2.4 Расчет основного аппарата
В качестве основного аппарата - алкилатора - принят вертикальный цилиндрический полый аппарат со сферическими днищами, выполненный из углеродистой стали. Внутренняя поверхность аппарата футерована кислотоупорной плиткой. Сферические днища крепятся к обечайке при помощи плоских приварных фланцев с уплотнительной поверхностью типа «выступ - впадина». Реактор заполнен смесью бензола с продуктами реакции и жидким алюминиевым комплексом (ЖАК). Исходное сырье (свежий и возвратный бензол, этиленовая фракция, возвратный диэтилбензол и ЖАК) попадают в нижнюю часть алкилатора через распределительный коллектор. Жидкие продукты (алкилат) отводят через один из боковых штуцеров. Парогазовая смесь выводится через штуцер в верхнем днище аппарата.
Избыточное тепло отводится за счет испарения части бензола при температуре 90°С, то есть процесс ведут при кипении реакционной массы.
Техническая характеристика алкилатора:
Диаметр стальной обечайки внутренний – 2400 мм;
Толщина стенки обечайки – 14 мм;
Толщина футеровки – 80 мм;
Высота цилиндрической части – 11800 мм;
Высота общая – 15000 мм;
Вместимость аппарата:
полная – 50 м3;
полезная–38±2м3;
Производительность по этилбензолу в расчете на 1 м3алкилатора – 180-200 кг/ч
Число аппаратов для обеспечения заданной производительности (при минимальной вместимости алкилатора):
n=
шт.
Таким образом, необходимо установить два аппарата, соединенные параллельно.
2.5 Расчет теплового баланса алкилатора
Исходные данные:
– материальные потоки, кмоль/с:
этиленовая фракция 278,72/(2•3600)=0,0387;
технический бензол 459,9/(2•3600) =0,0639;
диэтилбензол 19.4/(2•3600) =0,0027;
отходящие газы 258.82/(2•3600) = 0,0359;
жидкий алкилат 489.36/(2•3600) = 0,0679;
– температура, °С:
на входе в алкилатор - 20;
на выходе из алкилатора - 90,
Цель теплового расчета определение количества испарившегося бензола в алкилаторе.
Уравнение теплового баланса аппарата в общем виде:
Ф1 + Ф2 + Ф3 + Ф4 = Ф5 + Ф6 + Ф7 + Ф8 + Фпот,
где Ф1,Ф2,Ф3,Ф5,Ф6,Ф7 тепловые потоки этиленовой фракции, жидкого бензола, диэтилбензола, отходящих газов, алкилата и паров бензола соответственно, кВт;
Ф4 - теплота экзотермических реакций, кВт;
Ф8 - расход теплоты на испарение бензола, кВт.
Для определения значений Ф1 и Ф5 рассчитывают средние молярные теплоемкости этиленовой фракции при температуре 20+273=293 К
и отходящих газов при 90+273=363 К.
Таблица 4
Средние молярные теплоемкости
Компонент |
Xi,% |
С i , Дж /(моль • К) |
С i • Xi /100,Дж /(моль • К) |
Этиленовая фракция: Метан СН4 |
16.8 |
34.7 |
5.8296 |
Продолжение таблицы 4. Средние молярные теплоемкости.
|
|||
Ацетилен С2Н2 |
1.2 |
43.7 |
0.5244 |
Этилен С2H4 |
53.0 |
43.82 |
23.2246 |
Этан С2Н6 |
15.9 |
52.09 |
8.28231 |
Пропилен С3Н6 |
6.0 |
63.55 |
3.8130 |
Водород H2 |
2.3 |
28.82 |
0.66286 |
Азот N2 |
3.3 |
29.13 |
0.96129 |
Кислород O2 |
0.9 |
28.06 |
0.25254 |
Оксид углерода CO |
0.6 |
29.07 |
0.17442 |
Всего: |
100.0 |
– |
43.72502 |
Отходящие газы: Метан СН4 |
41.64 |
39,12 |
16.3013 |
Этилен С2Н4 |
1.36 |
50,62 |
0.68843 |
Пропилен С3Н6 |
39.41 |
61,69 |
24.31203 |
Водород H2 |
5.70 |
28,84 |
1.64388 |
Азот N2 |
8.18 |
29,43 |
2.4737 |
Кислород О2 |
2.22 |
29,83 |
0,66223 |
Оксид углерода CO |
1.41 |
29,55 |
0.41665 |
Всего: |
100.0 |
– |
46.49822 |
Тепловой поток этиленовой фракции:
Ф1
=
кВт
Тепловой поток отходящих газов:
Ф5=
кВт
Тепловой поток технического бензола:
Ф2
= (0,0639+n6)
134,218
20
=171,53+2684,36
n6
кBт
где n6 – количество циркулирующего бензола в системе холодильник – конденсатор – алкилатор, кмоль/с.
Определяем тепловой поток диэтилбензола, значение молярной теплоемкости диэтилбензола находим по справочнику:
Ф3
=
кBт
Рассчитываем теплоты реакций (1) – (7), кДж/моль, приведенные в табл. 5.
