Материальный баланс производства

Исходные данные: годовая производительность по стиролу-ректификату 340 000 т; годовой фонд рабочего времени 7920 ч; массовая доля стирола в стироле-ректификате 99,85%; состав свежего этилбензола: этилбензол-99,965%, бензол-0,035%;состав возвратного этилбензола: этилбензол-93,94%, стирол-2,76%, толуол-3,30%; потери на стадии ректификации стирола-1,25%, этилбензола-0,08%; суммарная степень конверсии этилбензола 0,56; селективность по стиролу 0,89; массовое отношение водяной пар: этилбензол (уточняется при расчете) 2,0; степень конверсии этилбензола в стирол на первой ступени дегидрирования (уточняется при тепловом расчете) 0,31.

Часовая производительность установки:

по стиролу ректификату:

340 000*1000/7920=42 929,29 кг/ч;

по 100%-му стиролу:

42 929,29*0,9985=42 864,90 кг/ч.

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

42 864,90*100/(100−1,25)= 43 407,49 кг/ч или 417,38 кмоль/ч.

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

С₆Н₅СН₂СН₃-С₆Н₅СНСН₂+Н₂,.

С₆Н₅СНСН₂+Н₂— С₆Н₅СН₃+ СН₄,.

С₆Н₅СН₂СН₃— С₆Н₆+ С₂Н₄,.

2С₆Н₅СН₂СН₃— С₆Н₅СНСНС₆Н₅+ 2СН₄.

По основной реакции расходуется этилбензола:

417,38 кмоль/ч или 44 242,25 кг/ч.

По всем реакциям расходуется этилбензола:

417,38/0,89=468,97 кмоль/ч или 49 710,40 кг/ч.

Необходимо подать этилбензола с учетом его степени конверсии:

468,97/0,56=837,44 кмоль/ч или 88 768,56 кг/ч.

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

837,44*100/(100−0,08)= 838,11 кмоль/ч или 88 839,64 кг/ч.

Потери этилбензола на стадии ректификации:

838,11−837,44=0,67 кмоль/ч или 71,07 кг/ч.

Остается непревращенного этилбензола в контактном газе:

838,11−468,97=369,14 кмоль/ч или 39 129,24 кг/ч.

В реактор дегидрирования поступает:

свежего этилбензола:

468,97+0,67=469,64 кмоль/ч или 49 781,47 кг/ч;

возвратного этилбензола:

369,14−0,67=368,47 кмоль/ч или 39 058,17 кг/ч.

Рассчитываем состав свежего этилбензола (поток 1) (табл.2.1.):

Таблица 2.1. Компонентный состав свежего этилбензола.

Рассчитываем состав возвратного этилбензола (поток 2) (табл.2.2):

Таблица 2.2. Компонентный состав возвратного этилбензола.

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 ипарциальные давления паров воды и этилбензолной фракции при температуре кипения; имолярные 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 °C составляет 0,5579 МПа парциальное давление этилбензольной фракции при общем давлении в испарителе 1,20 МПа равно 1,2−0,5579=0,6421.

=(0,5579*18/(0,5579*18+0,5421*106))*100=12,86%.

Общее количество подаваемого в реактор этилбензола:

49 798,90+41 577,78=91 376,68 кг/ч.

Расход водяного пара в испаритель (поток 3):

91 376,68*12,86/(100−12,86)= 13 482,04 кг/ч.

Рассчитывают по суммарному содержанию компонентов в потоках состав парогазовой смеси после испарителя (поток 4) (табл.2.3.):

Таблица 2.3. Состав парогазовой смеси после испарителя.

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 m_г и m_п -массовый расход газовой смеси и поступающего водяного пара, кг/ч; h_г' и h_п' -энтальпия газовой смеси и водяного пара до смешения, кДж/кг; h_г'' и h_п" -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.

Рассчитывают среднюю энтальпию парогазовой смеси (табл. 2.4.).

