2) Рассчитаем производительность установки по уравнению (5.1):

кг/ч.

С учетом того, что молярная масса этанола равна 46 кг/кмоль, мольный расход этанола составляет кмоль/ч.

Объем катализатора, загружаемого в реактор, составляет 11,7 м³ (взято из технического отчета лаборатории ВНИИОС, Москва 1975г.).

Используя данные по производительности катализатора и его объему в реакторе, рассчитаем производительность одного реактора 230·11,7=2691 кг/ч.

Количество реакторов, необходимое для обеспечения мощности цеха, таким образом, составляет 2409,9/2691=0,9.

Принимаем для работы один реактор.

3) Схема материальных потов реактора гидратации этилена (рисунок 4):

Рисунок 4 – Схема материальных потоков реактора гидратации

4) Расчет материальных потоков реактора

Найдем количество подаваемого в реактор этилена.

Исходя из уравнения реакции и с учетом стехиометрических коэффициентов, мольный расход этилена равен 52,4 кмоль/ч.

Молярная масса этилена равна 28 кг/кмоль.

С учетом конверсии и селективности по этанолу, рассчитаем мольный расход этилена на входе в реактор по формуле (5.4):

кмоль/ч.

Массовый расход этилена при этом составляет

кг/ч.

С учетом технологических потерь, составляющих 5% этилена, массовый расход этилена на входе в реактор составляет

кг/ч.

Тогда мольный расход этилена на входе в реактор по формуле (5.3) равен

кмоль/ч.

Массовое соотношение водяной пар/этилен составляет 0,4/1, следовательно, количество водяного пара подаваемого в реактор будет равно

кг/ч.

Молярная масса воды равна 18 кг/кмоль, тогда мольный расход водяного пара составляет кмоль/ч.

Количество этилена, израсходованного в процессе, составляет

кмоль/ч, или кг/ч.

Таким образом, на выходе из реактора количество этилена составляет кг/ч.

Рассчитаем количество побочных продуктов, образующихся в ходе процесса. Расчет осуществляется на основе данных по селективности и стехиометрическим коэффициентам соответствующих реакций:

, (5.5)

где - количество образующегося продукта, кмоль/ч;

- количество этилена, израсходованного в процессе, кмоль/ч;

- селективность по данному продукту, доли единицы;

ν – стехиометрический коэффициент соответствующего компонента.

Диэтиловый эфир образуется по следующей реакции

2С₂Н₄ + Н₂О ↔ (С₂Н₅)₂О

Мольное количество диэтилового эфира составляет

кмоль/ч;

массовое количество диэтилового эфира при этом равно

кг/ч.

Ацетальдегид и этан образуются по реакции

2С₂Н₄ + Н₂О ↔ СН₃СОН + С₂Н₆

Мольное количество ацетальдегида равно мольному количеству этана и составляет кмоль/ч.

Массовое количество этана равно кг/ч; массовое количество ацетальдегида кг/ч.

Полимеры образуются по реакции

n (СН₂ = СН₂ ) ↔ (–СН₂ – СН₂ –)_n

Массовый расход полимеров в процессе равен

кг/ч.

Расход водяного пара на все реакции составляет

кмоль/ч;

кг/ч.

Таким образом, на выходе из реактора расход водяного пара составляет

кг/ч.

Поскольку конверсия этилена составляет всего 4,5%, то необходимо возвращать не прореагировавший этилен в реактор, а для поддержания определенной концентрации этилена в циркулирующем газе необходимо выводить из системы накапливающиеся примеси, поступающие с прямым газом и образующиеся с побочными реакциями.

Произведем расчет количества и состава поступающего и отводимого газа.

Инертные примеси удаляют из системы двумя путями: с отдуваемым газом высокого давления после отмывочного скруббера и в виде отдувок низкого давления из емкости промежуточного хранения водно-спиртового конденсата (ВСК). Вместе с отдуваемыми примесями из системы выводится этилен, поэтому количество требуемого свежего этилена больше количества конвертируемого и зависит от количества отдувок.