Таблица5
Реакция |
∆H0298=∑∆H0298 -∑ ∆H0298(исх) |
C6H6+C2H4 -> C6H5-C2H5 |
-12,48-49,03-52,30=-113,81 |
C6H4-(C2H5)2+C6H6-2C6H5-C2H5 |
2 • (- 12,48 -49,03-(-72,35)) = -1,64 |
C6H6+2C2H4 -> C6H4-(C2H5)2 |
-72,35-49,03-2•52,30=-225,98 |
C6H6+3C2H4 -> C6H3-(C2H5)3 |
-122,63-49,03-3•52,30=-328,56 |
C6H6+4C2H4 -> C6H3-(C2H5)4 |
-174,54-49,03-4•52,30=-432,77 |
C6H6+C3H6 -> C6H5-C3H7 |
-41,24-49,03-20,41 =-110,68 |
2C6H6+C2H2 -> (C6H5)2-C2H4 |
-297,31-2•49,03-226,75=-27,50 |
2C6H6+CO -> (C6H5)2-CHOH |
-46,17-2•49,03-(-110,53)= -33,70 |
Рассчитываем теплоту экзотермических реакций.
Ф4
кBт
Общий приход теплоты составляет:
Фприх=33,843+171,53+2684,36
n6+19,929+
=3968,706+2684,36
n6
кBт
Для определения теплового потока алкилата рассчитываем его среднюю молярную теплоемкость при температуре 363 К:
Сm=152,07 0,64+186,56 0,247+396,06 0,061+464,46 0,012+ 559,86 0,002+321,36 0,034+415,94 0,002+94,48 0,001=184,465 Дж/(моль×К)
Тепловой поток жидкого алкилата:
Ф 6=0,0679 184,465 90 =1127,266 кВт
Тепловой поток паров бензола:
Ф 7=101,77 90 n6 = 9159,3 n6 кВт
Расход теплоты на испарение бензола:
Ф8=78 391,3 n6 = 30521,4 n6 кВт
Принимаем, что потери в окружающую среду составляют 3% от
общего прихода теплоты:
Ф пот = 0,03 (3968,706+2684,36 n6) = 119,061 + 80,53 n6 кВт
Общий расход теплоты:
Фрасх=150,236+ 1127,266 + 9159,30 n6 +30521,4 n6 + 119,061 + 80,53 n6 =1396,563+39761,23 n6 кВт
Массовое количество циркулирующего бензола находится из условия равенства прихода и расхода теплоты:
3968,706+2684,36 n6=1396,563+39761,23 n6
37076,87× n6=2572,143
n6 = 0,06937 кмоль/с
Масса бензола, испаряющегося на стадии алкилирования:
0,06937 2 3600=499,464 кмоль/ч или 38958 кг/ч,
что составляет 38958/13000=2,99 т на 1 т получаемого этилбензола и соответствует оптимальному технологическому режиму.
Всего в алкилатор подают бензол (с учетом циркулирующего бензола):
459,9+499,464=959,364 кмоль/ч или 74830,392 кг/ч
Общее массовое количество отходящих газов (с учетом испаряющегося бензола):
112.453+499,464=611,917 кмоль/ч или 38551 кг/ч
Составляем материальный баланс стадии алкилирования (табл 6)
Приход |
кмоль/ч |
кг/ч |
Расход |
кмоль/ч |
кг/ч |
Технический бензол, в т.ч.: |
959.42 |
74831.392 |
Отходящие газы |
611,917 |
38551 |
Чистый бензол |
959.364 |
74830.392 |
Алкилат |
489.36 |
43970.38 |
Продолжение таблицы 6. Составление материального баланса стадии алкилирования
|
|||||
примеси |
0.056 |
1.0 |
|
|
|
Этиленовая фракция |
278.72 |
7513.29 |
|
|
|
Диэтилбензол |
19.4 |
2600 |
|
|
|
Хлорид алюминия |
0.97 |
130 |
|
|
|
Всего: |
1258.566 |
85075.682 |
Всего: |
1101.277 |
82521.38 |
Невязка баланса:
По рассчитанному массовому количеству испаряющегося бензола уточняют тепловые потоки:
Ф2 = (0,0639+0,06937) 134,218 20=357,745 кВт
Ф7 =0,06937 101,77 90=635,381 кВт Ф8 =0,06937 78× 391,3 =2117,270 кВт
Тепловой поток отходящих газов:
150,236+635,381=785,617 кВт
Составляем тепловой баланс алкилатора (табл.7). Значение Фпот определяем по разности прихода и расхода теплоты.
Таблица 7
Тепловой баланс алкилатора
Приход |
кВт |
% |
Расход |
кВт |
% |
Тепловой поток этиленовой фракции
|
33.843 |
0.8 |
Тепловой поток отходящих газов
|
785.617 |
18.9 |
Тепловой поток технического бензола
|
357.745 |
9.0 |
Тепловой поток алкилата
|
1127.266 |
27.1 |
Тепловой поток диэтилбензола
|
19.929 |
0.4 |
Расход теплоты на испарение бензола
|
2117.270 |
50.9 |
Тепловой поток процесса
|
3743.404 |
90.0 |
Теплопотери в окружающую среду
|
124.772 |
3.1 |
Всего: |
4154.921 |
100,0
|
Всего: |
4154.921 |
100,0
|