Обоснование выбора оптимальных условий процесса получения окиси этилена

• Введение
• 1. Физико-химические основы процесса
• 1.1 Характеристика основного продукта
• 1.2 Характеристика реакционного процесса
• 1.3 Термодинамический анализ вероятности протекания процесса
• 1.4 Сведения о механизме и кинетике протекающих реакций
• 1.5 Анализ промышленных технологий синтеза оксида этилена
• 2. Обоснование выбора оптимальных условий процесса
• 2.1 Связь селективности с кинетикой
• 3. Материальный баланс установки получения оксида этилена
• 4. Энергетический баланс установки
• 5. Расчет основных конструктивных размеров аппаратов и выбор материалов для его изготовления
• 5.1 Выбор реактора
• 5.2 Выбор конструкционного материала
• 5.3 Расчет габаритных размеров реактора синтеза оксида этилена
• 3. Программа на языке QBASIC
• 4. Результаты программы
• 5. Графическое обоснование результатов
• Заключение
• Список использованной литературы

Окись этилена является в настоящее время крупнейшим по масштабу производства продуктом нефтехимического синтеза. Окись этилена — важнейшее сырьё, используемое в производстве крупнотоннажной химической продукции, являющейся основой для большого числа разнообразных товаров народного потребления во всех промышленно развитых странах. Основные направления использования окиси этилена:

этиленгликоли — используются в качестве антифризов, в производстве полиэстера, полиэтилентерефталата (ПЭТ — сырьё для пластиковых бутылок), агентов для осушения газов, жидких теплоносителей, растворителей и пр.;

полиэтиленгликоли — используются в производстве парфюмерии и косметики, фармацевтических препаратов, любрикантов, растворителей для красок и пластификаторов;

эфиры этиленгликоля — входят в состав тормозных жидкостей, моющих средств, растворителей лаков и красок;

этаноламины — применяются в производстве мыла и моющих средств, очистки природного газа и аппретирования тканей;

этоксилаты — используют в производстве моющих средств, в качестве сурфактантов, эмульгаторов и диспергаторов.

Крупнейшим направлением использования окиси этилена является производство этиленгликолей, однако процент его применения в этом виде сильно варьирует в зависимости от региона: от 44% в Западной Европе, 63% Японии и 73% в Северной Америке до 90% в остальной части Азии и 99% в Африке.

Поэтому оптимизация условий получения оксида этилена является актуальной задачей.

окись этилен оптимальный получение

1. Физико-химические основы процесса

1.1 Характеристика основного продукта

Омкись этилемна (этиленоксимд, оксирамн, 1,2-эпоксиэтан) — органическое вещество, имеющее формулу C₂H₄O. Этот бесцветный газ со сладковатым запахом является производным этилена и представляет собой простейший эпоксид — трёхчленный гетероцикл с одним атомом кислорода и двумя метиленовыми группами.

Благодаря особенностям молекулярной структуры, окись этилена вступает в реакции присоединения с раскрытием цикла, и таким образом легко подвергается полимеризации.

Вещество является чрезвычайно огне — и взрывоопасным. Окись этилена обладает дезинфицирующими свойствами, а также является сильным ядом для человека, проявляя канцерогенное, мутагенное, раздражающее и наркотическое действие.

Окись этилена является одним из важных объектов основного органического синтеза и широко используется для получения многих химических веществ и полупродуктов, в частности этиленгликолей, этаноламинов, простых и сложных гликолевых и полигликолевых эфиров и прочих соединений.

Основные термодинамические характеристики [7]:

температура кипения 10,7°C;

температура плавления 111,3°C;

стандартная молярная теплоёмкость вещества С⁰_p = 48,19 Дж/ (мольK);

стандартная энтальпия образования ДH⁰₂₉₈ = ?51,037 кДж/моль;

стандартная энтропия So298 = 243,4 Дж/ (мольK);

стандартная энергия Гиббса образования ДG⁰₂₉₈ = ?11,68 кДж/моль;

теплота сгорания ДH⁰_сгор. = ?1306 кДж/моль.

температура кипения при давлении пара выше 101,3 кПа,°С:

0, 203 МПа (2 атм.) 57,7

0,507 МПа (5 атм.) 83,6

1,013 МПа (10 атм.) 114,0

вязкость, з*10і Па*с:

?49,8°C…0,577

?38,2°C…0,488

?21,0°C…0,394

?0,0°C…0,320

1.2 Характеристика реакционного процесса

С₂H₄ + ½ O₂ = C₂H₄O (1)

С₂H₄ + 3 O₂ =2 CO₂ + 2 H₂O (2)

Реакция (1) является основной, реакции (2) — побочная. Все реакции необратимые, катализатором служит серебро на носителе.

1.3 Термодинамический анализ вероятности протекания процесса

Для определения термодинамической возможности протекания основной и побочных реакций при указанных температурах (в соответствии с заданием на работу) рассчитываем энергию Гиббса для каждой реакции на границах температурного интервала.

