balans

31

2.3 Расчет материального баланса сложного необратимого параллельного процесса

При протекании параллельных реакций одни и те же реагенты взаимодействуют, образуя несколько продуктов. Обычно протекает одна целевая и одна или несколько побочных реакций, в результате образуется смесь продуктов, называемая техническим продуктом, либо продуктом сырцом.

В исходных данных для расчета указываются количество и состав технического продукта (% масс. для жидких веществ, % масс. или % об. для газообразных); конверсия по реагентам, указывается наличие примесей (% масс. либо % об.), в том случае, если они имеются. В некоторых случаях соотношение реагентов, подаваемых химический реактор, задается мольным соотношением.

Алгоритм расчета материального баланса сложного необратимого параллельного процесса с заданной производительностью по техническому

продукту

1. Реакции для расчета

аА+ вВ → rR

а1МА в1МВ rMR

Определяют молекулярные массы реагентов и продуктов, умножают на соответствующие стехиометрические коэффициенты. Проверяют правильность расчета, составляя теоретические балансы:

а1МА + в1МВ = rM R а2МА + в2МВ = sМs

32

2. Определяют массу каждого продукта в составе реакционной массы после протекания процесса (в техническом продукте, продукте-сырце):

ω – массовая доля компонента в реакционной массе; mтехн. – масса технического продукта (вся реакционная

масса, продукт-сырец).

В том случае, когда образуется несколько продуктов:

m1прод. = mтехн. ·ω1 m2прод. = mтехн. ·ω2 m3прод. = mтехн. ω3 mi прод. = mтехн. ·ωi

Проверяют правильность расчета:

m1прод. + m2прод + · · · miпрод. = mтехн.

3. По массе целевого продукта mR cогласно стехиометрии определяют расход чистых реагентов А и В на целевую реакцию

mцел = в1M В mR

В rM R

4. Определяют расход чистых реагентов А и В на каждую побочную реакцию .

33

6. Учитывают конверсию реагентов:

m′А =∑mA Х1А m′В =∑mВ Х1В

В некоторых случаях в исходных данных для расчета количество реагентов А и В задается через мольные соотношения.

7. Определяют непревращенный остаток для каждого из реагентов, например для реагента А:

∆ m′A= m′A - ∑mA

8. Находят массу технического реагента А с учетом его состава:

ω%A – содержание основного вещества в составе

технического реагента А; ωпр%.А – содержание примесей в составе технического

реагента А (% масс.);

m″А – масса технического реагента подаваемого в реактор. 9. Масса примесей технического реагента А равна:

∆m″А = m″А -m′A

∆m″А – масса примесей.

10.Аналогические расчеты проводят для реагента В.

11.Составляют уравнение материального баланса. m′A′ +m′B′ =mR +mS +∆m′A +∆m′B +∆m′A′ +∆m′B′

12.Составляется таблица материального баланса:

34

13. Рассчитывают основные технические показатели эффективности процесса: селективность процесса по реагентам, выход на поданное и превращенное сырье, теоретические и практические расходные коэффициенты по сырью.

35

Пример 3. Расчет материального баланса сложного необратимого параллельного процесса с заданной производительностью по техническому продукту

1. Реакции для расчета

С6Н6 + С2Н4→ С6Н5С2Н5 (целевая) С6Н6 + 2С2Н4→ С6Н4 (С2Н5)2 (побочная)

Производительность установки по этилбензолу-сырцу

Состав этилбензола-сырца, %масс

ωC6 H 5C2 H 5 =91%

ωC6 H 4 (C2 H 5 )2 =9%

Концентрация бензола в техническом этилене, % масс

ωC6 H 6 =95%

Концентрация этилена в техническом этилене, % масс

ХC2 H 4 =92%

1.Определим молекулярные массы реагентов и продуктов.

Составим теоретические балансы:

М(С6Н6) = 78 кг/кмоль М(С2Н4) = 28 кг/кмоль М(С6Н5С2Н5) = 106 кг/кмоль М(С6Н4 (С2Н5)2) = 134 кг/кмоль

1·78 кг/кмоль + 1·28 кг/кмоль = 106 кг/кмоль 1·78 кг/кмоль + 2·28 кг/кмоль = 134кг/кмоль

2.Рассчитаем производительность по этилбензолу-сырцу

вкг/час:

36

3. Определим массу каждого продукта в составе реакционной массы после протекания процесса (в техническом этилбензоле (этилбензоле -сырце):

mС6Н5С2Н5 = mтехнС6Н5С2Н5 ωС6Н5С2Н5 = 416,67кг/ час 0,91 = 379,17кг/ час mС6Н4 (С2Н5 )2 = mтехнС6Н5С2Н5 ωС6Н4 (С2Н5 )2 = 416,67кг/ час 0,09 = 37,50кг/ час

Проверяем правильность расчета:

mтехнС6Н5С2Н5 =mтехнС6Н5С2Н5 +mC6Н4(С2Н5 )2 =379,17кг/час+37,50кг/час=416,67кг/час

4.По массе целевого продукта mC6 H 5C2 H 5 cогласно

стехиометрии определяем расход чистых реагентов С6Н6 и С2Н4 на целевую реакцию

5. Определяем расход чистых реагентов С6Н6 и С2Н4 на побочную реакцию

6. Суммируем массы каждого из реагентов, израсходованных на целевую и побочные реакции:

37

∆mC′2 H4 =mC′2H4 −∑mC2H4 =125,90кг/ час−115,83кг/ час=10,07кг/ час

9. Найдем массу технического реагента С6Н6 с учетом его состава:

Рассчитаем массу технического реагента С2Н4 с учетом его состава:

10. Масса примесей технического реагента С6Н6 равна:

∆mC′′6 H6 =mC′′6 H6 −mC′6 H6 =355,83кг/ чаc−338,04кг/ чаc =17,79кг/ чаc

Масса примесей технического реагента С2Н4 равна:

∆mC′′2 H4 =mC′′2 H4 −mC′2 H4 =128,47кг/ чаc−125,90кг/ чаc =2,57кг/ чаc

38

11. Составляем уравнение материального баланса.

39

40