Количество отдувок низкого давления (S) исходя из заводских данных, составляет 0,2-0,3% от подаваемого этилена:

кг/ч.

Записываем уравнения материального баланса по этилену и этану.

Материальный баланс по этилену:

, (5.6)

материальный баланс по этану:

, (5.7)

где – количество конвертируемого этилена, =1552,6 кг/ч;

В – количество подаваемой этиленовой фракции, кг/ч;

V – количество отдуваемого газа высокого давления, кг/ч;

S – количество газа, растворенного в ВСК (отдувки низкого давления), S=108.7 кг/ч;

– количество образующегося этана, =18.0 кг/ч;

–массовые доли этилена в свежем техническом этилене, в циркулирующем газе и в отдувках низкого давления, соответственно. По данным установки синтеза этилового спирта, мольные доли этилена в приведенных фракциях составляют x=0,98, у=0,92, z=0,97, соответственно.

Пересчет мольных долей в массовые производится по формуле:

, (5.8)

где - массовая доля i-го компонента;

M_i - молярная масса i-го компонента;

- мольная доля i-го компонента.

Тогда массовые доли этилена в перечисленных фракциях составляют:

; ;

.

Решая систему уравнений (5.6) и (5.7), находим количество отдувок высокого давления и количество свежего этилена, которое необходимо подать в реактор.

B=2421,9 кг/ч, в том числе этилена 2421,9·0,9786 = 2370 кг/ч;

V=778,6 кг/ч, в том числе этилена 778,6·0,9148 = 712,2 кг/ч.

Состав и количество свежей этиленовой фракции, а также отдувок высокого и низкого давления представлены в таблицах 4, 5 и 6, соответственно.

Таблица 4 - Состав и количество свежей этиленовой фракции

Компонент	Количество, кг/ч	Состав, % масс
Этан	51,9	2,14
Этилен	2370	97,86
Итого	2421,9	100

Таблица 5 - Состав и количество отдувок высокого давления

Компонент	Количество, кг/ч	Состав, % масс
Этан	66,4	8,52
Этилен	712,2	91,48
Итого	778,6	100

Таблица 6 - Состав и количество отдувок низкого давления

Компонент	Количество, кг/ч	Состав, % масс
Этан	3,5	3,21
Этилен	105,2	96,79
Итого	108,7	100

Количество циркулирующего этилена составит :

, (5.9)

кг/ч.

Состав и количество циркулирующего газа приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Состав и количество циркулирующего газа

Компонент	Количество, кг/ч	Состав, % масс
Этан	3153,3	8,52
Этилен	33857,1	91,48
Итого	37010,4	100

5) Сводная таблица материального баланса реактора приведена в таблице 8.

Таблица 8 - Сводная таблица материального баланса реактора гидратации этилена

Приход			Расход
Компонент	кг/час	%, масс	Компонент	кг/час	%, масс
Свежая фракция			Этанол	2409,9	4,73
Этан	51,9	0,1	Эфир	51,8	0,10
Этилен	2370	4,6	Этан	18	0,04
Водяной пар	14490,9	26,9	Ацетальдегид	27,4	0,05
Циркулирующая фракция			Полимеры	15,5	0,03
Этан	3153,3	5,8	Водяной пар	13524,3	24,98
Этилен	33857,1	62,6	Отдувки ВД
			Этан	66,4	0,13
			Этилен	712,2	1,39
			Отдувки НД
			Этан	3,5	0,01
			Этилен	105,2	0,20
			Циркулирующая фракция
			Этан	3153,3	5,83
			Этилен	33857,1	62,57
Итого	53944,6	100,0		53944,6	100,00

Далее материальный баланс продолжается расчетом количества уносимой из реактора кислоты. Расчет проводится по эмпирическому уравнению:

, (5.10)

где - объемная скорость подачи, ч^-1;

- весовое отношение воды к циркулирующему этилену.

Заканчивается материальный баланс расчетом процесса конденсации. Этот расчет представлен в разделе 7.4.