Расчет энергии Гиббса ведем по формуле Темкина-Шварцмана 5:

(1.1)

где — стандартная теплота реакции при 298 °C, кДж/моль

; (1.2)

— разность стандартных абсолютных энтропий продуктов реакции и исходных веществ, кДж/моль

; (1.3)

— алгебраические суммы коэффициентов температурного ряда теплоёмкостей

; (1.4)

; (1.5)

; (1.6)

— константы уравнения (интегралы Тёмкина-Шварцмана), зависящие от температуры. Определяем интерполяцией табличных значений;

— абсолютная температура, К. В соответствии с заданием К и К

Необходимые для расчёта данные приводятся в таблицах 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1 — Термодинамические параметры веществ 3], 5, 8

Таблица 1.2 — Интегралы Тёмкина-Шварцмана для заданных температур 5

Определяем термодинамическую вероятность протекания реакции (1). По формулам (1.2), (1.3), (1.4), (1.5), (1.6) определяем необходимые величины:

кДж/моль

Дж/ (мольК)

По формуле (1.1) определяем энергию Гиббса для реакции (1) при температурах 433 и 493К:

Поскольку энергия Гиббса для реакции (1) при температурах 483 и 583 К принимает отрицательное значение, то в интервале температур от 483 до 583 К реакция (1) термодинамически возможна.

Определяем термодинамическую вероятность протекания реакции (2). По формулам (1.2), (1.3), (1.4), (1.5), (1.6) определяем необходимые величины:

По формуле (1.1) определяем энергию Гиббса для реакции (2) при температурах 433 и 493К:

Поскольку энергия Гиббса для реакции (2) при температурах 483 и 583 К принимает отрицательное значение, то в интервале температур от 483 до 583 К реакция (2) термодинамически возможна.

Таким образом, в интервале температур от 483 до 583 К все две реакции термодинамически возможны.

1.4 Сведения о механизме и кинетике протекающих реакций

Особое значение при выборе оптимальных условий окисления этилена в промышленности, при расчете контактных аппаратов и математическом моделировании процесса имеют кинетические закономерности, которые определяют зависимость скорости реакции окисления этилена от температуры, давления, а также от концентрации реагентов и продуктов реакции.

При изучении кинетики гетерогенно-каталитического окисления этилена в оксид этилена нередко получаются различные результаты. Можно, однако, сделать общий вывод, что в кинетической области реакция окисления подчиняется уравнению Лэнгмюра-Хиншельвуда

Эту модель часто аппроксимируют степенными функциями. Так, для окисления этилена в оксид этилена найдено уравнение

(1.6)

где кажущиеся порядки по реагентам составляют

Это различие во многом обусловлено условиями осуществления реакции (при избытке этилена).

Выбор пути повышения селективности серебряного катализатора, а следовательно рентабельности каталитического окисления этилена, определяется тем, какой механизм реакции реализуется. Если считать правильной последовательную схему, необходимо быстро отводить продукты неполного окисления этилена из зоны реакции, быстро охлаждать реакционную смесь. Если же исходить из параллельной или последовательно-параллельной схемы окисления, то необходимо обращать особое внимание на подбор катализатора и возможности изменения его свойств.

Кинетика окисления этилена на серебряном катализаторе исследовалась в изотермическом режиме при 218 °C в безградиентном реакторе в широком интервале концентраций этилена, кислорода, оксида этилена, воды и двуокиси углерода.

При выводе кинетических уравнений было учтено стационарное течение процесса, использованы представления теории адсорбции Лэнгмюра и сделано несколько предположений относительно механизма процесса. Считается, что адсорбированный молекулярный кислород быстро распадается на атомы, покрывающие большую часть поверхности катализатора. Затем атомарный кислород взаимодействует с этиленом, образуя одновременно оксид этилена, диоксид углерода и воду.

Эти продукты адсорбируются на поверхности катализатора и уменьшают каталитический эффект серебра.

Схема механизма окисления такова

1.

2.

3.

4.

О

5.

|

6.

7.

В уравнении скорости образования окиси этилена, соответствующем предполагаемой схеме, скорость образования оксида этилена равна:

где — константы скоростей;

- константы равновесия отдельных стадий процесса, зависящие от температуры;

i-стадия процесса.

Уравнение скорости образования диоксида углерода W₂ имеет такой же вид с той лишь разницей, что в числителе вместо стоит .

При рассмотрении закономерностей окисления этилена на серебряном катализаторе необходимо учитывать, что с изменением химического состава катализатора могут заметно меняться вид кинетических уравнений и различаться значения энергии активации.

Одной из причин многообразия кинетических уравнений процесса окисления этилена является незнание состояния поверхности катализатора и истинного (точного) механизма протекающих реакций, следовательно, необходимость в упрощающих предположениях при выводе кинетических зависимостей процесса. На скорость процесса окисления оказывают серьезное влияние макроскопические факторы, например, скорость подачи исходных веществ к поверхности катализатора и отвода от нее тепла. При несоблюдении, например, условий теплового баланса катализатор может перегреться, вследствие этого его избирательность и производительность уменьшаться. Особо важное значение приобретают соотношение скоростей химической реакции, массои теплопередача при проектировании контактных аппаратов.

Приведем общие закономерности процесса окисления этилена в оксид этилена на сереб-ряном катализаторе:

1. Характерной особенностью каталитического окисления этилена в оксид этилена является высокая избирательность катализатора.

2. Причина избирательности заключается в активации молекул реагентов на поверхности катализатор и образования активных промежуточных комплексов и веществ. Можно считать установленным, что на поверхности катализатора адсорбируются одновременно и кислород и этилен, причем кислород образует с катализатор супероксид серебра АgО₂, то есть связь кислород — кислород сохраняется. Вероятным переходным активным компонентом является комплекс, объединяющий этилен и супероксид серебра, а первым промежуточным cоединением перекись этилена. В целом окисление этилена идет по перекисному механизму, что согласуется перекисной теорией Баха-Энглера.