Таблица 2.4. Расчет средней энтальпии парогазовой смеси.

Предварительно определяют парциальное давление паров воды в парогазовой смеси:

=0,45*0,4643=0,2 МПа, где 0,45 -давление парогазовой смеси, МПа; 0,4643 -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 водяногопарав узел смешения (поток 5):

m_п*(3821,0−3720,4) = 104 858,7*(1747,4−1588,0),.

m_п= 166 127,26 кг/ч.

Количество водяного пара на входе в реактор дегидрирования:

166 127,26 + 13 482,04=179 609,31 кг/ч.

Массовое отношение водяной пар: этилбензол:

179 609,31 /88 839,64=2,02,.

что соответствует оптимальному технологическому режиму.

Суммируя содержание компонентов в потоках 4 и 5, определяем состав парогазовой смеси на входе в реактор дегидрирования (поток 6) (табл.2.5.):

Таблица 2.5. Состав парогазовой смеси на входе в реактор дегидрирования.

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

838,11*0,31=259,81 кмоль/ч или 259,81*106=27 540,29 кг/ч, где 0,31 -степень конверсии этилбензола в стирол на первой ступени дегидрирования.

Образуется:

стирола: 259,81 кмоль/ч или 27 020,66 кг/ч;

водорода: 259,81 кмоль/ч или 519,63 кг/ч.

В парогазовой смеси после первой ступени содержится:

стирола:

11,03+259,81 =270,85 кмоль/ч или 28 168,21 кг/ч;

непрореагировавшего этилбензола:

838,11−259,81 =578,30 кмоль/ч или 61 299,35 кг/ч.

Рассчитывают состав парогазовой смеси после первой ступени катализа:

Таблица 2.6. Состав парогазовой смеси после первой ступени катализа.

Массовая доля стирола в контактном газе (в расчете на органические соединения): стирол этилбензол дегидрирование.

28 168,21*100/(61 299,35+28 168,21+1372,07 +17,43)=31%,.

что соответствует нормамоптимального технологическогорежима (30−32%).

На второй ступени дегидрирования по основной реакции реагирует этилбензола:

417,38−259,81=157,57 кмоль/ч или 16 701,97 кг/ч;

образуется:

стирола: 157,57 кмоль/ч или 16 386,83 кг/ч;

водорода: 157,57 кмоль/ч или 315,13 кг/ч.

Количество стирола на выходе из реактора дегидрирования:

157,57 + 270,85 =428,41 кмоль/ч или 44 555,04 кг/ч.

Расход этилбензола по реакциям 1−4 составляет 468,97 кмоль/ч, следовательно, по реакциям 2−4 расходуется этилбензола:

468,97−417,38=51,59 кмоль/ч или 5468,14 кг/ч.

По реакции 2 реагирует 60% этилбензола, что составляет:

51,59*0,6=30,95 кмоль/ч или 3280,89 кг/ч;

расходуется водорода: 30,95 кмоль/ч или 61,90 кг/ч;

образуется:

толуола: 30,95 кмоль/ч или 2847,56 кг/ч;

метана: 30,95 кмоль/ч или 495,23 кг/ч.

Всего содержится толуола в контактном газе:

30,95 + 14,91= 45,87 кмоль/ч или 4219,63 кг/ч.

По реакции 3 реагирует 37% этилбензола, что составляет:

51,59*0,37 = 19,09 кмоль/ч или 2023,21 кг/ч;

образуется:

бензола: 19,09 кмоль/ч илн 1488,78 кг/ч;

этилена: 19,09 кмоль/ч или 534,43 кг/ч.

Всего содержится бензола в контактном газе:

• 19,09 +
• 0,22 = 19,31 кмоль/ч или 1506,21 кг/ч.

По реакции 4 реагирует 3% этилбензола, что составляет:

51,59*0,03= 1,55 кмоль/ч или 164,04 кг/ч.

