5.1.1.2. Расчет эксергетического кпд реактора дегидрирования изопропилбензола.

В расчете используется приближенный метод оценки.

Исходные данные: В реактор из камеры смешения поступает: изопропилбензола - 1,11 кг/с (4000 кг/ч); водяного пара - 3,33 кг/с (12000 кг/ч). Водяной пар является внутренним теплоносителем. Температура водяного пара на входе в зону реакции Т₁=903 К (630°С). Энтальпия водяного пара на входе i₁=3770,4 кДж/кг. Температура водяного пара на выходе Т₂ равна температуре кон­тактного газа Т₄. Температура контактного газа Т₄ на выходе из ре­актора определяется расчетом. Масса контактного газа, покидающего реактор, 4,44 кг/с (16000 кг/ч), в том числе:

• изопропилбензола - 0,589 кг/с (2120 кг/ч);

• a-метилстирола - 0,522 кг/с (1880 кг/ч);

• водяного пара - 3,33 кг/с (12000 кг/ч).

Состав контакного газа в массовых долях:

• изопропилбензола - 0,1325;

• a-метилстирола - 0,1175;

• водяного пара - 0,75.2

Тепловой эффект реакции дегидрирования k_t

С₆Н₅СН(СН₃)₂ С₆H₅C(CH₃) = CH₂ + H₂;

q=950,11 кДж/кг (cуммарный) Степень конверсии x=0,47.

Рис. 5.2. Схема материальных потоков в реакторе

При расчете реактора не учитываем побочные реакции, так как селективность процесса составляет 98%, а теплофизические свойства продуктов реакции очень близки. Условно считается, что в контакт­ном газе присутствуют три основных компонента: изопропилбензол; α-метилстирол, водяной пар. Схема материальных потоков приведена на рис. 5.2.

Находим количество тепла, необходимое для осуществления реак­ции дегидрирования: 1880·950,11 = 1786,207 МДж/ч = 496,17 кВт.

Для нахождения температуры контактного газа на выходе из реак­тора предварительно определим энтальпию контакного газа. С этой целью используем уравнение энергетического (теплового) баланса ре­актора. В реактор приходит тепло с водяным паром: 12000·3770,4 = 45244,8 МДж/ч = 12568 кВт.

Тепло приходит с изопропилбензолом в количестве

4000·1559,65 = 6238,6 МДж/ч = 1732,94 кВт.

Следовательно, общее количество поступающего тепла

45244,8 + 6238,6 = 51483,4 МДж/ч = 14300,94 кВт.

Определяем энтальпию контактного газа на выходе из реактора

i₂ = = 3220,93 кДж/кг.

Для нахождения температуры контактного газа на выходе из ре­актора вычисляем значение энальпии при нескольких температурах, начиная с 723 К (450°C) до 873 К (600°С). Расчет осуществляем по формуле

i = , (5.8)

где i_i - энтальпия соответствующего компонента, кДж/кг; x_i - массовая доля соотвествующего компонента.

Результаты расчета сводим в табл.5.1.

Таблица 5.1.

Энтальпия контактного газа

Температура, К	723	743	823	873
Энтальпия, кДж/кг	2799,50	2843,16	3012,6	3120

На основании рассчитанных данных строим график зависимости энтальпии контактного газа от температуры i = f(T). С помощью графика (рис. 5.3) по найденному ранее значению эн­тальпии i2 вычисляем температуру Т2. Найденной энтальпии соответствует температура Т2=Т4=853 К (580°С). Эксергия тепла водяного пара, охлаждающегося от темпера­туры Т1 до Т2,

Рис. 5.3. Зависимость энтальпии контактного газа от температуры

Е₁ = 12000(3770,4 - 3671,16 - 298·0,1119) = 790,725 МДж/ч = 219,6 кВт,

где 3671,16 - энтальпия водяного пара при Т₂, кДж/кг; 0,1119 - из­менение энтропии водяного пара, кДж/(кг·К).

Эксергия превращенного изопропилбензола определяется по фор­муле (5.6)

Е₂ = 4000·0,47[950,11 - 298(5,537 - 3,2537)] = 507,01 МДж/ч = 140,83 кВт,

где 5,537 - энтропия изопропилбензола при температуре Т₃=903 К (630°С). 3,2537 - энтропия α-метилстирола при 298 К(25°С), кДж/(кг·К).

Эксергетический КПД η_э = = 0,6413 или 64,13%.

Для контактного узла, включающего реактор и камеру смешения, эксергетический КПД равен , (5.9)

где Е_отв - эксергия тепла, воспринятого шихтой при ее нагре­вании от температуры 763 К (490°С) до температуры реакции 903 К (630°С) и прореагировавшим изопропилбензолом; Е_под - эксергия теп­ла, отданного водяным паром в камере смешения в зоне реактора;

Е_отв = 1243,2+506,38 = 1749,58 МДж/ч = 485,99 кВт;

Е_под = 1404,5+790,564 = 2195,06 МДж/ч = 609,74 кВт.

Следовательно, эксергетический КПД

η_э = = 0,797 или η_э = 79,7%.