3. Благодаря перекисному механизму при окислении этилена возможны параллельные процессы образования оксида этилена, двуокиси углерода и воды в зависимости от химической природы катализатора, макрокинетических факторов, температуры, давления и так далее. Последовательное окисление этилена в оксид этилена, а затем окиси этилена в двуокись углерода и воду может протекать лишь при повышенных температурах.

4. В настоящее время механизм окисления этилена нельзя считать полностью выясненным. Не изучены многие элементарные акты и состав промежуточных веществ, не совсем ясен механизм торможения процесса образующимися продуктами. Это осложняет выведение общих законов и делает кинетические уравнения в значительной степени формальными.

5. Первостепенное значение при каталитическом окислении этилена имеют макроскопические факторы, и особенно процессы теплопереноса, поскольку при чрезмерном разогреве катализатора может начаться горение, что резко сокращает выход оксида этилена и ухудшает свойства катализатора.

В промышленных условиях температура контактирования составляет 230−315 С. Степень конверсии этилена с ростом температуры повышается. При оптимальных условиях конверсия этилена составляет за проход 30−50%. Окисление этилена обычно проводится под давлением 8−20 атм, а иногда и под более высоким.

1.5 Анализ промышленных технологий синтеза оксида этилена

Во всех промышленных технологических схемах производства оксида этилена принят процесс в неподвижном слое катализатора с рециркуляцией продуктов реакции. Технологические схемы получения оксида этилена каталитическим окислением этилена очень разнообразны. Они отличаются составом газа, поступающего на окисление, окисляющим агентом (воздух или кислород), направлением потока газа в реакторе (ввод сверху или снизу), способе съема тепла (циркулирующим или кипящим теплоносителем может быть кипящая вода), давлением при окислении и т. д.

Все технологические схемы производства оксида этилена каталитическим окислением этилена, осуществляемые в промышленности, протекают на неподвижном слое катализатора в трубчатых аппаратах

2. Обоснование выбора оптимальных условий процесса

2.1 Связь селективности с кинетикой

Свяжем селективность процесса с его кинетикой. Обозначим вещества, участвующие в реакциях буквами:

А — этилен,

Y — кислород,

B — оксид этилена,

С — диоксид углерода,

D — вода.

Тогда реакции, протекающие в системе можно записать в буквенном виде:

Концентрации веществ участников реакции:

;

;

;

где — мольное соотношение исходных реагентов;

— начальные концентрации компонентов, А и Y, моль/л;

— текущие концентрации компонентов A, Y, B, C, D, моль/л;

— степень превращения компонента А;

— интегральная селективность целевого продукта В по ключевому реагенту А.

Определим дифференциальную селективность целевого продукта В по ключевому реагенту А:

(2.1)

где , — скорость образования (расходования) компонентов, А и В;

 — стехиометрические компоненты, А и В;

r₁, r_{2 -} скорость прямой и побочной реакции;

k₁, k₂ — константы скорости прямой и побочной реакции;

Определим интегральную селективность целевого продукта В по ключевому реагенту, А для различных типов реакторов.

(2.2)

(2.3)

;

Значит, интегральная селективность целевого продукта В по ключевому реагенту, А не зависит от типа реактора.

Определим удельную производительность по целевому продукту В для всех типов реакторов:

=, (2.4)

где F_{A, 0} — начальные мольный поток вещества А, моль/с;

F_В — мольный поток вещества В, моль/с;

m_кат — масса гетерогенного катализатора, г.

(2.5)

(2.6)

(2.7)

где n_B — мольное количество вещества В, моль;

t — время реакции, с;

t₀ — время непроизводительных затрат, с;

t= (2.8)

(2.9)

(2.10)

где

Определим скорость расходования ключевого реагента А.

Вычислим значение определенного интеграла:

Подставляя полученные значения в выражения для удельных производительностей, получим:

Подставляем полученные выражения в программу, изучаем результаты программы, а затем строим график зависимости интегральной селективности реактора от температуры, а также строим графики зависимости удельных производительностей различных типов реакторов от степени превращения компонента Y (кислорода) при различных температурах и коэффициента избытка кислорода.

Согласно литературным данным концентрационный предел взрываемости газов в смеси с воздухом при температуре окружающей среды 20⁰С и 0,1013 МПа:

нижний 2,5;

верхний 34.

3. Материальный баланс установки получения оксида этилена

Исходные данные для расчета

Товарный продукт должен содержать не менее 20% основного вещества. В исходном этилене содержится 1,5% этана. В воздухе наличием примесей кроме азота пренебречь. Производительность установки 95 000 тонн в год.

Оптимальные условия процесса:

Температура T = 210⁰С=483К

Коэффициент избытка кислорода 5э=0,35

Интегральная селективность этилена в целевой продукт

Степень превращения кислорода Xу= 100%

Степень превращения этилена Xа = 27,821%

Начальная концентрация этилена С_{А0, опт} = 9,340 839 10^-3 моль/ (л с)

Удельная производительность РИВ G_bRIV= 0,8515 10^-5 моль/ (л с)

Время пребывания t_RIV = 5,83 с

Основная реакция:

С₂H₄ + ½ O₂ = C₂H₄O (1)

Побочная реакция:

С₂H₄ + 3 O₂ =2 CO₂ + 2 H₂O (2)

Потери оксида этилена по всем стадиям составляют 3,5%.