Образуется:

дибензилидена: 1,55 /2=0,77 кмоль/ч или 139,28 кг/ч;

метана: 1,55 кмоль/ч или 24,76 кг/ч.

Образовавшийся при дегидрировании этилен разлагается по реакции:

С₂Н₄>СН₄+С.

При степени разложения этилена 0,95 его расход составит:

19,09*0,95= 18,13 кмоль/ч или 507,71 кг/ч.

Остается этилена в контактном газе:

19,09−18,13 =0,95 кмоль/ч или 26,72 кг/ч;

образуется:

метана: 18,13 кмоль/ч или 290,12 кг/ч;

углерода: 18,13 кмоль/ч или 217,59 кг/ч.

Образовавшийся углерод конвертируютводяным паромпо реакции:

С+Н₂О>СО+Н₂.

Расходуется водяного пара: 18,13 кмоль/ч или 326,39 кг/ч;

образуется:

оксида углерода: 18,13 кмоль/ч или 507,71 кг/ч;

водорода: 18,13 кмоль/ч или 36,27 кг/ч.

Всего образуется метана по реакциям 2, 4, 5:

30,95+1,55+18,13=50,63 кмоль/ч или 810,11 кг/ч.

Метан конвертируют водяным паром по реакции:

СН₄+Н₂О>СО+3Н₂.

При степени конверсии метана 0,8 расходуется:

метана: 50,63*0,8= 40,51 кмоль/ч или 648,09 кг/ч;

водяного пара: 40,51 кмоль/ч или 729,10 кг/ч;

образуется:

оксида углерода: 40,51 кмоль/ч или 1134,15 кг/ч;

водорода: 3*40,51 = 121,52 кмоль/ч или 243,03 кг/ч.

Остается метана в контактном газе:

50,63−40,51 =10,13 кмоль/ч или 162,02 кг/ч.

Всего образуется оксида углерода по реакциям 6 и 7:

18,13 + 40,51 = 58,64 кмоль/ч или 1641,87 кг/ч.

Оксид углерода конвертируют водяным паром по реакции:

СО+Н₂О>СО₂ +Н₂.

При степени конверсии оксида углерода 0,99 расходуется:

оксида углерода: 58,64*0,99=58,05 кмоль/ч или 1625,45 кг/ч;

водяного пара: 58,05 кмоль/ч или 1044,93 кг/ч;

образуется:

диоксида углерода: 58,05 кмоль/ч или 2554,28 кг/ч;

водорода: 58,05 кмоль/ч или 116,10 кг/ч.

Остается оксида углерода в контактном газе:

58,64−58,05 =0,59 кмоль/ч или 16,42 кг/ч.

Общий расход водяного пара по реакциям 6−8:

18,13+40,51+58,05 =116,69 кмоль/ч или 2100,42 кг/ч.

Остается водяного пара в контактном газе:

9978,29−116,69 =9861,60 кмоль/ч или 177 508,89 кг/ч.

Образуется водорода по реакциям 1, 6−8:

157,57 + 18,13+ 121,52+58,05=355,27 кмоль/ч или 710,53 кг/ч.

Расходуется водорода по реакции 2: 30,95 кмоль/ч или 61,90 кг/ч.

Остается водорода в контактном газе:

355,27+259,81−30,95 =584,13 кмоль/ч или 1168,26 кг/ч.

Рассчитывают состав контактного газа на выходе из реактора дегидрирования (поток 7) (табл.2.7.):

Таблица 2.7. Состав контактного газа на выходе из реактора дегидрирования.

Расчет основных расходных коэффициентов. Для получения 42 929,29 кг/ч стирола-ректификата расходуется по реакциям 1−4 49 710,40 кг/ч этилбензола.

Расходный коэффициент по этилбензолу:

49 710,40 /42 929,29 =1,158 кг/кг Дополнительно образуется (кг на 1 т стирола-ректификата):

толуола: 2847,56/42 929,29 =0,066;

бензола: 1488,78/42 929,29 =0,035.