1.2 Расчет горизонтального реактора алкилирования

1.2.1 Расчет первой секции

Материальный баланс. Согласно схеме работы реактора (рисунок 1.1), во все пять секций исходное сырье поступает параллельными и равными потоками. Поэтому в первую секцию подается всего изобутана:

, (1.2)

где G_ис=13529,41 кг/ч - масса изобутана в исходном сырье (таблица 1.2);

.

Количество поступающего в первую секцию циркулирующего изобутана

, (1.3)

или

;(1.4)

;

Состав загрузки первой секции реактора представлен в таблице 1.5.

Таблица 1.5 – Состав загрузки первой секции

Компонент загрузки	Плотность при 278 К, кг/м3	Мi	Количество
			кг/ч	м3/ч	кмоль/ч
С3Н6 С3Н8 С4Н8 i-С4Н10(свежий) i-С4Н10(рециркулят) н-С4Н10 С5Н12 Сумма Катализатор Всего	627,3 597,9 642 575,3 575,3 595 641 - 1820 -	42 44 56 58 58 58 72 - - -	44,118 117,648 2058,82 2705,88 82426,29 2338,23 88,236 89779,22 339656,04 429435,26	0,0703 0,1968 3,2069 4,7034 143,2753 3,9298 0,1377 155,5202 186,6242 342,1444	1,05 2,67 36,76 46,65 1421,14 40,31 1,23 1550 - -

Так как плотность серной кислоты зависит от концентрации, то в дальнейшем при определении ее объема следует пользоваться графиком (рисунок 1.2) [7] и таблицей 1.3.

Рисунок 1.2 – График для опре­деления плотности кислоты

Определим состав углеводородной массы, выходящей из первой секции. Согласно уравнению основной реакции алкилирования

_,

в нее вступает 36,76 кмоль/ч олефина и такое же число кмоль/ч све­жего изобутана (таблица 1.5), поэтому выход алкилата составит

_.

При этом количество свежего изо­бутана, не вошедшего в реакцию (от­работанного)

или

_.

В таблице 1.6 приведен состав угле­водородов, покидающих первую сек­цию.

Таблица 1.6 – Состав угле­водородов, покидающих первую сек­цию

Компоненты	Мi	Количество			Состав, мол. %
		кг/ч	м3/ч	кмоль/ч
С3Н6 С3Н8 i-С4Н10(отработанный) i-С4Н10(рециркулят) н-С4Н10 С5Н12 Алкилат	42 44 58 58 58 72 114	44,118 117,648 573,8 82426,29 2338,23 88,236 4190,9	0,0703 0,1968 0,9974 143,2753 3,9298 0,1377 5,8614	1,05 2,67 9,89 1421,14 40,31 1,23 36,76	0,07 0,18 0,65 93,93 2,66 0,08 2,43
Сумма	-	89779,22	154,4687	1513,05	100

Тепловая нагрузка первой секции. Все внешние и внутренние материальные потоки реактора, по ранее принятому условию, имеют температуру Т = 278 К, поэтому тепловую нагрузку сек­ции, без ущерба для точности расчета, принимаем равной теплу, которое выделяется в процессе алкилирования. Тепло основной реакции алкилирования по литературным данным [3] со­ставляет 75—85% тепловой нагрузки секции. Приняв, что тепло основной реакции алкилирования составляет 80% тепловой нагрузки секции q_1, получим

(1.5)

или

, (1.6)

где G_ал1 = 4190,9 кг/ч — количество алкилата, получаемого в пер­вой секции (таблица 1.6);

q_p = 1050 кДж/кг алкилата — теплота основной реакции алкилирования [3];

.

Давление в первой секции. Давление при температуре реакции Т = 278 К рассчитаем по уравнению изотермы жидкой фазы [9]:

, (1.7)

где P_i — давление насыщенных паров чистых углеводородов при Т = 278 К, определяется по диаграмме Кокса или таблицам [8]; х^/_i—мольные доли углеводородных компонентов (таблица 1.6); Р_к — давление насыщенного пара серной кислоты (при Т = 278 К принимается равным нулю, так как температура ее кипения при нормальном давлении значительно выше 573 К).

Во всех остальных секциях принимается такое же давление.

Количество углеводородов, испаряющихся в первой секции. Пары, уходящие из секции, находятся в равновесии с испаряющейся жидкостью. Их состав может быть опре­делен по каждому компоненту из уравнения равновесия фаз, в котором все величины правой части известны [3]:

; (1.8)

;

Проводим проверку:

По найденным концентрациям компонентов в парах и теплотам испарения чистых компонентов при Т = 278 К [9] находим по пра­вилу аддитивности теплоту испарения r^/_m смеси паров. Весь расчет сведен в таблицу 1.7.

Таблица 1.7 – Расчет теплоты испарения

Компоненты	y/i, мольные доли	r/i, кДж/моль	r /I · y/i, кДж/кмоль
С3Н6 С3Н8 i-С4Н10 н-С4Н10 С5Н12 Алкилат (С8Н18)	0,0026 0,0056 0,97 0,0187 0,000139 0,000077	15600 16200 20400 22000 27400 42300	40,5 90,7 19788 391,6 3,8 3,3
Сумма	≈1	-	r/m=20318

Зная теплоту испарения смеси r^/_m и тепло­вую нагрузку секции Q₁, определим количество паров углеводоро­дов, образующихся в первой секции:

; (1.9)

.

Количества каждого компонента в парах найдем по формуле

(1.10)

Проводим проверку:

Анализируя сделанные расчеты, нетрудно сделать вывод, что практиче­ски весь теплосъем в первой секции осуществляется за счет испа­рения изобутана. Поэтому без большой ошибки количество испа­ряющегося изобутана можно определить из приближенного урав­нения теплового баланса испарения

, (1.11)

в котором количества паров пропилена и пропана считают рав­ными количествам этих углеводородов в сырье. Таким образом

(1.12)

или

Этот результат очень близок к полученному выше.

Объем кислоты и углеводородов в первой сек­ции. Из практики эксплуатации уста­новок алкилирования известно [7], что объемная скорость находится в пре­делах 0,1—0,6 ч ^-1. Примем объемную скорость w = 0,5 ч ^-1. Тогда объем кислоты в секции:

, (1.13)

где V_oл1-—3,2 м³/ч — количество олефина, подаваемого в секцию (таблица 1.5).

Получим

Зная, что отношение объема кислоты к объему углеводородов в первой секции α ₁ = 1,2, найдем объем углеводородов в секции:

; (1.14)

Суммарный объем кислоты и углеводородов в секции:

; (1.15)

Найдем продолжительность пребывания смеси углеводородов и кислоты (время контакта) в первой секции:

, (1.16)

где R₁ = 342,14 м³/ч — объем смеси, поступающей в первую секцию (таблица 1.4).

Размеры первой секции. В реакционных аппаратах ем­костного типа, если жидкая смесь реагирующих веществ не вспе­нивается, степень заполнения равна φ = 0,7 - 0,85 [8]. При­мем φ = 0,7. Тогда полный объем первой секции:

; (1.17)

Принимая длину секции L = 2 м , найдем диаметр аппарата

; (1.18)

Принимаем D = 3,4 м.

Как указано выше, все пять реакционных сек­ций аппарата будут иметь одинаковые размеры: D = 3,4 м, L = 2 м.