Примем, что потери этилена с абгазами 3,5 кг/т

Расчет ведем на 1 тонну (1000 кг) товарного продукта.

Масса оксида этилена, содержащегося в 1000 кг товарного продукта равна:

Масса оксида этилена с учетом потерь составит:

Масса потерь оксида этилена составит:

1031,08−995=36,08 кг/т

Масса этилена, пошедшего на 1-ю реакцию:

Масса этилена, пошедшего на обе реакции:

Масса этилена, пошедшего на 2-ю реакцию:

941,64−656,14=285,5

Масса этилена, поступившего в реактор равна:

Масса непрореагировавшего этилена составит: 3116,98−941,61=2175,3 кг/т

Масса примесей в свежем этилене:

Масса примесей в рециркулируемом этилене составит:

Суммарная масса примесей в этилене равна:

14,17+32,577=46,75 кг/т или

Масса технического этилена (с примесями) равна:

3116,98+46,75=3163,73 кг/т

Масса получаемого диоксида углерода составляет:

Масса получаемой воды равна:

Масса кислорода, пошедшего на 1-ю реакцию равна:

Масса кислорода, пошедшего на 2-ю реакцию равна:

Масса кислорода, пошедшего на обе реакции равна:

Масса азота, поступившего в реактор равна:

Масса воздуха, поступившего в реактор равна:

1353,8+5092,8=6446,5 кг/т

Табл. 3.1

Материальный баланс узла выпаривания

4. Энергетический баланс установки

Схема тепловых потоков реактора синтеза оксида этилена

Q₁ — тепло, приходящее с этиленом;

Q_1.1 — тепло, приходящее со свежим этиленом;

Q_1.2 — тепло, приходящее с рециркулирующим этиленом;

Q₂ — тепло, приходящее с воздухом;

Q₃ — суммарное тепло химических реакций;

Q₅-тепло, уходящее с реакционной массой;

Q_{6 -} тепло, отводимое в теплообменном аппарате.

Если агрегатное состояние теплоносителя не изменяется, то тепловая нагрузка может быть вычислена следующим образом:

— массовый расхож i-го компонента, кг/ч;

— изобарная теплоемкость i-го компонента, кДж/ (кг•К);

— температура i-го компонента, K.

Теплота химической реакции может быть найдена следующим образом:

— энтальпия химической реакции в стандартных условиях при T=483,15 К.

Изобарные теплоемкости веществ при Т=210⁰С

Табл. 4.1

Определим количество тепла, прошедшего со свежим этиленом

Q_1.1= Q_{св. этилен}= 45,71•1,75•483,15= 38 648,37 кДж/ч = 10,7356 кВт

Q_1.2= Q_{св. этилен}= 28 789,7•1,75•483,15= 24 342 051 кДж/ч = 6761,68 кВт Количество тепла, пришедшее с этиленом:

Q₁= Q_1.1+ Q_1.2 =6772,41 кВт Определим количество сырья, пришедшее с воздухом:

Q₂= Q_возд = Q_кисл+ Q_азот

Q_кисл= 17 680,6•0,87•483,15 = 7 431 872,244 кДж/ч=2064,4089 кВт

Q_азот= 66 511,9 •0,97•483,15 = 31 171 167,75 кДж/ч = 8658,65 кВт

Q₂= 10 723,05 кВт Определим суммарное тепло химических реакций:

= 0,6968

Определим потери тепла в окружающую среду. Примем, что потери в окружающую среду составляют 5% от количества тепла, поступающего в реактор.

Определим количество тепла, уходящего с реакционной массой:

=

Определим количество тепла, отводимого с теплоносителя. Из закона сохранения энергии следует:

Q₁+ Q₂+ Q₃= Q₄+ Q₅+ Q₆

Q₆ = 6772,41 +10 723,06 + 38 650,43 — 2807,295−20 315,745= 33 022,86 кВт Энергетический баланс синтеза этиленгликоля Табл. 4.2

5. Расчет основных конструктивных размеров аппаратов и выбор материалов для его изготовления

5.1 Выбор реактора

Реактор является аппаратом по гидродинамическому режиму близким к модели идеального вытеснения. Процесс окисления этилена в неподвижном слое катализатора (серебро на носителе) обычно проводится в трубчатом контактном аппарате, причем через трубки, заполненные катализатором, пропускается реакционная газовая смесь, а выделяющееся тепло снимается теплоносителем, находящимся в межтрубном пространстве.

5.2 Выбор конструкционного материала

Оксид этилена под влиянием различных факторов проявляет склонность к полимеризации, что при быстро идущем процессе полимеризации в сосуде может создать высокое давление, приводящее к взрыву. Взрывы оксида этилена происходят при недостаточном отводе тепла при взаимодействии оксида этилена с металлическим калием, с некоторыми хлоридами металлов, оксидом алюминия, серной кислотой, растворами щелочей и другими реагентами, входящими в состав сталей различных марок. Поэтому в качестве конструкционного материала выбираем хромоникелевую сталь аустенитной структуры Х18Н10Т, содержащую 18% хрома, 10% никеля и титан (скорость коррозии ее не менее 0,1 мм/год, коэффициент теплопроводности л_ст=16,3 Вт/м*к), причем из этого материала необходимо изготовить все оборудование, соприкасающееся с оксидом этилена: смесители, реактор, насосы, котел-утилизатор, абсорбер, десорбер, колонну ректификации, кипятильник, теплообменные аппараты, компрессоры, парциальные конденсаторы и трубопровод [8, 10].

