6. Расчет реакционного узла.

Некаталитический метод гидрирования оксида пропилена реали-зуется на практике в виде жидкофазной реакции (для поддержания реагентов в жидком состоянии используется избыточное давление), которая проводится в адиабатическом реакторе. Тепловой эффект ключевой реакции Н = 89500 Дж/моль. В целях пожарной безопасности оксид пропилена должен иметь конверсию не менее 99,9 %.

Расчет реакционного узла Материальный баланс реактора

C₃H₆ОC₃H₆ОC₃H₆О

C₃H₆О+Н2OC₃H₈O.2C₆H₁₄O.3C₉H₂₀O4…..

k1k2k3

Определим тепловой эффект реакции:

H₂₉₈ пг=-101,33 ккал/моль

H₂₉₈ оп=-22,17 ккал/моль

H₂₉₈ вод=-57,8 ккал/моль

Для реакции оксипропилирования тепловой эффект считается на 1 моль присоединенной окиси .Константы скоростей всех стадий равны.Тогда

тепловой эффект присоединения 1 моль окиси пропилена можно расчитывать

по формуле :

H_{хр =}H₂₉₈ пг- (H₂₉₈ оп+H₂₉₈ вод)

Hxp _{=-101.33+22.17+57.8=-21.36} ккал/моль=-89,5 кДж/моль

При промышленном соотношении ОП:Н2О=1:15 (мольн) и селективности процесса 85% мощность установки при работе 8000 часов в год составит :

Gпг=10000*1000/(3600*8000)=0,3472кг/с ;F_B= 0,045633 кмоль/с.

Находим потоки исходных веществ на входе в реактор:

F_А.0 =,0456/,85*1=5,3686*10^-3 кмоль/с

Мольный поток воды на входе

F_ВОД.0 =F_А.0 15=5,3686*10^-3*15=80.5290*10^-3 кмоль/с

F=F_А.0+F_ВОД.0 =86.8976 моль/с

Х_А.0 =6,25% ;X_ВОД.0 =93.75%

Массовый расход реагентов

G_оп.0 =F_А.0*М_А.0 =5,3686*10^-3*58.08=,3118 кг/с

G_вод.0 =F_вод.0*М_вод.0 =80.5290*10^-3 *18=1,4495 кг/с

Gсм =G_оп.0+G_вод.0 =,3118+1,4495=1,7613 кг/с

Х_А.0 (масс)=17,70% ;X_ВОД.0 =82,3%

Реакция идет до полной конверсии окиси пропилена Х_А.0 =1

Тепловый эффект химического процесса:

Q_хп =89,5*5,3686*1=480,5 кВт

Примем что на выходе из реактора условия таковы:

состав ПГ:H2O=1:14

Тогда на выходе имеем мольный состав:

F_пг=F_А.0 =5,3686 моль/с

F_ВОД. =F_пг* 14=75,1604 моль/с

Массовый состав

G_пг =F_пг*М_пг =5,3686*10^-3*76,09=,4085 кг/с

G_вод.=F_вод.*М_вод.0 =75,1604*10^-3 *18=1,3529 кг/с

Gсм =G_пг+G_вод=,4085+1,3529=1,7613 кг/с

Х_пг (масс)=23,19% ;X_ВОД. =76,81

Теплоемкость оксида пропилена:

Cp=-2.02+7.779*10^-2*T-4.75*10^-5*T²+1.152*10^-8*T³(кал/моль*К)

Пусть t_вх=140⁰С

Cp=22,82 кал/моль*К=95,62 Дж/моль*К

Cp_оп=1,646 кДж/кг*К

Cp_вод=4,2 кДж/кг*К

Cp_см =Х^*_{оп *}Cp_оп + Х^*_{вод *}Cp_вод

Cp_см =,177*1,646+,823*4,2=3,7479 кДж/кг*К

Адиабатический разогрев:

Tад =Q_хп/Cp_см*G_см

Tад =480,5/3,75*1,7613=73⁰С

Адиабатический разогрев небольшой, следовательно можно использовать адиабатический реактор.

Математическая модель

Кинетическая модель процесса :

Rок=К*[ок]*([H2O]+2*[гл])*( [H2O]+b*[гл])

Rвод=Rок*[H2O]/( [H2O]+b*[гл])

Rпг=Rок*([H2O]-b*[пг])/( [H2O]+b*[гл])

Rдпг=Rок*b*([пг]-b*[дпг])/( [H2O]+b*[гл])

где [ок]-оксид пропилена ; [H2O]-вода ; [гл]-гликоли (моно, ди и тд);

[пг]-пропиленгликоль ; [дпг]-дипропиленгликоль;

К=EXP(12.81-10673/T) л^2/мол^2*cек

b=2.3 –коэффициент распределения

Проверка правильности расчетов по программе PROEKT

Проверка производится путем сравнения расчетов по компьютерной программе и

расчетов вручную для двух случаев: изотермический реактор и адиабатический

реактор.

Изотермический реактор:

T=140⁰ С; 1/Соп=2,3919 моль/кг; Свод=4,7838 моль/кг;=911.1887 кг/м^3

Расчет по компьютерной модели дает следующий результат: время контакта при х =

0.86313 равно 450 сек.

Вручную расчет проводится при тех же начальных условиях:

Rок=К*[ок]*([H2O]+2*[гл])*( [H2O]+b*[гл])

К=EXP(12.81-10673/T) л^2/мол^2*cек

При T=140⁰ СK=2.1878*10^-6 л^2/мол^2*cек

_ dCок =Rok

dt

[ок]=Co*(1-X)

[гл]=Co*X

[H2O]=Coвод*(1-Хвод)

Хвод=Свод прореаг/ Coвод=Со*Х/Coвод=1/X

где X- конверсия оксида пропилена; Хвод- конверсия воды

Co-начальная концентрация оксида пропилена, моль/л

Coвод-начальная концентрация воды, моль/л

Сходимость времени контакта по программе PROEKTи рассчитанного вручную

составляет 99,8%.

Адиабатический реактор

T=140⁰ С; 1/Соп=2,3919 моль/кг; Свод=4,7838 моль/кг;=911.1887 кг/м^3

(при полной конверсии оксида пропилена)

По компьютерной модели Tад=194.81-140=54.81

При расчете вручную по формуле:

Tад=H1*Fok*X/(Gсм*Cp_см )=H1*Соп*Х/Cp_см

Tад=89,5*2,3919*1/3,9055=54,81

Сходимость температуры по компьютерной модели и рассчитанной вручную

составляет 100%.

Поскольку данные в двух случаях совпадают, то делаем вывод, что программе

PROEKTведет расчет правильно.

Математическая модель

Rox=K*[ок]*([H2O]+2*[гл])*([H2O]+b*[гл])

Rвод=Rox*[H2O]/([H2O]+b*[гл])

Rпг=Rox*([H2O]-b*[пг])/([H2O]+b*[гл])

Rдпг=Rox*b*([пг]-[дпг])/([H2O]+b*[гл])

K=EXP(12.81-10673/T) л^2/мол^2.сек; b=2.3