0,278* gкг) =

= (3175026,8 - 356732,16 – 15875,13) / (0,278*9055,6) = 1113,2 КДж/кг.

Qкг=0,278*9055,6*1113,2= 2 802 432,91 Вт

Для определения температуры контактного газа на выходе из реакционной зоны контактного аппарата необходимо рассчитать по известному составу контактного газа и энтальпии индивидуальных веществ по справочной литературе, энтальпию контактного газа при 700К, 800К, и 900К:

ΔHкг(T) = ΣΔНi(T) * xi / 100 и т.д.

 

 Таблица 14. Расчет энтальпий компонентов контактного газа

Компоненты	xi , %масс	ΔH700*x/100	ΔH800*x/100	ΔH900*x/100
Водород	0,32	18,79	23,47	28,21
Метан	0,04	0,45	0,59	0,75
Этилен	0,02	0,19	0,25	0,32
Бензол	0,21	1,48	1,98	2,51
Толуол	0,46	3,40	4,55	5,78
Этилбензол	14,70	112,79	150,37	190,62
Стирол	10,6	77,08	102,38	129,34
CO2	0,62	2,52	3,23	3,97
CO	0,02	0,08	0,11	0,13
Водяной пар	72,89	576,50	730,80	890,19
Растворенный N2	0,08	0,36	0,45	0,55
Растворенный O2	0,02	0,09	0,12	0,14
Итого:	100,00	793,73	1018,29	1252,51

 

 Строится график зависимости  энтальпии контактного газа от  температуры.

 

Из графика определяется Твых. Она равна 845 К. Перепад температур Т=Твх-Твых=908-845=63, допустимый перепад не больше 50К.

Вывод. Перепад температур на входе и на выходе из реактора выходит за рамки допустимого. Необходимо увеличить температуру водяного пара из перегревателя, что бы увеличить температуру реакционной массы на выходе.

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1. Белов П.С., Крылов И.Ф., Тонконогов Б.П. Методические указания по оформлению графической части курсовых и дипломных проектов МИНГ им. И.М. Губкина Каф. нефтехимического синтеза. М., 1987. - 63 с.
2. Вукалович М.П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. – 7-е изд., перераб. и доп. –М.-Л.: Энергия, 1965. – 400с.
3. ГОСТ 12.1.005-88
4. Казанская А.С., Скобло В.А. Расчёты химических равновесий. – М.: Высшая школа,1974. – 288 с.
5. Мейерс Р.А. (ред) Основные процессы нефтепереработки. Справочник: пер. с англ. 3-го изд. – СПб.: ЦОП «Профессия», 2011. – 944с.
6. Никонов В.И., Заворотный В.А., Тонконогов Б.П. Методические указания по выполнению курсовых работ по курсу "Технология нефтехимического синтеза" под ред. Белова П.С. МИНГ им. И.М. Губкина Каф. нефтехимического синтеза Ч. 1. М., 1988. - 54 с., 2,4 п. л.
7. Паушкин Я.М. , Адельсон С.В., Вишнякова Т.П. Технология нефтехимического синтеза: учебник В 2 ч.
8. Платэ Н.А., Сливинский Е.В.. Основы химии и технологии мономеров: Учеб. Пособие – М.: Наука: МАИК “Наука/Интерпериодика”, 2002.  – 696с.: ил.
9. Технология основного органического синтеза. Совмещенные процессы: учеб. пособие для вузов Серафимов Л.А., Тимофеев В.С., Писаренко Ю.А., Солохин А.В.. М.: Химия, 1993. - 411 с.