5.3 Расчет габаритных размеров реактора синтеза оксида этилена

— объемная доля i-го компонента реакционной смеси, %, об.

— плотность i-го компонента газовой смеси в оптимальных условиях, кг/м³

Рассмотрим состав, поступающий в реактор смеси:

m_э= m_{э. свеж}+ m_{э. рецикл}=58,77+29 078,61= 29 137,38 кг/ч

17 866,08 кг/ч

58 809,18 кг/ч

= 55,58%

Плотность компонента смеси в оптимальных условиях равна:

Тогда плотность смеси составит:

Определим время пребывание реакционной смеси в реакторе:

x_A= 0,3021

ф=

Определим объем свободного реакционного пространства:

Принимаем, что длина трубок реактора равна =15 м, а диаметр 25×2 мм.

Определим площадь сечения одной трубки:

Определим объем одной трубки:

Определим количество трубок в аппарате:

Примем к установке аппарат с числом трубок n_т=13 600 щт и поверхностью теплообмена F_т = 14 138 м².

Определяем число аппаратов:

Принимаем к установке 6 аппаратов.

Определяем объемный поток смеси:

Определяем площадь сечения аппарата (одного хода по трубкам):

Определим фиктивную скорость потока реагентов:

Определим истинную скорость потока реагентов:

коэффициент пористости катализатора, равный 0,3.

Наиболее распространенный способ размещения трубок по сторонам правильных треугольников (так называемый шахматный пучок), он наиболее компактен.

13 600 =

Принимаем, что число труб по стороне наибольшего шестиугольника a=68 шт, — число труб по диоганали наименьшего шестиугольника.

Определим расстояние между осями труб (шаг). Шаг принимаем, а зависимости от наружного диаметра труб d_н и способа их крепления. Пусть трубы в трубных решетках крепятся вальцовкой.

Для сварных труб шаг принимается в пределах:

t= (1,21,25) d_н

t=1,2 d_н=1,2 0,025=0,03 м

Определим внутренний диаметр аппарата:

D = t (b-1) +4 d_н = 0,03 (135−1) +40,025=4,12 м

Вычисляем значения внутреннего диаметра конуса аппарата; округляем до стандартного значения диаметра D=4,2 м

3. Программа на языке QBASIC

CLS

OPEN «c: PROGRAMM. BAS» FOR OUTPUT AS #1

R = 8.31

PRINT #1, «T, OC», «INT. SEL. PROC. «

FOR TO = 210 TO 310 STEP 10

T = TO + 273.15

Kl = EXP (9.05 — 63 800/ (R * Т))

K2 = EXP (13 — 83 000/ (R * Т))

FO = (Kl / (Kl + K2) * 100

PRINT #1, TO, FO

NEXT TO

FOR TO = 210 TO 230 STEP 10

PRINT #1, «T=»; TO; «ОС»

T = TO + 273.15

Ma = 28.5

My = 32

Pa = Ma * 273.15 * 100 000/ (22.4 *T * 101 325)

Py = My * 273.15 * 100 000/ (22.4*T * 101 325)

FOR b =.1 TO 0.5 STEP.001

CAO = 1/ (Ma / Pa + (b * My / Py) /.21)

CAO% = C * 22.4 * T / T0

PRINT #1, «b=»; b, «CAO=»; CAO, «CAO%=»; CAO%

PRINT #1, «Xa, proc.», «GbRIV, mol/ (g*s)», «GbRPS, mol/ (g*s)», «tRIV, min», «tRPS, min»

FOR Xyl =.1 TO 85 STEP 21

Xy = Xyl / 100

CyO = CAO * b

Kl = EXPO.05 — 63 800/ (R * T))

K2 = EXP (13 — 83 000/ (R * T))

К = Kl + K2

КО = Kl +.6 * K2

F = Kl / К

Xa = Xy * Су / (CAO * (.5 * F + 3 * (1 — F)))

Xal = Xa * 100

rl = Kl * CAO * (1 — Xa) / (1 + CAO * Xa * F +.6 * CAO * Xa * (1 — F))

r2 = K2 * CAO * (1 — Xa) / (1 + CAO * Xa * F +.6 * CAO * Xa * (1 — F))

rA = rl + r2

GbRIV = Kl * К * Xa / (LOG (1/ (1 — Xa)) * (K / CAO + КО) — КО * Xa)

PRINT #1, Xa, Xyl, GbRIV

GbRPC = Kl * К * (1 — Xa) / (K + CA0 * Xa + K0)

tRIV = CA0 * 1/ (K1 + K2) ^ 2 * (LOG (1/ (1 — Xa)) * ((K1 + K2) / CA0 + (K1 +.6 * K2) — (K1 +.6 * K2) * Xa

tRPC = (Xa* ((K1 + K2) + CA0 * Xa * (K1 +.6 * K2))) / ((K1 + K2) ^ 2* (1 — Xa))

