6. Расчет материального баланса хтс.

Рис.2. Структурная схема ХТС производства этилового спирта.

Структурная блок-схема состоит из 4 блоков:

1. смешение;

2. синтез;

3. конденсация и сепарация;

4. ректификация;

Расшифруем каждый поток (состав):

011 – вход этилен-этановой фракции, состоящий из C₂H₄ и C₂H₆

012 – поток воды (H₂O)

12 – поток, поступающий на синтез, состоящий из C₂H₆, H₂, C₂H₄, H₂O

23 – поток, поступающий на разделение (происходит конденсация и сепарация), состоящий из (C₂H₅)₂O, C₂H₅OH, C₂H₄, H₂O, H₂, C₂H₆, C₂H₄O

34 – поток, поступающий на ректификацию, состоящий из (C₂H₅)₂O, C₂H₄O, C₂H₅OH, H₂O

31 – рецикл, состоящий из C₂H_4, C₂H_6, H₂

30 – отдувочные газы, состоящие из C₂H_4, C₂H_6, H₂

41 – рецикркулирующий поток H₂O

401 – поток, входящий в окружающую среду, состоящий из (C₂H₅)₂O (продукт побочной реакции)

402 – поток, входящий в окружающую среду, состоящий из C₂H₅OH, H₂O, (целевой продукт)

403 - поток, входящий в окружающую среду, состоящий из C₂H₄O (продукт побочной реакции)

Рис.2. Операторная схема ХТС производства этилового спирта

Таблица 4. Исходные данные для расчета. Вариант 2.

№	Показатель	Условное обозначение	Единица измерения	Принятое значение
1	Концентрация C2H4 в этиленэтановой фракции		% об.	96,0
2	Количество свежей этиленэтановой фракции (базис расчета)	G011	кг	7900
3	Количество этилового спирта в ректификате (базис расчета)	-	кг	-
4	Содержание в C2H5OH ректификате		% масс.	94,5
5	Соотношение: H2O/моль C2H4 на выходе в реактор			0,7
6	Конверсия этилена			5,5
7	Селективность			95,5
8	Селективность превращения этилена: в диэтиловый эфир в ацетальдегид			3,5 1,0
9	Содержание инертов в циркуляционном газе	;	% об.	16,0

G – масса потока;

N – количество молей в потока;

γ – доля компонентов в потоке;

Реакции, протекающие в ходе процесса:

C₂H₄ + H₂O = C₂H₅OH (1) – основная реакция

2C₂H₄ + H₂O = (C₂H₅)₂O (2) – побочная реакция

C₂H₄ + H₂O = C₂H₄O + H₂ (3) – побочная реакция

Для каждого блока составим уравнения материального баланса:

1. Уравнение для блока смешения:

2. Уравнение для блока синтеза:

3. Уравнения по блоку-ректификация:

4. Базисное уравнение по этиленэтановой фракции (свежей):

5. В уравнении баланса по “инерту” сумма вводимого по свежим газам этана и получаемая по реакции (3) водорода должна быть равна количеству выводимых с “отдувкой” газов за вычетом этилена:

Наименование потока	Условное обозначение	Xi	Размерность	Значение по расчёту
011		x1	кмоль	281.339031
31		x2	кмоль	4017.844564
12		x3	кмоль	3645.074904
012		x4	кмоль	225.447518
12		x5	кмоль	2551.552432
403		x6	кг	88.210812
401		x7	кг	259.620460
402		x8	кг	9320.456529
30		x9	кмоль	82.864702

Нахождение коэффициентов a_i при x_i:

x_i N_i

Исходя из уравнения материального баланса и с учетом известных величин, получим:

(учитывая подстановку)

1)

2)

3)

следовательно:

4)

5)

6)

7)

8)

9)

Значение перед x_i – это и есть значение a_i. Составим матрицу коэффициентов.

Свободный член – базис, т.е. он будет в уравнении, где участвует масса этиленэтановой фракции.

Таблица 5. Матрица коэффициентов

№ уравнения	ai при xi										bi свободный член
	x1	x2	x3	x4	x5	x6	x7	x8	x9
1	0,96	0,84	-1	0	0	0	0	0	0	0
2	0	0	-0.0618499	1	0	0	0	0	0	0
3	0	0	-0,7	0	1	0	0	0	0	0
4	0	0	-0.0242	0	0	1	0	0	0	0
5	0	0	-0.071225	0	0	0	1	0	0	0
6	0	0	-2,557	0	0	0	0	1	0	0
7	28,08	0	0	0	0	0	0	0	0	7900
8	0,04	0	0,00055	0	0	0	0	0	-0,16	0
9	0	-0,84	0,945	0	0	0	0	0	-0,84	0

Таблица 6. Материальный баланс ХТС производства этанола на 7900 кг

приход			расход
Статья прихода	Масса, кг	%	Статья расхода	Масса, кг	%
1.Этиленэтановая фракция	7900		1.Отдувка:
этилен	7562.39	63.24	этан	337.6068	2,8
этан	337.61	2.82	этилен	1948.98	16,29
2.вода	4058.055	33.94	водород	4.0096	0,03
Всего:	11958.055	100	2.Ректификат: Этиловый спирт	9320.457 8807.832	- 73,65
			Вода	512.625	4,29
			3.диэтиловый эфир	259.620	2,17
			4.ацетальдегид	88.211	0,74
			Невязка	-0,825	0,0069
			Всего:	11958.88	100

Расчетные данные при составлении таблицы материального баланса

1) Масса этиленэтановой фракции

(базис)

2) Масса воды:

3) Рассчитаем массу отдувки:

4) 88.211

5) 259.620

6) 9320.457

7) Рассчитаем массу ректификата:

Расчёты для составления поточной диаграммы:

Значение N_i(G_i) ≈ l (ширина стрелки в диаграмме)

(базис)

Масса рецикла:

88.211 кг

кг

9320.457 кг