NEXT Xyl

FOR Xyl = 85 TO 100 STEP 3,75

Xy = Xyl / 100

CyO = CAO * b

Kl = EXP (9.05 — 63 800/ (R * T))

K2 = EXP (13 — 83 000/ (R * T))

К = Kl + K2

КО = Kl +.6 * K2

F = Kl / К

Xa = Xy * CyO / (CAO * (.5*F+3* (1 — F)

Xal = Xa * 100

rl = Kl * CAO * (1 — Xa) / (1 + CAO * Xa * F +.6 * CAO * Xa* (1 — F))

r2 = K2 * CAO * (1 — Xa) / (1 + CAO * Xa * F +.6 * CAO * Xa* (1 — F))

rA = r1 + r2

GbRIV = Kl * К * Xa / (LOG (1/ (1 — Xa)) * (K / CAO + КО) — КО * Xa)

GbRPC = Kl * К * (1 — Xa) / (K + CA0 * Xa + K0)

tRIV = CA0 * 1/ (K1 + K2) ^ 2 * (LOG (1/ (1 — Xa)) * ((K1 + K2) / CA0 + (K1 +.6 * K2) — (K1 +.6 * K2) * Xa

tRPC = (Xa* ((K1 + K2) + CA0 * Xa * (K1 +.6 * K2))) / ((K1 + K2) ^ 2* (1 — Xa))

PRINT #1, Xal, Xyl, GbRIV, GbRPC, tRIV, tRPC

NEXT Xyl

NEXT b

NEXT TO

CLOSE #1

END

4. Результаты программы

T, 0C INT.SEL.PROC.

210 69.67 978

220 67.59 289

230 65.52 074

240 63.47 205

250 61.45 447

260 59.47 458

270 57.53 792

280 55.64 904

290 53.81 159

300 52.2 832

310 50.30 124

T= 210 0C

b= .35 CA0= 9.34 0839E-03 CA0%= 37.0177

____________________________________________________________________

| Xa | Xy | GbRIV, mol/ (g*s) | Gbrps, mol/ (g*s) | tRIV, c | tRPS, c |

==============================================================

| 0.27 822 | 0.10 | 0.9989E-05 | 0.5312E-05 | 0.4528E+00 | 0.1813E+00

| 5.870 403 | 21.10 | 0.9692E-05 | 0.4206E-05 | 0.4672E+01 | 0.4065E+02

| 11.712 984 | 42.10 | 0.9389E-05 | 0.3404E-05 | 0.4775E+01 | 0.8651E+02

| 17.555 567 | 63.10 | 0.9079E-05 | 0.2795E-05 | 0.4866E+01 | 0.1389E+03

| 23.398 146 | 84.10 | 0.8761E-05 | 0.2317E-05 | 0.5047E+01 | 0.1994E+03

| 23.648 544 | 85.00 | 0.8747E-05 | 0.7613E-05 | 0.5269E+01 | 0.1179E+03

| 24.691 862 | 88.75 | 0.8690E-05 | 0.7509E-05 | 0.5459E+01 | 0.1214E+03

| 25.735 182 | 92.50 | 0.8632E-05 | 0.7404E-05 | 0.5550E+01 | 0.1248E+03

| 26.778 498 | 96.25 | 0.8574E-05 | 0.7299E-05 | 0.5643E+01 | 0.1280E+03

| 27.821 815 | 100.00| 0.8515E-05 | 0.7195E-05 | 0.5837E+01 | 0.1311E+03

b=.36 CA0= 9.17 6964E-03 CA0%= 36.3683

_____________________________________________________________________

| Xa | Xy | GbRIV, mol/ (g*s) | Gbrps, mol/ (g*s) | tRIV, c | tRPS, c |

+==============================================================

| 0.28 617 | 0.10 | 0.9814E-05 | 0.5218E-05 | 0.4980E+00 | 0.1865E+00

| 6.38 129 | 21.10 | 0.9514E-05 | 0.4118E-05 | 0.5188E+02 | 0.4189E+02

| 12.47 640 | 42.10 | 0.9207E-05 | 0.3322E-05 | 0.5223E+02 | 0.8933E+02

| 18.57 152 | 63.10 | 0.8893E-05 | 0.2719E-05 | 0.5306E+03 | 0.1438E+03

| 24.66 664 | 84.10 | 0.8571E-05 | 0.2247E-05 | 0.5405E+03 | 0.2069E+03

| 24.324 217 | 85.00 | 0.8557E-05 | 0.7413E-05 | 0.5527E+03 | 0.1202E+03

| 25.397 343 | 88.75 | 0.8499E-05 | 0.7308E-05 | 0.5620E+03 | 0.1237E+03

| 26.470 470 | 92.50 | 0.8440E-05 | 0.7202E-05 | 0.5815E+03 | 0.1271E+03

| 27.543 598 | 96.25 | 0.8381E-05 | 0.7096E-05 | 0.5911E+03 | 0.1303E+03

| 28.616 726 | 100.00| 0.8322E-05 | 0.6990E-05 | 0.6009E+03 | 0.1334E+03

b=.37 CA0= 9.1 8741E-03 CA0%= 35.7413

______________________________________________________________________

| Xa | Xy | GbRIV, mol/ (g*s) | Gbrps, mol/ (g*s) | tRIV, c | tRPS, c |

+==============================================================

| 0.29 412 | 0.10 | 0.9645E-05 | 0.5128E-05 | 0.5032E+00 | 0.1917E+00

| 6.205 855 | 21.10 | 0.9341E-05 | 0.4033E-05 | 0.5105E+02 | 0.4313E+02

| 12.382 298 | 42.10 | 0.9031E-05 | 0.3243E-05 | 0.5271E+02 | 0.9216E+02

| 18.558 741 | 63.10 | 0.8714E-05 | 0.2646E-05 | 0.5346E+03 | 0.1487E+03

| 24.735 184 | 84.10 | 0.8388E-05 | 0.2179E-05 | 0.5562E+03 | 0.2145E+03

| 24.999 889 | 85.00 | 0.8374E-05 | 0.7220E-05 | 0.5685E+03 | 0.1224E+03

| 26.102 825 | 88.75 | 0.8315E-05 | 0.7114E-05 | 0.5882E+03 | 0.1259E+03

| 27.205 763 | 92.50 | 0.8255E-05 | 0.7007E-05 | 0.5981E+03 | 0.1293E+03

| 28.308 699 | 96.25 | 0.8195E-05 | 0.6900E-05 | 0.6080E+03 | 0.1325E+03

| 29.411 634 | 100.00| 0.8135E-05 | 0.6793E-05 | 0.6182E+03 | 0.1356E+03

b=.38 CA0= 8.86 5881E-03 CA0%= 35.1355

______________________________________________________________________

| Xa | Xy | GbRIV, mol/ (g*s) | Gbrps, mol/ (g*s) | tRIV, c | tRPS, c |

===============================================================

| 0.30 207 | 0.10 | 0.9481E-05 | 0.5041E-05 | 0.5084E+00 | 0.1968E+00

| 6.373 580 | 21.10 | 0.9175E-05 | 0.3951E-05 | 0.5122E+01 | 0.4437E+02

| 12.716 953 | 42.10 | 0.8862E-05 | 0.3167E-05 | 0.5221E+01 | 0.9501E+02

| 19.60 329 | 63.10 | 0.8541E-05 | 0.2576E-05 | 0.5386E+01 | 0.1536E+03

| 25.403 702 | 84.10 | 0.8211E-05 | 0.2114E-05 | 0.5420E+01 | 0.2223E+03

| 25.675 562 | 85.00 | 0.8197E-05 | 0.7034E-05 | 0.5644E+01 | 0.1246E+03

| 26.808 306 | 88.75 | 0.8137E-05 | 0.6926E-05 | 0.5745E+01 | 0.1281E+03

| 27.941 051 | 92.50 | 0.8076E-05 | 0.6818E-05 | 0.5947E+01 | 0.1315E+03

| 29.73 795 | 96.25 | 0.8016E-05 | 0.6710E-05 | 0.6150E+01 | 0.1346E+03

| 30.206 543 | 100.00| 0.7955E-05 | 0.6603E-05 | 0.6283E+01 | 0.1377E+03

b=.39 CA0= 8.71 8116E-03 CA0%= 34.5499

_____________________________________________________________________

| Xa | Xy | GbRIV, mol/ (g*s) | Gbrps, mol/ (g*s) | tRIV, c | tRPS, c |

==============================================================

| 0.31 001 | 0.10 | 0.9323E-05 | 0.4957E-05 | 0.4935E+00 | 0.2020E+00

| 6.541 306 | 21.10 | 0.9014E-05 | 0.3873E-05 | 0.5239E+01 | 0.4562E+02

| 13.51 610 | 42.10 | 0.8697E-05 | 0.3094E-05 | 0.5372E+01 | 0.9789E+02

| 19.561 914 | 63.10 | 0.8373E-05 | 0.2509E-05 | 0.5427E+01 | 0.1587E+03

| 26.72 220 | 84.10 | 0.8039E-05 | 0.2052E-05 | 0.5679E+01 | 0.2302E+03

| 26.351 234 | 85.00 | 0.8025E-05 | 0.6854E-05 | 0.5804E+01 | 0.1267E+03

| 27.513 786 | 88.75 | 0.7964E-05 | 0.6745E-05 | 0.5908E+01 | 0.1302E+03

| 28.676 342 | 92.50 | 0.7903E-05 | 0.6636E-05 | 0.6114E+01 | 0.1335E+03

| 29.838 896 | 96.25 | 0.7842E-05 | 0.6527E-05 | 0.6281E+01 | 0.1367E+03

| 31.1 451 | 100.00| 0.7780E-05 | 0.6419E-05 | 0.6330E+01 | 0.1397E+03

b=.3 999 999 CA0= 8.57 5196E-03 CA0%= 33.9835

_____________________________________________________________________

| Xa | Xy | GbRIV, mol/ (g*s) | Gbrps, mol/ (g*s) | tRIV, c | tRPS, c |

==============================================================

| 0.31 796 | 0.10 | 0.9170E-05 | 0.4876E-05 | 0.5387E+00 | 0.2072E+00

| 6.709 032 | 21.10 | 0.8858E-05 | 0.3797E-05 | 0.5556E+02 | 0.4687E+02

| 13.386 266 | 42.10 | 0.8539E-05 | 0.3024E-05 | 0.5724E+02 | 0.1008E+03

| 20.63 501 | 63.10 | 0.8211E-05 | 0.2444E-05 | 0.5868E+03 | 0.1638E+03

| 26.740 736 | 84.10 | 0.7874E-05 | 0.1992E-05 | 0.5938E+03 | 0.2383E+03

| 27.26 903 | 85.00 | 0.7859E-05 | 0.6679E-05 | 0.6164E+03 | 0.1287E+03

| 28.219 267 | 88.75 | 0.7798E-05 | 0.6570E-05 | 0.6272E+03 | 0.1322E+03

| 29.411 633 | 92.50 | 0.7736E-05 | 0.6460E-05 | 0.6381E+03 | 0.1356E+03

| 30.603 992 | 96.25 | 0.7674E-05 | 0.6350E-05 | 0.6493E+03 | 0.1387E+03

| 31.796 356 | 100.00| 0.7611E-05 | 0.6241E-05 | 0.6506E+03 | 0.1416E+03

b=.4 099 999 CA0= 8.43 6887E-03 CA0%= 33.4354 o

_____________________________________________________________________

| Xa | Xy | GbRIV, mol/ (g*s) | Gbrps, mol/ (g*s) | tRIV, c | tRPS, c |

+==============================================================

| 0.32 591 | 0.10 | 0.9022E-05 | 0.4797E-05 | 0.5539E+00 | 0.2124E+00

| 6.876 758 | 21.10 | 0.8708E-05 | 0.3724E-05 | 0.5674E+02 | 0.4813E+02

| 13.720 922 | 42.10 | 0.8385E-05 | 0.2957E-05 | 0.5776E+02 | 0.1037E+03

| 20.565 088 | 63.10 | 0.8054E-05 | 0.2382E-05 | 0.5809E+03 | 0.1689E+03

| 27.409 252 | 84.10 | 0.7713E-05 | 0.1935E-05 | 0.6098E+03 | 0.2465E+03

| 27.702 576 | 85.00 | 0.7698E-05 | 0.6511E-05 | 0.6125E+03 | 0.1307E+03

| 28.924 747 | 88.75 | 0.7636E-05 | 0.6400E-05 | 0.6236E+03 | 0.1342E+03

| 30.146 921 | 92.50 | 0.7573E-05 | 0.6289E-05 | 0.6349E+03 | 0.1375E+03

| 31.369 093 | 96.25 | 0.7511E-05 | 0.6179E-05 | 0.6565E+03 | 0.1406E+03

| 32.591 267 | 100.00| 0.7447E-05 | 0.6068E-05 | 0.6682E+03 | 0.1435E+03

5. Графическое обоснование результатов

Рис. 1 Зависимость интегральной селективность от температуры

Рис. 2 Зависимость удельной производительности от конверсии.

Рис. 3 Зависимость интегральной селективности от конверсии.

Таким образом можно сделать вывод, что оптимальные условия ведения процесса достигаются в реакторе идеального вытеснения.

Оптимальные условия процесса для РИВ:

Температура T_опт = 210⁰С=483К

Коэффициент избытка кислорода 5э=0,35

Интегральная селективность этилена в целевой продукт

Степень превращения кислорода Xy = 100%

Степень превращения этилена Xa = 27,821%

Начальная концентрация этилена С_{А0, опт} = 9,34 10^-3 моль/ (л с)

Удельная производительность РИВ G_bRIV= 0,8515 10^-5 моль/ (л с)

Время пребывания t_RIV = 5,83 с

Заключение

Удельная производительность в реакторе идеального вытеснения больше, чем в реакторе полного смешения, время пребывание в реакторе идеального вытеснения меньше, чем в реакторе полного смешения. Поэтому целесообразно проводить процесс в реакторе идеального вытеснения.

Размещено на

1. Методические указания к выполнению выпускной квалификационной работы бакалавра (комплексного курсового проекта) для студентов направления подготовки бакалавров 240 100 «Химическая технология и биотехнология» специальности 240 401 «Химическая технология органических веществ» / НГТУ; Сост. Р. А. Наволокина.Н. Новгород, 2006. — 33с.

2. Данов С. М., Колесников В. А. Примеры и задачи по курсу «Основы проектирования и оборудования заводов отрасли»: Учеб. пособие. Горьков. политехн. ин-т. Горький, 1989. — 68 с.

3. Дымент О. Н., Казанский К. С., Мирошников А. М. Гликоли и другие производные окисей этилена и пропилена. Под общей ред.О. Н. Дымента. М., «Химия», 1976.

4. Лебедев Н. Н., Манаков М. Н., Швец В. Ф. Теория химических процессов основного органического и нефтехимического синтеза / Под ред.Н. Н. Лебедева. 2-е изд. перераб. — М.: Химия, 1984. — 376 с., ил

5. Казанская А. С., Скобло В. А. Расчёты химических равновесий. Сборник примеров и задач. Под ред. Г. М. Панченкова. М., «Высш. школа», 1974.

6. Стал Д., Вестрам Э., Зинке Г., Химическая термодинамика органических соединений. — М.: «Мир», 1971, 807 с.

7. Справочник нефтехимика: В 2 т. Т.2. / Под ред. С. К. Огородникова. — Л.: Химия, 1978. — 592 с.

8. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под ред. чл. — корр. АН СССР П. Г. Романкова. — 10-е изд. — Л.: Химия, 1987. — 567 с.

9. Зимаков П. В. и др. Окись этилена. М.: Госхимиздат. 1967 г.

10. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. — М. Химия, 1988. — 592 с.